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      發(fā)動機的制作方法

      文檔序號:5163395閱讀:147來源:國知局
      專利名稱:發(fā)動機的制作方法
      技術領域
      本發(fā)明涉及一種空氣噴射增壓著火的發(fā)動機,它屬于動力機械技術領域。
      背景技術
      眾所周知,隨著對經(jīng)濟性和排放性的要求日益嚴格,人們一方面把大量的電子 控制技術和后處理技術應用到內(nèi)燃機上,使內(nèi)燃機成本大幅增加,尤其是柴油機的高于 200MPa的燃料噴射壓力,使得供油系統(tǒng)的可靠性大為降低。另一方面,走低成本的缸內(nèi)凈化 路線,研發(fā)預混合壓燃系統(tǒng),同時降低氮氧化物(NOx)和微粒(PM)有害排放物,并使發(fā)動機 保持較高的效率,由于著火相位的控制問題一直沒有解決,目前還只是在中低工況取得了 較好的效果,在高工況尚未能實現(xiàn)預混合燃燒。進入上世紀90年代后,日美歐先后出臺了 國家研發(fā)計劃,聯(lián)合企業(yè)、院所和學校開展混合動力汽車的研究,借以大幅提高汽車的經(jīng)濟 性。1997年豐田的Prius混合動力汽車開始進入市場,在日本的10-15城市工況,可以節(jié) 約燃料一半左右,但添加了發(fā)電機、電機、蓄電池和能量回收裝置等,使成本增加了很多,并 且,能量轉換次數(shù)多,路徑復雜,發(fā)動機——發(fā)電機——蓄電池(充電/放電)——馬達是混 合動力的一條典型路徑。能量每經(jīng)過一個裝置,就有一個效率損失,可以說,沒有取得混合 動力應有的效果。因此,至今還只是在政府的財政支持下,持有少量客戶。因此,發(fā)明一種 高效清潔低成本發(fā)動機變得十分必要

      發(fā)明內(nèi)容
      為了最大限度地提高發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性,降低發(fā)動機的成本,本發(fā)明提供 一種發(fā)動機。該發(fā)動機采用一種低壓縮比、高壓升比和高膨脹比的復合循環(huán)系統(tǒng),并把氣缸 分成動力缸和壓氣缸。早期將燃料噴入缸內(nèi)形成均質(zhì)的一次混合氣,并設置較小的壓縮比 以降低壓縮溫度,確保缸內(nèi)一次混合氣在沒有外部附加熱源的情況下不能著火;在壓縮終 點附近向缸內(nèi)噴射一定量的高壓空氣,與缸內(nèi)混合氣進行第二次混合,因為高壓空氣的噴 入,使得缸內(nèi)原有的混合氣溫度急劇上升而著火。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種發(fā)動機,它主要包括動力缸、進 氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和包含燃料噴射器的燃油系統(tǒng),在動力缸中完成進氣、壓縮、噴油、燃燒作 功和排氣的工作循環(huán)。