主汽缸四冲程中冷回热内燃机的制作方法

专利名称：主汽缸四冲程中冷回热内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机，特别是主汽缸四冲程中冷回热内燃机。
背景技术：
在申请号为“02125235.1”的发明专利说明书中，虽然所述的中冷回 热式二冲程内燃机也完全具备了能提高循环热效率的中冷回热循环，但由于这种内燃机 是由另设的压气汽缸作为气泵来为副缸提供压缩空气，增加了发动机的结构复杂度。同 时，设在压气汽缸上的出气阀仍不能适应更高的发动机转速。由于内燃机在排气中损失 的热量很大，因此，很有必要发展出结构上更完善的能对排气热量回收利用的新型中冷 回热内燃机。发明内容本发明的目的是针对上述中冷回热式二冲程内燃机中的不足提供一种 改进的主汽缸四冲程中冷回热内燃机，这种内燃机不仅能让主汽缸具有为副缸提供循环 压缩空气的气泵功能，而且其上的出气单向阀结构更能适应发动机的较高转速。本发明的主汽缸四冲程中冷回热内燃机包括带有进排气门的主汽缸、通过不同 阀门与主汽缸和回热器连通的副缸、通过不同阀门与回热器和中间冷却器连通的小副 缸，通向中间冷却器的出气单向阀设在主汽缸的缸盖上，该出气单向阀受背面的弹簧作 用落座在带通气孔的阀座上，在出气单向阀之前还设有一个结构与进排气门相同的挡气 门，该挡气门的气门杆穿过阀座中央及其上的隔气套管被缸盖上的挡气凸轮控制，挡气 门在主汽缸内的活塞上移进行压缩过程后开启、在活塞行到上止点时关闭，挡气门关闭 后，副缸与主汽缸之间的升降阀被控制开启，副缸内的配气活塞也行到所设定的距上止 点一定距离的位置处，配气活塞行到上止点时，升降阀关闭。在双副缸十字头机型中，副缸由副缸体内配气活塞的上部空间构成，小副缸由 配气活塞的下部空间构成，配气活塞经下部穿过下缸盖的活塞杆、十字头和连杆与副曲 轴相连，副曲轴的转速等于曲轴转速的1/2。在双副缸分开机型中，副缸处在单设的副缸体内，小副缸处在单设的小副缸体 内，两副缸绕副曲轴即可对置布局、也可V型排列，在主汽缸单缸或双缸时，两副缸还 可直列排列，小副缸通过相应减小缸径或减小副曲轴上小副缸的曲柄销半径使其工作容 积小于副缸，副曲轴的转速等于曲轴转速的1/2。在单副缸机型中，所述的小副缸与副缸合并后形成一个副缸，该副缸除经升降 阀与主汽缸连通外，与回热器连通的两个进出气阀和与中间冷却器连通的充气阀也都设 在副缸的缸盖上，带动副缸内配气活塞的副曲轴与曲轴的转速相同。对于双副缸机型中升降阀的设置，升降阀倒放在副缸上面并处于躲开进气阀的 位置处，升降阀关闭时，其阀头落座在与主汽缸上侧部连通的通气道的阀座上，在升降 阀的中心设有安装喷油器的通孔，外侧固定在缸盖上的喷油器的喷油嘴伸在升降阀的通 孔内，在升降阀的阀头上设有环形布置的与阀座隔有一定径向间隙的若干导向叶片，这 些导向叶片与从副缸来的流向通气道的径向气流形成有一定的倾斜角，在缸盖上装有伸 进通气道的电热塞。在各机型中升降阀也可这样设置，升降阀位于主汽缸与副缸之间、并落座在下 面弯通气道的阀座上，弯通气道的下侧端与主汽缸连通，在升降阀的中心设有安装喷油器的通孔，外侧固定在缸盖外壳上的喷油器的喷油嘴伸在升降阀的通孔内，在弯通气道 下侧转弯处安装有电热塞，该电热塞经穿过副曲轴箱并躲开副曲轴和穿过副缸外侧水套 的长套管伸到弯通气道。为对挡气门进一步控制，挡气门背面的出气单向阀经其上的压环被上面的弹簧 作用，压环则经套管与伸在电控线圈内的衔铁相连，或让出气单向阀直接与带有衔铁的 套管相连，当主汽缸内的活塞上行开始压缩过程后，电控线圈被通电会在压缩空气将要 冲开出气单向阀之前至活塞行到上止点时吸引衔铁使弹簧不再作用出气单向阀。在中冷回热内燃机中还设有功率稳定系统，在回热器的出气端与进气阀之间的 连通管路上分别设有与电控单元连通的温度传感器和压力传感器，在刚改变控制喷油量 的油门踏板位置后，当回热器内的温度和压力上升或降低时，电控单元会控制油泵装置 和喷油器相应的减少或增加喷油量。在车用中冷回热内燃机中设有制动能量回收利用系统，该系统包括经相应的信 号线被电控单元控制的安装在回热器与进气阀之间连通管路上的截止阀、带有进出阀并 通过进出气管路与回热器进气端的连通管路相连通的储气筒，还包括设在缸盖上的控制 进排气门工作状态的气门控制机构；车辆正常行驶时，截止阀开启、进出阀关闭，车辆 制动需回收制动能量时，电控单元控制截止阀关闭、让进出阀开启，发动机产生的压缩 空气进入储气筒；在利用制动能量时，电控单元让截止阀和进出阀开启、发动机利用储 气筒内的压缩空气工作，气门控制机构则让发动机不产生压缩空气。为配合制动能量回收利用系统，所述气门控制机构的驱动控制器与缸盖内的选 择轴相连，在选择轴上设有控制进气门的处在不同角度并依次排列的进气顶块、进放气 顶块和放气顶块，还设有控制排气门的排气顶块，在各顶块上面分别设有装在滑孔内的 中间推块、各中间推块通过其上部的顶头顶在其上面相对应的摇臂一端的轴窝内，控制 进气门的三个中间推块并排装在滑孔内，其上三个并排相对应的进气摇臂、进放气摇臂 和放气摇臂的中部可被凸轮轴上的相应进气凸轮、进放气凸轮和放气凸轮分别控制，三 个并排摇臂的另一端同时压在一个控制着下面进气门的共用从动臂上，排气门的排气摇 臂另一端直接压在排气门的气门杆上，在适应发动机不同工作状态时，由选择轴所选定 的相应顶块经其上的中间推块顶起上面相应的摇臂、使该摇臂升到能被凸轮轴上相对应 的凸轮进行压动控制的位置，未被顶起的其余摇臂并不与凸轮轴上的凸轮相接触；发动 机正常进气时，选择轴上的进气顶块使进气摇臂升起，让进气门被进气凸轮控制，回收 制动能量时，进放气顶块使进放气摇臂升起、让进气门被进放气凸轮控制在进气过程中 开启关闭后、又在作功和排气过程中开启关闭，此过程中排气门始终关闭，在利用制动 能量时，放气顶块使放气摇臂升起，让进气门被放气凸轮控制在进气过程中开启、在压 缩排出过程结束时关闭。