CN104481680B - 双缸二冲程环缸发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双缸二冲程环缸发动机，属于发动机技术领域。本发明包括：两个相对设置的内腔制作成圆环形曲面的气缸，气缸的两端留有活塞入口，两个气缸之间设置有中心轴，两个双头活塞，双头活塞包括活塞臂，活塞臂的两端固定有活塞头，活塞臂铰接在所述的中心轴上，气缸内两个相对的活塞头之间形成密封的燃烧室，还包括一个曲轴，活塞臂与曲轴的曲拐之间铰接有连杆，曲轴、连杆、活塞臂与中心轴构成使两个双头活塞同步摆动、且活塞头在内、外止点之间绕中心轴往复转动的曲柄摇杆机构；本发明有效降低活塞与缸套的磨损和冲击，大大提高陶瓷材料应用在发动机上的可靠性，提高实际热效率。

Description

双缸二冲程环缸发动机

技术领域

本发明涉及一种二冲程的环缸发动机，属于发动机技术领域。

背景技术

在发动机领域已知，奥托热力循环包括两个等容吸热、放热过程，两个绝热压缩、膨胀过程，以压缩比10为例，理论热效率约60%。汽油机是近似遵循奥托循环的内燃发动机，实际热效率约30%；狄塞尔热力循环包括一个等压吸热过程，一个等容放热过程，两个绝热压缩、膨胀过程，以压缩比20为例，理论热效率约58%。柴油机是近似遵循狄塞尔循环的内燃发动机，实际热效率约35%。

由此可见，无论是汽油机还是柴油机，实际热效率比理论热效率都低很多，造成这种现象的主要原因之一是与高温燃气直接接触的缸套、活塞等零部件是由绝热效果较差的金属材料制造，金属材料持续可靠的工作需要依靠冷却系统不断的冷却其从密闭燃烧室吸取的热能。陶瓷材料是一种绝热效果较好的材料，缸套、活塞等零部件与高温燃气直接接触的部分如果使用陶瓷材料制造便可提高实际热效率，但是因为陶瓷材料的脆性而导致的低可靠性成为其应用在发动机上的技术障碍。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种环缸发动机，有效降低活塞与缸套的磨损和冲击，大大提高陶瓷材料应用在发动机上的可靠性，提高实际热效率。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种双缸二冲程环缸发动机，它包括：

两个相对设置的气缸，气缸的内腔制作成圆环形曲面，所述圆环形曲面是指：平面内一圆绕该平面内一轴线旋转所形成的空间曲面，平面内的该圆叫做圆环形曲面的创成圆，轴线叫做创成轴线，创成圆圆心至创成轴线的垂直距离叫做创成半径；气缸的两端留有活塞入口，

两个气缸之间设置有中心轴，中心轴的轴线与所述创成轴线重合；

两个成对设置的与所述的气缸配合的双头活塞，每个双头活塞包括活塞臂，活塞臂的两端固定有活塞头，活塞臂的中部伸出有铰接端铰接在所述的中心轴上，所述的活塞头的外侧面制作成与气缸的内腔适配的圆环形曲面，该圆环形曲面与气缸内腔的圆环形曲面的创成轴线重合、创成半径相等，活塞头从每个气缸的两端伸入，气缸内两个相对的活塞头之间形成密封的燃烧室，所述的气缸的内腔和活塞头的外侧面之间留有既能保证活塞运动又能保证燃烧室密封的微小间隙，气缸的排气孔和进气孔成对布置在气缸壁上，排气孔和进气孔的位置在活塞外止点处的活塞头内端面与内止点处的活塞头外端面之间的范围；

一个曲轴，所述的两个双头活塞的活塞臂与曲轴的曲拐之间铰接有连杆，曲轴、连杆、活塞臂与中心轴构成使两个双头活塞同步摆动、且活塞头在内、外止点之间绕中心轴往复转动的曲柄摇杆机构。