它還包括一個壓氣缸和一個高壓儲氣罐;所述動力缸至少為一個,每 個動力缸設有二個動力缸排氣閥、一個動力缸進氣閥、一個動力缸高壓進氣閥和一個燃料 噴射器;所述壓氣缸也至少為一個,設有一個壓氣缸排氣閥、一個高壓儲氣罐充氣閥、一個 壓氣缸高壓進氣閥、一個壓氣缸進氣閥和一個燃料噴射器;所述排氣系統(tǒng)的廢氣渦輪增壓 器讓一級增壓的空氣經(jīng)壓氣缸進氣閥進入壓氣缸,在壓氣缸中被二級壓縮變?yōu)楦邏嚎諝夂?經(jīng)高壓儲氣罐充氣閥進入高壓儲氣罐;所述進氣系統(tǒng)為動力缸設有一個自然吸氣的進氣總 管和一個靠高壓儲氣罐向動力缸充氣的管系;所述發(fā)動機工作時,壓氣缸向高壓儲氣罐供 給二級壓縮的高壓空氣,動力缸經(jīng)進氣總管進行自然吸氣,燃料噴射器至少在壓縮行程上 止點前40°曲軸轉角將所要燃料噴入動力缸,至多在壓縮行程上止點前10°曲軸轉角開啟動力缸高壓進氣閥,讓高壓空氣向動力缸充氣促使油氣混合氣自燃作功;所述壓氣缸也 可作為動力缸使用或作為動力缸、壓氣缸交替使用。所述壓氣缸進行二級壓縮時,壓氣缸排氣閥和壓氣缸高壓進氣閥保持關閉,只有 壓氣缸進氣閥和高壓儲氣罐充氣閥進行工作。所述壓氣缸作為動力缸使用時,高壓儲氣罐充氣閥保持關閉,只有壓氣缸排氣閥 和壓氣缸高壓進氣閥、壓氣缸進氣閥和燃料噴射器進行工作,并對壓氣缸高壓進氣閥進行 保證低壓縮比的相位調(diào)整。所述發(fā)動機采用一種低壓縮比、高壓升比和高膨脹比的復合循環(huán)系統(tǒng);動力缸的 有效壓縮比小于使所用的燃料在缸內(nèi)形成的一次混合氣可以自燃著火的最小壓縮比;采用 的氣門正時使動力缸的膨脹比大于壓縮比。所述高壓儲氣罐直接采用外圍設備充氣。所述發(fā)動機燃燒多種燃料。通過停止噴油,控制配氣相位,動力缸切換為空氣動力缸或者切換為渦輪增壓器 送氣的壓氣缸;給壓氣缸噴油,并調(diào)整各氣閥相位,壓氣缸被切換為動力缸。調(diào)整壓氣缸各閥的配氣相位,可以利用來自廢氣渦輪增壓器的壓縮氣體或者由高 壓進氣閥噴射高壓空氣推動活塞做功,壓氣缸變成空氣動力缸。當車船等裝置制動時,可以通過壓氣缸將制動能轉換為高壓空氣充氣到高壓儲氣罐。上述技術方案的指導思想是把氣缸分成以壓縮空氣為主的壓氣缸和以燃燒膨脹 做功為主的動力缸兩組,并設有高壓儲氣罐。采用自然吸氣和高壓噴射空氣的兩階段進氣 方式,建立了低壓縮比、高壓升比和高膨脹比的復合循環(huán)系統(tǒng);可以預先在缸外讓燃料和空 氣混合,或早期將燃料噴入缸內(nèi),形成均質(zhì)的一次混合氣,然后,在上止點附近,向動力缸噴 射高壓空氣,進行第二次混合,并使混合氣增壓升溫而著火,從而實現(xiàn)對發(fā)動機著火相位的 控制,解決了發(fā)動機預混合燃燒方式的最大難點;利用廢氣再循環(huán)技術,控制混合氣燃燒速 度,實現(xiàn)清潔高效柔和燃燒;高壓空氣噴射技術保證了足夠的進氣量,可以提高發(fā)動機功率 密度。另一方面,充分利用進排氣閥的配氣相位可變技術和停止噴油技術,依據(jù)發(fā)動機的 工況變化和高壓儲氣罐的壓力變化,可以靈活將壓氣缸切換為空氣動力缸或內(nèi)燃動力缸, 也可以將內(nèi)燃動力缸切換為空氣動力缸或者為渦輪增壓器的預壓氣缸。若用作車船動力的 話,除了采用內(nèi)燃動力和空氣動力混合驅(qū)動,保證發(fā)動機始終在高效率區(qū)域工作外,還可以 有效利用部分制動能對高壓儲氣罐充氣,進一步提高發(fā)動機效率。