CN103244262A - 无曲轴开放式排气单冲程活塞式柴油发动机 - Google Patents

Abstract

我们申报的发明专利是在我们申报的国家知识产权局专利局已经公开的，申请号：201210339553.O的基础上研发的。发明名称是无曲轴开放式排气活塞式柴油发动机。为了适应柴油发动机压燃的需要，我们在原来的基础是适度的加大了密封区的长度，满足柴油发动机压燃的要求。密封区的长度应该能满足喷入高压空气和油料以及压燃两项工作程序的要求。我们把轮辐上的燃烧室由方形改为圆形，把实底改为贯通的。为了满足压燃的需要，我们提出了二次压缩的新概念。并设计出了二次压缩活塞。把二次压缩活塞安装在贯通的燃烧室下部，二次压缩活塞的适时向上运动就能实现压燃。为了实现适时准确的压燃的需要我们在左缸盖和右缸盖上设计了供二次压缩活塞上的小轴运行的轨道槽。我们的发明方案它具有节能减排、功率大噪音低、低转速、应用范围广等技术优势。它在直升飞机方面有光明的应用前景。

Description

无曲轴开放式排气单冲程活塞式柴油发动机

技术领域

本发明涉及一种发动机。具体的说它涉及一种应用范围很广的柴油发动机。 

背景技术

在发动机领域内，柴油发动机因为它的技术效益高的技术优势，使它在发动机领域占有非常重要的地位。然而复杂的曲柄连杆机构和进排机构却限制了它的发展。我们却从圆周运动的角度，似乎找到了理想的解决方案。 

发明内容

本发明是在我们2012年提出申请的，国家知识产权局已经在发明51期2012-12-19上公开。它的申请号是201210339553.0；发明名称是无曲轴开放式排气单冲程活塞式发动机的基础上研发的。具体的内容如附图所示。 

我们为了保证压燃过程的完成；我们有意识的增加了两缸之间的密封区的长度。其长度应该能保证轮辐上的燃烧室在经过密封区时，有时间完成向燃烧室内喷入高压空气和柴油，以及二次压缩燃烧两项工作程序。 

我们为了达到压燃的目的，对申请号为201210339553.0的发明方案中的轮辐上的燃烧室进行了较大的改进。第一把 园角的方形改为圆形。第二把实底改为贯通的。并在其中安装了二次压缩活塞。用来适时的在密封区内完成压燃的工作程序。 

为了完成二次压缩工作，我们特别设计了如附图5所示的二次压缩活塞。 

同样为了适时的进行二次压缩工作，我们在柴油发动机的机盖上设计了如附图2中数字10所示的曲线轨道。它用来使如附图5所示的二次压缩活塞上的小轴16在其中运行完成二次压缩工作。 

本发明有以下有益效果 

1，本发明方案有大幅节能的性能 

我们的发明方案和国外研发成功的三角活塞发动机一样；它摒弃了传统发动机复杂的进排气门机构。采用了如附图1中7所示的开放式排气孔。使排气阻力几乎为零。大幅的减少排气负功损失。从而实现大幅节能。 

2，本发明方案有省油的优良性能。 

我们的发明方案和我们的申请号为201210339553.0的发明方案一样把压缩行程的工作改在发动机外独立进行。这就是说我们可以实现通过喷入压缩空气的形式；把发动机外压缩工作所消耗的能量转化到缸内作功达到省油的目的。因为我们是压燃的柴油发动机，如果我们适度的提高发动机外的压缩工作的空气压力，不但能使二次压缩的压燃工作变得更加 容易。而且因为压力的提高可以节省更多的油料消耗。 

3，本发明方案有大幅减少空气污染性能 

因为我们的发明方案有大幅节能和省油的性能，所以大幅度的减少污染物的排放是必然的。从而减少困扰大城市的污染物PM2.5成为可能。 

4，输出功率大 

我们的发明方案机体是圆形结构，适度的增加缸体的直径就可以增加发动机的缸数。缸数可以是奇数也可以是偶数，而且全部缸体都是作功缸。主轴转动一周全部缸体的作功次数是缸体数的平方数。就是说如果安排为六缸，主轴转动一周活塞共作功36次。可以想象输出功率是非常大的。 

