CN116335817A - 一种星形对置活塞发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种星形对置活塞发动机，包括星形三通缸套，星形三通缸套包括排气缸套、左进气缸套、右进气缸套，在排气缸套内开设有排气口，在左进气缸套和右进气缸套内均开设有进气口；在排气缸套内安装有排气活塞，在左进气缸套内安装有左进气活塞，在右进气缸套内安装有右进气活塞，排气活塞和左进气活塞及右进气活塞共同围成燃烧室，燃烧室上安装有喷油器。本发明提高了发动机的指示效率ηi和机械效率ηm，提高了发动机平衡性，降低发动机的曲轴扭振，本发明的发动机具有缸径小，排量大的特点，外形尺寸合适，重心低矮，支撑面宽，与配套设备有着广泛良好的适装、适配性。应用在大功率、大排量发动机上时，可以得到与其它形式的发动机更为紧凑的外形尺寸和较轻的整机重量。

Description

一种星形对置活塞发动机
技术领域
本发明涉及内燃发动机领域，特别是涉及一种星形对置活塞发动机。
背景技术
近年来，直流扫气，取消配气机构和气缸盖的对置活塞二冲程发动机 (OpposedPistons two stocke，即OP2S)，具有高功率密度、热效率高及平衡性较好得到了重视和发展，并发展出了对置活塞、对置气缸(Opposed Pistons opposed cylinder，即OPOC)的双对置二冲程发动机。由于新型发动机也是一种直流扫气“对置”二冲程发动机，故对OP2S、OPOC工作原理简介一下。
如图1所示的OP2S对置活塞二冲程发动机，直通型气缸正中间为燃烧室，其左气缸端设有排气口，右端气缸设有进气口；相应活塞为排气活塞、进气活塞；左曲轴、右曲轴等。左、右曲柄连杆机构相位相差180°CA(未考虑不对称扫气相位而左右曲柄的错拐)，并采用同步机构保证左、右曲轴同步同方向旋转。当左曲轴位于0°，右曲轴则位于180°，排气活塞、进气活塞顶部均处在内止点时(相当于常见发动机的上止点)喷油并点火燃烧，燃气膨胀作功推动进、排气活塞向各自的外止点(相当于常见发动机的下止点)运动，同时也推动左、右曲轴作逆时针旋转(也可按需作顺时针旋转)对外作功；当排气活塞顶越过排气口(因错拐，进气活塞尚未越过扫气口)并继续下行(即向外止点运行)时，燃气开始自由排气；当进气活塞越过扫气口(一般滞后于排气活塞约10°左右)、经扫气泵加压后的新鲜空气大于缸内废气压力之后，新气通过扫气口进入气缸即开始驱赶废气即强制扫气；当曲轴旋转、活塞越过外止点并向内止点运行、排气活塞再次越过遮住扫气口时，扫气过程结束；当进气活塞也越过遮住进气口时，即开始了压缩行程；当左、右活塞同时到达内止点后即开始下一循环。
OP2S对置活塞二冲程发动机缺点在于：一、处在左右两端的2根曲轴间距太大，同步机构也相应庞大，发动机总体布置也不容易。如果气缸水平放置，需要采用同步机构某一构件输出动力，发动机舱横向尺寸过于宽大；若将气缸垂直布置，发动机舱垂直尺寸也将过于高大，发动机与配套的设备适装性太差，这对大排量、大功率的OP2S尤甚。二、发动机气缸水平布置对于气缸、活塞的润滑将是难点：一是容易造成润滑不良，形成干摩擦、半干润滑或边界润滑；二是容易形成窜油，造成发动机烧机油、排烟和HC排放。以上种种加上OP2S 热效率和其它有关性能不太突出，一时间难以与其它常规的直列或多列式发动机竞争，其应用的场合和机型似比较狭窄，不会成为发动机的主流。
如图2所示的OPOC双对置二冲程发动机，OPOC双对置二冲程发动机是近年来出现的一种新型内燃发动机。可以看成是单根曲轴的两边各设置一OP2S 的基本(或称核心)结构，称为对置气缸。巧妙地取消了一根曲轴和同步机构，构成不对称直流扫气二冲程发动机，其进气与排气活塞冲程之和的冲径比在 1.5—3之间属较长冲径比发动机，拥有长冲径比发动机的优点。目前，OPOC 在发动机领域引起不小的关注，国内也有不少研究成果，一些文献也不乏溢美之词地推崇。
OPOC双对置二冲程发动机由于存在不少缺陷，只会在特定狭窄的领域内获得一定的应用，不会有大的发展和应用。理由如下：
1、OPOC的横向尺寸比OP2S还要大(减小横向尺寸将以减小冲径比为代价)，设备配套时的适装性比OP2S更差，而且只能水平放置，活塞缸套需要很高的润滑密封技术。
2、有文献通过对OPOC建模与有限元仿真分析后认为：OPOC机体为扁平状结构，进、排气管，气缸套及曲轴箱的集成化设计和组合结构协调性设计制约着典型结构的刚度、强度，具有横向抗弯刚度较弱与连接接触面较多的特点，使柴油机整体刚度固有频率较低，阻尼增加，振动形态复杂，会造成密封失效等诸多可靠性问题。
3、OPOC双对置二冲程发动机每(排)缸间曲轴上须安装6付连杆，曲轴主轴颈的间距必然很大，若以单缸单元组成多缸发动机时，其缸心距必然巨大，极大增加整机长度和主机体结构的制造、装配难度。
