CN103016150A - 一种平衡式增程器发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平衡式增程器发动机，其包括气缸4，顶面相对镜像布置于所述气缸4内的进气活塞14和排气活塞5，布置于所述气缸4中间位置上侧的喷油器18，与所述喷油器18同一圆周上垂直于所述喷油器18所在半径方向水平对称布置的两个火花塞，以及发电机11，其中，所述进气活塞14和排气活塞5分别通过各自的传动装置与所述发电机11相连。采用本发明提供的平衡式增程器发动机，可以有效地避免传统二冲程汽油机经济性差、排放性能差等缺点，还具有结构简单、紧凑、平衡性好、功率密度高、热效率高等优点。

Description

一种平衡式增程器发动机

技术领域

本发明涉及发动机领域，特别涉及一种平衡式增程器发动机。

背景技术

随着能源与环境危机的不断加剧，节能减排已经被各国提到了更高的战略高度。作为能源消耗及污染排放大户的汽车行业，面临前所未有的挑战，为了实现可持续发展，未来汽车将逐渐向零排放的电动驱动方向发展。传统意义上的电动汽车是指全部或部分用电能驱动电动机作为动力的汽车，主要包括燃料电池电动汽车、混合动力电动汽车和纯电动汽车等几种类型。从目前的几种电动汽车类型来看，虽然纯电动汽车结构简单，无噪声无排放，具有相对良好的环境友好性能，但是，纯电动汽车受制于电池能量储存能力、充放电技术发展，使得汽车的续驶里程较短，同时，受限于充电基础设施的完善，限制了纯电动汽车的进一步发展。近年来，插电技术和增程器发动机的引入使纯电动汽车再次有了新的发展空间，增程器发动机是为了增加纯电动汽车行驶里程而加装在纯电动汽车上的一个附加储能部件，弥补了纯电动汽车续驶里程短的缺陷，同时与传统油-电混合动力汽车相比在经济性和排放性方面具有突出优势。增程器发动机在解决目前所面临汽车保有量剧增与能源环境危机矛盾的一种有效途径。

目前，增程器发动机绝大多数都是用传统的往复活塞式直列四冲程内燃机与发电机集成或改造而成，如莲花公司（Lotus）生产的增程器发动机是以直列3缸四冲程汽油机为基础，集成发电机研制的增程器发动机，马勒公司采用直列2缸四冲程汽油机与55kW永磁同步电机集成的增程器发动机。上述增程器发动机均采用传统车用发动机进行改造或集成，主要优点是实现方便，可借用现有的发动机或借用现有的发动机生产线可以完成小批量生产。

但是，上述方案的增程器由于所采用的是传统车用发动机作为增程器发动机，故此，发动机的设计性能指标和运行工况均适用于车辆的行驶工况，而增程器所用发动机只用来给发电机发电，进而为蓄电池充电，发动机只需要在某一个工况运行，而不需要在整个转速、负荷范围内工作，另一方面，由于增程器发动机是作为电动车辆的一个辅助动力系统附加到汽车上，要求该装置的体积小、重量轻、运行平稳、振动噪声小。而传统内燃机结构本身的特点带来的运转不平衡、振动噪声大等固有缺点，不能很好地满足增程器发动机的要求。

而另一类型的增程器发动机是以AVL公司为代表的转子式增程器发动机，采用转子发动机与发电机集成为一体，利用转子发动机平衡性好、振动噪声小等优点，但是，转子发动机的燃烧效率低、排放性能差是制约其进一步发展的关键所在。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、紧凑、平衡性好、功率密度高、热效率高的发动机。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种平衡式增程器发动机，其包括气缸4，顶面相对镜像布置于所述气缸4内的进气活塞14和排气活塞5，布置于所述气缸4中间位置上侧的喷油器18，与所述喷油器18同一圆周上垂直于所述喷油器18所在半径方向水平对称布置的两个火花塞，以及发电机11，其中，所述进气活塞14和排气活塞5分别通过各自的传动装置与所述发电机11相连。

