CN102425496B - 活塞式四冲程换缸配气发动机 - Google Patents

Abstract

一种活塞式四冲程换缸配气发动机，主要由曲轴、双活塞双杆连杆、带有转轴的双气缸体以及气缸盖装配组成。转轴位于双气缸体中左、右气缸体中部，双气缸体顶部为半圆形或半球形，双气缸体顶部与气缸盖形成滑动配合。双活塞双杆连杆在双气缸中移动，使双气缸体绕气缸转轴发生来回偏转，与气缸盖的进、排气道口和中间的公共气囊室气口之间以扫过方式自然形成扫气阀，并以换缸方式完成活塞式发动机的配气。与现有技术相比，本发明的优势是：大幅提高发动机实际输出功率，大幅降低发动机制造成本，并降低发动机重心，达到增效节能减排的效果。

Description

活塞式四冲程换缸配气发动机

技术领域

本发明属于内燃活塞式发动机，特别是可转动气缸与连杆同步运动自然形成换缸配气方式的内燃活塞式发动机。

背景技术

现有活塞式四冲程发动机都必须具有如凸轮轴、气门（凡尔）、气门弹簧、摇臂、挺杆、正时链轮和链条或正时皮带轮和皮带，等等精密配合的凸轮式配气系统，在发动机制造成本中占很大比重；这种配气系统会消耗大量有用功来维持发动机的再运转；主要表现在：当做功行程将结束、排气将开始时，气缸内气体膨胀到最大，气缸内压强达到最大，气缸内各方向单位面积压强相等，此时凸轮将气门从气缸外向气缸内以克服缸内压力强行推开排气门，消耗的能量；排气门在气缸内的单位面积越大，所消耗功率越大；但为了更充分呼吸，往往将气门做得更大，可想而知，为了维持发动机的再运转，大量消耗有用功来推动整个配气机构工作，完成配气过程，这是所有凸轮式配气四冲程发动机都具有的、不可克服的缺点。

另外，现有活塞式发动机的专门配气系统在制造成本和评判发动机的先进性方面占有很大比重，实际上说某发动机的先进性就是指该配气系统的先进性，优秀的配气才能有在卓越的性能，但是，这种卓越的性能必定是更高昂的成本和功率消耗的沉重包袱。一句话：现有活塞式发动机具有较高制造成本和较高功耗，以及较高重心与较大体积的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种活塞式四冲程换缸配气发动机，用带有转轴的双气缸体，配合带有滑道的双活塞双杆连杆，双活塞双杆连杆在双气缸中滑动，以使双气缸体绕气缸转轴来回偏转，与气缸盖上的进、排气道口以及公共气囊室气口之间以扫过方式形成扫气阀，从而以换缸方式完成发动机的配气。

本发明的目的是这样实现的：一种活塞式四冲程换缸配气发动机，包括气缸体，设置在气缸体内的活塞连杆，与连杆联接的曲轴，所述气缸体为带有转轴的双气缸体：左、右气缸竖直并列设置，转轴一体化设置在左、右气缸中部位置，转轴可转动地安装在机（壳）架上；双气缸体顶部为半圆面或半球面，且该半圆的圆心或该半球的球心位于转轴的轴线上，双气缸体顶部有进气缸口和排气缸口；固定在机架上的气缸盖与双气缸体顶部滑动配合，气缸盖上有进气道口和排气道口以及公共气囊室气口，气缸盖顶部的公共气囊室上设置有从外向内伸入的火花塞和用于缸内直喷燃油的电控喷嘴；

所述活塞连杆为双活塞双杆连杆：由两个活塞、双杆连杆杆身以及连杆盖顺次连接组成，且连杆盖与双杆连杆杆身之间形成曲轴安装孔；当活塞位于上止点或下止点时，双气缸体顶部的排气缸口位于气缸盖上的排气道口与公共气囊室气口之间，双气缸体顶部的进气缸口位于气缸盖上的进气道口与公共气囊室气口之间。

上述双活塞双杆连杆结构为：每个活塞两侧具有伸长的滑道、两侧滑道的截面圆半径等于活塞半径，每个滑道内侧有凹槽，每个活塞上有活塞轴孔、每个连杆杆身两侧分别设有用作与活塞滑道的凹槽相配合的凸棱，每个连杆杆身上有连杆小头轴孔，双杆连杆杆身上的凸棱插入两个活塞上的对应凹槽内，两个活塞轴分别插入对应的活塞轴孔和连杆小头轴孔中形成固定连接，连杆盖经螺栓固定在双杆连杆杆身上。

上述双活塞双杆连杆结构为：每个活塞上有双活塞轴孔，双杆连杆杆身中每个连杆杆身两侧固定设置有滑道，两侧滑道的截面圆半径等于活塞半径，双杆连杆杆身插入两个活塞内，活塞轴插入到对齐的双活塞轴孔和双杆连杆杆身的小头双轴孔形成固定连接，连杆盖经螺栓固定在双杆连杆杆身上。

