带有预冷压缩的四冲程内燃机制造技术

为了在不触及空气/燃料混物燃点的前提下，达到更高的压缩比(CR)以及更高的燃前压力，四冲程内燃机具有一个或多个预冷压缩，实现严格控制进入发动机气缸气体的温度和气压。进气气压的最低值应大于1.8巴(在海平面时)，而风冷散热器应该将气温至少降低50℃。因为本设计能有效调控、设定空气/燃料混合物的最高燃前温度，本内燃机可燃烧任何液体碳氢燃料，并避免爆震。由于本四冲程内燃机具有更高的压缩比，它标准四冲程内燃机的效率更高，在外形更小更轻巧的情况下，它甚至比标准四冲程内燃机的功率更高。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请要求申请号为14/279,580的美国非临时性专利申请的备案日期(2014年5月16日)利益。此申请号为14/279,580的申请是美国非临时性专利申请14/200,202(备案日期2014年3月7日)的部分继续申请。专利
本专利技术涉及内燃机领域，具体来说涉及四冲程火花点火内燃机领域(SI-ICE)。专利技术背景标准四冲程汽油内燃机的效率受到压缩比和压缩气体自燃前温度的制约，这是因为需要避免燃前温度接近于燃料的自燃点，若燃前温度超过自燃点，爆震将降低效率，减短内燃机寿命。由于在标准四冲程内燃机中，摄入空气的温度由室温决定，而室温范围一般在-20℃与+42℃之间，所以在发动机气缸中，空气受到压缩后，其燃前温度的最低和最高值大约差120℃。由于燃前温度这一巨大的温差范围，标准四冲程内燃机一般只能应用较低的压缩比(CR)，压缩比是发动机气缸总容量与燃烧室之比。使用标准汽油的内燃机，一般CR值不大于8，因此内燃机燃前压缩压力也就不大于15巴。标准四冲程内燃机的这些温度和气压限制不仅降低内燃机效率，还使得内燃机更加大而笨重，为避免爆震，还限制了内燃机可用的燃料种类。本专利技术提出一种带有单次或多次预冷压缩的四冲程内燃机，简称为“CWPSC”内燃机(CombustionWithPre-StageCompression)。本专利技术能够实现高度控制发动机气缸摄入空气的温度和气压，可实现更高的压缩比和燃前压缩压力，同时实现温度在自燃点以下。此外，由于本专利技术能有效调控、设定空气与燃料混合物的最高燃前温度,本内燃机可燃烧任何液体碳氢燃料，并避免爆震。由于本四冲程内燃机具有更高的压缩比，在外形更小更轻巧的情况下，其所有主要参数实现效率最大化，甚至比标准四冲程内燃机的产能更高。
技术实现思路
标准四冲程汽油内燃机具有一个进气冲程，一个压缩冲程，一个做功冲程，以及一个排气冲程。在进气冲程中，活塞向下运动，空气与燃料混合物被吸入进气缸中。随后的压缩冲程中，活塞向上运动，将空气与燃料混合物压缩到燃前压缩压力，压缩冲程的重点在于火花点燃空气与燃料混合物，这将推动活塞向下运动，即做功冲程。在排气冲程中，活塞再次向上运动，将废气挤出气缸，为下一个进气冲程做好准备。四冲程内燃机内燃过程中，燃烧中的空气与燃料混合物在气缸中膨胀，缸内压力下降，产生动能。根据混合气体定律，PV/T值在这个过程中保持不变(其中，P为气压“巴”，V为气压量“升”，T为温度“°K”)。随后，当压缩值一定时，气压降低时，绝对温度也将不成比例地下降。由于绝对温度的下降值决定了做功冲程中能被活塞转移到曲轴的可用机械能量，所以最大化这个过程的气压下降值能最优化发动机效率。在标准四冲程内燃机中，气体进入发动机气缸时为室温和大气压力(大约为1巴)。发动机制造商一般使用的压缩比(CR)为8，以适应一般燃料，因此我们将这一压缩比作为平均数值，并将在比较计算中使用这一数值。应用气体绝热过程公式，P(V)γ＝常数(空气压缩系数γ为1.3)，大气压力Pa＝1巴，本文中的模型发动机气缸容量Ve＝1升。