專利名稱：半循環(huán)高效活塞發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及的是發(fā)動機，具體涉及的是半循環(huán)高效活塞發(fā)動機。二背景技術(shù)：
傳統(tǒng)發(fā)動機的熱效率非常低，平均只有25 ~30%左右，大量的熱量都白白浪費 了 ！導(dǎo)致傳統(tǒng)發(fā)動機熱效率很低的原因是設(shè)計理念上的，這是由于傳統(tǒng)發(fā)動具有固定的壓縮比，活塞做工結(jié)束后，氣缸內(nèi)還有較高的壓強，這就使得大量該有用做功的能量白白浪費掉了，不僅如此，活塞排氣時還要克服較高的壓強做負(fù)功，這就進(jìn)一步降低了熱效率。傳統(tǒng)活塞發(fā)動機要想提高熱效率最有效的方法就是提高壓縮比，其實這也就是為了充分利用膨脹做功，但是，提高壓縮比受到很大的限制，發(fā)動機壓縮比太高，容易引起爆燃，這就使得傳統(tǒng)發(fā)動機提高熱效率陷入瓶頸。三、發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供半循環(huán)高效活塞發(fā)動機，這種半循環(huán)高效活塞發(fā)動機用于解決傳統(tǒng)發(fā)動機熱效率低的問題。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是這種半循環(huán)高效活塞發(fā)動機的氣缸內(nèi)安裝活塞，氣缸的上部為燃燒室，燃燒室內(nèi)有火花塞和燃?xì)馊肟?，燃燒室有排氣口。上述方案中的燃?xì)馊肟谟袃蓚€，一個為高壓進(jìn)氣嘴，一個為高壓進(jìn)油嘴。上述方案中氣缸上方設(shè)置有燃?xì)忸A(yù)混缸，燃?xì)馊肟跒槿細(xì)忸A(yù)混缸的進(jìn)氣門，燃?xì)忸A(yù)混缸與氣缸之間通過進(jìn)氣門相通，燃?xì)忸A(yù)混缸內(nèi)安裝有燃?xì)饣钊細(xì)忸A(yù)混缸還設(shè)置有與外界相通的吸氣門。本實用新型具有以下有益效果I、本實用新型中只有做功和排氣兩個過程，省去了吸氣和壓縮過程，使發(fā)動機的功率成倍增加，而且我們使壓縮與膨脹做功完全分開，可以使發(fā)動機有較大的非常理想的膨脹比，發(fā)動機熱效率也將大幅增加。2、本實用新型由于實現(xiàn)了發(fā)動機壓縮和膨脹分離，能使燃?xì)庥辛己玫娜紵隣顟B(tài)，又能充分利用燃?xì)馀蛎涀龉?。?br> 圖I是本實用新型第一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型第二種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3-圖6是本實用新型工作原理圖；圖7是傳統(tǒng)發(fā)動機吸氣過程圖；圖8是傳統(tǒng)發(fā)動機進(jìn)氣后壓縮過程圖；圖9是傳統(tǒng)發(fā)動機燃燒做功過程的曲線圖；圖10是傳統(tǒng)發(fā)動機排氣做功過程的曲線圖；圖11是本實用新型燃燒做功過程的曲線圖；圖12是本實用新型排氣做功過程的曲線圖。I.氣缸2.活塞3.燃燒室4.火花塞5.吸氣門6.燃?xì)忸A(yù)混缸7.燃?xì)饣钊?8.進(jìn)氣門 9.排氣口 10.高壓進(jìn)氣嘴11.高壓進(jìn)油嘴。五具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步描述圖I是本實用新型第一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，這種半循環(huán)高效活塞發(fā)動機包括氣缸I、活塞2，氣缸I內(nèi)安裝活塞2，氣缸I的上部為燃燒室3，燃燒室3內(nèi)有火花塞4和燃?xì)馊肟?