CN101737162A - 泵气增压内燃机 - Google Patents

Abstract

泵气增压内燃机是一种往复活塞式四冲程内燃机，它用曲柄滑块机构取代了曲柄连杆机构。它用缸套内循环润滑系统取代了传统的飞溅润滑方式，它比普通的进气系统多了一套泵气增压系统，它的优点是：1、利用进气和膨胀行程的泵气作用，可将气缸的新鲜工质填充量增加一倍以上，所以可将升功率提高一倍以上。2、利用泵气压力，大幅度降低往复惯性力引起的振动。3、取消连杆，消除了二阶不平衡惯性力引起的振动。4、消除了泄漏燃气对机油的重度污染，在使用中不再定期更换机油，只是添加补充机油，节能降耗显著。5、可以采用压力扫气、补气等工作方式降低尾气污染物的原始排放量。

Description

泵气增压内燃机

所属技术领域：

本发明的泵气增压内燃机是一种往复活塞式四冲程内燃机。

背景技术：

当今在世界各地广泛使用的往复活塞式四冲程内燃发动机，基本上都采用曲柄连杆机构，对活塞与曲柄连杆机构采用飞溅润滑。这种结构和润滑方式，存在如下不足：

1、没有利用活塞在进气和膨胀行程向下的泵气作用。

2、活塞在侧压力作用下，承压面方向的变形量和磨损量均比其它方向大，加之各个方向因结构原因热膨胀量不一样，所以活塞在轴线方向并不是简单的圆柱形。特别是对活塞承压面的工作型线更有特殊要求，因此，活塞的制造难度和加工成本远高于圆柱体活塞。

3、由于必须在活塞上布置活塞销座和三道路以上的气环、油环、活塞的轴向高度较大，活塞的结构重量较大，往复惯性力较大，发动机的结构高度相对较高。

4、飞溅润滑方式要求油环的弹力大，并随活塞一起做往复运动，所以由此造成的摩擦损失大，并且出现窜机油，烧机油的机率较多。

5、对气缸起密封作用的活塞环，依据的是节流原理，采用迷宫式多环结构。这种密封形式，不可避免要造成泄漏燃气对机油的重度污染，因此必须定期更换机油，既不节能又增加使用成本。

技术解决方案：

本发明的目的是在曲柄连杆式四冲程内燃机的基础上进行改进，既克服曲柄连杆式内燃机的上述不足，又能充分利用活塞在向下运行时的泵气作用来增加气缸的新鲜工质填充量。

本发明的解决其技术问题的技术方案基本上由活塞曲柄滑块机构，缸套内循环润滑系统和泵气增压系统三部分组成。但是，当对发动机的综合性能要求较高，或者通过内循环润滑系统的流通阻力不能将泵气漏失和机油耗量控制在允许的范围内时，则应考虑增设一封盖内循环润滑系统的专用装置。

本发明的泵气增压内燃机同曲柄连杆式内燃机一样，在气缸内产生的气压力同样要通过活塞和传力机构向下传递给曲轴，并推动曲轴对外做功。本发明的传力机构与曲柄连杆式传力机构的根本不同点就在于它是通过滑轨、滑块而不是通过连杆将活塞传递的气压力传递给曲轴，所以曲柄滑块机构没有做往复摆动运动的连杆，较为容易在活塞与曲轴箱之间设置专门的泵气室。由于消除了连杆摆动的影响，所以泵气终了的余隙容积很小，对泵气的利用程度更为充分。从泵气室出来的泵气进入蓄气室，最后在进气门关闭的某一设定时刻从蓄气室压入气缸。

本发明设置泵气增压系统有如下优点：

1、增加气缸新鲜工质的填充量。由于可供利用的泵气包括进气和膨胀两个部分的泵气，总量超过从进气门吸入的新鲜工质量，所以本发明可以将发动机的升功率在现有基础上提高一倍以上。

2、利用泵气压力减少了往复惯性力引起的振动。

3、取消连杆的结果是直接消除了二阶惯性力的振动源。

4、将泵气分两次压入气缸，第一次利用膨胀行程的泵气在进气门开启前后，以其中一部分压入气缸，其优点是：一、利用泵气取代燃烧室残存的废气，增加新鲜工质实际占有量。二、减少进气时的泵气耗损。三、起到二次补气的作用，增加扫气效果，降低尾气中有害物质的排放量。

5、可以根据需要方便地选用多种燃烧方式。例如：(一)汽油机采用像柴油机一样的在泵气增压接近终了时刻喷油燃烧的方式。(二)从进气门吸入只有火焰传输方式才能继续燃烧的极稀混合气(空燃比可达18以上)，而泵气采用空燃比为13左右的浓混合气，实现分层燃烧。

