配备缩短进气过程的四冲程内燃机的制作方法

涉及此专利申请的相关申请

本申请要求申请号为14/788,905的美国非临时性专利申请的备案日期(2015年7月1日)利益。此申请是美国非临时性专利申请14/530,704(备案日期2014年11月1日)的部分继续申请。

本发明涉及内燃发动机的领域，尤其是四冲程、火花点火内燃发动机的领域。

背景技术：

自然吸气的标准四冲程汽油(石油)的内燃发动机效率受限于压缩比和点火前的压缩高压温度。这是因为需要避免预燃温度接近燃料的自燃温度阈值，超过此值会导致爆燃效应，降低发动机的效率和寿命。由于预燃温度的限制，标准四冲程发动机通常受限于低压缩比(cr)，cr的定义为整个发动机气缸容积除以燃烧室容积的比率参数。对于使用标准汽油燃料的标准发动机，其cr通常不超过11，这限制了发动机的预燃压缩压力不超过22巴。

由于燃料自燃温度的限制，通常发动机制造商会为自然吸气发动机设定的cr介乎于9.5和11.8。不同发动机的cr值有所不同，但它们总是小于cr＝15。

标准四冲程发动机设计的温度和压力约束不仅降低发动机效率，而且还令发动机更大更重，并限制了这些发动机可以燃烧而不产生爆震的燃料类型。

本发明提出了一种拥有永久缩短进气过程的四冲程内燃发动机设计，我们将使用简写“cip”发动机(「缩短进气过程」发动机)，并且因此同样拥有缩短压缩过程。正如将在稍后详述，这样的设计能控制进入燃烧汽缸的吸入空气的温度和压力，在没有接近自燃阈值的情况下，实现更高的压缩比cr以及更大的预燃压缩压力。此外，由于此新颖设计能有效地调节和设定最大的燃料-空气混合物的预燃温度，它几乎可以在不发生爆燃的情况下燃烧任何液体烃燃料，即使设计的发动机使用最低自燃温度的燃料。

由于更高的压缩比，本发明的四冲程发动机能以较小和轻的发动机以及在所有主要发动机参数都受到控制以提供最大输出和效率的环境中产生等于或大于标准四冲程发动机的功率。

技术实现要素：

为解决以上现有难题，本发明公开了一种配备缩短进气过程的四冲程内燃机。

标准的四冲程自然吸气汽油内燃发动机具有进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。在进气冲程期间，活塞向下移动，空气/燃料混合物被吸入气缸。随后是压缩冲程，当中活塞向上移动及将空气/燃料混合物压缩至预燃压缩压力。在火花点火空气/燃料混合物时，压缩周期达到顶峰，驱动活塞在膨胀冲程向下移动。在排气冲程中，活塞再次向上移动，以将废气驱出气缸，以准备下一个进气冲程。通常每个冲程都需要大约一半的曲轴旋转或大约180度的旋转，并取决于发动机冲程和负载加/减一个方差才完成。

在膨胀冲程期间，随着点燃的空气/燃料混合物在气缸内膨胀，导致缸内压力下降，功率在四冲程燃烧过程中产生。根据结合气体定律，常数pv/t在膨胀期间保持不变(p为气体压力-单位：巴；v为气体体积-单位：l；t为气体温度，单位：°k)。因此，在固定的压缩比下，压力下降必须伴随绝对温度的非比例减小。在膨胀冲程期间，由于绝对温度的下降决定了多少机械能由活塞传递到曲轴，所以最大化压力下降能优化发动机效率。这又要求通过消除高温的负面影响来最大化预燃压缩压力。

在标准的自然吸气四冲程内燃发动机中，空气在环境温度和大气压力(大约1巴)下进入燃烧汽缸。

本发明使用缩短进气冲程过程，比一半的曲轴旋转更短或小于180°，以便在一个更高压缩比的发动机气缸中更能压缩进入的气体。本发明的缩短的进气冲程过程是在以完全不同的方式应用，形式和方法来自「可变气门校时」(vvt)发动机目前使用或类似的概念，并且产生完全不同的结果。

