专利名称：变压缩比绝热陶瓷燃气分配活塞发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机，具体涉及一种活塞式发动机的改进。
传统活塞发动机中效率较高、得到普遍应用的主要有汽油机和柴油机。汽油机和柴油机的热循环都是在同一个气缸内进气和压缩，然后进行等容燃烧，再进行作功和排气的热力循环，它存在四个行程进气、压缩、作功和排气。
汽油机在压缩空气之前先通过化油器或者燃油喷射器将燃料和空气进行混合，然后在气缸中进行压缩；在压缩到接近最小容积时，火花塞点火，燃料燃烧，以提高气缸内气体的温度和压力；在随后的作功行程中，高压燃气推动活塞向外作功。
汽油机主要由曲轴、连杆、活塞、气缸、进气门机构、排气门机构、火花塞、化油器等部件构成。
柴油机先压缩空气，压缩终了时的气体温度由于压缩比比较高而达到燃料自燃的温度；在压缩终了时喷油器向气缸内喷射雾状柴油，柴油迅速燃烧，使气缸内的温度和压力迅速上升；在随后的作功行程中，高压燃气推动活塞向外作功。
柴油机的结构和汽油机类似，但取消了火花塞和化油器，增加了喷油泵和喷油器。
汽油机和柴油机的每个气缸需要发动机主轴旋转两圈才能完成一次热力循环(针对四行程发动机)。除了作功行程是由燃气推动活塞作功外，其余三个行程都需要发动机主轴提供机械能来克服活塞和气缸之间的摩擦力，压缩气体和传动附件。
但传统活塞内燃发动机有以下不足一、传统活塞内燃发动机效率低。
1、汽油机由于汽油和空气在压缩前就已经混合，为防止在点火前自燃，压缩比受到限制，最高压缩比只能达到10左右。而热机的工作效率是由压缩比决定的，只有尽可能地提高压缩比才能提高热机的效率；柴油机的压缩比比较高，可以达到16～20，相应的效率比汽油机要高。
2、不管汽油机还是柴油机，在作功行程结束时剩余的气压还比较高，直接排放到大气中时，这部分能源就白白浪费了。一些内燃机采用了涡轮增压器利用这部分剩余能源，但涡轮增压器工作转速高，结构复杂，对转子平衡和润滑要求严格，有的涡轮增压器用到了一些战略物资(如镍)，造价高，因此不利于推广应用。
3、传统活塞内燃发动机的活塞和气缸等高温部件采用金属材料，不仅需要复杂的冷却系统，耗费发动机的机械能，而且使部分热能通过传热损失掉，降低了发动机效率和燃料利用率。4、四行程发动机的效率比二行程发动机高，即使这样，由于发动机活塞始终处于往复运动中，惯性力引起的机械能损失占机械能损失的40％到60％；同时在一次热力循环的四个行程中，活塞和气缸壁之间都存在侧向力，特别是在压缩和作功的两个行程中，由于活塞与气缸壁之间的侧向力很大，因此活塞与气缸之间的摩擦力比较大，不仅加快磨损，而且使发动机的效率降低(占机械能损失的20％到30％)，在润滑不良的情况下还易引起烧缸的严重故障。5、传统活塞内燃发动机燃料燃烧时间短，不可能所有燃料在作功行程前都完全燃烧，必然有部分燃料在作功过程中甚至在作功完成之后才燃烧，因此一部分燃料没有得到充分利用，使燃料利用率降低。6、传统活塞内燃发动机低速运行时效率低。传统内燃发动机由于压缩比固定，和高速运行时相比，低速运行时的压缩和作功过程中高压气体泄露比较严重，既消耗了较多的机械能，又导致压缩完成后气压较低；同时由于每个循环中高温气体与低温的活塞和气缸之间的传热损失相对较大，也导致发动机效率降低。二、传统活塞内燃发动机噪音大。
由于传统内燃机排放废气时还有部分气压，直接排放时气体的压力能转化为气体的动能，速度超过音速，产生超音速激波，存在很强的爆音。这种爆音只在发动机排气门打开的一瞬间存在，是脉动式的。对于大多数采用消音排气管的车辆，在大油门工作时，排放废气的噪音仍然很大。同时传统发动机由于在一个气缸内既进气压缩又作功排气，这种爆音无法从原理上消除，只能通过一些改进措施减小爆音的影响。三、传统活塞内燃发动机环境污染大。
1、传统活塞内燃发动机不完全燃烧产生CO、HC等有害物质。由于传统内燃机燃料燃烧的时间很短，尤其在高转速时燃烧时间更短，燃料和空气的混合不一定充分、均匀，存在不完全燃烧的现象，产生环境污染，尤其是CO和HC化合生成光气，对人类和环境的危害更大，老、旧发动机在这方面更明显。
2、传统活塞内燃发动机高温燃烧产生氧氮产物。由于传统活塞发动机采用等容燃烧的工作原理，燃料燃烧时产生高压高温，可以达到1800摄氏度以上，在这样的高温下，氧气和氮气反应产生有害物质，污染环境，危害健康。
3、传统活塞内燃发动机不完全燃烧产生黑烟。由于传统发动机燃料燃烧时间短，同时由于燃料和空气混合不均匀，因此存在燃烧不充分的现象，排放可见的固态颗粒，污染环境，使交通道路的可见度降低，有时导致交通事故。四、传统活塞内燃发动机体积和重量大。