6、排气量大，温度高，可利用废气涡轮来带动发电机，机油泵等辅助机械，增加有效功率。

在活塞与曲轴箱之间设置泵气室，对活塞、活塞环已不合适采用传统的飞溅润滑方式。征对保证活塞、活塞环正常工作的最佳润滑条件是油膜润滑这一工作特性，本发明设置了专门润滑活塞、活塞环的缸套内循环润滑系统。该润滑系统设置在工作温度较低的气缸套下部。进油通道与全机的机油供油线路相通，从供油线路来的机油从进油通道进入斜波布油环和环槽之间的环形通道，并经回油通道回流，形成内循环。内循环的机油在流动过程中，不断地分布、补充到斜波布油环的沿周向分布的很多个微小孔隙，并以渗透的形式从缸套内油道向气缸内部方向渗出。由于渗出的机油量要受到供油压力，流通阻力，渗出孔隙大小、多少、活塞环推动布油环内移泵出油量多少等因素的制约，因此，调控上述因素就可按照形成正常的工作油膜所必须的机油消耗量来调控总的机油渗出量。当活塞、活塞环往复通过斜波油环时，这些渗出的机油一部分涂抹到活塞环的工作表面，另一方面则被吸附在活塞环的环形蓄油线中。然后再继续通过活塞、活塞环的运行，以粘附、涂抹、吸附和机油延展复盖等形式，分布到活塞的整个工作行程范围内，在活塞、活塞环和气缸壁之间实现均匀、连续、可靠的油膜润滑。

本发明的缸套内循环润滑系统的优点是：

1、可以为活塞、活塞环正常工作提供优质的油膜润滑，机油的实际耗损量小。

2、机油不受泄漏燃气的污染，润滑质量好，有可能实现在今后的使用过程中只是添加补充机油，而不再定期更换机油。

3、窜机油、烧机烧的机率比飞溅润滑式发动机大幅度降低。

4、斜波布油环不随活塞一起运动，并且它只起布油作用，不起刮油作用，所以弹力较现有油环小，由此造成的摩擦损失小。

5、由于斜波布油环设置在温度较低的气缸下部，所以不易产生结胶，卡环等故障。

本发明的泵气增压内燃机的活塞，由于取消了连杆，就等于取消了连杆给活塞造成的侧向力，活塞在运行过程中也不再因此而左右摆动。本发明的活塞通过活塞杆、曲柄滑块机构向下传递气压力，所以在活塞上没有活塞销座。由于采用了缸套内循环润滑系统，所以对于缸套和活塞之间的环形空间的密封只设置了两道密封气环。综合上述因素，本发明的活塞可以做成轴向高度较短的正圆柱形。其优点是：

1、克服了普通活塞存在的结构重量大，生产成本高等不足的问题。

2、因为轴向高度比普通活塞大大降低，由活塞节约出来的轴向高度尺寸基本上抵消了由于设置泵气室而可能增加的发动机轴向高度，发动机的比重量大幅度降低。

附图的简要说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的泵气增压内燃机的一个实施例的基本构造示意图。

图2是一平面视图，用以进一步表明本发明的曲柄滑块机构的滑轨(8)、滑块(10)成滑动连结，滑块(10)和曲柄销(11)成迴转连结。

图3是本发明的泵气增压内燃机的另一个实施例的基本构造示意图。

图4是一平面视图，表明斜波布油环(6)是一个由空芯钢丝环(26)和在其空芯内填充的多孔物质(27)组成的圆环。

图5是图4的俯视图，表明斜波布油环(6)在上下端面(28)之间在各处的轴向高度应基本一致。

图6是斜波布油环任一匝的放大图，表明其与气缸母线m-m之间成斜角关系。

图7是图6的俯视图，表明斜波布油环的任一绕匝在内外径方向n-n的轮廓线都是圆弧形。

图标说明：

1、活塞，2、第一道活塞环，3、第二道活塞环，4、活塞杆，5、回油通道，6、斜波布油环，7、泵气室，8、滑轨，9、滑橇，10、滑块，11、曲柄销，12、曲轴，13、滑道，14、进气阀，15、出气阀，16、蓄气室，17、进油通道，18、布油环槽，19、管线，20、进气门，21、排气门，22、泵气增压控制阀，23、封盖，24、弹簧，25、密封环，26、空芯钢丝环，27、多孔填充物，28、上下端面，29、钢丝匝，30、钢丝匝中心线，31、圆弧形轮廓线。

