CN1030963A - 改进的内燃机 - Google Patents

Abstract

内燃机气缸组件，包括：气缸垂直往复活塞装置； 进气通道装置；包括一个气体压缩腔的曲轴箱壳体； 阀门装置；排气装置；燃料发火装置；纵向气缸内壁至 少要有一部分向下伸进到气体压缩腔内，以保证在整 个活塞装置的向下冲程中，至少能够罩住活塞的一部 分；曲轴箱壳体向内倾斜的内壁限定了一个集气空 间，该集气空间在气体压缩腔上部、环绕向下延伸的 气缸部分。

Description

本发明是关于内燃机、特别是二冲程内燃机的。

美国专利1，292，322是一种水冷二冲程发动机。该机具有一个双层缸壁，在缸壁下部可旋转地装有一个能使燃气进入的阀件，该阀件由第一凸轮和弹簧/摇臂装置操纵。废气从上面的一个往复运动滑阀排出，滑阀是由凸轮控制的，该凸轮可移动地联接在一个与气缸的活塞连杆联接的轴上。

美国专利1，540，286是一种排气阀设置在气缸上部的活塞式内燃机，该机同样有一个可旋转的进气口或一个与曲轴箱气体压缩腔相连的曲轴箱进气阀。

美国专利2，337，245中公开了一种二冲程内燃机。该发动机气缸的一端有一组进气口，另一端有一组排气口。每一组气口的打开和关闭是由气缸中分开的往复运动活塞进行的。

美国专利2，516，708是一个单作用二冲程内燃机，该机有一个与气缸一端的进气口相邻的相应的空气扫气腔。

美国专利2，572，768也是一种二冲程内燃机，该机在进气口由切向喷气装置使气体产生涡流。

美国专利4，004，557公开了一种气缸活塞组件，其活塞的纵向是杯形的，而且在曲轴箱和气缸之间有多个垂直的通道。

在附图中

图1是本发明内燃机一个实施例的垂直剖面图，该单缸发动机将在后面详细说明。

图2是沿图1中2′-2′的气缸水平剖面放大图。

图3是沿图1中3′-3′的气缸水平剖面放大图。

图4是本发明内燃机另一个实施例的垂直剖面图，该单缸发动机将在后面详细说明。

图5是沿图4中5′-5′的气缸水平剖面放大图。

图6是沿图4中6′-6′的气缸水平剖面放大图。

在本发明一个实施例中，内燃机气缸组件包括：一个具有基本上为垂直内壁的气缸，在气缸内壁中构成一个纵向燃烧室;装在燃烧室内的活塞装置，它在燃烧室内做垂直的往复运动;在燃烧室下部的进气通道;其中包括一个气体压缩腔的曲轴箱壳体;在气体压缩腔内壁可弯曲地装有一个簧片阀，以便在压缩腔内的压力降低时使燃料/空气混合气进入到压缩腔里;在气缸的上端有一个气缸密闭装置，该装置确定了燃烧室的上端，并在其上设有排气阀装置;它交替地打开、关闭，可将燃烧室内的废气排出，并使燃烧室内的新鲜燃料/空气混合气能够进行压缩;燃料发火装置，用以点燃燃烧室内被压缩的燃料/空气混合气;纵向气缸内壁至少要有一部分向下伸进到气体压缩腔内，以保证在整个活塞装置的向下冲程中至少能够罩住活塞的一部分;曲轴箱壳体上部向内倾斜的内壁限定了一个集气空间，该集气空间是在气体压缩腔上部、环绕向下延伸的气缸部分，进气通道使燃烧室和集气空间之间通气;活塞装置周期性地打开和关闭进气通道，控制气体的进入;活塞装置及相应的排气阀装置和发火装置，用来使增压的新鲜燃料/空气混合气从集气空间进入到燃烧室内，并在其中压缩、点燃、产生能量，然后将产生的废气从燃烧室中排出。