上述气缸盖上的进气道口、排气道口以及公共气囊室气口均为鼠笼式开口。

上述气缸盖与双气缸体之间衬有半瓦，所述双杆连杆杆身的曲轴安装孔内设置有轴半瓦；所述双气缸体的缸体内均衬有气缸套。

上述双活塞双杆连杆内设置有导油槽；所述双气缸体内设置有绕过左、右气缸的冷却腔，且冷却腔的进口和出口分别设置在转轴的两端上。

还具有外缸盖，外缸盖套合安装在气缸盖上；还具有气缸间隙液压补偿机构：油泵出口顺次连接单向阀和液压缸，油泵出口同时连接溢油阀进口，溢油阀出口与油箱连接，且溢油阀的阀芯弹簧力大于单向阀的阀芯弹簧力；上述液压缸设置在外缸盖上，液压缸的柱塞式液压活塞抵靠在气缸盖上。

还具有双气缸体软管冷却装置：转轴两端上均固定有螺旋线型的导轮，双气缸体的冷却腔的进口和出口上分别固定有一根导管，空心软管一端经卡簧固定在导管上，另一端绕过转轴上的导轮固定在双气缸体上，且另一端上有用作连接水箱的接头。

还具有双气缸体硬管冷却装置：双气缸体的冷却腔的进口和出口分别焊接有一根空心硬管，空心硬管呈螺旋状盘绕在转轴上，空心硬管内端经固定岛固定在转轴上，空心硬管外端有用作连接水箱的固定盘，固定盘经螺栓固定在双气缸体上。

所述的活塞式四冲程换缸配气发动机在直列四缸活塞式四冲程换拉缸配气发动机以及V型八缸活塞式四冲程换拉缸配气发动机中的应用。

本发明气缸偏转换缸方式配气的活塞式发动机主要由曲轴、双活塞双杆连杆、可转动的双气缸体、气缸盖等主要装配体组成。其中，双活塞双杆连杆：在双活塞双杆连杆的杆身两侧分另设有滑道，双活塞与连杆两侧的滑道是用来套合在可转动的双气缸中，其中，连杆两侧滑道截面圆弧线与气缸套内径相等；曲轴带动连杆时，连杆两侧的滑道在气缸中滑动，使连杆与气缸套始终保持平行，连杆随曲轴偏转，由双活塞双杆连杆驱动整个双气缸体沿气缸转轴发生来回偏转，从而使偏转的双气缸体与气缸盖上的气道口和公共气囊室之间形成扫气阀的作用。

可转动的双气缸体：在一个气缸体上设置有并列的双气缸，气缸内装有气缸套，并在气缸体上设置有气缸转轴，所述并列的双气缸的排列方向与曲轴垂直，气缸转轴与曲轴平行；气缸转轴使双气缸体沿转轴可以偏转；带有转轴的双气缸体顶部为半圆形的，该半圆是气缸转轴的同心圆；在双缸体顶部半圆上装有耐磨半瓦；（上述所说“半圆”不一定是绝对半圆，其圆弧长度可以大于或小于半圆弧长）。

气缸盖：气缸盖是与可转动的双气缸体相配合的，气缸盖与双气缸体的配合面也是圆弧形的；气缸盖的两侧分别设有进气道和排气道，在两侧气道的中间设有公共气囊室。

气缸盖与可转动的双气缸体之间的密封，有两种方法：

第一种方法：固定气缸盖形式，即在制造时设定为临界间隙，在使用中定期调整或更换的方式。(临界间隙是指气缸盖与双气缸体之间可转动的最小间隙)。

第二种方法：气缸间隙液压补偿方式，在本文中只叙述此方式，因为去掉液压方式即为固定方式。气缸间隙液压补偿方式在后文详述。

偏转摆动中的双气缸体的水冷方式，有两种方法：

第一种方法：用软质材料的空心软管，例如带有筋丝的橡胶管或带螺旋弹簧钢丝的塑料空心软管等等，将空心软管的一端连接在固定点上，另一端连接到有一定摆动弧度的双气缸体上，利用软管的柔韧性和耐柔性，并取足够长度的软管，选用适当形状的软管和适当的连接方法（后文详述），由软管将冷却液从摆动中的双气缸体中导入和导出，达到对动态缸体冷却的目的。

第二种方法：相对的硬质材料的空心管，例如塑料中可塑性较大的PPR材料管，或具有极大弹性模量的金属材料管等；在材料弹性范围内，由于管状材料在长度方向上的弹性变形与该材料的长度成正比；利用此性质，将硬质材料的空心管截面做成扁形或扁圆形的，便于弯曲，并将硬管制作成螺旋线形状，用足够长度硬管盘成数圈后，将圈外一端连接到固定点上，将圈内一端连接到气缸转轴上，当气缸转轴来回偏转时，将硬管的变形应力分散到各圈的扩张和收缩变形中，由硬管将冷却液从摆动中的双气缸体中导入和导出，达到对动态缸体冷却的目的。

活塞式换缸配气发动机的基本工作过程：带有滑道的双活塞双杆连杆，与带有转轴的双气缸体配合，曲轴带动双活塞双杆连杆运动，连杆上的滑道在气缸中滑动，由双活塞双杆连杆驱动整个双气缸体沿气缸转轴发生来回偏转，从而使偏转的双气缸体与气缸盖上的进、出气道口和公共气囊室口之间形成扫气阀的作用；由于气缸转轴是设在两个竖直气缸的中间位置，即每个气缸相对气缸转轴是旁置的，并且，根据曲轴大小设定的气缸偏转孤度有限，所以，气缸偏转时，一只气缸口始终只能扫过排气道口和公共气囊室口；另一只气缸口始终只能扫过公共气囊室口和进气道口；因此，一只气缸只起燃爆和排气的功能，另一只气缸只起进气和压缩的功能；其中，在两缸之间, 从压缩到燃爆之间的过程，是一个缸将吸进来的空气，压缩至公共气囊室内，通过气缸偏转换缸至另一气缸，此时，在公共气囊室内进行喷油（缸内直喷）完成燃油与气体的混合并火花塞点火，在该缸内完成燃爆做功。