4、OPOC双对置二冲程发动机的废气涡轮增压也是极为麻烦的技术问题，为了避让联接左右两端活塞的外连杆，处在连杆运动路径上的进、排气涡室和进、排气管必须分割，加上曲轴左右两边气缸上各自独立的排气管，增大了热能的散失和冷却负担，排气管内燃气的能量损失较大，对废气涡轮增压产生十分不利影响，应该是OPOC显著缺点。为此，OPOC使用左右二套电动涡轮增压器进行一定弥补。但由于单缸二冲程发动机的排气持续角不会大于150°，废气涡轮不能连续进气，发动机一个循环中，涡轮大部分时间内并无进气驱动而处在反向泵气状态；使用2套独立的小流量涡轮和压气机，其效率十分低下 (也不能保证左右独立的OP2S工作参数和状态一致)。增压器应该是使用电力驱动为主，压气机最终将消耗发动机的动力，降低其热效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种星形对置活塞发动机，提高了发动机的指示效率ηi和机械效率ηm，提高了发动机平衡性，降低发动机的曲轴扭振，本发明的发动机具有缸径小，排量大的特点，外形尺寸合适，重心低矮，支撑面宽，与配套设备有着广泛良好的适装、适配性。应用在大功率、大排量发动机上时，可以得到与其它形式的发动机更为紧凑的外形尺寸和较轻的整机重量。
一方面，本发明提供了一种包括星形三通缸套，星形三通缸套包括排气缸套、左进气缸套、右进气缸套，在排气缸套内开设有排气口，在左进气缸套和右进气缸套内均开设有进气口；在排气缸套内安装有排气活塞，在左进气缸套内安装有左进气活塞，在右进气缸套内安装有右进气活塞，排气活塞和左进气活塞及右进气活塞共同围成燃烧室，燃烧室上安装有喷油器。
为了进一步提高发动机的指示效率ηi和机械效率ηm，提高了发动机平衡性，降低发动机的曲轴扭振，在进一步地技术方案中，在排气活塞和左进气活塞及右进气活塞顶部均设置有球冠形凹坑，在排气活塞和左进气活塞及右进气活塞相互配合部位设置有配合切面，使排气活塞和左进气活塞及右进气活塞共同围成近似球形燃烧室。
为了进一步提高发动机的指示效率ηi和机械效率ηm，提高了发动机平衡性，降低发动机的曲轴扭振，在进一步地技术方案中，包括左曲轴和右曲轴，在左曲轴上设置有左排气曲柄和左进气曲柄，在右曲轴上设置有右排气曲柄和右进气曲柄；在排气活塞上连接有平衡杆、在平衡杆两端分别连接有左排气连杆和右排气连杆，左排气连杆与左排气曲柄连接，右排气连杆与右排气曲柄连接；在左进气活塞上连接有左进气连杆，左进气连杆与左进气曲柄连接；在右进气活塞上连接有右进气连杆，右进气连杆与右进气曲柄连接。
为了进一步提高发动机的指示效率ηi和机械效率ηm，提高了发动机平衡性，降低发动机的曲轴扭振，在进一步地技术方案中，在左曲轴的单缸位置上设置有一个左排气曲柄和两个左进气曲柄，在右曲轴的单缸位置上设置有一个右排气曲柄和两个右进气曲柄；一个左排气曲柄位于两个左进气曲柄之间，一个右排气曲柄位于两个右进气曲柄之间；两个左进气连杆两端分别与两个左进气曲柄及左进气活塞连接，两个右进气连杆两端分别与两个右进气曲柄及右进气活塞连接。
为了进一步提高发动机的指示效率ηi和机械效率ηm，提高了发动机平衡性，降低发动机的曲轴扭振，在进一步地技术方案中，左曲轴和右曲轴的旋转方向相反，左排气连杆和左排气曲柄构成左排气偏心曲柄连杆机构，右排气连杆和右排气曲柄构成右排气偏心曲柄连杆机构，左排气偏心曲柄连杆机构与右排气偏心曲柄连杆机构对称设置，左排气偏心曲柄连杆机构和右排气偏心曲柄连杆机构偏心距相同且均为L2，左排气偏心曲柄连杆机构偏心距为左排气连杆和平衡杆之间的连接点与左曲轴的中心在坐标X轴方向偏距，右排气偏心曲柄连杆机构偏心距为右排气连杆和平衡杆之间的连接点与右曲轴的中心在坐标X 轴方向偏距；
左进气连杆和左进气曲柄构成左进气偏心曲柄连杆机构，右进气连杆和右进气曲柄构成右进气偏心曲柄连杆机构，左进气偏心曲柄连杆机构与右进气偏心曲柄连杆机构对称设置，左进气偏心曲柄连杆机构和右进气偏心曲柄连杆机构偏心距相同且均为L1，左进气偏心曲柄连杆机构偏心距为左进气缸套轴线与左曲轴轴线之间偏距，右进气偏心曲柄连杆机构偏心距为右进气缸套轴线与右曲轴轴线之间偏距。
为了进一步提高发动机的指示效率ηi和机械效率ηm，提高了发动机平衡性，降低发动机的曲轴扭振，在进一步地技术方案中，L2大于L1，左排气曲柄半径大于左进气曲柄半径，右排气曲柄半径大于右进气曲柄半径，左排气偏心曲柄连杆机构和右排气偏心曲柄连杆机构偏心率ξ＝4～8，左排气偏心曲柄连杆机构和右排气偏心曲柄连杆机构连杆比λ＝1/12～1/8。
为了进一步提高发动机的指示效率ηi和机械效率ηm，提高了发动机平衡性，降低发动机的曲轴扭振，在进一步地技术方案中，排气缸套和左进气缸套及右进气缸套相互夹角为120°，左排气曲柄与左进气曲柄之间夹角为 R1＝120°～165°，右排气曲柄与右进气曲柄之间夹角为R1＝120°～165°。
为了进一步提高发动机的指示效率ηi和机械效率ηm，提高了发动机平衡性，降低发动机的曲轴扭振，在进一步地技术方案中，包括飞轮和同步机构齿轮，左曲轴和右曲轴通过同步机构齿轮连接，飞轮安装在同步机构齿轮上。
