CN1328206A - 一种低油耗低噪音的内燃发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低油耗、低噪音的内燃发动机,是在传统内燃机技术的基础上注入直线往复运动装置、延时气门机制、自增压技术及复合材料气缸套等四项主要技术,创成其活塞无侧向磨损的比压缩冲程不变而比膨胀冲程增加的悬浮式直线往复运动机理,及通过延时气门配合随机与油门同步控制气缸中压缩初始即时的气体压力,保证燃料在低传导气缸中过氧充分燃烧。本内燃机可靠性显著提高,热源增加,环围导传损失少,热功率大大提高,废气残压降低,排气噪音大幅度下降。

Description

低油耗低噪音的内燃发动机

本发明涉及一种变容式发动机，尤其是一种低油耗低噪音的内燃发动机。

众所周知，现役的曲轴、连杆式往复活塞内燃机，由于曲轴的不停旋转，套于其上连接活塞的连杆必然存在摆角β，随着摆角的增大而导致有效作用力减少，有害的缸壁侧磨损增加，取常规经验公式计算，总作用力P_Σ将分解为沿连杆方向上的连杆作用力P_k和垂直于气缸壁的侧作用力P_n。

P_k＝P_Σ·COSβ，P_n＝P_Σ·tamβ。

由此可见曲轴偏心轴颈旋转是一个难以跨越的头道障碍，如曲轴偏心距R值小，连杆摆角β小，P_Σ·COSβ值可增大，然曲轴偏心距R小，活塞行程S＝2R值也小，能左右功W的一个参量——作用距离S也小，设计时为满足活塞行程S的追求而容忍连杆摆角β的存在，最终决定燃气作用功W大小的两个重要参数β和S相互矛盾相互制约，阻碍了内燃机热效率的有效改善。以往内燃机使用面小，石油资源未显危机，为保证可靠性而牺牲经济效益指标的高油耗、高噪音内燃机亦顺其自然。

事实上传统内燃机连杆存在摆角β，活塞行程S也短(S＝0.9～1.1D，D为缸径)，燃气膨胀力F_P未能充分的利用，很高废气压(热值)排出缸外，结果是热机转换效率低(26～34％)，排出废气带走约30％的热能造成很大的噪音。在内燃机使用范围迅速增长的今天，日益匮乏的石油燃料白白浪费，着实可惜；日益增加的内燃机噪音污染，更是不堪承受。必须革旧创新，改变传统内燃机高油耗、高噪音落后状态，把热效率提高上去，把排气噪音降下来。

本发明的指导思想是基于上述一个信念，从根本问题着手，创直线往复运动机理，把热效率提高上去，把排气噪音降下来。行动上始终遵循一个准则，即W＝F·COSβ·S力学公式，消除β角对活塞行程S的制约，在比体积，比重量不变的前提下，以直线往复运动形式来提高可靠性，以增长活塞行程S来提高热膨胀作用功，以充分利用膨胀气压后排放来减小噪音，追求低油耗、低噪音的创新目的。

本发明所采取的技术方案是在传统内燃机技术的基础上注入直线往复运动装置、延时气门机制、自增压技术及复合材料气缸套等四项主要技术，创成其活塞无侧向磨损的比压缩冲程S_y(通常S_y为0.9～1.1D，D为缸径)不变而比膨胀冲程S_p增加(S_p为1.8～2D)的悬浮式直线往复运动机理，及通过延时气门配合随机与油门同步控制气缸中压缩初始即时的气体压力(气体密度或量)，保证燃料在低传导气缸中过氧充分燃烧。具体技术方案为：采取将双动圆外齿轮2置于固定的双定圆内齿轮1中以齿偏心啮合，且以双定圆外齿轮1同心的双左、右半轴4为旋转偏心绕圆心滚动，其偏心啮合的齿数比为1∶2，其偏心距为定圆内齿轮1分度圆半径的1/2。双曲柄3是双动圆外齿轮2的转动轴，活动安装在双左、右半轴4的偏心轴孔中，双曲柄3的曲柄偏心距为双动圆外齿轮2分度圆直径的1/2；蕈形活塞体5的柄活动套装在双曲柄3的曲柄上。蕈形活塞体5为短头、无裙、长柄的整体活塞。进气门11的控制凸轮9安装在同步轴7上，其工作凸缘夹角为125°～135°间选定。以殷钢为骨架，以铸石为敷料制作的复合材料气缸套10，其长度在2.4D～2.5D范围内选定CD为缸径。采用本发明技术方案的新型内燃机，首先活塞作悬浮式无侧磨损的直线往复运动，可靠性显著提高，其次，自增压装置能使燃料在过氧状态下燃烧，热源增加，其三，膨胀气体在低导率的绝热气缸套中膨胀，环围导传损失少，第四，膨胀气推动活塞作无侧磨，倍增距离的做功运动，热功率大大提高，最后膨胀气以倍比时、距充分释放，废气残压降低，排气噪音大幅度下降，实现低油耗、低噪音的创新目标。