对实施例的详细说明：

如图1所示的本发明的第一实施例，基本上由活塞曲柄滑块机构，缸套内循环润滑系统和泵气增压系统三部分组成。

活塞曲柄滑块机构由活塞(1)、活塞杆(4)、滑轨(8)、滑橇(9)、滑块(10)和曲轴(12)组成。活塞(1)通过活塞杆(4)与滑轨(8)连结成一体，并通过紧贴滑道(13)的滑橇(9)保持以气缸轴线为中心的对称定位。如图1、图2所示，滑块(10)一方面以抱扣的形式与滑轨(8)成滑动连结，另一方面滑块(10)又与曲轴(12)的曲柄销(11)成迴转连结。在上述连结状态下，在气压力和以曲轴(12)为连结主体的整个迴转系统的惯性力的作用下，活塞曲柄滑块机构呈三种运动形态，即活塞(1)、活塞杆(4)、滑轨(8)、滑橇(9)做上下往复直线运动，滑块(10)既在滑轨(8)上做左右滑动，滑块(10)又围绕曲柄销(11)做迴转运动。活塞、活塞杆、滑轨、滑块在将气压力传递给曲柄销(11)并推动曲轴(12)旋转对外做功的同时，滑轨(8)同时要受到一个大小相等方向相反的由曲柄销(11)施加给它的反作用力。由于此反作用力与气缸中心不同心，必然由此反作用力给活塞(1)、活塞杆(4)、滑轨(8)这个连结组件施加一弯曲力矩。同时，滑块(10)在滑轨(8)上滑动也要给滑轨(8)造成一个使其左右摇摆的摩擦力。上述的弯曲力矩和摩擦力靠紧贴滑道(13)的滑橇(9)所受到的支承反力得到平衡。

本发明的泵气增压系统由泵气室(7)、进气阀(14)、出气阀(15)、蓄气室(16)、连结管线(19)和泵气增压控制阀(22)组成。泵气室(7)设置在活塞下部和曲轴箱之间。活塞上行，泵气室(7)通过单向进气阀(14)从空气过滤系统吸入新鲜空气或工质，活塞下行，又将泵气室(7)吸入的工质通过单向出气阀(15)压入蓄气室(16)。蓄气室(16)通过管线(19)与泵气增压控制阀(22)连结。在进气门(20)开始关闭时，泵气增压控制阀(22)开始打开，蓄气室(16)内的泵气以增压的形式压入气缸。

本发明的缸套内循环润滑系统，由进油通道(17)、回油通道(5)、斜波布油环(6)、环槽(18)、活塞(1)和活塞环(2)、(3)组成。如图4、图5所示的斜波布油环(6)，由用弹簧钢丝沿同一方向绕制的空芯圆环(26)和在其空芯内填充的吸附机油的多孔物质(27)组成。它的上下表面(28)以其中任一面与基准平面贴平时，各处的轴向高度应基本一致，它与环槽(18)之间有很小的滑动间隙。如图6所示的斜波布油环(6)的任一绕匝(29)，它的中心线(30)与气缸母线m-m有一大于零度以上的斜角，并以45°左右大小斜角为最佳。当活塞环(2)、(3)沿气缸母线m-m方向往复滑过斜波布油环(6)时，便于将由环内渗出的机油碾压成连续均匀的分布形式，一部分被均匀地涂抹到活塞、活塞环上，另一部分则被均匀地补充到活塞环的环形蓄油线中，从而有效地改善普通发动机第一环在最高工作环位时易于缺油的润滑条件。图7所示为任一绕匝(29)在内外径方向n-n的轮廓线(31)是圆弧形。其优点是让活塞环能够平滑地接近和离开斜波布油环(6)，不致发生冲击。当活塞环在越过斜波布油环(6)时，由于斜波布油环的内径略小于气缸内径，必然向环槽内部方向推动斜波布油环(6)向外产生泵油作用。同时，由于斜波布油环(6)的内径被活塞环撑开胀大，由各个绕匝形成的缝隙和小孔也相应变大，内部的机油向外渗透的量也就更多。但是，为了防止油流现象和在停机时出现机油流淌现象，在斜波布油环(6)的空芯内填充多孔物质，使机油在斜波布油环(6)内只能以毛细和多孔吸附形态存在。

