CN1018079B - 活塞式内燃机 - Google Patents

Abstract

一种新结构、新型式的活塞式内燃机，其特征是在设有中心圆柱和厚、薄隔板的气缸体内装有一个摆转的活塞，形成内、外气室，并由厚隔板内的燃烧室沟通，进气压缩和膨胀排气过程分别在二个气室进行。这种摆转活塞式内燃机结构紧凑，制造容易，能够输出高转速和大功率，此外，由于活塞同中心圆柱及气缸壁接触运动的特殊性，活塞付的摩擦损失和零件磨损较少；进、排气的连续，还可提高燃烧的经济性，降低排污量和排气噪音。

Description

本发明涉及一种按进气、压缩、燃烧膨胀、排气四过程进行循环的活塞式内燃机。

往复活塞式内燃机和三角活塞旋转式内燃机均是按进气、压缩、燃烧膨胀、排气四过程进行循环的活塞式内燃机。往复活塞式内燃机因为曲柄连杆机构空间尺寸大，因此这种形式的内燃机体积大，重量重，而且转速的提高还受到往复运动构件的限制;三角活塞旋转式内燃机体积小，重量轻，转速高，但是这种形式内燃机的汽缸和活塞具有特殊型面，不仅配合精度高，加工制造比较困难，而且三角活塞尖角同气缸壁接触运动在高温高速的条件下，处于临界摩擦或干摩擦的状态，活塞磨损严重，寿命很短。

在CN-GG87206450（公告在实用新型专利公报第3卷第58期）中公开了一种摆动活塞式发动机的技术方案，这是一种冷源发动机，尚不具备内燃机的功能。

本发明的任务旨在克服公知的活塞式内燃机的缺点，提供一种体积小，重量轻，寿命长，转速高的活塞式内燃机。

解决本发明的要点是将具有内腔、加强壁、裙部导口和加强壁导口的活塞安装在设有中心圆柱、厚隔板和薄隔板的气缸体内，活塞的形状可设计成I型或 型，裙部导口同厚隔板、加强壁导口同薄隔板动配合，使活塞能沿厚隔板和薄隔板往复运动，活塞中心孔同曲柄轴的轴颈动配合，使活塞中心能绕安装在中心圆柱内的主轴旋转，活塞在运动过程中，其外圆表面和内腔表面分别同气缸体的缸腔表面和中心圆柱表面保持相切，因此，在几何尺寸上要满足如下要求：活塞内腔半径等于中心圆柱半径同曲柄半径之和，气缸体的缸腔半径等于活塞半径同曲柄半径之和，这样，即在活塞同气缸体之间形成容积在不断变化的外气室，在活塞同中心圆柱之间也形成容积在不断变化的内气室。外气室和内气室分别设有同进气系统和排气系统（或排气系统和进气系统）相通的通道，通道的启闭受活塞控制，设计中，外气室作空气压缩室时，内气室则作燃烧膨胀室，内气室作空气压缩室时，外气室则作燃烧膨胀室。置于厚隔板内的燃烧室沟通外气室和内气室，燃烧室的进口同空气压缩室相通，并设有单向阀，燃烧室的出口同燃烧膨胀室相通，并设有受主轴凸轮机构控制的定时启闭阀。

下面结合附图对本发明的内容作进一步的详细描述。

图1：本发明结构示意图之一（内气室为空气压缩室）;

图2：本发明结构示意图之二（外气室为空气压缩室）;

图3：活塞正剖视图;

图4：活塞侧视图;

图5：曲轴结构正视图;

图6：曲轴结构侧剖视图;

图7：本发明结构正剖视简图（内气室为空气压缩室）;

图8：图7在左侧视图（活塞同图7非同一位置）;

图9：本发明工作原理图。

图示：1、气缸体;2、中心圆柱;3、厚隔板;4、薄隔板;5、活塞;6、内腔;7、加强壁;8、裙部导口;9、加强壁导口;10、曲柄;11、曲柄轴;、12、外气室;13、内气室;14、弹簧;15、16、17、18、通道;19、燃烧室;20、单向阀;21、定时启闭阀;22、副进气口;23、副进气通道;24、主轴凸轮;25、飞轮;26、喷油孔;27、主轴;28、挺杆。

