[0001] 技术领域 本
发明涉及一种内燃机，特别是中冷绝热内燃机。
[0002] 背景技术 较高的压缩比有利于降低
发动机的油耗，
汽油机中因受
爆震影响，压缩比只能在10∶1左右，
柴油发动机因压缩比很高，在热效率上优于汽油机，但柴油机的排气污染较大，为达到环境排放要求，需要增设较高成本的后处理装置。
[0003] 发明内容 本发明的目的是提供一种中冷绝热内燃机，不但能让发动机通过采用较高的压缩比来提高效率，而且因在压缩过程中介入了中间冷却过程，从而也有助于降低初始压缩压
力和燃烧
温度，有助于提高发动机的机械效率并减少氮
氧化物等的排放。同时，这种中冷绝热内燃机至少可在缸盖底面和
活塞顶面设置隔
热层，降低发动机的
散热损失，也方便使用汽油、柴油等多种不同的
燃料。
[0004] 本发明的中冷绝热内燃机包括缸盖和汽缸内装有的活塞，在汽缸上面的缸盖底面上分别设有通气口和压缩空气出口，压缩空气出口经控制其开启关闭的上下布置式汽缸
阀和可控
单向阀后与出气管路连通，出气管路再经
中间冷却器、供气管路与
汽缸盖内的被充气阀控制的
燃烧室的充气口相连通，燃烧室再经被燃烧室阀控制的通气口与下面的汽缸连通；至少可在燃烧室的内壁、缸盖底面和活塞顶面设置
隔热层，压缩空气出口的汽缸阀不被控制时，经顶杆和上面的
弹簧座被弹簧上拉作用顶在压缩空气出口的下锥面上使压缩空气出口关闭，由
凸轮轴上的开启凸轮经
摇臂和顶杆向下压动可让汽缸阀开启，处于汽缸阀上侧的可控单向阀套装在汽缸阀的顶杆上，并被套在顶杆上的压簧和压管的下端下压作用落座在压缩空气出口的上锥面上使压缩空气出口关闭，可控单向阀还利用其上的拉套和其内的减阻弹簧套装在
套管的下部，压缩空气出口被关闭时，汽缸阀和可控单向阀分别夹在压缩空气出口的的上锥面和下锥面上，并让汽缸阀和可控单向阀之间的间隙很小；在中冷绝热内燃机的活塞上行进行压缩过程时，当活塞上行半程后，开启凸轮控制汽缸阀首先下移开启，在活塞继续上行让汽缸内的压缩空气压力与中间冷却器内的气体压力接近时，控制可控单向阀的松开凸轮经摇臂和套管先经减阻弹簧对可控单向阀施加一个向上的开启作用力，随着活塞继续上行压缩，在汽缸内的压缩空气压力与中间冷却器内的气体压力相等时，被减阻弹簧作用的可控单向阀的便会主动向上开启，让汽缸内被活塞推动的压缩空气不受阻碍的经开启的压缩空气出口和出气管路进入中间冷却器内，让空气的压缩热被导至外界，使所进行的压缩过程接近等温状态、降低了压缩空气的压力、也相应减少了活塞所消耗的压缩功；与此同时，在汽缸阀未开启前，被中间冷却器冷却了的低温压缩空气已经沿供气管路和被充气凸轮控制开启的充气阀从充气口进入燃烧室，在低温压缩空气充满燃烧室后，充气阀被阀杆和弹簧作用上移关闭，随后
喷油器向密封的燃烧室内喷油，形成燃油空气混合气，在控制压缩空气出口的可控单向阀的开启、上行的活塞让汽缸内的压缩空气向中间冷却器流动后，燃烧室的燃烧室阀也同时被通气凸轮、上顶摇臂和阀杆上拉开启，让燃烧室经通气口与下面的汽缸连通，在活塞行到
上止点时，被控制上移的汽缸阀也同时关闭了压缩空气出口，此时，燃烧室内的燃烧室阀已移到最上部
位置，并利用阀杆上部的弹簧套筒和其内的顶簧使燃烧室阀上的密封挡座上移密封住沿阀杆下端的
泄漏，这时，
火花塞被控制点火，让燃烧室内的已充分混合的燃油空气混合气燃烧形成高温高压作功燃气，作功燃气经开通的通气口进入下面的汽缸，推动活塞下行作功；在火花塞点火、作功过程开程后，可控单向阀的也随后被控制下移到关闭位置；作功过程结束后，在进行排气过程时，燃烧室的燃烧室阀被下压弹簧作用下移关闭，以便重复进行下一次汽缸内的压缩排出、中间冷却、油气混合和点火燃烧过程。
