调容储能型往复式内燃机的制作方法

文档序号:5230637
专利名称:调容储能型往复式内燃机的制作方法
技术领域
本发明属内燃机工程领域,具体涉及对往复式内燃机结构的改造。
往复式内燃机是沿用了二百多年的发动机,在长时期的生产及使用过程中,人们对它进行了不断的改进,使其气密封及组织燃烧系统达到了较好的程度。但是,其曲轴力臂效应的机械能量转换关系却很差,随转角变化的力臂效应很低,更不理想的是高气压转角区不能与长力臂效应转角相符合。多年来人们对这种力学关系没有什么结构上的改进,他们认为不管是增长曲臂还是增大活塞直径,其缸腔容积必须同比值关系成正比变化,这一比值关系是不可改变的。这就是说在内燃机中,机械的能量转换率是不可改变的,任何往复式内燃机的机械能量转换率都相同。
我们的调容储能型往复式内燃机,就是在摆脱力臂(曲臂的力臂效应)与容积变化的正比关系,使内燃机可在不增加燃气容积而增长力臂的情况下工作同时又增大了压缩比而不会形成不正常燃烧,因而可节约百分之二十六左右的燃料。
采取的措施是把控制进气门凸轮的凸起转角加大,延长进气门打开的转角到吸气行程结束后的50-90°转角范围内,使吸入汽缸内的气体在压缩开始后,返排出一定量的气体转入到正在吸气的腔内,剩留的混合气被压缩后进行燃烧膨胀作功,这就形成了相对来讲增长力臂作功的工程。但要注意,在设计其压缩后的最小容积时,必须以返排气后的剩余的缸腔容积,作为最大容积的计算基数,以保证不会因返排气造成实际压缩比的降低。这一改进结果突破了曲臂与吸气容量的正比变化关系,提高了机械的能量转换率,这一改进的节能效果是非常明确的,我们可以用一种简单的计算方法计算出来。比如说有一台原设计为150马力的内燃机,我们改进后要把30%的气返排掉,也就是只耗了70%的燃料。由于我们缩小了压缩后的最小容积,所以压缩比没有发生变化,油气混合比也没有变化,当然爆炸压力也不会变,只是由于缩小了压缩后的最小容积,相对来讲放压比增大了30%,这就自然形成各转角的气体压力下降加快。加快的大小,由放压比的变化来决定。基于放压比的增大是在原放压比的基数上增大的,所以在原放压比很低的初始转角区,增值放压比也必然是很小的。比如在膨胀行程开始后的10度转角时,原放压比的基数只有0.07,它的增值放压比只有0.021,总的放压比是0.091,到30度转角时,一般是汽缸内压力最高转角处,它的原放压比只有0.54,它的增值放压比只有0.162,其总放压比也只有0.702;到80度转角时,增值放压比才达到1,原放压比是4.321,现在变成5.321,直到180度转角时,放压比的增值为2.1,它的最大平均降压比也只有21%。
总之,我们在调容中少燃了30%的混合气,等于增长了30%的力臂,应当是提高30%的能量转换率。然而放压比的增大致使转角压力下降加快,是降低能量转换率的因素。由于我们缩小了燃烧室容积,使其压缩比及燃烧压力没有变,所以达到了转角压力下降较小的理想地步。由于内燃机的气压高峰及有效力臂长度都是在转角前区最大,所以使放压比增大,影响功率下降的压力因素降低到14.5%。这样就可节约燃料15.5(30%-14.5=15.5%)。
本发明采取的另一个节能措施是在原有的活塞上加一个调容储能活塞,使它能在受到高气压时缩回原活塞中调大缸腔容积,并把压力储入其下的坐簧中。气体压力低时,它又可伸出原活塞调小缸腔容积,并把储能输出来,调高气体压力。这种调容储能活塞可起到缓解高温、高压、转移压力转角的作用。
它节能的工作原理是采用调容储能活塞后,可使内燃机增大其设计压缩比使用,因为调容储能活塞可以自动把增大了的压缩比容积及压力调入活塞内来。增大压缩比,是内燃机节能的一项有效措施。所以在柴油机中有使用外增压措施的,但它不如内增压节能效果好。在汽油机中使用内增压调容结构,可降低压缩升温及爆炸最高压力,并把能量储存到弹簧中去,直到气缸内的气体压力开始降低时,调容活塞,又可自动伸出,降低压力下降的速度,也就是把储在弹簧中的能量释放出来,这就达到可增大压缩比提高能量转换率的效果。同时由于弹簧的储能作用,把短力臂转角区压力储转到长力臂转角区来,必然也是提高机械能量转换率的有效途径,这一改进又可节约燃料11%左右。
