專利名稱：接近絕熱的低溫發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有很高燃料能量利用率的低溫運行新型內(nèi)燃發(fā)動機。
現(xiàn)有技術汽車使用量的增長大大增加了大氣中的各種污染物質(zhì)，包括溫室氣體如二氧化碳，這些環(huán)境影響問題要求在改善汽車動力傳動系燃料利用率的方法方面進行探索。
用于客車的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(ICE)在市區(qū)行駛時的熱效率平均約為15％，最高效率約為35％。即使在最高效率處。現(xiàn)有發(fā)動機還是通過發(fā)動機冷卻系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)廢棄了供應給它的熱能的大約三分之二。當燃料在一發(fā)動機中燃燒時，就將其中所包含的化學能轉(zhuǎn)換成熱能。由于這種燃燒發(fā)生在一密閉容積中(發(fā)動機的燃燒室)，燃燒氣體的溫度增高(以及在一些情況下與反應物相比的燃燒氣體克分子數(shù)增加)引起系統(tǒng)壓力增加。由于燃燒室容積膨脹，例如活塞移動，即作了功。傳統(tǒng)內(nèi)燃機浪費了許多可利用的熱能。首先，燃燒室通過液體或空氣來冷卻，從而減少了壓力和作功的潛能。第二，由于膨脹比通常受到壓縮比的限制，膨脹過程不允許充分膨脹或充分利用燃燒室中產(chǎn)生的壓力。第三，大量熱量存在于廢氣中。
本發(fā)明概況因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種能大大提高燃料效能的內(nèi)燃機。本發(fā)明的設計具有使燃料效率提高50-100％的潛力。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種其機型本身就能使NOx排氣污染物的形成大大減少的發(fā)動機。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種通過降低燃燒系統(tǒng)的峰值氣體溫度來降低熱損失的內(nèi)燃機。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種內(nèi)燃機，其中，在一內(nèi)燃燒室中設有一與氣缸頭與活塞之間剩余空間內(nèi)的空氣不足區(qū)域?qū)嶋H分開的空氣聚集區(qū)域，該空氣不足區(qū)域圍繞內(nèi)燃燒室形成一隔離“外環(huán)”，從而可在增加總的系統(tǒng)質(zhì)量和進一步降低系統(tǒng)溫度和熱損失的同時得到良好的燃燒。
本發(fā)明的再一目的在于在提供一種膨脹比大于壓縮比的內(nèi)燃機。
最后，本發(fā)明的一個目的在于在提供一種在接近絕熱狀態(tài)下運轉(zhuǎn)的內(nèi)燃機。
因此，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種帶有空氣的超稀釋燃料混合氣以用于接近絕熱運行。具體地說，本發(fā)明提供一種內(nèi)燃機，包括一氣缸，一關閉氣缸一端的氣缸蓋，以及一可移動地安裝在氣缸內(nèi)以在上止點與下止點之間往復運動的活塞。活塞、氣缸和氣缸蓋限定了一內(nèi)腔。通過提供一位于氣缸蓋內(nèi)或活塞頂部的接受燃料和空氣以在其內(nèi)進行局部化燃燒的囊，而將燃燒隔離在內(nèi)腔的一個區(qū)域。通過一用于將活塞的往復運動轉(zhuǎn)換為一旋轉(zhuǎn)輸出的傳統(tǒng)方式的活塞桿，將活塞與一曲軸連接。氣缸蓋中裝設有多個閥，用于將燃燒空氣引入系統(tǒng)室并將燃燒生成物排出。氣缸蓋中安裝有一傳統(tǒng)的燃料噴射器，用于將燃料引入由燃燒囊限定的局部化燃燒腔。