为了进一步提高发动机的指示效率ηi和机械效率ηm，提高了发动机平衡性，降低发动机的曲轴扭振，在进一步地技术方案中，包括主机体和活塞销，星形三通缸套安装在主机体内，在主机体上开设有十字头滑槽，在排气缸套和左进气缸套及右进气缸套下部安装有密封环，密封环分别与排气活塞及左进气活塞及右进气活塞下部密封配合；在排气活塞和左进气活塞及右进气活塞上部安装有活塞环；在左进气连杆及右进气连杆分别与左进气活塞及右进气活塞通过活塞销连接，在活塞销两端分别设置有滑块，滑块与十字头滑槽配合。
为了进一步提高发动机的指示效率ηi和机械效率ηm，提高了发动机平衡性，降低发动机的曲轴扭振，在进一步地技术方案中，在主机体上开设有进气总管和排气总管，进气总管与进气口连通，排气总管与排气口连通，在主机体上安装有废气涡轮增压器，进气总管和排气总管分别与废气涡轮增压器连接；
在主机体上开设有冷却水套，冷却水套布置在燃烧室及星形三通缸套周围，在主机体上安装有循环水泵，循环水泵与冷却水套相连接；在右曲轴上安装有皮带轮，皮带轮驱动循环水泵旋转；
在主机体上安装在高压燃油泵和高压油轨，在左曲轴上安装驱动齿轮，驱动齿轮驱动高压燃油泵，高压燃油泵向高压油轨输送高压油，高压油轨与喷油器供油。
本发明一种星形对置活塞发动机相对于现有的OP2S对置活塞二冲程发动机及OPOC双对置二冲程发动机优点在于：
1、星形对置活塞发动机由三通气缸、呈星形对置的三套活塞(2个进气活塞，1个排气活塞)，其2个进气口、1个排气口的扫、换气系统，正好符合高温燃气的声速高，排放迅速，不需要过大的排气口面积；新鲜进气温度低，流动速度较慢，需要相对较大的进气口面积，发动机扫—排气的特性要求，提高了提高发动机的指示效率ηi。
2、星形对置活塞发动机的燃烧室由位于缸套三通中心前、后两部分球面与周边3个活塞顶部的球冠形凹坑构成燃烧室。其长冲径比、超长冲径比，能保证在发动机设定的压缩比下，燃烧室形状接近球体，得到空间紧凑、面容比非常小、表面最为简单的燃烧室空间，若对燃烧室表面，活塞顶面采用行之有效的隔热技术措施，可使燃烧室的散热损失可降到最低，达到往复发动机中最好的燃烧过程和热--功转换效率，提高了提高发动机的指示效率ηi。
3、星形对置活塞发动机的总行程(冲程)等于左、右2套进气活塞的行程加上1套排气活塞行程，在不大的曲柄半径(也就是不降低发动机转速)的情况下，就能得到长冲径比或超长冲径发动机。例如：假设进气活塞及排气活塞的冲径比均为1，则总冲径比为3以上；若各活塞的冲径比为1.5，则总冲径比为4.5以上，一般地，星形对置活塞发动机的冲径比在3.5—10之间。星形对置活塞发动机不光具有长冲径比、超长冲径发动机的优点，还能很好地应用于中高速发动机中，其缸径小，排量大的特点，特别适合应用在大功率、超大功率发动机领域。
4、因星形对置活塞发动机特定的构型，导致其排气偏心曲柄连杆机构属于往复式发动机领域中极为特殊的正偏心曲柄连杆机构，其偏心率、连杆比、连杆长度大大超过普通发动机的取值范围(现行发动机的曲柄连杆机构偏心率ξ＝±0.05～0.2、曲柄连杆机构连杆比λ＝1/5～1/3，而本发明的星形对置活塞发动机的左排气偏心曲柄连杆机构偏心率和右排气偏心曲柄连杆机构偏心率ξ＝4～8，左排气偏心曲柄连杆机构和右排气偏心曲柄连杆机构连杆比λ＝1/12～1/8，其位移、速度等须由特定计算公式计算)。本发明星形对置活塞发动机因此拥有其它往复发动机难以具备的诸多优点：
其一：由于对称，左、右排气偏心曲柄连杆机构及排气活塞，构成相当于菱形传动机构发动机的动力活塞部分，无需十字头滑块机构，排气活塞就能不受侧压力和相应摩擦力，摩擦损失可达最低。
其二：根据对星形对置活塞发动机的排气偏心曲柄连杆机构计算，其排气活塞行程长度超过相同曲柄半径正置曲柄机构活塞行程10％以上；膨胀行程的角位移>186°；膨胀冲程的平均速度小于正置曲柄连杆机构活塞平均速度10％以上。活塞的摩擦损失功率为摩擦力与速度之积，膨胀冲程作功时活塞的摩擦力最大时其速度较低，压缩时活塞的摩擦力较小活塞速度较大，这样，循环过程总摩擦损失功率是减小的，提高了循环机械效率。同样的计算显示，正偏心时，活塞在内、外止点及附近的运行速度较正置的速度低，活塞运行在内止点时，处在燃烧爆发时段，活塞运行速度慢对组织燃烧、提高燃烧效率十分有利，并且循环特性将趋向定容循环，可提高发动机循环热效率；当活塞运行在外止点时的慢速可增加扫、换气时长，提高扫气质量和换气效率。
其三：星形对置活塞发动机排气活塞及其组件机械效率高、运行寿命长，拆下发动机上顶盖罩即可对排气活塞及其组件、排气口等进行检查和维修，仅相当于发动机小保养操作。因此，可以适当加大排气活塞在发动机中的排量和输出动力占比，强化其运行参数，如排气曲柄半径可以比进气曲柄半径稍大(如 5％以上)以增加活塞行程和速度，进一步提高发动机性能。而并不影响发动机的正常使用和运行。
