CN1057816C - 自增压自润滑自冷却式全作功冲程内燃机 - Google Patents

Abstract

一种自增压自润滑自冷却式全作功冲程内燃机，其主要特征是在缸体上设贮气室。活塞内设空腔和与活塞周面相连的油道。活塞杆内设一个下端有进油单向阀的滑油进油道，另一个下端设在气缸盖下面的通道为回油道。机座内的活塞杆两侧有齿条，与之啮合的是一个普通齿轮及两个单向齿轮。设弹簧承板的活塞杆下端置于套在弹簧室内的滑油增压室内，其下端设单向滑油阀。串联的滑油冷却器和过滤器进出口分别设在机座隔板上下两处。

Description

自增压自润滑自冷却式全作功冲程内燃机

本发明涉及一种活塞式内燃机。

传统的内燃机是由活塞、曲柄连杆机构组成的。人们在长期使用中发现它存在许多缺点，因此对它进行了改进。如在1992年7月8日实用新型专利公报上公开了一种＜双向作功往复式内燃机＞(申请号92200129.4)其主要结构是：在缸体内有一活塞体，活塞体上有两对称的齿条，与齿条相啮合的是两组对称设置的带有离合棘轮的齿轮，该齿轮与两对称齿轮轴固套，齿轮轴上的一侧齿轮与输出齿轮相啮合，另一侧齿轮与凸轮轴的齿轮相啮合。其不足之处是结构较复杂、活塞往复双向对外作功的动力均来自燃油的燃烧，因此油耗多、机件的热负荷大，自身又不能冷却和润滑难以持续工作。

本发明的目的在于提供一种活塞往复仅单向动力是来自燃油燃烧的自增压自润滑自冷却式全作功冲程内燃机。

本发明的目的可通过以下措施来实现：

一种自增压自润滑自冷却式全作功冲程内燃机，其缸体顶端分别设有与高压油泵相连的喷油器和检爆吹车阀，缸体内设活塞，与之相连的活塞杆伸到与气缸盖相连的承油盘式机座内，可在机座内运动的活塞杆相对的两侧分别设有齿条，与该齿条相啮合的有两个对称设置且转动方向相反的单向齿轮，它们的轮轴分别穿过机座与传动机构相连，其特征在于：在缸体侧壁的中下部一侧设有进气门，与之相对一侧设有位置高于进气门的排气门，单向进气阀设在排气门同侧的缸体侧壁下部，在进气门同侧的缸体侧壁下部高于单向进气阀的位置设有单向排气阀，它和进气门均与贮气室相连通，周面上下各设有挡油密封环的活塞内部有相互连通的空腔，它还与通到活塞周面上的小通道相连通，在活塞上还另设一端与活塞周面相通另一端与活塞杆内的回油道相连通的小回油道，活塞杆内设两个中心线与其平行的通道，其中一个贯穿上下两端的下端还有进油单向阀的为进油道，另一回油道上端也与活塞空腔相连通，下端与气缸盖下面的活塞杆上的侧通道相连通，活塞杆的下部外设与活塞杆相垂直的弹簧承盘，该置于弹簧顶上的弹簧承盘外缘小于弹簧室壳体内径，置于该弹簧室的弹簧内设低于弹簧室并与它同中心线同固定在机座上的滑油增压室壳体，其内截面与活塞杆下部相匹配，另在弹簧室和增压室壳体的下部设有单向滑油阀，在弹簧室壳体外面设有与机座相连的隔板，在机座侧壁上除设有滑油检注孔外，于隔板上下方还各设一个通孔，其中上通孔与滑油冷却器相连，下通孔与滑油过滤器相连，而滑油冷却器又与滑油过滤器相连，另有一个与活塞杆上的齿条相啮合的齿轮，其可与高压燃油泵相连。弹簧室壳体的外面设有挡板，在该挡板上设有与机座相连的支撑件。

