專利名稱：有限溫度循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)，特別是一種以開式熱力循環(huán)工作的可膨脹腔室活塞發(fā)動機(jī)。
汽車和發(fā)動機(jī)的制造商，燃料噴射裝置的供應(yīng)商，以及實際上整個社會都有實現(xiàn)高效率的運輸?shù)脑竿．a(chǎn)生動力的燃燒過程與那些產(chǎn)生污染的過程之間的平衡是通過提高發(fā)動機(jī)的基本工作效率來很好地獲得的。
眾所周知，理想的卡諾循環(huán)對于給定的較高和較低的工作溫度而言均是最有效的發(fā)動機(jī)循環(huán)，其中等溫加熱和絕熱與等熵壓縮和膨脹結(jié)合在了一起。然而，由于非常高的壓縮比(大于50∶1)需要產(chǎn)生足夠大的功率，因此卡諾循環(huán)對于膨脹腔室活塞發(fā)動機(jī)并不適用。此外，能夠利用高效率的卡諾過程的實際過程將是本領(lǐng)域的一個進(jìn)步。
大多數(shù)實用的發(fā)動機(jī)，即占主導(dǎo)地位的發(fā)動機(jī)，都是奧托循環(huán)發(fā)動機(jī)，它包括伴隨著非控制燃燒的燃料-空氣混合物的壓縮過程。眾所周知，對于一個給定的壓縮比而言，標(biāo)準(zhǔn)的奧托循環(huán)是最有效的膨脹腔室活塞發(fā)動機(jī)循環(huán)，因為奧托循環(huán)將高的峰值溫度與輸入熱量的實際平均溫度結(jié)合到了一起。但是，奧托發(fā)動機(jī)的高峰值燃燒溫度會導(dǎo)致部分燃料空氣混合物自燃，使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生噪音并損壞發(fā)動機(jī)，也會產(chǎn)生過多量的NOx。
以前，奧托循環(huán)發(fā)動機(jī)的自燃是通過向燃料中加入化學(xué)添加劑，諸如鉛化合物(已被法律禁止)，錳化合物(會造成火花塞處的沉積，導(dǎo)致點火失敗)，苯(其使已被立法機(jī)關(guān)禁止)或者燃料重新配制來消除，以防止有害的自燃影響環(huán)境。自燃也可以通過限制燃燒溫度來消除，這既可以通過采用降低壓縮比的方法(既降低功率也降低效率)，也可以通過廢氣再循環(huán)，稀混合物燃燒或者層狀進(jìn)氣技術(shù)來實現(xiàn)，所有這些都將導(dǎo)致功率損失。
對于通常公路上的使用，受排氣約束的載入轎車的發(fā)動機(jī)其壓縮比被限制在大約10∶1。大于這個限制，增加的燃料控制系統(tǒng)的成本以及廢氣催化轉(zhuǎn)換器的更多鉑或銠的價格的增加就會超過高壓縮比的好處。能夠讓奧托壓縮過程在高于10∶1的壓縮比下工作的技術(shù)將是本領(lǐng)域的一個進(jìn)步。
由高壓縮比表示的一種奧托循環(huán)的改進(jìn)是標(biāo)準(zhǔn)的荻塞爾循環(huán)，它包括等溫加熱和等容(定容)絕熱與等熵壓縮及膨脹的結(jié)合。該標(biāo)準(zhǔn)荻塞爾循環(huán)通過在壓縮過程中只使用空氣而在燃燒過程的一部分中將燃料與進(jìn)氣進(jìn)行混合來克服奧托循環(huán)燃料辛烷值的限制。這使得其不僅可以使用低辛烷值燃料，而且必需要低辛烷值燃料(增強自燃)。然而，在上述標(biāo)準(zhǔn)荻塞爾循環(huán)的等溫過程中發(fā)現(xiàn)其不能實行，因為需要極高的壓縮比(50∶1)，而且要用到一個預(yù)加熱過程(定壓或者等壓的)。
標(biāo)準(zhǔn)荻塞爾循環(huán)的另一個變化是其標(biāo)準(zhǔn)有限的壓力循環(huán)包括等容與等壓加熱過程的結(jié)合，以及等容絕熱與等熵壓縮及膨脹過程的結(jié)合。其燃燒過程可讓發(fā)動機(jī)在中等壓縮比下工作(對于大的開式燃燒室發(fā)動機(jī)而言為14∶1到17∶1)，也可以在高壓縮比下(對于小氣缸工作容量的發(fā)動機(jī)而言為20∶1至25∶1)。
當(dāng)荻塞爾型發(fā)動機(jī)達(dá)到最高效率時，由于其高壓縮比，它比同樣工作容量的奧托發(fā)動機(jī)都重，功率都低。另外，所有的荻塞爾型直噴式發(fā)動機(jī)都具有點火滯后，而降低了對燃燒過程的控制及其效果。克服這一點火滯后的一種方式是在點火之前預(yù)先將燃料加熱到1500°R。這會在噴射中產(chǎn)生自燃，但卻是一種不實用的方法，因為噴射器噴嘴的工作壽命很短。