现今在自然吸气发动机中使用的可变气门校时过程中使用附连到凸轮轴的机制以控制进气阀的开度。比当活塞处于上止点提前或以后，和/或以控制早期关闭进气阀或迟于当所述活塞处于bdc，从而限制所述进气体积的大小，这可以比在倍整个发动机气缸尺寸。然而，如以上在时间所提到的，根据发动机的运转模式动态改变，以控制转矩和以不同的速度大多负荷施加这个过程。这意味着，虽然在操作中，可变气门正时的过程可以在倍达到完全吸入容积发动机尺寸，其被定位的点而活塞处于bdc或接近它和该套和限制要达到的最大压缩比。

今天使用的标准发动机的压缩比cr很少高于15，只有在一些非常极端的情况下以及只在非常高的rpm发动机中，才可以达到压缩比接近cr＝17。

如果对于一个时刻可变气门正时的过程的机制是今日(设置和忘记进气的体积大小，以例如一定的值)在使用中的现有的发动机故障，该发动机将不会最佳地取决于在该点操作进气体积大小被卡住，并且发动机故障灯将亮起，因为发动机将是表现不佳和操作的损失这种方式，因为它的压缩比仍低，并在<15，发动机被设计和制造为这样的与低压缩比cr开始与，和高压缩比的联合的益处减少摄入量，这是本发明的本质，如本文描述的不以低cr的实现。这意味着，且发动机与摄入减少工艺操作持续，并在低cr组合，工作在减少的效率，这是不是在这个申请被提出。

在今天的一些其他引擎使用可变或非可变气门正时过程的浓度实际做在真实的减少进气体积大小由设计在所有的时候，因为这样的工作，因为我们建议要使用在cip引擎，一些的形状或形式，如在米勒循环例如，其它方法和/或部件采用或通过米勒建议来弥补在摄入减少丢失，如涡轮增压器和其他装置的空气体积量增加体积的空气压力和因此空气的体积以弥补损失，以某种方式认为需要补偿从摄入减少体积引起的空气的这种损失，因此使用更高的压缩比的甚至没有考虑，因为这些擎具有连较低压缩中比小于约8.5至10(如在涡轮增压或增压式发动机)，在该这些发动机运行。

在本发明中，然而使用空气的摄入减少体积在大气压下的发动机的设计是相反的现有技术的教导。他减少或缩短进气体积具有以这样的方式被施加的是必须导致发动机气缸的局部体积是可利用的进气，并在所有类似米勒循环的时间，但在不同的边界与空气填充更少(米勒建议进气体积大小的80％至70％可用于他的周期，一个cip起点比，因为它降低本文下面描述)，并在不同的发动机和方法。这意味着，在本申请中，进气门可以永远不会被关闭，而活塞处于bdc或接近bdc，因为这将表示进气的整个汽缸容积大小因为它在标准可变气门正时的发动机。此外，在一个cip发动机本申请是使得不允许任何其它设备中使用，如或其它压力产生装置来弥补的气压差相反在涡轮增压或者机械增压发动机有什么建议由米勒以弥补在空气损失量的差异。该发动机必须保持自然吸气，并用在1个大气压的大气空气压力(或接近它)被馈送总是并且没有应该尝试的过程中，以补偿减小的吸入空气的量。

削减进气过程中推荐的本发明这样，因此允许要实现不同类型的益处和不同类型的目标，那就是更高的效率的发动机。这是因为除了作为本发明的应用为特定的所需程序的摄入减少，这发明还需要小呃燃烧室容积相当以及实现所提出的目标，因此有较高的压缩上方或更高的压缩比cr文提到的和本要求是独特仅在cip发动机。较小的进气体积尺寸越小燃烧室尺寸并且存在前的压缩比越高，由于压缩比cr是在燃烧室大小整个气缸的比率。该发动机可以被这样设计，以实现18的压缩比(cr＝18是最低的，但不是理想的)或以上，并因此具有高得多的效率。

