专利摘要

本发明提供了一种等温放热循环内燃机及其控制方法，包括气缸、活塞、火花塞以及点火线圈(3)；在点燃式发动机的奥拓循环的基础上融合等温放热过程，大幅降低冷却损失，提高燃料效率。整个燃烧过程由定容放热和等温放热过程组成。每个火花塞通过点火线圈(3)驱动，通过控制单电极放电策略、多电极放电协调进行燃烧放热率控制。在压缩上止点时先经过定容燃烧，再借助活塞下行过程中燃烧室体积的增加和单电极放电策略、多电极协调控制，实现等温放热热力学循环；能够提高燃料效率、降低冷却损失，同时能够降低工质温度，进而降低爆震概率。

权利要求

1.一种等温放热循环内燃机，其特征在于，包括气缸、活塞、火花塞以及点火线圈(3)；所述活塞和火花塞均设置在气缸内，活塞与气缸内壁合围形成第一空间；所述点火线圈(3)与火花塞相连，并且能够控制火花塞的放电能量和放电持续时间；

所述气缸上设置有进气门和排气门。

2.根据权利要求1所述的等温放热循环内燃机，其特征在于，N个所述火花塞在M个点火线圈(3)的控制下能够实现单电极放电或者多电极协调放电，其中N和M均为正整数。

3.根据权利要求1或2所述的等温放热循环内燃机，其特征在于，所述点火线圈(3)包括控制电路、线圈组件(4)、高压二极管(5)以及高压导线(6)；所述控制电路与线圈组件(4)相连，并且能够控制线圈组件(4)放电；所述线圈组件(4)经高压二极管(5)与高压导线(6)相连；点火线圈(3)通过高压导线(6)与火花塞相连。

4.一种等温放热循环内燃机控制方法，其特征在于，利用权利要求1至3中任一项所述的等温放热循环内燃机，包括：

燃烧过程步骤：N个所述火花塞在M个点火线圈(3)的控制下按照设定的第一放电策略放电，点燃部分内燃机燃料与空气的混合物，随后N个所述火花塞在M个点火线圈(3)的控制下按照设定的第二放电策略持续放电，燃烧剩余内燃机燃料与空气的混合物，实现热力学等温过程。

5.根据权利要求4所述的等温放热循环内燃机控制方法，其特征在于，进气冲程步骤：进气门打开，排气门关闭，通过活塞的移动使得第一空间体积增大，从而在气缸内引入外部空气；

压缩冲程步骤：进气门和排气门均关闭，通过活塞的移动使得第一空间的体积减小，内燃机燃料与空气的混合物被压缩；

做功冲程步骤：被点燃的内燃机燃料与空气的混合物产生高温高压气体，推动活塞运动，对外做功；

排热过程步骤：进气门关闭，排气门打开，定容排热；

排气冲程步骤：进气门关闭，排气门打开，通过活塞惯性运动使得第一空间体积减小，排出废气。

6.根据权利要求4或5所述的等温放热循环内燃机控制方法，其特征在于，所述第一放电策略和第二放电策略包括单次放电、多次放电以及连续放电中的任一种或任多种组合。

7.根据权利要求4或5所述的等温放热循环内燃机控制方法，其特征在于，所述燃烧过程步骤中等温过程的放热率可以通过如下公式计算得到：

其中，Q为等温放热过程中放出的热量， 为曲轴转角，R为理想气体常数，K为常数，S为活塞顶部面积，V₀为上止点时第一空间体积，λ为连杆比， 为压缩上止点时曲轴转角。

说明书

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，具体地，涉及一种等温放热循环内燃机及其控制方法，尤其涉及一种适用在汽油机、气体内燃机机等点燃式发动机领域的高效率等温放热循环内燃机。

背景技术

提高燃烧效率是发动机发展过程中的关键目标。对于点燃式内燃机，一般通过稀薄燃烧、高压缩比等方法提高效率，但是也会带来燃烧不稳定、易爆震等问题。此外，传热损失也是限制发动机热效率提高的一大障碍之一。点燃式内燃机基于奥拓循环，现有技术可以归纳为将实际发动机循环逼近于理想的奥拓循环从而提高效率，并没有在热力学循环上提出创新从而提升发动机效率。

因此，设计一种高燃料效率、低冷却损失的新型内燃机具有一定的现实意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种等温放热循环内燃机及其控制方法。