混合式發(fā)動機(jī)的工作已經(jīng)發(fā)展到綜合了柴油機(jī)與點燃式發(fā)動機(jī)的特點的程度，但這對于公路上應(yīng)用則被證明不實用。這些混合過程例如包括Texaco的TCCS，福特的PROCO，里卡多，MAN-FM以及KHD-AD。所有的均使用開式燃燒室。直接噴射火花塞點火發(fā)動機(jī)，采用層狀進(jìn)氣技術(shù)以改善效率。這些改進(jìn)的發(fā)動機(jī)均存在由于點火滯后而帶來的較大功率損失，進(jìn)氣未能充分利用以及燃料/空氣進(jìn)氣混合不良的問題。
由于存在現(xiàn)有技術(shù)的限制，就產(chǎn)生了獲得一種在發(fā)生的功率，燃料效率，產(chǎn)生的污染及污染控制之間通過使用更加實用的熱力過程的燃燒實現(xiàn)更好的平衡的內(nèi)燃機(jī)。
本發(fā)明基本上滿足了上述需求并且通過應(yīng)用一種新的熱力過程的燃燒限制了其最高燃燒溫度，從而能使內(nèi)燃機(jī)的高壓縮比，給定燃料的高功率輸出或低峰值溫度下工作。
概括地說，根據(jù)一個實施例，本發(fā)明是通過控制內(nèi)燃機(jī)中直接噴射系統(tǒng)的燃料量和噴射時刻以便形成一個由等容(定容)階段及等溫(定溫)階段構(gòu)成的燃燒過程來實現(xiàn)的。這樣實現(xiàn)的發(fā)動機(jī)有限溫度循環(huán)可以在給定燃料或給定NOx的排放限度下采用高一些的壓縮比，從而通過燃料/空氣的測量或?qū)Πl(fā)動機(jī)實際測試數(shù)據(jù)的分析得到較通常低壓縮比的奧托循環(huán)更高的實際熱效率。
另外，這樣實現(xiàn)的有限溫度循環(huán)可以在給定壓縮比下以較少的燃料量獲得高的功率輸出及低的NOx的產(chǎn)生率。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，它提供了一種新的操作膨脹腔室活塞式內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生有限溫度燃燒的方法。該發(fā)動機(jī)包括至少一個氣缸，其上構(gòu)成有燃燒室有相應(yīng)活塞，該活塞帶有一上止點中心位置;一個工作循環(huán)，它包括一進(jìn)氣沖程，一壓縮沖程和一膨脹沖程;還有一個燃料供給系統(tǒng)。按照本發(fā)明的操作發(fā)動機(jī)的方法，它包括以下步驟首先，通過噴入使進(jìn)氣完全燃燒所需總?cè)剂狭康囊粋€或多個不連續(xù)的量的預(yù)定一小部分形成一種預(yù)定的燃料/空氣混合物;接著，在活塞位于上止點時點燃如此供入的較稀的燃料/空氣混合物，這一燃燒的第一階段進(jìn)而包括一是等容或定容的過程。用于定容過程的燃料供入量會產(chǎn)生一個大大降低的工作流體溫度，如3300度蘭金溫度或者更少，即使在高壓縮比下。最后，在作功沖程的開始時，供入完全燃燒所需燃料總量的第二部分(以一個或多個不連續(xù)量的方式)。由第二部分的供入導(dǎo)致的燃燒是一個等溫過程。該等溫過程在大大低于具有相同或者較低壓縮比的奧托循環(huán)發(fā)動機(jī)所達(dá)到的溫度下發(fā)生。從而限制了NOx的排入而且這種降低是在低于現(xiàn)有系統(tǒng)的成本下獲得的。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員會了解，本發(fā)明的方法是在輸入熱量或者燃燒過程的第一階段采用了奧托過程，而在熱量輸入或者燃燒過程的第二階段采用了卡諾過程。將本發(fā)明的工作循環(huán)與用理想燃料/空氣的標(biāo)準(zhǔn)奧托循環(huán)進(jìn)行分析比較顯示出了一個意想不到的優(yōu)點發(fā)動機(jī)的總工作效率(給定壓縮比下)采用本發(fā)明的有限溫度循環(huán)在考慮到高的溫度損失時比采用奧托循環(huán)的要高。在給定壓縮比下的這種效率的增加是由于降低循環(huán)溫度而獲得的好處。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是它可以讓發(fā)動機(jī)以比本發(fā)明的發(fā)動機(jī)所能夠做到的更加有效地工作(在更高的壓縮比下)。最現(xiàn)成的汽車發(fā)動機(jī)用汽油其燃燒質(zhì)量為辛烷值90，這通常將很多公路上使用的發(fā)動機(jī)的壓縮比限制在10∶1。由于辛烷值間接地與高燃燒溫度相關(guān)(高燃燒溫度需要高的辛烷值)，而本發(fā)明降低了工作溫度，這樣本發(fā)明就可以通過采用更高的發(fā)動機(jī)壓縮比而取得在發(fā)動機(jī)效率方面的相應(yīng)收益。
