一种基于绝热燃烧室和米勒循环的绝热内燃机燃烧系统

技术领域

本发明属于内燃机相关技术领域，更具体地，涉及一种基于绝热燃烧室和米勒循环的绝热内燃机燃烧系统。

背景技术

内燃机由于其转速高、结构简单、质量轻、运转平稳等特点，因此广泛应用于各种汽车、船舶和工程机械等领域。然而内燃机存在不同形式的能量损失，如冷却损失、排气损失等，从而降低了其热效率。随着内燃机行业的发展，内燃机的热效率已经成为制约内燃机行业发展的关键瓶颈，进一步提高内燃机热效率已经成为内燃机行业的重大需求。

与普通内燃机相比，绝热内燃机采用隔热陶瓷等材料来减少传热损失，热能损失大幅度下降，使得更多热能转化为膨胀功输出，从而提高了内燃机的热效率。此外，绝热内燃机燃烧室内部涂覆有绝热涂层可以抵挡高温燃气对缸盖活塞等部件的长时间冲蚀，减小零部件的烧蚀，从而降低维修成本。

爆震和爆燃是内燃机的一种非正常燃烧现象，对于汽油机而言，它是指燃烧室内末端混合气在火焰锋面未到达前发生自燃的现象；对于柴油机而言，它是指燃烧过程中压力升高率过大导致的发动机最大爆发压力升高过快，使气缸体、气缸盖等受到的机械负荷增加的现象。爆震和爆燃现象在内燃机大负荷工况下较易出现，限制了内燃机热效率的进一步提升。采用绝热燃烧室技术后，会进一步提高内燃机燃烧室内的温度，进一步加剧内燃机在大负荷工况下下出现爆震和爆燃的趋势。

米勒循环是内燃机中用于改善中小负荷热效率的一种工作方式，该循环采用较大的几何压缩比，在内燃机不同实际工况下，通过改变进、排气门的关闭角度实现不同的实际压缩比。具体而言，在容易产生爆震或者爆燃的大负荷工况采用较小的实际压缩比，以避免爆震或者爆燃；而在没有爆燃趋向的中小负荷下采用较大的实际压缩比，以提高内燃机热效率。整体而言，米勒循环可以大幅提高内燃机的整体热效率，但对常用的小负荷工况，热效率还有进一步提升的余地；另外，内燃机大负荷工况下采用米勒循环会产生一些进气损失造成能源的浪费。

专利CN 107076051B公开了一种发动机燃烧室的绝热结构，在活塞表面涂覆了一种中空粒子绝热层，并且为了加快燃烧室远离火花塞端的散热，使挤流区域面的绝热层比腔面的绝热层薄，从而减小爆震发生的概率。专利CN101255818B公开了一种余热再利用装置的储压式联体汽缸绝热发动机，将两个缸并联完成传统的由单缸完成的四冲程工作过程，增设了储压机构、绝热装置，提高了发动机的热效率，但工作过程中气缸内壁温度较高容易发生爆震，然而减薄绝热层厚度会降低绝热效果，降低热效率。

因此需要一种新型燃烧系统，既能进一步提高内燃机的热效率，并且同时可以避免绝热内燃机内爆震等非正常燃烧现象的发生。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于绝热燃烧室和米勒循环的绝热内燃机燃烧系统，通过绝热气缸和米勒循环的联合，即可以在内燃机中小负荷工况下采用绝热和高压缩比的技术手段，大幅提高内燃机中小负荷的热效率；又可以在内燃机大负荷工况下，采用小压缩比以及二次扫气的技术手段，大幅降低内燃机大负荷工况下爆震和爆燃产生的可能性，从而能在保证内燃机可靠运行的基础上，大幅提高内燃机的整体热效率。具体地，通过对绝热气缸中绝热涂层和米勒循环的设计，解决传统绝热内燃机整体热效率不高，绝热涂层容易脱落、绝热气缸壁温过高导致的爆震和爆燃等问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于绝热燃烧室和米勒循环的绝热内燃机燃烧系统，该系统包括两个结构相同的气缸，每个气缸均包括缸体和活塞，所述活塞设置在所述缸体中，并与所述缸体形成燃烧室，所述燃烧室上设置有进气道和排气道；

