CN1957166A - 双向作动活塞组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机的双向作动活塞组件。该组件包括与压缩室(29)轴向对准且与曲轴(31)垂直对准的燃烧室(11)。连杆(44)具有连接到曲轴的第一端和连接到中心工作杆(8)的第二端，该中心工作杆本身连接压缩室活塞(27)和燃烧室活塞(6)。中心工作杆沿其纵向轴线横穿压缩室和燃烧室。燃烧室和压缩室进一步包括上和下入口和出口(12、14、34、37、13、15、35和38)。压缩室的上出口连接到燃烧室的下进气口和副通路(vice－verca)。压缩室的上和下入口包括将水蒸气(40、41)引入到压缩室中的装置。

Description

双向作动活塞组件

技术领域

本发明涉及一种内燃机。特别地，本发明提供一种在上行冲程和下行冲程都被驱动的双向作动活塞。

背景技术

使用往复式活塞的内燃机已经有很多年了。发动机基于爆炸的气体在气缸内向下推动活塞而将动力传递到驱动机构的原理运转。通常，这种发动机提供在活塞的全部四冲程中的单循环操作(进气、压缩、工作和排气)。这些发动机仅在工作冲程中提供动力。进气、压缩和排气冲程需要辅助动力的输入才能实现必要的功能。在发动机的最初设计中，辅助动力通过飞轮来提供的，该飞轮储存了由工作冲程产生的能量中的一些并将其反馈到活塞以完成排气、进气和压缩冲程，以使另一工作冲程能够发生。在单缸发动机中，所需飞轮的尺寸巨大，并且降低了发动机用于将动力输出到驱动机构的潜在效率。

为了向四冲程发动机提供最佳效率，通常需要最少四个气缸。这样，四个气缸中的一个始终处于工作冲程，从而传递动力到驱动机构且提供辅助动力以操作其他活塞通过其排气、进气和压缩冲程。然而，由于在任何时刻四个活塞中仅有一个处于工作冲程，因此发动机运转的潜在效率由于一些输出动力必须用于驱动其他活塞而被降低。即使将气缸的数量增加到大于四个，例如六个或八个，也不能克服这个缺点。

研制出二冲程发动机以提高效率。在二冲程发动机中，将工作和进气冲程如排气和压缩冲程组合在一起那样组合在一起。这样，活塞仅需要一个上行冲程和一个下行冲程来完成循环，从而使潜在效率加倍。然而，因为在二冲程发动机的运转中需要组合冲程，因此与单个冲程相比，一些潜在效率消耗在组合冲程的效率降低上。其他问题是产生热量、工作寿命较短、需要将润滑油与燃料混合以及排气中高水平的烃。

已研制出可选形式的内燃机以试图克服低效率的问题。例如，研制出汪克尔(Wankel)旋转发动机以克服将活塞的上、下行冲程转换成驱动轴的圆周运动的需要。旋转发动机使用旋转活塞，该旋转活塞具有与气缸壁相互作用的多个面，以在气缸转动以允许四冲程操作时提供变化的室容积。虽然旋转发动机的潜在效率比往复活塞式发动机大，但仍需要活塞的工作冲程操作发动机通过排气、进气和压缩冲程。

仍需要提高效率的发动机，其中，工作冲程可将其所有输出提供给发动机的所需操作，并且不需要操作其他气缸通过其他冲程。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种活塞组件，其中活塞的上行冲程和下行冲程二者都提供用于发动机运转的动力。

