CN211692645U - 基于废气利用的二冲程无曲柄气动发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供基于废气利用的二冲程无曲柄气动发动机，包括气缸、活塞和排气余能利用装置，气缸顶部中央布置有火花塞，气缸一边开有排气孔，排气孔连接排气管，气缸另一侧面开有进气口与换气口；活塞安装于气缸内，活塞内部装有弹簧内插筒；连接块上端设有弹簧外插筒，弹簧内插筒与弹簧外插筒之间插有弹簧，在弹簧弹力作用下活塞运动方向沿气缸轴向方向，连接块偏心位置开有喷气口，喷气口喷出的气体对曲轴箱做功后输出给车轴。本实用新型简化了曲轴、活塞等零件的制造工艺，延长活塞寿命，降低了缸内润滑要求，同时运行平稳，振动与噪音减小，降低了能源损耗，且排气动能与热能得到有效利用，提高了能量利用率。

Description

基于废气利用的二冲程无曲柄气动发动机

技术领域

本实用新型涉及发动机技术领域，具体涉及基于废气利用的二冲程无曲柄气动发动机。

背景技术

传统二冲程内燃机曲轴结构复杂，活塞设计繁琐，曲柄连杆机械连接产生的噪音巨大，且对活塞的磨损强烈，缩短了活塞的使用寿命，对缸内润滑性能的要求较高，且传统的曲柄连杆曲轴空间排布复杂，所占空间大，导致发动机升功率提高困难。尤其二冲程内燃机在摩托车上的应用，振动与噪音巨大，舒适感有待提高。

现有技术中，公布号为CN103867295A 的专利申请公开了环保节能型二冲程对置式无曲柄曲轴发动机，是通过活塞小轴、连杆、半轴连杆主销、半轴拐轴、半轴等另部件将垂直运动变成旋转运动后，被送出机外而完成发动机功率的输出；另一方面提高能源利用率是通过对活塞及其他结构进行改进来使废气的残留量减少到 5％以内，在这里的设计是：可以利用保留这么一点的废气残留，就可以保障新鲜气体不会流失，这样，不但节省了能源，同时也增加了发动机的功率。上述申请因受到连杆而产生的径向力，活塞与气缸的摩擦增大，部分零部件使用寿命降低，制造工艺难度加大，生产成本较高，对机油的损耗增加，同时无法完全避免新能源的流失，使得能源利用率较低，且排气动能与热能没有得到有效利用。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的活塞与气缸的摩擦增大，部分零部件使用寿命降低，生产成本较高，同时对机油的损耗增加使得能源利用率较低问题，本实用新型提供基于废气利用的二冲程无曲柄气动发动机，简化了曲轴、活塞等零件的制造工艺，延长活塞寿命，降低了缸内润滑要求，运行平稳，振动与噪音减小，降低了能源损耗，同时排气动能与热能得到有效利用，一方面将进气与排气空间分开，延时燃烧室进气，滞后作用有利于减少未燃油气混合物直接排出，另一方面高速高压高温气体直接由排气管排除进入余能利用装置其动能仍会继续转换为机械能，推动曲轴旋转，大大提高了能源利用率。

本实用新型提供了基于废气利用的二冲程无曲柄气动发动机，包括气缸、活塞、连接块、气缸外部的换气装置、曲轴箱和排气余能利用装置，所述气缸顶部中央布置有火花塞，所述气缸底部与连接块相连，所述连接块下端连接曲轴箱，所述气缸一边开有排气孔，所述排气孔连接排气管，所述排气管处设有电控排气门，所述气缸另一侧面开有进气口与换气口，所述换气装置包括换气道，所述换气道连通换气口和进气口，所述进气口处设有单向控制阀，所述单向控制阀控制气体有换气口进入进气口；所述换气口与外部化油器连接，所述换气口处装有电控进气控制阀；所述活塞安装于气缸内，所述活塞内部装有弹簧内插筒；所述连接块上端设有弹簧外插筒，所述弹簧内插筒与弹簧外插筒之间插有弹簧，在弹簧弹力与做功冲程高能气体作用下活塞运动方向沿气缸轴向方向，所述连接块偏心位置开有喷气口，喷气口用于将气缸内急剧压缩的气体定向导入曲轴箱，驱动曲轴箱做功后输出给车轴，所述排气余能利用装置独立安装于曲轴箱外侧面，所述排气余能利用装置与排气管连通，通过排气余能利用装置可以充分利用排出废气的动能和热能。

