CN2740785Y - 一种喷射燃式发动机 - Google Patents

Abstract

一种喷射燃式发动机。本实用新型属于燃气式发动机，特别是改进的喷射燃式发动机。本装置的特点是在现有气缸盖上装有一喷燃体，喷燃体结构为在壳体空腔中分别装有耐热材料制备的预热室、燃烧室和火焰缓冲区，该三部分耐热材料腔之间的间隙为变窄喉管，壳体中所设的储气室通过气道连通喉管，储气室通过单向阀与发动机进气道相通，火焰缓冲区与气缸进气口连通，预热室与喷油嘴连通。本发动机结构简单，可减少热量损失，在提高热效率的同时，可以简化冷却机构，可提高燃烧质量，提高中小负荷下的燃油经济性，减少对曲轴的压力，增加输出扭矩。

Description

一种喷射燃式发动机

技术领域

本实用新型属于燃气式发动机，特别是改进的喷射燃式发动机。

技术背景

传统汽油机的工作原理是：在进气冲程吸入汽油和空气的混合气，然后进行压缩，在压缩上止点前某时刻通过火花塞点燃混合气作功。由于受到汽油自身化学特性的限制，其压缩比不能过高，否则会出现严重的爆震现象，因此其热效率低于柴油机。

传统的柴油机的工作原理是：吸入和压缩的是空气，在压缩终了气缸内的温度超过柴油的自燃温度，在上止点前某时刻喷入柴油时，边混合边燃烧。但由于在上止点前一次全部喷入柴油，混合气形成的时间很短，柴油很难充分燃烧。其压缩比虽然比汽油机高，但也不能进一步提高，否则其爆发压力过大，会对机件造成损害，这种现象称之为“工作粗暴”。

上述两种发动机的燃烧室都是由气缸盖、气缸壁、活塞所围成的空间组成，燃气在其中燃烧时，为了保证活塞等运动机件不至于过热而卡死，必须有相应的冷却机构，有相当一部分热量被冷却机构带走了，不能有效地转化成机械功率。为了减少热量的散失，混合气都是在缸内活塞刚越过上止点后瞬间燃烧，这时虽然爆发力很大，但由于此时活塞刚越过上止点，大部分作用力通过活塞连杆后都被曲轴抵消了，能形成扭矩的力很小，提高压缩比和燃烧爆发力只会增加曲轴的负担，对提高动力和扭矩并没有太大的帮助。

从现有对发动的改进方法来看，主要集中在三个方面：一是改善燃油在气缸中的雾化效果，譬如采用预燃室技术，采用提高喷油压力技术，改进气缸顶的燃烧室形状等等。二是采用计算机控制燃油喷射技术和控制点火等技术，以提高喷油量和点火正时的准确性。三是采用稀薄燃烧技术，以提高燃油的经济性。但这些技术由于受到传统发动机本身结构的缺陷和工作原理的限制，在提高大量成本之后收到的效果并不是很大。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种新型的喷射燃式发动机，其结构简单，可减少热量损失，在提高热效率的同时，可以简化冷却机构，可提高燃烧质量，提高中小负荷下的燃油经济性，减少对曲轴的压力，增加输出扭矩。

解决本实用新型的技术问题所采用的方案是：在传统的主要由气缸、活塞、曲轴机构组成的发动机基础上，在气缸盖上安装一喷燃体。该喷燃体的结构为，在其壳体的空腔中分别装入由耐热材料制成的预热室、燃烧室和火焰缓冲区三个耐热腔体，该三部分耐热腔之间的间隙为变窄喉管，即文氏管。壳体中的剩余空间为储气室，它通过气道连至各喉管处，储气室还通过单向阀与发动机进气道相通，耐热材料的火焰缓冲区与气缸进气口连通，而预热室则与喷油嘴连通。

