CN104863706B - 一种缸动式二冲程发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缸动式二冲程发动机，包括有缸体、曲轴箱、缸盖，曲轴箱内设有曲轴和连杆，缸体内装有固定缸套，固定缸套内设有可沿该固定缸套往复运动的活动缸，活动缸底板外端中心处与连杆铰接，驱动曲轴旋转；缸盖上设有伸进缸体内且固定不动的活塞，活塞前端的活塞头装配于活动缸内，活动缸相对于活塞作往复运动；活塞前端的活塞头其內部设置有燃烧室和排气道，这样的设计，可提高单缸功率，缩小体积，降低制造成本，进一步实现节能，降低有害排放物。

Description

一种缸动式二冲程发动机

技术领域

本发明涉及活塞式内燃机技术领域，特别是一种缸动式二冲程发动机。

背景技术

目前使用的活塞式发动机，都是活塞在汽缸内作往复运动，循环型式有四冲程和二冲程两种，是按不同使用需要而应用。四冲程工作方式是曲轴旋转720°，在一个汽缸內完成进气、压缩、爆燃做功、排气程序。二冲程工作方式是曲轴旋转360°，在一个汽缸內完成进气、压缩、爆燃做功、排气程序。这种传统的工作方式，存在一个共同的缺点，就是汽缸需要强化冷却，大部份热能被排气和冷却水带走，只有一小部分转换为机械功，热效率很低，还有就是燃料在缸内燃烧不完全，发动机体积已不易缩小，重量不易减轻等一些难于解决的问题。也曾有报导近來出现将进气、压缩用一个缸，做功、排气用一个缸的方案，而且在节油方面有比较明显的效果。但是，这些改进技术沒有摆脱发动机传统结构的约束，所以至今仍然未获得应用上的突破。

传统活塞式发动机围绕节油问题，长期以来出现多种技术方案，但是并沒有带来显著的效果。也曾有用汽缸绝热技术来达到节油目的，其方法是在汽缸内建造类似锅炉炉膛的热壁高温环境，促进燃料迅速地完全燃烧，汽缸內保持高温还有助于气体膨胀持续做功，但这一方法目前还存在很多技术障碍，在高温环境中如何解决气密封、油润滑、进气排斥问题至今都无法解决。

事实上，传统发动机的结构是问题集中的关键，典型的四冲程循环的工作程序都是在一个汽缸內完成，因技术上有各种不同要求，设计中无法实现圆满兼顾，例如，高温环境能改善燃烧方式，但活塞在汽缸内往复运动须有缸壁支撑，要靠润滑油解决摩擦问题，缸内温度提高会破坏油膜，也不能正常工作等。

发动机燃料不完全燃烧，除了有不节能的问题外，还会影响到废气排放标准，造成对环境空间的严重污染。

现有大功率船用柴油机，为了提高可靠性，省油，多采用低速二冲程方式，但缺点是活塞行程过长，还要在活塞下加一个十字头支撑，以保证活塞，连杆正常工作，这个机构占去很大空间，使低速柴油机体积显得十分庞大。

综上所述，传统技术的发动机还有待于改进和创新。

发明内容

本发明的目的之一，在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种缸动式二冲程发动机，可提高单缸功率，缩小体积，降低制造成本，进一步实现节能，降低有害排放物。

本发明的目的之二，提供一种缸动式二冲程发动机，通过绝热燃烧技术，可有助于改善发动机热负荷，实现高效节能。

本发明的目的之三，提供一种缸动式二冲程发动机的气体控制方法，可对气体进行递进式的压缩和间歇式爆燃，解决在高温环境下进气、燃烧问题。

本发明的目的一是通过如下技术方案实现的：一种缸动式二冲程发动机，包括有缸体(14)、曲轴箱(11)、缸盖(4)，曲轴箱(11)内设有曲轴(11-1)和连杆(10)，其特征在于：缸体(14)内装有固定缸套(4-1)，固定缸套(4-1)内设有可沿该固定缸套(4-1)往复运动的活动缸(7)，活动缸底板(9)外端中心处与连杆(10)铰接，驱动曲轴(11-1)旋转；缸盖(4)上设有伸进缸体(14)内且固定不动的活塞(12)，活塞(12)前端的活塞头装配于活动缸(7)内，活动缸(7)相对于活塞(12)作互不接触的往复运动；活塞(12)前端的活塞头其內部设置有燃烧室(6)和排气道(13-1)。

