集成式自增压变压缩比转筒发动机的制作方法

集成式自增压变压缩比转筒发动机
所属技术领域：
1.本发明的发动机，是对“一种集成式自增压变压缩比发动机”的进一步集成和优化，称谓《集成式自增压变压缩比发动机——改型a》。


背景技术：

2.集成式自增压变压缩比发动机(简称“自增压变压缩比机”)是新研发的一种四行程活塞式发动机。与现在的主力机型：活塞曲柄连杆式发动机相比，在活塞排量相同的情况下，集成式自增压变压缩比发动机由于采用了自增压技术进气量倍增，这就为采用更加先进的燃烧模式，提高燃烧质量；为大幅度提高发动机的整机性能；为升功率实现重大突破奠定了物质基础。它秉持先进的变压缩比和储能技术，不仅解决了增压效果受到最高燃烧压力限制这一关键技术问题，使汽油机和柴油机都可采用高压缩比，实现压然，循环效率高，而且对燃烧产生的热能利用更为充分，从而获得更高的热效率。它用全密封原理取代节流式密封原理，通过组合气环的组合效应解决了对关键部位：环口处的密封问题。由此产生的技术进步是：1、实现一环高效封气，既降低活塞的结构高度，又减轻了活塞的往复惯性质量。2、因消除了泄漏燃气在环口处产生的烧蚀、破损工作油膜现象，所以环口两侧因油膜破损导致的干摩擦和半干摩擦现象也一并被消除。其有益效果是：活塞的运行阻力减小，摩损低，工作寿命大幅提高。3、由于通过活塞泄漏的燃气是机油的主要污染源，泄漏量的减少等同于提高了机油的润滑质量和使用周期。4、由于消除了环口处的油膜烧蚀破损现象，可以进一步优化工作油膜厚度，降低机油耗，降低由机油烧蚀造成的排污值和颗粒物。5、组合气环由于消除了环口处的油膜烧蚀破损现象，加之上下组成环之间自然形成的环形油线，既能增强组合环的封气性能，又对工作油膜有极好的修复补偿作用。所以，一方面由于组合气环的润滑条件得到彻底改善；另一方面，由于组合气环在磨损后有补偿功能，所以组合气环可望丢掉“易损件”的帽子，达到与发动机等寿命的工作效果。自增压变压缩比机在活塞与缸套之间，用直接形成油膜润滑取代现有发动机通用的飞溅润滑，从工作机理上彻底消除了现有发动机存在的窜机油烧机油现象。自增压变压缩比机用活塞曲柄滑块机构取代活塞曲柄连杆机构，二者的传力方式，运转形式和最终达到的目的相同。不同的是，活塞曲柄滑块机构没有“连杆”，取代连杆的结果是可以在活塞下部和曲轴箱之间方便地设置“泵气室”。由此带来的技术进步是：1、利用泵气室可以将活塞在每个工作循环中在下部产生的两次泵气收集起来，进而通过活塞运动，在压缩行程中给上部的气缸实现自增压。由于气缸在自然吸气过程中的进气量不变，所以总的进气量可增加一倍以上。2、由于气缸的压缩压力大于泵气室的最大压力，压缩泵气利用的是旋转质量的惯性能，对有效功的影响很小。3、由于对置双缸由活塞组件产生的往复惯性力被相互抵消，由曲柄销组件产生的旋转惯性力也可通过对称消减，左右曲柄质量加以平衡，所以振动小。4、由于连杆比(l/r)一般都在3.1以上，自增压变压缩比机虽然增加了“泵气室”的结构尺寸，但由于取消了连杆，总的结构高度仍有所下降，加之活塞上没有传统的活塞销活塞裙，又是一环封气，双缸对置共用一个曲柄销，所以不论是活塞或曲轴的轴线方向的结构尺寸都大幅降低，发动机的整机结构尺寸和
重量都大幅降低，功重比高(kw/kg)。自增压变压缩比机由于可从排气和冷却水中回收利用的热能更多，用来发电，则成为除发动机外可向外输出的第二动力，使搭载这种发动机的运载工具具有纯电和混动的双重行驶功能。自增压变压缩比机的上述先进性能，既是战车和普通运载工具的良好动力；又可开拓一个新的应用市场，成为普通民众都买得起用得起，在海陆空之间实现动力飞行的首选动力。自增压变压缩比机的结构紧凑，性能先进，其自增压方式在大中小机型均可适用，具有普遍的推广应用价值，因此，它是活塞曲柄连杆式发动机的换代机。但是，自增压变压缩比机承袭传统的气阀式配气机构与上述的技术进步相比，明显不匹配。气阀式配气机构在气缸盖内要设置进排气道，进排气定时控制系统，还要组织促进混合气燃烧的空气气流和对高温工作部位的冷却，从而导致气缸盖结构复杂，外形尺寸大，气流的流动阻力大。而进气系统的完善程度直接影响进气量和混合气的形成和燃烧质量，直接关系到整机的结构，工作性能和排放指标，故应继续完善提高。


