差動式往復活塞內燃機的製作方法

2023-05-21 21:24:26

專利名稱：差動式往復活塞內燃機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及 一 種內燃機，特徵是 一 種差動式往復活塞內燃
背景技術：
1、本實用新型是基於本實用新型人提出的 理"而首創的。該原理的基本方程式為
內燃機能量貶值原
功
^，2-K 4,2- f 鼠""
D內，表示單缸、單位活塞面積、單位曲柄長度內燃機的有效
」+180。rW 、
式中Ex,。為熱力系統中供給的熱量； We為內燃機所做的有效功； Me為內燃機的有效扭矩； a為曲軸轉角(° CA);
t為衝程數，二衝程1=2，四衝程1=4; N為循環次數；
Pg為活塞頂面的氣體壓力；
4r力臂係數(迴轉中心到力的垂直距離定義為力臂)；
formula see original document page 3
義二W/ (r為曲軸半徑，l為連杆長度) l,為機械效率；
A^為內燃機的船曾(由礎退變而來)。該"內燃機能量貶值原理"的文字表述為內燃機所供工質中的 熱l^屯Eu，在實際熱力過程中轉變為有效功We,該有效功的大小等
於氣缸壓力對曲軸有效扭矩Me對曲軸轉角a循環過程的積分。該有 效扭矩的大小等於該氣缸壓力Pg和它所對應的力臂係數；r及機械效 率iini的乘積，不能轉化為有效功的^1則逐步貶值，並最終退化為(， 其射曾A^恆大於"0"。
該基本方程的三個導出方程和推論如下推論1:內燃機的熱效 率和辦〕效率均與氣缸壓力Pg、力臂係數6r、機械效率nm之積對循
環過程的積分成正比。其數學表達式為
推論2:內燃機平均指示壓力為氣缸壓力Pg和它所對應的力臂系 數4r之積對一個循環過程積分的l;其平均有效壓力為氣缸壓力Pg，
它所對應的力臂係數Cr、機械效率rim之積，對一個循環過程積分的 丄。其數學表達式為
式中W,為循環指示功。VS為氣缸工作容積。
推論3:內燃機燃料供應量和機械效率一定時，若想獲得最大有 效功，應使最高燃燒壓力Pmax在力臂係數最大(即max)時產生。
iL 二
,，其數學表達式為
formula see original document page 5P max對應4 r， max
內燃機，說到底，是氣缸壓力Pg通過活塞和曲柄連杆機構對外 輸出扭矩而做功的。眾所周知，在展開示功圖上，內燃機燃燒壓力呈 "脈衝狀"分布；而氣缸壓力對曲軸力矩的力臂，從上止點到下止點， 是一個由"0"逐漸變大，再逐漸回到"0"的過程，近似於正弦曲線。 這也就是力臂係數4r的曲線。就是說，活塞在上止點附近，氣缸燃 燒壓力很大，力臂(或者對曲柄的切向力)卻很小，故這時發動機發 出的扭矩很小；當力臂逐漸變大時，燃氣壓力卻疾速變小，故其力矩 仍然很小。這就大大影響了內燃機扭矩和功率的輸出，致使工質的乂承 不能儘早儘快的轉化為機械功，造成工質的,用大量貶值，並最終退化 甜^永久地失去了做功能力，造成能源極大地浪費。
2、 內燃機發明一百三十多年以來，其性能有了長足地進步。但 是，現在使用的內燃機，不管是往復式，還是三角轉子式，其熱效率 仍然比較低，動力性也不太高；而且，在現有設計理念指導下，再想 取得突破性進展，己變得越來越困難。本實用新型是在本實用新型人 提出的"熱力學一機械力學設計原則"指導下完成的。由上邊引錄的
"內燃機能量腿值原理"基本方程式已經可以看出它包涵了熱力學 第一定律、熱力學第二定律和機械力學原理(例如參數6r)。
3、 現在世界上使用的內燃機，特別是量大面廣的轎車發動機， 為提高其性能，結構變得越來越複雜， 一般每隻氣缸4個氣門，每臺 發動機兩根凸輪軸，加之變升程，變相位，大大增加了生產成本。
