CN1171143A

CN1171143A - 摆动活塞式发动机和摆动活塞式压缩机

Info

Publication number: CN1171143A
Application number: CN95197057.7A
Authority: CN
Inventors: 维利·E·扎尔茨曼
Original assignee: WILLY E SALZMANN
Current assignee: WILLY E SALZMANN
Priority date: 1994-12-24
Filing date: 1995-12-27
Publication date: 1998-01-21
Also published as: AU4251796A; CA2208550A1; EP0799365B1; ATE190695T1; DE59508015D1; US5769048A; WO1996020332A1; EP0799365A1

Abstract

本发明涉及高效率的摆动活塞式发动机和摆动活塞式压缩机。这将通过这样的方法来达到,活塞顶(1)位于一具有连杆轴承中心(2)的圆柱体上,汽缸头内表面位于一个具有曲轴轴承中心(5)的圆柱体上,其中(1)和(4)在上死点区域紧密地相互滚动。因此在发动机时附加措施(装置)使曲轴在上死点以前就得到驱动,在压缩机时产生一个最佳地适合于气流的、具有最小滞留量的压缩。

Description

摆动活塞式发动机和摆动活塞式压缩机

本发明是十多年之久的理论和实践方面研究和开发的成果。其目标是在简单化、紧凑性、重量、结构成本、运转平稳性、弹性、能耗、有害物质含量、保养和反复应用方面取得决定性的优越性。在各种大小和结构中的应用到处显示出优点，在陆地、水上(和空中)交通工具中为了使它们能够进行必要的简化和小型化，甚至是不可缺少的。

这个新的发明由权利要求书表明，其他与之有关的特征和优点将借助于简化的图形作为实施例作进一步阐述。附图中：

图1和2带有变型方案的试制发动机的正视图和侧视图，

图3为图1中(试制发动机)的另一种变型方案在另一个活塞位置的剖视图，

图4A至C端面密封条放大的正视图，

图5摆动活塞平面图的剖视图，

图6图2中带滑动轴承的一个变型方案的剖视图，

图7和8多缸车辆发动机(和压缩机)的壳体，

图9图7汽缸头的一种微小变型结构方案，

图10带按图7/9的发动机的小型轿车的车头的正视图/剖面，大大地缩小了的视图。

在双冲程发动机时，窄长的矩形摆动活塞是最佳的，它可以使宽而低的换气槽(图7)和短而结实的曲轴(图2和6)成为可能。两侧的挤压区(Quetschzonen)(图9)通向一个紧凑的、通常的燃烧室。另一方面长的摆动活塞完全是第一次提供了可能性，避免由于在上死点以前必要的提前喷射/提前点火和燃烧出现的上升中的活塞的制动。为此作一简单说明：

按照权利要求1活塞顶1位于具有连杆轴承3的轴线2的圆柱体上，同时汽缸头-内壁4至少扇形地位于具有曲轴轴承6(图1至3)轴线5的圆柱体上。为了使壁4构成运动的活塞顶1的包络面，其中以下的点有重要的意义：活塞运动的前导侧反向点7，密封点8(图3)，上死点9(活塞冲程终点的返向点)，转换点10和随后一个侧返向点11(与7镜像对称)。这些点中的两点也出现在曲轴圆12上，标作8’和9’。汽缸头14的一个例如球形或椭球形燃烧室13具有例如一个输入喷嘴和一个V型设置的加热或点火火花塞15，以及一个通向直角形的、内拱的汽缸17的宽阔通道16。由于活塞顶1和头壁4之间在密封点8(图3)到上死点9的区域内的填料(例如碳黑沉积)总体还在继续上升的，但是右面已经开始下降的活塞顶1不可能再通过燃气制动。相反甚至从密封点8(这里在345°曲柄角度)起驱动力就施加在曲轴上，不过它抵消由吸入空气的进一步压缩引起的反作用力。此外其他细节借助于图3和7加以说明。