由于双活塞双杆连杆是一整体在双气缸中上下运动，所以双活塞上下工作是同步的，因此，整个工作过程可以简单概述为：

双活塞同步下行时，一个气缸燃爆，一个气缸进气；活塞越过下点时，由于气缸偏转，燃爆气缸离开公共气囊室，进气气缸迅速换缸导通公共气囊室；

双活塞同步上行时，一个缸排气，一个缸压缩；活塞越过上止点时，由于气缸偏转，公共气囊室相对气缸迅速换缸；即：进、压、爆、排四行程，由双活塞双杆连杆驱动双气缸偏转在上下两个行程中完成，因此，它仍然是四冲程发动机。

本发明改变现有活塞式发动机靠凸轮推动（凡尔）气门配气方式；运用带有转轴的双气缸体，配合带有滑道的双活塞双杆连杆，双活塞双杆连杆在双气缸体中滑动，使双气缸体绕气缸轴发生来回偏转，与气缸盖上的进、排气道口和中间公共气囊室气口之间以扫过方式自然形成扫气阀，并以换缸方式完成活塞式发动机的配气。

与现有技术相比，本发明的优势是，可以大幅提高发动机实际输出功率；大幅降低发动机制造成本；并降低发动机重心，达到增效节能减排的效果。

附图说明

图1是活塞式四冲程换缸配气发动机的正面组成图。

图2是双活塞双杆连杆第一种类型的分体组成立体图。

图3是双活塞双杆连杆第一种类型的整体立体图。

图4是双活塞双杆连杆第一种类型的正视图。

图5是双活塞双杆连杆第一种类型的侧视图。

图6是双活塞双杆连杆第一种类型的剖视图（从中线剖面）。

图7是双活塞双杆连杆第二种类型的分体组成立体图。

图8是双活塞双杆连杆第二种类型的整体立体图。

图9是双气缸体的正视图。

图10是图9双气缸体的侧视图。

图11是图10沿A-A线的剖视图。

图12是图10沿B-B线的剖视图。

图13是图9所示双气缸体的立体图。

图14是换缸配气发动机及气缸盖上的液压活塞立体图。

图15是图14所示气缸盖的气道口和气囊室形状轮廓的等效立体图。

图16是图14所示气缸盖的立体图。

图17是图16所示气缸盖上气道和气囊室的形状轮廓的等效立体图。

图18是实际应用中能减少磨损的，鼠笼式结构的进、排气道口（左、右各1个）和公共气囊室气口（中间1个）的形状立体图。

图19是当活塞在下止点时，双气缸口介于气缸盖上进、排气道口和公共气囊室气口之间关闭时的位置正仰视立体图。

图20是安装有圆弧面双气缸体与圆弧面气缸盖相配合整体示意立体图。

图21是图20所示双气缸体与气缸盖相配合的形状轮廓的等效图。

图22是另一种形状的圆弧面气缸盖的立体图。

图23是用于与图24所示圆弧面双气缸体顶面相配合的圆弧面的气缸耐磨半瓦的立体图。

图24是另一种形状的可转动的圆弧面双气缸体（带有轴）的立体图。

图25、图26、图27、图28分别是发动机曲轴沿反时针方向转动一个周期时，双气缸开闭及换缸完成进、压、爆、排四行程状态过程周期图。

图29是双气缸体与气缸盖之间间隙液压补偿方法的液压控制回路图。

图30是图29的实例图。

图31是用空心软管连接动态偏转气缸体的水冷工作方法的示意图。

图32、图33、图34、图35分别是双气缸体偏转一个周期过程，空心软管绕在螺旋线型的导轮上工作时，空心软管的卷曲松弛变化情况的连续视图。

图36是动态偏转气缸体用螺旋线形状空心硬质材料管连接的水冷工作方法的示意图。

图37是图36放大的细部立体图。

图38是图37的侧剖视立体图。

图39、图40、图41、图42分别是螺旋线空心硬质材料管随气缸偏转摆动一个周期工作示意图。

图43是直列四缸活塞式四冲程换缸配气发动机立体图。

图44是V型八缸活塞式四冲程换缸配气发动机立体图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明：

1、活塞式四冲程换缸配气发动机主要工作部件的形状、作用和整体的构成：

图1示出，由双活塞双杆连杆驱动的气缸偏转换缸方式配气的活塞式发动机，主要包括：曲轴1、带有滑道的双活塞双杆连杆2、可转动的双气缸体3、气缸盖4、外缸盖5等主要装配体组成；辅助装置有：液压间隙补偿装置、气缸水冷装置。

其中：

（1）曲轴为普通曲轴。

（2）带有滑道的双活塞双杆连杆的组成（“带有滑道的双活塞双杆连杆”下简称：双活塞双杆连杆），带有滑道的双活塞双杆连杆的作用是：活塞与滑道在气缸中滑动，活塞做功的同时控制气缸偏转。

