CN114645797A - 十字气缸 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种十字气缸，属于动力设备领域，以解决目前的气缸会使发动机启动时产生震动并损耗一部分能量的问题。通过设置十字形的气缸外壳，并在十字形腔体中安装四个活塞，使得在气缸运行时，它的每个活塞都有与之相对运动的另一个活塞，因此不会出现导致气缸缸体在任何方向上产生位移的力，从而能够显著减少发动机工作时产生的震动，并减少能量损耗。其次，气缸气体膨胀的强大压力分别由四个活塞承担，并作用于飞轮四个点上使飞轮旋转，既可以尽量增大缸内的空燃比，又大大降低了机械传动零部件的磨损，延长了气缸的工作寿命。另外，每个气缸都是独立的，可根据功率大小的需要任意组合数个气缸来一起工作。

Description

十字气缸

技术领域

本发明涉及动力设备技术领域，尤其涉及一种一个气缸配多个活塞的内燃 机，并根据动力需求的不同可随意组合成不同气缸个数的发动机。本发明现以 十字型气缸作为模型进行说明。

背景技术

传统发动机中的气缸基本都是一个缸体搭配一个活塞。这种气缸使得机动 车启动运行时，活塞运动会使发动机受到一个反作用力，这就是传统发动机工 作时震动的主要来源，也是能量损耗的一个重要环节。另外，气缸气体膨胀的 强大压力由一个活塞来承受缸内燃烧气体输出的压力，对压缩比有一定的限制， 局限了更高压缩比的设计。

其次，目前一个气缸搭配一个活塞的结构，而一个发动机中往往包括多套 这样的结构，使得当一套结构中的活塞出现故障时，需要整体拆开发动机进行 维修并重新装配，拆装很不方便。

另外，传统发动机使用正时皮带来进行正时调整，在发动机的使用过程中 由于皮带的磨损需要定期进行正时调整，不仅成本比较高，而且比较费时。

发明内容

为解决目前的气缸会使发动机启动时产生震动并损耗一部分能量、维修拆 装不方便及正时调整成本高和比较费时的技术问题，本发明提供一种十字气缸。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种十字气缸，其包括十字形的气缸外壳，气缸外壳中设有十字形腔体， 十字形腔体中安装有四个活塞，气缸外壳的两侧中部分别设有进排气口和火花 塞插孔，气缸外壳上相对设置有液体入口和液体出口，气缸外壳内侧设有液体 腔，液体入口和液体出口均与液体腔连通；

十字形腔体的四个气缸口上各套设有一个气缸飞轮固定架，气缸口上与气 缸飞轮固定架连接的位置相对设有第一活塞销孔，气缸飞轮固定架包括气缸飞 轮支架套环，气缸飞轮支架套环套设在气缸口上，气缸飞轮支架套环两侧分别 与一个滚轮连接件底端连接，滚轮连接件顶部内侧连接有滚轮，两个滚轮卡在 飞轮上的飞轮架滚轮轨道外侧，气缸飞轮支架套环两侧设有第二活塞销孔且第 二活塞销孔位于滚轮连接件下方，飞轮的内沿为四叶草形的活塞轨道，飞轮两 侧分别固定有椭圆形的进气排气控制轨道和喷油点火控制轨道，气缸外壳两侧 安装有进气排气装配体和喷油点火装配体，进气排气装配体和喷油点火装配体 分别与进气排气控制轨道和喷油点火控制轨道卡接；

每个活塞包括活塞体，活塞体一端连接有三角连接件，三角连接件顶部连 接有活塞轨道滚轮，活塞轨道滚轮卡在活塞轨道中，活塞体底部设有弧形的燃 烧室活塞凹腔，活塞体和三角连接件上设有活塞销滑动槽，第一活塞销孔、第 二活塞销孔和活塞销滑动槽中插入有活塞销。

可选地，所述进气排气装配体包括进排气控制杆和进排气筒；

进排气控制杆的轨道端连接有第一飞轮轨道卡轴，第一飞轮轨道卡轴连接 有第一轨道卡，第一轨道卡卡在进气排气控制轨道上，进排气控制杆的气缸端 安装有气门阀开合控制件，气门阀开合控制件和进排气控制杆的气缸端连贯开 设有阶梯形的气门阀开合控制槽，气门阀开合控制件中部滑动连接有第一固定 槽，气缸外壳的进排气口两侧对称固定有两个弧形的第一气缸连接轴，第一固 定槽固定于两个第一气缸连接轴之间并位于进排气口一侧，气门阀开合控制件 可在第一固定槽中部的间隙中滑动，气门阀开合控制件顶部设有长孔，长孔中 卡入有气门阀开合控制块，气门阀开合控制块中连接有气门阀开合控制横杆， 气门阀开合控制横杆可在气门阀开合控制槽中运动，气门阀开合控制块与气门阀开合控制纵杆一端连接，气门阀开合控制纵杆另一端从进排气口中插入气缸 壳体中且气门阀开合控制纵杆另一端连接有气门阀；