5、星形对置活塞发动机也运用了偏心进气偏心曲柄连杆机构，一方面可以发挥偏心曲柄连杆机构的优点，另一方面可以减小二曲轴的间距，减小发动机的总体尺寸，有利于同步机构的布置。从曲柄连杆机构的角度来看，星形对置活塞发动机的机械效率可能是最高的。为适应星形对置活塞发动机的连杆布置、曲轴受力及强度，进气曲柄连杆还采用了十字头滑块机构，降低了活塞、缸套的磨损，提高进气口、活塞环运行寿命。十字头滑块机构应用在星形对置活塞发动机上，结构并不复杂，对总体尺寸影响不大。
6、星形对置活塞发动机的进、排气曲柄夹角约为120°～165°，其最终夹角，应以构成不对称直流扫气，使发动机获得最佳性能，如排气口较进气口提前开启9～15°左右，进气口滞后于排气口关闭，造成过后充气来确定，以提高扫气质量和换气效率，提高发动机的指示效率ηi。另外，其曲柄上所受之力是相反的，且传递较大载荷的进气连杆大头处在缸间支座即曲轴主轴颈(2端) 附近，传递较小载荷(进气连杆的一半)的排气连杆大头处在左右曲轴主轴颈的跨中。因此，曲轴所受的弯矩较现行发动机要小很多。
7、星形对置活塞发动机的排气缸套和左进气缸套及右进气缸套相互夹角为120°，若以排气活塞的轴线为对称轴并称为Y轴，星形对置活塞发动机单缸的构件及运动对于Y轴是完成对称的，所以星形对置活塞发动机在X轴方向是完全平衡的，包括难以平衡的侧倾力矩、连杆力偶等；由于进气活塞与排气活塞运动惯性力是相反的，单缸的三对动活塞组件(包括连杆转换)惯性力在Y 轴上的投影之和非常小，理论上可使进、排气活塞最大惯性力之和抵消为零。星形对置活塞发动机的二根曲轴实际上也是二根平衡轴，可完全平衡不平衡惯性力和惯性力矩。在往复活塞发动机中，星形对置活塞发动机的平衡性能是最好的，提高了发动机平衡性，降低发动机的曲轴扭振。
8、星形对置活塞发动机的燃烧室无缸盖、气缸垫、气门等部件，仅由三面活塞顶及部分燃烧室壁面围成，只要活塞及与活塞相关的连杆、连杆大、小头轴承、曲轴等构件强度允许，就可以承载较高的最高爆发压力。星形对置活塞发动机的每缸有三付活塞，其直径远比相同单缸排量相同的现行发动机小，所受燃气爆发压力的载荷也就小；进气偏心曲柄连杆机构采用了十字头结构，排气偏心曲柄连杆机构类似菱形机构；没有活塞侧压力和相应摩擦力，只有轴向载荷，活塞承载能力高；每付活塞配有2付连杆，所以其连杆及轴承的载荷相对较小，二冲程发动机中，压缩和爆发膨胀时其活塞及连杆的部分惯性载荷可抵消少量气体压力载荷对连杆轴承和曲轴的作用；进一步提高了发动机平衡性，降低发动机的曲轴扭振。
综上所述，星形对置活塞发动机具备提升最高爆发压力的条件。在不刻意强化部件时，星形对置活塞发动机可达到最高爆发压力25MPa的水平；若针对性强化有关部件的承载能力，最高爆发压力还可以较大提升，提高了发动机的指示效率ηi和机械效率ηm，提高了发动机平衡性，降低发动机的曲轴扭振，本发明的发动机具有缸径小，排量大的特点应用在大功率、大排量发动机上时，可以得到与其它形式的发动机更为紧凑的外形尺寸和较轻的整机重量。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术的OP2S对置活塞二冲程发动机结构示意图；
图2为现有技术的OPOC双对置二冲程发动机结构示意图；
图3为本发明星形对置活塞发动机立体结构示意图；
图4为本发明星形对置活塞发动机的单缸横截面剖视图；
图5为图4的燃烧室放大视图；
图6为本发明星形对置活塞发动机的运动机构示意图；
图7为本发明星形对置活塞发动机的原理示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图3至图7所示，本发明优选的本发明优选的星形对置活塞发动机，为 4缸二冲程发动机。每个单缸均包括星形三通缸套100，4缸二冲程发动机包括四个星形三通缸套100。
如图4和图6所示，星形三通缸套100包括排气缸套1、左进气缸套2、右进气缸套3，排气缸套1和左进气缸套2及右进气缸套3相互夹角为120°，星形对置活塞发动机以排气缸套1为轴线左右对称设置。在排气缸套1内开设有排气口14，在左进气缸套2和右进气缸套3内均开设有进气口23；在排气缸套1内安装有排气活塞10，在左进气缸套2内安装有左进气活塞20，在右进气缸套3内安装有右进气活塞30，排气活塞10和左进气活塞20及右进气活塞30 共同围成燃烧室A，燃烧室A上安装有喷油器103。本发明的星形对置活塞发动机由三通气缸、呈星形对置的三套活塞(2个进气活塞，1个排气活塞)，其 2个进气口、1个排气口的扫、换气系统，正好符合高温燃气的声速高，排放迅速，不需要过大的排气口面积；新鲜进气温度低，流动速度较慢，需要相对较大的进气口面积，发动机扫—排气的特性要求，提高了提高发动机的指示效率ηi。