这种活塞式内燃机同公知的活塞式内燃机一样具有进气系统、排气系统、供油系统、润滑系统、冷却系统、点火系统（对汽油机而言）和调速系统。区别在于气缸体（1）内设有中心圆柱（2）、厚隔板（3）和薄隔板（4），形成环形但被厚隔板（3）和薄隔板（4）隔断的缸腔;主轴（27）、曲柄（10）和曲柄轴（11）形成曲轴状，且主轴（27）通过轴承安装在中心圆柱（2）的内孔中;活塞（5）具有内腔（6）、加强壁（7）、裙部导口（8）和加强壁导口（9）（如图4所示），置于气缸体（1）的缸腔中，裙部导口（8）同厚隔板（3）、加强壁导口（9）同薄隔板（4）、活塞（5）中心孔同曲柄轴（11）轴颈动配合，且活塞内腔半径等于中心圆柱半径同曲柄半径之和，缸腔半径等于活塞半径同曲柄半径之和，这样，活塞（5）在摆转过程中，其外圆表面和内腔表面分别同缸腔表面和中心圆柱表面始终保持相切，并在活塞（5）同气缸体（1）、活塞（5）同中心圆柱（2）之间分别形成容积在不断变化的外气室（12）和内气室（13）。为了改善相切线上的密封状态，曲柄轴（11）同主轴（27）可设计成弹性联接，曲柄轴（11）能在置于曲柄（10）内的弹簧（14）作用下沿曲柄（10）作径向位移，或者在液压机构的作用下沿曲柄（10）作径向位移，这样，活塞（5）同气缸体（1）及中心圆柱（2）之间既可保持紧密的接触，又不致因活塞付的磨损而使相切线上的密封状态破坏。外气室（12）和内气室（13）分别设有同进气系统和排气系统（或排气系统和进气系统）相通的通道，外气室（12）既可作空气压缩室，也可作燃烧膨胀室，其通道（15或16）均设在气缸体（1）的周边上，内气室（13）不论作燃烧膨胀室或空气压缩室，其通道（17或18）均设在气缸体（1）的端面上，且通道（15或16、17或18）的开启和关闭受摆转的活塞（5）控制。外气室（12）和内气室（13）通过涡流燃烧室（19）沟通，涡流燃烧室（19）设在厚隔板（3）内，其进口设有单向阀（20），同作为空气压缩室的内气室（13）或外气室（12）相通，其出口设有定时启闭阀（21），同作为燃烧膨胀室的外气室（12）或内气室（13）相通;定时启闭阀（21）的启闭受主轴凸轮机构控制，该机构由主轴凸轮（24）和挺杆（28）构成，为了使涡流燃烧室（19）中未充分燃烧的混合气在进入燃烧膨胀室后能得到充分燃烧，定时启闭阀（21）可设计成还具有副进气口（22）和副进气通道（23）的三通启闭阀，当涡流燃烧室的出口关闭时，副进气口（22）和副进气通道（23）连通，新鲜空气经副进气口（22）和副进气通道（23）进入燃烧膨胀室，当涡流燃烧室的出口开启时，副进气口（22）和副进气通道（23）隔断，从而使混合气不致从副进气口（22）外泄，并全部进入燃烧膨胀室。此外，各构件之间存在相对运动的部位均应考虑密封，并在主轴（27）的输出端设置飞轮（25）。这种活塞式内燃机的供油系统可通过进气系统向空气压缩室输入新鲜空气和燃油的混合气（汽油机的传统方式），也可在涡流燃烧室（19）的进口处设喷油孔（26），利用空气压缩室向涡流燃烧室（19）供气时的高速气流将从喷油孔（26）喷出的燃油直接带入涡流燃烧室（19）。对于柴油机，喷油嘴则安装在涡流燃烧室（19）内。

为了加深对本发明内容的理解，有必要叙述一下这种活塞式内燃机的工作过程。下面参照图9，以内气室作空气压缩室的汽油内燃机为例。

1.进气过程。曲柄轴（11）从315°位置开始绕主轴（27）旋转360°，内气室（13）完成一次进气过程。

2.压缩过程。曲柄轴（11）在315°位置时，单向阀（20）在涡流燃烧室（19）燃烧膨胀的混合气压力作用下处于关闭状态，摆转的活塞（5）开始对上一进气过程吸入内气室（13）的新鲜空气实施压缩，当曲柄轴（11）绕主轴（27）旋转至90°位置时，外气室（12）开始排气，涡流燃烧室（19）内的压力骤降，单向阀（20）即在内气室（13）压缩空气的作用下开启，稍后，定时启闭阀（21）使涡流燃烧室（19）的出口关闭，副进气口（22）则同副进气通道（23）相通，并开始向外气室（12）输入新鲜空气，与此同时，供油系 统开始工作，从喷油孔（26）喷出的汽油被空气压缩室向涡流燃烧室（19）流动的高速气流带入涡流燃烧室（19），并迅速混合雾化成可燃混合气。压缩过程进行至点火系统开始工作，混合气燃烧，单向阍（20）关闭时停止。

