CN102305130A - 活塞式内燃机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种活塞式内燃机，其汽缸（1）为环形汽缸，汽缸（1）上沿圆周均匀设置四个以上滑块（2），将汽缸（1）分隔成四个以上工作室，每个工作室设置有进气门（6）、排气门（7）和活塞（3）；活塞连杆（4）的一端与活塞（3）连接，另一端与环形中心的主动力轴（5）连接；滑块（2）上设置有喷油点火装置（8）；进气门（6）、排气门（7）及滑块（2）的工作由控制***控制。本发明结构简洁，制造容易，解决了现有往复活塞式内燃所存在的功率损耗大、汽缸易磨损、曲轴受力不平衡，及转子发动机所存在的密封片易磨损、废气排放不彻底、扭矩太小、只能采用点燃式、制造和维修困难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种内燃机结构技术领域。
背景技术
内燃机是一种能量转换装置，将汽油、柴油、天然气等物质的化学能通过在汽缸中燃烧转化为热能，热能通过膨胀转化为机械能，对外做功。目前在商品汽车上普遍使用往复活塞式内燃机。
往复活塞式内燃机机将化学能在汽缸中转化为热能后，热能膨胀，带动活塞运动，从而将热能转化为机械能，再通过曲柄连杆机构将能量转化为曲轴转动的转矩，对外做功。
曲柄连杆机构是往复活塞式内燃机的主要工作机构，由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组组成。机体组是内燃机的骨架。活塞连杆组是活塞的往复运动与曲轴转动的联动组件，在做功冲程中将活塞往复运动的能量转化成曲轴转动的转矩。曲轴飞轮组包括曲轴和飞轮，曲轴对外输出做功，飞轮作为惯性机构，在做功冲程后依靠惯性通过连杆带动活塞往复运动，为其他3个冲程做准备。
现有往复活塞式内燃机机多为四冲程内燃机机，四冲程内燃机机的一个工作循环包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。在做功冲程中活塞连杆组将活塞往复运动的能量转化成曲轴及飞轮转动的转矩。在其他3个冲程，活塞依靠飞轮的转动惯性作往复运动。
现在的往复活塞式内燃机存在因力矩改变而引起的功率损耗及汽缸磨损的问题，具体如下：在做功冲程起始时刻，活塞位于上止点，活塞连杆与曲轴在同一竖直平面内，活塞连杆对曲轴的作用力矩为0，此时燃料***产生的作用力最大，但作用力方向与作用点线速度方向垂直，没有起到推动曲轴转动的作用，功率损耗较大。当活塞既不处于上止点也不处于下止点时，连杆与曲轴形成一定的角度，这样就会产生一定的侧向分力，增大活塞与汽缸壁间的摩擦力，损耗一定的功率并加快汽缸的磨损。而且曲轴受力不平衡，稳定性较差。
还有一种知名度很高，但应用很少的内燃机，这就是三角活塞旋转式发动机机，也就是转子发动机机。这种内燃机是由德国人菲加士·汪克尔（Felix Wankel，1902-1988）所发明，他在总结前人的研究成果的基础上，解决了一些关键技术问题，研制成功了第一台转子发动机机。转子发动机机采用三角转子旋转运动来控制压缩和排放，与传统的活塞往复式发动机的直线运动不同。
转子发动机机壳体的内部空间总是被分成三个工作室。在转子的运动过程中，这三个工作室的容积不停地变动，在摆线形缸体内相继完成进气、压缩、燃烧和排气四个过程。每个过程都是在摆线形缸体中的不同位置进行。
转子发动机机的运动特点是：三角转子的中心绕输出轴中心公转的同时，三角转子本身又绕其中心自转。在三角转子转动时，以三角转子中心为中心的内齿圈与以输出轴中心为中心的齿轮啮合，齿轮固定在缸体上不转动，内齿圈与齿轮的齿数之比为3：2。上述运动关系使得三角转子顶点的运动轨迹似“8”字形。三角转子把汽缸分成三个独立空间，三个空间各自先后完成进气、压缩、做功和排气，三角转子自转一周，内燃机点火做功三次。
