CN101608574A - Czd差速式往复活塞内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CZD差速式往复活塞内燃机。它包括气缸体、活塞、连杆、曲轴和转接机构。所述活塞包括对向安装于同一气缸筒内的动力活塞和辅助活塞，两活塞按一定大小的差动角作差速运动，其运动规律的控制和功率扭矩的传输皆由同一根曲轴来完成。由于气缸最高燃烧压力发生在动力活塞对曲轴的较大力臂系数之处，因而燃料燃烧中的热量能够及时地转化为指示功，减少了在膨胀过程中㶲向

的退变量，有效的节省了能源，故是一种高效节能内燃机。它结构简单，没有气缸蓋和凸轮轴气门机构。继承性好，可以直接利用传统内燃机的系统和零部件。

Description

CZD差速式往复活塞内燃机

一、技术领域

本发明涉及一种内燃机，其技术特征为：它是一种差速式往复活塞内燃机，在气缸体的每一缸筒中装有两只作差速运动的活塞，两活塞运动规律的控制及其功率扭矩的传输皆由同一根曲轴来完成。

二、背景技术

1.本发明是基于本发明人提出的“内燃机能量贬值原理”而首创的。该原理的数学方程式为：

式中：()_D内，表示单缸、单位活塞面积、单位曲轴半径长度内燃机的指示功。

E_x，Q为热力系统中供给的热量

W_i为内燃机所作的指示功。

M_i为内燃机的指示扭矩。

α为曲轴转角(°CA)。

τ为冲程数，二冲程τ＝2，四冲程τ＝4。

p_g为活塞顶面的缸内压力。

ζ_r为力臂系数(回转中心到连杆的垂直距离定义为力臂)

${\mathrm{\ζ}}_r=\frac{\sin [\mathrm{\α}+\left(\arccos \sqrt{1-{\mathrm{\λ}}^2{\sin }^2\mathrm{\α}}\right)]}{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}$

λ＝r/l(r为曲轴半径，l为连杆长度)

为内燃机的(由

退变而来)。

该“内燃机能量贬值原理”的文字表述为：内燃机所供工质中的热量E_x，Q在实际循环过程中转变为指示功W_i，该指示功的大小等于气缸压力对曲轴的指示扭矩M_i与无限小曲轴转角dα之乘积对循环过程的积分；该指示扭矩的大小等于该气缸压力p_g和它所对应的力臂系数ζ_r及单位曲轴半径长度的乘积，不能转化为指示功的

则随循环过程的进行逐渐贬值，并最终退化为

其

增

恒大于零。

该基本方程的三个导出方程和推论如下：

推论1：内燃机的指示热效率和指示

效率均与气缸压力p_g和它所对应的力臂系数ζ_r及无限小曲轴转角dα之乘积对循环过程的积分成正比。其数学表达式为：

式中：Q为热力系统中供给的热量。

推论2：内燃机平均指示压力p_mi为气缸压力p_g和它所对应的力臂系数ζ_r及无限小曲轴转角dα之乘积对一个循环过程积分的二分之一。其数学表达式为：

式中：V_h为气缸工作容积。

推论3：内燃机燃料供给量一定时，若想获得最大指示功，应使最高燃烧压力p_max在力臂系数最大时产生。其数学表达式为：

(详见《内燃机与动力装置》杂志，2008年第3期，国际标准刊号ISSN1673-6397，国内统一刊号，CN37-1445/TK)

2、传统内燃机，是气缸压力p_g通过活塞和曲柄连杆机构对外输出扭矩而作功的。众所周知，内燃机燃烧压力在展开示功图上呈“脉冲状”分布，而气缸压力对曲轴力矩的力臂，从上止点到下止点，是一个由零逐渐变大，再逐渐回到零的过程，近似于正弦曲线。这也就是力臂系数曲线的形状。就是说，活塞在上止点附近，气缸燃烧压力很大，力臂(或者对曲柄的切向力)却很小，故这时发动机发出的扭矩很小；当力臂逐渐变大时，燃烧压力却急速变小，故其力矩仍然不大。这就大大地影响了内燃机扭矩和功率的输出，致使工质的

不能够尽早、尽快、尽多地转化成为机械功，从而造成工质

的大量贬值，并最终退化为

永久地失去了作功能力，造成能源的巨大浪费。

3、差速式旋转活塞内燃机，例如考尔茨(Kauertz)发动机，工质燃烧膨胀时，力臂系数很大，能源得到较充分的利用。但密封和齿轮强度等问题难以解决，故无法生产应用。

