专利名称：内燃机燃气热损转换提高输出动力法系列的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机燃气热量损失的转换利用，提高输出动力的方法，尤其是能提高内燃机的热效率。
背景技术：
目前，公知的内燃机是利用燃料在气缸内燃烧，放热产生高温高压燃气的膨胀作用，推活塞旋转曲轴而输出动力，并且发展到采用电控及涡轮增压等先进技术。其曲轴连杆机构的特点是曲轴能输出较匀速的转动，活塞做谐振动谐振动的运动方程 X＝ACOS(ω0t+φ)谐振动的速度式 υ＝ω0ASin(ω0t+φ)谐振动的加速度式 α＝ω02ACOS(ω0t+φ)图1是谐振动的位移、速度加速度的对比图，图示X(t).υ(t)和α(t)在同一坐标中，三者的周期T0相同，位相不同，有位相差，这就使得活塞按余弦规律往复运动，特别是活塞运行到两端点(上止点，下止点)的速度为零，而位移和加速度最大，对机构不产生撞击，延长机构运行寿命。根据化学反应速度、质量作用定律υ＝K[A]a[B]b和阿仑尼乌斯公式K=Ae-EaRT,]]>活塞压缩至上止点时，燃料与压缩空气被压至压强最大，温度最高，浓度最大，所以合理的点火角度或喷油角度的燃料燃烧的化学反应速度较猛烈，燃烧质量较好。但存在问题是反应物是在一个大的整体空间——气缸内反应的，生成物燃气对燃料有隔离氧的作用，约束反应的进行。之所以出现“后燃现象”及排放成份中有HC、C、CO与燃气隔离燃料与氧接触有关，气缸内反应物的量太大时的反应自行受到生成物的约束；做为发动机的主要构件的活塞连杆机构所存在的缺点是根据图2中的柴油机燃料的燃烧过程图示(参见1976年12月出版的《拖拉机》书号15091.138第132——133页的可燃混合气燃烧过程的四个时期)，图示气体压力FP，曲轴转角θ，1点之前为压缩Y，由1点到3点与4点的中间点的一段时间为喷油持续时间t，4点以后的为膨胀P，1到2点为准备时期，由2点到3点为速燃时期，由3点到4点为缓燃时期，4点以后补燃时期至后燃。可燃混合气主要燃烧在上止点后曲轴转角20°之前，出现燃气的压力在3点到4点，达到最高值，燃烧扩展既快又猛，燃烧震音敲击较强，推活塞作用亦最大，这就使得活塞快速下行。由上述的活塞谐振动规律，上止点后曲轴转角较小时(20°转角之前)活塞正置于上止点稍后，谐振速度仍很低，所以这种燃烧作用不符合活塞的谐振动规律，会使机构件产生撞击，振动，严重敲缸，工作粗暴，并且由于活塞的谐振动规律和曲轴连杆的结构，使得燃气推动活塞的力的作用不能全部转为曲轴的输出转矩，图3示上止点曲轴转角θ，连杆长度a，曲柄长r，设垂线长b，则sinθ=br,]]>b＝rsinθ，sinβ=ba,]]>b＝asinβ，∴sinβ=ra·sinθ,]]>θ1＝90°-θ，α＝90°-β，∴φ1＝φ＝180°-(α+θ1)＝θ+β， ∴输出转矩的关系式M＝rFsin(θ+β)，M值随上止点后的曲轴转角θ的值在0°-70°范围的变大而增值，但在θ值约20°的曲轴转角稍后，燃烧基本上完毕，不但燃气压力不增，还由于活塞下行，使压力明显下降。并且20°的曲轴转角之前的燃烧产生的最大压力作用大都消耗在径向推曲轴的分力F2，F2不但不能使曲轴产生转矩M，而且对机构加大了磨擦力(不可逆过程)及损坏力的作用。F2可使曲轴折断，连杆弯曲，轴瓦损坏等，而相应的转矩力F1确很小，克服外界阻力(负荷)程度小，输出动力很小，也就是外界较小的负荷就能阻止活塞下行，加之上述活塞的谐振规律，使得上止点后曲轴转角20°之前的主要迅猛地燃烧膨胀作用趋向热量转换程度大，即可看做是有等温压缩的过程，即 使得机件吸热传导损失程度大，随废气排放到低温热源大气中的热损失大。