具有球形燃燒室的二沖程內(nèi)燃機(jī)的制作方法
【專利說明】具有球形燃燒室的二沖程內(nèi)燃機(jī)
[0001]本發(fā)明涉及一種往復(fù)式內(nèi)燃熱機(jī)的運(yùn)動構(gòu)造和布局。
[0002 ]【背景技術(shù)】以及對本發(fā)明的改進(jìn)
[0003] 大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)具有燃燒及工作流體室，上述燃燒及工作流體室的體積隨氣缸中的 活塞的往復(fù)運(yùn)動而變化。旋轉(zhuǎn)活塞汪克爾發(fā)動機(jī)是一種少見的已被工業(yè)化證實的例外。
[0004] 工藝現(xiàn)狀公認(rèn)了其他具有非常規(guī)燃燒室的熱機(jī)的構(gòu)造，即上述非常規(guī)燃燒室不包 含在小型氣缸和腔室中進(jìn)行轉(zhuǎn)換的圓柱形活塞，如以下專利所述：
[0005] · 1991年5月7日的US 5 012 769 A(科廷厄姆布倫特R[美國])(Cottingham Brent R[US])
[0006] · 1989年2月7 日的US 4 802 449 A(楊平[美國])(Yang Ping[US])
[0007] · 2008年4 月 17 日的 US 2008/087237 Al(迪克廷貝爾[美國])(Dick Timber[US])
[0008] 體積-表面比
[0009] /熱損失
[0010] 與球體提供的最小可能幾何尺寸相比，傳統(tǒng)活塞-氣缸布局的燃燒室位于上止點 (TDC)時具有更高的室壁表面對燃燒室體積比，換句話說，不考慮會進(jìn)一步增加上述比的活 塞的凹坑或滾動，該比大約為一半。
[0011] 對于傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，燃燒室和氣缸壁的熱損失約占燃料的熱值的三分之一（大 約500 cm3的"汽車"單位汽缸）。因此，其它條件相同，減少上述表面積可以減少壁上的熱損 失并因此提高發(fā)動機(jī)的效率。對于這一點，現(xiàn)有技術(shù)的最佳工藝狀態(tài)通過對置活塞(2沖程） 柴油機(jī)降低燃燒室的表面/體積比來實現(xiàn)。
[0012] / 壓力
[0013] 傳統(tǒng)的活動活塞-連桿-曲柄組件，除了其他方面之外，根據(jù)與最大速度相關(guān)的慣 性力以及受到的最大氣缸蓋壓力確定尺寸。取決于氣缸軸線，或同樣地，取決于活塞直徑的 平方，該氣缸壓力與活塞投影面積成正比。這些慣性力和壓力與沖程，在某種程度上與移動 組件的質(zhì)量，且在某種程度上與氣缸蓋、外殼、氣缸、以及底部引擎的質(zhì)量近似成比。
[0014] 在其他條件都相同的情況下，這種減小活塞投影面的方式能夠減少壓力，并因此 減少移動組件的質(zhì)量以及電機(jī)極大部分的質(zhì)量。
[0015] 本發(fā)明所述發(fā)動機(jī)，通過上止點處的準(zhǔn)球形燃燒室來改善以上兩個方面。事實上， 對于給定體積，腔室壁表面積從上止點及其附近處開始下降，直到約上止點處的一半。
[0016] ?這減少了在燃燒/爆炸過程和膨脹過程中壓縮結(jié)束時室壁的熱損失，從而提高 發(fā)動機(jī)的效率。
[0017] ?相比于傳統(tǒng)氣缸蓋和活塞上的壓力，這使由室壁上壓力形成的合力有所降低。 即使腔室由活塞的3面、5面，或者最理想的4面的壁組成，這種降低實際上都會出現(xiàn)。由于與 給定活塞體積下的更短移動部件相關(guān)，將減少發(fā)動機(jī)工作結(jié)構(gòu)件的重量，并從而減少整個 發(fā)動機(jī)的重量。