因此，根据本发明提供一种内燃机的双向作动活塞组件。该双向作动活塞组件包括限定具有第一端和第二端的燃烧室的活塞壳体。双向作动活塞位于所述燃烧室内。双向作动活塞与优选沿其纵向轴线布置在所述燃烧室内的中心工作杆相连。双向作动活塞将燃烧室分为上侧和下侧。第一空气吸入口和第一排气口位于燃烧室的上侧。第二空气吸入口和第二排气口位于燃烧室的下侧。为打开和关闭第一和第二空气吸入口以及第一和第二排气口设置气门组件。设置具有第一端和第二端的压缩室，该压缩室的第一端优选与所述燃烧室的第二端相连。中心工作杆优选沿压缩室的纵向轴线穿过燃烧室的第二端进入到压缩室中，从所述压缩室的第二端出来。第二活塞在压缩室内安装到中心工作杆。第二活塞将压缩室分为上侧和下侧。第一压缩进气门和第一压缩排气门位于燃烧室的上侧。第二压缩进气门和第二压缩排气门位于燃烧室的下侧。第一导管装置将燃烧室中的第一空气吸入口与压缩室中的第二压缩排气门连接，第二导管装置将燃烧室中的第二空气吸入口与压缩室中的第一压缩排气门连接。装置被设置用于交替地将燃料混合物供给到燃烧室的上侧和下侧中，点火装置位于邻近燃烧室的第一端和第二端的位置，以点燃所述燃料混合物。在双向作动活塞的每一个冲程结束时，所述压缩室中的第一和第二压缩排气门被打开，并且所述燃烧室中的第一和第二进气口以及第一和第二排气口打开，以允许来自压缩室的空气通过第一和第二导管装置进入到燃烧室中用于使燃烧室充分换气。

在以下的详细说明中，将说明本发明的其他特征或者本发明的其他特征将变得明显。

附图说明

为了更加清楚地理解本发明，现在将参照附图以示例的方式详细说明根据本发明的原理运转的发动机的优选实施例，其中：

图1是根据本发明的用于发动机的双向作动活塞组件的一个实施例的横截面示意图，示出了在“下行”冲程开始时双向作动活塞的大致位置。

图2是图1的双向作动活塞组件的横截面示意图，示出了在第一次点火和“下行”冲程开始之后即刻的双向作动活塞的位置。

图3是图1的双向作动活塞组件的横截面示意图，示出在“下行”冲程接近完成时双向作动活塞的大致位置。

图4是图1的双向作动活塞组件的横截面示意图，示出在“下行”冲程完成之后双向作动活塞的位置。

图5是图1的双向作动活塞组件的横截面示意图，示出在第二次点火和“上行”冲程开始之后即刻的双向作动活塞的位置。

图6是图1的双向作动活塞组件的横截面示意图，示出在“上行”冲程接近完成时双向作动活塞的大致位置。

图7是图1的双向作动活塞和气门组件的横截面示意图，示出完成“上行”冲程之后双向作动活塞的位置。

图8是图7的双向作动活塞组件的燃烧室沿线A-A的横截面示意图。

具体实施方式

参照附图，以附图标记1总体表示根据本发明的用于发动机的双向作动活塞组件的一个实施例的示意图。

双向作动活塞组件1具有限定燃烧室3的活塞壳体2。活塞壳体2具有第一端4和第二端5。在示出的实施例中，活塞壳体2为大体圆筒形。在燃烧室3内安置有双向作动活塞6。双向作动活塞6连接到中心动力杆8的第一端7。中心动力杆8优选位于与燃烧室3的纵向轴线9共线的位置。双向作动活塞6将燃烧室3分成“上”侧10和“下”侧11。

在燃烧室3的上侧10邻近活塞壳体2的第一端4的位置处设置第一空气吸入装置。在所示的实施例中，第一空气吸入装置是第一空气吸入口12。尽管图中示出单个空气吸入口12，还可以设置一个以上的口作为第一空气吸入装置的部分。此外，在燃烧室3的上侧10邻近活塞壳体2的第一端4的位置处设置第一排气装置。在所示的实施例中，第一排气装置是第一排气口13。尽管图中示出单个排气口13，还可以设置一个以上的口作为第一排气装置的部分。

类似地，在燃烧室3的下侧11邻近活塞壳体2的第二端5的位置处设置第二空气吸入装置。在所示的实施例中，第二空气吸入装置是第二空气吸入口14。尽管在图中示出单个空气吸入口14，还可以设置一个以上的口作为第二空气吸入装置的部分。此外，在燃烧室3的下侧11邻近活塞壳体2的第二端5的位置处设置第二排气装置。在示出的实施例中，第二排气装置是第二排气口15。尽管图中示出单个排气口15，还可以设置一个以上的口作为第二排气装置的部分。

