专利名称：基于两次进、排气的高压缩比内燃机及其工作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型内燃机及其工作方法，具体是指一种基于两次进、排气的高 压缩比内燃机及其工作方法。
背景技术：
内燃机是目前最主要热效移动动力机械，它广泛应用于摩托车、汽车、农业机械、 工程机械、船舶工业、铁路装备、国防工业等各种行业作动力源。现有的内燃机一般为四冲 程的单气缸和多气缸内燃机，其一个气缸基本构造主体是气缸套，气缸套内有沿其内壁上 下滑动的活塞，为防止燃烧气体泄漏，在活塞上安装有密封气体的气环和油环；气缸套上部 为缸盖，缸盖上设置有进气通道和排气通道以及进气门和排气门，对于柴油机，其进、排气 门之间装有喷油器，对于天然气、汽油、氢气、乙醇等需点燃燃料的内燃机，在进、排气门之 间装有火花塞，活塞中部装有活塞销，通过它与连杆上部相接，连杆下部连接曲轴，通过曲 轴末端飞轮输出功率。内燃机工作时活塞处于上下两个极端位置之间，相关术语及含义如下
1上止点(又称上死点)活塞顶面沿曲轴中心线位移到距离缸盖最近时的位置； 2下止点(又称下死点)活塞顶面沿曲轴中心线位移到距离缸盖最远时的位置； 3活塞冲程(又称活塞行程)活塞的上止点与下止点之间的距离，单位为毫米，活塞移 动一个行程时，曲轴旋转180°，因此，活塞冲程等于曲柄沿中心线旋转半径的两倍，即二 冲程内燃机为曲轴旋转一周，四冲程内燃机为曲轴旋转二周； 4燃烧室容积活塞在上止点时其间缸内的容积，单位为升； 5气缸工作容积活塞在上下止点位置其间的缸内容积，单位为升； 6内燃机排量壹台内燃机各个气缸工作容积之和(对单缸内燃机其排量就是气缸工 作容积)，单位为升；
7气缸总容积活塞下止点位置之上所密封容积，单位为升，气缸总容积=燃烧室容 积+气缸工作容积，单位为升；
8压缩比气缸总容积与燃烧室容积的比值，压缩比=气缸总容积/燃烧室容积。压缩 比表示活塞由下止点移到上止点时，气体在气缸内被压缩的程度。压缩比越大，被压缩气体 在气缸内密度就越高；
9缸内内热气缸工作容积及燃烧室容积内的温度(下简称“内热”)； 10旋转度数每一个冲程中曲轴旋转的角度； 11燃料密度燃烧室容积内可燃混合气体中燃料与空气质量的比值； 12相位指活塞随着曲轴在进气、压缩、做功、排气冲程中，以进气冲程上止点为基准， 即曲轴位于竖直方向，曲轴0° 720°所旋转的度数；
内燃机的工作原理是利用燃料在气缸内燃烧产生的热能，通过气体受热膨胀推动活塞 移动，再经过连杆传递到曲轴使其旋转做功。内燃机实际工作时，由于热能到机械能的转变 是无数次的连续转变，而每一次能量转变，都必须经历进气、压缩、做功和排气四个过程。每进行一次进气、压缩、做功和排气叫一个工作循环，曲轴每两圈，活塞经过四个冲程完全一 个工作循环就叫做四冲程内燃机；若曲轴每一圈，活塞经过二个冲程完全一个工作循环则 叫做二冲程内燃机。现有内燃机在工作循环时，只有做功冲程中约0° 150°是活塞驱动曲轴旋转 而做功，其它三个冲程的570° (含做功冲程150° 180°中的30° )都是为做功冲程作 准备，活塞均受曲轴横柄控制沿缸套中心线上下运动。就内燃机进、排气而言，现有的内燃 机在一个工作循环中只有一次进气和一次排进气过程。现有内燃机在做功冲程中，当活塞行至接近上止点时，气缸内的柴油和高温空气 被“压燃”(此处指柴油内燃机，柴油达到燃点，自行燃烧)或由点火器点燃雾化汽油，混合 氢气、乙醇、天然气(此处指以点燃形式的内燃机)。尔后燃烧的混合气体推动活塞向下止点 行进做功(做功冲程均无进气功能)，两种结构在活塞没有完全达到上止点时就开始做功， 阻碍活塞向上止点行进，这部分能量也就浪费。