本說明書中所用的“空氣”系指包括空氣和大氣與循環(huán)排出氣體的混合物。另外，本說明書中所用的“氧的理想配比量”系指包括大氣和大氣與循環(huán)排出氣體的等效質(zhì)量。
在采用這么一種尺寸的活塞頭以能使活塞上的側(cè)向力成為一個因素的實施例中，可在活塞頂部與曲軸之間設置引導裝置，例如在下述第一實施例中的一副活塞和活塞氣缸的組合。
可以通過裝設熱隔離形成一熱屏障，將氣缸分成兩部分。通過這種熱屏障，可在活塞裙部較低的某一位置提供油潤滑，此時活塞在上止點處，從而通過熱屏障將油環(huán)與燃燒室分離。
在某些較佳實施例中，活塞為具有復蓋中空內(nèi)部之熱屏蔽的中空結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明并提供一種用于在一與活塞上表面、活塞氣缸和氣缸蓋所限定的較大系統(tǒng)室相連通的局部化燃燒室內(nèi)以接近絕熱狀態(tài)進行燃燒的方法。將空氣與噴射燃料一起引入燃燒室用于局部化燃燒，而圍繞燃燒室的系統(tǒng)室中的空氣則用作使氣缸與燃燒室熱隔離。以通常方式通過一個或兩個閥將燃燒生成物從燃燒室和系統(tǒng)室中排出。
在較佳實施例中，引入燃燒室中的空氣量典型地為氧的理想配比量的4-5倍。燃燒系在一低于傳統(tǒng)溫度、即最高平均氣溫最好在900-1100℃范圍內(nèi)進行。在較佳實施例中，燃燒室中的最高壓力典型地為500-1000磅/平方英寸。
附圖簡單說明

圖1為“理想”氣體的壓縮比與溫度的關系曲線；圖2為本發(fā)明中供給燃燒氣體室的空氣和經(jīng)稀釋的空氣的溫度與壓縮比的關系曲線；
圖3為本發(fā)明裝置的第一實施例的局部剖面圖；圖4為本發(fā)明裝置的第一實施例的局部剖面圖。
較佳實施例說明通過一“熱”發(fā)動機將包含在燃料內(nèi)的化學能轉(zhuǎn)換為機械功的最佳裝置是使壓力乘以系統(tǒng)容積變化最大化。在一實際結(jié)構(gòu)中，是將燃料在空氣中燃燒，提高燃燒氣體的溫度，并形成加大的壓力、作用在一給定面積的表面上使其運動并作功。系統(tǒng)容積變化是通過提高系統(tǒng)的膨脹比加以提高的。通常如有可能，最大壓力是通過使系統(tǒng)(燃燒生成物加氮)溫度最大化得到的。對于一個給定系統(tǒng)來說，最大溫度是通過使系統(tǒng)熱損失最小化實現(xiàn)的。傳統(tǒng)內(nèi)燃機由于燃燒溫度極高，除了傳給周圍環(huán)境的熱損失大以外，其效率相對來說較高。但由于材料限制，在實用上太高的溫度也是困難的。
為了使假設熱發(fā)動機的熱效率(即所用單位燃料能量的功率ω)(1)對環(huán)境的熱損失比率q必須最小化，(2)排氣溫度和壓力(T2，P2)必須盡可能接近環(huán)境溫度和壓力(T1，P1)，以及(3)考慮到發(fā)動機所需功率，排出廢氣質(zhì)量的比率m必須盡可能低?？蓪U氣溫度和壓力的最小化看成兩個分開的過程，同時使熱損失最小化。
下述本發(fā)明實施例提供一種使熱損失最小化的新型裝置，在一些情況下，提供一種同時使廢氣壓力最小化的新型裝置。熱損失最小化引起在一給定膨脹比之后較高的系統(tǒng)壓力，因而膨脹得越多則得益越多。
向環(huán)境的熱損失比率q由下式確定q＝K×A×ΔT式中K＝總的熱傳遞系數(shù)(單位時間內(nèi)單位表面積和溫度差傳遞的能量)，如BUT/ft2×°F×hr。
A＝熱傳遞表面積ΔT＝系統(tǒng)氣體與周圍環(huán)境之間的溫度差顯然，通過將燃燒室與膨脹室隔離(或如在現(xiàn)行實踐中所用的不冷卻這些表面)降低熱傳遞系數(shù)將減少熱損失。然而所產(chǎn)生的增高的溫度(超過2000℃)將超過傳統(tǒng)燃燒室材料的最低強度溫度范圍(實際上為熔點)。例如，可加工金屬合金的最高溫度一般低于800℃。
