專利名稱：具有儲能彈簧的往復(fù)活塞式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
具有儲能彈簧的往復(fù)活塞式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，屬于發(fā)動機(jī)制造和節(jié)能減排技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
汽車整車運(yùn)行效率低于10%，發(fā)動機(jī)效率低于20%，屬于高耗能、低效率的典型裝置。提高發(fā)動機(jī)效率是汽車廠家極力追求的目標(biāo)，雖然有多種措施可以采取，但真正的成效并不大，難有突破性進(jìn)展。發(fā)動機(jī)效率低的原因是多方面的，包括
I.普通往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)中，由于運(yùn)動方式的限制，燃燒產(chǎn)生的能量大部分不能作為動力輸出，而是變成缸體熱量散發(fā)掉。當(dāng)汽缸壓縮到最小，點燃后產(chǎn)生的膨脹力最大，而此時活塞的運(yùn)動速度卻為零；而當(dāng)連桿與曲軸半徑方向垂直時，活塞運(yùn)動速度最大，而此時燃燒產(chǎn)生的膨脹力只剩下最大時的幾分之一，而且轉(zhuǎn)速越低此刻的膨脹力越小。機(jī)械能不能正常輸出，導(dǎo)致汽缸腔內(nèi)氣體降溫不是膨脹做功引起的，而是熾熱氣體與缸壁交換熱量引起的，效率超低也就是很自然了。上述原因?qū)е碌膬?nèi)燃機(jī)效率低下，而且當(dāng)轉(zhuǎn)速低于大約 3000轉(zhuǎn)/分時，轉(zhuǎn)速越低，效率越低。除了高速公路上行駛外，一般道路上行駛，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速都低于該值，特別是在城市道路上，效率不及經(jīng)濟(jì)速度時的70%。2.排氣時汽缸中存在死空間，導(dǎo)致廢氣重復(fù)利用,汽缸中氧氣量比自然大氣中少約10%，不但降低了內(nèi)燃機(jī)功率，而且也降低了燃燒效率。3.高速行駛時摩擦力大增導(dǎo)致效率降低，包括兩方面的原因。一方面原因是，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，燃料燃燒不充分就被排掉了，導(dǎo)致效率下降，尾氣污染加大。如果汽缸能迅速膨脹，高轉(zhuǎn)速下燃燒不充分的問題可以得到一定程度的緩解。另一方面的原因或許更主要，即高轉(zhuǎn)速下摩擦力加大。曲軸和連桿之間，連桿和活塞之間的加速度力與轉(zhuǎn)速的平方成正比， 當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到6000轉(zhuǎn)/分，該加速度力可達(dá)幾萬牛頓，即使只有1%左右的摩擦系數(shù)，摩擦導(dǎo)致的效率降低也可達(dá)到30%以上，當(dāng)轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，該項摩擦力增加的影響就比較小了，但也高達(dá)15%。減小連桿和活塞的重量，可以按比例減小加速度力，但可能導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度不夠。上述三個因素中，第一個是最主要的，提高的潛力也是最大的。曲軸連桿傳動的往復(fù)活塞式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)推動了汽車工業(yè)的成長，經(jīng)過百多年的發(fā)展，技術(shù)水平的繼續(xù)提高已經(jīng)變得非常困難。提高潤滑效果，增大工作面積等手段雖然有一定的效果，但實質(zhì)性改變卻很有限。要想大幅度提高汽車內(nèi)燃機(jī)的效率，唯一的方法是改變工作模式。數(shù)十年來，多種技術(shù)方案被提出和研究開發(fā)，包括各類旋轉(zhuǎn)型發(fā)動機(jī)，但性能都沒有超過傳統(tǒng)的往復(fù)活塞式結(jié)構(gòu)。重點針對第一個因素，三個因素一并解決，提高發(fā)動機(jī)整體效率，是本發(fā)明的主要目的
發(fā)明內(nèi)容
