CN112112731A - 一种双轴双活塞双工质二冲程内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双轴双活塞双工质二冲程内燃机，用于解决能量转化效率，实现高功率密度。本发明实施例提供的一种双轴双活塞双工质二冲程内燃机，两个曲轴配合两组气缸的交叉布置，每个气缸有直接接触工质的上活塞和进行动力传导的下活塞；两组气缸交替做功，运动方向相反；进气侧气缸和排气侧气缸通过换气道连通，实现不同工质动力传导和换气；气缸燃烧室中实现双工质做功，包括燃烧后的工质直接做功和水受热蒸发后的水蒸气做功。相对于传统二冲程内燃机实现双工质做功，提高能量转化效率，经济节约，结构紧凑方便布局，动平衡性能优越，振动噪音小。

Description

一种双轴双活塞双工质二冲程内燃机
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种双轴双活塞双工质二冲程内燃机。
背景技术
随着汽车动力总成和以内燃机为核心动力的装备快速发展，对内燃机的结构紧凑性、振动噪音性及燃料适应性提出了越来越高的要求，比如采用三缸代替四缸以实现机组小型轻量化等。传统四冲程内燃机的配气系统复杂，长时间运行带来的维护维保频繁费用高，无法满足诸如燃气热泵、热电联产系统及分布式能源系统长时间连续运行的需求。二冲程内燃机取消了复杂的配气系统，功率密度高，制造成本低，但其燃烧效率低，燃油燃气消耗率高。
如何实现高功率密度、高燃烧效率的内燃机，成为限制发电设备、混合动力汽车、燃气热泵、热电联产系统及分布式能源系统的广泛应用主要关键问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种双轴双活塞双工质二冲程内燃机，实现双工质做功提高能量转化效率，实现高功率密度。
本发明实施例提供的一种双轴双活塞双工质二冲程内燃机，其特征在于，两个曲轴配合两组气缸的交叉布置，每个气缸有直接接触工质的上活塞和进行动力传导的下活塞；两组气缸交替做功，运动方向相反；进气侧气缸和排气侧气缸通过换气道连通，实现不同工质动力传导和换气；气缸燃烧室中实现双工质做功，包括燃烧后的工质直接做功和水受热蒸发后的水蒸气做功。
一种较佳实施方式，两个曲轴有两个曲拐并180°对称布置，两个曲轴通过齿轮啮合相向旋转并相互传导动力。
一种较佳实施方式，两组气缸的活塞重心对应在机体重心线上，使得机组扭振最小。
一种较佳实施方式，内燃机由气缸盖1、喷射组件11、第一气缸组换气道12，第二气缸组换气道13，上机体2、上气缸套21、上活塞22、上进气孔23、下进气孔24、进气口25、上排气孔26、下排气孔27、排气口28、下机体3、下气缸套31、下活塞32、活塞销33、连杆34、曲轴4、齿轮41组成。
一种较佳实施方式，喷射组件11具体为喷油器、火花塞或喷水器任意之一
一种较佳实施方式，喷射组件11可喷射同一种燃料或喷射多种燃料或水，实现不同工质做功需求和单工质做功需求，亦可实现多火花塞点火。
一种较佳实施方式，燃烧室由上活塞22上表面、上气缸套21内表面、气缸盖1下表面和第一气缸组换气道12或第二气缸组换气道13构成，用于燃料燃烧和工质能量转化。
一种较佳实施方式，进气口25连接进气控制阀5，用于调节进入机组的气量，实现不同转速不同负荷不同工质做功的变换。
一种较佳实施方式，每组气缸的气缸数量相同。
