CN114738114A - 正反螺杆梭式自由活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了正反螺杆梭式自由活塞发动机，它包括缸体、转轴，转轴上间隔固定设置有转筒，转筒外表面上设置有螺旋槽，转筒与缸体之间设置有活塞，活塞的内圆孔表面上设置有驱动块，驱动块分别活动嵌入到螺旋槽内，活塞外圆表面上间隔设置有四块挡板，每个档板外圆上设置有密封圈，缸体内圆孔上下两端沿转轴轴线设有导向槽，挡板上沿转轴轴线均设置有与导向槽活动相配的导向块，缸体内圆孔上间隔设置有与挡板位置相互交错的隔板，本发明兼有直列四缸发动机特征，同时具有自由活塞发动机特征，稳定性高，低速扭矩特性好，燃料消耗较少，结构简单、体积小、质量小、重心低、机械能损失小、效率高、平稳性好、怠速小、机械振动小、噪音小。

Description

正反螺杆梭式自由活塞发动机

技术领域

本发明涉及一种发动机，具体地说是一种通过自由活塞在一直线上来回往复运动并带动转筒式正反螺杆转动，进而通过单向轴承带动转轴朝同一旋转方向转动的正反螺杆梭式自由活塞发动机。

背景技术

发动机是汽车的动力装置，是汽车的心脏，性能优劣直接影响到汽车性能。汽车发动机主要包括往复活塞式内燃机，旋转活塞式内燃机。目前汽车发动机大多是往复活塞式内燃机（直列、V型、W型以及水平对置）都是通过一个曲柄连杆来传输动力；而旋转活塞式内燃机（转子发动机），仅马自达公司还在做。而自由活塞发动机中"自由活塞"是指发动机没有通常内燃机的曲柄连杆机构，活塞或活塞组运动规律由作用在它上面的气体压力决定，并随发动机工况变化。自由活塞运动的特点是内、外止点（左、右止点）位置都可以改变，主要应用于船舶动力等，没有用作汽车动力。为了便于比较本发明的优缺点，实例采用广泛使用的直列四缸发动机（四缸活塞发动机，其中汽缸被布置成沿着共同的曲轴上的线，通过曲柄连杆来传输动力。）与本发明的正反螺杆梭式自由活塞四缸发动机进行对比，工质都是燃料与空气的混合气体，而且都设置采用奥托循环进行工作，即都包含四个冲程：绝热压缩过程、混合气体爆炸瞬间的等体过程（吸热Q1）、绝热膨胀做功过程、打开排气阀瞬间等体过程（放热Q2）。但直列四缸发动机存在有下述不足：一是发动机高度较高，占用高度空间大、体积较大、质量较重、重心高；二是稳定性不高，燃料消耗较多，机械能损失较大、效率还不够高、平稳性不强、机械振动较大、有噪音。

发明内容

针对现有技术中所存在的问题，本发明提出了一种自由活塞在一直线上来回运动，这种运动形似传统织机上的梭子作间断式往复运动，来循环完成发动机吸气、压缩、做功、排气四个冲程的正反螺杆梭式自由活塞发动机，该机原理上可以使用汽油、柴油、甚至氢燃料作为循环工质，也可以利用其高压缩比实现压燃。

本发明要解决技术问题所采取的技术方案是：正反螺杆梭式自由活塞发动机，它包括缸体两端用普通轴承组件装配在缸体两端上的转轴，所述转轴上间隔固定设置有四只位于缸体内腔的转筒，所述左边的两只转筒外表面上分别设置有左螺旋槽，所述右边的两只转筒外表面上分别设置有右螺旋槽，所述转筒与缸体之间设置有活塞，所述活塞的内圆孔表面上间隔沿圆周设置有驱动块，所述驱动块分别活动嵌入到转筒上的螺旋槽内，所述活塞外圆表面上间隔设置有四块挡板，每个档板外圆上设置有密封圈，所述缸体内圆孔上下两端沿转轴轴线设有导向槽，所述挡板上沿转轴轴线均设置有与导向槽活动相配的导向块，缸体内圆孔上间隔设置有与挡板位置相互交错的隔板，当挡板随活塞左右运动时，所述隔板与挡板之间形成密闭的空腔从左至右分别为A号汽缸、B号汽缸、C号汽缸和D号汽缸，在靠近隔板的缸体位置上设置有与汽缸相通的进气门、排气门和火花塞；在靠近隔板的缸体位置上设置有雾化润滑油喷口和空气排出口，在左止点和右止点上设有的位置传感器检测和反馈挡板移动到左止点和右止点的信息并发出点火、吸气、排气同步信号。