4、 世界石油供應形勢日趨緊張，價格節節攀升。節約能源，成 為內燃機行業的重點課題之一；也是廣大汽車消費者的期望。
因此，生產廠家和消費群體，都迫切需要一種用油省、比功率大、 結構簡單、生產和使用成本低的新型內燃機。
發明內容
本實用新型要解決的技術問題是提供一種比油耗(g/kw.h)低， 比功率(kw/L)大的差動式往復活塞內燃機。為了解決上述技術問題，本實用新型包括氣缸體、活塞、曲柄連 杆機構，所述活塞包括對向設在氣缸體內的動力活塞和反力活塞，曲 柄連杆機構包括分別與動力活塞和反力活塞連接的動力曲柄連杆機 構和反力曲柄連杆機構，兩曲柄連杆機構連接有可保持兩曲柄的差動 角的工作循環平均值恆定的協調機構，動力曲柄連杆機構連接有動力 曲軸飛輪。
為了提高燃燒室的等容度，所述協調機構包括兩個異形齒輪，兩 異形齒輪分別與動力曲軸和反力曲軸固定聯接，兩異形齒輪相嚙合或 者通過中間齒輪傳動。
為了提高燃燒室的等容度，所述異形齒輪為橢圓形齒輪或者葉片 形齒輪。
為了結構簡單，所述的協調機構為協調杆，協調杆通過兩端的軸 承與固定於動力曲軸和反力曲軸的支臂連接。
為了取得較好的燃料利用率，所述的差動角在35° CA-75° CA 的範圍內。
為提高內燃機工作品質，所述反力曲柄連杆機構連接有反力曲軸 飛輪。
本實用新型的有益效果是，本實用新型與傳統內燃機比較，主要
有以下特點
1、 湖效率高，比油耗(g/lw.h)低，用油省。
2、 動力性好，比扭矩(N.m/L)大，升功率(kWL)高。
3、 每隻氣缸中兩活塞相對運動，易形成強烈的工質紊流，有利 於燃燒和壓縮比的提高。
4、 由於反力活塞到達上止點以後，兩活塞同時向相反方向運 動，與傳統內燃機比較，這就等於相對運動速度增加了一倍 以上，這有利於抑制爆燃，有利於壓縮比的提高。若採用 SI-HCCI-SI燃燒系統，則有利於拓寬HCCI工作範圍。
5、 換氣過程中，基本上沒有泵氣損失，沒有氣門機構的磨擦損 失，機械效率高。
6、 結構簡單，比質量(kg/kw)小，生產成本和使用成本低。雖需增壓器，但在四衝程發動機中，也被廣泛採用。


圖1為本實用新型具體實施例一的結構示意圖；圖2為圖1的協調機 構示意圖；圖3為圖2的俯視圖；屈4為圖3的A-A剖視放大圖；圖5為圖 l的進氣歧管剖視放大圖；圖6為本實用新型的力臂係數曲線圖；圖7 為本實用新型具體實施例二的結構示意圖；圖8為本實用新型具體實施 例三的結構示意圖中1、動力活塞，2、火花塞，3、汽油噴油器，4、反力活塞， 5、反力箱掃氣管，6、反力曲柄連杆機構，7、反力箱進氣管，8、反 力曲軸飛輪，9、掃氣口， 10、動力箱掃氣管，11、排氣口， 12、氣缸 體水套，13、氣缸體，14、動力曲軸飛輪，15、協調機構，16、動力 曲柄連杆機構，17、節氣門，18、進氣管，19、空氣濾清器，20、排 氣歧管，21、協i周杆，22、支臂，23、氣缸套筒，24、切向掃氣口， 25、進氣歧管，26、中冷器，27、節流閥，28、 A怠速節氣門，29、 B 小負荷節氣門，30、 C中負荷節氣門，31、 D大負荷節氣門，32、曲軸 箱，33、進氣歧管，34、廢氣後處理器，35、廢氣渦輪增壓器，36、 調節閥，37、羅茨增壓器，38、混合室，39、 EGR閥，40、 EGR預催 化器，41、 EGR冷卻器，42、共軌噴油系統。
具體實施方式
具體實施例一
如圖l所示的一種具體實施例，它是一小型汽油機，包括動力活塞 K火花塞2、汽油噴油器3、反力活塞4、反力箱掃氣管5、反力曲柄連 杆機構6、反力箱進氣管7、反力曲軸飛輪8、掃氣口9、動力箱掃氣管 10、排氣口ll、氣缸體水套12、氣缸體13、動力曲軸飛輪14、協調機 構15、動力曲柄連杆機構16、節氣門17、進氣管18、空氣濾清器19、 排氣歧管20、兩曲柄箱32。