机件吸热传导损失，还因为与燃气直接接触有关的机件不是绝热壁(参见《拖拉机》书号15091.138，1976年12月第一版，第51页发动机的热平衡)。使得热机的效率与期同高温热源循环的卡诺热机效率要低得多，即 上述功变热，加大了机件吸热传导损失及排放热损失，如果利用冷却系统的90℃的水先流入排气管的热交换器里先预热到374℃以上，足以产生过热蒸汽推动小型汽轮机转动，但加大设备成本，增加发动机的体积、重量等成问题。
发明内容
为了减小内燃机的机件吸热传导损失和排放热损，提高输出转矩，本发明提供内燃机燃气热损转换提高输出动力法，不仅能减小燃气的膨胀作用趋向热量转换散失，而且能利用燃气热损的‘可逆过程’的热量转换，以进一步提高输出动力，实现节能高效率的内燃机。系列的方法有1、余弦规律燃烧法系列(1)压燃式内燃机的余弦规律燃烧法；(2)点火式内燃机的余弦规律燃烧法；2、内燃机隔离机件衬层吸热蒸汽压法系列(1)工质为燃气的热机隔离机件衬层吸热蒸汽压法(2)大气层中高速飞行的火箭头部隔离机件衬层吸热蒸汽压法。
本发明解决其技术问题所采用的系列技术方案是1、余弦规律燃烧法系列活塞式内燃机的燃料燃烧按活塞的谐振动规律燃烧的方法，就是在内燃机的每个工作气缸内保持原燃烧室容积及压缩比不变的前提下，把燃烧室分成两个或三个燃烧分室，喷油嘴或火花塞相应地也增设相同的数目，并且按各燃烧分室容积大小顺序分第一燃烧分室、第二燃烧分室、第三燃烧分室，第一燃烧分室容积最小，第三燃烧分室容积最大。分室设置数目与发动机的行程，转速有关，高速小行程的数目少，低速大行程的数目多。活塞压缩至上止点后，第一燃烧分室先着火，产生高于压缩行程的压缩气压的燃气，同时燃气冲动活塞顶部空间的没有参加燃烧反应的压缩空气流动，使一部分进入第二、三燃烧分室，提高了分室的压缩气压，燃气的压力作用驱动曲轴旋转20°转角时，第二燃烧分室在第一燃烧分室的燃气压状态下，着火产生大于第一燃烧分室的燃气气压，并且燃烧质量较第一燃烧分室好，更猛烈，较快的燃烧速度，即υ＝K[A]a[B]b，由此依次序第三燃烧分室的更大程度的最佳燃烧。依次燃烧所产生一个按余弦规律上升的气压并与活塞的谐振动相谐和，就是按图4的曲线的余弦规律增高过程，在曲轴转角由上止点后5°-70°时，燃气压力由I点过渡到2点升至3点最高值，产生输出转矩最大，即M＝rFSin(θ+β)值最大，使得燃气的推力作用不受活塞的谐振动阻抗，按趋向卡诺循环的过程进行，相应地减小燃气的推力作用趋向热量的转换，使之转换为有效功，即 同时减小了机件吸热程度和减小排气带走热量损失。系列的有包括活塞往复式，旋转三角活塞式，变形活塞机，齿轮、齿环、无曲轴式发动机，可分为压燃式和点火式内燃机。压燃式内燃机各燃烧分室通过活塞顶空间相互流通；点火式内燃机各燃烧分室，第一分室与活塞顶空间相通，第二、三分室均有活门关闭互不相通，但相应哪个分室着火时哪个分室的活门先开启与活塞顶空间相通。
