CN104564320A - 一种发动机节能减排的多级节流膨胀法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机节能减排的多级节流膨胀法，通过设置突缩节流结构将高压窜气的压力能转换成动能，然后再通过设置突扩膨胀结构使高速窜气的动能耗散为热能，多级节流膨胀法的关键在于构造一个从发动机燃烧室到曲轴箱的具有多级节流膨胀功能的余隙通道，该余隙通道在发动机混合气压缩，点火燃烧与膨胀做功过程中会产生足够大的流动阻力，能有效地阻止高压混合气和高温高压之燃气从发动机燃烧室和气缸到曲轴箱的窜气泄漏，而在排气过程中则能确保只有少量碳氢排放物可从余隙中逸出，既能大幅有效地减少发动机的缸内积碳和尾气排放中的碳氢排放，又能显著提升发动机的燃气效率和发动机的整机性能，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及发动机配件的领域，尤其涉及一种发动机节能减排的多级节流膨胀法，其适用于汽油发动机，气体发动机和柴油发动机（含非道路用发动机和摩托车发动机）。
背景技术
近年来发动机的排放控制要求越来越严，由此对低排放发动机的研发与生产提出了严峻挑战。在发动机的尾气排放污染物中，一般情况下碳氢排放占了主导地位，通常占比四分之三或更高。因此，降低发动机整机尾气排放最有效途径之一就是降低其尾气中的碳氢排放。
已有研究表明，对发动机尾气排放中的碳氢排放有决定性影响的因素在于由气缸壁，活塞，与活塞环组形成的从燃烧室到曲轴箱的余隙通道特性以及通过所述余隙通道的窜气泄漏量的大小。首先，在发动机排气过程中，部分藏在活塞与活塞环和气缸壁间间隙中（主要是第一压缩活塞环以上余隙及部分第一压缩活塞环与第二压缩活塞环间余隙）的碳氢化合物会随着燃烧废气一起逸出排气门外；其二，在发动机混合气压缩行程和点火燃烧膨胀下行过程中，部分高压混合气和高温高压燃气在巨大压差作用下通过活塞与活塞环及气缸体间间隙而进入发动机曲轴箱中，形成混合气和燃气的窜气泄漏，所述窜气泄漏通常还会导致曲轴箱中的机油油温油压升高而形成机油蒸汽，与燃气及燃油混合气窜气一起进入发动机呼吸器，部分机油蒸汽因而会进入燃烧室参与燃烧而形成未燃碳氢排放物随燃烧废气排出排气门外；再者，机油的持续燃烧会在活塞顶部与燃烧室表面形成积碳，积碳的形成会成为未燃烧碳氢化合物的温床，而藏在积碳中的碳氢化合物会在排气过程中随燃烧废气一起逸出排气门外。很显然，燃气燃油混合窜气泄漏量的大小对碳氢排放大小有不可忽视的直接影响。
现有发动机中活塞与相应活塞环组和气缸壁所形成的余隙通道由于无法产生足够大的阻力和能量耗散效应，因而很难阻止高压燃油混合气和高温高压燃气的大量窜气泄漏，即便人们采用减小余隙的办法多数也作用有限。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种发动机节能减排的多级节流膨胀法，通过设置突缩节流结构将高压窜气的压力能转换成动能，然后再通过设置突扩膨胀结构使高速窜气的动能耗散为热能，多级节流膨胀法的关键在于构造一个从发动机燃烧室到曲轴箱的具有多级节流膨胀功能的余隙通道，该余隙通道在发动机混合气压缩，点火燃烧与膨胀做功过程中会产生足够大的流动阻力，能有效地阻止高压混合气和高温高压之燃气从发动机燃烧室和气缸到曲轴箱的窜气泄漏，而在排气过程中则能确保只有少量碳氢排放物可从余隙中逸出，本发明的发动机节能减排的多级节流膨胀法的理论与实现，既能大幅有效地减少发动机的缸内积碳和尾气排放中的碳氢排放，又能显著提升发动机的燃气效率和发动机的整机性能，适合推广应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供了一种发动机节能减排的多级节流膨胀法，所述发动机包括燃烧室和曲轴箱，从燃烧室到曲轴箱之间还设置有多级节流膨胀功能的余隙通道，所述的余隙通道包括气缸本体、活塞本体、第一压缩活塞环、第二压缩活塞环以及油环组件，所述余隙通道从燃烧室以下经活塞本体、第一压缩活塞环、第二压缩活塞环以及油环组件到曲轴箱依次设有至少一级或一级以上的突缩节流结构和突扩膨胀结构，每级所述突缩节流结构和突扩膨胀结构中突缩节流结构的径向余隙尺寸与相邻的突扩膨胀结构的径向余隙尺寸之比小于1.0，所述的多级节流膨胀法具体包括如下步骤：