在本发明另一个实施例中，内燃机气缸组件包括：一个具有基本上为垂直内壁的第一气缸，该气缸内壁构成一个纵向燃烧室;装在燃 烧室内的第一活塞装置，它在燃烧室内做垂直往复运动;在燃烧室下部的进气通道装置;其中含有一个气体压缩腔的曲轴箱壳体;使新鲜的燃料/空气混合气在压缩腔压力降低时进入压缩腔的阀件;设置在第一气缸上端的第二气缸装置，该装置中有一个排气室和一个装在排气室内的第二活塞装置，活塞在其中进行垂直往复运动，排气室与燃烧室的上端相通;第二气缸装置的下部有至少一个排气口，它周期性地开启和关闭，让废气从燃烧室中排出;第一纵向气缸至少要有一部分向下伸进到气体压缩腔内，以保证在第一活塞的整个向下冲程中至少能够罩住活塞的一部分;曲轴壳体上部向内倾斜的内壁限定了一个集气空间，该空间在气体压缩腔上部、环绕向下延伸的第一气缸部分，进气通道使第一燃烧室和集气空间之间通气;第一活塞装置周期性地打开和关闭进气通道，使之与集气空间通气;第二活塞装置周期性地打开和关闭排气口，将燃烧室中的废气排出;第一活塞装置及相应的第二活塞装置和燃料发火装置，用来使增压的新鲜燃料/空气混合气从气体压缩腔进入到燃烧室内，压缩、点燃、产生能量，然后将产生的废气从燃烧室中排出。

参照图1、2和3对本发明的单缸机进行说明。应该了解到本发明的内燃机包括具有这种气缸的单缸机和多缸机，这种发动机的各个气缸在原理和机构上都是相同的。所说的这些特种发动机结构特别轻，用于摩托车、游船以及发电机等类似之处。

正如已经说明的，该发动机最好是风冷的，然而在需要时也可以采用水冷或油冷，它是至少气缸16一部分周围的适当的套中，装有选用的冷却液。该冷却液始终与气缸16的外壁接触。

本发动机1包括一个曲轴箱壳体2，壳体上设有发动机支撑装置 32，壳体与曲轴43相联，而连杆40则通过活塞销46与活塞20可旋转地连接。

在曲轴箱壳体2的上部36内有一气体压缩腔26，曲轴箱壳体2通过进气口45周期性进气。进口45的开启和关闭是通过安装在曲轴箱壳体2内壁凹槽47中的簧片阀4进行的。当气体压缩腔26内的气体压力小于通道45内的气体压力时，簧片阀4以38为支点向气体压缩腔26内旋转，气体便流入压缩腔。簧片阀4不能根据气体压缩腔26内的压力向通道45侧旋转，因为凹槽47的大小正好使簧片阀4在处于关闭位置时能牢固地落座（如图1所示），而且阀4在凹槽47内的配合也应该同样避免在压缩腔26受压时，气体从压缩腔26回流到通道45内（这一点在后详述）。簧片阀装置4也可以采用现有技术中已知的任何其它种类的纵向阀件，其位置如图1所示，它可向气体压缩腔内作弯屈运动。

气缸16是纵向空心且基本上为圆柱件，它用作纵向燃烧室17的外壳。活塞20在燃烧室17中，这样活塞20便可以在燃烧室17中进行垂直往复运动。

至少气缸的一部分44要向下伸入气体压缩腔26内，使其至少能够在活塞20的最低点（向下冲程）罩住活塞20的一部分。缸壁44的长度在活塞20的高h的0.1到2倍范围内较好，最好是在h的0.4到1.5倍。当然，这只是比较好的尺寸，壁44也可为其它长度。

气缸16牢固地固结在曲轴箱壳体2上。两者也可以是整体结构（如图1所示）。

在靠近气缸16缸壁下部44的部分有多个彼此分开的气体通道 22，它们使燃烧室17和气体压缩腔26之间可以通气。气体通道打开和关闭的方式将在后面描述。通道22的数目和具体位置是可以变化的。但是通道22最好是（如图2所示）在缸壁44的圆周上均匀分布。通道22的数目和尺寸应选择那些能提供最大空气流量，即截面面积最大的，以满足缸壁16和44整个结构的需要。一般可采用2到20个通道22，最好是6到10个。多个这样的通道中的每个通道最好有（如图2所示）这样一个水平截面：该截面面积是缸壁16环形总截面积（包括所有通道22）的1～10%，最好是3～8%，同样，所有这样的通道22的面积总和是此气缸壁环形截面积的10～60%，最好为25～45%。

