CN100393982C - 橄榄形活塞旋转增压内燃发动机 - Google Patents

Abstract

橄榄形活塞旋转增压内燃发动机，由汽缸、活塞、动力输出轴和增压器等主要构件组成。活塞在汽缸中绕动力输出轴旋转，当活塞到运行一定位置时，能与汽缸壁最大限度地接近，可以获得任意大的压缩比，使用任何燃料。同时，密封件设计成面密封，保证了密封的可靠性。燃料在压缩空气中燃烧，形成的膨胀燃气推动活塞做旋转运动，并带动动力输出轴旋转，产生扭矩对外做功。

Description

橄榄形活塞旋转增压内燃发动机

(一)技术领域：

本发明橄榄形活塞旋转增压内燃发动机是利用燃料在压缩空气中燃烧，产生的燃气膨胀推动活塞在汽缸内旋转并带动动力输出轴旋转的，具有进气增压特性的燃气内燃机，属内燃机工程技术。

(二)背景技术：

自奥托发明了汽油机、狄塞尔发明了柴油机后，内燃机的研究一直围绕提高发动机效率、降低油耗，降低污染、减小体积、重量开展。但至今为止，广泛制造和使用的往复式发动机活塞及传动连杆的惯性问题，进、排气机构的复杂性及动力损失问题，三角活塞旋转发动机密封问题、不能有较高压缩比问题、可靠性和高成本问题没有得到根本解决。

在中国专利申请，申请号01105641.X中公开了一种梭形转子发动机装置，它由气缸、梭形转子、转轴构成，气缸体内腔为偏心圆柱状孔；该偏心圆为两个弧长相等且小于半圆的圆弧相连接而成；该梭形转子的中间开设一狭长柱状孔；转轴穿过梭形转子中的狭长柱状孔，并驻留在该狭长柱状孔中。其效果虽然取消了传统发动机中的连杆、曲轴等零件，使其结构变得简单，但仍存在下述缺点：

1、梭形转子发动机汽缸横截面的边线是由两个弧长相等且小于半圆的圆弧相连接而成。这使得在两个弧交界处不是平滑的。当活塞的两个尖端运转到这一位置时，会出现“跳跃”问题，这种“跳跃”是“致命”的，它不但不能保证活塞的两个尖端与汽缸壁始终保持良好的平滑运行和密封状态，产生漏气、敲击噪音和震动，而且会出现活塞的尖端受损和“啃吃”汽缸壁的问题。

2、梭形转子发动机由活塞直接带动轴旋转，轴对活塞的反作用力主要集中在活塞结构的薄弱之处，并且轴对活塞产生“掰力”，这就要求制造活塞的材料必须有足够强度，特别是在活塞处于高温高压的恶劣环境下更是如此。因此，使用目前活塞制造业普遍采用的轻质材料的可能性不大。

3、梭形转子发动机进、排气口是分别设置的，另外还设有隔气板；因而不仅造成气缸体结构复杂、影响气缸体的强度，影响进排气性能，而且还会严重影响气缸体与活塞的密封性。

4、活塞径向密封装置设计的成功与否，是此类结构发动机能否正常运转的关键。当发动机在运转时，发动机的动力输出轴对活塞产生反作用力，而这种力通过活塞的尖端作用到汽缸壁上。如果活塞尖端与汽缸壁的接触没有足够的面积，那么活塞尖端以及汽缸壁的接触部位将承受巨大压力，而导致严重受损，发动机的使用“寿命”将极其短暂。发动机的功率越大，扭矩越高，这一问题就越严重。而梭子形转子发动机装置则没有，只是说明：“为进一步加强梭形转子与汽缸内腔之间的密封性，在梭形转子上加装密封装置。”对是什么样的密封装置没有说明。

(三)发明内容：

本发明的目的是提供一种橄榄形活塞旋转增压内燃发动机，它以提高发动机的效率为根本目标；主要通过解决现有梭形转子发动机装置存在的问题为途径，采取让活塞做旋转运动、提高压缩比、在汽缸容积一定的情况下加大充气量以及使发动机的构造更简单的手段来实现；同时，达到发动机的运行可靠，使用寿命长。

