CN1421597A - 多元连杆内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种新型的多元连杆内燃机。它破除了传统曲柄连杆模式，采用由上、下连杆、闭锁(变速)连杆、闭锁轴、曲柄组成的多元连杆机构，与相应的部件匹配，产生了能驾驭“爆燃式反应”的联动效果：能自动调节活塞和曲轴的运动速度，满足了各冲程的不同需要；专设了一个活塞能在上止点停留的闭锁定容速燃行程；加大了连杆的初始作功力臂，避免了曲柄在上止点的作功死角；减少了高压对曲轴的冲击负荷。从而，构成了更高效的实际工作循环，使能量利用更充分，排污更少，热效率更高，这种新内燃机结构和工作原理，适合于传统二冲程和四冲程各种内燃机。

Description

多元连杆内燃机

技术领域：

本发明涉及一种新型的能闭锁定容速燃的多元连杆内燃机。

背景技术：

内燃机发明一百多年来，高效、节能、低污的热机，一直是人类追求的目标。特别是近几十年来，世界各国争先恐后地研制的新内燃机层出不穷，其性能都有不同程度的提高，但仍没有根本性突破，特别是热效率徘徊不前。认真研究其根本原因在于：传统的内燃机能量转换最关键的过程，是靠一根简单的连杆把活塞和曲柄连接起来，产生的联动来完成的。然而，正是这种结构产生的不完善、不尽科学，性能单一的联动效果，导致了与科学的能量转换规律相矛盾的结构缺陷和工作循环缺陷，分析其实质：

1、活塞行程决定曲柄偏心距。难以满足不同的活塞行程、运动速度、曲柄偏心距、曲轴转速、扭矩等性能各异的要求。

2、活塞上下行程把曲轴转角按180°等分。制约了吸气和作功行程需活塞运动时间长、充气量大，曲轴作功转角大、时间长的特定需要；也限制了压缩和排气行程时曲轴转角可以减少，而活塞需要高速度压缩和排气才能满足提高燃料的雾化质量和彻底排除废气的需要。

3、活塞在上止点不能停留，没有理想的闭锁定容燃烧环境。在活塞不断运动的环境中燃烧的方式，实质上是半开放式变容燃烧。由于这种燃烧方式，致使燃烧室没有相对稳定的容积和较充足的燃烧时间，燃烧不完全，能量不能充分利用，效率低，排污量大，并造成了一系列负效应，把热功转换的关键过程局限在非常狭窄而且充满着矛盾的恶劣环境之中。仔细剖析不难看出：

①上止点前的燃烧。为了避免在上止点后过多的延长燃烧时间，增大燃烧室容积，减少压力损失、冷却传热损失和排气损失，必须在上止点前提前着火、导燃，即进行初始燃烧。此阶段的燃烧增大的压缩冲程的抵抗力，与不燃烧的抵抗力相比：柴油机增加50％左右，汽油机增加更多。假如能使燃烧过程在上止点后进行(假设燃烧室为闭锁定容状态)，它的初始概算效率便可提高近50％以上。不仅如此，减少的活塞压缩抵抗力，又相当于无形的增大了9个压缩比单位的压缩抵抗力。换句话说，除了燃料的抗爆性(汽油)外，传统内燃机由于上止点前的燃烧，失去了很可观的提高压缩比的潜力。

而压缩比每提高一个单位，功率可提高10％。可见这个损失是巨大的。可以说高效率的内燃机的发展史，就是追求高压缩比的历史。不产生爆燃、早燃的高压缩比，一直是人们追求的目标。如果把燃烧过程设置在上止点进行，其压缩比将有较大的提高，其高效率也随之可得，汽油机的潜力更为可观。

②上止点后的燃烧。为尽量减少上止点前不得已的燃烧产生的负效应，只好把燃烧的主要过程放在上止点后进行，然而，这时的燃烧也是在活塞高速运动而气缸容积不断增大的情况下进行的，不可能得到更高压力和膨胀比，靠此燃烧方式作功，只能收“杯水车薪”之效。因此，传统内燃机都没有得到理论上想得到，而实际上从未得到的燃料的化学能应该转换成的最大的热能量。而如今的解释是：活塞在上止点附近移动量小、燃烧室体积增大、压力损失小等等无可奈何的自园其说。