最好是減少熱傳遞表面積，但根據(jù)燃燒室和膨脹室所需容積，這種減少是受到限制的。表面與容積比的最小化在方向上是有利的。然而，本發(fā)明實際上并不減少面積，而是增加容積(從而增加熱傳遞面積)，例如，對于與傳統(tǒng)發(fā)動機相比的一給定功率等級，容積的系數(shù)為5(5X)而面積的系數(shù)為3(3X)。
在本發(fā)明中是減少系統(tǒng)氣體的最高溫度(以及平均溫度)以減少溫度梯度或熱損失的“驅(qū)動力”。在這一點上，本發(fā)明與追求最高溫度最大化以實現(xiàn)以下目標的傳統(tǒng)做法相反(1)減少熱損失(即接近一絕熱發(fā)動機)，因為通常的結(jié)論是減少熱損失必然引起溫度增高，以及(2)實現(xiàn)高的熱效率，因為通常的結(jié)論是高溫意味著高效率。
眾所周知，傳統(tǒng)的熱發(fā)動機吸收大量熱量達到某個最高溫度Tmax，并以某個低個較低溫度Tlow排出“廢棄”熱量，因此只能將一部分所吸收的熱量轉(zhuǎn)換為功。這甚至適用于一在“理想狀態(tài)”下運轉(zhuǎn)的“理想發(fā)動機”(由一定過程所限定的)?？ㄖZ循環(huán)常用于表示即使采用“理想發(fā)動機”，也只有一部分被吸收熱量能被轉(zhuǎn)換為功，以及該部分取決于運轉(zhuǎn)溫度Tmax和Tlow，而且與該循環(huán)相比，總的來說與運轉(zhuǎn)的發(fā)動機的性質(zhì)無關?？ㄖZ循環(huán)產(chǎn)生的最大的功可從在一溫度處吸收并在另一較低溫度處給出的熱量導出。在一卡諾循環(huán)中作的功等于在一較高溫度處吸收的總熱量減去在較低溫度處向環(huán)境釋放的熱量。熱力學效率即為這個功除以吸收的全部熱量。對于一理想氣體的卡諾循環(huán)的熱力學效率等于Tmax減去Tlow除以Tmax。重要的是強調(diào)它是理想氣體，產(chǎn)生循環(huán)效率與Tmax直接相關的“理想發(fā)動機”的卡諾循環(huán)分析的閉合系統(tǒng)性質(zhì)。雖然“沒有任何發(fā)動機的效率能與卡諾發(fā)動機相比”這句話是對的，但是還沒有一種卡諾發(fā)動機具有實際上在2000℃運轉(zhuǎn)的Tmax。因此在實踐中總是要盡力提高系統(tǒng)氣體的最高溫度以提高熱效率，這是不足為奇的，而且如較高溫度在一非理想(即實際)系統(tǒng)中并不引起較高百分比的熱損失的話，則是所希望的。應注意在下述本發(fā)明的實施例中，卡諾循環(huán)提供了四個無熱損失的循環(huán)階段的三個，包括提供等溫膨脹(即熱量輸入)的起始膨脹階段。只有起始壓縮階段將熱量釋放到環(huán)境中去。如前所述，現(xiàn)有的或傳統(tǒng)的發(fā)動機通過在燃燒和膨脹過程中的熱損失喪失了其大部分熱效率，而卡諾循環(huán)則兩種熱損失都不允許有。
因此，本發(fā)明提供一種通過降低最高燃燒溫度來減少熱損失并提高效率的新途徑。降低最高溫度(1)通過減少溫度驅(qū)動力(最高氣體溫度與氣缸溫度之間的溫度差)直接減少熱損失，以及(2)通過允許使用能隔熱的材料和發(fā)動機結(jié)構(gòu)間接減少熱損失，以實現(xiàn)接近絕熱設計。本發(fā)明中的最高氣體溫度以在900-1100℃范圍內(nèi)最為有利。