作为一种优选方案，所述传动装置包括上连杆、摇臂、下连杆和曲轴，所述进气活塞14和排气活塞5分别通过活塞销与同侧的上连杆连接，所述上连杆的另一端通过销钉与同侧的摇臂上端连接，所述摇臂通过同侧的摇臂轴固定在机体的两侧，所述摇臂的下端通过销钉与同侧的下连杆的小头连接，所述下连杆的大头与曲轴连接，曲轴的输出端与所述发电机11连接。

作为一种优选方案，还包括扫气泵15和与气缸4上的进气道相连的进气管17，所述扫气泵15与所述进气管17相连。

作为一种优选方案，所述曲轴与所述发电机的转子直接连接。

作为一种优选方案，所述曲轴是错拐结构的。

作为一种优选方案，所述两个火花塞呈180度位置布置。

作为一种优选方案，所述喷油器安装于所述气缸体中部圆周方向。

本发明提供的平衡式增程器发动机，采用对置二冲程汽油机工作原理，结合汽油机缸内直喷技术、多点点火技术有效地避免了传统二冲程汽油机经济性差、排放性能差等缺点，有效利用对置二冲程发动机结构简单、紧凑、平衡性好、功率密度高、热效率高等优点，将其作为纯电动汽车的增程器具有非常明显的优势。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的平衡式增程器发动机的原理示意图；

图2是本发明一个具体实施例的总体结构图（发电机端）；

图3是本发明一个具体实施例的总体结构图（前端）；

图4是本发明一个具体实施例的纵剖面图；

图5是本发明一个具体实施例的横剖面视图。

附图标记说明：1—排气孔，2—排气管，3—火花塞，4—气缸，5—排气活塞，6—上连杆，7—摇臂，8—摇臂轴，9—机体，10—油底壳，11—发电机，12—曲轴，13—下连杆，14—进气活塞，15—扫气泵，16—进气口，17—进气管，18—喷油器，19—冷却水出口，20—端盖，21—摇臂轴端盖，22—冷却水入口，23—前端盖，24—紧固螺钉，25—发电机锭子，26—发电机转子，27—曲轴主轴承盖，28—下连杆盖，29—上连杆销，30—连杆螺栓，31—下连杆销，32—活塞销

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的平衡式增程器发动机包括气缸4，顶面相对镜像布置于气缸4内的进气活塞14和排气活塞5，布置于气缸4中间位置上侧的喷油器18，与喷油器18同一圆周上垂直于喷油器18所在半径方向水平对称布置的两个火花塞，以及发电机11，其中，进气活塞14和排气活塞5分别通过各自的传动装置与发电机11相连。

传动装置包括上连杆、摇臂、下连杆和曲轴。进、排气活塞14、5通过各自的活塞销32与上连杆6的小头连接，上连杆6的另一端通过上连杆销29与摇臂7的上端小孔连接，摇臂7通过摇臂轴8安装于机体9上，摇臂7可以绕摇臂轴8摆动，摇臂7下端通过下连杆销31与下连杆13连接，下连杆13的大头和连杆盖28通过连杆螺栓30安装于曲轴12的连杆轴颈上，通过销连接的两个零件可以绕销子作摆动或转动。上述传动机构中进、排活塞在气缸4内做往复直线运动，上连杆6做平面运动，摇臂7绕摇臂轴8做左右摆动，下连杆13的大头绕曲轴12中心线做旋转运动，下连杆13的小头与摇臂7的下端连接，做沿摇臂轴8的圆周摆动，曲轴12沿曲轴中心做旋转运动。曲轴的一端与发电机11连接，另一端用于驱动发动机的其他机构，油底壳10通过周布螺栓与机体的下平面连接。

如图4和5所示，作为本发明的另一个具体实施例，进气管2和排气管17通过螺栓安装于机体9相应的进气孔16和排气孔1对应的位置上，喷油器18通过螺纹安装于气缸体4的中部圆周方向，且方向为垂直方向，两个火花塞3分别安装于气缸体4上，安装位置位于喷油器18安装所在平面上，且方向与喷油器18所在直径方向垂直，两个火花塞呈180度位置布置。曲轴12通过主轴瓦27安装于机体9上，曲轴旋转中心垂直于气缸体中心，位于气缸体下方。曲轴的后端通过螺纹与发电机的转子26连接，发电机通过螺栓24与发动机机体9连接在一起。发电机的锭子与发电机壳体固定在一起。

