專利名稱：一種具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機，尤其涉及一種具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機。
背景技術(shù)：
汽車和輕型飛機工業(yè)的內(nèi)燃機設(shè)計和制造技術(shù)已經(jīng)很發(fā)達。為了在商業(yè)上的應用，任何新型的發(fā)動機結(jié)構(gòu)，必須在不犧牲性能的情況下，能夠在節(jié)約能源和原材料上有明顯的改善(特別是燃油消耗的改善)，達到環(huán)境保護和污染控制的目的，并在乘客的安全性和舒適性方面有顯著改善，以及采用有競爭力的設(shè)計和生產(chǎn)方法來降低成本和重量。新的發(fā)動機結(jié)構(gòu)必須具有在簡單的機械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上使摩擦損失最小化，而且必須適合發(fā)展最大限度地提高燃燒效率和增大燃油利用率的技術(shù)。也就是說，新的發(fā)動機結(jié)構(gòu)應具體解決在內(nèi)燃機中最主要要的摩擦力損耗的問題；并且發(fā)動機應具有最佳體積和最高燃燒效率的燃燒室；還要能適合于利用先進的增壓和燃油直噴技術(shù)。新的發(fā)動機結(jié)構(gòu)必需在重量上更輕，最好能夠減小高度尺寸，從而提高適配性和乘客的安全性。對于在汽車上的應用，發(fā)動機高度的降低就可以允許將發(fā)動機安裝在座位下或行李箱中。對于在輕型飛機上的應用，低的外形尺寸就允許發(fā)動機被直接安裝在機翼內(nèi)，甚至不需要發(fā)動機導流罩。新的發(fā)動機結(jié)構(gòu)應該能達到動態(tài)平衡，以盡量減少噪音和振動。理論上，能夠?qū)崿F(xiàn)完全平衡的發(fā)動機就是兩缸發(fā)動機；而大的發(fā)動機僅需在結(jié)構(gòu)上把這種小發(fā)動機連接到一起。在低負荷條件下，發(fā)動機的整體(隨同其相關(guān)的機械損耗)可以在脫離的同時又不會破壞發(fā)動機的平衡性。對于汽車和輕型飛機來說，盡管運用外部連續(xù)燃燒技術(shù)(例如斯特林發(fā)動機和燃料電池)最終能為汽車和輕型飛機提供低排放且高效的動力，但由于其在重量、空間、駕駛性能、能量密度和成本上的固有缺點，這些技術(shù)仍然不能替代內(nèi)燃機，對于這些應用領(lǐng)域活塞式內(nèi)燃機在許多年以內(nèi)還將是最重要的動力形式。當前在汽車市場上四沖程內(nèi)燃機占主導地位，其通常為四缸直列布置。為了實現(xiàn)發(fā)動機做功過程的連續(xù)和穩(wěn)定一般至少需要四個氣缸做功，因此就決定了發(fā)動機的尺寸和形狀會很大，因此極大的限制了工程師在整車內(nèi)布置發(fā)動機位置的選擇。這類發(fā)動機擁有的較小的氣缸對于燃燒的效率或者說對于降低初始氣體的排放并不是最佳的設(shè)計方案。四缸直列的布置方式對于乘客的駕乘感受也有負面的影響，因其設(shè)計帶來的運動件不平衡力導致了高的噪音和高的振動幅度。長期以來發(fā)動機的設(shè)計者已經(jīng)認識到二沖程發(fā)動機對于四沖程發(fā)動機具有更明顯地優(yōu)勢:曲軸每旋轉(zhuǎn)一周每個氣缸就有一次做功沖程；所以相比較于四沖程的發(fā)動機在相同轉(zhuǎn)速速率下，二沖程發(fā)動機輸出的功率會是四沖程發(fā)動機的二倍。通常氣缸數(shù)越少機械結(jié)構(gòu)就會越簡單而且便于運輸。而二沖程發(fā)動機相比四沖程發(fā)動機不僅結(jié)構(gòu)簡單，同時進排氣口打開和關(guān)閉的機構(gòu)也非常簡單。然而，二沖程發(fā)動機因為其明顯的缺點而限制了它的應用。即二沖程發(fā)動機平均有效壓力(即，容積效率較差)低于四沖程發(fā)動機，因為在每個沖程中都會損失一些有效地燃料混合氣用于移除之前做功沖程的燃燒產(chǎn)物(掃氣)或者用于助燃空氣的補充過程，因此做功沖程會失去這部分燃料提供的動力。