簡而言之，本發(fā)明的方法可以讓一臺實用的發(fā)動機(jī)采用理想的過程在等溫燃燒過程中，熱能直接轉(zhuǎn)化為功。本發(fā)明采用現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)設(shè)計和材料，并可以通過修改現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)使之具有所需的壓縮比以及安裝適當(dāng)?shù)娜剂瞎┙o系統(tǒng)來實施。
本發(fā)明的更進(jìn)一步的目的、優(yōu)點及特性將結(jié)合附圖從對最佳實施例的詳細(xì)說明中變得更為顯著，其中

圖1是利用本發(fā)明的原理的四沖程內(nèi)燃機(jī)的部分簡示圖;
圖2是可用于圖1的電磁操縱燃料噴射器的側(cè)視剖視圖，該噴射器包括一個根據(jù)本發(fā)明來提供燃料噴射空間及噴射率的柱塞凸輪;
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個典型工作狀態(tài)的(1)燃料噴射器柱塞升程相對于發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角，(2)噴射出的燃料容積相對于發(fā)動機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)角之間的曲線;
圖4表示的是壓力容積及相應(yīng)的發(fā)動機(jī)循環(huán)曲線，進(jìn)一步解釋了本發(fā)明的這種循環(huán);
圖5A-5C共同描繪出了分析本發(fā)明的發(fā)動機(jī)循環(huán)及計算發(fā)動機(jī)性能和其它工作參數(shù)的步驟的流程圖;
圖6是表示定溫燃燒所供燃料的百分比，在兩個最大溫度3300°R和4000°R下相對于壓縮比之間的曲線圖
圖7是在根據(jù)本發(fā)明的3300°R的最高溫度下工作的放熱率與曲軸轉(zhuǎn)角之間的曲線圖;
圖8所示為相應(yīng)于本發(fā)明的另一實施例的壓力容積及相應(yīng)發(fā)動機(jī)循環(huán)的曲線。
參見圖1，它示出了一臺常規(guī)進(jìn)氣四沖程點燃式發(fā)動機(jī)10用于講解本發(fā)明。對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明的優(yōu)點也可以應(yīng)用到二沖程點燃式發(fā)動機(jī)中，以及不論其是渦輪增壓還是普通增壓的發(fā)動機(jī)中。另外，雖然圖1中作為例子顯示的是一臺單缸機(jī)，但應(yīng)明白本發(fā)明發(fā)動機(jī)特別適用的是具有多個缸的。
發(fā)動機(jī)10包括一個機(jī)體12，一個氣缸蓋14和一個氣缸16，氣缸16帶有一個可在氣缸16中的上下止點之間往復(fù)運動從而給其限定出一個燃燒室20的活塞18?；钊?8的往復(fù)運動通過連桿22和曲軸組件24轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，所有這些均是公知的。而正如下面要詳細(xì)說明的那樣，根據(jù)本發(fā)明，發(fā)動機(jī)10的壓縮比將大大高于傳統(tǒng)自動點火內(nèi)燃機(jī)的。例如，當(dāng)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的壓縮比為8∶1到10∶1時，用于講解本發(fā)明的發(fā)動機(jī)的壓縮比則可到18∶1。
該發(fā)動機(jī)10還包括一空氣進(jìn)氣系統(tǒng)26，該系統(tǒng)帶有一位于氣缸蓋14中的空氣進(jìn)氣閥28。閥28與排氣閥(圖1中未示出)一道由傳統(tǒng)的凸輪軸30及相應(yīng)閥門傳動機(jī)構(gòu)32驅(qū)動。氣缸蓋14還帶有一火花塞34，通過公知的裝置控制其加電及定時。
參見圖2，燃料由燃料噴射系統(tǒng)36供入發(fā)動機(jī)10中，該系統(tǒng)精確地調(diào)節(jié)燃料/空氣混合物從而控制燃燒及廢氣排放。燃料噴射系統(tǒng)36帶有電動燃料噴射泵38，它安裝在氣缸蓋14中或相鄰處并可通過噴射管路40和噴嘴41直接向燃燒室20噴入預(yù)定量的燃料，該噴嘴41設(shè)置在燃燒室20內(nèi)鄰近火花塞34處。例如，噴射泵38可以采用AMBAC國際公司制造的200型噴射裝置，它帶有如下所述的改進(jìn)凸輪并附加有電磁線圈44。噴射泵38具有一個溢流閥42，它通過彈簧43施壓，由電磁驅(qū)動裝置(SDU)46加電的電磁線圈44驅(qū)動克服彈簧的壓力。驅(qū)動裝置46由電子控制裝置48(ECU)進(jìn)行控制，而后者通過適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳈z測選定的發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)，諸如進(jìn)氣和排氣管壓力，發(fā)動機(jī)速度，點火起燃位置、節(jié)氣門位置，發(fā)動機(jī)溫度等等。表示這些狀態(tài)的電信號由入口50送入控制裝置48中。如公知技術(shù)中所述，基于多個入口50的電子控制裝置則計算出燃料通過噴射泵38噴入燃燒室20的時刻和數(shù)量。