进排气筒安装在两个弧形的第一气缸连接轴中部的间隙中，进排气筒一侧 底部设有气缸进排气连接口，气缸进排气连接口置于进排气口上面，进排气筒 一侧还设有气门阀开合控制纵杆过孔，气门阀开合控制纵杆穿在气门阀开合控 制纵杆过孔中。

可选地，所述进排气筒内部为中空结构，进排气筒远离气门阀开合控制纵 杆过孔的一侧设有进气通道和排气通道，进排气筒内部一侧设有排气口挡板， 排气口挡板与进排气筒内部一侧铰接，进排气筒中部设有进气口挡板铰接件， 进气口挡板铰接件中铰接有进气口挡板，进气口挡板可与进排气筒内部另一侧 接触，排气口挡板可与进气口挡板铰接件接触。

可选地，所述喷油点火装配体包括喷油点火控制杆和喷油火花塞；

喷油点火控制杆的轨道端连接有第二飞轮轨道卡轴，第二飞轮轨道卡轴连 接有第二轨道卡，第二轨道卡卡入喷油点火控制轨道中，喷油点火控制杆的气 缸端连接有滑套支撑架，滑套支撑架上滑动连接有喷油弹片压合滑套，喷油弹 片压合滑套远离喷油点火控制杆气缸端的一侧中部设有弹片压块，喷油点火控 制杆靠近其气缸端的位置与喷油弹片的固定端连接，喷油弹片的弹起端从喷油 弹片压合滑套上弹片压块一侧的开口中伸出，滑套支撑架上靠近喷油弹片压合 滑套上弹片压块另一侧开口的位置连接有点火开关控制凸起，喷油点火控制杆 中部滑动连接有第二固定槽，气缸外壳的火花塞插孔两侧对称固定有两个弧形 的第二气缸连接轴，第二固定槽固定于两个第二气缸连接轴之间并位于火花塞插孔一侧，喷油点火控制杆可在第二固定槽中部的间隙中滑动；

喷油火花塞包括火花塞体，火花塞体顶面中间设有喷油孔，喷油孔两侧分 别设有正电极孔和负电极孔，正电极孔和负电极孔中分别安装有正电极和负电 极，正电极由上段正电极和下段正电极组成，上段正电极和下段正电极之间有 隔断，下段正电极底端和负电极底端之间形成点火空间，火花塞体顶部两侧设 有滑套支撑架的安装槽，火花塞体通过滑套支撑架的安装槽与滑套支撑架卡接， 火花塞体的顶部中间设有喷油开关，处于喷油开关所在平面的两个滑套支撑架 的安装槽之间的火花塞体设有凹槽，喷油开关可在凹槽中滑动，喷油开关一侧 设有开关孔，喷油开关另一侧连接有喷油开关弹片，喷油开关弹片为π字形， 喷油开关弹片处于滑套支撑架的安装槽中，火花塞体上喷油开关下面设有点火 弹片，点火弹片靠近负电极孔的一端与火花塞体铰接，点火弹片靠近正电极孔 的一侧连接有金属触点，金属触点可插入上段正电极和下段正电极之间的隔断 中。

可选地，十字气缸还包括气缸连接接头，气缸连接接头包括圆盘和四个定 位柱，四个定位柱两两安装于圆盘两侧，圆盘两侧的两个定位柱之间的连线过 圆盘的圆心并具有夹角，定位柱用于插入第一气缸连接轴上的第一插孔或第二 气缸连接轴上的第二插孔中。

本发明的有益效果是：

通过设置十字形的气缸外壳，并在十字形腔体中安装四个活塞，使得在气 缸运行时，它的每个活塞都有与之相对运动的另一个活塞，气缸内整体实现应 力自平衡，因此不会出现导致气缸缸体在任何方向上产生位移的力，从而能够 显著减少发动机工作时产生的震动，并减少能量损耗。由于气缸气体膨胀的强 大压力分别由四个活塞承担，并作用于飞轮四个点上使飞轮旋转，既可以尽量 增大缸内的压力，又大大降低了机械传动零部件的磨损，延长机械传动部件的 工作寿命。另外，每个气缸都是独立的，可根据功率大小的需要任意组合数个 气缸来一起工作，组装方式灵活多变。此外，四个冲程的气门正时机构是由固 定在飞轮上的气门正时轨道环来控制，所以由此气缸组装形成的发动机不需要 正时皮带进行调整，不仅能够节省正时调整的成本，而且能够省去正时调整所 需的工作量。