掃氣是二沖程發(fā)動機固有的問題，尤其是當發(fā)動機必須在超過某個大范圍的速度并在負載的條件下運行時。二沖程壓燃式(柴油)發(fā)動機還有其它已知的缺點，包括起動性差和高顆粒物排放?，F(xiàn)代增壓和燃油直噴技術(shù)可以克服許多二沖程發(fā)動機以前的限制，使得兩缸二沖程發(fā)動機代替四缸四沖程發(fā)動機變得可行。假如一個兩缸二沖程發(fā)動機和四缸四沖程發(fā)動機有相同的著火頻率。如果二沖程發(fā)動機能夠提供四沖程發(fā)動機2/3的平均有效壓力，并且二沖程發(fā)動機每個缸的有效容積比四沖程發(fā)動機增加50%，那么這兩種發(fā)動機能夠產(chǎn)生幾乎相同的輸出功率。數(shù)量更少但體積更大的二沖程發(fā)動機燃燒室在提高燃燒效率和減少初始氣體排放上將有更好的表現(xiàn)；二沖程還可以去除像四沖程發(fā)動機那樣的氣閥，因此允許在燃燒室的設(shè)計上擁有更大的靈活性。目前生產(chǎn)的發(fā)動機已知的缺點是有顯著地摩擦損失；因此通過減少這些摩擦損失可以達到提高發(fā)動機效率的目的。當前生產(chǎn)的汽車發(fā)動機摩擦損失最大的部分來源于旋轉(zhuǎn)的連桿推動活塞在氣缸壁產(chǎn)生的側(cè)向力，這部分摩擦大約占整個摩擦損失的一半。這個損失的大小可以用一個關(guān)系式來表示:即曲軸曲柄半徑r，除以連桿長度I ;這個比值通常稱為入。想要減小λ，可以通過增加連桿有效長度或減少曲軸的曲柄半徑，這樣就可以最大化的降低整體的摩擦損失。由于活塞(或者更精確的說是活塞環(huán))和氣缸壁接觸導致的摩擦損失和活塞相對于氣缸壁的平均速度同樣有一個對應關(guān)系。即在保持同樣的功率輸出的同時降低活塞的速度，也可以使摩擦損失相應減少。目前發(fā)動機另一個主要的的摩擦損失來源于作用在曲軸主軸頸上的巨大載荷。一個典型的四氣缸直列式發(fā)動機有五個曲軸主軸頸，這是由于有數(shù)噸重的爆發(fā)力作用在曲軸上所以這樣的曲軸結(jié)構(gòu)是必要的，因為這些力必然會轉(zhuǎn)移到發(fā)動機的支撐結(jié)構(gòu)上，即曲軸的主軸頸上。曲軸和發(fā)動機的支撐結(jié)構(gòu)必須被設(shè)計擁有足夠的強度(和有相應的權(quán)重)，以承受這么大的載荷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種相比目前的四缸四沖程發(fā)動機性能更好的兩缸二沖程內(nèi)燃機:擁有改進的容積效率、降低的高度尺寸和減少的重量而獲得的更靈活的安裝條件、適合發(fā)展增壓和燃油噴射技術(shù)的基礎(chǔ)、基本能達到總的動平衡的特性和可降低成本的簡單機械結(jié)構(gòu)的要求。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:一種具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其中，包括:—左右對置的氣缸,兩所述氣缸之間具有一曲軸；每一所述氣缸均具有往復運動的一內(nèi)活塞和一外活塞，所述內(nèi)活塞和所述外活塞之間形成一燃燒室；兩所述內(nèi)活塞分別通過推桿與所述曲軸連接，兩所述外活塞分別通過拉桿與所述曲軸連接；
每一所述氣缸均具有進氣口、排氣口和燃油噴射口，所述進氣口和所述排氣口圍繞所述氣缸成環(huán)狀設(shè)置，并且每一所述燃油噴射口設(shè)置在每一所述氣缸的中心位置處；所述左氣缸的外活塞控制對應的進氣口，所述左氣缸的內(nèi)活塞控制對應的排氣Π ；所述右氣缸的內(nèi)活塞控制對應的進氣口，所述右氣缸的外活塞控制對應的排氣Π ；還包括兩增壓器，每一所述氣缸連接一所述增壓器。上述的一種具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其中，兩所述內(nèi)活塞和兩所述外活塞分別包含一組活塞環(huán)，所述活塞環(huán)設(shè)置在活塞燃燒面后面的活塞體上，以防止氣體泄漏。