事实绝非如此。以195柴油机为例，当最高压力点出现在上止点后10°时(保守计法)活塞已下行8.5毫米，按活塞行程115毫米计，占气缸工作容积的7.4％，相当于燃烧室最小体积的1.5倍。这种在活塞移动时的燃烧速度每秒仅20～70米(爆燃每秒达1000米以上)，不仅使最高压力成倍的减少，而且燃烧不完全、排污量大，也导致了热量的过早散失，能量利用率自然很低。因此可以认为，上止点后的这种半开放式的变容燃烧，不是能量转换最佳的高效率的燃烧方式。而是牵强于传统连杆结构迫不得已的低效率的燃烧方式。

若能使活塞在上止点停留一定时间，使燃料能在理想的闭锁定容环境进行充分燃烧，真正获得理想的高温、高压和最大的膨胀比作功，这种燃烧方式，将更符合能量转换的科学规律。

4、在燃烧室体积最小、压力最高的最佳作功时期，与曲柄在上止点的作功死角区重叠。曲轴旋转环境恶劣，额外负荷大，作功条件最差。在上止点燃烧压力很高时，曲轴中心和曲柄都同时处在活塞运动轴线上，不但不能作功，反而承受着巨大的燃烧压力。即使在过上止点后的燃烧和膨胀初期连杆的作功力臂仍很小，不能以较大的力臂推动曲轴旋转作功。大部份压力仍然通过曲柄臂作用在曲轴的主轴颈和主轴承上，阻碍着曲轴旋转，消耗着曲轴上一工作循环储存的功能。当曲轴转到较好作功角度和力臂时，由于热量损失和气缸容积的增大，压力已大为降低。所以传统内燃机的热效率低，是不足为怪的。假设，活塞在上止点与曲柄曲轴中心在一条直线时，将燃烧压力转移，并尽早避开这一不利区域，使曲轴在良好的环境中运转作功，减少额外功耗，对提高内燃机的效率，将收到事半功倍的效果。

这些都充分证明了传统内燃机的结构和工作循环产生的热功转换效率是很低的，而可挖掘的潜力却又是很大的。但是靠传统内燃机的结构和导致的工作循环绝不可能达此目的。因此改变这种状况刻不容缓。

发明内容：

本发明的目的是：

1.打破活塞上、下行程将曲轴转角呈180°等分的格局，使活塞和曲轴的运动速度和转角能满足各冲程的不同需要。

2.建立一个单独的闭锁定容速燃行程，使燃烧更快、更充分。

3.基本取消上止点前后的燃烧，减少压缩负功消耗和过早热损失。

4.增加曲柄的作功初始力臂，减少曲轴的冲击负荷。

进而从根本上提高内燃机的热效率，使其真正成为高效、节能、低污、价廉的新热机。

实现本发明的根本途径在于：抓住热功转换的燃烧和作功这两个主要矛盾的实质。破除有先天缺陷的、低效率的传统内燃机的曲柄连杆机构的结构格局和工作循环理论概念。根据热机转换最基本的自然规律，设置一套高效的多元连杆机构，进行科学的结构布局，使其具有自动适应性能，产生能满足各个环节需要的联动效果，构成高效率的转换功能，形成更完善、更合理、更科学的实际工作循环。使其既能满足燃烧作功两个关键环节的特定需要，又能使其余各辅助工作环节更完善，综合性能更协调。在工作循环中特别创设一个优良的闭锁定容燃烧环境和过程，以改善燃烧条件，使燃料尽可能在高压缩比的定容环境里经过类似“爆燃”的充分反应。使其以很小的热损失，将化学能转变成热能，产生更高的温度和压力，获得更高的膨胀比和高平均压力；在最佳时期，使活塞连杆机构以更有效的作功角度和较大的力臂，经曲柄推动曲轴在摩擦力最小的最佳环境、更高效率的进行热功转换而作功，从而使内燃机的热功转换有一个质的飞跃，热效率有一个重大的突破。同时还将保持传统内燃机较低的造价，而油耗和环境污染将大为减少。从而使内燃机的性能更完善，真正成为高效、节能、低污的新热机。

