技术领域

本发明涉及膨胀机、气驱发动机的进气配气方 式以及内燃发动机的进气配气 方式和燃烧加热方式。 背景技术

气驱发动机、容积式膨胀机的进气配气方式通 常是压缩气通过进气控制阀门 直接进入气缸，发动机或膨胀机进气量的改变 是通过调节进气压力， 调节进气阔 的开启时间的长短或改变进气阔开启相位角来 实现的。 其特点是： 调节进气量时 能量损失大， 或实现进气量的调节较为困难， 或实现其进气量调节的机构复杂， 成本高， 不能实现膨胀比可调。 内燃发动机的进气配气方式和燃烧加热方式通 常是空气通过进气门进入气 缸，在气缸内压缩完成进气配气过程，同时在 进气过程中或压缩过程中供给燃料， 并点火加热， 完成燃烧加热过程。 气体的压缩和膨胀做功都在同一气缸内进行， 发动机的压缩比和膨胀比是不可以调节的。少 量压缩比可调的发动机由于机构较 为复杂、 成本高，发动机重量增加、 燃烧室的性能不佳或不利于排放等原因基本 上没有正式投入使用,仅作为研宄或展示样机� �用。 燃料喷嘴直接喷射在燃烧室或配气室内的内燃 发动机的燃料和气体不容易 混合均匀，且对燃料喷嘴要求较高， 对燃烧室或配气室的形状要求较为复杂。 发明的内容：

本发明要解决的技术问题

1. 使气驱发动机的膨胀比调节简单容 减少膨胀比调节的能量摸 ^

2. 使内燃发动机的压缩比调节简单化，实用化， 压缩终了温度可控； 使发动机的 膨胀比可调， 并且可以实现能量回收； 提高发动机的压缩比和膨胀比； 提高 发动机燃料的效率。 3. 使部分内燃发动机的燃料和气体更容易混合,� �合更均匀，降低对燃料的喷嘴 要求， 使燃烧室的形状更加简单。 本发明的技术方案

本发明采用的方法是将发动机单个做功冲程所 需的压缩气和燃料输入一个 封闭的配气室并在配气室内完成燃烧加热过程 ， 然后再将配气室内的高温高压气 体输入发动机气缸膨胀做功， 配气室上可以设置容积调节活塞。 配气室上设置有 容积调节活塞的可以通过改变容积调节活塞的 位置调节配气室的有效容积大小 从而改变单个做功冲程的压缩气的体积， 以此调节发动机的膨胀比。 发动机的压 縮比则可以通过改变进入配气室内的压缩气的 压力来调节。 当用于膨胀机或气驱 发动机时则不需要输入燃料进配气室，也不需 在配气室内完成燃烧加热过程， 而 是直接将配气室内的气体输入发动机气缸膨胀 做功。 同样也可以在配气室上设置 容积调节活塞调节发动机的膨胀比或通过改变 压缩气的供气压力来改变膨胀机 或气驱发动机的压縮比。 本发明包括以下发动机的进气配气装置和由本 发明的进气配气装置构成的 发动机。 由于膨胀机属于气驱发动机中的一种特殊用途 的发动机，杈利要求书和 本说明书中的气驱发动机包括膨胀机。 气驱内燃发动机也属气驱发动机中的一 种。 一. 关于发动机的进气配气装置的技术方案：

(见附图）

方案 1. 一种气驱发动机的进气配气装置包括:进气管� � 7，进气控制阀门 5，配气 室 8,放气控制阀门 10，阀门驱动机构。 方案 2. —种气驱内燃发动机的进气配气装置，其特征 是:在方案 1所述的发动机 的进气配气装置的配气 8上或进气管 上 置燃料喷嘴 方案 3. —种气驱内燃发动机的进气配气装置，其特征 是： 在方案 2所述的进气配 气装置的配气室 8上设置火花塞 6。 方案 4. 一种气驱膨胀比可调的内燃式或非内燃式发动 机的进气配气装置，包括： 配气室容积调节活塞 11，容积调节活塞的调节装置以及方案 1或方案 2或 方案 3所述的进气配气装置； 其配气室容积调节活塞 11设置在方案 1或 方案 2 或方案 3所述的进气配气装置的配气室 8上， 容积调节活塞 11 的位置由容积调节活塞的调节装置调控。 以上几种方案的气驱内燃式或非内燃式发动机 的进气配气装置的结构是：

进气管道 7通过进气控制阀门 5与配气室 8相通，配气室 8通过放气控制阀 门 10与发动机气缸 27相通。 进气控制阀门 5和放气控制阀门 10由阀门驱动机 构驱动。 进气配气装置上设有燃料喷嘴 9、 火花塞 6和配气室容积调节活塞 11 三种装置中的一种或几种装置的，火花塞 6和配气室容积调节活塞 11设置在配气 室 8上， 燃料喷嘴 9可以设置在配气室 8上， 也可以设置在进气管道 7上。 燃料 喷嘴 9设置在进气管道 7上的只适用于有火花塞 6的点燃式发动机。 由以上几种方案的进气配气装置构成的气驱发 动机的配气装置的工作方式是： (如图 1、 图 2、 图 3、 图 4、 图 5、 图 6所示， 其中图 3、 图 4和图 5中的燃料喷 嘴 9和火花塞 6不适用于非内燃式气驱发动机， 即在非内燃式气驱发动机上不需 要设置燃料喷嘴 9和火花塞 6。 )

