CN106930832A - 一种周式结构的内燃机 - Google Patents

Abstract

一种周式结构的内燃机，拥有中文汉字“周”相似的非对称结构，曲轴轴线偏离气缸中心轴线，使得活塞处于上止点位置时曲柄已经旋转经过传统内燃机曲柄所在的位置。与传统内燃机不同，一旦活塞经过上止点，活塞通过连杆推动曲轴转动的力臂远远大于0，而且在做功行程力臂达到最大值的时间和过程整体提前。这种机械结构可以在气缸压力最大的时间段配给平均值较大的力臂，使得活塞通过连杆驱动曲轴做较大的功，输出扭矩增加。内燃机因此热效率提高，热损失和机械磨损降低，振动和噪声降低。

Description

一种周式结构的内燃机

技术领域

机械工业的内燃机领域。

背景技术

内燃机一般分为点燃式内燃机和压燃式内燃机。从使用的燃料分类，除了汽油机、柴油机之外，还有使用天然气、液化石油气以及其它替代燃料的内燃机。

内燃机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴以及气门机构组成。传统的内燃机的气缸中心轴线与曲轴轴线垂直和相交。当活塞处于上止点位置时，曲柄、连杆、活塞销三者的连线是一条直线，垂直于曲轴轴线，曲轴的曲柄正好到达与气缸中心轴线重叠的位置。

发明内容

本申请一种周式结构的内燃机，拥有中文汉字“周”相似的非对称结构，曲轴轴线偏离气缸中心轴线，使得活塞处于上止点位置时曲柄已经旋转经过传统内燃机曲柄所在的位置。与传统内燃机不同，此时活塞通过连杆推动曲轴转动的力臂远远大于0，而且使得做功行程力臂达到最大值的时间和过程整体提前，如图1所示。这种机械结构可以在气缸压力最大的时间段配给转动曲轴所需要的平均值较大的力臂，使得活塞通过连杆驱动曲轴具有较大的力矩，做较大的功，输出扭矩增加。内燃机因此热效率提高，热损失和机械磨损降低，振动和噪声降低。

本申请内燃机的技术特征如下：

1、内燃机由气缸、活塞、连杆、曲轴以及气门机构组成，曲轴轴线偏离气缸的中心轴线。当活塞处于上止点位置时曲轴的曲柄已经转动经过了与气缸中心轴线平行的同时垂直于曲轴轴线的平行线，曲柄、连杆、活塞销三者的连线是一条直线，该直线的延长线与气缸中心轴线形成一个夹角A，如图1所示。这个夹角A理论上大于0度小于90度，并且在这个范围内越大越好。在实践中这个夹角小于1度没有太大的意义，但是超过60度之后内燃机的机械制造难度太大。传统内燃机的夹角A可能不等于0，主要是设备制造公差的影响所造成，应当排除。典型的夹角A包括但是不仅限于1度、2度、3度、5度、7度、9度、12度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度。上述平行线与曲轴轴线相交。在这种内燃机的做功行程，当活塞离开上止点向下止点运行时，在活塞刚刚离开上止点的时刻，活塞通过连杆推动曲轴转动的力臂G是一个大于0的实数。G是曲柄的长度R与上述夹角A的正弦的乘积，也就是G＝R×sin A，传统的内燃机在这种时刻的力臂约等于0，因为A等于0。G是曲柄投射在垂直于“上述平行线”的直线上的线段的长度。G在说明书附图中没有标注。由于：力矩＝力×力臂，这种内燃机与传统内燃机相比，在活塞离开上止点并且气缸压力处于最高状态的运行阶段，转动曲轴的力臂比较大，转动曲轴的力矩比较大，而且，高压气体膨胀速度比较快，热损失比较小。因此，与传统内燃机相比，本发明新的内燃机热效率提高，动力输出能力增加。

2、上述内燃机在气缸套的底部的一边有一个缺口(缺口开在与曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相同的一边)，使得活塞从下止点向上止点运行时，连杆可以卡进这个缺口并且具有富余的活动空间间隙，目的在于增加上述夹角A。

或者，同时采用一种特殊结构的活塞，这种活塞在裙部底部的一边有一个缺口，缺口开在与曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相同的一边，使得活塞从下止点向上止点运行时，连杆可以卡进这个缺口并且具有富余的活动空间间隙，目的在于增加上述夹角A。