根据本发明提供的一种等温放热循环内燃机，包括气缸、活塞、火花塞以及点火线圈；所述活塞和火花塞均设置在气缸内，活塞与气缸内壁合围形成第一空间；所述点火线圈与火花塞相连，并且能够控制火花塞的放电能量和放电持续时间；

所述气缸上设置有进气门和排气门。

优选地，N个所述火花塞在M个点火线圈的控制下能够实现单电极放电或者多电极协调放电，其中N和M均为正整数。

优选地，所述点火线圈包括控制电路、线圈组件、高压二极管以及高压导线；所述控制电路与线圈组件相连，并且能够控制线圈组件放电；所述线圈组件经高压二极管与高压导线相连；点火线圈通过高压导线与火花塞相连。

根据本发明提供的一种等温放热循环内燃机控制方法，利用上述的等温放热循环内燃机，包括：

燃烧过程步骤：N个所述火花塞在M个点火线圈的控制下按照设定的第一放电策略放电，点燃部分内燃机燃料与空气的混合物，随后N个所述火花塞在M个点火线圈的控制下按照设定的第二放电策略持续放电，燃烧剩余内燃机燃料与空气的混合物，实现热力学等温过程。

优选地，进气冲程步骤：进气门打开，排气门关闭，通过活塞的移动使得第一空间体积增大，从而在气缸内引入外部空气；

压缩冲程步骤：进气门和排气门均关闭，通过活塞的移动使得第一空间的体积减小，内燃机燃料与空气的混合物被压缩；

做功冲程步骤：被点燃的内燃机燃料与空气的混合物产生高温高压气体，推动活塞运动，对外做功；

排热过程步骤：进气门关闭，排气门打开，定容排热；

排气冲程步骤：进气门关闭，排气门打开，通过活塞惯性运动使得第一空间体积减小，排出废气。

优选地，所述第一放电策略和第二放电策略包括单次放电、多次放电以及连续放电中的任一种或任多种组合。

优选地，所述燃烧过程步骤中等温过程的放热率可以通过如下公式计算得到：

其中，Q为等温放热过程中放出的热量， 为曲轴转角，R为理想气体常数，K为常数，S为活塞顶部面积，V₀为上止点时第一空间体积，λ为连杆比， 为压缩上止点时曲轴转角。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明机械结构简单，便于安装改造，易于维护；

2、本发明能够通过等温放热循环提高燃料效率；

2、本发明能够通过降低等温放热循环大幅降低冷却损失；

3、本发明能够降低工质温度，进而降低爆震概率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的等温放热循环内燃机及其控制方法中等温放热循环示意图；

图2为点燃式发动机奥拓循环示意图；

图3为本发明提供的等温放热循环内燃机及其控制方法中等温放热循环燃烧室示意图；

图4为本发明提供的等温放热循环内燃机及其控制方法中点火线圈的原理示意图；

图5为本发明提供的等温放热循环内燃机及其控制方法中优选的单电极点火策略示意图。

图中示出：

第一火花塞1

第二火花塞2

点火线圈3

线圈组件4

高压二极管5

高压导线6

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种等温放热循环内燃机，包括气缸、活塞、火花塞以及点火线圈3；所述活塞和火花塞均设置在气缸内，活塞与气缸内壁合围形成第一空间；所述点火线圈3与火花塞相连，并且能够控制火花塞的放电能量和放电持续时间；所述气缸上设置有进气门和排气门。

优选地，N个所述火花塞在M个点火线圈3的控制下能够实现单电极放电或者多电极协调放电，其中N和M均为正整数。所述点火线圈3包括控制电路、线圈组件4、高压二极管5以及高压导线6；所述控制电路与线圈组件4相连，并且能够控制线圈组件4放电；所述线圈组件4经高压二极管5与高压导线6相连；点火线圈3通过高压导线6与火花塞相连。

根据本发明提供的一种等温放热循环内燃机控制方法，利用上述的等温放热循环内燃机，包括：

燃烧过程步骤：N个所述火花塞在M个点火线圈3的控制下按照设定的第一放电策略放电，点燃部分内燃机燃料与空气的混合物，随后N个所述火花塞在M个点火线圈3的控制下按照设定的第二放电策略持续放电，燃烧剩余内燃机燃料与空气的混合物，实现热力学等温过程。