本发明主要包括有：缸体、喷油器、检爆吹车阀、气缸盖、贮气室、活塞、活塞杆、齿轮、弹簧承盘、弹簧、弹簧室、滑油增压室、高压泵、滑油冷却器、滑油过滤器、承油盘式机座及单向阀。其中缸体为下开口的筒形壳体，在其封闭的顶端设有两个与腔内相连通的通孔，其中一个通孔内设有与高压油泵相连的喷油器，另一个通孔内设有检爆吹车阀。如果是汽油机，则增设点火器。在缸体侧壁的中部一侧设有若干个进气门，与之相对一侧的缸体壁上设有若干个位置稍高于进气门的排气门，以便于提高扫气的效果。在上述排气门同侧的缸体侧壁下部设有若干个通孔，每个孔内均设有单向进气阀，用于从外界补充新鲜空气。在与上述进气门同侧的缸体侧壁下部略高于上述单向进气阀的位置上设有通孔，孔内设有单向排气阀，用于向贮气室输送压缩空气。该贮气室为一个中空的封闭壳体，其通过导管与设在同一侧的进气门和单向排气阀相连通。

在缸体内设有圆柱形活塞，该活塞内部设有若干个彼此相互连通的空腔，以便滑油进来起到冷却活塞的作用。该空腔还与若干通到活塞周面上的小通道相连通，以便空腔中的带压力的滑油前去润滑和冷却活塞与缸壁之同的空隙处，然后从活塞内部另设的小回油通道返回。该小回油通道一端与活塞周面相通，另一端与活塞杆内的回油道相通。活塞周面上下各设有挡油密封环，上部的用来保证活塞上部的主动缸的气密性和防止滑油进入主动缸，下部的用来保证从动缸的气密性和防止滑油进入从动缸。在活塞的中心处设有上端与活塞空腔相通的柱形活塞杆，该活塞杆穿过缸体的气缸盖，下端位于承油盘式机座内。设在缸体下开口端的气缸盖的另一侧设有结构为上开口的筒形壳体的承油盘式机座。活塞杆内设两个中心线与其平行的通道，其中一个贯穿上下两端的通道为润滑油的进油道，其下端设有可向活塞空腔内进油的单向阀，以防止进油道内的滑油倒流至滑油增压室内。活塞杆内另一通道上端也与活塞空腔相连通，下端与气缸盖下面的活塞杆上的侧通道相连，其构成滑油的回油道，从其流出的滑油可润滑机座内位于活塞杆两侧的齿轮。活塞杆可在机座内运动的部分相对的两侧分别设有齿条。与该齿条相啮合的有两个对称设置的且转动方向相反的单向齿轮，其可以是带超越离合器的齿轮也可以是带离合棘轮的齿轮，它们的轮轴分别穿过机座与传动机构相连。与齿条相啮合的还有一个普通齿轮，其轴穿过机座与高压油泵相连，该高压油泵又与喷油器相连。活塞杆的下部外设与活塞杆相垂直的弹簧承盘，该圆环形承盘置于弹簧顶上，其外缘小于弹簧室壳体的内径，使之能在弹簧室内上下运动。该弹簧承盘是力传递部件，活塞下行时部分能量由它传给弹簧，活塞上行时弹簧弹力由它传给活塞。垂直固定在机座底上的上开口筒形弹簧室壳体内设一个弹簧。在弹簧内设有与弹簧室壳体同中心线的滑油增压室壳体，该低于弹簧室的上开口筒形壳体垂直固定在机座底上，其内截面与活塞杆下部相匹配。另在弹簧室和增压室壳体的下部设有与弹簧腔隔开的通道，其内设有单向滑油阀。当活塞上升时，活塞杆内进油道上的单向阀关闭，下端产生的局部负压使上述单向滑油阀打开，洁净的冷滑油则进入滑油增压室壳体内。当活塞下行时，活塞杆进油道上的单向阀打开，而单向滑油阀关闭，于是增压室内的滑油不断被压到活塞的空腔中。另在弹簧室壳体的外面设有与机座相连的隔板，其可将从回油道进入机座内的热滑油阻截在隔板上面。在机座侧壁于隔板上下方各设一个通孔，其中上通孔与滑油冷却器相连，下通孔与滑油过滤器相连，而滑油冷却器又与滑油过滤器相连。这样位于隔板上的回流热滑油经过冷却器冷却并经过过滤器过滤后才能进入隔板下的洁净滑油室再循环。另在隔板上面的机座侧壁上设有滑油的检注口。为增加弹簧室壳体的稳性强度，在其外面挡板之上还设有与机座相连的支撑件，其可以是孔板，也可以是支架。

