[发明专利]超高(20:1)压缩比汽油机

说明书

技术领域内燃机，汽油发动机

背景技术汽油缸内直喷FSI技术；连续可变气门正时CVVT技术

发明内容

压缩比是衡量内燃机热效率的标志性指标，由于固有的缺陷，一般的汽油机压缩比大都在10∶1以下，最先进的缸内直喷汽油发动机压缩比也只达到11∶1，以高效率著称的柴油机，压缩比一般也只能达到18∶1。本设计方案通过另辟蹊径实现了汽油机20∶1的压缩比，使得汽油机在实现热效率达到或超过现有柴油机的水平的同时仍保留汽油机振动小、重量轻等优点。具体方案设计如下

一、设计方案汽油机运转行程

1、吸气行程

与普通汽油机相比，本设计方案吸气行程分两个阶段，这也是实现20∶1的压缩比汽油机技术的关键。

初始状态，设汽缸容积为1，进气门打开、排气门关闭，活塞下行，吸气行程开始。当活塞下行到汽缸中段时进气门、排气门全部关闭，此时进气量为9，汽缸容积达到10。吸气行程第一阶段结束。

吸气行程第二阶段，进气门、排气门全部关闭，汽缸内呈现负压状态，活塞继续下行直至达到下止点，吸气行程结束。

吸气行程结束时，缸内容积达到20，实际吸气量却只有9，实际气量只有10，缸内压力约为1/2大气压，这是汽油机实现20∶1的压缩比的根本原因和核心技术

2、压缩行程

进气门、排气门继续保持关闭，活塞从下止点运行到上止点。压缩行程结束。

压缩结束时缸内体积恢复为1，压力约为10个大气压，温度600～700K，这与普通10∶1压缩比汽油机完全相同。因此不会因压缩比过大引起汽油提前燃烧造成运转混乱。

3、做功行程

进气门、排气门继续保持关闭，火花塞点火，做功行程开始，高温高压燃气推动活塞下行直至下止点。

做功过程中，燃气压力、温度急剧上升，瞬时压力可达3MPa～5MPa，瞬时温度可达2200K～2800K。随着活塞的下移，压力、温度下降，做功行程终了时，压力约为200kPa，温度约为700K～800K，燃气体积也由1扩张到20。

4、排气行程

在做功行程终了时，排气门被打开，活塞在曲轴的带动下由下止点向上止点运动。废气在自身的剩余压力和活塞的驱赶作用下，自排气门排出气缸，至活塞运动到上止点时，排气门关闭，排气行程结束。

排气行程结束时，缸内气体体积恢复为1，压力约为105Kpa，温度为500～600K，系统归零，准备进入下一循环。

二、20∶1压缩比汽油机优缺点

本设计方案有着突出的优缺点，具体如下

(一)优点

1、高效率。相比相同排量普通10∶1压缩比汽油发动机，在同一的运转行程过程中，设定系统供给了同量的燃油，而两者做功量对比如下：

设定燃气最高压力为40大气压，普通10∶1压缩比汽油发动机做功行程结束时压力为4大气压，20∶1压缩比汽油发动机为2大气压，简单计算结果：

普通10∶1压缩比汽油发动机做功量为：22单位；

20∶1压缩比汽油发动机做功量为：42单位；

当然，汽缸内压力变化不可能是一条直线，现有技术也不可能完全模拟，20∶1压缩比汽油发动机全行程循环还有较相同排量普通10∶1压缩比汽油发动机额外的能量消耗，因此系统效率不可能有以上接近100％的提高，但是提高50％的热效率还是完全有把握的，即将汽油机的热效率由目前的30％左右提高到45％以上，达到或超过柴油机热效率。

2、发动机工作柔顺噪音小。在相同的供油量的工作循环中，20∶1压缩比汽油发动机较普通10∶1压缩比汽油发动机工作压力曲线更为平缓，持续时间增加接近一倍，因而提供了更为持续稳定的动力。另外由于排气门打开时的瞬间，20∶1压缩比汽油发动机废气压力约为2大气压，普通10∶1压缩比汽油发动机废气压力约为4大气压，因此其噪音更低。

3、兼容性。20∶1压缩比汽油发动机与当前最先进的汽油机缸内直喷技术、CVVT技术并不冲突，相反的，还可以为引入这些技术提供更为稳定的系统环境。

(二)缺点

20∶1压缩比汽油发动机缺点也是显而易见的。由运转行程图示可知，1升排量的20∶1压缩比汽油发动机与2升排量的10∶1压缩比普通汽油发动机尺寸完全相同，造价相近，这也是该技术固有的缺点。

三、实现汽油机20∶1的压缩比理论依据