a、第一级突缩节流结构将燃烧室内部分高压燃油混合气和高温高压燃气形成的高压窜气之压力能转换为高速窜气之动能，经历压力能转换为高速窜气之动能再进入相邻的第一级突扩膨胀结构；
b、相邻的第一级突扩膨胀结构将流入的高速窜气之动能膨胀耗散为高速窜气之热能，能量被大量耗散后的高速窜气之压力与速度均大幅降低；
c、上述窜气带着大幅降低后的压力与速度进入第二级突缩节流结构，再经历上述将高压窜气之压力能转换为高速窜气之动能的过程，压力能转换为高速窜气之动能进入相邻的第二级突扩膨胀结构，再经历上述将高速窜气之动能膨胀耗散为高速窜气之热能的过程，窜气之压力与速度再次大幅降低；
d、重复上述步骤，经历多次突缩节流结构与突扩膨胀结构之节流与膨胀耗散过程后，高压窜气之压力能与动能将被消耗殆尽，再无余力进入到曲轴箱内，从而达成阻止窜气泄漏之目的。
在本发明一个较佳实施例中，每级所述突缩节流结构和突扩膨胀结构中突缩节流结构的径向余隙尺寸与相邻的突扩膨胀结构的径向余隙尺寸之比小于1.0，优选为0.1-0.5。
在本发明一个较佳实施例中，所述活塞本体的外圆周上从上到下依次设有第一环岸、第一压缩环槽、第二环岸、第二压缩环槽、第三环岸、油环槽、活塞裙部或第四环岸。
在本发明一个较佳实施例中，在所述气缸本体的内壁与第二环岸之间设置有一级或多于一级的所述的突扩膨胀结构。
在本发明一个较佳实施例中，在所述气缸本体的内壁与第三环岸之间设置有一级或多于一级的所述的突扩膨胀结构。
在本发明一个较佳实施例中，在所述气缸本体的内壁与第三环岸之间还设置有一级或多于一级的所述的突扩膨胀结构。
在本发明一个较佳实施例中，在所述第二压缩活塞环与第二压缩环槽间之背隙区域设置有一级所述的突扩膨胀结构。
在本发明一个较佳实施例中，在所述气缸本体的内壁与所述活塞裙部或第四环岸之间设置有一级或多于一级的所述的突扩膨胀结构。
在本发明一个较佳实施例中，在所述油环组件与油环槽间之背隙区域设置有一级所述的突扩膨胀结构。
在本发明一个较佳实施例中，所述突缩节流结构包括第一级突缩节流结构和第二级突缩节流结构，所述突扩膨胀结构包括第一级突扩膨胀结构和第二级突扩膨胀结构，其中，所述第一级突扩膨胀结构设置在气缸本体的内壁与第二环岸之间，所述第二级突扩膨胀结构设置在气缸本体的内壁与第三环岸之间。
在本发明一个较佳实施例中，所述突缩节流结构包括第一级突缩节流结构和第二级突缩节流结构，所述突扩膨胀结构包括第一级突扩膨胀结构和第二级突扩膨胀结构，其中，所述第一级突扩膨胀结构设置在气缸本体的内壁与第二环岸之间，所述第二级突扩膨胀结构设置在第二压缩活塞环与第二压缩环槽间之背隙区域。
在本发明一个较佳实施例中，所述突扩膨胀结构还包括第三级突扩膨胀结构，所述第三级突扩膨胀结构设置在气缸本体的内壁与第三环岸之间。