在本发明的还一个具体实施例中，平衡式增程器发动机设有冷却系统和润滑系统以保证发动机工作在适宜温度和发动机运动表面的润滑。平衡式增程器发动机设有冷却水入口23和冷却水出口19用于将冷却水从冷却水入口23打入发动机，冷却后的热水从冷却水出口19送出。

平衡式增程器发动机的前端盖23用于密封发动机。

本发明的平衡式增程器发动机启动时，发电机切换为电动机功能，通过电驱动电动机转子旋转，倒拖曲轴旋转，曲轴12带动下连杆13、摇臂7、上连杆6，带动进气活塞14和排气活塞5在气缸内的往复运动，当发动机能自行启动着火后，电动机切换到发电机模式进入正常运行状态。

本发明的平衡式增程器发动机工作原理如下：进、排气活塞通过曲轴带动下连杆、摇臂、上连杆而由外止点向内止点运动，先后关闭排气口和进气口而压缩缸内气体，当活塞14、5运动到完全关闭进排气口16、1时，喷油器18将汽油喷入气缸4内，进、排气过程及压缩过程中形成的高速气流将喷入气缸的汽油迅速混合成合适浓度的油气混合气，当活塞运动到接近内止点位置时对称布置的两个火花塞3点火，点燃缸内的可燃混合气，混合气燃烧产生的高温高压气体推动两个活塞14、5分别向外运动，两个活塞在向外运动过程中通过各自的上连杆6、摇臂7、下连杆13推动曲轴12旋转做功，将燃料燃烧的热能转化为机械能，进而通过曲轴驱动的发电机11转化为电能输出。当排气活塞5运动到打开排气口1时，缸内的残余废气在残余压力作用下通过排气口排出，随着活塞进一步向外止点运动，进气活塞14打开进气口16，经过机械扫气泵15加压的新鲜空气被压入气缸，新进入的新鲜空气进一步将缸内的残余废气清扫出去，这一过程一直持续到活塞越过外止点后向内止点方向运动，一直到关闭进、排气口为止。当活塞完全关闭进、排气口时又进入压缩过程，开始下一新的循环。

图2和3为本发明的平衡式增程器发动机的总体结构图，发动机总体结构为扁平结构，便于在汽车上的灵活安装，上端面安装有进气管17、排气管2和喷油器18等零部件，发动机的主要运动件安装于机体4上，摇臂轴通过摇臂轴端盖21固定在机体上，机体的两端安装有端盖20，发电机11的外壳通过螺栓安装于发动机机体4上，发电机的输入轴与发动机的曲轴连接。油底壳10安装于发动机的下端，发动机的前端盖23安装于发动机的前端，密封发动机的曲轴箱同时安装其他传动机构。

本发明的平衡式增程器发动机采用对置二冲程汽油机结构原理，利用机械扫气泵完成换气过程提高扫气压力的作用。由高速电机驱动压气机用来实现增程器相对比较单一的运行工况下的扫气压力，通过扫气泵增压后的空气被压入气缸的同时扫除缸内的残余废气。

本发明的平衡式增程器发动机的喷油器安装于气缸体中部圆周方向，采用的汽油机缸内直喷技术可以有效地克服传统二冲程汽油机由于新鲜混合气扫气而带来的新鲜混合气随废气流失导致的经济性差、排放性能差等缺点。同时，采用缸内直喷技术可实现稀薄燃烧，进而提高动力性、经济性和排放性能。结合二冲程原理可实现较高的功率密度，使该结构的增程器发动机的潜在优势明显优于传统发动机。

本发明的平衡式增程器发动机采用在喷油器安装同一圆周上呈180°布置两个相对的火花塞，这种布置方式使得喷油器与火花塞距离较远，结合直流扫气具有较强进气滚流和涡流特点，有效地利用气流引导实现混合气浓度的合理分布，保证在火花塞周围形成可供点燃的浓混合气，进而保证混合气的点燃稳定性。

本发明的平衡式增程器发动机的曲轴与发电机的转子直接连接，省去了传统内燃机的飞轮机构，发电机的转子同时起到飞轮的作用，一方面增程器发动机起动时可以用发电机直接起动，另一方面，发电机的转子的旋转惯量作为储能原件储存曲轴旋转惯性能。实现了发动机与发电机在结构上的集成，使得增程器发动机结构更紧凑。

