CN201137519Y - 差动式往复活塞内燃机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种差动式往复活塞内燃机，本实用新型包括气缸体、活塞、曲柄连杆机构，所述活塞包括对向设在气缸体内的动力活塞和反力活塞，曲柄连杆机构包括分别与动力活塞和反力活塞连接的动力曲柄连杆机构和反力曲柄连杆机构，两曲柄连杆机构连接有可保持两曲柄的差动角的工作循环平均值恒定的协调机构，动力曲柄连杆机构连接有动力曲轴飞轮。本实用新型效率高，比油耗(g/lw.h)低，用油省。动力性好，比扭矩(N.m/L)大，升功率(kw/L)高。

Description

差动式往复活塞内燃机

(一)技术领域

本实用新型涉及一种内燃机，特征是一种差动式往复活塞内燃机。

(二)背景技术

1、本实用新型是基于本实用新型人提出的“内燃机能量贬值原理”而首创的。该原理的基本方程式为：

( )_D内，表示单缸、单位活塞面积、单位曲柄长度内燃机的有效功。

式中：E_X，Q为热力系统中供给的热量；

We为内燃机所做的有效功；

Me为内燃机的有效扭矩；

α为曲轴转角(°CA)；

τ为冲程数，二冲程τ＝2，四冲程τ＝4；

N为循环次数；

Pg为活塞顶面的气体压力；

ζr力臂系数(回转中心到力的垂直距离定义为力臂)；

${\mathrm{\ξ}}_r=\frac{\sin [\mathrm{\α}+\left(\arccos \sqrt{1-{\mathrm{\λ}}^2{\sin }^2\mathrm{\α}}\right)]}{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}$

λ＝r/l(r为曲轴半径，l为连杆长度)

η_m为机械效率；

A_n2，Q为内燃机的

曾(由退变而来)。

该“内燃机能量贬值原理”的文字表述为：内燃机所供工质中的热量

E_X，Q，在实际热力过程中转变为有效功We，该有效功的大小等于气缸压力对曲轴有效扭矩Me对曲轴转角α循环过程的积分。该有效扭矩的大小等于该气缸压力Pg和它所对应的力臂系数ζr及机械效率ηm的乘积，不能转化为有效功的

则逐步贬值，并最终退化为其

增A_n2，Q恒大于“0”。

该基本方程的三个导出方程和推论如下：推论1：内燃机的热效率和

效率均与气缸压力Pg、力臂系数ζr、机械效率ηm之积对循环过程的积分成正比。其数学表达式为

推论2：内燃机平均指示压力为气缸压力Pg和它所对应的力臂系数ζr之积对一个循环过程积分的

其平均有效压力为气缸压力Pg，它所对应的力臂系数ζr、机械效率ηm之积，对一个循环过程积分的

其数学表达式为：

式中：W_i为循环指示功。Vs为气缸工作容积。

推论3：内燃机燃料供应量和机械效率一定时，若想获得最大有效功，应使最高燃烧压力Pmax在力臂系数最大(即ζr，max)时产生。其数学表达式为：

对应ζr，max

内燃机，说到底，是气缸压力Pg通过活塞和曲柄连杆机构对外输出扭矩而做功的。众所周知，在展开示功图上，内燃机燃烧压力呈“脉冲状”分布；而气缸压力对曲轴力矩的力臂，从上止点到下止点，是一个由“0”逐渐变大，再逐渐回到“0”的过程，近似于正弦曲线。这也就是力臂系数ζr的曲线。就是说，活塞在上止点附近，气缸燃烧压力很大，力臂(或者对曲柄的切向力)却很小，故这时发动机发出的扭矩很小；当力臂逐渐变大时，燃气压力却疾速变小，故其力矩仍然很小。这就大大影响了内燃机扭矩和功率的输出，致使工质的

不能尽早尽快的转化为机械功，造成工质的

大量贬值，并最终退化为永久地失去了做功能力，造成能源极大地浪费。

2、内燃机发明一百三十多年以来，其性能有了长足地进步。但是，现在使用的内燃机，不管是往复式，还是三角转子式，其热效率仍然比较低，动力性也不太高；而且，在现有设计理念指导下，再想取得突破性进展，已变得越来越困难。本实用新型是在本实用新型人提出的“热力学-机械力学设计原则”指导下完成的。由上边引录的“内燃机能量贬值原理”基本方程式已经可以看出：它包涵了热力学第一定律、热力学第二定律和机械力学原理(例如参数ζr)。