本实用新型所采用的上述技术方案可达到以下效果：

(1)通过分离式的燃烧室使混合气在缸外燃烧，由于专门的燃烧室中没有运动的机件，便于采用一些耐热保温的材料制造，最大限度地减少了热量的损失。

(2)由于专门的燃烧室内压缩终了时的温度很高，无论喷入的是现有的哪一种燃料，燃料喷入后都能很快自燃，不用专门的点火机构。

(3)不受燃料爆燃等因素影响，可以最大限度地提高压缩比，还可以在不预先混合的前提下，方便地同时使用性质不同的燃料。

(4)降低了气缸中的气体温度，减少了热量的散失，在提高热效率的同时，可以简化冷却机构，甚至可以取消专门的水冷或油冷机构。

(5)改变了气压作用的时间，减小了对曲轴的压力，增加了输出的扭矩。

(6)采用了高压喷射、高温加热雾化、燃烧中二次进气的方法，最大限度地提高了燃烧质量。同时由于其结构的特殊性，喷入很少量燃油也能燃烧，大大减提高了中小负荷下的燃油经济性。

(7)能最大限度地利用现有发动机的成熟技术，结构的移植性和兼容性好，研发经费少，设备投资少，经济效益高。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的进气过程工作原理示意图；

图3为本实用新型的压缩过程工作原理示意图；

图4为本实用新型的做功过程工作原理示意图；

图5为本实用新型的排气过程工作原理示意图。

图中各标号依次表示：气门弹簧1、弹簧座2、辅助进气门3、喷油嘴4、耐热材料5、壳体6、喉管7、气道A、辅助燃料入口B、火焰缓冲区C、燃烧室D、储气室E、预热室F。

具体实施方式

参见图1，本喷射燃式发动机是在传统发动机的气缸盖上安装一喷燃体，该喷燃体的结构为，在其壳体6的空腔中从上到下依次分别装入预热室F、燃烧室D和火焰缓冲区C三个腔室，该三部分由耐热材料5制成，它们之间的间隙为变窄喉管7，即文氏管，当有流体从喉管7处流过时，可产生负压。壳体6中除了预热室F、燃烧室D和火焰缓冲区C占据的空间外，剩余空间为储气室E，它通过气道A连至各喉管7处。储气室E还通过单向阀与发动机进气道相通，耐热材料制成的火焰缓冲区C与气缸进气口连通，而预热室F则与喷油嘴4连通。

为了能同时使用两种燃料，并能减少燃料供给系的能量消耗，在预热室F与燃烧室D间的喉管处设有辅助燃料入口B。在本实施例所述的喷射燃式发动机中，由壳体6、预热室F、燃烧室D、火焰缓冲区C以及单向阀组成的空间总容积与汽缸燃烧室容积相当，耐热材料5内部各室(预热室F、燃烧室D和火焰缓冲区C)的容积与总容积的比例在30％～60％之间，耐热材料5可采用改性陶瓷或陶瓷合金。图1所示的本例的单向阀由气门弹簧1、弹簧座2、辅助进气门3连接组成，喷油嘴4的油孔孔径选择0.2mm～0.8mm。

本实用新型装置的工作原理如图2～5所示：

一、进气过程：当四冲程柴油机的活塞处于进气冲程时，原发动机进气门打开，开始进气。气缸中的压力低于进气管中的压力，本装置的辅助进气门3的上方与发动机的进气管相通，火焰缓冲区C的下部与气缸相通。在压力差的作用下辅助进气门3克服气门弹簧1的弹力而打开，发动机进气管中的空气在通过正常渠道进气的同时，空气还可通过辅助进气门3、储气室E和气道A，流经燃烧室D和火焰缓冲区C进入气缸中。新进入的空气可以扫除残留在燃烧室D中的废气。