由于CR＝8，点燃时的体积为1/8Ve，即Vi＝0.125，因此可得：Pa(Ve)γ＝Pi(Vi)γPa(Ve)1.3＝Pi(Vi)1.3(1)(1)1.3＝Pi(0.125)1.3Pi＝14.92巴因此，在标准内燃机中，燃前气压最大值Pi＝14.92巴。而燃前气体温度最大值是室温的函数。举例来说，若假设室温为27℃(300°K)，通过应用混合气体定律，活塞在上止点时，压缩气体的温度Ti可如下计算：PaVe/Te＝PiVi/Ti(1)(1)/300＝(14.92)(0.125)/TiTi＝560°Kor287℃因此，此例中，压缩气体的燃前温度需低于自燃点287℃。然而，在生产当今的标准汽油SI-ICE内燃机时，生产商必须考虑可能的最高室温，大约是42℃(315°K)。此时，最高的燃前温度为：PaVe/Ta＝PiVi/Ti(1)(1)/315＝(14.92)(0.125)/TiTi＝587°Kor314℃也就是说，当今使用的所有石油燃料的自燃点都不低于314℃。我们将把这个值当做比较计算中的温度上限。本专利技术中，一个预备压缩机将压缩摄入空气，在压缩空气进入发动机气缸前，散热器将冷却此压缩空气。这种设计的目的是为了明显提高发动机效率，因为这能提高空气与燃料混合物燃烧前的压缩比。为了达到这种高效率，一个有效的散热过程是必须的。本专利技术降低摄入空气的温度，降低空气与燃料混合物的燃前温度，并能在室温变化下保持其温度不变。相较于柴油发动机，本专利技术中的空气与燃料混合物的燃前压缩比率大大提高。还比如说，通过降低摄入空气温度大约100℃，空气与燃料混合物的燃前温度可降低大约200℃。从下文的计算可知，为了恰当地实现上文所述的过程，压缩机必须把摄入气体压缩至高于最低压缩压力1.8巴，同时散热器中压缩气体的下降温度必须大于50℃。虽然压缩压力高于2.1巴时，肉眼即可观察到一定效果，但要实现最好的效果，压缩压力要达到3巴，甚至更高。举例来说，如果压缩机将摄入空气压缩至压力为1.8巴或以下，将无法达到所需的散热效果，也就无法实现显著提高发动机压缩比。这是因为室温变化会比散热器内的温度下降更大，也就无法实现显著提高发动机压缩比。这也是增压器(压缩压力为1.8巴或以下)不能实现显著提高压缩比的原因，其只能通过增加摄入空气来产生更多的动能，而并没有提高发动机的效率。另一方面，本专利技术的功能之一是控制空气与燃料混合物的燃前温度，以提高压缩比(CR)以及燃烧前压力，从而提高发动机效率。举例来说，如果一个发动机的气缸容量为Ve，压缩机容量为Va，压缩后气体体积Vc等于发动机气缸进气量Vt(Vt小于Ve)，压缩机将温度Ta为27℃的摄入空气压缩至少于1/3Va，即Vc＝Vt＝0.3Va，那么进气前气压Pc可如下计算(应用气体绝热过程公式，气体压缩系数为1.3)：Pa(Va)1.3＝Pc(Vc)1.3(1)(1)1.3＝Pc(0.3)1.3Pc＝4.78巴应用混合气体定律，压缩气体的进气前温度Tc可如下计算：PaVa/Ta＝PcVc/Tc(1)(1)/300＝(4.78)(0.3)/TcTc＝430°K＝157℃本专利技术的散热器随后将冷却压缩后的气体至目标进气温度Tt，这个温度由最高室温、发动机的压缩比CR，以及燃料的自燃点决定。冷却气体的目标温度Tt为恒定的318°K或45℃，此例中，也就是比假设最高室温42℃高3℃。冷却后的进气气压Pt可如下计算：PcVt/Tc＝PtVc/Tt(4.78)(0.3)/430＝Pt(0.3)/318Pt＝3.53巴因此，不论室温如何变化，本内燃机中压缩后的进气气温总是恒定的45℃，本例中，进气气压为3.53巴，但进气气压会随着室温变化而变化。如下文计算所示，若将进气气温降低大约100℃，发动机气缸中的压缩空气温度将比一般情况下降大约200℃，也就能显著提高压缩比。