附图说明

图1是本发明的立体图。

图2是本发明的左视图。

图3是本发明的右视图。

图4是本发明的主视图。

图5是本发明的剖视图。

图6是本发明中气缸外壳及其与周边部件的连接关系示意图。

图7是本发明中气缸外壳及其与周边部件的连接关系主视图。

图8是图7的A-A视图。

图9是本发明中气缸外壳的剖视图。

图10是本发明中气缸飞轮固定架的结构示意图。

图11是本发明中活塞在一个视角下的结构示意图。

图12是本发明中活塞在另一个视角下的结构示意图。

图13是本发明中活塞轨道在各种视图下的结构示意图。

图14是本发明中进气排气装配体的立体图。

图15是本发明中进气排气装配体的主视图。

图16是本发明中第一飞轮轨道卡轴与第一轨道卡的连接关系示意图。

图17是本发明中气门阀与周边部件的连接关系主视图。

图18是本发明中进排气筒的结构示意图。

图19是本发明中进排气筒的剖视图。

图20是本发明中进排气筒的剖视图。

图21是本发明中喷油点火装配体的主视图。

图22是图21的A-A剖视图。

图23是图21的B-B剖视图。

图24是本发明中喷油弹片压合滑套的结构示意图。

图25是图21的D-D、E-E和F-F剖视图。

图26是本发明中喷油火花塞及其A-A剖视图。

图27是本发明中喷油火花塞及其B-B剖视图。

图28是本发明中喷油火花塞及其C-C剖视图。

图29是本发明中喷油火花塞及其A-A、B-B、C-C和D-D剖视图。

图30是本发明中气缸连接接头的立体图及主视图。

图31是本发明在一种场景下的使用结构示意图。

图32是图30的过程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述。

如图1至图12所示，本实施例中的十字气缸，其包括十字形的气缸外壳1， 气缸外壳1中设有十字形腔体，十字形腔体中安装有四个活塞2，气缸外壳1的 两侧中部分别设有进排气口1-1和火花塞插孔1-2，气缸外壳1上相对设置有液 体入口1-3和液体出口1-4，气缸外壳1内侧设有液体腔1-5，液体入口1-3和液 体出口1-4均与液体腔1-5连通；液体腔1-5内灌注为给气缸降温的防冻液，在 安装时，下面的口为防冻液入口，上面的口为防冻液出口。

十字形腔体的四个气缸口1-6上各套设有一个气缸飞轮固定架3，气缸口1-6 上与气缸飞轮固定架3连接的位置相对设有第一活塞销孔1-7，气缸飞轮固定架 3包括气缸飞轮支架套环3-1，气缸飞轮支架套环3-1套设在气缸口1-6上，气 缸飞轮支架套环3-1两侧分别与一个滚轮连接件3-2底端连接，滚轮连接件3-2 顶部内侧连接有滚轮3-3，两个滚轮3-3卡在飞轮4上的飞轮架滚轮轨道4-1外 侧，气缸飞轮支架套环3-1两侧设有第二活塞销孔3-4且第二活塞销孔3-4位于 滚轮连接件3-2下方，飞轮4的内沿为四叶草形的活塞轨道4-2，飞轮4两侧分 别固定有椭圆形的进气排气控制轨道4-3和喷油点火控制轨道4-4，气缸外壳1两侧安装有进气排气装配体5和喷油点火装配体6，进气排气装配体5和喷油点 火装配体6分别与进气排气控制轨道4-3和喷油点火控制轨道4-4卡接；

每个活塞2包括活塞体2-1，活塞体2-1一端连接有三角连接件2-2，三角 连接件2-2顶部连接有活塞轨道滚轮2-3，活塞轨道滚轮2-3卡在活塞轨道4-2 中，活塞体2-1底部设有弧形的燃烧室活塞凹腔2-4，活塞体2-1和三角连接件 2-2上设有活塞销滑动槽2-5，第一活塞销孔1-7、第二活塞销孔3-4和活塞销滑 动槽2-5中插入有活塞销2-6。当做功冲程开始时，四个活塞体2-1处于压缩状 态，此时四个燃烧室活塞凹腔2-4构成点火时的圆柱形燃烧室。

其中，如图13中所示的活塞轨道在各种视图下的结构可知，活塞轨道4-2 是由四面渐开渐近交替连接的曲面形滑轮腔，活塞轨道滚轮2-3安装于这一滑轮 腔内。做功冲程时，膨胀气体推动活塞体2-1向外运动，活塞体2-1向外运动带 动活塞轨道滚轮2-3向外动，活塞轨道滚轮2-3与活塞轨道4-2的渐开面滚动接 触，由于倾斜角产生的分力，从而推动飞轮4转动。排气冲程时，飞轮4转动， 带动活塞轨道4-2的渐近面连续地压迫活塞轨道滚轮2-3使活塞体2-1向内挤压， 实现废气的排出。吸气冲程时，飞轮4转动，带动活塞轨道4-2渐开面的两个L 形延伸面拉动活塞体2-1向外运动，实现吸入空气。压缩冲程时，飞轮4转动， 带动活塞轨道4-2的渐近面压迫活塞轨道滚轮2-3使活塞体2-1向内挤压，实现 对气缸中空气的压缩。