3、现在世界上使用的内燃机，特别是量大面广的轿车发动机，为提高其性能，结构变得越来越复杂，一般每只气缸4个气门，每台发动机两根凸轮轴，加之变升程，变相位，大大增加了生产成本。

4、世界石油供应形势日趋紧张，价格节节攀升。节约能源，成为内燃机行业的重点课题之一；也是广大汽车消费者的期望。

因此，生产厂家和消费群体，都迫切需要一种用油省、比功率大、结构简单、生产和使用成本低的新型内燃机。

(三)发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种比油耗(g/kw.h)低，比功率(kw/L)大的差动式往复活塞内燃机。

为了解决上述技术问题，本实用新型包括气缸体、活塞、曲柄连杆机构，所述活塞包括对向设在气缸体内的动力活塞和反力活塞，曲柄连杆机构包括分别与动力活塞和反力活塞连接的动力曲柄连杆机构和反力曲柄连杆机构，两曲柄连杆机构连接有可保持两曲柄的差动角的工作循环平均值恒定的协调机构，动力曲柄连杆机构连接有动力曲轴飞轮。

为了提高燃烧室的等容度，所述协调机构包括两个异形齿轮，两异形齿轮分别与动力曲轴和反力曲轴固定联接，两异形齿轮相啮合或者通过中间齿轮传动。

为了提高燃烧室的等容度，所述异形齿轮为椭圆形齿轮或者叶片形齿轮。

为了结构简单，所述的协调机构为协调杆，协调杆通过两端的轴承与固定于动力曲轴和反力曲轴的支臂连接。

为了取得较好的燃料利用率，所述的差动角在35°CA-75°CA的范围内。

为提高内燃机工作品质，所述反力曲柄连杆机构连接有反力曲轴飞轮。

本实用新型的有益效果是，本实用新型与传统内燃机比较，主要有以下特点：

1、

效率高，比油耗(g/lw.h)低，用油省。

2、动力性好，比扭矩(N.m/L)大，升功率(kw/L)高。

3、每只气缸中两活塞相对运动，易形成强烈的工质紊流，有利于燃烧和压缩比的提高。

4、由于反力活塞到达上止点以后，两活塞同时向相反方向运动，与传统内燃机比较，这就等于相对运动速度增加了一倍以上，这有利于抑制爆燃，有利于压缩比的提高。若采用SI-HCCI-SI燃烧系统，则有利于拓宽HCCI工作范围。

5、换气过程中，基本上没有泵气损失，没有气门机构的磨擦损失，机械效率高。

6、结构简单，比质量(kg/kw)小，生产成本和使用成本低。

虽需增压器，但在四冲程发动机中，也被广泛采用。

(四)附图说明

图1为本实用新型具体实施例一的结构示意图；图2为图1的协调机构示意图；图3为图2的俯视图；图4为图3的A-A剖视放大图；图5为图1的进气歧管剖视放大图；图6为本实用新型的力臂系数曲线图；图7为本实用新型具体实施例二的结构示意图；图8为本实用新型具体实施例三的结构示意图；

图中：1、动力活塞，2、火花塞，3、汽油喷油器，4、反力活塞，5、反力箱扫气管，6、反力曲柄连杆机构，7、反力箱进气管，8、反力曲轴飞轮，9、扫气口，10、动力箱扫气管，11、排气口，12、气缸体水套，13、气缸体，14、动力曲轴飞轮，15、协调机构，16、动力曲柄连杆机构，17、节气门，18、进气管，19、空气滤清器，20、排气歧管，21、协调杆，22、支臂，23、气缸套筒，24、切向扫气口，25、进气歧管，26、中冷器，27、节流阀，28、A怠速节气门，29、B小负荷节气门，30、C中负荷节气门，31、D大负荷节气门，32、曲轴箱，33、进气歧管，34、废气后处理器，35、废气涡轮增压器，36、调节阀，37、罗茨增压器，38、混合室，39、EGR阀，40、EGR预催化器，41、EGR冷却器，42、共轨喷油系统。

