CN103184932A - 一种对置活塞式发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对置活塞式发动机，包括旋转气缸、第一活塞、第二活塞、第一活塞头和第二活塞头，第一活塞和第二活塞对置设于旋转气缸中，旋转气缸的缸壁上设有开孔，各旋转气缸组成四冲程发动机，第一活塞头和第二活塞头分别对置安设于第一活塞和第二活塞的各自的轴上，各活塞头与各活塞之间分别设有垫块，旋转气缸的中间位置设有点火装置，第一活塞与第二活塞之间布置有阀门。本发明的有益效果是：制造了一种提高热效率、机械效率和充气效率的对置活塞式发动机，能够有效降低油耗，采用中间布置的气阀可以适应多种驱动方式，采用的零件以及结构布置的合理有效的控制了制造成本。

Description

一种对置活塞式发动机

技术领域

本发明涉及内燃机，具体涉及一种对置活塞式发动机。

背景技术

现代的内燃机自发明以来一直没有太大的改变与发展，传统的内燃机通过安设提升阀来改善燃油效率，然而效果也不是很理想。对置活塞式发动机作为新的发动机类型能够提供更优秀的动力，而我们知道对置活塞式的发动机能够提供的强劲动力受限于它的尺寸，故一般采用的都是二冲程的对置活塞式发动机。而对于四冲程发动机而言，问题是如何去调节其活塞的运动，传统采用的是回油阀调整，但是这已经满足不了越来越复杂的运转环境，所以就需要体积更大，机械性更高效，提供更大动力的新型对置活塞式发动机。

中国专利CN101737147A公开了一种对置活塞发动机，包括气缸、做功活塞、曲轴等部件，所述气缸内还设有一个与所述做功活塞相对并且运动方向相反的压气活塞；位于所述压气活塞一侧的缸体端面设有进气门和出气门，所述进气门与大气连通，所述压气活塞上设有能使其复位的机构；所述出气门通过油气分离装置与一个用于储存高压气体的储气机构连接；所述气缸中部为燃烧室，所述燃烧室设有进气口、排气口以及喷油装置和点火装置，所述进气口通过第一电磁阀与所述储气机构连接。本发明大幅度降低燃油消耗率和震动程度，可以造出比四缸汽车震动更小的摩托车或者是单缸的汽车，也可以用做混合动力车的辅助动力。此专利与本申请中的气缸结构存在明显的区别。

中国专利CN202417706U公开了一种对置活塞发动机，该对置活塞发动机包括：可移动地置于第一膛内的第一活塞；可移动地置于第二膛内的第二活塞，第一活塞面朝第二活塞以确定其间的燃烧室；可操作地耦合到第一活塞的第一机轴；可操作地耦合到第二活塞的第二机轴；第一移相器，其可操作地耦合到第一机轴，第一移相器的运行改变在发动机运行中第一机轴相对于第二机轴的相角；以及第二移相器，其可操作地耦合到第二机轴，第二移相器的运行改变在发动机运行中第二机轴相对于第一机轴的相角。可以改变机轴之间的相角以减小或增大相应燃烧室内的压缩比，从而最优化或至少改善已知操作条件集合下的发动机性能。此专利的发动机具体结构与本申请存在明显区别，其工作模式与本申请发动机的工作模式也存在差别。

发明内容

针对现有的内燃机存在的上述问题，本发明提供一种高效的对置活塞式发动机。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种对置活塞式发动机，包括旋转气缸、第一活塞、第二活塞、第一活塞头和第二活塞头，所述第一活塞和所述第二活塞对置设于所述旋转气缸中，所述旋转气缸的缸壁上设有开孔，各所述旋转气缸组成四冲程发动机，所述第一活塞头和所述第二活塞头分别对置安设于所述第一活塞和所述第二活塞的各自的轴上，各活塞头与各活塞之间分别设有垫块，所述旋转气缸的中间位置设有点火装置，所述第一活塞与所述第二活塞之间布置有阀门。