以经典力学公式W＝F·S或W＝F·COSβ·S代入，燃气膨胀力F_P一定，决定功W大小的两个唯一参数是作用力分角β和作用距离S，传统内燃机活塞作用力分角β在0～15°间，活塞行程S为1D左右，新型直线往复活塞内燃机其活塞作用力角β为0，活塞行程S为2D，明显看出，燃气膨胀力F_P不变，功W将增加近于一倍，经测算，新型内燃机其热效率将从传统的34％提高到48％，比油耗低40％，比噪音减少60％，效果非常显著，全面推广应用新型内燃机，必然缓解日益石油危机和噪音污染，为节约能源、保护环境、持续发展做出贡献。

经反复试验证明，以圆内旋轮方程理论创成的直线往复运动装置取代传统曲轴、连杆摆动往复装置是本发明成功的核心。圆内旋轮线方程理论其定义是：一是动圆a沿一定圆A的内部滚动而无滑动时，动圆a上一点Q的运动轨迹。当AD/aD＝2时，动圆a上一点Q的运动轨迹是定圆A的一直径。详见附图1，圆内旋轮线图解。应用设计时，定圆A为内齿轮，动圆a为外齿轮，齿数比为2∶1，两圆以齿啮合，以轴为圆心带动动圆a在定圆A内部滚动，动圆a上一点Q呈一曲柄，曲柄的直线往复运动带动套在曲柄上的活塞随之作直线往复运动。显然，直线往复运动之曲柄及活塞，既没偏摆角β且活塞行程S可适当增加为2D，设燃气膨胀力F_p一定，传统内燃机活塞作功

W_传＝F_p·COSβ·0.9～11D(以常规设计活塞行程S＝0.9～1.1D代入，D为缸径)，新型内燃机其活塞作功W_新＝F_p·1·1.8～2D。

比较：W_新＞W_传0.8～1倍。例如现代单兵武器的枪，一个规格子弹，即F_p为一定，短管枪用它射击，射程不远，长管枪用它射击，射程很远，就是这个道理。

新型内燃机仍治袭传统的四冲程工作形式，如前所述，活塞行程S_Σ增加，气缸长度必然增加，进气、压缩、膨胀、排气诸行程的时间、距离都增加，要控制比压缩行程S_y为1D，比膨胀行程S_p为2D，即压缩行程S_y短而膨胀行程S_p长一倍，它必然通过进气门延时关闭来实现，经实践检验：在传统的气门正时机构中仅对进气门凸轮作延时关闭的改变，即凸轮工作夹角为125°～135°间，则活塞于上死点附近凸轮投入工作，进气开始，见附图2，四冲程气门工作图解所示，活塞下行至下死点后上行，气门仍在打开，称为延时，活塞再上行至往复行程S_Σ的一半左右时(动齿轮行角250°～270°左右间，视设计目的而定)，凸轮脱离工作，进气门关闭，压缩冲程S_y真正开始，若以缸径D为参量，则进气行程S_j为3D，压缩行程S_y为1D，膨胀行程S_p为2D，排气行程S_p为2D，若以半轴转角为参量，则进气行程S_j为0～250°、270°间，压缩行程S_y为250°、270°～360°间，膨胀行程S_p为360°～540°间，排气行程S_p为540°～720°间，显然，比压缩缸容(包括空气、燃料的量)不变，则燃气膨胀力F_p不变，而膨胀力F_p的行程S_p和空间大一倍，可想而知，燃气膨胀功W将大幅度提高，由于活塞惯量，缸壁磨耗，热熵衰减，传动损失等诸多因素的影响，用不定积分公式可以求解，近似计算结果：活塞作功W_新可提高60％左右，膨胀气充分释压作功后，废气残压降低，排气噪音随之减小。

上述之进气冲程S_j为3D或254°～270°转角左右，因气缸长仅为2.4D，或活塞一往一复各相应行角为180°，进气门延时未关，必然有部分巳进入气缸的气体倒流，设一逆止阀于进气岐管中阻止倒流气回流而贮存于一个有变容功能的密封空间中，供下次进气循环时使用，变容功能的目的是随机改变空间容积以调制倒流气的气压，此时进气门未关闭前，变容蓄气室中的气压也是压缩冲程即将真正开始前气缸内的气压，变容蓄气室容积改变，气门敞通的气缸内气压也随之改变，压缩初始气压(密度或量)也随之改变。自增压(减压)调节配合相适应的供油量，满足过氧燃烧的条件具备，热效率尽一步提高。