4、现在世界上使用的内燃机，特别是量大面广的轿车发动机，为提高其性能，结构变得越来越复杂，一般每只气缸4个气门，每台发动机两根凸轮轴，加之变升程、变相位，大大增加了生产成本。

5、世界石油供应日趋紧张，价格节节攀升。节约能源，成为内燃机行业的重点课题之一，也是广大汽车消费者的期望。

三、发明内容

1、本发明的任务是：提供一种比油耗(g/kw.h)低、比功率(kw/L)高、比扭矩(Nm/L)大、运行品质好、结构简单的内燃机。

2、本发明的实质是：将传统往复活塞式内燃机的燃烧室位置进行转移，由在活塞上止点向动力活塞行程的中部方向转移，以使气缸最高燃烧压力时的动力活塞曲柄连杆机构有较大的力臂系数，为燃料燃烧的热量

及时地、尽早尽快尽多地转化为指示功创造条件，减少在膨胀过程中

向

的退变量，提高能源利用效率，增大指示功。也就是背景技术1推论3所表述的内容。

3、本发明的技术措施是：去掉常规往复活塞式内燃机的气缸蓋，并由一只运动着的活塞——辅助活塞代替。这样，在一只气缸筒中，对向布置两只活塞——动力活塞和辅助活塞。两只活塞按一定的差动角作差速运动，类似于差速式旋转活塞发动机。动力活塞到达上止点时，并不着火，而是立即返回，在返回途中，被辅助活塞追上，完成压缩过程而着火燃烧，膨胀作功。两活塞运动规律的控制和功率扭矩的传输，皆由同一根曲轴来完成。动力活塞跟曲轴的连接与常规内燃机相同，辅助活塞与曲轴的连接需通过转接机构——摇杆或辅杆。

4、本发明的具体结构是：它由气缸体、活塞、连杆、曲轴、转接机构、和其它常规机构与系统构成。所述气缸体可以是单缸、多缸、立置、卧置、斜置、V型、星型等。所述活塞与常规直流换气二冲程内燃机活塞基本相同，只是顶部形状要适合燃油喷射(包括汽油直喷)和组织燃烧的需要。连杆和飞轮也与常规内燃机的相同。

所述曲轴由主曲柄、副曲柄、主曲柄销、副曲柄销、主轴颈、平衡重等构成。主曲柄长度和副曲柄长度可以相等也可以不相等。主副曲柄形成一定夹角——主副曲柄夹角。主副曲柄夹角的补角即为该发动机的差动角，用C_d表示，单位为°CA(CA为曲轴转角)。主曲柄销与动力连杆连接，动力连杆与动力活塞连接；副曲柄销与转接连杆连接，转接连杆连接转接机构，转接机构连接辅助活塞。

所述转接机构的作用是：将辅助活塞通过转接机构与曲轴上的转接连杆连接起来。它有两种形式——摇杆式和辅杆式。摇杆式转接机构：它实际上是一V型摇臂，摇杆轴固定在缸体上，摇杆一端与辅助活塞连杆连接，另一端与曲轴上的转接连杆连接。辅杆式转接机构：辅杆实际上是一直杆，它的上端与辅助活塞杆连接，下端与转接连杆连接，辅杆的导向孔与气缸筒平行，辅杆在导向孔中与辅助活塞一起作往复运动，辅杆、辅助活塞杆可以为空心杆，但需要有通气孔和润滑油流出孔。

5、本发明的工作和换气过程如下：本发明的换气机构与二冲程对向活塞直流换气发动机相同。排气口在动力活塞一侧，扫气口在辅助活塞一侧。排气和扫气时间由活塞控制。

①燃烧膨胀过程：辅助活塞即将到达上止点时点火燃烧，或喷入燃料着火燃烧，膨胀作功。

②自由排气过程：在膨胀后期，下行的动力活塞将排气口打开，开始自由排气。

③扫气过程：下行的辅助活塞将扫气口打开，外界的新鲜空气经曲轴箱，或扫气泵，或增压器进入气缸，开始扫气。此时，扫气口和排气口均在开启位置，排出的废气直接进入大气，或涡轮增压器，或后处理器。