如图3所示的本发明的第二实施例，它是图1所示实施例的改进型。图1所示的实施例中，滑橇(9)与滑道(13)，滑轨(8)与滑块(10)成滑动连结，在发动机转速较高时，容易因相对滑动速度过大而产生烧蚀，同时，滑动连结的摩擦损失也大。因此，在本发明的第二实施例中，将上述滑动连结改成滚动连结。第2，在第一实施例中，泵气室(7)中的压缩气体有可能将斜波布油环(6)内含蓄的机油吹拂回内油道，也可能因此造成部分泵气流失。因此，当对发动机的要求较高时，在气缸下部增设了一个封盖斜波布油环的专用装置。该封盖装置由封盖(23)、密封环(25)和弹簧(24)组成。当活塞上行越过斜波布油环时，封盖(23)和密封环(25)在弹簧(24)的推动下上移将斜波布油环(6)及环槽(18)完全封盖；而当活塞下行，通过活塞则可将封盖(23)连同密封环(25)一起向下推开。斜波布油环(6)被显露出来，准备向活塞和活塞环供油。但因此时斜波布油环正处于胀大状态，没有产生向内的泵油作用，因此第二道活塞环(3)在下行过程中只是滑过斜波布油环(6)，而不会通过斜波布油环(6)向外泵油。当活塞(1)上行，因第一、第二道活塞环(2)、(3)都要通过，胀大斜波布油环(6)，产生向外的泵油作用，从而通过相互接触将渗出和泵出的机油涂抹补充到活塞和活塞环上。

Claims (8)

1.在曲柄连杆式四冲程内燃机的基础上经改进而成的泵气增压内燃机，其特征是：它用活塞曲柄滑块机构取代了活塞曲柄连杆机构，它比普通进气系统增加了一套泵气增压系统，它的活塞、活塞环采用缸套内循环润滑系统取代了飞溅润滑方式，它的气缸下部有一封盖斜波布油环的专用装置。

2.根据权利要求1所述的泵气增压内燃机的活塞曲柄滑块机构，它由活塞(1)、活塞杆(4)、滑轨(8)、滑橇(9)、滑块(10)和曲轴(12)组成，其特征是：活塞(1)通过活塞杆(4)与滑轨(8)连结成一体，上述连结体一方面通过紧贴滑道(13)的滑橇(9)保持中心对称定位，只能做上下往复直线运动；另一方面，上述连结体又通过滑块(10)与曲轴(12)的曲柄销(11)成迥转连结，滑块(10)在滑轨(8)上左右滑动，曲轴(12)则围绕迥转中心作旋转运动。

3.根据权利要求1或2所述的泵气增压内燃机的活塞，其特征是：从上至下依次布置有第一和第二道活塞环(2)和(3)。

4.根据权利要求1或3所述的泵气增压内燃机的活塞环，其特征是：单片环的环周有环形蓄油线，而双片式组合环则是上下片组成环之间自然形成的环形蓄油线。

5.根据权利要求1所述的泵气增压内燃机的泵气增压系统，由泵气室(7)、进气阀(14)、出气阀(15)、蓄气室(16)、连结管线(19)和泵气增压控制阀(22)组成，其特征是：活塞上行，外界的新鲜工质通过进气阀(14)被吸入泵气室(7)，然后活塞由上行转为下行，进气阀(14)关闭，活塞(1)将泵气室(7)的工质通过出气阀(15)泵入蓄气室(16)，蓄气室(16)又通过管线(19)与泵气增压控制阀(22)相联，最后在凸轮的控制下，分一次或多次将蓄气室的新鲜工质压入气缸。

6.根据权利要求1所述的泵气增压内燃机的缸套内循环润滑系统，由进油通道(17)，回油通道(5)、斜波布油环(6)、斜波布油环槽(18)、活塞(1)和活塞环(2)、(3)组成，其特征是：机油从进油通道(17)进入斜波布油环(6)和环槽(18)之间的环形通道后从回油通道(5)回油，在这个过程中，机油从斜波布油环(6)的小缝隙和小孔处向气缸内部方向渗出，渗出的机油通过往复运动的活塞(1)、活塞环(2)、(3)，在活塞、活塞环和气缸壁之间形成均匀、连续、可靠的油膜润滑。

7.根据权利要求1和所述的泵气增压内燃机的斜波布油环，它由用弹簧钢丝沿同一方向绕制的首尾连结的空芯圆环(26)和在其空芯内部填充的吸附机油的多孔物质(27)组成，其特征是：它的内径略小于气缸套的内径，它在上下端面(28)之间的在各处的轴向高度基本一致，并小于环(18)的轴向高度，它的任一绕匝(29)的中心线(30)与气缸母线m-m有大于零度以上的斜角，它的任一绕匝(29)在内外径方向n-n的轮廓线(31)是圆弧形。

8.根据权利要求1所述的泵气增压内燃机的封盖斜波布油环的专用装置，由封盖(23)、密封环(25)和弹簧(24)组成，其特征在于：当活塞上行越过斜波布油环时，封盖(23)和密封环(25)在弹簧(24)的推动下上移将斜波布油环(6)及其环槽(18)完全封盖，而当活塞下行，活塞则可将封盖(23)连同密封环(25)一起向下推开。

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