所述的活塞头、气缸与高温燃气直接接触的部分采用陶瓷材料。

所述的双头活塞是无裙部活塞，即活塞导向端与活塞密封端分离，所述的活塞密封端即所述的圆环形曲面形状的活塞头，所述的活塞导向端用中心轴替代导向裙部。

所述的两个双头活塞的活塞臂上各有两个铰接点，两个铰接点沿两个活塞头外端面之间的对称面对称设置，每个铰接点对应一个或一对连杆连接至所述的曲轴上，每个连杆对应一个曲拐，双铰接点及与其适配的连杆机构作为导向机构。

所述的两个双头活塞分别是靠近所述的曲轴的双头活塞A和远离曲轴的双头活塞B，所述的两个铰接点在双头活塞A上为铰点C和铰点D、在双头活塞B上为铰点A和铰点B，在铰点A上有销轴A，销轴A的两端通过一对连杆A铰接在曲轴上，在铰点B上有销轴B，销轴B的两端通过一对连杆B铰接在曲轴上，在铰点C上有销轴C，销轴C的两端通过一对连杆C铰接在曲轴上，在铰点D上有销轴D，销轴D通过一个连杆D铰接在曲轴上，销轴A、销轴B、销轴C和销轴D的轴线均与中心轴平行，且销轴A的长度最长、销轴B短于销轴A、销轴C短于销轴B，销轴D短于销轴C，故在曲轴上两个连杆A的曲拐处在最外端，连杆D的曲拐处在中间。

所述的气缸的外部固定有导向块，导向块具有与双头活塞运动圆轨迹相适应的内圆弧面，所述的活塞臂上具有弧形导向块，弧形导向块的外侧具有与导向块的内圆弧面相适配的外弧面。

所述的活塞臂为双层板状结构，每层板状结构为扇形，扇形的窄端中部连接所述的铰接端。

所述的两个气缸通过缸体连为一体，缸体的中部设有活塞铰接腔和轴腔，所述的双头活塞的铰接端置于所述的活塞铰接腔内，所述的中心轴同时穿过所述的轴腔和铰接端。

本发明的有益效果是：本发明将受力作用点由高温、高压和高速的活塞与缸套往复作用区域转移到其它低温易润滑区域，实现活塞与气缸之间除活塞环背压以外无其它作用力存在，实现使用陶瓷材料制造的缸套、活塞等零部件只承受高温燃气的压力载荷，实现在不增加陶瓷材料韧性和制造成本的前提下提高其可靠性及使用寿命，因此具有如下优点：

1. 与现有技术相比，本发明连杆与活塞直接连接，连杆的压缩刚度相对于活塞臂的弯曲刚度大非常多，连杆与活塞臂共同承担气体压力可有效保证活塞偏离运动轨迹小于0.1mm，因此本发明在实际中能真正有效降低活塞与缸套的摩擦和冲击，活塞与缸套之间除活塞环背压以外无其他作用力存在，与高温燃气直接接触的缸套、活塞等零部件可以使用陶瓷材料制造，大幅度提高了热效率。

2.降低了活塞与缸套之间摩擦损失，且整个机构中所有的摩擦表面都处于低温易润滑环境中，提高了机械效率。

3.陶瓷材料的应用提升了气缸内燃烧温度，爆发出更大的缸压，提升了功率和扭矩。

4.活塞与缸套之间摩擦力仅由活塞环背压决定，可大幅度提高发动机极限转速。

5.旋转形式的发动机相对于直线往复发动机更能有效利用空间，体积相对较小。

6.相对于传统二冲程发动机，本发明进气孔和排气孔分别位于气缸两侧，直流扫气方式可最大限度的降低气缸内残余废气量。

7、一个气缸具有两个对置活塞，两个对置活塞同时做功，作用力相互抵消，整机平衡性好，振动小。

8、一个气缸具有两个对置活塞，活塞线速度相对于传统发动机活塞线速度减小一倍，可有效降低活塞与缸套的摩擦损失。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明主视图；