[0018] 米勒-阿特金森循環(huán)分布圖
[0019] 有時在4沖程發(fā)動機(jī)中采用米勒-阿特金森循環(huán)以提高總效率。其實現(xiàn)依賴于發(fā)動 機(jī):通過允許剛吸入的氣體撤回使下止點(PMB)之后的延遲進(jìn)氣口關(guān)閉，或通過限制氣體吸 入使下止點（PMB)之前的提前進(jìn)氣口關(guān)閉，從而在這兩種情況下產(chǎn)生比有效膨脹沖程弱的 有效壓縮沖程，由于更大的膨脹結(jié)束壓力（除了減速或極低負(fù)載），這能夠使氣體在膨脹階 段結(jié)束時作用更大，從而提高效率。
[0020]對于傳統(tǒng)的單活塞二沖程發(fā)動機(jī)，米勒-阿特金森循環(huán)無法實現(xiàn)，因為對于傳統(tǒng)的 掃描配置，進(jìn)氣口和排氣口是固定的，這總要求膨脹沖程小于或等于壓縮沖程，同時，也因 為在進(jìn)氣后開始排氣。對于單向或往復(fù)2沖程掃描:單柱點火活塞或閥，或者甚至對于具有 對置活塞的配置也是一樣的。
[0021 ]本發(fā)明的發(fā)動機(jī)，優(yōu)選地，在2沖程版本中，通過"階梯"分布實現(xiàn)了米勒-阿特金森 循環(huán)。實際上，進(jìn)氣通道，類似于排氣通道，在打開/關(guān)閉系列中都具有兩部分，即腔室開口， 以及孔板。這種方式，不同于傳統(tǒng)2沖程發(fā)動機(jī)，可以實現(xiàn)最優(yōu)化的不對稱分布圖：
[0022] ?延遲排氣口打開，總在下止點前
[0023] ?排氣口和進(jìn)氣口之間更大的夾角，以允許腔室中的氣壓有足夠的時間下降且低 于進(jìn)氣壓力。
[0024] ?在一個或其他方向上排氣口和進(jìn)氣口之間更小的夾角
[0025] ?遠(yuǎn)在下止點之后的完全關(guān)閉（進(jìn)氣和排氣)延遲，以實現(xiàn)米勒-阿特金森循環(huán)，即 實現(xiàn)大于有效壓縮沖程的有效膨脹沖程。
[0026] 示例：
[0028] 往復(fù)或單向掃描
[0029] -般來說，傳統(tǒng)的、具有可完成的掃描配置的單2沖程發(fā)動機(jī)，混合的新鮮氣體和 燃燒過的氣體的比例可能是很大的。對置活塞的2沖程發(fā)動機(jī)在每個氣缸的一端有相對的 進(jìn)氣口和排氣口開口，能夠?qū)崿F(xiàn)單向或往復(fù)掃描。
[0030] 發(fā)明的發(fā)動機(jī)，通過位于燃料室蓋中的開口，在一個蓋處的進(jìn)氣口以及在相對的 蓋處的排氣口，實現(xiàn)這種類型的對新鮮的和燃燒過的氣體的單向或往復(fù)掃描。
[0031 ] 活塞摩擦
[0032] 傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的移動活塞滑塊曲柄組件中的摩擦是極大的。尤其在開始膨脹時，滑 塊曲柄的傾斜用力按壓活塞抵靠氣缸，其運(yùn)動時摩擦產(chǎn)生。同時，曲軸和滑塊曲柄的軸承即 使經(jīng)過潤滑也存在摩擦。
[0033] 本發(fā)明的發(fā)動機(jī)優(yōu)選示出4個活動連接件，每個通過曲軸和滑塊軸驅(qū)動活塞，即引 導(dǎo)活塞運(yùn)動。不再有如現(xiàn)有技術(shù)的滑塊曲柄的傾斜。因此，與活塞的側(cè)推力相關(guān)的摩擦大大 減少，即使被滑動軌道的滑動或滑塊的滾軸的滾動所取代，其強(qiáng)度仍較低。事實上，在本發(fā) 明中，相鄰的兩個活塞不斷地掠過彼此而不接觸，所以沒有摩擦。這些是揉在一起以保證密 封性的部分。
[0034] 激光點火