上述对置活塞式发动机，其中，所述开孔覆盖中心对应角度介于30°到70°之间且最理想的覆盖角度是60°左右。

上述对置活塞式发动机，其中，所述第一活塞头和所述第二活塞头各自相对的端面上设有地极结构，所述地极结构布置于各活塞的中心位置。

上述对置活塞式发动机，其中，所述点火装置与绝缘结构相连，所述点火装置和所述绝缘结构一起将所述旋转气缸一分为二。

上述对置活塞式发动机，其中，一对对置齿轮通过连杆分别设于各所述旋转气缸的所述第一活塞和所述第二活塞的两端，所述对置齿轮上分别设有驱动齿轮。

上述对置活塞式发动机，其中，所述垫块的材料为碳纤维结构钢或陶瓷复合钢。

上述对置活塞式发动机，其中，所述第一活塞头和所述第二活塞头的材料为碳纤维结构钢或陶瓷复合钢。

由于采用了上述技术，上述技术方案与现有技术相比具有的积极效果是：

制造了一种提高热效率、机械效率和充气效率的对置活塞式发动机，能够有效降低油耗，采用中间布置的气阀可以适应多种驱动方式，采用的零件以及结构布置的合理有效的控制了制造成本。

附图说明

图1是本发明一种对置活塞式发动机的第一实施例的剖视图；

图2是本发明一种对置活塞式发动机的第一实施例的俯视图；

图3是本发明一种对置活塞式发动机的机体剖视图；

图4是本发明一种对置活塞式发动机的旋转气缸的剖视图；

图5是本发明一种对置活塞式发动机的旋转气缸的侧视图；

图6是本发明一种对置活塞式发动机的第二实施例的剖视图；

图7是本发明一种对置活塞式发动机的第二实施例中旋转气缸的气阀的轴测图；

图8是本发明一种对置活塞式发动机的气阀及其驱动机构的示意图；

图9是本发明一种对置活塞式发动机的活塞及气阀的关系示意图；

图10是本发明一种对置活塞式发动机的活塞的内外气阀的剖视图；

图11是本发明一种对置活塞式发动机的第三实施例的四个气阀的剖视图；

图12是本发明一种对置活塞式发动机的第三实施例的四个气阀的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1和2所示本发明一种对置活塞式发动机的第一实施例，对置活塞式发动机100是一个四冲程四缸发动机。依据功率需求，发动机100可以设计成带有任何缸数的发动机。每缸对应一对连杆110、一对对置齿轮112、对置的第一活塞120和第二活塞130，分别与连杆112相连。此外，两活塞中间还可布置圆柱形的第一垫块122和第二垫块132、第一活塞头124和第二活塞头134、点火装置140以及一对轴承盖150。

进一步的，齿轮112依附在各自气缸的末端，由驱动齿轮114驱动。驱动齿轮114与曲轴同轴。曲轴的设计要满足第一活塞120和第二活塞130冲程的要求。第一活塞120和第二活塞130可以是具有一定的长度和直径的标准设计。

进一步的，可选配布置的第一垫块122和第二垫块132依附在各自第一活塞120和第二活塞130的端面。第一垫块122和第二垫块132不是发动机必须有的结构设计，可以用它来修正活塞的长度尺寸。活塞长度是由冲程以及旋转气缸上的开口等几何参数决定的。

进一步的，与第一垫块122和第二垫块132对应的第一活塞头124和第二活塞头134随着其气缸一起旋转。每个第一活塞头124和第二活塞头134最好采用两面外层为碳纤维和中心层为陶瓷的复合材料。第一活塞头124和第二活塞头134与第一活塞120和第二活塞130是分开的，随气缸一起做旋转运动。第一活塞头124和第二活塞头134绕着装在相应第一活塞120和第二活塞130上的轴旋转。轴上有一个结构，与缸壁上的开口配合，它的厚度和缸壁厚度相同。第一活塞头124和第二活塞头134暴露在燃烧室的燃烧环境中，燃烧室一侧呈凹陷状。当第一活塞头124和第二活塞头134在气缸中间位置靠近时，燃烧室呈近似球形。只有第一活塞头124和第二活塞头134的中心陶瓷芯结构与缸壁接触。