图2是图1的左视图；

图3是本发明结构原理图（上方的气缸两活塞头处在外止点位置）；

图4是图2的A-A剖视图（上方的气缸两活塞头处在内止点位置）；

图5是图1的俯视图；

图6是图5去掉气缸之后的视图；

图7是图1的B-B剖视图；

图8是图1的C-C剖视图；

图9是本发明另一种实施例的结构示意图；

图10是发明气缸和缸体结构示意图；

图11是图10的左视图；

图12是本发明双头活塞结构示意图；

图13是图12的左视图。

图中，1、气缸，2、排气孔，3、双头活塞，3a、双头活塞A，3b、双头活塞B，4、曲轴，5、活塞臂，5-1、外弧面，6、活塞头，6-1、外侧面，6-2、活塞头外端面，6-3、活塞头内端面，7、铰接端，8、中心轴，9、进气孔，10、燃烧室，11a、销轴A，11b、销轴B，11c、销轴C，11d、销轴D，12、连杆，12a、连杆A，12b、连杆B，12c、连杆C，12d、连杆D，13、导向块，14、缸体，14-1、活塞铰接腔，14-2、轴腔。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3、图4所示，一种双缸二冲程环缸发动机，它包括：

两个相对设置的气缸1，气缸1的内腔制作成圆环形曲面，所述圆环形曲面是指：平面内一圆绕该平面内一轴线旋转所形成的空间曲面，平面内的该圆叫做圆环形曲面的创成圆，轴线叫做创成轴线，创成圆圆心至创成轴线的垂直距离叫做创成半径；气缸1的两端留有活塞入口，

两个气缸1之间设置有中心轴8，中心轴的轴线与所述创成轴线重合；

两个成对设置的与所述的气缸1配合的双头活塞3，每个双头活塞包括活塞臂5，活塞臂的两端固定有活塞头6，活塞臂的中部伸出有铰接端7铰接在所述的中心轴8上，所述的活塞头6的外侧面6-1制作成与气缸1的内腔适配的圆环形曲面，该圆环形曲面与气缸1内腔的圆环形曲面的创成轴线重合、创成半径相等，活塞头6从每个气缸的两端伸入，气缸内两个相对的活塞头之间形成密封的燃烧室10，所述的气缸1的内腔和活塞头6的外侧面之间留有既能保证活塞运动又能保证燃烧室密封的微小间隙，连杆与活塞臂共同承担气体压力可有效保证活塞偏离运动轨迹小于0.1mm，气缸的排气孔2和进气孔9成对布置在气缸壁上，排气孔和进气孔的位置在活塞外止点处的活塞头内端面6-3与内止点处的活塞头外端面6-2之间的范围。

一个曲轴4，所述的两个双头活塞3的活塞臂5与曲轴的曲拐之间铰接有连杆12，曲轴、连杆、活塞臂与中心轴8构成使两个双头活塞同步摆动、且活塞头在内、外止点之间绕中心轴往复转动的曲柄摇杆机构；

所述的活塞头6、气缸1与高温燃气直接接触的部分采用陶瓷材料。

所述的双头活塞是无裙部活塞，即活塞导向端与活塞密封端分离，所述的活塞密封端即所述的圆环形曲面形状的活塞头，所述的活塞导向端用中心轴8替代导向裙部。将受力作用点由高温、高压和高速的活塞与缸套往复作用区域转移到其它低温易润滑区域。其效果是：发动机转速4000r/min时，传统曲柄滑块机构最大侧向力3500N，活塞速度16m/s，活塞与缸套之间的磨损、密封、漏气、机械噪声等问题随之而来。而本发明的活塞拥有独特设计：导向与密封分离，导向端承受全部载荷且处于低温易润滑区域，密封端无载荷且处于高温区域，上述问题可得到良好的解决。往复直列4缸1.8L最大输出扭矩：175Nm@4000r/min，最大输出功率：90KW@5500r/min，制约最大扭矩时刻4000r/min上升的主要因素之一是活塞与缸套的磨损，该时刻以后发动机会主动降低喷油量来减小磨损。曲柄摇杆机构的活塞导向机构处于低温易润滑环境，该处转动副的压力润滑方式已经相当成熟，磨损量很小，因此最大扭矩对应的转速时刻可以延伸至5500r/min左右。