其特點是集內(nèi)燃動力、空 氣動力、壓縮空氣和噴射空氣于一體,將預混合壓燃技術、廢氣再循環(huán)技術、氣門開閉相位 可變技術和混合動力技術統(tǒng)為一機。本發(fā)明的有益效果是這種發(fā)動機除了具有一般內(nèi)燃機的動力缸外,還設有壓氣 缸、高壓儲氣罐等。該發(fā)動機采用低壓縮比、高壓升比和高膨脹比的復合循環(huán)方式。利用噴 射高壓空氣壓燃缸內(nèi)的均質(zhì)混合氣,實現(xiàn)了內(nèi)燃機全工況范圍的預混合燃燒;根據(jù)發(fā)動機 負荷大小和高壓儲氣罐的壓力,其壓氣缸可以切換為空氣動力缸或燃燒動力缸,以混合動 力的方式進行驅(qū)動。高壓儲氣罐的空氣由壓氣缸提供,或者由加氣站直接充氣。該發(fā)動機 采用空氣噴射預混合壓縮著火燃燒系統(tǒng),利用高溫壓縮空氣輔助點燃缸內(nèi)均質(zhì)混合氣,使 發(fā)動機的著火相位得到了有效控制,解決了發(fā)動機著火相位控制難的問題;并且所噴射壓縮空氣的溫度顯著高于缸內(nèi)工質(zhì)的溫度,有助于解決發(fā)動機冷啟動困難的問題;又由于壓 縮空氣噴入缸內(nèi),使發(fā)動機的當量壓縮比達到或高于傳統(tǒng)直噴式柴油機的壓縮比,并采用 了比壓縮比高出許多的膨脹比,顯著提高了發(fā)動機的熱效率。


      下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖1是一種空氣噴射增壓著火的發(fā)動機示意圖。圖2是發(fā)動機氣缸蓋上氣門布置的示意圖。圖中1、壓氣缸,2、動力缸,3、燃料噴射器,4、動力缸排氣閥,5、壓氣缸排氣閥,6、 高壓儲氣罐充氣閥,7、壓氣缸高壓進氣閥,8、壓氣缸進氣閥,9、廢氣渦輪增壓器,10、動力缸 高壓進氣閥,11、動力缸進氣閥,12、高壓儲氣罐,13、排氣總管,14、進氣總管,15、中冷器, 16、EGR 閥。
      具體實施例方式圖1、2示出了一種空氣噴射增壓著火的發(fā)動機示意圖。圖中,發(fā)動機的進氣系統(tǒng)、 排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)及其控制裝置等沒有詳細示出。該發(fā)動機主要包括3個動力缸2,還包 括一個壓氣缸1和一個高壓儲氣罐12。排氣系統(tǒng)的廢氣渦輪增壓器9讓一級增壓的空氣經(jīng) 壓氣缸進氣閥8進入壓氣缸1,在壓氣缸1中被二級壓縮變?yōu)楦邏嚎諝夂蠼?jīng)高壓儲氣罐充氣 閥6進入高壓儲氣罐12 ;進氣系統(tǒng)為動力缸2設有一個自然吸氣的進氣總管14和一個靠 高壓儲氣罐12向動力缸2充氣的管系。在排進總管13和進氣心總管14之間設有一個由 EGR閥16和中冷器15組成的廢氣再循環(huán)管道。圖2中,每個動力缸2設有二個動力缸排氣閥4、一個動力缸進氣閥11、一個動力 缸高壓進氣閥10和一個燃料噴射器3 ;壓氣缸1設有一個壓氣缸排氣閥5、一個高壓儲氣罐 充氣閥6、一個壓氣缸高壓進氣閥7、一個壓氣缸進氣閥8和一個燃料噴射器3。上述發(fā)動機工作時,壓氣缸1進行二級壓縮時,壓氣缸排氣閥5和壓氣缸高壓進氣 閥7保持關閉,只有壓氣缸進氣閥8和高壓儲氣罐充氣閥6進行工作,壓氣缸1向高壓儲氣 罐12供給二級壓縮的高壓空氣,動力缸2經(jīng)進氣總管14進行自然吸氣,燃料噴射器3至 少在壓縮行程上止點前40°曲軸轉角將所要燃料噴入動力缸2,至多在壓縮行程上止點前 10°曲軸轉角開啟動力缸高壓進氣閥10,讓高壓儲氣罐12向動力缸2充氣促使油氣混合氣 自燃膨脹作功。