5，超低的低转速 

我们都知道活塞式发动机活塞运动的平均速度大约9-16m，每秒，这就是说如果我们适度的加大机体的直径，活塞沿着周边缸体运动一周运动所需时间越长。发动机的转速就越低。我们估算如果缸体直径加大到1.2m左右发动机的转速可以降低到每分钟300转上下。 

6，应用范围广 

它的低转速和大功率性能开辟了它在航空领域应用的光明前景。 

在教科书汽车发电机原理教程第10页表1-2中列出活塞式发动机的转速是9-16m/s。据此推论我们的发明同样活塞式发 动机它的转速也应该在这样的范围之内。那就可以结论：我们的发明方案机体直径越大转速越低。 

据此我们的发明方案可用加大直径的办法增加排量和提高输出功率。以适应航空事业的需要。我们都知道现在空中绝大部分使用喷气式发动机。它的巨大优势是功率大。缺点是耗油量太大。在航空概论一书107页第4行这样叙述：往复式活塞发动机的主要优点是效率高，耗油低。我们的发明项目耗油量更低，功率虽然达不到战斗机的要求；但是在侦察机和运输机特别是直升机上应用还是可以满足的。 

专业人士都知道，活塞式发动机的活塞运动的平均速度大约为9-16m/秒。圆形发动机活塞沿园周运行一周带动主轴旋转360度。所以圆形发动机的直径越大它的转速越低。我们可以用增加发动机直径的办法降低发动机的转速以适应航空事业的需要。首先看它在直升飞机上应用的可能性：直升飞机因旋翼的转速较慢，大概只有每分钟不到300转。如此看来转速非常高的喷气式发动机并不是非常适用；如航空概论一书第121页中这样叙述：“自由涡轮轴转速和旋翼转速相差很大。在这种条件下传递功率要有专门的减速器组件；直升飞机主减速器就是用于这个目的的，该附件是独立的，未列入发动机结构，传动比为20∶1至50∶1。发动机功率提高将相应地引起减速器组件重量的增加，因此革新减速器组件是提高发动机性能的一个重要途径”。革新减速器组 件都很重要；那么我们的发明方案能屏弃减速不是更重要吗？我们再从输出功率的角度来论证；据了解直升飞机的起飞重量大致是每吨250kw左右；美国约翰·迪尔公司用只有三缸的无曲轴方案开发出2140kw四冲程的旋转活塞发动机；在不考虑排量的情况下，我们只改四冲程为两冲程就可使输出功率达4000kw以上。所以在航空一书的112页这样说“这种发动机的研制成功为旋转活塞发动机应用於直升飞机和小型飞机上开辟了光明前景“那么我们的发明方案输出功率更大转速更低。它的前景不是更光明吗。其次它在大型亚音速飞机上应用也有一定的空间。如果我们把单机直径加大到1.2m缸数增加到10个。输出功率达到10000kw也不困难。再考虑双机串联等措施；解决我国在大型飞机上安装“中国蕊”的理想也是有可能实现的。 

7，噪音低使它在水下也有良好的应用前景。 

我们的发明方案因为摒弃了曲柄连杆所以运行起来噪声能够大幅度的降低是不争的事实。 

功率大体积小特别是噪音低，使它在潜艇上的应用也有广大空间。在潜艇上应用它的要求应该是功率大，转速低，噪音小。如前所述在大功率上肯定不成问题。在转速上我估计潜艇的浆叶在水中运行；也不会是高速的。所以我们的发明方案在大海中也可能有很大的发展前途。另外在潜艇上应用本 明方案因为它有噪音低，和不同的全新的噪音频谱；而更适合军用潜艇反侦察的需要。 