中冷回热内燃机的中间冷却器还设有分流冷却控制系统，在该系统中，部分或 大部分相邻的各主汽缸的出气单向阀分别经带有换向阀板和旁流管的出气管与单设或成 组的中间冷却器进气端相连通，各出气管上的旁流管直接或经几条汇集成的旁流管路分 别与相对应的各单设或成组中间冷却器出气端的出气管路连通，这些中间冷却器的出气 管路分别再经充气阀与相对应的小副缸连通，各小副缸又经出气阀与带有同步换向阀板 和旁流管的流出管路相连通，各流出管路通向与回热器进气端相通的连通管路，而各流
6出管路上的旁流管汇集成总旁流管路后、与回热器出气端的连通管路相连通，由该管路 再分别经进气阀与各相对应的副缸连通；在中或低功率时，部分或大部分主汽缸出气管 上的换向阀板偏转与旁流管相通，让这部分主汽缸排出的压缩空气绕过中间冷却器，同 时，相对应侧的各小副缸的同步换向阀板也偏转与旁流管沟通，让这部分小副缸排出的 压缩空气经总旁流管绕过回热器流向回热器出气端的连通管路。在本发明中冷回热内燃机的主汽缸因具有气泵功能而能提供进行中冷回热循环 的压缩空气后，不仅因省去压气汽缸而简化了发动机的结构，而且主汽缸内所进行的进 气过程也有助于减少当汽缸采用低散热结构后所受的热负荷。主汽缸上所设的出气单向 阀在与挡气门相组合后，使其更能适应较高的发动机转速。本发明的中冷回热内燃机包括双副缸十字头型、双副缸分开型和单副缸型三种 不同结构，双副缸型中冷回热内燃机所进行的等压回热循环由于能把一定功率状态下的 排气热量基本吸尽，这种结构的中冷回热内燃机也具有最高的循环效率。


下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。图1是本发明双副缸十字头型中冷回热内燃机的总体结构剖视图。图2是本发明双副缸分开型中冷回热内燃机的总体结构剖视图。图3中的①_⑥图是本发明双副缸型中冷回热内燃机的工作过程图。其中，图 ①进气过程；图②压缩排出过程；图③中间冷却过程；图④等压回热过程；图⑤燃烧作 功过程。图⑥排气过程。图4是双副缸型中冷回热内燃机缸盖的实际结构剖视图。图5是沿图4中A-A线的缸盖底面图。图6是缸盖中挡气门和出气单向阀的结构剖视图。图7是带有电控线圈的出气阀的结构剖视图。图8是带有功率稳定和制动能量回收利用系统的中冷回热内燃机的总体布置 图。图9是缸盖内气门控制机构的结构剖视图。图10是沿图9中B-B线的俯视图。图11是控制进气门的三个不同进气凸轮的外形结构图。图12是本发明单副缸型中冷回热内燃机的总体结构剖视图。图13是单副缸型中冷回热内燃机的实际结构剖视图。图14是图13中缸盖底面主汽缸和副缸上各气门的布置图。图15中的①_⑥图是本发明单副缸型中冷回热内燃机的工作过程图。其中，图 ①进气过程；图②压缩排出过程；图③中间冷却过程；图④等容回热过程；图⑤燃烧作 功过程。图⑥排气过程。图16是中冷回热内燃机的中间冷却器分流冷却控制系统图。
具体实施方式
图1示出的是一种双副缸十字头型中冷回热内燃机，由图可见， 在主汽缸36的缸盖2上不仅设有进气门5和排气门10，通向中间冷却器28的出气单向阀 23也设在缸盖2上，为防止作功燃气进入中间冷却器，在出气单向阀23之前增设了一个 结构与进排气门相同的挡气门15。与主汽缸36相配合的副缸62斜靠在主汽缸旁，两者 经之间被升降阀44控制的通气道54连通。回热器80的出气端经连通管路79和进气阀76与副缸62连通。中间冷却器28的出气端经出气管路29和进出气阀83的进气口 1与 小副缸85连通，小副缸又经进出气阀83的出气口 3和连通管路81与回热器80的进气端 连通，回热器则置于与主汽缸的排气门10相连通的排气管路14内。在图1中，副缸62的容积是由副缸体64内配气活塞65的上部空间所构成，小 副缸85则由配气活塞的下部空间构成，配气活塞65经下部穿过下缸盖63的活塞杆67、 十字头68和连杆70与下面的副曲轴71传动相连。由于主汽缸36内的活塞38被曲轴41 带动两圈才有一次作功过程，因此副曲轴71的转速等于曲轴41转速的1/2。图2示出的是一种双副缸分开型中冷回热内燃机，在这种内燃机中，副缸62处 在单设的副缸体64内，其中的配气活塞69也采用了普通的活塞结构。小副缸85处在单 设的小副缸体53内，在小副缸85上设有带充气阀84和出气阀82的缸盖43。由于两副 缸是绕副曲轴71分别布置，即可如图2中所示那样让两副缸对置布局，也可以一定的角 度呈V型排列。实际中，在主汽缸36被制成单缸或双缸机型时，两个副缸还可直列排 列，让副缸所占宽度大于主汽缸所占宽度。在图2的双副缸分开机型中，为让小副缸85的工作容积小于副缸62，在两副缸 内的活塞行程相同条件下，可相应减小小副缸85的气缸直径。而在两副缸的缸径相同条 件下，就可如图2中所示，通过减小副曲轴71上小副缸85的曲柄销72 (如虚线所示)半 径让小副缸的工作容积小于副缸62。