燃料以一個足夠高到產(chǎn)生適當(dāng)流動并防止在持續(xù)高溫工作期間燃料系統(tǒng)中出現(xiàn)蒸汽的壓力通過一供給泵(未示出)經(jīng)一燃料管路52供入到燃料噴射裝置38中。當(dāng)電磁線圈44由電磁驅(qū)動裝置46加電時，閥42被關(guān)閉，由于柱塞54的移動是公知的，因而噴出的燃料量只通過改變該噴射器的脈沖寬度來控制，即靠閥42被保持關(guān)閉的時間來控制。
噴射泵38包括一個由凸輪56驅(qū)動的活塞式泵油柱塞54，凸輪則帶有一凸輪隨動表面或凸輪的凸出部分58與柱塞54貼合;凸輪是以發(fā)動機(jī)曲軸速度旋轉(zhuǎn)的。
如圖3所示，凸輪56具有一個型線，作為曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)，具有一自基圓62開始經(jīng)180°的曲軸轉(zhuǎn)角移動到達(dá)大約1/2英寸的最高升程的第一線性部分60以及一在60°曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)回到基圓的第二線性部分64。
圖3表示了一臺單獨的在典型工作狀態(tài)下，即有限溫度循環(huán)的節(jié)氣門開度較大的四沖程發(fā)動機(jī)的燃料噴射表，該發(fā)動機(jī)的壓縮比為18∶1，峰值溫度大約為3300°R。圖4的燃料噴射表顯示了兩個燃料容積A和B的連續(xù)噴射。正如已經(jīng)闡明的那樣，燃料容積A和B只是噴射器38動作時的狀態(tài)，由電子控制裝置48限定。
通常燃料噴射泵是以凸輪軸的速度運動，即發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速的二分之一。在這里，圖2中所示的實施例的泵是以發(fā)動機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動的，該實施例具有其凸輪凸部分58，它基本上是從發(fā)動機(jī)進(jìn)氣沖程開始時(0°)開始提升的。這提供了在進(jìn)氣沖程的第一噴射容積(如圖3中A所示)，與奧托發(fā)動機(jī)相似。泵的凸輪56在發(fā)動機(jī)的壓縮沖程(360°)末期完成其第一個旋轉(zhuǎn)。泵的凸輪56的下個旋轉(zhuǎn)將會在作功沖程期間以產(chǎn)生定容燃燒的方式噴射第二燃料容積(容積B)。
燃料容積A在進(jìn)入沖程的活塞18于上止點后約10°到120°之間噴射，它包括要使反應(yīng)空氣完全燃燒所需的總?cè)剂狭康?6%。差不多在壓縮沖程的末尾(360°或上止點)，第二容積B噴入，它包括用于完全燃燒所需的總?cè)剂狭康氖Ｓ嗟?4%，這一第二次噴射在TDC后的約60°結(jié)束，即大約420°。從舉例上考慮火花塞34的點火主要是在上止點前的5°至10°。
基于噴入的容積A燃料/空氣混合物的燃料包括一第一燃燒階段，如同標(biāo)準(zhǔn)的奧托循環(huán)，是一個定容過程。當(dāng)然這個第一燃燒階段將會含有很稀的混合物，在沒有所述的第二燃燒階段時，將明顯導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率的降低。燃料容積B的燃燒則以基本上定溫的方式進(jìn)行，即，等溫從而提供出功率及效率。它確定出該第二燃燒階段產(chǎn)生的溫度被限制到少于既使是最大壓縮比，例如8∶1或者10∶1的標(biāo)準(zhǔn)奧托循環(huán)發(fā)動機(jī)所達(dá)到的溫度。這樣，本發(fā)明的有限溫度循環(huán)確保了設(shè)計者大大地增加給定燃料的發(fā)動機(jī)的壓縮比，例如到大約18∶1，從而獲得眾多的優(yōu)點，包括高效率和高功率，派生出高壓縮比的而又沒有高溫，爆震及排放問題的發(fā)動機(jī)。
用于定容燃燒的多數(shù)燃料是預(yù)先混合的，通常有50%到90%。該第一過程是與燃燒過程期間第二部分燃料的供給相結(jié)合的，這種結(jié)合是有一定比率的，即第一，限制最大壓力，第二，限制最高汽缸溫度。
