壓縮做功獨立室往復式四衝程發動機的製作方法

2023-09-18 01:10:30 2

專利名稱：壓縮做功獨立室往復式四衝程發動機的製作方法
技術領域：
本發動機屬於一種四衝程往復活塞式內燃機。
背景技術：
1883年葛·戴姆勒(Gottlieb Daimler)製成第一臺四衝程往復活塞式汽油機，1897年狄賽爾首先製成了柴油機。現有四衝程往復活塞式發動機是在一個汽缸內完成發動機的進氣、壓縮、燃燒膨脹做功、排氣循環。進氣過程中冷的空氣在吸氣與壓縮過程吸收溫度高的汽缸壁、活塞、汽缸蓋上的熱量，壓縮空氣消耗的功等於絕熱壓縮功加上空氣吸收熱量增加的壓縮功；燃燒膨脹做功過程中，高溫的燃氣的熱量傳給溫度低的汽缸壁、活塞、汽缸蓋，燃氣做的膨脹功等於絕熱膨脹功減去因熱量損失而減少的膨脹功。汽油機採用火花塞點燃、柴油機採用壓縮自燃方式點燃。燃料的燃燒在溫度較低的汽缸壁、活塞頂部、汽缸蓋底部上燃燒不完全，產生CO、CH、碳煙等有害物質，燃燒室中心的高溫會產生NO。為了改善燃燒現採用電子控制噴射燃油，為降低有害物質的排放採用催化劑使排氣中的有害物質轉化成無害物質。1987年英國的牟利特(Merritt)研製成功表面催化燃燒的汽油機使得燃燒大大改善，但結構過於複雜。

發明內容
為了降低壓縮功、提高膨脹功與改善發動機的燃燒就有了本發明壓縮做功獨立室往復式四衝程發動機。本發明的發動機結構上與現在的往復活塞式發動機結構大部分相同，本發明的發動機的進氣壓縮衝程與做功排氣衝程分別在兩個容腔內進行，點燃方式採用催化點燃或蓄熱點燃，應用於汽油機沒有了現有發動機的火花塞點火系統。本發明的發動機異於現有的往復式活塞發動機的有以下單元1、兩個由活塞、缸套、汽缸蓋組成容腔，一個用容腔用於吸氣與壓縮(以下稱壓縮室)，另一容腔用於膨脹做功與排氣(以下稱做功室)，兩個缸套平行相鄰，活塞連著連杆曲軸，做功室活塞運動滯後於壓縮室活塞一定曲柄角度；2、壓縮室汽缸蓋上的進氣道與進氣閥，做功室汽缸蓋上的排氣道與排氣閥；3、在汽缸蓋上連接壓縮室與做功室的通道(以下稱兩室通道)；4、在兩室通道壓縮室端讓壓縮氣體進入通道的單向閥(以下稱壓縮室出氣閥)；5、在兩室通道上靠近做功室的閘閥(以下稱通道閘閥)，通道閘閥定時地打開與關閉通道；6、在通道閘閥與壓縮室之間兩室通道上的容腔(以下稱中間室)；7、塗在通道閘閥與做功室之間兩室通道壁上的催化劑膜或在這段通道內的蓄熱器，用於點燃混合氣體；8、裝在通道閘閥與做功室之間兩室通道上的加熱器，用於發動機啟動時加熱催化劑膜或蓄熱器；9、驅動進氣閥、排氣閥、通道閘閥定時地打開與關閉的凸輪機構，進氣閥在壓縮活塞從上止點運行到過下止點後一定角度時間內(即壓縮室處於進氣衝程)打開、排氣閥在做功活塞從下止點前一定角度運行到上止點時間內(即做功室處於排氣衝程)打開、通道閘閥在做功活塞從上止點前一定角度運行到過下止點後一定角度時間內(即做功室在做功衝程及做功衝程前後一定時間內)打開，凸輪軸的轉速等於曲軸轉速。
本發明的發動機與現在的往復式四衝程發動機相比具有以下特點1、進氣壓縮衝程在低溫的室內進行，充氣係數高，降低了壓縮功的損耗；2、膨脹做功衝程在高溫的室內進行，室壁溫度高，傳熱損失小，熱效率高，且可以通過增大做功室的活塞行程或缸徑使得膨脹容積大於壓縮容積，膨脹功可進一步提高；3、採用催化劑或蓄熱器點燃，燃燒是桶形燃燒，燃燒可靠完全，排放好，汽油機可省去火花塞點火系統；4、壓縮室不在承受爆炸壓力，壓縮室的缸套、活塞、連杆、汽缸蓋的機械負荷與熱負荷大大降低，零件可設計的輕、薄、小，減少材料消耗；5、凸輪的轉速等於曲軸轉速，即兩倍於現有往復活塞式發動機凸輪軸的轉速。