本发明所述正反螺杆梭式自由活塞四缸发动机，因为兼有直列四缸发动机特征，同时具有自由活塞发动机特征，所以稳定性高，低速扭矩特性好，燃料消耗较少，结构简单、体积小、质量小、重心低、机械能损失小、效率高、平稳性好、怠速小、机械振动小、噪音小。

对比直列四缸发动机，本发明的整体效果是将四个活塞整合成了一个活塞，用正反螺杆和单向轴承对转轴传输动力，因此本发明兼有直列四缸发动机的优点即：具有稳定性高，低速扭矩特性好，燃料消耗较少的优点；同时又具有自由活塞发动机的优点：结构简单、体积小、质量小、重心低、机械能损失小、效率高、平稳性好、怠速小、噪音小等优点，而这是直列四缸发动机所不具备的，相比而言这是直列四缸发动机的缺点。

发动机的优劣最重要的指标是发动机效率，发动机效率η=W_有用/Q_吸热,其中排气损失约占总能量的40％，冷却损失约占总能量的20％左右；未能完全燃烧的燃料约占5％左右；发动机在实际运转中的各种摩擦损失约占总能量的5％～8％主要包括：活塞环与气缸壁之间的摩擦损失，各轴承与曲轴之间的滑动摩擦损失，曲轴驱动配气机构及各种辅助机构如机油泵、水泵、风扇等产生的动力损失，克服润滑油黏度及黏温特性所带来的摩擦损失。而从原理上，前面的40%损失是一样的。而正反螺杆梭式自由活塞四缸发动机，1）因为体积小，比表面散热面积小，所以冷却损失要小些；2）因为4个活塞整合成一个活塞，所以减少了曲轴驱动配气机构的动力损耗；3）自由活塞发动机有更高的总压缩比和总膨胀比，因此理论热效率较高；4）活塞运动的特点是内、外止点位置都可以改变，因此怠速有一定的可调范围，减少了高怠速的损耗，5）因为结构特点可以左右前后实现50/50的重量分配，兼平稳性好机械振动小，所以机械振动的损耗小。综上所述正反螺杆梭式自由活塞四缸发动机相比而言效率更高。

附图说明

图1为发动机依次处于吸气、做功、压缩、排气状态的结构示意图，

图2为发动机依次处于压缩、排气、做功、吸气状态的结构示意图，

图3为发动机依次处于做功、吸气、排气、压缩状态的结构示意图，

图4为发动机依次处于排气、压缩、吸气、做功状态的结构示意图，

图5图1的A-A剖视结构示意图，

图6是与左半转轴相配合的转筒结构示意图，

图7是是与右半转轴相配合的转筒结构示意图。

在图中，1、活塞 2、驱动块 3、导向块 4、缸体 5、左螺旋槽 6、单向轴承组件 7、转轴 8、导向槽 9、进气门 10、火发塞 11、排气门 12、A号汽缸 13、转筒 14、普通轴承组件15、右螺旋槽 16、挡板 17、隔板18、B号汽缸 19、C号汽缸 20、D号汽缸 21、左止点 22、右止点 23、空气排出口 24、雾化润滑油进口。

本发明的工作过程：

启动过程：

可以在空载时（驻车档或空挡时），时序安排一定压力的加压空气，例如：B号气缸充入加压空气到左止点→C号气缸充入加压空气到右止点，同时D号气缸吸气→A号气缸充入加压空气到左止点，同时B号气缸吸气，D号气缸压缩→D号气缸做功，同时，A号气缸排气，B号气缸压缩，C号气缸吸气，启动过程完成进入正常工作模式，随即按图1-图4顺序正常循环工作。

