CN110778394A - 一种节能四冲程内燃机 - Google Patents

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Abstract

本技术提供一种节能四冲程内燃机，将现有技术中的一组一气缸并配设一副曲柄连杆滑块机构分解为一组顶部联通的两气缸并配设两副曲柄连杆滑块机构，在燃料爆发燃烧开始时其中的一个曲柄已经拥有了长度不为零的力臂，使燃料爆发时的能量被利用做有用功；每组气缸包括并行的顶部通过开设在气缸头内的气槽联通的A气缸和B气缸，分别上下往复移动地设置在A气缸和B气缸内的A活塞和B活塞，上端分别摆动设置在A活塞和B活塞内的A连杆和B连杆，与A连杆和B连杆下端分别转动连接的曲轴的A曲柄和B曲柄；A活塞和B活塞相同，A连杆和B连杆的有效长度相同，A曲柄和B曲柄的有效长度相同；曲轴的A曲柄至B曲柄间的夹角为10°～60°。

Description

一种节能四冲程内燃机
技术领域
本技术涉及内燃机领域，提供一种节能四冲程内燃机，将现有技术中的一组一气缸并配设一副曲柄连杆滑块机构分解为一组顶部联通的两气缸并配设两副曲柄连杆滑块机构，在燃料爆发燃烧开始时其中的一个曲柄已经拥有了长度不为零的力臂，使燃料爆发时的能量被利用做有用功，提高能量的转换率；仅需配置较小的飞轮或无需配置飞轮，即可克服曲柄和连杆存在瞬时自锁的不利现象。
背景技术
内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。通常所说的内燃机是指往复活塞式内燃机。往复活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构将机械功输出，驱动从动机械工作。
应用较为广泛的往复活塞式内燃机为四冲程内燃机，在进气道上设置有进气门用于间歇地开闭进气道，在排气道上设置有排气门用于间歇地开闭排气道，驱动进气门和排气门开闭的机构为凸轮机构。由于凸轮机构固有的机械特性，具体应用中，以活塞位于上止点时曲轴的转角为0°作为参照，曲轴的转角：进气冲程为0°～180°，压缩冲程为180°～360°，爆发冲程为360°～540°，排气冲程为540°～720°。在进气冲程，排气门关闭，在活塞到达下止点之前（提前角β，即曲轴转角为180°－β）进气门启动趋于关闭至活塞到达下止点完全关闭；在压缩冲程，进气门和排气门关闭；在爆发冲程，进气门关闭，在活塞到达下止点之前（提前角β，即曲轴转角为540°－β）排气门启动趋于开启至活塞到达下止点完全开启；在排气冲程，在活塞到达上止点之前（提前角β，即曲轴转角为720°－β）排气门启动趋于关闭至活塞到达上止点完全关闭、进气门启动趋于开启至活塞到达上止点完全开启。
对于设计怠速不同的四冲程内燃机，其提前角β也会有所不同，一般而言，随着设计怠速的提升，提前角会随之增大，但介于10°～60°之间。
内燃机在作功过程中，曲轴曲柄运转到曲柄的上止点和下止点时与连杆的夹角为0º，力臂的值也为0，而上止点是气缸内燃料爆发燃烧开始作功、将热能转移成机械能的绝好时点，而这时力臂为零，扭矩也是零，等于没有做功，要曲轴曲柄继续旋转转过90º时，力臂才是最大值（此时力臂的长度为曲柄的有效长度），可这时活塞也下移滑行一半行程左右，缸内压已下降，热能转换为机械能的能力急剧减弱甚至完全丧失。也正因为曲轴曲柄运转到曲柄的上止点和下止点时与连杆的夹角为0º，力臂的值也为0，此时曲柄和连杆存在瞬时自锁的不利现象，现有技术中，采用在曲轴上设置飞轮的技术方案，依靠飞轮的惯性克服这种不利现象。
一般地，曲轴曲柄运转到曲柄的上止点和下止点时，活塞和连杆对应地到达运行的极点，对于活塞和连杆运行的极点也称为活塞的上止点和下止点、连杆的上止点和下止点。
活塞从下止点移动到上止点时气缸内气体被压缩的程度，即内燃机气缸总容积与燃烧室容积的比值为压缩比，用ε表示，是内燃机的重要参数之一。活塞处于下止点时气缸有最大容积，用Va表示；活塞处于上止点时气缸内的容积称为燃烧室容积，用Vc表示。
对于一个特定的内燃机而言，气缸内径是固定的，其横截面面积S是固定的，
内燃机的压缩比ε为