传统四行程发动机每个气缸需要经过四个行程才有一个作功行程，气缸的利用率低(二行程发动机虽然气缸利用率高一倍，但燃料利用率低，效率低)，要达到所需要的功率，需要较多的气缸和其他部件。五、传统活塞内燃发动机寿命不够长。
传统活塞内燃发动机的气缸和活塞由于采用钢材和铝合金，耐磨性较差，尤其是在润滑不良的情况下容易加剧磨损，甚至引起烧缸和抱轴等事故，致使发动机不能运转。六、传统活塞内燃发动机能量回收困难。
当机动车辆急剧减速或者下坡时，通常采用的措施是收油门和刹车，车辆高速运行的动能和下坡时的势能全部转化为刹车装置的摩擦热能。不仅没有回收这部分能量，而且使刹车装置寿命缩短，有时刹车装置过热反而引起机动车辆的故障。
目前，有些国家和地区正在研制燃料电池汽车发动机，虽然燃料电池效率高、无污染，但由于必须使用稀有金属材料，致使其成品价格居高不下。现在燃料电池汽车的价格是普通汽车的5到10倍，主要原因是燃料电池必须用到一些稀有贵重金属。同时由于材料供应的限制，要大批量生产很困难。
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种可大幅度提高发动机效率和使用寿命、降低发动机噪音、消除环境污染、节约能源、降低成本、重量轻、功率大、且可以使用多种能源的变压缩比绝热陶瓷燃气分配活塞发动机。
本发明的目的是通过下面的技术方案实现的。其特征在于发动机进气、压缩行程和作功、排气行程分别由压缩器和作功器完成，在压缩器和作功器之间设立独立的涡流燃烧室组织燃烧，在涡流燃烧室和作功器气缸之间设置燃气分配机构控制进入作功器气缸的燃气量；空气进入压缩器后由作功器活塞通过活塞杆带动压缩器活塞将压缩器气缸内的空气压缩进高压涡流燃烧室，然后在涡流燃烧室内和燃料充分混合燃烧后经燃气分配机构进入作功器，推动作功器活塞向外作功，最后通过发动机废气出口排出；各机构工作状态的控制和调节由计算机控制，计算机通过燃气分配机构调节作功器配气角，通过燃料喷射控制组件调节涡流燃烧室燃料喷射量，从而调节进入作功器的高压燃气量和涡流燃烧室的气体压力来达到改变发动机功率和压缩比的目的。
本发明的具体结构是由发动机启动系统、增压风扇、压缩器、涡流燃烧室、作功器、计算机所组成。所述发动机启动系统包括启动高压气瓶、启动电磁开关、燃烧室点火组件和燃料喷射控制组件，启动高压气瓶通过启动电磁开关与涡流燃烧室相连，燃烧室点火组件和燃料喷射控制组件亦与涡流燃烧室相通，由计算机控制；所述压缩器包括压缩器气缸、压缩器端盖、压缩器活塞、压缩器进气门和压缩器单向活门，压缩器活塞将压缩器气缸分为A腔和B腔，A腔和B腔皆连通压缩器进气门和压缩器单向活门；所述涡流燃烧室上设有燃料喷射口、火花塞，其上开设的燃烧室进气口与压缩器出气口相通，启动进气口与启动电磁开关相接，燃烧室出气口与燃气分配机构相接；所述作功器包括作功器气缸、作功器端盖、作功器活塞、燃气分配机构和作功器排气门，作功器活塞将作功器气缸分为C腔和D腔，其活塞杆与压缩器活塞的活塞杆为贯穿于压缩器气缸和作功器气缸之间的同一活塞杆，与发动机主轴通过曲柄连杆铰接，燃气分配机构和涡流燃烧室相连，并与作功器C腔和D腔相连，作功器排气门分别与C腔和D腔相连，并连通发动机废气出口。
为实现本发明，压缩器气缸、作功器气缸、压缩器活塞、作功器活塞、活塞杆、压缩器端盖、作功器端盖、涡流燃烧室、燃气分配机构、作功器排气门均采用外层为结构陶瓷、内层为纤维增强多孔性陶瓷的陶瓷复合材料。
图1为本发明结构示意图；图2为本发明结构简图；图3为本发明增压风扇结构示意图；图4为本发明活塞杆位于上止点时两活塞位置示意图；图5为本发明压缩器A腔和B腔进气角示意图；图6为本发明燃气分配机构关闭时两活塞和曲柄连杆位置示意图；图7为本发明作功器C腔和D腔作功器配气角示意图；图8为本发明C腔开始排气时两活塞和曲柄连杆位置示意图；图9为本发明作功器排气门排气角示意图；图10为本发明涡流燃烧室结构简图；图11为本发明陶瓷复合材料结构简图；图12为本发明启动电磁开关结构简图；图13为本发明热力循环图。