上述的一種具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其中，每一所述氣缸的推桿和拉桿為非對稱設(shè)置，這使得每一所述氣缸的排氣口在進氣口打開之前打開，排氣口在進氣口關(guān)閉之如關(guān)閉。上述的一種具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其中，每一所述氣缸的拉桿軸頸與所述推桿軸頸的角度為155°。上述的一種具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其中，所述曲軸具有若干曲軸頸，所述曲軸頸按設(shè)定角度布置以使每一所述氣缸的活塞控制的排氣口的正時使排氣口在進氣口打開之前打開，在進氣口關(guān)閉之前關(guān)閉，使得所述排氣口的背壓可獨立控制所述燃燒室的氣壓。上述的一種具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其中，活塞控制所述進氣口和所述排氣口打開的提前角為所述曲軸旋轉(zhuǎn)角的25°。上述的一種具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其中，每一所述外活塞的有效質(zhì)量乘以相應的曲軸頸行程的值與每一所述內(nèi)活塞的有效質(zhì)量乘以相應的曲軸頸行程的值相等。上述的一種具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其中，所述曲軸縱向軸的垂直平面方向上形成凸面；所述推桿具有一個凹面滑動結(jié)合于所述內(nèi)活塞的彎曲端面上。上述的一種具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其中，一所述氣缸的進氣口靠近曲軸，另一所述氣缸的進氣口遠離曲軸。上述的一種具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其中，所述增壓器為電動/發(fā)電機輔助渦輪增壓器。因此,我們開發(fā)了一款發(fā)動機結(jié)構(gòu)，即利用一個曲軸和兩個對置氣缸，氣缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)的末端與曲軸相連。每個氣缸包含兩個相向運動的內(nèi)活塞和外活塞，并在兩活塞之間形成燃燒室。推桿用于連接兩個內(nèi)活塞和曲軸，拉桿用于連接兩個外活塞和曲軸。此外，本發(fā)明的曲軸最好有至少有四個單獨的軸頸，以用于連接各自的拉桿和推桿。每個氣缸在各自氣缸的兩端排列著空氣進氣口和排氣口，在與燃燒室連通的進氣口和排氣口之間設(shè)置燃油噴射裝置。本發(fā)明的一個重要特點是:為了使發(fā)動機運行時將動態(tài)不平衡最小化而需要選擇發(fā)動機的幾何形狀和運動件的質(zhì)量。更具體的說，應更好的選擇每一個外活塞的有效質(zhì)量，如果同一個氣缸中外活塞的有效質(zhì)量乘以對應曲軸頸的曲柄半徑的值等于內(nèi)活塞的有效質(zhì)量乘以對應曲軸頸的曲柄半徑的值。這樣就可以基本上消除動態(tài)不平衡。為了進一步優(yōu)化本發(fā)明，每個氣缸的拉桿頸和推桿頸都是不對稱布置的，這樣可使與其相連氣缸的排氣口在進氣口打開之前打開，在進氣口關(guān)閉之前關(guān)閉。這種不對稱的打開正時也可以利用增壓器技術(shù)來提高發(fā)動機的效率。為了使本發(fā)明中進排氣口不對稱開啟，同時又基本上保持動態(tài)平衡，那么需要一個氣缸在內(nèi)活塞內(nèi)端臨近曲軸的地方設(shè)置進氣口，而另一個氣缸則需要在外活塞外端遠離曲軸的地方設(shè)置進氣口。本發(fā)明還有另一個特點是每個內(nèi)活塞背面的頂端有一個光滑的端面，這個端面彎曲成凸面，并垂直于曲軸縱向軸線。然后，一個與之對應的推桿組件包含一個一端連接在曲軸頸上的連桿，而另一端有一個凹狀的端面與內(nèi)活塞背面的外端表面滑動結(jié)合。