第一和第二空气吸入口12、14以及第一和第二排气口13、15包括如下所述的用于打开和关闭这些口12-15的装置。用于打开和关闭这些口12-15的装置示意性地示出在附图中，但如在下文中所说明的，其可包括定时打开和关闭这些口的机械的、气动的或者其他传统的方法。

双向作动活塞组件1包括交替地将燃料混合物供给到燃烧室3的上侧10和下侧11的装置。在所图示的实施例中，交替地将燃料混合物供给到燃烧室3的上侧10和下侧11的装置是位于燃烧室3的上侧10中的燃料喷射器16和位于燃烧室3的下侧11中的燃料喷射器17。燃料喷射器16、17分别位于邻近活塞壳体2的第一端4和第二端5的位置。此外，设置用于点燃供给到燃烧室3的上侧10和下侧11的燃料混合物的装置。在所图示的实施例中，点燃燃料混合物的装置是位于活塞壳体2的第一端4中的火花塞18和位于邻近活塞壳体2的第二端5的定位在活塞壳体2的内壁20周围的三个火花塞19(如图8所示)。

活塞壳体2的内壁20可适于承受在燃烧过程产生的高温，同时减少与双向作动活塞6的摩擦并防止结污。所图示的实施例利用活塞壳体的内壁20上的陶瓷涂层21来达到该目的。

围绕活塞壳体2的第二端5的是限定压缩室23的第二活塞壳体22。第二活塞壳体22具有第一端24和第二端25。在所示的实施例中，第二活塞壳体22是大体圆筒形的且其纵向轴线26与燃烧室3的纵向轴线9对准。此外，在该优选实施例中，活塞壳体2的第二端5是与第二活塞壳体22的第一端24的共用壁。中心动力杆8通过活塞壳体2的第二端5从燃烧室3出来并进入到压缩室23中。中心动力杆8优选安置成与压缩室23的纵向轴线26共线。第二活塞27安置在压缩室23内。第二动作活塞27与中心动力杆8相连。第二动作活塞27将压缩室23分成“上”侧28和“下”侧29。

以传统方式将中心动力杆8的远离双向作动活塞6的端部30连接到发动机的输出驱动。为了说明，附图示出输出驱动为曲轴31。如图1所示，压缩室23优选连接到限定燃烧室3的活塞壳体2的第二端5。在该配置中，压缩室23帮助提供用于密封在动力控制杆8进入燃烧室3的位置32周围的排气泄漏。密封环或其他适当的密封件可以设置在动力控制杆8退出压缩室23的位置33。可以在动力控制杆8进入燃烧室3的位置32周围设置附加的压缩环。

在压缩室23的上侧28邻近第二活塞壳体22的第一端24的位置设置处第一压缩进气装置。在所示实施例中，第一压缩进气装置是第一压缩进气门34。尽管图中示出单个压缩进气门34，还可以设置一个以上的气门作为第一压缩进气装置的部分。第一压缩进气门34优选是单向阀。此外，在压缩室23的上侧28邻近第二活塞壳体22的第一端24设置第一压缩排气装置。在所示的实施例中，第一压缩排气装置是第一压缩排气门35。尽管图中示出单个排气门35，还可以设置一个以上的气门作为第一压缩排气装置的部分。

第一导管装置36将压缩室23中的第一压缩排气门35与燃烧室3的第二空气吸入口14相连。当气门35和口14打开时，来自压缩室23的空气可通过导管36进入到燃烧室3中。

类似地，在压缩室23的下侧29邻近第二活塞壳体22的第二端25的位置处设置第二压缩进气装置。在所示实施例中，第二压缩进气装置是第二压缩进气门37。尽管图中示出单个压缩进气门37，还可以设置一个以上的气门作为第一压缩进气装置的部分。第二压缩进气门37优选是单向阀。此外，在压缩室23的下侧29邻近第二活塞壳体22的第二端25的位置处设置第二压缩排气装置。在所示实施例中，第二压缩排气装置是第二压缩排气门38。尽管图中示出单个排气门38，还可以设置一个以上的气门作为第二压缩排气装置的部分。