进一步的，所述排气余能利用装置包括废气箱，所述废气箱内设有小叶片、小叶轮，所述小叶片嵌入小叶轮，所述小叶轮与曲轴采用键连接；所述废气箱一侧圆周面安装有废气进气管，相对的另一侧圆周面装有废气排气管，所述废气进气管与排气管连通，向废气箱内输入高能废气，所述废气排气管输出废气。

进一步的，所述曲轴箱内装有大叶轮、大叶片和曲轴，所述大叶片嵌入大叶轮，所述曲轴贯穿曲轴箱，所述曲轴和曲轴箱连接之处采用动密封，所述曲轴与大叶轮采用键连接。

进一步的，所述喷气口为锥形结构，且喷气口正对大叶片中心。

进一步的，所述活塞结构为标准圆柱形，内部镂空，镂空部分安装有弹簧内插筒，活塞头部开有凹槽，凹槽内装有活塞环。

进一步的，所述弹簧内插筒长度小于活塞镂空部分高度，所述弹簧外插筒内径大于弹簧外径，弹簧外插筒外径小于活塞镂空部分的内径，所述弹簧外插筒高度小于活塞镂空部分高度。

进一步的，所述发动机曲轴为直杆结构，无曲拐。

进一步的，所述气缸顶部周边设有凸起挡肩，所述挡肩用于防止活塞在弹簧作用下冲击到气缸顶部，损坏火花塞。

本实用新型的有益效果是：

1、在本实用新型中，通过弹簧内插筒、弹簧外插筒和弹簧的设置，使活塞在弹簧弹力的作用下运动方向始终为气缸轴向方向，确保活塞只承受上下均匀轴向力而不会受到因连杆而产生的径向力，致使活塞与气缸的摩擦减小，部分零部件使用寿命延长，同时对机油的损耗减小，同时无需考虑径向压力而设计为椭圆形状，活塞裙部，无需连接连杆小头，同时活塞设计得到简化；通过活塞、气缸、进气口、换气口、换气道、喷气口的设置，能够实现气动工作；通过排气余能利用装置的设置，充分利用了排出废气的动能和热能，废气动能直接驱动小叶轮有利于曲轴旋转，从高温废气中回收的热能通过废气箱与密封腔内的热传导与热对流使气体膨胀，将废气余热转换为可利用的气体压能，提高了喷气道内气流运动速度，从而提高发动机能量利用率与工作效率。

2、在本实用新型中，通过大叶轮、大叶片形成的叶轮结构带动发动机旋转的运行方式有助于减小零部件的振动，无高强度机械冲击，相关零部件材料要求降低，发动机制造成本降低，噪声大大减小，从而使得用户乘车的舒适性得到提高。

3、在本实用新型中，通过直杆结构曲轴的设置，使得曲轴的加工工艺与结构设计大为简化；曲轴直径调节弹性较大，根据发动机不同功用与机械强度要求，可灵活调节曲轴直径；同时曲轴无高强度机械冲击，材料选择更为灵活，其设计与加工工艺的简化以及材料要求的降低都有利于降低成本；与传统内燃机相比结构更为紧凑，有助于提高发动机升功率，气缸排布的灵活性增强；无需平衡块与对称气缸平衡，将发动机布置为3缸5缸等奇数缸数对发动机的运行都没有影响。

4、在本实用新型中，通过喷气口正对大叶片中心的设置，可以使喷气口喷出的气体得到充分利用，提高能源利用率，另外喷气口采用锥形设计，有利于加速流入曲轴箱内的气体，可以提高气体动能。