假定一絕熱系統(tǒng)由已知氣體組成，因吸收一定量的熱量(如燃料燃燒能量)產(chǎn)生的溫升與每種氣體的克分子及其克分子熱容量直接有關。因此，在本發(fā)明方法中降低最高溫度需要增加用于吸收一定量的熱量的氣體的質(zhì)量。對于通過增加用于吸收一定量的熱量的系統(tǒng)的質(zhì)量和/或采用低壓縮比來降低最高溫度的方法，機械實施例的概念是必須在熱量析出點處具有一大容積(即大燃燒室)以提供一以高壓縮比和很少或沒有充量稀釋運轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)發(fā)動機的當量功率輸出。因此，在本發(fā)明中，燃料充填的“過稀釋”是通過將空氣引入燃燒室(以及任選的廢氣)，以傳統(tǒng)方式通過一傳統(tǒng)的進氣歧管，最好以一給定值λ＝4-5，其中λ表示包含氧氣的理想配比量的空氣量。因此，本發(fā)明的ICE將采用具有2-3倍于同樣功率的傳統(tǒng)ICE的活塞直徑的活塞，而且燃燒室(活塞在下止點處)將具有4-6倍于傳統(tǒng)ICE的容量。
最高溫度也直接受到起始系統(tǒng)溫度的影響。因此，不加熱(或冷卻)新鮮充量(例如空氣和燃料的質(zhì)量)也將使最高溫度最小化。最高溫度也直接受到新鮮充量的壓縮比的影響，壓縮比越大，由于新鮮充量作了功，故最高溫度越高。
與傳統(tǒng)ICE中的最高氣體壓力1500-2000磅/平方英寸相比，本發(fā)明的ICE系以500-1000磅/平方英寸的最高氣體壓力運轉(zhuǎn)。
圖1表示溫度對于壓縮比(容積減少率，CR)和起始溫度的反應，它是“理想氣體”絕熱和可逆變化過程時的容積變化，但采用在恒定壓力處熱容量(即在恒定壓力處溫度熱含量的變化率)與恒定容積處熱容量(即在恒定容積處溫度內(nèi)部能量的變化率)的比率Cp/Cv為1.40以模擬氮氣。表示最終溫度T2與起始溫度T1關系的通式為T2＝T1/CR(1/CR)Cp/Cv對于一給定吸熱量、降低最高溫度的增加系統(tǒng)質(zhì)量的方法將以燃燒甲醇來說明。在25℃處燃燒一克分子的液體甲醇產(chǎn)生約173670卡的熱能。一克分子甲醇在“簡化空氣”中的理想配比燃燒由下式表示CH3OH(1)+32O2(g)+6N2(g)→CO2(g)+2H2O(1)+6N2(g)]]>調(diào)節(jié)物理狀態(tài)并假定一容積固定的絕熱系統(tǒng)，可提供約151740卡以將氣態(tài)“燃燒生成物”從25℃(假定在該溫度處燃燒)加熱到一較高溫度。則最高溫度可通過下述計算估算[Cv(CO2)+2Cv(H2O)+6Cv(N2)]ΔT＝151740式中Cv為溫度范圍以上以每℃、每克分子的卡數(shù)表示的平均熱容量。采用近似熱容量即為[11.05+2(7.86)+6(5.5)]ΔT＝151740則ΔT＝2539℃在相同溫度處用“再循環(huán)”排出生成物將起始充氣稀釋到50％，則ΔT＝1269℃，而如稀釋到75％，則ΔT＝635℃。
圖2表示在前述假設下對于壓縮比、起始充氣溫度和增加的系統(tǒng)質(zhì)量的相對溫度反應。因此，本發(fā)明方法的具體實施例將采用各種組合(1)對于一給定吸熱量增加系統(tǒng)質(zhì)量(通常采用各種廢氣和過量空氣的組合)，(2)使壓縮比最小化，以及(3)使起始系統(tǒng)溫度最小化。
本發(fā)明的另一方面是考慮到最高燃燒室壁溫度可高達800℃或更高的情況下為活塞環(huán)提供潤滑的裝置。由于傳統(tǒng)潤滑劑只能在250℃以下運轉(zhuǎn)，這就尤其重要。即使75％的稀釋(例如50％的“再循環(huán)”廢氣，25％的過量空氣和25％的理想配比空氣/燃料混合物)，0℃的起始充氣溫度和8∶1的壓縮比，將產(chǎn)生1300°K(1027℃)的絕熱最高燃燒溫度(見圖2)。然而，氣缸壁最高溫度也可通過燃燒室設計、燃燒定時和其他裝置加以最小化。
