CN104405498A - 一种变压缩比增容循环活塞式内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压缩比增容循环活塞式内燃机，压气气缸活塞机构将压气气缸内气体压缩，适时排向做功气缸，在做功气缸内爆燃，推动做功气缸活塞机构，提供驱动力，带动惯性飞轮转动，而惯性飞轮的转动惯性又带动下一次压气气缸内气体的压缩，在压气气缸、做功气缸和气缸连管上的各个用于与外界通气的气门外具有协同闭合控制机构。与现有技术相比，本发明提高了传统活塞式内燃机的热效率，用功率提高，节省燃料。

Description

一种变压缩比增容循环活塞式内燃机

技术领域

本发明涉及一种活塞式内燃机，特别是一种变压缩比增容循环活塞式内燃机。

背景技术

   目前，大多数汽车或相近领域机器设备用的内燃机，多数为活塞式的内燃机，普遍的是四冲程式，虽然内燃机的技术发展已经趋于成熟，并且运用广泛，但也一直存在内燃机热转换和机械能使用效率低的缺陷。奥托循环发动机，迪塞尔循环发动机，米勒循环发动机和阿特金森循环发动机，前两者热效率低，后两者结构复杂，重量大，升功率低；一般的汽油机的热转换率在35%左右，柴油机的热转换率在45%左右，机械能在各个机械结构内传递过程中的损失也占有相当大的比例。

在当今世界能源紧张的环境下，只要能针对内燃机中热能或机械能的使用低效问题加以改进，从而打到提高对燃料利用率，提高输出功率，必然会大大提升各个机械设备的功能，减少对燃料的消耗，达到保护环境的效果。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种可变压缩比增容循环提高燃料利用率和输出功率的活塞式内燃机。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种变压缩比增容循环活塞式内燃机，包括压气气缸和做功气缸，穿过压气气缸设置有压气气缸活塞机构，穿过做功气缸设置有做功气缸活塞机构，压气气缸活塞机构位于压气气缸外的部分以及做功气缸活塞机构位于做功气缸外的部分均为活动连杆结构；在压气气缸内远离压气气缸活塞机构的一端具有进气口以及用于封堵进气口的进气口气门，在做功气缸内远离做功气缸活塞机构的一端具有出气口以及用于封堵出气口的出气口气门，压气气缸和做功气缸之间由气缸连管连接，在气缸连管上设有连管闭合阀；在压气气缸和做功气缸外设置有曲轴机构，所述曲轴机构上具有与压气气缸活塞机构活动连接的第一曲柄结构，以及与做功气缸活塞机构活动连接的第二曲柄结构，所述第一曲柄结构和第二曲柄结构在围绕曲轴机构转动的方向上具有角度差；在曲轴机构上设置有惯性飞轮；分别设置用于适时调节进气口气门、出气口气门以及连管闭合阀的闭合控制机构；在所述压气气缸或做功气缸内设有喷油嘴，在做功气缸内设有火花塞。

作为更进一步的优选方案，所述压气气缸的容积小于做功气缸的容积，压气气缸活塞机构和做功气缸活塞机构的最大行程相同。

作为更进一步的优选方案，所述压气气缸活塞机构和做功气缸活塞机构相对于压气气缸和做功气缸处于同侧。

作为更进一步的优选方案，所述气缸连管的两个管口端分别处于压气气缸内进气口气门一端以及做功气缸内出气口气门一端。

作为更进一步的优选方案，连接所述气缸连管的连管闭合阀为两个，两个连管闭合阀分别布置在靠近气缸连管两端的位置，并分别设置在压气气缸和做功气缸内。

作为更进一步的优选方案，所述进气口气门和出气口气门为部分位于压气气缸和做功气缸外部的杆状结构；所述连管闭合阀为处于气缸连管截面处的活动挡片结构，连管闭合阀上具有导气孔；所述闭合控制机构又包括凸轮轴，以及分别对应进气口气门、出气口气门、连管闭合阀的进气口凸轮、出气口凸轮、连管凸轮，所述进气口凸轮和出气口凸轮在凸轮轴的转动方向上覆盖凸轮轴外围一周的180°，所述进气口凸轮和出气口凸轮在凸轮轴的转动方向上具有与第一曲柄结构和第二曲柄结构在曲轴机构的转动方向上相同度数的角度差，所述连管凸轮在凸轮轴的转动方向上实现控制连管闭合阀活动而转动形成的角度度数与上述角度差度数相同。

