专利名称：界面压缩发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种界面压縮发动机。
背景技术：
现有内燃机无论是活塞式内燃机还是涡轮式内燃机，都必须通过机械式压气部件 对充入的新鲜充气进行压縮，以使已经充入的新鲜充气的压强和温度达到随后的爆炸燃烧 所需的条件。但是，这一过程会消耗大量的机械功，使得从燃气热能中好不容易获得的宝贵 的机械功，其很大的一部分在压縮冲程中又转化为了低品质的压縮充气热能，这是一种巨 大的浪费。并且由于机械式压气部件的存在，使得发动机结构复杂。如果能找到一种方法， 可以在不利用机械式压气部件、不消耗机械功的前提下，对充入气缸内的新鲜充气进行压 縮，以使其同样能够达到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度条件，将巨大的提高现有内燃 机的热功转化效率，并且使得现有发动机的结构大大简化。 另外，本人向中国国家知识产权局递交的申请号为CN200910136747.9的中国发 明专利公开了一种同缸内外燃发动机，该发明在对发动机冷却系统和排气系统的余热进行 回收利用的过程中产生了大量的高温高压蒸汽。如果能找到一种方法，利用该高温高压蒸 汽来压縮已经充入气缸内的新鲜充气，以使其达到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度条 件，将解决上述提到的现有内燃机压縮冲程中大量消耗机械功的问题。 如果在发动机中另外增加一个气动马达，利用上述高压高温蒸汽推动气动马达
预先对新鲜充气进行压縮，使之达到在气缸中开始爆炸燃烧所需的压力后，再通过正时机
构将该高压新鲜充气通入气缸以备爆炸燃烧，虽然解决了压气冲程中消耗大量机械功的问
题，但是在现有技术条件下，蒸汽马达必须做的很大，这不仅提高了发动机的制造成本，而
且使得发动机结构复杂，体积庞大，笨重，大大限制了发动机的实际应用价值。 如何能找到一种不另外增加气动马达，利用上述高压蒸汽来压縮已经充入气缸内
的新鲜充气，以使其达到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度条件，从而解决现有内燃机的
压縮冲程中大量消耗机械功的问题是现有发动机技术领域中亟待解决的问题。 气体界面压气现象是自然界和工程技术中大量存在的一种现象，其原理在于在
一个充满低压气体A的空间内，通入高压气体B，如果A、 B气体混合，则无论B气体压力多
高，A气体实际上都不会被压縮，因为虽然混合后的A、B混合气的总压力已经大于A气体原
来的压力，但A气体的分压并没有改变。但如果能够使得A、B气体不混合或者不完全混合，
即当B气体充入时，在A、B气体之间形成一个界面，则无论该界面多厚，在该界面之外的A
气体则必然没有跟B气体混合，则随着B气体的不断充入，该没有混合的A气体的压力会不
断的升高，直至最后接近甚至等于B气体的压力，即A气体被B气体压縮了，这就是气体界
面压气现象。 气体喉管扩张作用，是指气体在经过喉管后其扩张会变得更加均匀平稳的现象。 如果气体B通过喉管充入一个充满气体A的容器，由于气体喉管扩张作用的存在，气体B会 在容器中更加均匀平稳的推进，从而在气体A、 B之间形成一个更加稳定的界面，可以更加有效的防止气体A、 B之间的混合。
发明内容