本发明所采取的技术方案是：在活塞与曲轴之间，设置由活塞上连杆、闭锁连杆、曲柄下连杆和闭锁轴组成的多元连杆机构，与经改革的传统内燃机其它相关部件相互作用，产生新的联动，使活塞在上、下止点各增加一个停留区域，在10°～60°上止点停留区，建立了一个能驾驭“爆燃”的闭锁定容燃烧的单独行程，在10°～25°下止点停留区，为曲轴增大了惯性作功范围，也为传统二行程内燃机增加了一个特有的扫、排气行程，从而构成了新的实际工作循环过程，这种多元连杆机构的各个零件和与其相关的其它发动机部件的形状、尺寸大小，配置位置和方向，根据不同需要可设计成四种不同形式的多元连杆机构。闭锁轴A可根据需要设置在活塞运动轴线的任意一侧的缸体上。三个连杆的形状可按需求设计成不同样式，它们可绞接于一点或两点，其中活塞连杆的外端与活塞绞接于B，闭锁连杆的外端与闭锁轴A绞接，曲柄连杆的外端与曲柄DG绞接于D；三个连杆的内端分四种方法绞接：①共同绞接于C，②活塞连杆与闭锁连杆的内端绞接与C，曲柄连杆的内端绞接于闭锁连杆的E点，③活塞连杆的内端绞接于闭锁连杆的C点，闭锁连杆和曲柄连杆的内端绞接于E，④活塞连杆和曲柄连杆的内端绞接于C，闭锁连杆的内端绞接于曲柄连杆的E点。

活塞行程与曲柄偏心距不互相严格制约；气缸中心线与曲轴中心可以不在一条直线上；曲轴不停的转动的角速度与活塞在上、下止点停留区的停留状态、以及附近范围活塞较低的运动速度，是不对应、不同步的；活塞在上止点时α1＜180°；活塞离开上止点的初始作功角α2＜180°。

由曲柄推动闭锁连杆使活塞将燃烧室关闭，形成闭锁停留状态；开锁是由曲柄牵动下连杆拉动闭锁连杆，解除上连杆对活塞的闭锁状态，形成开锁。全闭锁燃烧行程是活塞进入上止点停留区后点火喷油，使燃料在容积最小的闭锁定容的燃烧室里进行剧烈燃烧，其成倍提高的压力是全部或部分承受在有足够强度的连杆机构和闭锁轴上。可采取控制点火或喷油时间的方法实现半闭锁式燃烧，一是在上止点前只点火或喷油而不燃烧，进入上止点停留区后在闭锁定容的燃烧室内完成燃烧；二是活塞进入上止点停留区，才点火燃烧，直到燃烧室呈开锁状态容积微增，曲柄已转到较好的作功位置为止才燃烧结束。

该多元连杆结构适用于各种二冲程和四冲程内燃机。

多元连杆内燃机可产生如下优点：

1、吸气时间长，进气充分。

2、压缩速度高，燃气雾化质量好，活塞压缩抵抗力小。

3、由于增加了闭锁行程，能驾驭类似“爆燃”反应的快速燃烧。可延迟点火(喷油)时间，使燃烧速度加快、燃烧充分。因此，对燃料质量要求不苛刻，为降低燃料成本提供了新途径。

4、由于燃烧是处于定容的最小体积进行的，摒弃了低效的变容燃烧方式，所以能产生最高压力，使热效率大大提高。

5、曲轴旋转环境好，特别是在最高压力时期冲击负荷小、负功消耗小，并在最高压力状况下，避开了活塞销、曲柄轴、曲柄三点一线的死角，以较大的作功力臂，使曲轴超过180°转角高效率作功。