本发明的有益效果是：本发明的发动机节能减排的多级节流膨胀法，通过设置突缩节流结构将高压窜气的压力能转换成动能，然后再通过设置突扩膨胀结构使高速窜气的动能耗散为热能，多级节流膨胀法的关键在于构造一个从发动机燃烧室到曲轴箱的具有多级节流膨胀功能的余隙通道，该余隙通道在发动机混合气压缩，点火燃烧与膨胀做功过程中会产生足够大的流动阻力，能有效地阻止高压混合气和高温高压之燃气从发动机燃烧室和气缸到曲轴箱的窜气泄漏，而在排气过程中则能确保只有少量碳氢排放物可从余隙中逸出，本发明的发动机节能减排的多级节流膨胀法的理论与实现，既能大幅有效地减少发动机的缸内积碳和尾气排放中的碳氢排放，又能显著提升发动机的燃气效率和发动机的整机性能，适合推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1 是本发明的发动机节能减排的多级节流膨胀法的一较佳实施例的结构示意图，即发动机从燃烧室到曲轴箱具有至少两个膨胀腔室的余隙通道结构示意图；
图2是图1中活塞本体的结构示意图；
图3是本发明另一发动机节能减排的多级节流膨胀法的一较佳实施例的结构示意图，即发动机从燃烧室到曲轴箱具有至少三个膨胀腔室的余隙通道结构示意图；
附图中的标记为：1-- 气缸本体、2-- 活塞本体、3-- 第一压缩活塞环、4-- 第二压缩活塞环、5-- 油环组件、21-- 第一环岸、22-- 第一压缩环槽、23-- 第二环岸、24-- 第二压缩环槽、25-- 第三环岸、26-- 油环槽、27-- 活塞裙部；
-- 燃烧室、-- 第一级突缩节流结构（第一环岸与气缸本体的内壁间之环隙，加上第一虚线箭头所示的第一压缩活塞环之闭合间隙构成）、-- 第二环岸上部与气缸本体的内壁间之环隙、-- 第一级突扩膨胀结构、-- 第二级突缩节流结构（第二环岸下部与气缸本体的内壁间之环隙构成）， 其下第二虚线箭头所示之第二压缩活塞环之闭合间隙构成第三级突缩节流结构、-- 第二级突扩膨胀结构、-- 第三级突扩膨胀结构（图1中所示也称为第三环岸与气缸本体的内壁间之环隙）、气缸本体的内壁与活塞裙部间之环隙、曲轴箱。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至3所示，本发明实施例包括：
发动机包括燃烧室和曲轴箱，从燃烧室到曲轴箱之间还设置有多级节流膨胀功能的余隙通道，所述的余隙通道包括气缸本体1、活塞本体2、第一压缩活塞环3、第二压缩活塞环4以及油环组件5，所述余隙通道从燃烧室以下经活塞本体2、第一压缩活塞环3、第二压缩活塞环4以及油环组件5到曲轴箱依次设有至少一级或一级以上的突缩节流结构和突扩膨胀结构，每级所述突缩节流结构和突扩膨胀结构中突缩节流结构的径向余隙尺寸与相邻的突扩膨胀结构的径向余隙尺寸之比小于1.0，优选为0.1-0.5。
上述中，如图2所示，所述活塞本体2的外圆周上从上到下依次设有第一环岸21、第一压缩环槽22、第二环岸23、第二压缩环槽24、第三环岸25、油环槽26和活塞裙部27。
通过设置突缩节流结构将高压窜气的压力能转换成动能，然后再通过设置突扩膨胀腔室使高速窜气的动能耗散为热能，所述多级节流膨胀法的关键在于构造一个从发动机燃烧室到曲轴箱的具有多级节流膨胀功能的余隙通道，该余隙通道在发动机混合气压缩，点火燃烧与膨胀做功过程中会产生足够大的流动阻力，能有效地阻止高压混合气和高温高压之燃气从发动机燃烧室和气缸到曲轴箱的窜气泄漏，而在排气过程中则能确保只有少量碳氢排放物可从余隙中逸出。
如图1所示，所述突缩节流结构包括第一级突缩节流结构（第一环岸与气缸本体的内壁间之环隙，加上第一虚线箭头所示的第一压缩活塞环之闭合间隙构成）和第二级突缩节流结构；所述突扩膨胀结构包括第一级突扩膨胀结构和第二级突扩膨胀结构。
一种发动机节能减排的多级节流膨胀法，具体包括如下步骤：
a、第一级突缩节流结构（第一环岸与气缸本体的内壁间之环隙，加上第一虚线箭头所示的第一压缩活塞环之闭合间隙构成）将燃烧室内部分高压燃油混合气和高温高压燃气形成的高压窜气之压力能转换为高速窜气之动能，经历压力能转换为高速窜气之动能再进入相邻的第一级突扩膨胀结构；
b、相邻的第一级突扩膨胀结构将流入的高速窜气之动能膨胀耗散为高速窜气之热能，能量被大量耗散后的高速窜气之压力与速度大幅降低；