本发明利用气体界面压气现象解决了上述现有发动机中存在的问题，为此本发明 公开了一种界面压縮发动机。其技术方案如下 —种界面压縮发动机，包括工质包络空间、活塞、进气门和排气门，所述工质包络 空间至少包括活塞缸套配合区、燃烧区和高压气体压气区三个区域，在所述高压气体压气 区上设有高压气体进口 ，所述高压气体进口通过正时气体压气控制阀与高压气体源相连 通，所述高压气体源中高压气体的压力大于发动机充气完了时所述工质包络空间内的新鲜 充气的压力。 所述高压气体源中高压气体的压力大于将所述工质包络空间内的新鲜充气压縮 到发动机设定的压縮比所需的压力。 所述高压气体源中高压气体的压力大于发动机爆炸冲程中的爆炸压力。
所述高压气体源中的高压气体为高压蒸汽。 所述高压蒸汽产生于对发动机冷却系统或/和排气中余热的回收。
所述高压气体源中的高压气体为发动机做功工质或/和发动机排气。
所述进气门通过正时充气控制阀与有压新鲜充气源相连通。
所述高压蒸汽产生于对发动机冷却系统或/和排气中余热的回收。
所述燃烧区上设有燃料喷嘴。 所述燃烧区远离活塞，所述高压气体压气区位于所述燃烧区和所述活塞缸套配合 区之间；或者所述燃烧区靠近活塞，所述燃烧区位于所述气体压气区和所述活塞缸套配合 区之间。 所述高压气体进口为喉管状或/和所述高压气体进口附近设有喉管状通道，或/ 和所述高压气体进口的附近设有多孔隔板，或/和所述气体压气区为多孔管式气体压气 区。 本发明中所谓的工质包络空间，是指由活塞、气缸套、气缸盖等所包络成的、做功 冲程中的做功工质所能够充满的空间。 本发明中所谓的活塞缸套配合区，是指工质包络空间中与活塞相配合的部分，即 活塞上止点与活塞下至点之间的气缸段。本发明中所谓的燃烧区，是指工质包络空间中用 于可燃混合气爆炸燃烧的部分，即可燃混合气即将开始爆炸燃烧时，新鲜充气和高压气体 之间的界面的一侧，新鲜充气所在的工质包络空间部分。本发明中所谓的高压气体压气区， 是指工质包络空间中用于高压气体压縮新鲜充气的部分，即可燃混合气即将开始爆炸燃烧 时，新鲜充气和高压气体界面一侧，高压气体所在的工质包络空间部分。 本发明中所谓的新鲜充气，是指发动机在吸气过程中充入的新鲜空气或新鲜空燃 混合气等。 本发明中所谓的有压新鲜充气源，是指经过排气涡轮增压或其它增压系统增压后 的新鲜充气源。 本发明中所谓的发动机做功工质，是指发动机工质包络空间内的可燃混合气爆炸 燃烧后形成的高温高压燃气。
本发明中所谓的压力，是指压强，因为用压力来指代压强几乎已经成为了发动机 领域一种不成文的惯例，因此本发明的说明书中沿用了该惯例。 本发明中高压气体源中的高压蒸汽可以产生于对发动机冷却系统或/和排气中 余热的回收，也可以产生于发动机外带的独立的锅炉。 本发明中的所述活塞可以是普通活塞，也可以为悬浮式活塞或者准悬浮式活塞。 悬浮式活塞，是指活塞的结构使得气缸与活塞之间既不发生接触又维持相当小的间隙，从 而实现既密封又不磨损的目的。所谓准悬浮活塞，是指活塞的结构使得活塞和气缸之间 处于接触与非接触的临界状态，这样就可以进一步提高密封性，又可避免磨损。有关悬浮 式活塞和准悬浮式活塞的详细介绍请参见本人向中国国家知识产权局申请的申请号为 CN200910176960. 2的发明专利。 本发明中，高温高压气体受正时控制机构控制充入气缸后，其与已经充入气缸内
的新鲜充气之间形成界面，利用该高温高压气体来压縮界面另一端的新鲜充气，以使其达
到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度条件，从而减少或避免了压气冲程中消耗大量的机械