如图5所示，在排气活塞10和左进气活塞20及右进气活塞30顶部均设置有球冠形凹坑C，在排气活塞10和左进气活塞20及右进气活塞30相互配合部位设置有配合切面B，使排气活塞10和左进气活塞20及右进气活塞30共同围成近似球形燃烧室A。星形对置活塞发动机的燃烧室由位于缸套三通中心前、后两部分球面与周边3个活塞顶部的球冠形凹坑构成燃烧室A。其长冲径比、超长冲径比，能保证在发动机设定的压缩比下，燃烧室A形状接近球体，得到空间紧凑、面容比非常小、表面最为简单的燃烧室A空间，若对燃烧室A表面，活塞顶面采用行之有效的隔热技术措施，可使燃烧室A的散热损失可降到最低，达到往复发动机中最好的燃烧过程和热--功转换效率，提高了提高发动机的指示效率ηi。
星形对置活塞发动机的总行程(冲程)等于左、右2套进气活塞20、30 的行程加上1套排气活塞10行程，在不大的曲柄半径(也就是不降低发动机转速)的情况下，就能得到长冲径比或超长冲径发动机。例如：假设进气活塞20、 30及排气活塞10的冲径比均为1，则总冲径比为3以上；若各活塞的冲径比为 1.5，则总冲径比为4.5以上，一般地，星形对置活塞发动机的冲径比在3.5—10 之间。星形对置活塞发动机不光具有长冲径比、超长冲径发动机的优点，还能很好地应用于中高速发动机中，其缸径小，排量大的特点，特别适合应用在大功率、超大功率发动机领域。
如图4和图6及图7所示，星形对置活塞发动机包括左曲轴4和右曲轴5，包括飞轮9和同步机构齿轮8，左曲轴4和右曲轴5通过同步机构齿轮8连接，飞轮9安装在同步机构齿轮8上。为了设备配套需要，飞轮9及动力输出也可安装在曲轴前、或后端。例如对于船舶需要的双轴推进螺旋桨，飞轮安装在曲轴的后端，驱动双轴螺旋桨。
在左曲轴4上设置有左排气曲柄40和左进气曲柄41，在右曲轴5上设置有右排气曲柄50和右进气曲柄51；在排气活塞10上连接有平衡杆11、在平衡杆11两端分别连接有左排气连杆13和右排气连杆12，左排气连杆13与左排气曲柄40连接，右排气连杆12与右排气曲柄50连接；在左进气活塞20上连接有左进气连杆21，左进气连杆21与左进气曲柄41连接；在右进气活塞30 上连接有右进气连杆31，右进气连杆31与右进气曲柄51连接。
在左曲轴4的单缸位置上设置有一个左排气曲柄40和两个左进气曲柄41，在右曲轴5的单缸位置上设置有一个右排气曲柄50和两个右进气曲柄51；一个左排气曲柄40位于两个左进气曲柄41之间，一个右排气曲柄50位于两个右进气曲柄51之间；两个左进气连杆21两端分别与两个左进气曲柄41及左进气活塞20连接，两个右进气连杆31两端分别与两个右进气曲柄51及右进气活塞 30连接。
左曲轴4和右曲轴5的旋转方向相反，左排气连杆13和左排气曲柄40构成左排气偏心曲柄连杆机构，右排气连杆12和右排气曲柄50构成右排气偏心曲柄连杆机构，左排气偏心曲柄连杆机构与右排气偏心曲柄连杆机构对称设置，左排气偏心曲柄连杆机构与右排气偏心曲柄连杆机构及平衡杆11构成菱形传动机构。左排气偏心曲柄连杆机构和右排气偏心曲柄连杆机构偏心距相同且均为L2，左排气偏心曲柄连杆机构偏心距为左排气连杆13和平衡杆11之间的连接点与左曲轴4的中心在坐标X轴方向偏距，右排气偏心曲柄连杆机构偏心距为右排气连杆12和平衡杆11之间的连接点与右曲轴5的中心在坐标X轴方向偏距；
左进气连杆21和左进气曲柄41构成左进气偏心曲柄连杆机构，右进气连杆31和右进气曲柄51构成右进气偏心曲柄连杆机构，左进气偏心曲柄连杆机构与右进气偏心曲柄连杆机构对称设置，左进气偏心曲柄连杆机构和右进气偏心曲柄连杆机构偏心距相同且均为L1，左进气偏心曲柄连杆机构偏心距为左进气缸套2轴线与左曲轴4轴线之间偏距，右进气偏心曲柄连杆机构偏心距为右进气缸套3轴线与右曲轴5轴线之间偏距。
L2大于L1，左排气曲柄40半径大于左进气曲柄41半径，右排气曲柄50 半径大于右进气曲柄51半径，左排气偏心曲柄连杆机构和右排气偏心曲柄连杆机构偏心率ξ＝4～8，左排气偏心曲柄连杆机构和右排气偏心曲柄连杆机构连杆比λ＝1/12～1/8。
本发明的星形对置活塞发动机特定的构型，导致其左右排气偏心曲柄连杆机构属于往复式发动机领域中极为特殊的正偏心曲柄连杆机构，其偏心率、连杆比、连杆长度大大超过普通发动机的取值范围。本发明星形对置活塞发动机因此拥有其它往复发动机难以具备的诸多优点：
其一：由于对称，左、右排气偏心曲柄连杆机构及排气活塞10，构成相当于菱形传动机构的动力活塞部分，无需十字头滑块机构，排气活塞10就能不受侧压力和相应摩擦力，摩擦损失可达最低。
其二：根据对星形对置活塞发动机的左右排气偏心曲柄连杆机构计算，其排气活塞10行程长度超过相同曲柄半径正置曲柄机构活塞行程10％以上；膨胀行程的角位移>186°；膨胀冲程的平均速度小于正置曲柄连杆机构活塞平均速度10％以上。活塞的摩擦损失功率为摩擦力与速度之积，膨胀冲程作功时活塞的摩擦力最大时其速度较低，压缩时活塞的摩擦力较小活塞速度较大，这样，循环过程总摩擦损失功率是减小的，提高了循环机械效率。同样的计算显示，正偏心时，活塞在内、外止点及附近的运行速度较正置的速度低，活塞运行在内止点时，处在燃烧爆发时段，活塞运行速度慢对组织燃烧、提高燃烧效率十分有利，并且循环特性将趋向定容循环，可提高发动机循环热效率；当活塞运行在外止点时的慢速可增加扫、换气时长，提高扫气质量和换气效率。