上述發(fā)動機燃燒系統(tǒng)的工作過程如下預先在動力缸2外讓燃料和空氣混合,或 早期將燃料由燃料噴射器3噴入動力缸2內(nèi),形成均質(zhì)的一次混合氣,并設置較小的壓縮 比以降低壓縮溫度,確保缸內(nèi)一次混合氣在沒有外部附加熱源的情況下不能著火;在壓縮 終點附近由高壓進氣閥10向缸內(nèi)噴射一定量的來自高壓儲氣罐12的高壓空氣,與缸內(nèi)混 合氣進行第二次混合,因為高壓空氣的快速噴入,使得缸內(nèi)原有的混合氣的壓力和溫度迅 速上升而著火,實現(xiàn)快速燃燒,保證了較高的熱效率;另一方面,因為此時的燃燒空間較大, 使得壓升率和最高缸內(nèi)溫度不會太高,因而可以多噴油,提高動力性,而且保證發(fā)動機的柔 和。這種空氣噴射增壓著火方式不但可以精確地控制發(fā)動機的著火相位,而且也可以解決 冷啟動問題和低負荷下的燃燒不穩(wěn)定問題,再配合電控廢氣再循環(huán)技術控制高負荷下的燃燒速率,將極大地降低發(fā)動機的排放污染物。也是因為高壓空氣的噴入,實現(xiàn)了低壓縮比、 高壓升比和高膨脹比的循環(huán)方式,使得發(fā)動機的熱效率進一步得到較大幅度的提高。高壓空氣的獲得方法利用廢氣渦輪增壓器9將空氣壓入壓氣缸1,實現(xiàn)第一級壓 縮,接著在壓氣缸1內(nèi)進行第二級壓縮,達到所需的空氣壓力。當動力缸2不燃燒做功時, 為保證進入廢氣渦輪增壓器9的氣體有一定壓力和溫度,調(diào)整動力缸排氣閥4在壓縮行程 后期開啟,向廢氣渦輪增壓器9提供有一定壓力的氣體,保證進入壓氣缸1的氣體壓力。另 外,也可以對高壓儲氣罐12進行外部充氣。當發(fā)動機用作車船等移動 裝置的動力時,經(jīng)常處于變工況的運轉狀態(tài),因此可以 采用混合驅(qū)動方式,提高效率,并減小發(fā)動機的排量,使發(fā)動機更加緊湊。這時候的高壓儲 氣罐12就起到油電混合動力系統(tǒng)中的蓄電池的作用。發(fā)動機的混合驅(qū)動過程1.在低工況時,發(fā)動機可以用以下3種方式對外做功。1)動力缸不工作,而讓壓氣缸1的壓氣缸排氣閥5在壓縮行程開啟,高壓儲氣罐充 氣閥6停止向高壓儲氣罐12充氣,壓氣缸進氣閥8關閉,而壓氣缸高壓進氣閥7在進氣前 期對壓氣缸1噴氣,使得壓氣缸變?yōu)榭諝鈩恿Ω讓ν庾龉Α?)燃料噴射器3停止向動力缸2噴射燃料,動力缸進氣閥11關閉,只有動力缸高 壓進氣閥10向缸內(nèi)噴射高壓空氣,推動活塞做功,將動力缸排氣閥4調(diào)整到壓縮行程打開, 發(fā)動機變成只用高壓空氣驅(qū)動的空氣動力機。3)部分動力缸2噴射燃料,燃燒膨脹做功,另一部分停止噴射燃料,保證發(fā)動機在 低工況時,也能以高效率運轉。一旦高壓儲氣罐12不需要充氣時,打開壓氣缸1的壓氣缸 排氣閥5,而停止壓氣,利用廢氣能量驅(qū)動壓氣缸1活塞作功。當高壓儲氣罐12的空氣壓力低于設定值時,動力缸2必須拖動壓氣缸1向高壓儲 氣罐12充氣。2.中等工況時,動力缸2燃燒做功,壓氣缸1給高壓儲氣罐12充氣,基本保持一種 穩(wěn)定狀態(tài)。3.