专利名称：高燃料效率内燃引擎的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机。
背景技术：
现今正在大量使用的曲轴连杆引擎及未能或少量使用的转子活塞引擎(Wankel engine)，不能提高燃料效率的原因，是它们都有与机具来的缺陷有关，这些缺陷是不能克 服的，其原由有很多，例如对于曲轴连杆引擎，汽缸的行程恒等于曲柄长的两倍，增加曲柄 长度，会直接影响到汽缸的行程，也就影响了汽缸的容量，例如曲柄长是2呎(60.96cm)， 汽缸行程长必为4呎(121. 92cm)，汽缸径最小也将为3. 5呎(106. 68cm)，故汽缸容量为 106. 68x106. 68x0. 785x121. 92 = 1，089, 207. 504cm3。汽紅容量太大，为配合汽紅的尺寸， 也会使曲轴、连杆、活塞及配重铁等加重。这样大的汽缸和笨重的曲轴等部件，若制一四缸 的引擎，其庞大及重量颇为可观，显难实用，不能提高燃料效率。一个汽缸在一个旋转中，二行程循环有一个爆发行程。四行程循环，则有1/2个爆 发行程，若要在一转中有多个爆发行程，必须多加汽缸。每行程必须占用180度，这样的关 系是牢不可破的。在运转中，有效力臂是变化的有效力臂是r χ sin θ (r是曲柄长)随着曲柄所 转的角度θ而变化，即活塞在上死点时，θ等于零，有效力臂亦为零。在θ =90度时，有 效力臂等于曲柄长，θ大于90度时其有效力臂又开始缩短，到θ = 180度时，有效力臂又 归零。在此变化过程中，造成了力与有效力臂，产生了不利的配合，因而造成了力矩“Μ” 的百分比很大损失。即在压力高时，有效力臂很短，压力低时，有效力臂很长，因而造成了力 矩“Μ”的百分比很大的损失(请参阅图7)，其损失估计如下选取最高压力点为1200psi(lpsi = 0. 006895MPa)，约发生在角度θ = 10度，若 曲柄长r为2呎，其有效力臂将为2XsinlO = 0. 347呎，力矩M =力Fx有效力臂re，F是 活塞顶上的压力，即曲线图上一点之力(请参阅图7)，有效力臂是变化的(有效力臂=r χ sin θ，M= 1200x0. 347 = 416. 4 呎磅；若有效力臂不变，r = 2 口尺，贝丨J M= 1200x2 = 2400 呎磅；2400/100 = 24% ；416. 4/24 = 17. 35% ；100-17. 35 = 82.65%。也就是说，只有百 分之17. 35%的力矩是有效的，百分之82. 65%的力矩是无效的，其损失之大，至为明显。无论将曲柄长，加到多长，其力矩“M”损失的百分比是不变的将曲柄长自2呎 加长到3呎，力点仍选1200psi，其“M”将是有效力臂是变化的=M = 3xsinl0xl200 = 625. 2 呎磅；有效力臂是不变的M = 3x1200 = 3600 呎磅；3600/100 = 36%,625. 2/36 = 17. 36%, 100-17. 36 = 82. 64%，其结果是一样的。二行程的引擎是以使用混合油的方式来润滑，在排出的废气中燃烧过的机油含量 太多污染环境，也影响充分燃烧。汽缸中的气流状况直接影响燃烧的充分与否，必须加以控 制及调整才能得到充分的燃烧，将排气阀装在汽缸盖上，在缸套底部的孔中进气或使用燃 烧室等，均帮助不大。