且不能使燃气在最佳的时机开始燃烧做功。 另外当活塞行进到接近上止点(前后)，当连杆与缸套中心线大约处于同一直线时，燃烧气 体做功的动力将通过连杆作用在曲轴横柄上，不仅对曲轴横柄产生较大的冲击力，还产生 反作用力，而且活塞不能推动曲轴旋转，浪费做功初期的能量，尤其没有利用主要的自然增 效的规律做功，即该省没省，该利用的没有利用，以致燃料效率极差。内燃机每提高一个压 缩比可节约5%的燃料，目前汽油内燃机的最大压缩比为未能达到14:1，其排气阀开启的相 位是做功冲程的150°。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采取降低做功冲程前“内热”并且增加内燃机压缩比 手段的内燃机，从原理上克服技术偏见、突破现有技术的约束，从而达到节能减排目的。本发明的目的通过下述技术方案实现
本发明基于两次进、排气的高压缩比内燃机，包括内燃机本体，包括内燃机本体，其燃 烧室的体积与汽缸的总体积之比在14 :1至40 :1之间；其排气凸轮的推程起点基圆半径与 回程终点基圆半径之间的夹角为α，且160° ^ α <180°。通过增加提前排气的手段来 降低内燃机缸内的温度，即在做功冲程的50°至60°相位开启排气阀进行排气，如此需要 将现有排气凸轮的最大工作角度提前40°至65°开启，并且由目前的129°提高到160° 至180°，并且通过增加压缩比来增加混合气体被压缩而升高的温度差值，从而实现混合气 体能够被压然或者达到着火点。还包括安装在内燃机本体排气通道上的双向排气阀以及用于触发该双向排气阀 的控制装置。为了进一步地降低缸内的温度，增加压缩比，在内燃机本体的排气通道上安装 双向排气阀。在做功冲程排气过程中，当缸内的气压与排气通道的气压相同时，因活塞继续 向下运动而使缸内产生负压，从而可以吸入空气，在吸入空气的过程中，将排气通道堵塞， 使得吸入的空气均为冷空气或者大部分为冷空气，从而进一步降低缸内的温度，有利于进 一步提高压缩比。所述的双向换气阀包括下端开口的阀套、套装在阀套内的阀芯，在阀套上端面设 置有通孔，在阀芯上设置有穿过通孔的触动杆，触动杆上设置有触头帽，触头帽通过触动杆 与阀芯连接，在触头帽与阀套之间还安装有弹簧，在阀芯上设置有通气通道，在阀套上设置有用于与通气通道连通的通气孔。阀套由侧壁和顶部连接而成具有下端开口的空腔结 构，阀芯套装在阀套内，并可以沿阀套轴向自由移动；阀套的上端面设置有通孔，阀芯上设 置有触动杆，触动杆穿过阀套上端面的通孔，触动杆顶部设置有触头帽，在触头帽与阀套之 间设置有弹簧，弹簧套装在触动杆上，卡在触头帽和阀套之间；阀芯上设置有通气通道，在 阀套上设置有用于与通气通道连通的通气孔。当触头帽受到力的触动，触头帽向阀套运 动，同时带动阀芯在阀套内部相对于阀套运动，经过一段位移后，阀芯上的通气通道与阀套 上的通气孔连通，弹簧压缩；当外力消失，弹簧恢复原状带动阀芯恢复原状。即当触头帽 未受外力触发时，排气通道的通气状态不受影响，当触头帽受到触动，阀芯相对阀套向下运 动，当通气孔与通气通道连通，即将外界空气与缸内连通，同时，阀芯堵塞排气通道，缸内因 活塞运动产生负压将空气从外界通过通气通道吸入，避免吸入排出的高温废气，当对触头 帽的触动结束，新增的进气过程完毕，重新进入原排气过程。控制双向排气阀工作的控制结构有两种