气驱发动机排气冲程过程中， 排气门 13打开， 放气控制阀门 10处于关闭状 态，阀门驱动机构控制进气控制阀门 5打开,压缩气通过进气控制阀门 5进入配气 室 8,配气室 8充满压缩气后， 阀门驱动机构控制进气控制阀门 5关闭。发动机排 气门 13关闭后排气行程结束， 发动机进入余气压缩过程直到阀门驱动机构打 开 放气控制阀门 10，发动机做功冲程开始， 此时发动机气缸 27容积在最小位附近。 放气控制阀门 10开启后， 压缩气进入气缸 27并在气缸 27内膨胀做功， 直到排 气门 13打开， 做功行程结束。 阀门驱动机构在发动机做功行程临近结束之前 或 在做功行程结束之后控制放气控制阀门 10关闭。 排气冲程开始时， 发动机气缸 27容积接近最大。排气冲程开始后， 阀门驱动机构控制进气控制阀门 5打开， 配 气室又开始新一轮的充气工作。膨胀比可调式 发动机的配气室容积调节机构包括 配气室容积调节活塞 11和容积调节活塞调节装置。 配气室容积调节机构在发动 机工作过程中根据负荷要求调节配气室 8有效容积的大小， 达到调节发动机的膨 胀比的目的， 同时通过改变配气室 8有效容积的大小也可以调节发动机的功率和 调节进入发动机的压缩气进气量。 图 3、 图 4和图 5中的燃料喷嘴 9和火花塞 6 不适用于非内燃式气驱发动机， 即在非内燃式气驱发动机上不需要设置燃料喷 嘴

9和火花塞 6。 由以上几种方案的进气配气装置构成的气驱内 燃发动机配气装置的工作方式是： (如图 1、 图 2、 图 3、 图 4、 图 5、 图 6所示，其中图 1、 图 2所示气驱发动机作 为气驱内燃式发动机使用时， 应设置燃料喷嘴 9， 作为点燃式气驱内燃发动机使 用时还应增设火花塞 6。 )

发动机排气冲程过程中， 排气门 13打开， 放气控制阀门 10处于关闭状态， 阀门驱动机构控制进气控制阔门 5打开,压縮气通过进气控制阀门 5进入配气室 8,配气室 8充满压缩气后， 阀门驱动机构控制进气控制阀门 5关闭。 对于燃料喷 嘴设在进气管道 7上的进气配气装置， 则燃料是同压缩空气一起通过进气控制阀 门 5进入配气室的。 对于燃料喷嘴设在配气室 8上的进气配气装置， 则在放气控 制阀门 10关闭之后打开之前， 燃料喷嘴 9完成燃料喷射。 点燃式发动机通过火 花塞 6完成点火程序， 自燃式发动机则通过燃料自燃方式完成点火， 并在配气室 8内完成压缩气和燃料的燃烧加热过程。 对于燃料喷嘴 9设在配气室 8上的进气 配气装置， 燃料喷嘴 9可以根据燃料特性需求或设计要求在放气控� �阀门 10关 闭之后打开之前的任意时段完成燃料喷射 (如自燃式发动机则应在进气控制阀门 5关闭之后放气控制阀门 10打开之前完成燃料喷射）； 甚至可以在放气控制阔门 10关闭之后进气控制阀门 5打开之前的时间段完成喷射燃料，使燃料喷� �可以在 较低的喷射压力下完成。 自燃式发动机的喷射燃料时间和点燃式发动机 的火花塞 6点火时间应在迸气控制阀门 5关闭之后，放气控制阔门 10打开之前完成， 并保 证在放气控制阀门 10打开之前燃料在配气室 8内有足够的燃烧时间。 对于燃料 喷嘴 9设在进气管道 7上的进气配气装置， 则燃料喷射开始时间应在进气控制阀 门打开前后， 燃料喷射结朿时间应在进气控制阀门 5关闭之前。

排气门 关朝后排气行程结束 发动机进入余气压缩过程， 直到阀 门驱动机构打开放气控制阀门 10， 发动机做功冲程开始， 此时发动机气缸 27容 积在最小位附近。 放气控制阀门 10开启后， 配气室 8内的高温压缩气进入发动 机气缸 27并在气缸 27内膨胀做功， 直到排气门 13打开， 做功行程结束， 排气 冲程开始。 阀门驱动机构可以在发动机做功行程临近结束 之前或结束之后控制放 气控制阀门 10关闭。 排气冲程开始时， 发动机气缸容积 27接近最大。 排气冲程 开始后， 阀门控制机构控制进气阀门 5打开， 配气室 8内又开始新一轮的充气、 燃料供给以及燃烧加热过程。