对于摆动活塞式发动机的设计参数和结构的借鉴同一个专利申报人先前的公告文献。因此以下补充对于理解是足够了。

向上拱起的活塞顶1给尺寸完全确定的，持久的活塞弹簧创造了位置，以代替按图1左侧的双重板簧21。持续的密封弹簧22(图1、2和5)确保端面密封23的始终贴合，而大致同样长的，但是例如轴向固定在活塞筋板24上的导向弹簧25将摆动活塞端侧悬空地保持在内拱的汽缸壁26之间(“悬浮活塞”)。具有L截面形状的侧密封件27和28按照图3应该结合成密封网29，并且例如通过轻的波形弹簧办理。所有弹簧都由高耐热材料制成，并垂直地紧密地装在活塞内。端面密封件23和密封网29在它们的末端形成四个重叠部位，即使在用坏时仍然是气体密封接口。采用最佳的、必要时涂覆的材料。为了进一步减少磨损端面密封件23在按图4B的可回转的密封条30上运转，它的外表面31最好与圆弧形的汽缸壁26相适应，因此表面始终贴合。作为另一种变型方案图4C表示一个回转型的陶瓷密封针32。由陶瓷、锻造轻金属或者薄壁铸钢制成的活塞板33通过一个耐磨的、可更换的钢板34衬垫用径向的铝质沉头螺钉35固定在连杆盖36上。这个连杆盖36带有加强和散热筋37，和矩形截面的、薄壁连杆杠38一样最好由镁压铸件组成，并且最好用压焊的方法和连杆杠相连。但是也可以通过熔化和砂芯等等做成具有很小壁厚和不能延伸的因瓦合金或碳素纤维填料的整体空心连杆。这里矩形孔39用作芯座，压缩空气40通过这个孔进出以便从活塞板33和连杆盖36中散出热量。边缘加强筋41和轮毂斜坡42(它将压缩空气向两侧通入吹洗洼池44和吹洗通道45)平衡开口39的重量。在与活塞中点46同心的槽47/47’内放入扁平的气阀48，必要时带边缘加强筋49和辅助导向50/51。气阀48使连杆杠38很难一起作侧向摆动运动，因此覆盖排气缝直到气缸壁26。

半圆柱形的连杆盖55做成活塞和连杆上部的平衡质量，关于它的旋转力矩做得这样大，使振动零件33至55(也许不包括气阀48)的冲击中心至少接近于连杆轴承3的中心2。因此未导向的假想活塞的中心46在一条细长8字形轨迹上移动。这里出现的微小横向振动通过活塞的导向弹簧25吸收。因为这里也来自于气体(压)力由于具有连杆轴承3中心2的活塞顶1的圆弧形形状，除了摩擦力矩外在悬浮活塞和汽缸端壁26之间几乎不出现值得一提的侧向力，它的摩擦损失和需要的油量要比老式的活塞小很多倍。这特别是在双冲程发动机时具有完全决定性的意义。在连杆盖55外径比较小时(这里直到进气结束时“连杆增压器(pleuellader)”的增压度仅仅为约1.5)必需用专门的比较重的材料，例如钢或黄铜，以便达到所要求的旋转力矩。可以通过连杆盖55或活塞板33内的空腔56以及不同长度的钢螺钉35达到精确的调整，并在一个水平振荡器上加以验证。连杆螺钉58从上面装入；在按图7的发动机壳体时在一定汽缸数的情况下必须从下向上装螺钉，以便能够拆卸曲轴。为了密封连杆增压器例如需要注塑的塑料塞子60，并可以通过一个中心略微弯曲的销子61固定。连杆增压器的外表面17和55经过精加工，并且例如经过电镀或涂PTFE(聚四氟乙烯)，并由于运行间隙极小而密封。