实际的空气/混合物的压力在一个已经确定最佳设计cip发动机，可以达到在其压缩循环结束时高达37巴不自燃的危险。这是因为这种新颖的设计减少了残留排气到最小，由于非常高的设计压缩比cr＝29.4，因此很小尺寸燃烧室，所以它们的负面影响被消除在排气循环结束，因为有较少的剩余废气。

在另一方面，由于cip发动机具有的燃烧室相比于标准的发动机燃烧室，这是非常小的，压缩和空气/混合物的温度显着地接近压缩循环结束时或最高层增加，接近tdc。这允许一定的cip引擎，以促进火花的美军或无火花的过程启动控制或空气/混合物的自发燃烧过程中，因为自动点火现象的结果增加温度超过自燃的压缩混合物就必然会发生非常接近tdc在那里正是因此需要。

有向进气体积的减小的尺寸没有限制在本发明中，其因此实现了燃烧室的小尺寸要实现。最佳压缩比用于这些发动机被计算为围绕cr＝30，与该减小的体积设定在约0.55体积发动机气缸的尺寸。上述cip发动机的排气在膨胀循环结束时的压力约为1巴。这些值可以变化，并将取决于发动机设计。

与今天的发动机上的非主动粘弹性阻尼器的问题是，作为热机为内燃机是，在的工作是通过热的方法得到的，并在膨胀循环的结束，当所述活塞处于所述热气体bdc，当排气门即将打开和排气释放，仍具有高压(比大气压更高)和高的温度，其可以是静止有用的，如果它可以从发动机进一步提取，而不是在被排放到周围。

简单来说，在建议引擎解决了上述问题，由于cip发动机具有更高的效率，因为它使用进气循环和较小的燃烧室的空气的体积减小是由于较高的压缩比cr，因此需要更少的燃料到达燃烧室作为到一个标准的发动机，其具有cr内的相等温度和更大的燃烧室代替。乙旦是本发明仍然将在膨胀循环使用整个气缸容积，正因为如此，在第膨胀循环电子端的热气体将具有低得多的压力(非常接近一个大气压压力或约1巴实际上)和较低的残余温度，因此产生更高的发动机效率。

要使用的格言微米削减进气体积大小，对于效率的提高，与今天的发动机相比得以实现，被计算为在整个发动机汽缸容积大小的约68％和以下。这意味着，在本发明中进气体积必须总是小于或等于整个柱面大小的68％。当活塞处于110°时进气门关闭时，会发生这种情况或更早版本，和/或当所述进气门关闭当活塞处于近似250℃或曲轴位置之后。该发动机也具有约cr＝22最低的压缩比(燃烧室是汽缸容积大小的约4.5％在这种情况下)，这是这种类型的cip发动机的效率最低。较小的进气体积尺寸的更好，而一个达到更高的效率和发动机设计的最佳效率点。

cip发动机可以具有或不具有的设备进行操作。

其它装置可被用于减少发动机气缸的进气体积量，如空气控制阀，狭窄的通道等，其实际上可以产生类似的结果，为削减进气过程可能在发动机和因此允许压缩比高于18如本文所述。

该发动机被设计与大气空气压力下操作，因为它是本文所描述的，但是一个cip发动机的涡轮增压或增压版也可以内置，并它通过某些削减进气尺寸和更高的压缩比超过的组合18(cr>18)实现类似的结果。