图2中副曲轴71的转速等于曲轴41转速的1/2。图1双副缸十字头机型中的副缸和小副缸都处在一个副缸体64内，结构上较为 紧凑，但所增设的活塞杆67和十字头68增加了往复运动惯性，同时副缸中的配气活塞65 也要采用无油润滑方式工作。图2中双副缸分开机型的两副缸因分开布置，在结构上较 为灵活，也能让配气活塞得到良好的润滑。与图1中小副缸85由一个滑阀控制缸内的充 气和排气不同，图2中的小副缸85是采用充气阀84控制从中间冷却器28流进来的低温 压缩空气，采用出气阀82控制进入回热器80的低温压缩空气。图1和图2中的喷油器 57都设在了副缸62的上侧位置，实际中，为避免升降阀44过热和减小散热损失，喷油 器一般需设在升降阀与主汽缸之间的通气道上。另外，为形成低散热汽缸结构，在缸盖 2的底面设有陶瓷隔热层37，在活塞38和配气活塞65上分别设有陶瓷活塞顶39、66。双副缸型中冷回热内燃机的工作过程如图3① ⑥所示，下面结合工作过程图 说明这种内燃机的工作原理。①进气过程进气过程中主气缸36内的活塞38下行，进气门5开启，外界空气 经进气门充入主汽缸。②压缩排出过程主汽缸36充满空气后，活塞38开始上行压缩汽缸内的空气。 活塞上行一定的距离后，出气单向阀23外侧的挡气门15提前开启，随着活塞继续上行， 在主汽缸36内的压缩空气压力超过中间冷却器28内的压力时，汽缸内压力和温度都已上 升的压缩空气就会冲开出气单向阀23沿管路27流进中间冷却器28。在活塞38行到上止 点时，出气单向阀23外侧的挡气门15也被控制关闭，以防与活塞相接触。活塞行到上 止点后，压缩排出过程结束。接下去的燃烧作功过程在说明完中间冷却和回热过程后继 续说明。③中间冷却过程被活塞排出主汽缸的温度和压力升高了的压缩空气进入中间 冷却器28后，被冷却器外面的冷却水散热降温，使压缩空气的压缩热被导至外界、让压缩过程接近等温状态。压缩空气被降温后因体积相应收缩、使主汽缸36中的活塞38能 更容易的把压缩空气排出汽缸，从而相应减小了活塞压缩功的消耗，同时也为将要进行 的回热过程提供了更大的温度差。被中间冷却器28冷却的低温压缩空气在小副缸85吸 气过程中经开启的进出气阀83充入小副缸，完成中间冷却过程。在小副缸85的汽缸容积相当于主汽缸容积的1/3 1/4时，可让主汽缸36作为 气泵而进行的压缩排出过程中具有较高的容积效率，能把主汽缸内90%左右的空气压进 中间冷却器，同时，因压缩空气的温升只有250 300°C，中间冷却器所产生的中冷散热 损失也不是很大。④等压回热过程小副缸85吸入经中间冷却的低温压缩空气后，压缩空气又在 小副缸向外排气时被配气活塞65经开启的进出气阀83充进回热器80，让压缩空气被回热 器外面排气管14中的高温排气加热、使排气热量被相应回收。被回热器加热了的压缩空 气沿连通管路79经开启的进气阀76充入容积增大了的副缸62内。因回热后温度升高、 体积增加了的压缩空气在进到副缸62内能相应膨胀并通过推动活塞杆67对外作功，使回 热过程中被加热了的压缩空气压力并不升高(在一定回热温度范围内)，让回热在等压状 态下进行。因等压回热，使小副缸85排进回热器80内的压缩空气压力并不上升，仍能以低 温状态进入回热器，从而让回热器外面逆流而过的温度已经降低的排气热量能被低温压 缩空气进一步吸收，让排气中的热量能被基本吸尽，使内燃机的排气损失大大减少，让 循环效率大幅度提高。一般情况下，可让副缸62的容积大于小副缸85容积的1.5 2倍，而副缸62的 容积则相当于主汽缸36容积的1/2左右，以便让回热器80能在一定温度范围内实现等压 回热，又不让副缸62的工作容积过份增大。⑤燃烧作功过程在副缸62充入经回热的压缩空气后，配气活塞65开始上行对 其内的热压缩空气进行二次压缩，当配气活塞上行到所设定的位置时，主汽缸36中的活 塞38也完成了压缩排出过程行到上止点，在主汽缸的挡气门15关闭后，副缸62与主汽 缸36之间的升降阀44被控制开启，副缸内由喷油器57喷油燃烧所形成的作功燃气便经 升降阀44进入主汽缸36，推动其内的活塞38下行作功。在活塞38下行一定距离后，副 缸62内的配汽活塞65已行到上止点，把副缸内的作功燃气全部压进主汽缸。配气活塞 行到上止点时，升降阀44关闭，又开始下行的配气活塞接着吸入从回热器而来被高温排 气加热了的压缩空气，进入主汽缸的作功燃气继续推动活塞下行作功。⑥排气过程主汽缸36内的活塞38完成作功过程行到下止点后，排气门10开 启，向上运行的活塞便把作功后的废气经排气门10向外排出，并沿排气管14流过回热器 80，使废气中的热量被回热器内的低温压缩空气吸收。活塞行到上止点后，排气过程结束，接下来活塞又将下行，以重复进行上述的 循环工作过程。在本发明的中冷回热内燃机中，发动机的四冲程在主汽缸内进行，中间 冷却和回热过程在外围的中间冷却器、回热器和相应的副缸内进行。图1和图2中所示出的主汽缸和副缸上的各不同阀门及喷油器等只是处在有利于 说明发动机工作原理的位置上，实际中各阀门的布置如图4和图5所示，为减小压缩空气 被活塞排出汽缸时所产生的流动损失，在主汽缸36的缸盖2上设置了两套挡气门15和其
