一种双重阿特金森循环内燃机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种双重阿特金森循环内燃机，具有阿特金森循环的特征和相似的效率，且功率密度更高。
【背景技术】
[0002]改进以便提高内燃机的热效率是内燃机最重要的改进设计。现在使用最普遍的四冲程和二冲程内燃机始终不能达到卡诺循环理论所指出的理论最高热效率。提高内燃机的热效率，目前主流的做法是采用早在1882年阿特金森就发明了阿特金森循环，这是一个膨胀冲程大于压缩冲程的四冲程热力学过程，可以令高温燃气充分膨胀从而提高热效率，但现在多使用米勒循环一一一种改进型的阿特金森循环一一在活塞膨胀的下止点处，气缸内的气压与进气管相似。另一种实现阿特金森循环内燃机的方法是在排气管上加装一个膨胀机来吸收内燃机排出的废气的热能并转化为输出功率。
[0003]传统的阿特金森内燃机是惯性不平衡的，因此很难实际采用。米勒循环内燃机虽然平衡性很好，但是因为进入气缸的空气比较少，因此功率密度一直是最大的缺陷而无法大规模使用。而直接在内燃机排气管上加膨胀机的做法，也因为没有合适的可调膨胀机而没有采用，并且加上之后对于内燃机的扭矩和输出功率有不利影响。
[0004]申请号为201310184706.3的专利名为应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机，虽然可以实现等效四冲程阿特金森内燃机的效率，但是二冲程内燃机扫气过程的缓慢限制了转速，因此功率密度不能达到更高。
[0005]需要一种更好的方法来提高阿特金森内燃机的功率密度以支持其大规模实用化应用。
【发明内容】
[0006]本专利针对上述缺陷作出新的解决方案，提供了一种双重阿特金森循环内燃机，采用双阿特金森循环原理，即在进气门和排气门均可以采用阿特金森循环原理进行调整，进气门可以大幅度延后关闭，排气门可以大幅度提前开启；排气管连接动力涡轮，动力涡轮通过变速器连接到内燃机的曲轴；在内燃机转速较高需要更多功率时，进气门采用奥托循环的调整方法，此时内燃机在排气门采用阿特金森循环的调整方法。排气门采用阿特金森循环原理进行调整和设定的方法称为超前膨胀的阿特金森循环原理。
【附图说明】
[0007]图1是双重阿特金森循环内燃机的系统总图，示出额外膨胀的机械原理。
[0008]图2是四冲程双重阿特金森循环内燃机的气门正时图，示出进排气门同时采用阿特金森循环的原理。
[0009]图3是四冲程双重阿特金森循环内燃机高功率运行时的气门正时图，示出进气门从阿特金森循环正时变为正常正时。
[0010]图4是二冲程双重阿特金森循环内燃机的气门正时图，示出低功率运行状态。
[0011]图5是二冲程双重阿特金森循环内燃机的气门正时图，示出高功率运行状态。
【具体实施方式】
[0012]在解释双重阿特金森循环内燃机之前，必需先解释在排气门采用阿特金森循环正时的设计，即超前膨胀的阿特金森循环。
[0013]参考图1，虚线里面的部分是内燃机的气缸和曲轴的部分，气缸的排气管引出来并进入动力涡轮，动力涡轮的轴通过一个变速器链接到内燃机的曲轴，即动力涡轮的动力可以传递给曲轴。超前膨胀的阿特金森循环内燃机的技术与传统的米勒循环的阿特金森内燃机区别在于:米勒循环是在内燃机进气的冲程中，延迟关闭进气门，因此将一部分空气或者混合气推出气缸，降低了气缸内的空气或者混合气的量，因此使得燃烧膨胀后在活塞下止点时气缸压力接近进气管压力；而超前膨胀的阿特金森循环内燃机并不降低进气的量，而是提前打开排气门释放一部分高温高压燃气，特别是在活塞处于膨胀冲程的过程中，燃气在推动活塞的同时，也通过排气管排出气缸，并在涡轮叶片上做功。这样的工作方式，不降低气缸进气的量，因此功率密度比米勒循环内燃机要高很多甚至可以达到高一倍。