圖3所示為采用一四沖程循環(huán)的本發(fā)明的一實施例。如圖所示，內(nèi)燃機(ICE)10包括一被分成上部21和下部22的氣缸20?；钊?4可滑動地安裝在氣缸20內(nèi)，用于在上止點與下止點之間往復運動。氣缸20的上端通過一氣缸蓋26加以密閉，而氣缸蓋26與活塞24和上氣缸部21一起限定了一系統(tǒng)室28。氣缸蓋包含一空氣吸入閥66和一以傳統(tǒng)方式運轉(zhuǎn)的排氣閥67。
一由絕熱材料制成的墊片30用于在上氣缸部21與下氣缸部22之間形成一熱屏障。隔熱墊片可合適地采用一帶填料或不帶填料的非金屬陶瓷纖維的編織品。市售的適合的墊片材料有3M公司的“INTERAM”(商標名)。
活塞24具有一頂面部即板32和一由頂部32垂下的裙部34?；钊?4的頂面板32在中央具有一半球囊36，該囊36從一位于中央的燃料噴射器38接受燃料，從而限定了一局部燃燒區(qū)域?；钊捻敯?2和裙部34限定與傳統(tǒng)ICE活塞相比質(zhì)量較小的中空內(nèi)部。一圓頂件40裝設在活塞24的中空內(nèi)部并與囊36的金屬片底部固定以為活塞的頂板32提供結(jié)構(gòu)加強。活塞頂板32、裙部34、囊36和圓頂件40均由具有所需結(jié)構(gòu)強度的適當?shù)哪蜔岵牧先玮佷撝瞥?。圓頂件40也用作將熱量反射回活塞頂板32用的熱量反射屏罩。兩個附加的熱屏蔽41和42也將活塞內(nèi)部隔開并用作將熱量反射回頂板32。與圓頂件40一樣，熱屏蔽41和42也可由鈦鋼片或膜制成。如前所述，本發(fā)明考慮以大大低于傳統(tǒng)ICE的最大氣體壓力運轉(zhuǎn)。壓力的降低允許減少活塞質(zhì)量，但壓力降低會使功減少，除非活塞面積增大。因此，本發(fā)明中的活塞將具有比同等功率能力的傳統(tǒng)內(nèi)燃機的活塞大得多的直徑。例如，為了產(chǎn)生具有70-80mm直徑孔的傳統(tǒng)小內(nèi)燃機同等的功率輸出，本發(fā)明的活塞應具有大約150-250mm的直徑。
活塞245的裙部34帶有多個油環(huán)，如圖中44、45所示。這些油環(huán)位于裙部端部遠離頂板32處，活塞長度和油環(huán)的位置設置成使活塞的頂板32和油環(huán)44、45在由墊片30和活塞24在上止點處限定的熱屏蔽的兩側(cè)。油環(huán)44、45潤滑的整體性(傳統(tǒng)方式中從曲柄箱加以潤滑)可通過以傳統(tǒng)方式使冷卻液通過被外殼46和下氣缸22限定的空間而進一步加強。
如圖3所示，活塞34被安裝在活塞桿52的一端，活塞桿52的另一端與一可往復運動地安裝在引導氣缸50中的引導活塞48連接。導向活塞48通過一活塞桿54與一曲軸56連接，由此將活塞24和48的往復運動以傳統(tǒng)方式轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)輸出。導向氣缸50和活塞48的組合設計成防止側(cè)向力作用在活塞24上。其他導向機構(gòu)可適當用于同樣目的，例如滑塊、滾拄軸承或一菱形驅(qū)動機構(gòu)(菱形驅(qū)動機構(gòu)也代替曲軸)。然而在各種布局中還可將導向機構(gòu)整個省去。例如將本發(fā)明用于一兩沖程循環(huán)，以目前設想可不需要圖3所示實施例中用48和50表示的導向件。
如前所述，可以通過使發(fā)動機冷卻液循環(huán)以傳統(tǒng)方式穿過空間60而對下氣缸22進行冷卻。上氣缸21也配置有一在其間限定一空間64的外殼58?？赏ㄟ^空間64內(nèi)的空氣或在空間64內(nèi)設置適當?shù)母魺岵牧线M行隔熱?？臻g62與活塞24的底部相連而在該空間中的空氣也用于對活塞進行冷卻。