這種推桿設(shè)置可以有效的延長推桿，從而達到減小摩擦損失和改善動平衡的目的。本發(fā)明中外活塞要將動力正常的傳遞力給曲軸，那么為每個氣缸配置兩個拉桿是最好的方案。這兩個拉桿組件分別布置在對置氣缸的兩側(cè)，它們的一端套在對應的曲軸軸頸上，而它們遠離曲軸的可旋轉(zhuǎn)的另一端連接在對應外活塞的后端。本發(fā)明發(fā)動機實現(xiàn)最大功率效率最好的方案是為其提供增壓空氣到每個氣缸的進氣口。目前根據(jù)本發(fā)明具有非對稱正時的特性，我們設(shè)置了兩個增壓器，每個增壓器連接到對應氣缸的排氣口以接收氣缸排放的廢氣，這些氣體經(jīng)過增壓器增壓后輸送到對應氣缸的進氣口中。


圖1為本發(fā)明一種具有對置活塞對置氣缸單曲軸發(fā)動機的示意圖；圖2 Ca)為圖1中發(fā)動機曲軸的起始位置的示意圖；圖2 (b)為圖1中發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)45°的示意圖；圖2 (C)至圖2 (h)分別為圖1中發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)90°、135°、180°、225°、270°以及315°的示意圖；圖3 Ca)為本發(fā)明中單個氣缸內(nèi)外活塞完全異相時的示意圖；圖3 (b)為本發(fā)明中一個基本的對置活塞發(fā)動機中兩個氣缸的內(nèi)活塞的不意圖；圖3 (c)為本發(fā)明中一個基本的對置活塞發(fā)動機中兩個氣缸的外活塞的示意圖；圖3 Cd)為本發(fā)明中氣缸的內(nèi)外活塞的示意圖；圖4 (a)為本發(fā)明中一個對置活塞對置氣缸發(fā)動機對稱活塞正時的示意圖；圖4 (b)為本發(fā)明中相同發(fā)動機非對稱進排氣正時的示意圖；圖4 (C)為本發(fā)明中一個對稱正時發(fā)動機，一個氣缸的進排氣位置互換的示意圖；圖4 Cd)為本發(fā)明中發(fā)動機的示意圖；圖5 Ca)為本發(fā)明中左氣缸不對稱正時的示意圖；圖5 (b)為本發(fā)明中右氣缸不對稱正時的不意圖；圖6為本發(fā)明一種具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機首選方案的主視圖；圖7為圖6的俯視圖；圖8為圖7中A-A的剖視圖；圖9 Ca)為本發(fā)明中左氣缸進排氣口的打開和關(guān)閉和曲柄角度的示意圖9 (b)為本發(fā)明中右氣缸進排氣口的打開和關(guān)閉和曲柄角度的不意圖；圖10為本發(fā)明中曲軸頸的剖面?zhèn)纫晥D；圖10 Ca)至圖10 Cd)分別為圖10中B-B、C_C、D_D以及E-E的剖視圖；圖11為本發(fā)明中曲軸頸部幾何形狀的示意圖；圖12 Ca)為現(xiàn)有技術(shù)增壓的原理圖；圖12 (b)為本發(fā)明中首選方案增壓的原理圖；圖13為本發(fā)明中一個首選方案中推桿的示意圖；圖14為本發(fā)明中一個首選方案中拉桿的示意圖；圖15 (a)至圖15 (C)為本發(fā)明中一個首選方案中燃燒室的不意圖；圖16 Ca)至圖16 (b)為一個潛在的替代燃燒室的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不作為本發(fā)明的限定。如圖1所不,本發(fā)明的發(fā)動機結(jié)構(gòu)包含一個左氣缸100, —個右氣缸200和一個位于氣缸之間的曲軸300(為了清晰表示，發(fā)動機的支撐結(jié)構(gòu)在圖1中已經(jīng)省去)。左氣缸100有一個外活塞110和一個內(nèi)活塞120，它們的燃燒表面分別是111和121，兩個活塞在這兩個表面之間構(gòu)成一個燃燒室150。右氣缸200同樣有一個外活塞210和一個內(nèi)活塞220，它們各自的燃燒表面211和221構(gòu)成燃燒室250。這四個活塞110，120，210和220都連接到曲軸300的各自單獨曲拐上。