CN1458398A - 双活塞虚拟五冲程内燃机 - Google Patents

Abstract

一种双活塞虚拟五冲程内燃机，其气缸内主活塞的上方装有副活塞，该主活塞与副活塞之间的空隙构成燃烧室，副活塞连接有使副活塞作远离主活塞方向运动的复位件，该复位件为压缩弹簧及同步凸轮；该凸轮与所述曲轴保持如下运动关系：凸轮与曲轴上的飞轮同步运转，凸轮的旋转周期与曲轴的旋转周期一致，凸轮的最大半径与曲轴有效半径相等；本发明增加了一个虚拟的保压冲程，让活塞经过上止点后气缸内压强与温度在短时内保持与活塞行至上止点基本一致，待活塞行至连杆与曲轴所成夹角对功的输出最有利时而将燃油点燃作功，使吸气冲程变短，同排量时增加了活塞吸收燃油能量的能力，提高转换效率。

Description

双活塞虚拟五冲程内燃机

技术领域

本发明属于内燃机领域。

背景技术

目前世界上陆运与航海器械所使用的引擎；几乎都是四冲程和两冲程的内燃机，并以四冲程为主流。

四冲程内燃机在一个工作循环内，曲轴旋转两周，活塞上下各两次，走过四个冲程，以汽油机为例，这四个冲程分别是：

(1).进气冲程，活塞由上向下移动，活塞上方容积增大，此时，进气门开启，排气门关闭，可燃混合气被吸入气缸。进气行程结束，进气门关闭。

(2).压缩冲程，此时进排气门都关闭，曲轴继续旋转，活塞由下向上运动。缸内的可燃混合气被压缩在活塞顶部与气缸盖构成的燃烧室中，在压缩行程将近结束时，火花塞放出火花，将可燃混合气点燃。

(3).作功冲程，混合气开始点燃时，缸内压力和温度达到最高，此时进排气门仍关闭，燃烧气体压力作用在活塞顶部，推动活塞下行，并通过连杆传给曲轴，使曲轴旋转，对外输出扭矩。

(4).排气冲程，活塞由下向上运动。此时排气门开启，进气门仍关闭。燃烧后的废气在剩余压力和活塞上行的驱赶下，被排出气缸外；排气行程结束，排气门关闭，准备下一个工作循环。

二冲程内燃机在一个工作循环内，曲轴旋转一周(360度)，活塞运行两个行程(上、下各一次)，与四冲程内燃机相比，二冲程内燃机没有气门，依靠活塞运行于气缸内的不同位置分别让开或挡住进、排气孔来实现进、排气及换气过过程。

现有的四冲程内燃机和两冲程内燃机在工作时，因其工作循环特点，有以下缺陷：

1.内燃机的作功爆燃正时(即火花塞点火的时刻)，一般都选在活塞行至上止点前约10度角左右，爆燃后可燃混合气能量释放最大，但是此时连杆与曲轴力臂几乎成一直线，有用力矩几乎等于零，此时对输出作功十分不利，只能利用到可燃混合气的部分能量；

2.从结构上看，内燃机的输出功率与排量成正比，而排量一定时，活塞的有效面积与曲轴的力臂成反比，因为它全优的乘积总是略小于排量的一半。要使它全优的乘积增大，目前我们采用的办法是增大压缩比。在某种意义上讲，内燃机压缩比越大，机器的效率越高，如柴油机压缩比大于汽油机，柴油机效率就高于汽油机，同样压缩比大的柴油机效率高于压缩比小的柴油机，于是我们可以这样理解：内燃机的效率和活塞有效面积与曲轴力臂的乘积成正向比例。目前的内燃机这两个数的乘积小于1/2机器排量。现在有些机器上所使用的节油器，只能微量地减少机器在使用中的浪费，要想真正降低油耗，只有从改变现有内燃机结构入手，由于现有内燃机效率最高不超过40％，是有潜力可挖的。