功的问题，并且使得发动机的结构简单，制造成本低。 本发明的有益效果如下 1 、本发明结构简单、体积小、重量轻，成本低廉。 2、本发明解决了现有内燃机压縮充气过程中大量消耗机械功的问题，大大提高了 发动机的热功转化效率。 3、本发明可以实现在爆炸做功冲程中，当活塞越过上止点一定角度时，活塞内的 压力达到最大，从而避免了现有技术中当活塞位于上止点时缸内压力达到最大，而此时活 塞连杆机构的力矩为零的矛盾。 4、由于可以通过电磁阀实时调整通入气缸内的高压气体，从而可以实现对气缸内 新鲜充气压縮比的及时、连续调节，相比于现有技术中利用机械机构调节气缸内新鲜充气 压縮比，能够巨大的改善发动机的负荷响应特性。
图1所示的是本发明实施例1的结构示意图； 图2所示的是本发明实施例2和实施例3的结构示意图； 图3所示的是本发明实施例4的结构示意图； 图4所示的是本发明实施例5的结构示意图； 图5所示的是本发明实施例5中多孔隔板的A-A向剖视图； 图6所示的是本发明实施例5中多孔管状的气体压气区的B-B向剖视图。
具体实施方式
实施例1 如图l所示的界面压縮发动机，包括工质包络空间1、活塞2、进气门3和排气门4， 工质包络空间1至少包括活塞缸套配合区5、燃烧区6和高压气体压气区7三个区域，在高 压气体压气区7上设有高压气体进口 8，高压气体进口 8通过正时气体压气控制阀9与高压 气体源IO相连通，高压气体源10中高压气体的压力大于发动机充气完了时工质包络空间1内的新鲜充气的压力。 本实施例中在吸气冲程中吸入的新鲜充气为可燃混合气，由于燃烧区6和高压气 体压气区7的容积之和相对于活塞缸套配合区5的比值设置的较大，如果在压縮冲程中仅 靠活塞2的压縮，即使当活塞2位于上止点时，被压縮的可燃混合气也无法达到随后的爆炸 燃烧所需的压力。为解决这一问题，可以在吸气冲程完了后的压縮冲程中，在工质包络空 间1内的气体压力小于高压气体压力的某一时刻正时气体压气控制阀9打开，高压气体经 由高压气体进口 8进入工质包络空间l，该高压气体与已经充入气缸内的可燃混合气之间 形成界面，同时活塞2上行与高温高压的高压气体共同来压縮可燃混合气，当工质包络空 间1的气体总压力接近高压气体压力时正时气体压气控制阀9关闭，活塞2继续上行压縮 可燃混合气，以使可燃混合气达到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度条件。其后，新鲜充气 爆炸燃烧，爆炸燃烧产生的高温高压燃气和已经通入气缸内的高压气体共同推动活塞2做 功。本实施例与现有技术中内燃机仅靠活塞压縮新鲜充气以使其达到随后的爆炸燃烧所需 的压强和温度条件相比，减少了压气冲程中消耗的机械功。
实施例2 如图2所示的界面压縮发动机，其与实施例1的区别在于，高压气体源10中的高 压气体为发动机排气。燃烧区6上设有燃料喷嘴13。燃烧区6远离活塞2，高压气体压气 区7位于燃烧区6和活塞缸套配合区5之间 本实施例中在吸气冲程中吸入的新鲜充气为新鲜空气。同样，由于燃烧区6和高 压气体压气区7的容积之和相对于活塞缸套配合区5的比值设置的较大，如果在压縮冲程 中仅靠活塞2的压縮，即使当活塞2位于上止点时，被压縮的新鲜空气也无法达到随后的 可燃混合气开始爆炸燃烧所需的压力。为解决这一问题，可以在吸气冲程完了后的压縮冲 程中，在工质包络空间1内的气体压力小于发动机排气压力的某一时刻正时气体压气控制 阀9打开，发动机排气经由高压气体进口 8进入工质包络空间l，该发动机排气与已经充 入气缸内的新鲜空气之间形成界面，同时活塞2上行与高温高压发动机排气共同来压縮新 鲜空气，当工质包络空间1的气体总压力接近发动机排气压力时正时气体压气控制阀9关 闭，活塞2继续上行压縮新鲜空气，以使新鲜空气达到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度 条件。其后，燃料喷嘴13打开向被压縮的新鲜空气中喷入燃料形成可燃混合气，可燃混合 气爆炸燃烧，爆炸燃烧产生的高温高压燃气和已经通入气缸内的发动机排气共同推动活塞 2做功。本实施例与现有技术中内燃机仅靠活塞压縮新鲜空气以使其达到随后的爆炸燃烧 所需的压强和温度条件相比，同样减少了压气冲程中消耗的机械功。