3.燃烧膨胀过程。混合气的燃烧首先在密闭的涡流燃烧室（19）内进行，定时启闭阀（21）使涡流燃烧室出口开启，副进气口（22）关闭后，涡流燃烧室（19）内的燃气进入外气室（12）继续充分燃烧膨胀，并推动活塞（5）摆转，又通过曲柄（10）使主轴（27）旋转，此时飞轮（24）则积蓄能量，燃烧膨胀过程进行至曲柄轴（11）旋转至90°位置，排气行程开始时停止。

4.排气过程。曲柄轴（11）从90°位置开始绕主轴（27）旋转360°，外气室（12）完成一次排气过程。

综上所述，本发明具有如下特点：

1.这种活塞式内燃机无连杆、曲柄轴直接同活塞铰接，主轴又安装在中心圆柱内，受力状况较简单，轴径设计比往复式内燃机可小得多，因此，整机结构紧凑，各种指标，如比功率、比体积、比重量均优于往复式内燃机。此外，这种活塞式内燃机的不平衡，主要是由于活塞的摆转引起的，性质较单纯，通过曲轴配重和飞轮配重即可达到旋转平衡，这样，内燃机转速就能够大幅度地提高，从而提高输出功率。

2.这种活塞式内燃机活塞和气缸体缸腔的型面均为圆柱形，加工制造比较方便;活塞摆转时，活塞同中心圆柱及缸腔壁的接触运动是滚动和滑动的结合，且滚动比例大于滑动，因此，摩擦阻力较小，摩擦损失也少，活塞的润滑问题比较容易解决;此外，活塞同中心圆柱及气缸壁是两个直径接近的圆弧面之间的接触，可以避免如三角活塞式内燃机的活塞付那样的严重磨损问题。

3.这种活塞式内燃机不需要进、排气门，因此，无气门机构，这样，既简化了结构，又无气门噪音，并降低了进、排气阻力;由于进气过程贯穿每一循环的始终、空气吸入量和吸气时间均大大优于公知的活塞式内燃机，使燃油的燃烧更加充分，既提高了经济性，又降低了排污量;由于排气过程也贯穿每一循环的始终，使得废气能排净，排气噪音也降低。

4.这种活塞式内燃机有两个独立的气室，当空气压缩室向燃烧室供气时，可利用其高速气流实现直接喷油和加强燃料的雾化程度，提高燃烧效率。

Claims (5)

1、一种活塞式内燃机，其特征是：具有内腔(6)、加强壁(7)、裙部导口(8)和加强壁导口(9)的活塞(5)安装在设有中心圆柱(2)、厚隔板(3)和薄隔板(4)的汽缸体(1)内，形成内气室(13)和外气室(12)，裙部导口(8)同厚隔板(3)、加强壁导口(9)同薄隔板(4)动配合，使活塞(5)能沿厚隔板(3)和薄隔板(4)往复运动，活塞(5)中心孔同曲柄轴(11)的轴颈动配合，使活塞中心能绕安装在中心圆柱(2)内的主轴(27)旋转，活塞内腔半径等于中心圆柱半径同曲柄半径之和，汽缸体(1)的缸腔半径等于活塞半径同曲柄半径之和，置于厚隔板(3)内的燃烧室(19)沟通外气室(12)和内气室(13)，燃烧室(19)的进口设有单向阀(20)，燃烧室(19)的出口设有受主轴凸轮机构控制的定时启闭阀(21)，外气室(12)和内气室(13)分别设有同进气系统和排气系统(或排气系统和进气系统)相通的通道(15或16、17或18)，通道(15或16、17或18)的启闭受活塞(5)控制。

2、根据权利要求1所述的活塞式内燃机，其特征是：所述的定时启闭阀（21）具有副进气口（22）和副进气通道（23），成为定时启闭三通阀。

3、根据权利要求1或2所述的活塞式内燃机，其特征是：曲柄轴（11）能在置于曲柄（10）内的弹簧（14）的作用下沿曲柄（10）作径向位移。

4、根据权利要求1或2所述的活塞式内燃机，其特征是：在燃烧室（19）的进口处设有喷油孔（26）。

5、根据权利要求3所述的活塞式内燃机，其特征是：在燃烧室（19）的进口处设有喷油孔（26）。

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