紧凑的、轻而紧固的曲轴按图1、2和6由轴颈63、圆锥形曲柄盘64和带轴环66的曲轴颈65(用以很好地遮盖曲柄盘64)组成。这里它用滚动轴承支承，根据需要可通过进油口67，通过碟型弹簧68的中间密封、斜孔69和轴环66外缘处的出油口和/或按图6可调节地润滑。在曲轴的中间支承处(图8)可以将碟型弹簧68仅仅装在一个部位，通过旋转用键固定，这使得它在曲轴箱内的装配简化。在滑动轴承时进油方法相似，但是出于冷却的原因(约十倍的摩擦热)要求大得多的回油量。这在径向密封件70和71之间进行，例如通过孔72至74。这里一定量的挥发油是不可避免的并对于连杆和活塞的润滑是必要的。因为和燃烧气体不接触，回油可以重新利用，换油变得多余了。出于空间位置的原因曲轴的平衡重装在发动机外面，根据汽缸数的多少这带来优点或者缺点。它的正确位置可以通过法兰孔75的略微错位毫无问题地保证，并与飞轮和可能的皮带轮构成一个组件。为了平衡三个汽缸的摆动力矩在每个端面上节约空间地安装两个相互啮合的齿轮77和78(代替一个侧面的连接轴)，这里可以考虑各一对由合适的塑料制成的齿轮。全部经过加工的曲轴的静平衡是多余的。

按图1和2的汽缸曲轴箱80包括曲轴传动机构，具有一个冷却液腔以及换气通道，并且例如由合适的、有加强筋的灰铸铁或轻金属铸件组成。进气口81对于每个汽缸各自通过一个平面法兰82实现，而排气口83通过一个共同的法兰84，它还包括一个冷却液进口85。壳体80下面通过一个高度与曲轴轴线5相同的平面法兰限定，上面通过拱起的法兰87限定，它位于一个具有轴线5的圆柱体上。汽缸内腔的加工可以通过低成本的立式拉削实现，但是这样的话需要单独的、拱起的端壁镶嵌件88，它应该可以更换。不必将它及它以下例如直到点89拉成圆弧形并那点起拉成倾斜的直线形并装入一个角块90(使用较短的活塞可避免)，这需要特殊的装置。电火花加工提供了最简单、并且也许是成本最低的加工办法，例如在部位47/47’和50/51这是可能的或者必须的。

曲轴箱油底壳(Kurbelwanne)91构成汽缸曲轴箱80的下终端，在任何一种连杆的情况下曲轴箱油底壳(Kurbelwanne)具有一个半圆柱空腔92，它紧密包围运动的连杆盖55，并且是整体的容积式连杆增压器圆柱形空腔的一部分。为了不可改变地减小发动机功率(例如在固定的或车辆用的带转数极限器发动机)这个镶嵌点93(在活塞位置94时)可以通过两侧浇铸出的洼池95例如向96偏移。曲轴箱油底壳(Kurbelwanne)最好由轻金属压铸成，内部通过深铣或者电火花加工，它通过曲轴主轴承6两边各一个螺栓97固定。这种强烈的简化要求上密封面有一个确定的非平面形状，这可以通过电火花加工。至少两个键入固定在螺钉头98上方的塑料套99用来作为发动机的节省空间的垂直中间支承。

最后应该根据图1至3对非常简单和紧凑的汽缸头14再作一些说明。它最好由轻金属压铸成，并通过筋101加强。它通过螺栓102固定(在单汽缸时6个、双汽缸时9个等等)，通过弹性圆截面塞绳103对气体和冷却液密封。用众所周知的方法浇铸出来的冷却液管接头104不突出于发动机高度(包装)。烧燃室13由一个在平面图内例如矩形的、向内拱起的次级燃烧腔106加以补充，它在转换点10处(这里例如在上死点9后2°曲柄角)与内壁4相连。因此可以达到如下的燃烧和工作过程：

通过电子控制的、及时的含油空气/汽油混合物的提前喷入和提前点火按图3在这里做成涡旋室的燃烧室13内在上死点9前15°曲柄转角时开始增压。由于前面所提到的活塞顶1和汽缸头-内壁4之间的碳黑沉积这个气压仅仅作用于反向点7和密封点8之间的活塞带上，因此在曲轴上已经产生一个小的扭矩(和一个小的由导向弹簧25承受的横向力)。当曲轴继续旋转时活塞顶1和汽缸头壁4之间狭窄的密封部位108向左移动(滚动)，从而在燃气压力作用下的活塞表面以及因此还有气体作用力剧烈增大，此外曲轴的杠杆臂明显加大。因此驱动力矩累进地增大。另一方面互补一侧的活塞表面减小，但是在它上面的加压压力增大。因此在一定的初始条件下转换点10的最佳位置必须通过热力学过程计算来求得，这还没有人进行过。关于在发动机运行时持续产生的，并通过活塞微小振动在上死点区域调整的碳黑或油垢层的情况下它是否能毫无问题地、没有噪声地运行也还没有结论。因此作为一种方案在图3中设有一个例如由耐热织物制成的汽缸头密封件110，它在活塞顶1区域的左半部分被剪切。