气缸16的上端设有一个缸盖14，它限定了燃烧室17的上端。缸盖14用如螺栓等（图中未示）可拆卸地固结在由缸壁16的外缘形成的环形联接平板5上。排气装置70设置在缸盖14上，它最好包括一个下端有锥度的排气阀7，且排气阀的纵向轴6从平面14向上伸出。排气阀7打开和关闭的方式可以不同，最好每一个这样的阀7在位于平面14上部的轴6的周围装上弹簧9和相应的凸轮8，该凸轮可旋转地固结在凸轮轴10上。当凸轮旋转时，轴6带动阀头7在与平面14垂直的方向上作周期性的运动。在相应的阀7处于开启位置时（如图1），废气便通过缸盖14，沿轴6从燃烧室17中排出。如果需要的话，这些废气也可以传统的装在缸盖14上的排气歧管（如通过70）汇集排出。

阀件7的数目和具体位置是可以变化的，然而对于装置1来说，有1到4个这样的阀7是足够的。这些阀应均匀地分布在燃烧室17上端的圆周上，以使废气能尽快从燃烧室17中排出，并且避免出现 废气回混和湍流，从而导致无效作功。这一问题一直是现有装置中急待解决的。

在缸壁16的上部装有至少一个传统的火花塞（或其它燃料发火装置）。这个火花塞12也可以换个地方安装在缸盖14上，如装在沿纵向燃烧室17的中心纵向轴方向上。

在处于关闭位置时，每一个阀7都牢牢地在缸盖14内壁的凹槽内落座，以防止气体流入或从燃烧室17中流出。

根据本发明所述之实施例，在曲轴箱壳体2的上端，壳体2的壁面向内倾斜，在气体压缩腔26中限定了一个集气空间30，该集气空间位于缸壁下部44处。每个通道22与集气空间30的最上端相通，以使燃烧室17的进气过程快速、高效。每个气体通道22的横截面（在气流通过的方向上）最好基本上是圆形的，且其中心纵轴与垂线（燃烧室17的内壁）成角度为10～60°的α角，最好是30～50°。试验表明，这样的集气空间30和倾斜的进气通道22能使进气时速度快、效率高。

燃烧室17的长度应该是这样的：在活塞20冲程的整个上部（图中未示），活塞20不能碰到缸盖14的任何部分，或碰到火花塞12，或碰到任何一个阀7;在活塞20冲程的整个下部，活塞20不能盖住任何一个进气通道22，以使气体压缩腔26（与集气空间30相联）和燃烧室17之间可以通气。同样缸壁的下部44也应有足够的长度，以保证活塞20在其最低点时，基本是全部处于气缸内壁44所构成的燃烧室17的缸体中。

通常的二冲程工作过程中，在活塞20关闭气体通道22以后的向上冲程运动中，空气和燃料（由汽化器、喷油器或涡轮增压器等传 统的装置以适当的、或需要的比例预先混合）从阀4被吸入气体压缩腔26，该腔内的低压足以使新鲜气体从通道45流进。在向下冲程中，活塞20压缩在压缩腔26内的气体，关闭阀门4。在到达向下冲程的较低点时，活塞20的上表面打开气体通道22，增压气体通过通道22从集气空间30进入燃烧室17。在燃烧室内，由于活塞的向下运动和排气阀17的开启，其中的气体压力开始有些降低。在新鲜的燃料/空气混合气进入燃烧室17以后，凸轮装置8将排气阀7关闭，使新鲜气体在活塞20的向上冲程中受到压缩。如果需要的话，阀7在活塞20向上冲程的一部分时间内可以保持打开的状态，以使较底层的气体（新鲜的燃料/空气混合气）有助于完成燃烧室17内的强制排气。在活塞20向上运动到一个设计位置，火花塞12点燃被压缩的燃料/空气混合气，推动活塞向下运动。此时阀7打开，使形成的废气排出燃烧室17。凸轮8、阀7、火花塞12和活塞20工作的时序和具体方式均采用传统方式，因此，只要从现有的一种普通技术中就可以很容易了解到，在此无庸细述。