作为更进一步的优选方案，所述凸轮轴的端面具有与曲轴机构直径相同的皮带轮，在皮带轮与曲轴机构之间设置用于同步带动转动的皮带。

作为更进一步的优选方案，所述第一曲柄结构和第二曲柄结构在围绕曲轴机构转动方向上形成的角度差度数范围为20°-45°。

与现有技术相比，本发明的一种变压缩比增容循环活塞式内燃机，将以往内燃机中的四个冲程分到两个气缸内完成，主要将压缩气体的冲程和爆燃气体的冲程区分在两个气缸实施，还通过曲轴机构对两个缸内活塞进行同步控制，实现协同工作，主要具有以下有益效果：

1．双缸式的结构可以有效区分内燃机的压缩气体冲程和爆燃气体冲程，使负责吸气的缸内环境干净，没有多余的废气和油液，保证了气体被压缩后的纯度，高纯度的压缩气体在爆燃做功时可以使燃料更加充分的燃烧，提高了输出功率和热效率，避免了燃料的不充分燃烧，减少了废气的产生，从而达到节能环保的效果。       

2. 在双缸式的结构中，吸气缸不做功，从而温度较低，根据热胀冷缩的原理，可以保证吸入更多的新鲜气体，进气量大，进气效率高。

3. 第一曲柄结构和第二曲柄结构在曲轴机构转动方向上的角度差可以根据情况调节，从而直接影响压气气缸和做功气缸膨胀比和压缩，改变功率输出量。

4. 压气气缸的容积总是小于做功气缸的容积，导致做功时的膨胀比总是大于气体压缩比，这样做功冲程就可以做更多的功，也可以适应多种燃料混合使用的要求。

5. 闭合控制机构可以协同四个冲程进行控制气体的进出和两缸之间气体的传输，协同率高，使压气气缸和做功气缸内不会残留多余压缩气体和废气，提高功率输出，不会对后续做功产生影响。

6. 布置两个连管气门的目的是：当连管外的气压降低时，关闭连管气门可以使处于连管内的压缩空气不至于流失，以便下一个循环继续使用。

附图说明

   图1是排气冲程示意图；

图2是压缩冲程示意图；

图3是气缸连管连通时示意图；

图4是做功冲程示意图；

图5是吸气冲程示意图；

图6是凸轮轴结构示意图；

   其中，1-压气气缸，2-做功气缸，3-压气气缸活塞机构，4-做功气缸活塞机构，5-进气口气门，6-出气口气门，7-气缸连管，8-连管闭合阀，9-曲轴机构，10-第一曲柄结构，11-第二曲柄结构，12-惯性飞轮，13-喷油嘴，14-凸轮轴，15-进气口凸轮，16-出气口凸轮，17-连管凸轮，18-皮带。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选技术方案。

如图1所示，本发明的一种变压缩比增容循环活塞式内燃机，压气气缸活塞机构3在压气气缸1内进行活塞运动，做功气缸活塞机构4在做功气缸2内进行活塞运动，曲轴机构9同步控制压气气缸活塞机构3和做功气缸活塞机构4，第一曲柄结构10和第二曲柄结构11在围绕曲轴机构9转动的方向上具有角度差，惯性飞轮12在前次转动后提供惯性带动曲轴机构9转动，压气气缸1和做功气缸2之间由气缸连管7连接，在气缸连管7上有连管闭合阀8，压气气缸1上有进气口气门5，做功气缸2上有出气口气门6，闭合控制机构控制进气口气门5、出气口气门6和连管闭合阀8在适当的时候闭合通气；

具体的，所述压气气缸1的容积小于做功气缸2的容积；所述压气气缸活塞机构3和做功气缸活塞机构4相对于压气气缸1和做功气缸2处于同侧；

具体的，所述气缸连管7的两个管口端分别处于压气气缸1内进气口气门5一端以及做功气缸2内出气口气门6一端；连接所述气缸连管7的连管闭合阀8为两个，两个连管闭合阀8分别布置在靠近气缸连管7两端的位置，并分别设置在压气气缸1和做功气缸2内；

