專利名稱：多缸合作變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)徹底的阿特金森循環(huán)，
現(xiàn)有技術(shù)為了更好地利用現(xiàn)有能源，越來(lái)越多的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)者將目光投向阿特金森循環(huán)。 在4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)作中，最初實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)的方法是利用延遲關(guān)閉進(jìn)氣閥開關(guān)的方法，以減少進(jìn)氣量，同時(shí)增大壓縮比使第三沖程膨脹做功能夠更多?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)常用的實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)的方法，是用電路代替凸輪控制，將進(jìn)氣閥提早關(guān)閉。而此方法不可避免的問(wèn)題包括1.活塞總行程過(guò)長(zhǎng)，消耗較多活塞摩擦功；2.進(jìn)一步絕熱膨脹，體積增加需求很大；3.提早關(guān)閉氣閥的目的與增壓器功能矛盾。因此權(quán)衡考慮，大部分阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)都只增加了理論體積的一小部分從而實(shí)現(xiàn)了部分阿特金森循環(huán)，且實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)其燃?xì)馑俾势毡檩^低。完全的理想阿特金森循環(huán)比現(xiàn)有奧托循環(huán)能多做功30% 以上，單位油耗可減少23%以上。而最新的阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的完成值遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到此理論值。例如09年豐田最新款汽車普銳斯利用的就是阿特金森循環(huán)，其油耗比不用阿特金森循環(huán)降低了 8. 5%。同年中國(guó)的長(zhǎng)安汽車研制成功中國(guó)首臺(tái)阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其發(fā)動(dòng)機(jī)單點(diǎn)油耗降低最高可達(dá)19%，全工況平均降低8 10%，依舊沒(méi)有超過(guò)23%這一理論預(yù)言最低值。本發(fā)明的作用是在提升相同熱效率的條件下，將發(fā)動(dòng)機(jī)的總活塞行程縮短，同時(shí)明顯減小發(fā)動(dòng)機(jī)總體積，并允許增壓器的使用。從而為現(xiàn)代汽車汽車上實(shí)現(xiàn)徹底的阿特金森循環(huán)降低功耗和體積成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在提升相同熱效率的條件下，將發(fā)動(dòng)機(jī)的總活塞行程縮短，同時(shí)明顯減小發(fā)動(dòng)機(jī)總體積。從而降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)或部分阿特金森循環(huán)的功耗和體積成本。本發(fā)明所用的解決此技術(shù)問(wèn)題的方案是將原本直接排出的廢氣在第四沖程開始排氣時(shí)，直接轉(zhuǎn)移到一個(gè)更大體積的氣缸中，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步膨脹，從而使工作氣體在排入大氣前，通過(guò)繼續(xù)對(duì)外做的功產(chǎn)生出更多能量輸出。此方法的一種具體的實(shí)現(xiàn)方法是將大小不同的兩個(gè)氣缸對(duì)接，小氣缸的出氣口和大氣缸的進(jìn)氣口緊密連接，連接處用一個(gè)氣閥b控制，保留小氣缸的進(jìn)氣閥a，和大氣缸的出氣閥c，且小氣缸與大氣缸共用曲軸，在曲軸上的相位相差180度。小氣缸做普通的4 沖程循環(huán)，每當(dāng)小氣缸完成第三個(gè)沖程(膨脹做功)，準(zhǔn)備進(jìn)入第四個(gè)沖程(排氣)時(shí)，b閥打開，a、c閥保持關(guān)閉。