具体地，进气冲程步骤：进气门打开，排气门关闭，通过活塞的移动使得第一空间体积增大，从而在气缸内引入外部空气；

压缩冲程步骤：进气门和排气门均关闭，通过活塞的移动使得第一空间的体积减小，内燃机燃料与空气的混合物被压缩；

做功冲程步骤：被点燃的内燃机燃料与空气的混合物产生高温高压气体，推动活塞运动，对外做功；

排热过程步骤：进气门关闭，排气门打开，定容排热；

排气冲程步骤：进气门关闭，排气门打开，通过活塞惯性运动使得第一空间体积减小，排出废气。

所述第一放电策略和第二放电策略包括单次放电、多次放电以及连续放电中的任一种或任多种组合。所述燃烧过程步骤中等温过程的放热率可以通过如下公式计算得到：

其中，Q为等温放热过程中放出的热量， 为曲轴转角，R为理想气体常数，K为常数，S为活塞顶部面积，V₀为上止点时第一空间体积，λ为连杆比， 为压缩上止点时曲轴转角。

更具体地，燃烧过程步骤中等温过程的放热率公式计算方法如下：

根据热力学第二定律Q(热)＝W(功)+U(内能)，采用等温放热循环时，工质内能不变，循环内投入热能直接转换为对外输出功，从而提高燃料效率，降低冷却损失。

在不考虑传热损失的情况下，放热率通过第一公式：

计算得到，其中Q为等温放热过程中放出的热量，U为工质内能，W为工质推动活塞做的功， 为曲轴转角。对于等温放热，内能不变，所以有第二公式：

其中p为工质压强，V为工质体积。根据理想气体方程，在等温放热的情况下存在第三公式：

pV＝nRT＝K

其中n为物质的量，R为理想气体常数，K为常数。

结合第二公式和第三公式，则有第四公式：

在内燃机做功冲程中，存在第五公式：

V＝Svt+V₀

其中S为活塞顶部面积，v为活塞下行速度，V₀为上止点时第一空间体积。根据内燃机运动方程，存在第六公式：

其中ω为曲轴角速度，λ为连杆比。同时存在第七公式：

其中 为压缩上止点时曲轴转角。将第六公式和第七公式代入第五公式可得第八公式：

将第八公式代入第四公式可得第九公式：

第九公式即为本发明中内燃机等温放热过程中放热率计算公式。通过点火线圈3控制单电极放电策略、多电极放电协调进行燃烧放热率控制，同时借助在燃烧过程中活塞下行，实现热力学近等放热循环。

进一步地，如图1所示，对于传统奥拓循环，a-b为进气冲程，b-c为压缩冲程，d-e为做功冲程，b-a为排气冲程，此外，c-d为定容燃烧过程，e-f为排气节气门打开后定容排热过程；如图2所示，对于本发明提出的等温放热循环，a-b为进气冲程，b-c为压缩冲程，d-e-f为做功冲程，b-a为排气冲程，燃烧过程包含了c-d的定容燃烧过程和d-e的等温燃烧过程。

更进一步地，如图3所示，以火花塞3的数量为两个为例，燃烧过程由第一火花塞1、第二火花塞2以及点火线圈3控制和实施。第一火花塞1和第二火花塞2分别由点火线圈3进行控制，点火线圈3进行单电极放电策略实施。在活塞运行到上止点附件时，由第一火花塞1先放电，或者第一火花塞1和第二火花塞2同时放电，点火线圈3控制放电能量和放电持续期，完成c-d定容燃烧过程，点燃部分可燃气体，在活塞下行时借助第一空间流场由第一火花塞1，或者第一火花塞1和第二火花塞2共同作用，持续输出能量燃烧剩余未燃气体，实现如第九公式所示的放热率的控制，同时由于活塞下行时第一空间体积的增加，加上通过点火策略和多电极控制期间的压力同步下降，实现热力学等温过程。

如图4所示，点火线圈3内部由四个线圈组件4并联并经过高压二极管5驱动第一火花塞1或者第二火花塞2，点火线圈3和火花塞之间通过高压导线6进行连接。点火线圈3可实现如图5所示的不同能量和持续期的单次放电、多次放电和连续放电等，具体放电策略的实施根据实际需求进行控制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

等温放热循环内燃机及其控制方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。