具体的，闭合控制机构可以为液压或电控系统控制，一般为凸轮转动顶起气门和闭合阀实现通气的的传动机构，因此，所述进气口气门5和出气口气门6为部分位于压气气缸1和做功气缸2外部的杆状结构，所述连管闭合阀8为处于气缸连管7截面处的活动挡片结构，连管闭合阀8上具有导气孔，导气孔供气缸连管通气；所述闭合控制机构又包括凸轮轴14，以及进气口凸轮15、出气口凸轮16、连管凸轮17，进气口凸轮15和出气口凸轮16转动接触进气口气门5和出气口气门6的端面，实现顶起，所述进气口凸轮15和出气口凸轮16在凸轮轴14的转动方向上覆盖凸轮轴14外围一周的180°，保证压气气缸1和做功气缸2内活塞走出最大行程，所述进气口凸轮15和出气口凸轮16在凸轮轴14的转动方向上具有与第一曲柄结构10和第二曲柄结构11在曲轴机构9的转动方向上相同度数的角度差，保证与两个气缸内气体压缩同步，所述连管凸轮17在凸轮轴14的转动方向上实现控制连管闭合阀8活动而转动形成的角度度数与上述角度差度数相同，保证气缸连管7不会在压缩冲程和排气冲程时打开；所述凸轮轴14与曲轴机构9直径相同，在凸轮轴14与曲轴机构9之间设置用于同步带动转动的皮带18，保证曲轴机构9和凸轮轴14转动的同步率；

具体的，所述第一曲柄结构10和第二曲柄结构11在围绕曲轴机构9转动方向上形成的角度差度数范围一般为20°-45°，这个数值范围控制空气压缩的程度，根据具体工况或发动机用途调节。压缩程度过大或过小会引起爆震或降低热效率。以下为本发明的工作流程：

本发明的一种变压缩比增容循环活塞式内燃机工作过程依旧由四个冲程组成：吸气冲程，压缩冲程，做功冲程，排气冲程。前两个冲程在压气气缸内完成，后两个冲程在做功气缸内完成。        

如图1所示，压气气缸活塞处于离气缸底部最远处，做功气缸活塞正在向气缸底部运动。压气气缸1吸气冲程结束即将进入压缩冲程，做功气缸2已经进入排气冲程；进气口气门5未处于被进气口凸轮15顶起状态，即进气口气门5处于关闭状态；而出气口凸轮16此时正顶起出气口气门6，即出气口气门6处于打开状态；连管凸轮17未顶起连管闭合阀8，连管闭合阀8上的导气孔未与气缸连管7连通，即气缸连管7处于关闭状态，由于第一曲柄结构10和第二曲柄结构11存在角度差，因此压气气缸活塞机构3与做功气缸活塞机构4在压气气缸1和做功气缸2内的行程位移有差距。

如图2所示，压气气缸活塞正向气缸底部运动，做功气缸活塞正处于气缸底部。压气气缸1正处于压缩冲程，且压缩冲程即将结束，做功气缸2已经结束排气冲程；进气口气门5依然处于关闭状态，压气气缸1内气体已被压缩，出气口气门6此时由打开状态变为关闭状态，做功气缸2内气体已排完，气缸连管7处于关闭状态。

如图3所示，此时，连管凸轮17顶起连管闭合阀8，连管闭合阀8上的导气孔与气缸连管7连通，气缸连管7处于打开状态，压气气缸1内的压缩气体逐渐进入气缸连管7和做功气缸2。

如图4所示，压气气缸活塞处于气缸底部，做功气缸活塞正向远离气缸底部的方向运动。压气气缸1内的压缩气体进入做功气缸2后，做功气缸2内发生喷油点火，产生推动力和废气，此时压气气缸1内的压缩气体已排完，进气口气门5处于被进气口凸轮15顶起状态，即进气口气门5处于打开状态，而出气口凸轮16此时未顶起出气口气门6，出气口气门6处于关闭状态，气缸连管7处于关闭状态，做功气缸2已经进入做功冲程，而压气气缸1即将进入吸气冲程。

如图5所示，做功气缸活塞处于距离气缸底部最远处，压气气缸正向远离气缸底部的方向运动。做功气缸2的做功冲程结束，而出气口气门6处于打开状态，即将已经进入排气冲程；进气口气门5处于被进气口凸轮15顶起状态，即进气口气门5处于打开状态，压气气缸1处于吸气冲程；连管凸轮17未顶起连管闭合阀8，气缸连管7处于关闭状态。