发明内容

本发明的一个目的是为了解决上述现有内燃机的第1点不足，提供一种双活塞虚拟五冲程内燃机，它相对于现有四冲程内燃机而言，增加了一个虚拟的保压冲程，让活塞经过上止点后气缸内压强与温度在短时内保持与活塞行至上止点基本一致，待活塞行至连杆与曲轴所成夹角对功的输出最有利时而将燃油点燃作功，并使起火程序成为任意可调。

本发明的另一目的是为了解决上述现有内燃机的第2点不足，提供一种双活塞虚拟五冲程内燃机，使用了虚拟冲程来达到保压，使吸气冲程变短，在不改变排量的前提下增加了活塞吸收燃油能量的能力，提高转换效率。

本发明的目的是这样实现的：一种双活塞虚拟五冲程内燃机，其气缸内装有作功的主活塞，主活塞铰接连杆，连杆铰接曲轴，曲轴连接飞轮，所述气缸体内主活塞的上方装有副活塞，该主活塞与副活塞之间的空隙构成燃烧室，火花塞设置在对应燃烧室的气缸壁上和/或对应燃烧室的副活塞的底面，在对应燃烧室的气缸壁上设置有至少两组气门，主、副活塞的外圆环槽内装有密封环，副活塞连接有使副活塞作远离主活塞方向运动的复位件，该复位件为压缩弹簧及同步凸轮；两支压缩弹簧分别套装在固接于气缸体的两支导向柱上；所述凸轮的轴装在固接于气缸体的支架中，该凸轮的轴有向外折弯的曲轴，该凸轮的凸面由挂销施压保持与副活塞的顶面常接触，该凸轮与所述曲轴保持如下运动关系：凸轮与曲轴上的飞轮同步运转，凸轮的旋转周期与曲轴的旋转周期一致，凸轮的最大半径与曲轴有效半径相等，该凸轮轴以传动件连接于曲轴。

所述凸轮的凸面由挂销施压保持与副活塞顶面常接触的结构为：该凸轮的凸面有外凸环边，该环边内缘与挂销接触，该挂销固接于销座，该销座固接于副活塞的顶面。

所述凸轮凸面由挂销施压保持与副活塞顶面常接触的结构为：凸轮的侧面有外凸挂销，该挂销伸入导轨的滑槽，该导轨固装于副活塞的顶面。

所述凸轮的外廓呈由一近似半圆的弧形和一组抛物线形拼合构成的形状。所述凸轮的外廓为圆弧渐进线组所围成的形状。所述凸轮的点火提前角与曲轴的点火提前角相等。

所述气缸壁上的气门的构造为；气门孔内有插槽，该插槽底面及两侧有凸坎，气门孔上方有一槽室，该槽室内装有插板，该插板边沿有凹槽与插槽内的凸坎相应而能插入将气门孔密封，该插板上部连接一推拉杆，该推拉杆穿过槽室上方的有顶圆孔，并从圆孔顶面小孔中穿出，其顶部固接一压板，该压板底面与气缸体顶面之间装有一气门凸轮，该凸轮轴支承于气缸体顶面，该推拉杆在圆孔中的部分套装有一压缩弹簧，该弹簧支承在圆孔底面与推拉杆横向弹簧座之间，该横向弹簧座的位置与插板将气门孔密封的位置相应。

本发明有以下积极有益的效果：

本发明内燃机气缸，采用一个与内燃机气缸内现有的作功活塞相对应的，由半圆凸轮或近似半圆的凸轮引导其作周期性往复运动，称之为副活塞的器械，来完成保压冲程，达到改变点火程序的目的，从而从根本上改变了内燃机对外输出的功率因素。同时我们可通过改变凸轮的α角，可随意调整点火正时点，同时，改变凸轮的形状可生产出不同转速要求的发动机。这里凸轮的旋转周期与曲轴完全一致。凸轮的最大半径与曲轴有效半径相等，且连接凸轮组的不是一根直杆，而是像凸轴一样有规则曲度的一个组合件。