6、排气速度高，干净彻底、残留废气少。

7、能大量减少排污量，有效保护环境。

8、结构简单，造价低，使用寿命长。

附图说明：

以下结合附图作进一步详细说明。

图1是传统内燃机的曲柄连杆示意图。

图2-图5是本发明不同类型的多元连杆内燃机的曲柄连杆结构示意图。

图6为图2的工作原理图。

具体实施方式：

本发明的工作循环原理及实施实例详细说明

1、采用多元连杆结构，产生新的联动动作。

为了克服传统内燃机如前所述的缺陷，达到本发明的目的；本发明取消了传统的连杆机构，设计了由活塞连杆，曲柄连杆，闭锁连杆，闭锁轴，曲柄等组成了新的多元连杆机构，如图6是本发明的简单实施例。是195柴油机改制成多元连杆柴油机，它虽不能完全代表和说明本发明的思想，活塞在上止点只能停留10°，但试机200多小时的运转工作效果明显比改制前好得多。动力、转速明显提高，油门加到中速，便得到相当于改制前的高速，老机手也再不敢冒然加油提速。油耗和排污也明显减少，排气口温度很低。

现重点说明图3-图5为代表的多元变速连杆内燃机。

图3中的活塞连杆1的上端与活塞绞接于B，下端与闭锁连杆2的上端绞接于C，闭锁连杆2的下端与装在气缸体上的闭锁轴A连接、E点绞接曲柄连杆3的上端，下端与曲柄DG绞接于D，G点为曲轴中心点。DG为曲柄偏心距——即曲柄长度。各件的作用如下：

上连杆1，闭锁连杆2，下连杆3均起传动和闭锁作用。下连杆还特别起着闭锁开关作用，支撑闭锁和牵动闭锁连杆回转进而解除活塞对燃烧室的闭锁状态。闭锁连杆在作功时还将起着加速，进气起着减速作用，在压缩排气行程也同样可起与作功时相反的变速作用。图5中的曲柄连杆3具有变速功能。闭锁轴除使闭锁连杆围绕其中心回转外，还将承受闭锁燃烧时产生的高压力，使曲轴不再承受这一巨大的磨擦力和冲击力，为曲轴创造了一个优良的运转环境。

它们各件的形状、尺寸、布局位置和方向，可根据需要适当选择，把所需要的重要参数，通过多元变速连杆、曲柄机构贮存，使其具有机械计算机的性能，在循环中自动适应各种变化规律，满足各工作环节的特定需要。气缸轴线与曲轴中心可不在一条线上，偏离大小依需要而定。按照本发明这种方法，新的多元连杆机构可产生出传统内燃机没有的联动效果：(1)活塞在上止点有一个较长时间的闭锁停留期(10°～60°内)，为可燃气的闭锁定容燃烧专设了一个燃烧行程，从而避免了上止点前、后燃烧产生的种种弊端。同时，燃烧产生的高压经连杆机构全部或部分承受在闭锁轴上，大大减少了曲轴的额外功耗，为曲轴创造了一个良好的运转环境。(2)由于多元连杆机构的奇特的变速作用：在吸气行程中把曲轴的大转角、高速度变成活塞的长时间、低速度，起减速作用。在作功行程中正相反，起加速作用，即把活塞作功时的高压力、低速度变成曲轴加速度、大扭距、大转角作功，曲轴最大作功转角可达235°。这也正是吸气和作功行程十分需要的。(3)活塞在下止点也有一个停留期(相当于曲轴转角的10°～25°范围)。为传统的二行程内燃机增加了一个扫气、排气行程。也为传统四行程内燃机增加了一个惯性进气和自身排气过程。(4)压缩、排气行程曲轴的转角小于180°，最小为75°。在这一小转角短时间内，曲轴经连杆机构的加速作用，使活塞高速运动，完成压缩和排气(如图5所示)。(5)在膨胀作功初期，曲柄已避开了与活塞和曲轴中心同在一条直线的狭小作功死角，增大了初始作功夹角和力臂。

这些联动效果，构成的实际工作循环，更符合热机能量转换的科学原理，能使每一个工作环节都具有本发明所需要的优越性能：使吸气时间长，进气充分；压缩速度高，燃气雾化质量好，活塞压缩抵抗力小；燃料在闭锁定容环境中充分燃烧，压力高，热损失小；曲轴额外功耗小，作功角度好，扭矩大，时间长，效率高；排气彻底，扫气充分。从而使传统内燃机存在的种种弊端迎刃而解，其热效率和综合性能均可得到质的飞跃。