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1、2所示，本发明不同于传统发动机在一个气缸内既进气压缩又作功排气的结构特征，而是采用压缩器2和作功器8将进气、压缩行程和作功、排气行程分离，在压缩器2和作功器8之间设置独立的涡流燃烧室6，在涡流燃烧室6与作功器气缸53之间设置有燃气分配机构7，并由计算机21集中控制来达到本发明的目的。工作中，外界空气由增压风扇54注入压缩器2，在压缩器气缸52内被由作功器活塞19通过活塞杆16带动的压缩器活塞11挤压进压缩器单向活门12后的压缩器出气口15，到达涡流燃烧室6内，在涡流燃烧室6中产生涡流，和喷射的燃料充分混合后完全燃烧；产生的高温高压燃气通过燃气分配机构7进入作功器8内推动作功器活塞19作功，带动发动机主轴22向外输出动力；废气由发动机废气出口14排出，完成整个工作过程。计算机21对本发明的整个工作过程进行控制和调节，通过调节涡流燃烧室6的燃料喷射量和作功器配气角27来改变发动机的压缩比和功率。
本发明根据上述原理设计了实施该原理的结构，如图1、图2、图3所示，本发明主要由径向增压风扇54、发动机启动系统、压缩器2、涡流燃烧室6、作功器8、计算机21组成。
发动机启动系统包括启动高压气瓶1、启动电磁开关3、燃烧室点火组件4和燃料喷射控制组件5。启动高压气瓶1上设有两条通道，第一条通道通过气瓶单向活门13与压缩器出气口15相接；另一条通道通过启动电磁开关3与涡流燃烧室6相连。启动电磁开关3之结构如图12所示，电磁开关进气口40与启动高压气瓶1相接，由此来的气体可分两路到达涡流燃烧室6。第一路当电磁线圈36通电时，设置在线圈内的动块39克服置于动块39和定块37凹槽内的回复弹簧38的弹簧力和气体压力向左移动，可打开设于电磁开关进气口40和去燃烧室管路44之间的控制活门43，使启动高压气瓶1内的高压空气进入涡流燃烧室6内；当电磁线圈36断电时，在回复弹簧38的回复力作用下，控制活门43自动关闭。第二路当启动高压气瓶1之气体压力大于设定压力(高于发动机正常工作时涡流燃烧室6内的最高压力值)时，高压气体可推动膜片45克服与其贴合的调压弹簧46的预紧力，膜片45向右移动，可打开连通活门41，启动高压气瓶1直接和涡流燃烧室6连通，在作功器需要高压燃气时首先使用存储在启动高压气瓶1内的部分高压气体，直到启动高压气瓶1内的气体压力低于设定压力时连通活门41才在调压弹簧46的弹簧力作用下关闭。其设定压力可以通过与调压弹簧46相连的调整螺钉47来改变。
本发明燃烧室点火组件4和燃料喷射控制组件5均与涡流燃烧室6相连，燃烧室点火组件4由计算机21控制，在压缩器出气口15的气体温度低于燃料自燃温度时使火花塞33点火；燃料喷射控制组件5可将燃料增压，并根据计算机21所发出的控制信号控制燃料的喷射量。
如图3所示，本发明径向增压风扇54由一片或一片以上增压风扇叶片25组成，连接在发动机主轴22上，其上开设有增压风扇进气口24，气体出口位于叶片末端切线方向，与压缩器进气口9连通。其作用是对空气进行初步增压，以保证压缩器有足够的进气量，保证发动机在高原地区可以达到设计的功率。
本发明压缩器2由压缩器气缸52、压缩器端盖56和57、压缩器活塞11、压缩器进气门10和压缩器单向活门12所组成。它取代了传统的活塞发动机的气缸及其附件，完成进气和压缩功能。压缩器活塞11将压缩器气缸52分为A腔和B腔，两腔都设有压缩器进气门10和压缩器单向活门12，轮流进气和压缩。压缩器进气门10在进气行程打开，压缩器单向活门12在压缩器气缸52内的压力大于压缩器出气口15的压力时打开。A腔和B腔的进气角和传统内燃机一致，如图5中所示压缩器进气角26。
如图10所示，涡流燃烧室6上开设有燃料喷射口32、火花塞33，其上开设有三路管道，第一路通过启动进气口34经启动电磁开关3与启动高压气瓶1相连；第二路通过燃烧窒进气口31与压缩器出气口15相通；第三路通过燃烧室出气口35通往燃气分配机构7。启动时，从启动高压气瓶1来的压缩空气经过涡流燃烧室6直接通往燃气分配机构7；正常工作时，从压缩器出气口15来的较高温度压缩空气经过截面变小的燃烧室进气口31时，气流速度增加，可沿涡流燃烧室6切向旋转，形成涡流；高压燃料经过燃料喷射口32喷入涡流燃烧室6，和旋转的气流混合良好，自燃燃烧。当压缩器出气口15气体温度较低，不能达到燃料自燃的温度时，计算机21控制燃烧室点火组件4使火花塞33产生电火花，点燃燃料和空气的混合气。