对于汽油内燃机而言，目前成功的技术——电喷技术更适用于变容蓄气室内雾化，雾化空间全封闭，环围温度适应，混合气流程短，完全可以引入使用。

本发明之内燃机适用复合材料气缸套，由于直线往复运动机理的成功应用，其活塞对气缸壁没有侧压、侧磨、敲缸、拉缸现象出现，它为以铸石材料为敷料，以殷钢为骨架的复合材料缸套的应用创造了条件，其以辉绿岩为原料的铸石敷料，弹性模量近似铸铁，温度小于500℃时比热容低，近似陶瓷，抗蠕变温限高、耐磨性好、尤其是其低的导热率性能适用作绝热气缸套，能减少热损失，提高热效率。

以上多项首创技术共同支撑着新型内燃机扎实的基础，尤其是在可靠性提高的前提下实现低油耗(比油耗约180克·KW·H)低噪音(比噪音降低60％)，综合性能技术指标先进的换代创新，具有比经济效益更为深远的社会意义。

以下就本发明的主要功能结合实施侧及附图作进一步说明。

图1为圆内旋轮线原理图。

图2为四冲程气门工作原理图。

图3为本发明的结构示意图。

本内燃机主要由直线往复运动装置、进气门延时机构、变容蓄气室组成。

1、直线往复运动装置。它由双定圆内齿轮1，双动圆外齿轮2，双曲柄3，双左、右半轴4，和蕈形活塞体5组成，图3中双定圆内齿轮1固定安装在机座上，双动圆外齿轮2紧套在双曲柄3上且以双曲柄轴为圆心与双定圆内齿轮1啮合，1和2的齿数比2∶1，双曲柄3的轴活装在双左右半轴4的偏心轴孔中，双左右半轴4分左右对称安装在双定圆内齿轮1内与其同心而自转，它是双动圆外齿轮2的公转轴心，同时也是双动圆外齿轮2啮合双定圆内齿轮1产生滚动自转的轴套，由于双左右半轴4驱动双动圆外齿轮2及紧套于其圆心的双曲柄3滚动旋转，偏心于双动圆外齿轮2分圆上的曲柄3产生以双定圆外齿轮1分圆直径为轨迹的直线往复运动，同时带动套于其上的蕈形活塞体5在气缸10中作无侧磨的直线往复运动。双左右半轴对应紧套双同步齿轮6，并与同步轴7上之双同步轴齿轮8啮合，一起转动以保持双左右半轴4左右同步旋转。同步齿轮6与齿轮8齿数比为1∶2，故同步轴7是凸轮轴，同时也是输出轴。

2、进气门延时机构。进气门凸轮9紧套在同步轴7上，它的凸轮工作夹角为127°～135°间准确控制进气门11在进气、压缩程序中值活塞在上死点附近时打开，过了下死点上行约1/2行程时关闭。

3、变容蓄气室，也称自增压装置。它包括蕈形活塞体5、气缸套10、进气门11、逆止阀12、进气岐管13、变容蓄气室14、变容活塞15组成的密封空间，当蕈形活塞体5在缸套10中上行接近1/2行程时，由于进气门11连通，整个空间气压相等且为压缩前的最大值，此时改变安装于变容蓄气室14中的变容活塞15的位置，改变蓄气室容积，可改变整个空间的气压大小，达到调控压缩初始气压大小(压缩气体的量)的目的。

本内燃发动机的综合结果是：充分燃烧后产生热膨胀气在低传导的气缸中推动悬浮活塞作无损耗的长作用距的热机转换运动，热效率大大提高，气缸中的膨胀气压得到充分释放后而衰减，此时排气气门打开，其废气残压很低，排气震波小，排气噪音大大减少。

Claims (4)

1、一种低油耗、低噪音的内燃发动机，包括直线往复运动装置，变容缸、活塞、进排气门、凸轮、气化喷油系统，及随机自增压结构，其特征在于：双动圆外齿轮(2)置于固定的双定圆内齿轮(1)中以齿偏心啮合，且以双定圆外齿轮(1)同心的双左、右半轴(4)为旋转轴偏心绕圆心滚动，其齿数比为1∶2，其偏心啮合的偏心距为定圆内齿轮(1)分度圆半径的1/2。双曲柄(3)是双动圆外齿轮(2)的转动轴，活动安装在双左、右半轴(4)的偏心轴孔中，双曲柄(3)的曲柄偏心距为双动圆外齿轮(2)分度圆直径的1/2；蕈形活塞体(5)的柄活动套装在双曲柄(3)的曲柄上。

2、根据权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于：蕈形活塞体(5)为短头、无裙、长柄的整体活塞。

3、根据权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于：进气门(11)的控制凸轮(9)安装在同步轴(7)上，其工作凸缘夹角为125°～135°间选定。

4、根据权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于：以殷钢为骨架，以铸石为敷料制作的复合材料气缸套(10)，其长度为2.4D～2.5D范围内选定。

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