实施例3 如图3所示的界面压縮发动机，其与实施例2的区别为，高压气体源10中高压气 体的压力大于将工质包络空间1内的新鲜充气压縮到发动机设定的压縮比所需的压力。高 压气体源10中的高压气体为发动机做功工质。进气门3通过正时充气控制阀11与有压新 鲜充气源12相连通。燃烧区6靠近活塞2，燃烧区6位于气体压气区7和活塞缸套配合区 5之间。 由于进气门3通过正时充气控制阀11与新鲜充气源12相连通，可以省略掉吸气 和压縮冲程，在排气冲程的末期进气门3和正时充气控制阀11打开，新鲜充气源12中的新 鲜空气通过进气门3进入工质包络空间1进行扫气，扫气完成时排气门4关闭，新鲜空气继续进入工质包络空间1进行充气，充气完成时进气门3和正时充气控制阀11关闭，此时正 时气体压气控制阀9打开，高压的发动机做功工质经由高压气体进口 8进入工质包络空间 l，该高压的发动机做功工质与已经充入的新鲜空气之间形成界面，利用该高温高压发动机 做功工质来压縮界面另一端的新鲜空气，以使其达到随后的爆炸燃烧所需的压强和温度条 件。其后，燃料喷嘴13打开向被压縮的新鲜空气中喷入燃料形成可燃混合气，可燃混合气 爆炸燃烧，爆炸燃烧产生的高温高压燃气和已经通入气缸内的发动机做功工质共同推动活 塞2做功。本实施例与现有技术中内燃机依靠活塞压縮新鲜充气以使其达到随后的爆炸燃 烧所需的压强和温度条件相比，避免了压气冲程中消耗的机械功。本实施例与实施例1和 实施例2相比，由于取消了吸气和压縮冲程，避免了此过程中机械功的消耗，因此更彻底的 解决了现有内燃机压縮冲程中要消耗大量宝贵的机械功的问题，进一步提高了发动机的热 功转化效率。
实施例4 如图3所示的界面压縮发动机，其与实施例3的区别是，高压气体源10中高压气 体的压力大于发动机爆炸冲程中的爆炸压力。高压气体源10中的高压气体为高压蒸汽。高 压蒸汽产生于对发动机冷却系统或/和排气中余热的回收。 与实施例3相比，本实施例中由于高压气体源10中高压蒸汽的压力大于发动机的 爆炸压力，可燃混合气爆炸燃烧后，正时气体压气控制阀9能够继续保持打开状态，高压蒸 汽继续持续不断的充入工质包络空间1。这样爆炸燃烧产生的高温高压燃气和继续通入工 质包络空间1内的高压蒸汽共同推动活塞2做功，当做功冲程结束时，正时气体压气控制阀 9关闭，排气门4打开，开始排气。因此本实施例与实施例3相比，高压蒸汽在整个做功冲程 中可以持续不断的充入工质包络空间1以推动活塞2做功，从而提高了高压蒸汽参与做功 的比例。 实施例5 如图4所示的界面压縮发动机，其与实施例4的区别在于，高压气体进口 8附近设 有喉管状通道14。高压气体进口 8附近设有的喉管状通道14可以使得高压蒸汽经由高压 气体进口 8进入工质包络空间1时以均匀的方式扩散，利于该高压蒸汽与已经充入气缸内 的新鲜之间形成界面，减少其相互之间的混合，利于界面压气效果的实现。
实施例6 如图5所示的界面压縮发动机，其与实施例4的区别在于，高压气体进口 8的附近 设有多孔隔板15。高压气体进口 8的附近设有多孔隔板15，可以使得经过该多孔隔板15 后的高压蒸汽更加均匀的扩散，进一步利于该高压蒸汽与已经充入气缸内的新鲜空气之间 形成界面，减少其相互之间的混合，以利于界面压气效果的实现。
