专利名称：内燃机废气涡轮能量回收装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用以提高内燃机功率和有效热效率，节约燃油的内燃机废气能量回收装置。
内燃机作为移动式或固定动力，已经得到广泛使用。但是，它在成为工业、农业、交通运输业不可缺省的动力机的同时，也消耗着巨大的石油资源。内燃机比油耗的降低，意味着对能源的巨大节约。
众所周知，内燃机排气余热中含有相当的能量，在非增压高速内燃机中，废气带走的热量，汽油机占35％-40％，柴油机占25％-40％。
现有技术中的废气涡轮增压内燃机，能对内燃机的废气能量进行回收，但是，由于使用用途和构造上的原因，即增压型内燃机由于机械负荷和热负荷同时增加，需对发动机主要部件进行强化，而使发动机复杂化，造价增加，小型内燃机可靠性也有所下降。因而，大部分小型内燃机(100KW以下)没有采用这一装置，尤其是车用汽油机，由于种种原因，主要是汽油机增压除引起机械负荷、热负荷和NOx排放增高之外，还有爆震点的工作转速下降、扭矩特性和动态性能变差等问题，因此采用得更少。
本实用新型的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，提供一种非增压型四冲程内燃机废气能量回收装置，通过对废气能量的回收利用，从而提高内燃机的功率和经济性，减少有害气体排放。
本实用新型的目的通过如下技术方案实现。
本实用新型的结构特征是，在内燃机每缸之气缸盖内，分别开设有两只不相通的排气道——排气道Ⅰ和排气道Ⅱ，同时设置开启在自由排气阶段、以便废气从排气道Ⅰ通过的排气阀Ⅰ，设置开启在强制排气阶段、以便废气从排气道Ⅱ通过的排气阀Ⅱ，各缸排气道Ⅰ接入第一排气管，第一排气管与排气总管之间，设置废气涡轮，涡轮轴与减速器连接，减速器低速级与内燃机曲轴前端皮带轮通过皮带连接或直接连接，所述排气道Ⅱ直接与总排气管相通。
本实用新型是在发动机中设置具有不同排气时间的两套排气机构，把自由排气阶段的废气通过先开的排气阀Ⅰ经排气道Ⅰ，通过第一排气管送入涡轮作功；把强制排气阶段的废气通过后开的排气阀Ⅱ经排气道Ⅱ直接送入总排气管排出。从涡轮排出的废气也从总排管排出。涡轮通过减速器将动力回传给曲轴，从而实现废气能量的回收利用。
分析表明，利用本实用新型可回收总热量的3％-8％，可以使内燃机增加10％-20％左右的功率。一般说来，由于汽油机废气能量比柴油机大，使用效果更加明显。功率的加大，比油耗也相对下降，下降幅度可达10％-20％左右，发动机功率增大后，又可尽量使发动机工作在比较经济的区域，从而更加省油，使发动机在工作总过程中的油耗还可下降若干点，发动机比质量也有所下降。比油耗下降，有害气体排放相对减少，噪音降低，对环境污染也随之减轻。
与已有技术相比，本实用新型不增加发动机的机械负荷和热负荷。并且，由于废气分别通过两个排气道排出，使排气阀的热负荷有所降低，因而，不必对发动机主要受力件进行加强。这使得利用本装置对已有发动机进行改进更为简便。
本实用新型的明显优势还在于结构简单，体积小，易于实施，完全可做到工业化生产。其工作可靠，维修保养方便，对主机不产生有害影响，适用于任何地区。
图1为本实用新型结构示意图。
图2为本实用新型另一工作状态结构示意图。
图3为本实用新型应用在内燃机上主视结构示意图。
图4为本实用新型应用在内燃机上左视结构示意图。
图5为本实用新型应用在内燃机上俯视结构示意图。
图6为本实用新型排气阀驱动机构结构示意图。
图7为本实用新型排气阀驱动机构另一实施例结构示意图。