(五)具体实施方式

具体实施例一

如图1所示的一种具体实施例，它是一小型汽油机，包括动力活塞1、火花塞2、汽油喷油器3、反力活塞4、反力箱扫气管5、反力曲柄连杆机构6、反力箱进气管7、反力曲轴飞轮8、扫气口9、动力箱扫气管10、排气口11、气缸体水套12、气缸体13、动力曲轴飞轮14、协调机构15、动力曲柄连杆机构16、节气门17、进气管18、空气滤清器19、排气歧管20、两曲柄箱32。

两曲柄箱32分别位于气缸体13的两端，反力曲柄连杆机构6和动力曲柄连杆机构16分别设置在两曲轴箱32中，动力活塞1和反力活塞4分别设在气缸体13中，反力曲柄连杆机构6分别连接反力活塞4和反力曲轴飞轮8，动力曲柄连杆机构16分别连接动力活塞1和动力曲轴飞轮14。

如图2所示的协调机构15，它采用一个空心的协调杆21(其截面如图4所示)，协调杆21的两端分别通过轴承与两支臂22连接，两支臂22分别与反力曲柄连杆机构6和动力曲柄连杆机构16的曲轴固定，协调杆是协调机构之一，其材质和结构除应有足够刚度和强度外，应重量轻，转动阻力小，振动和噪音低。安装时，必须保证两曲柄的差动角(Cα)的大小。

如图5所示的进气歧管结构示意图，进气歧管25的进气口设有中冷器26，内设有节流阀27和四个节气门，四个节气门为A怠速节气门28、B小负荷节气门29、C中负荷节气门30、D大负荷节气门31、气缸体13的气缸套筒23上有多个切向扫气口24，四个节气门分别与几个切向扫气口24连通。其主要特点是将进气分成了四个不同大小截面的进气管，怠速和暖机时，可将节气门A全部打开，其余3个进气管全部关闭，小负荷时，可只开B节气门，中负荷时只开C，大负荷时开D。扫气口9成切向进气，易形成旋流。

动力曲轴箱和反力曲轴箱的空气，分别通过反力箱扫气管5和动力箱扫气管10进入扫气口9。图1所示两活塞位置为：反力活塞4在上止点，动力活塞1在设计差动角位置。

具体实施例二

如图7所示的一种具体实施例，它是一种直喷复合增压汽油内燃机，包括动力活塞1、火花塞2、汽油喷油器3、反力活塞4、反力曲柄连杆机构6、反力曲轴飞轮8、扫气口9、排气口11、气缸体13、动力曲轴飞轮14、协调机构15、动力曲柄连杆机构16、节气门17、空气滤清器19、排气歧管20、两曲轴箱32进气歧管33、废气后处理器34、废气涡轮增压器35、调节阀36、罗茨增压器37。

两曲轴箱32分别位于气缸体13的两端，反力曲柄连杆机构6和动力曲柄连杆机构16分别设置在两曲轴箱32中，动力活塞1和反力活塞4分别设在气缸体13中，反力曲柄连杆机构6分别连接反力活塞4和反力曲轴飞轮8，动力曲柄连杆机构16分别连接动力活塞1和动力曲轴飞轮14。

本具体实施例可采用与实施例一相同的协调机构15，也可采用异形齿轮系统，例如椭圆形齿轮、叶片形齿轮等。两相配合的异形齿轮于飞轮和缸体之间分别与动力曲轴和反力曲轴固定联接，其安装原则是降低反力活塞在上止点附近的运动速度，并且必须保证差动角(Cα)的大小。两异形齿轮之间可以设置中间齿轮。废气涡轮增压器35、调节阀36、罗茨增压器37。

图7所示位置为：反力活塞4在上止点，动力活塞1在设计的差动角位置。排气口11在动力活塞1侧，扫气口9在反力活塞4侧。采用机械增压(罗茨)和废气涡轮增压两种方式扫气，罗茨增压器37带自动离合器，可在起动和需要时保证要求的扭矩，并补偿废气涡轮增压器35的滞后。

具体实施例三

如图8所示的一种具体实施例，它是一种复合增压共轨直喷柴油机，包括动力活塞1、反力活塞4、反力曲柄连杆机构6、反力曲轴飞轮8、扫气口9、排气口11、气缸体13、动力曲轴飞轮14、协调机构15、动力曲柄连杆机构16、节气门17、空气滤清器19、排气歧管20、曲轴箱32、进气歧管33、废气后处理器34、废气涡轮增压器35、调节阀36、罗茨增压器37、混合室38、EGR阀39、EGR预催化器40、EGR冷却器41、共轨喷油系统42。