一种较佳实施方式，双工质做功具体为：喷射组件往气缸燃烧室内喷射汽油以向气缸燃烧室内提供燃料与气缸燃烧室内的空气混合形成可燃混合气，随着气缸内的上活塞继续向上运动靠近上止点，火花塞点火点燃气缸燃烧室中的可燃混合气，实现工质直接做功；喷射组件往气缸燃烧室内喷水，进入气缸燃烧室内的水在压缩的高温高压气体中蒸发变成水蒸气并与气缸燃烧室内的压缩废气或压缩空气混合，受水蒸气的影响第一气缸组内温度下降，压力升高，实现水蒸气做功。
本发明实施例的有益效果包括：
本发明实施例提供的一种双曲轴双活塞双工质二冲程内燃机，相对于传统二冲程内燃机实现双工质做功，提高能量转化效率，经济节约，结构紧凑方便布局，动平衡性能优越，振动噪音小；从而克服现有技术存在的问题和不足，可以更好的应用于发电设备、混合动力汽车、燃气热泵、热电联产系统及分布式能源系统，特别是双曲轴双活塞双工质二冲程内燃机。
附图说明
图1为本发明实施例的整体斜视图；
图2为本发明实施例的内部斜视图1；
图3为本发明实施例的内部斜视图2；
图4为本发明实施例的整体斜视图A-A剖面图；
图5为本发明实施例的整体斜视图B-B剖面图；
图6为本发明实施例的整体斜视图C-C半剖面图；
图7为本发明实施例的整体斜视图D-D半剖面图。
具体实施方式
下面结合附图1-7，对本发明实施例提供的双曲轴双活塞双工质二冲程内燃机的具体实施方式进行详细地说明。
本发明实施例提供的一种双轴双活塞双工质二冲程内燃机，其特征在于，两个曲轴配合两组气缸的交叉布置，每个气缸有直接接触工质的上活塞和进行动力传导的下活塞；两组气缸交替做功，运动方向相反；进气侧气缸和排气侧气缸通过换气道连通，实现不同工质动力传导和换气；气缸燃烧室中实现双工质做功，包括燃烧后的工质直接做功和水受热蒸发后的水蒸气做功。每组气缸的气缸数量相同。
本发明实施例的双曲轴双活塞双工质二冲程内燃机主要由气缸盖1、喷射组件11、第一气缸组换气道12，第二气缸组换气道13，上机体2、上气缸套21、上活塞22、上进气孔23、下进气孔24、进气口25、上排气孔26、下排气孔27、排气口28、下机体3、下气缸套31、下活塞32、活塞销33、连杆34、曲轴4、齿轮41、进气控制阀5组成。
两个曲轴4通过齿轮41啮合相互传递动力相向旋转，带动第一气缸组和第二气缸组内对应的上活塞22及连接的下活塞32相向运动交替做功，曲轴4两个曲拐180°对称布置，对应的第一气缸组内的两个上活塞22及相连接的下活塞32实现上下同步运动，对应的第二气缸组内的两个上活塞22及相连接的下活塞32实现上下同步运动且与第一气缸组的活塞运动方向相反。
第一气缸组和第二气缸组内的上活塞22及链接的下活塞32交叉布置，重力中心在机体重心中心线上。
第一气缸组设置有第一气缸组换气道12，第二气缸组设置有第二气缸组换气道13，用于实现气缸组进气侧气缸和排气侧气缸换气和布置喷油器(或火花塞或喷水器)11。
燃烧室由上活塞22上表面、上气缸套21内表面、气缸盖1下表面和第一气缸组换气道12或第二气缸组换气道13构成，用于燃料燃烧和工质能量转化。
喷射组件11具体为喷油器、火花塞或喷水器任意之一；喷射组件11可喷射同一种燃料或喷射多种燃料或水，实现不同工质做功需求和单工质做功需求，亦可实现多火花塞点火。
进气控制阀5用于调节进入机组的空气或混合气量，实现不同转速不同负荷不同工质做功的变换。