半球囊36形成為活塞頂板或表面32中的凹陷并與隔熱材料制成的插入件69對齊。插入件69可適當?shù)赜梢惶沾刹牧现瞥伞?br> 運轉(zhuǎn)時，在進氣沖程期間，空氣和廢氣稀釋的混合氣通過進氣閥66被引入系統(tǒng)室28，當時活塞24從其上沖程位置(上止點)移動到其下沖程位置(下止點)。當活塞24到達其下沖程位置時，進氣閥66關閉。當活塞向其上沖程位置移動時即產(chǎn)生壓縮。燃料通過燃料噴射器38進行噴射并通過壓縮溫度或通過一火花塞、預熱室或其他裝置(未示)加以點火。系統(tǒng)增加的壓力膨脹并產(chǎn)生軸功率而使活塞向其下沖程位置移動。當活塞移動到其下一個上沖程位置時，排氣閥67打開以允許膨脹的氣體排出。然后重復循環(huán)。
如前所述，最高燃燒溫度主要是通過用廢氣和/或過量空氣進行系統(tǒng)稀釋加以控制。然而，即使空間64中的隔離將大大減少熱損失，仍有許多熱能通過上氣缸21的的壁損失掉。因此，進一步使系統(tǒng)室壁溫度最小化是有利的，并可通過使燃燒局部化在在靠近活塞頂板32中心的囊36內(nèi)，故囊36(有效的是燃燒室)與氣缸21的的壁之間的廢氣和空氣的圓環(huán)70起隔熱作用。進一步的好處是通過在活塞內(nèi)將燃燒室定位于一緊湊的立柱中而得到的(或者定位于一在兩個閥之間靠近氣缸蓋26中心的凹腔)。這允許將一高溫隔離插入件69安裝在活塞中?；钊迦爰?9減少了直接向活塞的熱傳遞，其在活塞中的位置通過對壁與最高溫度氣體進行屏蔽而減少了向冷卻系統(tǒng)室的熱傳遞。
圖4示出了采用一兩沖程循環(huán)的本發(fā)明的一第二實施例。在運轉(zhuǎn)中，靠近活塞100的上沖程位置處(在作為活塞從其下沖程位置至上沖程位置運動出現(xiàn)的排氣/壓縮沖程之后)，當空氣閥102打開時，通過該空氣閥102將壓力空氣(可由各種裝置包括一發(fā)動機驅(qū)動活塞壓縮機供給)噴射到燃燒室110中。空氣經(jīng)供氣管道106流入燃燒室110中。在供給足夠的空氣后空氣閥102關閉，活塞100仍靠近其上沖程位置處。然后通過燃料噴射器108在燃燒室110內(nèi)將燃料噴射到空氣中，并通過壓縮溫度或通過一火花塞、預熱室或其他裝置(未示)加以點火。另外也可采用一安裝在空氣管道106中的燃料噴射器109。系統(tǒng)增加的壓力膨脹并產(chǎn)生軸功率而使活塞向其下沖程位置移動。當活塞開始其從下沖程位置向上沖程位置的運動時，排氣閥112和113打開(可采用一個或多個排氣閥)。已膨脹的系統(tǒng)氣體經(jīng)排氣閥112和113排出，直至排氣閥關閉，例如靠近活塞朝其上沖程位置行程的中點。然后當活塞100完成其到上沖程位置的行程時(即排氣/壓縮行程)對剩下的系統(tǒng)氣體進行壓縮。然后重復循環(huán)。
如前所述，最高燃燒溫度主要是通過用廢氣(經(jīng)過混合)和/或過量空氣進行系統(tǒng)稀釋再次加以控制。然而，本實施例是將原先要消耗掉的容納在系統(tǒng)室104的剩余容積內(nèi)由前一循環(huán)剩下的系統(tǒng)氣體，在燃燒室110內(nèi)提供一空氣濃縮?？諝饣旌衔锱c剩下的被消耗的系統(tǒng)氣體的這種分離(分層)能使整個系統(tǒng)的稀釋大得多并因此而降低溫度，而在空氣濃縮混合物內(nèi)仍能良好燃燒。
第二實施例也可包含第一實施例的若干特征，包括系統(tǒng)室隔離裝置114，一位于中心或靠近中心的緊湊的燃燒室(例如在活塞內(nèi)的110)，以及高溫燃燒室隔離插入件120。
由于第二實施例允許整個系統(tǒng)的稀釋高得多，特別是主要由剩下的消耗系統(tǒng)氣體組成的氣體的外環(huán)、系統(tǒng)室壁101和103可維持在較低溫度，故能采用高溫液體潤滑液對活塞環(huán)116和117進行潤滑。如果在無液體潤滑的情況下達到足夠的耐用度，則也可采用某些活塞環(huán)和系統(tǒng)室壁材料。在本實施例中，大大減少了活塞100上的側(cè)向力，故可省去導向機構(gòu)(第一實施例中的48、50)。