本發(fā)明的發(fā)動機(jī)循環(huán)具有高于同樣熱量輸入平均溫度的卡諾循環(huán)的熱效率。
圖4顯示了三個發(fā)動機(jī)循環(huán)圖表(壓力與容積，溫度與容積，溫度與熵)，包括本發(fā)明兩個最大燃燒室溫度(Tmax)，的有限溫度循環(huán)的例子，即3300°R和4300°R。第一例(Tmax＝3300°R)是由圖4中點1-2-3-4-5-1確定的曲線，而第二例(Tmax＝4300°R)則是由點1-2-3′-4′-5′-1確定的。在圖4中，軌跡1-2是18∶1的等熵壓縮，軌跡2-3和2-3′是在第一例中用空氣完全燃燒所需燃料的56%的定容燃燒過程。軌跡3-4和3′-4′是在第一例中用剩下的44%的燃燒的等溫過程。軌跡4-5和4′-5′是等熵膨脹過程，而軌跡5-1和5′-1是定容排氣過程。
利用圖5A-5C的理想燃料/空氣分析，圖4中的兩個例子的每個點的狀況或狀態(tài)便可以按下面方式計算
第一例CR＝18.0 Tmax＝3300°R點1-在BDC處的初始狀態(tài)，進(jìn)氣沖程P1＝14.7 絕對壓力磅/英寸2V1＝50.3英寸3T1＝530°RN＝2000RPMNs＝.95F/A＝.0416Ma＝130磅/小時LHV＝18，300英國熱單位/磅Nv＝100%NCOMB＝100%點2-接著的等熵壓縮(軌跡1-2)Ka＝1.37Cv(air)＝.186英國熱單位/磅質(zhì)量°RV2＝V1/CR＝ 50.3/18 ＝2.79英寸3 P2＝P1( (V1)/(V2) )K＝14.7(18)1.37＝771絕對壓力磅/英寸2WC＝Cv(T1-T2)＝.186(530-1597)＝-198英國熱單位/磅質(zhì)量點3-接著的限制溫度燃燒@等容(軌跡2-3)T3＝Tmax＝3300°R
P3＝P2(T3/T2)＝(771)( 3300/1597 ＝1593絕對壓力磅/英寸2CV(ex)＝.242英國熱單位/磅質(zhì)量°RV3＝V2＝2.79英寸3QCV＝CV(T3-T2)＝.242(3300-1597)＝412英國熱單位/磅質(zhì)量Mf＝F/A(Ma)＝(.0416)(130)＝5.408磅/小時Qtot＝(Mf)(LHV)＝(5.408)(18，300)＝98.966英國熱單位/小時Q ＝ ((NC)(QTOT))/((1+OFAR)(TMA)) ＝ ((1.0)(98.966))/((1.0416)(130)) ＝731英國熱單位/磅質(zhì)量Qcv/Qcycle＝412/731＝56.4%←%在C.V處的波峰點4-接著的等溫燃燒和膨脹(軌跡3-4)Qct＝QCYCLE-QCV＝731-412＝319英國熱單位/磅質(zhì)量(43.6%在C.T處T4＝T3＝3300°RV4＝(V3)e ＝(2.79)e ((319)(778))/((53.4)(3300)) ＝11.41英寸3P4＝P3( (V3)/(V4) )＝1593( 2.79/11.41 )＝389絕對壓力磅/英寸2
WCTE＝ ((R)(T4))/(J) (1n (P3)/(P4) )NT＝ ((53.4)(3300))/778 1n( 1593/389 )(.95)＝303英國熱單位/磅質(zhì)量點5-接著的等熵膨脹(軌跡4-5)Kex＝1.26Cpex＝.325Cvex＝.25V5＝V1＝50.3英寸3T5＝T4[1-Ns(1-( (V4)/(V5) )K-1)]＝3300[1-.95(1- (11.411.26-1)/50.3 )]＝2297°RP5＝P4( (V4)/(V5) )Kax＝389( 11.41/50.3 )1.26＝60絕對壓力磅/英寸2WEX＝CV(T4-T5)＝.25(3300-2297)＝251英國熱單位/磅質(zhì)量第一例循環(huán)的性能概略Wnet＝WC+WEXT+WEX＝-198+303+251＝356英國熱單位/磅質(zhì)量IHP＝ ((1+F/A)(Ma)(Wnet))/2545 ＝ ((1.0416)(130)(356))/2545 ＝18.94馬力IMEP＝ ((792，000)(IHP))/((N)(V1-V2)) ＝ ((792000)(18.94))/((2000)(50.3-2.79)) ＝158絕對壓力磅/英寸2
Ncyc＝ (Wnet)/(Qtot) ＝ 356/731 -48.7%第二例點1-在BDC處的初始狀態(tài)，進(jìn)氣沖程與第一例相同點2-接著的等熵壓縮(軌跡1-2)與第一例相同點3'-接著的限制溫度燃燒@等容(軌跡2-3')T3′＝Tmax＝4300°RP3′＝P2(T3′/T2)＝(771)( 4300/1597 )＝2076絕對壓力磅/英寸2CV(exh)＝.242英國熱單位/磅質(zhì)量°RV3′＝V2＝2.79英寸3Qcv＝CV(T3′-T2)＝.242(4300-1597)＝654英國熱單位/磅質(zhì)量Mf＝F/A(Ma)＝(.0416)(130)＝5.408磅/小時Qtot＝(Mf)(LHV)＝(5.408)(18，300)＝98.966英國熱單位/小時