第一种所述的控制结构为在正时齿的上设置的电子控制结构。采用包括位置传感器、 电磁阀等部件的电子控制装置来控制触头帽的状态，从而控制双向排气阀的工作状态。第二种所述的控制结构包括安装在凸轮轴上的控制凸轮，其工作角度为Y，且 60°彡γ <70°。由凸轮控制触头帽的工作状态，凸轮的工作角度为Y。其范围为60° 至70°。凸轮可以直接作用于触头帽，也可以通过杠杆调整行程后作用于触头帽。当使用 杠杆时，杠杆通过转轴连接在内燃机本体上，其两端分别与触头帽的上表面和凸轮的工作 面连接。所述排气凸轮的工作角包括上升段、远休止运动角以及下降段，其中远休止运动 角的工作角度为β，且40°彡β彡60°。排气凸轮的工作角包括三个部分，即上升段、 远休止运动角以及下降段。在现有的排气凸轮上增设行程远休止运动角，其保持工作状态 的角度为β，根据内燃机的工作规律设定β值，其范围为40° < β <60°。内燃机有两种，根据其不同类型，其汽缸压缩比的范围不同
第一种所述的内燃机本体为柴油内燃机，因其混合气体是依靠压然，其汽缸的压缩比 为 21 :1 至 40 :1ο第二种所述的内燃机本体为汽油内燃机，因其混合气体是依靠火花塞点燃，其汽 缸的压缩比为14 :1至22 :1。所述基于两次进、排气的高压缩比内燃机的工作方法四冲程内燃机的工作方法 包括以下步骤
(A)吸气冲程进气通道打开，活塞向下运动，产生负压，将缸外冷空气吸入；
(B)压缩冲程在吸气完毕后，进气阀关闭，向缸内喷油，并由高压缩比的汽缸活塞对混 合气体进行压缩，缸内气体压强增大，温度升高，并使其在压缩冲程结束时的温度达到混合 气体的燃点，汽缸的压缩比范围在14 1至40 1之间；
(C)做功冲程，包含以下过程
(a)在做功冲程的3°至5°相位缸内混合燃气被压然或者点燃，混合气体经燃烧， 压强增大，温度升高，推动活塞向下运动，高温燃气对活塞做功，当点燃后曲轴转动23°至 27°，缸内燃气达到热值高峰，此时缸内燃气对活塞推力最大，输出功率最高，当热值高峰 后15°，缸内气体对活塞做功很少，没有利用价值；(b)当缸内气体对活塞做功没有利用价值时，即做功冲程的50°至60°相位开启排气 阀，缸内高温废气通过排气通道排出，减少高温废气对缸体、活塞等的热传递，并降低缸内 的温度；
(c)在做功冲程的70°至85°堵塞排气通道，同时汽缸在内部负压作用下通过开启状 态的排气阀自动吸入冷空气，冷空气与缸内进过排放的高温热气混合后，进一步降低排气 冲程时缸内的温度；
(d)在做功冲程的180°相位吸气结束，并且打通排气通道，排气阀保持开启状态； (D)排气冲程缸内经过吸入的冷空气混合后，温度降低，由活塞推动缸内的气体排
出；
排气冲程结束后，进入下一个工作循环，内燃机重复以上步骤。本发明工作原理进气冲程结束后，内燃机进入压缩冲程，压缩冲程结束后进入做 功冲程，在做功冲程的3°至5°点燃混合气体，气体急剧膨胀，通过活塞推动连杆转动，当 燃料热值高峰过后，输出功率逐渐减小，即做功冲程55°至60°相位，此时将排气阀开启， 缸内的高温高压废气通过排气通道急速排出缸外，当缸内气流降低、排气放慢时，双向排气 阀的触头帽受到触动，阀芯向下运动，当汽缸曲轴转动至80°至85°，阀芯堵塞排气通道， 同时，阀芯上的通气通道与通气孔接通，此时，活塞急速向下运动，因缸内体积急速增加，缸 内压强小于外界气压，此时，缸内的负压将缸外空气吸入，直至内外气压相等；于此同时，触 头帽的触动结束，弹簧恢复原状，通气通道与通气孔断开，进气过程结束，进入排气冲程。由于提前将缸内废气排出，并且在排出大部分废气后吸入冷空气，进一步降低了 缸内温度；同时通过加大压缩比来使缸内的温度在压缩过程中升高直至在进入做功冲程时 达到燃点。本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果