膨胀比可调式内燃发动机的配气室容积调节机 构由配气室容积调节活塞 11 和容积调节活塞调节装置构成。配气室容积调 节机构在发动机工作过程中根据负 荷要求调节配气室 8有效容积的大小， 从而调节发动机的膨胀比。 燃料则由发动 机控制器 (如 ECU)根据压缩气的压力、 配气室 8的有效容积、 气体温度按最佳空 燃比通过燃料喷嘴 9供给。发动机的转速或功率可以通过调节发� �机的膨胀比间 接调节进气量和燃料供给量来实现。

配气室 8不带容积调节活塞 11的膨胀比不可调的内燃发动机的转速或功率 可以通过调节进气压力以改变发动机的压缩比 并结合调节燃料供给量或直接调 节燃料供给量来实现。

气驱内燃发动机可以在不供给燃料的情况下作 为气驱发动机或膨胀机使用。 气驱内燃式或非内燃式发动机可以通过改变压 缩气的进气压力来调节发动 机的压缩比。此外如图 6所示的配气相位图中的燃烧加热过程仅适用� �气驱内燃 式发动机， 对非内燃式气驱发动机则该过程仅为配气室处 于封闭态，未进行燃烧 加热。 气驱发动机的供气相位图如图 6所示， 配气相位各角度的开启和关闭要求如下： n - 排气门 13早开角。 排气门 13通常在气缸容积到达最大位之前开启。

Θ - 进气控制阀门 5开启角。 进气控制阀门 5应在放气控制阀门 10关闭之后开 启。

δ - 进气控制阀门 5关闭提前角。 进气控制阀门 5通常在气缸 27容积到达最小 位之前关闭。 对于内燃式发动机应确保发动机在设计最高转 速下进气控制阀 门 5关闭到放气控制阀门 10打开的时间段足够配气室内的气体和燃料完� ��燃

~^ ^加热过程： ―

λ -放气控制阀门 10关闭角。 放气控制阀门 10关闭可以在气缸 27容积到达最 大位之前或之后， 甚至可以提前到排气门 13打开之前关闭放气控制阀门 10。 α - 排气门 13早关角。 排气门 13通常在气缸 27容积到达最小位之前的一定角 度关闭，让气缸 27内的余气到达最小位之前受压，使余气在放� ��阀门打开之 前在气缸 27的余隙内产生适当的压力。

β - 放气控制阀门 10开启角。 放气控制阀门打开角通常设在气缸容积最小位 附 近。 阀门驱动机构：

阀门驱动机构包括以下几类：

a) 机械式阔门驱动机构， 其中包括： 与发动机主轴同轴的凸轮以及挺杆， 摇臂等构成的阀门驱动机构； 与发动机主轴通过齿轮,皮带,链条等联动 的凸轮轴以及摇臂等构成的阀门驱动机构； 例如： 发动机常用的顶置凸 轮轴或侧置凸轮轴驱动方式；

b) 电 -磁阀门驱动机构；

c) 电控气动阀门驱动机构；

d) 电控液动闽门驱动机构；

e) 其它的组合式阀门驱动机构。 容积调节活塞的调节装置

容积调节活塞的调节装置结构和功能如下：

A. 容积调节活塞调节装置的构成及运行方式：

容积调节活塞调节装置可以分为带反馈装置的 闭环控制式调节装置和直接调 节装置。 直接调节装置可以采用手动螺杆驱动式，电 -磁作动式，电控液动作动式， 电控气动作动式等可以直接驱动容积调节活塞 位移的控制或传动方式。 带反馈装置的闭环控制式调节装置包括：反馈 容积调节活塞位置参数或 / 和发动机转速参数的反馈装置,控制参数输入� �置，参数对比器,容积调节活 塞位移作动器。 其特征是： 控制参数输入装置输入控制参数到参数对比器 与 反馈装置输入到参数对比器的容积调节活塞位 置参数或 /和发动机转速参数 进行比较并控制容积调节活塞位移作动器， 以此形成闭环控制， 使容积调节 活塞的位置或发动机的转速参数与输入装置给 定参数相符。 a) 反馈装置: 反馈容积调节活塞位置参数或发动机转速参数 的反馈装置是将容积调节 活塞的位置或发动机的转速反馈到参数对比器 。 容积调节活塞位置参数反馈 装置可以采用弹簧以作用力的方式反馈容积调 节活塞的位移； 也可以采用位 移传感器等。 发动机转速参数的反馈装置可以采用离心作用 力式； 也可以采 用测速传感器等。 b) 控制参数输入装置：

控制参数输入装置的作用是通过脚踏板或控制 手柄输入一个控制量到参 数对比器， 以此控制发动机维持一定的转速或转矩。 控制参数输入装置的作 用与汽车上的发动机的油门踏板或柴油机上的 油门控制手柄相同， 其主要作 用是将期望控制量输入到参数对比器。 c) 参数对比器：

参数对比器是将控制参数输入装置输入的信号 与反馈容积调 1ϊ活塞位置 参数或 /和发动机转速参数的反馈装置的输入信号进� �处理和对比并输出控 制信号到容积调节活塞位移作动器。 d) 容积调节活塞位移作动器：

容积调节活塞位移作动器的作用是接收参数对 比器的控制信号， 并控制 容积调节活塞位移， 改变配气室的有效容积。 容积调节活塞位移作动器可以 是电控-电磁作动器、 电控-液压作动器、 机械式作动器等能驱动容积调节活 塞位移的传动机构。