实施例7 如图6所示的界面压縮发动机，其与实施例4的区别在于，气体压气区7设为为多 孔管状气体压气区16。这样，高压蒸汽与新鲜空气在孔管状气体压气区16的一个个孔管内 形成界面，由于每个管孔的直径相对于气体压气区7的直径大大降低，更加有利于高压蒸 汽与已经充入气缸内的新鲜空气之间形成界面，减少其相互之间的混合，以利于界面压气 效果的实现。
权利要求
一种界面压缩发动机，包括工质包络空间(1)、活塞(2)、进气门(3)和排气门(4)，其特征在于所述工质包络空间(1)至少包括活塞缸套配合区(5)、燃烧区(6)和高压气体压气区(7)三个区域，在所述高压气体压气区(7)上设有高压气体进口(8)，所述高压气体进口(8)通过正时气体压气控制阀(9)与高压气体源(10)相连通，所述高压气体源(10)中高压气体的压力大于发动机充气完了时所述工质包络空间(1)内的新鲜充气的压力。
2. 根据权利要求l所述的界面压縮发动机，其特征在于所述高压气体源(10)中高压 气体的压力大于将所述工质包络空间(1)内的新鲜充气压縮到发动机设定的压縮比所需 的压力。
3. 根据权利要求l所述的界面压縮发动机，其特征在于所述高压气体源(10)中高压 气体的压力大于发动机爆炸冲程中的爆炸压力。
4. 根据权利要求l所述的界面压縮发动机，其特征在于所述高压气体源(10)中的高 压气体为高压蒸汽。
5. 根据权利要求4所述的界面压縮发动机，其特征在于所述高压蒸汽产生于对发动机冷却系统或/和排气中余热的回收。
6. 根据权利要求l所述的界面压縮发动机，其特征在于所述高压气体源(10)中的高压气体为发动机做功工质或/和发动机排气。
7. 根据权利要求1所述的界面压縮发动机，其特征在于所述进气门(3)通过正时充气控制阀(11)与有压新鲜充气源(12)相连通。
8. 根据权利要求l所述的界面压縮发动机，其特征在于所述燃烧区(6)上设有燃料喷嘴(13)。
9. 根据权利要求1所述的界面压縮发动机，其特征在于所述燃烧区(6)远离活塞(2)，所述高压气体压气区(7)位于所述燃烧区(6)和所述活塞缸套配合区(5)之间；或者 所述燃烧区(6)靠近活塞(2)，所述燃烧区(6)位于所述气体压气区(7)和所述活塞缸套配 合区(5)之间。
10. 根据权利要求1至9任意之一所述的界面压縮发动机，其特征在于所述高压气体进口 (8)为喉管状或/和所述高压气体进口 (8)附近设有喉管状通道(14)，或/和所述高 压气体进口 (8)的附近设有多孔隔板(15)，或/和所述气体压气区(7)为多孔管式气体压 气区(16)。
全文摘要
本发明公开了一种界面压缩发动机，包括工质包络空间(1)、活塞(2)、进气门(3)和排气门(4)，所述工质包络空间(1)至少包括活塞缸套配合区(5)、燃烧区(6)和高压气体压气区(7)三个区域，在所述高压气体压气区(7)上设有高压气体进口(8)，所述高压气体进口(8)通过正时气体压气控制阀(9)与高压气体源(10)相连通，所述高压气体源中高压气体的压力大于发动机充气完了时所述工质包络空间(1)内的新鲜充气的压力。本发明解决了现有内燃机压缩冲程中大量消耗机械功的问题，大大提高了发动机的热功转化效率，同时结构简单、体积小、重量轻，成本低廉。
文档编号F02B17/00GK101709665SQ20091021587
公开日2010年5月19日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者靳北彪 申请人:靳北彪