其三：星形对置活塞发动机排气活塞10及其组件机械效率高、运行寿命长，拆下发动机上顶盖罩即可对排气活塞及其组件、排气口等进行检查和维修，仅相当于发动机小保养操作。因此，可以适当加大排气活塞10在发动机中的排量和输出动力占比，强化其运行参数，如左、右排气曲柄40、50半径可以比左、右进气曲柄41、51半径稍大(如5％以上)以增加活塞行程和速度，进一步提高发动机性能。而并不影响发动机的正常使用和运行。
如图7所示，当进气活塞20、30，排气活塞10均处在内止点处时，左排气曲柄(40)与左进气曲柄(41)之间夹角为R1＝120°～165°，右排气曲柄 (50)与右进气曲柄(51)之间夹角为R1＝120°～165°。为构成不对称直流扫气二冲程发动机，需使排气口14比进气口23早开、一般地，排气口14比进气口23提前9—15°开启，排气口早闭或与进气口同时关闭，造成过后充气，提高提高扫气质量和换气效率，提高发动机的指示效率ηi。这时就需要对左、右进气曲柄41、51、左、右排气曲柄40、50的夹角R1按上述要求进行调整，称之为错拐，一般地R1也将处在120°～165°之间。另外，其曲柄上所受之力是相反的，且传递较大载荷的进气连杆大头处在缸间支座即曲轴主轴颈(2 端)附近，传递较小载荷(进气连杆的一半)的排气连杆大头处在左右曲轴主轴颈的跨中。因此，曲轴所受的弯矩较现行发动机要小很多。
如图4和图6所示，包括主机体(1000)和活塞销(图中未示出)，星形三通缸套100安装在主机体1000内，在主机体1000上开设有十字头滑槽(图中未示出)，在排气缸套1和左进气缸套2及右进气缸套3下部安装有密封环6，密封环6分别与排气活塞10及左进气活塞20及右进气活塞30下部密封配合；在排气活塞10和左进气活塞20及右进气活塞30上部安装有活塞环7；在左进气连杆21及右进气连杆31分别与左进气活塞20及右进气活塞30通过活塞销连接，在活塞销两端分别设置有滑块22、32，滑块22、32与十字头滑槽配合构成十字头滑块机构。
本发明的星形对置活塞发动机也运用了进气偏心曲柄连杆机构，一方面可以发挥偏心曲柄连杆机构的优点，另一方面可以减小二曲轴的间距，减小发动机的总体尺寸，有利于同步机构的布置。从曲柄连杆机构的角度来看，星形对置活塞发动机的机械效率可能是最高的。为适应星形对置活塞发动机的连杆布置、曲轴受力及强度，进气偏心曲柄连杆还采用了十字头滑块机构，降低了活塞、缸套的磨损，提高进气口、活塞环运行寿命。十字头滑块机构应用在星形对置活塞发动机上，结构并不复杂，对总体尺寸影响不大。
如图3所示，在主机体1000上开设有进气总管102和排气总管106，进气总管102与进气口23连通，排气总管106与排气口14连通，在主机体1000 上安装有废气涡轮增压器105，进气总管102和排气总管106分别与废气涡轮增压器105连接；
在主机体1000上开设有冷却水套101，冷却水套101布置及星形三通缸套 100在燃烧室A周围，在主机体1000上安装有循环水泵104，循环水泵104与冷却水套101相连接；在右曲轴5上安装有皮带轮52，皮带轮52驱动循环水泵104旋转；皮带轮52也可以安装在左曲轴4上。
在主机体1000上安装在高压燃油泵107和高压油轨108，在左曲轴4上安装驱动齿轮42，驱动齿轮42驱动高压燃油泵107，高压燃油泵107向高压油轨 108输送高压油，高压油轨18与喷油器103供油。驱动齿轮42也可以安装在右曲轴5上。
如图7所示为星形对置活塞发动机工作循环原理图，a图为扫气时段图，b 图为压缩冲程图，c图为燃烧时段图，d图为作功冲程图。可以看出本发明的星形对置活塞发动机工作原理属于直流扫气的二冲程往复式内燃发动机，与OP2S 不同，本发明的星形对置活塞发动机左、右曲轴旋转方向相反。以排气活塞10 的轴线为对称轴并称为Y轴，星形对置活塞发动机单缸的构件及运动对于Y轴是完成对称的，所以星形对置活塞发动机在X轴方向是完全平衡的，包括难以平衡的侧倾力矩、连杆力偶等；由于进气活塞20、30与排气活塞10运动惯性力是相反的，单缸的三对动活塞组件(包括连杆转换)惯性力在Y轴上的投影之和非常小，理论上可使进、排气活塞10最大惯性力之和抵消为零。星形对置活塞发动机的二根曲轴实际上也是二根平衡轴，可完全平衡不平衡惯性力和惯性力矩。在往复活塞发动机中，星形对置活塞发动机的平衡性能是最好的，提高了发动机平衡性，降低发动机的曲轴扭振。