，燃燒?有排氣口 9。本實施方式本中燃?xì)馊肟谟袃蓚€，一個為高壓進(jìn)氣嘴10，一個為高壓進(jìn)油嘴11。本實用新型的工作過程如下首先把空氣的壓縮過程集中在一起，壓入高壓儲氣罐，以確保實現(xiàn)使燃油和空氣以高壓噴射的方式噴射進(jìn)燃燒室3，還可以根據(jù)發(fā)動機的工作情況任意控制進(jìn)氣量。工作時，活塞2到達(dá)上止點，排氣口 9關(guān)閉，高壓空氣和高壓油氣噴入，火花塞點火，膨脹做功，做功結(jié)束后，活塞2上移排氣。圖2是本實用新型第二種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，這種半循環(huán)高效活塞發(fā)動機包括氣缸I、活塞2、燃?xì)忸A(yù)混缸6，氣缸I內(nèi)安裝活塞2，氣缸I的上部為燃燒室3，燃燒室3內(nèi)有火花塞4和燃?xì)馊肟?，燃燒?有排氣口 9。氣缸I上方設(shè)置有燃?xì)忸A(yù)混缸6，燃?xì)馊肟跒槿細(xì)忸A(yù)混缸6的進(jìn)氣門8，燃?xì)忸A(yù)混缸6與氣缸I之間通過進(jìn)氣門8相通，燃?xì)忸A(yù)混缸6內(nèi)安裝有燃?xì)饣钊?，燃?xì)忸A(yù)混缸6還設(shè)置有與外界相通的吸氣門5。本實施方式中燃?xì)忸A(yù)混缸6內(nèi)安裝有燃?xì)饣钊?，燃?xì)忸A(yù)混缸6還設(shè)置有與外界相通的吸氣門5，以及與氣缸I相通的進(jìn)氣門8。燃?xì)饣钊?的往復(fù)運動完成吸氣以及為燃燒室6輸送壓縮好的燃?xì)狻＿M(jìn)氣門8為彈簧彈力開關(guān)，進(jìn)氣門8彈簧向上的彈力可承受幾個到十幾個大氣壓的壓力，只有當(dāng)燃?xì)忸A(yù)混缸6的燃?xì)饣钊?下壓到一定程度時，進(jìn)氣門8才被頂開，可燃?xì)怏w才被壓入燃燒室6。吸氣門5開關(guān)也可設(shè)計成與進(jìn)氣門8相同的彈簧彈力開關(guān)，只是吸氣門5開關(guān)彈簧彈力要較小，當(dāng)燃?xì)忸A(yù)混缸6內(nèi)氣壓低于大氣壓力一定程度吸氣門5打開。本實用新型的工作原理如下(以第二種實施方式為例來說明)如圖3所示，氣缸活塞2到達(dá)其上止點，排氣口 9關(guān)閉，燃?xì)獗谎杆賶喝肴紵?，火花塞4點火；如圖4所示，燃?xì)馊紵蛎?，推動活?做功，燃?xì)忸A(yù)混缸6吸氣；如圖5所示，做功完畢，排氣口 9打開排氣，燃?xì)忸A(yù)混缸6開始壓縮氣體；如圖6所示，氣缸活塞2上移排氣，燃?xì)忸A(yù)混缸燃?xì)饣钊?下移壓縮燃?xì)狻Ａ?、傳統(tǒng)發(fā)動機的熱效率以汽油機為例來計算一下傳統(tǒng)發(fā)動機的熱效率，后面會對比計算環(huán)形高效發(fā)動機的熱效率，并分析發(fā)動機熱效率巨大差別的因素。首先了解一下常規(guī)發(fā)動機等裝置的熱效率表一、熱效率表