本发明作功器8由作功器气缸53、作功器端盖58和59、作功器活塞19、燃气分配机构7、作功器排气门17和20组成，作功器活塞19将作功器气缸53分为C腔和D腔，两腔轮流作功和排气，以取代传统活塞发动机的气缸和活塞等部件；作功器活塞19和压缩器活塞11用贯穿于压缩器气缸52和作功器气缸53的同一活塞杆16相连，推动压缩器活塞11压缩气体，并通过活塞杆16与曲柄连杆55相铰接，带动发动机主轴22旋转，完成进气、压缩、作功、排气的功能，向外输出动力。两个活塞行程相同，但作功器活塞19的直径比压缩器活塞11的直径大，C腔和D腔的容积比A腔和B腔的容积大。在设计状态下，由A腔和B腔压缩到压缩器出气口15的气体在涡流燃烧室6中和燃料燃烧生成的燃气，在C腔和D腔内正好完全膨胀，排放时的压力和外界大气压力接近。如图4所示，在活塞杆16的上止点，A腔和C腔的容积为零，A腔中所有空气都被压缩到压缩器出气口15,C腔的废气排放完全；在活塞杆16的下止点，B腔和D腔的情形与上述类似。
当活塞杆16向左运动接近上止点时，A腔由于处于压缩行程使气体压力显著上升，减慢活塞杆16向左运动的速度，起到回复力的作用；当活塞杆16经过上止点开始向右运动时，C腔进入高压燃气，推动作功器活塞19加速向右运动；当活塞杆16接近下止点时，C腔的气压已经显著减小，而B腔由于处于压缩行程使气压力迅速上升，减慢活塞杆16向右运动的速度，起到回复力的作用；当活塞经过下止点开始向左运动时，D腔进入高压燃气，推动作功器活塞19加速向左运动。上述过程周而复始，所以压缩器活塞11、作功器活塞19和活塞杆16的受力情况与弹簧振子类似，压缩器A腔、B腔和作功器C腔、D腔中的气体起到了弹簧的作用，一般不需要发动机主轴22通过曲柄连杆55提供回复力。
燃气分配机构7和涡流燃烧室6直接相连，另有两条管路分别与作功器C腔和D腔相连；作功器排气门17和20分别与C腔和D腔相连，另有一条管路通往作功器出气口50，除完成正常的排气功能外，还可以根据与设在作功器出气管路上的总压探头51相连的总压峰值传感器18的信号调节开启的时机，使高压燃气的全部压力能转换为机械能。
燃气分配机构7可以改变从涡流燃烧室6到作功器C腔和D腔气流通道的关闭时机，调节进入作功器C腔和D腔的高压燃气量，从而改变发动机的功率和转速。图6所示为燃气分配机构7关闭时压缩器活塞11和作功器活塞19在气缸内所处位置和曲柄连杆55所处位置，进入C腔的高温高压燃气在其内绝热膨胀，推动作功器活塞19向外作功。图7为作功器C腔配气角示意图，如图7所示，作功器配气角27可由燃气分配机构7根据发动机所需要的功率和转速进行调节，作功器配气角27越大，进入C腔的高温高压燃气越多，气体膨胀作功的距离和平均压力越大，发动机功率和转速增加。作功器配气角27可以在一定的范围内调节，当燃气分配机构7完全关闭时，作功器配气角27为零度。D腔的工作情形与上述情形类似。
作功器排气门17和20的排气时机可以调节，使燃气在C腔和D腔内完全膨胀，同时防止燃气过度膨胀而导致发动机效率下降。图8为C腔开始排气时作功器活塞19和压缩器活塞11在其气缸内所处位置及曲柄连杆55位置示意图。在此位置时，C腔的燃气完全膨胀，压力和外界大气压力相等。若作功器排气门17没有打开，则C腔的气体压力继续下降，低于外界大气压力，燃气对外作负功；若在作功器排气门17打开时燃气还没有完全膨胀，则燃气部分压力能浪费了。在上述两种情况下，作功器排气门17的开启时机应进行调节。图9为C腔排气角示意图。对于C腔，当发动机最大功率工作时，排气角为固定排气角29；若功率较小，进入C腔的高压燃气较少，则提前开启作功器排气门17，使C腔和外界大气相通。提前开启的时间对应于提前排气角30，此时作功器排气角28为固定排气角29与提前排气角30之和。
本发明由计算机21根据外部输入的启动指令，给定发动机转速指令和发动机内部各传感器的信号控制发动机，使发动机的工作状态尽可能和外部输入的指令一致。计算机可为单片机，如8051单片机。
如图11所示，本发明综合考虑陶瓷材料的机械性能、热学性能和成本，在压缩器气缸52、作功器气缸53、压缩器活塞11、作功器活塞19、活塞杆16、压缩器端盖56和57、作功器端盖58和59、涡流燃烧室6、燃气分配机构7、作功器排气门17和20等高温和承力部件采用耐高温、耐摩擦、绝热的结构陶瓷复合材料。陶瓷层的主体采用韧性好、强度高、隔热性能好、价格便宜的纤维加强多孔陶瓷层49，既保证了机械强度和热学性能，又保证了材料的成本不高；在纤维加强多孔陶瓷层49的表层采用了耐高温、耐磨擦、自润滑、气密性好的结构陶瓷层48，优先采用反应生成的氮化硅结构陶瓷，保证陶瓷零件的机械加工性能和零件的精确度。