星形对置活塞发动机的燃烧室无缸盖、气缸垫、气门等部件，仅由三面活塞顶及部分燃烧室壁面围成，只要活塞及与活塞相关的连杆、连杆大、小头轴承、曲轴等构件强度允许，就可以承载较高的最高爆发压力。星形对置活塞发动机的每缸有三付活塞，其直径远比相同单缸排量相同的现行发动机小，所受燃气爆发压力的载荷也就小；进气偏心曲柄连杆机构采用了十字头结构，排气偏心曲柄连杆机构类似菱形机构；没有活塞侧压力和相应摩擦力，只有轴向载荷，活塞承载能力高；每付活塞配有2付连杆，所以其连杆及轴承的载荷相对较小，二冲程发动机中，压缩和爆发膨胀时其活塞及连杆的部分惯性载荷可抵消少量气体压力载荷对连杆轴承和曲轴的作用；进一步提高了发动机平衡性，降低发动机的曲轴扭振。
另外，提高发动机热效率的主要途径有：排气能量的回收利用，提高发动机的指示效率ηi，提高发动机的机械效率m。
一、发动机的指示效率ηi
指示效率是不考虑摩擦损失时，从能量的数量角度说明气缸内部热功转换的效率，主要有3点：①燃料热能释放的好坏；②热量损失的大小；③热能转化的有效程度。
式1为发动机中最为普遍的混合循环指示效率计算式。
Figure RE-GDA0003529548070000161
式1中，k-等熵指数(比热容)，对增压器及缸内气体为空气时λ＝1.41,当空燃比α＝1的燃气时，k＝1.25,在增压发动机中α>1.5其在燃烧爆发时k＝1.32 左右；π—增压器增压比，
Figure RE-GDA0003529548070000171
ε0＝ε·ε1为总压比，ε为发动机压缩比；λ—定容燃烧压力增加比，ρ—预胀比。当ρ＝1时，ηi即为定容循环(汽油机理论循环)指示效率；当λ＝1时即为定压循环(低速柴油机及燃气轮机循环)、当ε1＝1即为非增压(自吸气)循环指示效率
当不考虑燃烧效率时，λ及ρ体现了指示效率中的燃料热能释放的优劣：当发动机构造上允许较高燃烧爆发压力较高时，λ↑(意为增大)，ρ→1，为定容循环，热效率高；当最高爆发压力有限制时，λ→1，ρ↑为定压循环。k 在指示效率中体现了热量损失的因素：当发动机的燃烧室面容比小，形状规整时k↑(意为增大)ηi↑，当发动机燃烧室面容比较大，表面形状较为复杂时k↓、ηi↓，当α↑(有涡轮增压时α≥2)时k↑，ηi↑；ε0在指示效率中体现了热能转化的有效程度：ε0↑即排出的废气温度较低，热能转换效率↑，ηi↑，这比较好理解。
二、发动机的机械效率ηm
发动机的机械效率主要分为运动件摩擦损失、泵气损失和驱动气门机构及必要的附件如循环水泵、润滑油泵和高压燃油泵等的传动损失。对于一般的柴油机，有文献提供的机械损失百分比数据为：
摩擦损失74％，其中，活塞、活塞环与缸套的摩擦为50％；转动件的轴承摩擦为24％。
泵气损失14％。增压发动机的泵气损失为0。
传动损失12％，其中气门机构6％，机油泵、水泵、燃油泵6％。
在活塞、活塞环与缸套的摩擦损失中，活塞环与缸套的摩擦损失约为 65—70％。
柴油机机械效率的统计数据：
四冲程柴油机，非增压：78--85％，增压：85—92％；
二冲程发动机，非增压：70—80％(含扫气泵的动力损失)，增压：85—94％。
(根据本发明的星形对置活塞发动机的特点，结合上述的数据，对星形对置活塞发动机的有效效率进行预测计算。
取：ε＝16，π＝3，k＝1.4(增压器),k＝1.3(发动机燃烧、膨胀)，λ＝2.5，ρ＝1.2。代入式1中计算得出：ηi＝0.635。
取星形对置活塞发动机的机械效率ηm＝95％，这是考虑星形对置活塞发动机没有气门及驱动机构，排气活塞完全没有活塞与缸套的摩擦，进气偏心曲柄连杆机构增加了十字头滑块机构，进气活塞与缸套间的摩擦将有所减小，增压发动机没有泵气损失的取值，燃烧效率ηb＝0.97，星形对置活塞发动机的有效效率ηe＝ηi·ηm·ηb＝0.635×0.95×0.97＝0.6018＝60.18％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种星形对置活塞发动机，其特征在于，包括星形三通缸套(100)，星形三通缸套(100)包括排气缸套(1)、左进气缸套(2)、右进气缸套(3)，在排气缸套(1)内开设有排气口(14)，在左进气缸套(2)和右进气缸套(3)内均开设有进气口(23)；在排气缸套(1)内安装有排气活塞(10)，在左进气缸套(2)内安装有左进气活塞(20)，在右进气缸套(3)内安装有右进气活塞(30)，排气活塞(10)和左进气活塞(20)及右进气活塞(30)共同围成燃烧室(A)，燃烧室(A)上安装有喷油器(103)。
2.根据权利要求1所述的星形对置活塞发动机，其特征在于，在排气活塞(10)和左进气活塞(20)及右进气活塞(30)顶部均设置有球冠形凹坑(C)，在排气活塞(10)和左进气活塞(20)及右进气活塞(30)相互配合部位设置有配合切面(B)，使排气活塞(10)和左进气活塞(20)及右进气活塞(30)共同围成近似球形燃烧室(A)。