左氣缸的外活塞110通過拉桿機構(gòu)411連到曲軸曲拐311上；右氣缸的外活塞210同樣的通過拉桿機構(gòu)421連到曲軸曲拐321上。而圖1中只顯示了一根拉桿，首選方案的發(fā)動機中拉桿是成對使用的，就是一個拉桿在氣缸的近側(cè)，另一個拉桿在氣缸的遠側(cè)，并且這兩個拉桿以相同的角度和偏移尺寸連到單獨的曲軸頸上。因為拉桿411和421在發(fā)動機正常工作時總是受拉，并且在發(fā)動機起動時僅需要提供一個很小支持力用于壓縮，下文還會講到，因此它們就可以做到足夠小和足夠輕。拉桿411和421分別通過活塞銷114和214連接外活塞，這些銷穿到氣缸壁的凹槽內(nèi)(圖上沒顯示)；外活塞110和210被延長，并且活塞銷被安裝在活塞的后面以防止漏氣。相對于曲軸曲柄半徑，拉桿越長就越可以減少發(fā)動機的摩擦損失。左氣缸的內(nèi)活塞120通過推桿412被連到曲軸曲拐312上；同樣右氣缸的內(nèi)活塞220通過推桿422連到曲軸曲拐322上。在正常的發(fā)動機運行過程中，推桿412和422總是受壓的(下文將會討論);它并不是通過活塞銷連接到內(nèi)活塞，而是推桿分別有凹面413和423，騎在活塞背面里的柱形凸面125和225上。這種安裝方式有效拉長了推桿的長度并減少了摩擦損失和有利于發(fā)動機趨于動態(tài)平衡。四個活塞110，120，210和220分別顯示含有多個活塞環(huán)112，122，212和222，各自的活塞環(huán)在活塞燃燒面的后部。在發(fā)動機的具體的運行過程中，在活塞上通常會放置額外的活塞環(huán)以防止氣體泄漏到曲軸箱或者從氣缸壁上的夾槽(圖中未顯示)泄露出去，通過拉桿連接的外活塞也是相同的設(shè)計。氣缸100和200都有進排氣口和燃油噴射口。在左氣缸100中，外活塞110是進氣口 161的開關(guān)，內(nèi)活塞120是排氣口 163的開關(guān)。燃油噴射口 162位于氣缸中央附近。在右氣缸200中，內(nèi)活塞220是進氣口 261的開關(guān)，外活塞210是進氣口 263的開關(guān)。另外，燃油噴射口 262位于氣缸中央的附近。兩個氣缸的進排氣口不對稱布置是為了使發(fā)動機達到動態(tài)平衡，下文有敘述。四個曲軸曲拐311，312，321和322都相對于曲軸旋轉(zhuǎn)軸310有獨自的定位。內(nèi)活塞的曲拐312，322中心軸比外活塞的曲拐中心軸311，321更遠離曲軸旋轉(zhuǎn)軸，導致了內(nèi)活塞的行程比外活塞長。左邊內(nèi)活塞的曲拐312和右邊外活塞的曲拐321對應的這兩個氣缸的排氣口的打開和關(guān)閉總是提前的，而左邊外活塞的曲拐311和右邊外活塞的曲拐322總是滯后(注意:曲軸的旋轉(zhuǎn)方向是逆時針，如圖箭頭方向所示)。曲拐的獨特位置有利于發(fā)動機的動平衡和發(fā)動機中增壓器的運行以更好地獲得排氣口排出的廢氣，下文有述。發(fā)動機的對稱結(jié)構(gòu)可以使曲軸上的大多數(shù)非旋轉(zhuǎn)力相互抵消，因此可以使曲軸設(shè)計簡單化，下文也有述。每個氣缸的對置活塞可以在產(chǎn)生大的壓縮比的同時減少曲軸的曲柄半徑，從而可以降低發(fā)動機的高度；更短的推桿結(jié)構(gòu)可以使發(fā)動機更緊湊，同時可以減少活塞上側(cè)向力造成的摩擦損耗。對比于當前最高技術(shù)水平下生產(chǎn)的四缸直列發(fā)動機，本發(fā)明的發(fā)動機在安裝適用性，降低摩擦損失和消除振動等方面有很大的改善。對置活塞對置氣缸發(fā)動機的高度要由最大的曲柄半徑來決定。設(shè)計對置活塞的時候，要達到相同的氣缸排量，曲柄半徑可以被設(shè)計到差不多一半大小。相對于450mm高的四缸直列式發(fā)動機，可以減少差不多200mm的高度。單曲軸和推桿的結(jié)構(gòu)使發(fā)動機寬度大約有790mm，這是一個相對緊湊的發(fā)動機，完全可以安裝于汽車上。本發(fā)明的發(fā)動機相對于四缸直列式發(fā)動機在全部體積上大約減少了 40%，在重量上相應減少了 30%。