本发明的技术方案是：该橄榄形活塞旋转增压内燃发动机，包括转子式活塞、空腔柱状汽缸、及进排气口；汽缸上设有喷油嘴，设有空心内腔的活塞置于汽缸内并连接动力输出轴，其特征在于所述的汽缸边线近三分之二为圆形边，其余边为椭圆形边，整体近似圆形，汽缸的两侧有缸盖；活塞的横侧面为橄榄形状，汽缸和活塞上设置的两个凹陷构成双燃烧室；汽缸体上的进、排气口设置成一个，在分置的进气道和排气道之间设有可转动挡气板，进气道连接一离心式增压机；活塞空心内腔中间安装有圆柱状的动力传输杆，动力输出轴中部是球形，球形中心有一圆孔，孔的直径与活塞上的圆柱状动力传输杆的直径相同，动力传输杆从球形中心内的圆孔穿过，动力输出轴位于气缸中心偏下位置；活塞两尖端开有安装径向密封构件的半圆凹槽；径向密封是由一外部包有两个弹簧片的半圆柱构成且与汽缸壁的接触为面接触。

发动机在启动时，由发动机动力输出轴将外来动力输入，带动活塞在汽缸内旋转，同时通过齿轮或轮带传动带动离心式增压机旋转。离心式增压机将空气压入汽缸，并由旋转的活塞将空气进一步地压缩至本机设计的最高压力，此时将燃料(任何可燃的液体燃料)通过喷油嘴喷入汽缸和活塞上设置的凹陷构成的燃烧室内。在足够的压缩比下，燃料自燃，产生高温高压气体，推动活塞做不固定圆心旋转并带动发动机的动力输出轴旋转做功。

本发明的有益效果可以通过对比分析得出：

对照现有内燃发动机，本发明有如下差异及优势：

1、效率高。

与往复式发动机相比，因本发明设计的活塞运动几乎是按照动力输出轴的圆心运转，没有较大的往复惯性，不存在为克服往复惯性而有较大功率损失的问题；该发明没有进、排气阀门构件，因此，不存在为推开阀门而损失功率的问题；本发明活塞直接带动动力输出轴做功，没有复杂的动力转换构件，较少磨擦损失；本发明在汽缸排气时，由于排气口可设计的较大，排气快结束时，废气压力小，所以比往复式发动机排气的动力损失少。

与三角活塞旋转发动机相比，本发明压缩比设计余地大，可以适用于任何燃料的发动机对压缩比的要求。而且，由于密封可以做得可靠，增压成为可能。因此，在提高效率上，其潜力远远超过三角活塞旋转发动机。另外，该发动机通过调整汽缸直径大小和采取风冷或小面积油冷的措施对发动机的汽缸燃烧做功区的工作温度进行温度调控，从而省去液冷汽缸机构所消耗的动力损失和给制造带来的复杂化。再次，该发动机因其单向旋转的特点和可以调整缸径大小以及进排气口的位置，使燃气在汽缸中膨胀时间得到控制的原因，可以做到对发动机的排气温度进行控制，以充分利用高温气体热能，最大限度地用于做功。

2、构造简单，生产成本低。本发明的发动机构造相对与往复式发动机简单，零部件少。主要构件只有汽缸、活塞、密封件、动力输出轴、增压器等，无进、排气阀门机构，无连杆、曲轴系统，制造工艺简单。相对于三角活塞或梭形转子旋转发动机，制造精度要求低，汽缸加工也较三角活塞或梭形转子旋转发动机的外旋轮线形汽缸加工简单。因此，造价更低。

3、低污染。该发动机因燃料在汽缸中燃烧时间较长，可以使燃料得到充分的燃烧，因此对减少NOx的产生是十分有利的。其他污染废气，因该发动机有相对较高的效率，污染也会相对较低。

(四)附图说明：

图1是本发明发动机气缸体横截面剖视图。

图2是发动机活塞横截面剖视图。

图3是本发明发动机动力输出轴纵向图。

图4是本发明发动机的主要构件组合状态下的示意图。

图5、图6是发动机的工作原理简图。

图中1汽缸，2发动机座，3喷油嘴孔，4进排气口，5排气道，6排气管，7挡气板，8进气道，9离心式增压机，10活塞，11弹簧片，12半圆柱，13动力传输杆，14燃烧室，15动力传输杆圆孔，16输出轴，17燃气膨胀区，18空气压缩区。