以下通过实施例，结合附图，对本实用新型作进一步描述。
实施例1参见
图1、图2，在内燃机每缸之气缸盖1内，分别开设两只不相通的排气道——排气道(Ⅰ)2和排气道(Ⅱ)3，同时设置排气阀(Ⅰ)4，排气阀(Ⅰ)4在自由排气阶段开启，以便于自由排气阶段的废气从排气道(Ⅰ)通过(
图1所示)。设置排气阀(Ⅱ)5，排气阀(Ⅱ)5在强制排气阶段开启，以便于强制排气阶段的废气从排气道(Ⅱ)通过(图2所示)。图中的进气道11和进气管22均采用已有技术。
参见
图1、图2、图3、图4和图5，排气道(Ⅰ)接入第一排气管21，第一排气管与排气总管6之间，设置废气涡轮7，涡轮轴与减速器8连接，减速器8低速级与内燃机曲轴前端皮带轮25通过皮带17连接或直接连接，排气道(Ⅱ)3直接与总排气管6相通。图中所示的减速器8由支架23固定在内燃机机体上。经排气道(Ⅰ)2排出具有一定压力的废气，通过第一排气管21，首先冲击涡轮7作功，随后进入排气总管6，各缸的排气道(Ⅱ)3排出的废气通过岐管也进入排气总管6，这两股废气都通过排气总管6进入消声器排入大气，这样的管道布置不仅管路简洁，而且，由于自涡轮排出的废气仍有相当速度，对各缸的排气道(Ⅱ)具有抽吸作用，有利于排净各缸中废气。
如图3、图4和图5所示，根据需要，可以在废气涡轮7与减速器8之间增加设置安全离合器10，减速器8的输出轴上皮带轮24与曲轴前端皮带轮25之间可以采用传动皮带17进行传动，也可直接传动。
参见图6，本实施例中的排气阀(Ⅰ)4和排气阀(Ⅱ)5采用顶置凸轮配气机构，该机构是在阀杆顶端设置挺柱19，凸轮与挺柱(19)平面接触，在凸轮轴12上对应每缸有两个不同排气相位的排气凸轮排气凸轮(Ⅰ)27、和排气凸轮(Ⅱ)28，凸轮轴12端固联正时齿轮13，正时齿轮13通过齿形皮带14与曲轴前端齿轮15啮合。
当曲轴转动时，曲轴前端齿轮15通过齿形皮带14带动正时齿轮13，正时齿轮13使凸轮轴12随之相应转动，由此使各排气凸轮按设定的规律分别控制排气阀(Ⅰ)和排气阀(Ⅱ)启闭。本实施例中，由排气凸轮(Ⅰ)27控制排气阀(Ⅰ)4，由排气凸轮(Ⅱ)28控制排气阀(Ⅱ)5。进气阀26的驱动机构与之相应，受进气凸轮29控制。本实施例所采用的是直接驱动式，除此之外，还可采用摆臂式和摇臂式驱动机构，与直接驱动式所不同的是，阀杆顶端与凸轮之间是通过摆臂或摇臂相接。
实施本装置的四冲程发动机，其进气行程、压缩行程与普通非增压四冲程内燃机一样，当活塞在膨胀行程时，在下止点前40-80度，排气阀(Ⅰ)打开，处于自由排气阶段的具有一定压力的废气即经排气阀(Ⅰ)冲入涡轮作功，这部分燃气占总燃气量的大部分。在下止点前5度到下止点后20度左右，排气阀(Ⅱ)开启，随后，废气从排气道(Ⅰ)、排气道(Ⅱ)同时排出，排气阀(Ⅰ)在下止点后30度-80度关闭，这时，废气只能从排气道(Ⅱ)排出，排气阀(Ⅱ)按一般发动机常规相位关闭，通常在进气行程上止点后10-30度关闭。原则上说，排气阀(Ⅰ)在自由排气阶段结束后才关闭，以充分发挥废气能量，对于不同的机型，排气阀(Ⅰ)和排气阀(Ⅱ)的启闭相位也不一样，需要通过计算和试验优选。
涡轮受到废气冲击转动做功，将功率直接传递给减速器或通过安全离合器再传给减速器，减速器将涡轮的高转速减至曲轴转速的3倍之内，再通过皮带带动曲轴前端皮带轮，或直接与曲轴前端通过齿轮连接进行传动，完成了将涡轮回收的废气能量回传给曲轴的过程。