旋转(Wankel's)引擎(请参阅图8)世界上使用的不多，其燃料效率也不能提高， 其原因是作用于三角活塞上的力分配不良，一部分的力，推着三角活塞向一个方向转，另 一部分力，推着三角活塞向相反的方向转，产生的功为二力之差，有效力臂，关系到中心轴 的半径，其半径，不能太大，例如其中心轴半径是2呎，其直径将为4呎，三角活塞外圆径将 超过10呎，庞大到不能使用。此种引擎，未能普遍使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内燃引擎，其旨在提高引擎的燃料效率，解决汽缸中 气流的控制，二行程引擎润滑及便于制成油电混合机等问题。为实现前述目的，本发明的高燃料效率内燃引擎，包括汽缸、位于汽缸内的活塞以 及带动活塞往复移动的推杆，其特点是，还包括凸轮以及中心轴，凸轮上形成有成对的峰谷 槽，中心轴穿过凸轮中心并与凸轮连接，凸轮通过该峰谷槽与该推杆实现彼此之间的传动， 并通过该中心轴输出扭矩。所述的高燃料效率内燃引擎，其进一步的特点是，汽缸为二行程循环汽缸。所述的高燃料效率内燃引擎，其进一步的特点是，在汽缸内的活塞内设置有进气 门，进气门与活塞之间通过弹簧连接，该弹簧的弹力足够弱小从而使得在该引擎起动遇到 非爆发行程活塞下行时进气门可打开，从而汽缸中不产生真空；在活塞上设置一活塞上盖， 活塞上盖上钻多个孔，这些孔具有喷嘴作用，让空气或混合气通过打开的进气门后自这些 孔通过进入汽缸，使汽缸中的气流有所控制及调整。所述的高燃料效率内燃引擎，其进一步的特点是，活塞内壁上喷有润滑油，在活塞 上还钻有孔，让喷在活塞内壁上的润滑油经过这些孔，到达刻在活塞外面上的细槽中，从而 再涂抹于汽缸的内壁上，活塞上还设置有活塞环，其用以刮平排除多余的油，在汽缸内壁上 建立油膜润滑。所述的高燃料效率内燃引擎，其进一步的特点是，活塞通过活塞销或直接连接该 推杆的一端，推杆上钻有孔，以及引导推杆往复移动的导套上也钻有孔，当活塞到谷点时推 杆上的该孔和导套上的该孔对准，让油流回凸轮室，以供再行循环，活塞上行时推杆上的该 孔和导套上的该孔错开因而封闭防漏油气。所述的高燃料效率内燃引擎，其进一步的特点是，凸轮上盖上面设置弧形凸条，从 而凸轮上盖构成用以输出动力的驱动盘，中心轴下端连接具有发电机功能的马达，其用以 起动或发电，凸轮亦有飞轮功能。所述的高燃料效率内燃引擎，其进一步的特点是，中心轴通过机架的上、下板中心 的轴承，其一端设置有皮带轮。所述的高燃料效率内燃引擎，其进一步的特点是，该多个支撑滚轮安装在凸轮下 面，固定于机架上，用以支承汽缸爆发时，对凸轮的冲击力，及保持凸轮运转的平衡。所述的高燃料效率内燃引擎，其进一步的特点是，机架是支柱结构或开孔式筒形， 以便装配及检修，机架由外罩罩住以储存润滑油。本发明引擎以凸轮取代曲轴，力臂就是凸轮的半径，在运转中是不变的，所以没有 因运转中有效力臂的变化而产生之损失，因力臂与汽缸行程无关也不会形成大汽缸，且加 大半径(力臂)可增加马力和扭力，也增加峰谷槽的对数，也就增加了在凸轮的一转中，一个汽缸的爆发行程次数，也增加了燃料效率；此外，二行程循环汽缸的润滑，是以喷润滑油 于活塞内壁上，经壁上的孔抹于汽缸壁上润滑；进气门是装在活塞上，气门弹簧采用弹力较 者，当活塞下行时进气门可以打开，汽缸中不易产生真空；活塞顶上加盖，盖上钻孔气由这 些孔进入汽缸，使其有调整及控制功能以利燃烧及排气。 本发明的前述目的、技术方案及有益效果将在下面结合
和具体实施方式
进行详细的说明。