[0005] 在燃烧室阀的布置中，即可让燃烧室的燃烧室阀与充气阀上下同轴布置，燃烧室阀的阀杆穿过了充气阀的被制成套管结构的阀杆后，再经其上的弹簧套筒被上顶摇臂和通气凸轮控制。也可让燃烧室的充气阀与燃烧室阀错开布置，燃烧室阀的阀杆穿过了燃烧室的顶部并躲开了充气阀的
密封座后被其上的弹簧套筒、上顶摇臂和通气凸轮控制。
[0006] 对于充气阀的结构，在充气阀直径较大时，在充气阀的环形顶面设有切向导流片，各切向导流片的上端与上面的环圈相连，在充气阀开启时，切向导流片让进入燃烧室的压缩空气流旋转流动。在充气阀直径较小时，在充气阀的下面形成有
叶片座，在叶片座外面形成有螺旋导流片，充气阀关闭时，叶片座上移落在阀外的环槽内，在充气阀开启时，让气流经探出环槽的叶片座上的螺旋导流片进入燃烧室，让进入燃烧室的压缩空气旋转流动。
[0007] 为防止燃烧室阀快速开启的上移冲击，阀杆的上部向上穿过弹簧套筒后在其顶部形成有液压座套，设在压盖下面的缓冲油杆伸进液压座套中，在燃烧室阀3被快速上移开启时，当随动上移的阀杆顶部的液压座套内的泄
油槽移过缓冲油杆后，因液压阻力让阀杆下面的燃烧室阀减速落座。
[0008] 对于缸盖底面通气口和压缩空气出口的布置，在四冲程中冷绝热内燃机中，缸盖底面上的通气口和压缩空气出口分别设在进、排气
门之间的两侧，在活塞的顶面，对应压缩空气出口设有向两侧分开一定
角度的两条出气导流浅槽，对应通气口设有一条指向活塞中心的燃气导流浅槽。在二冲程中冷绝热内燃机中，在只设一个压缩空气出口时，缸盖底面上的通气口与压缩空气出口隔开一定的距离；在设两个压缩空气出口时，燃烧室的通气口基本设置在居中位置，两个压缩空气出口设在通气口的两侧。
[0009] 为加强气体在燃烧室内的流动，在燃烧室的环形绝热内壁上，形成有若干条凸起一定高度的螺旋纹。为避免中间冷却器的气体泄露，在中间冷却器的出气管路和供气管路上还分别设有两个
截止阀，内燃机停机后，两个截止阀被控制关闭。
[0010] 本发明的中冷绝热内燃机在采用15∶1的较高基本压缩比时，由于在压缩过程中通过外设的中间冷却器而实现了中间冷却过程，让返回燃烧室的压缩空气温度大幅度降低(可低于150℃)，在使用汽油燃料时完全没有爆震现象，也可象汽油机那样以火花塞点火但是以柴油为燃料。为中间冷却在压缩过程后期而进行的压缩排出过程中，由于压缩空气出口的阀门是主动开启，出口的孔径也足够大，被活塞推动的压缩空气可不受阻碍的经开启的压缩空气出口和出气管路进入中间冷却器内，压缩空气的
流动阻力要小于普通预燃室及
涡流室式柴油机。
[0011] 采用较高的基本压缩比并进行中间冷却过程后，由于大幅度降低了压缩空气的压缩后压力和初始燃烧温度，有助于提高发动机的机械效率并减少氮氧化物等的排放。由于燃油与空气在燃烧室内有充足的时间完全雾化，有条件让燃烧在蓝焰下进行，让排气中的有害物质更少。为减少发动机的散
热损失，在中冷绝热内燃机中至少可在燃烧室的内壁、缸盖底面和活塞顶面设置隔热层。由于进行了中间冷却过程，设置隔热层后不会恶化燃烧室内的燃
油雾化，也方便使用汽油、柴油等多种不同的燃料。如能让在绝热燃烧室内产生的作功燃气在喷入汽缸后也能在绝热的缸盖底面和活塞顶面之间尽快完全燃烧(未露出
水冷的汽缸壁之前)，那么排气中的有害物质就会很少。
[0012] 中冷绝热内燃机采用15∶1的基本压缩比后更适合进行
涡轮增压(带
电动机的
涡轮增压器)，当
涡轮增压器向汽缸内压入2倍的空气，让发动机的相对压缩比达到32∶1时，由于中间冷却过程，压缩空气的压缩终了压力并不会高于普通柴油机在20∶1时的压缩压力、发动机的机械效率不会降低。
[0013] 在普