进一步的，每个旋转气缸的端面均装有一轴承盖150。如果缸内未布置有垫块，干式轴承布置在活塞顶部和活塞头之间。如果缸内布置有垫块，干式轴承则布置在垫块顶部和活塞头之间。干式轴承的材料最好是陶瓷材料的，以减小摩擦力。活塞在活塞环到活塞头之间要有一定的合适的长度，以使活塞环与气缸上的开孔不会接触。第一垫块122以及第二垫块132和第一活塞头124以及第二活塞头134的直径大致等于各缸的内径；材料最好是碳纤维或陶瓷材料，降低热损失，提高发动机效率和性能。

进一步的，齿轮112的作用是驱动各自的气缸以曲轴一半的转速转动。每个气缸均有一定的长度。每个旋转气缸上有一个开孔410，用于实现气阀正时等方面的设计要求（如图5）。每个开孔410的长度等于2倍冲程加第一活塞头124和第二活塞头134的厚度之和。开孔410覆盖的角度介于气缸360°圆周的0°到90°之间，较好的是介于30°到70°之间，最理想的覆盖角度是60°左右。每个缸内有一个火花塞126。每缸有一个穿过气缸中心的点火装置140，并跟随气缸旋转。点火装置140是一个在中心部位有针孔的薄片导体。当活塞运动到上止点时，点火装置140与火花塞126对齐，火花就会从火花塞126产生，经点火装置140跳到第一活塞头124或第二活塞头134之一上的地极334，火花塞126在燃烧室中部点燃油气混合气，并产生高效率的燃烧。

进一步的，图2是对置活塞发动机100的外部视图，表示发动机的机体160和进气腔室。在图1和图2中，第一垫块122、第二垫块132位于左侧外部气缸150的上止点位置。在实际的运转循环中，这些元素不会暴露在外面。暴露的只有火花塞126，如图所示。

如图3所示本发明一种对置活塞式发动机的机体剖视图，机体160的剖视图中，进气腔室220和230，排气腔室222和232。图中还表示了冷却水道240。两缸应用同一进气道。每个气道从进气腔分开之后与气缸形成的角度最好是60°，气道长度则为两活塞冲程之和。旋转气缸210、212、214和216处于燃烧循环的不同阶段。

进一步的，每个燃烧循环的开始时，废气已经被排出，第一活塞120和第二活塞130，以及第一活塞头124和第二活塞头134处于上止点，当两活塞要分开时，气缸上的开孔410与进气道对齐。当第一活塞头124和第二活塞头134处于冲程的中间位置时，开孔410完全打开。当活塞运动到下止点，缸壁孔则被完全关闭，压缩冲程开始。当第一活塞120和第二活塞130运动到气缸中间，点火装置140与火花塞126对齐，火花塞126产生火花，做功冲程开始。当活塞运动到下止点，缸壁上的开孔410与排气道对齐，活塞在向上止点运动的过程中，废气被排出缸外。当活塞运动到上止点与下止点的中间位置时，缸壁上的开孔410与排气道完全对齐。当活塞头到达上止点时，缸壁孔关闭，发动机进入下一工作循环。

如图4所示本发明一种对置活塞式发动机的旋转气缸210的剖视图。图中一点火棒330将旋转气缸210一分为二，点火棒330与绝缘体332相连。地极334位于活塞头中间的端面上。一旦点火棒330与地极334接触，点火就开始。

如图5所示发明一种对置活塞式发动机的旋转气缸的侧视图，旋转气缸210的缸壁上的开孔410布置在旋转气缸210的侧面。

如图6本发明一种对置活塞式发动机的第二实施例的剖视图，对置活塞发动机100包含一阀门600。发动机100内部有对置的第一活塞120和第二活塞130。本发明相比于传统发动机其燃油经济性最大能提高30%。

进一步的，与传统设计不同的是，发动机100不需要扫气阀，也不需要缸盖。发动机100可能布置有曲轴箱515，燃烧室530，以及第二机体590。这种发动机的燃烧室530介于两对置活塞之间的区域。发动机100还可能有进气系统520和排气系统550。阀门600有进气侧525以及排气侧555。对置的第一活塞120和第二活塞130均有活塞端面542，正对着燃烧室530。