图1至图5即为一个完整的四冲程步骤，反复重复此循环，实现持续做功。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种变压缩比增容循环活塞式内燃机，其特征在于：包括压气气缸（1）和做功气缸（2），穿过压气气缸（1）设置有压气气缸活塞机构（3），穿过做功气缸（2）设置有做功气缸活塞机构（4），压气气缸活塞机构（3）位于压气气缸（1）外的部分以及做功气缸活塞机构（4）位于做功气缸（2）外的部分均为活动连杆结构；在压气气缸（1）内远离压气气缸活塞机构（3）的一端具有进气口以及用于封堵进气口的进气口气门（5），在做功气缸（2）内远离做功气缸活塞机构（4）的一端具有出气口以及用于封堵出气口的出气口气门（6），压气气缸（1）和做功气缸（2）之间由气缸连管（7）连接，在气缸连管（7）上设有连管闭合阀（8）；在压气气缸（1）和做功气缸（2）外设置有曲轴机构（9），所述曲轴机构（9）上具有与压气气缸活塞机构（3）活动连接的第一曲柄结构（10），以及与做功气缸活塞机构（4）活动连接的第二曲柄结构（11），所述第一曲柄结构（10）和第二曲柄结构（11）在围绕曲轴机构（9）转动的方向上具有角度差；在曲轴机构（9）上设置有惯性飞轮（12）；分别设置用于适时调节进气口气门（5）、出气口气门（6）以及连管闭合阀（8）的闭合控制机构；在所述压气气缸（1）或做功气缸（2）内设有喷油嘴（13），在做功气缸（2）内设有火花塞。

2.根据权利要求1所述的一种变压缩比增容循环活塞式内燃机，其特征在于：所述压气气缸（1）的容积小于做功气缸（2）的容积，压气气缸活塞机构（3）和做功气缸活塞机构（4）的最大行程相同。

3.根据权利要求2所述的一种变压缩比增容循环活塞式内燃机，其特征在于：所述压气气缸活塞机构（3）和做功气缸活塞机构（4）相对于压气气缸（1）和做功气缸（2）处于同侧。

4.根据权利要求3所述的一种变压缩比增容循环活塞式内燃机，其特征在于：所述气缸连管（7）的两个管口端分别处于压气气缸（1）内进气口气门（5）一端以及做功气缸（2）内出气口气门（6）一端。

5.根据权利要求2或3或4所述的一种变压缩比增容循环活塞式内燃机，其特征在于：连接所述气缸连管（7）的连管闭合阀（8）为两个，两个连管闭合阀（8）分别布置在靠近气缸连管（7）两端的位置，并分别设置在压气气缸（1）和做功气缸（2）内。

6.根据权利要求1所述的一种变压缩比增容循环活塞式内燃机，其特征在于：所述进气口气门（5）和出气口气门（6）为部分位于压气气缸（1）和做功气缸（2）外部的杆状结构；所述连管闭合阀（8）为处于气缸连管（7）截面处的活动挡片结构，连管闭合阀（8）上具有导气孔；所述闭合控制机构又包括凸轮轴（14），以及分别对应进气口气门（5）、出气口气门（6）、连管闭合阀（8）的进气口凸轮（15）、出气口凸轮（16）、连管凸轮（17），所述进气口凸轮（15）和出气口凸轮（16）在凸轮轴（14）的转动方向上覆盖凸轮轴（14）外围一周的180°，所述进气口凸轮（15）和出气口凸轮（16）在凸轮轴（14）的转动方向上具有与第一曲柄结构（10）和第二曲柄结构（11）在曲轴机构（9）的转动方向上相同度数的角度差，所述连管凸轮（17）在凸轮轴（14）的转动方向上实现控制连管闭合阀（8）活动而转动形成的角度度数与上述角度差度数相同。

7.根据权利要求6所述的一种变压缩比增容循环活塞式内燃机，其特征在于：所述凸轮轴（14）的端面具有与曲轴机构（9）直径相同的皮带轮，在皮带轮与曲轴机构（9）之间设置用于同步带动转动的皮带（18）。

8.根据权利要求1所述的一种变压缩比增容循环活塞式内燃机，其特征在于：所述第一曲柄结构（10）和第二曲柄结构（11）在围绕曲轴机构（9）转动方向上形成的角度差度数范围为20°-45°。