附图说明

图1为本实用新型外观图。

图2为本实用新型剖视结构示意图。

图3为废气箱剖面放大结构示意图。

图4为本实用新型侧剖面结构示意图。

附图标记：1-火花塞、2-弹簧内插筒、3-活塞环、4-进气口、5-换气装置、6-换气道、7-换气口、8-电控进气控制阀、9-喷气口、10-曲轴、11-排气余能利用装置、12-大叶片、13-大叶轮、14-曲轴箱、15-连接块、16-弹簧外插筒、17-气缸、18-弹簧、19-排气管、20-活塞、21-废气箱、22-废气进气管、23-小叶轮、24-小叶片、25-废气排气管、26-单向控制阀、27-电控排气门。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型具体实施方式采用以下技术方案：如图1—4所示，主体结构包括：火花塞1、弹簧内插筒2、活塞环3、进气口4、换气装置5、换气道6、换气口7、电控进气控制阀8、喷气口9、连接块15、排气余能利用装置11、弹簧外插筒16、气缸17、弹簧18、排气管19、活塞20；所述气缸17顶部中央布置火花塞1，所述气缸17一边开有排气孔，所述排气孔连接排气管19，排气管19处设有电控排气门27，电控排气门27可以控制排气管19的启闭，所述气缸17相对的另一侧面开有进气口4与换气口7，所述气缸17内有活塞20，所述活塞20上表面与气缸17围成燃烧室空间，所述活塞20下表面与气缸17围成密封腔，进气口4与换气口7分别连通燃烧室空间与密封腔，所述换气口7、进气口4通过换气道6连通，所述换气道6用于燃烧室空间与密封腔的气体交换；所述进气口4处设有单向控制阀26，当未燃油气混合物通过换气道6由密封腔进入燃烧室空间时，单向控制阀26打开，反之则关闭，所述换气口7与外部化油器连接，所述换气口7处装有电控进气控制阀8，电控进气控制阀8为外部新燃料进气道开关和换气道6的转换开关，具体为当电控进气控制阀8开启至与活塞20轴线平行时，外部燃料进气道关闭，换气道6连通燃烧室空间与密封腔，当电控进气控制阀8开启至与活塞上表面平行时，外部燃料进气道打开，换气道6隔断燃烧室空间与密封腔。所述活塞20为标准的圆柱形，头部圆周上开有凹槽，内部镂空，凹槽内装有活塞环3，镂空部分安装有弹簧内插筒2；所述气缸17下端与连接块15相连，所述连接块15偏心位置开有喷气口9，所述连接块15上端设有活塞20外插筒，所述连接块15下端装有曲轴箱14，所述曲轴箱14内装有曲轴10、大叶轮13与大叶片12，所述喷气口9正对大叶片12中心，所述大叶片12嵌入大叶轮13，喷气口9为锥形结构，用于将气缸17内急剧压缩的气体定向导入曲轴箱14冲击大叶片12，带动大叶轮13顺时钟转动，减缩设计的喷气口9有利于加速流入曲轴箱14内的气体；所述大叶轮13与曲轴10采用键连接；所述弹簧内插筒2与弹簧外插筒16之间插有弹簧18；所述曲轴箱14与曲轴10连接处采用轴承连接并密封，形成转动密封。所述曲轴箱14外侧面独立装有废气排气余能利用装置11；所述排气余能利用装置11包括废气箱21，所述小叶片24、小叶轮23与曲轴10均安装在废气箱21内，所述小叶片24嵌入小叶轮23，所述小叶轮23与曲轴10采用键连接，所述废气箱21侧圆周面装有废气进气管22，相对的另一侧圆周面装有废气排气管25，所述废气进气管22与气缸17上的排气管19相连，废气进气管22进入的气体冲击小叶片24及小叶轮23带动曲轴10顺时针转动。