转子发动机机有如下缺点：由于三角转子引擎的相邻容腔间只有一个径向密封片，径向密封片与缸体始终是线接触，并且径向密封片上与缸体接触的位置始终在变化，因此三个燃烧室非完全隔离（密封），径向密封片磨损快。而且转子发动机压缩比小，只能用点燃式，不能用压燃式，也就是不能采用柴油做燃料。转子发动机燃烧室的形状使得废气排放不彻底。由于内齿圈与齿轮的齿数之比为3：2，致使输出轴扭矩太低，只能在小排量车上使用，不能推广民用。转子发动机机的加工制造技术高，成本比较贵，推广困难，其独特的机械结构也造成其较难维修。
发明内容
本发明要解决的技术问题:
1、现有往复活塞式内燃机所存在的传动效率低、汽缸易磨损及曲轴受力不均匀的问题。
2、现有转子发动机所存在的废气排放不彻底、扭矩太小、密封处易磨损、只能采用点燃式、制造和维修困难的问题。
本发明的技术方案：一种活塞式内燃机，包括汽缸、活塞、活塞连杆、主动力轴、进气门、排气门和喷油点火装置；汽缸为环形汽缸，沿圆周均匀设置四个以上滑块，将汽缸分隔成四个以上工作室，每个工作室设置有进气门、排气门和活塞；活塞连杆的一端与活塞连接，另一端与环形中心的主动力轴连接； 滑块上设置有喷油点火装置；进气门、排气门及滑块的运动由控制***控制。
活塞顶部开有一道长度为活塞顶部长度一半的排气槽，左侧设有燃烧室，中部设有压缩气体存储室；燃烧室和压缩气体存储室之间设有燃烧室进气阀, 由控制***控制；压缩气体存储室上设有自动进气阀。
滑块与活塞的侧面为倾斜角度相同的斜面，滑块底部与活塞顶部弧度相同。
密封装置将活塞密封在汽缸内，并且与活塞、活塞连杆一起旋转。
汽缸由两半缸壁合并而成，在外圆的外沿处密封贴合且用螺栓固定。内圆处开设有一条环形缝。
排气门的左侧到相邻滑块的左侧的距离为活塞顶部长度的二分之一。
控制***可以是电脑控制***，配置有电脑控制板；滑块进气门、排气门和燃烧室进气阀的工作均由电脑控制板控制。
控制***也可以是机械控制***，配置有活塞控制机构、气门控制机构和滑块控制机构，均为连杆机构。主动力轴上设有十字形顶板、圆形凸轮、进气门控制凸轮、排气门控制凸轮和滑块控制凸轮；其中十字形顶板和主动力轴间采用平键连接，可沿轴向滑动，并伸出顶杆顶在圆形凸轮的凸形一侧，圆形凸轮固定在内燃机壳体上不转动。活塞控制机构安装在活塞连杆上，一端连接燃烧室进气阀，另一端依靠阀门弹簧顶在十字形顶杆板上其特征在于：气门控制机构一端连接气门，另一端顶在进气门控制凸轮或排气门控制凸轮上。滑块控制机构一端连接滑块，另一端依靠滑块弹簧顶在滑块控制凸轮上。
本发明的有益效果：
1、采用环形结构，活塞与主动力轴同步转动，不存在往复活塞式内燃机所存在的上止点功率损耗；推力对主动力轴的力矩始终不变，不会产生对缸壁的侧向分力，避免了这部分的功率损耗及汽缸磨损。
2、各个活塞同时做功，主动力轴受力平衡。
3、每次循环，主动力轴转动一周，每个活塞做功两次，推力对主动力轴的作用力臂长，扭矩大。
4、相比转子发动机，废气的排放更彻底。
5、相比转子发动机，各个密封处均为面接触，密封效果比较好，不易磨损。
6、相比转子发动机，气体压缩比大，可以采用压燃式或点燃式。
7、结构形式紧凑，制造及维修简单。
附图说明：
图1为本发明采用电脑控制方式的结构示意图；
图2为本发明活塞的结构示意图；
图3为本发明汽缸密封结构示意图；
图4本发明活塞与滑块运动关系示意图；
图5为本发明机械控制的正向结构示意图；
图6为图5的侧向结构示意图；
图7至图10为本发明工作过程示意图。
具体实施方式：
实施例1：
如图1，汽缸1为环形汽缸，汽缸1上沿圆周均匀设置四个滑块2，将汽缸1分隔成4个工作室，每个工作室内设有活塞3、进气门6及排气门7，汽缸1由两半缸壁合并而成，在外圆的外沿处密封贴合且用螺栓固定，汽缸1缸壁的内圆上开设有一个环形缝，环形缝处设置密封装置9；活塞连杆4通过环形缝的空隙与活塞3连接，另一端与位于环形中心的主动力轴5连接； 滑块2上设置有喷油点火装置8；活塞3顶部开有一道排气槽c，长度为顶部长度的一半；左侧设有燃烧室a，中部设有压缩气体存储室b，燃烧室a和压缩气体存储室b之间设有燃烧室进气阀m, 压缩气体存储室b上设有自动进气阀n。