图1为本发明的内燃式引擎的俯视图。图2为沿图1中A--A线的剖视图，其显示了引擎的各个部件。图3为沿图1中B--B线的剖视图，其显示了推杆销、推杆、峰谷槽、扭力杆及承扭 杆等部件。图4为本发明的引擎的凸轮的峰谷槽展开图。在此图中可看出用二行程循环，每 一对峰谷槽可使一个汽缸的活塞上下两次，产生一个爆发行程，一个汽缸在凸轮的一转中， 凸轮上有多少对峰谷槽，就有多少个爆发行程，每行程凸轮不一定转180度。在以上附图中，附图标记对应的特征如下1.中心轴2.油封3.轴承4.机架底板5.螺钉6.支脚7.外罩8.峰谷槽 9.推杆销10.螺帽11.轴承或滑套12.扭力杆13.螺帽14.推杆15.落油孔16.橡皮 封17.节气门18.逆止阀19.导套20.汽缸21.排气孔22.缸套23.火星塞24.喷油 嘴25.进气孔(进入汽缸)26.进气门27.中央进气孔(进入汽缸)28.卡片29.弹簧 30.排气管31.活塞环32.进气孔(活塞上的)33.活塞销34.活塞35.喷油孔(喷到活 塞内壁上)36.落油孔(推杆上)37.落油孔(导套上)38.油气封39.皮带盘40.轴 承41.机架上盖42.驱动条43.螺帽44.支柱45.凸轮46.支撑滚轮47.起动马达及 发电机48.承扭杆49.螺丝帽50.滑套
具体实施例方式下面将详细描述本发明的内燃引擎的一实施例的各个具体的组成部分及其关系， 然后再详细描述其工作原理，最后对其燃料效率进行示意性的分析。如图1和图2所示，本发明的高燃料效率的内燃引擎包括汽缸20，凸轮(飞 轮)45，中心轴1，兼具发电机功用的马达47，外罩7以及支脚6。在汽缸20的汽缸盖上装有火星塞23和喷油嘴24。汽缸20内有活塞34，在活塞 34上装进气门26，气门26的弹簧29的弹性较弱，当非爆发行程，在活塞34下行时汽缸内不 易产生真空，容易发动引擎；在活塞上形成一活塞上盖，在该盖上钻孔，该孔都有喷嘴作用， 让空气或混合气自这些孔通过进入汽缸20，使汽缸20中的气流有所控制和调整，以有助于 各种不同燃料的燃烧良好及排气干净。二行程循环润滑的方法是将润滑油喷在活塞34的 内壁上，在活塞34内壁上钻孔，让喷在活塞34内壁上的润滑油经过这些孔，到达活塞34外 表面上的细槽中，再涂抹于汽缸20的缸壁上。多余的油以油环刮下建立油膜润滑。活塞环 分气环及油环。汽缸20有过长行程一段以供消化惯性力用以做功。用活塞销(可以不用 活塞销)连接一推杆14，推杆14另一端连接于扭力杆12上，推杆销9 一端伸于凸轮45上的峰谷槽8中且另一端连于扭力杆12上，扭力杆12的两端各有一孔，孔中镶轴承或滑套， 轴承或滑套中各有一杆，称之为承扭杆，承受镶于峰谷槽中的推杆销9因推转凸轮45而产 生引擎功能的扭力，还有回油孔，是在此推杆14上钻孔，导套上也钻孔，当活塞到谷点时该 二孔对正，让油流回凸轮室，以供再行循环，活塞上行时该二孔错开因而封闭防漏油气；排 气口仍设于汽缸之底部，不用提动阀。凸轮45替代了现有的曲轴连杆往复式引擎的曲轴。如图2-4所示，凸轮45上刻 有峰谷槽8，峰谷槽8作为凸轮轮廓，用峰谷槽8的斜面或曲面带动推杆销9，经扭力杆12、 推杆14带动活塞34，转动凸轮45可使活塞34上下运动。活塞34在峰处时称为峰点(犹 如曲轴引擎的上死点)，活塞在谷处时称为谷点(犹如往复引擎的下死点)。当汽缸爆发 时，其爆发力推动活塞34，活塞34经推杆14、扭力杆12、推杆销9推凸轮45转动从而输出 动力。如图4所示，峰谷槽8是成对地形成于凸轮45上，一个汽缸对应一对峰谷槽上，即 可产生一个爆发行程，一个汽缸在凸轮的一转中，可产生很个爆发行程，也就是凸轮45的 一圆周中，有多少对峰谷槽8，一个汽缸20在凸轮45的一转中，就能产生多少个爆发行程， 较曲轴引擎大幅节省汽缸的数量，也大幅减少了运转汽缸的摩擦阻力。譬如用曲轴时，必须 有8-10个汽缸才可产生多个爆发行程，而本发明的引擎一个汽缸即可产生多个爆发行程， 从而可节省7或9个汽缸(采用二行程循环，四行程循环较浪费少采用)。继续参照图2，所示的引起还可以制成油电混合机，即在凸轮45及中心轴1间设置 离合器，可使中心轴1与凸轮45分离或联结。