双活塞双杆连杆（由两个活塞、双杆连杆杆身和连杆盖顺次连接组成，且连杆盖与双杆连杆杆身之间形成曲轴安装孔）有两种类型：第一种见图2、图3；第二种见图7、图8。

先介绍第一种：

①第一种双活塞双杆连杆21的形状结构：活塞210形状如图2、图3，参见图4、图5其主要特征是与普通活塞相比，每个活塞两侧具有伸长的滑道210a（也可称为裙边）；（两侧滑道的截面圆半径等于活塞半径）每个滑道内侧设有凹槽210b，凹槽用于与双杆连杆杆身的凸棱211a 套合；（注：活塞凹槽与双杆连杆杆身的凸棱是相对的，也可设计为活塞凸棱，双杆连杆杆身为凹槽）；活塞210上设有活塞轴孔210c；

见图2中，双杆连杆杆身211，在连杆的双杆两侧各自设有凸棱211a，用于与活塞的凹槽210b配合；双杆连杆杆身211的小头上设有连杆小头轴孔211b；在双杆连杆的内部剖面处，见图6，设有用于润滑活塞两侧滑道的导油槽(孔)，导油槽有两段，一段是在双杆连杆杆身211上形成的导油槽211c，一段是在活塞210上形成的导油槽210d，所以连杆的整个导油槽是这两段的组合导油槽；

图2中连杆盖212（经螺栓固定在双杆连杆杆身上），（连杆）螺栓213，轴半瓦214（设置在双杆连杆杆身上的曲轴安装孔内），活塞轴215；活塞轴卡簧（略去）。

活塞210上的凹槽210b套入到双杆连杆杆身上的凸棱211a中，进行组合，并将活塞轴215插入到对齐的活塞轴孔210c和连杆小头轴孔211b中连接将其锁住；请见双杆连杆组合后的立体图3。

②双活塞双杆连杆的第二种类型的形状结构：

如图7和图8：第二种双活塞双杆连杆22与第一种双活塞双杆连杆21的区别就在于，第二种双活塞双杆连杆22的滑道221a是固定设置在其双杆连杆杆身221上的（每个连杆的两侧滑道221a的截面圆半径等于活塞半径）；双活塞双杆连杆的活塞220是独立设置的；活塞220上设有双活塞轴孔220a（也可设计为单轴孔的）；对应的连杆杆身的小头上也设有小头双轴孔221b。

活塞220与连杆杆身221的装配，是通过活塞轴222插入到对齐的双活塞轴孔220a和连杆杆身的小头双轴孔221b中连接的；其它部分组合后如立体图8所示。

如图3、图8，第二种双活塞双杆连杆与第一种双活塞双杆连杆都是带有滑道的双活塞双杆连杆，除上述差别外，两者优劣差别是：第一种双活塞双杆连杆21的滑道是在活塞上，而第二种双活塞双杆连杆22的滑道是在连杆杆身上（每个连杆杆身两侧均有滑道，两侧滑道的截面圆半径等于活塞半径），在强度足够时，为了使双杆连杆更轻，活塞通常使用轻质铝合金材料等，连杆杆身则用铸造合金钢材料等，因此，双活塞双杆连杆21更轻便，能产生更小震动，更优于双活塞双杆连杆22。

但不论有何差异，双活塞双杆连杆有一共同持征，就是连杆杆身上都带有能驱动气缸转动的滑道。

（3）可转动的双气缸体3的组成：见图9至图13，在双气缸体3（左、右气缸竖直并列设置）上设有双气缸孔，在双气缸体外两侧一体化设有气缸转轴33；双气缸体顶部为圆形半圆面（或称弧形面，即图9中横向剖切均为弧形，竖向剖切均为直线），该半圆形是气缸转轴（位于左、右气缸中部）的同心圆；双气缸体的双气缸孔内，分别各自装有（衬有）气缸套34；气缸体顶部有进气缸口32和排气缸口31(为了便于叙述与区别，我们称双气缸孔顶部的双气缸口分别称为进气缸口32和排气缸口31)。 双气缸体顶部半圆上与气缸盖之间装有耐磨材料的半瓦35；半瓦35上还设有导油槽36；图11、图12为双气缸体两个方向的剖视图，图中示出了从缸体内部，绕过缸体（绕过左、右气缸）两侧贯穿双气缸体的，用于冷却液流动的水冷腔37，以及水冷腔的进口和出口位置（参见图12和图26）；水冷腔的进口和出口位置（在图12中气缸转轴的两端上）并不限定，需根据具体水冷方法确定（具体水冷方法后文详述）。

（4）气缸盖4的组成：见图14、图15、图16、图17，为了一目了然，将气道和气囊室用形状轮廓的方式表述，所以图15是图14气缸盖4气道和气囊室的形状轮廓等效图，图17是图16形状轮廓的等效图。