凸輪的動程角增大到現有往復活塞式發動機凸輪的兩倍，凸輪軸傳遞的功率基本一樣，凸輪軸傳動系的扭矩減小，零件可設計的輕、薄、小，減少材料消耗；6、進氣閥與排氣閥分別布置在壓縮室、做功室的汽缸蓋上，氣道由現有往復活塞式發動機的兩室四通道減少到兩室兩通道，流通截面增大了，阻力減小了，流通時間為每轉一個衝程，利用率提高一倍，對應的進排氣管支管少了一半，材料也減少了；7、熱負荷集中了，需要冷卻空間變小了，冷卻系統的效率提高了，降低冷卻泵的功率消耗；8、做功室的熱負荷高了，對材料提出更高的要求；9、燃料燃燒的好，減少了有害物質的排放。


圖1含一組壓縮室與做功室發動機的壓縮室與做功室的俯視圖；圖2含一組壓縮室與做功室發動機的壓縮室與做功室的A-A旋轉剖視圖；圖1-2中的零件1、汽缸蓋體 2、進氣閥組 3、壓縮室出氣閥彈簧壓板4、螺絲 5、噴油嘴 6、通道閘閥閥芯7、排氣閥組 8、通道閘閥滑套 9、通道滑閥彈簧10、通道閘閥鎖夾 11、通道閘閥彈簧壓板12、壓縮室出氣閥滑套13、壓縮室出氣閥彈簧託板 14、壓縮室出氣閥閥座15、壓縮室出氣閥閥芯 16、壓縮室出氣閥彈簧17、鉑膜18、汽缸體 19、壓縮缸套20、壓縮活塞21、做功缸套 22、做功活塞23、壓縮室24、中間室 25、做功室注圖1中的箭頭表示氣流方向。
圖3定時3中符號意義如下1、進氣閥升程折線圖2、排氣閥升程折線圖3、通道閘閥升程折線圖橫坐標為壓縮室對應的曲柄角度，0度為壓縮活塞在下止點的曲柄位置，BDC1、BDC2、TDC1、TDC2分別表示壓縮活塞在下止點、做功活塞在下止點、壓縮活塞在上止點、做功活塞在上止點位置壓縮室對應的曲柄角度。
縱坐標為閥門升程，Si為進氣閥的最大升程(進氣閥處於打開最大位置)，So為排氣閥的最大升程(排氣閥處於打開最大位置)，Sm為通道閘閥的最大升程(通道閘閥處於關閉位置)。升程為零時，折線(1)、(2)表示進排氣閥門處於完全關閉位置，折線(3)表示通道閘閥處於完全打開位置。
折線圖只反映閥門的極限位置，而不反映具體的升降過程。
實施方式壓縮做功獨立室往復式四衝程發動機至少含有一組壓縮室與做功室，四缸以上發動機由缸數一半組壓縮室與做功室組成。而含有一組壓縮室與做功室的發動機含有兩個汽缸與現有的往復活塞式四衝程兩缸發動機結構上相似，以下就以含有一組壓縮室與做功室的發動機為例說明實施方式。四缸以上的發動機由缸數一半的以下單元組成。
如圖1、圖2所示汽缸蓋體(1)左邊部分與壓縮缸套(19)、壓縮活塞(20)形成壓縮室(23)，汽缸蓋體(1)右邊部分與做功缸套(21)、做功活塞(22)形成做功室(25)，壓縮缸套(19)與做功缸套(21)的汽缸中心線平行。汽缸蓋體(1)左邊部分有進氣閥組(2)及引入空氣的通道。汽缸蓋體(1)右邊部分有排氣閥組(7)及排出廢氣的通道。汽缸蓋體(1)上有連接壓縮室(23)與做功室(25)的通道；通道在壓縮室(23)端有壓縮室出氣閥，壓縮室出氣閥由鑲在汽缸蓋體(1)上的壓縮室出氣閥閥座(14)、壓縮室出氣閥閥芯(15)、壓縮室出氣閥彈簧託板(13)、壓縮室出氣閥滑套(12)、壓縮室出氣閥彈簧(16)、壓縮室出氣閥彈簧壓板(3)組成；螺絲(4)將壓縮室出氣閥彈簧壓板(3)固定在汽缸蓋體(1)上；通道在靠近做功室(25)處有一通道閘閥，通道閘閥由通道閘閥閥芯(6)、通道閘閥滑套(8)、通道閘閥彈簧(9)、通道閘閥鎖夾(10)、通道閘閥彈簧壓板(11)組成，通道閘閥除閥芯外其它與現有發動機的進排氣菌閥結構一樣；通道上在通道閘閥與做功室之間的壁上塗有催化劑鉑膜(17)，塗催化劑的通道壁上裝有電加熱器；壓縮室出氣閥與通道閘閥之間有一中間室(24)，中間室有噴油嘴(5)。