通带中冷器的涡轮增压柴油机中，增压空气的温度被中冷器每降低10℃，柴油机的效率约提高0.5％，本发明的中冷绝热内燃机采用15∶1压缩比后，中冷后的压缩空气温度降幅可达到500℃，中冷所提高的效率便可达到25％。虽然燃烧室内的高温燃气在流经通气口时有一定的冷却损失，但中冷降低了最高燃烧温度、会让冷却损失相应减少，而在燃烧室内壁、缸盖底面和活塞顶面所设置的隔热层又全面降低了冷却散热损失，所以中冷绝热内燃机的热效率仍会大幅度提高。同时因压缩中冷后的温度仍然很低，氮氧化物等的排放也会很少。由于燃料与空气充分雾化后是在容积较小的燃烧室内快速燃烧，也可消除普通柴油机中的那种后燃损失。中冷绝热内燃机可使用汽油燃料，也可使用柴油燃料，只要喷入燃烧室内的燃料能被火花塞点燃即可，是一种多燃料发动机。
[0014]
附图说明 下面结合附图对本发明的中冷绝热内燃机进行详细的说明。
[0015] 图1是本发明的中冷绝热内燃机结构图。
[0016] 图2中(1)、(2)、(3)、(4)是图1中的中冷绝热内燃机所进行的燃烧室充气、油气混合、压缩排出(中间冷却)和点火燃烧过程运行状态图。
[0017] 图3是中冷绝热内燃机的另一种燃烧室的结构图。
[0018] 图4是中冷绝热内燃机中燃烧室阀的阀杆顶部的液压缓冲结构图。
[0019] 图5是四冲程中冷绝热内燃机中缸盖底面阀门的布置图。
[0020] 图6是二冲程中冷绝热内燃机中缸盖底面阀门的布置图。
[0021] 具体实施方式 图1是本发明本发明的中冷绝热内燃机结构图。图2中(1)、(2)、(3)、(4)是图1中的中冷绝热内燃机所进行的燃烧室充气、油气混合、压缩排出(中间冷却)和点火燃烧过程运行状态图。如图1所示，中冷绝热内燃机包括缸盖1和汽缸5内装有的活塞10。在汽缸上面的缸盖底面59上分别设有通气口38和压缩空气出口70[参看图2(3)]，压缩空气出口经控制其开启关闭的上下布置式汽缸阀6和可控单向阀7后与出气管路71连通，出气管路再经中间冷却器20、供气管路73与汽缸盖内的被充气阀2控制的燃烧室4的充气口18相连通，燃烧室4再经被燃烧室阀3控制的通气口38与下面的汽缸5连通。为加强中间冷却器
20的冷却效果，中间冷却器采用水冷逆流方式散热。图1中的内燃机正进行进气过程，活塞
10下行时，进气门66经摇臂67被
凸轮轴65上的凸轮69控制开启。
[0022] 压缩空气出口的汽缸阀6不被控制时，经顶杆51和上面的弹簧座52被弹簧53上拉作用顶在压缩空气出口70的下锥面76上使压缩空气出口关闭，防止作功时的高压燃气泄露。由凸轮轴65上的开启凸轮56经摇臂55和顶杆51向下压动可让下面的汽缸阀6开启，如图2(3)中所示。处于汽缸阀6上侧的可控单向阀7套装在汽缸阀的顶杆51上，并被套在顶杆上的压簧48和压管43的下端下压作用落座在压缩空气出口70的上锥面57上使压缩空气出口关闭[上锥面参看图2(3)]，可控单向阀7还利用其上的拉套41和其内的减阻弹簧42套装在套管43的下部。压缩空气出口被关闭时，汽缸阀6和可控单向阀7分别夹在压缩空气出口的的上锥面57和下锥面76上，并让汽缸阀和可控单向阀之间的间隙91很小(该处的放大结构如图3所示)。
[0023] 在中冷绝热内燃机的活塞10上行进行压缩过程时，当活塞上行半程后，开启凸轮56控制汽缸阀6首先下移开启，参看图2(3)中所示状态。在活塞10继续上行让汽缸5内的压缩空气压力与中间冷却器20内的气体压力接近时，控制可控单向阀的松开凸轮46经摇臂81和套管43先经减阻弹簧42对可控单向阀7施加一个向上的开启作用力。随着活塞10继续上行压缩，在汽缸5内的压缩空气压力与中间冷却器内的气体压力相等时，被减阻弹簧42作用的可控单向阀的7便会主动向上开启，让汽缸内被活塞推动的压缩空气不受阻碍的经开启的压缩空气出口70和出气管路71进入中间冷却器20内，让空气的压缩热被导至外界，使所进行的压缩过程接近等温状态、降低了压缩空气的压力、也相应减少了活塞所消耗的压缩功。
