專利名稱：一種活塞直驅(qū)增壓發(fā)動機及設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種原動機，具體地說是一種活塞直驅(qū)增壓發(fā)動機既設計方法。
背景技術：
眾所周知，渦輪增壓器是一種設置在發(fā)動機外部的強制氣體引導系統(tǒng)。它對流入 發(fā)動機的空氣進行壓縮，壓縮空氣可以使發(fā)動機能夠?qū)⒏嗟目諝鈮旱綒飧桌铮嗫?氣就意味著能向氣缸內(nèi)注入更多的燃料。因此，每個氣缸的燃燒沖程就能產(chǎn)生更多動力，渦 輪增壓發(fā)動機產(chǎn)生的動力要比相同排量的普通發(fā)動機大得多，這樣就可顯著提高發(fā)動機的 動力重量比。為了獲得這種性能上的提升，渦輪增壓器使用發(fā)動機排出的廢氣帶動渦輪旋 轉(zhuǎn)，而渦輪則帶動氣泵旋轉(zhuǎn)。渦輪在渦輪機中的最高轉(zhuǎn)速為每分鐘150，000轉(zhuǎn)一一這相當 于大多數(shù)汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速的30倍。同時由于與排氣管相連，渦輪的溫度通常非常高。因 此，渦輪增壓發(fā)動機的致命缺點是結構復雜、成本高，使用壽命短，需要定期更換，使用壽命 大約是10萬公里，每更換一次需要人民幣2萬元，由于渦輪增壓器使用發(fā)動機排出的廢氣 帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，這樣給排氣道增加了阻力，給發(fā)動機的動力產(chǎn)生一定的影響。傳統(tǒng)的活塞發(fā)動機主要是由活塞、連桿、曲軸組成，活塞在氣缸中做往復運動，通 過連桿驅(qū)動曲軸變成圓周轉(zhuǎn)動，在實際應用過程中存在的不足時，工作效率低，具體表現(xiàn)為 1)連桿隨曲軸的擺動容易使活塞產(chǎn)生側向分力而加大氣缸受力面磨損，形成橢圓，降低了 氣缸的氣密性致使，動力降低燃油消耗量增加；2)工作效率低，活塞在氣缸中往復一次驅(qū) 動曲軸旋轉(zhuǎn)一周，實際上只有一半做功，另一半消耗功率，也就是說，燃氣爆燃時，推動活塞 移動對外做功，只能驅(qū)動活塞轉(zhuǎn)動半周，而在這半周中真正做功的角度是在45度到135度 之間，在這個角度之間連桿的驅(qū)動力矩最大。通過上述分析可以看出，能量利用率低除了連 桿擺動克服掉的側向分例外，曲軸的做功角度小也是主要原因。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服了現(xiàn)有活塞式發(fā)動機的活塞的往復做功直接通過連桿驅(qū)動 曲軸變成圓周轉(zhuǎn)動的不足，提供一種活塞直驅(qū)增壓發(fā)動機。本發(fā)明的目的是按以下方式實現(xiàn)的，在發(fā)動機殼體內(nèi)對稱設置作功氣缸和壓氣氣 缸并分別設置壓氣活塞和作功活塞，壓氣活塞和作功活塞設置在一雙面齒條的兩端，作功 活塞直接驅(qū)動雙面齒條和壓氣活塞往復運動產(chǎn)生壓縮空氣和對外輸出動力；動力輸出方式是雙面齒條上下兩面分別設置兩套傳動齒輪帶動兩根傳動軸往復 轉(zhuǎn)動，向外輸出兩路方向相反的往復轉(zhuǎn)動力，在發(fā)動機殼體外設置動力集成機構，動力集成 機構將兩路轉(zhuǎn)動方向相反的往復轉(zhuǎn)動力集成成連續(xù)的同一方向轉(zhuǎn)動的力；空氣增壓方式是在發(fā)動機殼體外部設置集氣室，壓氣活塞在作功活塞完成吸壓 爆排四個沖程的同時完成兩次吸氣和壓氣，壓縮后的氣體通過單向閥和管道注入集氣室， 集氣室通過管道與作功氣缸的進氣道連接，在作功氣缸進氣時推動作功活塞作功并注入至 少兩倍作功氣缸體積的氣體實現(xiàn)發(fā)動機的增壓。