二、压缩过程：当四冲程柴油机的活塞处于压缩冲程时，发动机进、排气门关闭，气缸内的压力提高，在气压作用下，本装置的辅助进气门3关闭。本装置与气缸形成一个密封腔。随着活塞从下止点向上止点运动，气缸中的空气被压入本装置的储气室E、气道A、燃烧室D、预热室F和火焰缓冲区C中。压缩终了时，在增大压缩比的情况下，本装置中各室的气体温度高于普通柴油机的燃烧室中的温度。

三、作功冲程：当四冲程柴油机的活塞到达压缩上止点时，喷油嘴4向缸内喷入燃油，此时喷入的燃油约为普通柴油机同功率条件下的1/4至1/2。由于预热室F的气温和耐热材料5的温度比普通柴油机高，喷入的燃料能迅速气化，在喷油压力作用下以较高速度冲入燃烧室中。在预热室F下方为文氏喉管7结构，当燃料蒸气快速流过时，将在喉管7部位会形成负压，此负压可以吸入储气室E中的空气，进一步加强燃料的混合和蒸发，此时形成浓混合气。当浓混合气进入到燃烧室D中时，遇高温空气而迅速燃烧膨胀，由于喷入的燃料少于普通柴油机，此时燃烧室中的压力比普通柴油机燃料喷入后的压力低20％左右。在此高压作用下，燃气以较高的流速通过火焰缓冲区进入气缸，推动活塞向下运动作功。由于燃烧室下方也是喉管结构，当燃气流经时，也会在喉管部位形成负压，将储气室E中的空气吸尽，同时在此负压作用下吸开辅助进气门3二次吸入空气。剩余的油料被喷油器持续喷入，此时燃烧室内的温度很高，又有被二次吸入的空气，可以持续稳定燃烧。燃烧的气体进入火焰缓冲区C中，未燃尽的很少部分燃料可以继续充分燃尽。燃气进入气缸时，体积变大，流速降低，压力增大。由于有被二次吸入的空气的冷却，此时的温度比普通柴油机低40％左右。当停止喷油后，燃烧室D中的燃烧气流停止，喉管7处的负压消失，辅助进气门3在压力和弹簧1弹力作用下关闭。活塞在燃烧废气剩余压力作用下继续膨胀作功，直到下止点前排气门打开为止。如果使用两种燃料，比如柴油和汽油、柴油和酒精、柴油和天燃气等，可以选择柴油为喷射燃料，另一种燃料可以通过设在喉管7处的辅助燃料入口B被吸入，不用事先将两种燃料进行混合。特别是用柴油和酒精作为燃料，能充分发挥两种燃料各自的特点，对减少大气污染具有很好的现实意义。

四、排气冲程：与普通发动机的排气过程完全一样。

本新型实用装置的积极效果：

1、传统发动机相比，其燃烧室独立于气缸之外，不受运动机件的限制和影响，制造材料的选择余地更大，可以尽可能地选择耐热性好，导热性差的材料，以保证尽量减少热损失。其结构强度也可由包围在外部的金属层来保证。燃烧后进入气缸的废气温度比普通发动机低，因此从缸壁散发的热量比传统发动机少。可以选择低强度的冷却系统。带来的好处是在提高热效率的同时，降低了散热的能耗。

2、由于采用了特殊的燃烧室形状，燃料燃烧越快越猛烈，形成的喷射气流越强，吸入的空气越多，燃烧越充分，对推动活塞作功越有利。因此不存在普通发动机爆震和工作粗暴的影响，可以进一步提高压缩比，以进一步提高发动机的热效率，同时提高其低温起动性能。

3、由于减少了初始供油量，既便在高压比下，也不会因混合气爆发压力过大而对相关机件造成损害。由于燃料集中在耐热层内燃烧，耐热层内的容积只占总压缩容积的1/2左右，因此，当初次喷入少量燃油时，形成的混合气浓度仍然可以达到可燃浓度。而且由于提高了压缩比，耐热层内壁温度又很高，在普通发动机燃烧室中不能燃烧的稀薄混合气，在这种环境中也能燃烧。这对于降低中小负荷，特别是怠速工况的油耗将起到关键作用。