[0035] 為了啟動爆炸，可控的光發(fā)動機(jī)采用火花塞產(chǎn)生電弧?；鹧媲熬夒x開火花塞的火 花并通過將其一部分熱量傳送至腔室壁而在腔室中傳遞。當(dāng)為以下狀態(tài)時獲得最佳燃燒效 率：
[0036] ?火焰前緣傳遞時間最小，即不考慮湍流，要求腔室小而緊湊，球形最為理想。
[0037] ?延遲火焰前緣的熱量到壁的傳遞。理想地，這在燃點在其中心的球形燃燒室中 實現(xiàn)。
[0038] 在球形燃燒室中，如本發(fā)明所述的發(fā)動機(jī)，火花塞有必要放置在球體邊緣而不是 中心，使得其易于冷卻并且不存在任何熱點。
[0039]實驗室研究已經(jīng)實現(xiàn)了通過激光射線點火。激光點火能夠通過聚焦激光射線使在 球體的中心點火成為可能。
[0040] 因此，在球形燃燒室中，如同本發(fā)明的發(fā)動機(jī)，通過將激光聚焦于腔室的中心的激 光點火提供了最大的潛能。
[0041] 此外，激光光源可以位于固定的底架組件上，而不是活動的活塞組件上，以避免來 自激光源的柔性電力線纜的需求。活塞組件具有聚焦鏡片，該聚焦鏡片的一面在上止點處 在腔室中的活塞面的表面上，另一面在活塞組件的外部是可見的且在循環(huán)的適當(dāng)時刻接收 激光射線。
[0042] 等容性體積法
[0043] 根據(jù)活塞-滑塊-曲柄運(yùn)動學(xué)的體積法，傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)的最大速度受到燃料燃燒 時間的限制，在給定速度下燃料燃燒時間是指定的。
[0044] 相對于相同氣缸體積和體積率的傳統(tǒng)的滑塊曲柄-曲柄臂運(yùn)動，本發(fā)明的發(fā)動機(jī) 示出更固定的在上止點處的體積法，對于本發(fā)明的發(fā)動機(jī)，通過壓縮點火能夠比傳統(tǒng)發(fā)動 機(jī)以更高的速度旋轉(zhuǎn)，同時使燃料被注入、蒸發(fā)和燃燒。
[0045] 發(fā)動機(jī)和負(fù)載之間的速度調(diào)整
[0046] 發(fā)動機(jī)到待驅(qū)動負(fù)載的速度范圍的調(diào)整經(jīng)常需要使用至少一個減速器或倍增器。 后者可以是結(jié)構(gòu)緊湊而輕巧的，例如當(dāng)其為外擺線輪系時;但其通常涉及輪-小齒輪傳動裝 置，輪-小齒輪傳動裝置是一種簡單但是笨重且龐大的技術(shù)方案，因為所有的力通過單一嚙 合點/線。
[0047] 對本發(fā)明的發(fā)動機(jī)到待驅(qū)動負(fù)載的速度范圍的調(diào)整實際上被簡化了，因為本發(fā)明 中已經(jīng)具有減速器，且所述減速器相比曲軸可以減少發(fā)動機(jī)軸轉(zhuǎn)速的2.5~3:1直至1:2(在 這種情況下為倍增器）。當(dāng)力傳遞時，通過由4個嚙合點/線（發(fā)明優(yōu)先采用N = 4曲軸)被分 害J，每個齒傳遞大約減少四倍的力，因此其尺寸減小。本發(fā)明發(fā)動機(jī)中的減速器具有同一力 耦和減少量，因此比傳統(tǒng)輪-小齒輪減速器更加輕便。
[0048]通過調(diào)整減速器傳動比，本發(fā)明發(fā)動機(jī)能夠避免使用額外的減速器級，能夠更好 地調(diào)整負(fù)載的速度。
[0049] 飛機(jī)螺旋槳驅(qū)動