3、一种新型活塞产品，在活塞裙部底部的一边开一个缺口，缺口在与曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相同的一边，使得活塞从下止点位置向上止点位置运行时，连杆可以卡进这个缺口并且具有富余的活动空间间隙。

4、内燃机的气缸的中心轴线是弧形线，是圆环的一部分，活塞行程也是圆弧形的，活塞行程的弧所对应的圆心角的大小，将影响上述A角的最大值的设定。活塞是适应这种弧形气缸结构的中心轴线为弧形的活塞。

5、当气缸的中心轴线是弧形线，并且是圆环的一部分时，在内燃机的气缸套的底部的两边各开一个缺口，缺口在与曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相同的一边，以及方向相反的一边，使得曲柄转动一周时，连杆可以卡进这个缺口并且具有富余的活动空间间隙，目的在于增加上述夹角A。

或者，同时采用一种特殊结构的活塞，这种活塞在裙部底部的一边开一个缺口，缺口在与曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相反的一边，使得活塞从上止点向下止点运行时，连杆可以卡进这个缺口并且具有富余的活动空间间隙，目的在于增加上述夹角A。

6、第二种新型活塞产品，活塞的中心轴线为圆弧形线段，活塞在受热状态时顶部垂直于中心轴线的端面为圆形，裙部一边短一边长，活塞底边所在的平面垂直于活塞中心轴线，活塞环槽所在的平面与活塞中心轴线垂直。

7、第三种新型活塞产品，活塞的中心线为圆弧形线段，活塞在受热状态时顶部垂直于中心轴线的端面为圆形，裙部一边短一边长，活塞底边所在的平面垂直于活塞中心轴线，活塞环槽所在的平面与活塞中心轴线垂直。这种活塞在裙部长的一边的底部开一个缺口(缺口在与曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相反的一边)，使得活塞从上止点向下止点运行时，连杆可以卡进这个缺口并且具有富余的活动空间间隙。

8、一种内燃机使用的弧形连杆，如图3所示，这种连杆所具有的弧度、弧形结构的形状取决于A角的大小、曲柄的长度、活塞的行程、气缸的直径，以及活塞在上止点位置时曲轴轴线与活塞销中心轴线的距离。连杆中部横截面选择抗压抗弯曲能力强的截面，例如椭圆形截面、工字截面，或者其它异型截面。这个弧形不一定是圆弧，两端也不一定对称，具体选型方法以及中段截面的选择是现有技术，不需要创造性劳动。材质以钛铝合金为好，或者其它轻便的高强高模材料。

9、使用上述弧形连杆的内燃机。

上述内燃机一般一个工作周期包括进气、压缩、做功、排气四个工作阶段，包括但是不仅限于2冲程、4冲程、6冲程内燃机，包括但是不仅限于奥托循环、阿特金森循环，等等。上述内燃机包括单缸或者由两个以上气缸组成的内燃机，气缸对顶式放置的内燃机，等等。

10、曲轴轴线偏离气缸中心轴线(曲轴偏置)，同时活塞销(以及活塞销孔)轴线偏离气缸中心轴线(活塞销偏置)的内燃机。活塞销轴线偏离气缸中心轴线，偏离的方向与曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相同的一边。活塞销轴线偏离气缸中心轴线的尺寸(幅度)小于曲轴轴线偏离气缸中心轴线的尺寸(幅度)。例如，活塞销轴线偏离气缸中心轴线的距离为1毫米或者0.5毫米，曲轴轴线偏离气缸中心轴线的距离为10毫米或者为20毫米。活塞销轴线偏离气缸中心轴线的距离一般为1～2毫米。

11、另外一种曲轴轴线偏离气缸中心轴线，同时活塞销轴线偏离气缸中心轴线的内燃机。活塞销轴线偏离气缸中心轴线，偏离的方向与曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相反的一边。

12、为了适应上述内燃机，一种活塞具有以下技术特征：活塞销轴线偏离气缸中心轴线，偏离的方向在曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相同的一边。或者，活塞销轴线偏离气缸中心轴线，偏离的方向在曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相反的一边。