传统的曲轴传动发动机在活塞往复运动过程中，由于活塞连杆除上下止点 以外，与气缸的轴向始终有一定的角度，所以使其移动的分力会对气缸壁的一 侧产生应力摩擦，活塞长期高强度往复运动及经常性润滑不好的冷启动下会对 气缸壁和活塞体造成磨损，本发明中活塞销2-6的使用可以限定活塞2只在轴向 上运动，径向上的分力则被活塞销2-6承担，理论上活塞2与气缸壁不产生应力 摩擦，这样可以有效避免气缸壁与活塞2的磨损。

可选地，如图14至图19所示，所述进气排气装配体5包括进排气控制杆 5-1和进排气筒5-2；进排气控制杆5-1的轨道端连接有第一飞轮轨道卡轴5-3， 第一飞轮轨道卡轴5-3连接有第一轨道卡5-4，第一轨道卡5-4卡在进气排气控 制轨道4-3上，进排气控制杆5-1的气缸端焊接安装有气门阀开合控制件5-5， 气门阀开合控制件5-5和进排气控制杆5-1的气缸端连贯开设有阶梯形的气门阀 开合控制槽5-6，气门阀开合控制件5-5中部滑动连接有第一固定槽5-7，气缸 外壳1的进排气口1-1两侧对称固定有两个弧形的第一气缸连接轴5-8，第一固 定槽5-7固定于两个第一气缸连接轴5-8之间并位于进排气口1-1一侧，气门阀开合控制件5-5可在第一固定槽5-7中部的间隙中滑动，气门阀开合控制件5-5 顶部设有长孔5-9，长孔5-9中卡入有气门阀开合控制块5-10，气门阀开合控制 块5-10中连接有气门阀开合控制横杆5-11，气门阀开合控制横杆5-11可在气门 阀开合控制槽5-6中运动，气门阀开合控制块5-10与气门阀开合控制纵杆5-12 一端连接，气门阀开合控制纵杆5-12另一端从进排气口1-1中插入气缸壳体1 中且气门阀开合控制纵杆5-12另一端连接有气门阀5-13；进排气筒5-2安装在 两个弧形的第一气缸连接轴5-8中部的间隙中，进排气筒5-2一侧底部设有气缸 进排气连接口5-14，气缸进排气连接口5-14置于进排气口1-1上面，进排气筒 5-2一侧还设有气门阀开合控制纵杆过孔5-15，气门阀开合控制纵杆5-12穿在 气门阀开合控制纵杆过孔5-15中。

当飞轮4旋转时，进气排气控制轨道4-3随着飞轮4旋转，第一轨道卡5-4 则随着进气排气控制轨道4-3椭圆长短半径变化使进排气控制杆5-1做往复运 动，从而使气门阀开合控制横杆5-11在气门阀开合控制槽5-6中移动，以控制 气门阀5-13的开合状态。

可选地，如图20所示，所述进排气筒5-2内部为中空结构，进排气筒5-2 远离气门阀开合控制纵杆过孔5-15的一侧设有进气通道5-19和排气通道5-20， 进排气筒5-2内部一侧设有排气口挡板5-16，排气口挡板5-16与进排气筒5-2 内部一侧铰接，进排气筒5-2中部设有进气口挡板铰接件5-17，进气口挡板铰接 件5-17中铰接有进气口挡板5-18，进气口挡板5-18可与进排气筒5-2内部另一 侧接触，排气口挡板5-16可与进气口挡板铰接件5-17接触。

其中，排气时排气口挡板5-16被缸内的高压气体冲开，进气口挡板5-18则 由于压差被关闭。当气缸内废气排完开始吸气时，排气口挡板5-16被关闭，进 气口挡板5-18被打开。

可选地，如图21至图29所示，所述喷油点火装配体6包括喷油点火控制 杆6-1和喷油火花塞6-2；喷油点火控制杆6-1的轨道端连接有第二飞轮轨道卡 轴6-3，第二飞轮轨道卡轴6-3连接有第二轨道卡6-4，第二轨道卡6-4卡入喷油 点火控制轨道4-4中，喷油点火控制杆6-1的气缸端连接有滑套支撑架6-5，滑 套支撑架6-5上滑动连接有喷油弹片压合滑套6-6，喷油弹片压合滑套6-6远离 喷油点火控制杆6-1气缸端的一侧中部设有弹片压块6-7，喷油点火控制杆6-1 靠近其气缸端的位置与喷油弹片6-8的固定端连接，喷油弹片6-8的弹起端从喷 油弹片压合滑套6-6上弹片压块6-7一侧的开口中伸出，滑套支撑架6-5上靠近喷油弹片压合滑套6-6上弹片压块6-7另一侧开口的位置连接有点火开关控制凸 起6-9，喷油点火控制杆6-1中部滑动连接有第二固定槽6-10，气缸外壳1的火 花塞插孔1-2两侧对称固定有两个弧形的第二气缸连接轴6-11，第二固定槽6-10 固定于两个第二气缸连接轴6-11之间并位于火花塞插孔1-2一侧，喷油点火控 制杆6-1可在第二固定槽6-10中部的间隙中滑动；喷油火花塞6-2包括火花塞 体6-12，火花塞体6-12顶面中间设有喷油孔6-13，喷油孔6-13两侧分别设有正 电极孔6-14和负电极孔6-15，正电极孔6-14和负电极孔6-15中分别安装有正 电极和负电极6-16，正电极由上段正电极6-17和下段正电极6-18组成，上段正电极6-17和下段正电极6-18之间有隔断，下段正电极6-18底端和负电极6-16 底端之间形成点火空间，火花塞体6-12顶部两侧设有滑套支撑架的安装槽6-19， 火花塞体6-12通过滑套支撑架的安装槽6-19与滑套支撑架6-5卡接，火花塞体 6-12的顶部中间设有喷油开关6-20，处于喷油开关6-20所在平面的两个滑套支 撑架的安装槽6-19之间的火花塞体6-12设有凹槽，喷油开关6-20可在凹槽中 滑动，喷油开关6-20一侧设有开关孔6-21，喷油开关6-20另一侧连接有喷油开 关弹片6-24，喷油开关弹片6-24为π字形，喷油开关弹片6-24处于滑套支撑架 的安装槽6-19中，火花塞体6-12上喷油开关6-20下面设有点火弹片6-22，点火弹片6-22靠近负电极孔6-15的一端与火花塞体6-12铰接，点火弹片6-22靠 近正电极孔6-14的一侧连接有金属触点6-23，金属触点6-23可插入上段正电极 6-17和下段正电极6-18之间的隔断中。