④过后充气：动力活塞经下止点上行，将排气口关闭，此时，扫气口仍在开启位置，利用气流惯性和压力继续充气，以增大充气量。

⑤压缩过程：上行的辅助活塞将扫气口关闭，并继续上行；此时，上行的动力活塞到达上止点后转而下行，并被上行的辅助活塞追赶，最终实现压缩过程(汽油机可在此过程将汽油喷入气缸)。

6、本发明与传统内燃机比较，其有益效果是：

①

效率与热效率高，比油耗(g/kw.h)低、用油省。

②动力性好，升功率(kw/L)高，升扭矩(Nm/L)大。

③每只气缸中，两只活塞相对运动，易形成强烈的工质紊流，有利于燃烧和压缩比的提高。

④换气过程中，没有泵气损失，没有驱动气门弹簧的功耗和机构的摩擦损失。

⑤结构简单，没有气缸蓋，没有凸轮轴气门机构，生产成本低。虽然需要扫气泵或增压器，但在传统发动机中也广泛使用增压器。

与传统发动机比较，虽然辅助活塞的转接机构在气缸外占据了一定空间，但所占位置比一只气缸要小得多。考虑到本发明在气缸中已同时布置了两只活塞，起到了两只气缸的作用，所以其结构还是紧凑的。同时，这也有利于气缸的散热。

7、本发明与传统内燃机比较，其主要特点是：

①、改变了人们的传统观念：传统观念认为，内燃机的升功率、升扭矩、比油耗与功率传输机构——曲柄连杆机构没有直接关系，而燃烧室理所当然地在动力活塞上止点位置。本发明认为内燃机的动力性、经济性直接与曲柄连杆机构有关，且与力臂系数成正比，因此将燃烧室转移到靠近动力活塞行程中部的位置，以充分利用燃烧压力，从而节约了能源。

②、继承性好：全面继承了往复活塞式内燃机的优点，密封简单有效，功率传输机构坚固可靠。便于组织生产。

8、本发明所使用的燃料为：汽油、柴油、醚类、醇类、天然气、石油气、氢等。

9、本发明的用途：可广泛用于汽车、摩托车、火车、船舶、拖拉机、工程机械以及直升机和轻型飞机等。

四、附图说明

附图中各编号的名称如下：

1曲轴、2转接连杆、3动力连杆、4动力活塞、5辅助活塞、6辅助活塞连杆、7摇杆、8扫气通道、9气缸体、10汽油喷油器、11火花塞、12冷却水套、13排气通道、14飞轮、15曲轴箱、16排气歧管、17限压阀、18扫气歧管、19辅助活塞连接杆、20储气箱、21止回阀、22扫气泵出气管、23扫气泵进气管、24扫气泵体、25扫气泵出气阀、26扫气泵活塞、27扫气泵进气阀、28辅杆导向孔、29辅杆、30柴油喷油器、31主曲柄销、32副曲柄销、33主轴颈、34副曲柄、35主曲柄、36摇杆轴。

图1为摇杆型CZD差速式往复活塞内燃机示意图，动力活塞4和辅助活塞5对向(活塞顶对着活塞顶)布置于气缸体的同一缸筒中。图示中的活塞位置为气缸中燃烧压力达最大值时的位置，辅助活塞在上止点，动力活塞在设计差动角(接近最大力臂系数)位置。

图2为摇杆示意图。它实际上是一V形摇臂，上端连接辅助活塞的连杆，下端连接曲轴的转接连杆，中间轴承孔的轴36固定在缸体上，并有润滑油孔，摇杆夹角为θ，摇杆两臂可以等长也可以不等长。