本发明由于使用了虚拟冲程来完成保压，进而使点火程序成为任意可调，这样可使活塞获得的能量最大限度被曲轴吸收，使机器输出功率较目前的内燃机有很明显的提高。由于吸气冲程不是从活塞的上止点开始，而是从中途开始的，那么我们如果在不改变曲轴力臂时，要达到与以前相同曲轴的内燃机的排量，我们必须以增大活塞的面积及缸径来实现，那么我们使用了本技术后的内燃机，它的活塞有效面积与曲轴力臂的乘积就会超过1/2倍机器排量而接近总排量，从而使前面论述中的第2点得到跳跃的改变，并使使用了本技术后的机器的输出功率比未使用本技术的机器的功率有大幅度的提升。在实际使用中我们并不需要太大的功率，所以我们可降低所选机器的排量而达到相同的效果，从而实现节油。

附图说明：

图1是本发明气缸内主、副活塞的结构示意图；

图2是图1的侧视结构示意图；

图3是图1中副活塞的结构示意图；

图4是副活塞复位件弹簧及凸轮的结构示意图；

图5是图2的A-A局部剖视图，示气门处于开启状态；

图6同图5，示气门处于关闭状态；

图7同图1，示火花塞位置；

图8是本发明的吸气冲程气缸示意图；

图9是本发明的压缩冲程气缸示意图；

图10是本发明的保压冲程气缸示意图；

图11是本发明的作功冲程气缸示意图；

图12是本发明的排气冲程气缸示意图；

图13是本发明内燃机的一实施例的原理图；

图14是本发明内燃机的另一实施例的原理图；

图15是本发明的凸轮挂销结构的一实施例；

图16是相邻两个气缸凸轮的组合结构一实施例的示意图。

具体实施方式

附图编号：

1.气缸(气缸体)    2.主活塞

3.副活塞          301.顶部翼板

4.燃烧室          5.火花塞          6.气门(气门孔)

601.插槽          602.凸坎          603.槽室

604.插板          605.推拉杆        606.有顶圆孔

607.压板          608.气门凸轮      609.弹簧

610.横向弹簧座    611.凸轮轴座      612.凹槽

7.密封环          8.复位弹簧        9.导向柱

10.(气门)凸轮

101.凸轮轴        102.外凸环边      103.挂销

104.销座          105.曲轴

11.支架           12.连杆           13.曲轴

14.飞轮           15.曲柄

16.导轨           161.滑槽

请参照图1至图7，本发明是一种双活塞虚拟五冲程内燃机，其气缸1内装有作功的主活塞2，主活塞铰接连杆12，连杆铰接曲轴13，曲轴连接飞轮14，所述气缸1内主活塞2的上方装有副活塞3，该主活塞2与副活塞3之间的空隙构成燃烧室4见图1，火花塞5设置在对应燃烧室4的气缸壁上和/或对应燃烧室的副活塞2的底面见图7，在对应燃烧室4的气缸壁上设置有气门6见图2，主、副活塞2、3的外圆环槽内装有密封环7，副活塞3连接有使副活塞作远离主活塞方向运动的复位件，该复位件为压缩弹簧8及复位的同步凸轮10；两支压缩弹簧8分别套装在固接于气缸体的两支导向柱9上，该导向柱9可以是一端固定于气缸顶面，另端从副活塞3顶部的翼板301内伸出见图1；该导向柱9也可以是上端固定于翼板301，下端伸入气缸相应位置的圆孔见图13。

所述凸轮10的轴101装在固接于气缸体的支架11中见图2，该凸轮的轴10有向外折弯的曲轴105，该凸轮10的凸面由挂销施压保持与副活塞5的顶面301接触，该凸轮10与所述曲轴13保持如下运动关系见图8至图12：凸轮10与曲轴13上的飞轮14同步运转，凸轮10的旋转周期与曲轴13的旋转周期一致，凸轮10的最大半径与曲轴13有效半径相等，该凸轮轴101以传动件连接于曲轴13，(所述传动件为已有技术，例如齿轮、链传动、带传动、连杆传动等)。在连杆推动活塞1到达上止点位置，凸轮10旋转到完全释放活塞的位置。该凸轮转动时周期性地向下推压和释放副活塞，副活塞在所述复位件和偏心件的共同作用下沿气缸壁作往复直线运动。