高工況下,當動力缸2不能滿足負荷的要求時,1)可以利用廢氣能量或者由壓氣缸高壓進氣閥7噴射空氣驅(qū)動壓氣缸1的活塞作 功,而壓氣缸排氣閥5在壓縮行程是開啟的,此時,壓氣缸1變?yōu)榭諝鈩恿Ω住?)調(diào)整壓氣缸1的壓氣缸進氣閥8的開啟相位,調(diào)整壓縮比,讓燃料噴射器3噴射 燃料,實現(xiàn)壓氣缸1對動力缸的轉換,滿足高工況的運行需要。這樣,在高工況時,壓氣缸1 和動力缸2 —樣燃燒做功,這時發(fā)動機完全變成內(nèi)燃機。4.當車船制動減速時,將部分制動能轉變?yōu)閴嚎s功,給高壓儲氣罐12充氣。這時 候調(diào)整動力缸2的動力缸排氣閥4的開啟相位,在壓縮行程后期,打開動力缸排氣閥4,以較 高的壓力驅(qū)動廢氣渦輪增壓器9,保證廢氣渦輪增壓器9向壓氣缸1提供足夠壓力的進氣, 此時的動力缸2變成了壓氣缸,給廢氣渦輪增壓器9提供適當壓力的壓縮氣體。下面是一臺車用四缸(85x95,三個動力缸一個壓氣缸)噴射柴油的發(fā)動機實施 例動力缸壓縮比設為12,膨脹比為25,壓氣缸的壓縮比為18,高壓儲氣罐的最高壓力為 15MPa,采用傘狀噴霧,將噴射始點設置為壓縮上止點前100度,廢氣再循環(huán)率為20%,高壓 空氣在壓縮上止點前5度開始噴射。在城市工況下的運行試驗表明節(jié)油達60%,排放超過國IV標準,工作柔和,噪聲明顯減小,而成本比同等功率的油電混合動力裝置低50%,顯示了很好的市場前景。
      權利要求
      一種發(fā)動機,它主要包括動力缸(2)、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和包含燃料噴射器(3)的燃油系統(tǒng),在動力缸(2)中完成進氣、壓縮、噴油、燃燒作功和排氣的工作循環(huán);其特征是它還包括一個壓氣缸(1)和一個高壓儲氣罐(12);所述動力缸(2)至少為一個,每個動力缸(2)設有二個動力缸排氣閥(4)、一個動力缸進氣閥(11)、一個動力缸高壓進氣閥(10)和一個燃料噴射器(3)所述壓氣缸(1)也至少為一個,設有一個壓氣缸排氣閥(5)、一個高壓儲氣罐充氣閥(6)、一個壓氣缸高壓進氣閥(7)、一個壓氣缸進氣閥(8)和一個燃料噴射器(3);所述排氣系統(tǒng)的廢氣渦輪增壓器(9)讓一級增壓的空氣經(jīng)壓氣缸進氣閥(8)進入壓氣缸(1),在壓氣缸(1)中被二級壓縮變?yōu)楦邏嚎諝夂蠼?jīng)高壓儲氣罐充氣閥(6)進入高壓儲氣罐(12);所述進氣系統(tǒng)為動力缸(2)設有一個自然吸氣的進氣總管(14)和一個靠高壓儲氣罐(12)向動力缸(2)充氣的管系;所述發(fā)動機工作時,壓氣缸(1)向高壓儲氣罐(12)供給二級壓縮的高壓空氣,動力缸(2)經(jīng)進氣總管(14)進行自然吸氣,燃料噴射器(3)至少在壓縮行程上止點前40°曲軸轉角將所要燃料噴入動力缸(2),至多在壓縮行程上止點前10°曲軸轉角開啟動力缸高壓進氣閥(10),讓高壓儲氣罐(12)向動力缸(2)充氣促使油氣混合氣自燃作功;所述壓氣缸(1)也可作為動力缸使用或作為動力缸、壓氣缸交替使用。
      2.據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機;其特征是所述壓氣缸(1)進行二級壓縮時,壓氣缸排 氣閥(5)和壓氣缸高壓進氣閥(7)保持關閉,只有壓氣缸進氣閥(8)和高壓儲氣罐充氣閥 (6)進行工作。