c、上述窜气带着大幅降低后的压力与速度进入第二级突缩节流结构，再经历上述将高压窜气之压力能转换为高速窜气之动能的过程，压力能转换为高速窜气之动能进入相邻的第二级突扩膨胀结构，再经历上述将高速窜气之动能膨胀耗散为高速窜气之热能的过程，窜气之压力与速度再次大幅降低；
d、重复上述步骤，经历多次突缩节流结构与突扩膨胀结构之节流与膨胀耗散过程后，高压窜气之压力能与动能将被消耗殆尽，再无余力进入到曲轴箱内，从而达成阻止窜气泄漏之目的。
其中，所述第一级突扩膨胀结构设置在气缸本体1的内壁与第二环岸23之间，且第一级突扩膨胀结构位于第二环岸23的中间；所述第二级突扩膨胀结构设置在第二压缩活塞环4与第二压缩环槽24间之背隙区域。
如图3所示，所述突扩膨胀结构还包括第三级突扩膨胀结构，所述第三级突扩膨胀结构设置在气缸本体1的内壁与第三环岸25之间。
实施例：
第一环岸21、第一压缩环槽22、第二环岸23、第二压缩环槽24、第三环岸25、油环槽26和活塞裙部27。
燃烧室内部分高压高压燃油混合气和高温高压燃气在巨大压差作用下形成高压窜气流经第一级突缩节流结构（第一环岸21与气缸本体1的内壁间之环隙）和第一压缩活塞环3之闭合间隙（图中第一个虚线箭头处）形成突缩节流效应，大部高压窜气之压力能转换为动能（小部分压力能由于第一级突缩节流结构和第一压缩活塞环3之闭合间隙损失掉），然后经历压力能转换为动能之高速窜气再进入相邻第一级突扩膨胀结构（第二环岸23上部与气缸本体1的内壁间之环隙，相对第一压缩活塞环3之闭合间隙而言为突扩环隙结构，因而事实上第一级突扩膨胀结构包含有一小一大两个突扩膨胀结构），第一级突扩膨胀结构将动能膨胀耗散为热能，能量被大量耗散后的窜气之压力与速度大幅降低，压力降低后之窜气进入第二级突缩节流结构（第二环岸23下部与气缸本体1的内壁间之环隙，相对第一级突扩膨胀结构而言为径向突缩节流环隙结构）再经历将压力能转换为动能的过程，压力能转换为动能的窜气进入相邻的第二级突扩膨胀结构（第二压缩活塞环4与第二压缩环槽24间之背隙以及第二压缩活塞环4与第二压缩环槽24间之轴向间隙）再经历其动能被耗散为热能的过程，此时，窜气能量基本耗散的差不多了，如还有余力，窜气会进入下一突缩节流结构即第二压缩活塞环4之闭合间隙（图中从上到下第二个虚线箭头所示或称为第三级突缩节流结构）再经历压力能转换为动能的过程，下来经历压力能转换为动能的窜气（如果还有压力能与动能的话）会进入第三级突扩膨胀结构（在图1中所示为第三环岸与气缸壁间之环隙或称为第三级突扩膨胀腔室，虽然是环隙，但相对第二压缩活塞环之闭合间隙而言仍为突扩膨胀结构）再经历其动能被耗散为热能的过程，然后，在进入曲轴箱空间之前，还有其它级的突缩节流结构和突扩膨胀结构（图未视）设置在活塞裙部27与气缸本体1的内壁之环隙之间（虽然是环隙，但相对油环之闭合间隙而言仍为突扩膨胀结构），等着可能仍有余力的窜气泄漏而实施突缩节流和突扩膨胀效应进行拦截。如此这般，高压窜气的压力能与动能逐级大幅降低，经历多次突缩节流与突扩膨胀过程后，高压窜气的能量将被消耗殆尽，再无余力进入到曲轴箱内，从而达成阻止窜气泄漏之目的。
综上所述，本发明的发动机节能减排的多级节流膨胀法，通过设置突缩节流结构将高压窜气的压力能转换成动能，然后再通过设置突扩膨胀结构使高速窜气的动能耗散为热能，多级节流膨胀法的关键在于构造一个从发动机燃烧室到曲轴箱的具有多级节流膨胀功能的余隙通道，该余隙通道在发动机混合气压缩，点火燃烧与膨胀做功过程中会产生足够大的流动阻力，能有效地阻止高压混合气和高温高压之燃气从发动机燃烧室和气缸到曲轴箱的窜气泄漏，而在排气过程中则能确保只有少量碳氢排放物可从余隙中逸出，本发明的发动机节能减排的多级节流膨胀法的理论与实现，既能大幅有效地减少发动机的缸内积碳和尾气排放中的碳氢排放，又能显著提升发动机的燃气效率和发动机的整机性能，适合推广应用。