图21至图23为喷油点火控制杆6-1在喷油点火控制轨道4-4的短半径时喷 油弹片压合滑套6-6的初始位置，随着喷油点火控制轨道4-4向其长半径旋转， 喷油点火控制杆6-1向外移动，由于喷油弹片6-8在喷油点火控制杆6-1上固定， 所以喷油弹片6-8也继续移动，并带动喷油弹片压合滑套6-6同步移动，当它们 移动一定距离后，喷油弹片6-8触压到喷油开关6-20，使开关孔6-21与喷油孔 6-13逐渐重合时，开始向十字气缸内喷油，喷油点火控制杆6-1继续移动喷油也 继续，直到喷油弹片压合滑套6-6与喷油火花塞6-2接触时，受喷油火花塞6-2 阻挡，喷油弹片压合滑套6-6停止跟随喷油点火控制杆6-1移动，而喷油点火控 制杆6-1与喷油弹片6-8继续移动，直到弹片压块6-7压下喷油弹片6-8时，开 关孔6-21与喷油孔6-13错位，停止喷油，此时点火开关控制凸起6-9也触压到 点火弹片6-22，使点火弹片6-22靠近负电极孔6-15的一端与火花塞体6-12接 通，此时发动机控制模块根据工况进行点火提前角计算并正时点火。点火后， 喷油点火控制杆6-1开始向内移动，弹片压块6-7继续压合喷油弹片6-8并随喷 油点火控制杆6-1同步移动，直到喷油弹片压合滑套6-6碰到喷油火花塞6-2后， 不继续随喷油点火控制杆6-1移动，弹片压块6-7不再压合喷油弹片6-8，喷油 弹片6-8逐渐弹起，当喷油点火控制轨道4-4旋转至其短半径时喷油弹片压合滑 套6-6复位，喷油弹片6-8完全弹起，然后开始下一个循环。

图29中的A-A、B-B、C-C和D-D剖视图是以喷油点火控制杆6-1的厚度 为限，分别在喷油开关6-20上方、喷油开关6-20所在层、喷油开关6-20所在 层与点火弹片6-22所在层的中间、点火弹片6-22所在层进行剖切的剖面图。如 图29中的B-B剖视图所示，当喷油点火控制杆6-1上的喷油弹片6-8压迫喷油 开关6-20时，喷油开关弹片6-24变形，使开关孔6-21与喷油孔6-13逐渐重合， 达到喷油目的。当喷油点火控制杆6-1上的点火开关控制凸起6-9压迫点火弹片 6-22时，金属触点6-23接通上段正电极6-17和下段正电极6-18，开始激发电火花，从而点燃混合燃气。

可选地，如图30所示，十字气缸还包括气缸连接接头7，气缸连接接头7 包括圆盘7-1和四个定位柱7-2，四个定位柱7-2两两安装于圆盘7-1两侧，圆 盘7-1两侧的两个定位柱7-2之间的连线过圆盘7-1的圆心并具有夹角，定位柱 7-2用于插入第一气缸连接轴5-8上的第一插孔5-21或第二气缸连接轴6-11上 的第二插孔6-25中。其中，圆盘7-1两侧的两个定位柱7-2之间的连线之间的 夹角的度数根据十字气缸数量而定。例如，当发动机中配置四个十字气缸，在 同一时间段内分别完成吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程时，圆盘7-1 两侧的两个定位柱7-2之间的连线的夹角为45°。

为便于理解本发明的使用方法，下面以发动机中配置四个十字气缸为例， 对本发明的使用方法进行举例说明。首先，将四个十字气缸装配为图31所示的 结构，即将四个十字气缸通过三个气缸连接接头7连接，其中，第一个十字气 缸与第二个十字气缸错位45°，第三个十字气缸与第一个十字气缸角度相同， 第四个十字气缸与第三个十字气缸错位45°。