第二导管装置39将压缩室23中的第二压缩排气门38与燃烧室3的第一空气吸入口12相连。当气门38和口12打开时，来自压缩室23的空气可通过导管38进入燃烧室3中。

双向作动活塞组件1优选包括将水蒸气引入到压缩室23和燃烧室3的装置。水蒸气用于冷却活塞6、中心动力杆8和燃烧室3的第一活塞壳体2。此外，水蒸气帮助润滑燃烧室3的内壁20和压缩室23的内壁42。在所示实施例中，当新空气通过第一和第二压缩进气门34、37吸入到压缩室23中时，水蒸气优选通过文氏管40、41或者类似方法引入。当燃烧室3的第一和第二空气吸入口12、14打开时，来自压缩室23的潮湿空气如下所述那样地供给到燃烧室3中。

第二活塞壳体22的内壁42可适于降低与第二活塞27的摩擦。所图示的实施例利用第二活塞壳体22的内壁42上的涂层43来达到此目的。

现在将参照附图来说明双向作动活塞组件的操作，特别地，图1-7图示了活塞6的动作以及各种口和气门的打开和关闭。

如前所述，本发明的活塞6是双向作动活塞，其中，活塞在下行冲程和上行冲程中都被推动。应理解，上下基准仅是用于参考的目的。附图实际上示出了处于水平构造的双向作动活塞组件。在该构造中，“上”，就活塞6、27的运动来说，是指在图1-7中向左的运动。基准“下”，就活塞6、27的运动来说，是指在图1-7中向右的运动。当在下面的说明中使用表述“向上”和“向下”时，其仅作为基准。能以任意的对准方式布置压缩室和燃烧室。

参照图1，活塞6、27的位置被示出在开始第一动力顺序的位置。在该位置，燃烧室3的第一和第二空气吸入口12、14以及第一和第二排气口13、15是打开的。空气燃料混合物通过燃料喷射器16供给到燃烧室3的“上侧”10中。通过一个或多个火花塞18激发的点火火花点燃燃料混合物并推动活塞6在燃烧室3中“向下”(图1中向右)。尽管参照燃料喷射解释本发明，燃料混合物还可以通过其他已知的手段供给到燃烧室。这些其他的方法包括在本发明的范围之内。

图2示出在通过供给到燃烧室3的上侧10中的燃料混合物的燃烧而开始向下运动时活塞6、27的位置。在这个位置，燃烧室3的第一和第二空气吸入口12、14以及第一和第二排气口13、15全部都关闭。由于活塞27与中心动力杆8相连，活塞6的运动导致在压缩室23中的活塞27进行类似的运动。在燃烧室3中的活塞6的下侧11，空气在活塞6的向下运动过程中被压缩。随着活塞27在压缩室23中“向下”运动(图1中向右)，在活塞27的“下”侧29的空气被压缩。在活塞27的“上侧”28，在新空气通过第一压缩进气门34吸入到压缩室23中时，水蒸气优选通过文氏管40或类似方法引入。

图3示出当下行冲程接近完成时活塞6、27的位置。在这个位置，燃烧室3的第一和第二空气吸入口12、14以及第一和第二排气口13、15仍都关闭。此时或稍后，空气燃料混合物可以通过燃料喷射器17供给到燃烧室3的“下侧”11中。在活塞27的“上侧”28，水蒸气仍通过文氏管40与新空气一起通过第一压缩进气门34引入。

如图4所示，在下行冲程完成时，压缩室23上的第一压缩进气门34关闭。压缩室23中的第二压缩排气门38打开，使在压缩室23中的活塞27的下侧29的压缩空气通过第二导管装置39和第一燃烧进气口12进入到燃烧室3中。同时，在压缩室23中的第一压缩排气门35打开，使活塞27的上侧28的潮湿空气从压缩室23通过第一导管装置36和第一燃烧进气口12。进入燃烧室3中的空气清除了由于在燃烧室3中的活塞6的上侧10燃烧而产生的废气。燃烧气体通过燃烧室3中的第一和第二排气口13、15排出。在这个位置，压缩室23中的第一和第二压缩进气门34、37关闭。如前所述，传统的二冲程发动机的缺点在于产生大量废气且不能把所有废气从燃烧室清除出去。在本发明中，由于燃烧室3的两次扫气，在燃烧室内留有较少的废气。这导致发动机更有效地运转。可以通过使部分废气再循环进入空气燃料混合物或使废气通过催化转化器的方式来处理废气以保护环境。