作为另一种可能性图7表示用螺钉拧在汽缸头121底面上的可更换的由一种特开发材料制成的密封挡板112。如果能够使例如通过弹簧力这个挡板装在静止位置112’，密封点8将向右移动到7。那末在上死点9前16.5°曲柄角时就已经有一个驱动力矩作用在曲轴上了(而在普通摆动活塞或柱塞时则是一个制动力矩)。在同样条件下按照本发明的“死点前移”得到发动机的软运行，没有反冲，较小的气压和爆振危险，较小的摩擦和摩损、能耗和有害物质以及较小的飞轮和起动器，一般来说还有较轻的、更紧凑的和成本更低的发动机。

图7和8表示一个可能的(单或)多缸系列发动机壳体的正视图和局部侧视图。这个壳体120适合于按图1至6的曲柄传动机构，并且为了尽可能地简化和加强做成带有整体汽缸头121和排气汇流管122的完整整体。它可以由轻金属铸件或薄壁灰铸铁或铸钢制成，并且最好是吊挂在铣平的法兰123上，通过电火花粗加工和精加工。这些加工甚至可以包括吹洗通道45的表面和换气槽124/125的正确形状和边棱。汽缸圆整的角要求相应的端面密封件23倒圆的拐角126(图5)，这也适用于拉削或铣削的汽缸。发动机壳体120有许多螺纹孔129作为固定用。

燃烧室13相应于图1至3上的那样。通过有目的地/经过计算地选择它的体积(包括“空间”106在内)、在按图3活塞位置时的压缩比、连杆增加器等的增压度和必要情况下借助于空气节流和起辅助装置可以和有利于采用燃气、汽油、柴油或多种燃料运行。

曲轴箱油底壳130在左部有一个简单的空气流量调节器。它由一个具有汽缸和曲柄腔宽度132的镰刀形空腔131(通过电火花加工)，一个一样宽的带铆钉134(或者一块铰接的扇形板)的弹簧挡板133和一个贯通的带反凸轮136(Negativnocken)的调节轴135组成。调节杠杆在位置137’起着使弹簧挡板向位置133’减压的作用，它起着使压缩空气部分回流的作用。在回转的轴135(不带杠杆137)时可以通过相应地环绕设置的凸轮控制单个弹簧挡板133(汽缸关闭)，按图7和8右方的方案同样是紧凑的，但价格较贵，效果更明显。这里曲轴箱油底壳(Kurbelwanne)的侧壁138通过电火花加工这样地锥形缩回(图7A表示水平剖视中的一个角)，使得两侧可以放入一个大致半月形的板件140作为可运动的侧壁。径向的和正常位置(平行壁板)轴向的导向通过槽141进行，向左上方通过法兰面123(或者恰好在连杆增压器接头点142的一个挡块)，向右方通过按图7A的半圆柱形的回转铰链144实现。可运动侧壁140两侧的开口通过类似于135的具有不同的左、右螺纹或者凸轮的轴(旋转)例如3°实现，相应的螺纹孔或者壁140的台阶与它相配合。因此连杆下部侧向地环流，这在部分载荷时降低增压(和它的功率需求)，还应该强调一下这个发动机卓越的“S”形换气槽：供气40以最佳的方式通过整体的连杆增压器直到进气结束146实现，在这里连杆左侧打开回流通道147。吹洗以顺流并用非对称配汽设置图进行(打开排汽口，只有在确实增压的前提满足后才关闭)。狭窄的活塞得到一个进气和排气气流之间的最小的界面积(只有面积相同的圆柱形汽缸的55％)，因此气流之间的混和和热交换很少。因为排气在连杆增压器的压力下形成，为了内置的、带有尽可能两端圆锥形末端148/149的集流管122的缘故可以放弃确定的、长的单管。因此只有两件的、通过拉紧螺钉97(在单缸时4个、双缸时6个)拧紧的发动机壳体非常简单、紧凑和可以广泛应用。

