一种分缸燃烧式内燃机及其工作方法

1.本发明涉及一种分缸燃烧式内燃机及其工作方法，属于内燃机技术领域。


背景技术：

2.传统的四冲程压燃式内燃机如柴油机，空气在进气冲程被吸入气缸内，然后再压缩冲程活塞上行被活塞压缩形成一定的压力，当活塞接近上止点时，柴油通过喷油器将加压后形成高压燃油，以雾化的形式喷入气缸内，与被压缩后的高温空气混合，当温度达到燃点后燃烧混合气自行燃烧，其燃烧过程是边燃烧边混合。由于受到燃烧室形状、气道参数、缸套及活塞顶部结构以及喷油压力、喷油时刻等因素的影响，在燃烧过程中空气与燃料得不到均匀混合，燃烧不充分导致出现燃油消耗高、排放污染物多以及燃烧效率低等问题。
3.现有技术中，如申请号为201710368992.7的发明公开了一种单气门四冲程内燃机，其结构包括气缸、气缸盖、活塞、气门和喷油器；气缸与气缸盖固定连接，气缸盖内设有气体流通通道；气体流通通道由相互连通的进气道、排气道和冷却气道；进气道内设有进气阀，排气道内设排气阀，冷却气道内设有冷却阀；气缸内安装往复运动的活塞；气门安装在气缸盖内，且与活塞同轴；气门上设有若干第一通孔；若干喷油器安装在气缸盖内，当气门通过往复运动阻断所述气缸内部和气体流通通道时，若干喷油器与若干第一通孔密封配合，且一一对应。然而，上述申请公开的内燃机采用的单气门结构在进排气时不能保证废气充分排出，导致无法从根本上解决燃气混合不均匀，排放污染物多、燃烧效率低的问题；同时又在气缸盖上设置气体流通通道，降低了汽缸盖的强度和刚度,并且需要安装若干喷油器，导致发动机高速运转时动力反应迟钝，结构比较复杂，成本较高。
4.因此亟需设计一种新型的内燃机，能够解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种分缸燃烧式内燃机及其工作方法，解决现有技术中的四冲程压燃式内燃机保证燃油喷射系统具有较高的压力前提下，在燃烧过程中空气和燃料边燃烧边混合导致无法实现均值燃烧的问题。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种分缸燃烧式内燃机，其特征在于：包括混合缸、压力室以及做功缸，压力室设置在混合缸及做功缸的顶部中间位置，在混合缸及做功缸的顶部中间位置还安装点火系统；在混合缸的顶部开设混合缸排气门以及混合缸进气门，做功缸的顶部开设做功缸进气门以及做功缸排气门，压力室同时与混合缸排气门、做功缸进气门连通，当混合缸排气门与做功缸进气门关闭时，压力室内形成封闭空间；内燃机的进气侧设置进气道，进气道的管壁上安装喷油器；在混合缸内设置混合缸活塞，混合缸活塞通过混合缸连杆与曲轴联接，在做功缸内设置做功缸活塞，做功缸活塞通过做功缸连杆与曲轴联接；
作为本发明的进一步优选，分缸燃烧式内燃机为发动机；前述发动机选用偶数型号缸体发动机或者v型偶数型号缸体发动机；作为本发明的进一步优选，在压力室外部罩设气缸盖，在气缸盖上安装凸轮轴，凸轮轴上安装凸轮位置传感器，还包括egr阀以及废气温度传感器，且egr阀、凸轮位置传感器以及废气温度传感器均安装在egr管路内；作为本发明的进一步优选，所述egr阀、喷油器以及点火系统均通过ecu控制；根据发动机运行工况， ecu控制egr阀的开度，将未完全燃烧的废气再次引入压力室内进行燃烧，形成废气再循环系统；作为本发明的进一步优选，喷油器通过油管与油泵联接；作为本发明的进一步优选，混合缸活塞的顶部、柴油机缸套以及气缸盖的底部形成的腔室为前述的混合缸；做功缸活塞的顶部、柴油机缸套以及气缸盖的底部形成的腔室为做功缸；采用所述分缸燃烧内燃机的工作方法，具体包括以下步骤：步骤s1：内燃机启动，曲轴旋转，此时混合缸进气门开启、混合缸排气门关闭，混合缸活塞通过混合缸连杆带动向下运动，将新鲜空气吸入进气道，ecu根据凸轮轴的凸轮位置信号发生