如图32所示，此时发动机的工作过程如下：

吸气冲程的工作过程为：排气冲程结束后，气门阀5-13是打开状态，此时 活塞轨道滚轮2-3已相对运动到活塞轨道4-2的渐开面，飞轮4的转动使四个活 塞体2-1向外分离，在十字气缸内产生负压，把空气吸入十字气缸中。图32的 吸气冲程图中，深色区域为活塞轨道4-2的渐开面，飞轮4转动通过活塞轨道 4-2的渐开面拉动活塞体2-1向外运动，从而吸入空气。

压缩冲程的工作过程为：吸气冲程结束后，气门阀5-13关闭，喷油开始， 同时活塞轨道滚轮2-3已相对运动到活塞轨道4-2的渐近面，四个活塞体2-1向 气缸外壳1的中心靠拢并加压空气。此冲程结束时，喷油火花塞6-2点火，开始 进入做功冲程。图32的压缩冲程中，深色区域为活塞轨道4-2的渐近面，此时 旋转的飞轮4通过活塞轨道4-2的渐近面挤压活塞体2-1。

做功冲程的工作过程为：十字气缸内气体膨胀，推动四个活塞体2-1向四个 方向移动，由于活塞轨道滚轮2-3与活塞轨道4-2滑动接触，在活塞轨道4-2的 渐开面上，使四个活塞体2-1具有向外冲击的动能，通过活塞轨道4-2的渐开面 对活塞向外的力的方向进行转变，变成飞轮4的转动。图32的做功冲程中，深 色区域为活塞轨道4-2的渐开面，活塞体2-1向外挤压渐开面，由于活塞体运动 方向与渐开面的夹角关系，使得飞轮4旋转。

排气冲程的工作过程为：做功冲程结束后，气门阀5-13打开，由于飞轮4 在经过做功冲程后已经转动起来，此时活塞轨道滚轮2-3已转到活塞轨道4-2的 渐近面，因此会挤压四个活塞体2-1向中心靠拢，并排出废气。图32的排气冲 程中，深色区域为活塞轨道4-2的渐近面，飞轮4旋转通过渐进面挤压活塞体 2-1，废气排出。

本发明中，进气口与排气口设计为同一个口，即进排气口1-1，这样，在进 气冲程低温空气的进入使气道及气门阀5-13不会因排气行程排出的高温废气而 温度过高。在压缩冲程和做功行程时，气门阀5-13关闭，进气通道5-19内的压 缩空气不间断的从排气通道5-20排出，这样就使排出高温废气的排气通道5-20℃降温。

进一步地，当用汽油作为燃料时，汽油的燃点为427℃，所以需要火花塞点 火，14.7：1是空气与汽油混合气体的空燃烧比。但通过本发明构建的发动机可 以设计为大于这一比例的空燃比，即‘贫燃’。本发明中火花塞与喷油嘴设计在 一起，在缸内直喷的末程火花塞点火，这样可以实现的是，缸内混合燃气的空 燃比远大于14.7:1，但在靠近火花塞周围的混合燃气浓度小于等于14.7：1，所 以可以正常点燃，并引燃缸内其它远离火花塞位置的低浓度混合燃气；发动机 控制模块结合本设计中的喷油弹片6-8与喷油孔6-13的设计控制高压油泵，喷 射的油雾是由少到多，在压缩冲程末期，喷油量达到最大，靠近火花塞周围的 混合燃气达到点燃的浓度，油雾在未到达缸壁就已经点燃，所以也不会形成缸 壁油膜而产生浪费。另外，高压力油泵喷射的油雾会因缸内活塞体的异形面而 使缸内的空气产生涡流，有助于燃油与空气充分混合。因此，本发明中喷油火 花塞的设计，可以提高发动机的空燃比。

当用柴油作为燃料时，由于柴油的燃点低，当气缸内空气压缩比设计为20 以上，在刚启动时由于吸入的空气温度低，经压缩后温度升高，这时在缸内喷 射的油雾会被高温空气直接点燃，已不需要火花塞点火。所以针对柴油作为燃 料时，气缸的压缩比要设计得更大，喷油火花塞也只设计成喷油嘴，不需要火 花塞。本发明可制成大功率发动机。制成发动机后，每一个十字气缸都可以单 独拆装和组合，不会因一个十字气缸的故障而使整台发动机报废，降低维修成 本。另外，本发明可以根据功率大小的需要而随意组合使用气缸的个数来改变 发动机的功率大小。

这种设计可以把现有常见直列或V型气缸发动机的一气缸对应一活塞在工 作时，气缸体受到反作用力冲击而产生的震动显著降低传，又可以把产生这种 震动所浪费的动能转换成有用功，同时又可以把对曲轴产生的冲击分配到更多 方向，大大增强了设备使用寿命；传统曲轴发动机气缸做一次功，飞轮要转两 圈，而本设计中的气缸去除曲轴活塞直接对轨道飞轮做功，并且基于此轨道飞 轮中活塞滚轮轨道设计，气缸做一次功，飞轮只旋转半圈，转速只是传统曲轴 发动机的四分之一，这样可以大大减轻相关传动件的工作负荷。