图16中气缸盖4上设有气缸盖半圆面41，气缸盖半圆面是与图13中双气缸体顶部半圆面相滑动配合的，气缸盖半圆面也是气缸转轴的同心圆（气缸盖固定在机架上，是静止不动的）；图15和图17中，在气缸盖的两侧分别设有进气道42，排气道43（实际中左或右谁为进气道或排气道是根据曲轴转向确定的，图15中进气道、排气道是以曲轴反时针旋转确定的）；进气道42和排气道43延伸到气缸盖半圆面上形成进气道口42a和排气道口43a，形状如图16中所示；如图15、图16、图17所示，在进气道和排气道之间设有公共气囊室44，在公共气囊室上设有从外向内伸入的火花塞6和用于缸内直喷的电控喷嘴7；由公共气囊室内向外延伸到气缸盖半圆面上的公共气囊室气口44a的形状如图16中所示；为了减少气缸盖与双气缸体之间的磨损，进、排气道口42a、43a和公共气囊室气口44a，在实际使用中应设计为图18所示的，有一定厚度的，鼠笼式开口结构（或称间隔式开口，或称百叶窗式开口）的进、排气道口和公共气囊室气口的形状。

关于进、排气道口和公共气囊室气口这三者之间的距离设定，见图19，是当活塞在下（或上）止点时，排气道口43a和公共气囊室气口44a介于图中左侧气缸口（即排气缸口31）之间；公共气囊室气口44a和进气道口42a介于图中右侧气缸口（即进气缸口32）之间；（气缸口就指气缸的上口，见图11和图13中气缸口，准确的说不包含气缸套，参见图31）。

也就是排气道口43a和公共气囊室气口44a之间的间距大于等于左侧的一个气缸口（即排气缸口31）的距离；公共气囊室气口44a和进气道口42a之间的间距大于等于右侧的一个气缸口（即进气缸口32）的距离；（气缸口的距离不是气缸圆的直径，是指气缸口与气缸盖相接处圆弧面的曲线距离，即一个气缸口的曲线距离，见图19、图31）。

这样的距离可保证，当活塞在上（或下）止点时，两个气缸都处于关闭状态。

见图14和图1，气缸盖顶部设有用于补偿气缸盖与双气缸体之间间隙的柱塞式液压活塞101a；（气缸盖上设置液压活塞有多种形式，此柱塞式液压活塞只是为说明气缸间隙液压补偿方法的举例；本例举的是气缸间隙液压补偿方法为两个液压气缸，本方法同样适用在气缸盖上设置单个液压气缸或多个液压气缸情形，不是对此方法的限制）。

（5）外缸盖5的组成：如图1所示，外缸盖5是套合安装在气缸盖4上的，外缸盖上设有与气缸盖顶部柱塞式液压活塞101a相配合的液压气缸101；

（在实际中，也可以反过来，在气缸盖上设置液压气缸，在外缸盖上设置柱塞式液压活塞，这不是一定的）。

外缸盖上设有液压油道；液压单向阀；（液压油道和液压单向阀在图1中设置仅是为举例说明，实际位置可以任意设置）。

（6）可转动的双气缸体和气缸盖的另一种形状及组成：

与图13双气缸体（图11中，横向剖面为弧形面，纵向剖面为直线）相比较的，图24是另一种形状的可转动的双气缸体，其气缸顶面在纵向和横向剖面均为圆弧形的（或者是半球形或部分球形）；双气缸体的其他部位形状与图13中的基本相同；我们称图24中双气缸体为圆弧面双气缸体。 

与图18气缸盖相比较的，图22示出另一种形状的圆弧面气缸盖，其气缸盖用于与图24所示双气缸体相配合的接触面，在横向和纵向剖面均为圆弧形的；其他部位，如进、排气道和公共气囊室等与图18中所示气缸盖基本相同；

图23为用于与图24圆弧面双气缸体顶面相配合的圆弧面的气缸耐磨半瓦；

图20是安装圆弧面双气缸体（图24）与圆弧面气缸盖（图22）相配合整机示图，图21是图20关于双气缸体与气缸盖相配合的形状轮廓的等效图。

2、活塞式四冲程换缸配气发动机的工作过程：曲轴带动双活塞双杆连杆在带有转轴的双气缸中上下运动，双杆连杆上的滑道在气缸中滑动的同时，双杆连杆驱动整个双气缸体沿气缸转轴发生来回偏转，使偏转的双气缸体与气缸盖上的进、排气道口和公共气囊室口之间形成扫气阀的作用；由于气缸转轴是设在两个竖直气缸的中间位置，即每个气缸相对气缸转轴是旁置的，并且，曲轴大小限定了气缸偏转孤度，所以，气缸偏转时，一只气缸只能在排气道口和公共气囊室口之间偏转；另一只气缸只能在公共气囊室口和进气道口之间偏转；也就是，一只气缸口始终只能扫过排气道口和公共气囊室口；另一只气缸口始终只能扫过公共气囊室口和进气道口；因此，一只气缸只起燃爆和排气的功能，另一只气缸只起进气和压缩的功能；其中，压缩到燃爆之间的过程，是一个缸将吸进来的空气，压缩至公共气囊室内，通过气缸偏转换缸至另一气缸，此时，在公共气囊室内进行喷油（缸内直喷）并火花塞点火，由该缸来完成燃爆做功。

见图27，因此，我们把一只气缸称为：进气-压缩缸（右侧气缸）；另一气缸称为：燃爆-排气缸（左侧气缸）；见发动机转动一个周期图25、图26、图27、图28，设图中曲轴沿反时针方向转动，所以图中，左缸为燃爆-排气缸；右缸为进气-压缩缸。

