CN102606301A

CN102606301A - 具有储能弹簧的往复活塞式内燃发动机

Info

Publication number: CN102606301A
Application number: CN2012101140359A
Authority: CN
Inventors: 李德杰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2012-07-25

Abstract

具有储能弹簧的往复活塞式内燃发动机，属于发动机制造和节能减排技术领域。采用双活塞结构，其中下活塞与连杆相连，上活塞和下活塞之间设置强力储能弹簧，下活塞只是在弹簧和连杆之间起稳定连接的功能。下活塞采用非密封结构，一则减轻重量，二是让润滑机油顺利通过下活塞对上活塞进行润滑和密封。本发明结构比普通往复活塞式内燃发动机结构略微复杂，可以应用已有的生产线和技术进行加工，无需增加设备，适合大规模生产。本发明适合包括汽油机、柴油机在内的各类往复活塞式内燃发动机。由于效率大幅度提高，对于汽车工业的发展和节能减排将起到巨大的作用。

Description

具有储能弹簧的往复活塞式内燃发动机

技术领域

具有储能弹簧的往复活塞式内燃发动机，属于发动机制造和节能减排技术领域。

背景技术

汽车整车运行效率低于10%，发动机效率低于20%，属于高耗能、低效率的典型装置。提高发动机效率是汽车厂家极力追求的目标，虽然有多种措施可以采取，但真正的成效并不大，难有突破性进展。

发动机效率低的原因是多方面的，包括：

1. 普通往复活塞式内燃机中，由于运动方式的限制，燃烧产生的能量大部分不能作为动力输出，而是变成缸体热量散发掉。当汽缸压缩到最小，点燃后产生的膨胀力最大，而此时活塞的运动速度却为零；而当连杆与曲轴半径方向垂直时，活塞运动速度最大，而此时燃烧产生的膨胀力只剩下最大时的几分之一，而且转速越低此刻的膨胀力越小。机械能不能正常输出，导致汽缸腔内气体降温不是膨胀做功引起的，而是炽热气体与缸壁交换热量引起的，效率超低也就是很自然了。上述原因导致的内燃机效率低下，而且当转速低于大约3000转/分时，转速越低，效率越低。除了高速公路上行驶外，一般道路上行驶，发动机的转速都低于该值，特别是在城市道路上，效率不及经济速度时的70%。

2. 排气时汽缸中存在死空间，导致废气重复利用，汽缸中氧气量比自然大气中少约10%，不但降低了内燃机功率，而且也降低了燃烧效率。

3.高速行驶时摩擦力大增导致效率降低，包括两方面的原因。一方面原因是，当转速过高时，燃料燃烧不充分就被排掉了，导致效率下降，尾气污染加大。如果汽缸能迅速膨胀，高转速下燃烧不充分的问题可以得到一定程度的缓解。另一方面的原因或许更主要，即高转速下摩擦力加大。曲轴和连杆之间，连杆和活塞之间的加速度力与转速的平方成正比，当转速达到6000转/分，该加速度力可达几万牛顿，即使只有1%左右的摩擦系数，摩擦导致的效率降低也可达到30%以上，当转速为3000转/分，该项摩擦力增加的影响就比较小了，但也高达15%。减小连杆和活塞的重量，可以按比例减小加速度力，但可能导致机械强度不够。

上述三个因素中，第一个是最主要的，提高的潜力也是最大的。

曲轴连杆传动的往复活塞式内燃发动机推动了汽车工业的成长，经过百多年的发展，技术水平的继续提高已经变得非常困难。提高润滑效果，增大工作面积等手段虽然有一定的效果，但实质性改变却很有限。要想大幅度提高汽车内燃机的效率，唯一的方法是改变工作模式。数十年来，多种技术方案被提出和研究开发，包括各类旋转型发动机，但性能都没有超过传统的往复活塞式结构。

重点针对第一个因素，三个因素一并解决，提高发动机整体效率，是本发明的主要目的。

发明内容

具有储能弹簧的往复活塞式内燃发动机，采用往复运动活塞式结构。本发明的技术特征在于，采用双活塞结构，其中下活塞11与连杆12相连，上活塞13和下活塞12之间设置强力储能弹簧13，下活塞只是在弹簧和连杆之间起稳定连接的功能。下活塞采用非密封结构，一则减轻重量，二是让润滑机油顺利通过下活塞对上活塞进行润滑和密封。