9背面的出气单向阀23，两挡气门处在进气门5和排气门10之间的两侧位置(参看图5)。 由于两挡气门15相隔一定的距离，为让两挡气门能被同步带动开启和关闭，凸轮轴9上 的挡气凸轮17是经一个被其侧面两连杆21约束、并能平移上下运动的从动臂20带动两 挡气门15的气门杆16。对于升降阀44，可如图1和图2所示让其处在副缸62上面垂直布置，以不占用 主汽缸上面的布阀空间，并在升降阀以外的通气道54上布置喷油器和电热塞，以防止升 降阀过热和减少散热损失，也可如图4所示，把升降阀44倒放在副缸62上面并处于躲开 进气阀76的位置处。升降阀44关闭时(图中是开启状态)，其阀头50落座与主汽缸36 上侧部连通的通气道54的阀座55上。在升降阀44的中心设有安装喷油器的通孔，外侧 固定在缸盖2上的喷油器57的喷油嘴58伸进升降阀的通孔内，并处在即不阻碍气流向主 汽缸流动、又能有利于喷油的高度位置。为了让流向主汽缸的压缩空气能与喷油器所喷 出的燃油良好混合，并促成不会产生碳烟的蓝焰燃烧过程，在升降阀的阀头50上设有环 形布置的若干导向叶片12，这些导向叶片与阀座55隔有一定的径向间隙，并与从副缸62 来的流向通气道54的径向气流形成有一定的倾斜角，以使让流过导向叶片的压缩空气形 成旋转气流，与喷油嘴所喷出的燃油进行更好的雾化，实现点火后的蓝焰燃烧。在缸盖 2上设有伸进通气道54的电热塞60，以便在起动及低功率时点燃作功燃油混合气。喷油 器被设置在升降阀或通气道上面后，因喷油过程只能在升降阀44开启后开始，会相应增 加主汽缸内的后燃时间，好在较高的排气温度能被回热器大量回收，所产生的后燃损失 并不很大。同时，在发动机中等功率时，因作功燃气已提前从回热器中获得部分热量， 并不需要喷油器持续长时间的喷油过程。升降阀44的提升开启、是被其两侧同步移动的 提升摇臂49在凸轮轴52上的双提升凸轮51带动下进行的。在作功燃气压力大于升降阀 背部的弹簧47弹力时，上升的升降阀44可由固定在缸盖2外壳上的顶杆48限位阻挡。 副缸62上的进气阀76的气门杆22经摇臂77被凸轮78带动。挡气门15和其背部的出气单向阀23的更详细结构如图6所示，出气单向阀23在 其背面弹簧31作用下落座在带通气孔25的阀座24上，出气单向阀前面的挡气门15的气 门杆16穿过阀座24中央及其上隔气套管26后被缸盖2上的挡气凸轮控制。由于挡气门 的设置，在较高发动机转速下，即使在压缩过程中活塞行到上止点，被小弹力弹簧控制 的出气单向阀23未及时关闭，而按时关闭的挡气门15也会阻挡高压燃气的进入，让出气 单向阀在作功过程中进行关闭。在图7中，为减小气流冲开出气单向阀所受到的阻力， 在出气单向阀之上增设有电控线圈34，在这种结构中，挡气门15背面的出气单向阀23经 其上的压环32被上面的弹簧31作用，压环32则经套管33与伸在电控线圈34内的衔铁 35相连，或者让出气单向阀23直接与带有衔铁的套管33相连，这样设置后，当主汽缸内 的活塞上行开始压缩过程后，电控线圈34被通电会在压缩空气将要冲开出气单向阀23之 前至活塞行到上止点时吸引衔铁35，使弹簧31的弹力不再作用出气单向阀，让压缩空气 不受阻挡的被排向中间冷却器。在中冷回热内燃机从低功率状态加大油门后，会因回热器的回收热量增多而让 输出功率更大，为达到油门踏板规定位置下的稳定输出，在图8所示的中冷回热内燃机 系统图中，在回热器80的出气端与进气阀76之间的连通管路79上分别设有与电控单元 88连通的温度传感器89和压力传感器90，这样，在发动机运行过程中，在刚改变完油门
10踏板91的位置后，当回热器80内的温度和压力因回热量的变化上升或降低时，电控单元 88便会控制油泵装置59和喷油器57相应的减少或增加喷油量，让输出功率稳定在与油门 踏板位置相对应状态上。在车用中冷回热内燃机中，还设有如图8所示的制动能量回收利用系统，这一 系统包括经相应的信号线被电控单元88控制的安装在回热器80与进气阀76之间连通管 路79上的截止阀95、带有进出阀97并通过进出管路96与回热器80进气端的连通管路81 相连通的储气筒98，还包括设在缸盖2上的控制进排气门工作状态的气门控制机构99。 车辆正常行驶时，回热器80出气端的连通管路79上的截止阀95开启，通往储气筒98的 进出阀97关闭，发动机以正常的中冷回热状态运行。在踩下制动踏板92让车辆减速时， 为回收车辆的减速能量，电控单元88便会如图中状态所示，控制截止阀95关闭、让进出 阀97开启，车辆减速行驶中发动机产生的压缩空气便无法通过截止阀95而被压进储气筒 98，让车辆的减速动能得到相应回收。在这一过程中，因副缸62内的配气活塞65仍进行 着吸气和排出过程，为减小其产生的真空压力损失，设在截止阀95以外的连通管路79上 的充气单向阀93便会让外界空气充进连通管路，并在副缸吸气时进入副缸。在储气筒98 充满压缩空气后而车辆使发动机仍继续产生压缩空气时(如下长坡)，可让发动机产生的 压缩空气经所设的压力阀(未画)泄掉，以起到制动刹车作用。在储气筒98内已充入一 定压力的压缩空气后，当需要利用这部分压缩空气时，电控单元88便让进出阀97开启， 同时使气门控制机构99让发动机不产生压缩空气，由储气筒98流出的压缩空气让发动机 运转，这一状态中因发动机不再消耗压缩功，使发动机的油耗相应降低并让输出功率相 应增大。当储气筒98内的压缩空气压力降到一定程度后，电控单元88便会关闭进出阀 97，并使气门控制机构恢复到正常状态让发动机正常运转。