2、隔离机件衬层吸热蒸汽压法系列活塞式内燃机气缸盖与高温燃气直接接触的主要内壁上采用衬层的方法，通过衬层结构将原机件吸热损失转换利用。该衬层能部分隔离与高温燃气直接接触的机件吸热损失，还能减小燃气热量直接被机件大量吸收传导损失。衬层内部有网导管结构，衬层可以吸收相当于原机件吸热传导损失的热量，并且与原机件之间有热隔离层，机件吸热暂且储存在衬层结构中，衬层结构中的网导管各与燃气通。上止点后做功冲程中，曲轴转角90°左右时，喷液嘴高压喷射定量的液体如H2O(I)或CO2(I)、N2(I)、He(I)等进入衬层结构的网导管中，并吸收衬层的热量后受热蒸发、汽化。并从网导管孔喷出衬层外进入燃气中，即使得衬层得到冷却，又产生一定的蒸汽压参与到燃气中，并吸收燃气的一部分热量，使燃气降温达到混合后的热平衡状态。但参与混合后的总气压较混合前高温燃气压大，增加燃气的推力作用，并且曲轴转角正置90°左右，使输出转矩M＝rFSin (θ+β)值达到最大，提高了输出有效功，相应地把机件吸热传导损失及排放损失热量转换为有效功，即 为喷液体摩尔数。
该方法就是把燃气热损交换回来产生蒸汽，衬层可看做是蒸汽锅炉，缸筒活塞连杆是内燃机与蒸汽机的共用机构，即是内燃机又是蒸汽机双功能。如果所使用的液体是H2O(I)，则可以利用冷却系统水箱先预热90℃进入高压泵并经喷液嘴喷入网导管中进一步利用了机件散失及排放散失。采用衬层喷水的方法本着排气温度在374℃以上的原则，这样不会在机件内部形成酸液滴。由于衬层及其内部的网导管直接与压缩气及高温高压燃气接触，所以网导管内部温度可达上千度，超过水的临界点374℃，并且气缸内燃气压低于218.5个大气压(燃气气压在90-120个大气压)，保证一定质量的水的汽化。喷H2O(I)的质量m2后，先与网导管达到热平衡，产生T2温度的H2O(g)，所产生的蒸压值P蒸为燃气气压P燃与H2O(g)的蒸气压P水之和即 T为高温燃气的温度，V为活塞压缩至上止点后燃料燃烧完毕的曲轴转角时的燃气容积。气缸内燃气压值实际上是压缩行程的压缩气压P压与燃气压之和，即P＝P燃+P压，从网导管里喷射出蒸汽其状态方程组为 Q1为机件吸热损相当的热量，一般取小于机件吸热损值来计算，C1、m1、t网分别为衬层网导管的比热、质量，在气缸内的温度；m2、μ2、Cυ分别为喷液H2O(I)的质量，摩尔质量，热平衡时的定容摩尔热容量，363°K为H2O(I)或C2O(I)在冷却系水箱中或排气管热交换被预热的温度。此方程组可求m2t2的值。m2、t2处于状态(t2+273、P蒸、V)，喷出参与到高温燃气中，与高温燃气达到新的热平衡，其状态方程组为 可求得平衡后的温度T3及H2O(g)参与到燃气中吸收燃气的热量Q2的值，由此喷水与燃气混合的热平衡状态，可看做等容变化混合后m2的H2O(g)状态(T3、PH2O(g)、V)，燃气状态(T3、P燃1、V)，PH2O(g)=m2μ2RT3V]]> 由道尔顿分压定律得 求得P值应该大于P燃，即 所产生的P的增压值是m2H2O(I)在衬层里吸收相当于机件吸热损Q1后，汽化为H2O(g)，并参与到高温燃气中，再次吸收相当于排气带走的热量损失Q2后，达到热平衡所产生的。m2值是通过计算选用的最佳值，当m2值与计算值大得多时，则产生的热平衡状态后总气压值P＜P燃；当m2值与计算值小得多时，则对总热量损失Q损＝Q1+Q2的利用率低，增压不明显。由于网导管的设计制造上所出现的网导管太长，或在工作运转过程中出现的衬层积碳过多等使衬层吸热储热量Q损值太小，而出现液体汽化后大部分滞留在网导管中，只是降低衬层的温度，达到冷却，但增压不明显，并且对下次循环的燃烧起到阻碍作用，所以衬层的设计，制造，还应考虑到衬层的冷却收缩等问题，及m2值的选择最重要。系列的可实现(1)工质为燃气的热机，如喷气式发动机，火箭喷射发动机等机件吸热及排放高温热损转换，即使得机件达到冷却又提高燃气的喷射动能及推力作用；(2)大气中高速飞行的火箭，航天飞行器等的头部衬层达到冷却，助推的效果。