兩曲柄箱32分別位於氣缸體13的兩端，反力曲柄連杆機構6和動力 曲柄連杆機構16分別設置在兩曲軸箱32中，動力活塞1和反力活塞4分 別設在氣缸體13中，反力曲柄連杆機構6分別連接反力活塞4和反力曲 軸飛輪8，動力曲柄連杆機構16分別連接動力活塞1和動力曲軸飛輪14。如圖2所示的協調機構15，它採用一個空心的協調杆21 (其截
面如圖4所示)，協調杆21的兩端分別通過軸承與兩支臂22連接， 兩支臂22分別與反力曲柄連杆機構6和動力曲柄連杆機構16的曲軸 固定，協調杆是協調機構之一，其材質和結構除應有足夠剛度和強度 外，應重量輕，轉動阻力小，振動和噪音低。安裝時，必須保證兩曲 柄的差動角(Ca )的大小。
如圖5所示的進氣歧管結構示意圖，進氣歧管25的進氣口設有 中冷器26，內設有節流閥27和四個節氣門，四個節氣門為A怠速節 氣門28、 B小負荷節氣門29、 C中負荷節氣門30、 D大負荷節氣門 31、氣缸體13的氣缸套筒23上有多個切向掃氣口 24，四個節氣門分 別與幾個切向掃氣口 24連通。其主要特點是將進氣分成了四個不同 大小截面的進氣管，怠速和暖機時，可將節氣門A全部打開，其餘3 個進氣管全部關閉，小負荷時，可只開B節氣門，中負荷時只開C， 大負荷時開D。掃氣口9成切向進氣，易形成旋流。
動力曲軸箱和反力曲軸箱的空氣，分別通過反力箱掃氣管5和動力 箱掃氣管10進入掃氣口9。圖1所示兩活塞位置為反力活塞4在上止點，
動力活塞l在設計差動角位置。
具體實施例二
如圖7所示的一種具體實施例，它是一種直噴複合增壓汽油內燃 機，包括動力活塞l、火花塞2、汽油噴油器3、反力活塞4、反力曲柄 連杆機構6、反力曲軸飛輪8、掃氣口9、排氣口ll、氣缸體13、動力曲 軸飛輪14、協調機構15、動力曲柄連杆機構16、節氣門17、空氣濾清 器19、排氣歧管20、兩曲軸箱32進氣歧管33、廢氣後處理器34、廢氣 渦輪增壓器35、調節閥36、羅茨增壓器37。
兩曲軸箱32分別位於氣缸體13的兩端，反力曲柄連杆機構6和動力 曲柄連杆機構16分別設置在兩曲軸箱32中，動力活塞1和反力活塞4分 別設在氣缸體13中，反力曲柄連杆機構6分別連接反力活塞4和反力曲 軸飛輪8，動力曲柄連杆機構16分別連接動力活塞1和動力曲軸飛輪14。
本具體實施例可採用與實施例一相同的協調機構15，也可採用異 形齒輪系統，例如橢圓形齒輪、葉片形齒輪等。兩相配合的異形齒輪於飛輪和缸體之間分別與動力曲軸和反力曲軸固定聯接，其安裝原則 是降低反力活塞在上止點附近的運動速度，並且必須保證差動角(C
a )的大小。兩異形齒輪之間可以設置中間齒輪。廢氣渦輪增壓器35、 調節閥36、羅茨增壓器37。
圖7所示位置為反力活塞4在上止點，動力活塞l在設計的差 動角位置。排氣口 11在動力活塞1偵U，掃氣口 9在反力活塞4偵lj。採 用機械增壓(羅茨)和廢氣渦輪增壓兩種方式掃氣，羅茨增壓器37 帶自動離合器，可在起動和需要時保證要求的扭矩，並補償廢氣渦輪 增壓器35的滯後。
具體實施例三
如圖8所示的一種具體實施例，它是一種複合增壓共軌直噴柴油 機，包括動力活塞l、反力活塞4、反力曲柄連杆機構6、反力曲軸飛輪 8、掃氣口9、排氣口ll、氣缸體13、動力曲軸飛輪14、協調機構15、 動力曲柄連杆機構16、節氣門17、空氣濾清器19、排氣歧管20、曲軸 箱32、進氣歧管33、廢氣後處理器34、廢氣渦輪增壓器35、調節閥36、 羅茨增壓器37、混合室38、 EGR閥39、 EGR預催化器40、 EGR冷卻器 41、共軌噴油系統42。
該內燃機機體呈大角度V型，每個氣缸筒內設有一個動力活塞1 和一個反力活塞4， V型的中間和兩端設有曲軸箱32，中間的曲軸箱 32內設置動力曲柄連杆機構16，它連接兩個動力活塞1和一個動力 曲軸飛輪14，兩外端的曲軸箱32內設置反力曲柄連杆機構6，分別 連接一個反力活塞4和一個反力曲軸飛輪8，本內燃機採用了 EGR系 統，並有預催化器和EGR冷卻器。採用了機械增壓和廢氣禍輪增壓復 合系統。