本发明中的活塞滚轮轨道为多段弧形曲线轨道，它的设计要根据燃气燃烧 时气体膨胀曲线设计，使活塞的往复运动转换成飞轮的旋转运动。

需要说明的是，为清楚表示十字气缸的结构，上述内容仅就十字气缸本体 的结构进行了详细解释说明，然而，在十字气缸具体应用时，其所需的密封圈、 刮油环及润滑油系统等必要部件在上述内容中未作说明，这些部件的结构及原 理与现有气缸的结构及原理相同，本实施例对此不作详细阐述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例 性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言， 在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型 和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种十字气缸，其特征在于，包括十字形的气缸外壳(1)，气缸外壳(1)中设有十字形腔体，十字形腔体中安装有四个活塞(2)，气缸外壳(1)的两侧中部分别设有进排气口(1-1)和火花塞插孔(1-2)，气缸外壳(1)上相对设置有液体入口(1-3)和液体出口(1-4)，气缸外壳(1)内侧设有液体腔(1-5)，液体入口(1-3)和液体出口(1-4)均与液体腔(1-5)连通；

十字形腔体的四个气缸口(1-6)上各套设有一个气缸飞轮固定架(3)，气缸口(1-6)上与气缸飞轮固定架(3)连接的位置相对设有第一活塞销孔(1-7)，气缸飞轮固定架(3)包括气缸飞轮支架套环(3-1)，气缸飞轮支架套环(3-1)套设在气缸口(1-6)上，气缸飞轮支架套环(3-1)两侧分别与一个滚轮连接件(3-2)底端连接，滚轮连接件(3-2)顶部内侧连接有滚轮(3-3)，两个滚轮(3-3)卡在飞轮(4)上的飞轮架滚轮轨道(4-1)外侧，气缸飞轮支架套环(3-1)两侧设有第二活塞销孔(3-4)且第二活塞销孔(3-4)位于滚轮连接件(3-2)下方，飞轮(4)的内沿为四叶草形的活塞轨道(4-2)，飞轮(4)两侧分别固定有椭圆形的进气排气控制轨道(4-3)和喷油点火控制轨道(4-4)，气缸外壳(1)两侧安装有进气排气装配体(5)和喷油点火装配体(6)，进气排气装配体(5)和喷油点火装配体(6)分别与进气排气控制轨道(4-3)和喷油点火控制轨道(4-4)卡接；

每个活塞(2)包括活塞体(2-1)，活塞体(2-1)一端连接有三角连接件(2-2)，三角连接件(2-2)顶部连接有活塞轨道滚轮(2-3)，活塞轨道滚轮(2-3)卡在活塞轨道(4-2)中，活塞体(2-1)底部设有弧形的燃烧室活塞凹腔(2-4)，活塞体(2-1)和三角连接件(2-2)上设有活塞销滑动槽(2-5)，第一活塞销孔(1-7)、第二活塞销孔(3-4)和活塞销滑动槽(2-5)中插入有活塞销(2-6)。

2.根据权利要求1所述的十字气缸，其特征在于，所述进气排气装配体(5)包括进排气控制杆(5-1)和进排气筒(5-2)；

进排气控制杆(5-1)的轨道端连接有第一飞轮轨道卡轴(5-3)，第一飞轮轨道卡轴(5-3)连接有第一轨道卡(5-4)，第一轨道卡(5-4)卡在进气排气控制轨道(4-3)上，进排气控制杆(5-1)的气缸端安装有气门阀开合控制件(5-5)，气门阀开合控制件(5-5)和进排气控制杆(5-1)的气缸端连贯开设有阶梯形的气门阀开合控制槽(5-6)，气门阀开合控制件(5-5)中部滑动连接有第一固定槽(5-7)，气缸外壳(1)的进排气口(1-1)两侧对称固定有两个弧形的第一气缸连接轴(5-8)，第一固定槽(5-7)固定于两个第一气缸连接轴(5-8)之间并位于进排气口(1-1)一侧，气门阀开合控制件(5-5)可在第一固定槽(5-7)中部的间隙中滑动，气门阀开合控制件(5-5)顶部设有长孔(5-9)，长孔(5-9)中卡入有气门阀开合控制块(5-10)，气门阀开合控制块(5-10)中连接有气门阀开合控制横杆(5-11)，气门阀开合控制横杆(5-11)可在气门阀开合控制槽(5-6)中运动，气门阀开合控制块(5-10)与气门阀开合控制纵杆(5-12)一端连接，气门阀开合控制纵杆(5-12)另一端从进排气口(1-1)中插入气缸壳体(1)中且气门阀开合控制纵杆(5-12)另一端连接有气门阀(5-13)；