技术实现要素：

3.通过背景技术分析，在集成式自增压变压缩比发动机的基础上，进行如下改进。
4.1、针对凸轮气阀式配气机构导致的气缸盖结构尺寸大，进排气流动阻力大的问题，本发明的改进方案是对上部的气缸和下部泵气室的进排气系统进行改造，用转筒式配气机构取代现在的凸轮气阀式配气机构，以便用更简洁的结构，更适宜的运转方式来满足自增压变压缩比机进气、排气、增压和扫气的特定工作需求。
5.2、针对自增压变压缩比机压缩比高，压缩终了的燃烧室容积小的实际情况，把燃烧室设置在进排气转筒之间的气缸盖的中心部位，从而更好地利用活塞的挤流作用，促进混合气的形成和燃烧。
6.3、针对汽油的蒸发性好，自燃点高的特点，本发明的改进型自增压变压缩比汽油机向柴油机靠拢，采用高压缩比，压燃多点着火。其燃烧模式是：预混、稀气、压燃、层状燃烧。
7.4、针对柴油的蒸发性差，自燃点低的特点，本发明的改进型自增压变压缩比柴油机根据不同的负荷采用不同的压缩比。对功率和扭矩采用像汽油机一样的量调节燃烧模式。
附图说明：
8.下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
9.图1是本发明的《集成式自增压变压缩比转筒发动机》的气缸盖和泵气室的正面视图。
10.图2是侧面视图，表达转筒式配气机构，燃烧室和活塞在气缸盖中的相对位置，管线连接方式及转筒的驱动方式。
11.图3 d-d剖视图，表示泵气室的进气转筒和排气阀的相对位置。
12.图4 c-c阶梯剖视图，表示剖切面i-i、e-e、f-f的剖切位。
13.图5是自增压变压缩比机转筒式配气机构的进气、排气、增压和扫气的配气相位图。p1表示进气始点，p1′
表示进气终点，其余的表示始点和终点的方式相同。p
2-p2′
压缩过程，p
3-p3′
膨胀过程，p
4-p4′
排气过程，p
5-p5′
扫气过程，p
6-p6′
增压过程。设定活塞从位于上
止点0
°
开始随曲轴按顺时针方向运行。
14.图例说明：
15.1、排气增压转筒；1-1、排气转筒；1-2、增压转筒；2、进气扫气转筒；2-2、扫气转筒；3、气缸盖；4、平截方锥凸台；5、燃烧室；6、泵气室排气阀；7、泵气室进气转筒；8、泵气室；9、活塞；10、传动齿轮；11、输气管；12、储气筒；13、泄气孔；
↑
、转动方向或气、液流向标。
具体实施方式：
16.如图1、图2、图4、图5及其向视、剖视图所示，本发明的发动机所采用的转筒式配气机构，由排气增压转筒1、进气扫气转筒2、气缸盖3、传动齿轮10和连接管线等件组成。排气增压转筒1的两端，一端是排气转筒1-1，另一端是增压转筒1-2。进气扫气转筒2的一端是进气转筒，另一端是扫气转筒2-2。增压转筒1-2和扫气转筒2-2都通过各自的外接管线与储气筒12相连。进排气转筒由各自的传动齿轮10带动，并以二分之一的曲轴转速旋转。排气、增压转筒1和进气、扫气转筒2的旋转方向与曲轴的转向相同。本发明的转筒式配气机构，通过各个转筒上分别设置的进气、扫气、排气和增压孔口，定时与燃烧室5的对应孔口连通或关闭，按配气相位图5完成进气、排气、增压和扫气过程。如图1、图2和图3所示，泵气室8的进气转筒7与空气滤清器连接，经滤清的空气在活塞9从下止点移动到上止点的过程中给泵气室8供气；当活塞9从上至下处于排气行程时，排气阀6开启从输气管11将压缩泵气导入储气筒12，储气筒12设有与增压转筒1-2、扫气转筒2-2、气起动装置、刹车系统、助力系统的接口。由储气筒统一给用气系统供气，扩大泵气的使用功能和效果。本发明采用转筒式配气机构的优点是：1、以简洁的结构形式实现自增压机特定的进气、排气、增压、扫气过程，能效高，流阻小。2、去掉凸轮、气阀等高速运动件后，结构简化，结构尺寸缩小，结构重量减轻，制造成本降低，配气系统的可靠性和工作寿命大幅度提高。3、自增压变压缩比机的压缩比高，燃烧室容积小，所以由气缸盖和活塞顶上的平截锥形凸台4组成的燃烧室5可设置在进排气转筒之间的气缸盖3的中心，通过活塞运动，在燃烧室5内形成强烈的挤气涡流，加速混合气的形成和燃烧。
