一種發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排的多級(jí)節(jié)流膨脹法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)配件的領(lǐng)域，尤其涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排的多級(jí)節(jié)流膨脹 法，其適用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，氣體發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)(含非道路用發(fā)動(dòng)機(jī)和摩巧車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī))。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放控制要求越來(lái)越嚴(yán)，由此對(duì)低排放發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)與生產(chǎn)提出 了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放污染物中，一般情況下碳氨排放占了主導(dǎo)地位，通常占比 四分之H或更高。因此，降低發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)尾氣排放最有效途徑之一就是降低其尾氣中的碳 氨排放。
[0003] 已有研究表明，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放中的碳氨排放有決定性影響的因素在于由氣缸 壁，活塞，與活塞環(huán)組形成的從燃燒室到曲軸箱的余隙通道特性W及通過(guò)所述余隙通道的 竄氣泄漏量的大小。首先，在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣過(guò)程中，部分藏在活塞與活塞環(huán)和氣缸壁間間隙中 (主要是第一壓縮活塞環(huán)W上余隙及部分第一壓縮活塞環(huán)與第二壓縮活塞環(huán)間余隙）的碳 氨化合物會(huì)隨著燃燒廢氣一起逸出排氣口外；其二，在發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣壓縮行程和點(diǎn)火燃燒 膨脹下行過(guò)程中，部分高壓混合氣和高溫高壓燃?xì)庠诰薮髩翰钭饔孟峦ㄟ^(guò)活塞與活塞環(huán)及 氣缸體間間隙而進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱中，形成混合氣和燃?xì)獾母Z氣泄漏，所述竄氣泄漏通常 還會(huì)導(dǎo)致曲軸箱中的機(jī)油油溫油壓升高而形成機(jī)油蒸汽，與燃?xì)饧叭加突旌蠚飧Z氣一起進(jìn) 入發(fā)動(dòng)機(jī)呼吸器，部分機(jī)油蒸汽因而會(huì)進(jìn)入燃燒室參與燃燒而形成未燃碳氨排放物隨燃燒 廢氣排出排氣口外；再者，機(jī)油的持續(xù)燃燒會(huì)在活塞頂部與燃燒室表面形成積碳，積碳的形 成會(huì)成為未燃燒碳氨化合物的溫床，而藏在積碳中的碳氨化合物會(huì)在排氣過(guò)程中隨燃燒廢 氣一起逸出排氣口外。很顯然，燃?xì)馊加突旌细Z氣泄漏量的大小對(duì)碳氨排放大小有不可忽 視的直接影響。
[0004] 現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)中活塞與相應(yīng)活塞環(huán)組和氣缸壁所形成的余隙通道由于無(wú)法產(chǎn)生足 夠大的阻力和能量耗散效應(yīng)，因而很難阻止高壓燃油混合氣和高溫高壓燃?xì)獾拇罅扛Z氣泄 漏，即便人們采用減小余隙的辦法多數(shù)也作用有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排的多級(jí)節(jié)流膨脹法，通過(guò) 設(shè)置突縮節(jié)流結(jié)構(gòu)將高壓竄氣的壓力能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，然后再通過(guò)設(shè)置突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)使高速 竄氣的動(dòng)能耗散為熱能，多級(jí)節(jié)流膨脹法的關(guān)鍵在于構(gòu)造一個(gè)從發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室到曲軸箱的 具有多級(jí)節(jié)流膨脹功能的余隙通道，該余隙通道在發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣壓縮，點(diǎn)火燃燒與膨脹做 功過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生足夠大的流動(dòng)阻力，能有效地阻止高壓混合氣和高溫高壓之燃?xì)鈴陌l(fā)動(dòng)機(jī) 燃燒室和氣缸到曲軸箱的竄氣泄漏，而在排氣過(guò)程中則能確保只有少量碳氨排放物可從余 隙中逸出，本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排的多級(jí)節(jié)流膨脹法的理論與實(shí)現(xiàn)，既能大幅有效地減 少發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)積碳和尾氣排放中的碳氨排放，又能顯著提升發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)庑屎桶l(fā)動(dòng)機(jī) 的整機(jī)性能，適合推廣應(yīng)用。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是；提供了一種發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減 排的多級(jí)節(jié)流膨脹法，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括燃燒室和曲軸箱，從燃燒室到曲軸箱之間還設(shè)置有 多級(jí)節(jié)流膨脹功能的余隙通道，所述的余隙通道包括氣缸本體、活塞本體、第一壓縮活塞 環(huán)、第二壓縮活塞環(huán)W及油環(huán)組件，所述余隙通道從燃燒室W下經(jīng)活塞本體、第一壓縮活塞 環(huán)、第二壓縮活塞環(huán)W及油環(huán)組件到曲軸箱依次設(shè)有至少一級(jí)或一級(jí)W上的突縮節(jié)流結(jié)構(gòu) 和突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)，每級(jí)所述突縮節(jié)流結(jié)構(gòu)和突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)中突縮節(jié)流結(jié)構(gòu)的徑向余隙尺寸 與相鄰的突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)的徑向余隙尺寸之比小于1. 0,所述的多級(jí)節(jié)流膨脹法具體包括如 下步驟： a、 第一級(jí)突縮節(jié)流結(jié)構(gòu)將燃燒室內(nèi)部分高壓燃油混合氣和高溫高壓燃?xì)庑纬傻母邏?