器信号控制喷油器的开启，向进气道喷射燃油，燃油与新鲜空气形成初始燃气混合气；混合缸活塞继续下行，将初始燃气混合气吸入混合缸内，当活塞下行到下止点时，完成进气冲程；步骤s2：曲轴继续旋转，混合缸活塞在混合缸连杆的推动下开始向上运动，此时混合缸进气门关闭，初始燃气混合气在混合缸活塞顶部的推动下形成挤流或者滚流的扰动，随着混合缸活塞继续上行，混合缸活塞顶部与缸盖底部的间隙越来越小，初始燃气混合气压力升高，燃油与空气形成了高压的均匀混合气；当混合缸活塞向上运行至接近上止点附近时，完成压缩冲程；步骤s3：当混合缸活塞向上运行至接近上止点附近时，混合缸排气门打开，做功缸进气门关闭，高压的均匀混合气在混合缸活塞的推动下进入压力室，混合缸活塞运行到上止点时，混合缸排气门关闭，点火系统在ecu的控制下对高压的均匀混合气点火，形成爆燃的燃烧气体；同时，做功缸进气门开启，爆燃的燃烧气体通过做功缸进气门进入做功缸，推动做功缸活塞向下运行，通过做功缸连杆推动曲轴旋转，对外做功，当做功缸活塞向下运行到下止点时，完成做功行程；步骤s4：曲轴在惯性的作用下继续旋转，通过做功缸连杆推动做功缸活塞向上运行，此时，做功缸进气门关闭，做功缸排气门开启，做功后的废气在做功缸活塞的推动下通过做功缸排气门排出，当做功缸活塞上行到上止点时，完成排气冲程；作为本发明的进一步优选，egr废气温度传感器对压力室内废气温度进行监控，当废气温度低于预设温度时，egr阀在ecu的控制下，按照预设流通截面开启或关闭将高温的燃气引入压力室，对未燃烧的燃气进行加热，改善内燃机的冷启动性能；在部分负荷工况下，当废气温度高于预设温度时，根据排出废气的压力和流量，按照预设流通截面开启或关闭，将部分未完全燃烧的燃气再引入压力室内进行燃烧，形成废气再循环系统，降低内燃机的排放污染物；
作为本发明的进一步优选，油泵内的燃料在ecu控制下，喷油器喷入进气道(5)的压力为80-100mpa。
7.通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：1、本发明提供的分缸燃烧式内燃机，通过空气与燃料混合形成初始燃气混合气的压力为80-100mpa，与传统的四冲程压燃式内燃机的喷射压力120-2500mpa相比，本技术喷射系统的喷射压力能够大大降低喷油系统的技术要求，使得成本降低50%；2、本发明提供的分缸燃烧式内燃机，其燃料喷射系统、内燃机燃烧系统结构简单，对排气后处理装置以及供油系统的要求低，大大降低了制造成本；3、本发明提供的分缸燃烧式内燃机，通过混合缸与做功缸的双杠设计，初始燃气混合气在混合缸的混合缸活塞推动相爱挤压流动，形成均匀的燃气混合气，与传统的四冲程压燃式内燃机相比，燃气混合气混合均匀，燃烧效率高；4、本发明提供的分缸燃烧式内燃机，进气与压缩在混合缸内完成，燃烧做功与排气在做功缸内完成，两缸结构的设计保证温度及壁面温度基本均衡，换热损失少。
附图说明
8.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
9.图1是本发明提供优选实施例的整体结构示意图。
10.图中：1为曲轴，2为混合缸活塞，3为混合缸，4为混合缸进气门，5为进气道，6为喷油器，7为油泵，8为混合缸排气门，9为压力室，10为点火系统，11为ecu，12为凸轮位置传感器，13为egr阀，14为egr系统，15为做功缸进气门，16为做功缸排气门，17为做功缸，18为做功缸活塞，19为混合缸连杆，20为做功缸连杆，21为废气温度传感器。
实施方式
11.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本技术的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