关于内燃机的圆弧形气缸和中心轴线为圆弧形线段的活塞的加工方法，气缸(气缸套)下边缺口和活塞裙部缺口的加工方法，以及活塞到达气缸下边缺口位置时，或者活塞缺口与气缸缺口重合时彼此贴合面的加工和处理方法，均为现有技术。

现有技术存在的问题：

传统的内燃机在气缸压力最大的时间，也就是在做功行程活塞刚刚离开上止点之后的一小段时间，气缸中的活塞通过连杆推动曲轴转动的力臂非常小，并且活塞的直线运动速度最小。因此，在气缸压力最高的那一小段时间，内燃机的热效率最低，大量热能通过气缸壁的热传导散失，活塞通过连杆施加在曲轴轴线上的垂直的力很大，机械冲击和机械磨损所造成的能耗损失很大，内燃机因此振动较大噪声较大。

解决问题的方法：

要增加内燃机扭矩输出，提高内燃机热效率，最好的办法就是在做功行程中气缸压力最高的那一小段时间，增加通过曲轴轴线并且垂直于活塞中心轴线的力臂的长度。

创新的技术内容：

1、理论创新：内燃机业界通常采用“气缸平均有效压力”来衡量发动机的做功能力和动力输出能力。本申请创新提出“平均有效力矩”或者“平均力矩”的概念，对活塞在做功行程通过连杆和曲柄推动曲轴转动的力矩进行积分，再与活塞实际做功的相位角(或者时间)相除，得到平均有效力矩的数值。毫无疑问，平均有效力矩比平均有效压力能够更好地表达内燃机的做功能力。

2、技术创新：本申请通过将曲轴轴线偏离活塞中心轴线的方法，实现了内燃机在气缸压力最大的活塞做功工作时间(做功行程，活塞在上止点附近的位置)，活塞通过连杆推动曲轴转动的力臂为一个不等于0的实数。本申请与传统内燃机不同，实现了燃料燃烧后燃烧室内部的高压气体通过推动活塞运动，并且通过连杆驱动曲轴转动的力矩从0到某一个实数的跳跃，从0到这个实数之间，力矩是没有连续性的。

本申请技术方案不仅实现了做功行程的力臂从0到某一个实数的跳跃，而且将这个实数到力臂的最大值(曲柄的长度R)之间的连续数值出现在做功行程的时间全部提前，以便与气缸最高压力和活塞最大推力所在的做功时间相配合，实现了强强联合。气缸内高温高压气体的膨胀速度加快，减少热损失。内燃机的机械冲击力和零部件内应力减小，振动减小、噪声降低，发动机可以轻量化。

新技术预期达到的效果：

本申请内燃机将实现在气缸平均有效压力相同的情况下，平均力矩超过传统内燃机的技术效果。由于平均力矩超过传统内燃机，本申请内燃机的热功转换效率和动力输出能力将超过传统内燃机。具体而言：

1、在做功过程，当活塞离开上止点并且气缸压力处于最高状态的运行阶段时，与传统内燃机相比，使得转动曲轴的力臂比较大，转动曲轴的力矩比较大，因此内燃机的扭矩输出比较大。同时，活塞通过连杆对曲轴的冲击力比较小，高冲击力的持续时间短，活塞与气缸壁之间的机械磨损较小，活塞离开上止点时的运行速度比较大，气缸热损耗比较小，发动机振动小，噪声降低。

2、做功行程活塞离开上止点的线速度增加，气缸内高压气体的膨胀速度增加，气缸内的最高燃烧温度降低，出现爆震的概率降低，尾气的氮氧化合物排放降低，气缸向曲轴箱窜气的损失降低。

3、在活塞行程不变的情况下，曲柄的长度与传统的内燃机相比有所增加，曲臂的数值(R)大于活塞的行程的数值，在气缸平均有效压力相同的情况下，发动机扭矩输出增加。

4、从振动降低的角度考虑，发动机可以轻量化。

本申请内燃机结构的缺点：

1、从曲臂长度增加的角度考虑，发动机尺寸增大，而且随着夹角A增加，连杆的长度增加。

2、采用弧形连杆，连杆尺寸增加，对连杆的抗弯曲强度要求增加。如果选用高强度材质，例如钛合金或者钛铝钒合金，则成本增加。

具体实施方法

实施例：

1、一种内燃机的曲轴轴线偏离气缸中心轴线的夹角A是9度，连杆是传统的直型，气缸(气缸套)下边的一边有一个缺口，活塞从下止点向上止点运行的过程中，连杆可以卡进这个缺口并且与气缸套之间有充裕的间隙，保证连杆的正常活动。