本发明的内燃机若进入工作状态，首先要作启动准备，即用外力使活塞在上死点附近小幅度(以不露出进气门为界)往复数次，以确保贮气室中有足够多的新鲜空气。然后用外力克服弹簧的弹力等，使活塞尽可能移至下死点，再迅速放开，这时活塞即可在弹力等作用下迅速上移，待盖死排气门后，主动缸空气受压升温，高压油泵适时压油，经喷油器喷入主动缸发火燃烧。启动后活塞在燃烧压力作用下迅速下行，并完成下面工作：第一，通过活塞杆和单向齿轮之一对外作功；第二，压缩弹簧，储存能量，为活塞上行提供动力；第三，压缩从动缸内的空气，通过单向排气阀进入到贮气室，当单向排气阀被活塞堵死后，从动缸空气充分受压，也为之后的活塞上行提供一部分能量；第四，关闭滑油单向阀，压缩滑油增压室内的滑油，并使滑油通过活塞杆进油道进入到活塞内的空腔和有关摩擦部位进行冷却和润滑。活塞下行过程中，初始时因为燃气压力很大，阻力很小活塞加速运行，当排气门打开后，燃气压力已变得很小，活塞主要依靠惯性继续下行，而此时由于弹簧受压程度增大，活塞减速下行，尤其是单向排气阀被堵死后，从动缸剩余空气充分受压也迫使活塞下行减速，从而活塞可在下死点停止。在活塞下行的同时，活塞杆下端压迫滑油，也会阻止活塞的下行。活塞停在下死点后在弹簧的弹力、从动缸压缩空气的压力等上升动力的作用下上行并完成下列各项工作：第一，通过活塞杆和单向齿轮之二对外作功；第二，从动缸容积增大，气压降低，单向进气阀自动开启，外界新鲜空气随着活塞的上升不断被吸入；第三，活塞内的滑油通过活塞杆中的回油道进入机座内，润滑齿轮后再通过滑油冷却器过滤器回到滑油室。活塞上行过程中，初始时活塞上升动力远大于阻力(此时主要是摩擦力)因而活塞加速上升，之后特别是排气门被活塞堵死后，主动缸内的新鲜空气受压、升温，既为下一循环作好准备，同时也阻止活塞上升，使其停止于上死点。在活塞接近上死点时，高压燃油泵压油至喷油器，喷入主动缸燃烧，开始下一工作循环。

图面说明如下：

图1是本发明的主视剖面示意图。

图2是图1的A-A视图。

利用附图中所示的例子对本发明作进一步说明。在图1所示的自增压自润滑自冷却式全作功冲程内燃机的示意图中，缸体1的顶端分别设有与高压油泵2相连的喷油器3和检爆吹车阀4。在缸体侧壁的中部一侧设有若干个进气门5，与之相对一侧的缸体壁上设有若干个位置稍高于进气门的排气门6。在上述的排气门同侧的缸体侧壁下部设有若干个通孔，每个孔内均设有单向进气阀7。在与上述进气门同侧的缸体侧壁下部略高于上述单向进气阀的位置上设有单向排气阀8。同侧的进气门和单向排气阀分别与贮气室9相连通。缸体内的圆柱形活塞10内有若干个彼此相互连通的空腔，且空腔还与若干通到活塞周面上的小通道11相连通。小回油通道12一端与活塞周面相连，另一端与活塞杆13内的回油道14相通。在活塞周面上下各设一个挡油密封环15。活塞的中心处设有上端与活塞空腔相连通的柱体形活塞杆，该活塞杆穿过缸体的气缸盖16下端位于承油盘式机座17内。设在缸体下开口端的气缸盖另一侧设有承油盘式机座。活塞杆内设两个中心线与其平行的通道，其中一个是贯穿上下两端的且下端设有进油单向阀18的进油道19，另一个是下端与气缸盖下面的活塞杆上的侧通道相连的回油道如图2所示。活塞杆可在机座内运动的部分相对的两侧分别设有齿条20。与齿条相啮合的是两个对称设置的且带有互为反向超越离合器的齿轮21、22，它们的轮轴分别穿过机座与传动机构相连。与齿条啮合的还有一个普通齿轮23，其轴穿过机座与高压油泵相连，该高压油泵又与喷油器相连。活塞杆的下部外设弹簧承盘24，竖直固定在机座底上的弹簧室壳体25内设一个弹簧26。在弹簧内设与弹簧室壳体同中心线的滑油增压室壳体27，其内截面与活塞杆下部相匹配。另在弹簧室和增压室壳体下部设有与弹簧腔隔开的通道，其内设有单向滑油阀28。在弹簧室壳体的外面设有与机座相连的隔板29，在机座侧壁于隔板上下方各设一个通孔，它们分别与相连的滑油冷却器30和滑油过滤器31相连。另在隔板上面的机座侧壁上设有滑油的检注口32。在弹簧室壳体外面挡板之上还设有与机座相连的支架33。