进一步的，这种发动机的一个重要特性是阀门600的布置（见图6）。阀门600可布置在第一活塞120和第二活塞130的中心位置。如果是这样，燃烧室通常也布置在两活塞中间。阀门600的设计要求能让燃油和空气顺利的进出燃烧室530。

进一步的，第一活塞120和第二活塞130会沿着中心线560做往复运动。中心线560与第二中心线570相垂直。

进一步的，阀门600可能布置在第一中心线560和第二中心线570的相交处。阀门600和燃烧室530布置在第一中心线560和第二中心线570的相交处能让机器运转平稳，降低振动对发动机性能的影响。

进一步的，发动机100可能还有进气系统520和排气系统550。进气系统520和排气系统550可布置在第二中心线570上或附近。进气系统520和排气系统550可能分别布置在进气侧525和排气侧555。

进一步的，更具体的，空气和燃油的进气口布置在第二中心线570与进气侧525的交点位置，而排气口则布置在第二中心线570与排气侧555的交点位置。这样的设计能极大的降低发动机振动和噪音。

如图7和8所示本发明一种对置活塞式发动机的第二实施例中旋转气缸的气阀示意图，第一阀门600A和第二阀门600B相邻布置，两阀门分别应用于两相邻气缸。为了方便，仅表示出两气缸的上半部分。点火器620穿过第一阀门600A和第二阀门600B进入气缸，方向与第一中心线560垂直。点火器620可按照实际要求，设计成点火装置140，火花塞126或其它结构。如果点火器620是一个点火装置140，点火装置140将与活塞顶面产生作用，形成火花，点燃燃烧室530。此外，点火器620也可能有一地极334结构，如果是这样，第一阀门600A和第二阀门600B均需要有绝缘材料与之对应。

进一步的，阀门600内部有空心结构。阀门可以设计成组装式或整体式的。阀门600应该设计成适合活塞和燃烧室的尺寸。阀门600可能与进气口520、排气口550，气缸，第二机体590，或其它发动机零部件集成设计。

进一步的，阀门600在第一中心线560的方向长度会比第二活塞侧长度要短。阀门600可以布置在燃烧室530内部或外部。

如图9所示本发明一种对置活塞式发动机的活塞及气阀的关系示意图，阀门600的第一级长度与活塞处上止点时两活塞距离相等、稍短或稍长均有可能，要看实际的设计。阀门600的第二级长度也可能比缸径稍大、稍小或相等。

进一步的，阀门600的设计要求能让燃油和空气顺利的进出燃烧室530。阀门600的材料可以是碳纤维钢或陶瓷复合钢，其操作方式也可以设计成不同种类。阀门600可能有一个或多个孔道，孔道的大小、形状、数量等可按实际要求设计成不同的类型。

进一步的，阀门600的开闭可以通过将阀门600平行于第一中心线560方向移动实现，也可以设计成通过让阀门600绕第一中心线560旋转，阀门600与进气口520、排气口550的对齐或错开，实现开闭。阀门600可能设计成能绕第一中心线560两个方向旋转的形式。

进一步的，阀门600还可设计成通过隔板控制开闭的形式（图中未表示出来），隔板通过电磁装置控制。阀门600可以通过电磁装置，齿轮传动机构，或其他结构驱动。如图8中，第一阀门600A和第二阀门600B均可通过多个电磁机构驱动控制开闭。

进一步的，图6、7和8表示的是一种对置活塞式发动机的模型。它的阀门600由电磁机构驱动。当给电磁铁580通电，阀门600开启，新鲜空气和燃油可通过阀门进入燃烧室530。之后电磁铁582通电，关闭阀门600，阻断进气和燃油。点火器620点燃缸内可燃混合气，完成做功循环。

进一步的，当发动机100进入排气冲程时，电磁铁584先通电，开启阀门600，废气从气缸进入排气道。排气冲程完成，电磁铁586通电，关闭阀门600。如图8、9所示，发动机100是一种四冲程发动机。