现在参照图4、5和6对本发明的另一个实施例进行说明。应该了解到本发明的内燃机可以是包括具有这种气缸的单缸或多缸机，这种发动机的各个气缸在原理和机构上都是相同的。所说的这些特种发动机均具有特别轻的结构，用于摩托车、游船以及发电机等类似之处。

正如已经说明的，该发动机最好是风冷的，然后在需要时也可以采用水冷或油冷，它是至少在气缸116一部分周围的适当的套中，装有选用的冷却液，该冷却液始终与气缸116的外壁接触。

本发动机101包括一个曲轴箱壳体102，壳体上设有发动机支撑装置132。壳体与曲轴143相联，而连杆140则是通过第 一活塞销146与活塞120可旋转地连接。

曲轴箱壳体102的上部136有一气体压缩腔126，曲轴箱壳体102通过进气口145周期性地进气。进口145的开启和关闭是通过安装在曲轴箱壳体102内壁凹槽147中的簧片阀104进行的。当气体压缩腔126内的气体压力小于通道145内的气体压力时，簧片阀104以138为支点，向气体压缩腔126内旋转，气体便流入压缩腔。簧片阀104不能根据气体压缩腔126内的压力向通道145侧旋转，因为凹槽147的大小正好使簧片阀104在处于关闭位置时，能够牢固地落座（如图4所示），而且在凹槽147内，阀104的配合也应该同样避免在压缩腔126受压时气体从压缩腔126回流到通道145内（这一点在后详述）。簧片阀104也可采用现有技术中已知的任何其它种类的纵向阀件，其位置是如图4所示，它可向气体压缩腔126内作弯屈运动。

气缸116是纵向空心且基本上为圆柱形的，它用作纵向燃烧室117的外壳。活塞120在燃烧室117中，这样活塞120便可以在燃烧室117内进行垂直往复运动。

至少气缸的一部分144要向下伸入气体压缩腔126内，使其至少能够在活塞120的最低点（向下冲程）罩住活塞20的一部分。缸壁144的长度在活塞120的高h的0.1到2倍范围内较好，最好是在h的0.4到1.5倍。当然，这只是比较好的尺寸，缸壁144也可为其它长度。

气缸116牢固地固结在曲轴箱壳体102上，两者可以是整体结构（如图4所示）。

在靠近气缸116的缸壁下部144的部分有多个彼此分开的气 体通道122，它们使燃烧室117和气体压缩腔126之间可以通气。气体通道打开和关闭的方式将在后面描述。通道122的数目和具体位置是可以变化的，但是通道122最好是（如图5所示）在缸壁144的圆周上均匀分布。通道122的数目和尺寸应选择那些能够提供最大空气流量，即截面面积最大的，以满足缸壁116和144整个结构的需要。一般可采用2到20个通道122，最好是6到10个。多个这种通道中的每个通道最好有（如图5所示）这样一个水平截面，即：该截面面积是缸壁116环形总横截面积（包括所有通道122）的1～10%，最好是3～8%。同样，所有这样的通道122的面积总和是此气缸壁环形横截面面积的10～60%，最好是25～45%。

根据本发明的这个实施例，在曲轴箱壳体102的上端，壳体102的壁面向内倾斜，在气体压缩腔126中限定了集气空间130，该集气空间位于缸壁下部144处。每个通道122与集气空间130的最上端相通，以使燃烧室117的进行过程快速、高效。每个气体通道122的横截面（在气流通过的方向上）最好基本上是圆形的，且其中心纵轴与垂线（燃烧室117的内壁）成角度为10°～60°的α角，最好是30°～50°。试验表明，这样的集气空间130和倾斜的进气通道122能使进气时速度快、效率高。