所述的两个双头活塞3的活塞臂5上各有两个铰接点，两个铰接点沿两个活塞头外端面之间的对称面对称设置，每个铰接点对应一个或一对连杆连接至所述的曲轴上，每个连杆对应一个曲拐，双铰接点及与其适配的连杆机构作为导向机构。

如图1、图4、图6所示，所述的两个双头活塞3分别是靠近所述的曲轴的双头活塞A3a和远离曲轴的双头活塞B3b，所述的两个铰接点在双头活塞A上为铰点C和铰点D、在双头活塞B上为铰点A和铰点B，在铰点A上有销轴A11a，销轴A的两端通过一对连杆A12a铰接在曲轴上，在铰点B上有销轴B11b，销轴B的两端通过一对连杆B12b铰接在曲轴上，在铰点C上有销轴C11c，销轴C的两端通过一对连杆C12c铰接在曲轴上，在铰点D上有销轴D11d，销轴D通过一个连杆D12d铰接在曲轴上，每对连杆均对称布置在气缸的两侧，销轴A、销轴B、销轴C和销轴D的轴线均与中心轴平行，且销轴A的长度最长、销轴B短于销轴A、销轴C短于销轴B，销轴D短于销轴C，故在曲轴上两个连杆A的曲拐处在最外端，连杆D的曲拐处在中间，这种设计能有效防止运动的干涉。

如图9所示，所述的气缸的外部固定有导向块13，导向块具有与双头活塞运动圆轨迹相适应的内圆弧面，所述的活塞臂5上具有弧形导向块5-1，弧形导向块5-1的外侧具有与导向块的内圆弧面相适配的外弧面。此时每个活塞臂5上的铰接点可以只有一个。

所述的活塞臂5为双层板状结构，每层板状结构为扇形，扇形的窄端中部连接所述的铰接端7。活塞臂5也可以采用其它形状，最好是对称形式，只要便于铰接点的布置和不影响活塞运动即可。

所述的两个气缸1通过缸体14连为一体，缸体14的中部设有活塞铰接腔14-1和轴腔14-2，所述的双头活塞的铰接端7置于所述的活塞铰接腔14-1内，所述的中心轴8同时穿过所述的轴腔14-2和铰接端7。

环缸二冲程工作原理：

本发明曲柄摇杆机构中，连杆12a和连杆12c对应的曲轴曲拐相差一相位角，该相位角确保同一气缸内两个活塞头相反运动；连杆12b和连杆12d对应的曲轴曲拐相差一相位角，该相位角确保同一气缸内两个活塞头相反运动；曲轴旋转一圈（360度）完成一个周期，完成气体的压缩与膨胀。吸气口与排气口分别布置在气缸的侧面，即两侧和\或外周面侧，直流扫气方式最大限度的降低气缸内残余废气量。当其中一个外活塞处于外止点时刻，其所在气缸的吸气口与排气口开启，瞬间完成换气过程，同排量的二冲程功率可以做到四冲程功率的1.7倍左右。

Claims (7)

1.一种双缸二冲程环缸发动机，其特征在于：它包括：

两个相对设置的气缸（1），气缸（1）的内腔制作成圆环形曲面，所述圆环形曲面是指：平面内一圆绕该平面内一轴线旋转所形成的空间曲面，平面内的该圆叫做圆环形曲面的创成圆，轴线叫做创成轴线，创成圆圆心至创成轴线的垂直距离叫做创成半径；气缸（1）的两端留有活塞入口，