本发明的启动过程1、启动时，启动电机使发动机主轴22旋转，同时启动电磁开关3上的电磁线圈36通电，打开控制活门43，接通启动高压气瓶1与涡流燃烧室6，使高压气体充满涡流燃烧室6；当发动机主轴旋转到燃气分配机构7打开时，储存的高压气体进入作功器8内，推动作功器活塞19作功，使发动机迅速旋转；发动机主轴22旋转预定的圈数后启动电机退出工作；2、当压缩器2经过几次压缩之后，较高温度压缩空气到达涡流燃烧室6，计算机21控制燃料喷射控制组件5向涡流燃烧室6喷射燃料，燃料自燃燃烧；如果经过一定的压缩次数之后压缩器出气口15的气体温度仍然达不到燃料自燃的温度，则计算机21在开始喷射燃料的同时启动燃烧室点火组件4使火花塞33点火。3、当发动机主轴22旋转预定圈数之后，计算机21停止向启动电磁开关3的电磁线圈36供电，切断启动高压气瓶1与涡流燃烧室6之间的通路，启动结束。
本发明的工作过程1、外界空气经过径向增压风扇54进行初步增压，提高压缩器进气口9的空气压力，保证压缩器2有充足的进气量，同时保证在空气比较稀薄的高原地区能够使发动机达到设计的功率；2、经过初步增压的空气经过压缩器进气门10进入压缩器气缸52内，在压缩器活塞11的挤压作用下通过压缩器单向活门12到达压缩器出气口15，流向涡流燃烧室6(压缩空气的温度可以达到700摄氏度)。如果启动高压气瓶1的气体压力比较低，则部分压缩空气经过气瓶单向活门13进入启动高压气瓶1，直到启动高压气瓶1中的气体压力不再升高为止；3、较高温度的压缩空气经过燃烧室进气口31进入涡流燃烧室6内，在燃烧室中会产生涡流，和喷射的燃料充分混合，完全燃烧，燃烧后的燃气温度可以达到1500摄氏度，但不会出现传统发动机等容燃烧时产生的局部高温高压(1800摄氏度以上，80个大气压以上)4、高温燃气经过燃气分配机构7进入作功器气缸53，推动作功器活塞19运动，一方面带动压缩器活塞11压缩空气，另一方面通过曲柄连杆55推动发动机主轴22向外作功。燃气分配机构7可以调节高压燃气的进入量，从而使发动机达到预定的功率和转速。根据废气总压峰值调节的排气系统(包括总压探头51、总压峰值传感器18、作功器排气门17和20等部件)可以根据废气的总压峰值(反映了作功器排气门17和20开启瞬间C腔和D腔的气体压力)调节作功器排气门17和20开启的时机，从而使高压燃气在作功器气缸53内完全膨胀作功，同时防止燃气过度膨胀消耗机械能，提高了发动机效率，减小了发动机排气噪音。废气从发动机废气出口14排出(废气的最高温度一般不超过300摄氏度)。
本发明功率和转速的调节改变燃气分配机构7控制的作功器配气角27可以改变发动机的转速和功率。压缩器2每次从压缩器出气口15挤压出的气体质量保持不变，在涡流燃烧室6气体压力基本不变的前提下，每压缩一次气体所需的机械能基本不变。当增加作功器配气角27时，进入作功器气缸53的高压燃气量(体积)增大，燃气作功行程增加，作功过程中的平均压力增大，从而使发动机向外输出的机械能增加，使发动机功率增加，转速上升；减小作功器配气角27时，燃气作功行程减少，作功过程中的平均压力减小，发动机功率减小，转速下降。
本发明压缩比的调节1、在平衡状态，本发明涡流燃烧室6的气体压力平均值保持不变。在平衡状态，启动高压气瓶1不参与工作，容纳高压气体的高压部件主要包括涡流燃烧室6和与之相连的高压管路。涡流燃烧室6和与之相连的高压管路可以容纳较多的高压气体，能容纳的气体量为压缩器2每次压缩量的十倍以上，也是作功器8每次需求气体量的十倍以上，因此尽管由于压缩器2向涡流燃烧室6供气和涡流燃烧室6向作功器8提供高压燃气而使涡流燃烧室6的气体压力出现波动，但涡流燃烧室6的气体压力平均值基本不变。
2、在外界大气压力和温度已知的情况下，一定的压缩比和压缩后高压气体一定的压力相对应。根据大气压力、大气温度和压缩器出气口15的气体压力可以知道高压气体的压缩比；相反，根据外界大气压力、大气温度和所需压缩比可以得到压缩器出气口15所对应的气体压力。考虑到在发动机低转速时高压气体泄漏损失较大，因此在发动机低转速时使用较低的压缩比，减少压缩气体消耗的机械能和高压气体泄漏损失，提高发动机效率。对于一种发动机，最优的压缩比和发动机转速相关。所以根据外界大气压力、大气温度、和发动机转速可以计算出压缩器出气口15的最优压力。3、单独改变作功器配气角27可以改变涡流燃烧室6的气体压力。在发动机涡流燃烧室6的燃料喷射量保持不变时，改变燃气分配机构7控制的作功器配气角27，可以改变进入作功器气缸53的燃气量，从而导致涡流燃烧室6的气体压力发生变化。例如当发动机所需要的功率增加时，燃气分配机构7调大作功器配气角27，因此进入作功器气缸53的高压燃气的体积增加，导致涡流燃烧室6的压力平均值比前一时刻的压力平均值低。