配合车辆回收利用制动能量的发动机上的气门控制机构如图9和图10所示，这 种气门控制机构的驱动控制器101与缸盖2内的选择轴102相连，在选择轴上设有控制进 气门5的处在不同角度并依次排列的进气顶块103、进放气顶块104和放气顶块105，在 选择轴上还设有控制排气门10的排气顶块106。由图可见，在各顶块上面分别设有装在 滑孔内的中间推块107，各中间推块通过其上部的顶头108顶在其上面相对应的摇臂一端 的轴窝113内。控制进气门5的三个中间推块107并排装在滑孔109内，其上三个并排 相对应的进气摇臂8、进放气摇臂110和放气摇臂112的中部可被上侧凸轮轴9上的相应 进气凸轮7、进放气凸轮114和放气凸轮115分别控制，三个并排摇臂的另一端同时压在 一个控制着下面进气门5的共用从动臂116上(参看图10)。这种装在中间推块107上 部顶头108上面的并排及单个摇臂是由其两侧的挡板100保持在规定的位置上。排气门 10的排气摇臂13另一端是直接压在排气门的气门杆11上。两挡气门15因不进行控制 变动，可被相对固定的挡气摇臂18另一端带动的一个上下侧被限位了的倒T型从动件19 同时压动。在适应发动机不同工作状态时，由选择轴102所选定的相应顶块经其上的中 间推块107顶起上面相应的摇臂、使该摇臂升到能被凸轮轴9上相对应的凸轮进行压动控 制的位置，未被顶起的其余摇臂因高度较低，并不会与凸轮轴上的凸轮相接触。图9中的进气摇臂8已被选择轴102上的进气顶块103顶起，只被凸轮轴9上的 进气凸轮7压动控制，进气摇臂的另一端经下面的共用从动臂116控制着进气门5，说明 此时发动机进行的是正常运行过程。在车辆减速制动需回收制动能量时，电控单元控制驱动控制器101会让选择轴102上的进放气顶块104使进放气摇臂110升起，让进气门5 被进放气凸轮114控制，使进气门5在进气过程中开启关闭后，又在凸轮上的凸起部分 117(参看图11)作用下，在已不喷油燃烧的作功和排气过程中开启和关闭，把吸入气缸 的空气又返回进气管，以避免把冷的空气排向回热器。此过程中，相配合的选择轴102 上的排气顶块106已转到降低位置，让排气门10始终处于关闭状态。在回收制动能量 时，也可让挡气门15在不喷油燃烧的作功过程中开启，但需要为挡气门在选择轴102上 再增设一个二次通气顶块和与挡气摇臂18并排设置的二次通气摇臂(未画)。同时，还 要把进放气凸轮114上的凸起部分117改成与进气凸轮相同的形状，让进放气凸轮失去放 气功能，成为一个二次进气凸轮。这样在主汽缸中的活塞每次上行时都可把压缩空气排 向储气筒，使产生的压缩空气量增加一倍，也会明显加大回收制动能量时所产生的制动 阻力。在车辆利用制动能量时，因为是利用储气筒内的压缩空气让发动机运转，选择 轴102让放气顶块105升起，把放气摇臂112顶高到被凸轮轴9上的放气凸轮115能控制 的位置，使进气门5被放气凸轮115控制在进气过程中开启、在压缩排出过程结束时才关 闭，让从进气管吸入主汽缸的空气又返回到进气管。放气凸轮115、进气凸轮7和进放气 凸轮114的形状如图11中所示。图12示出的是一种单副缸型中冷回热内燃机，在这种内燃机中，原双副缸机型 中的小副缸与副缸合并后形成一个副缸73，由图可见，该副缸除经升降阀44与主汽缸36 连通外，与回热器80连通的两个进出气阀76、82和与中间冷却器28连通的充气阀84也 都设在副缸73的缸盖上，主汽缸36经其缸盖2上的挡气门15和相组合的出气单向阀23 与中间冷却器28相连通。图中所示出的处在排气门10之后的进气门5是处于开启状态， 发动机正在进行进气过程，而副缸73内的配气活塞69也正下行进行吸气、把回热器80 内被排气管14中高温排气加热了的压缩空气引入副缸。在这种单副缸机型中，因副缸73 为配合回热器而增加一个吸气排气循环，配气活塞69的副曲轴74与主汽缸中活塞38的 曲轴41转速是相同的。在图12中，发动机的喷油器57及电热塞(未画)设在了副缸73 的上侧。实际中，单副缸型中冷回热内燃机的结构如图13所示，为让升降阀44不占用主 汽缸36和副缸73上的布阀空间，在这里，升降阀44设在了主汽缸36与副缸73之间， 并落座在下面弯通气道56的阀座55上，弯通气道的下侧端与主汽缸36相连通。在升降 阀44的中心处设有安装喷油器57的通孔45，外侧固定在缸盖外壳4上的喷油器57的喷 油嘴58伸在升降阀的通孔45内，并处在即不阻碍气流向主汽缸内流动、又能有助于喷油 燃烧的高度上。在弯通气道56下侧转弯处安装有电热塞60，该电热塞是经穿过副曲轴箱 75并躲开副曲轴74和穿过副缸73外侧水套的长套管61伸到弯通气道56处的。缸盖2底面的主汽缸36和副缸73上的各气门布置如图14所示，在主汽缸36的 缸盖底面设置进气门5和排气门10后，在两气门之间的两侧设有两个挡气门15，在副缸 73的缸盖底面分别设有通向回热器80进气端的出气阀82，通向回热器出气端的进气阀76 和与中间冷却器28出气端连通的充气阀84。主汽缸中挡气门15背部的出气单向阀23经 出气管路27与中间冷却器28的进气端连通。对于副缸上各阀门的开启关闭控制，如图 13所示，三个阀门分别经三个推杆30和相对应的位于两提升凸轮51之间的三个从动臂111被凸轮轴52上的各自凸轮分别控制。单副缸型中冷回热内燃机的工作过程如图15① ⑥所示。①进气过程进气过程中活塞38下行，进气门5开启，外界的空气经进气门充 入主汽缸36。