本实施例采用电脑控制，滑块2、进气门6、排气门7和燃烧室进气阀m均由电脑控制。滑块2与活塞3的侧面为倾斜角度相同的斜面，滑块2底部与活塞3顶部的弧度相同。排气门7左侧到滑块2左侧的距离为活塞3顶部长度的二分之一。密封装置9将活塞3密封在汽缸1内，并且与活塞3、活塞连杆4一起旋转。
本实施例中，活塞3共有4个，相互间距相同，活塞3在汽缸内做顺时针运动。活塞3经过滑块2时运动过程如图4，当每个活塞3运动到与滑块2的间距为0时，滑块2向上运动，同时活塞3继续运动，由于斜面的存在，若以活塞3为参照物，可以看作滑块2沿活塞3的斜面向上运动；当运动到滑块2底部与活塞3顶部持平时，滑块2停止运动，活塞3保持其运动，顶部与滑块2的底部相接触且形成密封；在活塞3运动到其顶部与滑块2底部脱离接触的时刻，滑块2向下运动直到滑块2回到初始位置，此过程若以活塞3为参照物，可以看作滑块2沿活塞3的斜面向下运动。
活塞3上所设的自动进气阀n的开和闭，由进自动进气阀n两侧的压强差决定，只有当自动进气阀n右侧空间中气体压强大于压缩气体存储室b内气体压强一个大气压以上时，才会打开，否则处于关闭状态。
本实施例一个循环的工作过程如下，在任意时刻4个活塞3的工作状态是相同的，且每个活塞运动一周要完成2次吸气、压缩、做功和排气冲程。
如图7所示，活塞3从图示位置开始作顺时针运动运动，此时汽缸1内充满空气，进气门6打开，排气门7关闭，活塞3运动时压缩其前方空间的空气，自动进气阀n打开，气体进入压缩气体存储室b；而活塞3运动的后方空间开始吸气。4个活塞3同时进行第一次吸气冲程及第一次压缩冲程。
当活塞3第一次运动到贴近滑块2左侧时，第一次压缩冲程结束，滑块2向上运动，自动进气阀n关闭，压缩气体存储室b中充满压缩气体，然后活塞3经过滑块2运动至滑块2右侧，进气门6关闭，第一次吸气冲程结束。
运动到图8所示位置，此时，汽缸1中充满空气，燃烧室进气阀m迅速打开，高温高压气体高速冲入燃烧室a，当燃烧室a气压和压缩气体存储室b气压相同时，燃烧室进气阀m迅速关闭，然后喷油点火装置8开始工作，第一次做功冲程开始，燃气推动活塞3继续运动，活塞3运动时压缩其前方的气体。4个活塞3同时进行第一次做功冲程与第二次压缩冲程。
当活塞3第二次运用到滑块2左侧时，第二次压缩冲程结束，，自动进气阀n打开，被压缩的空气进入压缩气体存储室b，然后活塞3经过滑块2运动至滑块2右侧，第一次做功冲程结束。
运动到图9所示位置，此时汽缸1中充满废气，排气门7打开，燃烧室进气阀m打开，压缩气体存储室b与燃烧室a联通，燃烧室进气阀m关闭后喷油点火装置8开始工作，第二次做功冲程开始，同时活塞3开始将汽缸1中的废气排出。4个活塞3同时进行做第二次做功冲程与第一次排气冲程。
当活塞3第三次运动到滑块2左侧时，排气门7仍然打开，第一次排气冲程结束，然后活塞3经过滑块2运动至滑块2右侧，第二次做功冲程结束。
运动到图10所示位置，此时汽缸1充满废气，进气门6打开，排气门7任然打开，活塞3依靠惯性继续运动，将运动前方的废气排出，第二次排气冲程开始，同时活塞3运动后方开始吸气，第二次吸气冲程开始。4个活塞3同时进行做第二次吸气冲程与第二次排气冲程。
当活塞3第四次运动到滑块2左侧时，第二次排气冲程结束，然后活塞3经过滑块2运动至滑块2右侧，第二次吸气冲程结束，排气门7关闭，回到图7状态。
实施例2：
实施例2采用机械控制***，如图5和图6，汽缸1为环形汽缸，汽缸1上沿圆周均匀设置四个滑块2，将汽缸1分隔成4个工作室，每个工作室内设有活塞3、进气门6及排气门7，汽缸1由两半缸壁合并而成，在外圆的外沿处密封贴合且用螺栓固定，汽缸1缸壁的内圆上开设有一个环形缝，环形缝处设置密封装置9；活塞连杆4通过环形缝的空隙与活塞3连接，另一端与位于环形中心的主动力轴5连接； 滑块2上设置有喷油点火装置8；活塞3顶部开有一道排气槽c，左侧设有燃烧室a，中部设有压缩气体存储室b，燃烧室a和压缩气体存储室b之间设有燃烧室进气阀m, 压缩气体存储室b上设有自动进气阀n。配置有活塞控制机构10、气门控制机构11和滑块控制机构12。排气门7左侧到滑块2左侧的距离为活塞3顶部长度的二分之一。密封装置9将活塞3密封在汽缸1内，并且与活塞3、活塞连杆4一起旋转。
