專利名稱：一種可變壓縮比的微型擺式內燃機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種擺式內燃機，特別涉及一種可為便攜式電源系統(tǒng)提供動力的可變壓縮比的微型擺式內燃機，屬于熱力發(fā)動機技術領域。
以內燃機為源動力來帶動發(fā)電機發(fā)電的方案得到了廣泛的認可，這是因為第一，液態(tài)炭氫燃料具有很高的能量密度，例如汽油的能量密度是現(xiàn)行商用電池的50倍以上；第二，液態(tài)燃料與同等能量的化學儲能電池相比具有容易運輸、存儲和處理的特點。第三，補充液態(tài)燃料比化學儲能電池充電要簡單、快捷。那么，如果能將宏觀的發(fā)電機系統(tǒng)直接按比例縮小為微觀的發(fā)電系統(tǒng)應該說是一種有效的方法；但是，這一單純縮小傳統(tǒng)內燃機的努力在實施的過程中卻遇到了難以克服的困難，這是因為傳統(tǒng)的內燃機本身的結構特點決定了它們并不適合在微型化的條件下運轉；比如現(xiàn)在廣泛使用的往復活塞式內燃機，為了使內燃系統(tǒng)正常運轉，必須在其縮小的版本中保留大部分零部件，尤其是復雜的曲柄連桿機構和配氣機構不可或缺，這些都極大地增加了微型內燃機的設計與制造難度。
另外，在已有的擺式內燃機技術中(中國專利，申請?zhí)?8203638，申請日98年04月20日；中國專利，申請?zhí)?6220676申請日1996年08月07日；中國專利，申請?zhí)?6122248，申請日1996年11月22日；中國專利，申請?zhí)?7107720，申請日1987年11月08日；中國專利，申請?zhí)?5105436，申請日1985年07月17日；中國專利，申請?zhí)?5100486，申請日1985年04月01日)存在下列不足，第一，動力輸出的運動形式只局限于旋轉運動；然而就本專利所關注的便攜式發(fā)電系統(tǒng)，其實質是只要保證導線和磁場有相對運動就能夠實現(xiàn)發(fā)電這一目的；當然如果使發(fā)電機的轉子有一定幅度的純擺動也完全能夠滿足這一要求。在這種情況下，為之提供源動力的微型內燃機只要能輸出擺動形式的動力即可。第二，由于受到曲柄連桿機構等結構形式的限制，壓縮比都是固定不變的，在一定程度上影響了內燃機有效輸出功，研究表明如果壓縮比能夠隨負荷變化，將有利于內燃機的負荷特性。第三，由于使用了復雜的氣門機構，使得其微小版本難以設計和制造。第四，從上述提到的發(fā)明文獻來看，沒有以便攜式發(fā)電系統(tǒng)為目的微型擺式內燃機的設計。
便攜式發(fā)電系統(tǒng)對作為源動力的微型內燃機的另一個重要要求是體積小、重量輕、功重比高(也就是能量密度要高)，這些要求不可能通過單純縮小現(xiàn)有內燃機的手段來實現(xiàn)。
本發(fā)明的目的是提供如下技術方案實現(xiàn)的.一種可變壓縮比的微型擺式內燃機，其特征在于該內燃機主要由輸出軸，與該輸出軸垂直布置的內部設有中心擺的缸體、前缸蓋、后缸蓋、前端蓋、后端蓋以及笛閥六個平面部件組成，所述缸體內設有上下兩個容積不等的扇形空腔，中心擺將兩個空腔分割成容積可變的兩個燃燒室和兩個預壓縮室，所述的前端蓋上設有進氣管與預壓縮室相通，在中心擺的軸轂上設有兩個可以打開和關閉位于同一側的燃燒室和預壓縮室的進氣通道，在所述的后缸蓋上設有第一排氣口，在所述的后端蓋上設有兩個相通的膨脹腔，第一排氣口與其中的一個膨脹腔相連通，另一個膨脹腔與通往大氣的排氣口相連。