1本发明基于两次进、排气的高压缩比内燃机，通过降低缸内温度并且增加压缩比的方 式实现了高压缩比，克服了汽油内燃机压缩比无法超过14:1的技术偏见，而且达到了更高 的压缩比，实现了大幅度地提高燃油效率；
2本发明基于两次进、排气的高压缩比内燃机，在排气通道上设置有双向排气阀，进一 步地降低了缸内温度，有利于进一步增加压缩比；
3本发明基于两次进、排气的高压缩比内燃机从原理上改变了内燃机的压缩比难以加 大的定论，突破了现有内燃机的压缩比极限。
图1为本发明活塞位于做功冲程上止点相位结构示意图； 图2为本发明活塞位于做功冲程点火相位结构示意图3为本发明活塞位于做功冲程排气相位结构示意图； 图4为本发明活塞位于做功冲程进气相位结构示意图； 图5为本发明活塞位于做功冲程下止点相位结构示意图； 图6为本发明排气凸轮工作区域划分示意图。附图中标记及相应的零部件名称
1-阀套，2-阀芯，3-触动杆，4-触头帽，5-弹簧，6-通气通道，7-通气孔，8-排气通道，9_双向排气阀控制凸轮，10-杠杆，11-进气阀，12-排气阀，13-活塞上表面，21-上止点， 22-点火相位，23-排气相位，24-进气相位，25-下止点，101-上升段，102-远休止运动角， 103-下降段。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例一
如图1至6所示，本发明包括内燃机本体，本实施例采用汽油内燃机，其压缩比为16: 1，排气凸轮的工作角度α为175°，其中的远休止运动角102的角度β为50°，采用安装 在凸轮轴上的凸轮控制双向排气阀，其工作角度Y为64°。其工作过程如下进气冲程结 束后，内燃机进入压缩冲程，压缩冲程结束后进入做功冲程，在做功冲程的3°至5°相位 点燃混合气体，气体急剧膨胀，通过活塞推动连杆转动，当燃料热值高峰过后，输出功率逐 渐减小，即做功冲程55°至60°相位，此时排气凸轮进入工作角，将排气阀12开启，缸内的 高温高压废气通过排气通道8急速排出缸外，当缸内气流降低、排气放慢时，双向排气阀的 触头帽4受到触动，阀芯2向下运动，汽缸曲轴转动至80°至85°相位，阀芯2堵塞排气通 道12，同时，阀芯2上的通气通道6与通气孔7接通，此时，活塞急速向下运动，因缸内体积 急速增加，缸内压强小于外界气压，此时，缸内的负压将缸外空气吸入，直至内外气压相等； 于此同时，触头帽4的触动结束，弹簧恢复原状，通气通道与通气孔断开，进气过程结束，排 气凸轮处于远休止运动角102，内燃机进入排气冲程。由于提前将缸内废气排出，并且在排 出大部分废气后吸入冷空气，进一步降低了缸内温度；同时通过加大压缩比来使缸内的温 度在压缩过程中升高直至在进入做功冲程时达到燃点。实施例二
本实施例与实施例一的区别仅在于其内燃机压缩比设置为22:1，排气凸轮的工作角度 α为180°，其中的远休止运动角102的角度β为55°，采用安装在凸轮轴上的凸轮控制 双向排气阀，其工作角度Y为68°。实施例三
本实施例采用柴油内燃机，其压缩比为22:1，排气凸轮的工作角度α为172°，其中的 远休止运动角102的角度β为45°，采用安装在凸轮轴上的凸轮控制双向排气阀，其工作 角度Y为55°。其工作过程与实施例一、二均相同。实施例四
本实施例与实施例三的区别仅在于其内燃机压缩比设置为28:1，排气凸轮的工作角度 α为178°，其中的远休止运动角102的角度β为58°，采用安装在凸轮轴上的凸轮控制 双向排气阀，其工作角度Y为65°。如上所述，便可以很好地实现本发明。
8
权利要求
基于两次进、排气的高压缩比内燃机，其特征在于包括内燃机本体，其燃烧室的体积与汽缸的总体积之比在141至401之间；其排气凸轮的推程起点基圆半径与回程终点基圆半径之间的夹角为α，且160°≤α≤180°。