本发明的有益效果是在现有的内燃机及其它热机构造技术基础上，减小燃气热量散失，转换提高利用燃气的热量，提高输出动力，实现节能高效率的热机。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是谐振动的位移、速度、加速度的对比图。
图2是柴油机燃料的燃烧过程图。
图3是内燃机的曲轴连杆机构转动动力输出情况图。
图4是内燃机燃料按余弦规律燃烧所产生的燃气压与活塞谐振动相谐和，按余弦规律上升图。
图5是本发明第一个实施例的剖视图。
图6是本发明第二个实施例的剖视图。
图7是本发明第三个实施例的剖视图。
图8是本发明第三个实施例的A-A剖面图。
图9是本发明第四个实施例的剖视构造图。
图中1、第一燃烧分室，2、第二燃烧分室，3、第三燃烧分室，4、第一燃烧分室直喷油嘴，5、第二燃烧分室涡喷油嘴，6、第三燃烧分室直喷油嘴，7、控制活门，8、燃烧分室点火器，9、机件内壁，10、隔离层，11、衬层，12、网导管，13、喷液嘴，14、导管蒸汽喷口。
具体实施例方式在图5所示的第一个实施例中，对于压燃式内燃机，第一燃烧分室(1)与第二燃烧分室(2)第三燃烧分室(3)各通过活塞顶压缩空间相串通，并且各分室的容积和喷油量分别占第一燃烧分室(1)占 第二燃烧分室(2)占 第三燃烧分室(3)占 第一燃烧分室(1)的直喷油嘴(4)的喷油角度是上止点前10°的曲轴转角；第二燃烧分室(2)的涡喷油嘴(5)的喷油角度是上止点后曲轴转角20°-25°；第三燃烧分室(3)直喷油嘴(6)的喷油角度是上止点后曲轴转角40°-45°。
在图6所示的第二个实施例中，对于点火式内燃机的第二燃烧分室(2)设置一个控制活门(7)，并通过控制活门(7)的开启、关闭实现与第一燃烧分室(1)的串通与不通。控制活门(7)的开启与关闭保证各分室的燃烧的依次性，且控制活门(7)不与活塞顶相对撞，同时保证其它冲程的工作。各分室的容积和燃料量分别占第一燃烧分室(1)占 第二燃烧分室(2)占 如果结构中设置第三燃烧分室(3)，则各分室所占的比例按第一个实施例的比例设计。第一燃烧分室(1)点火角度为上止点后5°-7°曲轴转角，第二燃烧分室(2)点火角度为上止点后25°-27°曲轴转角时点火。
在图7及图8所示的第三个实施例中，以工质为燃气的热机中，衬层(11)与机件内壁(9)之间设置隔离层(10)，并彼此相互紧密结合，网导管(12)一端与喷液嘴(13)相密封连通，并通过另一端导管蒸汽喷口(14)与燃烧室内的高温高压燃气相串通，高温高压燃气沿图中键头方向流动时，将热量传给衬层(11)及其内部网导管(12)，使液体吸热蒸发沿网导管(12)内键头方向从网导管蒸气喷口(14)喷出参与到燃气中去。
在图9所示的第四个实施例中，对于内燃机的衬层(11)结构，主要在缸盖上与燃气直接接触的燃烧室内壁(9)上相互紧密牢衬，网导管(12)通过导管蒸汽喷口(14)与燃气相串通，网导管(12)另一端与喷液嘴(13)密封接通。在每一循环中，衬层(11)吸收相当于该部位的机件吸收的热量Q1，并在隔离层(10)的暂且隔离作用使吸收热量暂且储存，当燃料完全猛烈燃烧接近完毕时，喷液嘴(13)高压力喷射质量为m2的液体，如H2O(I)或He(I)等，在网导管(12)内吸收衬层(11)的大部分储存的热量Q1产生蒸汽压P蒸，并从导管喷口(14)喷射出来，参与到燃气中，吸收燃气的相当于排气散失的大部分热损Q2，产生增压PH2O(g)，并与热平衡时燃气气压P共存作用活塞的总压为 的增压作用。
权利要求