本發(fā)明所提供的微型擺式內燃機，其缸體內上部的空腔為半徑相等的扇形腔，其下部的空腔是由兩邊半徑相等的兩個扇形腔和半徑小于兩邊的中間扇形腔構成；而且缸體內上部空腔的容積小于下部空腔的容積，其容積比為1∶1～3。
本發(fā)明所述的中心擺固定在輸出軸上，中心擺的兩端采用扇形結構，與缸壁采用小間隙密封。
本發(fā)明具有以下突出性特點和和顯著的技術進步實現(xiàn)了可變壓縮比內燃機，壓縮比隨著負荷的增加而增大，因為負荷增大時輸出軸的擺動頻率降低，充氣效率得以提高，從而改善了燃燒過程，增加了系統(tǒng)的有效輸出功，改善了內燃機的負荷特性。
(1)可服了往復活塞式內燃機的主要缺點之一，即內燃機的最高轉速受到活塞和缸壁之間側向壓力的限制。本發(fā)明的微型擺式內燃機的容積室之間采用小間隙密封，中心擺與缸壁之間幾乎沒有壓力存在，所以摩擦損失非常小，使得擺動頻率不再受活塞和缸壁之間的摩擦損失的限制。
(2)針對應用對象，直接以擺動形式輸出動力，避免了使用復雜的曲柄連桿機構，結構簡化，體積減小。
(3)經過巧妙設計，避開了常規(guī)的進、排氣門及其驅動機構，進、排氣正時由中心擺的擺動位置來控制，增強了系統(tǒng)的可靠性。
(4)將排氣消聲部分直接集成在微型內燃機上，省卻了相對于微型內燃機本體來說體積很大的排氣消聲部件；排氣依次經過兩個膨脹腔充分膨脹之后再排入大氣中，降低了排氣溫度和排氣噪聲。
(5)實現(xiàn)了整個內燃機基本由平面結構構成，使內燃機微型化直至應用到MEMS(微機電系統(tǒng))成為可能。幾瓦到幾十瓦的輸出功率都可以通過縮放內燃機的本體來達到，而且其制造過程可以由現(xiàn)有的加工工藝來完成。滿足了體積小、重量輕、功重比高的要求，并且整個系統(tǒng)只有一個運動部件(安裝了輸出軸的中心擺)，內燃機系統(tǒng)的可靠性得以有效提高。


圖1為微型內燃機的主視圖。
圖2為圖1的右視圖。
圖3為圖2的A-A剖視圖。
圖4為微型內燃機中心擺的側視圖。
圖5為微型內燃機后缸蓋的主視圖。
圖6為微型內燃機后端蓋的主視圖。
圖7為圖6的B-B剖視圖。
圖8為微型內燃機前端蓋的主視圖。
圖9為微型內燃機笛閥彈簧片的主視圖。
圖10為微型內燃機前缸蓋的主視圖。
圖11～圖17為左燃燒室的工作過程示意圖。
圖18～圖24為右燃燒室的工作過程示意圖。
本發(fā)明采用如下的結構方案來完成二沖程內燃機的工作過程在方形的缸體上，以水平中心線為界，上端是一個體積稍小、半徑一致的扇形空腔。下端由三個扇形空腔組成，并且兩邊的兩個扇形空腔半徑相等，中間的扇形空腔半徑較小。上、下兩個大的空腔之間由缸體內的兩個凸起分割。輸出軸垂直安裝在缸體的幾何中心，通過月牙鍵連接在輸出軸上的中心擺將缸體的上、下空腔分割成四個可變容積的容積室；上端空腔被分割成的兩個容積室作為內燃機的兩個燃燒室；下端空腔的容積較大，被分割成的兩個容積室形成內燃機的兩個預壓縮室，分別為其上端對應的燃燒室提供壓力高于一個大氣壓力的可燃混合氣；上部空腔容積與下部空腔容積之比一般為1∶1～3。