如上所述，当活塞6的整个下行冲程几乎完成时，空气燃料混合物通过燃料喷射器17供给到燃烧室3的下侧11中。在下行冲程完成之后，通过一个或多个火花塞19产生的点火火花点燃燃料混合物并向上推动活塞6(图1-7中向左)。如图8所示，优选围绕着在活塞6的下侧11的燃烧室3的周边设置有三个火花塞19。在所示实施例中，只有一个火花塞18被设置在活塞6的上侧10的燃烧室3的第一端4。

图5示出了在通过供给到燃烧室3的下侧11中的燃料混合物的燃烧而开始向上运动时的活塞6、27的位置。在这个位置，燃烧室3的第一和第二空气吸入口12、14以及第一和第二排气口13、15都是关闭的。在燃烧室3中的活塞6的上侧10，潮湿空气在活塞6的向上运动过程中被压缩。潮湿空气的压缩将导致水蒸气的凝结以及活塞6和燃烧室3的内壁20的冷却。随着压缩室23中的第二活塞27“向上”运动(图5中向左)，在活塞27的“上”侧28的空气/水蒸气被压缩。在活塞27的“上”侧28的空气/水蒸气的压缩导致水蒸气凝结并冷却动力杆8。在活塞27的“下侧”29，水蒸气通过第二文氏管41与新鲜空气一起通过压缩室23中的第二压缩进气门37被引入到压缩室23中。

图6示出了当上行冲程接近完成时活塞6、27的位置。在这个位置，燃烧室3的第一和第二空气吸入口12、14以及第一和第二排气口13、15仍都关闭。此时，空气燃料混合物可以通过燃料喷射器16供给到燃烧室3的“上侧”10中。在活塞27的“下侧”29，水蒸气仍通过文氏管41与新空气一起通过第二压缩进气门37被引入到压缩室23中。

如图7所示，在上行冲程完成时，压缩室23中的第二压缩进气门37关闭。压缩室23中的第一压缩排气门35打开，使在活塞27的上侧28的潮湿压缩空气从压缩室23通过第一导管装置36和第二燃烧进气口14进入到燃烧室3中。同时，压缩室23中的第二压缩排气门38打开，使在活塞27的下侧29的潮湿空气从压缩室23通过第二导管装置39和第一燃烧进气口12进入到燃烧室3中。潮湿空气的流入清除了由于在燃烧室3中的活塞6的下侧处的燃烧产生的气体。燃烧气体通过燃烧室3中的第一和第二排气口13、15排出。在这个位置，压缩室23中的压缩进气门34、37关闭。

在活塞6的整个上行冲程完成之后，以图1-7所示的顺序重复该循环。随着重复该循环，在活塞6的上侧10和下侧11处都存在潮湿空气。

如上所述，当水蒸气被引入到燃烧室3和压缩室23中时，该水蒸气冷却活塞6、27和中心动力杆8。随着燃烧室3和压缩室23中的水蒸气/空气被压缩，水蒸气凝结，从而在不需要预点燃的情况下在燃烧室中允许更大的压缩率。

此外，在清除由于燃烧产生的气体的过程中，水蒸气通过导管36、39被引入到燃烧室3中。在所图示的实施例中，来自压缩室23的潮湿空气被以大约两个大气压的压力引入到燃烧室3中。在随后的点火循环的燃烧过程中，存在水蒸气。当燃烧发生时，水蒸气因为热和压力而分裂为原子。释放的氧和氢加入反应，提供了更完全的燃烧，提高了火焰传播速度，确保了燃烧的均匀性，由于附加的氧和氢的存在增加了原子团的氧化并提高了效率。在燃烧室3中的活塞6的另一侧，随着潮湿空气被压缩，水蒸气凝结在动力杆8上和/或压缩室壳体的壁的内侧以冷却和润滑燃烧室。