②压缩排出过程主汽缸36充满空气后，活塞38开始上行压缩吸入汽缸内的空 气，这时出气单向阀23外的挡气门15也提前开启，在活塞继续上行，使空气压力超过中 间冷却器28内的压力时，主汽缸内的压缩空气便冲开出气单向阀23进入中间冷却器28。 活塞行到上止点时，挡气门也同时关闭，压缩排出过程完成。③中间冷却过程进入中间冷却器28内的压缩空气经冷却降温后因压缩过程接 近于等温状态，使压缩空气的体积相应收缩，活塞能够容易的把压缩空气压进中间冷却 器，让活塞所消耗的压缩功相应减少，同时也为将要进行的回热过程提供了很大的温度 差。被中冷后的压缩空气在副缸73进行第一次吸气时经开启的充气阀84充入副缸。在 副缸73的工作容积等于主汽缸36容积的1/3左右时，中间冷却所散失的热量便不会很 大。④等容回热过程进入副缸73中的低温压缩空气在配气活塞69上行，出气阀 82开启时被压入回热器80，被主汽缸36排出的高温废气加热，使排气热量得到相应回 收。随后，进入回热器被排气加热了的压缩空气在副缸73内的配气活塞69向下运行时、 经开启的进气阀76又充回进副缸(参看过程①图)，等容回热过程结束。在等容回热过程中，从副缸73内的低温压缩空气离开副缸进入回热器80被外面 的排气加热，到被加热了的压缩空气又返回副缸，因回热后各部分的容积没有变化，会 让被加热了的压缩空气压力相应升高。为减少配气活塞69在把低温压缩空气压进回热器 所消耗的压缩功，可让出气阀82稍晚开启或在出气阀82之后增设一个单向阀，等配气 活塞把副缸内低温压缩空气压缩到与回热器内压力相同时，再让压缩空气经开启的出气 阀82进入回热器。由于低温压缩空气在进入回热器之前要先受到一定的压缩，会使压缩 空气的温度相应上升，减小了与排气的温度差，使能回收的排气热量相对减少。因此， 这种单副缸型中冷回热内燃机的回热效率要低于进行等压回热的双副缸型中冷回热内燃 机。⑤燃烧作功过程在副缸73充入回热了的压缩空气、配气活塞69对压缩空气进 行二次压缩上行到规定位置，主汽缸36内的活塞38也完成压缩排出过程行到上止点时， 升降阀44被控制开启，让副缸内由喷油器57喷油燃烧所产生的作功燃气经升降阀进入主 汽缸，推动活塞38下行作功。配气活塞69行到上止点，把副缸内的全部燃气压进主汽 缸后升降阀44关闭，接下来副缸73开始吸入从中间冷却器来的低温压缩空气，进入主汽 缸的作功燃气则继续推动活塞38下行完成作功过程。⑦排气过程主汽缸内的活塞38完成作功过程行到下止点后，排气门10开启， 向上运行的活塞便把作功后的废气向外排出，废气经过回热器80后，让回热器内的低温 压缩空气被相应加热，使排气热量得到回收。活塞行到上止点完成排气过程后，接下来 又将下行，以重复进行上述的循环工作过程。中冷回热内燃机在大功率运行时，中间冷却器所散出的热量约占总燃料热量的 17%。虽然中间冷却损失了一部分热量，但由于给等压回热创造了很大的温度差，让
13所回收的热量更多。而在中低功率时，由于排气温度的降低，让能回收的热量也相应减 少，中间冷却的热损失便会相对增大。但不中冷也不能更好的回热，为在中低功率下也 能平衡好中冷与回热，可采用图16所示的中冷回热内燃机的中间冷却器分流冷却控制系 统。在这种系统中，部分或大部分相邻的各主汽缸36的出气单向阀23分别经带有换向 阀板120和旁流管121的出气管127与单设或成组的中间冷却器128进气端连通，各出气 管127上的旁流管121直接或经几条汇集成的旁流管路122分别与相对应的各单设或成组 中间冷却器128出气端的出气管路123连通，这些中间冷却器128的出气管路分别再经充 气阀84与相对应的小副缸85连通，各小副缸85又经出气阀82与带有同步换向阀板124 和旁流管125的流出管路181相连通，各流出管路通向与回热器80进气端相连通的连通 管路81。而各流出管路181上的旁流管125汇集成总旁流管路126后、与回热器80出气 端的连通管路79相连通，由该管路再分别经进气阀76与各相对应的副缸62连通。在图16示出的四主汽缸机型中，右侧两个主汽缸36是与由两个中间冷却器合并 后所形成的中间冷却器128相组合的。而在六主汽缸机型中，便可让四个主汽缸每两缸 为一组，分别与各自的成组中间冷却器相组合。图16中的中冷回热内燃机是处于低功率 状态，右侧主汽缸36出气管127上的换向阀板120已偏转与旁流管121相通，让该侧主 汽缸排出的压缩空气不被冷却并绕过中间冷却器128，以减少发动机在低功率时因中间冷 却所损失的热量。同时，相对应侧的各小副缸85的同步换向阀板124也随同偏转与旁流 管125沟通，让这部分小副缸所排出的未经冷却的压缩空气经总旁流管126绕过回热器80 流向回热器出气端的连通管路79，以不干扰从左侧主汽缸36、中间冷却器28和小副缸85 而来的低温压缩空气在回热器中的回热。实际上，对图16中的四主汽缸机型如进行更准确的冷却控制，可让三个主汽缸 分别经三个单设的中间冷却器128来进行中间冷却的分流控制，在低功率时，只有一个 主汽缸的压缩空气被中间冷却器28最大限度的冷却，以能用较大的温差进入回热器去回 收温度较低的排气热量。当功率逐渐加大、排气热量也增加后，再逐缸增加被中间冷却 器128冷却的压缩空气，以便更好的控制中冷与回热的平衡。但这种每缸单设中间冷却 器的控制方式会增加旁流管路122和出气管路123的数量。在多缸机中，让每两个主汽 缸单设一个中间冷却器128可能更为适合。