I汽機車I汽油機I柴油機I燃?xì)廨啓CI液體燃料火箭 η = 8% η = 25°/η = 31°/η = 46% η = 48%一臺傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機在節(jié)氣門接近全開時擁有約30%的最高效率，而在我日常的駕駛條件下，這個效率還要打上一個大大的折扣。以汽油機為例來計算一下傳統(tǒng)發(fā)動機的熱效率。I進(jìn)氣過程活塞往復(fù)運動時，外界大氣壓時而做正功、時而做負(fù)功，正負(fù)功剛好對應(yīng)抵消了，所以整個過程中只考慮氣缸內(nèi)氣體吸熱、做功等情況。發(fā)動機進(jìn)氣時，氣缸內(nèi)的壓強略小于一個大氣壓，進(jìn)氣過程中本來要消耗能量，但是，說外界大氣壓做功完全抵消了，計算時只考慮氣缸內(nèi)氣體做功情況，這時氣缸內(nèi)的氣體做的是正功。如圖7所示為燃燒室容積，K為氣缸最大工作容積力一個大氣壓，巧略小于一個大氣壓。該過程做功可以近似計算為,AB = ^(f0+-pU)(I) SHAPE \*MERGEFORMAT2吸入油氣后的壓縮過程如圖8所示，假設(shè)壓縮過程BC為絕熱過程，壓縮時做功為負(fù)值。Wm == ^1tRT1 -= I(P1F1 -P2E^2) (2)
M 2 M 2 2體積壓強之間的換算關(guān)系可由絕熱方程求出P2V{ = P1F/(3)假設(shè)燃燒物及生成物都為剛性多原子分子，則自由度1 = 6，摩爾熱熔比
4 2
Y =-= 1.33。
I例如，假設(shè)發(fā)動機的壓縮比f = 6 ,則G = 6K ,又G = K ,由絕熱方程可知A = ^C-p-7 = 10.8/J 10.8巧(4)3燃燒膨脹對外做功如圖9所示，假設(shè)CD燃燒過程壓強隨體積線性增加，(實際燃燒過程向上有微小弧度，做功值較線性計算略大)，DE為絕熱過程。CD燃燒過程氣體吸收的熱量等于燃料釋放的化學(xué)能，就等于CD過程對外做功加上該過程內(nèi)能的增量Q = + AEa^(5)其中，Wc2=l(P2+P3)(F3-F0)
f · ·
, M IM I 一 I 一 一，AScs = ---RTi--J-Rx2 = - [P3F3 -12F0)
M 2 M I 2吸收的總熱量(燃料釋放的化學(xué)能)為[0064]e=I(P2+職-F0)+1(m-)(6)DE為絕熱膨脹過程，對外做功就等于內(nèi)能減少量~ ~~(7)其中，Pr4=6。4排氣過程消耗能量傳統(tǒng)活塞式發(fā)動機都是在殘余高壓下壓迫排氣的，要消耗一定的能量。如圖10所示，EF為壓縮排氣過程，壓強隨體積線性減少。Wsf = - — (P5 +PiXV4 -Prs) (8)其中，G=K,6 = ο5傳統(tǒng)活塞發(fā)動機熱效率進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個沖程完成一個工作循環(huán)，整個循環(huán)過程中做的總功為
If·=^+1 + +IfvrII I
=+- + m+_ ρ )-ζ( +4)(6- )
ms4s^Sn
(9)吸收的總熱量(燃料釋放的化學(xué)能)為fi = | (P2 + 職-K)+^ m -m)(10)發(fā)動機熱效率為
,吳 + C5" f,;). +1 (4 + ^)(F,哪 F0) + \ (F1V1 "職 + F3Fj U 41. + F4 Ki-; - K'、 =-r = -- -；-=- -
‘ d
(11)下面我們舉一個例子，來計算一下活塞發(fā)動機的熱效率。假如發(fā)動機的壓縮比￡■ = 6，則G= K = ，假設(shè)巧、都等于一個大氣壓假設(shè)
= -jO/q, = 2^0。已知6 = %，由絕熱方程可知P2 =召(#)7 = 10.8^ 10.8Ρ0(12)P4=11.7^(13)把上面所有相關(guān)數(shù)據(jù)代入(9)式，則，Ir = 54 (1(13 + 5W|)F0 + *(4 ρ 一 10,SPo^ + 504 K 2 胃 I! 7 KCF0) 一 I (12 7Pn 5τφ222
=7S
把上面所有相關(guān)數(shù)據(jù)代入(10)式，則，