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种发动机节能减排的多级节流膨胀法，其特征在于，所述发动机包括燃烧室和曲轴箱，从燃烧室到曲轴箱之间还设置有多级节流膨胀功能的余隙通道，所述的余隙通道包括气缸本体、活塞本体、第一压缩活塞环、第二压缩活塞环以及油环组件，所述余隙通道从燃烧室以下经活塞本体、第一压缩活塞环、第二压缩活塞环以及油环组件到曲轴箱依次设有至少一级或一级以上的突缩节流结构和突扩膨胀结构，每级所述突缩节流结构和突扩膨胀结构中突缩节流结构的径向余隙尺寸与相邻的突扩膨胀结构的径向余隙尺寸之比小于1.0，所述的多级节流膨胀法具体包括如下步骤：
a、第一级突缩节流结构将燃烧室内部分高压燃油混合气和高温高压燃气形成的高压窜气之压力能转换为高速窜气之动能，经历压力能转换为高速窜气之动能再进入相邻的第一级突扩膨胀结构；
b、相邻的第一级突扩膨胀结构将流入的高速窜气之动能膨胀耗散为高速窜气之热能，能量被大量耗散后的高速窜气之压力与速度均大幅降低；
c、上述窜气带着大幅降低后的压力与速度进入第二级突缩节流结构，再经历上述将高压窜气之压力能转换为高速窜气之动能的过程，压力能转换为高速窜气之动能进入相邻的第二级突扩膨胀结构，再经历上述将高速窜气之动能膨胀耗散为高速窜气之热能的过程，窜气之压力与速度再次大幅降低；
d、重复上述步骤，经历多次突缩节流结构与突扩膨胀结构之节流与膨胀耗散过程后，高压窜气之压力能与动能将被消耗殆尽，再无余力进入到曲轴箱内，从而达成阻止窜气泄漏之目的。
2.根据权利要求1 所述发动机节能减排的多级节流膨胀法，其特征在于，每级所述突缩节流结构和突扩膨胀结构中突缩节流结构的径向余隙尺寸与相邻的突扩膨胀结构的径向余隙尺寸之比小于1.0，优选为0.1-0.5。
3.根据权利要求1 所述发动机节能减排的多级节流膨胀法，其特征在于，所述活塞本体的外圆周上从上到下依次设有第一环岸、第一压缩环槽、第二环岸、第二压缩环槽、第三环岸、油环槽、活塞裙部或第四环岸。
4.根据权利要求1-3之一所述发动机节能减排的多级节流膨胀法，其特征在于，在所述气缸本体的内壁与第二环岸之间设置有一级或多于一级的所述的突扩膨胀结构。
5.根据权利要求1-3之一所述发动机节能减排的多级节流膨胀法，其特征在于，在所述气缸本体的内壁与第三环岸之间设置有一级或多于一级的所述的突扩膨胀结构。
6.根据权利要求4所述发动机节能减排的多级节流膨胀法，其特征在于，在所述气缸本体的内壁与第三环岸之间还设置有一级或多于一级的所述的突扩膨胀结构。
7.根据权利要求1-6之一所述发动机节能减排的多级节流膨胀法，其特征在于，在所述第二压缩活塞环与第二压缩环槽间之背隙区域设置有一级所述的突扩膨胀结构。
8.根据权利要求1-7之一所述发动机节能减排的多级节流膨胀法，其特征在于，在所述气缸本体的内壁与所述活塞裙部或第四环岸之间设置有一级或多于一级的所述的突扩膨胀结构。
9.根据权利要求1-8之一所述发动机节能减排的多级节流膨胀法，其特征在于，在所述油环组件与油环槽间之背隙区域设置有一级所述的突扩膨胀结构。
10.根据权利要求1-9之一所述发动机节能减排的多级节流膨胀法，其特征在于，所述突缩节流结构包括第一级突缩节流结构、第二级突缩节流结构和第三级突缩节流结构，所述突扩膨胀结构包括第一级突扩膨胀结构、第二级突扩膨胀结构和第三级突扩膨胀结构，其中，所述第一级突扩膨胀结构设置在气缸本体的内壁与第二环岸之间，所述第二级突扩膨胀结构设置在第二压缩活塞环与第二压缩环槽间之背隙区域，所述第三级突扩膨胀结构设置在气缸本体的内壁与第三环岸之间。
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