進氣閥組(2)與排氣閥(7)均為現有發動機的進排氣菌閥。壓縮活塞(20)與做功活塞(22)為平頂活塞，兩活塞在上止點時活塞頂部與汽缸蓋的底部的距離小到剛好不會碰到，即活塞頂部與汽缸蓋底部只留有運動間隙。做功活塞(22)頂部、缸蓋在做功室的部分底部均可塗布催化劑使得燃燒更好。
含有一組壓縮室與做功室的發動機具有凸輪軸轉速與發動機曲軸同樣轉速的凸輪軸驅動系，凸輪軸以現有往復活塞式四衝程發動機進排氣閥的凸輪機構一樣的方式驅動進氣閥組(2)以圖3中的進氣閥升程折線(1)運動、驅動排氣閥組(7)以圖3中的排氣閥升程折線(2)運動、驅動通道閘閥以圖3中的通道閘閥升程折線(3)運動。
含有一組壓縮室與做功室的發動機具有使得壓縮活塞(20)提前一定角度先於做功活塞(22)到達上止點的曲軸連杆機構，兩活塞的相對位置如圖3的橫坐標所示。
燃油系統實現在每次通道閘閥打開前一定時刻將定量燃油由噴油嘴(5)噴入中間室(24)。
含有一組壓縮室與做功室的發動機的其它部分與現有的往復活塞式四衝程兩缸發動機結構相同，外形尺寸根據含有一組壓縮室與做功室的發動機的機械負荷與熱負荷做相應的改變。
工作原理發動機的啟動系統使得曲柄活塞連杆機構運轉起來，啟動系統同時加熱催化鉑膜(17)。
當壓縮活塞(20)從上止點向下運動時，凸輪機構驅動進氣閥組(2)打開，空氣進入壓縮室(23)，壓縮活塞(20)運行到下止點後一定曲柄角度時，進氣閥組(7)關閉，到此壓縮室(23)完成進氣過程。接著壓縮活塞(20)向上運動，壓縮室(23)內的氣體被壓縮，壓力升高，當壓力升高到一定值時，頂開壓縮室出氣閥閥芯(15)，壓縮氣體進入中間室(24)；壓縮活塞(20)回到上止點時，壓縮活塞(20)與汽缸蓋底部的距離只剩運動間隙，氣體被壓入中間室(24)，到此壓縮室(23)完成壓縮過程。隨後壓縮室進入吸氣過程，中間室(24)的氣體壓力大於壓縮室(23)的壓力，壓縮室出氣閥閥芯(15)在中間室氣體壓力與壓縮室出氣閥彈簧(16)的作用下立即關閉。這樣曲柄從壓縮活塞(20)在上止點時旋轉一周，壓縮室(23)完成一次進氣壓縮循環。
當壓縮活塞(20)從上止點向下運動，曲柄轉過一定角度時，做功活塞(22)上行到達上止點前一定曲柄角度，排氣閥組(7)即將關閉，凸輪機構驅動通道閘閥閥芯(6)打開通道，連通中間室(24)與做功室(22)，中間室(24)內的壓縮燃料空氣混合氣體將通道閘閥與做功室之間通道的上次燃燒廢氣通過排氣閥組(7)排出，混合氣體與熱的催化劑鉑膜(17)接觸著火燃燒，隨即做功活塞(22)運行到上止點，排氣閥組(7)關閉。接著做功活塞(22)下行，燃燒產生的高溫高壓燃氣推動做功活塞(22)，做功活塞(22)通過曲柄連杆輸出扭矩，做功活塞(22)下行到下止點前一定曲柄角度，凸輪機構驅動排氣閥組(7)打開，到此做功室(25)完成膨脹做功過程。接著燃燒做功後的廢氣從打開的排氣閥組(7)排出；做功活塞(22)運行到下止點後一定曲柄角度時，凸輪驅動通道閘閥閥芯(6)關閉通道，隔斷中間室(24)與做功室(22)；做功活塞(22)繼續上行到上止點前一定曲柄角度，凸輪驅動通道閘閥閥芯(6)再次打開通道；隨即做功活塞(22)再次運行到上止點，排氣閥組(7)關閉；到此做功室(25)完成排氣過程。這樣曲柄從做功活塞(22)在上止點時旋轉一周，做功室(25)完成一次膨脹做功排氣循環。