主动力轴5上设有十字形顶板14、圆形凸轮16、进气门控制凸轮17、排气门控制凸轮18和滑块控制凸轮19；其中十字形顶板14和主动力轴5间采用平键连接，可沿轴向滑动，并伸出顶杆15顶在圆形凸轮16的凸形一侧，圆形凸轮16固定在内燃机壳体上不转动。活塞控制机构10安装在活塞连杆4上，一端连接燃烧室进气阀m，另一端依靠阀门弹簧13顶在十字形顶杆板14上；气门控制机构11一端连接进气门6或排气门7，另一端顶在进气门控制凸轮17或排气门控制凸轮18上。滑块控制机构12一端连接滑块2，另一端依靠滑块弹簧20顶在滑块控制凸轮19上。
活塞控制机构10、气门控制机构11和滑块控制机构12的长杆均只能沿长度方向移动，其他方向的自由度被约束。
十字形顶板14随着主动力轴5一起转动，由于其顶在圆形凸轮16的凸形一侧，于是会随着凸形形状的变化左右滑动，从而顶着活塞控制机构10上下移动，达到控制燃烧室进气阀m的目的。气门控制机构11和滑块控制机构12则由对应的凸轮否认形状来控制其上下移动。因为滑块控制凸轮19比较小，滑块控制机构的运动幅度比较小，所以滑块控制机构12包括一个杠杆结构，以放大滑块的运动幅度。
本实施例的工作循环过程和实施例1一样不再重复。
Claims (9)
1.一种活塞式内燃机，包括汽缸（1）、活塞（3）、活塞连杆（4）、主动力轴（5）、进气门（6）、排气门（7）和喷油点火装置（8），其特征在于：汽缸（1）为环形汽缸，汽缸（1）上沿圆周均匀设置四个以上滑块（2），将汽缸（1）分隔成四个以上工作室，每个工作室设置有进气门（6）、排气门（7）和活塞（3）；活塞连杆（4）的一端与活塞（3）连接，另一端与环形中心的主动力轴（5）连接； 滑块（2）上设置有喷油点火装置（8）；进气门（6）、排气门（7）及滑块（2）的工作均由控制***控制。
2.根据权利要求1所述的活塞式内燃机，其特征在于：活塞（3）顶部开有一道长度为顶部长度一半的排气槽（c），左侧设有燃烧室（a），中部设有压缩气体存储室（b）；燃烧室（a）和压缩气体存储室（b）之间设有燃烧室进气阀（m）,由控制***控制； 压缩气体存储室（b）上设有自动进气阀（n）。
3.根据权利要求1所述的活塞式内燃机，其特征在于：滑块（2）与活塞（3）的侧面为倾斜角度相同的斜面，滑块（2）底部与活塞（3）顶部弧度相同。
4.根据权利要求1所述的活塞式内燃机，其特征在于：汽缸（1）由两半缸壁合并而成，在外圆的外沿处密封贴合且用螺栓固定，汽缸（1）缸壁的内圆上开设有一个环形缝，环形缝处设置密封装置（9）。
5.根据权利要求4所述的活塞式内燃机，其特征在于：密封装置（9）将活塞（3）密封在汽缸（1）内，并且与活塞（3）、活塞连杆（4）一起旋转。
6.根据权利要求1所述的活塞式内燃机，其特征在于：排气门（7）左侧到相邻滑块（2）左侧的间距为活塞（3）顶部长度的二分之一。
7.根据权利要求1所述的活塞式内燃机，其特征在于：控制***为电脑控制***，配置有电脑控制板（x）。
8.根据权利要求1所述的活塞式内燃机，其特征在于：控制***为机械控制***，配置有活塞控制机构（10）、气门控制机构（11）和滑块控制机构（12）；主动力轴（5）上设有十字形顶板（14）、圆形凸轮（16）、进气门控制凸轮（17）、排气门控制凸轮（18）和滑块控制凸轮（19）；其中十字形顶板（14）和主动力轴（5）间采用平键连接，并伸出顶杆（15）顶在圆形凸轮（16）的凸形一侧，圆形凸轮（16）固定在内燃机壳体上。
9.根据权利要求8所述的环形汽缸循环活塞式内燃机，其特征在于：活塞控制机构（10）安装在活塞连杆（4）上，一端连接燃烧室进气阀（m），另一端依靠阀门弹簧（13）顶在十字形顶杆板（14）上；气门控制机构（11）一端连接进气门（6）或排气门（7），另一端顶在进气门控制凸轮（17）或排气门控制凸轮（18）上；滑块控制机构（12）为连杆机构，一端连接滑块（3），另一端依靠滑块弹簧（20）顶在滑块控制凸轮（19）上。
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