图3为图2摇杆左侧示图的展开示意图。

图4为曲轴示意图。它是一根单缸曲轴，31为主曲柄销，32为副曲柄销，33为主轴颈，34为副曲柄，35为主曲柄。

图5为曲轴的差动角Cd示意图。主副曲柄夹角为Ψ，它的补角Cd即为曲轴的差动角，也就是发动机的差动角。

图6为力臂系数ζ_r的曲线图。当λ＝1/3.5时，其最大值约为1.045，在曲轴转角的75°附近。

图7为摇杆型CZD内燃机气缸工作容积变化曲线图。横坐标为曲轴转角(°CA)，0°为动力活塞上止点的位置、辅助活塞Ψ角位置。纵坐标为气缸工作容积(AS)，A为活塞顶面积，S为活塞行程。该曲线所示的内燃机，主副曲柄夹角Ψ＝130°(差动角为50°)，主副曲柄长度分别为50和42(单位为mm，下同)，动力连杆和转接连杆长度分别为175和240，连接辅助活塞连杆和转接连杆的摇臂长度分别为170和230，气缸直径为98.曲线D和F分别为动力活塞和辅助活塞的位置变化，T为气缸综合工作容积变化。由曲线图可以清楚看出：发动机从0°CA(上止点)到85°CA，气缸综合工作容积T均在动力活塞的工作容积D之下(D曲线与缸蓋固定式传统发动机相同)。这就保证了本发明比传统发动机有更高更丰满的气缸燃烧压力曲线。更重要的是可以获得更大的力臂系数。例如：由于辅助活塞的影响，本发明35°CA的工作容积，约相当传统发动机(即本动力活塞)15°CA时的工作容积。若在此时发动机达最高燃烧压力，本发明35°CA时的动力活塞的ζ_r＝0.71，而传统发动机15°CA时，ζ_r＝0.33。另外，传统发动机在活塞到达上止点前，工质已处于急燃期，气缸压力已经很高。此时活塞纯作负功。但本发明，虽然辅助活塞也在作负功，动力活塞却在作正功，由于动力活塞的力臂系数大大高于辅助活塞的力臂系数，故本发明的发动机综合结果还是作正功。这就保证了本发明较传统发动机有更高的升功率和升扭矩以及更低的比油耗。

图8为辅杆结构示意图。下端连接转接连杆，上端连接辅助活塞杆。辅杆可以为中空，但应有通气孔和泄油孔。

图9为辅杆型CZD差速式往复活塞内燃机示意图。

图10为辅杆型CZD内燃机(CZD.F)气缸工作容积变化曲线。该曲线示例主要参数：曲轴的主副曲柄夹角为130°主副曲柄长度均为50，动力连杆和转接连杆均为180，气缸直径为100，该曲线图的横坐标为曲轴转角，0°为动力活塞的上止点、辅助活塞的Ψ位置。纵坐标为气缸工作容积(AS)。

D为动力活塞位置变化曲线，F为辅助活塞位置变化曲线，T为气缸综合工作容积变化曲线。动力活塞变化曲线与缸盖固定式传统内燃机相同。由图清楚看出：在100°CA时，T曲线和D曲线相交(在66.4AS处)，在0°——100°CA区间，T曲线一直在D曲线之下。也就是说，在此区间，由于F曲线的影响，使气缸工作容积一直小于传统内燃机，这有力于气缸压力的提升和气缸压力曲线的丰满，有力于功率的提高；更重要的是①本发明的气缸最高燃烧压力时的动力活塞力臂系数大大的超越了传统内燃机的力臂系数，例如：若在40°CA时，达最高气缸压力，此时的气缸工作容积为1.9AS，力臂系数等于0.79，这约为传统内燃机15°CA时的气缸容积和力臂系数(ζ_r＝0.33)。②辅助活塞将要到达上止点时，气缸压力已经很高，该辅助活塞虽作负功，但动力活塞却作正功，由于动力活塞力臂系数远远超过辅助活塞力臂系数，故综合结果，发动机仍作正功。而传统内燃机，此时活塞只作负功。③辅助活塞到达上止点后，它和动力活塞一起均作正功。由于上述三个原因，使本发明的升功率、升扭矩和热效率，得到根本性提高。