正常循环工作过程：

如图1所示，发动机处于A号汽缸为吸气状态、B号汽缸为做功、C号汽缸为压缩状态、D号汽缸为排气状态。做功的是B号汽缸，即驱动转轴旋转的是B号汽缸，此时B号气缸做功刚完成，同时A号汽缸刚完成了吸气， C号汽缸气体刚完成了气体的压缩，D号汽缸刚完成了废气排放。

如图2所示，发动机处于A号汽缸为压缩、B号汽缸为排气、C号汽缸为做功、D号汽缸为吸气。做功的是C号汽缸，即驱动转轴旋转的是C号汽缸，C号气缸做功刚完成，同时A号汽缸刚完成了气体的压缩， B号汽缸刚完成了废气排放，D号汽缸刚完成了吸气。

如图3所示，发动机处于A号汽缸为做功、B号汽缸为吸气、C号汽缸为排气、D号汽缸为压缩。做功的是A号汽缸，即驱动转轴旋转的是A号汽缸，A号气缸做功刚完成，同时B号汽缸刚完成了吸气，C号汽缸刚完成了废气排放，D号汽缸刚完成了气体的压缩。

如图4所示，发动机处于A号汽缸为排气、B号汽缸为压缩、C号汽缸为吸气、D号汽缸为做功。做功的是D号汽缸，即驱动转轴旋转的是D号汽缸，D号气缸做功刚完成，同时A号汽缸刚完成了废气排，B号汽缸刚完成了气体的压缩， C号汽缸刚完成了吸气。

具体实施方式

在图1至图7中，正反螺杆梭式自由活塞发动机，它包括缸体4两端用普通轴承组件14装配在缸体两端上的转轴7，所述转轴上用单向轴承组件6间隔固定设置有四只位于缸体内腔的转筒13，所述左边的两只转筒外表面上分别设置有横截面为方形或梯形的左螺旋槽5，所述右边的两只转筒外表面上分别设置有横截面为方形或梯形的右螺旋槽15，所述转筒长度略长于左止点21和右止点22距离，所述转筒与缸体之间设置有活塞1，所述活塞的内圆孔表面上间隔具有呈十字垂直交错的四只驱动块2（驱动块与转筒整体制成，也可组合，四块驱动块在同一垂直截面沿活塞径向均匀分布），所述四块驱动块能分别嵌入到左螺旋槽5和右螺旋槽15内并在槽两端左止点21和右止点22之间移动，所述左止点和右止点之间距离与螺距之比略小于1或接近1，所述活塞外圆表面上间隔设置有四块挡板16，挡板外圆周面上的方形或梯形槽内设置有呈O形密封圈（图中未标出，用于挡板与缸体相配处的汽缸密封），所述缸体4内圆孔上下两端（垂直中心线上）沿转轴轴线设有导向槽8，所述挡板上沿转轴轴线均设置有与导向槽活动相配的导向块3（用于活塞运动时导向，使活塞不会发生转动），缸体内圆孔上间隔设置有与挡板位置相互交错的隔板17，每隔板圆孔圆周面上的方形或梯形槽内设置有呈O形密封圈（图中未标出，用于隔板与活塞相配处的汽缸密封），挡板与隔板之间形成密闭的空腔从左至右分别为A号汽缸12、B号汽缸18、C号汽缸19和D号汽缸20，当挡板随活塞左右运动时，所述隔板与挡板之间形成的A号汽缸、B号汽缸、C号汽缸和D号汽缸中的每一个汽缸具有吸气、压缩、做功、排气的功能，所述缸体上设置有与每一个汽缸腔室均相通的进气门9、排气门11和火花塞10，所述汽缸体上设置有雾化润滑油喷口24和空气排出口23。四只雾化润滑油喷口24和四只空气排出口分别位于活塞两端外的缸体上、A号汽缸的隔板右边邻近缸体上、D号汽缸的隔板左邻近缸体上。

