CN106150691A - 四冲程发动机的改进发明 - Google Patents
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Abstract
技术领域:四冲程发动机所要解决的技术问题:四冲程发动机在排气时,残留废气的问题。本发明的主要技术要点和用途:原来的连杆不是直接和动力曲轴连接,而是通过发明的排气曲轴连接,这样就可以实现排气时,可以将活塞推到最顶部,把废气彻底排出去,而在压缩冲程时,又能有适当的压缩空间,以便为下一个做功冲程做好准备。
Description
技术领域
四冲程发动机
技术背景
汽车发明到现在,已经有一百多年的历史了,但四冲程发动机技术,始终未有大的改变,从机械方面来讲,也就单缸气门数由两个增加到四个,还有就是涡轮增压的引入,无论怎么改变,发动机始终由活塞,连杆,曲轴等主要部件组成。这种发动机主要存在以下问题:
1,燃烧效率低
四冲程(包括两冲程)发动机在燃烧做功后,在排气冲程结束时,由于残留废气不能完全排出,残留的气体体积约占气缸体积的十分之一(这个与压缩比有关,一般发动机的压缩比在10左右),此时的压力为P=0.105~0.115Mpa,而在接下来的吸气冲程时,最终吸气压力P=0.075~0.09Mpa,而残留气体在和吸入的混合气体混合后,压力变小,在此压力下的体积会变大,将达到10%x0.105/0.075=14%左右。由于废气在燃烧后,其中的氧气成分基本为零,这样混合气体中的氧气含量从正常的21%会降到21%x(100%-14%)=18%左右,由于氧气含量在气体燃烧时,对燃烧温度,气体膨胀倍数,速度有明显的影响(此结论很多实验已经证明,并且在实际中确实如此),从而降低了燃烧效率,也就降低了发动机的扭矩,减小了功率,发动机比较费油。
另一方面,从尾气来讲,燃烧时氧气含量越高,尾气中的CO和HC的浓度就显著降低,对环境会带来很大的改善。
2,压缩比低
上面提到在混合气体中,由于存在残留气体的影响,残留气体此时的温度很高,为900~1200K,约为627~927℃,混合气体温度最终为100~130℃,在如此高的进气温度下,发动机的压缩比不能太高,太高就会爆震,目前压缩比基本都在10~11之间,压缩比低,第一影响混合气体中油气之间的致密度,从而影响燃烧效率,混合气体在爆炸时,就不能产生很大的冲击力,扭矩也就不能再提高了,也就影响了功率。
以上两点,都是说明了残留气体对燃烧的有害影响。
发明内容
对现有四冲程发动机结构的改进,从而提高燃烧效率,提高压缩比,减少尾气排放。
第一改进了活塞形状,外形形状吻合气缸顶端,用来驱气。
第二增加了排气曲轴,安装在动力曲轴上,而连杆安装在排气曲轴上,动力曲轴做大的圆周运动,排气曲轴在自己的半径上做小的圆周运动,使得活塞的行程在四个行程时不是固定不变的,而是可以调节的,在排气时,活塞上升到气缸的最顶部,以用来达到彻底排出残留废气。
第三改进了动力曲轴,以适用于改进后的发动机结构,来传递动力。
附图说明
图1是改进后的活塞,它和一般的活塞的区别就是活塞上部的形状不同,顶端吻合气缸顶部,当活塞被推到气缸最上部时,能将废气全部排出。
图2是增加的排气曲轴,安装在动力曲轴上面,用来彻底排气。
图3是改进后的动力曲轴,增加了三个支撑杆,它是紧密的套在动力曲轴上面的,其作用是固定动力曲轴,让同一气缸的动力曲轴两边转动臂同步,将动力传到主轴上。
图4是活塞,连杆,排气曲轴,动力曲轴组装在一起的结构。
图5是发动机在工作时,四个冲程中,动力曲轴,排气曲轴的位置。
具体实施方案
本发明改进的目的,就是要在发动机排气完成后,将燃烧产生的废气彻底排出去,能够将压缩比显著提高,这也是汽车制造厂家一直以来梦寐以求的目标。
本发明对现有发动机进行三处改动。
第一改动的是活塞,改进后的活塞与气缸顶部内壁吻合,以达到能将废气全部排出的目的。