该内燃机机体呈大角度V型，每个气缸筒内设有一个动力活塞1和一个反力活塞4，V型的中间和两端设有曲轴箱32，中间的曲轴箱32内设置动力曲柄连杆机构16，它连接两个动力活塞1和一个动力曲轴飞轮14，两外端的曲轴箱32内设置反力曲柄连杆机构6，分别连接一个反力活塞4和一个反力曲轴飞轮8，本内燃机采用了EGR系统，并有预催化器和EGR冷却器。采用了机械增压和废气涡轮增压复合系统。

本具体实施例可采用与实施例一相同的协调机构15，也可采用异形齿轮系统，例如椭圆形齿轮、叶片形齿轮等。两相配合的异形齿轮于飞轮和缸体之间分别与动力曲轴和反力曲轴固定联接，其安装原则是降低反力活塞在上止点附近的运动速度，并且必须保证差动角(Cα)的大小。两异形齿轮之间可以设置中间齿轮。废气涡轮增压器35、调节阀36、罗茨增压器37。

图8所示再循环废气自废气涡轮增压器35前引出，但最好在废气涡轮增压器35后引出，利用低压废气。

如图6所示的力臂系数曲线。对于内燃机曲柄连杆机构而言，力臂系统方程为：

${\mathrm{\ξ}}_r=\frac{\sin [\mathrm{\α}+\left(\arccos \sqrt{1-{\mathrm{\λ}}^2{\sin }^2\mathrm{\α}}\right)]}{\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}$

其最大值约为1.045，发生在75°CA(当 $\mathrm{\λ}=\frac{1}{3.5}$ 时)。

内燃机的功率传输机构形式不同，其力臂系数方程也不一样。

本实用新型可用于汽车等多种交通工具及工程机械和农业机械。它可采用多种液体燃料和气体燃料，对燃烧速度快的燃料，例如氢等，尤为适宜。其差动角最好在35°CA至75°CA之间选取，此时相应的ζr值在0.710至1.045之间。

本实用新型的原则是尽量利用传统内燃机成熟技术，以增强继承性，便于组织生产，尽早投放市场。为此，本实用新型在传统内燃机基础上，主要采取了以下技术措施。

1、去掉了传统内燃机的气缸盖，以一只传统活塞代替。为叙述方便，将其称为反力活塞。

2、重新设计气缸体。缸体两端分别置一动力曲柄连杆机构和一反力曲柄连杆机构。即，在一只缸筒中，按一定曲柄差动角(Cα)，对向按装两只活塞-动力活塞和反力活塞，而反力活塞所产生的反向力矩，通过两曲轴间的协调机构而正向地增加动力曲轴的输出扭矩和输出功率。

同一发动机的两曲柄连杆机构，其连杆比λ值(λ＝r/l)和行程S值，可以相同，也可以不相同。

其差动角可以这样定义：当反力活塞到达(处于)压缩行程的上止点位置时，动力活塞到达上止点后又继续运行到该时刻(即反力活塞到达上止点的时刻)所处位置的曲轴转角(即动力活塞离开压缩行程上止点的曲轴转角)。符号为Cd；单位为°CA。

3、去掉传统内燃机的凸轮轴气门机构，其换气通道由气孔代替，并由活塞进行控制。气缸一端开有排气孔(一般在动力活塞侧)，另一端开有扫气口。故本实用新型属于一种直流扫气的二冲程内燃机。但是，本实用新型的关键与世界所有内燃机的根本性区别在于：反力活塞处于上止点位置时，动力活塞处于设计差动角位置，力臂系数处于相应的较大值(例如：差动角Cd＝50°CA时，力臂系数ζr＝0.910；Cd＝60°CA时，力臂系数ζr＝0.994)。此时，燃料燃烧，气缸压力达到或接近最大值，动力曲轴发出最大扭矩；反力活塞的力臂系数虽然不大，但其所产生的反向力矩，也通过协调机构，正向作用于动力输出轴。故工质的