如前所述，中心动力杆8的一端30通过传统连杆44连接到曲轴31。连杆44将中心动力杆8的线性运动转换成曲轴31的转动。

本发明的发动机提供多个优于现有技术的发动机的优点，包括：

1.构造简单-很少的移动部分

2.高效率-低摩擦。本发明的发动机在活塞3的每一个冲程/运动中都产生动力。可以预期具有同样数量的燃烧室和相关活塞的本发明的发动机将会产生比可比较的二冲程发动机多两倍的动力，比四冲程发动机多四倍的动力。

3.易于维护

4.尺寸小和重量轻

5.对环境友好

6.低生产成本

已图示和说明了本发明的优选实施例以及某些可能的更改，对于本领域普通技术人员明显的是，本发明允许进一步在配置上和细节上进行修改。所有这些修改都被本发明的范围所覆盖。

Claims (10)

1.一种内燃机的双向作动活塞组件，所述双向作动活塞组件包括：燃烧室，其具有第一端和第二端和并容纳与布置在所述燃烧室内的工作杆相连的双向作动活塞，所述燃烧室具有上侧和下侧、位于该燃烧室的上侧的第一空气吸入口和第一排气口、位于该燃烧室的下侧的第二空气吸入口和第二排气口、用于打开和关闭第一和第二空气吸入口以及第一和第二排气口的气门组件；压缩室，其具有第一端和第二端，所述压缩室的所述第一端连接到所述燃烧室的第二端，所述工作杆通过所述燃烧室的第二端进入到所述压缩室中并从所述压缩室的第二端出来；第二活塞，其在所述压缩室内安装到所述工作杆上，所述压缩室具有上侧和下侧、位于燃烧室的上侧的第一压缩进气门和第一压缩排气门、位于燃烧室的下侧的第二压缩进气门和第二压缩排气门；第一导管装置，其将燃烧室中的第一空气吸入口与压缩室中的第二压缩排气门相连；第二导管装置，其将燃烧室中的第二空气吸入口与压缩室中的第一压缩排气门相连；装置，其交替地将燃料混合物供给到燃烧室的上侧和下侧；以及点火装置，其邻近燃烧室的第一和第二端以点燃所述燃料混合物，其中，在双向作动活塞的每一个冲程结束时，所述压缩室中的第一和第二压缩排气门打开，所述燃烧室中的第一和第二进气口以及第一和第二排气口打开，以允许来自压缩室的空气通过第一和第二导管装置进入到燃烧室中用于使燃烧室充分换气。

2.如权利要求1所述的双向作动活塞组件，其特征在于，设置用于将水蒸气引入到燃烧室中的装置。

3.如权利要求1所述的双向作动活塞组件，其特征在于，将水蒸气引入到燃烧室中的装置包括位于每一个第一和第二压缩进气门中以将水蒸气交替地供给到压缩室的上侧和下侧的文氏管。

4.如权利要求1、2或3所述的双向作动活塞组件，其特征在于，压缩室的第一端帮助密封燃烧室的第二端，工作杆从燃烧室的第二端出来。

5.如权利要求1、2、3或4所述的双向作动活塞组件，其特征在于，燃烧室被衬以陶瓷套筒。

6.如权利要求1、2、3、4或5所述的双向作动活塞组件，其特征在于，工作杆的第二端连接到发动机的曲轴。

7.如权利要求1或6中任意一项所述的双向作动活塞组件，其特征在于，第一和第二压缩进气门以及第一和第二压缩排气门是单向阀。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的双向作动活塞组件，其特征在于，所述工作杆在所述燃烧室内沿其纵向轴线布置。

9.如权利要求4-8中任意一项所述的双向作动活塞组件，其特征在于，所述工作杆通过所述燃烧室的第二端沿压缩室的纵向轴线进入到所述压缩室中。

10.如权利要求1-9中任意一项所述的双向作动活塞组件，其特征在于，布置在所述燃烧室内的所述双向作动活塞连接到工作杆的一端。

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