0= -^-(10. Sig + 50Ρα)(2 ,0 -F0) + t50P0x2F0 —10. SFgfr0) = 29 芑 P0Vfi把上面數(shù)值代入(11)式，則，
W 78.65 f ,Tf^ — ^~—^2bA°/o(14)這是在理論上計算的傳統(tǒng)汽油發(fā)動機的熱效率，它和實際的汽油發(fā)動機的熱效率非常符合。6 分析為什么傳統(tǒng)發(fā)動機的熱效率會非常低呢？這是因為做功結(jié)束時氣缸內(nèi)還有很高的壓強，沒有充分利用燃燒膨脹做功。從前
面的計算中可以看出，活塞到下止點時，汽缸內(nèi)壓強g = i|= ,這就使得能有
效做功的大量能量被浪費掉了，不僅如此，排氣過程還要克服高壓做負(fù)功，這就大大損失了有效能量。假設(shè)活塞運行到下止點做功結(jié)束時，氣缸內(nèi)壓強為一個大氣壓(巧=i 3)，這時氣
缸容積是多少呢？由絕熱方程可知
P -F4 = F3 φγ =IIW1(15)
€這就是說從狀態(tài)(尸=11.7/ 、V = GF1)絕熱膨脹到狀態(tài)(尸=P0、「= 37.阿)大量
的能夠有效做功的能量全被浪費掉了，不僅如此，排氣過程還要克服高壓做負(fù)功。顯然，要想提高熱效率必須充分利用膨脹做功。大家都知道傳統(tǒng)活塞發(fā)動機要想提高熱效率最有效的方法就是提高壓縮比，其實這也就是為了充分利用絕熱膨脹做功，但是，提高壓縮比受到很大的限制，發(fā)動機壓縮比太聞，容易引起爆燃。所謂爆燃就是由于氣體壓力和溫度過高，可燃混合氣在沒有點燃的情況下自行燃燒，且火焰以高于正常燃燒數(shù)倍的速度向外傳播，造成尖銳的敲缸聲。爆燃會使發(fā)動機過熱，功率下降，汽油消耗量增加以及機件損壞。這就使得傳統(tǒng)發(fā)動機提高熱效率陷入瓶頸。大家知道壓縮比較高的汽車熱效率較高，但是，它只能使用不易爆燃的高號汽油，即便如此，傳統(tǒng)發(fā)動機的壓縮比最高只能達(dá)到11左右。這和燃?xì)獬浞肿龉€相差很遠(yuǎn)。七、半循環(huán)高效活塞發(fā)動機的熱效率把燃?xì)忸A(yù)混缸6容積與燃燒室3容積的比值稱為壓縮比；把氣缸I最大工作容積與燃燒室3容積的比值稱為膨脹比。(一)吸氣和壓縮過程燃?xì)忸A(yù)混缸型半循環(huán)高效發(fā)動機吸氣和壓縮過程是在燃?xì)忸A(yù)混缸6中進(jìn)行的，燃?xì)忸A(yù)混缸6比氣缸I的溫度要低很多，它的壓縮過程所做的負(fù)功要比傳統(tǒng)活塞發(fā)動機小很多，它的這個優(yōu)勢我們在計算中就不考慮了，認(rèn)為它的吸氣和壓縮過程做功與傳統(tǒng)活塞發(fā)動機完全是相同的。吸氣過程做功與(I)式計算一致 ^ =(16)壓縮過程做功與(2)式計算一致W￡C =-ASsc = --RT1- --RT2 = — C^i-^2^2)(17)
M Δ M 2. 2(二)燃燒膨脹對外做功如圖11所示，半循環(huán)高效發(fā)動機與傳統(tǒng)活塞發(fā)動機的燃燒做功過程曲線相同，只是傳統(tǒng)活塞發(fā)動機只膨脹做功到E’點，而半循環(huán)高效發(fā)動機膨脹做功到E點，做功結(jié)束后氣缸內(nèi)的大氣壓略高于大氣壓，這就使得燃?xì)獬浞肿龉?。半循環(huán)高效發(fā)動機燃燒做功過程吸熱和做功的計算公式與傳統(tǒng)活塞發(fā)動機也是
一致的。CD燃燒過程氣體吸收的熱量等于燃料釋放的化學(xué)能，就等于CD過程對外做功加上該過程內(nèi)能的增量Q = Wcd +AEcd(18)其中，= |(4+/D(F3-F0)
t · ·AEcd = —-RZ ---RT1 = - (RF,-PJr0)