在气缸116的上部至少装有一个火花塞112（或其它燃料发火装置），使燃烧室117内的空气/燃料混合气能够发火。在气缸116的最上端设有一个排气活塞装置，它包括装有活塞150的膨胀气缸156，凸轮装置160和排气口115。在膨胀气缸156的下部有一个或多个排气口115，使燃烧室117最上端和排气管 （图中未示）或其它传统的排气装置之间可以通气，以便从气缸116和156中抽集废气。

活塞150在膨胀气缸156限定的纵向室118内作垂直的往复运动。活塞150的这种运动是由包括凸轮的凸轮装置160和连杆162控制的。活塞150通过第二活塞销163与连杆162可旋转地联接。活塞150的冲程长度足以打开和关闭排气口115。

与进气通道122相类似，排气口115的数目、尺寸和具体位置也是可以变化的，即可采用有1到20个基本上为柱形截面的排气口115，其中的每一个排气口的截面积为缸壁156总的截面面积（包括排气口115）的1～10%，排气口115的总截面积则为其的10～60%。

由上部膨胀气缸156确定了一个膨胀的纵向柱形室118，其直径大于燃烧室117的直径（大于10～150%是较好的，最好大于30～80%）。排气口115的这种安排和加大的第二上部活塞150，能够大大地提高废气从燃烧室117中排出的效率，从而使本发明的内燃机能够在更高的转速下工作（即活塞往复运动速率高），同时，工作平稳，振动减少。

燃烧室117的长度和火花塞112的位置应该是这样的：在第一活塞120冲程的整个上部（图中未示），活塞120不能碰到火花塞112，或者膨胀气缸156和其相应的活塞150的任何部分，在活塞120冲程的整个下部，活塞120不能盖住进气通道122，使气体压缩腔126和燃烧室117之间可以通气。同样气缸116的下部144也应有足够的长度，以保证活塞120在其最低点时，基本上是全部处于气缸内壁144所构成的燃烧室117的缸体中的。

上面活塞150在冲程的最高处不能盖住排气口115，以使气体从燃烧室117中流出;在冲程的最低处，则应全部关闭排气口115，防止燃烧室117内的燃料/空气混合气在压缩和点火过程中流进或流出燃烧室（具体内容后面详述）。

通常的二冲程工作过程中，在活塞120关闭进气通道122后的向上冲程过程中，空气和燃料（由汽化器、喷油器或涡轮增压器等传统的装置，以适当的或需要的比例预先混合）从阀104被吸入气体压缩腔126，腔内的低压足以使新鲜气体从通道145流进。在向下冲程中，活塞120压缩在压缩腔126内的气体，关闭阀门104。在到达向下冲程较低点时，活塞120的上表面打开气体通道122，增压气体通过该通道从集气空间130进入燃烧室117内。燃烧室内，由于活塞120的向下运动和上部活塞150的向上运动打开了排气口115，其中的气体压力开始有些降低。在新鲜的燃料/空气混合气进入燃烧室117以后，上部活塞150的向下冲程将排气口115关闭，使新鲜气体在活塞120的向上冲程中受到压缩。如果需要的话，可以对上部活塞150向下冲程的时间进行调整，让排气口在下部活塞120向上冲程的一部分时间内保持打开的状态，以使较底层的气体（新鲜的燃烧/空气混合气）有助于完成燃烧室117内的强制排气。在排气口115已经关闭后，下面的活塞120向上运动到一个设计位置，火花塞112点燃被压缩的燃烧/空气混合气，推动活塞向下运动。此时上部活塞150打开排气口115，使形成的废气从燃烧室117中排出。活塞150和120以及它们相应的凸轮装置和火花塞112的工作时序和具体方式均是以传统方式。因此，只要从现有普通技术的任何一种中就可以很容易了解到，在此无庸细述。

Claims (4)