本发明所述的四只转筒间隔且每个转筒与转轴通过二个普通单向轴承组件固定两端，四个转筒的用单向轴承与转轴相连并设置成右旋负载，左旋空载。当A气缸或B气缸做功时，活塞向左运动，左边的2个转筒因为是左螺旋槽，活塞左边的2组驱动块（2×4=8个），见图6受力分析，转筒受到垂直运动方向的切向力形成右旋的力矩（M=R×F_⊥），另一分力将驱使沿滑槽向左运动，此时单向轴承处于右旋负载，这时在单向轴承作用下，带动转轴右旋；当C气缸或D气缸做功时，活塞向右运动，左边的两个转筒因为是左螺旋槽，活塞左边的2组驱动块使转筒受到垂直运动方向的向下切向力形成左旋的力矩 [M=R×(-F_⊥)]，另一分力将驱使沿滑槽向右运动，此时单向轴承处于左旋空载，这时在单向轴承作用下，仅带动转筒左转，而转轴没有受到来自单向轴承的作用力。同理，当C气缸或D气缸做功时，活塞向右运动，右边的两个转筒因为是右螺旋槽，活塞右边的2组驱动块（2×4=8个），见图7受力分析，转筒受到垂直运动方向的切向力形成右旋的力矩（M=R×F_⊥），另一分力将驱使沿滑槽向右运动，此时单向轴承处于右旋负载，这时在单向轴承作用下，带动转轴右旋；当A气缸或B气缸做功时，活塞向左运动，右边的两个转筒因为是右螺旋槽，活塞右边的2组驱动块使转筒受到垂直运动方向的向下切向力形成左旋的力矩[M=R×(-F_⊥)]，另一分力将驱使沿滑槽运动，此时单向轴承处于左旋空载，这时在单向轴承作用下，仅带动转筒左转，而转轴没有受到来自单向轴承的作用力。简而言之，活塞朝左运动，左边的两个转筒和匹配单向轴承（负载）带动转轴右旋转动，而右边的两个转筒和匹配单向轴承（空载）不带动转轴转动；反之，活塞朝右运动，右边的两个转筒和匹配单向轴承（负载）仍然带动转轴右旋转动，而左边的2个转筒和匹配单向轴承（空载）不带动转轴转动。图中实例所述一个转筒的螺旋槽只能使转轴旋转1/4转，四个转筒组合形成一转，也就是说活塞向左运动一次，左边两个转筒同步旋转1/4转，转轴旋转1/4转；活塞向右运动一次，右边两个转筒同步再旋转1/4转，此时转轴又旋转了1/4转；同理活塞再向左运动一次，两个转筒同步旋转1/4转，此时转轴又旋转了1/4转，活塞向右再运动一次，两个转筒同步旋转1/4转，此时转轴又旋转了1/4转，活塞每运动一次的距离为螺旋槽螺距的1/4。活塞左→右→左→右运动完成一个周期，转轴共旋转了1转。

本发明活塞工作顺序是：

如图1所示， B号汽缸内气体被火发塞点火产生高温高压（点火瞬间为等体升温升压过程），继而做功（绝热膨胀做功过程），推动活塞向左运动，带动转筒右旋，继而带动转轴右旋，此时B号气缸为动力源；A号汽缸进气门打开气缸密闭腔室增大，且气体增多（吸气），此时A号气缸的工作消耗一些动力；同时，由于活塞向左运动，C号汽缸内气体被压缩，形成了一个空气弹簧（绝热压缩过程），此时C号气缸的工作消耗部分动力；同时D号汽缸排气门打开（打开瞬间为等体降温降压过程），D号汽缸内的废气排出（40%的热能损失），此时D号气缸的工作消耗一些机械动力。转轴右旋了1/4转。