在本設(shè)計中大大減小了作用于活塞上的側(cè)向力。現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平下的四缸直列發(fā)動機中曲軸曲柄半徑對曲柄連桿比(λ )大約為1/3。本發(fā)明中因為長拉桿和短的曲軸曲柄半徑，外活塞對應的λ大約為1/12。另外內(nèi)活塞的推桿在活塞底部的凸面上可以滑動，所以曲軸曲柄半徑對曲柄連桿的有效長度比值(λ )大約為1/7。對于傳統(tǒng)的四缸直列發(fā)動機，雖然本發(fā)明的兩缸發(fā)動機有相同的活塞總數(shù)，但是由于每個活塞運行的距離變短，所以對比于同樣功率輸出的發(fā)動機實質(zhì)上降低了活塞的速度。對比傳統(tǒng)的四缸發(fā)動機，內(nèi)活塞的速率大約減少了 18%，外活塞的速率大約減少了 39%(下文會討論曲拐的不對稱長度)。對置活塞的結(jié)構(gòu)大體上消除了在主軸承上的非旋轉(zhuǎn)燃燒壓力，因為外活塞的拉桿抵消了內(nèi)活塞的推力，只有旋轉(zhuǎn)力作用在曲軸上。所以主軸承的數(shù)量可以減少到2個，曲軸和支撐發(fā)動機的機構(gòu)也可以做的更輕。雖然進排氣的非對稱正時循環(huán)會有輕微的殘留動態(tài)不平衡，但是本發(fā)明的發(fā)動機(正如下文討論的那樣)大體上還是能達到動態(tài)平衡的。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到4500rmp的時候，計算出來的這個殘留不平衡力作用在發(fā)動機上最大值大約為700N，這相比較于四缸直列發(fā)動機的大約10000N減少了 93%。本發(fā)明的發(fā)動機結(jié)構(gòu)很適合安裝增壓器。如圖1所示，我們的首選方案是每個氣缸安裝一個獨立的增壓器510，520。因為只有兩個氣缸，從經(jīng)濟上考慮是可以接受一個氣缸安裝一個增壓器的方案的，脈沖渦輪增壓技術(shù)將會更實用。我們選擇的兩個增壓器是電動馬達輔助渦輪增壓器，目的是提高掃氣的效率的同時也避免渦輪延遲，從而提高發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速下的響應性以及增加從發(fā)動機排氣口回收的氣體能量。發(fā)動機:圖2 Ca)到2 (h)圖示了活塞位置、進排氣口位置和大約旋轉(zhuǎn)45°位置的活塞速率；注意圖2中曲軸旋轉(zhuǎn)方向是逆時針。小三角和弧形帶箭頭的虛線代表曲軸角度Φ。雖然連桿(推桿和拉桿)和曲軸各種位置交叉，但是四個曲軸頸的編號清晰，分別是曲軸頸1，2,3,4連接左外活塞，左內(nèi)活塞，右內(nèi)活塞和右外活塞。為了清晰的表示，內(nèi)活塞推桿的滑動底部和底部的凸面被顯示出來，并且內(nèi)推桿的“有效”長度也用虛線表示出來了。圖2(a)表示發(fā)動機曲軸在0°的位置(可以定義為左氣缸的“上止點”，縮寫TDC)。在這個位置，左側(cè)外活塞Iio和左側(cè)內(nèi)活塞120是相互最接近的點。大約曲軸旋轉(zhuǎn)到這個角度的時候，發(fā)動機使用噴油器將高壓燃油噴入左氣缸并開始燃燒(實際的發(fā)動機還會有更復雜的活塞表面，它們之間形成一個燃燒室；圖2中的平滑活塞表面只是用于表示相關(guān)的活塞位置)。這個時候左氣缸的進排氣口 161和163被110和120完全關(guān)閉。由于活塞起動時排氣口大約提前打開12.5°，進氣口滯后了同樣的角度打開，所以活塞110和120會有向右輕微的同向運動，如箭頭所示(氣缸內(nèi)左活塞120剛開始逆轉(zhuǎn)方向)。由于兩個活塞所對應的曲軸行程是不一樣的，所以活塞的速度也是不同的。圖2 (a)的右氣缸中，這時右側(cè)內(nèi)活塞220和右側(cè)外活塞210是相距最遠的時候。右氣缸的進排氣口 261和263都是打開的，先前燃燒循環(huán)的廢氣正在被排出(“單向”的掃氣)。同左氣缸的活塞相似，210和220都有小小的速度差，只不過相對于左側(cè)的活塞，右氣缸的外活塞210已經(jīng)改變了運動方向。