[0050] 小型和中型螺旋槳飛機(jī)的航空動力通常使用一個或多個或直接在發(fā)動機(jī)曲軸的 輸出處、或通過連接到渦輪螺槳發(fā)動機(jī)的曲軸或渦輪軸的減速器連接到螺旋槳的發(fā)動機(jī)組 實現(xiàn)。增加減速器產(chǎn)生附加質(zhì)量，但是該減速器能夠設(shè)定最佳的螺旋槳和發(fā)動機(jī)速度，這使 發(fā)動機(jī)的功率系數(shù)最大化。極少情況下，采用具有兩個反向旋轉(zhuǎn)雙同軸螺旋槳的驅(qū)動器，使 用如第二次世界大戰(zhàn)中的戰(zhàn)斗機(jī)(噴火，馬克19和22)或冷戰(zhàn)中的戰(zhàn)斗機(jī)(圖波列夫95"熊"） 中同樣的發(fā)動機(jī)，因為該技術(shù)選擇更加復(fù)雜、更不可靠且更重。
[0051] 本發(fā)明的發(fā)動機(jī)的輸出可使用反向旋轉(zhuǎn)的兩個同軸的軸相對容易地實現(xiàn)，具有很 小的額外質(zhì)量和占地，理想地，其適用于速度大體上為1500轉(zhuǎn)/分鐘-2500轉(zhuǎn)/分鐘的雙螺旋 槳反向旋轉(zhuǎn)飛機(jī)的推進(jìn)，且待連接到2000轉(zhuǎn)/分鐘到5000轉(zhuǎn)/分鐘(對應(yīng)于目前范圍為80到 500馬力）的傳統(tǒng)活塞發(fā)動機(jī)。
[0052] 在所有其他條件都相同的情況下，減速器包含扭轉(zhuǎn)彈簧以減弱發(fā)動機(jī)力偶峰值。
[0053]
[0054] @明的發(fā)動機(jī)以直接、自然、且以"單缸"設(shè)計的方式顯示了靜力平衡的運(yùn)動。
[0055] 動態(tài)下，僅除了 "擺動"（即取決于電機(jī)軸的軸線的時刻的變化)之外，所有軸保證 平衡。但是，由于不平衡的、以諧波速度旋轉(zhuǎn)的量，這可能很容易地衰減或者甚至消除。 [0056] 相比于傳統(tǒng)滑塊曲柄-曲柄臂使用的術(shù)語
[0057]本發(fā)明描述了具有復(fù)雜腔室形狀的熱機(jī)。相比于常規(guī)電機(jī)，本發(fā)明中的氣缸稱謂 并不恰當(dāng)，這一發(fā)動機(jī)的基本組件包括基本工作空間或腔室，其不是圓柱形的。此外，通過 意義延伸，本發(fā)明的發(fā)動機(jī)當(dāng)其分別包括一個、兩個、三個等發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)部分時被稱為單 缸、雙缸、三缸發(fā)動機(jī)等。
[0058]同樣地，以此類推，將熱機(jī)在循環(huán)周期中對應(yīng)于最小和最大體積的位置分別和命 名上止點和下止點，即使在擺動時刻，本發(fā)明發(fā)動機(jī)活塞沒有死點。
【附圖說明】
[0059]附圖示出了本發(fā)明的發(fā)動機(jī)，在此每個氣缸具有4個活塞組件(N = 4)，但圖4a，4b 和4c，N=5除外，本發(fā)明不受此限制，僅用于當(dāng)查看附圖時容易理解。
[0060] 圖1為本發(fā)明一般情況下的一個通用的運(yùn)動學(xué)圖解，其示出對于發(fā)動機(jī)的一個氣 缸的活塞組件，該活塞組件由驅(qū)動軸或曲軸以及相對于其他活塞組件表面的接觸驅(qū)動，如 在中線剖視圖中沿發(fā)動機(jī)Z軸所示。
[0061] 圖2a為圖1的一個特定運(yùn)動學(xué)實施例，其中活塞組件被滑塊相對于彼此引導(dǎo)。
[0062] 圖2b為圖1的一個特定運(yùn)動學(xué)實施例，其中活塞組件包括活塞、防火表面、安裝的 滑塊，且其中該活塞由滑塊-樞軸旋轉(zhuǎn)引導(dǎo)。
[0063] 圖3為本發(fā)明的基于圖1的一個特定運(yùn)動學(xué)實施例，其中活塞組件僅是由滑塊-樞 軸旋轉(zhuǎn)引導(dǎo)的活塞且具有密封裝置。
[0064]圖4a為從發(fā)動機(jī)軸線來看的、圖4b的具有隱藏虛線的視圖。
[0065]圖4b為發(fā)動機(jī)的5個簡化的聯(lián)鎖表面的簡圖，該5個聯(lián)鎖表面構(gòu)成具有5個活塞組 件的氣缸的的燃燒室。
