[发明专利]内燃发动机及其操作方法

说明书

技术领域

本发明整体涉及内燃发动机，且更特别地涉及高功率密度直喷 压燃发动机及发动机运行方法。

背景技术

内燃发动机长久以来作为动力源具有广泛的应用。内燃发动机 的尺寸范围可以从相对小的、手持的动力工具到海船和电站用的非 常大型的柴油发动机。一般来说，大型发动机功率较大，而小型发 动机功率较小。发动机功率可以根据以下公式计算，其中“BMEP” 为平均有效制动压强，即在传统四冲程活塞式发动机中功率冲程的 平均气缸压强。

功率＝(BMEP)x(发动机排量)x(RPM)x(1/792,000)

(英制单位)

虽然大型发动机功率可能更加大，但它们的功率-重量或尺寸比 或“功率密度”一般小于较小的发动机。功率随着给定的比例因子 的平方变化，而重量或容积随着比例因子的三次方变化。在其他条 件不变的情况下，诸如通过将普通发动机的气缸缸径尺寸加倍以及 将活塞冲程加倍来将发动机尺寸成比例地增加2倍，这会将功率增 加约4倍。然而尺寸和重量将增加约8倍。因此“功率密度”会下 降一半。在将发动机比例缩小时同样的原理也基本适用。当把普通 发动机的缸径尺寸减小2倍时，发动机功率将减小4倍，而发动机 尺寸和重量将减少8倍。因此，较小的发动机将具有比较小的可用 功率输出，而在许多情况下它们的理论功率密度比类似的较大的发 动机大。

功率密度的另一个相关影响因子是在特定的发动机中活塞的冲 程距离。在许多发动机中，需要在冲程距离和每分钟转数(RPM) 之间进行权衡。相对较长冲程的发动机倾向于具有较高的转矩和较 低的RPM，而相对较短冲程的发动机倾向于具有较低的转矩和较高 的RPM。即使短冲程发动机和长冲程发动机具有同样的马力，因为 较短冲程的发动机更短、更小，因此较短冲程的发动机可以具有更 大的功率密度。

在很多应用中可能需要较小、功率密度较大的发动机。例如在 许多飞行器中，需要使用相对小型、轻质、功率密集、具有相对多 的气缸数的发动机，而不是具有相对少的气缸数的大型发动机。但 是，在将许多内燃发动机比例缩小到一定程度以下时鲜有成功，特 别是对于直喷压燃发动机。很多较小的、理论上功率密度更高的发 动机在它们相对小的气缸内可能无法在每个功率冲程中完全燃烧足 够的燃料以满足更高的功率需求。

例如，如果传统的发动机在较低的温度及增压下运行，当每循 环喷入的燃料量相对较少而发动机需要更多的功率时，无法燃烧所 需的更多燃料可能会限制发动机的功率输出。当在较长的喷射时间 中喷出更多的燃料，液态燃料喷雾可能在有机会与气缸内充入的新 鲜空气充分混合之前就与活塞表面和任何其他燃烧室表面接触，在 本领域中被称为“湿壁(wall wetting)”。这一问题在小缸径发动 机中特别严重。因为湿壁倾向于导致燃烧质量下降以及高碳氢化合 物和颗粒排放，所以可能对小缸径发动机造成限制，使它们具有比 其本来的固有能力更低的功率和更差的排放。

在相对较高的温度和缸内压强下，湿壁不是大问题。然而燃料 和空气的不充分混合可能导致燃烧前的过量烟雾，在发动机功率达 到理论功率限值之前很久都会限制发动机的功率。这些限制的一个 原因是在较高的RPM时，在每个气缸中能够用于喷射和点燃燃料的 时间相对较短。不管发动机尺寸如何，速度较高的压燃发动机倾向 于具有这个问题。

由于上述限制，小型柴油发动机一般分为两类：在相对较高 BMEP和较低RPM下运行的，以及在相对较低BMEP和相对较高 RPM下运行的。但是，这两类发动机一般都无法提供与它们的尺寸 和重量相应的有吸引力的功率密度。一般来说，传统的较大缸径发 动机一般也在高BMEP低RPM、中BMEP中RPM或者是低BMEP 高RPM下运行，而不能同时具有高BMEP和高RPM，为此致力于 使功率密度最大化。

小缸径柴油发动机的一个实例是由德国雷姆沙伊德市的Dr. Schrick公司设计的TKDI 600。TKDI600在6000RPM时具有34KW 或46hp的输出。TKDI 600的缸径尺寸为约76mm或约3英寸，且 活塞冲程可以为约66mm或2.6英寸。虽然TKDI 600在诸如小型无 人飞行器上具有一定的应用，其可用的BMEP相对较低，约169PSI 且因此发动机的总可用功率输出以及因此的功率密度都在某种程度 上受到限制。

发明内容