在凸轮45的上盖上面置弧形凸条42，从而凸轮45的上盖形成驱动盘用以驱动相 应的工件，如喷油嘴，机油泵等，这犹如往复引擎的偏心轴的功能。凸轮45的中心由中心 轴1贯穿，凸轮45由中心轴1支撑，若图2所示的引擎制成油电混合机，则凸轮需以轴承或 其他能滑动的配件浮装于中心轴以及离合器上，中心轴1的下端装具备发电机功能的马达 47，马达47用以起动引擎或在引擎工作时发电。凸轮45通过本身的重量亦兼具飞轮功能。对于轻型引擎的推杆的控制，峰谷槽8采用单一导槽即可，对于重型引擎的推杆 的控制则需有扭力杆及承扭杆的装置来进行凸轮和推杆之间力的传递，且若凸轮的壁为双 层时，则需在两壁之间设置导槽板。中心轴1底端穿过机架底板4中心的轴承3、凸轮45的底板及上盖，并连接凸轮 45。中心轴1的上端也通过机架上盖41中心的轴承40，中心轴1的上端装皮带轮39，中心 轴1的下端装具备发电机功能的马达47。中心轴1为引擎的主轴。如图2所示的引擎，马达47以起动引擎及发电，如图2所示的引擎若制成油电混 合机时，需另装一马达(即将发电机和马达分开设置)，该马达以轴承浮装在中心轴1上，并 以固定装在中心轴1上的离合器使马达与中心轴连接或分开，以方便单独使用该马达或图 2所示的引擎，不需要马达起动器，用引擎起动马达，可节省起动电流及起动器。如图2所示，支撑滚轮46将凸轮45支撑于机架底板上，视凸轮径的大小，而决定 其个数，支撑滚轮46的位置是安装在凸轮45的底板的下面，靠外圆周处，且固定于机架底 板4上，用以支承汽缸爆发时，对凸轮的冲击力，及保持凸轮运转的平衡。若如图2所示的 引擎为卧式时，支撑滚轮相应地须装于凸轮的外圆周，固定于机壳(架)上。如图2所示，机架4、41可制成支柱结构或开孔式圆筒，以供装置汽缸，凸轮及其他有关的零件，以开放式处理，以便装配及检修。如图2所示，外罩7用以罩住全机，储存润滑油，底部连接于机架底板4上。如图2所示，支脚6视引擎的大小及需要，决定支脚的个数及位置，用以支撑引擎。前述实施例的工作原理如下起动马达47，马达47通过中心轴1来带动凸轮45，由凸轮45上的峰谷槽8经推杆 销9、扭力杆12、推杆14带动活塞33。与此同时，上行空气或混合气自节气阀17经单向阀 18进入活塞33下面的空间，喷油孔35开始喷润滑油到活塞壁上再经活塞壁上的孔(未显 示)到达汽缸22，以使缸套22的套壁润滑，活塞33继续上行到达峰点时喷油嘴24、火星塞 23开始喷油点火，使汽缸爆发，推动活塞33下行，当活塞33行至露出排气孔21时，废气经 排气孔21及连接排气孔21的排气管30排除废气，排气孔21 —开，活塞33上部的汽缸中 压力立刻降低，活塞33底部压力较高，上行空气或混合气立刻冲开进气门26。空气或混合 气通过进气孔25及中央进气孔27及其他各小孔进入汽缸20内，同时推杆14上的落油孔 36及滑套50上的落油孔37有剩余的润滑油进入，剩余的润滑油自这些对准的孔及推杆14 较下面的落油孔15落入凸轮室中。活塞33再次上行，当遮住排气口 21时开始压缩，行到 峰点时再行点火喷油爆发，周而复始地循环做功。此一说明是一个爆发行程，不是引擎(中 心轴和凸轮)的一转，引擎一个汽缸在引擎的一转中，可产生很多个爆发行程，须视需要而 设计。其起动及切换说明如下马达接联引擎中心轴的离合器，带转引擎使其发动后，再带动发电机进行发电，并 给马达电流，可切换离合器选择用引擎或用马达，亦可以引擎马达同时使用操作至为简单。下面详细描述本发明引擎的燃料效率的分析。旋转物体做功的公式是:W(功)=!!1(力矩)\ θ (转角)，m = F(力)Xr (力臂)， θ = 2 31 Xrpm(转速)。