实施例2参见图7，与上述实施例所不同的是，本实施例中的排气阀(Ⅰ)4和排气阀(Ⅱ)5采用下置凸轮配气机构，该机构是将阀杆顶端与摇臂16相接，摇臂16另一端与推杆18相接，推杆18插入挺柱19内，挺柱19平面与凸轮接触，凸轮轴12对应每缸有两个不同排气相位的排气凸轮，包括排气凸轮(Ⅰ)27和排气凸轮(Ⅱ)28，凸轮轴上固联正时齿轮13，正时齿轮13与曲轴前端齿轮15之间或直接啮合，或通过过桥齿轮20传动。
当曲轴转动时，曲轴前端齿轮带动正时齿轮，正时齿轮驱动凸轮轴，轴上凸轮控制挺杆、推杆运动，从而控制摇臂达到控制排气阀运动之目的。进气阀的驱动机构与之相应。与上述实施例相应，由排气凸轮(Ⅰ)27控制排气阀(Ⅰ)4，由排气凸轮(Ⅱ)28控制排气阀(Ⅱ)5。进气阀26的驱动机构与之相应，受进气凸轮29控制。
对于每缸四气门(二进和二排)发动机，可以使用两只正时齿轮，两只凸轮轴总成以及对应的挺柱和推杆等来控制，也可以采用一只凸轮轴及有关零件来控制。
对于每缸三气门(一进二排)发动机，可以采用一只正时齿轮、一根凸轮轴来驱动挺杆、推杆来控制。也可采用二根凸轮轴来控制。
本装置利用排气道(Ⅰ)与涡轮相连回收废气能量，所利用的为排气脉冲能量，而排气道(Ⅱ)具有非增压发动机的排气特点，基本不增加排气背压，对发动机本身工作的影响可以忽略，使发动机在保持原来工作特点的基础上，提高了整机功率。并且，越是高负荷、高转速状况，效果越明显。
权利要求1.一种内燃机废气涡轮能量回收装置，特征是，在内燃机每缸之气缸盖(1)内，分别开设有两只不相通的排气道——排气道Ⅰ(2)和排气道Ⅱ(3)，同时设置开启在自由排气阶段、以便废气从排气道Ⅰ(2)通过的排气阀Ⅰ(4)，设置开启在强制排气阶段、以便废气从排气道Ⅱ(3)通过的排气阀Ⅱ(5)，各缸排气道Ⅰ(2)接入第一排气管(21)，第一排气管(21)与排气总管(6)之间，设置废气涡轮(7)，涡轮轴与减速器(8)连接，减速器(8)低速级与内燃机曲轴前端皮带轮(25)通过皮带(17)连接或直接连接，所述排气道Ⅱ(3)直接与总排气管(6)相通。
2.根据权利要求1所述的内燃机废气涡轮能量回收装置，其特征在于，所述排气阀Ⅰ(4)和排气阀Ⅱ(5)采用顶置凸轮配气机构，该机构是在阀杆顶端设置挺柱(19)，凸轮与挺柱平面接触，在凸轮轴(12)上对应每缸有两个不同排气相位的排气凸轮Ⅰ(27)和排气凸轮Ⅱ(28)，凸轮轴(12)端固联正时齿轮(13)，正时齿轮(13)通过齿形皮带(14)与曲轴前端齿轮(15)啮合。
3.根据权利要求1所述的内燃机废气涡轮能量回收装置，其特征在于，所述排气阀Ⅰ(4)和排气阀Ⅱ(5)采用下置凸轮配气机构，该机构是将阀杆顶端与摇臂(16)相接，摇臂(16)另一端与推杆(18)相接，推杆(18)插入挺柱(19)内，挺柱(19)平面与凸轮接触，凸轮轴(12)对应每缸有两个不同排气相位的排气凸轮，包括排气凸轮Ⅰ(27)和排气凸轮Ⅱ(28)，凸轮轴上固联正时齿轮(13)，正时齿轮(13)与曲轴前端齿轮(15)之间或直接啮合，或通过过桥齿轮(20)啮合。
专利摘要内燃机废气涡轮能量回收装置,其特征是在内燃机每缸之气缸盖内,分别开设有两只不相通的排气道Ⅰ和排气道Ⅱ,同时设置开启在自由排气阶段的排气阀Ⅰ和开启在强制排气阶段的排气阀Ⅱ。排气道Ⅰ接第一排气管,第一排气管与总排气管之间,设置废气涡轮,涡轮轴输出功率通过减速器传至内燃机曲轴,排气道Ⅱ直接与总排气管相通。本实用新型通过对废气能量的回收利用,有效提高内燃机的功率和经济性,减少污染和噪音。其结构简单、适用性强。
文档编号F02B27/00GK2311615SQ9721369
公开日1999年3月24日 申请日期1997年4月16日 优先权日1997年4月16日
发明者张旭, 张国宣 申请人:张旭