请参照图4，所述凸轮10的凸面由挂销施压保持与副活塞顶面301常接触的结构为：该凸轮10的凸面有外凸环边102，该环边内缘与挂销接触，该挂销103固接于销座104，该销座固接于副活塞3的顶面。

请参照图15，所述凸轮10凸面由挂销施压保持与副活塞顶面301常接触的结构为：凸轮10的侧面有外凸挂销103，该挂销伸入导轨16的滑槽，该导轨16固装于副活塞3的顶面301。

实施时，所述凸轮10的外廓可以呈由一近似半圆的弧形和一组抛物线形拼合构成的形状见图13。

所述凸轮10的外廓可以为圆弧渐进线组所围成的形状见图14。

所述凸轮10的点火提前角α1与曲轴13的点火提前角α2相等，见图13。

请参照图2、图5、图6，所述气缸1壁上的气门6的构造为：气门孔6内有插槽601，该插槽底面及两侧有凸坎602，气门孔上方有一槽室603，该槽室603内装有插板604，该插板604边沿有凹槽612与插槽601内的凸坎602相应而能插入将气门孔密封，该插板604上部连接一推拉杆605，该推拉杆605穿过槽室603上方的有顶圆孔606，并从圆孔606顶面小孔中穿出，其顶部固接一压板607，该压板底面与气缸体顶面之间装有一气门凸轮608，该凸轮轴支承于气缸体顶面，该推拉杆605在圆孔606中的部分套装有一压缩弹簧609，该弹簧609支承在圆孔底面与推拉杆横向弹簧座610之间，该横向弹簧座610的位置与插板604将气门孔6密封的位置相应。该气门凸轮608的运动周期及驱动方式同已有技术。

请参照图8至图12，图8、9、11、12是本发明基本原理，省略描述排气后回位冲程，与现有内燃机相比，它多了图10所示的保压冲程，其余图8、9、11、12分别为吸气、压缩、作功、排气，另外从图1我们可分析得出，由于吸气冲程不是从活塞的上止点开始，而是从中途开始的，那么我们如果在不改变曲轴力臂时，要达到与以前相同曲轴的内燃机的排量，我们必须以增大活塞的面积及缸径来实现，那么我们使用了本技术之后的内燃机，它的活塞有效机积与曲轴力臂的乘积就会超过1/2倍机器排量而接近总排量，从而使前面论述中的第2点得到跳跃的改变，使用了本技术后的机器的输出功率比未使用本技术的机器的功率有近一倍的提升。在实际使用中我们并不需要太大的功率，所以我们可降低所选机器的排量而达到相同的效果，从而实现节油。

在实际使用中我们应选择图13的形式，凸轮类似扇形，以保证在作功时连杆与曲轴力壁垂直，使有效力矩最大。当然，当我们发动机转速较高时，我们为防止两活塞可能碰撞，我们要将凸轮作成图14的形状。目的是除了在作功时使气缸内空间最小，其余时间气缸内均有较大空间避免活塞碰撞。另外为了副活塞的更有效退缩，我们将在凸轮的外缘增设凸坎，而副活塞以挂销钩住凸轮，使之被凸轮牵引退缩见图4。本技术气门需设置在气缸壁上，同时气门将根据实际需要而改变形式。

图7是汽油机的火花塞分布图，本技术的燃烧室须由气缸壁、主副活塞共同围构而成，火花塞的具体安装由燃烧室的位置决定，将缸壁上的火花塞换成喷油嘴可生产出柴油机。

请参照图2、图16，凸轮也是由曲轴带动运转，轴的形状和主曲轴相似，只是轴臂相应短些，它的作用是保证凸轮在运转时避免副活塞挂销与凸轮中心相搓，另由图4可以看出，副活塞两侧有固定副活塞方位的导向柱，图3是副活塞的大致模型构造，图16是凸轮组10的大致组合方式图，为了便于观察，图中将两凸轮同向摆放，在实际中的凸轮是有角度的，图5、图6是门状气门的工作描述图，它的驱动方式及周期与现有技术一致。