2.根据权利要求1所述的基于两次进、排气的高压缩比内燃机，其特征在于还包括安 装在内燃机本体排气通道上的双向排气阀以及用于触发该双向排气阀的控制装置。
3.根据权利要求2所述的基于两次进、排气的高压缩比内燃机，其特征在于所述的双 向排气阀包括下端开口的阀套(1)、套装在阀套(1)内的阀芯(2)，在阀套(1)的上端面设置 有通孔，在阀芯(2)上设置有穿过通孔的触动杆(3)，触动杆(3)上设置有触头帽(4)，触头 帽(4)通过触动杆(3)与阀芯(2)连接，在触头帽(4)与阀套(1)之间还安装有弹簧(5)， 在阀芯(2)上设置有通气通道(6)，在阀套(1)上设置有用于与通气通道(6)连通的通气孔(7)。
4.根据权利要求2所述的基于两次进、排气的高压缩比内燃机，其特征在于所述的控 制结构为在正时齿的上设置的电子控制结构。
5.根据权利要求2所述的基于两次进、排气的高压缩比内燃机，其特征在于所述的控 制结构包括安装在凸轮轴上的控制凸轮，其推程起点基圆半径与回程终点基圆半径之间的 夹角为Y，且60°彡γ彡70°。
6.根据权利要求5所述的基于两次进、排气的高压缩比内燃机，其特征在于还包括 通过转轴与内燃机本体连接且其两端分别连接控制凸轮工作面和触头帽(4)上表面的杠杆(8)。
7.根据权利要求1所述的基于两次进、排气的高压缩比内燃机，其特征在于其特征在 于所述排气凸轮的α包括推程运动角(11)、远休止运动角(12)以及回程运动角(13)，其 中远休止运动角(12)为β，且70°彡β彡80°。
8.根据权利要求1所述的基于两次进、排气的高压缩比内燃机，其特征在于所述的内 燃机本体为柴油内燃机，其汽缸的压缩比为21 1至40 :1。
9.根据权利要求1所述的基于两次进、排气的高压缩比内燃机，其特征在于所述的内 燃机本体为汽油、天然气或氢气内燃机，其汽缸的压缩比为14 1至22 :1。
10.上述两次进、排气的高压缩比内燃机的工作方法，其特征在于四冲程内燃机工作 方法包括以下步骤(A)吸气冲程开启进气阀，缸外冷空气进入缸内直至进气阀关闭；(B)压缩冲程向缸内喷油，并由活塞对缸内混合气体进行压缩，汽缸的压缩比范围在 14 :1至40 1之间；(C)做功冲程包含以下过程(a)在做功冲程的3°至5°相位，缸内混合燃气被压然或者点燃；(b)在做功冲程的50°至60°相位，开启排气阀；(c)在做功冲程的70°至85°堵塞排气通道，同时汽缸在内部负压作用下通过开启状 态的排气阀自动吸入冷空气；(d)在做功冲程的180°相位吸气结束，并且打通排气通道，排气阀保持开启状态；(D)排气冲程缸内经过吸入的冷空气混合后，温度降低，由活塞推动缸内的气体排出；重复步骤(A)到(D)。
全文摘要
本发明公布了一种基于两次进、排气的高压缩比内燃机，包括内燃机本体，其压缩比在14∶1至40∶1之间，其排气凸轮的工作角度在160°至180°之间，在内燃机本体排气通道上的双向排气阀以及用于触发该双向排气阀的控制装置。其中柴油内燃机的压缩比为21∶1至40∶1；汽油内燃机，其汽缸的压缩比为14∶1至22∶1。本发明通过降低缸内温度并且增加压缩比的方式实现了高压缩比，而且达到了更高的压缩比，实现了大幅度地提高燃油效率；从原理上改变了内燃机的压缩比难以加大的定论，突破了现有内燃机的压缩比极限。
文档编号F02D15/00GK101994579SQ20101056426
公开日2011年3月30日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者卓贤成 申请人:卓贤成