1.内燃机燃气热损转换提高输出动力法系列的余弦规律燃烧法系列，及隔离机件衬层吸热蒸汽压法系列，在现有的内燃机及其它热机技术基础上，充分发挥燃气的推力效果，并将大部分可以用来做功的燃气热损，即W=(Q)T=muRTLnV2V1=muRTLnp1p2]]>转换为有效功，即 其特征是余弦规律燃烧法系列，按内燃机的活塞压缩至上止点后曲轴转角的增大，而按活塞的余弦规律加大燃烧程度，产生余弦增压，即谐和机构的工作，又可使现有的内燃机的功变热减小，热功转换增多，即增加(Q)T＝W转换，提高输出动力；相应特征是隔离机件衬层吸热蒸汽压法系列能够转换利用机件吸热的大部分热损Q1及排气带走热的大部分热损Q2，即W＝(Q)T的大部分转向为Q损＝W的转换，提高燃气推力。
2.根据权力要求1所述的内燃机燃气热损转换提高输出动力法系列的余弦规律燃烧法系列，其特征是在现有的内燃机的电控技术及涡轮增压技术基础上，不改变内燃机的主体结构，只是采用把原来的一次燃烧做功法改为按余弦规律递增压的二次、三次燃烧法，就是在不改变压缩比及燃烧室容积的前提下，把燃烧室的制造按一定容积比、分为第一燃烧分室(1)、第二燃烧分室(2)、第三燃烧分室(3)。
3.根据权利要求1所述的内燃机燃气热损转换提高输出动力法系列的余弦规律燃烧法系列，其特征是压燃式余弦规律燃烧法的内燃机的各燃烧分室各与活塞顶压缩余隙相串通。
4.根据权利要求1所述的内燃机燃气热损转换提高输出动力法系列的余弦规律燃烧法系列，其特征是点火式余弦规律燃烧法的内燃机的第一燃烧分室(1)与活塞顶压缩余隙相串通，第二燃烧分室通过控制活门(7)的开启，关闭与活塞顶压缩余隙相串通与不相串通。
5.根据权利要求1所述的内燃机燃气热损转换提高输出动力法系列的余弦规律燃烧法系列，其特征是余弦规律燃烧法系列所产生的效果是减小W＝(Q)T转换，提高(Q)T＝W换。
6.根据权利要求1所述的内燃机燃气热损转换提高输出动力法系列的隔离机件衬层吸热蒸汽压法系列，其相应特征是在现有的内燃机燃烧室内壁上采用隔离衬层(11)的隔热、吸热相当于机件吸热散失Q1，使衬层(11)中的网导管(12)里的一定喷射压力的H2O(I)或N2(I)CO2(I)He(I)汽化，并参与到高温燃气中，吸收燃气的相当于排气带走的热量Q2，变成热平衡状态的燃气与H2O(g)或He(g)的混合气的过程，产生热功转换，即Q损＝W提高输出动力。
7.根据权利要求1所述的内燃机燃气热损转换提高输出动力法系列的隔离机件衬层吸热蒸汽压法系列，其相应特征是在其它热机喷气式发动机、火箭喷射发动机，磁流体一蒸汽联合发电及核电站的隔离机件衬层吸热蒸汽压法，在与高温、高压、高速流动的燃气，及热辐射所接触的燃烧室及反应室内壁，通道、喷管内壁采用隔离衬层(11)，通过衬层(11)隔热、吸热，使一定质量的液体迅速汽化，降低机件温度达到冷却的同时，同时产生蒸汽压，提高喷气动能和喷射推力。
8.根据权利要求1所述的内燃机燃气热损转换，提高输出动力法系列的隔离机件衬层吸热蒸汽压法系列，其相应特征是在大气层中高速飞行的航天飞机、火箭的头部采用隔离机件衬层(11)较隔热瓦的厚度及体积要小得多，减小空气阻力，同时产生蒸汽压从头部侧面向后喷射，产生助推作用。
全文摘要
内燃机燃气热损转换提高输出动力法系列，解决内燃机做功燃气推力与活塞的谐振动不相谐和，及曲轴输出转矩小，加大了机件吸热损Q
文档编号F02D15/00GK1580526SQ03143930
公开日2005年2月16日 申请日期2003年7月31日 优先权日2003年7月31日
发明者刘国利 申请人:刘国利