使大小氣缸聯(lián)通成密封氣體，然后小氣缸開始排氣，大氣缸開始進(jìn)氣。小氣缸中活塞做負(fù)功，大氣缸中活塞做正功，而大小氣缸的做功的和就是阿特金森循環(huán)相對(duì)奧拓循環(huán)對(duì)外多輸出的功。當(dāng)小氣缸排氣完成時(shí)大氣缸活塞移至下止點(diǎn)，缸內(nèi)氣體較開始時(shí)更接近大氣壓，甚至等于大氣壓。然后打開a，關(guān)閉b閥，小氣缸進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)中的第一沖程(吸氣)，而大氣缸則排出廢氣。此實(shí)現(xiàn)方法還包含幾項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)(為方便起見(jiàn)設(shè)阿特金森循環(huán)的最大壓縮比是M，奧拓循環(huán)的壓縮比是m，而最小體積是V。)1.修改氣閥關(guān)閉位置，如大氣缸無(wú)法徹底排氣或兩氣缸連接部分有不能忽略的剩余體積時(shí)，需提早關(guān)閉氣閥，使大氣缸中剩余氣體有一段絕熱回壓過(guò)程，使大氣缸內(nèi)氣體在 b臨近打開前，達(dá)到小氣缸內(nèi)氣體壓強(qiáng)。這是為了避免b閥打開前兩氣缸壓強(qiáng)不同，導(dǎo)致自由擴(kuò)散的熵增從而損失能量，其壓縮能將在之后的整體絕熱膨脹中釋放，從而前后抵消。設(shè) V1為大氣缸活塞與b閥之間密封的最小體積，V2為關(guān)閉氣閥時(shí)密封的體積，則V2由下式確
,V2 (M-l)x V + V2 + V MxV-TV2 MxV M 一 , m … , ,Λ ,,
定；=η,χν.ν； = ^Τ^ = ^ = A所以如果V1足夠小，則V2也會(huì)很小。因此計(jì)算總體積時(shí)可以暫時(shí)忽略。2.考慮到大氣缸每?jī)蓚€(gè)周期使用一次，即只在一半時(shí)間使用，因此可以讓兩個(gè)小氣缸輪流與同一個(gè)大氣缸合作，從而省去另一個(gè)大氣缸的體積。3.在小氣缸的第四沖程完成前，大小氣缸共同密封的氣體膨脹過(guò)程中，如果密封氣體氣壓小于等于a閥另一側(cè)氣壓，則在小氣缸進(jìn)入第一沖程前提早打開a閥，使燃?xì)馓嵩邕M(jìn)入小氣缸并將小氣缸中的廢氣擠出。如小氣缸中廢氣比例依舊大于燃?xì)舛谒臎_程已經(jīng)結(jié)束時(shí)關(guān)閉b閥和c閥。如小氣缸中燃?xì)獗壤^大而第四沖程已經(jīng)結(jié)束時(shí)，關(guān)閉b閥，且b 閥關(guān)閉后，當(dāng)大氣缸活塞到達(dá)下止點(diǎn)，或大氣缸內(nèi)氣壓小于等于大氣壓時(shí)，打開C閥。附加說(shuō)明關(guān)于此方案在只有一個(gè)小氣缸與大氣缸組合的情況下，小氣缸在第二第三沖程時(shí)大氣缸都保持空轉(zhuǎn)，只消耗活塞運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力，在空轉(zhuǎn)期間c閥有兩種狀態(tài)選擇，關(guān)閉，兩沖程中做無(wú)熵增的絕熱來(lái)回運(yùn)動(dòng)，打開，做無(wú)內(nèi)外壓差的來(lái)回運(yùn)動(dòng)。對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)1.有效氣缸體積更小。比較各發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸部分的總體積和單次循環(huán)總行程(設(shè)氣缸活塞面積S相等，L = V/S) 1)傳統(tǒng)奧拓循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)為mV和4(m-l)L;2)現(xiàn)有技術(shù)方案的徹底阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)為MV和4(M-1)L ；3)未用此合并改進(jìn)的本發(fā)明設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)(M-l+m)V > MV和4(M+m-2)L > 4 (M-I) L ；4)經(jīng)過(guò)此改進(jìn)后的本發(fā)明設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)平均 ((M-l)/2+m)V和2(M+2m-;3)L。