'.一种机械式配气室容积调节活塞的调节装� ��

(如图 7所示）

一种机械式配气室容积调节活塞的调节装置包 括： 设置在容积调节活塞 上的齿条 26， 允许容积调节活塞左行的左行棘爪 22， 允许容积调节活¾右 行的右行棘爪 25，棘爪拨杆 18，容积调节活塞驱动弹簧 16，控制参数输入装 置,容积调节活塞位置参数或发动机转速参数� �馈装置。

其特征是齿条 26设置在容积调节活塞 11上， 左行棘爪 22和右行棘爪 25直接地与齿条啮合或左行棘爪 22和右行棘爪 25与棘轮啮合并通过棘轮上 设置齿轮与齿条 26啮合使调节活塞 11双向移动受控， 由控制输入装置和反 馈装置的输入参数对比后控制棘爪拨杆 18，使左行棘爪 22或右行棘爪 25对 齿条的作用处于失效或复位状态， 棘爪失效时容积调节活塞 11在配气室 8 气压和容积调节活塞驱动弹簧 16的合力的作用下向左或向右单向移动改变 反馈装置的输入和输出参数直到失效棘爪复位 。 棘爪复位是指单个棘爪恢复 正常单向控制功能， 使部件只能按单个棘爪允许的运动方向单向运 动。 棘爪 失效是指单个棘爪不起作用， 不能限制部件运动。 二. 由以上发动机的进气配气装置 成的发动机技术方案 方案 A. —种气驱内燃式或非内燃式发动机， 由排气配气装置和以上所述的几种 方案中的任意一种发动机的进气配气装置替代 现有的气驱发动机的进排 气配气装置或现有的活塞式内燃发动机或转子 式内燃发动机的进排气配 气装置和燃烧加热装置后构成的发动机。

气¾内燃式或非内燃式发动机的排气配气装置� ��结构与现有的气 驱发动机的排气配气装置或现有的四冲程活塞 式内燃发动机或转子式内 燃发动机的排气配气装置的结构相同， 主要由排气门， 气门驱动机构和 排气管道等构成。 气驱内燃式或非内燃式发动机的排气配气装置 的配气 相位如图 6所示，特点是：排气门在每一个气缸容积由� �变小的冲程中长 时间处于打开状态。

现有的活塞式内燃发动机或转子式内燃发动机 的燃烧加热装置指 设置在发动机缸盖上的燃料喷嘴、 火花塞、 以及预留的燃烧室等利于燃 烧加热的辅助装置。 方案 B. 种造应多种燃料的发动机， 包括压缩机和方案 A所述的气驱内燃发动 机；气驱内燃发动机运行所需的的压縮气由压 縮机提供,压缩机可以是与 气驱内燃发动机同轴或联动的压缩机,也可以� �其它内燃发动机或电动 机驱动的压缩机。 压缩机可以采用单级或多级压缩机， 采用多级压缩的 级间可以增加冷却装置以减少压缩时的能量损 失， 同时控制级间冷却温 度， 以便控制压縮终了温度； 采用单级压缩的可以直接冷却压缩终了的 压缩气以控制工作温度； 使压缩气的压缩终了的温度可以按不同的燃料 要求调节， 以利于内燃发动机的点火和燃烧加热。 方案 C. 一种提高燃料效率的内燃发动机， 包括储气瓶和方案 A所述的气驱发动 机， 气驱发动机运行所需的压缩气由储气瓶提供， 在储气瓶给气驱发动 机供气的压缩气连接管上增加热交换器， 并将发动机膨胀做功后排出的 热气通过热交换器与从储气瓶出来的压縮气换 热， 使压缩气吸收发动机 排出的气体的热能升温后再供给气驱发动机， 一方面提高发动的燃烧加 热性能， 另一方面也可以提高燃料的效率。 方案 D. —种能量回收式发动机，包括:压縮机,离合器� ��方案 A述的气驱发动机； 其特征是：在压縮机输入轴,气驱发动机输出� �和主输出轴之间设置离合 器； 正常工作时气驱发动机输出轴与主输出轴通过 离合器相连； 能量回 收时，离合器断开气驱发动机输出轴与主输出 轴的连接，并保持主输出轴 与压缩机输入轴的连接，使主输出轴的能量输 入压缩机，以压縮气的方式 储存。 方案 E. —种压缩比可调式发动机，包括:压缩机,多极� ��无极变速器以及方案 A所 述的气驱发动机中不带配气室容积调节机构的 发动机； 其特征是： 在气 驱发动机的输出轴和压缩机输入输之间设置多 极或无极变速器,使发动 机的压缩比即气驱发动机的供气压力可以通过 调节发动机输出轴与压缩 机输入轴的转速比来改变。 方案 F. —种压缩压缩比、 膨胀比双可调的能量回收式发动机,包括:压缩� ��、 离 合器、 多极或无极变速器以及方案 A述的气驱发动机中带配气室容积调 节机构的发动机； 其特征是： 在膨胀比可调的气驱发动机的输出轴，变速 器的输入轴和主输出轴之间设置离合器，变速 器输出轴与压缩机输入轴 相连； 正常工作时气驱发动机输出轴与主输出轴通过 离合器相连； 能量 回收时,离合器断开气驱发动机输出轴与主输� �轴的连接,并保持主输出 轴与变速器的输入轴的连接，使主输出轴的能 量通过变速器输入压缩机， 以压缩气的方式储存。 方案 G. —种带涡轮增压装置的内燃发动机 (如图 8所示)，包括方案 B所述的气驱 内燃发动机 28和涡轮增压装置 30,其特征是:气驱内燃发动机 28的排气 管道 12与涡轮增压装置 30的驱动涡轮端进气口 36相通，发动机的压缩 机进气口 47与涡轮增压装置 30的增压叶轮压缩气出口 41相通,增压叶 轮的空气进气口 42和涡轮增压装置 30的废气排气口 37与外界空气相通。 工作时， 气驱内燃发动机 28的尾气推动驱动涡轮 38和与涡轮同轴或联 动的增压叶轮 40旋转， 并压缩进入增压叶轮 40的气体， 经压缩后的气 体进入压縮机 34再次压缩后供给气驱内燃发动机 28。 带涡轮增压装置的膨胀比可变内燃发动机工作 方式： 当发动机低速 高膨胀比运转时， 由于配气室的容积小， 发动机的转速低， 因此废气排 量小， 涡轮和叶轮转速低， 增压效果不明显， 同时由于压缩机的单个冲 程进气容积不变， 排气容积减小， 使得压缩机的压缩比较大， 进入气驱 发动机的总压缩比受涡轮增压的影响小。当发 动机高速低膨胀比运转时， 由于配气室的容积增大， 发动机的转速高， 因此废气排量大， 涡轮和叶 轮转速高， 增压效東好， 同时由于压缩机的单个冲程进气容积不变， 排 气容积增大， 使得压縮机的压縮比减小， 由于此时涡轮增压比率高， 使 总压缩比等于涡轮增压比与压缩机增压比的乘 积， 总压缩比相对压缩机 的压縮比增加较多。 其结果是： 当发动机低速高膨胀比运转时， 压缩机 的所产生的压缩比大， 涡轮增压比率低， 总膨胀比受涡轮增压的影响小； 当发动机高速低膨胀比运转时， 压缩机所产生的压缩比小， 涡轮增压比 率高， 总膨胀比由于涡轮增压的比率增大而维持不变 ； 因此发动机的总 压缩比受膨胀比的影响小，发动机的总压缩比 在不同的膨胀比的情况下 可以维持在一定范围内保持基本木变。 本发明的有益效果

