CN101220769A

CN101220769A - 组织换气分层混合二冲程转缸发动机

Info

Publication number: CN101220769A
Application number: CNA2007101682510A
Authority: CN
Inventors: 向南森
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-10-28
Filing date: 2007-10-28
Publication date: 2008-07-16

Abstract

一周围有进排气口道(4a1；4a2；4a3；4b)的圆筒形机壳(4)包套着一个有进排气道的旋转缸体(3)，(3)与其前后端盖(3A；3B)包套着一个矩形双顶活塞(2)，(2)活动地支承在驱动轴(1)的一个偏心部(1a)上，(1)的前后端分别偏心地穿过机壳前后中央轴承座(4AQ；4Q)，旋转缸体的前后端盖轴承(3AO；3BO)支承在机壳前后中央轴承座(4AQ；4Q)上，因特定构件尺寸关系，驱动轴转两周旋转缸体转一周，运行中活塞相对于转缸是无惯性力的往复运动，活塞、转缸、驱动轴即构成一个双动二冲机主体，本机使用组织换气分层混合，很好地解决了二冲机的换气燃烧品质问题。

Description

组织换气分层混合二冲程转缸发动机

发明背景

公知曲柄连杆机构往复活塞式发动机有无法消除的往复惯性力的振动源，曲柄连杆机构过于松散，故在其问世不久后人们就在探寻没有其样缺点的旋转式活塞发动机，时过百年迄今留下原理可行的旋转式活塞发动机方案好几百，获得了专利的方案也有好几十，而唯一制成了商品的汪克尔式旋转活塞发动机又存在有低速性能差，及气缸呈震纹磨蚀(即搓衣板状磨蚀)问题，也难以取代传统往复式发动机。纵观除汪克尔旋转活塞发动机以外的已知旋转活塞发动机之所以难成商品，原因不过是四个问题难以同时解决，即①密封完善性；②机构耐用性；③工作稳定性；④耗油经济性。因此希望能有一种能够同时解决这四个问题的新型旋转活塞式发动机。

发明说明

本发明的目的是要提供一种有望成为商品的属于旋转式活塞发动机家族的二冲程转缸发动机。要达到此目的则本发明必须密封完善；机构耐用；工作稳定；耗油经济。要工作稳定；耗油经济则本发明必须彻底解决二冲机的换气及燃烧品质问题，按权利要求书设计的组织换气分层混合二冲程转缸发动机能达此目的的。

权利要求2给出的特征十分简单，但它可以解决本发明中速高速时的换气问题，原因在于高速旋转的气缸对换气过程中缸内气体产生了强烈的旋转效应。如图2A示，处于排气过程的气缸内，气体质点朝着旋转中心方向运动速度Vp＝10-100米/秒，若以气缸转速为5000转/分来看，按物理学公式W_K＝2Vω(式中：W_K—哥氏加速度；V—向心速度；ω—角速度)计算，产生的哥氏加速度W_k可达10⁵米/秒²，在哥氏力F_KP的作用下，废气质点紧贴缸壁“前进面”深处向排气窗口运动，可想而知只需千分之一秒时间，废气质点流过排气窗口的速度即可递增100米/秒，致使自由排气后期，靠近下止点缸壁“后进面”深处“R”区产生一定程度的负压，同时气缸排气道(3b1)的离心抽吸作用也要使Q1腔产生一些负压，为新气的引入提供了有利条件，同时避免了废气向进气窗口倒流。在进气开始后，新气在气泵压力作用下从距旋转中心近处的进气窗口流入受活塞造形的引导向距旋转中心远处运动，新气质点受气缸“后进面”的赶拨速度要增加，而其自身惯性要抗拒其速度增加，这就造成了新进气会紧贴气缸“后进面”沿缸壁向排气口方向移动。但在废气未排尽之前，新气是不会到达排气窗口外流的，这可用下面的理论来判定。

处于重力场中不同密度流体是密度大的下沉小的上浮，同理处于离心力场中不同密度流体是密度大的外移，小的内移，低温新气密度约为高温废气密度的三倍，且在发动机转速范围内离心力比重力大10～1000以上倍，故新气在外废气在内，越靠外离心力越大，因而在废气未排尽之前，新气是不能靠近排气窗口的。