本发明实施例双曲轴双活塞二冲程内燃机，包括气缸盖1，气缸盖1可布置安装有6个喷射组件11；气缸盖1安装于上机体2上，上机体2中布置有四个套筒用于安装四个上气缸套21，每个上气缸套21中有一个可上下往复运动的上活塞22，上气缸套21与气缸盖1、上活塞22构成四个燃烧做功气缸1a(进气侧第一气缸)、2a(进气侧第二气缸)、1b(排气侧第一气缸)、2b(排气侧第二气缸)，气缸1a和气缸1b构成第一气缸组，气缸2a和气缸2b构成第二气缸组，第一气缸组与第二气缸组交叉布置；气缸盖1内设置有连接气缸1a和气缸1b的第一气缸组换气道12和连接气缸2a和气缸2b的第二气缸组换气道13；涉及进气侧第一气缸1a和进气侧第二气缸2a一旁的上机体2和上气缸套21下部相互组合均开有上进气孔23、下进气孔24，涉及排气侧第一气缸1b和排气侧第二气缸2b的上机体2和上气缸套21下部相互组合均开有上排气孔26、下排气孔27；上机体2在进气侧第一气缸1a、进气侧第二气缸2a分别设置有两个进气口25，每个进气口25与对应气缸的上进气孔23和下进气孔24通过外围环形通道连通；上机体2在排气侧第一气缸1a、排气侧第二气缸2a分别设置有两个排气口28，每个排气口28与对应气缸的上排气孔26和下排气孔27通过外围环形通道连通；上机体2四个气缸下部设置有四个活塞连接杆导向槽；上机体2下部连接有下机体3；下机体3中布置有四个套筒用于安装四个下气缸套31，每个下气缸套31中有一个可上下往复运动的下活塞32；每个下活塞32通过活塞销33与连杆34小头连接；四个连杆34大头分别与两个曲轴4的四个曲拐连接；两个曲轴4固定在下机体3上进行旋转运动；每个曲轴4中设置两个曲拐，两个曲拐径向180°对称布置；两个曲轴4两端均布置有齿轮41且相互啮合；上机体2两个进气口25分别连接两个进气控制阀5；上机体2和下机体3布置的套筒同轴，四个上气缸套21、四个下气缸套31、上活塞22和下活塞32分别同轴；由上活塞22头部上表面、上气缸套21内表面、气缸盖1下表面和第一气缸组换气道12或第二气缸组换气道13构成燃烧室。由上活塞22头部下表面及尾部连接杆外柱面和上气缸套21内表面和进气控制阀14通过上进气孔23、下进气孔24及进气口25构成进气压缩室。
喷射组件11(喷油器或火花塞或喷水器)采用螺纹固定连接于气缸盖1设置的螺纹孔中，喷射组件11(喷油器或火花塞或喷水器)头部置于相应气缸和换气道中；气缸盖1、上机体2和下机体3通过螺栓固定连接；上气缸套21与上机体2通过凸台和凹台方式固定上气缸套21横向位置，结合气缸盖1固定上气缸套21纵向位置，采用导向槽固定上气缸套21径向进气孔和排气孔方向；下气缸套31与下机体3通过凸台和凹台方式固定下气缸套31横向位置，结合卡环固定下气缸套31纵向位置；两个曲轴4采用端盖方式与下机体3固定，曲轴4只能沿其固定轴进行旋转运动；两个曲轴4两端的齿轮进行啮合，实现两个曲轴4旋转运动方向相反；曲轴4两个曲拐180°对称布置，对应的第一气缸组的两个上活塞22实现上下同步运动，对应的第二气缸组的两个上活塞22实现上下同步运动且与第一气缸组的活塞运动方向相反；四个上活塞22尾部连接杆与对应的四个下活塞32头部分别固定连接，实现上下往复运动同步；上机体2四个气缸下部设置有四个活塞连接杆导向槽对上活塞22进行导向的同时对气缸进行密封。
本发明实施例双曲轴双活塞双工质二冲程内燃机的工作原理：
采用进气道供应空气、缸内喷射汽油、缸内点火、缸内喷水方式运行，以第一气缸组为例。