经过多次循环，涡流燃烧室6的气体压力停止下降，稳定在一个较低的压力值。4、单独改变燃料喷射量可以改变涡流燃烧室6的气体压力。在过量空气系数大于1时，增加燃料喷射量，则燃气温度上升，导致涡流燃烧室6的气体压力上升。5、本发明的压缩比可以通过调节作功器配气角27和涡流燃烧室6的燃料喷射量使涡流燃烧室6的气体压力发生改变来实现。本发明的压缩比和涡流燃烧室6的气体压力相对应，而涡流燃烧室6的气体压力可以通过调节作功器配气角27和涡流燃烧室6的燃料喷射量来改变，因此本发明的压缩比可以通过调节作功器配气角27和涡流燃烧室6的燃料喷射量使涡流燃烧室6的气体压力和计算出来的最优压力保持一致来达到。
本发明采用如下方案调节发动机的功率和压缩比通过调节作功器配气角27来改变发动机的功率和转速；通过调节涡流燃烧室6的燃料喷射量使涡流燃烧室6的气体压力和最优压力保持一致来改变压缩比。
本发明在交通工具减速或下坡时机械能的回收由于减速和下坡时发动机所需的功率减小，因此燃气分配机构7关闭时机提前，作功器配气角27减小，作功器气缸53所需的高压燃气减少，而压缩器2仍然不断将空气压缩进涡流燃烧室6，将机械能转化为压缩气体的压力能，使涡流燃烧室6的气压不断增高；随着涡流燃烧室6气体压力的增加，计算机21减少喷入涡流燃烧室6的燃料，直至停止；当涡流燃烧室6的气压高于启动高压气瓶1的气压时，压缩空气经过气瓶单向活门13流进启动高压气瓶1，将外界输入的机械能以压缩气体压力能的形式储存起来；当启动高压气瓶1的压力大于一定值时(比发动机正常工作时涡流燃烧室6的气体压力高)，启动高压气瓶1的气体克服启动电磁开关3上调压弹簧46的预紧力打开连通活门41，将启动高压气瓶1与涡流燃烧室6连通，在作功器8需要高压燃气时，首先利用这部分储存起来的气体能量而不消耗燃料。
本发明针对传统活塞发动机在效率和环境污染方面的缺陷，从原理、结构和材料等方面都进行了改进。如图13所示，本发明采用类似于航空发动机的热力循环，同时利用活塞发动机压缩比高的特点，吸收两者的长处进行设计，本发明可以消除燃烧动力学不完善、传热、燃烧不完全及热分解、提前排气带来的损失，指示热效率可以达到0.57。本发明由于结构上的改进，可以大幅度降低活塞、活塞环、曲轴轴承和配气机构带来的摩擦损失；由于没有水泵和风扇，减少了机械能的消耗。结构上的改进使指示效率仅降低约0.05，从而可以将有效热效率提高到0.52左右。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果一、本发明可大幅度提高热机效率，在现有内燃机最高效率的基础上将发动机效率提高约10个百分点。
以柴油机为例，高压缩比柴油机的理论循环效率为0.64～0.67；各种工程损失有工质比热变化0.09～0.10，燃烧动力学不完善0.05～0.07，传热损失0.04～0.05，燃烧不完全及热分解0.01～0.02，提前排气0.01，考虑这些损失后的指示热效率为0.42～0.44；在指示热效率中，各种机械损失占指示热效率的25％～30％，因此柴油机的有效热效率为0.27～0.38(高于汽油机的有效热效率0.21～0.28)。在机械损失中，摩擦损失占62％-75％，其中活塞及活塞环占42％～50％，曲轴轴承占16％～19％，配气机构占4％～6％；泵气损失占15％～13％；带动各种附件的损失占12％～17％，其中水泵和风扇占8％～11％。
具体效果如下1、本发明采用变压缩比措施，在发动机高转速时由于高压气体泄漏损失相对较小而采用高压缩比，一般在20左右，使理论循环效率可以达到0.66；当发动机转速较低时，由于高压气体泄漏损失相对较大而采用较低的压缩比，减小机械能的消耗和高压气体泄漏损失，提高发动机效率。
2、本发明采用了将压缩器和作功器分离、在压缩器和作功器之间设置涡流燃烧室的措施，将活塞发动机的进气压缩行程、作功排气行程和组织燃烧分开，进行最优设计。压缩器只负责进气和压缩，作功器只负责作功和排气，涡流燃烧室只负责组织燃烧。作功器的容积比压缩器的容积大，在设计状态下，从压缩器出来的压缩空气和燃料燃烧膨胀后正好在作功器内完全膨胀作功，废气排放时的气压和外界大气压力接近，充分利用高压燃气的压力能，起到传统活塞发动机的气缸和涡轮废气增压器的作用。在涡流燃烧室中，燃料和切向旋转的较高温度压缩空气充分混合，同时由于涡流燃烧室可以容纳较多高压气体，燃料在涡流燃烧室停留时间长(约为发动机主轴旋转周期的几倍到十几倍)，因而燃烧充分；由于等压燃烧的温度可以控制，因此燃气的最高温度不超过一定限度，