第二實施例與第一實施例相比提供了更高的給定功率，但需要一分開加壓的供氣系統(tǒng)。
第二實施例通過調(diào)節(jié)剩下的消耗系統(tǒng)氣體的數(shù)量和噴射空氣的數(shù)量而使膨脹比大于壓縮比。該特點在膨脹結(jié)束時提供一較低的系統(tǒng)壓力和溫度(如前所述，因而改善了熱效率)。一對于剩下的消耗系統(tǒng)氣體的較低的溫度也降低了系統(tǒng)室壁的溫度。
本發(fā)明的其他實施例可從上述的兩個具體實施例合乎邏輯地推出。例如，所述的第一實施例可通過將活塞環(huán)靠近活塞頂部(如第二實施例所述)保留一更傳統(tǒng)的活塞設計而仍結(jié)合空氣隔離和徑向熱屏蔽。然而，活塞頂部的環(huán)將需要進行干潤滑或系統(tǒng)室壁將需要加以充分冷卻以允許使用高溫液體潤滑液。需要對可使結(jié)構(gòu)更簡單、成本更低廉但熱損失增加的折衷方案進行成本效益分析，即確定成本節(jié)省是否大于效率損失。
本發(fā)明可在不脫離其精神或基本特征的情況下以其他具體形式加以實施。因此，前述實施例應被認為是示意性的而并非限制性的，本發(fā)明的范圍系由權利要求書而不是前面的具體描述來確定，因此，在權利要求含義及范圍內(nèi)的所有變化均應涵蓋在本發(fā)明范圍中。
權利要求
1.一種內(nèi)燃機，包括一氣缸；一密閉所述氣缸一端的氣缸蓋；一可滑動地安裝在所述氣缸內(nèi)、用于在上止點與下止點之間往復運動的活塞，所述活塞具有一面對所述氣缸蓋的頂面，以及一從所述頂面垂下并限定一中空活塞內(nèi)部的圓柱形裙部，所述活塞頂面、所述氣缸蓋和所述氣缸的一第一部作為限定一系統(tǒng)室的壁；圍繞所述氣缸的所述第一部、用于防止熱量從所述系統(tǒng)室損失的氣缸隔熱裝置；一位于所述系統(tǒng)室壁中、用于接受燃料并用作局部化燃燒用燃燒室的囊；至少與所述囊共同擴張的、用于防止熱量從所述系統(tǒng)室損失的活塞隔熱裝置；以及，用于將所述活塞的往復運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)輸出的裝置；在所述氣缸蓋中用于將空氣引入系統(tǒng)室及用于將燃燒生成物從所述系統(tǒng)室排出的閥裝置；用于將燃料噴射到所述囊內(nèi)的燃料噴射裝置。
2.如權利要求1所述的內(nèi)燃機，其特征在于，所述囊位于所述活塞的頂面。
3.如權利要求1所述的內(nèi)燃機，其特征在于，所述囊的橫截面為半球狀。
4.如權利要求1所述的內(nèi)燃機，其特征在于，所述氣缸的所述第一部被軸向隔開并通過一隔熱屏障與一所述氣缸的第二部分開。
5.如權利要求4所述的內(nèi)燃機，其特征在于，還包括設于所述活塞的凹槽所述裙部中的的油環(huán)，所述油環(huán)被彈簧向外偏置與所述氣缸密封接合，所述頂面與最靠近所述頂面的油環(huán)之間的距離大于所述隔熱屏障與上止點之間的距離。
6.如權利要求5所述的內(nèi)燃機，其特征在于，還包括至少一個由所述裙部支承并復蓋所述中空內(nèi)部以將熱量從所述燃燒室向所述頂面反射的熱屏蔽，所述至少一個熱屏蔽位于所述頂面與所述油環(huán)之間。
7.如權利要求6所述的內(nèi)燃機，其特征在于，所述一個熱屏蔽為一平的金屬片。
8.如權利要求1所述的內(nèi)燃機，其特征在于，還包括至少一個由所述裙部支承并復蓋所述中空內(nèi)部以將熱量從所述燃燒室向所述頂面反射的熱屏蔽膜片。
9.如權利要求6所述的內(nèi)燃機，其特征在于，所述一個熱屏蔽膜片為一平的金屬片。
10.如權利要求1所述的內(nèi)燃機，其特征在于，還包括所述活塞的一拱形內(nèi)部，所述拱形由所述裙部加以支承并延伸到一與所述囊的底部固定的頂點以對所述頂面進行支承并將熱量從所述燃燒室向所述頂面進行反射。