进一步的，如图9中所示的8缸对置活塞式发动机，发动机内部可能包含如下结构布置：第一对对置的第一活塞544A和第二活塞544B，第一阀门600A位于对置活塞的中间。第一阀门600A的进气侧525A和排气侧555A。另外，第二对对置的第三活塞546A和第四活塞546B，第二阀门600B，第二进气侧525B和第二排气侧555B。

进一步的，图9中，第一活塞544A和第二活塞544B处下止点位置，第一阀门600A处关闭状态，于此同时，第三活塞546A和第四活塞546B则处上止点位置，第二阀门600B处开启状态。当然，点火顺序也可以设计成别的形式。

如图10所示本发明一种对置活塞式发动机的活塞的内外气阀的剖视图，阀门600可能由内部阀门结构700和外部阀门结构710组成。内部阀门结构700含进气侧525C和排气侧555C。外部阀门结构710也有进气侧525D和排气侧555D。内部阀门结构700和外部阀门结构710协同工作，完成发动机进排气的控制。

进一步的，通常内部阀门结构700和外部阀门结构710当中的一个运动方向会与第一中心线560平行，并且它们其中的一个通过绕第一中心线560旋转关闭。同时内部阀门结构700或外部阀门结构710可以由电磁机构驱动。

如图11和12所示本发明一种对置活塞式发动机的第三实施例的四个气阀的示意图，在这种布置中，一驱动轴驱动一装置，该装置与第三阀门820齿轮啮合。第三阀门820也顺次与第四阀门830，第五阀门840和第六阀门850啮合。

进一步的，这种结构中，驱动轴可能与第一中心线560平行。整个驱动链通过齿轮传递动力。运转过程中，驱动机构810和第四阀门830,第六阀门850运动方向相同，与第三阀门820,第五阀门840运动方向相反。

进一步的，第三阀门820与第四阀门830，第五阀门840和第六阀门850啮合。内部均有一个孔，孔在发动机循环中处于预定的设计位置上。如图11所示，孔822可能与进气口520对齐，与此同时，孔842与排气口550对齐。这种情况下，第四阀门830对应的气缸处于压缩冲程，第六阀门850对应的气缸处于做功冲程。孔822，832，842和852可以设计成不同的形状和尺寸。同时，它们对应的气缸中心角通常介于30～70°之间，更具体的说，在60°左右。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的申请专利范围，所以凡运用本发明说明书及图示内容所做出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种对置活塞式发动机，其特征在于，包括旋转气缸、第一活塞、第二活塞、第一活塞头和第二活塞头，所述第一活塞和所述第二活塞对置设于所述旋转气缸中，所述旋转气缸的缸壁上设有开孔，各所述旋转气缸组成四冲程发动机，所述第一活塞头和所述第二活塞头分别对置安设于所述第一活塞和所述第二活塞的各自的轴上，各活塞头与各活塞之间分别设有垫块，所述旋转气缸的中间位置设有点火装置，所述第一活塞与所述第二活塞之间布置有阀门。

2.如权利要求1所述对置活塞式发动机，其特征在于，所述开孔覆盖的中心对应角度介于30°到70°之间且最理想的覆盖角度是60°左右。

3.如权利要求1所述对置活塞式发动机，其特征在于，所述第一活塞头和所述第二活塞头各自相对的端面上设有地极结构，所述地极结构布置于各活塞的中心位置。

4.如权利要求1所述对置活塞式发动机，其特征在于，所述点火装置与绝缘结构相连，所述点火装置和所述绝缘结构一起将所述旋转气缸一分为二。

5.如权利要求1所述对置活塞式发动机，其特征在于，一对对置齿轮通过连杆分别设于各所述旋转气缸的所述第一活塞和所述第二活塞的两端，所述对置齿轮上分别设有驱动齿轮。

6.如权利要求1所述对置活塞式发动机，其特征在于，所述垫块的材料为碳纤维结构钢或陶瓷复合钢。

7.如权利要求1所述对置活塞式发动机，其特征在于，所述第一活塞头和所述第二活塞头的材料为碳纤维结构钢或陶瓷复合钢。

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