本技术的气缸密封，配气机构、电路、油路、润滑系统同现有技术，主活塞、曲轴，飞轮也同现有技术。连接凸轮的曲轴可装可不装飞轮。

Claims (7)

1.一种双活塞虚拟五冲程内燃机，其气缸(1)内装有作功的主活塞(2)，主活塞铰接连杆(12)，连杆铰接曲轴(13)，曲轴连接飞轮(14)，其特征在于：所述气缸体(1)内主活塞(2)的上方装有副活塞(3)，该主活塞(2)与副活塞(3)之间的空隙构成燃烧室(4)，火花塞(5)设置在对应燃烧室(4)的气缸壁上和/或对应燃烧室的副活塞(2)的底面，在对应燃烧室(4)的气缸壁上设置有至少两组气门(6)，主、副活塞(2)、(3)的外圆环槽内装有密封环(7)，副活塞(3)连接有使副活塞作远离主活塞方向运动的复位件，该复位件为压缩弹簧(8)及同步凸轮(10)；两支压缩弹簧(8)分别套装在固接于气缸体的两支导向柱(9)上；所述凸轮(10)的轴(101)装在固接于气缸体的支架(11)中，该凸轮的轴(10)有向外折弯的曲轴(105)，该凸轮(10)的凸面由挂销施压保持与副活塞(3)的顶面(301)常接触，该凸轮(10)与所述曲轴(13)保持如下运动关系：凸轮(10)与曲轴(13)上的飞轮(14)同步运转，凸轮(10)的旋转周期与曲轴(13)的旋转周期一致，凸轮(10)的最大半径与曲轴(13)有效半径相等，该凸轮轴(101)以传动件连接于曲轴(13)。

2.如权利要求1所述的双活塞虚拟五冲程内燃机，其特征在于：所述凸轮(10)的凸面由挂销施压保持与副活塞顶面(301)常接触的结构为：该凸轮(10)的凸面有外凸环边(102)，该环边内缘与挂销接触，该挂销(103)固接于销座(104)，该销座固接于副活塞(3)的顶面。

3.如权利要求1所述的双活塞虚拟五冲程内燃机，其特征在于：所述凸轮(10)凸面由挂销施压保持与副活塞顶面(301)常接触的结构为：凸轮(10)的侧面有外凸挂销(103)，该挂销伸入导轨(16)的滑槽，该导轨(16)固装于副活塞(3)的顶面(301)。

4.如权利要求1所述的双活塞虚拟五冲程内燃机，其特征在于：所述凸轮(10)的外廓呈由一近似半圆的弧形和一组抛物线形拼合构成的形状。

5.如权利要求1所述的双活塞虚拟五冲程内燃机，其特征在于：所述凸轮(10)的外廓为圆弧渐进线组所围成的形状。

6.如权利要求1所述的双活塞虚拟五冲程内燃机，其特征在于：所述凸轮(10)的点火提前角(α1)与曲轴(13)的点火提前角(α2)相等。

7.如权利要求1所述的双活塞虚拟五冲程内燃机，其特征在于：所述气缸(1)壁上的气门(6)的构造为：气门孔(6)内有插槽(601)，该插槽底面及两侧有凸坎(602)，气门孔上方有一槽室(603)，该槽室(603)内装有插板(604)，该插板(604)边沿有凹槽(612)与插槽内的凸坎(602)相应而能插入将气门孔密封，该插板(604)上部连接一推拉杆(605)，该推拉杆(605)穿过槽室(603)上方的有顶圆孔(606)，并从圆孔(606)顶面小孔中穿出，其顶部固接一压板(607)，该压板底面与气缸体顶面之间装有一气门凸轮(608)，该凸轮轴支承于气缸体顶面，该推拉杆(605)在圆孔(606)中的部分套装有一压缩弹簧(609)，该弹簧(609)支承在圆孔底面与推拉杆横向弹簧座(610)之间，该横向弹簧座(610)的位置与插板(604)将气门孔(6)密封的位置相应。

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