12.如背景技术中阐述的，目前关于四冲程压燃式内燃机的结构，是将进气、压缩、做功以及排气冲程均在一个缸内完成，这种结构最大的劣势就是无法保证燃气混合气均匀混合，为了解决上述最大的难点，本技术提供了一种分缸燃烧式内燃机，图1所示是优选实施例的整体结构示意图，包括1个混合缸1个做功缸组成的一对工作单元，以图1视角进行描述，压力室9设置在混合缸及做功缸的顶部中间位置，在混合缸3及做功缸17的顶部中间位置还安装点火系统10，压力室前端通过混合缸排气门8与混合缸连通，压力室内后端通过做功缸进气门15与做功缸连通；新鲜空气与燃料在混合缸活塞2上行推动的作用下形成均匀的混合燃气，然后将混合燃气推入压力室稳压后点燃供向做功缸，完成进气和压缩行程；燃烧气体进入做功缸推动做功缸活塞18下行做功，完成做功和排气冲程。
13.本技术中分缸燃烧式内燃机为发动机；通常发动机选用偶数型号缸体发动机或者
v型偶数型号缸体发动机。
14.压力室的一侧设置进气道5，进气道的管壁上安装喷油器6；进气道单独设置，避免因为设置在气缸盖上导致气缸盖强度和刚度的降低，喷油器也是直接安装在进气道上，单个设计避免结构复杂导致发动机在高速运转时动力反应迟钝。还包括egr阀13、凸轮位置传感器12以及废气温度传感器21，在压力室外部罩设气缸盖，气缸盖上安装凸轮轴，凸轮轴上安装凸轮位置传感器，egr阀、凸轮位置传感器以及废气温度传感器均安装在egr管路内；前述的egr阀、喷油器以及点火系统均均通过ecu11控制；喷油器通过油管与油泵7联接，油泵将燃料通过油管压入喷油器，并通过ecu控制在预设时间以预设压力喷入进气道中，本技术中是通过ecu、喷油器以及进气道将新鲜空气充入进气道内，燃料在ecu的控制下喷油器以80-100mpa的压力在预设时间以预设量喷入进气道，形成初始的燃气混合气，显然传统的四冲程压燃式内燃机的喷射压力为120-2500mpa，本技术实现的喷射压力能够在满足均匀混合的前提下，大大降低喷射压力，当喷射压力降低后，即可降低喷油系统的技术要求，以降低成本，经过试验发现成本能够降低50%左右。
15.在ecu控制下，未完全燃烧的燃气再次引入压力室内，形成废气再循环系统（egr系统14），这里形成的egr系统能够保证燃烧充分，进一步提高燃烧效率。
16.由于初始燃气混合气需要混合，在混合缸内设置混合缸活塞，混合缸活塞通过混合缸连杆19与曲轴1联接，在做功缸内设置做功缸活塞，做功缸活塞通过做功缸连杆20与曲轴联接。混合缸曲轴与曲轴连通。旋转曲轴，即可对混合缸活塞、做功缸活塞的运行位置进行控制，以实现燃气混合气混合或者燃气混合气做功的需求。从图中可以明显看出，在压力室的外部罩设气缸盖（气门直接开设在气缸盖上），混合缸活塞的顶部、柴油机缸套（即为图中锯齿部分结构）以及气缸盖的底部形成的腔室为前述的混合缸；做功缸活塞的顶部、柴油机缸套以及气缸盖的底部形成的腔室为做功缸。
17.本技术还提供了采用上述分缸燃烧式内燃机的工作方法，以详细阐述双缸设计的优势，具体包括以下步骤：步骤s1：内燃机启动，曲轴旋转，此时混合缸进气门4开启、混合缸排气门关闭，混合缸活塞通过混合缸连杆带动向下运动，将新鲜空气吸入进气道，ecu根据凸轮轴的凸轮位置信号发生器信号控制喷油器的开启，向进气道喷射燃油，燃油与新鲜空气形成初始燃气混合气；混合缸活塞继续下行，将初始燃气混合气吸入混合缸内，当活塞下行到下止点时，完成进气冲程；步骤s2：曲轴继续旋转，混合缸活塞在混合缸连杆的推动下开始向上运动，此时混合缸进气门关闭，初始燃气混合气在混合缸活塞顶部的推动下形成挤流或者滚流的扰动，随着混合缸活塞继续上行，混合缸活塞顶部与缸盖底部的间隙越来越小，初始燃气混合气压力升高，燃油与空气形成了高压的均匀混合气；当混合缸活塞向上运行至接近上止点附近时，完成压缩冲程；步骤s3：当混合缸活塞向上运行至接近上止点附近时，混合缸排气门打开，做功缸进气门关闭，高压的均匀混合气在混合缸活塞的推动下进入压力室，混合缸活塞运行到上止点时，混合缸排气门关闭，点火系统在ecu的控制下对高压的均匀混合气点火，形成爆燃的燃烧气体；同时，做功缸进气门开启，爆燃的燃烧气体通过做功缸进气门进入做功缸，推动做功缸活塞向下运行，通过做功缸连杆推动曲轴旋转，对外做功，当做功缸活塞向下运行