其中一个气缸的内表面上涂覆有一层绝热涂层形成绝热气缸，该绝热气缸的排气道和另一个气缸的进气道之间设置有散热气道，用于将所述绝热气缸和另一个所述气缸连接，

在中小负荷下，提高所述燃烧室系统预设的几何压缩比，所述绝热气缸在提高后的压缩比下工作，一方面保存了燃烧室的热量，另一方面增加了做功量，以此提高所述燃烧室系统在中小负荷下的热效率；

在大负荷工况下，所述绝热气缸中的排气门在活塞的整个运动行程中开启两次，第一次是在排气过程中，所述排气门开启，实现第一次扫气，第二次是在所述绝热气缸的活塞压缩过程的前期，所述排气门二次开启，同时开启所述散热气道，活塞一边压缩所述绝热气缸的燃烧室一边排气实现第二次扫气，避免所述绝热气缸压缩过程中温度过高引起爆震；同时，部分预热的气体通过所述散热气道进入另一个所述气缸中，增加该气缸的充量系数，提高热效率。

进一步优选地，在所述活塞的顶面上所述绝热涂层的厚度分布为中间厚两边薄，绝缘涂层的厚度从中心向边缘逐渐减小，中心处的厚度为0.5mm～2mm，边缘处的厚度为0.25mm～1mm。

进一步优选地，所述绝热涂层呈多层结构，由外到内包括防护层、绝热中空粒子层和粘合剂层，其中，所述防护层用于抵抗高温高压或承受高速往复摩擦，所述绝热中空粒子层的内部包含微小的中空粒子，用于降低所述绝热涂层的导热性，所述粘合剂层用于保证所述绝热涂层与所述燃烧室内壁的粘附性。

进一步优选地，所述防护层分为弹性密封层和刚性密封层两种，当所述防护层采用所述弹性密封层时，所述绝热涂层用于活塞顶部和绝热燃烧室顶部，用于抵抗高温高压燃气的冲刷，当所述防护层采用刚性密封层时，所述绝热涂层用于所述绝热气缸的缸体，用于承受高速往复摩擦。

进一步优选地，所述弹性密封层的材料包括铝与粘合剂，或铝合金和粘合剂；所述刚性密封层的材料包括陶瓷和粘合剂；所述中空粒子层的材料包括硅铝基陶瓷中空粒子和粘合剂，所述粘合剂层采用硅树脂胶粘合剂。

进一步优选地，所述防护层的厚度为所述绝热涂层总厚度的1/5～1/4，所述中空粒子层的厚度为所述绝热涂层总厚度的1/2～3/5，所述粘合剂层的厚度为所述绝热涂层总厚度的1/5～1/4。

进一步优选地，所述绝热气缸的燃烧室和活塞顶面均设置有多个定位槽，该定位槽中填充有粘合剂，用于增大绝热涂层与所述燃烧室和活塞顶面的粘附性，避免绝热涂层脱落，同时也防止绝热涂层产生相对运动。

进一步优选地，所述绝热气缸中绝热涂层的最低点低于所述活塞的下止点，保证所述活塞的整个行程内有效绝热。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明中通过设置绝热气缸，涂覆绝热涂层可以降低绝热气缸燃烧室的冷却损耗，有效提高发动机的有效热效率，并且由于绝热涂层的隔热效果，使得发动机内燃烧室之外的结构热负荷降低，有利于提高发动机的可靠性；

2.本发明基于绝热燃烧室和米勒循环的联合，进一步提高了内燃机中小负荷的热效率，进而提高了内燃机的整体热效率，同时又避免了内燃机大负荷工况下爆震和爆燃的发生。并且通过米勒循环和双缸体系的实现，用于将绝热燃烧室二次扫气冷却的新鲜混合气经散热气道冷却后导入普通燃烧室中，增加普通燃烧室的充量系数；

3.本发明中绝热涂层在活塞顶面厚度由中心向边缘逐渐变薄，该分布方式促进燃烧室末端混合气的热传递，从而减小末端混合气自燃导致爆震的概率；

4.本发明中绝热涂层包括防护层、中空粒子层和粘合剂层，并根据不同的性能要求选择不同的防护层，在有效隔热的同时保证了绝热涂层的耐磨性、抗冲刷能力等稳定性。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于绝热燃烧室和米勒循环的绝热汽油机燃烧系统的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的活塞表面的绝热涂层的分布示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的绝热涂层的结构示意图；