本具體實施例可採用與實施例一相同的協調機構15，也可採用異 形齒輪系統，例如橢圓形齒輪、葉片形齒輪等。兩相配合的異形齒輪 於飛輪和缸體之間分別與動力曲軸和反力曲軸固定聯接，其安裝原則 是降低反力活塞在上止點附近的運動速度，並且必須保證差動角(C a )的大小。兩異形齒輪之間可以設置中間齒輪。廢氣渦輪增壓器35、 調節閥36、羅茨增壓器37。圖8所示再循環廢氣自廢氣渦輪增壓器35前引出，但最好在廢
氣渦輪增壓器35後引出，利用低壓廢氣。
如圖6所示的力臂係數曲線。對於內燃機曲柄連杆機構而言，力
臂系統方程為
其最大值約為1.045，發生在75° CA (當入=^時)。
內燃機的功率傳輸機構形式不同，其力臂係數方程也不一樣。 本實用新型可用於汽車等多種交通工具及工程機械和農業機械。 它可採用多種液體燃料和氣體燃料，對燃燒速度快的燃料，例如氫等， 尤為適宜。其差動角最好在35° CA至75° CA之間選取，此時相應 的4 r值在0.710至1.045之間。
本實用新型的原則是儘量利用傳統內燃機成熟技術，以增強繼承 性，便於組織生產，儘早投放市場。為此，本實用新型在傳統內燃機 基礎上，主要釆取了以下技術措施。
1、 去掉了傳統內燃機的氣缸蓋，以一隻傳統話塞代替。為敘述 方便，將其稱為反力活塞。
2、 重新設計氣缸體。缸體兩端分別置一動力曲柄連杆機構和一 反力曲柄連杆機構。即，在一隻缸筒中，按一定曲柄差動角(Ca)， 對向按裝兩隻活塞一動力活塞和反力活塞，而反力活塞所產生的反向 力矩，通過兩曲軸間的協調機構而正向地增加動力曲軸的輸出扭矩和 輸出功率。
同一發動機的兩曲柄連杆機構，其連杆比入值(義二r//)和行程 S值，可以相同，也可以不相同。
其差動角可以這樣定義當反力活塞到達(處於)壓縮行程的上 止點位置時，動力活塞到達上止點後又繼續運行到該時刻(即反力活 塞到達上止點的時刻)所處位置的曲軸轉角(即動力活塞離開壓縮行程上止點的曲軸轉角)。符號為Cd;單位為。CA。
3、 去掉傳統內燃機的凸輪軸氣門機構，其換氣通道由氣孔代替， 並由活塞進行控制。氣缸一端開有排氣孔(一般在動力活塞側)，另 一端開有掃氣口。故本實用新型屬於一種直流掃氣的二衝程內燃機。
但是，本實用新型的關鍵與世界所有內燃機的根本性區別在於 反力活塞處於上止點位置時，動力活塞處於設計差動角位置，力臂系 數處於相應的較大值(例如差動角Cd=50° CA時，力臂係數C
r=0. 910 ; Cd=60° CA時，力臂係數；r=0. 994)。此時，燃料燃燒， 氣缸壓力達到或接近最大值，動力曲軸發出最大扭矩；反力活塞的力 臂係數雖然不大，但其所產生的反向力矩，也通過協調機構，正向作 用於動力輸出軸。故工質的^)fi得到較充分的利用，^^^減少到最大限度。
本實用新型的循環過程如下1燃燒膨脹過程一一反力活塞即將 到達壓縮過程上止點，動力活塞即將到達設計差動角(Ca)位置時， 燃料噴入，著火燃燒，膨脹作功，2自由排氣過程一一在膨脹的後期， 下行的動力活塞首先將排氣口打開，開始自由排氣；3掃氣過程一一 然後，下行的反力活塞將掃氣口打開，外界空氣經曲軸箱或壓氣機進 入內燃機，開始掃氣。此時，排、掃氣口均在開啟位置，排出的廢氣 直接、或經廢汽渦輪及後處理器進入大氣；4過後充氣——然後，動 力活活經下止點上行，將排氣口關閉，此時，掃氣口仍在開啟位置， 利用氣流慣性和增壓器壓力繼續充氣，以增大充氣量；5壓縮過程 上行的反力活塞將掃氣口關閉，並繼續上行；這時，上行的動力活塞 到達上止點後轉而下行，最終實現壓縮過程。
小型汽油機可直接由曲軸箱掃氣，中大型內燃機應設置掃氣泵 (壓氣機)。