M12 M 2 - 2吸收的總熱量(燃料釋放的化學(xué)能)為Q = I (P2 +BsW3 — V0) + 1-(F3V, — P2V0)(19)DE為絕熱膨脹過程，對外做功就等于內(nèi)能減少量(20)半循環(huán)高效發(fā)動機的膨脹比遠(yuǎn)大于壓縮比，Spr4遠(yuǎn)大于F1 ;而傳統(tǒng)活塞發(fā)動機膨
脹比等于壓縮比，即F4 =G .(三)排氣過程半循環(huán)高效發(fā)動機殘余氣壓接近大氣壓，是自然排氣，實際排氣過程幾乎不需要消耗能量。但是，為了對應(yīng)計算，我們必須要考慮排氣時所做的負(fù)功。[0124]如圖12所示，EF為壓縮排氣過程，缸內(nèi)氣體做負(fù)功。半循環(huán)高效發(fā)動機排氣過程所做負(fù)功的公式與傳統(tǒng)發(fā)動機也是一樣的。Wsf =--(P5+ PiXFi-V5) (21)但是，與傳統(tǒng)發(fā)動機不同的是，其中％遠(yuǎn)大于F1;P^P5^P0 .(四)半循環(huán)高效發(fā)動機的熱效率進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個部分組成一個工作循環(huán)，整個循環(huán)過程中做的總功為
,=l'ffM + ,** + + + II 1
-2 + -Φ仍+ 2(Pi +■19 + 2(Ψι■ m通職)職 $迖 +
(22)燃料釋放的化學(xué)能(吸收的總熱量)為β = |(P2 + P3W3-K) + 1- (m -Ψο')(23)發(fā)動機熱效率為IJ =——=上Λ
Q-佔+- K)+美- )
(24)半循環(huán)高效發(fā)動機全過程做功、吸熱以及熱效率的計算公式和傳統(tǒng)發(fā)動機是完全
一樣的。唯一區(qū)別在于半循環(huán)高效發(fā)動機膨脹比大于壓縮比，S卩u遠(yuǎn)大于，而傳統(tǒng)活塞發(fā)動機膨脹比等于壓縮比，即K : 。下面我們舉一個與前面活塞發(fā)動機條件完全相同的例子，來計算半循環(huán)高效發(fā)動機的熱效率。假如發(fā)動機的壓縮比￡·=6,則Κ= 假設(shè)巧、P5都等于一個大氣壓(P1J=S P5 K. P0 )，假設(shè)P3 = 50P0, F3 = 2F0 ；已知 F2 = V5 = V0,由絕熱方程可知馬== IO-SP1 10.8 石(25)假設(shè)P4 P0 (我們可以讓做功盡量充分，讓膨脹氣壓巧略高于大氣壓)由絕熱方程可知
P I(26)
廣4把上面所有相關(guān)數(shù)據(jù)代入(22)式，則r = i7i.6P0r0把上面所有相關(guān)數(shù)據(jù)代入(23)式，則
ρ = 1(10.SP0 +50P0)(2V0 -F0) + ^(50Pox 2F0 -ICxSP0F0) = 29SP0V0把上面數(shù)值代入(24)式，則
W= —= 57.6%(27)這是我們在完全相同的條件下，利用完全相同的分析方法計算出的半循環(huán)高效發(fā)動機的熱效率，可見半循環(huán)高效發(fā)動機的熱效率大幅度提高了。半循環(huán)高效發(fā)動機和傳統(tǒng)活塞發(fā)動機熱效率的比值
Vk 57.6=-=2.18