图25，活塞在上止点时，燃爆-排气缸处于排气道和公共气囊室之间；该缸处于关闭状态；进气-压缩缸处于公共气囊室和排气道之间；该缸也处于关闭的状态。

图26，曲轴沿反时针，转到约90°时，双气缸上口同时偏向右边，燃爆-排气缸与公共气囊室导通，进行燃爆；进气-压缩缸与进气道导通，吸进空气。

图27，曲轴再沿反时针，转到约180°时，活塞在下止点时，燃爆-排气缸处于排气道和公共气囊室之间；该缸处于关闭状态；进气-压缩缸处于公共气囊室和排气道之间；该缸也处于关闭的状态。

图28，曲轴沿反时针，转到约270°时，双气缸上口同时偏向左边，燃爆-排气缸与排气道导通，进行排气；进气-压缩缸与公共气囊室导通导通，将吸进的空气压缩到公共气囊室内。

上述周期过程中，特别从图26和图28中可以看出，换缸配气过程就是：随着气缸的偏转，图26，（右侧）进气-压缩缸将吸进的空气压缩到公共气囊室内；也在此过程中，随着气缸的偏转，图26到图28，（左侧）燃爆-排气缸又与公共气囊室导通导通，并在公共气囊室内进行喷油（缸内直喷）并火花塞点火，由该缸来完成燃爆做功，随气缸偏转将废气排出。

3、气缸盖与双气缸体之间气缸间隙液压补偿机构：

见图14和图1，气缸盖顶部设有用于补偿气缸盖与双气缸体之间间隙的柱塞式液压活塞；见图1，外缸盖是套合安装在气缸盖上的，外缸盖上设有与柱塞式液压活塞相配合的液压气缸；外缸盖上设有液压油道；液压单向阀；

理想的气缸盖与双气缸体之间，在两者相对运动时，始终能保持紧密结合状态，并且，气缸盖又不能对双气缸体的结合面产生过大的主动压力，而产生偏转阻力和过度磨损，反过来，当气缸盖受到气缸燃爆时的强大反作用力时，气缸盖与双气缸体之间（不会分开）也能保持这种紧密结合状态；即便在被磨损后，也能保持这种紧密结合状态不变。

气缸间隙液压补偿方法能满足上述要求：

见图29、图30，气缸间隙液压补偿机构的液控回路即气缸间隙液压补偿机构（外缸盖5套合安装在气缸盖4上）：油泵104出口顺次连接单向阀102和液压缸101，油泵出口同时连接溢油阀103进口，溢油阀出口与油箱105连接，且溢油阀的阀芯弹簧力大于单向阀的阀芯弹簧力；上述液压缸101设置在外缸盖5上，液压缸101的柱塞式液压活塞101a抵靠在气缸盖4上。图30（溢流阀和单向阀设置在外缸盖内，经外缸盖内的液压油道连通）是图29的实例图，图中溢流阀103（在溢流阀结构内部的阀心弹簧，下称阀心弹簧），设定溢流阀103内阀心弹簧大于单向阀102内的阀心弹簧；当油泵104供油时，由于溢流阀103阀心弹簧大于单向阀102阀心弹簧，所以油路中，溢流阀处干关闭状态，液压油顶开单向阀内的阀心弹簧，正向导通，向气缸盖4上的液压缸101内供油，当液压缸101内注满液压油后，压力上升，单向阀关闭锁止，回路中液压油顶开溢流阀内置阀心弹簧，使主阀心导通，此时，溢流阀导通，液压油流回油箱105；如果液压缸压力下降时，液控回路会自动重复上述过程，保持液压缸内压力不变；回路中溢流阀主要起限压作用，所以，气缸盖作用在双气缸体的压力就等于气缸盖下垂重量加上溢流阀弹簧设定的压力之和；又由于液压缸内的液压油不能被压缩，因此它能承受来自气缸燃爆时的强大反作用力；综上可以看出，气缸间隙液压补偿机构能够满足上述近似理想状态的要求，使气缸盖与双气缸体之间始终能保持紧密结合状态。气缸间隙液压补偿机构的液控回路中，也可以采用先导式溢流阀。直动式溢流阀或先导式溢流阀以及单向阀，都是现有技术在本专利中的应用。

4、动态偏转气缸体的水冷方式：

（1）动态偏转气缸体用空心软管连接的水冷工作方法：

例如用带有筋丝线为基材制作的橡胶或软塑料材质的，具有一定耐油耐温抗老化性质的空心软管等，其水冷工作方法的特征：是将空心软管的一端与水箱连接，另一端连接到有一定摆动弧度的双气缸体上，利用软管的柔韧性和赖柔性，并取足够长度的软管，选用适当形状的软管和适当的连接方法，由软管将冷确液，从摆动中的双气缸体中导入和导出，达到对动态缸体冷确的目的。实际上来回偏转的气缸体对空心软管来说，就是要求空心软管在固定震弧的条件下长期工作。

下面是以具体形状的空心软管和具体的连接方法，说明空心软管连接的水冷工作方法的举例：

见图12为双气缸体的剖视图，图中所示，气缸体内部用于冷确液流动的水冷腔，是绕过缸体两侧缸体贯穿的，水冷腔的进口和出口设置在气缸转轴上；

图31示出双气缸体软管冷却装置：转轴33两端上均固定有螺旋线型的导轮39，双气缸体3的冷却腔的进口和出口上分别固定有一根导管310，空心软管311一端经卡簧312固定在导管310上，另一端绕过转轴33上的导轮39固定在双气缸体上，且另一端上有用作连接水箱的接头38。