到下止点时，完成做功行程；步骤s4：曲轴在惯性的作用下继续旋转，通过做功缸连杆推动做功缸活塞向上运行，此时，做功缸进气门关闭，做功缸排气门16开启，做功后的废气在做功缸活塞的推动下通过做功缸排气门排出，当做功缸活塞上行到上止点时，完成排气冲程。
18.本技术中还设置的egr的废气温度传感器，其对压力室内废气温度进行监控，当废气温度低于预设温度时，egr阀在ecu的控制下，按照预设流通截面开启或关闭将高温的燃气引入压力室，对未燃烧的燃气进行加热，改善内燃机的冷启动性能；在部分负荷工况下，当废气温度高于预设温度时，根据排出废气的压力和流量，按照预设流通截面开启或关闭，将部分未完全燃烧的燃气再引入压力室内进行燃烧，形成废气再循环系统，降低内燃机的排放污染物。
19.通过上述阐述可知，本技术提供的分缸燃烧式内燃机从根本上解决了燃气混合不均匀、排放污染物多以及燃烧效率低的问题，适合大范围推广。
20.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
21.本技术中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
22.本技术中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
23.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种分缸燃烧式内燃机，其特征在于：包括混合缸(3)、压力室(9)以及做功缸(17),压力室（9）设置在混合缸(3)及做功缸(17)的顶部中间位置，在混合缸(3)及做功缸(17)的顶部中间位置还安装点火系统(10)；在混合缸的顶部开设混合缸排气门（8）以及混合缸进气门（4），做功缸的顶部开设做功缸进气门（15）以及做功缸排气门（16），压力室同时与混合缸排气门(8)、做功缸进气门(15)连通，当混合缸排气门(8)与做功缸进气门(15)关闭时，压力室(9)内形成封闭空间；内燃机的进气侧设置进气道(5)，进气道(5)的管壁上安装喷油器(6)；在混合缸(3)内设置混合缸活塞(2)，混合缸活塞(2)通过混合缸连杆(19)与曲轴(1)联接，在做功缸(16)内设置做功缸活塞(18)，做功缸活塞(18)通过做功缸连杆(20)与曲轴(1)联接。2.根据权利要求1所述的分缸燃烧式内燃机，其特征在于：分缸燃烧式内燃机为发动机；前述发动机选用偶数型号缸体发动机或者v型偶数型号缸体发动机。3.根据权利要求2所述的分缸燃烧式内燃机，其特征在于：在压力室（9）外部罩设气缸盖，在气缸盖上安装凸轮轴，凸轮轴上安装凸轮位置传感器(12)，还包括egr阀(13)以及废气温度传感器(21)，且egr阀(13)、凸轮位置传感器(12)以及废气温度传感器(21)均安装在egr管路(14)内。4.根据权利要求3所述的分缸燃烧式内燃机，其特征在于：所述egr阀（13）、喷油器(6)以及点火系统(10)均通过ecu(11)控制；根据发动机运行工况， ecu(11)控制egr阀(13)的开度，将未完全燃烧的废气再次引入压力室（9）内进行燃烧，形成废气再循环系统。5.根据权利要求4所述的分缸燃烧式内燃机，其特征在于：喷油器(6)通过油管与油泵(7)联接。6.