进一步地，所述活塞(12)前端的活塞头对应燃烧室(6)装配有预压阀(5-2)、燃烧阀杆(5-3)、燃烧阀(5-4)、燃烧阀座(5-5)，对应的排气道(13-1)装配有排气阀(5-6)，排气道(13-1)纵穿活塞(12)后部的活塞杆连通排气管(13)，燃烧阀杆(5-3)纵穿活塞(12)与电磁阀(1)、弹簧(2)配装，活塞(12)外部配装有活塞环16，与活动缸(7)内壁接触密封。活动缸(7)的上部设有压气板(15)，压气板(15)上有压气阀(5-1)，其内孔配装有内气环(15-1)和外气环(15-2)，其中内气环(15-1)套装在活塞(12)后部的活塞杆上，外气环(15-2)套装于固定缸套(4-1)内。

这样的设计，可提高单缸功率，能使汽缸小型化，利于V型排列设计，缩短发动机机体和曲轴的长度，减轻重量，针对大功率柴油机可明显的减少制造难度和制造成本。

本发明的目的二是通过如下技术方案实现的：一种缸动式二冲程发动机，具体的是在活动缸(7)内壁与活塞(12)前端的活塞头配合处配装有绝热活塞套(17)、绝热缸套(18)，活动缸底板(9)内表面上设有绝热板(19)。在活动缸(7)、活塞(12)高温区，设置绝热体，通过绝热燃烧实现节能。

发动机工作中活塞和活动缸相对运行，活动缸在运行中受固定缸套控制，与活塞的往复运动中互不接触，设计中在绝热体之间留有微小空隙以避免摩擦，在活动缸内的中部是低温区，用普通的金属汽缸体与设置在活塞头部后端上的活塞环接触实行气密封、液冷却和油膜润滑，以保证发动机正常工作。燃气能在缸内一个较长的行程内可实行炉膛式的高温热壁燃烧，该措施能促进燃料完全燃烧，有助燃气持续做功，弱化汽缸强冷系统，提升废气涡轮功率，系统地提高热效率。燃料完全燃烧有利于净化发动机的废气排放。

本发明的绝热材料的采用，在工作中能有效阻止高温区的热散发，固定活塞和缸体在需要的地方可实施传统的液冷，也能对大缸径发动机的活塞环进行内冷，给发动机正常运转提供技术保障。

本发明的目的三是通过如下技术方案实现的：一种缸动式二冲程发动机气体控制方法，其特征在于，以活塞(12)为中心，在活塞头的后端进气、压缩，在活塞头的前端爆燃、排气的工作方式。具体地，活动缸底板(9)朝曲轴(11-1)向下运行时，压气板(15)将空气压进燃烧室(6)预存，活动缸(7)回程时压气板(15)开阀再进气，在活塞头的特定位置，爆燃做功是间歇式的，其过程是，活动缸(7)下运行压气后即时回程，活塞头前端的排气阀(5-6)开启排气，回程将尽时排气阀(5-6)关闭，燃烧室(6)开始喷油，同时开启燃烧阀(5-4)使爆燃的气体做功推动活动缸(7)向下运行，活动缸(7)下运行将尽时燃烧阀(5-4)关闭，活塞头后端的压气板(15)再次将空气压进燃烧室(6)预存，完成一个二冲程工作循环。

本发明在活塞后端压缩进气，在活塞头内部设置燃烧室爆燃，开启燃烧阀使爆燃气体推动活动缸做功，解决了长期以来在一个汽缸内循环的工况矛盾，高温缸体对进气排斥的问题就不存在了。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