双气缸体的气缸转轴33上设有螺旋线型的导轮39（螺旋线型的导轮和圆型导轮均适用，只是前者更接近软管自然弯曲程度），如图所示，螺旋线型的导轮的起端处，安装有一个与气缸水冷腔出口（或进口）相连的导管310，空心软管311的一头接在导轮起端处的导管上，并用卡簧312将软管卡紧；空心软管如图31所示形状绕在螺旋线型的导轮39的凹槽上；空心软管的另一端上有接头38（接头固定在缸体上，以连接水箱）；在双气缸体上气缸转轴另一端，也依同样方法连接另一根软管。这样就形成了双气缸体的水冷进出回路。

图32、图33、图34、图35，是双气缸体偏转一个周期过程，空心软管绕在螺旋线型的导轮上工作时，空心软管的卷曲松弛变化情况的连续视图，其中：图32和图34时空心软管处于原始状态；图33气缸向一侧偏转时，软管为松弛状态；图35气缸向另一侧偏转时，软管为卷曲状态。随发动机持续转动，水冷软管就在持续松弛与卷曲之间的固定震弧下工作。图中可以看出，螺旋线型的导轮主要作用是，减缓空心软管在动态中卷曲松弛的弯曲度。

用空心软管连接动态偏转气缸体的水冷工作方法很多，只要软管长度足够长，选用适当材料、形状的软管和适当的连接方法，就能使软管在来回偏转中超长时间工作，达到对动态缸体冷确的目的。

（2）动态偏转气缸体用螺旋线形状空心硬管连接的水冷工作方法：

采用相对的硬质材料的空心管，例如塑料中可塑性较大的PPR材料管，或具有极大弹性模量的金属弹簧材料等等；我们知道，在材料弹性范围内，材料在长度方向上的弹性变形是与该材料的长度成正比，也就是同一材料，如果长度越长，其可变形的量也越大；利用此性质，将硬质材料的空心管截面做成扁或扁圆形的，便于弯曲，尽可能使材料内部各处应变力驱于一致，并将硬管在长度方向制作成螺旋线形状，用足够长度硬管盘成数圈后，将圈外一端连接到机体固定点上，将圈内一端连接到气缸转轴的冷却腔进口或出口上，当气缸转轴来回偏转时，将硬管的变形应力分散到各圈的扩张和收缩变形中，使螺旋线形状的硬管变形量保持在材料的弹性范围内，由硬管将冷确液，从摆动中的双气缸体中导入和导出，达到对动态缸体冷确的目的。

图36图37示出双气缸体硬管冷却装置：双气缸体3的冷却腔的进口和出口分别焊接有一根空心硬管313，空心硬管呈螺旋状盘绕在转轴33上，空心硬管内端经固定岛315固定在转轴上，空心硬管外端有用作连接水箱的固定盘316，固定盘经螺栓固定在双气缸体上。

图36是由硬质材料的螺旋线形状水冷管与气缸的配合，图37是图36的放大细部图，其中，螺旋线空心水冷管（即空心硬管313）的螺旋圈向外旋转的一端设置有螺旋管的固定盘316，用螺栓将螺旋管的固定盘固定在机体座314（即机架）上（也表示该处与水箱连接）；螺旋线空心水冷管的螺旋圈向内旋转的一端，被缠绕并焊接在气缸转轴33上与气缸上的水冷腔37导通，参见图38，两根螺旋线水冷管缠绕并焊接在气缸转轴上水冷腔的进口和出口上；在螺旋线空心水冷管的螺旋圈向内方向旋转的一端附近设有螺旋线固定岛315，固定岛锁住螺旋线空心水冷管的两侧并将其固定在转轴上，一侧可防止螺旋圈缠绕气缸转轴的焊接处被动力冲击，另一侧可使螺旋线空心管能自由的随气缸偏转产生松弛和张紧如同在盘形螺旋弹簧状中摆动，其松弛和张紧的摆动过程，见螺旋线空心硬质材料管随气缸偏转摆动一个周期工作示意图39、图40、图41、图42。

对动态偏转气缸体，用螺旋线形状空心硬管连接的水冷工作方法的可行性，是因为，偏转气缸的来回偏转角度是固定不变，也就是气缸转轴的偏转角度是不变的；圆周上同一转角所对应的弧长跟圆半径有关，也就是螺旋线固定岛越靠近轴心固定岛处的摆弧就越小；在图39和图41中，活塞分别处于上止点和下止点位置，螺旋线空心水冷管都处于材料无变形的自然原始状态，图40气缸向一侧最大偏转，图42气缸向另一侧最大偏转；（在本例中的曲轴与气缸之间的比例情况下，气缸向一侧的最大偏转角约15°，并且，固定岛距轴圆心较近）由此可见，固定岛夹持水冷管从中心位置向两侧偏转位移的摆弧很小，使硬质材料空心管的变形能够保在材料的弹性范围内，因此，对动态偏转气缸体，用螺旋线形状空心硬管连接的水冷工作方法是可行的。

5、活塞式四冲程换缸配气发动机的形式：

以上叙述的仅仅是活塞式四冲程换缸配气发动机，由两个气缸组成的基本工作单元，用换缸配气发动机的基本工作单元的不同组合，可以制造出，如图43直列四缸活塞式四冲程换缸配气发动机；如图44V型八缸活塞式四冲程换缸配气发动机等等。