[0014]排气门提前打开的时机是本发明的关键，是根据活塞在膨胀冲程的下止点位置时，气缸内的气体压力大致等于进气管内的气体压力，从而满足阿特金森循环的要求。阿特金森循环的效率高来自于活塞膨胀到下止点时气缸压力等于进气管压力，而提前排出的燃气在涡轮叶片上做功并通过变速器传回内燃机曲轴，增加了曲轴所获得的机械功率，通过这样的方式让高压燃气充分膨胀做功，因此理论效率最接近卡诺循环效率。因此，排气门开启不能太早，造成过多的功率从排气管排出，超出涡轮的额定功率造成功率浪费，而且导致活塞上得到的机械功不足；也不能太晚，造成涡轮功率不足，活塞在进入排气冲程时气缸压力依然很大，产生很多用于排出高压气体的能量损耗而降低了热效率。因为不同内燃机的极限转速、排气管几何形状等诸多因素的不同，导致所需要的排气门提前开启的时机会不同，这个排气门的开启时机可以通过试验数据获得。在得到排气门开启时机的数据后，将这个数字加在排气门的凸轮的角度上，就得到新的凸轮角度值，例如从通常的四冲程奥托内燃机的240°曲轴角增加到290°曲轴角，并设定排气门关闭时机是普通内燃机的数值，相应就得到了排气门提前开启的时机，即排气门打开提前，但在常规时间关闭。排气门提前开启的数值是随着内燃机转速的变化而变化的，因此需要全可变气门正时技术来精确实现准确的气门开闭时机。进气门最好皆由全可变气门正时机构来驱动，全可变气门正时机构已经具有很多具体的设计和专利技术，全可变气门正时机构可以让气门的打开时间长短连续可调，并且凸轮与曲轴的相位也连续可调，因此形成气门的开闭时间可以分别的独立的调整，因此气门可以完全按照需要打开和关闭，最大限度的发挥本发明的技术优势。
[0015]参考图1，本发明选用普遍使用的涡轮增压器中的动力涡轮作为气体膨胀做功的部件，因为其转速高体积小。而发明了可变截面的涡轮以后，使得涡轮在较低转速时的效率增加了，更加适合直接与内燃机的曲轴使用变速器相连。尽管排气管和涡轮或者膨胀机还是会产生一些的热量的散失，但是也是可以大幅度提高内燃机整体的热效率，而且内燃机转速不受限制，功率密度得到大幅度提高。当然，如果能够做到给排气管和动力涡轮做一些保温措施，将可以提高内燃机整体热效率。
[0016]动力涡轮并不是膨胀机唯一的选择，不排除有更好的可调节排气量的膨胀机出现后应用于本发明。又或者涡轮获得了更好的改进技术从而使得涡轮从低转速到高转速都具有最佳的热能转换成机械功的效率。但是，采用增加的并行气缸做膨胀机是不好的，因为活塞的冲程一般都是固定的，在节气门变化时排气的流量也在连续变化，因此固定容积的膨胀机不能保证所有工况下的热效率。
[0017]因为因为本发明的内燃机在吸气冲程与普通的四冲程内燃机没有任何差别，因此这样的内燃机可以很易于使用各类增压方法来提高内燃机的功率，例如机械增压器或者涡轮增压器。当采用任何一种增压器之后，与曲轴相连的涡轮必需增加额定流量，以充分将排气的热量转换为热功。当采用涡轮增压的时候，排气实际上先进入与曲轴相连的涡轮，此涡轮的排气再进入涡轮增压器的涡轮。在具体设计时，将内燃机的活塞系统和与曲轴相连的涡轮看作一个整体，这个整体所采用的热力学循环是阿特金森循环，即排气和进气的压力相同。
[0018]这里所说的连接涡轮和内燃机曲轴的变速器是广义的变速器，既包含固定传动比的齿轮变速器，也包括可变传动比的其他变速器，例如钢带的CVT变速器，或者其他形式的变速器。变速器的采用有利于优化涡轮的做功能力，将更多排气中的热功转化为曲轴的输出功率，提高内燃机整体效率。<