图2是图1的状态变化示意图。

图3是本发明的活塞的结构示意图。

图4是本发明的活动缸的结构示意图。

附图标记说明：电磁阀1、弹簧2、进气管3、缸盖4、固定缸套4-1、进气阀5、压气阀5-1、预压阀5-2、燃烧阀杆5-3、燃烧阀5-4、燃烧阀座5-5、排气阀5-6、燃烧室6、活动缸7、顶块8、活动缸底板9、连杆10、曲轴箱11、曲轴11-1、活塞12、一级空间A-1、二级空间A-2、排气管13、排气道13-1、缸体14、压气板15、内气环15-1、外气环15-2、活塞环16、绝热活塞套17、绝热缸套18、绝热板19。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

参见图1—图4，本实施例的发动机主体由缸体14、曲轴箱11、缸盖4组装成，曲轴箱11装有曲轴11-1，缸盖4设有进气管3、排气管13。其特征是：缸体14内壁固装有固定缸套4-1，活动缸7套装于固定缸套4-1内并可作往复滑动，活动缸7配装有绝热缸套18、活动缸底板9、绝热板19、顶块8、压气板15，连杆10一端与曲轴11-1铰接、另一端铰接活动缸底板9；压气板15设于活动缸7的上部，其上轴向设有压气阀5-1，压气板15的内孔配装有内气环15-1、压气板15的外周配装有外气环15-2，内气环15-1套装在活塞12的活塞杆上，外气环15-2套装于固定缸套4-1内壁。活塞12呈凸字形--包括活塞头和活塞杆，活塞12是固定不动的，通过活塞杆固装于缸盖4上，活塞头套装于活动缸7内，活塞头外配装有活塞环16，绝热活塞套17，活塞12的活塞头內部设置燃烧室6和排气道13-1，并相应配装有预压阀5-2、燃烧阀杆5-3、燃烧阀5-4、燃烧阀座5-5、排气阀5-6；燃烧阀杆5-3纵穿活塞12与电磁阀1、弹簧2配装连接，而排气道13-1也纵穿活塞杆而连通上部的排气管13。

其中，活动缸7的主要作用是，在固定缸套4-1内作往复运动，由其中一端(前端)承担爆燃后的膨胀气体做功，推动连杆11旋转曲轴11-1输出做功，同时由另一端(后端)承担进气压缩任务。活动缸7的内壁设置有绝热缸套18、绝热板19，用于热壁燃烧。

而活塞12的主要作用是，其内部设置有燃烧室6，用于预存压缩气体，配合活动缸7爆燃做功，还设置有排气阀5-6用于排出废气，活塞12的活塞头外壁设置有绝热活塞套17，同样用于热壁燃烧。

本发明的运转方式是，启动曲轴11-1旋转，通过连杆10带动活动缸7在固定缸套4-1内从上止点到下止点作往复运动，上止点是指压气板15接触到缸盖4、绝热板19接触到绝热活塞套17的极限位置，下止点是指压气板15底面接触到活塞12的活塞头台阶的极限位置。

压气板15由下止点向上止点方向运动，在压缩缸体14的一级空间A-1内，原有气体被压缩后，关闭单向进气阀5，顶开单向压气阀5-1，进入二级空间A-2，与此同时，排气阀5-6开启，将活动缸7内气体经排气道13-1排出，活动缸7回程向下止点方向运行时，压气板15关闭压气阀5-1，随着二级空间A-2内容积不断缩小，使气压逐渐升高，最终顶开有弹簧控制的预压阀5-2进入燃烧室6，活动缸7到下止点后预压阀5-2归位，燃烧阀5-4紧压在燃烧阀座5-5上防止泄漏，使被压缩的气体形成一个高温高压的状态预存在燃烧室6内，活动缸7返复再次向上止点运动，压气板15重复第一次的压气循环，活动缸7即将到上止点时，排气阀5-6关闭，顶块8顶开安装有减压装罝的燃烧阀5-4，部份高压气流进入活动缸7内，燃烧阀5-4失去背压被顶块8轻松顶开。与此同时，燃烧室6内进行传统方式喷油，形成混合气进入滞燃期，待活动缸7到达上止点时爆燃做功。燃气爆燃后燃烧室6的压力聚増，燃烧阀杆5-3象一个小直径活塞，被高压燃气向燃烧室6外推，使燃烧阀5-4脱离顶块8，电磁阀1用磁力吸住燃烧阀杆5-3，控制燃烧阀5-4的关闭时间，随着活动缸7爆燃做功向下移动，缸内压力逐渐下降，二级空间A-2內压力却逐渐高升，此时选择一个相应的压力点，指令电磁阀1消磁松脱燃烧阀杆5-3，在弹簧2帮助下，燃烧阀5-4迅速回位关闭，同时二级空间A-2內的压缩气体进入燃烧室6。活动缸7内的燃气继续做功直至被排出。为了实现燃气和排气更通畅，可采用双燃烧室6、双燃烧阀5-4和双排气阀5-6设计方案。