Claims (10)

1.一种活塞式四冲程换缸配气发动机，包括：气缸体、设置在气缸体内的活塞连杆、与连杆联接的曲轴（1），其特征是，所述气缸体为带有转轴的双气缸体（3）：左、右气缸竖直并列设置，转轴（33）一体化设置在左、右气缸中部位置，转轴（33）可转动地安装在机架上；双气缸体顶部为半圆面或半球面，且该半圆面的圆心或该半球面的球心位于转轴（33）的轴线上，双气缸体顶部有进气缸口（32）和排气缸口（31）；固定在机架上的气缸盖（4）与双气缸体（3）顶部滑动配合，气缸盖（4）上有进气道口（42a）和排气道口（43a）以及公共气囊室气口（44a），气缸盖顶部的公共气囊室（44）上设置有从外向内伸入的火花塞（6）和用于缸内直喷燃油的电控喷嘴（7）；

所述活塞连杆为双活塞双杆连杆：由两个活塞、双杆连杆杆身（211）以及连杆盖（212）顺次连接组成，且连杆盖与双杆连杆杆身之间形成曲轴安装孔；当活塞位于上止点或下止点时，双气缸体（3）顶部的排气缸口（31）位于气缸盖（4）上的排气道口（43a）与公共气囊室气口（44a）之间，双气缸体顶部的进气缸口（32）位于气缸盖（4）上的进气道口（42a）与公共气囊室气口（44a）之间。

2.根据权利要求1所述的活塞式四冲程换缸配气发动机，其特征是，所述双活塞双杆连杆结构为：每个活塞（210）两侧具有伸长的滑道（210a），两侧滑道的截面圆半径等于活塞半径，每个滑道内侧有凹槽（210b），每个活塞上有活塞轴孔（210c），每个连杆杆身两侧分别设有用作与活塞滑道的凹槽（210b）相配合的凸棱（211a），每个连杆杆身上有连杆小头轴孔（211b），双杆连杆杆身上的凸棱插入两个活塞上的对应凹槽内，两个活塞轴（215）分别插入对应的活塞轴孔和连杆小头轴孔中形成固定连接，连杆盖（212）经螺栓（213）固定在双杆连杆杆身（211）上。

3.根据权利要求1所述的活塞式四冲程换缸配气发动机，其特征是，所述双活塞双杆连杆结构为：每个活塞上有双活塞轴孔（220a），双杆连杆杆身（221）中每个连杆杆身两侧固定设置有滑道，两侧滑道的截面圆半径等于活塞半径，双杆连杆杆身插入两个活塞内，活塞轴（222）插入到对齐的双活塞轴孔和双杆连杆杆身的小头双轴孔形成固定连接，连杆盖经螺栓固定在双杆连杆杆身上。

4.根据权利要求1或2或3所述的活塞式四冲程换缸配气发动机，其特征是，所述气缸盖（4）上的进气道口（42a）、排气道口（43a）以及公共气囊室气口（44a）均为鼠笼式开口。

5.根据权利要求1或2或3所述的活塞式四冲程换缸配气发动机，其特征是，所述气缸盖（4）与双气缸体（3）之间衬有半瓦（35），所述双杆连杆杆身的曲轴安装孔内设置有轴半瓦（214）；所述双气缸体（3）的缸体内均衬有气缸套（34）。

6.根据权利要求1或2或3所述的活塞式四冲程换缸配气发动机，其特征是，所述双活塞双杆连杆内设置有导油槽；所述双气缸体（3）内设置有绕过左、右气缸的冷却腔（37），且冷却腔的进口和出口分别设置在转轴（33）的两端上。

7.根据权利要求6所述的活塞式四冲程换缸配气发动机，其特征是，还具有外缸盖（5），外缸盖（5）套合安装在气缸盖（4）上；还具有气缸间隙液压补偿机构：油泵（104）出口顺次连接单向阀（102）和液压缸（101），油泵出口同时连接溢油阀（103）进口，溢油阀出口与油箱（105）连接，且溢油阀的阀芯弹簧力大于单向阀的阀芯弹簧力；上述液压缸（101）设置在外缸盖（5）上，液压缸（101）的柱塞式液压活塞（101a）抵靠在气缸盖（4）上。

8.根据权利要求6所述的活塞式四冲程换缸配气发动机，其特征是，还具有双气缸体软管冷却装置：转轴（33）两端上均固定有螺旋线型的导轮（39），双气缸体（3）的冷却腔的进口和出口上分别固定有一根导管（310），空心软管（311）一端经卡簧（312）固定在导管（310）上，另一端绕过转轴（33）上的导轮（39）固定在双气缸体上，且另一端上有用作连接水箱的接头（38）。

9.根据权利要求6所述的活塞式四冲程换缸配气发动机，其特征是，还具有双气缸体硬管冷却装置：双气缸体（3）的冷却腔的进口和出口分别焊接有一根空心硬管（313），空心硬管呈螺旋状盘绕在转轴（33）上，空心硬管内端经固定岛（315）固定在转轴上，空心硬管外端有用作连接水箱的固定盘（316），固定盘经螺栓固定在双气缸体上。

10.一种如权利要求1所述的活塞式四冲程换缸配气发动机在直列四缸活塞式四冲程换缸配气发动机以及V型八缸活塞式四冲程换缸配气发动机中的应用。

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