      3.據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機;其特征是所述壓氣缸(1)作為動力缸使用時,高壓儲 氣罐充氣閥(6)保持關閉,只有壓氣缸排氣閥(5)和壓氣缸高壓進氣閥(7)、壓氣缸進氣閥 (8)和燃料噴射器(3)進行工作,并對壓氣缸高壓進氣閥(7)進行保證低壓縮比的相位調(diào)整。
      4.據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機;其特征是所述發(fā)動機采用一種低壓縮比、高壓升比和 高膨脹比的復合循環(huán)系統(tǒng);動力缸(2)的有效壓縮比小于使所用的燃料在缸內(nèi)形成的一次 混合氣可以自燃著火的最小壓縮比;采用的氣門正時使動力缸⑵的膨脹比大于壓縮比。
      5.據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機;其特征是所述高壓儲氣罐(12)直接采用外圍設備充氣。
      6.據(jù)權利要求1所述的發(fā)動機;其特征是所述發(fā)動機燃燒多種燃料。
      7.根據(jù)權利要求1所述發(fā)動機,其特征是通過停止噴油,控制配氣相位,動力缸(2) 切換為空氣動力缸或者切換為廢氣渦輪增壓器(9)送氣的壓氣缸;給壓氣缸(1)噴油,并調(diào) 整各氣閥相位,壓氣缸(1)被切換為動力缸。
      8.根據(jù)權利要求1所述發(fā)動機,其特征是調(diào)整壓氣缸(1)各閥的配氣相位,可以利用 來自廢氣渦輪增壓器(9)的壓縮氣體或者由高壓進氣閥(7)噴射高壓空氣推動活塞做功, 壓氣缸(1)變成空氣動力缸。
      9.根據(jù)權利要求1所述發(fā)動機,其特征是當車船等裝置制動時,可以通過壓氣缸(1) 將制動能轉換為高壓空氣充氣到高壓儲氣罐12。
      全文摘要
      一種發(fā)動機,屬于動力機械技術領域。它具有一般內(nèi)燃機的動力缸外,還設有壓氣缸、高壓儲氣罐、高壓排氣閥和高壓進氣閥。該發(fā)動機采用低壓縮比、高壓升比和高膨脹比的復合循環(huán)方式。利用噴射高壓空氣壓燃缸內(nèi)的均質(zhì)混合氣,實現(xiàn)了內(nèi)燃機全工況范圍的預混合燃燒;發(fā)動機采用廢氣再循環(huán)技術和氣門開啟相位可變技術。根據(jù)發(fā)動機負荷大小和高壓儲氣罐的壓力,其壓氣缸可以切換為空氣動力缸或燃燒動力缸,停止動力缸的燃料噴射,動力缸可以由高壓空氣驅(qū)動,也可以作為壓氣缸,給渦輪增壓器提供適當壓力的空氣,以混合動力的方式進行驅(qū)動。高壓儲氣罐的空氣由壓氣缸提供,或由加氣站直接充氣。這種發(fā)動機具有比普通的內(nèi)燃機高得多的經(jīng)濟性、排放性和動力性。
      文檔編號F02B37/04GK101832176SQ200910010658
      公開日2010年9月15日 申請日期2009年3月9日 優(yōu)先權日2009年3月9日
      發(fā)明者隆武強 申請人:大連理工大學
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