2、多元连杆内燃机的实际工作循环原理(以五冲程为例)。

(1)进气行程：随着曲轴转动，当活塞到达上止点前，进气门已开始逐渐打开。到上止点时，曲轴经曲柄连杆机构推动活塞将燃烧室关闭，活塞处于停留闭锁状态。上一工作循环的废气以惯性继续排气。曲轴转到35°时，经曲柄牵动闭锁连杆和上连杆解除活塞的闭锁状态，并带动活塞减速向下运动。排气门完全关闭，气缸容积迅速增大，产生负压，大量新鲜气体被吸进气缸。曲轴转到215°进入下止点停留区(215°至235°范围)，活塞停止不动，惯性气流继续流进气缸，直到压缩开始后，进气门开始关闭。此行程曲轴转角达235°，转角大，时间长，又由于多元连杆机构的减速作用，活塞移动速度低，进气流动阻力小，进气时间长，充气系数高。

(2)压缩行程：曲轴越过235°时，经多元连杆机构的加速作用，使活塞高速向上止点方向运动，压缩缸内气体，使气体形成强大的涡流，分子间剧烈撞击摩擦和高温蒸发、气化，使其充分雾化和快速升温。当曲轴到达上止点前5°～0°左右(柴油机稍前)，或进入上止点，开始点火或喷油，诱导着火。由于活塞此时离上止点不到1毫米，基本没有燃烧增压产生的活塞压缩反抗力，从而大大减少了压缩功耗。这是当今任何传统内燃机用电子技术也难避免的必耗之功。因此，这种内燃机可进一步提高压缩比。当活塞以高速度和高压缩比将气体压缩到燃烧室，曲轴经连杆机构使活塞在上止点将燃烧室关闭，呈闭锁停留状态，曲轴继续转动。

(3)燃烧行程：随着曲轴的继续转动，已点燃的可燃气体在闭锁定容的燃烧室内剧烈燃烧(柴油机在前期还继续喷油)，将化学能转换成热能，产生高温高压。燃烧压力经活塞和连杆机构传递到闭锁轴上，曲轴在作功死角不受高压冲击力干扰，因此大大减少了额外功耗，使作功环境更加优良，因此、能有效的驾驭“爆燃”反应的剧烈特性，这一优良特性是传统内燃机所没有的。

(4)作功行程：当燃烧基本结束，曲轴带动下连杆牵动闭锁连杆和上连杆解除活塞闭锁状态；燃烧室的高压气体开始膨胀，高速推动活塞向下运动，经连杆机构推动曲轴加速旋转作功。此时，曲柄已避开了与活塞和曲轴同处一条直线的作功死角和狭小区域，曲柄连杆与曲柄的作功力臂已经增大，作功效率因此也很高。由于本发明的多元连杆机构的加速作用，活塞运动速度比曲轴旋转速度低(摩擦损失小)，所以气缸容积增大较慢，高压力持续作功时间长(活塞平均压力大)，曲轴转速高，作功力臂大(扭矩大)，能更有效的进行热功转换。曲轴进入下止点前，排气门逐渐打开自由排气。曲轴在575°至595°的下止点停留区以惯性作功，废气自行排出。

(5)排气行程：经过在下止点停留区的自由排气，气缸内的废气压力已经很低，在曲轴旋转到595°后经连杆机构推动活塞加速运动，将废气排出缸外。曲轴到达720°时经连杆机构使活塞在上止点将燃烧室关闭，进入闭锁停留状态。进气门逐渐打开，燃烧室的残余废气继续以惯性排出缸外，直至下一个进气行程开始进气以后，排气门才关闭，结束排气。

经过如上的吸气、压缩、燃烧、作功、排气5个行程，曲轴转动了720°，活塞往返各2次，在上下停留区各停留2次，便完成了一个工作循环。这种工作循环的各环节，在时间、速度、角度的区分上不是均衡分配，而是各取所需，相得宜彰恰到好处。