根据权利要求5所述的分缸燃烧式内燃机，其特征在于：混合缸活塞(2)的顶部、柴油机缸套以及气缸盖的底部形成的腔室为前述的混合缸(3)；做功缸活塞(18)的顶部、柴油机缸套以及气缸盖的底部形成的腔室为做功缸(16)。7.采用权利要求6所述分缸燃烧式内燃机的工作方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤s1：内燃机启动，曲轴(1)旋转，此时混合缸进气门(4)开启、混合缸排气门(8)关闭，混合缸活塞(2)通过混合缸连杆(19)带动向下运动，将新鲜空气吸入进气道（5），ecu(11)根据凸轮轴的凸轮位置信号发生器信号控制喷油器的开启，向进气道(5)喷射燃油，燃油与新鲜空气形成初始燃气混合气；混合缸活塞(2)继续下行，将初始燃气混合气吸入混合缸(3)内，当活塞(2)下行到下止点时，完成进气冲程；步骤s2：曲轴继续旋转，混合缸活塞(2)在混合缸连杆(19)的推动下开始向上运动，此时混合缸进气门(4)关闭，初始燃气混合气在混合缸活塞(2)顶部的推动下形成挤流或者滚流的扰动，随着混合缸活塞(2)继续上行，混合缸活塞(2)顶部与缸盖底部的间隙越来越小，初始燃气混合气压力升高，燃油与空气形成了高压的均匀混合气；当混合缸活塞向上运行至接近上止点附近时，完成压缩冲程；步骤s3：当混合缸活塞向上运行至接近上止点附近时，混合缸排气门(8)打开，做功缸进气门(15)关闭，高压的均匀混合气在混合缸活塞(2)的推动下进入压力室（9），混合缸活
塞运行到上止点时，混合缸排气门(8)关闭，点火系统在ecu(11)的控制下对高压的均匀混合气点火，形成爆燃的燃烧气体；同时，做功缸进气门(15)开启，爆燃的燃烧气体通过做功缸进气门(15)进入做功缸(16)，推动做功缸活塞(18)向下运行，通过做功缸连杆(20)推动曲轴(1)旋转，对外做功，当做功缸活塞(18)向下运行到下止点时，完成做功行程；步骤s4：曲轴在惯性的作用下继续旋转，通过做功缸连杆(20)推动做功缸活塞(18)向上运行，此时，做功缸进气门(15)关闭，做功缸排气门(16)开启，做功后的废气在做功缸活塞(18)的推动下通过做功缸排气门(16)排出，当做功缸活塞(18)上行到上止点时，完成排气冲程。8.根据权利要求7所述分缸燃烧式内燃机的工作方法，其特征在于：egr废气温度传感器(21)对压力室内废气温度进行监控，当废气温度低于预设温度时，egr阀(13)在ecu(11)的控制下，按照预设流通截面开启或关闭将高温的燃气引入压力室，对未燃烧的燃气进行加热，改善内燃机的冷启动性能；在部分负荷工况下，当废气温度高于预设温度时，根据排出废气的压力和流量，按照预设流通截面开启或关闭，将部分未完全燃烧的燃气再引入压力室(9)内进行燃烧，形成废气再循环系统，降低内燃机的排放污染物。9.根据权利要求8所述分缸燃烧式内燃机的工作方法，其特征在于：油泵(7)内的燃料在ecu(11)控制下，喷油器(6)喷入进气道(5)的压力为80-100mpa。

技术总结
本发明涉及一种分缸燃烧式内燃机及其工作方法，该内燃机由1个混合缸1个做功缸组成一对工作单元，在两缸之间的顶部中间位置设置压力室及点火系统，压力室,前端通过混合缸排气门与混合缸连通，压力室内后端通过做功缸进气门与做功缸连通；新鲜空气与燃料在混合缸活塞上行推动的作用下形成均匀的混合燃气，然后将均匀混合后的混合气推入压力室稳压后点燃供向做功缸，完成进气和压缩形成；燃烧气体进入做功缸推动做功缸活塞下行做功，完成做功和排气冲程；本发明解决现有技术中的四冲程压燃式内燃机在燃烧过程中空气和燃料边燃烧边混合而不能实现均值燃烧，且对燃油喷射系统具有较高的压力的技术问题。高的压力的技术问题。高的压力的技术问题。


技术研发人员：张学文 张程尧 倪培永 董运晓 纪策
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/7/6