Va=Lg×S
Vc=Lr×S
ε=Va/Vc= Lg×S/ Lr×S= Lg/ Lr
Lg：气缸的有效长度
Lr：燃烧室的有效长度
故，对于一个特定的内燃机，燃烧室的有效长度Lr可有效对应该内燃机的压缩比ε。
发明内容
本技术的目的是提供一种节能四冲程内燃机，将现有技术中的一组一气缸并配设一副曲柄连杆滑块机构分解为一组顶部联通的两气缸并配设两副曲柄连杆滑块机构，在燃料爆发燃烧开始时其中的一个曲柄已经拥有了长度不为零的力臂，使燃料爆发时的能量被利用做有用功，提高能量的转换率；仅需配置较小的飞轮或无需配置飞轮，即可克服曲柄和连杆存在瞬时自锁的不利现象。
本技术的目的是通过以下技术方案实现：
一种节能四冲程内燃机，包括内部具有若干组气缸、顶部设置有气缸头的缸体，上下往复移动地设置在气缸内的活塞，上端摆动设置在活塞内、下端转动设置在沿顺时针方向转动设置在缸体内的一个曲轴的曲柄上的连杆，往复移动地设置在开设于气缸头上联通气缸与外部的进气道上用于间歇地开闭进气道的进气门，往复移动地设置在开设于气缸头上联通气缸与外部的排气道上用于间歇地开闭排气道的排气门，每组气缸包括并行的顶部通过开设在气缸头内的气槽联通的A气缸和B气缸，分别上下往复移动地设置在A气缸和B气缸内的A活塞和B活塞，上端分别摆动设置在A活塞和B活塞内的A连杆和B连杆，与A连杆和B连杆下端分别转动连接的曲轴的A曲柄和B曲柄；A活塞和B活塞相同，A连杆和B连杆的有效长度相同，长度为Ll，A曲柄和B曲柄的有效长度相同，长度为Lq；曲轴的A曲柄至B曲柄间的夹角为10°～60°。
本技术的有益效果是：
上述的节能四冲程内燃机工作时：
1、压缩冲程末段
进气门和排气门关闭；
在A气缸和B气缸内达到压缩极值（气缸内具有最大压缩比）时，A活塞和A连杆到达上止点，B活塞和B曲柄已转过上止点，B活塞已进入下行行程，此时，虽然A曲柄的力臂的值为零，但B曲柄的力臂为Lq×cos80°～Lq×cos30°，同时，A气缸和B气缸内的气体的温度急剧上升。
2、爆发冲程
进气门和排气门关闭；
对于压燃式内燃机，设置在气缸顶部的喷油嘴给油于A气缸和B气缸内并与A气缸和B气缸内的新鲜空气充分混合形成高温环境内的可燃混合气后爆发燃烧产生热能致A气缸和B气缸内气压急剧升高；
对于点燃式内燃机，设置在气缸顶部的火花塞点火点燃A气缸和B气缸内的可燃混合气后爆发燃烧产生热能致A气缸和B气缸内气压急剧升高；
气缸内压力作用于A活塞和B活塞顶部致A活塞和B活塞具有下行趋势，B活塞下行、通过摆动设置在B活塞内的B连杆作用于力臂为Lq×cos80°～Lq×cos30°的B曲柄上驱动曲轴转动；与此同时，A曲柄迅速转过上止点，克服A连杆和A曲柄瞬时自锁现象，A活塞下行，有效地作功；
至A曲柄转过并趋近（180°－β）时，B曲柄已转过并趋离（180°＋β）时，气缸内压力急剧下降；
排气门启动拟进入排气冲程。
3、排气冲程
A活塞和B活塞上行，将A气缸和B气缸内废气由排气道经开启的排气门排出；
在A活塞到达上止点之前排气门启动趋于关闭至A活塞到达上止点完全关闭、进气门启动趋于开启至A活塞到达上止点完全开启。
4、进气冲程
对于点燃式内燃机，油气混合物由进气道经开启的进气门进入A气缸和B气缸；
对于压燃式内燃机，新鲜空气由进气道经开启的进气门进入A气缸和B气缸；
排气门关闭，在A活塞到达下止点之前进气门启动趋于关闭至A活塞到达下止点完全关闭。
5、压缩冲程始段和中段
进气门和排气门关闭；
A活塞和B活塞上行，将油气混合物或新鲜空气压缩，油气混合物或新鲜空气温度升高。
上述的节能四冲程内燃机，A曲柄至B曲柄间的夹角为10°～60°的技术意义为，在A活塞和B活塞相同、A连杆和B连杆的有效长度相同、 A曲柄和B曲柄的有效长度相同的前提下，通过改变A曲柄至B曲柄间的夹角以调整所述节能四冲程内燃机的压缩比。
上述的节能四冲程内燃机，将现有技术中的一组一气缸并配设一副曲柄连杆滑块机构分解为一组顶部联通的两气缸并配设两副曲柄连杆滑块机构，在燃料爆发燃烧开始时其中的一个曲柄已经拥有了长度不为零的力臂，使燃料爆发时的能量被利用做有用功，提高能量的转换率；仅需配置较小的飞轮或无需配置飞轮，即可克服曲柄和连杆存在瞬时自锁的不利现象。