附加的方案：两侧的、长吹洗通道45/147由短的吹洗洼池150所代替，压缩空气通过一个连杆轴38的横向通道(图1)送入吹洗洼池，它的下横壁大致按一条直线151分布，并终结于两个侧向连杆窗口，这使活塞顶36的排气侧得到额外的冷却，此外还可以在曲柄盘64(图2)上装内平衡重152以减轻主轴承154的载荷(图8)。这个平衡重最多只能是半圆形的，并且例如通过压焊与曲柄盘相连。它最好由平衡重一最重金属(密度约18g/cm³)制成，并且通过互补的，在连杆压增器时必要的填充件155补充；这可以例如由镁或塑料制成，并通过粘接和/或铆接固定。作为另一个方案在图7的椭球形燃烧室156时在用燃气驱动时喷入喷嘴157或吹入喷嘴装在朝向汽缸的方向，这也适用于图1中燃烧室13的情况。

图9表示一个与图7(和1)相应的、带OEC众所周知的微型结构燃烧室161(它的位置可以在很左面)的汽缸头160。这里新的是位于一个具有中心曲轴的圆柱体162上的挤压面163和164，它以有利地适合于气流的方式起着时间(相位)偏移的作用。不过在这种毫无问题的可靠的OEC汽缸头时在上死点以前实现通常的活塞制动，但是它用来作比较试验，并作为按图1、2、7和8的汽缸头的批量成熟产品以前的过渡产品。

作为实施例图10表示一个按图7和9的、每个汽缸具有300cm³工作容积和22千瓦/30马力的，按照同一申请人的WO92/20563图1和1A横向和向前倾斜地装在一个小型轿车(长250到330，宽140cm)的车头内。这种4到6座位的轿车直到脚后跟点(Fersenpunkt)165具有一个很好的77cm的前曲折长度。这仅仅是由于下述原因才有可能，因为带1至3个汽缸的极端紧凑的发动机可以避让到车底下面，而且连同它的变速箱，主传动箱和λ≠1的催化器167(带起动催化器168，图7)。对于很小的维护工作(点火火花塞，电池等等)翻上去的前栅格169和特别是170可以很好地迅速地接近。发动机冷却器171可以用来作为取暖装置，并在一边或两边设置容量为160立升的前行李箱172。复合的燃气(油门)和制动踏板173带有侧向的踏板174并节省空间和费用，并且可靠；它防止在受惊的瞬间(人们伸展四肢！)非预期的燃气输入(加大油门)。挂在一个弹性块175(它也用来作为预定的断裂部位)上的、带复盘离合器和例如具有统一的变速比(级差)的行星变速器的发动机166最好作用在具有同样变速比的双速主传动箱176上。在差动箱上松动地旋转的带挂在它中间的离合器环的齿圈、和行星变速器一样，自动地换档。这种最高效率的、具有例如1.3至1.33变速比(扩展3.71至4.16)的“3＝6V+1＝2R”变速箱使它即使在城里(innerorts)，爬山时也能非常省油和低噪声地行驶。