竄氣之壓力能轉(zhuǎn)換為高速竄氣之動(dòng)能，經(jīng)歷壓力能轉(zhuǎn)換為高速竄氣之動(dòng)能再進(jìn)入相鄰的第 一級(jí)突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)； b、 相鄰的第一級(jí)突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)將流入的高速竄氣之動(dòng)能膨脹耗散為高速竄氣之熱能， 能量被大量耗散后的高速竄氣之壓力與速度均大幅降低； C、上述竄氣帶著大幅降低后的壓力與速度進(jìn)入第二級(jí)突縮節(jié)流結(jié)構(gòu)，再經(jīng)歷上述將高 壓竄氣之壓力能轉(zhuǎn)換為高速竄氣之動(dòng)能的過(guò)程，壓力能轉(zhuǎn)換為高速竄氣之動(dòng)能進(jìn)入相鄰的 第二級(jí)突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)，再經(jīng)歷上述將高速竄氣之動(dòng)能膨脹耗散為高速竄氣之熱能的過(guò)程， 竄氣之壓力與速度再次大幅降低； t重復(fù)上述步驟，經(jīng)歷多次突縮節(jié)流結(jié)構(gòu)與突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)之節(jié)流與膨脹耗散過(guò)程后， 高壓竄氣之壓力能與動(dòng)能將被消耗殆盡，再無(wú)余力進(jìn)入到曲軸箱內(nèi)，從而達(dá)成阻止竄氣泄 漏之目的。
[0007] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，每級(jí)所述突縮節(jié)流結(jié)構(gòu)和突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)中突縮 節(jié)流結(jié)構(gòu)的徑向余隙尺寸與相鄰的突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)的徑向余隙尺寸之比小于1.0,優(yōu)選為 0. 1-0. 5。
[0008] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述活塞本體的外圓周上從上到下依次設(shè)有第一環(huán) 岸、第一壓縮環(huán)槽、第二環(huán)岸、第二壓縮環(huán)槽、第H環(huán)岸、油環(huán)槽、活塞裙部或第四環(huán)岸。
[0009] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，在所述氣缸本體的內(nèi)壁與第二環(huán)岸之間設(shè)置有一級(jí) 或多于一級(jí)的所述的突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)。
[0010] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，在所述氣缸本體的內(nèi)壁與第H環(huán)岸之間設(shè)置有一級(jí) 或多于一級(jí)的所述的突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)。
[0011] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，在所述氣缸本體的內(nèi)壁與第H環(huán)岸之間還設(shè)置有一 級(jí)或多于一級(jí)的所述的突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)。
[0012] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，在所述第二壓縮活塞環(huán)與第二壓縮環(huán)槽間之背隙區(qū) 域設(shè)置有一級(jí)所述的突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)。
[0013] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，在所述氣缸本體的內(nèi)壁與所述活塞裙部或第四環(huán)岸 之間設(shè)置有一級(jí)或多于一級(jí)的所述的突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)。
[0014] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，在所述油環(huán)組件與油環(huán)槽間之背隙區(qū)域設(shè)置有一級(jí) 所述的突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)。
[0015] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述突縮節(jié)流結(jié)構(gòu)包括第一級(jí)突縮節(jié)流結(jié)構(gòu)和第二 級(jí)突縮節(jié)流結(jié)構(gòu)，所述突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)包括第一級(jí)突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)和第二級(jí)突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)，其 中，所述第一級(jí)突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)設(shè)置在氣缸本體的內(nèi)壁與第二環(huán)岸之間，所述第二級(jí)突擴(kuò)膨 脹結(jié)構(gòu)設(shè)置在氣缸本體的內(nèi)壁與第H環(huán)岸之間。
[0016] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述突縮節(jié)流結(jié)構(gòu)包括第一級(jí)突縮節(jié)流結(jié)構(gòu)和第二 級(jí)突縮節(jié)流結(jié)構(gòu)，所述突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)包括第一級(jí)突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)和第二級(jí)突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)，其 中，所述第一級(jí)突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)設(shè)置在氣缸本體的內(nèi)壁與第二環(huán)岸之間，所述第二級(jí)突擴(kuò)膨 脹結(jié)構(gòu)設(shè)置在第二壓縮活塞環(huán)與第二壓縮環(huán)槽間之背隙區(qū)域。
[0017] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)還包括第H級(jí)突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)，所 述第H級(jí)突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)設(shè)置在氣缸本體的內(nèi)壁與第H環(huán)岸之間。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排的多級(jí)節(jié)流膨脹法，通過(guò)設(shè)置突 縮節(jié)流結(jié)構(gòu)將高壓竄氣的壓力能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，然后再通過(guò)設(shè)置突擴(kuò)膨脹結(jié)構(gòu)使高速竄氣的 動(dòng)能耗散為熱能，多級(jí)節(jié)流膨脹法的關(guān)鍵在于