离心力哥氏力对二冲机换气的有利作用在低速时不明显，按权利要求5和7给出的特征，在任何工况都有纯空气作换气前驱隔离层，可免混气流失和受废气冲淡，在次重负荷以下工况时均燃用的油气比最为经济的稀薄混气以及因是汽油喷射配制混气的油气比例稳定，这就彻底解决了二冲机的换气和燃烧品质问题。

为更好地理解本发明，下面参照附图来描述：

图1A、图1B是本发明基本设计的两个剖面，图1A是图1B中的A—A剖面，图1B是图1A中的B—B剖面。图中标记：

1—驱动轴，1a—驱动轴上第一偏心部，1b—驱动轴上第二偏心部(非整圆形)，1C—活塞轴承衬筒(内镀巴氏合金)，2—矩形双顶活塞，2a-四元榫卯结构组合密封垫，3—气缸体，3a1；3a2—缸体进气道，3b1；3b2—缸体出气道。4-机壳(圆筒形)，4a1—纯空气进气道，4a2—分层混合气进气道，4a3—纯空气道，4b—机壳出气道，5—弧形高压电极，6a₁；6b₁—随转电极，6a；6b—火花塞，7-前置进气道，7a₀—前置进气道壳，7a1—前置进气道芯，7b₁；7b₂—屏风，E-换气泵，Ma—起动电机延伸轴，MO—发电机，G—皮带轮兼平衡重，(Ja；Jb)-喷油泵，K2-凸轮轴齿轮(凸轮轴上有驱动喷油泵凸轮，凸轮轴同时驱动机油泵，断电器)，1d；1d2-油封圈，1e1；1e2-主轴承衬筒，H；N-油封，4Q；4AQ-中央轴承座，3A0；3B0-滚棒轴承，3A-气缸前盖，3BQ-3B上的消(除)脱(节)滑槽，3B-气缸后盖，4A-机壳前盖，Fb-调节层混合气配制喷油器，Fa-点火层混合气配制喷油器。

图2A、图2B、图2C、图2D为换气过程示意图：图2A示，Q1腔排气初期，第二、三、四“阀”均已启开，第一“阀”尚关闭，故废气不会倒流到机壳进气道去，图2B示，第一“阀”启开，纯空气从4a1经3a1流入气缸Q1腔形成换气前驱隔离层。图2C示，预制分层混合气从4a2经3a1流入Q1腔，图2D示，第四“阀”已关闭，纯空气从4a3经3a1将3a1中滞留的分层混合气送入Q1腔进行增压进气。图2E是图2c中的K-K断面，可见4a2；3a1(3a2)总气道中是分隔成多条平行小气道的，居中小气道是点火层气道，道头有Fa的喷油孔Fao，此气道在任何工况均供送油气比为1∶15或稍浓的混气。居中小气道上下各有三条调节层小气道，各小气道头均有一个Fb的喷油孔Fbo，Fbo是可以先后启开先后关闭的，这些调节层小气道可以供送油气比1∶(24～13.5)的混气或纯空气以适应不同工况之需的。

图3A、图3B示出驱轴(1)中间段两个视图，可见第一偏心部(1a)段两端有油封圈槽，紧靠油封圈槽有机油环槽及和中空油道连通的油孔油道，第二偏心部(1b)是非整园形的，(1b)的园弧有220°-240°即可。

活塞用油冷是必要的，方式方法完全可参照三角转子发动机的转子冷却方式方法设计。活塞气缸间的润滑也可用油雾润滑，即在汽油内掺入适量机油.

图4A示出矩形活塞的密封垫为四元榫卯结构组合件，各单元件底部用波状弹簧使之压贴在密封面上。图4B示出组合件中a件的卯端，图4D示出组合件中d件的榫端，图4C示出a件卯端与d件榫端对接情形。这种组合密封垫除留必要的配合间隙和必要的为免热胀卡死的冷机间隙外，没有额外的冷机漏气间隙。(注意：“冷机间隙”与“额外冷机漏气间隙”是两回事)其冷机起动密封性比只有一个接口而要留额外冷机漏气间隙的活塞环还好。