与常见的普通内燃机相比，自增压自润滑自冷却式全作功冲程内燃机的好处，至少有以下几个方面：

(一)功率大幅度提高

在缸径、耗油量、工艺水平等都相同的情况下，内燃机功率可以提高70％以上；如果相应地增加单位时间的喷油量，则功率至少可提高110％以上。原因主要如下：

1、是由于以“齿杆齿轮的组合”代替了“连杆曲轴的组合”。因为这样使得产生旋转运动的力矩，有了大幅度的提高。

对于“齿杆齿轮的组合”来说，当作用在活塞上的膨胀气体总压力F1，通过齿杆直接作用于单向齿轮(半径R1)，产生旋转运动时，其力矩(M1)的大小为

M1＝F1×R1

对于“连杆曲轴的组合”来说，当作用在活塞上的膨胀气体总压力F2，通过连杆作用于曲柄(半径R2)，产生旋转运动时，其力矩(M2)的大小，可按以下方法求得：

设作用在活塞上的膨胀气体的瞬时压力为f(α)，α为曲柄与活塞中轴线的夹角，则产生旋转运动的瞬时力矩m(α)为

m(α)＝f(α)×R2×sin(α)于是

M2＝Σm(α)＝Σf(α)×R2×sin(α)

＝F2×R2×Σsin(α)根据积分理论可得 $\mathrm{\Σ}\sin \left(\mathrm{\α}\right)={\∫}_0^{\mathrm{\π}}\sin \left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{d\α}=\frac{2}{\mathrm{\π}}$ 故 $M2=F2\×R2\×\frac{2}{\mathrm{\π}}$ 由于在缸径、耗油量、工艺水平等都相同的情况下，显然有F1＝F2；并且为了便于比较，可以使得R1＝R2，此时即可得到如下关系式

M1＝π/2×M2≈1.571M2

可见，M1要比M2提高了57％以上。

因此，由力矩与功率的关系显然可知：以“齿杆齿轮的组合”代替“连杆曲轴的组合”，可使机器功率提高57％以上。也就是说，这样做使得“既不让马多吃草，又要马跑得快”成为了现实。

2、是由于采用了“增压式”。

因为这样做的结果是，即使喷油量不增加，机器也会因燃油燃烧更加完善而发出更大的功率(一般会增加5％左右的功率)；事实上，由于采用了空气增压的方法以后，单位时间的喷油量就可以相应地增加，从而实现机器体积重量不变的情况下，功率可以大幅度地提高(通常可以提高功率40％-200％)。

3、是由于摩擦损失的功率减少了。

普通的内燃机，由于摩擦部位多，而且活塞与缸壁之间等重点摩擦部位的润滑情况很不好，常常要消耗掉机器15％左右的功率。

自增压自润滑自冷却式全作功冲程内燃机，则由于去掉了曲轴、连杆、进排气凸轮轴等重要的摩擦部件，并且活塞与缸壁之间的润滑情况大为改善，因此可以使得机器因为摩擦损失的功率降到5％左右。也就是说，这样又可以使得机器的功率提高10％左右。

4、是由于以“柱塞式”润滑系统代替了“滑油泵”润滑系统。

因为一般的滑油泵大约要消耗掉机器总功率的1.5％；而自增压自润滑自冷却式全作功冲程内燃机中采用的“柱塞式”润滑系统(即活塞杆下端与滑油增压室的配合)，所消耗的机器功率几乎可以忽略。因此，这样也可以使机器功率大约提高1％左右。

综上分析，在缸径、耗油量、工艺水平等都相同的情况下，内燃机可以提高的功率为(取下限保守估计)：

57％+5％+10％+1％＝73％这对于常见的12马力柴油机来说，功率可增至20马力左右。

如果增加单位时间的喷油量，则至少可提高的功率为(取下限保守估计)：

57％+40％+10％+1％＝113％这对于常见的12马力柴油机来说，功率就至少可以增至26马力。

(二)输出功率的均匀性大为提高

因为普通的四(二)冲程机都是间断性作功的，在每一工作循环的时间里，只有四(二)分之一的时间是对外作功的，而其余四分之三(二分之一)时间则是消耗功率的，所以导致了机器转速不稳。