二冲程的工作原理略。

如前所述，由于多元变速连杆高效率和闭锁、变速的、且具有机械计算机自动适应性能的特殊功能，克服了传统内燃机古老落后而性能单一的曲柄连杆机构的低效率的种种缺陷；使内燃机的各个工作环节的功能和整体工作循环的综合协调性能更科学，更完美，更符合热功转换的客观自然规律和科学原理，排污更小，热效率更高。所以，本发明认为：只要按照这种工作循环原理和方法，科学合理的设计，内燃机的热效率将有一个重大的突破，可使其达到和超过燃气轮机的热效率。

Claims (8)

1、一种多元连杆内燃机，其特征在于：在活塞与曲轴之间，设置由活塞上连杆(1)、闭锁连杆(2)、曲柄下连杆(3)和闭锁轴组成的多元连杆机构，与经改革的传统内燃机其它相关部件相互作用，产生新的联动，使活塞在上、下止点各增加一个停留区域，在10°～60°上止点停留区，建立了一个能驾驭“爆燃”的闭锁定容燃烧的单独行程，在10°～25°下止点停留区，为曲轴增大了惯性作功范围，也为传统二行程内燃机增加了一个特有的扫、排气行程，从而构成了新的实际工作循环过程，这种多元连杆机构的各个零件和与其相关的其它发动机部件的形状、尺寸大小，配置位置和方向，根据不同需要可设计成四种不同形式的多元连杆机构。

2、根据权利要求1所述的多元连杆内燃机，其特征在于：闭锁轴(A)可根据需要设置在活塞运动轴线的任意一侧的缸体上。

3、根据权利要求1所述的多元连杆内燃机，其特征在于：三个连杆的形状可按需求设计成不同样式，它们可绞接于一点或两点，其中活塞连杆(1)的外端与活塞绞接于(B)，闭锁连杆(2)的外端与闭锁轴(A)绞接，曲柄连杆(3)的外端与曲柄DG绞接于(D)；三个连杆的内端分四种方法绞接：①共同绞接于(C)，②活塞连杆(1)与闭锁连杆(2)的内端绞接与(C)，曲柄连杆(3)的内端绞接于闭锁连杆(2)的(E)点，③活塞连杆(1)的内端绞接于闭锁连杆(2)的(C)点，闭锁连杆(2)和曲柄连杆(3)的内端绞接于(E)，④活塞连杆(1)和曲柄连杆(3)的内端绞接于(C)，闭锁连杆(2)的内端绞接于曲柄连杆(3)的(E)点。

4、根据权利要求1所述的多元连杆内燃机，其特征在于：①活塞行程与曲柄偏心距不互相严格制约；②气缸中心线与曲轴中心可以不在一条直线上；③曲轴不停的转动的角速度与活塞在上、下止点停留区的停留状态、以及附近范围活塞较低的运动速度，是不对应、不同步的；④活塞在上止点时α1＜180°；⑤活塞离开上止点的初始作功角α2＜180°。

5、根据权利要求1所述的多元连杆内燃机，其特征在于：由曲柄推动闭锁连杆使活塞将燃烧室关闭，形成闭锁停留状态；开锁是由曲柄牵动下连杆拉动闭锁连杆，解除上连杆对活塞的闭锁状态，形成开锁。

6、根据权利要求1所述的多元连杆内燃机，其特征在于：全闭锁燃烧行程是活塞进入上止点停留区后点火喷油，使燃料在容积最小的闭锁定容的燃烧室里进行剧烈燃烧，其成倍提高的压力是全部或部分承受在有足够强度的连杆机构和闭锁轴上。

7、根据权利要求1所述的多元连杆内燃机，其特征在于：可采取控制点火或喷油时间的方法实现半闭锁式燃烧，一是在上止点前只点火或喷油而不燃烧，进入上止点停留区后在闭锁定容的燃烧室内完成燃烧；二是活塞进入上止点停留区，才点火燃烧，直到燃烧室呈开锁状态容积微增，曲柄已转到较好的作功位置为止才燃烧结束。

8、根据权利要求1所述的多元连杆内燃机，其特征在于：该多元连杆结构适用于各种二冲程和四冲程内燃机。

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