发动机166也毫无问题地适用于纵向结构(曲轴在车辆纵轴方向)，带装在它上面的、至少局部可以翻上去的行李架。在轴动机器摩托车，或大的商业车辆考虑类似的结构方案，由于它的自动离合器同样可以使用一个“单一踏板”，但是它铰接在底板上。脚向右转进气(油)，向左制动和/或减速，这时两只手放在方向盘上可设想按权利要求1的四冲程发动机在其汽缸头部两侧设置平行于曲轴的旋转滑阀。也应指出，圆的悬浮活塞在某种条件下在一个非拱形即圆柱形的汽缸内运动。在此火环例如由两个相同的例如带几毫米重叠的槽的半环组成。拱形的运行表面周围截面相同并且和摆动运动相适应亦即一直到槽，这样阻止了环的转动。通过槽底的波形或橡皮弹簧或类似于图中标号25的径向螺旋弹簧进行活塞引导。另外，由耐热的弹性材料体，必要时径向切割成的薄的O形环可能使用以良好密封。最可能的，在摆动活塞时较简单的环形区压力油冷却道是必须的，并且为了专门目的，可使用带管状或中插连杆(schwert pleueln)的活塞顶部。

有利的是按权利要求8和9的摆动活塞式压缩机由于它的高的容积效率(特别在带连杆增压器的两级结构时)和它的简单结构也没有滑阀48。没有画出来的、宽阔的溢流槽由一个横隔分开用作密封网29的导向(图3)。比较低的工作压力可以使曲轴更长、活塞更宽(与图1和2所示相比)。活塞顶紧密地在一个连续的密封件112(图7)上滚动，它可以包含一个单独的汽缸头(图1)。开口180产生一个适合于气流的、通过阀板181以普通的方式控制的例如在冷压缩机或热泵时介质的排出。用于冰箱的小型压缩机也可以用圆柱形摆动活塞。

最后要补充的是，图7中的换气槽不是最佳的，但是发展的热力学方法计算包括一个相应的方法程序。同样，柱形曲线26也不是关于活塞冲程，冲塞长度，和连杆长度的比例最佳的。对柱形曲线用数字方法进行精确计算多年前本申请人就已开始了。其计算机程序是可得到的。

Claims

1.摆动活塞式发动机，带一个曲轴和至少一个与它铰接的、带无活节摆动活塞的连杆，它的活塞顶位于具有连杆中心轴承的圆柱体上，并在一个带单独的或一体的汽缸头的汽缸曲轴箱内运转，其特征在于一个带有至少是具有曲轴中心轴承的圆柱形内表面扇形部分的汽缸头，活塞顶在它下面在上死点区域内以尽可能小的间隙运动。

2.按权利要求1的摆动活塞式发动机，带一个大致设置在汽缸头中间的燃烧室，其特征在于设置在燃烧室两边的、由汽缸头内表面构成的挤压面，它被摆动活塞时间交错地作用活化。

3.按权利要求1的摆动活塞式发动机，带设置在汽缸头内摆动活塞先导一侧的带通向汽缸的连接通道的燃烧室，其特征在于汽缸头内表面和活塞顶之间直到至少接近于上死点区域的一个至少近似于气体密封的间隙。

4.按权利要求3的摆动活塞式发动机，其特征在于在燃烧室内及时地形成混合物并点火，以便在上死点以前尽可能早的时候就在曲轴上形成一个驱动力矩。

5.按权利要求3和4的摆动活塞式发动机，其特征在于：气体密封间隙由碳黑沉积和/或油垢形成，并且不断地自动再生。

6.按权利要求3和4的摆动活塞式发动机，其特征在于：气体密封间隙由一个装在汽缸头内表面区域内的由合适的材料制成的密封件形成。

7.按权利要求1至6做成双冲程发动机的摆动活塞式发动机，带长的、在曲轴方向最好窄的矩形摆动活塞、它以最佳的方式非对称地控制侧面的换气槽。

8.摆动活塞式压缩机，带一个曲轴和至少一个铰接在它上面的，带有矩形无活节摆动活塞的连杆，它的活塞顶位于具有连杆轴承中心的圆柱体上，并在一个汽缸曲轴箱内运转，其特征在于单独的或一体内置的带具有曲轴中心轴承的圆柱形内表面的汽缸头，活塞顶以至少近似地气体密封的间隙在它下面滚动，在后续的活塞侧向返向点11处进行排气。

9.按权利要求6和8的摆动活塞式发动机和摆动活塞式压缩机，其特征在于包围汽缸头法兰的活塞顶密封件。

10.按说明书和附图所述的摆动活塞式发动机和摆动活塞式压缩机。