图4a是按照本发明的优选实施例所构建的绝热气缸中小负荷工况下的工作过程相位示意图；

图4b是按照本发明的优选实施例所构建的绝热气缸大负荷工况下的工作过程相位示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-活塞，2-绝热燃烧室，3-普通燃烧室，4-绝热涂层，5-缸体，6-排气门，7-进气门，8-散热气道，9-控制阀，10-排气气道，11-进气气道，12-排气气道控制阀，13-喷油器，401-防护层，402-绝热中空粒子层，403-粘合剂层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的系统包含绝热气缸和米勒循环两种提高热效率的技术，通过绝热气缸和米勒循环的联合，即可以在内燃机中小负荷工况下采用绝热和高压缩比的技术手段，大幅提高内燃机中小负荷的热效率；又可以在内燃机大负荷工况下，采用小压缩比以及二次扫气的技术手段，大幅降低内燃机大负荷工况下爆震和爆燃产生的可能性，从而能在保证内燃机可靠运行的基础上，大幅提高内燃机的整体热效率。

双缸体系指一个绝热气缸和一个未做绝热处理的普通气缸组成一个系统，绝热燃烧室与普通燃烧室相连，工作过程中绝热燃烧室壁面温度高，而普通燃烧室壁面温度低于绝热燃烧室壁面温度，因此相同压缩比下在普通燃烧室内发生爆震的概率较低。

绝热气缸和普通气缸的结构相同，都设置有喷油器13、燃烧室、活塞1和进气门7等，其中，活塞1、活塞环、缸套等组件均采用氧化锆等陶瓷材质，减小燃烧室内的散热损失，提高热效率。

本专利不仅限于双缸体系，也可以由绝热气缸单独成为一个体系，融合到实际发动机中。

绝热气缸和普通气缸的不同之处在于：如图1所示，绝热气缸的绝热燃烧室2比普通燃烧室3多了绝热涂层4，在活塞1顶部，缸体5内壁、燃烧室顶部以及气门顶等地方涂覆绝热涂层4。且在绝热燃烧室2顶部及活塞1顶部圆周方向均匀开特定数量的定位槽，该定位槽以梯形槽为例，底边宽于顶边，由于绝热涂层4的粘合剂层403易失效，导致绝热燃烧室2表面与绝热涂层4分离，而绝热涂层4内部粘连性好于绝热涂层4与陶瓷等材质表面的粘连性，因此该槽可以防止绝热涂层4的整体脱落。

缸体5内壁的绝热涂层4最低点应低于活塞1下止点，保证在整个活塞1行程内都可以有效的绝热。

如图2所示，活塞1顶部绝热涂层4厚度从中间向四周递减。绝热涂层4越厚绝热性能越好，但获得的冷却越小，缸壁温度也越高，更易发生爆震现象，爆震是内燃机中一种不正常燃烧情况，因此边缘处绝热涂层4厚度小可以降低末端混合气的温度，从而减少发生爆震的可能性。

如图3所示，绝热涂层4包括防护层401、绝热中空粒子层402以及粘合剂层403，其中，防护层401分为弹性密封层和刚性密封层。弹性密封层由铝或铝合金、粘合剂等物质组成，厚度约为总厚度的1/5～1/4，用于活塞1顶部以及绝热燃烧室2顶部，抵抗高温高压燃气的冲刷，保证绝热中空粒子层402的绝热效果，刚性密封层由陶瓷、粘合剂等物质组成，用于承受高速往复摩擦，保护缸套内壁绝热中空粒子层402。

中空粒子层402包括中空粒子和粘合剂，中空粒子采用硅铝基陶瓷中空粒子，其内部为空心结构，可以有效降低绝热涂层4的导热性。此外，其密度小、耐高温、且硬度较高，可以较好的适应燃烧室的恶劣工作环境，该层厚度约为总厚度的1/2～3/5。

粘合剂403层采用硅树脂胶粘合剂，该粘合剂对陶瓷和金属的胶接性能好，且相比于其它有机树脂，有更好的耐高温性以及抗冲击性，该层厚度约为总厚度的1/5～1/4。

如图1所示，绝热燃烧室2排气道的一个分支气道与普通燃烧室3进气道的一个分支气道相连构成散热气道8。散热气道8用于将绝热燃烧室二次扫气冷却的新鲜混合气冷却后通入普通燃烧室3，增加普通燃烧室3的充量系数，促进普通燃烧室3进气更充分。