1. 改变发动机的膨胀比方便简洁

由于发动机的膨胀比的改变可以通过改变配气 室有效容积的大小来实现， 使 发动机的膨胀比调节方便简洁,并且可以实现� �续可调。

2. 可以实现压缩比可调 由于发动机的气体的压缩和膨胀在不同气缸中 进行,而且压缩气缸和膨胀气 缸可以以不同的转速运行，甚至压縮过程和膨 胀过程可以在互不相关的两个设备 中完成， 因此实现压縮比调节简单且方便。

3. 可以采用多极压缩， 可以控制压缩终了温度

由于发动机的气体的压縮和膨胀可以在不同的 气缸中进行， 因此可以采用多 极压缩， 压缩过程可以采取中冷， 压缩终了温度可以根据燃料的特性需求进行控 制。

4. 可以大幅提高发动机的压缩比， 提高发动机的燃料效率

由于发动机的燃烧加热过程在配气室内完成， 是定容加热过程， 发动机抗爆 震能力强； 此外压缩终了温度可控， 发动机受燃料爆震特性的影响小或甚至不受 其影响，因此可以大幅提高压缩比， 提高发动机的燃料效率。

5. 可以实现能量回收

由于发动机的压縮和膨胀在不同气缸中进行， 可以通过压縮机吸收能量以压 缩气的方式储存。 如用于车载发动机时,刹车能量可以通过变速� �传给压缩机输 入轴驱动压缩机工作以实现刹车能量回收。

6. 同一发动机可以适应不同种类的燃料

由于压縮比和压缩终了温度可以实现可控， 可以根据不同燃料的特性来调控 发动机的压缩比和压缩终了温度， 以适应不同种类的燃料。

7. 可以使发动机在较宽的功率输出范围内以最佳 空燃比或接近最佳空燃比的状 态工作

由于发动机可以根据配气室的有效容积、 压縮气温度、 压縮气压力等参数以 最佳空燃比控制燃枓供给量， 同对发动机可以通过调节配气室有效容积大小 的方 式来调节发动机的功率， 因此发动机可以在较宽的范围内以最佳空燃比 的工作方 式满足各种功率的工况要求。

8. 可以有效利用发动机的废气能量

涡轮增压装置可以利用发动机的废气的能量压 缩空气， 同时可以使发动机不 同的负荷下维持压縮比基本不变， 因此可以有效地利用发动机的废气能量， 同时 提高了燃料的效率。

9. 可以使燃料和压缩气混合更加均匀

燃料喷嘴设在进气管道上的气驱内燃发动机进 气配气装置可以使燃料与压缩 气在进气管道中预混合， 使其混合更加均匀，同时可以降低对燃料喷嘴 和配气室 的技术要求。 附图说明