如图4所示，所述挡肩用于防止活塞20在弹簧18作用下冲击到气缸17顶部，损坏火花塞1，同时挡肩不宜过厚，会使得燃烧室余隙容积过大，不利于混合气燃烧。

如图2所示，所述发动机曲轴10为直杆结构，无曲拐，曲轴10两端可设置正时装置等相关附属装置，所述曲轴10直径根据发动机功率需求与材料强度等计算可得。

如图4所示，所述弹簧内插筒2长度应略小于活塞20镂空部分高度，防止工作时弹簧内插筒2与连接块15产生刚性撞击，所述弹簧外插筒16内径稍大于弹簧18外径，弹簧外插筒16外径略小于弹簧18镂空部分的内径，弹簧外插筒16高度同样略小于活塞20镂空部分高度，防止工作时弹簧外插筒16撞击活塞20内部。

将本实用新型用于二冲程单缸摩托车使用，其工作原理如下：活塞20在弹簧18弹力的作用下上行，压缩活塞20上端燃烧室空间内可燃混合气，活塞20上行至上止点时火花塞1点燃混合气，此时活塞下表面是在排气孔、进气口下方，气体被点燃后迅速膨胀，使活塞20压缩弹簧18下行，此时电控进气控制阀8开启至与活塞20轴线平行，外部燃料进气道关闭，换气道6连通燃烧室空间与密封腔，当活塞20下行至上表面位置越过排气孔与进气口4时，电控排气门27开启排气管19，一部分高温高压气体直接冲击活塞20，使活塞20下行，一部分高温高压气体通过排气管19进入排气余能利用装置11驱动曲轴10，在单向控制阀26的作用下高温高压气体无法通过换气道6进入密封腔，密封腔内气体在活塞20下行的作用下被急剧压缩，密封腔内一部分混合气（汽油与空气混合气）在密封腔高压压缩以及排气管19高速气流惯性作用下通过换气口7进入换气道6，从进气口4进入活塞20上端燃烧室空间，密封腔内另一部分混合气在喷气口9的导向作用下冲击曲轴箱14内大叶片12，通过大叶轮13带动曲轴10旋转，直至活塞20下行至下止点，此时活塞20上表面是在换气口7上方；活塞20运行至下止点后，燃烧室空间压强减小，活塞20在弹簧18弹力作用下上行，曲轴10在惯性作用下继续旋转，当活塞20下表面越过换气口7时，此时电控进气控制阀8开启至与活塞20上表面平行，此时外部燃料进气道打开，换气道6关闭，密封腔与燃烧室空间被隔绝，电控排气门27关闭排气管19，上行过程中燃烧室空间体积减小，气体被压缩，密封腔体积增大，压强有减小趋势，密封腔内形成负压，使外部可燃混合气体由换气口7自然吸入至密封腔（形成上文中中密封腔内的汽油与空气混合气）；活塞20上下运行循环做功，使曲轴（10）稳定旋转。

所述废气余能利用装置11工作原理如下：燃烧室空间内废气在活塞20下行至活塞20上表面越过排气管19时，高温高压废气通过排气管19，在废气进气管22的导向作用下进入废气箱21，直接冲击小叶片24，通过小叶轮23促进曲轴10顺时针旋转，做功后的废气通过废气排气管25排出，燃烧室空间内废气动能得到利用；排气管19与废气进气管22内的废气仍有较大热能，进入废气箱21后通过热传递加热曲轴箱14与活塞20下端密封腔内的气体，使混合气膨胀，将废气的热能转化为混合气的压能储存在活塞20下端密封腔内，当活塞20下行压缩气体时转化为气体动能冲击大叶片12，使得冲击大叶轮13的气流速度得到提高，增强发动机动力性，废气热能得以利用。