这个过程实际上是把内燃机的压缩冲程分为两个阶段，期间增加一个冷却阶段，即压缩——冷却——压缩，以此达到更高的燃前压缩压力。本模型内燃机为例，天气最热为42℃时，进气气压为3.36巴，天气最冷为-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一个四冲程火花点火式内燃机包括：一个或多个发动机气缸，每个气缸有一个总气缸容量，一个进气量，一个上止点(TDC)，一个下止点(BDC)。每个气缸中有一个往复运动的活塞，活塞与一个曲轴和一个飞轮机械地相连接。每个气缸中进行一个四冲程循环，包括一个进气冲程，这个过程中活塞朝气缸下止点运动，将空气与燃料混合物吸入气缸中，随后的压缩冲程中，活塞朝气缸上止点运动，将空气与燃料混合物压缩到燃前体积。随后，火花将空气与燃料混合物点燃，推动活塞向下止点运动，即做功冲程。随后的排气冲程中，活塞朝上止点运动，在下一个进气冲程开始前将废气挤出气缸。其中，进气量与燃前压缩体积之比为压缩比；一个或多个预压缩机，每个压缩机都有一个气体容量，每个压缩机将气压为大气压力，温度为室温的气体进行压缩，压缩后的气体具有进气前温度以及进气前气压(2.1巴)；一个或多个散热器，压缩后的气体在散热器中得到冷却，体积保持不变，气压升高超过1.8巴，气温变为进气温度，比此前温度下降至少50℃。进气气体随后与燃料进行混合；不论室温如何，散热器对气温进行调控使进气气温保持恒定不变。进气气温始终保持比燃料自燃点低。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.07 US 14/200,202;2014.05.16 US 14/279,5801.一个四冲程火花点火式内燃机包括：一个或多个发动机气缸，每个气缸有一个总气缸容量，一个进气量，一个上止点(TDC)，一个下止点(BDC)。每个气缸中有一个往复运动的活塞，活塞与一个曲轴和一个飞轮机械地相连接。每个气缸中进行一个四冲程循环，包括一个进气冲程，这个过程中活塞朝气缸下止点运动，将空气与燃料混合物吸入气缸中，随后的压缩冲程中，活塞朝气缸上止点运动，将空气与燃料混合物压缩到燃前体积。随后，火花将空气与燃料混合物点燃，推动活塞向下止点运动，即做功冲程。随后的排气冲程中，活塞朝上止点运动，在下一个进气冲程开始前将废气挤出气缸。其中，进气量与燃前压缩体积之比为压缩比；一个或多个预压缩机，每个压缩机都有一个气体容量，每个压缩机将气压为大气压力，温度为室温的气体进行压缩，压缩后的气体具有进气前温度以及进气前气压(2.1巴)；一个或多个散热器，压缩后的气体在散热器中得到冷却，体积保持不变，气压升高超过1.8巴，气温变为进气温度，比此前温度下降至少50℃。进气气体随后与燃料进行混合；不论室温如何，散热器对气温进行调控使进气气温保持恒定不变。进气气温始终保持比燃料自燃点低。2.根据权利要求1中所述的内燃机，其中散热器能够调节进气温度，因此可实现多个压缩气体燃前温度，每个燃前温度对应一个压缩比，或燃料自燃点，或两者的结合。3.根据权利要求1和2中所述的内燃机，其中每个预压缩机都包括一个压缩机气缸和一个压缩机活塞，而每个压缩机气缸都有一个总气缸容量，一个上止点和一个下止点，压缩机活塞和曲轴以及飞轮机械地相连接。在压缩机运行时，四冲程循环也在同时进行。压缩过程包括四个阶段，首先是进气阶段，这期间压缩活塞向下朝压缩气缸的下止点运动，吸入一部分体积等于压缩机气缸总容量的空气，随后是第一个压缩阶段，这期间压缩机活塞向上朝压缩机气缸上止点运动，将第一部分空气压缩进储气缸。然后是压缩机的第二个进气过程，这期间压缩机活塞向下朝下止点运动，并吸入第二部分...

【专利技术属性】
技术研发人员：菲利普·克瑞斯坦尼，
申请(专利权)人：菲利普·克瑞斯坦尼，
类型：发明
国别省市：美国;US