图 1 由本发明的气驱发动机的进气配气装置构成的 气驱发动机示意图 图 2 由本发明的气驱发动机的进气配气装置构成的 气驱发动机立体剖视图 图 3 由本发明的气驱发动机的进气配气装置构成的 气驱内燃发动机示意图 A (燃料喷嘴设置在配气室 8上）

图 4. 由本发明的气躯发动机的进气配气装置构成的 气驱内燃发动机示意图 B

(燃料喷嘴设置在进气管道 7上）

图 5. 由本发明的气躯发动机迸气配气装置构成的气 驱内燃发动机立体剖视图 图 6. 由本发明的气躯发动机迸气配气装置构成的气 驱发动机通用配气相位图 图 7. 由本发明的一 带反馈装置的容积调节活塞调节装置的进气配 气装置构 成的气驱发动机的立体剖视图

图 8. 由压缩机、增压涡轮装置和本发明的气驱内燃 发动机构成的带涡轮增压装 置的发动机示意图 图示编号名称：

1-排气门摇臂 2-放气控制阀门摇臂 3-凸轮轴

4 -进气控制阀门摇 5-进气控制阀门 6-火花塞

7 -—进气管 8-配气室 9 -燃料喷嘴

10 -放气控制阀门 11-容积调节活塞 12 -排气管道

13-排气门 14-气缸缸体 15-活塞

16-容积调节活塞驱动弹簧 17-控制作动器连接杆 18 -棘爪拨杆

19-棘爪拨杆转轴 20-棘爪加载弹簧 21-活塞位置反馈弹簧

22-左行棘爪 23-棘爪转轴 24-支撑架 25-右行棘爪 26- -齿条 27-气缸

28-气驱内燃发动机 29- -气驱内燃发动机排气管 30-涡轮增压装置

31-中间散热器 32- -一级缓冲储气瓶 33- 级压縮气进气管

34-压缩机 35- -二级缓冲储气瓶 36 -涡轮端进气口

37-废气排气口 38- -涡轮 39-导流叶片

40 -增压叶轮 41- -增压叶轮压缩气出口 42-增压叶轮空气进气口

43-二级压縮气进气管 44- -压缩机压縮气出口 45-压縮机排气阀

46-压缩机进气阀 47- -压缩机进气口 48-压缩机活塞 图 6所示发动机配气相位图各个角度符号说明

n - 排气门早开角 Θ - 进气控制阀门开启角

δ - 进气控制阀门关闭提前角 λ - 放气控制阀门关闭角 α - 排气门早关角 β _ 放气控制阀门开启角 具体实施方式

优选方案 1 : 气驱发动机

如图 1和图 2所示： 发动机进气管道 7通过进气控制阀门 5与配气室 8相 通， 配气室 8通过放气控制阔门 10与发动机气缸 27相通， 气缸 27通过排气 ΙΊ 13与排气管道 12相通，图 2的凸轮轴 3直接驱动进气控制阀门摇臂 4、 放气控 制阀门揺臂 2和排气门揺臂 1从而控制进气控制阀门 5、 放气控制阀门 10和排 气门 13的开闭。

本方案气驱发动机的运行过程配气相位图如图 6所示： 排气过程中， 活塞

15上行， 排气门 13处于开位， 放气控制阀门 10关闭， 进气控制阀门 5打开， 压缩气通过进气管道 7进入配气室 8，直到进气控制阀门 5和排气门 13都关闭， 排气行程和压缩气进气过程结束。 排气行程结束后， 活塞 15继续上行， 进行余 气压缩， 直到活塞 15行到上止点， 余气压缩过程结束。 当活塞 IS行至 上止 点附近时， 放气控制阀门 10打开， 进入膨胀做功过程。 做功过程中， 压縮气通 过放气控制阀门 10进入气缸 27， 并在气缸 27内膨胀， 推动活塞 15下行做功， 直到排气门 13打开， 做功过程结束，进入排气过程。 至此， 气驱发动机完成一 次循环。 图 6相位图中的燃烧加热过程在本方案中只是配� �室 8处于封闭态， 未进行燃烧加热过程。 气缸 27容积最小位在活塞式发动机中指活塞 15的上止 点， 气缸 27容积最大位在活塞式发动机中指活塞 15的下止点。 发动机的膨胀 比即气缸 27的最大容积与配气室 8的有效容积之比可以根据需要设计。 优选方案 2: 膨胀比可调式气驱内燃发动机

如图 3、 图 4和图 5 所示： 发动机进气管道 7通过进气控制阀门 5与配气 室 8相通， 配气室 8通过放气控制阀门 10与发动机气缸 27相通， 气缸 27通过 排气门 13与排气管道 12相通，图 5的凸轮轴 3直接驱动进气控制阀门揺臂 4、 放气控制阀门揺臂 2和排气门揺臂 1从而控制进气控制阀门 5、 放气控制阀 10 和排气门 13的开闭。 燃料喷嘴 9设置在进气管道 7上或配气室 8上； 配气室 8 上还设有火花塞 6和配气室容积调节活塞 11。