進氣口布置在前端蓋上，在進氣口與預壓縮室之間安裝有笛閥，它的作用是使可燃混合氣在預壓縮室內負壓時進入預壓縮室；同時防止預壓縮室內的可燃混合氣因為壓力增高而反向流回進氣道。進氣正時由布置在中心擺軸轂上的進氣通道隨中心擺的擺動來決定。兩個燃燒室共用一個布置在后缸蓋上的第一排氣口，排氣正時也由中心擺的擺動來控制；第一排氣口排出的高溫、高壓廢氣在后端蓋上的兩個膨脹腔內依次進行膨脹，最終排入大氣中?；鸹ㄈ怪卑惭b在前缸蓋上對應于兩個燃燒室的位置。
本專利的微型擺式內燃機結構結合圖1～圖10進一步加以說明。
在缸體2上以水平中心線為界(圖1)，有上、下兩個空腔，中心擺1將兩個空腔分割成了四個可變容積室。在同一側，上、下對應的兩個容積室分別為左燃燒室8、左預壓縮室13和右燃燒室7、右預壓縮室3。中心擺1通過月牙鍵與輸出軸6連接在一起；輸出軸通過軸承安裝在前缸蓋18和后端蓋15上(圖2)。左、右兩個定位銷5保證了中心擺1各個端面與缸壁和前、后缸蓋之間的配合間隙。四個固定螺釘將構成微型內燃機的6個平面部件固定在一起。
可燃混合氣通過安裝在前端蓋20上的進氣管10，經由笛閥彈簧片19上的笛閥21進入預壓縮室；同時，為了增加預壓縮室的容積，減少阻力損失，在前缸蓋18(圖10)的下方對稱布置了兩個旨在增加預壓縮室容積的扇形空腔22。設置在中心擺軸轂上的左進氣通道24、右進氣通道4(其位置如圖4所示)與缸體上左、右凸起的內圓柱面構成了左、右進氣閥，隨著中心擺1的擺動完成每對燃燒室和預壓縮室之間的打開和關閉。
兩個火花塞9分別垂直安裝在前缸蓋上對應于中心擺1左、右止點的位置。
第一排氣口16布置在后缸蓋17上對應于左、右燃燒室的中間位置(圖5)，排氣正時由中心擺1的擺動位置控制。從第一排氣口16排出的高溫、高壓廢氣首先進入設在后端蓋上的第一膨脹腔14(圖6，圖7)，然后經由兩個第二排氣口23進入第二膨脹腔12進一步膨脹，最終由第三排氣口11排入大氣。
下面結合圖11～圖17詳細說明左燃燒室8的工作過程，各圖中箭頭的方向表示中心擺1的運動方向。
圖11中，中心擺1處于左燃燒室8的左止點，此時對可燃混合氣的壓縮已經結束，火花塞點火，可燃混合氣開始爆炸燃燒，高溫、高壓燃氣將推動中心擺順時針運動；與之對應的左預壓縮室13從外部通過笛閥21吸入可燃混合氣結束。
隨著中心擺1在高壓燃氣的推動下順時針運動，中心擺克服系統(tǒng)的所有阻力對外輸出機械功，左燃燒室8處于做功行程；同時，左預壓縮室13內的容積逐漸減少，可燃混合氣壓力逐漸增高。這一過程一直進行到圖12所示的位置。
當中心擺1擺過圖12所示的位置后，第一排氣口16打開，高壓燃氣迅速排入到第一膨脹腔14，左燃燒室8處于純排氣過程；此時左燃燒室8內的壓力急劇下降，左預壓縮室13內的容積還在減小，壓力仍在增加，此過程一直延續(xù)到圖13所示的位置。
當中心擺擺過圖13所示的位置后，左燃燒室8內的殘余壓力已經等于或略低于預壓縮室內13的壓力。左進氣通24道隨著中心擺的擺動連通了左燃燒室8和左預壓縮室13，在壓力差的作用下，新鮮混合氣開始進入左燃燒室8；此時，左燃燒室8處于掃氣行程。