實(shí)物比較例如m = 8,M = 32 (這是徹底實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)大約的體積)，則四種情況比值8 32 39 23和14 62 76 43。顯然相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)對(duì)應(yīng)體積有明顯縮小。2.有效總體積更小。如果考慮曲軸箱體積，就我所了解的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱體積與氣缸體積相當(dāng)甚至是其1.5倍，其實(shí)是受到活塞往復(fù)范圍決定的，則如果按照氣缸體積 1.5倍計(jì)算，m依舊取8，M依舊取32，且假設(shè)相同條件下阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱與奧拓循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱同樣大(實(shí)際應(yīng)該更大)。則對(duì)于4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，原奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)體積為V1 = (8V+8V*1. 5)*4 = 80V，現(xiàn)有技術(shù)如果徹底實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)的體積為V2 = (32V+8V*1. 5)*4 = 176V 比 V1 大了 120%，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)的體積為 V3 = 23V*4+8V*1. 5*6 = 164V < V2,比 V1 大了 105%。3.解決了現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪幾何形狀限制變壓縮比控制的世界級(jí)難題。由于小氣缸大致按照標(biāo)準(zhǔn)的4沖程循環(huán)控制氣閥，因此凸輪沒(méi)有幾何形狀限制問(wèn)題，可正常開閥，開閥的時(shí)間周期比都在1/4左右。而與兩個(gè)小氣缸組合的大氣缸，由于周期是小氣缸的一半，c 閥開閥的時(shí)間周期比約1/2，大于小氣缸，所以凸輪形狀要求更低。因此相比現(xiàn)有阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)更大的壓縮比變化，從而實(shí)現(xiàn)更徹底的理論循環(huán)。4.另外，本發(fā)明使用增壓器，在同時(shí)保留增壓器的效果，和阿特金森循環(huán)的熱效率上，比現(xiàn)有技術(shù)更好。因?yàn)樵鰤浩鞯哪康氖窃鰤喝細(xì)膺M(jìn)入量，產(chǎn)生工多做功，但也因此有更高密度的氣體被直接排出。由熵原理可知同樣內(nèi)能的確定量廢氣，體積越小熵越低，因此浪費(fèi)的剩余能量比沒(méi)有增壓器時(shí)更多。通過(guò)阿特金森循環(huán)無(wú)論多密的剩余氣體，都可以通過(guò)大比例膨脹的方法對(duì)其自由膨脹能最大化利用。增壓器的使用等效于將進(jìn)氣沖程變長(zhǎng)，即 1、2沖程的等效壓縮比變大，3、4沖程不變，所以與3、4沖程的壓縮比大于1、2沖程的阿特金森循環(huán)相比，熱效率低得多，這兩個(gè)改進(jìn)在單汽缸中同時(shí)實(shí)現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致活塞行程的摩擦消耗更大。本發(fā)明與現(xiàn)有單缸實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)的技術(shù)相比，如果在相同增壓效果，相同熱效率利用時(shí)，可以減少比對(duì)比1更多的活塞總行程。因此如果考慮增壓器的加入，本發(fā)明在現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)上的優(yōu)勢(shì)更明顯。