凸輪軸轉速與曲軸相同的凸輪機構驅動進氣閥組(2)按圖3折線(1)升降、驅動通道閘閥閥芯(6)按圖3折線(3)升降、驅動排氣閥組(7)按圖3折線(2)升降。這樣隨著曲軸轉動，壓縮室不斷地吸氣壓縮，將空氣壓入中間室(24)，燃油定時地噴入中間室(24)，燃料混合氣定時地由鉑膜(17)催化點燃，做功室(25)不斷地膨脹做功排氣，做功活塞(22)通過曲柄連杆機構帶動曲軸轉動，發動機將燃料的化學能轉化成機械能。
以上實施方式中的進氣閥或排氣閥的個數為一個或多個。燃料的注入也可以在進氣道、壓縮室。催化劑可以為其它能催化點燃燃料混合氣體的材料。點燃方式還可採用蓄熱點燃，即將在塗布鉑膜的通道內安裝蓄熱器及其加熱器；在啟動時將蓄熱器的溫度加熱到燃料燃點以上，即可點燃從其表面流過的混合氣體，燃燒的混合氣體反過來加熱蓄熱器為下一次點燃混合氣體做準備。
權利要求
1.一種往復式四衝程內燃機，包括a)、由缸套、活塞、缸蓋組成只用於吸氣、壓縮的容腔；b)、由缸套、活塞、缸蓋組成只用於膨脹做功、排氣的容腔；c)、連通只用於吸氣、壓縮的容腔與只用於膨脹做功、排氣的容腔的通道；d)、在通道只用於吸氣、壓縮的容腔端的單向閥；e)、在靠近只用於膨脹做功、排氣的容腔會定時連通與隔斷通道的閥門；f)、在定時連通與隔斷通道的閥門與只用於膨脹做功、排氣的容腔之間的通道有催化劑或蓄熱器。
2.如權利1所述的只用於吸氣、壓縮的容腔的汽缸蓋上有一個或多個進氣菌閥與進氣通道。
3.如權利1所述的只用於膨脹做功、排氣的容腔的汽缸蓋上有一個或多個排氣菌閥與排氣通道。
4.如權利1所述的只用於膨脹做功、排氣的容腔的工作容積大於或等於只用於吸氣、壓縮的容腔的工作容積
5.如權利1所述的在通道只用於吸氣、壓縮的容腔端的單向閥由閥座(14)、閥芯(15)、氣閥彈簧託板(13)、氣閥滑套(12)、氣閥彈簧(16)、氣閥彈簧壓板(3)組成。
6.如權利1所述的在靠近只用於膨脹做功、排氣的容腔會定時連通與隔斷通道的閥門由閥芯(6)、滑套(8)、彈簧(9)、鎖夾(10)、彈簧壓板(11)組成。
7.如權利1所述的在靠近只用於膨脹做功、排氣的容腔會定時連通與隔斷通道的閥門，權利2所述的進氣菌閥，權利3所述的排氣菌閥均由凸輪機構驅動。
8.如權利7所述的凸輪機構的結構與現有發動機驅動進排氣閥的凸輪機構的結構一樣，凸輪軸的轉速等於發動機曲軸的轉速。
9.如權利1所述的活塞為平頂活塞。
10.如權利1所述的內燃機活塞運行到上止點時，活塞頂部與汽缸蓋底部的距離為活塞過上止點不與汽缸蓋底部相碰的運動間隙。
全文摘要
將現有的四衝程發動機兩個相鄰燃燒室，一個只用於吸氣壓縮，另一個只用於膨脹做功排氣，用於壓縮的汽缸蓋上沒有了現有發動機排出廢氣的排氣菌閥與排氣通道，用於做功的汽缸蓋上沒有了現有發動機吸入空氣進氣菌閥與進氣通道，汽缸蓋上有通道連通這兩個汽缸，通道在用於壓縮的汽缸端有讓壓縮氣體排入通道的單向氣閥，通道靠近用於做功的汽缸端有一定時隔斷通道的氣閥，在用於做功汽缸端的通道壁上塗有催化劑或者通道內裝有蓄熱器。該發動機採用催化或蓄熱點燃，燃燒完全排放好，結構比現有的往復式四衝程發動機簡單、重量減輕、效率提高。可以實現膨脹容積大於壓縮容積。
文檔編號F02M31/04GK101054920SQ200710111708
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月31日 優先權日2007年5月31日
發明者陳崟 申請人:陳崟