具體結構是由發(fā)動機殼體、作功氣缸、壓氣氣缸、作功活塞、壓氣活塞、雙面齒條、 上傳動齒輪、下傳動齒輪、上傳動軸、下傳動齒輪下傳動軸和動力集成機構，其中，作功氣 缸、壓氣氣缸對稱設置在發(fā)動機殼體之中，作功活塞和壓氣活塞分別設置在作功氣缸和壓 氣氣缸之中并連接在雙面齒條的兩端，雙面齒條的上下兩面分別設置上傳動軸和下傳動 軸，上傳動齒輪和下傳動齒輪分別設置在上下兩根傳動軸上并與雙面齒條的上下兩面齒條 嚙合，上下兩根傳動軸的端部與動力集成機構連接。在發(fā)動機殼體1外部設置集氣室，壓氣 氣缸通過單向閥和管道與集氣室連接，集氣室通過管道與作功氣缸的進氣道連接。動力集成機構有兩種方式，一種是連桿曲軸式結構是由偏心輪、連桿和曲軸組成， 偏心輪分別設置在上下兩根傳動軸的端部，連桿的兩端連接偏心輪和曲軸。另一種是單向齒輪式結構是由左轉(zhuǎn)單向齒輪、右轉(zhuǎn)單向齒輪、換向齒輪、動力集成 齒輪和動力輸出軸組成，左轉(zhuǎn)單向齒輪和右轉(zhuǎn)單向齒輪分別設置在上下傳動軸的端部，左 轉(zhuǎn)單向齒輪與動力集成齒輪嚙合，右轉(zhuǎn)單向齒輪通過換向齒輪與動力集成齒輪嚙合，動力 集成齒輪與動力輸出軸固定。本發(fā)明的發(fā)動可以應用于汽油發(fā)動機、柴油發(fā)動機，壓氣氣缸的容積等于或大于 作功氣缸的容積，由于本發(fā)明的活塞是平行直推式工作方式，所以對置的氣缸的直徑可以 不對稱，大容積的呀氣缸可以較高較多的壓縮空氣。本發(fā)明的增壓式活塞直驅(qū)增壓發(fā)動機所具有的優(yōu)異效果是結構簡單，易于加工， 體積小重量輕，省去傳統(tǒng)發(fā)動機配置的巨大曲軸箱以及沉重的曲軸和連桿，體積可以減少 二分之一以上，也不需要外置渦輪增壓器，可以顯著地提高發(fā)動機的動力重量比，氣缸不產(chǎn) 生側向磨損，直行直驅(qū)，能量全部輸出，有效提高使用壽命長和節(jié)約能源。
附圖1為活塞直驅(qū)增壓發(fā)動機的結構示意圖；附圖2為圖1的斷面結構示意圖；附圖3為單向齒輪式動力集成結構示意圖。附圖標記說明發(fā)動機殼體1、作功氣缸2、作功活塞3、雙面齒條4、上傳動齒輪5、 上傳動軸6、下傳動齒輪7、下傳動軸8、偏心輪9、連桿10、曲軸11、動力集成齒輪12、動力輸 出軸13、換向齒輪14、右轉(zhuǎn)單向齒輪15、左轉(zhuǎn)單向齒輪16、扇形齒輪17、啟動齒輪18、壓氣 氣缸19、壓氣活塞20、集氣室21。
具體實施例方式參照說明書附圖對本發(fā)明的增壓發(fā)動機作以下詳細地說明。本發(fā)明的活塞直驅(qū)增壓發(fā)動機，其結構是由發(fā)動機殼體1、集氣室21、作功氣缸2、 壓氣氣缸19、作功活塞3、壓氣活塞20、雙面齒條、上傳動齒輪5、下傳動齒輪7、上傳動軸6、 下傳動齒輪7下傳動軸8和動力集成機構組成，其中，作功氣缸2、壓氣氣缸19對稱設置在 發(fā)動機殼體1之中，作功活塞3和壓氣活塞20分別設置在作功氣缸2和壓氣氣缸19之中 并連接在雙面齒條4的兩端，雙面齒條4的上下兩面分別設置上傳動軸6和下傳動軸8，上 傳動齒輪5和下傳動齒輪7分別設置在上下兩根傳動軸6、8上并與雙面齒條4的上下兩面 齒條嚙合，上下兩根傳動軸6、8的端部與動力集成機構連接；在發(fā)動機殼體1外部設置集氣室21，壓氣氣缸19通過單向閥和管道與集氣室21連接，集氣室21通過管道與作功氣缸2的進氣道連接。