圖1為無(wú)任何改進(jìn)時(shí)的本發(fā)明樣圖。圖2為改進(jìn)1的具體操作圖示。其中活塞Sl在1號(hào)位和2號(hào)位之間來(lái)回運(yùn)動(dòng)，活塞2在3號(hào)位和5號(hào)位之間來(lái)回運(yùn)動(dòng)，1號(hào)位和b閥之間是小氣缸的最小體積取V，則2號(hào)位對(duì)應(yīng)小氣缸體積mV，b閥到活塞S2之間的密封的體積均歸入大氣缸體積，的3號(hào)位為大氣缸最小體積V1，關(guān)閉氣閥c時(shí)活塞在4號(hào)位，對(duì)應(yīng)體積為v2，最大體積即5號(hào)位對(duì)應(yīng)(M-I) V+v2, (Si在1號(hào)位，S2在5號(hào)位時(shí)為整體最大體積MV)。圖3為改進(jìn)2中所說(shuō)的雙小氣缸與大氣缸合作的方法樣圖。具體實(shí)施方法沒(méi)有任何改進(jìn)就能實(shí)現(xiàn)的具體實(shí)施方法將大小不同的兩個(gè)氣缸對(duì)接，小氣缸的出氣口和大氣缸的進(jìn)氣口緊密連接，連接處用一個(gè)氣閥b控制，保留小氣缸的進(jìn)氣閥a，和大氣缸的出氣閥c，且小氣缸與大氣缸共用曲軸，在曲軸上的相位相差180度。小氣缸做普通的4沖程循環(huán)，每當(dāng)小氣缸完成第三個(gè)沖程(膨脹做功)，準(zhǔn)備進(jìn)入第四個(gè)沖程(排氣) 時(shí)，b閥打開，a、c閥保持關(guān)閉。使大小氣缸聯(lián)通成密封氣體，然后小氣缸開始排氣，大氣缸開始進(jìn)氣。在小氣缸到達(dá)上止點(diǎn)，即完成第四沖程時(shí)，b閥關(guān)閉，a、c閥打開，大氣缸開始排氣。完成一次工作流程。
權(quán)利要求
1.一種4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，包括吸氣沖程，壓縮沖程，點(diǎn)燃并膨脹沖程，排氣沖程。工作氣體在其內(nèi)部的工作流程為，吸氣——壓縮——點(diǎn)燃并膨脹做功——進(jìn)一步膨脹做功——排氣。其特征是由容積一大一小兩個(gè)氣缸共同完成一次工作循環(huán)，其中小氣缸為 4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，小氣缸中完成第三沖程的氣體，在第四沖程中轉(zhuǎn)移到大氣缸并推動(dòng)該汽缸的活塞運(yùn)動(dòng)做功。
2.權(quán)利要求1中描述的一種改進(jìn)設(shè)計(jì)。其特征是小氣缸與大氣缸的活塞連桿連接同一曲軸，兩活塞連桿在曲軸上的相位差為180°，小氣缸排氣口與大氣缸進(jìn)氣口連接，小氣缸在進(jìn)入第四沖程時(shí)大氣缸的排氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，小氣缸完成第四沖程時(shí)大氣缸排氣閥處于打開狀態(tài)。
3.權(quán)利要求2中描述的設(shè)計(jì)。其特征是在同一排氣過(guò)程中氣閥c的關(guān)閉早于活塞到達(dá)上止點(diǎn)的時(shí)間，并在到達(dá)上止點(diǎn)前壓縮大氣缸中剩余氣體。
4.權(quán)利要求2或3中描述的設(shè)計(jì)。其特征是由兩個(gè)小缸和一個(gè)大氣缸組成，三個(gè)氣缸的活塞連桿連接同一曲軸，兩個(gè)小氣缸在曲軸上的相角相同，與大氣缸的相角均相差 180°，兩小氣缸工作中一個(gè)在第一沖程時(shí)另一個(gè)在第三沖程，兩個(gè)小氣缸交替與大氣缸聯(lián)通工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及多缸合作變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)。將原本直接排出的廢氣在第四沖程開始排氣時(shí)，直接轉(zhuǎn)移到一個(gè)更大體積的氣缸中，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步膨脹，從而使工作氣體在排入大氣前，通過(guò)繼續(xù)對(duì)外做的功產(chǎn)生出更多能量輸出。在提升相同熱效率的條件下，將發(fā)動(dòng)機(jī)的總活塞行程縮短，同時(shí)明顯減小發(fā)動(dòng)機(jī)總體積。從而降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)或部分阿特金森循環(huán)的功耗和體積成本。
文檔編號(hào)F02D15/02GK102220908SQ201010150890
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2010年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者張焱凱 申請(qǐng)人:張焱凱