不会导致燃烧产物热分解。
此项措施消除了燃烧动力学不完善、燃烧不完全及热分解、提前排气带来的工程损失。
3、本发明在压缩器气缸、作功器气缸、压缩器活塞、作功器活塞、活塞杆、压缩器端盖、作功器端盖、涡流燃烧室、燃气分配机构、作功器排气门等部件采用耐高温、绝热的结构陶瓷复合材料，不需要复杂的冷却系统，不耗费驱动冷却系统的机械能，并且使高温气体的传热损失降到最低，提高了发动机效率和燃料利用率。
此项措施消除了传热损失，也消除了带动水泵和风扇所需的机械能。
4、本发明在结构和材料上对发动机进行了改进。结构上的改进有①、压缩器活塞和作功器活塞只通过活塞环与压缩器气缸和作功器气缸接触，压缩器活塞和作功器活塞通过同一活塞杆连接在一起，作功器活塞运动时直接带动压缩器活塞压缩气体，同时通过曲柄连杆使发动机主轴旋转，向外输出净功，因此曲柄连杆对活塞杆的侧向力减小。②、压缩器活塞将压缩器气缸分成A腔和B腔，作功器活塞将作功器气缸分成C腔和D腔，因此压缩器活塞和作功器活塞在一个行程中使四个腔工作，分别完成进气、压缩、作功和排气，因此在一次热力循环中存在侧向力的时机只有一次。③、由于采用以上结构，在活塞杆运动到上止点和下止点附近时，高压气体的压力起到了回复力的作用，从而显著减小了需要发动机主轴提供的回复力。
材料上的改进有①、在发动机主轴的轴承等承力部件采用耐摩擦、自润滑、低磨损的结构陶瓷复合材料，并且始终保持良好润滑，因而摩擦力小；②、曲柄连杆施加给活塞杆的侧向力由润滑良好的结构陶瓷承担，将摩擦损失降到最低。
此项措施大幅度减小了摩擦损失，尤其当A、B、C、D四个腔的气压力和压缩器活塞、作功器活塞及活塞杆往复运动所需的回复力接近时，摩擦损失最小，机械效率最高。二、本发明可大幅度降低发动机噪音，彻底根除传统发动机的排气爆音。
本发明由于采用了压缩器和作功器将进气、压缩行程和作功、排气行程分离，并且作功器的容积比压缩器的容积大，高温高压燃气可以在作功器内完全膨胀作功，因此废气排放时的压力与外界大气压力基本上相等，不会在排放废气时产生爆音。三、本发明可根除CO、HC、氧氮产物和黑烟的排放，消除对环境的污染，成为绿色动力。
1、本发明由于将进气、压缩行程和作功、排气行程分离，采用了单独的涡流燃烧室使燃料和较高温度的压缩空气充分混合，同时燃料在涡流燃烧室内停留时间较长，因此燃料可以完全燃烧，不会由于不完全燃烧而产生CO、HC等有害物质和黑烟。
2、本发明采用等压燃烧的原理，在燃料燃烧时燃气同时膨胀，降低了燃气的温度，不存在传统发动机等容燃烧时压力和温度特别高的时候。涡流燃烧室中的温度一般不超过1500度，在这个温度下，不产生高温氧氮产物，也不会由于燃烧产物分解产生CO、HC等有害物质。四、本发明可大幅度减小发动机的体积和重量，提高发动机功率。
本发明的作功器和压缩器紧密相连，在活塞杆的每个行程中，作功器的C腔、D腔和压缩器的A腔、B腔一起完成一次进气、压缩、作功和排气。因此一个作功器、一个压缩器和一个曲柄连杆相当于四行程发动机的四个气缸和四个连杆，因而本发明体积小，功率大。经估算，在压缩比=20、限制燃气温度不超过1500摄氏度、保证压缩器有1升的进气量时，发动机的功率可以达到108.5KW(6000转/分)，此时作功器的容积为1.8升，排气温度约270摄氏度；发动机的升功率为38.75KW/升，即52.7马力/升，实际上由于采用了增压风扇，发动机的升功率高于此值。本发明燃料消耗率为115.8克/马力小时，远远优于现有发动机。
本发明在压缩器气缸、作功器气缸、压缩器活塞、作功器活塞、活塞杆、压缩器端盖、作功器端盖、涡流燃烧室、燃气分配机构、作功器排气门等部件采用耐高温、绝热的结构陶瓷复合材料，密度小，重量轻，强度高。
本发明由于取消了冷却系统，同时简化或取消了消音排气系统，发动机重量和体积进一步减小。五、本发明可大幅度提高发动机寿命。
本发明的压缩器活塞和作功器活塞与压缩器气缸和作功器气缸都采用高硬度、耐摩擦、自润滑的结构陶瓷复合材料(例如氮化硅)，同时压缩器活塞和作功器活塞与压缩器气缸和作功器气缸之间只有活塞环与气缸壁之间的摩擦，摩擦力小，磨损小。由于结构陶瓷材料热膨胀系数小，并且活塞和气缸采用相同材料，因此在小尺寸的发动机上可以取消压缩器活塞和作功器活塞上的活塞环。曲柄连杆传递的侧向力由活塞杆承受，而活塞杆与作功器端盖的表面都由光滑的耐磨结构陶瓷构成，并且始终提供润滑油，保证润滑良好。即使润滑供油出现故障，由于承力部件是自润滑的结构陶瓷，虽然摩擦力增加，但不会出现剧烈磨损的现象。