[0066]圖4c為來自圖4b的視圖，其中去除了兩個相鄰面。
[0067]圖4d與圖4b不同在于從另一個角度來看，其一共呈現(xiàn)了4面而不是5面。
[0068]圖5a、5b和5c示出在不同的曲軸角度下，發(fā)動機(jī)的、具有4個活塞組件的氣缸的燃 燒室的體積。
[0069]圖6a和6b為包含相反旋轉(zhuǎn)軸的發(fā)動機(jī)同步裝置的相同運(yùn)動方案的兩個正交視圖。 [0070]圖7a、7b和7c為樞軸滑塊連接件的多個變形，其使活塞組件定向。
[0071 ]圖7d示出表示活塞特征點的精確軌跡的的一個大圖和一個小圖。
[0072]圖8a和8b示意性地描繪了活塞組件表面的可能的不同剖面。
[0073]圖9詳細(xì)描繪了從正面看的活塞組件的表面，即與圖8a和8b的視圖正交的視圖。 [0074] 圖10a、10b、10c、10d、10e、IOf、11a、Ilb和Ilc示出根據(jù)本發(fā)明特定實施例的用線 分部分的活塞的發(fā)動機(jī)的活塞組件的多方面視圖、截面視圖、具體視圖和分解圖，。
[0075]圖12a、12b、12c、13a和13b示出根據(jù)本發(fā)明另一特定實施例的發(fā)動機(jī)活塞組件的 多方面視圖、截面視圖、分解圖和具體視圖，活塞具有防火表面和反加速裝置。
[0076]圖14a、14b和14c示出噴射栗的特定實施例。
[0077]圖15a、15b、15c和15d示意性示出在一個循環(huán)中不同曲軸角度處的排氣的分配機(jī) 制。
[0078]圖16為進(jìn)氣時刻的部分可視的剖視圖，不出了氣缸的填充。
[0079] 圖17示出根據(jù)本發(fā)明的示例性發(fā)動機(jī)的氣缸分布圖和體積曲線。
[0080] 圖18a和18b為同一類型的發(fā)動機(jī)的垂直于Z軸的中線剖視圖，該發(fā)動機(jī)尤其構(gòu)造 為在循環(huán)的兩個特定時刻(上止點和曲軸旋轉(zhuǎn)60°)具有帶有防火表面的活塞組件。
[0081] 圖18c和18d為同一類型的發(fā)動機(jī)的垂直于Z軸的中線剖視圖，該發(fā)動機(jī)尤其構(gòu)造 為在循環(huán)的兩個特定時刻（曲軸從下止點旋轉(zhuǎn)130°和180°)具有有邊緣分部分活塞的活塞 組件。
[0082] 圖19a、19b和19c從不同的觀察角度示出發(fā)動機(jī)氣缸的部分組件，包括四個中的具 有兩個相對應(yīng)曲軸的兩個相鄰活塞組件。
[0083]圖20a和20b為發(fā)動機(jī)的氣缸同一局部的主視圖和等角視圖，包括四個滑塊和移動 部分，移動部分包括活塞和曲軸。
[0084]圖21示出根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機(jī)氣缸的固定部件的等角視圖。
[0085]圖22為包含圖20a、20b和21的組合部件件的視圖，但無進(jìn)氣歧管。
[0086]圖23a和23b示出單缸發(fā)動機(jī)的等角透視圖。
[0087]圖24a和24b示出橫截面視圖，在循環(huán)中的兩個不同的時刻，該橫截面由完全的單 杠發(fā)動機(jī)的軸線截斷。
[0088]圖25示出在通過激光射線點火的發(fā)動機(jī)的特定實施例中，上止點處的氣缸的剖面 圖視圖。
[0089]圖26示出帶有助力器的單缸發(fā)動機(jī)的略圖。
[0090] 圖27示出具有特定排氣設(shè)計的雙缸發(fā)動機(jī)的略圖。
[0091] 圖28示出帶有特定歧管的三缸增壓發(fā)動機(jī)的略圖。