本方案的运行过程配气相位图如图 6所示： 排气过程中， 活塞 15上行， 排 气门 13处于开位， 放气控制阀门 10关闭， 进气控制阀门 5打开， 压縮气通过 进气管道 7进入配气室 8， 直到进气控制阀门 5和排气门 13都关闭， 排气行程 和压縮气进气过程结束。 对于燃料喷嘴设在进气管道 7上的进气配气装置， 则 燃料是同压缩空气一起通过进气控制阀门 5进入配气室的。 对于燃料喷嘴设置 在配气室 8上的进气配气装置，则燃料喷嘴 9可以在放气控制阀门 10关闭之后， 火花塞 6点火之前的任意时段进行燃料喷射， 如果燃料喷射时间选择在进气控 制阀门 5打开之前的时间段 （即图 6所示的封闭态配气室） 进行， 则可以在较 低的压力下进行燃料喷射。 火花塞 6应在进气控制阀门 5关闭之后放气控制阀 门 10打开之前进行点火， 以防止高温压縮气返回压缩气供气管。排气行 程结束 后， 活塞 15继续上行， 进行余气压缩， 直到活塞 15行到上止点， 余气压缩过 程结束。 当活塞 15行至的上止点附近时， 放气控制阀门 10打开， 进入膨胀做 功过程。做功过程中， 经过燃烧加热后的压缩气通过放气控制阓门 10进入气缸 27, 并在气缸 27内膨胀， 推动活塞 15下行做功， 直到排气门 13打开， 进入排 气过程。 至此， 气驱内燃发动机完成一次循环。 容积调节活塞 11可以根据发动 机的运行需求调节发动机配气室 8的有效容积大小，以调节发动的转速或输出� � 率。容积调节活塞 11的位移由容积调节活塞调节装置控制。膨胀� ��可变式发动 机的最大膨胀比即气缸 27的最大容积与可变配气室 8的最小有效容积之比可以 取 12〜60之间的任意数值；最小膨胀比即气缸 27的最大容积与可变配气室 8的 最大有效容积可以取 6~15之间的任意数值，也可以将最大膨胀比和� �小膨胀比 设计得比前述的取值范围更大或更小。

气缸 27容积最小位在活塞式发动机中指活塞 15的上止点，气缸 27容积最 大位在活塞式发动机中指活塞 15的下止点。

此方案中的进气配气装置上不设置或不启用燃 料喷嘴和火花塞则构成膨胀 比可调式气驱非内燃式发动机,即膨胀比可调� �膨胀机。 优选方案 3: 带调节装置的膨胀比可调式气驱内燃发动机

如图 7所示： 发动机进气管道 7通过进气控制阔门 5与配气室 8相通， 配 气室 8通过放气控制阀门 10与发动机气缸 27相通， 气缸 27通过排气门 13与 排气管道 12相通，凸轮轴 3直接驱动进气控制阀门揺臂 4、放气控制阀门摇臂 2 和排气门揺臂 1从而控制进气控制阀门 5、放气控制阀门 10和排气门 13的开闭。 燃料喷嘴 9设置在进气管道 7上或配气室 8上； 配气室 8上还设有火花塞 6和 配气室容积调节活塞 11 ; 配气室容积调节活塞 11上设有齿条 26， 允许容积调 节活塞 11左行的左行棘爪 22， 允许容积调节活塞右行的右行棘爪 25; 左行棘 爪 22和右行棘爪 25与齿条 26啮合， 左行棘爪 22和右行棘爪 25由棘爪拨杆 18 拨动； 棘爪拨杆 18由反馈弹簧 21和控制作动器连接杆 17的作用力共同控制； 反馈弹簧 21的一端连接到容积调节活塞的齿条 26上， 另一端连接到棘爪拨杆 18上，控制作动器连接杆 17的作用力直接加载在棘爪拨杆 18上。容积调节活塞 驱动弹簧 16的作用力使容积调节活塞 11向配气室 8容积减小的方向移动， 作 用力的大小可以取容积调节活塞 11受配气室 8内压缩气的最大作用力的 1/2左 右。当控制作动器连接杆 17的作用力小于反馈弹簧 21的作用力时，棘爪拨杆 18 拨动右行棘爪 25，使右行棘爪 25脱离啮合状态，左行棘爪 22保持啮合状态， 容 积调节活塞 11在配气室 8内气压和容积调节活塞驱动弹簧 16的合力的作用下， 只可以向左移动,使配气室 8的有效容积变小， 同时反馈弹簧 21的作用力也逐 步变小，直到控制作动器连接杆 17的作用力与反馈弹簧 21的作用力平衡,棘爪 拨杆 18处于中位，左行棘爪 22和右行棘爪 25都保持啮合状态， 容积调节活塞 11的位置不再移动。 控制作动器连接杆 17的作用力大于反馈弹簧 21力的作用 力时，棘爪拨杆 18拨动左行棘爪 22， 使左行棘爪 22脱离啮合状态，右行棘爪 25 保持啮合状态， 容积调节活塞 11在配气室 8内压缩气对活塞的作用力和活塞驱 动弹簧 16对活塞的作用力的合力的作用下，只可以向� ��移动,使配气室 8的有效 容积变大， 同时反馈弹簧 21的作用力也逐步变大， 直到控制作动器连接杆 17 的作用力与反馈弹簧 21的作用力平衡，棘爪拨杆 18处于中位,左行棘爪 22和右 行棘爪 25都保持啮合状态， 容积调节活塞 11位置不再移动。 配气室 8有效容 积的大小由控制作动器连接杆 17作用在棘爪拨杆 18上的力的大小来调节。 控 制作动器的作用是受用户控制直接或间接地给 棘手拨杆 18适当的操控力。控制 作动器是将操控者的需求转换成控制信号的设 备 （例如： 发动机油门控制踏板 或油门控制手柄， 其作用是按操控者的要求将供油量需求转换成 位移大小或拉 力大小来控制供油设备单位时间给发动机的供 油量） 。 本实施例的控制作动器 可以是通过人工操控弹簧力的大小来调节作用 在控制作动器连接杆 17上的力的 大小从而调节配气室 8的有效容积大小， 其方法之一是将发动机油门控制踏板 与弹黉的一端相连， 弹簧的另一端连到控制作动器连接杆 17上； 当脚踩油门控 制踏板时， 踏板位移使弹簧受拉力， 并通过控制作动器连接杆 17作用在棘手拨 杆 18上。控制作动器还可以是人工操控的气动作� ��器或液压作动器以及人工操 控的电磁作动器等。