弹簧的长度和弹力设置使得下活塞到达上止点时，弹簧处于自然不受力状态，上活塞刚好到达汽缸端盖，或者当上活塞到达汽缸端盖时，弹簧上还有一定的压应力。

采用本发明后，排气冲程完成后的汽缸死空间问题得到彻底解决，发动机的功率和效率都得到一定程度的提高。

所述发动机的排气和吸气冲程与普通的往复式活塞内燃发动机的两个冲程没本质差别。在压缩冲程中，曲轴连杆带动下活塞向上运动，通过弹簧和上活塞对汽缸进行压缩，压缩比取决与弹簧的原始长度和弹性常数。弹簧的原始长度10厘米，弹性弹性常数600000牛顿/米，压缩0.8厘米就可以产生约5000牛顿的压缩力，对面积50平方厘米的活塞产生10：1的压缩比。

与普通往复式活塞内燃发动机最大的差别在于燃烧冲程。普通往复活塞式发动机中，每个燃烧冲程起始阶段膨胀很慢，导致燃烧产生的能量不能正常输出转化为机械能，而是绝大部分转化为缸体上的热量散发掉。本发明中，燃烧开始时，上下活塞之间有大约5厘米的空间。燃烧产生的巨大膨胀力，使得上活塞迅速运动，其速度可在瞬间达到匀速运动的下活塞的数倍，并且压缩弹簧储存弹性势能。换句话说，燃烧产生的能量，迅速转化为上活塞的动能和弹簧的势能，而不是转化成缸体上的热。迅速转化成机械能导致气缸内炽热的气体迅速降温，只有少量能量传给缸体消耗掉。在燃烧冲程的后半段，汽缸内的压力迅速降低，下活塞减速运动，此时已经储存在上活塞和弹簧上的机械能又开始传递给下活塞，并经过连杆和曲轴输出。

详细的分析表明，合理设计上下活塞间距、弹簧的各个参数和上活塞质量，所述的发动机比已有的往复式活塞发动机效率至少提高一倍。

需要说明的是，为了达到最高效率，汽缸的压缩比应适当降低，一般情况下应降低到5：1以下，这样弹簧的弹性常数也相应降低，使得机械能更容易输出。

缸体、端盖、火花塞、进排气口、正时齿轮、凸轮、润滑系统等都属于传统技术，由于不属于本发明保护范围，所以在权利要求和说明书中不详细说明，也没有在附图中专门标注。

本发明结构比普通往复活塞式内燃发动机结构略微复杂，可以应用已有的生产线和技术进行加工，无需增加设备，适合大规模生产。本发明适合包括汽油机、柴油机在内的各类往复活塞式内燃发动机。由于效率大幅度提高，对于汽车工业的发展和节能减排将起到巨大的作用。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

其中10为缸体，11为下活塞，12为连杆，13为上活塞，14为储能弹簧，15为活塞环，16为曲轴。

图2为四冲程过程示意图。

其中（a）为吸气冲程的起始状态，（b）为压缩冲程的起始状态，（c）为燃烧冲程的起始状态，（d）为吸气冲程的起始状态。

具体实施方式

排气量0.4升，汽缸长度为20厘米，截面积50平方厘米，储能弹簧原始长度10厘米，压缩到5厘米时，弹力为30000牛顿，弹性常数为600000牛顿/米。上活塞质量为0.5千克，当压缩比为10：1，在燃烧冲程开始时，施加在上活塞上的气体膨胀力大约为5000牛顿，弹簧被压缩了0.83厘米，因此在排气冲程完成时，上活塞位于汽缸顶部，基本处于自由状态。假定燃烧产生的膨胀力为30000牛顿，产生的瞬时加速度为50000米/秒平方。上活塞最大储存动能可达到200焦耳以上，储能弹簧最大储能达到750焦耳，两者之和远大于一个燃烧冲程中燃料燃烧释放的能量，为实现高效工作提供了前提条件。

Claims

1.具有储能弹簧的往复活塞式内燃发动机，采用往复运动活塞式结构，其特征在于，采用双活塞结构，其中下活塞（11）与连杆（12）相连，上活塞（13）和下活塞之间设置强力储能弹簧（14），下活塞只是在弹簧和连杆之间起稳定连接的功能；下活塞采用非密封结构，一则减轻重量，二是让润滑机油顺利通过下活塞对上活塞进行润滑和密封。

2.根据权利要求1所述的具有储能弹簧的往复活塞式内燃发动机，其特征在于，弹簧的长度和弹力设置使得下活塞到达上止点时，弹簧处于自然不受力状态，上活塞刚好到达汽缸端盖，或者当上活塞到达汽缸端盖时，弹簧上还有一定的压应力。

3.根据权利要求1所述的具有储能弹簧的往复活塞式内燃发动机，其特征在于，所述的内燃发动机可以组合成多缸结构。