具有儲能彈簧的往復(fù)活塞式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，采用往復(fù)運(yùn)動活塞式結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的技術(shù)特征在于，采用雙活塞結(jié)構(gòu)，其中下活塞11與連桿12相連，上活塞13和下活塞12之間設(shè)置強(qiáng)力儲能彈簧13，下活塞只是在彈簧和連桿之間起穩(wěn)定連接的功能。下活塞采用非密封結(jié)構(gòu)，一則減輕重量，二是讓潤滑機(jī)油順利通過下活塞對上活塞進(jìn)行潤滑和密封。彈簧的長度和彈力設(shè)置使得下活塞到達(dá)上止點時，彈簧處于自然不受力狀態(tài)，上活塞剛好到達(dá)汽缸端蓋，或者當(dāng)上活塞到達(dá)汽缸端蓋時，彈簧上還有一定的壓應(yīng)力。采用本發(fā)明后，排氣沖程完成后的汽缸死空間問題得到徹底解決，發(fā)動機(jī)的功率和效率都得到一定程度的提高。所述發(fā)動機(jī)的排氣和吸氣沖程與普通的往復(fù)式活塞內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的兩個沖程沒本質(zhì)差別。在壓縮沖程中，曲軸連桿帶動下活塞向上運(yùn)動，通過彈簧和上活塞對汽缸進(jìn)行壓縮，壓縮比取決與彈簧的原始長度和彈性常數(shù)。彈簧的原始長度10厘米，彈性彈性常數(shù) 600000牛頓/米，壓縮O. 8厘米就可以產(chǎn)生約5000牛頓的壓縮力，對面積50平方厘米的活塞產(chǎn)生10 1的壓縮比。與普通往復(fù)式活塞內(nèi)燃發(fā)動機(jī)最大的差別在于燃燒沖程。普通往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)中，每個燃燒沖程起始階段膨脹很慢，導(dǎo)致燃燒產(chǎn)生的能量不能正常輸出轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而是絕大部分轉(zhuǎn)化為缸體上的熱量散發(fā)掉。本發(fā)明中，燃燒開始時，上下活塞之間有大約5厘米的空間。燃燒產(chǎn)生的巨大膨脹力，使得上活塞迅速運(yùn)動，其速度可在瞬間達(dá)到勻速運(yùn)動的下活塞的數(shù)倍，并且壓縮彈簧儲存彈性勢能。換句話說，燃燒產(chǎn)生的能量，迅速轉(zhuǎn)化為上活塞的動能和彈簧的勢能，而不是轉(zhuǎn)化成缸體上的熱。迅速轉(zhuǎn)化成機(jī)械能導(dǎo)致氣缸內(nèi)熾熱的氣體迅速降溫，只有少量能量傳給缸體消耗掉。在燃燒沖程的后半段，汽缸內(nèi)的壓力迅速降低，下活塞減速運(yùn)動，此時已經(jīng)儲存在上活塞和彈簧上的機(jī)械能又開始傳遞給下活塞，并經(jīng)過連桿和曲軸輸出。詳細(xì)的分析表明，合理設(shè)計上下活塞間距、彈簧的各個參數(shù)和上活塞質(zhì)量，所述的發(fā)動機(jī)比已有的往復(fù)式活塞發(fā)動機(jī)效率至少提高一倍。需要說明的是，為了達(dá)到最高效率，汽缸的壓縮比應(yīng)適當(dāng)降低，一般情況下應(yīng)降低到5 :1以下，這樣彈簧的彈性常數(shù)也相應(yīng)降低，使得機(jī)械能更容易輸出。缸體、端蓋、火花塞、進(jìn)排氣口、正時齒輪、凸輪、潤滑系統(tǒng)等都屬于傳統(tǒng)技術(shù)，由于不屬于本發(fā)明保護(hù)范圍，所以在權(quán)利要求和說明書中不詳細(xì)說明，也沒有在附圖中專門標(biāo)注。本發(fā)明結(jié)構(gòu)比普通往復(fù)活塞式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)略微復(fù)雜，可以應(yīng)用已有的生產(chǎn)線和技術(shù)進(jìn)行加工，無需增加設(shè)備，適合大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明適合包括汽油機(jī)、柴油機(jī)在內(nèi)的各類往復(fù)活塞式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)。由于效率大幅度提高，對于汽車工業(yè)的發(fā)展和節(jié)能減排將起到巨大的作用。