η 26.4半循環(huán)高效發(fā)動機熱效率比傳統(tǒng)發(fā)動機竟然高達(dá)兩倍以上！燃?xì)忸A(yù)混缸型半循環(huán)高效發(fā)動機吸氣和壓縮過程是在燃?xì)忸A(yù)混缸中進(jìn)行的，燃?xì)忸A(yù)混缸比氣缸的溫度要低很多，它的壓縮過程所做的負(fù)功要比傳統(tǒng)活塞發(fā)動機小很多，考慮這個原因之后，半循環(huán)高效發(fā)動機的熱效率比我們前面的計算還要大。八、根據(jù)實際數(shù)據(jù)對比計算分析下面根據(jù)汽油發(fā)動機實際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比計算分析，并且概括其規(guī)律。(一)壓縮比、進(jìn)氣量、燃燒最高壓強對發(fā)動機熱效率的影響關(guān)于汽油發(fā)動機的實際數(shù)據(jù)(I)、汽油發(fā)動機進(jìn)氣終了時，氣缸內(nèi)氣體壓力略低于大氣壓，約為0.075 O. 09MPa。(2)、汽油發(fā)動機的壓縮比一般為ε = 6 10。( 3 )、可燃混合氣燃燒后放出大量的熱使氣缸內(nèi)氣體溫度和壓力急劇升高，最高壓力可達(dá)3 5MPa。(4)、受排氣阻力的影響，排氣終止時，氣體壓力仍高于大氣壓力，約為O. 105 O.115MPa。下面以汽油發(fā)動機為例，根據(jù)上面的數(shù)據(jù)把傳統(tǒng)發(fā)動機和環(huán)形高效發(fā)動機在不同情況下熱效率的理論值列成表格。表二、進(jìn)氣終了時召=0.0'75Mpa
氣缸最高氣氣缸最高氣ffiAMpa 氣缸最高氣B :5Mpa
ε·-η = 27.0%, =7} = 27.0%, =η = 27.0%, = 56.9% ε-ij = 333%, =η = 33.2%, = 33.2%, = 57.2% ε-jj = 37.9%, =Tf = 37.8%, =η = 37.7%, = 57.8%表三、進(jìn)氣終了時i^ = 0.0825Mpa[0166]
權(quán)利要求1.一種半循環(huán)高效活塞發(fā)動機，其特征在于這種半循環(huán)高效活塞發(fā)動機的氣缸(I)內(nèi)安裝活塞(2)，氣缸(I)的上部為燃燒室(3)，燃燒室(3)內(nèi)有火花塞(4)和燃?xì)馊肟?，燃燒?3)有排氣口(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半循環(huán)高效活塞發(fā)動機，其特征在于所述的燃?xì)馊肟谟袃蓚€，一個為高壓進(jìn)氣嘴(10)，一個為高壓進(jìn)油嘴(11 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半循環(huán)高效活塞發(fā)動機，其特征在于所述的氣缸(I)上方設(shè)置有燃?xì)忸A(yù)混缸(6 )，燃?xì)馊肟跒槿細(xì)忸A(yù)混缸的進(jìn)氣門(8 )，燃?xì)忸A(yù)混缸(6 )與氣缸(I)之間通過進(jìn)氣門(8)相通，燃?xì)忸A(yù)混缸(6)內(nèi)安裝有燃?xì)饣钊?7)，燃?xì)忸A(yù)混缸(6)還設(shè)置有與外界相通的吸氣門(5)。
專利摘要本實用新型涉及的是半循環(huán)高效活塞發(fā)動機，這種半循環(huán)高效活塞發(fā)動機的氣缸內(nèi)安裝活塞，氣缸的上部為燃燒室，燃燒室內(nèi)有火花塞和燃?xì)馊肟冢紵矣信艢饪?。本實用新型中只有做功和排氣兩個過程，省去了吸氣和壓縮過程,使發(fā)動機的功率成倍增加，而且我們使壓縮與膨脹做功完全分開，可以使發(fā)動機有較大的非常理想的膨脹比，發(fā)動機熱效率也將大幅增加。
文檔編號F02M21/04GK202381169SQ201120565360
公開日2012年8月15日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者姜寅令, 齊績 申請人:東北石油大學(xué)