压缩过程：两个曲轴4相向旋转运动经连杆34和活塞销33带动第一气缸组下活塞32和对应气缸1a和气缸1b内的上活塞22从下止点向上止点运动；当位于气缸1a和气缸1b内的上活塞22头部顶面均超过上进气孔23上边缘和排气孔26上边缘时第一气缸组燃烧室封闭，压缩过程开始，进入第一气缸组燃烧室的空气随上活塞22的运动被压缩；当曲轴4带动上活塞22运动至上止点时，压缩过程结束进入燃烧作功过程。
燃烧作功过程：当曲轴4带动气缸1a和气缸1b内的上活塞22同步向上运动靠近上止点火花塞未点火前时，喷油器(11，位于气缸1a上端)往气缸1a燃烧室内喷射汽油以向气缸1a燃烧室内提供燃料与气缸1a燃烧室内的空气混合形成可燃混合气；随着气缸1a和气缸1b内的上活塞22继续同步向上运动靠近上止点，火花塞(11，位于第一气缸组换气道内)点火点燃气缸1a燃烧室中的可燃混合气，可燃混合气燃烧使第一气缸组燃烧室内的温度压力急剧升高；喷水器(11，位于气缸1b上端)往气缸1b燃烧室内喷水，进入气缸1b燃烧室内的水在压缩的高温高压气体中蒸发变成水蒸气并与气缸1b燃烧室内的压缩废气或压缩空气混合，受水蒸气的影响第一气缸组内温度下降，压力升高；当气缸1a和气缸1b内的上活塞22运动到达上止点后在第一气缸组燃烧室内高温高压气体作用下推动气缸1a和气缸1b内的上活塞22从上止点向下止点运动，气缸1a和气缸1b内的上活塞22通过对应的下活塞32、活塞销33和连杆34带动曲轴4旋转对外输出动力。
排气进气过程：进气控制阀14关闭，进气压缩室封闭，上活塞22从上止点向下止点运动，对进气压缩室内的空气进行压缩；随着上活塞22从上止点向下止点运动，气缸1b内的上活塞22头部上边缘首先达到上排气口26，第一气缸组燃烧室通过上排气孔26与排气口28连通，第一气缸组燃烧室内的废气通过上排气孔26与排气口28排向机体，排气过程开始；随着上活塞22从上止点向下止点继续运动，气缸1a内的上活塞22头部上边缘达到上进气孔23上边缘，第一气缸组燃烧室与进气压缩室及上排气孔26连通，进气压缩室内的空气通过上进气孔23进入气缸1a吹扫气缸1a内的燃烧废气，气缸1a内的燃烧废气通过第一气缸组换气道12进入气缸1b并推动气缸1b中的废气通过上排气孔26与排气口28排除机体，进气过程开始；随着曲轴4旋转，上活塞22从上止点运动到下止点后反向朝上止点运动，当气缸1a内的上活塞22上边缘到达上进气孔23上边缘之前排气过程和进气过程一直持续；当气缸1a内的上活塞22上边缘到达上进气孔23上边缘时，气缸1a内的燃烧室与进气压缩室断开，进气过程结束；随着上活塞22从上止点继续向上止点运动，当气缸1b内的上活塞22上边缘达到上排气孔26上边缘时，气缸1b内的燃烧室与上排气孔26断开，排气过程结束，此时进入下一循环的压缩过程和预进气过程；此过程将气缸1b中的废气排出，气缸1a中的废气移置到气缸1b中。
预进气过程：当位于气缸1a和气缸1b内的上活塞22头部顶面均超过上进气孔23上边缘和排气孔26上边缘，控制进气控制阀5打开，随着上活塞22向上运动进气压缩室内压力降低空气经过进气控制阀5进入进气压缩室，预进气过程开始；控制进气控制阀5关闭，预进气过程结束；预进气过程与压缩过程同步。
依次经过以上几个过程第一气缸组完成了交替进气、压缩做功，通过曲轴4上的齿轮41动力传动，第二气缸组的工作过程与第一气缸组交替进行进气、压缩做功实现动力的持续稳定输出，每个气缸组有两个活塞组成，实现双活塞同时做功。
上述工作原理中涉及燃烧后的工质直接做功和水受热蒸发后的水蒸气做功，实现双工质做功，以减少燃烧过程爆震的出现和提高能量转化效率。