第二就是每个连杆上增加一个排气曲轴,排气曲轴安装在动力曲轴上,第一随着动力曲轴做大的圆周运动,同时自己也在做小的圆周运动,而连杆安装在排气曲轴上,其作用就是在排气过程中,当活塞从最下开始向上运动,过了中间点时,速度开始降低,由于惯性,加上排气曲轴的离心力,排气曲轴最终会被推到自己运动半径的顶部,从而把活塞推到气缸的最顶部,将残留气体全部排出去。另外,排气曲轴的半径,在压缩冲程时,由于最终处于自己圆周的底部,而留给了混合气燃烧的空间,所以这个半径就决定了发动机的压缩比。
第三,由于增加了排气曲轴,原来的动力曲轴已经不能使用,所以也对动力曲轴做了改进。增加了三个支撑杆,动力曲轴是套在支撑杆内,接触面通过润滑油润滑,其作用是第一支撑动力曲轴,第二让动力曲轴的动力能够传递,第三让排气曲轴两边的轴保持同步。
下面就四个冲程的运动情况做以说明,见图4。
吸气冲程:在排气终了时,吸气冲程开始,此时排气曲轴在自己圆周的顶点,也就是活塞在气缸的顶部,活塞向下运动,直到吸气终了,此时排气曲轴由于离心力和惯性作用,在自己圆周的底部,吸气冲程结束。
压缩冲程:压缩冲程开始,活塞从下向上运动,此时排气曲轴在自己圆周的底部,随着混合气体的压力不断增大,排气曲轴的离心力无法克服混合气体大的压力,而被压在自己圆周轨道的底部,而当动力曲轴转到顶部时,留下需要燃烧爆炸的燃烧室,这个的大小是由排气曲轴的半径决定的,半径的大小同时也觉得了压缩比的大小,此时压缩冲程完成。
做功冲程:当活塞到达顶部,火花塞点火,气体爆炸,活塞向下做功,此时排气曲轴由于爆炸的巨大推力,处在自己圆周运动的底部,一直到活塞到达下至点,做功冲程结束。
排气冲程:活塞由下向上,排气气门打开,排气开始,此时排气曲轴处在自己的底部,当活塞经过中间点后,活塞减速,排气压力大幅降低,由于惯性作用,再加上排气曲轴的离心力,排气曲轴逐渐向上运动,并且在废气压力小于离心力后,排气曲轴运动到自己的顶部,而把活塞推到气缸的最顶端,从而将全部的残留气体排出。
先计算活塞减速需要的力,根据动能定理,F.S=1/2mv2,假如活塞2kg,怠速800rpm,从中间点减速到活塞到达顶部停止的时间是1/800/60/4=0.018秒,速度v=800/60x2πx0.05=4.18m/s,所以F=970N,97kg。而根据离心力的公式F=mv2/r,假如排气曲轴1Kg,动力曲轴的运转半径是5cm,在最小转速怠速时,RPM=800,也就是速度v=800/60x2πx0.05=4.18m/s,其离心力就是F=350N,35kg,两种同向的力合成后是97+35=132kg,这是怠速运转的作用在连杆上向上的力,当发动机在行驶时,这种力随着转速成几何数增长。而由于残留气体在排气终了前的压力很小,只有0.105~0.115mpa,考虑到活塞截面积,一般是50cm2,所以气缸在排气结束前的压力也就0.105Mpa,约1.05kg/cm2,乘以截面积,也就50kg多点,所以当活塞在排气终了前,132kg远大于50,排气曲轴肯定会提前到达它的圆周顶点,从而活塞就能完全挤出废气了。
Claims (3)
1.一种新型的发动机活塞,其特征是形状贴合气缸顶部内壁,能将废气完全排出去,而不留气体残留的空间。
2.一种新型的动力曲轴,其特征是增加了支撑杆,用支撑杆将独立的动力曲轴固定支撑起来,并且动力曲轴绕主轴可以旋转。
3.一种发明的排气曲轴,安装在权利要求2的动力曲轴上,而连杆安装在排气曲轴上,其特征是,随权利要求2的动力曲轴做圆周运动,同时排气曲轴做自己小的圆周运动,也就是可以将权利要求1的活塞在不同冲程的行程进行调节,在排气冲程时,将权利要求1的活塞行程变大,能将权利要求1的活塞推到气缸最顶部,将残留气体全部挤出去,在压缩行程时,将权利要求1的活塞行程变小,在气缸顶部留一定的空间,按照压缩比将混合气体压缩,最后在做功冲程时,爆炸燃烧。
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Citations (4)
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CN101074631A (zh) * | 2007-06-26 | 2007-11-21 | 杨渝 | 可将燃烧室废气排尽的发动机 |
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