動力集成機構有兩種方式，一種是連桿曲軸式結構，是由偏心輪9、連桿10和曲軸 11組成，偏心輪9分別設置在上下兩根傳動軸6、8的端部，連桿10的兩端連接偏心輪9和 曲軸Ilo另一種是單向齒輪式結構是由左轉(zhuǎn)單向齒輪16、右轉(zhuǎn)單向齒輪15、換向齒輪14、 動力集成齒輪12和動力輸出軸13組成，左轉(zhuǎn)單向齒輪16和右轉(zhuǎn)單向齒輪15分別設置在 上下傳動軸6、8的端部，左轉(zhuǎn)單向齒輪16與動力集成齒輪12嚙合，右轉(zhuǎn)單向齒輪15通過 換向齒輪14與動力集成齒輪12嚙合，動力集成齒輪12與動力輸出軸13固定。實施例1 在本發(fā)明的設計中，雙面齒條上各面齒的數(shù)量大于等于上下齒輪5、7的 數(shù)量，雙面齒條4往返一次可以同時驅(qū)動上下齒輪5、7正反旋轉(zhuǎn)兩周。如果采用弧長與活塞壓縮行程相當?shù)纳刃锡X輪17與設置在上傳動軸6或下傳動 軸8上的啟動齒輪18嚙合用于發(fā)動機的啟動，雙面齒條4的齒數(shù)可以大于上齒輪5和下齒 輪7的齒輪，也就是雙面齒條4往返一次可以驅(qū)動上下齒輪5、7轉(zhuǎn)動兩周以上，如果按傳統(tǒng) 發(fā)動機活塞的工作頻率，本發(fā)明的發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)數(shù)至少可以提高1倍以上，功率至少可以 增加1倍以上。通過以上分析，本發(fā)明的發(fā)動機可設計活塞有較大的行程，或者說能獲得較大的 壓縮比，這對提高發(fā)動機的節(jié)油效果是非常明顯的，尤其是柴油發(fā)動機。曲軸連桿式動力集成機構和單向齒輪式動力集成機構用于發(fā)動機設計時，曲軸連 桿式動力集成機構用于發(fā)動機的啟動或動力輸出，單向齒輪式動力集成機構用于動力輸
出ο實施例2 在計算壓縮比和點火時間上，本發(fā)明的雙面齒條直驅(qū)式結構也比傳統(tǒng)的曲軸連桿 式結構來的簡單方便，因為活塞的行程就是齒條的移動距離，齒條的移動距離直接通過傳 動軸的正反轉(zhuǎn)測出，就能使人們能夠選測最佳的點火時間或壓縮比，獲得最大的節(jié)油效果 和功率輸出。發(fā)動機氣缸在發(fā)動機殼體內(nèi)為雙排相對設置，中間通過齒輪箱連接，這樣分三部 分加工，工藝就變得相當簡單，為裝配和維修提供了方便。如果設計多作功氣缸和多壓氣氣 缸的發(fā)動機，兩種氣缸可以交叉相錯排列，比如作功氣缸與壓氣氣缸相鄰排列，每一排里既 有作功氣缸也有壓氣氣缸，共同使用一個集氣室，這樣發(fā)動機工作起來更加平穩(wěn)。如果儲氣筒具有足夠的容積和耐高壓性，加上本發(fā)明發(fā)動機的長行程性，通過調(diào) 節(jié)閥控制，完全可以用于雙動力環(huán)保氣動汽車的開發(fā)。本發(fā)明發(fā)動機的點火系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及潤滑系統(tǒng)與傳統(tǒng)發(fā)動機相 同，均為公知技術，可以移植直接應用，因此不再此文中復述。
權利要求