17.针对转筒式配气机构在配气孔口处存在泄漏间隙，在转筒的整个运转过程中存在工质泄漏的问题，解决这个问题的技术措施是：在保证配气转筒在任何工况都能无阻滞运转的前题下；(1)使配气口处具有最小的泄漏间隙，尽量减少实际的泄漏量，(2)通过泄漏间隙泄漏的工质可通过与节气阀下部的进气道连通的泄气孔13重新导入气缸。(3)针对泄漏气体在不同的工作行程和气缸压力下泄漏量也不同的情况，在自增压变压缩比机的进气量具有较大富余量的优势下，可根据泄漏气体量进行调控和补偿，从而通过上述技术措施将工质泄漏的不利影响降至最低。
18.本发明的汽油机和柴油机，都采用电控喷油。依据进气量，既控制喷油的起始点和终点，又控制喷油的多少。喷油量越多，起始点距压缩上止点越远。喷油量少，起始点距压缩上止点越近。喷油终点在压缩上止点前10-25
°
左右。为了充分利用自增压变压缩比机进气量大的优势，保证燃烧干净彻底，不论任何工况，混合气的过量空气系数始终大于1。根据汽油的蒸发性好，自燃点高的特点，汽油机的燃烧模式是：预混、稀气、压燃、层状燃烧。中低负荷，在进气量足够保证实现压燃的前提下，因存在在增压气流中形成的初始预混合气在进入气缸后，被再度稀释而不易燃烧干净的可能性，喷油的始点应向上止点偏移，从而保证这
部分预混合气能被压燃多点着火后形成的燎原火焰席卷，仍能干净彻底燃烧。由于喷油的终点距上止点已经很近，最终喷入的油量很少，不易扩散，只能形成少量的易于发火燃烧的浓混合气，而此时的压缩温度已足够这部分混合气发火燃烧。由于整个喷油过程形成的混合气浓度呈从上至下，由浓变稀的层状分布，在挤气涡流的搅拌、混合、传播作下，能够实现快速干净彻底燃烧。为了将最高燃烧压力点控制在上止点后10-15
°
左右，喷油终点只须相应做微小调整。
19.根据柴油的蒸发性差、自燃点低的特点，在中低负荷时，采用低压缩比燃烧模式，在保持活塞排量不变的情况下，减少进气量，将实际压缩比降到12-18之间，压缩功耗低。在高功率、大负荷时，采用高压缩比燃烧模式，通过变压缩比加储能技术，既可将最大燃烧压力控制在按压缩比预设的最高燃烧压力范围内，又可获得大功率，高热效的理想效果。
20.由于自增压汽柴油机均采用稀气压燃和量调节的工作模式，使发动机向外输出功率和扭矩的转速变动范围很大，相应地与它匹配的变速机构也可进一步简化。
21.内燃机的主要能源是：燃油。而我国的现状是，有70％的石油靠进口。为扭转这种局面，我国大力推广电动汽车。但动力电池与燃油相比，能量密度相差10几倍，所以自身重量大，无效功耗高。自增压变压缩比机的自吸和增压两种进气模式，使它可以便捷地使用多种能源，也可以纯电、混动的方式在城市中行驶，这就为它逐步从汽柴油等矿物能源转向低碳的生物能源，如甲醇、液态甲烷、生物柴油等提供了技术支撑。生物能源是一种点多面广，资源丰富，可重复生产，成本低廉的低碳能源。我国城乡每年都有大量的秸杆垃圾，人畜粪便，生活废弃物需要处理，农田要优质高产必须进行有机改造，为了提高人民的生活水平要大力发展农牧畜养业，所以解决我国的能源问题的基础应立足农村，建在祖国的大地上。解决能源问题应与我国的农业现代化结合起来，统筹考虑，统一规划，分步实施，网点布局，采用产业化，工业化的模式，像生产水泥一样，将有机物变成有机肥，从发酵熟化的流程中分馏制取生物能源，从油料作物的不断稳产和增产中，更多地制取生物柴油。生物能源必将改变其产能和利用率只有1-2％的现状，成为我国自主掌控的综合使用成本甚至比电能更低的基础能源。
22.相关专利文献
23.1、泵气增压内燃机，专利号：zl201010103209.2
24.2、一种有润滑冷却油路的组合活塞，专利号：201520194959.3
25.3、双缸对置四冲程往复活塞式自增压发动机，申请号：201810774351.6
26.4、一种可变压缩比的组合活塞，申请号：202010253055.9
27.5、一种集成式自增压变压缩比发动机，申请号：202011175414x。