自增压自润滑自冷却式全作功冲程内燃机，由于是连续地对外作功(相当于是“一冲程”的内燃机)，因此，其输出功率的均匀性远比普通的四(二)冲程内燃机要好。

(三)机器寿命提高

这是因为，自增压自润滑自冷却式全作功冲程内燃机的各关键部件的受力情况都较为单一，不象普通内燃机因为活塞、连杆、曲轴、气缸壁等关键部件都要受到十分复杂的交变力的作用而容易损坏。

(四)机器工作时的噪音降低

这是因为自增压自润滑自冷却式全作功冲程内燃机没有了以下这些主要的噪音源：一是活塞不会撞击气缸壁(因为它不象普通机器有交变的连杆侧推力迫使活塞猛烈撞击气缸壁)；二是少了进排气系统的气阀间隙和传动机构的间隙；三是少了滑油泵及其传动机构。

(五)构造简单、故障率低、管理维修方便

普通内燃机对气阀间隙和喷油定时等要求很高，需要经常检查调整；而自增压自润滑自冷却式全作功冲程内燃机，由于去掉调了进、排气阀，根本就不需要检查调整；并且它由于活塞行程可变、死点不固定，因而对喷油定时的要求也就不高，可不用经常检查和调整。

(六)机器工作状况的改善

自增压自润滑自冷却式全作功冲程内燃机，由于其特别的空气增压方式，可以保证机器在任何情况下(启动时、低速工作时、高速工作时)，燃油的燃烧都有足够的新鲜空气，因而燃烧情况均很好，排气冒黑烟现象可大大减轻。

Claims (2)

1.一种自增压自润滑自冷却式全作功冲程内燃机，其缸体(1)顶端分别设有与高压油泵(2)相连的喷油器(3)和检爆吹车阀(4)，缸体内设活塞(10)，与之相连的活塞杆(13)伸到与气缸盖(16)相连的承油盘式机座(17)内，可在机座内运动的活塞杆相对的两侧分别设有齿条(20)，与该齿条相啮合的有两个对称设置且转动方向相反的单向齿轮(21)、(22)，它们的轮轴分别穿过机座与传动机构相连，其特征在于：在缸体侧壁的中部一侧设有进气门(5)，与之相对一侧设有位置高于进气门的排气门(6)，单向进气阀(7)设在排气门同侧的缸体侧壁下部，在进气门同侧的缸体侧壁下部高于单向进气阀的位置设有单向排气阀(8)，它和进气门均与贮气室相连通，周面上下各设有挡油密封环(15)的活塞内部有相互连通的空腔，它还与通到活塞周面上的小通道(11)相连通，在活塞上还另设一端与活塞周面相通另一端与活塞杆内的回油道相连通的小回油通道(12)，活塞杆内设两个中心线与其平行的通道，其中一个贯穿上下两端的下端还有进油单向阀的为进油道(19)，另一回油道(14)上端也与活塞空腔相连通，下端与气缸盖下面的活塞杆上的侧通道相连通，活塞杆的下部外设与活塞杆相垂直的弹簧承盘(24)，该置于弹簧顶上的弹簧承盘外缘小于弹簧室壳体(25)内径，置于该弹簧室的弹簧内设低于弹簧室并与它同中心线同固定在机座上的滑油增压室壳体(27)，其内截面与活塞杆下部相匹配，另在弹簧室和增压室壳体的下部设有单向滑油阀(28)，在弹簧室壳体外面设有与机座相连的隔板(29)，在机座侧壁上除设有滑油检注孔(32)外，于隔板上下方还各设一个通孔，其中上通孔与滑油冷却器(30)相连，下通孔与滑油过滤器(31)相连，而滑油冷却器又与滑油过滤器相连，另有一个与活塞杆上的齿条相啮合的齿轮(23)，其可与高压燃油泵相连。

2.根据权利要求1所述的自增压自润滑自冷却式全作功冲程内燃机，其特征在于：弹簧室壳体的外面设有挡板，在该挡板上设有与机座相连的支撑件(33)。

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