一種活塞直驅(qū)增壓發(fā)動機的設計方法，其特征在于，在發(fā)動機殼體內(nèi)對稱設置作功氣缸和壓氣氣缸并分別設置壓氣活塞和作功活塞，壓氣活塞和作功活塞設置在一雙面齒條的兩端，作功活塞直接驅(qū)動雙面齒條和壓氣活塞往復運動產(chǎn)生壓縮空氣和對外輸出動力；動力輸出方式是雙面齒條上下兩面分別設置兩套傳動齒輪帶動兩根傳動軸往復轉(zhuǎn)動，向外輸出兩路方向相反的往復轉(zhuǎn)動力，在發(fā)動機殼體外設置動力集成機構，動力集成機構將兩路轉(zhuǎn)動方向相反的往復轉(zhuǎn)動力集成成連續(xù)的同一方向轉(zhuǎn)動的力；空氣增壓方式是在發(fā)動機殼體外部設置集氣室，壓氣活塞在作功活塞完成吸壓爆排四個沖程的同時完成兩次吸氣和壓氣，壓縮后的氣體通過單向閥和管道注入集氣室，集氣室通過管道與作功氣缸的進氣道連接，在作功氣缸進氣時推動作功活塞作功并注入至少兩倍作功氣缸體積的氣體實現(xiàn)發(fā)動機的增壓。
2.活塞直驅(qū)增壓發(fā)動機，其特征在于包括，發(fā)動機殼體、作功氣缸、壓氣氣缸、作功活 塞、壓氣活塞、雙面齒條、上傳動齒輪、下傳動齒輪、上傳動軸、下傳動齒輪下傳動軸和動力 集成機構，其中，作功氣缸、壓氣氣缸對稱設置在發(fā)動機殼體之中，作功活塞和壓氣活塞分 別設置在作功氣缸和壓氣氣缸之中并連接在雙面齒條的兩端，雙面齒條的上下兩面分別設 置上傳動軸和下傳動軸，上傳動齒輪和下傳動齒輪分別設置在上下兩根傳動軸上并與雙面 齒條的上下兩面齒條嚙合，上下兩根傳動軸的端部與動力集成機構連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的活塞直驅(qū)增壓發(fā)動機，其特征在于動力集成機構是由偏心 輪、連桿和曲軸組成，偏心輪與分別設置在上下兩根傳動軸的端部，連桿的兩端連接偏心輪 禾口曲軸。
4.根據(jù)權利要求2所述的活塞直驅(qū)增壓發(fā)動機，其特征在于動力集成機構是由左轉(zhuǎn)單 向齒輪、右轉(zhuǎn)單向齒輪、換向齒輪、動力集成齒輪和動力輸出軸組成，左轉(zhuǎn)單向齒輪和右轉(zhuǎn) 單向齒輪分別設置在上下傳動軸的端部，左轉(zhuǎn)單向齒輪與動力集成齒輪嚙合，右轉(zhuǎn)單向齒 輪通過換向齒輪與動力集成齒輪嚙合，動力集成齒輪與動力輸出軸固定。
5.根據(jù)權利要求1、2所述的活塞直驅(qū)增壓發(fā)動機，其特征在于壓氣氣缸的容積等于或 大于作功氣缸的容積。
6.根據(jù)權利要求1所述的活塞直驅(qū)增壓發(fā)動機設計方法，其特征在于曲軸連桿式動力 集成機構和單向齒輪式動力集成機構用于發(fā)動機設計時，曲軸連桿式動力集成機構用于發(fā) 動機的啟動或動力輸出，單向齒輪式動力集成機構用于動力輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供一種活塞直驅(qū)增壓發(fā)動機及設計方法，是由發(fā)動機殼體、作功氣缸、壓氣氣缸、作功活塞、壓氣活塞、雙面齒條、上傳動齒輪、下傳動齒輪、上傳動軸、下傳動齒輪下傳動軸和動力集成機構組成，其中，作功氣缸、壓氣氣缸對稱設置在發(fā)動機殼體之中，作功活塞和壓氣活塞分別設置在作功氣缸和壓氣氣缸之中并連接在雙面齒條的兩端，雙面齒條的上下兩面分別設置上傳動軸和下傳動軸，上傳動齒輪和下傳動齒輪分別設置在上下兩根傳動軸上并與雙面齒條的上下兩面齒條嚙合，上下兩根傳動軸的端部與動力集成機構連接。該發(fā)動的特點是，結構簡單、易于加工、有較高的重量動力比、耗油低、用途廣。
文檔編號F02B33/02GK101806241SQ20101011009
公開日2010年8月18日 申請日期2010年2月20日 優(yōu)先權日2010年2月20日
發(fā)明者姜明 申請人:姜明