[0024] 在汽缸5内的压缩空气被活塞10压进中间冷却器20的过程中，与此同时，在汽缸阀6未开启前，被中间冷却器20冷却了的低温压缩空气已经沿供气管路73和被充气凸轮22控制开启的充气阀2从充气口18进入燃烧室4，如图2(1)状态所示，在低温压缩空气充满燃烧室后，充气阀2被阀杆11和弹簧14作用上移关闭。随后，如图2(2)状态所示，喷油器9向密封的燃烧室4内喷油，形成燃油空气混合气。燃油与空气在燃烧室4内的混合具有足够的时间，在四冲程内燃机中可在整个进气过程和压缩过程的大部分时间内充分雾化，从而有利于接下去的燃烧过程。
[0025] 在控制压缩空气出口70的可控单向阀的7开启、上行的活塞10让汽缸内的压缩空气向中间冷却器20内流动后，如图2(3)状态所示，燃烧室4的燃烧室阀3也同时被通气凸轮33、上顶摇臂32和阀杆24上拉开启，让燃烧室4经通气口38与下面的汽缸5连通。这时，因燃烧室4内的容积很小，而中间冷却器20内的容积很大，并且因中冷使压缩空气更容易被压缩，所以汽缸5内的压缩空气被活塞10推动只会沿开通的压缩空气出口70无阻拦地进入中间冷却器20。通气凸轮33和充气凸轮22装在凸轮轴68上。
[0026] 在活塞10行到上止点时，如图2(4)状态所示，被控制上移的汽缸阀6也同时关闭了压缩空气出口。此时，燃烧室4内的燃烧室阀3已移到最上部位置，并利用阀杆24上部的弹簧套筒27和其内的顶簧26使燃烧室阀3上的密封挡座23上移密封住沿阀杆下端的泄漏，这时，火花塞8被控制点火，让燃烧室4内的已充分混合的燃油空气混合气燃烧形成高温高压作功燃气，作功燃气经开通的通气口38进入下面的汽缸并推动活塞10下行作功。在火花塞8点火、作功过程开程后，可控单向阀的7也随后被控制下移到关闭位置，以防止作功过程中及结束后，汽缸与中间冷却器的双向漏气。作功过程结束后，在进行排气过程时，燃烧室4的燃烧室阀3被下压弹簧30作用下移关闭，让过程返回到图2(1)所示状态，并在充气阀下移开启后，便可重复进行下一次汽缸内的压缩排出、中间冷却、油气混合和点火燃烧过程。
[0027] 中冷绝热内燃机加入中间冷却过程后，因进入燃烧室内的是低温压缩空气，对发动机绝热也不会恶化喷油雾化过程，为降低发动机的散热损失，至少可在燃烧室的内壁设置隔热层35，在缸盖底面设置隔热层92，在活塞顶面设置隔热层93。
[0028] 中冷绝热内燃机可采用较高的压缩比，在压缩比为16∶1时可形成合适大小的燃烧室容积。由于活塞行到上止点时要留有一定的间隙，汽缸内约有25％左右的压缩空气进入不了中间冷却器。为补偿未进入中间冷却器这部分空气量，可对发动机进行涡轮增压。
[0029] 虽然中冷绝热内燃机中的活塞在向中间冷却器压入空气时类似活塞式气
泵，但两者会有很大的不同。一般的活塞式气泵单级增压比不超过10∶1，以防止留在
余隙容积的压缩空气再度膨胀后减少下一次的吸气量。但中冷绝热内燃机中的活塞在以更大的增压比排出压缩空气时，因留在汽缸内的少量压缩空气会参与接下来的燃烧作功过程，然后再排气，根本不会影响进气过程。由于这一特点，为进一步增加发动机功率，在中冷绝热内燃机采用15∶1的基本压缩比后进行涡轮增压(带电动机的涡轮增压器)时，即使涡轮增压器向汽缸内压入2倍的空气，活塞也能以更大的增压比和更大气体压力把压缩空气压入中间冷却器。当涡轮增压器向汽缸内压入2倍的空气，让发动机的相对压缩比达到32∶1时，由于中间冷却过程，压缩空气的压缩终了压力并不会高于普通柴油机在20∶1时的压缩压力、发动机的机械效率不会降低。因中间冷却过程进入燃烧室的压缩空气仍温度较低(可低于200℃)，喷入汽油及柴油燃料也不会早燃，可通过火花塞可靠的点火燃烧。