W = FXr X 2 π Xrpm，其中任何一项增大，都可使W增大，唯F和rpm，都是来自燃 料，若增大，必须增加燃料，只有r (力臂)是钢铁材料提供，增加时只需增加一些钢铁材料， 而可经久耐用，是不需要增加燃料的，同样可以增加W，也就是增加了燃料效率，所以增加燃 料效率，必须增加r，但综上所述各项，可以理解到在往复引擎，增加r是有损无益的，更不 能增加燃料效率。本发明引擎以凸轮取代曲轴，力臂就是凸轮的半径，在运转中是不变的，所以没有 因运转中有效力臂的变化而产生之损失，因力臂与汽缸行程无关也不会形成大汽缸，且加 大半径(力臂)可增加马力和扭力，也增加峰谷槽的对数，也就增加了在凸轮的一转中，一 个汽缸的爆发行程次数，也增加了燃料效率，由以下之估算例，说明此项论述按照自川崎(KAWASAKI-TF-22)小引擎的规范，取其22. 6cc的小汽缸，而前述实施 例的引擎的各数量主要规范如下汽缸容量22. 6cc ；平均有效压力设为=IOOpsi ；汽缸径31mm，1. 22in ；活塞顶面 积31/25。4 = 122，1. 22x1. 22x0. 785 = 1. 168 平方时；活塞顶上的压力:100xl. 168 = 116. 8磅；凸轮半径为2呎，峰谷槽上的斜面与水平面所成之夹角θ t = 45度；峰谷槽对数 Ppvc = 10对；汽缸数1 ；每转汽缸的爆发行程次数10 ；引擎每分钟转数(rpm) :700。本发 明的引擎做功计算如下
W = Mx θ ；HP = W/33000 ；M = Fxr ；F =活塞顶的压力/tan45X峰谷槽对数(Ppvc) χ汽缸数；F = 116. 8/1x10x1 = 1168 磅；M = 1168x2 = 2336 呎磅；θ = 2 π xrpm ；θ = 2 π χ700 = 4398. 23 ；W = 2336x4398. 23 = 10274265. 28 呎磅；HP = 10274265. 28/33000 = 311. 341 马力。估算后的简述由上例的估算，可察知在背景技术所述的曲轴(往复)引擎的固疾在本发明中是 不存在的，也就是都获得解决了。加长力臂到2呎时，汽缸的容量仍是22. 6cc。突破了加长力臂到2呎时汽缸容量 达到1，000，OOOcc以上的毛病。估算的飞而缸引擎一个汽缸在凸轮的一转中有十个爆发行 程，有二十个行程，每行程占360/20 = 18度，突破了每行程必占180度的毛病。凸轮半径 就是力臂在运转中它是不变的所以因有效力臂是变化的而产生的损失也没有了。概略及观念性的燃料效率的估算与分析根据自川崎(型号KAWASAKI-TF-22)小引擎(其为曲轴引擎)的资料，在每分钟 7000转(7000个爆发行程)，有0. 8马力，(33000x0. 8 = 26400呎磅)，假如J丨|崎TF-22小弓| 擎的燃料效率是20%，每一个百分之一的效率，占有26400/20 = 1320呎磅，百分百的效率 占有1320x100 = 132000。在一样的每分钟7000个爆发行程，未增加燃料的情况下，本发明 的引擎能产生 311hp，311x33000 = 1026300 呎磅，1026300/132000 = 7，775%，即本发明的 引擎，在同一样的燃料使用量下，能有百分之7，775的燃料效率，该相对百分比实在是太高 了，似乎不太合理，但可作参考；同是一个22. 6cc的小汽缸，装在曲轴引擎上在每分钟7000 转(7000个爆发行程)时，可产生0. 8hp。一个爆发行程可产生33000x0. 8/7000 = 3. 771 呎磅的功；装在飞而缸引擎上引擎每分钟700转，每转有10个爆发行程计有7000个爆发行 程，一个爆发行程可产生311x7000 = 10263000/7000 = 1，466呎谤的功，也是大的离谱了， 作为参考吧！