8，我们的发明方案可能产生巨大的社会效益 

它的社会效益的产生应该是因为它有广泛的应用前景试想如果我国的大型飞机和直升飞机都能安装上功率大节能环保的“中国芯”它的国际影响和社会效益是会非常大的。至于它可能产生的经济效益更是非常明显的。他主要依靠的是我们的发明方案具有“节能”和“省油”两方面的优异性能。我们保守的估计如果达到节10％省10％。全国假定有5000万辆汽车换上中国芯。我们粗略的估计每天每台车耗油量为15升一天耗油75000万升。它的20％是15000万升大约135000吨。这样一年365天大约可节省5000万吨油料。可能是两三个大型油田的产量。这种减少大量进口石油从而产生的社会效益也是非常大的。 

我们的发明方案可能产生的又一个社会效益是大量减少能源消耗促进社会的科学发展和可持续发展。 

世界上的石油储量是有限的。减少石油的消耗量，能实现可持续发展这是不言而谕的问题。 

它的另一项可能产生的社会效益是减少尾气对空气的污染。我们的发明方案是一种可以高压空气作动力，同时可以方便的变换成用燃油或其他燃料作动力。比如在速度要求不高或车辆太多无法高速行驶，路面又比较平缓的地段可以使用高 压空气作动力。如果在路面较差或速度要求较高的地段就转换为燃油作动力。这就是说用压缩空气作动力完全没有污染空气的尾气排放。使用燃油作动力时，较大幅度的节油和“省”油必将大幅度的减少尾气排放。我们认为如果在向北京这样的车辆非常多，路面比较平整，车速不高的大城市；如果在车辆上采用我们的新技术；由此产生的改善城市空气质量，特别减少pm2.5的排放，必将产生积极的有效的作用。这一项改善人民生活环境，维护人民身体健康的社会效益是巨大的不容忽视的。 

附图说明

图1：柴油发动机机体示意图。 

图2：柴油发动机左机盖示意图。 

图3：柴油发动机右机盖示意图。 

图4：柴油发动机轮辐示意图。 

图5：柴油发动机二次压缩活塞示意图。 

图6：柴油发动机作功活塞示意图。 

图7：柴油发动机组装示意图。(同时作说明书摘要附图) 

各附图中的数字代表如下意义 

1，机体  2，密封条槽  3，高压空气喷入孔(柴油喷入孔和高压空气喷入孔沿轴向并列)  4，两缸之间的密封区  5，缸体的曲线部分  6，缸盖  7，开放式排 气孔  8，运行密封圈  9，作功活塞上的小轴运行轨道  10，二次压缩活塞是的小轴运行轨道11，缸盖剖视图  12，柴油发动机主轴孔13，柴油发动机轮辐  14，作功活塞径向运行轨道15，燃烧室  16，二次压缩活塞运行空间17，圆形密封圈  18，轮辐的侧视图19，二次压缩活塞  20，活塞环槽21，推动二次压缩活塞运动的小轴22，二次压缩活塞侧视图  23，作功活塞顶24，油孔  25，小轴套  26，作功活塞底座上的小轴27，活塞顶插入底座部分  28，弹簧  29，底座油孔30，作功活塞侧视图  31，作功活塞底座32，和缸体接触可转动小轴  33，轮辐旋转方向34，密封条和弹簧片槽  35，轴套 