本发明主要承力部件采用自润滑、耐摩擦的结构陶瓷复合材料，同时始终提供润滑油，保证良好的润滑。六、本发明发动机和车辆采用一体化设计，可回收多余能量。
本发明采用启动高压气瓶中的高压气体启动，启动高压气瓶可以以压缩气体的形式存储外部输入的机械能。当发动机转速高于给定转速时，燃气分配机构关闭时机提前甚至完全关闭；压缩器输出的压缩空气不断进入涡流燃烧室和启动高压气瓶，将外界输入的机械能以气体压力能量的形式储存起来。当气瓶的压力达到一定值时，启动高压气瓶和涡流燃烧室通过启动电磁开关的连通活门直接连通，作功器需要供气时首先利用存储在启动高压气瓶的部分压缩空气。七、本发明和燃料电池汽车相比，成本低。
本发明在热机效率和消除环境污染方面接近于燃料电池汽车，但成本比燃料电池汽车低得多。本发明在发动机主轴、发动机基座等部件采用钢材或者铝合金材料，而在需要承受高温和摩擦的部件采用耐高温、耐磨擦的结构陶瓷复合材料，结构陶瓷材料主要元素是碳、氮和硅，这三种元素在自然界大量存在，尤其是制造氮化硅陶瓷所用的氮和硅。由于本发明不需要稀有金属和战略物资，同时减少了对钢材的需求，因此大批量生产时成本低。
本发明采用内外层结构的结构陶瓷复合材料，材料的大部分是纤维加强多孔性陶瓷层，只有材料的表面才用到高纯度的结构陶瓷层，因此对高纯度硅材料的需要量少，最大可能地降低了成本。八、本发明由于采用独立涡流燃烧室组织燃烧，并且主要采用压燃式方式，因此可以使用汽油、柴油、酒精、液化石油气、天然气、氢气等多种液态和气态能源。
权利要求
1.一种变压缩比绝热陶瓷燃气分配活塞发动机，其特征在于发动机进气、压缩行程和作功、排气行程分别由压缩器和作功器完成，在压缩器和作功器之间设立独立的涡流燃烧室组织燃烧，在涡流燃烧室和作功器气缸之间设置燃气分配机构控制进入作功器气缸的燃气量；空气进入压缩器后由作功器活塞通过活塞杆带动压缩器活塞将压缩器气缸内的空气压缩进高压涡流燃烧室，然后在涡流燃烧室内和燃料充分混合燃烧后经燃气分配机构进入作功器，推动作功器活塞向外作功，最后通过发动机废气出口排出，各机构工作状态的控制和调节由计算机控制。
2.一种如权利要求1所述的变压缩比绝热陶瓷燃气分配活塞发动机，其特征在于它由发动机启动系统、增压风扇、压缩器、涡流燃烧室、作功器、计算机组成；所述发动机启动系统包括启动高压气瓶、启动电磁开关、燃烧室点火组件和燃料喷射控制组件，启动高压气瓶通过启动电磁开关与涡流燃烧室相连，燃烧室点火组件和燃料喷射控制组件亦与涡流燃烧室相通，由计算机控制；所述压缩器包括压缩器气缸、压缩器端盖、压缩器活塞、压缩器进气门和压缩器单向活门，压缩器活塞将压缩器气缸分为A腔和B腔，A腔和B腔皆连通压缩器进气门和压缩器单向活门；所述涡流燃烧室上设有燃料喷射口、火花塞，其上开设的燃烧室进气口与压缩器出气口相通，启动进气口与启动电磁开关相接，燃烧室出气口与燃气分配机构相接；所述作功器包括作功器气缸、作功器端盖、作功器活塞、燃气分配机构、作功器排气门，作功器活塞将作功器气缸分为C腔和D腔，其活塞杆与压缩器活塞的活塞杆为贯穿于压缩器气缸和作功器气缸之间的同一活塞杆，与发动机主轴通过曲柄连杆铰接；燃气分配机构和涡流燃烧室相连，并与作功器C腔和D腔相连，作功器排气门分别与C腔和D腔相连，并连通发动机废气出口。
3.根据权利要求2所述的变压缩比绝热陶瓷燃气分配活塞发动机，其特征在于压缩器气缸、作功器气缸、压缩器活塞、作功器活塞、活塞杆、压缩器端盖、作功器端盖、涡流燃烧室、燃气分配机构、作功器排气门均采用外层为结构陶瓷、内层为纤维增强多孔性陶瓷的陶瓷复合材料。
4.根据权利要求2所述的变压缩比绝热陶瓷燃气分配活塞发动机，其特征在于启动电磁开关上还设有膜片，该膜片置于与电磁开关进气口相连通的管路上，与控制活门平行设置，调压弹簧一端与膜片贴合，另一端接调整螺钉。
全文摘要
一种变压缩比绝热陶瓷燃气分配活塞发动机，其特点是发动机进气、压缩和作功、排气分别由压缩器和作功器完成，压缩器和作功器之间设涡流燃烧室，涡流燃烧室和作功器气缸之间设燃气分配机构；通过活塞杆带动压缩器活塞将压缩器气缸内的空气压缩进高压涡流燃烧室并在其内和燃料混合燃烧后经燃气分配机构进入作功器，推动作功器活塞向外作功，各机构由计算机控制。本发明可大幅提高发动机效率，消除环境污染，且可使用多种能源。
文档编号F02B75/00GK1317631SQ0111452
公开日2001年10月17日 申请日期2001年6月6日 优先权日2001年6月6日
发明者车国轮 申请人:车国轮