本实施例中由于配气室 8内的气体压力在发动机排气时压力低， 压縮气进 入配气室 8和压縮气在配气室 8内燃烧加热时气体压力较高， 使得配气室 8内 的压缩气作用在容积调节活塞 11上的压力时高时低呈周期性变化；容积调节� �� 塞驱动弹簧 16加载在容积调节活塞 11上的弹簧力大于处于膨胀末期和排气过 程中配气室 8内的气体压力作用在容积调节活塞 11上的力，小于配气室 8进气 过程和燃烧加热过程中配气室 8内压縮气对容积调节活塞 11的作用力，使得配 气室 8内压缩气对容积调节活塞 11的作用力和容积调节活塞驱动弹簧 16对容 积调节活塞 11的作用力的合力呈正负周期性的变化，从而� ��制容积调节活塞 11 在不受棘爪限制时有足够的力量可以驱动容积 调节活塞 11双向移动。 优选方案 4: 带涡轮增压装置的膨胀比可调式气驱内燃发动 机

如图 8所示： 气驱内燃发动机 28的排气管 29与涡轮端进气口 36相通； 气 驱内燃发动机进气口 7通过二级压縮气进气管 43与二级缓冲储气瓶 35和压缩 机 34的压縮气出口 44相通； 压缩机 34的进气口 47通过一级压縮气进气管 33 与一级缓冲储气瓶 32相连，并经过中间散热器 31与增压叶轮压缩气出口 41相 通： 涡轮增压装置 30的增压叶轮空气进气口 42和废气排气口 37与大气相通； 压缩机 34和气驱内燃发动机 28同轴或联动。

本方案的发动机运行过程：空气经过增压叶轮 40压縮后再经过中间散热器 31冷却。冷却后的压缩空气再次经过压缩机 34压缩后供给气驱内燃发动机 28， 压縮空气在气驱内燃发动机 28内加热并膨胀做功后经排气管 29驱动涡轮 38和 与涡轮同轴的增压叶轮 40转动并压缩进入增压叶轮 40中的空气，从涡轮 38排 出的废气经排气口 37排到大气中。

当气驱内燃发动机低速小功率运行时， 配气室 8容积减小， 膨胀比增大， 排气管 29内的压力低， 流量小， 涡轮 38和增压叶轮 40转速低， 增压叶轮 40 对空气的增压比小， 使通过一级压缩气进气管 33进入压缩机 34的压缩气压力 低； 同时由于通过二级压縮气进气管 43进入配气室 8的压縮气体积减少， 也就 是压缩机 34的排气体积减小， 压縮比增大。

反之， 当气驱内燃发动机高速大功率运行时， 配气室 8容积增大， 膨胀比 减小， 排气管 29内的压力高， 流量大， 涡轮 38和增压叶轮 40转速高， 增压叶 轮 40对空气的增压比大，使通过一级压縮气进气� �� 33进入压缩机 34的压縮气 压力高； 同时由于通过二级压縮气进气管 43进入配气室 8的压缩气体积增加， 也就是压縮机 34的排气体积增大， 压縮比减小；

即发动机低速小功率运行时， 压缩机 34的压缩比增大， 涡轮增压装置 30 的增压比减小， 进入压缩机 34的进气压力降低； 发动机高速大功率运行时， 压 缩机 34的压缩比减小， 涡轮增压装置 30的增压比增大， 进入压缩机 34的进气 压力增大。 这样压縮机 34和涡轮增压装置 30的压縮比相互补偿， 使发动机在 低速小功率和高速大功率运行时，进入气驱内 燃发动机 28的压缩空气压缩比变 化较小， 可以维持较高的压縮比， 使发动机在低速小功率和高速大功率运行时 都能保持较高的燃料效率， 减少有害气体排放。