上述所有过程只是外部负荷变化中第一气缸组工作工况的一种，喷油器(或火花塞或喷水器)11的布置个数和布置位置根据燃料可灵活减少或增加或位置变换或可采用双通道喷射器完成，亦可实现常规内燃机单燃料燃烧做功。
本发明实施例的双曲轴双活塞双工质二冲程内燃机可实现双工质做功，有效提高能量转化效率，经济节能；活塞组对称交叉布局，实现了往复运动部件中心在机组重心线上，将机组振动降低到最小，结构紧凑，动平衡性能优越，振动噪音小；在有无增压器配置下均能正常工作，动力输出响应性强，适用性广；实现不同燃料不同负荷下不同燃烧模式的变换，经济运行工况范围拓宽且燃料适应性强；以二冲程工作方式使得机组功率密度提高，可减少空间有利布局。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种双轴双活塞双工质二冲程内燃机，其特征在于，两个曲轴配合两组气缸的交叉布置，每个气缸有直接接触工质的上活塞和进行动力传导的下活塞；两组气缸交替做功，运动方向相反；进气侧气缸和排气侧气缸通过换气道连通，实现不同工质动力传导和换气；气缸燃烧室中实现双工质做功，包括燃烧后的工质直接做功和水受热蒸发后的水蒸气做功。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述两个曲轴有两个曲拐并180°对称布置，两个曲轴通过齿轮啮合相向旋转并相互传导动力。
3.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述两组气缸的活塞重心对应在机体重心线上，使得机组扭振最小。
4.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机由气缸盖、喷射组件、第一气缸组换气道，第二气缸组换气道，上机体、上气缸套、上活塞、上进气孔、下进气孔、进气口、上排气孔、下排气孔、排气口、下机体、下气缸套、下活塞、活塞销、连杆、曲轴、齿轮组成。
5.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述喷射组件具体为喷油器、火花塞或喷水器任意之一。
6.根据权利要求1或5所述的内燃机，其特征在于，所述喷射组件可喷射同一种燃料或喷射多种燃料或水，实现不同工质做功需求和单工质做功需求，亦可实现多火花塞点火。
7.根据权利要求1或5所述的内燃机，其特征在于，燃烧室由所述上活塞上表面、所述上气缸套内表面、所述气缸盖下表面和所述第一气缸组换气道或所述第二气缸组换气道构成，用于燃料燃烧和工质能量转化。
8.根据权利要求1或5所述的内燃机，其特征在于，所述进气口连接进气控制阀，用于调节进入机组的气量，实现不同转速不同负荷不同工质做功的变换。
9.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，每组气缸的气缸数量相同。
10.根据权利要求1或5所述的内燃机，其特征在于，所述双工质做功具体为：
喷射组件往气缸燃烧室内喷射汽油以向气缸燃烧室内提供燃料与气缸燃烧室内的空气混合形成可燃混合气，随着气缸内的上活塞继续向上运动靠近上止点，火花塞点火点燃气缸燃烧室中的可燃混合气，实现工质直接做功；喷射组件往气缸燃烧室内喷水，进入气缸燃烧室内的水在压缩的高温高压气体中蒸发变成水蒸气并与气缸燃烧室内的压缩废气或压缩空气混合，受水蒸气的影响第一气缸组内温度下降，压力升高，实现水蒸气做功。
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