图5A、图5B、图5C、图5D为气缸(3)的四个视图。在图5A图5B上示出气缸圆柱面上有安装火花塞的孔，在火花塞安上后用弧形盖片将此孔盖严。

图6A、图6B、图6C示出气缸(3)的前端盖(3A)形状。

图7A、图7B、图7C示出气缸(3)的后端盖(3B)形状。

图8示出气缸(3)装上了后端盖(3B)后的前视情形，可见滑槽(3BQ)的长度是小于气缸缸道宽的，这是为免压贴在气缸后端盖上的单元密封件不至滑脱。

图9A、B、C、D示出机壳(4)，图9A上在包围气缸旋转体两个端头部份设有多道节流环槽起着半迷宫密封作用，当然也可搞成全迷宫密封，只不过要复杂些。图9A示出在出气道(4b)的后端(按轴向言)开有一道缝(4d)，这是因为(4b)壳壁温度高出机壳它处温度约400℃左右，若无此缝，则机壳的热胀变形将使整机变形到不可允许地步，图9D示出，通往(4a3)的纯空气是从(4a1)处起旁经(4a2)送到(4a3)去的。

图10A、B、C、示出壳前盖4A的形状

图11A、B、C示出前置进气道的道壳(7a0)，上有安装调节层喷油器的孔(FbQ)及安装点火层喷油器的孔(FaQ)。

图12A、B、C、D示出前置进气道的道芯(7a1)。

图13示出前置进气道(7)的道壳(7a0)装入了道芯(7a1)、屏风(7b1；7b2)及喷油器(Fa；Fb)的情形。气流流过屏风会产生涡漩，气路关断后，涡漩还要延续一定时间，涡漩有利于油气混匀。

图14A、B示出分层混合调节层混气配制气油喷射器(Fb)的构造：Fb1-管状阀壳，Fb2-管状阀芯，Fb3-调整回油阀芯，Fb4-压紧螺帽，Fb5-进油管头，Fb6-回油总嘴，Fb7-调控油臂。

由图可见多个喷油孔抛除了点火层占用的长度后，等间距地分布在管状阀壳(Fb1)上的一条直线上，管状阀芯(Fb2)上有多个过油口各对一个(Fb1)上的喷油孔。(Fb2)上各过油口的周向宽度从内向外依次递减(顺序按图中标记①-⑥定)，在A-A断面处，(Fb2)上有个数多于喷油孔数的多个等间距周向分布的回油孔，喷油孔与回油孔有等同的孔径孔高，转动(Fb2)可使喷油孔先后启开加入喷油工作的同时使回油孔先后关闭退出回油工作。例如喷油孔数为6，回油孔数为11，第6个喷油孔刚启开后就关闭了6个回油孔，还有5个回油孔没有关闭，往后再逐次关闭这些回油孔，就可使所得混合气加浓。在部份喷油孔启开状态下调整辅调回油量使所得混气油气比在允许最稀程度(约为1∶24)，在全部喷油孔启开后再继续转动Fb2可使油气比加浓到允许最浓程度(约1∶13.5)。

图15A、15B示出自兼换气泵的组织换气分层混合二冲程转缸发动机结构方案，可见是在动力活塞(2)的腰部增加了一个换气活塞(2d)及相应的换气泵气缸，气流路径作了相应的改动，图中标记：4C-吸气道，4C1-增压换气道，3C1-换气泵工作腔呼吸口道。

至此，本发明的概念已经明晰，再来看：

(1)密封是多道面接触密封，且无额外的冷机漏气间隙，摩擦速度也不高(就设活塞行程为0.06米，转缸转速为5000转/分，其活塞平均速度也才2×0.06米×5000÷60＝10米/秒)，因而密封完善性耐用性没有问题。

(2)机构所有运动付中除气缸/活塞；第二偏心部(1b)/滑槽(3BQ)是滑移付外，其它均为回转付，即轴承，轴承耐用性没问题，而两个滑移付间的摩擦速度不高且摩擦面间无大的接触力(这是这种机构的公知的特点)，故机构耐用性没有问题。

(3)前已说明本二冲机在任何工况均有多量纯空气作换气前驱，保证了参燃混气的品质，其混气由于是汽油喷射配制，油气比例可以保证，故工作稳定性没有问题。

(4)因有纯空气作换气前驱(前驱气大部份是要排出气缸的)避免了燃料流失，机械效率高，定容燃烧程度好，中轻负荷时燃用稀薄混气，又是散热较少的空气冷却等，故用于经常工作在部份负荷的汽车，耗油经济性不成问题。

本发明的变形方案还有几种，比如火花塞安装在旋转缸体(3)的前端盖(3B)上的方案；一个动力气缸配一个换气气缸方案……但总离不开分层混合组织换气，否则就难以彻底解决二冲机的换气问题。