3.根据权利要求1所述的星形对置活塞发动机，其特征在于，包括左曲轴(4)和右曲轴(5)，在左曲轴(4)上设置有左排气曲柄(40)和左进气曲柄(41)，在右曲轴(5)上设置有右排气曲柄(50)和右进气曲柄(51)；在排气活塞(10)上连接有平衡杆(11)、在平衡杆(11)两端分别连接有左排气连杆(13)和右排气连杆(12)，左排气连杆(13)与左排气曲柄(40)连接，右排气连杆(12)与右排气曲柄(50)连接；在左进气活塞(20)上连接有左进气连杆(21)，左进气连杆(21)与左进气曲柄(41)连接；在右进气活塞(30)上连接有右进气连杆(31)，右进气连杆(31)与右进气曲柄(51)连接。
4.根据权利要求3所述的星形对置活塞发动机，其特征在于，在左曲轴(4)的单缸位置上设置有一个左排气曲柄(40)和两个左进气曲柄(41)，在右曲轴(5)的单缸位置上设置有一个右排气曲柄(50)和两个右进气曲柄(51)；一个左排气曲柄(40)位于两个左进气曲柄(41)之间，一个右排气曲柄(50)位于两个右进气曲柄(51)之间；两个左进气连杆(21)两端分别与两个左进气曲柄(41)及左进气活塞(20)连接，两个右进气连杆(31)两端分别与两个右进气曲柄(51)及右进气活塞(30)连接。
5.根据权利要求3所述的星形对置活塞发动机，其特征在于，左曲轴(4)和右曲轴(5)的旋转方向相反，左排气连杆(13)和左排气曲柄(40)构成左排气偏心曲柄连杆机构，右排气连杆(12)和右排气曲柄(50)构成右排气偏心曲柄连杆机构，左排气偏心曲柄连杆机构与右排气偏心曲柄连杆机构对称设置，左排气偏心曲柄连杆机构和右排气偏心曲柄连杆机构偏心距相同且均为L2，左排气偏心曲柄连杆机构偏心距为左排气连杆(13)和平衡杆(11)之间的连接点与左曲轴(4)的中心在坐标X轴方向偏距，右排气偏心曲柄连杆机构偏心距为右排气连杆(12)和平衡杆(11)之间的连接点与右曲轴(5)的中心在坐标X轴方向偏距；
左进气连杆(21)和左进气曲柄(41)构成左进气偏心曲柄连杆机构，右进气连杆(31)和右进气曲柄(51)构成右进气偏心曲柄连杆机构，左进气偏心曲柄连杆机构与右进气偏心曲柄连杆机构对称设置，左进气偏心曲柄连杆机构和右进气偏心曲柄连杆机构偏心距相同且均为L1，左进气偏心曲柄连杆机构偏心距为左进气缸套(2)轴线与左曲轴(4)轴线之间偏距，右进气偏心曲柄连杆机构偏心距为右进气缸套(3)轴线与右曲轴(5)轴线之间偏距。
6.根据权利要求5所述的星形对置活塞发动机，其特征在于，L2大于L1，左排气曲柄(40)半径大于左进气曲柄(41)半径，右排气曲柄(50)半径大于右进气曲柄(51)半径，左排气偏心曲柄连杆机构和右排气偏心曲柄连杆机构偏心率ξ＝4～8，左排气偏心曲柄连杆机构和右排气偏心曲柄连杆机构连杆比λ＝1/12～1/8。
7.根据权利要求5所述的星形对置活塞发动机，其特征在于，排气缸套(1)和左进气缸套(2)及右进气缸套(3)相互夹角为120°，左排气曲柄(40)与左进气曲柄(41)之间夹角为R1＝120°～165°，右排气曲柄(50)与右进气曲柄(51)之间夹角为R1＝120°～165°。
8.根据权利要求3至7任意一项所述的星形对置活塞发动机，其特征在于，包括飞轮(9)和同步机构齿轮(8)，左曲轴(4)和右曲轴(5)通过同步机构齿轮(8)连接，飞轮(9)安装在同步机构齿轮(8)上。
9.根据权利要求8所述的星形对置活塞发动机，其特征在于，包括主机体(1000)和活塞销，星形三通缸套(100)安装在主机体(1000)内，在主机体(1000)上开设有十字头滑槽，在排气缸套(1)和左进气缸套(2)及右进气缸套(3)下部安装有密封环(6)，密封环(6)分别与排气活塞(10)及左进气活塞(20)及右进气活塞(30)下部密封配合；在排气活塞(10)和左进气活塞(20)及右进气活塞(30)上部安装有活塞环(7)；在左进气连杆(21)及右进气连杆(31)分别与左进气活塞(20)及右进气活塞(30)通过活塞销连接，在活塞销两端分别设置有滑块(22、32)，滑块(22、32)与十字头滑槽配合。
10.根据权利要求9所述的星形对置活塞发动机，其特征在于，在主机体(1000)上开设有进气总管(102)和排气总管(106)，进气总管(102)与进气口(23)连通，排气总管(106)与排气口(14)连通，在主机体(1000)上安装有废气涡轮增压器(105)，进气总管(102)和排气总管(106)分别与废气涡轮增压器(105)连接；
在主机体(1000)上开设有冷却水套(101)，冷却水套(101)布置在燃烧室(A)及星形三通缸套(100)周围，在主机体(1000)上安装有循环水泵(104)，循环水泵(104)与冷却水套(101)相连接；在右曲轴(5)上安装有皮带轮(52)，皮带轮(52)驱动循环水泵(104)旋转；
在主机体(1000)上安装在高压燃油泵(107)和高压油轨(108)，在左曲轴(4)上安装驱动齿轮(42)，驱动齿轮(42)驱动高压燃油泵(107)，高压燃油泵(107)向高压油轨(108)输送高压油，高压油轨(108)与喷油器(103)供油。
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