本发明的活动缸7、活塞12在爆燃做功的初始阶段为高温阶段，燃烧室6、燃烧阀5-4，排气阀5-6受到水冷保护，活动缸7活塞12受到绝热缸套18、绝热板19，绝热活塞套17保护，随着发动机工作时间延长，绝热材料缸内的高温聚集，在这种环境下，不论是对燃料的完全燃烧和高压燃气持续做功都是非常有利的。活动缸7、活塞12做功末端为低温阶段，由活塞环16与对应的活动缸7金属缸套施行传统的气密封和油润滑以确保发动机的正常工作。

应当理解的是，本专利的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本专利所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种缸动式二冲程发动机，包括有缸体(14)、曲轴箱(11)、缸盖(4)，曲轴箱(11)内设有曲轴(11-1)和连杆(10)，其特征在于：

缸体(14)内装有固定缸套(4-1)，固定缸套(4-1)内设有可沿该固定缸套(4-1)往复运动的活动缸(7)，活动缸底板(9)外端中心处与连杆(10)铰接，驱动曲轴(11-1)旋转；

缸盖(4)上设有伸进缸体(14)内且固定不动的活塞(12)，活塞(12)前端的活塞头装配于活动缸(7)内，活动缸(7)相对于活塞(12)作互不接触的往复运动；

所述活塞(12)的活塞头內部设置燃烧室(6)和排气道(13-1)，所述活塞(12)内配装有预压阀(5-2)、燃烧阀杆(5-3)、燃烧阀(5-4)、燃烧阀座(5-5)，排气道(13-1)上装配有排气阀(5-6)，排气道(13-1)纵穿活塞(12)后部的活塞杆连通排气管(13)，燃烧阀杆(5-3)纵穿活塞(12)与电磁阀(1)、弹簧(2)配装，活塞(12)外部配装有活塞环(16)，与活动缸(7)内壁接触密封。

2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，活动缸(7)的上部设有压气板(15)，压气板(15)上有压气阀(5-1)，其内孔配装有内气环(15-1)和外气环(15-2)，其中内气环(15-1)套装在活塞(12)后部的活塞杆上，外气环(15-2)套装于固定缸套(4-1)内。

3.根据权利要求2所述的发动机，其特征在于，活动缸(7)内壁与活塞(12)前端的活塞头配合处配装有绝热活塞套(17)、绝热缸套(18)，而活动缸底板(9)内表面上设有绝热板(19)。

4.一种缸动式二冲程发动机气体控制方法，其特征在于，活动缸底板(9)朝曲轴(11-1)向下运行时，压气板(15)将空气压进燃烧室(6)预存，活动缸(7)下运行压气后即时回程，活塞头前端的排气阀(5-6)开启排气，回程将尽时排气阀(5-6)关闭，燃烧室(6)开始喷油，同时开启燃烧阀(5-4)使爆燃的气体做功推动活动缸(7)向下运行，活动缸(7)下运行将尽时燃烧阀(5-4)关闭，活塞头后端的压气板(15)再次将空气压进燃烧室(6)预存，完成一个二冲程工作循环。