當上述過程進行到圖14所示的位置時，中心擺1到達其右止點。右燃燒室7開始做功，在右燃燒室7高壓燃氣的作用下，中心擺1開始逆時針運動，并依次關閉左燃燒室8的進氣通道24(圖15，此時左預壓縮室13開始打開笛閥21吸入新鮮的可燃混合氣)和第一排氣口16(圖16)，左燃燒室8進入壓縮行程，同時左預壓縮室13一直在從外界吸氣。當?shù)竭_圖17所示的位置時，左燃燒室8壓縮終了，左預壓縮室13吸氣終了；接下來開始下一個循環(huán)的工作過程。
圖18～圖24是右燃燒室7工作過程的示意圖，由于右燃燒室7與左燃燒室8僅工作過程相反，所以在這里不再重復敘述。
最終結果是左、右燃燒室的交替做功推動中心擺1以擺動的形式向外輸出機械功。
輸出功率為46瓦/50Hz。
燃料汽油其體積為長、寬、高分別為50mm。
權利要求
1.一種可變壓縮比的微型擺式內燃機，其特征在于該內燃機主要由輸出軸，與該輸出軸垂直布置的內部設有中心擺的缸體、前缸蓋、后缸蓋、前端蓋、后端蓋以及笛閥六個平面部件組成，所述缸體內設有上下兩個容積不等的扇形空腔，中心擺將兩個空腔分割成可變容積的左右兩個燃燒室和左右兩個預壓縮室，所述的前端蓋上設有進氣管與預壓縮室相通，在中心擺的軸轂上設有兩個可以打開和關閉位于同一側的燃燒室和預壓縮室的進氣通道，在所述的后缸蓋上設有第一排氣口，在所述的后端蓋上設有兩個相通的膨脹腔，第一排氣口與其中的一個膨脹腔相連通，另一個膨脹腔與通往大氣的排氣口相連。
2.按照權利要求1所述的微型擺式內燃機，其特征在于所述缸體內上部的空腔為半徑相等的扇形腔，其下部的空腔是由兩邊半徑相等的兩個扇形腔和半徑小于兩邊的中間扇形腔構成。
3.按照權利按照權利要求1或2所述的微型擺式內燃機，其特征在于所述缸體內上部空腔的容積小于下部空腔的容積，其容積比為1∶1～3。
4.按照權利按照權利要求3所述的微型擺式內燃機，其特征在于在前缸蓋上設置兩個分別對應于左右預壓縮室的扇形空腔。
5.按照權利要求3所述的微型擺式內燃機，其特征在于所述的中心擺的兩端采用扇形結構，與缸壁采用小間隙密封。
6.按照權利要求1所述的微型擺式內燃機，其特征在于所述的左右兩個燃燒室共用一個布置在后缸蓋上的第一排氣口，所述排氣口設置在對應于左、右燃燒室的中間位置。
7.按照權利要求1所述的微型擺式內燃機，其特征在于在所述的前端蓋上垂直安裝兩個對應于中心擺左、右止點位置的火花塞。
全文摘要
一種可變壓縮比的微型擺式內燃機,涉及一種可為便攜式電源系統(tǒng)提供動力的微型熱力發(fā)動機。本發(fā)明主要由輸出軸,與該輸出軸垂直布置的內部設有中心擺的缸體、前缸蓋、后缸蓋、前端蓋、后端蓋以及笛閥六個平面部件組成,所述缸體內設有上下兩個容積不等的扇形空腔,中心擺將兩個空腔分割成可變容積的兩個燃燒室和兩個預壓縮室,最終使輸出軸以擺動的方式輸出動力。本發(fā)明具有體積小、重量輕、功重比高,壓縮比隨負荷變化,從幾瓦到幾十瓦的輸出功率都可通過縮放內燃機的本體來達到,并且整個系統(tǒng)只有一個運動部件,內燃機系統(tǒng)的可靠性得以有效提高,從而使微型內燃機為源動力的便攜式發(fā)電系統(tǒng)真正實用化。
文檔編號F02B53/00GK1375621SQ0211708
公開日2002年10月23日 申請日期2002年4月29日 優(yōu)先權日2002年4月29日
發(fā)明者汪勁松, 張仕民, 葉佩青, 段廣洪, 郭志平 申請人:清華大學