附图
(一)是返排气刚结止后的运转示意图。图中,1、返排气主轴转角 2、主轴曲臂 3、主轴中心 4、连杆 5、缸体 6、缸套 7、活塞 8、控制气门的凸轮轴 9、缸盖 10、火花塞 11、进气门 12、燃烧室 13、调容储能活塞 14、挡圈 15、气密封环 16、储能坐簧 17、主轴施转方向附图(二)是压缩到上止点后的结构运转示意图。图中明显的表示出压缩压力使调容储能活塞缩回了一定位置。
附图(三)是原两行程机的结构示意图。图中,1、曲轴 2、连杆 3、活塞 4、排气门 5、缸体 6、缸盖 7、火花塞 8、燃烧室 9、进气门 10、转动方向附图(四)是两行程机改进后的结构示意图,图中,1、曲轴 2、连杆 3、活塞 4、阀瓣 5、止回珠 6、缸体 7、缸盖 8、火花塞 9、燃烧室 10、阀瓣 11、止回珠 12、调容活塞 13、挡圈 14、气密封圈 15、调容储能弹簧 16、转向结合附图,对本发明作进一步的说明如附图(一)所示,它是控制进气门的凸轮轴8转到了关闭进气门11后的位置,这时主轴曲臂2已完成了返排气的主轴转角1(大约是80度转角)。这时的缸腔容积已是减去了返排气容积后的容积,因为实际的压缩是从这个转角容积开始的,所以在确定好使用压缩比之后,必须以返排气后所留的容积作为最大容积,设计应有最小容积,也就是燃烧室容积。12,我们在汽油机中可以把压缩比提高到1∶11,这样燃烧室容积比过去就小了。但是正如附图(二)所示,压缩后的燃烧实际容积,比压缩比没有增大时并不小,这是因为调容储能活塞13缩回到活塞7内部后增大了燃腔容积,相当于原压缩比没增的情况。这就既不会形成因压缩比提高而形成温度过高的不正常燃烧,又可以在燃烧增压中继续把压力储存到调容储能活塞中,降低爆炸最高压力及最高温度。随着膨胀过程及燃烧的完成,当气体压力开始下降时,调容储能活塞13又会自动逐渐伸出,把其储能返回到汽缸容积中来,致使转角降压放慢。这一调容过程一般从压缩到上止点前30度转角开始储能,到膨胀至35度左右转角开始放能,直到100度转角为止。这就要求设计坐簧时选好它的弹距及弹力的大小,特别应注意到弹距在受力后变化中的弹力变化。这里选用什么材料,材料的直径,弹簧的直径、弹簧的长度,圈数都是影响能否达到使用要求的重要参数。不同压缩比,不同活塞直径的内燃机,其弹簧的各参数也有不同,设计弹簧所应达到的要点是第一,对汽油机来讲,你可以选用压缩比大于1∶9的任何压缩比,但必须保证压缩到上止点时,实际压缩比不超过1∶9,也就是调容活塞下面的弹簧弹力,在超过压缩比1∶9时的压力下,可自动调节压缩容积在压缩比1∶9的范围内;第二,无论是汽油机还是柴油机,其弹簧必须有适当的储能能力;第三,对柴油机来讲,无论你选用压缩18以上的任何压缩比,其弹簧必在压缩比18之内不会形成弹动调容。图中,弹簧挡圈14,是用来阻挡调容储能活塞不可伸出原活塞顶平面的,在设计弹簧及装配时应当使弹簧有一定的予压力,但不能太高,一般在10公斤左右就可以了。
两行程内燃机,人们叫它油老虎,它比四行程机的燃料的消耗率高一倍多,所以一般不使用两行程机,只有象5马力之下的小动力才使用两行程结构的单缸机。为什么两行程机比四行程机的耗油率会高出那么多呢?主要是因为在两行程机中大量的燃料没有燃烧就排放掉了。其次是它的有效能量转换转角比四行程机少。请看两行程机的原结构示意图(三)。到活塞下行至打开排气口时,只有八十多度转角后就基本不可能转换出有效功了,而四行程机可达到170度转角。再来看两行程机的换气情况,排气门打开,由于缸腔内的气体压力高于大气压,所以必然会形成压差关系下的排气,依靠排气时的气体流动所形成的惯性,可以使缸腔内的气压最后低于大气压,也只有是在这种情况下打开进气门后就可以形成吸气。问题在于两行程中的排气流是由气压差形成的,它不同于四行程机,排气流速度高,所以它形成的惯性吸空力也就大。