[0030] 在中冷绝热内燃机中，燃烧室的燃烧室阀3与充气阀2有两种布置方式，可采用图1所示的上下同轴布置结构，让燃烧室阀的阀杆24穿过了充气阀的被制成套管结构的阀杆11后，再经其上的弹簧套筒27被上顶摇臂32和通气凸轮33控制。还可采用图3所示的分开了的布置结构，让燃烧室的充气阀2与燃烧室阀3错开布置，燃烧室阀3的阀杆24穿过了燃烧室4的顶部并躲开了充气阀的密封座16后被其上的弹簧套筒27、上顶摇臂32和通气凸轮33控制(参看图1)。在燃烧室阀3的中部和阀底部也设有隔热层94，以减小燃烧室阀的散热损失。在让燃烧室阀3具有较高的升程距离时，因能缩小阀高也有利于减小散热损失。另外，在图3中，在通气口38上设置了锥形
密封圈98，让隔热层延伸进通气口内。在加大燃烧室阀3的升程距离后，阀的上移速度便会增加，为防止燃烧室阀3的上移冲击，阀杆24的上部向上穿过弹簧套筒27后在其顶部形成有液压座套84，设在压盖85下面的缓冲油杆86伸进液压座套84中，在燃烧室阀3被快速上移开启时，当随动上移的阀杆24顶部的液压座套84内的泄油槽87移过缓冲油杆86后，因液压阻力让阀杆24下面的燃烧室阀3在上移时减速落座。
[0031] 在向燃烧室内充气时为产生旋转进气流，如图1所示，在充气阀2直径较大时，可在充气阀的环形顶面设置切向导流片78，各切向导流片的上端与上面的环圈相连，在充气阀开启时，让进气流从环圈内经切向导流片78流进燃烧室4，让进入燃烧室的压缩空气流旋转流动，以便在喷油器向燃烧室内喷油时让燃料充分雾化。
[0032] 在充气阀直径较小时，如图3所示，在充气阀2的下面形成有叶片座79，在叶片座外面形成有螺旋导流片82，充气阀关闭时，叶片座79上移落在阀外的环槽83内，在充气阀开启时，让气流经探出环槽83的叶片座上的螺旋导流片82进入燃烧室4，让进入燃烧室的压缩空气旋转流动。为了让燃烧室内的油气更充分的雾化，进入燃烧室中的气流在导流片的作用下不仅旋转流动，当在燃烧室4的环形绝热内壁35上形成有若干条凸起一定高度的螺旋纹36时，燃烧室内旋转流动的气流还会按箭头的所示方向相应翻滚。
[0033] 中冷绝热内燃机可制成四冲程或二冲程发动机，在制成四冲程中冷绝热内燃机时，参看图5，缸盖底面59上的通气口38和压缩空气出口70分别设在进、排气门66、67之间的两侧。在活塞的顶面，对应压缩空气出口70设有向两侧分开一定角度的两条出气导流浅槽89，对应通气口38设有一条指向活塞中心的燃气导流浅槽88，出气导流浅槽和燃气导流浅槽被隔开了一定的距离。
[0034] 在二冲程中冷绝热内燃机中，参看图6，在只设一个压缩空气出口时，缸盖底面59上的通气口38与压缩空气出口隔开一定的距离，在设两个压缩空气出口70时，燃烧室的通气口38基本设置在居中位置，两个压缩空气出口设在通气口38的两侧。
[0035] 中冷绝热内燃机设置外循环的中间冷却器后，因中间冷却器是与缸盖上的相应气阀相连通的，在发动机停机后必然要发生气体的泄露，为避免再次起动时重新为中间冷却器充气，如图2(4)中所示，在中间冷却器20的出气管路71和供气管路73上分别设有两个截止阀72、74，内燃机停机后，两个截止阀被控制关闭，以防止压缩空气泄漏，再次起动时开启出气管路71和供气管路73上的两个截止阀72、74，便可让发动机及时起动。