五、具体实施方案举例

实施例1

如图1所示，它是一种摇杆型CZD汽油机，包括曲轴1.转接连杆2.动力连杆3.动力活塞4.辅助活塞5.辅助活塞连杆6.摇杆7，扫气通道8.气缸体9.汽油喷射器10.火花塞11.冷却水套12.排气通道13.飞轮14.曲轴箱15.等。动力活塞4和辅助活塞5对向布置在同一气缸筒中，两只活塞按50°CA的差动角作差速运动，其运动规律的控制和功率扭矩的传输皆由曲轴1来完成。所述曲轴的曲柄，由主曲柄35和副曲柄34构成，主、副曲柄的夹角为Ψ，它的补角C_d即为该发动机的差动角。摇杆7的轴固定在缸体上，摇杆上端(在气缸筒上方)与辅助活塞6连接，下端(在气缸筒之外)与转接连杆2连接，气缸上下端的缸筒周围开有祛气孔和排气孔。祛气孔的设置，要有利于纵向涡流和漩流的形成(气口可为切向、螺旋状)。来自增压器或扫气泵的新鲜空气(亦可采用废气再循环)，经扫气通道8进入气缸。排气口将要关闭、压缩过程将要开始时，即可由喷油器10.将汽油喷入气缸内。压缩过程将要结束时，由火花塞11点火，辅助活塞到达上止点时(或将要到达上止点时)，气缸内达到最高燃烧压力，此时下行的动力活塞已经具备了很大的力臂系数，这就为燃烧热能的利用创造了“结构上”的有利条件。这是该发动机比传统发动机的最大优越处，此时辅助活塞通过摇杆也将动力传给曲轴，增大发动机的扭矩和功率。与传统发动机比较，该发动机的另一大优点是：工质急燃期，辅助活塞将要到达而尙未到达上止点时，此时气缸压力已经很高，该压力仍然通过已具备较大力臂系数的动力活塞将功率输出；在传统发动机中，该压力作用于气缸蓋，活塞在到达上止点之前，完全作负功。也就是说：本发明在辅助活塞将要到达上止点的压缩行程末期，动力活塞的正功要大于辅助活塞的负功，(因为动力活塞此时的力臂系数大大的大于辅助活塞此时的力臂系数)。膨胀过程结束时，排气口打开，废气经排气口进入废气涡轮或废气处理器，或消音器或大气。由于排气温度比较高，本例已增大了排气口周围的冷却强度。该发动机的燃料供给系、点火系、冷却系等基本与传统发动机相同。润滑系统可采用传统二冲程对向活塞直流换气发动机的润滑方案。进排气系统也基本与传统二冲程直流换气发动机相同。

具体实施例2

如图9所示的一种具体实施例，它是一单缸辅杆型CZD柴油机。可以连接为直列多缸，或V型多缸机。它包括曲轴1、转接连杆2、动力连杆3，对向装入同一气缸筒中的动力活塞4和辅助活塞5，辅助活塞连接杆19的上端，装有扫气泵活塞26，扫气泵活塞和辅助活塞在辅杆29的带动下，作往复运动。辅杆下端连接转接连杆2，辅杆在导孔28内滑动。该扫气泵有两个进气阀27和两个出气阀25，为双向作用式，活塞向下运动，右侧的进气阀和出气阀打开，新鲜空气进入扫气泵上部，压缩空气自下部流出，并进入储气箱20。扫气泵活塞向上运动时，左边的进气阀和出气阀打开，新鲜空气进入扫气泵，压缩空气进入储气箱。储气箱具有冷却作用，并装有限压阀17。该发动机的换气机构与实施例1基本相同。各系统与传统发动机基本相同。该发动机的气缸工作容积变化和动力活塞、辅助活塞的运动规律示于图10。

Claims (4)

1、一种CZD差速式往复活塞内燃机，它包括气缸体、活塞、连杆、曲轴、转接机构等。其特征是：所述气缸体(9)的每一缸筒内，对向布置着动力活塞(4)和辅助活塞(5)，两只活塞按一定的差动角作差速运动，其运动规律的控制和功率扭矩的传输，皆由同一根曲轴(1)来完成。曲轴(1)的主曲柄销(31)连接动力连杆(3)，动力连杆连接动力活塞(4)，副曲柄销(32)连接转接连杆(2)，转接连杆(2)连接转接机构，转接机构连接辅助活塞(5)。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征是：所述辅助活塞(5)的转接机构为一摇杆(7)，摇杆(7)为一V型摇臂，它的轴(36)固定在气缸体上，摇杆的一端连接曲轴上的转接连杆(2)，另一端连接辅助活塞连杆(6)，辅助活塞连杆(6)与辅助活塞(5)连接，摇杆两臂长度可以相等也可以不相等。

3.根据权力要求1所述的内燃机，其特征是：所述辅助活塞(5)的转接机构为一辅杆(29)，辅杆上端通过连接杆与辅助活塞(5)连接，辅杆下端与曲轴上的转接连杆(2)连接，辅杆导向孔(28)与气缸筒平行，辅杆在导向孔(28)内，与辅助活塞(5)一起作往复运动。辅杆(29)可以为空心或实心。

4.根据权利要求1所述的内燃机，其特征是：所述曲轴(1)由主曲柄(35)、副曲柄(34)、主曲柄销(31)、副曲柄销(32)、主轴颈(33)和平衡重等构成。主曲柄和副曲柄形成一定夹角——主副曲柄夹角ψ，夹角ψ的补角C_d即是该内燃机的差动角。主曲柄的长度和副曲柄的长度可以相等也可以不相等。

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