上述的节能四冲程内燃机，进气门设置在A气缸上方，排气门设置在B气缸上方。也可以设置为：排气门设置在A气缸上方，进气门设置在B气缸上方。
附图说明
图1是一种节能四冲程内燃机的示意图；
图2是A曲柄位于上止点时图1的左视图简图；
图3是A曲柄转动45°或360°+45°时图1的左视图简图；
图4是A曲柄转动90°或360°+90°时图1的左视图简图；
图5是A曲柄转动135°或360°+135°时图1的左视图简图；
图6是A曲柄转动180°或360°+180°时图1的左视图简图；
图7是A曲柄转动225°或360°+225°时图1的左视图简图；
图8是A曲柄转动270°或360°+270°时图1的左视图简图；
图9是A曲柄转动315°或360°+315°时图1的左视图简图。
具体实施方式
下面结合附图，对本技术作进一步说明：
本案中，取提前角β＝30°。
参见图1所示的一种节能四冲程内燃机，包括内部具有竖置的若干组气缸1、顶部设置有气缸头2的缸体3，上下往复移动地设置在气缸1内的活塞4，上端摆动设置在活塞4内、下端转动设置在沿顺时针方向转动设置在缸体3内的一个曲轴5的曲柄6上的连杆7，往复移动地设置在开设于气缸头2上联通气缸1与外部的进气道8上用于间歇地开闭进气道8的进气门9，往复移动地设置在开设于气缸头2上联通气缸1与外部的排气道10上用于间歇地开闭排气道10的排气门11，若内燃机为点燃式内燃机，则还包括设置在气缸1顶部的火花塞12，若内燃机为压燃式内燃机，则还包括设置在气缸1顶部的喷油嘴13。以上为现有技术，此不赘述。
每组气缸包括并行的顶部通过开设在气缸头2内的气槽14联通的A气缸15和B气缸16，分别上下往复移动地设置在A气缸15和B气缸16内的A活塞17和B活塞18，上端分别摆动设置在A活塞17和B活塞18内的A连杆19和B连杆20，与A连杆19和B连杆20下端分别转动连接的曲轴5的A曲柄21和B曲柄22。
A活塞17和B活塞18相同，A连杆19和B连杆20的有效长度相同，长度为Ll，A曲柄21和B曲柄22的有效长度相同，长度为Lq。
平置的曲轴5轴线位于A气缸15和B气缸16轴线决定的平面内；曲轴5的A曲柄21至B曲柄22间的夹角为10°～60°，方向F为顺时针方向，即，在图1的左视图中，B曲柄22位于A曲柄21的顺时针方向10°～60°。
本案中，将一组顶部联通的两气缸并配设两副曲柄连杆滑块机构称作一组做功单元，一个节能四冲程内燃机中可以有一组做功单元，也可以有多组做功单元。
上述的节能四冲程内燃机，进气门9设置在A气缸15上方，排气门11设置在B气缸16上方。也可以设置为：排气门11设置在A气缸15上方，进气门9设置在B气缸16上方。本案中，取进气门9设置在A气缸15上方，排气门11设置在B气缸16上方的技术方案。
根据曲轴的布设方向，上述的节能四冲程内燃机为卧式（曲轴平置），也可以根据需要设置为立式（曲轴竖置）或其他布设形式。
下面以具有一组做功单元的节能四冲程内燃机为例，详细说明该节能四冲程内燃机的工作过程。
本例中的节能四冲程内燃机，A曲柄21和B曲柄22的有效长度为50mm，Lq﹦50mm ，A连杆19和B连杆20的有效长度为204mm，Ll﹦204mm ，A曲柄21和B曲柄22的夹角为45°，A气缸15和B气缸16的内径为95mm。
上述的节能四冲程内燃机工作时：
1、压缩冲程末段
参见图2所示，进气门9和排气门11关闭；
在A气缸15和B气缸16内达到压缩极值（气缸内具有最大压缩比）时，A活塞17和A连杆19到达上止点，B活塞18和B曲柄22已转过上止点，B活塞18已进入下行行程。此时，B气缸16内的空腔即为由A气缸15和B气缸16构成的一组气缸的燃烧室，其有效长度为17.73mm；虽然A曲柄21的力臂的值为零，但B曲柄22的力臂为Lq×cos45°=35.36mm，与Lq﹦50mm相比，已经具有了较长的力臂，同时，A气缸15和B气缸16内的气体的温度急剧上升。
2、爆发冲程
进气门9和排气门11关闭；
对于压燃式内燃机，设置在气缸顶部的喷油嘴13给油于A气缸15和B气缸16内并与A气缸15和B气缸16内的新鲜空气充分混合形成高温环境内的可燃混合气后爆发燃烧产生热能致A气缸15和B气缸16内气压急剧升高；