进排气筒(5-2)安装在两个弧形的第一气缸连接轴(5-8)中部的间隙中，进排气筒(5-2)一侧底部设有气缸进排气连接口(5-14)，气缸进排气连接口(5-14)置于进排气口(1-1)上面，进排气筒(5-2)一侧还设有气门阀开合控制纵杆过孔(5-15)，气门阀开合控制纵杆(5-12)穿在气门阀开合控制纵杆过孔(5-15)中。

3.根据权利要求2所述的十字气缸，其特征在于，所述进排气筒(5-2)内部为中空结构，进排气筒(5-2)远离气门阀开合控制纵杆过孔(5-15)的一侧设有进气通道(5-19)和排气通道(5-20)，进排气筒(5-2)内部一侧设有排气口挡板(5-16)，排气口挡板(5-16)与进排气筒(5-2)内部一侧铰接，进排气筒(5-2)中部设有进气口挡板铰接件(5-17)，进气口挡板铰接件(5-17)中铰接有进气口挡板(5-18)，进气口挡板(5-18)可与进排气筒(5-2)内部另一侧接触，排气口挡板(5-16)可与进气口挡板铰接件(5-17)接触。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的十字气缸，其特征在于，所述喷油点火装配体(6)包括喷油点火控制杆(6-1)和喷油火花塞(6-2)；

喷油点火控制杆(6-1)的轨道端连接有第二飞轮轨道卡轴(6-3)，第二飞轮轨道卡轴(6-3)连接有第二轨道卡(6-4)，第二轨道卡(6-4)卡入喷油点火控制轨道(4-4)中，喷油点火控制杆(6-1)的气缸端连接有滑套支撑架(6-5)，滑套支撑架(6-5)上滑动连接有喷油弹片压合滑套(6-6)，喷油弹片压合滑套(6-6)远离喷油点火控制杆(6-1)气缸端的一侧中部设有弹片压块(6-7)，喷油点火控制杆(6-1)靠近其气缸端的位置与喷油弹片(6-8)的固定端连接，喷油弹片(6-8)的弹起端从喷油弹片压合滑套(6-6)上弹片压块(6-7)一侧的开口中伸出，滑套支撑架(6-5)上靠近喷油弹片压合滑套(6-6)上弹片压块(6-7)另一侧开口的位置连接有点火开关控制凸起(6-9)，喷油点火控制杆(6-1)中部滑动连接有第二固定槽(6-10)，气缸外壳(1)的火花塞插孔(1-2)两侧对称固定有两个弧形的第二气缸连接轴(6-11)，第二固定槽(6-10)固定于两个第二气缸连接轴(6-11)之间并位于火花塞插孔(1-2)一侧，喷油点火控制杆(6-1)可在第二固定槽(6-10)中部的间隙中滑动；

喷油火花塞(6-2)包括火花塞体(6-12)，火花塞体(6-12)顶面中间设有喷油孔(6-13)，喷油孔(6-13)两侧分别设有正电极孔(6-14)和负电极孔(6-15)，正电极孔(6-14)和负电极孔(6-15)中分别安装有正电极和负电极(6-16)，正电极由上段正电极(6-17)和下段正电极(6-18)组成，上段正电极(6-17)和下段正电极(6-18)之间有隔断，下段正电极(6-18)底端和负电极(6-16)底端之间形成点火空间，火花塞体(6-12)顶部两侧设有滑套支撑架的安装槽(6-19)，火花塞体(6-12)通过滑套支撑架的安装槽(6-19)与滑套支撑架(6-5)卡接，火花塞体(6-12)的顶部中间设有喷油开关(6-20)，处于喷油开关(6-20)所在平面的两个滑套支撑架的安装槽(6-19)之间的火花塞体(6-12)设有凹槽，喷油开关(6-20)可在凹槽中滑动，喷油开关(6-20)一侧设有开关孔(6-21)，喷油开关(6-20)另一侧连接有喷油开关弹片(6-24)，喷油开关弹片(6-24)为π字形，喷油开关弹片(6-24)处于滑套支撑架的安装槽(6-19)中，火花塞体(6-12)上喷油开关(6-20)下面设有点火弹片(6-22)，点火弹片(6-22)靠近负电极孔(6-15)的一端与火花塞体(6-12)铰接，点火弹片(6-22)靠近正电极孔(6-14)的一侧连接有金属触点(6-23)，金属触点(6-23)可插入上段正电极(6-17)和下段正电极(6-18)之间的隔断中。

5.根据权利要求2或4所述的十字气缸，其特征在于，还包括气缸连接接头(7)，气缸连接接头(7)包括圆盘(7-1)和四个定位柱(7-2)，四个定位柱(7-2)两两安装于圆盘(7-1)两侧，圆盘(7-1)两侧的两个定位柱(7-2)之间的连线过圆盘(7-1)的圆心并具有夹角，定位柱(7-2)用于插入第一气缸连接轴(5-8)上的第一插孔(5-21)或第二气缸连接轴(6-11)上的第二插孔(6-25)中。

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