米勒循环是指通过一定的手段，使发动机的实际压缩比不同于几何压缩比。在容易产生爆震的大负荷工况下，压缩过程前期，排气门6的再次开启相当于减小了绝热燃烧室2内的有效压缩比，避免了绝热燃烧室内产生爆震等不正常燃烧现象；同时排气门6的再次开始，相当于开启了二次扫气，降低了绝热燃烧室内高温壁面的热负荷，进一步提高了内燃机的可靠性。

本发明中提及的大负荷工况和中小负荷工况根据不同的内燃机，具体所指定的负荷数值不同，本实施例中，为了便于说明，可以假定大负荷工况是指油门踩至75％以上，中小负荷工况是指内燃机的油门踩至小于75％。

开设散热气道8可以增加普通燃烧室3的充量系数，促进了普通燃烧室3的完全燃烧，提高了热效率。绝热燃烧室与其相连的普通燃烧室相连气道内设控制阀9。利用电磁阀改变控制阀9开度，可以调节普通气缸的进气量，在促进完全燃烧的基础上，避免普通气缸的爆震。

本发明可以应用在汽油机和柴油机中，下面以汽油机为具体实施例进一步说明本发明。

实施例1

以4缸4冲程汽油机为例，假设该发动机的发火顺序为常用的1-3-4-2，但本发明并不局限于该情况。其中，1-缸和4-缸内设置为绝热燃烧室2，2-缸和3-缸内设置为普通燃烧室3。发动机的工作过程为：进气过程—压缩过程—做功过程—排气过程。由于各缸发火顺序是常用的1-3-4-2，也即为2-1-3-4，因此当1-缸活塞1位于进气行程时，2-缸活塞1位于压缩行程。接下来以1-2缸组成一个双缸体系为例介绍本发明的具体实施方式。

如图1所示，绝热燃烧室2排气道分为排气气道10和散热气道8。普通燃烧室3进气道分为进气气道11和散热气道8。散热气道8内设有控制阀9。1-缸的散热气道8与2-缸散热气道8相连，控制阀9调节普通燃烧室3进气量。

内燃机中小负荷下工作过程相位示意图如图4a所示，外圈表示进气行程、压缩行程，内圈表示做功行程、排气行程。进气过程指进气门开启到进气门关闭之间的过程，进气行程指进气过程中活塞从上止点到下止点的过程。进气过程存在进气提前角α以及进气迟闭角β，即进气门在进气行程活塞位于上止点前α曲轴转角打开，在进气行程活塞位于下止点后β曲轴转角关闭。与之对应的，排气过程指排气门开启到排气门关闭之间的过程，排气行程指排气过程中活塞从下止点到上止点的过程。排气过程存在排气提前角γ以及排气迟闭角δ，即排气门在排气行程下止点前γ曲轴转角开启，在排气行程上止点后δ曲轴转角关闭。在内燃机中小负荷下，内燃机按照此工作过程相位示意图工作，此时散热气道不起作用。

内燃机大负荷下工作过程相位示意图如图4b所示，此时，米勒循环开启，即压缩过程中排气门二次开启，把多余进气在压缩过程中通过排气门排给普通气缸，用于减少绝热气缸的实际压缩比。具体过程为：绝热燃烧室2排气门6于活塞1排气行程始点前γ曲轴转角第一次开启，于排气行程终点后δ曲轴转角关闭。至进气行程活塞位于下止点后，排气门6再次开启，同时排气气道控制阀12关闭，控制阀9开启，直至排气门开启后σ曲轴转角后排气门6关闭，排气气道控制阀12与控制阀9复原。当绝热燃烧室2活塞1位置对应压缩行程时，普通燃烧室3活塞1位置对应其进气行程，故而绝热气缸的二次扫气可以很顺畅地流入普通气缸。因此，如图4b所示，当绝热燃烧室2排气门6再次开启时，绝热燃烧室2内部分的混合气进行了二次扫气，并通过散热气道8进入普通燃烧室3，以此降低绝热燃烧室2内的气体温度和高温壁面温度，并提高普通燃烧室3内充量系数。即散热气道开启σ曲轴转角的时间，上述角度α、β、γ、δ和σ是根据需要预设设定的角度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。