圖2 (b)中，在做功沖程中左氣缸的活塞110和120在逐漸分開，外活塞開始向相反方向運動；顯然內(nèi)活塞比外活塞運動的更快，根據(jù)圖上箭頭的大小可以看出來。在右氣缸中，外活塞210已經(jīng)關(guān)閉排氣口 263，然而進氣口 261仍然有一部分打開讓增壓氣體繼續(xù)進入。圖2 (C)中，左氣缸仍然在做功沖程，兩個氣缸110和120速率接近相等，不過方向相反；在右氣缸中，活塞220已經(jīng)關(guān)閉了進氣口 261，兩個活塞向中間移動并壓縮它們之間的氣體。在圖2 Cd)中，左氣缸左側(cè)內(nèi)活塞120已經(jīng)打開了排氣口 163，同時進氣口還在關(guān)閉著。在這個掃氣的階段，燃燒室中活躍的膨脹氣體被回收到外部的渦輪增壓器(“脈沖”渦輪增壓器)中，或者轉(zhuǎn)換為電能。在右氣缸中兩個活塞繼續(xù)進行壓縮沖程。在圖2 Ce)中，左側(cè)外活塞110已經(jīng)打開進氣口 161，并且氣缸已經(jīng)完成掃氣。內(nèi)活塞120已經(jīng)改變了運動方向。右氣缸中兩個活塞差不多已經(jīng)到了上止點的位置，兩個活塞220和210都是有向右運動的趨勢的，這個過程中外活塞已經(jīng)改變了運動方向。在圖2 Cf)中，左側(cè)內(nèi)活塞120已經(jīng)關(guān)閉了排氣口 163，同時進氣口仍然打開讓增壓氣繼續(xù)進入氣缸。外活塞110已經(jīng)到達最遠位置并開始改變方向。右側(cè)氣缸則是做功沖程，兩個活塞將逐漸分開。在圖2 (g)中，左側(cè)外活塞110已經(jīng)關(guān)閉了進氣口 161，并且兩個活塞110和120在向中間運動，并開始壓縮它們之間的氣體。右側(cè)氣缸繼續(xù)做功沖程。在圖2 (h)中，左側(cè)氣缸繼續(xù)做壓縮沖程，在靠近如圖2 Ca)所示的上止點位置。在右側(cè)氣缸中，外活塞210已經(jīng)打開了排氣口 263，同時進氣口仍然關(guān)閉著(掃氣)。
特殊的角度和正時是由曲軸的形狀和氣道口的尺寸和位置來決定；上述的內(nèi)容僅僅是為了概要說明一下本發(fā)明。平衡質(zhì)量力:發(fā)動機設(shè)計中一個重要的目標是使包括曲軸、質(zhì)量塊和其它結(jié)構(gòu)上的平衡質(zhì)量力達到平衡以消除振動和減少周期性變載荷的效果。通過連桿連到曲軸頸的單個活塞將產(chǎn)生一階額外的質(zhì)量力(和曲軸旋轉(zhuǎn)有相同的頻率)并還有更高階的力(跟曲軸旋轉(zhuǎn)多樣頻率一樣的頻率)。而本發(fā)明的對置活塞對置氣缸的中央單曲軸的發(fā)動機結(jié)構(gòu)基本上能夠平衡所有的質(zhì)量力，包括一階和更高階。雖然理論上發(fā)動機的每個氣缸都有可能各自平衡，但本發(fā)明利用了另外一種的方法:在對置氣缸中允許一個氣缸中的不平衡力被另一個氣缸的不平衡力抵消掉。這種方法可以使發(fā)動機的設(shè)計避免被各種各樣的因素所影響。本發(fā)明中實現(xiàn)動態(tài)平衡的方法我們可以先找出單個氣缸內(nèi)部不平衡的問題以更好地理解。如圖3所示，發(fā)動機的單個氣缸如圖3 (a)所示，在圖3 (b)、3 (c)和3 (d)中所示的就是用于平衡這款發(fā)動機的方法。假設(shè)兩個氣缸的相位角度是180° (即如圖3 (a)所示的α I和α 2的相位位置)，如圖3 (a)所示單個氣缸如果要使其一階和二階的平衡質(zhì)量力平衡，需要滿足如下的兩個條件:
r2Γ1權(quán)利要求