2、一种内燃机的曲轴轴线偏离气缸中心轴线的夹角A是17度，采用弧形连杆，连杆的中间部位的径向截面为中空椭圆形，材质为钛合金。

3、一种内燃机的曲轴轴线偏离气缸中心轴线的夹角A是30度，采用弧形连杆，连杆的中间部位的径向截面为椭圆形，材质为钛合金，气缸(气缸套)下边的一边有一个缺口，活塞从下止点向上止点运行的过程中，连杆可以卡进这个缺口并且与气缸套之间有充裕的间隙，保证连杆的正常活动。

4、一种内燃机采用中心轴线为圆弧形的气缸和中心轴线为圆弧形的活塞，活塞行程所在的弧线所对应的圆心角为15度，采用弧形连杆，气缸套下边的两边有缺口，曲轴轴线偏离“传统内燃机气缸中心轴线”的夹角A是40度，活塞在做功行程从上止点出发，只要经过50度相位角即可达到转动曲轴的力臂为最大的值R。

实际上，在做功行程，当连杆两端的连线(与活塞销连接位置的中心线和与曲柄连接位置的中心线之间的连线)与曲柄的夹角为90度时，连杆驱动曲轴转动的力臂最大，此时活塞移动的相位角尚未达到90度。

说明书附图的说明

图1是本申请内燃机的结构示意图，其中：活塞在上止点位置时，曲柄、连杆、活塞销三者连成直线，直线的延长线与气缸的中心轴线形成夹角A，此时，曲柄在经过曲轴并且垂直于气缸中心轴线方向的力臂G是曲柄的长度R与上述夹角A的正弦的乘积，也就是G＝R×sin A。A大于0，小于90，则G大于0。曲柄顺时针方向转动。

图2是本申请内燃机的结构示意图，其中：连杆是弧形连杆，可以增加图1所述的夹角A。曲柄顺时针方向转动。

图3是弧形连杆的结构示意图，图中C剖面视图为椭圆型。

Claims (15)

1.一种周式结构的内燃机，其技术特征如下：这种内燃机由气缸、活塞、连杆、曲轴以及气门机构组成，曲轴轴线偏离气缸的中心轴线；当活塞处于上止点位置时曲轴的曲柄已经转动经过了与气缸中心轴线平行的同时垂直于曲轴轴线的平行线，曲柄、连杆、活塞销三者的连线是一条直线，该直线的延长线与气缸中心轴线形成一个夹角A，这个夹角大于0度小于90度，有效并且比较容易实现的夹角A是1-11度，难度较大但是效果很好的夹角A是30-45度，优选的夹角A的范围是11-30度，典型的夹角包括但是不仅限于1度、2度、3度、5度、9度、15度、20度、30度、45度；上述平行线与曲轴轴线相交；在这种内燃机的做功行程，当活塞离开上止点向下止点运行时，在活塞刚刚离开上止点的时刻，活塞通过连杆推动曲轴转动的力臂G是一个大于0的实数。

2.根据权利要求1，所述内燃机具有以下技术特征：在气缸套的底部的一边有一个缺口，缺口位置在曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相同的一边，使得活塞从下止点向上止点运行时，连杆可以卡进这个缺口并且具有富余的活动空间间隙，目的在于增加上述夹角A；

或者，同时采用一种特殊结构的活塞，这种活塞在裙部底部的一边有一个缺口，缺口位置在曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相同的一边，使得活塞从下止点向上止点运行时，连杆可以卡进这个缺口并且具有富余的活动空间间隙，目的在于增加上述夹角A。

3.根据权利要求2所述的内燃机，一种活塞产品具有以下技术特征：在活塞裙部底部的一边有一个缺口，缺口位置在曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相同的一边，使得活塞从下止点向上止点运行时，连杆可以卡进这个缺口并且具有富余的活动空间间隙。

4.根据权利要求1或者2所述的内燃机，这种内燃机具有以下技术特征：气缸的中心轴线是弧形线，或者是圆环的一部分，活塞行程也是圆弧形的，活塞行程的弧所对应的圆心角的大小，将影响上述A角的最大值的设定；活塞是适应这种弧形气缸结构的中心轴线是圆弧形线段的活塞。