两行程机由于是由气压差关系排气,在排放结止时由于气压差的下降,气流速度也就很低了,所以形成的吸空力不会大,打开进气门后形成的进气流速度也不会高。所以我们说两行程机中的换气主要还是依靠活塞继续下行形成的真空吸力完成的。问题是在活塞下行中形成的真空吸力把新鲜混合气吸入后,一般大多数是在活塞的顶部,也就是缸腔的下部,少量的新鲜混合气会到达缸腔的顶部。也就是说到吸气结止后,顶部所占有的新鲜混合气比例小于低部,顶部占有的废气比例大于底部。在这种情况下活塞上行时,就必把大量的新鲜混合气连同少量的废气排放出去了,这就是两行程机耗油特高的一个主要原因。其次,由于被压缩混合气中含废气比例多,致使点火性不良及燃烧不完全,这些也是耗油率高的一个重要原因。当然有效功转换转角小也是燃料消耗率偏高的重要原因了。可是对小气缸机来讲,由于它的燃烧室容积小,并还可设计的立体形好,所以完成燃烧所用的时间短,又是可节能的因素,它的有效力臂比值长也是有利于增大能量转换率的一个因素。由这些综合因素而论,换气性不良造成的燃料浪费是两行程机耗油率高的严重问题。
附图(四)是我们改进后的示意图,图中在排气门上增加了止回气阀瓣16及止回珠15。止回珠在重力及回流气体的作用下可及时结止气流回入缸腔。当活塞下降到打开排气门位置时,高压气流冲开止回珠形成排气气流,直到汽缸内形成真空吸力后排气停止,这时止回珠关闭排气门。由于我们改进后的进气门增大了下移位置,所以这时活塞下行还不可能形成吸气,而是增大了真空吸力,到活塞下行到打进气门位置时,由于真空吸力比旧结构增大了很多,所以会形成高速的进气气流。同时由于我们在活塞上部开了个碰气缺口,所以高速进气流在碰壁后转向冲向缸腔的顶部,这就会迫使顶部的废气向下的排气门方向移动,直到吸气行程完成后,新鲜混合气处于缸腔上部的偏进气口一面,废气处于缸腔下部的偏排气口一面。开始压缩行程后,进气门的止回珠把进气门关闭(其实这里不设止回结构也可以,因为这时很少可能把混合气返排入进气道,就是排入一点也不是损失,因为存入进气道中的混合气还可在下一循环时吸入气缸)。压缩行程开始把处于缸腔下部的废气二次排出缸腔,这样剩留下的就是新鲜混合气了。因为处于缸腔顶部的新鲜混合气在活塞向上压缩时是不可能向下流动排掉的。这就形成在不损失新鲜混合气的情况下达到扫清废气的要求。它的工作原理是增大缸腔吸空力,因而增强进气流冲击力,利用碰壁使气流转向上方,达到扫废气到下方的换位结果,再用压缩行程把废气全部排出缸腔。两行程机这样改进后,再加上调容结构12、13、14、15的节能效果,必会使燃料消耗率下降很多。
权利要求
1.往复式发动机是由缸体、曲轴、活塞、连杆、进排气门机构等主要部件组成的,其改进的特征在于把原控制进气门凸轮的凸起转角增加六十至九十度转角的气门开度,使进气门到吸气行程完成后依然开着,致使在压缩行程开始后的六十至九十度转角内,向进气管内排气百分之二十至三十,减少燃烧混合气,相对来讲就是增长力臂的工作。
2.上述特征,要配合减少燃烧室容积,使其压缩比不变,才可达到节能效果。
3.在原活塞中增加了一个调容储能活塞,这可使内燃机增大压缩比使用,并起到储能转移能量的作用。
4.在两行程机中,又增设了进排气止回阀结构,并增大了换气行程,增设了活塞的阻气臂,使其可扫清缸内废气而不会流走新鲜混合气。
全文摘要
本发明是在现有往复式内燃机结构基本不变的情况下,改变控制进气门的凸轮及燃烧室容积,使吸入汽缸内的一部分气体返排回进气管后,少燃烧混合气,相对来讲是增长能量转换力臂,增大放压比。同时在原活塞中,增加了一个调容储能活塞,这就使内燃机可增大压缩比使用,达到增压、转移压的调节、节能作用。使用本发明可节燃料百分之二十六左右,并可降低排气噪音。
文档编号F02B75/02GK1093438SQ9311134
公开日1994年10月12日 申请日期1993年7月14日 优先权日1993年7月14日
发明者郭正礼 申请人:郭正礼
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