汽缸容量不一定小到22. 6cc，汽缸与峰谷槽，是可以调整配合的，可视需要而 调整之。尚须说明的以上实施例仅用以说明本发明而非限制本发明所描述的技术方案； 因此，尽管本说明书参照上述的各个实施案例，对本发明已进行了详细的说明，但是，本领 域的技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精 神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
权利要求
一种高燃料效率内燃引擎，包括汽缸、位于汽缸内的活塞以及带动活塞往复移动的推杆，其特征在于，还包括凸轮以及中心轴，凸轮上形成有成对的峰谷槽，中心轴穿过凸轮中心并与凸轮连接，凸轮通过该峰谷槽与该推杆实现彼此之间的传动，并通过该中心轴输出扭矩。
2.如权利要求1所述的高燃料效率内燃引擎，其特征在于，汽缸为二行程循环汽缸。
3.如权利要求1所述的高燃料效率内燃引擎，其特征在于，在汽缸内的活塞内设置有 进气门，进气门与活塞之间通过弹簧连接，该弹簧的弹力足够弱小从而使得在该引擎起动 遇到非爆发行程活塞下行时进气门可打开，进而汽缸中不产生真空；在活塞上设置一活塞 上盖，活塞上盖上钻多个孔，这些孔具有喷嘴作用，让空气或混合气通过打开的进气门后自 这些孔通过进入汽缸，使汽缸中的气流有所控制及调整。
4.如权利要求3所述的高燃料效率内燃引擎，其特征在于，活塞内壁上喷有润滑油，在 活塞上还钻有孔，让喷在活塞内壁上的润滑油经过这些孔，到达刻在活塞外面上的细槽中， 从而再涂抹于汽缸的内壁上，活塞上还设置有活塞环，其用以刮平排除多余的油，在汽缸内 壁上建立油膜润滑。
5.如权利要求4所述的高燃料效率内燃引擎，其特征在于，活塞通过活塞销或直接连 接该推杆的一端，推杆上钻有孔，以及引导推杆往复移动的导套上也钻有孔，当活塞到谷点 时推杆上的该孔和导套上的该孔对准，让油流回凸轮室，以供再行循环，活塞上行时推杆上 的该孔和导套上的该孔错开因而封闭防漏油气。
6.如权利要求1所述的高燃料效率内燃引擎，其特征在于，凸轮上盖上面设置弧形凸 条，从而凸轮上盖构成用以输出动力的驱动盘，中心轴下端连接具有发电机功能的马达，其 用以起动或发电，凸轮亦有飞轮功能。
7.如权利要求1所述的高燃料效率内燃引擎，其特征在于，在中心轴上固定设置离合 器、发电机并通过轴承可转动地设置马达，借助该离合器使马达和中心轴分离或连接，以方 便单独使用马达或该高燃料效率内燃引擎，从而构成油电混合动力机。
8.如权利要求6所述的高燃料效率内燃引擎，其特征在于，中心轴通过机架的上、下板 中心的轴承，其一端设置有皮带轮。
9.如权利要求8所述的高燃料效率内燃引擎，其特征在于，该多个支撑滚轮安装在凸 轮下面，固定于机架上，用以支承汽缸爆发时，对凸轮的冲击力，及保持凸轮运转的平衡。
10.如权利要求8所述的高燃料效率内燃引擎，其特征在于，机架是支柱结构或开孔式 筒形，以便装配及检修，机架由外罩罩住以储存润滑油。
全文摘要
一种高燃料效率内燃引擎，包括汽缸、位于汽缸内的活塞以及带动活塞往复移动的推杆，其特点是，还包括凸轮以及中心轴，凸轮上形成有成对的峰谷槽，中心轴穿过凸轮中心并与凸轮连接，凸轮通过该峰谷槽与该推杆实现彼此之间的传动，并通过该中心轴输出扭矩。其以凸轮取代曲轴，以减少因曲轴运转而产生之损失的燃料效率，在凸轮的一转中一个汽缸能产生多个爆发行程。
文档编号F02B57/06GK101943055SQ20091015983
公开日2011年1月12日 申请日期2009年7月8日 优先权日2009年7月8日
发明者王子成 申请人:王子成;王铭