5.根据权利要求4，所述内燃机具有以下技术特征：在气缸套的底部有一个缺口，缺口位置在曲轴轴线偏离传统气缸中心轴线方向相反的一边，使得活塞从上止点向下止点运行时，连杆可以卡进这个缺口并且具有富余的活动空间间隙，目的在于增加上述夹角A；

或者，同时采用一种特殊结构的活塞，这种活塞在裙部底部的一边有一个缺口，缺口位置在曲轴轴线偏离传统气缸中心轴线方向相反的一边，使得活塞从上止点向下止点运行时，连杆可以卡进这个缺口并且具有富余的活动空间间隙，目的在于增加上述夹角A。

6.根据权利要求4，所述内燃机具有以下技术特征：在气缸套的底部有两个缺口，缺口在与曲轴轴线偏离传统气缸中心轴线方向相同的一边和相反方向的一边，使得曲柄转动一周时，连杆可以卡进这两个缺口并且具有富余的活动空间间隙，目的在于增加上述夹角A；

或者，同时采用一种特殊结构的活塞，这种活塞在裙部的底部有两个缺口，缺口位置与曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相同的一边和相反方向的一边，使得曲柄转动一周时，连杆可以卡进这两个缺口并且具有富余的活动空间间隙，目的在于增加上述夹角A。

7.根据权利要求4，5或者6所述的内燃机，一种活塞具有以下技术特征：活塞的中心线为圆弧形线段，活塞在受热状态时顶部垂直于中心轴线的截面为圆形，裙部一边短一边长，活塞底边所在的平面垂直于活塞中心轴线，活塞环槽所在的平面与活塞中心轴线垂直。

8.根据权利要求5所述的内燃机，一种活塞具有以下技术特征：活塞的中心线为圆弧形线段，活塞在受热状态时顶部垂直于中心轴线的截面为圆形，裙部一边短一边长，活塞底边所在的平面垂直于活塞中心轴线，活塞环槽所在的平面与活塞中心轴线垂直；这种活塞在裙部长的一边的底部开一个缺口，缺口位置在曲轴轴线偏离传统气缸中心轴线方向相反的一边，使得活塞从上止点位置向下止点位置运行时，连杆可以卡进这个缺口并且具有富余的活动空间间隙。

9.根据权利要求6所述的内燃机，一种活塞具有以下技术特征：活塞的中心线为圆弧形线段，活塞在受热状态时顶部垂直于中心轴线的截面为圆形，裙部一边短一边长，活塞底边所在的平面垂直于活塞中心轴线，活塞环槽所在的平面与活塞中心轴线垂直；这种活塞在裙部开两个缺口，缺口位置在曲轴轴线偏离传统气缸中心轴线方向相反的一边和方向相同的一边，使得曲轴转动一周时，连杆可以卡进这两个缺口并且具有富余的活动空间间隙。

10.根据权利要求1，2，4，5或者6，一种内燃机具有以下技术特征：采用一种弧形连杆，这种连杆所具有的弧度、弧形结构的形状取决于A角的大小、曲柄的长度、活塞的行程、气缸的直径，以及活塞在上止点位置时曲轴轴线与活塞销中心轴线的距离。

11.根据权利要求10所述的内燃机，一种连杆产品具有以下技术特征：这种连杆具有弧度，连杆弧形的形状是圆或者椭圆弧线的一部分，或者其它弧形。

12.根据权利要求1，2，4，6或者10，一种内燃机具有以下技术特征：活塞销轴线偏离气缸中心轴线，偏离的方向在曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相同的一边。

13.根据权利要求1，2，4，6或者10，一种内燃机具有以下技术特征：活塞销轴线偏离气缸中心轴线，偏离的方向在曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相反的一边。

14.根据权利要求3，7，8或者9所述的活塞，一种活塞具有以下技术特征：活塞销轴线偏离气缸中心轴线，偏离的方向在曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相同的一边。

15.根据权利要求3，7，8或者9所述的活塞，一种活塞具有以下技术特征：活塞销轴线偏离气缸中心轴线，偏离的方向在曲轴轴线偏离气缸中心轴线方向相反的一边。