技术特征：
1.本发明的集成式自增压变压缩比转筒发动机，它在集成式自增压变压缩比发动机的基础上，用转筒式配气机构取代了传统的凸轮气阀式配气机构，并与气缸盖(3)和活塞顶上的平截锥形凸台(4)一起组成中心燃烧室(5)，其特征是：它的转筒式配气机构由分置于两端的排气、增压转筒(1)和进气、扫气转筒(2)组成，二转筒以二分之一的曲轴转速旋转，转筒(1)和转筒(2)与曲轴转向相同，设置在转筒上的进气、扫气、排气和增压孔口定时与燃烧室的对应孔口连通或关闭，按配气相位完成进气、排气、增压和扫气过程；它通过活塞的挤流作用，在中心燃烧室(5)内形成强烈的挤气涡流，促进混合气的形成和快速燃烧；它的汽油机的燃烧模式是类似于柴油机一样的稀气、预混、压燃、层状燃烧；它的柴油机的燃烧模式类似于汽油机对进入气缸的燃油和空气量进行的量调节燃烧。2.根据权利要求1所述的集成式自增压变压缩比转筒发动机的转筒式配气机构，在泵气室的配气系统上也有应用，其特征是：在活塞(9)从下止点移动到上止点的过程中，它的进气转筒(7)随曲轴转动一周给泵气室供一次气，当活塞(9)从上至下处于排气行程时，排气阀(6)开启，将压缩泵气导入储气筒(12)，然后再通过外接接口
①
与增压转筒(1-2)，扫气转筒(2-2)的外接接口连接，按配气相位图5给气缸增压和扫气；
②
与气起动装置连接，使发动机具有气和电起动的双重功能；
③
与刹车系统连接；
④
与助力系统连接，由储气筒(12)统一给各个用气系统供气。3.根据权利要求1所述的集成式自增压变压缩比转筒发动机的转筒式配气机构，其特征是：在保证配气转筒无阻滞运转的前题下，一方面尽量减小配气口处的泄漏间隙；另一方面泄漏工质通过与节气阀下部的进气道连通的泄气孔(13)被重新导入气缸。4.根据权利要求1所述的集成式自增压变压缩比转筒发动机的汽油机的燃烧模式，其特征是：它从在压缩行程的增压气流中开始喷油形成稀预混合气开始，到上止点前10
°‑
25
°
左右喷油结束，形成易于发火燃烧的少量浓混合气为止，整个混合气的过量空气系数大于1，并从上至下，呈由浓到稀的层状分布；它在压燃，多点着火后，通过挤气涡流的搅拌传播作用，以燎原燃烧之势，实现快速燃烧。5.根据权利要求1所述的集成式自增压变压缩比转筒发动机的柴油机的燃烧模式，其特征是：它有两种改变压缩比的燃烧模式，一种是在中低负荷时，利用柴油自燃点低的特点，减少进气量，使实际压缩比降到12-18之间，压缩功耗相应降低；另一种是在大功率满负荷时，采用变压缩比技术，适时扩大燃烧室容积，实际压缩比相应降低。

技术总结
本发明的集成式自增压变压缩比转筒发动机，它在集成式自增压变压缩比发动机的基础上，用转筒式配气机构取代了传统的凸轮气阀式配气机构，由此产生的技术进步是：1、按配气相位完成了自增压机所需的进气、排气、增压和扫气过程。2、结构更加简单，气缸盖的结构高度大幅降低，气流的流阻更小。3、因取消了凸轮轴，气阀等高速运动件，不仅制造成本降低，而且冲击力减小，可靠性更高。它的自增压变压缩比汽油机，可以像柴油机一样，实现预混稀气压燃。它的自增压变压缩比柴油机，也可像汽油机一样根据进气量来调控压缩比，降低压缩功耗。这两种发动机在压燃多点着火后，通过挤气涡流的搅拌作用，形成混合气快，燃烧速度快，燃烧干净彻底，排污值低，热效率高。由于自增压变压缩比汽柴油机构采用稀气压燃和量调节的工作模式，使发动机向外输出功率和扭矩的转速变动范围很大，相应地与它匹配的变速机构也可进一步简化。相应地与它匹配的变速机构也可进一步简化。相应地与它匹配的变速机构也可进一步简化。


技术研发人员：唐为民
受保护的技术使用者：唐为民
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/6/27