得到较充分的利用，

减少到最大限度。

本实用新型的循环过程如下：1燃烧膨胀过程——反力活塞即将到达压缩过程上止点，动力活塞即将到达设计差动角(C α)位置时，燃料喷入，着火燃烧，膨胀作功，2自由排气过程——在膨胀的后期，下行的动力活塞首先将排气口打开，开始自由排气；3扫气过程——然后，下行的反力活塞将扫气口打开，外界空气经曲轴箱或压气机进入内燃机，开始扫气。此时，排、扫气口均在开启位置，排出的废气直接、或经废汽涡轮及后处理器进入大气；4过后充气——然后，动力活活经下止点上行，将排气口关闭，此时，扫气口仍在开启位置，利用气流惯性和增压器压力继续充气，以增大充气量；5压缩过程：上行的反力活塞将扫气口关闭，并继续上行；这时，上行的动力活塞到达上止点后转而下行，最终实现压缩过程。

小型汽油机可直接由曲轴箱扫气，中大型内燃机应设置扫气泵(压气机)。

4、动力曲柄连杆机构和反力曲柄连杆机构之间的协调机构，可以是普通齿轮，也可以是异形齿轮(例如椭圆形齿轮，叶片形齿轮等)，还可以是联动杆(协调杆)。

当采用齿轮系统时，两齿轮应分别固定安装在气缸体和飞轮之间的动力曲轴和反力曲轴上。两齿轮之间，可以设置一个或数个中间齿轮，并将全部齿轮密封在可以适当润滑的齿轮箱内。当采用异形齿轮时，其安装原则应该使反力活塞在上止点附近速度变缓，以提高燃烧室的等容度。

对于大型内燃机，其协调机构可以由固定于两曲轴端的伞形齿轮和与其配合的带调节装置的传动杆等构成。

不管采用哪种协调机构，都必须在设计和安装时，严格保证差动角(Cd)规定值。

5、为减少对气缸壁的磨损，曲轴可以与气缸偏置，也可以选用较小的λ值(λ＝r/l)，以减小活塞对缸壁的侧压力。

6、功率输出，可以直接由动力曲轴输出，也可以根据需要，由协调机构的中间齿轮输出。当由中间齿轮输出时，可以起到降速或升速作用。

7、动力曲轴可以设计常规飞轮。反力曲轴可以根据需要设计飞轮，可大可小，可有可无，甚至可以兼作协调机构的齿轮。

8、气缸体的排列形式，可以根据需要设计。可以是单缸机，也可经是多缸机。可以水平布置，也可以斜置或立置。当动力曲轴两侧都设置反力曲轴时，还可以布置为V型或星型。当为星型时，最好采用关节式连杆。

9、气缸的换气，可以采用曲轴箱换气，也可经采用增压器(扫气泵)换气。增压器的型式，可以为机械增压，也可以是废气涡轮增压，电力增压，气波增压或其他形式的增压器，也可以是它们的组合。

10、由于喷油器和火花塞基本上是置于气缸中部，因而活塞顶部的形状要配合喷油器的特性和要求，以利于燃烧过程的进行。

11、可以采用汽油、柴油、醚类、醇类、天然气、氢等不同种类的燃料。最好采用汽油直喷，或其他燃料的直喷。

Claims (5)

1.一种差动式往复活塞内燃机，包括气缸体(13)、活塞、曲柄连杆机构，其特征在于：所述活塞包括对向设在气缸体(13)内的动力活塞(1)和反力活塞(4)，曲柄连杆机构包括分别与动力活塞(1)和反力活塞(4)连接的动力曲柄连杆机构(16)和反力曲柄连杆机构(6)，两曲柄连杆机构连接有可保持两曲柄的差动角的工作循环平均值恒定的协调机构(15)，动力曲柄连杆机构(16)连接有动力曲轴飞轮(14)。

2.根据权利要求1所述的差动式往复活塞内燃机，其特征在于：所述协调机构(15)包括两个异形齿轮，两异形齿轮分别与动力曲轴和反力曲轴固定联接，两异形齿轮相啮合或者通过中间齿轮传动。

3.根据权利要求2所述的差动式往复活塞内燃机，其特征在于：所述异形齿轮为椭圆形齿轮或者叶片形齿轮。

4.根据权利要求1所述的差动式往复活塞内燃机，其特征在于：所述的协调机构(15)为协调杆(21)，协调杆(21)通过两端的轴承与固定于动力曲轴和反力曲轴的支臂(22)连接。

5.根据权利要求1-4中任何一项所述的差动式往复活塞内燃机，其特征在于：所述的差动角在35°CA-75°CA的范围内。

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