附图说明

图1是一个原理图，展示了本发明为配备缩短进气过程的四循环发动机而设的四循环燃烧过程。

图2是一个原理图，展示了本发明为配备55％缩短进气过程和29.4的压缩比的四循环最佳化"cip"发动机而设的四循环燃烧过程。

图3是一个示例的p-v图，展示了一个压缩比为cr＝10和发动机气缸的体积ve＝1升的四循环标准自然吸气单缸燃烧过程。

图3a是一个示例的叠加p-v图，展示了一个压缩比为cr＝10和发动机气缸的体积ve＝1升的四循环标准自然吸气单缸燃烧过程。

图4是一个示例的p-v图，展示了压缩比为cr＝29.4丶缩短进气体积vt＝0.55升和发动机气缸体积ve＝1升的四循环"cip"单缸燃烧过程。

图4a是一个示例的叠加p-v图，展示了压缩比为cr＝29.4丶缩短进气体积vt＝0.55升和发动机气缸体积ve＝1升的四循环"cip"单缸燃烧过程。

具体实施方式

结合附图，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，这是一个配备缩短进气过程的四循环、1升的单缸燃烧过程图1，包括短或縮短进气过程中推荐的最大曲轴角度范围选择4(0°-<110°/>250℃)为削减进气过程，这将导致一个縮短压缩过程中，一个最大推荐縮短压缩处理7(250°-360°)，热气体膨胀过程5(约360°-540°)，排气过程6的曲轴角度位置(约540°-0°)，用22:1推荐范围内的压缩比cr3或更高和推荐的燃烧室容积大小2范围音量大于发动机汽缸容积为0.045以下。

参考图2，为正的图最佳推荐四循環、1升单缸体积燃烧过程图1与截尾进气过程中，包括短或削减进气过程4(0°-<94°/>266°)时，压缩过程7(266°-360°)，热气体膨胀过程5(360°-540°)，排气过程6(540°-0°)，与压缩比cr3的29：4：1和燃烧室容积大小2的0.034发动机汽缸容积大小和每个进程角旋转位置8的详细脚本。

图3和3a表示p-v图12和叠加p-v图13自然吸气si，与cr＝10其中1升发动机：

a-发动机在压缩的功率＝2.30pv/周期，

b-发动机在膨胀时得到的功率＝8.52pv/周期，

c-在排气时不能取得及丢失的功率＝5.66pv/周期(1l体积)，

d-通过燃烧燃料将热施加至发动机，这增加了2.75倍的压力，

e-发动机得到的功率平衡＝6.22pv/周期。

此发动机的简化效率是：e＝6.22pv/11.88pv＝52.4％

图4和4a展示了cr＝29.4的“cip”1升发动机的p-v图14和叠加p-v图15，当中：

a-发动机在压缩的功率＝1.88pv/周期，

b-发动机在膨胀时得到的功率＝6.38pv/周期，

c-在排气时不能取得及丢失的功率＝2.32pv/周期(0.55l体积)，

d-通过燃烧燃料将热施加至发动机，这增加了2.75倍的压力，

e-发动机得到的功率平衡＝4.50pv/周期。

此发动机的简化效率是：e＝4.50pv/6.82pv＝66％

「标准」和“cip”发动机的效率比较

图3和3a是具备压缩比cr＝10和发动机气缸体积ve＝1升的四冲程自然吸气标准单缸燃烧过程12和13的p-v图。假想的发动机膨胀体积為2.18升，為了用于评价而表示不存在的膨胀。因为它可以通过该p-v图中可以看出在膨胀循环的结束时的标准发动机的温度为约1075°k或802℃和的约2.75巴的废气的压力。

考虑到图4和图4a所示，是p-v图表示四冲程最优“cip”发动机燃烧过程14和15与压缩比cr＝29.4和体积发动机气缸尺寸ve＝1升。在于这个cip发动机具有进气端的方法中以0.55体积，并在该点处的压缩开始，以及，从p-v图可以看出，在压缩该发动机的工作是1.88pv/周期，这相比时小于的其花费在压缩等于2.30pv/周期对于可比较的功输出(e)中，6.22pv/周期为一个标准的发动机和4.50pv/周期为一个cip发动机工作标准发动机。一个cip发动机的温度是756°k或483℃，排出气体的1.26巴在膨胀过程这两者都是比标准发动机的少得多的端部的压力。

受上述p-v图所示，四冲程“cip”发动机的效率超过了标准si-ice引擎的。

虽然为了说明的目的已经公开了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下，可以进行许多添加，修改和替换。

如在上文和下面的权利要求中使用的，术语上死点(tdc)是指活塞的最接近位置到气缸盖中，对应于0°或360°的曲轴转角，并且术语下死点(bdc)指从气缸盖活塞的最远的位置，对应于180°的曲轴转角。总气缸容积是指西·林德的容积当所述活塞处于bdc，和燃烧室容积是指气缸的容积当活塞处于tdc。