以上详细描述了双副缸十字头型、双副缸分开型和单副缸型中冷回热内燃机的 具体结构和工作过程，双副缸型中冷回热内燃机所进行的等压回热过程在一定功率下 (如中等功率)由于能把排气热量基本吸尽，实际中将具有最高的循环效率。同时由于在 双副缸机型中副曲轴的转速只是主汽缸曲轴转速的1/2，有助于减小气流进出副缸时所受 到的阻力，与普通内燃机相比，增加副缸后所产生的气体流动损失便不会很大。而单副 缸中冷回热内燃机则是能进行中冷回热循环的最简单机型。在中冷回热内燃机中，因作功时配气活塞会把副缸内的绝大部分气体压入主气 缸参与燃烧作功过程，活塞上的顶隙容积和通气道所占容积加起来也不会超过普通高压 缩比柴油机的燃烧室容积，这使中冷回热内燃机的基础效率(不进行中冷回热时)不会低 于一般柴油机。经计算，回热器内被外面排气加热了的压缩空气温度提高10°C，发动机的循环 热效率就会相应提高约0.6%，如回热后压缩空气的温度升高值能达到200 350°C，因
14回热所提高的循环效率就会提高12% 21%，再加上中冷回热内燃机所具有的40%左右 的基础效率，便可让中冷回热内燃机的有效效率达到52% 61%，大大超过传统的普通 内燃机。对于车用中冷回热内燃机，在使其具备回收利用制动能量的功能后，行车中还 会让油耗降的更多。
权利要求
1.主汽缸四冲程中冷回热内燃机，包括带有进排气门(5、10)的主汽缸(36)、通过 不同阀门与主汽缸(36)和回热器(80)连通的副缸(62)、通过不同阀门与回热器(80)和 中间冷却器(28)连通的小副缸(85)，其特征在于通向中间冷却器(28)的出气单向阀 (23)设在主汽缸的缸盖(2)上，该出气单向阀受背面的弹簧作用落座在带通气孔(25)的 阀座(24)上，在出气单向阀(23)之前还设有一个结构与进排气门相同的挡气门(15)，该 挡气门的气门杆(16)穿过阀座(24)中央及其上的隔气套管(26)被缸盖(2)上的挡气凸 轮(17)控制，挡气门(15)在主汽缸(36)内的活塞(38)上移进行压缩过程后开启、在活 塞行到上止点时关闭，挡气门(15)关闭后，副缸(62)与主汽缸(36)之间的升降阀(44) 被控制开启，副缸内的配气活塞(65)也行到所设定的距上止点一定距离的位置处，配气 活塞(65)行到上止点时，升降阀(44)关闭。
2.根据权利要求1所述的中冷回热内燃机，其特征是副缸(62)由副缸体(64)内配 气活塞(65)的上部空间构成，小副缸(85)由配气活塞(65)的下部空间构成，配气活塞 经下部穿过下缸盖(63)的活塞杆(67)、十字头(68)和连杆(70)与副曲轴(71)相连，副 曲轴的转速等于曲轴(41)转速的1/2。
3.根据权利要求1所述的中冷回热内燃机，其特征是副缸(62)处在单设的副缸体 (64)内，小副缸(85)处在单设的小副缸体(53)内，两副缸绕副曲轴(71)即可对置布 局、也可V型排列，在主汽缸(36)单缸或双缸时，两副缸还可直列排列，小副缸通过相 应减小缸径或减小副曲轴(71)上小副缸(85)的曲柄销(72)半径使其工作容积小于副缸 (62)，副曲轴(71)的转速等于曲轴(41)转速的1/2。
4.根据权利要求1所述的中冷回热内燃机，其特征是所述的小副缸与副缸合并后 形成一个副缸(73)，该副缸除经升降阀(44)与主汽缸(36)连通外，与回热器(80)连通 的两个进出气阀(76、82)和与中间冷却器(28)连通的充气阀(84)也都设在副缸(73)的 缸盖上，带动副缸内配气活塞(69)的副曲轴(74)与曲轴(41)的转速相同。
5.根据权利要求2或3所述的中冷回热内燃机，其特征是升降阀(44)倒放在副缸 (62)上面并处于躲开进气阀(76)的位置处，升降阀关闭时，其阀头落座在与主汽缸(36) 上侧部连通的通气道(54)的阀座(55)上，在升降阀(44)的中心设有安装喷油器(57)的 通孔，外侧固定在缸盖(2)上的喷油器(57)的喷油嘴(58)伸在升降阀(44)的通孔内， 在升降阀(44)的阀头(50)上设有环形布置的与阀座(55)隔有一定径向间隙的若干导向 叶片(12)，这些导向叶片与从副缸(62)来的流向通气道(54)的径向气流形成有一定的倾 斜角，在缸盖(2)上装有伸进通气道(54)的电热塞(60)。
6.根据权利要求2、3或4所述的中冷回热内燃机，其特征是升降阀(44)位于主汽 缸与副缸之间、并落座在下面弯通气道(56)的阀座(55)上，弯通气道(56)的下侧端与 主汽缸(36)连通，在升降阀(44)的中心设有安装喷油器的通孔(45)，外侧固定在缸盖外 壳(4)上的喷油器(57)的喷油嘴(58)伸在升降阀的通孔(45)内，在弯通气道(56)下侧 转弯处安装有电热塞(60)，该电热塞经穿过副曲轴箱(75)并躲开副曲轴(74)和穿过副缸 (73)外侧水套的长套管(61)伸到弯通气道(56)。
7.根据权利要求2、3或4所述的中冷回热内燃机，其特征是挡气门(15)背面的出 气单向阀(23)经其上的压环(32)被上面的弹簧(31)作用，压环(32)则经套管(33)与伸 在电控线圈(34)内的衔铁(35)相连，或让出气单向阀(23)直接与带有衔铁的套管(33)相连，当主汽缸(36)内的活塞(38)上行开始压缩过程后，电控线圈(34)被通电会在压 缩空气将要冲开出气单向阀(23)之前至活塞行到上止点时吸引衔铁(35)使弹簧不再作用 出气单向阀。