Q ＝ ((NC)(QTOT))/((1+OFAR)(TMA)) ＝ ((1.0)(98,966))/((1.0416)(130)) ＝731英國熱單位/磅質(zhì)量Qcv/Qcycle＝654/731＝89.5%←%在C.V處的波峰點4'-接著的等溫燃燒和膨脹(軌跡3'-4')Qct＝QCYCLE-Qcv＝731-654＝77英國熱單位/磅質(zhì)量(10.5%在C.T處T4′＝T3′＝4300°RV4′＝(V3′)e ＝(2.79)e ((77)(778))/((53.4)(4300)) ＝3.62英寸3P4′＝P3′( (V3′)/(V4′) )＝2076( 2.79/3.62 )＝1600絕對壓力磅/英寸2WCTE＝ ((R)(T4′))/(J) (1n (P3')/(P4') )NT＝ ((53.4)(4300))/778 1n( 2076/1600 )(.95)＝72.9英國熱單位/磅質(zhì)量點5'-接著的等熵膨脹(軌跡4'-5')Kex＝1.26Cpex＝.325Cvex＝.25
V5′＝V1＝50.3英寸3T5′＝T4′[1-Ns(1-( (V4')/(V5') )K-1)]＝4300[1-.95(1- (3.621.26-1)/50.3 )]＝2.275°RP5′＝P4′( (V4')/(V5') )Kax＝1600( 3.62/50.3 )1.26＝58絕對壓力磅/英寸2WEX＝CV(T4′-T5′)＝.25(4300-2275)＝506英國熱單位/磅質(zhì)量第二例循環(huán)的性能概略Wnet＝WC+WEXT+WEX＝-198+72.9+506＝381英國熱單位/磅質(zhì)量IHP＝ ((1+F/A)(Ma)(Wnet))/2545 ＝ ((1.0416)(130)(3.81))/2545 ＝20.27馬力IMEP＝ ((792，000)(IHP))/((N)(V1-V2)) ＝ ((792000)(20.27))/((2000)(50.3-2.79)) ＝169絕對壓力磅/英寸2Ncyc＝ (Wnet)/(Qtot) ＝ 381/731 ＝52%
在本發(fā)明的另一個實施例中，等容過程所供的燃料可以是能夠產(chǎn)生4000度蘭金溫度工作流體的量，稍少于由非強制燃燒的，剩余的燃料的供給則成比例地在作功沖程期間增加容積，產(chǎn)生等溫燃燒。
圖6是兩個最大燃燒溫度下(3300°和4000°R)，所提供的用于等溫燃燒的燃料百分比與從8∶1到24∶1壓縮比范圍之間的函數(shù)曲線圖。
圖7是最高燃燒溫度量3300°R(上述第一例)的放熱率與發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)曲線圖。該曲線圖的第一部分70表示等容過程(圖4中的軌跡2-3)的放熱率，曲線圖的第二部分72表示等溫過程(圖4中的軌跡3-4)的放熱率。
再次參見圖3，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員就會明白，本發(fā)明可以通過安排第一次噴射(體積A)發(fā)生在壓縮沖程的開始時而第二次噴射(體積B)則如同四沖程發(fā)動機(jī)那樣進(jìn)行從而簡單地應(yīng)用到雙循環(huán)發(fā)動機(jī)中。在雙循環(huán)應(yīng)用中，凸輪凸出部位的作用部分必需從壓縮沖程的起點延伸到等溫燃燒過程的終點。由于這是一個具有提升斜道的非有效部分的延伸過程，可采用一個凸輪上的等直徑部分以避免凸輪凸出部分的總尺寸過高。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，不用燃料噴射泵(如圖2所示)，也可以使用電磁控制的噴射器裝置，或者還可以用一個由定流量高壓泵供給的帶有由電磁線圈單獨控制的噴射器的供道式燃料噴射系統(tǒng)。再有，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言很明顯，可以用壓電機(jī)構(gòu)來代替電磁線圈產(chǎn)生所需的短暫的噴射器加電時間(即很小的燃料量)。壓電機(jī)構(gòu)也可以用來產(chǎn)生高強度的噴射控制，因為這種噴射器可用于噴射多個不連續(xù)的量，結(jié)果其過程將更加緊隨著標(biāo)準(zhǔn)等溫過程的軌跡。根據(jù)再一個可選擇的方案，以用一個壓電裝置代替噴射器裝置中的泵油柱塞，從而取消了用凸輪驅(qū)動噴射器的需求。為了實現(xiàn)壓電機(jī)構(gòu)的這種實際應(yīng)用，壓電機(jī)裝置要通過電子控制裝置起動很多次(例如，100次)，以便讓實用型壓電元件噴射出所需的總?cè)剂狭俊?br> 應(yīng)該了解，圖4中所示的工作曲線是理想過程。發(fā)動機(jī)實際軌跡將由于正時，熱量及磨擦損失而偏離所示理想循環(huán)一段距離。這些因素在循環(huán)曲線中將通過例如圓角及工作曲線的移動來表露出來。