(五)具体实施方式：

图1是发动机气缸体横截面图。该图除描绘了汽缸体横截面的情况外，还反映了离心增压机9和进气道8、排气道5的布置。汽缸1呈空腔柱状，其空腔内置有活塞10，汽缸上设有喷油嘴孔3，喷油嘴孔3内置放喷油嘴，汽缸1边线近三分之二为圆形边，其余边为椭圆形边，整体近似圆形，汽缸1的两侧有缸盖。在分置的进气道8和排气道5之间设有可转动挡气板7，进气道8连接一离心式增压机9。汽缸体上的进排气口4设置成一个，挡气板7可以绕销柱转动，其转动的动力来自于燃气的排放压力和经增压机增压的空气(作用原理请看图5、图6介绍)。其作用是：当挡气板7转向排气口时，挡气板挡住排气口的大部分，汽缸1开始进气，当挡气板转向进气口时，挡气板将进气口堵住，汽缸中做功后的燃气开始通过排气管6向外排除。汽缸1固定在发动机座2上。

图2是发动机活塞横截面剖视图。

活塞的横侧面为橄榄形状，汽缸1和活塞10上设置的两个凹陷构成双燃烧室14，活塞10两尖端开有安装径向密封构件的半圆凹槽。径向密封是由一外部包有两个弹簧片11的半圆柱12构成，它安装在活塞上的半圆凹槽内。当同活塞一同装入发动机汽缸内时，在弹簧片的张力作用下可与汽缸壁和活塞紧密结合，并能够沿汽缸壁自由滑动和在活塞半圆凹槽内转动，起到密封作用。同时，因径向密封构件与汽缸壁的接触是面接触，还可起到减轻活塞对汽缸壁压力的作用。活塞10为空心内腔，中间安装有圆柱状的动力传输杆13。如图3所示，动力输出轴16中部是球形，球形中心有一圆孔即动力传输杆圆孔15，该孔的直径与活塞上的圆柱状动力传输杆13的直径相同，动力传输杆13从此孔穿过，形成动力传输机构。

图4是发动机的主要构件组合状态下的图。从该图可以看到，动力输出轴16的轴心位于汽缸1中心的偏下位置。

图5、图6是发动机的工作原理简图。显示本发明的工作原理。

橄榄形活塞旋转增压内燃发动机在当活塞10运转到如图5所示的位置时，发动机的压缩比达到最大，此时喷油嘴向汽缸内喷油，引燃被压缩的空气，活塞在燃气膨胀区17膨胀燃气压力的作用下，在汽缸壁和动力输出轴16的约束下绕动力输出轴的轴心旋转。与此同时，在活塞的另一弧面，由于大部分燃气已经排出，燃气的压力小于在进气道8内经增压的空气压力，挡气板7被推向排气道5一边，经压缩的空气开始冲入汽缸，并排挤余下的燃气从留下的排气口处排出。

当活塞在膨胀燃气的推动下运转到如图6所示的位置时，燃气通过进排气口4向汽缸外排气，因处于刚排气阶段，此时的排气压力大于被增压的空气压力，因此，挡气板7被推向进气道8并将其通向汽缸的口堵住，挡住空气的进入。排气口此时达到最大，燃气迅速排出。与此同时，在活塞的另一弧面的空气压缩区18，刚才进入的空气正在被压缩。

Claims (1)

1.橄榄形活塞旋转增压内燃发动机，包括转子式活塞、空腔柱状汽缸、及进排气口；汽缸上设有喷油嘴，设有空心内腔的活塞置于汽缸内并连接动力输出轴，其特征在于所述的汽缸边线近三分之二为圆形边，其余边为椭圆形边，整体近似圆形，汽缸的两侧有缸盖；活塞的横侧面为橄榄形状，汽缸和活塞上设置的两个凹陷构成双燃烧室；汽缸体上的进、排气口设置成一个，在分置的进气道和排气道之间设有可转动挡气板，进气道连接一离心式增压机；活塞空心内腔中间安装有圆柱状的动力传输杆，动力输出轴中部是球形，球形中心有一圆孔，孔的直径与活塞上的圆柱状动力传输杆的直径相同，动力传输杆从球形中心内的圆孔穿过，动力输出轴位于气缸中心偏下位置；活塞两尖端开有安装径向密封构件的半圆凹槽；径向密封是由一外部包有两个弹簧片的半圆柱构成且与汽缸壁的接触为面接触。

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