1.一種具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其特征在于，包括: 一左右對置的氣缸，兩所述氣缸之間具有一曲軸； 每一所述氣缸均具有往復運動的一內(nèi)活塞和一外活塞，所述內(nèi)活塞和所述外活塞之間形成一燃燒室； 兩所述內(nèi)活塞分別通過推桿與所述曲軸連接，兩所述外活塞分別通過拉桿與所述曲軸連接； 每一所述氣缸均具有進氣口、排氣口和燃油噴射口，所述進氣口和所述排氣口圍繞所述氣缸成環(huán)狀設(shè)置，并且每一所述燃油噴射口設(shè)置在每一所述氣缸的中心位置處； 所述左氣缸的外活塞控制對應的進氣口，所述左氣缸的內(nèi)活塞控制對應的排氣口 ； 所述右氣缸的內(nèi)活塞控制對應的進氣口，所述右氣缸的外活塞控制對應的排氣口 ； 還包括兩增壓器，每一所述氣缸連接一所述增壓器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其特征在于，兩所述內(nèi)活塞和兩所述外活塞分別包含一組活塞環(huán)，所述活塞環(huán)設(shè)置在活塞燃燒面后面的活塞體上，以防止氣體泄漏。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其特征在于，每一所述氣缸的推桿和拉桿為非對稱設(shè)置，這可使得每一所述氣缸的排氣口在進氣口打開之前打開，排氣口在進氣口關(guān)閉之前關(guān)閉。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其特征在于，每一所述氣缸的拉桿軸頸與所述推桿軸頸的角度為155°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其特征在于，所述曲軸具有若干曲軸頸，所述曲軸頸按設(shè)定角度布置以使每一所述氣缸的活塞控制的排氣口的正時在進氣口打開之前打開，在進氣口關(guān)閉之前關(guān)閉，使得所述排氣口的背壓可獨立控制所述燃燒室的氣壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其特征在于，活塞控制所述進氣口和所述排氣口打開的提前角為所述曲軸旋轉(zhuǎn)角的25°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其特征在于，每一所述外活塞的有效質(zhì)量乘以相應的曲軸頸行程的值與每一所述內(nèi)活塞的有效質(zhì)量乘以相應的曲軸頸行程的值相等。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其特征在于，所述曲軸縱向軸的垂直平面方向上形成凸面；所述推桿具有一個凹面滑動結(jié)合于所述內(nèi)活塞的彎曲端面上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其特征在于，一所述氣缸的進氣口靠近曲軸，另一所述氣缸的進氣口遠離曲軸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其特征在于，所述增壓器為電動/發(fā)電機輔助渦輪增壓器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有對置活塞對置氣缸單曲軸的內(nèi)燃機，其中，包括一左右對置的氣缸，兩氣缸之間具有一曲軸；每一氣缸均具有往復運動的一內(nèi)活塞和一外活塞，內(nèi)活塞和外活塞之間形成一燃燒室；兩內(nèi)活塞分別通過推桿與曲軸連接，兩外活塞分別通過拉桿與曲軸連接；每一氣缸均具有進氣口、排氣口和燃油噴射口，進氣口和排氣口圍繞氣缸成環(huán)狀設(shè)置，并且每一燃油噴射口設(shè)置在每一氣缸的中心位置處；還包括兩增壓器，每一氣缸連接一增壓器。本發(fā)明具有以下優(yōu)點改進的容積效率、降低的高度尺寸和減少的重量而獲得的更靈活的安裝條件、適合發(fā)展增壓和燃油噴射技術(shù)的基礎(chǔ)、基本能達到總的動平衡的特性和可降低成本所需的簡單機械結(jié)構(gòu)的要求。
文檔編號F02B75/28GK103174513SQ20131007003
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月5日
發(fā)明者夏迎松, 李傳友, 左朝鳳, 陳新, 李業(yè)振 申請人:安徽中鼎動力有限公司