4、由于采用了二次进气结构，一方面，吸入的空气流对燃料的充分气化燃烧非常有利。另一方面，吸入的空气使燃烧更彻底，能大大降低一氧化碳的含量。第三方面，吸入的冷空气冷却了耐热层外壁的金属层，提高了金属的强度，同时减少了热量的散失。第四方面，处于火焰缓冲区上方吸入的冷空气能明显降低火焰的温度，使进入气缸的气体温度降低，减少了缸壁热传导损失，在提高热效率的同时，这对于降低废气中的二氧化氮、碳氢化合化等有害份很有帮助。

5、由于喷燃体采用类似于喷气式发动机的喷射燃烧结构，在发动机高速运转时，燃烧后的废气在喉管处会形成速度很高的气流，但当气流喷入气缸时，由于气缸直径比喷口直径大得多，气流一但进入缸体中，会由于体积膨胀而使温度下降，压力增大。二次被吸入的冷空气也会降低气温，因此，气缸中的机件不会因过热而损坏。也正因为缸内的气温远低于普通发动机，使得活塞在整个作功冲程的前三分之一甚至二分之一以上的行程内，燃烧室仍然在喷射燃烧成为可能。由于此时活塞已远离上止点，此时活塞上方的压力虽然比普通发动机低，但相对于发动机的曲柄连杆而言，但所形成的扭矩却大得多。因而能较大程度地改进普通发动机的扭矩特性。

6、由于采用了喉管吸气结构，因此能方便地吸入第二种不同的燃料，而不用在喷射前对燃料进行混合或加压，大大简化了第二燃料的供给方式。吸入的燃料直接进入高温燃烧室，就象在高温的火炉中加入燃油一样，不存在如何点燃的问题。这对于采用酒精之类的清洁燃料很有现实意义。既便只用柴油一种燃料，也可能只对其一半或更少进行加压喷射，而另一半采用吸入式供油，这有利于减少燃料供给系的能量消耗。

7、本新型实用发明结构简单，对现有发动机的改动量小，一方面有利于充分利用现有发动机的成熟技术，降低开发研制成本。二方面有利于利用现有发动机生产线迅速形成生产力，生产出成熟产品。第三方面自身结构简单，生产成本低，维修方便，可靠性高。

综上所述，本新型实用装置通过对传统发动机结构的局部创新和调整，对其工作原理作了的较大改进，能使现有发动机在热效率、扭矩特性、油耗、低污染等方面有较大改善。具有结构简单，成本低，可靠性高等特点，具有较高的经济价值，社会价值和发展潜力。

Claims (5)

1、一种喷射燃式发动机，主要由气缸、活塞、曲轴机构组成，其特征是在气缸盖上装有一喷燃体，喷燃体结构为在壳体空腔中从上到下依次分别装入预热室、燃烧室和火焰缓冲区这三个由耐热材料制备的腔室，该三部分耐热材料腔之间的间隙为变窄喉管，壳体中所设的储气室通过气道连通喉管，储气室通过单向阀与发动机进气道相通，火焰缓冲区与气缸进气口连通，预热室与喷油嘴连通。

2、按权利要求1所述的喷射燃式发动机，其特征是在预热室与燃烧室间的喉管处设有辅助燃料入口。

3、按权利要求2所述的喷射燃式发动机，其特征是由壳体、预热室、燃烧室、火焰缓冲区以及单向阀组成的空间总容积与汽缸燃烧室容积相等，耐热材料内部各室的容积与总容积的比例在30％～60％之间。

4、按权利要求3所述的喷射燃式发动机，其特征是耐热材料采用改性陶瓷或陶瓷合金，单向阀由气门弹簧、弹簧座、辅助进气门连接组成。

5、按权利要求4所述的喷射燃式发动机，其特征是喷油嘴的油孔为0.2mm～0.8mm。

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