对于点燃式内燃机，设置在气缸顶部的火花塞12点火点燃A气缸15和B气缸16内的可燃混合气后爆发燃烧产生热能致A气缸15和B气缸16内气压急剧升高；
气缸内压力作用于A活塞17和B活塞18顶部致A活塞17和B活塞18具有下行趋势，B活塞18下行、通过摆动设置在B活塞18内的B连杆20作用于力臂为Lq×cos45°=35.36mm的B曲柄22上驱动曲轴5转动；与此同时，A曲柄21迅速转过上止点，克服A连杆19和A曲柄21瞬时自锁现象，A活塞17下行，有效地作功；
参见图3所示，曲轴5顺时针转动45°时，A曲柄21的力臂为35.36mm，B曲柄22的力臂为50mm；
参见图4所示，曲轴5又顺时针转动45°时，A曲柄21的力臂为50mm，B曲柄22的力臂为35.36mm；
参见图5所示，至A曲柄21转过并趋近（180°－30°）时，B曲柄22已转过并趋离（180°＋30°）时，A气缸15和B气缸16内压力急剧下降；
排气门11启动拟进入排气冲程；
A曲柄21转过180°－45°=135°时，A曲柄21的力臂为35.36mm，B曲柄22的力臂为零，B曲柄22和B连杆20出现瞬时自锁现象，A活塞17因缸内余压作用于力臂为35.36mm的A曲柄21上继续驱动曲轴5转动，驱使B曲柄22和B连杆20解除B曲柄22和B连杆20出现瞬时自锁现象；
爆发冲程中，B活塞18和A活塞17相继作用，先后克服A连杆19和A曲柄21瞬时自锁现象、B曲柄22和B连杆20出现瞬时自锁现象，协同驱动曲轴5转动。
3、排气冲程
参见图6-图9所示，A活塞17和B活塞18上行，将A气缸15和B气缸16内废气由排气道10经开启的排气门11排出；
在A活塞17到达上止点之前排气门11启动趋于关闭至A活塞17到达上止点完全关闭、进气门9启动趋于开启至A活塞17到达上止点完全开启。
4、进气冲程
参见图2-图5所示，对于点燃式内燃机，油气混合物由进气道8经开启的进气门9进入A气缸15和B气缸16；
对于压燃式内燃机，新鲜空气由进气道8经开启的进气门9进入A气缸15和B气缸16；
排气门11关闭，在A活塞17到达下止点之前进气门9启动趋于关闭至A活塞17到达下止点完全关闭。
5、压缩冲程始段和中段
参见图6-图9所示，进气门和排气门关闭；
A活塞17和B活塞18上行，将油气混合物或新鲜空气压缩，油气混合物或新鲜空气温度升高。
本技术的有益效果是：
上述的节能四冲程内燃机，将现有技术中的一组一气缸并配设一副曲柄连杆滑块机构分解为一组顶部联通的两气缸并配设两副曲柄连杆滑块机构，在燃料爆发燃烧开始时其中的一个曲柄已经拥有了长度不为零的力臂，使燃料爆发时的能量被利用做有用功，提高能量的转换率。
仅需配置较小的飞轮或无需配置飞轮，即可克服曲柄和连杆存在瞬时自锁的不利现象。

Claims (3)

1.一种节能四冲程内燃机，包括内部具有若干组气缸、顶部设置有气缸头的缸体，上下往复移动地设置在气缸内的活塞，上端摆动设置在活塞内、下端转动设置在沿顺时针方向转动设置在缸体内的一个曲轴的曲柄上的连杆，往复移动地设置在开设于气缸头上联通气缸与外部的进气道上用于间歇地开闭进气道的进气门，往复移动地设置在开设于气缸头上联通气缸与外部的排气道上用于间歇地开闭排气道的排气门，其特征是，每组气缸包括并行的顶部通过开设在气缸头内的气槽联通的A气缸和B气缸，分别上下往复移动地设置在A气缸和B气缸内的A活塞和B活塞，上端分别摆动设置在A活塞和B活塞内的A连杆和B连杆，与A连杆和B连杆下端分别转动连接的曲轴的A曲柄和B曲柄；A活塞和B活塞相同，A连杆和B连杆的有效长度相同，长度为Ll，A曲柄和B曲柄的有效长度相同，长度为Lq；A曲柄至B曲柄间的夹角为10°～60°。
2.根据权利要求1所述的节能四冲程内燃机，其特征是，进气门设置在A气缸上方，排气门设置在B气缸上方。
3.根据权利要求1所述的节能四冲程内燃机，其特征是，排气门设置在A气缸上方，进气门设置在B气缸上方。
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