[0092]圖29示出具有特定排氣歧管布置的三缸增壓發(fā)動機(jī)的略圖。
[0093] 圖30示出四缸增壓發(fā)動機(jī)的略圖，該發(fā)動機(jī)具有特定進(jìn)氣和排氣歧管布置和兩個 渦輪壓縮機(jī)。
[0094] 圖31示出發(fā)動機(jī)的2次和3次諧波的平衡裝置。
[0095] 描述本發(fā)明的附圖及其功能
[0096] 運(yùn)動學(xué)圖解
[0097] 圖1是為本發(fā)明一般情況下的一個通用的運(yùn)動學(xué)圖解，其示出對于發(fā)動機(jī)的一個 氣缸的具有氣缸面(51a)和滑塊表面(52a)的第一活塞組件，其通過第一活塞組件的循環(huán)驅(qū) 動和定位機(jī)構(gòu)（30)的一部分，以及限制該第一活塞與其他相鄰活塞組件的氣缸面（51b， 51c，51d)和滑動表面(52b，52c，52d)接觸的觸點，由驅(qū)動軸（39)或者第一曲軸（40a)來驅(qū) 動，驅(qū)動軸或者第一曲柄軸在這里是通用類型，其他相鄰活塞組件部分地示出。
[0098] 第一活塞組件的滑動表面(52a)靠著第四活塞組件的氣缸面(51d)滑動。
[0099] 第二活塞組件的滑動表面(52b)靠著第一活塞組件的氣缸面(51a)滑動。
[0100] 在該通用版本中，第一驅(qū)動軸(39)和曲軸(40a)，根據(jù)循環(huán)驅(qū)動和定位機(jī)構(gòu)(30)的 復(fù)雜性和設(shè)計，每個循環(huán)做出一輪或兩輪單調(diào)循環(huán)旋轉(zhuǎn)。對于可替代的或"半可替代的"旋 轉(zhuǎn)替代選擇，本發(fā)明只適用于單一的氣缸。
[0101] 在一個循環(huán)中，工作體積到達(dá)至少一個最小值（上止點）和至少一個最大值（下止 點）。這留下了以下可能性，其顯然在技術(shù)上是不可行的，因為其使掃描體積在壓縮和膨脹 過程中不同的4沖程發(fā)動機(jī)的分配裝置及循環(huán)驅(qū)動和定位機(jī)構(gòu)（30)更復(fù)雜，這導(dǎo)致了真正 的米勒循環(huán)。
[0102] 此處示意性示出的循環(huán)驅(qū)動和定位機(jī)構(gòu)(30)不限制本發(fā)明，且可有多種類型：
[0103] ?齒輪齒條型，是一種復(fù)雜的方案，具有半-旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動的中間小齒輪，用于以可替 代的平移推動所述活塞組件，且具有經(jīng)由滑塊曲軸通過驅(qū)動軸連續(xù)的、單調(diào)旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動的 小齒輪。
[0104] ?曲柄臂及滑塊曲柄型，用于以可替代的平移安裝有滑塊的活塞組件。
[0105] 第一活塞組件的循環(huán)驅(qū)動和定位機(jī)構(gòu)（30)，與活塞組件的滑動表面和相鄰及周圍 活塞組件的氣缸面的滑動接觸，需要在循環(huán)的每時每刻，使得N個活塞的前邊緣(53)運(yùn)動地 穿透發(fā)動機(jī)的Z軸，這也是發(fā)動機(jī)部件關(guān)于Z軸重復(fù)旋轉(zhuǎn)所需要的。
[0106] 圖2a是本發(fā)明的特定中比較特殊的動力運(yùn)動學(xué)操作實施例，在圖1中已闡明過，活 塞組件通過滑塊(32)彼此間被引導(dǎo)。這是一種運(yùn)動學(xué)上可行的實施例，但是在技術(shù)上比較 繁瑣復(fù)雜，因此不是優(yōu)先的選擇也沒有獲得進(jìn)一步的發(fā)展。
[0107]圖2b是圖1的特定運(yùn)動學(xué)實施例，其