Claims

1.一种由公知的S＝4r(S—活塞行程；r—曲柄半径)的“帕森斯机构”演进而来的二冲程转缸发动机，包括一根带有互呈180°夹角的两个偏心部(1a；1b)的驱动轴(1)上的一个偏心部(1a)上活动的支承着一个矩形双顶活塞(2)，(2)被包套在由旋转缸体(3)及其前后端盖(3A；3B)和火花塞(6a；6b)随转电极(6a₁；6b₁)组成的旋转体内的矩形滑道之中，驱动轴(1)的另个偏心部(1b)则嵌入旋转缸体后盖(3B)上开设的滑槽(3BQ)中，(3BQ)的中轴线与活塞滑道中轴线的轴向投影是正交于旋转缸体的旋转中心的，旋转缸体借其前后端盖(3A；3B)的中心轴承(3AO；3BO)支承在圆筒形机壳(4)后端中央轴承座(4Q)和其前盖(4A)上的中央轴承座(4AQ)上，机壳(4)包围旋转缸体周围有进气道(4a1；4a2；4a3)；出气道(4b)，弧形高压电极(5)，驱动轴(1)的前后两端分别偏心地穿过机壳前盖(4A)上的中央轴承座(4AQ)和机壳后端中央轴承座(4Q)，驱动轴(1)对中央轴承座(4AQ；4Q)的偏心距r等于驱动轴上两个偏心部(1a；1b)的偏心距r，这样，驱动轴(1)旋转时借其偏心部(1a)通过活塞(2)拨动旋转缸体旋转，驱动轴的另个偏心部(1b)也利用旋转缸体后盖(3B)上的滑槽(3BQ)拨动旋转缸体旋转，不过它只起消除脱节现象利于起动的作用。驱动轴转两周旋转缸体转一周，这是公知的“帕森斯机构”的特征。在旋转中活塞(2)相对于旋转缸体是往复运动，但却无往复惯性力，因为活塞的重心是匀速旋转运动。往复运动的活塞与包套活塞的设有进排气道(3a1；3a2；3b1；3b2)的旋转气缸和驱动轴等即构有两个工作腔(Q1；Q2)的双动二冲程转缸发动机主体。

还包括有前置进气道(7)及其上安装的预制分层混合气点火层混气配制喷油器(Fa)，调节层混气配制喷油器(Fb)，(Fa；Fb)的喷油泵(Ja；Jb)，(Ja；Jb)可以是机动的也可以是电动的，以及断电器、换气泵等，换气泵可以是独立的，或发动机自身兼具的。

2.按权利要求1所述的发动机，其特征在于缸内排气窗口开设在按转向言是“前进面”的气缸壁上，进气窗口则是开设在“后进面”上的。

3.按权利要求1所述的发动机，其特征在于气缸旋转体与机壳的接触，仅在前后中央轴承座(4AQ；4Q)，除此而外二者是以间隙相持的。点火时高压电流要跳过两个间隙产生火花：一为缸外间隙火花，即弧形电极(5)与随转电极(6a₁；6b₁)的间隙火花；另则为火花塞缸内间隙火花，这种送电方式省去了配电器.

4.按权利要求1所述的发动机，其特征在于气缸体(3)上的进出气道(3a1；3a2；3b1；3b2)按转向言均为后弯的，排气方向与旋转方向相反，排气射流的反作用力是推动缸体旋转作功的，可以回收部份废弃能量的。转缸进排气口可以设计成扫过或不扫过机壳排、进气口的。

5.按权利要求1所述的发动机，其特征是在于组织换气，即在圆筒形机壳(4)上的进气口道分为(4a1；4a2；4a3)前、中、后三段，前段(4a1)供送的是纯空气作为换气前驱形成隔离层以阻新进混合气随换气流失和受废气掺混以确保换气后的混气品质(前驱纯空气的大部分是要排出缸外的)，中段(4a2)供送的是预制分层混合气，后段(4a3)供送的又是纯空气，其量以能将存留在转缸进气道(3a1；3a2)中的分层混合气完全送入气缸为度。