所述一种二冲程无曲柄高效气动发动机，与传统内燃机相比结构紧凑，有助于提高发动机升功率，单缸排布灵活，使摩托车动力性增强的同时体积减小，行驶轻便；所述叶轮结构带动发动机旋转的运行方式有助于减小振动，无高强度机械冲击，噪声大大减小，解决传统摩托车噪音大、振动强等问题；其中气缸17上部换气口7连接外部化油器或相关电喷阀体。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.基于废气利用的二冲程无曲柄气动发动机，包括气缸（17）、活塞（20）、连接块（15）、气缸（17）外部的换气装置（5）和曲轴箱（14），所述气缸（17）顶部中央布置有火花塞（1），所述气缸（17）底部与连接块（15）相连，所述连接块（15）下端连接曲轴箱（14），所述气缸（17）一边开有排气孔，所述气缸（17）另一侧面开有进气口（4）与换气口（7），所述换气装置（5）包括换气道（6），所述换气道（6）连通换气口（7）和进气口（4），所述进气口（4）处设有单向控制阀（26），所述单向控制阀（26）控制气体由换气口（7）进入进气口（4）；所述换气口（7）与外部化油器连接，所述换气口（7）处装有电控进气控制阀（8）；其特征在于，还包括排气余能利用装置（11）和排气管（19），所述排气孔连接排气管（19），所述排气管（19）处设有电控排气门（27），所述活塞（20）安装于气缸（17）内，所述活塞（20）内部装有弹簧内插筒（2）；所述连接块（15）上端设有弹簧外插筒（16），所述弹簧内插筒（2）与弹簧外插筒（16）之间插有弹簧（18），在弹簧（18）弹力与做功冲程高能气体作用下活塞（20）运动方向沿气缸（17）轴向方向，所述连接块（15）偏心位置开有喷气口（9），喷气口（9）用于将气缸内急剧压缩的气体定向导入曲轴箱（14），通过驱动曲轴箱（14）做功后输出给车轴，所述排气余能利用装置（11）独立安装于曲轴箱（14）外侧面，所述排气余能利用装置（11）与排气管（19）连通，通过排气余能利用装置（11）可以充分利用排出废气的动能和热能。

2.根据权利要求1所述的基于废气利用的二冲程无曲柄气动发动机，其特征在于，所述排气余能利用装置（11）包括废气箱（21），所述废气箱（21）内设有小叶片（24）、小叶轮（23），所述小叶片（24）嵌入小叶轮（23），所述小叶轮（23）与曲轴（10）采用键连接；所述废气箱（21）一侧圆周面安装有废气进气管（22），相对的另一侧圆周面装有废气排气管（25），所述废气进气管（22）与排气管（19）连通，向废气箱（21）内输入高能废气，所述废气排气管（25）输出废气。

3.根据权利要求1所述的基于废气利用的二冲程无曲柄气动发动机，其特征在于，所述曲轴箱（14）内装有大叶轮（13）、大叶片（12）和曲轴（10），所述大叶片（12）嵌入大叶轮（13），所述曲轴（10）贯穿曲轴箱（14），所述曲轴（10）和曲轴箱（14）连接之处采用动密封，所述曲轴（10）与大叶轮（13）采用键连接。

4.根据权利要求3所述的基于废气利用的二冲程无曲柄气动发动机，其特征在于，所述喷气口（9）为锥形结构，且喷气口（9）正对大叶片（12）中心。

5.根据权利要求1所述的基于废气利用的二冲程无曲柄气动发动机，其特征在于，所述活塞（20）结构为标准圆柱形，内部镂空，镂空部分安装有弹簧内插筒（2），活塞（20）头部开有凹槽，凹槽内装有活塞环（3）。

6.根据权利要求5所述的基于废气利用的二冲程无曲柄气动发动机，其特征在于，所述弹簧内插筒（2）长度小于活塞（20）镂空部分高度，所述弹簧外插筒（16）内径大于弹簧（18）外径，弹簧外插筒（16）外径小于活塞（20）镂空部分的内径，所述弹簧外插筒（16）高度小于活塞（20）镂空部分高度。

7.根据权利要求1至6任一项所述的基于废气利用的二冲程无曲柄气动发动机，其特征在于，所述发动机曲轴（10）为直杆结构，无曲拐。

8.根据权利要求7所述的基于废气利用的二冲程无曲柄气动发动机，其特征在于，所述气缸（17）顶部周边设有凸起挡肩，所述挡肩用于防止活塞（20）在弹簧（18）作用下冲击到气缸（17）顶部，损坏火花塞（1）。

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