圖I為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。其中10為缸體，11為下活塞，12為連桿，13為上活塞，14為儲能彈簧，15為活塞環(huán)，16為曲軸。圖2為四沖程過程不意圖。
其中(a)為吸氣沖程的起始狀態(tài)，(b)為壓縮沖程的起始狀態(tài)，(c)為燃燒沖程的起始狀態(tài)，Cd)為吸氣沖程的起始狀態(tài)。
具體實施例方式排氣量O. 4升，汽缸長度為20厘米，截面積50平方厘米，儲能彈簧原始長度10厘米，壓縮到5厘米時，彈力為30000牛頓，彈性常數(shù)為600000牛頓/米。上活塞質(zhì)量為O. 5 千克，當(dāng)壓縮比為10 :1，在燃燒沖程開始時，施加在上活塞上的氣體膨脹力大約為5000牛頓，彈簧被壓縮了 O. 83厘米，因此在排氣沖程完成時，上活塞位于汽缸頂部，基本處于自由狀態(tài)。假定燃燒產(chǎn)生的膨脹力為30000牛頓，產(chǎn)生的瞬時加速度為50000米/秒平方。上活塞最大儲存動能可達(dá)到200焦耳以上，儲能彈簧最大儲能達(dá)到750焦耳，兩者之和遠(yuǎn)大于一個燃燒沖程中燃料燃燒釋放的能量，為實現(xiàn)高效工作提供了前提條件。
權(quán)利要求
1.具有儲能彈簧的往復(fù)活塞式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，采用往復(fù)運(yùn)動活塞式結(jié)構(gòu)，其特征在于，采用雙活塞結(jié)構(gòu)，其中下活塞(11)與連桿(12)相連，上活塞(13)和下活塞之間設(shè)置強(qiáng)力儲能彈簧(14)，下活塞只是在彈簧和連桿之間起穩(wěn)定連接的功能；下活塞采用非密封結(jié)構(gòu)，一則減輕重量，二是讓潤滑機(jī)油順利通過下活塞對上活塞進(jìn)行潤滑和密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有儲能彈簧的往復(fù)活塞式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，其特征在于，彈簧的長度和彈力設(shè)置使得下活塞到達(dá)上止點時，彈簧處于自然不受力狀態(tài)，上活塞剛好到達(dá)汽缸端蓋，或者當(dāng)上活塞到達(dá)汽缸端蓋時，彈簧上還有一定的壓應(yīng)力。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有儲能彈簧的往復(fù)活塞式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)可以組合成多缸結(jié)構(gòu)。
全文摘要
具有儲能彈簧的往復(fù)活塞式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，屬于發(fā)動機(jī)制造和節(jié)能減排技術(shù)領(lǐng)域。采用雙活塞結(jié)構(gòu)，其中下活塞與連桿相連，上活塞和下活塞之間設(shè)置強(qiáng)力儲能彈簧，下活塞只是在彈簧和連桿之間起穩(wěn)定連接的功能。下活塞采用非密封結(jié)構(gòu)，一則減輕重量，二是讓潤滑機(jī)油順利通過下活塞對上活塞進(jìn)行潤滑和密封。本發(fā)明結(jié)構(gòu)比普通往復(fù)活塞式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)略微復(fù)雜，可以應(yīng)用已有的生產(chǎn)線和技術(shù)進(jìn)行加工，無需增加設(shè)備，適合大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明適合包括汽油機(jī)、柴油機(jī)在內(nèi)的各類往復(fù)活塞式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)。由于效率大幅度提高，對于汽車工業(yè)的發(fā)展和節(jié)能減排將起到巨大的作用。
文檔編號F02B75/40GK102606301SQ20121011403
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者李德杰 申請人:李德杰