6.按权利要求1所述的发动机，其特征在于整个换气流路中有四个串连的“阀”：第一“阀”是缸体进气道(3a1；3a2)前口与机壳进气道口构成的进气“阀”，第二“阀”是缸体进气道(3a1；3a2)后口与活塞(2)构成的进气“阀”第三“阀”是缸体出气道(3b1；3b2)前口与活塞(2)构成的出气“阀”，第四“阀”是缸体出气道(3b1；3b2)后口与机壳出气道口构成的出气“阀”。因而要进气、出气必须相应两“阀”同是启开的，而不进、出气只需相应一“阀”是关闭的，故可使第二、三“阀”同时启闭，而第一、四“阀”则可视需要给定启闭时间，当然第一“阀”的启开时间必须在缸内气压降到低于进气压力之后，关闭时间可与第二“阀”同时或稍后，第四“阀”的启开时间可与第三“阀”同时或稍前，而关闭时间若定在第三“阀”关闭之前，则可收到明显的增压进气效果，公知增压进气可提高功率及促进燃烧的。

7.按权利要求1所述的发动机，其特征在于绝大部分工况均不调整换气的空气量，负荷调节是由调整进送预制分层混合气段中调节层混合气带的带宽和油气比来实现的，按惯用分层规律，燃烧室内气体的典型分层情况有下列5种：

(1)怠速—[纯空气层—点火层—纯空气层]；

(2)轻负荷—[纯空气层—稀混层—点火层—稀混层——纯空气层]；

(3)中负荷—[稀混层—点火层—稀混层]；

(4)次重负荷—[化合恰当比层—点火层—化合恰当比层]；

(5)加速及重负荷—[浓混层—点火层—浓混层]。

如果火花塞是安在前端盖上的，燃烧室内气体典型分层情况有下列5种：

(1)怠速—[点火层—纯空气层]；

(2)轻负荷—[点火层—稀混层—纯空气层]

(3)中负荷—[点火层—稀混层]；

(4)次重负荷—[点火层—化合恰当比层]；

(5)加速及重负荷—[点火层—浓混层]。

点火层油气比用1∶15或稍浓，在任何工况均基本不变，调节层油气比可在1∶(24～13.5)之间变动以适应不同工况之需。如有更好的分层规律也可按新规律来设计分层。

8.按权利要求7所述的发动机，使用了预制分层混合混合气配制汽油喷射器(Fa；Fb)，(Fa)是提供点火层混气定量喷油的，(Fb)是提供调节层混气可变量喷油的，(Fb)的实质为一复式旋阀分配器，其特征：

(1)柱塞式供油泵(Jb)每次按调节层一循环最大用油量的120～130％的量供油。

(2)通过(Fb)将泵送来油分送到机用油路和回流油路去，回流的多则机用的少，机用的多则回流的少，机用油路横跨在矩形断面的机用气路之上，在此横跨于机用气路的机用油路上抛开点火层占用长度外等间距地设有多个喷油孔，此等喷油孔可以依次先后启开加入喷油工作和依次先后关闭退出喷油工作。(Fb)内还有个数多于喷油孔数的相应的多个回油孔也是可以依次先后启开加入回油工作和依次先后关闭退出回油工作的，同一操控臂管理着喷油孔回油孔，原则是启开一个喷油孔就关闭一个回油孔，启开两个喷油孔就关闭两个回油孔……，在喷油孔刚启开完关闭了相应个数回油孔后仍有几个回油孔没有关闭，往后再关闭这些回油孔，同时令喷油孔保持启开状态，则就会逐渐加浓所得混合气油气比至到允许最大浓度。喷油孔与回油孔基本上有等同的孔径孔高，但也可根据更好的分层规律来设定相应油孔的孔径的。

(3)由于一循环的泵送油量是超过了一循环的最大用油量的，故在(Fb)内还设有辅调回油阀以泄放过多的油，在轻负荷时调整辅调回油量使所得混气油气比到允许最稀限度(约1∶24)。

9.按权利要求1所述的发动机使用的是矩形活塞，可有多道密封垫，其密封垫的特征为四元组合榫卯结构，各单元件底部设波状弹簧使之贴压在密封面上，这四元组合榫卯结构密封垫除动配合件间必要的配合间隙及为免热胀卡死的冷机间隙外，没有额外的冷机漏气间隙(“冷机间隙”与“额外冷机漏气间隙”是两回事)，其冷机启动的密封性比活塞环还好。

本权利要求书中的权利要求5、7、8、9若用于它种发动机及权利要求9若用于空气压缩机也要求保护。