11.一種用于在一燃燒室內(nèi)在接近絕熱狀態(tài)進行燃燒的方法，所述燃燒室由一氣缸、密閉氣缸的一端并其中具有一排氣閥和一空氣進氣閥的一氣缸蓋、以及一可滑動地安裝在氣缸內(nèi)用于在其中往復運動的活塞所構(gòu)成，所述方法包括將一定數(shù)量的空氣經(jīng)所述空氣進氣閥引入燃燒室，提供一由所述局部化燃燒產(chǎn)生的最高平均溫度900-1100℃；在一所述燃燒室內(nèi)將燃料噴射到到一限制區(qū)域用于在所述限制區(qū)域內(nèi)進行局部化燃燒，空氣在燃燒室內(nèi)圍繞所述限制區(qū)域用于將所述氣缸與所述局部化燃燒進行熱隔離；以及，通過所述排氣閥將所述局部化燃燒的生成物從所述燃燒室排出。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述限制區(qū)域由一在所述活塞頂面中的囊加以限定。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述囊的橫截面為半球狀。
14.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述空氣以提供4-5倍于氧的理想配比量的數(shù)量引入燃燒室。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，由所述局部化燃燒產(chǎn)生的最高平均溫度900-1100℃。
16.如權利要求11所述的方法，其特征在于，由所述局部化燃燒產(chǎn)生的最高平均溫度900-1100℃。
17.如權利要求11所述的方法，其特征在于，在燃燒室內(nèi)的最高壓力為500-1000磅/平方英寸。
18.如權利要求15所述的方法，其特征在于，在燃燒室內(nèi)的最高壓力為500-1000磅/平方英寸。
19.如權利要求11所述的方法，其特征在于，將空氣噴射到所述囊中以為所述局部化燃燒提供一空氣濃縮混合物。
20.如權利要求11所述的方法，其特征在于，在活塞從下止點運動到一大約為下止點與上止點之間距離一半的中點的過程中通過所述排氣閥排氣；當所述排氣閥到達所述中點時，所述排氣閥關閉，所述空氣進氣閥打開，空氣從一分開的壓力裝置通過打開的空氣進氣閥進入所述室中；活塞進一步向上止點運動，對空氣和剩下的消耗氣體進行壓縮，同時通過所述空氣進氣閥關閉，噴射燃料而產(chǎn)生燃燒；以及，活塞在膨脹過程中從上止點向下止點的運動提供一大于壓縮比的膨脹比，其增加取決于引入空氣的壓力。
21.如權利要求4所述的內(nèi)燃機，其特征在于，還包括用于冷卻所述氣缸的所述第二部分的冷卻裝置。
22.如權利要求1所述的內(nèi)燃機，其特征在于，所述氣缸隔熱裝置包括一與所述氣缸隔開以在其間限定一氣隙的外殼。
23.如權利要求22所述的內(nèi)燃機，其特征在于，所述氣隙包含一隔熱材料。
全文摘要
一種新型內(nèi)燃機,包括一氣缸、對氣缸一端進行密閉的氣缸蓋和一以通常方式可滑動地安裝在氣缸內(nèi)以作往復運動的活塞,該往復運動通過一傳統(tǒng)曲軸轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動?；钊斆?、氣缸蓋和氣缸用作限定一系統(tǒng)室的壁,系統(tǒng)室?guī)в幸粋€成為其一壁囊,用于接受燃料和作為局部化燃燒的燃燒室。運轉(zhuǎn)時最高氣體溫度以900—1100℃、最高氣體壓力以500—1000磅/平方英寸為合適。以提供4—5倍于氧的理想配比量引入空氣。
文檔編號F02F3/26GK1191590SQ96192933
公開日1998年8月26日 申請日期1996年4月26日 優(yōu)先權日1996年4月26日
發(fā)明者查爾斯L·小格雷 申請人:美國環(huán)境保護署