8.根据权利要求2、3或4所述的中冷回热内燃机，其特征是在回热器(80)的出 气端与进气阀(76)之间的连通管路(79)上分别设有与电控单元(88)连通的温度传感器 (89)和压力传感器(90)，在刚改变控制喷油量的油门踏板(91)位置后，当回热器(80) 内的温度和压力上升或降低时，电控单元(88)会控制油泵装置(59)和喷油器(57)相应 的减少或增加喷油量。
9.根据权利要求8所述的中冷回热内燃机，其特征是在车用中冷回热内燃机中设 有制动能量回收利用系统，该系统包括经相应的信号线被电控单元(88)控制的安装在回 热器(80)与进气阀(76)之间连通管路(79)上的截止阀(95)、带有进出阀(97)并通过 进出气管路(96)与回热器(80)进气端的连通管路(81)相连通的储气筒(98)，还包括 设在缸盖(2)上的控制进排气门(5、10)工作状态的气门控制机构(99)；车辆正常行驶 时，截止阀(95)开启、进出阀(97)关闭，车辆制动需回收制动能量时，电控单元(88) 控制截止阀(95)关闭、让进出阀(97)开启，发动机产生的压缩空气进入储气筒(98)； 在利用制动能量时，电控单元(88)让截止阀(95)和进出阀(97)开启、发动机利用储气 筒(98)内的压缩空气工作，气门控制机构(99)则让发动机不产生压缩空气。
10.根据权利要求9的中冷回热内燃机，其特征是所述气门控制机构(99)的驱动控 制器(101)与缸盖(2)内的选择轴(102)相连，在选择轴上设有控制进气门(5)的处在不 同角度并依次排列的进气顶块(103)、进放气顶块(104)和放气顶块(105)，还设有控制 排气门(10)的排气顶块(106)，在各顶块上面分别设有装在滑孔内的中间推块(107)、各 中间推块通过其上部的顶头(108)顶在其上面相对应的摇臂一端的轴窝(113)内，控制进 气门(5)的三个中间推块并排装在滑孔(109)内，其上三个并排相对应的进气摇臂(8)、 进放气摇臂(110)和放气摇臂(112)的中部可被凸轮轴(9)上的相应进气凸轮(7)、进放 气凸轮(114)和放气凸轮(115)分别控制，三个并排摇臂的另一端同时压在一个控制着下 面进气门(5)的共用从动臂(116)上，排气门的排气摇臂(13)另一端直接压在排气门的 气门杆上，在适应发动机不同工作状态时，由选择轴(102)所选定的相应顶块经其上的 中间推块(107)顶起上面相应的摇臂、使该摇臂升到能被凸轮轴(9)上相对应的凸轮进行 压动控制的位置，未被顶起的其余摇臂并不与凸轮轴上的凸轮相接触；发动机正常进气 时，选择轴(102)上的进气顶块(103)使进气摇臂(8)升起，让进气门(5)被进气凸轮 (7)控制，回收制动能量时，进放气顶块(104)使进放气摇臂(110)升起、让进气门(5) 被进放气凸轮(114)控制在进气过程中开启关闭后、又在作功和排气过程中开启关闭， 此过程中排气门(10)始终关闭，在利用制动能量时，放气顶块(105)使放气摇臂(112) 升起，让进气门(5)被放气凸轮(115)控制在进气过程中开启、在压缩排出过程结束时关 闭。
11.根据权利要求2、3或4所述的中冷回热内燃机，其特征是部分或大部分相 邻的各主汽缸(36)的出气单向阀(23)分别经带有换向阀板(120)和旁流管(121)的出 气管(127)与单设或成组的中间冷却器(128)进气端相连通，各出气管(127)上的旁流 管(121)直接或经几条汇集成的旁流管(122)分别与相对应的各单设或成组中间冷却器(128)出气端的出气管路(123)连通，这些中间冷却器(128)的出气管路分别再经充气阀 (84)与相对应的小副缸(85)连通，各小副缸(85)又经出气阀(82)与带有同步换向阀板 (124)和旁流管(125)的流出管路(181)相连通，各流出管路通向与回热器(80)进气端相 通的连通管路(81)，而各流出管路(181)上的旁流管(125)汇集成总旁流管路(126)后、 与回热器(80)出气端的连通管路(79)相连通，由该管路再分别经进气阀(76)与各相对 应的副缸(62)连通；在中或低功率时，部分或大部分主汽缸 (36)出气管(127)上的换 向阀板(120)偏转与旁流管(121)相通，让这部分主汽缸排出的压缩空气绕过中间冷却器 (128)，同时，相对应侧的各小副缸(85)的同步换向阀板(124)也偏转与旁流管(125)沟 通，让这部分小副缸排出的压缩空气经总旁流管(126)绕过回热器(80)流向回热器出气 端的连通管路(79)。
全文摘要
本发明提供了一种主汽缸四冲程中冷回热内燃机，包括主汽缸(36)、副缸(62)、中间冷却器(28)和回热器(80)，经主汽缸上的挡气门(15)和出气单向阀(23)排出的压缩空气经中间冷却器冷却后、其压缩热被导至外界，使压缩过程接近等温状态，从而减少了活塞所消耗的压缩功，被冷却后的低温压缩空气在由副缸送到回热器被外面排气管内的排气加热后，也使排气中的热量得到大部分回收，从而可相应减少燃烧作功时的喷油量，因采用了低散热汽缸结构和能回收利用排气热量，使这种内燃机的热效率大幅度提高，它不仅能作为船舶、电站及动力源的动力装置，还因其具备回收利用制动能量这一功能，把它当作车辆的动力装置是更为可行的。
文档编号F02B29/04GK102011640SQ201010511299
公开日2011年4月13日 申请日期2010年10月19日 优先权日2010年10月19日
发明者韩培洲 申请人:韩培洲