4、 動力曲柄連杆機構和反力曲柄連杆機構之間的協調機構，可 以是普通齒輪，也可以是異形齒輪(例如橢圓形齒輪，葉片形齒輪等)， 還可以是聯動杆(協調杆)。
當採用齒輪系統時，兩齒輪應分別固定安裝在氣缸體和飛輪之間 的動力曲軸和反力曲軸上。兩齒輪之間，可以設置一個或數個中間齒
11輪，並將全部齒輪密封在可以適當潤滑的齒輪箱內。當採用異形齒輪 時，其安裝原則應該使反力活塞在上止點附近速度變緩，以提高燃燒 室的等容度。
對於大型內燃機，其協調機構可以由固定於兩曲軸端的傘形齒輪 和與其配合的帶調節裝置的傳動杆等構成。
不管採用哪種協調機構，都必須在設計和安裝時，嚴格保證差動
角(Cd)規定值。
5、 為減少對氣缸壁的磨損，曲軸可以與氣缸偏置，也可以選用 較小的入值(A=r/1)，以減小活塞對缸壁的側壓力。
6、 功率輸出，可以直接由動力曲軸輸出，也可以根據需要，由 協調機構的中間齒輪輸出。當由中間齒輪輸出時，可以起到降速或升 速作用。
7、 動力曲軸可以設計常規飛輪。反力曲軸可以根據需要設計飛 輪，可大可小，可有可無，甚至可以兼作協調機構的齒輪。
8、 氣缸體的排列形式，可以根據需要設計。可以是單缸機，也 可經是多缸機。可以水平布置，也可以斜置或立置。當動力曲軸兩側 都設置反力曲軸時，還可以布置為V型或星型。當為星型時，最好採 用關節式連杆。、
9、 氣缸的換氣，可以採用曲軸箱換氣，也可經採用增壓器(掃 氣泵)換氣。增壓器的型式，可以為機械增壓，也可以是廢氣渦輪增 壓，電力增壓，氣波增壓或其他形式的增壓器，也可以是它們的組合。
10、 由於噴油器和火花塞基本上是置於氣缸中部，因而活塞頂部 的形狀要配合噴油器的特性和要求，以利於燃燒過程的進行。
11、 可以採用汽油、柴油、醚類、醇類、天然氣、氫等不同種類 的燃料。最好採用汽油直噴，或其他燃料的直噴。
權利要求1.一種差動式往復活塞內燃機，包括氣缸體(13)、活塞、曲柄連杆機構，其特徵在於所述活塞包括對向設在氣缸體(13)內的動力活塞(1)和反力活塞(4)，曲柄連杆機構包括分別與動力活塞(1)和反力活塞(4)連接的動力曲柄連杆機構(16)和反力曲柄連杆機構(6)，兩曲柄連杆機構連接有可保持兩曲柄的差動角的工作循環平均值恆定的協調機構(15)，動力曲柄連杆機構(16)連接有動力曲軸飛輪(14)。
2. 根據權利要求1所述的差動式往復活塞內燃機，其特徵在於所 述協調機構(15)包括兩個異形齒輪，兩異形齒輪分別與動力曲 軸和反力曲軸固定聯接，兩異形齒輪相嚙合或者通過中間齒輪傳 動。
3. 根據權利要求2所述的差動式往復活塞內燃機，其特徵在於所 述異形齒輪為橢圓形齒輪或者葉片形齒輪。
4. 根據權利要求1所述的差動式往復活塞內燃機，其特徵在於所述的協調機構(15)為協調杆(21)，協調杆(21)通過兩端的 軸承與固定於動力曲軸和反力曲軸的支臂(22)連接。
5. 根據權利要求1-4中任何一項所述的差動式往復活塞內燃機，其 特徵在於所述的差動角在35。 CA-75° CA的範圍內。
專利摘要本實用新型公開了一種差動式往復活塞內燃機，本實用新型包括氣缸體、活塞、曲柄連杆機構，所述活塞包括對向設在氣缸體內的動力活塞和反力活塞，曲柄連杆機構包括分別與動力活塞和反力活塞連接的動力曲柄連杆機構和反力曲柄連杆機構，兩曲柄連杆機構連接有可保持兩曲柄的差動角的工作循環平均值恆定的協調機構，動力曲柄連杆機構連接有動力曲軸飛輪。本實用新型效率高，比油耗(g/lw.h)低，用油省。動力性好，比扭矩(N.m/L)大，升功率(kw/L)高。
文檔編號F02B75/28GK201137519SQ20072015869
公開日2008年10月22日 申請日期2007年12月21日 優先權日2007年12月21日
發明者楚兆鼎 申請人:楚兆鼎