1、一种内燃机气缸组件，它包括：

一个具有基本上为垂直内壁的气缸，在气缸内壁中构成一个纵向燃烧室；

装在燃烧室内的活塞装置，它在燃烧室内作垂直的往复运动；

在燃烧室下部的进气通道装置；

其中包括一个气体压缩腔的曲轴箱壳体；

根据气体压缩腔内的压力降低，使燃料/空气混合气进入该压缩腔的阀门装置；

靠近或处于气缸上端的排气装置；

燃料发火装置，用来点燃燃烧室内压缩的燃料/空气混合气；

纵向气缸内壁至少要有一部分向下伸进到气体压缩腔内，以保证在整个活塞装置的向下冲程中至少能够罩住活塞的一部分；

曲轴箱壳体向内倾斜的内壁限定了一个集气空间，该集气空间在气体压缩腔上部、环绕向下延伸的气缸部分，进气通道装置使燃烧室和集气空间之间可以通气，活塞装置周期性地打开和关闭进气通道装置，控制进气通道和集气空间之间的通气；

活塞装置及相应的排气和燃料发火装置，用来使增压的新鲜燃料/空气混合气从集气空间进入到燃烧室内，并在其中压缩、点燃、产生能量，生成的废气从燃烧室中排出。

2、根据权利要求1所述的一种内燃机气缸组件，它包括：

一个具有基本上为垂直内壁的气缸，在气缸内壁中构成一个纵向燃烧室;

装在燃烧室内的活塞装置，它在燃烧室内作垂直的往复运动;

在燃烧室下部的进气通道装置;

其中包括一个气体压缩腔的曲轴箱壳体;

在气体压缩腔内可绕支点旋转地装有一个簧片阀装置，以便在压缩腔内的压力降低时使燃料/空气混合气进入到压缩腔里;

在气缸上端有一个气缸密闭装置，该装置确定了燃烧室的上端，并在其上设有排气阀装置，它交替地打开、关闭，可使燃烧室内的废气排出，并使燃烧室内的新鲜燃料/空气混合气进行压缩;

燃料发火装置，用来点燃燃烧室内压缩的燃料/空气混合气;

纵向气缸内壁至少要有一部分向下伸进到气体压缩腔内，以保证在活塞装置的整个向下冲程中至少能够罩住活塞的一部分;

曲轴箱壳体向内倾斜的内壁限定了一个集气空间，该集气空间是在气体压缩腔上部、环绕向下延伸的气缸部分，进气通道使燃烧室和集气空间之间可以通气，活塞装置周期性地打开和关闭进气通道，控制进气通道和集气空间之间的通气;

活塞装置及相应的排气阀装置和燃料发火装置，用来使增压的新鲜燃料/空气混合气从集气空间进入到燃烧室内，并在其中压缩、点燃、产生能量，生成的废气从燃烧室中排出。

3、根据权利要求1所述的一种内燃机气缸组件，它包括：

一个具有基本上为垂直内壁的第一气缸，在气缸内壁中构成一个纵向燃烧室;

装在燃烧室内的第一活塞装置，它在燃烧室内作垂直的往复运动;

在燃烧室下部的进气通道装置;

其中包括一个气体压缩腔的曲轴箱壳体;

根据气体压缩腔内的压力降低，使燃料/空气混合气进入该压缩腔的阀门装置;

设置在第一气缸上端的第二气缸装置，该装置中有一个排气室和一个装在排气室内的第二活塞装置，活塞在其中进行垂直往复运动，排气室与燃烧室上端相通;

第二气缸装置的下部有至少一个排气口，它周期性地开启和关闭，让废气从燃烧室中排出;

第一纵向气缸至少要有一部分向下伸进到气体压缩腔内，以保证在第一活塞的整个向下冲程中至少能够罩住该活塞的一部分;

曲轴箱壳体上部向内倾斜的内壁限定了一个集气空间，该集气空间在气体压缩腔上部、环绕向下延伸的第一气缸部分，进气通道使燃烧室和集气空间之间通气;

第一活塞装置周期性地打开和关闭进气通道，与集气空间通气;

第二活塞装置周期性地打开和关闭排气口，将废气从燃烧室中排出;

第一活塞装置及相应的第二活塞装置和燃料发火装置，它们用来使增压的新鲜燃料/空气混合气从气体压缩腔进入到燃烧室内，并在其中压缩、点燃、产生能量，生成的废气从燃烧室中排出。

4、根据权利要求3所述的内燃机气缸组件，其中所述的第二气缸装置中排气室的直径大于燃烧室的直径。

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