為了實施本發(fā)明，也可以為噴射器添加一個標(biāo)準(zhǔn)的化油器燃料供給系統(tǒng)。參見圖3的實施例，通過這種系統(tǒng)，化油器提供第一個量(體積A)，而噴射器則提供第二個量(體積B)。然而也可以使用一個噴射器供給兩個燃料量以降低成本。
本發(fā)明也可以在不同的負(fù)載，不同的工作狀態(tài)下，在同一臺發(fā)動機(jī)上實現(xiàn)奧托，荻塞爾，稀混合氣燃燒或者層狀進(jìn)氣的發(fā)動機(jī)工作過程的結(jié)合。
在一些應(yīng)用中會有一個值來限制最大的氣缸壓力。在這種情況下，本發(fā)明可以利用下面的一個實施例在這個等容燃燒、等壓燃燒和等溫燃燒的結(jié)合。在這個實施例中，燃料在等容過程中以使其達(dá)到最佳壓力限度的量供入。然后熱量在等壓狀況下增加，直至達(dá)到一個最佳的有限溫度。剩下的熱量則等溫加入。這一實施例的舉例在圖8的工作曲線中示出。參見圖8，根據(jù)這一實施例工作的發(fā)動機(jī)包括以下工作軌跡軌跡1-2是一等溫壓縮過程，在此期間供入燃料。燃料在壓縮過程中很早供入有兩個作用第一，蒸發(fā)熱降低了壓縮功，第二，燃燒溫度因供給燃料引起的冷卻成比例地降低，第三，早期噴射可有一個時間使預(yù)燃在點火時刻之前發(fā)生。從而減少點火滯后(對于荻塞爾或其它主要直噴混合系統(tǒng)都是個很大的問題)。軌跡2-3是一個等熵壓縮過程，已經(jīng)作過講解;軌跡3-4是一個等容燃燒過程，通過協(xié)調(diào)燃料量A(圖3)限制其最大壓力在一個預(yù)定值以內(nèi);軌跡4-5是一個定壓，即等壓過程，由燃料的小部分B(圖3)表示的第一部分提供，該部分具有使等壓過燃燒持續(xù)到達(dá)預(yù)定最高燃燒溫度的量;軌跡5-6是一個在預(yù)定最高燃燒溫度下的等溫燃燒過程;軌跡6-7是一個等熵膨脹過程;軌跡7-1是一個等容排氣過程。每次燃料的供入均包含一個或多個分散的量，以便盡量緊隨標(biāo)準(zhǔn)工作過程。
再次參見圖3，通過將總?cè)剂狭康牡谝徊糠?體積A)再細(xì)分為一個或更多的分散噴射燃料部分從而實現(xiàn)了本發(fā)明的再一個實施例。例如，如果使用兩個這樣的部分，它們將被標(biāo)為部分A′和A″，這兩個部分的總和等于體積A。根據(jù)該實施例，第一燃料部分A′，包含總?cè)剂狭康?0%，將在從10°到80°的發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角期間噴射，而第二燃料部分A″，包含總?cè)剂狭康?6%，將在從320°到350°的發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角期間噴射。該實施例為第一燃燒階段提供了化學(xué)上適合的燃料/空氣混合物包圍住火花塞，用來延長不燃燒限度，即通過在第一燃燒階段避免未燃燒氧的存在進(jìn)一步降低NOx的產(chǎn)生。
應(yīng)當(dāng)明確，本發(fā)明可以使用各種燃料，諸如天然氣，柴油，汽油和甲醇，也可以采用多重燃料，例如讓天然氣用在等容放熱過程而讓柴油用在等熵放熱過程，將二者結(jié)合起來。
權(quán)利要求
1.一種操作膨脹室活塞式內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生有限溫度燃燒的方法，該發(fā)動機(jī)具有(1)至少一個氣缸以及相應(yīng)的構(gòu)成燃燒室的活塞，該活塞帶有一上止點中心位置，(2)一個工作循環(huán)，它包括一進(jìn)氣沖程，一壓縮沖程和一膨脹沖程，(3)還有一個燃料供給系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟。通過噴入使進(jìn)氣完全燃燒所需總?cè)剂狭康囊粋€預(yù)定的部分，在燃燒室中形成一種預(yù)定的燃料/空氣混合物；在活塞位于上止點時點燃所述燃料/空氣混合物；在作功沖程的開始時，供入完全燃燒所需燃燒總量的第二部分，其中，首先供入的燃料所形成的燃料/空氣混合物的燃燒基本上是一個等容過程，其中，由第二部分的供入導(dǎo)致的燃燒基本上是一個等溫過程。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于燃料是通過直接噴射供入的。