本发明的平衡式增程器发动机的曲轴采用错拐结构，即进气活塞和排气活塞存在一定的相位差，可实现对置二冲程发动机的气口-气口不对称直流换气，结合机械扫气泵可大大提高扫气效率。

综上所述，本发明提供的平衡式增程器发动机，采用对置二冲程汽油机工作原理，结合汽油机缸内直喷技术、多点点火技术有效地避免了传统二冲程汽油机经济性差、排放性能差等缺点，有效利用对置二冲程发动机结构简单、紧凑、平衡性好、功率密度高、热效率高等优点，将其作为纯电动汽车的增程器具有非常明显的优势。

另外，本发明所涉及的增程器发动机采用水平对置活塞二冲程汽油机，具有以下优点：

1.两个活塞水平对称布置于同一气缸内，运动相反，活塞运动过程受力相互平衡，发动机的整体平衡性好；

2.两个活塞共用一个气缸，省去了气缸盖，减少了缸内传热面积，降低了燃烧室表面热损失，具有较高的热效率；

3.活塞通过摆角很小的上连杆与摇臂相连，大大减小了活塞的侧压力，改善了活塞的摩擦、磨损，有效降低了机械损失；

4.采用二冲程发动机原理，曲轴每转一圈做功一次，与传统四冲程发动机相比，运转稳定性好，增加了发动机的功率密度；

5.该发动机省去了气缸盖、配气机构等复杂的零部件，可减小发动机的体积、重量，降低发动机维修和制造成本；

6.该增程器发动机将发动机与发电机从结构上实现集成，省去了传统内燃机的飞轮组件，而将发电机直接与发动机的曲轴相连，利用发电机转子的旋转惯量作为发动机曲轴的储能元件，同时可以实现发电机倒拖起动，省去传统发动机的起动电机系统。

针对纯电动汽车和插电式混合动力汽车所面临的蓄电池储能有限、续驶里程短、充电基础设施不完善等瓶颈技术，本发明所涉及的增程器发动机，配合车载动力电池在不同工况下工作，增加纯电动汽车的续驶里程，实现在线充电，同时解决了纯电动汽车对基础充电设施的依赖。本发明所涉及的平衡式增程器发动机为纯电动汽车的进一步推广提供了能源保障，也可以作为一种新型混合动力系统单独使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (7)

1.一种平衡式增程器发动机，其特征在于，其包括气缸（4），顶面相对镜像布置于所述气缸（4）内的进气活塞（14）和排气活塞（5），布置于所述气缸（4）中间位置上侧的喷油器(18)，与所述喷油器(18)同一圆周上垂直于所述喷油器（18）所在半径方向水平对称布置的两个火花塞，以及发电机（11），其中，所述进气活塞（14）和排气活塞（5）分别通过各自的传动装置与所述发电机（11）相连。

2.根据权利要求1所述的平衡式增程器发动机，其特征在于，所述传动装置包括上连杆、摇臂、下连杆和曲轴，所述进气活塞（14）和排气活塞（5）分别通过活塞销与同侧的上连杆连接，所述上连杆的另一端通过销钉与同侧的摇臂上端连接，所述摇臂通过同侧的摇臂轴固定在机体的两侧，所述摇臂的下端通过销钉与同侧的下连杆的小头连接，所述下连杆的大头与曲轴连接，曲轴的输出端与所述发电机（11）连接。

3.根据权利要求2所述的平衡式增程器发动机，其特征在于，还包括扫气泵（15）和与气缸（4）上的进气道相连的进气管（17），所述扫气泵（15）与所述进气管（17）相连。

4.根据权利要求1，2或3所述的平衡式增程器发动机，其特征在于，所述曲轴与所述发电机的转子直接连接。

5.根据权利要求4所述的平衡式增程器发动机，其特征在于，所述曲轴是错拐结构的。

6.根据权利要求1，2或3所述的平衡式增程器发动机，其特征在于，所述两个火花塞呈180度位置布置。

7.根据权利要求1，2或3所述的平衡式增程器发动机，其特征在于，所述喷油器安装于所述气缸体中部圆周方向。

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