两个气缸（1）之间设置有中心轴（8），中心轴的轴线与所述创成轴线重合；

两个成对设置的与所述的气缸（1）配合的双头活塞（3），每个双头活塞包括活塞臂（5），活塞臂的两端固定有活塞头（6），活塞臂的中部伸出有铰接端（7）铰接在所述的中心轴（8）上，所述的活塞头（6）的外侧面（6-1）制作成与气缸（1）的内腔适配的圆环形曲面，该圆环形曲面与气缸（1）内腔的圆环形曲面的创成轴线重合、创成半径相等，活塞头（6）从每个气缸的两端伸入，气缸内两个相对的活塞头之间形成密封的燃烧室（10），所述的气缸（1）的内腔和活塞头（6）的外侧面之间留有既能保证活塞运动又能保证燃烧室密封的微小间隙，气缸的排气孔（2）和进气孔（9）成对布置在气缸壁上，排气孔和进气孔的位置在活塞外止点处的活塞头内端面（6-3）与内止点处的活塞头外端面（6-2）之间的范围；

一个曲轴（4），所述的两个双头活塞（3）的活塞臂（5）与曲轴的曲拐之间铰接有连杆（12），曲轴、连杆、活塞臂与中心轴（8）构成使两个双头活塞同步摆动、且活塞头在内、外止点之间绕中心轴往复转动的曲柄摇杆机构；

所述的气缸的外部固定有导向块（13），导向块具有与双头活塞运动圆轨迹相适应的内圆弧面，所述的活塞臂（5）上具有弧形导向块（5-1），弧形导向块（5-1）的外侧具有与导向块的内圆弧面相适配的外弧面。

2.根据权利要求1所述的双缸二冲程环缸发动机，其特征在于：所述的活塞头（6）、气缸（1）与高温燃气直接接触的部分采用陶瓷材料。

3.根据权利要求1所述的双缸二冲程环缸发动机，其特征在于：所述的双头活塞（3）是无裙部活塞，即活塞导向端与活塞密封端分离，所述的活塞密封端即所述的圆环形曲面形状的活塞头，所述的活塞导向端用中心轴（8）替代导向裙部。

4.根据权利要求1或3所述的双缸二冲程环缸发动机，其特征在于：所述的两个双头活塞（3）的活塞臂（5）上各有两个铰接点，两个铰接点沿两个活塞头外端面之间的对称面对称设置，每个铰接点对应一个或一对连杆连接至所述的曲轴上，每个连杆对应一个曲拐，双铰接点及与其适配的连杆机构作为导向机构。

5.根据权利要求4所述的双缸二冲程环缸发动机，其特征在于：所述的两个双头活塞（3）分别是靠近所述的曲轴的双头活塞A（3a）和远离曲轴的双头活塞B（3b），所述的两个铰接点在双头活塞A上为铰点C和铰点D、在双头活塞B上为铰点A和铰点B，在铰点A上有销轴A（11a），销轴A的两端通过一对连杆A（12a）铰接在曲轴上，在铰点B上有销轴B（11b），销轴B的两端通过一对连杆B（12b）铰接在曲轴上，在铰点C上有销轴C（11c），销轴C的两端通过一对连杆C（12c）铰接在曲轴上，在铰点D上有销轴D（11d），销轴D通过一个连杆D（12d）铰接在曲轴上，销轴A、销轴B、销轴C和销轴D的轴线均与中心轴平行，且销轴A的长度最长、销轴B短于销轴A、销轴C短于销轴B，销轴D短于销轴C，故在曲轴上两个连杆A的曲拐处在最外端，连杆D的曲拐处在中间。

6.根据权利要求1所述的双缸二冲程环缸发动机，其特征在于：所述的活塞臂（5）为双层板状结构，每层板状结构为扇形，扇形的窄端中部连接所述的铰接端（7）。

7.根据权利要求1所述的双缸二冲程环缸发动机，其特征在于：所述的两个气缸（1）通过缸体（14）连为一体，缸体（14）的中部设有活塞铰接腔（14-1）和轴腔（14-2），所述的双头活塞的铰接端（7）置于所述的活塞铰接腔（14-1）内，所述的中心轴（8）同时穿过所述的轴腔（14-2）和铰接端（7）。