3.一種點燃式內(nèi)燃機(jī)，包括一個燃燒室，所述發(fā)動機(jī)具有一個工作循環(huán)，該循環(huán)包括一個熱量輸入階段，該階段則包括一個基本等容的燃燒過程，接著是一個基本上等溫的燃燒過程。
4.如權(quán)利要求3所述的點燃式發(fā)動機(jī)，其特征在于它包括一個將燃料在相應(yīng)于進(jìn)行所述基本等容燃燒過程和等溫燃燒過程的階段直接噴入所述燃燒室中的裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的點燃式發(fā)動機(jī)，其特征在于它包括與用與控制噴射的安排、時間和速率的所述燃料噴射裝置以操作的方式相連接的一個裝置，所述控制裝置提供出了(1)第一次噴射，由一個或多個不連續(xù)的量構(gòu)成，包括將進(jìn)氣完全燃燒所需的燃料總量的一個預(yù)定的部分，所述燃料第一噴射量的燃燒構(gòu)成了所述的基本等容的燃燒過程。(2)第二次噴射，由一個或多個不連續(xù)的量構(gòu)成，包括完全燃燒所需的燃料總量的第二個部分，所述燃料第二噴射量的燃燒構(gòu)成了所述基本等溫的燃燒過程。
6.如權(quán)利要求5所述的點燃式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于所述第二部分包括完全燃燒所需燃料總量的剩余部分。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述總?cè)剂系牡谝活A(yù)定部分是在壓縮沖程期間供入的，以提供一個等溫壓縮過程。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述第一預(yù)定部分的燃燒被限制在一個預(yù)定的最大壓力;而其中供入總?cè)剂系牡诙糠忠员闾峁┑谝?，等壓燃燒直到達(dá)到預(yù)定的最高燃燒溫度，第二，在所述預(yù)定最高溫度下等溫燃燒。
9.一種操作內(nèi)燃機(jī)的方法，所述發(fā)動機(jī)包括一個膨脹燃燒室，并具有一個包括一壓縮過程接著是一個膨脹過程的工作循環(huán)，它具有一個熱量輸入階段，該方法包括將燃料在所述壓縮過程期間供入燃燒室中的步驟，如此供入的燃料的蒸發(fā)基本上轉(zhuǎn)換了壓縮功。
10.一種操作膨脹腔室活塞式內(nèi)燃機(jī)獲得高的熱效率的方法，該發(fā)動機(jī)具有(1)至少一個氣缸以及相應(yīng)的構(gòu)成燃燒室的活塞，該活塞帶有一上止點中心位置，(2)一個工作循環(huán)，它包括一壓縮沖程和一作功沖程，(3)還有一個燃料供給系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟通過噴入使進(jìn)氣完全燃燒所需總?cè)剂狭康囊粋€預(yù)定的部分在燃燒室中形成一種預(yù)定的燃料/空氣混合物;壓縮所述燃料/空氣混合物到一個不使之發(fā)生自燃的狀態(tài);在活塞位于上止點時點燃所述燃料/空氣混合物;在膨脹沖程的開始時，供入完全燃燒所需燃料總量的第二部分;在膨脹沖程的期間，供入完全燃燒所需燃料總量的第三部分;其中，首先供入的燃料所形成的燃料/空氣混合物的燃燒是一個等容過程;其中，在等容過程期間工作壓力低于一個預(yù)定值;其中，在等容過程期間工作溫度低于一個預(yù)定值;其中，由第二部分的供入導(dǎo)致的燃燒是一個等壓過程。其中，在等壓過程期間工作溫度始終保持在低于一個預(yù)定的溫度;其中，供入燃料的第三部分所形成的燃燒是一個等溫過程;其中，在等溫過程期間工作溫度始終保持在低于一個預(yù)定的溫度;其中，預(yù)定的工作溫度低于燃燒室中燃料/空氣混合物的燃燒溫度;其中，壓縮沖程中該第一燃料部分的供入和蒸發(fā)實質(zhì)上導(dǎo)致了壓縮功的轉(zhuǎn)換。
11.如權(quán)利要求10所述的操作內(nèi)燃機(jī)的方法，其特征在于最后所述的預(yù)定工作溫度低于大約4300°R。
全文摘要
一種以開式熱力循環(huán)工作的膨脹腔室活塞式內(nèi)燃機(jī)，包括一個帶有一定容(等容)階段接著一個定溫(等溫)階段的燃燒過程。
文檔編號F02B53/02GK1099100SQ93121639
公開日1995年2月22日 申請日期1993年11月27日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月27日
發(fā)明者道格拉斯·C·克魯澤 申請人:道格拉斯·C·克魯澤