如图2所示，C号汽缸内气体被火发塞点火产生高温高压（点火瞬间为等体升温升压过程），继而做功（绝热膨胀做功过程），推动活塞向右运动，带动转筒右旋，继而带动转轴右旋，此时C号气缸为动力源；D号汽缸进气门打开气缸密闭腔室增大，且气体增多（吸气），此时D号气缸的工作消耗一些动力；同时，由于活塞向右运动，A号汽缸内气体被压缩，形成了一个空气弹簧（绝热压缩过程），此时A号气缸的工作消耗部分动力；同时B号汽缸排气门打开（打开瞬间为等体降温降压过程），B号汽缸内的废气排出（40%的热能损失），此时B号气缸的工作消耗一些机械动力，转轴又右旋了1/4转。

如图3所示， A号汽缸内气体被火发塞点火产生高温高压（点火瞬间为等体升温升压过程），继而做功（绝热膨胀做功过程），推动活塞向左运动，带动转筒右旋，继而带动转轴右旋，此时A号气缸为动力源；B号汽缸进气门打开气缸密闭腔室增大，且气体增多（吸气），此时B号气缸的工作消耗一些动力；同时，由于活塞向左运动，D号汽缸内气体被压缩，形成了一个空气弹簧（绝热压缩过程），此时D号气缸的工作消耗部分动力；同时C号汽缸排气门打开（打开瞬间为等体降温降压过程），C号汽缸内的废气排出（40%的热能损失），此时C号气缸的工作消耗一些机械动力，转轴又右旋了1/4转。

如图4所示，D号汽缸内气体被火发塞点火产生高温高压（点火瞬间为等体升温升压过程），继而做功（绝热膨胀做功过程），推动活塞向右运动，带动转筒右旋，继而带动转轴右旋，此时D号气缸为动力源；C号汽缸进气门打开气缸密闭腔室增大，且气体增多（吸气），此时C号气缸的工作消耗一些动力；同时，由于活塞向右运动，B号汽缸内气体被压缩，形成了一个空气弹簧（绝热压缩过程），此时B号气缸的工作消耗部分动力；同时A号汽缸排气门打开（打开瞬间为等体降温降压过程），D号汽缸内的废气排出（40%的热能损失），此时D号气缸的工作消耗一些机械动力，转轴又右旋了1/4转。

每个工作腔室都完成了四个冲程为一个工作周期，转轴右旋了1/4转+1/4转+1/4转+1/4转=1转。

Claims (3)

1.正反螺杆梭式自由活塞发动机，其特征是：它包括缸体（4）两端用普通轴承组件（14）装配在缸体两端上的转轴（7），所述转轴上间隔固定设置有四只位于缸体内腔的转筒（13），所述左边的两只转筒外表面上分别设置有左螺旋槽（5），所述右边的两只转筒外表面上分别设置有右螺旋槽（15），所述转筒与缸体之间设置有活塞（1），所述活塞的内圆孔表面上间隔沿圆周设置有驱动块（2），所述驱动块分别活动嵌入到转筒上的螺旋槽内，所述活塞外圆表面上间隔设置有四块挡板（16），每个档板外圆上设置有密封圈，所述缸体内圆孔上下两端沿转轴轴线设有导向槽（8），所述挡板上沿转轴轴线均设置有与导向槽活动相配的导向块（3），缸体内圆孔上间隔设置有与挡板位置相互交错的隔板（17），当挡板随活塞左右运动时，所述隔板与挡板之间形成密闭的空腔从左至右分别为A号汽缸（12）、B号汽缸（18）、C号汽缸（19）和D号汽缸（20），在靠近隔板的缸体位置上设置有与汽缸相通的进气门（9）、排气门(11)和火花塞（10）；在靠近隔板的缸体位置上设置有雾化润滑油喷口（24）和空气排出口（23），在左止点（21）和右止点（22）上设有的位置传感器检测和反馈挡板移动到左止点和右止点的信息并发出点火、吸气、排气同步信号。

2.根据权利要求1所述的正反螺杆梭式自由活塞发动机，其特征是：所述左螺旋槽（5）和右螺旋槽（15）横截面为方形或梯形。

3.根据权利要求1所述的正反螺杆梭式自由活塞发动机，其特征是：所述四只雾化润滑油喷口（24）和四只空气排出口（23）分别位于活塞两端外的缸体上、A号汽缸的隔板右边邻近缸体上、D号汽缸的隔板左邻近缸体上。

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