具体实施方式

在附图7中我们假定轮辐18正在沿箭头33所指的方向运转；当燃烧室15的运行方向的后沿进入两缸之间的密封区时，由高压空气喷入孔3和与其并列的喷油孔先后喷入高压空气和柴油。轮辐继续沿箭头33所指的方向运行；当燃烧室15的后沿和高压空气喷入孔3脱离接触后，由于轮辐的运动二次压缩活塞上的小轴34在机盖上小轴34的运行槽体10的作用下迅速向上运动；对燃烧室15中的混合气进行 二次压缩，使混合气温度升高燃烧。轮辐继续运行，作功活塞30通过密封区进入作功的缸体。这时作功活塞在离心力和机盖上的运行轨道9的共同作用下，沿径向向上运动这时作功顶部的小轴在在作功活塞底座中安装的弹簧28的作用下和缸体顶部保持密切接触。随着轮辐的继续运动，设置在作功活塞运动方向后的燃烧室也进入缸体区。这时从燃烧室中释放出的高温高压气体推动作功活塞迅速沿箭头33所示的方向转动，同时代动轮辐13转动并通过安装在轴孔12中的主轴对外输出动力。与此同时作功活塞运行方向前通过开放的排气孔7排出前一个行程残余的废气。随着作功活塞的继续运动；很快就进入密封区。活塞后面的完成作功任务的废气从开放的排气孔7耗无阻力的自行排出。作功活塞继续运动，当它和后面的燃烧室都进入密封，区时就开始下一个行程的工作。 

Claims (6)

1.一种无曲轴开放式排气单冲程活塞式柴油发动机，该机包括机体、左缸盖、右缸盖、轮辐、作功活塞、和二次压缩活塞。

2.根据权利要求1所述的无曲轴开放式排气单冲程活塞式柴油发动机，其特征是机体上加工有奇数个数或偶数个数的曲线形缸体，在两缸之间加工有密封区，在密封区的前后加工有可安装密封条的槽体，在机体上加工有开放式排气孔，在机体上还加工有高压空气喷入孔和柴油喷入孔。

3.根据权利要求1所述的无曲轴开放式排气单冲程活塞式柴油发动机，其特征是在左缸盖和右缸盖上加工有供轮辐上的圆形密封圈运行的圆形密封槽，在左缸盖和右缸盖上还加工有供作功活塞上的小轴运行的曲线形槽体，该槽体的形状应该保证作功活塞沿径向运动时作功活塞顶部和缸体顶部密切接触，在左缸盖和右缸盖上还加工有供二次压缩活塞上的小轴运行的曲线形槽体，该槽体的形状应该保证二次压缩活塞的运动量能使燃烧室中的混合气适时压燃的需要。

4.根据权利要求1所述的无曲轴开放式排气单冲程活塞式柴油发动机，其特征是在轮辐上加工有圆形的密封圈，它嵌入缸盖上相应的槽体中实现缸体的良好的密封，在轮辐上还加工有和缸体数相等的径向槽体，供作功活塞作径向运动使用，在轮辐上还加工有和缸体数相等的燃烧室，为了实现二次压缩，在燃烧室下部加工有圆形的贯通的二次活塞运行轨道。

5.根据权利要求1所述的无曲轴开放式排气单冲程活塞式柴油发动机，其特征是所述的作功活塞分上、下两部分，上部活塞顶上加工有上下贯通的润滑油通道，上部加工有圆形槽体。为减少运行阻力在槽体中安装有可旋转的小轴，在活塞顶上运行方向的两侧加工有供安装实现密封的密封条和弹簧片的长条形槽体，在活塞顶的下部还安装有供和作功活塞底座连接的中间有贯通油道的圆柱体。作功活塞的下部我们称作功活塞底座，在底座上加工有供安装活塞顶部和弹簧的圆柱形槽体，在下部还加工有油孔。在活塞底座的运行方向两侧还安装或加工有圆形小轴，为了减少运行阻力在小轴上安装有可转动的圆形轴套。

6.根据权利要求1所述的无曲轴开放式排气单冲程活塞式柴油发动机，其特征是在轮辐上的燃烧室下部安装有二次压缩活塞，在所述的二次压缩活塞上部加工有活塞环槽，在二次压缩活塞运行方向两侧还加工或安装有在缸盖上相应的曲线轨道中运行的小轴，为了减少运行阻力在小轴是安装有可转动的轴套，在特殊设计的曲线中运行应该保证二次压缩活塞的运动行程；能压缩燃烧室中的混合气实现压燃的需要。

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