具有球形燃烧室的二冲程内燃机的制作方法
【专利说明】具有球形燃烧室的二冲程内燃机
[0001]本发明涉及一种往复式内燃热机的运动构造和布局。
[0002 ]【背景技术】以及对本发明的改进
[0003] 大多数内燃机具有燃烧及工作流体室，上述燃烧及工作流体室的体积随气缸中的 活塞的往复运动而变化。旋转活塞汪克尔发动机是一种少见的已被工业化证实的例外。
[0004] 工艺现状公认了其他具有非常规燃烧室的热机的构造，即上述非常规燃烧室不包 含在小型气缸和腔室中进行转换的圆柱形活塞，如以下专利所述：
[0005] · 1991年5月7日的US 5 012 769 A(科廷厄姆布伦特R[美国])(Cottingham Brent R[US])
[0006] · 1989年2月7 日的US 4 802 449 A(杨平[美国])(Yang Ping[US])
[0007] · 2008年4 月 17 日的 US 2008/087237 Al(迪克廷贝尔[美国])(Dick Timber[US])
[0008] 体积-表面比
[0009] /热损失
[0010] 与球体提供的最小可能几何尺寸相比，传统活塞-气缸布局的燃烧室位于上止点 (TDC)时具有更高的室壁表面对燃烧室体积比，换句话说，不考虑会进一步增加上述比的活 塞的凹坑或滚动，该比大约为一半。
[0011] 对于传统内燃发动机，燃烧室和气缸壁的热损失约占燃料的热值的三分之一（大 约500 cm3的"汽车"单位汽缸）。因此，其它条件相同，减少上述表面积可以减少壁上的热损 失并因此提高发动机的效率。对于这一点，现有技术的最佳工艺状态通过对置活塞(2冲程） 柴油机降低燃烧室的表面/体积比来实现。
[0012] / 压力
[0013] 传统的活动活塞-连杆-曲柄组件，除了其他方面之外，根据与最大速度相关的惯 性力以及受到的最大气缸盖压力确定尺寸。取决于气缸轴线，或同样地，取决于活塞直径的 平方，该气缸压力与活塞投影面积成正比。这些惯性力和压力与冲程，在某种程度上与移动 组件的质量，且在某种程度上与气缸盖、外壳、气缸、以及底部引擎的质量近似成比。
[0014] 在其他条件都相同的情况下，这种减小活塞投影面的方式能够减少压力，并因此 减少移动组件的质量以及电机极大部分的质量。
[0015] 本发明所述发动机，通过上止点处的准球形燃烧室来改善以上两个方面。事实上， 对于给定体积，腔室壁表面积从上止点及其附近处开始下降，直到约上止点处的一半。
[0016] ?这减少了在燃烧/爆炸过程和膨胀过程中压缩结束时室壁的热损失，从而提高 发动机的效率。
[0017] ?相比于传统气缸盖和活塞上的压力，这使由室壁上压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面的壁组成，这种降低实际上都会出现。由于与 给定活塞体积下的更短移动部件相关，将减少发动机工作结构件的重量，并从而减少整个 发动机的重量。
[0018] 米勒-阿特金森循环分布图
[0019] 有时在4冲程发动机中采用米勒-阿特金森循环以提高总效率。其实现依赖于发动 机:通过允许刚吸入的气体撤回使下止点(PMB)之后的延迟进气口关闭，或通过限制气体吸 入使下止点（PMB)之前的提前进气口关闭，从而在这两种情况下产生比有效膨胀冲程弱的 有效压缩冲程，由于更大的膨胀结束压力（除了减速或极低负载），这能够使气体在膨胀阶 段结束时作用更大，从而提高效率。
[0020]对于传统的单活塞二冲程发动机，米勒-阿特金森循环无法实现，因为对于传统的 扫描配置，进气口和排气口是固定的，这总要求膨胀冲程小于或等于压缩冲程，同时，也因 为在进气后开始排气。对于单向或往复2冲程扫描:单柱点火活塞或阀，或者甚至对于具有 对置活塞的配置也是一样的。
[0021 ]本发明的发动机，优选地，在2冲程版本中，通过"阶梯"分布实现了米勒-阿特金森 循环。实际上，进气通道，类似于排气通道，在打开/关闭系列中都具有两部分，即腔室开口， 以及孔板。这种方式，不同于传统2冲程发动机，可以实现最优化的不对称分布图：
[0022] ?延迟排气口打开，总在下止点前
[0023] ?排气口和进气口之间更大的夹角，以允许腔室中的气压有足够的时间下降且低 于进气压力。
[0024] ?在一个或其他方向上排气口和进气口之间更小的夹角
[0025] ?远在下止点之后的完全关闭（进气和排气)延迟，以实现米勒-阿特金森循环，即 实现大于有效压缩冲程的有效膨胀冲程。
[0026] 示例：
[0028] 往复或单向扫描
[0029] -般来说，传统的、具有可完成的扫描配置的单2冲程发动机，混合的新鲜气体和 燃烧过的气体的比例可能是很大的。对置活塞的2冲程发动机在每个气缸的一端有相对的 进气口和排气口开口，能够实现单向或往复扫描。
[0030] 发明的发动机，通过位于燃料室盖中的开口，在一个盖处的进气口以及在相对的 盖处的排气口，实现这种类型的对新鲜的和燃烧过的气体的单向或往复扫描。
[0031 ] 活塞摩擦
[0032] 传统发动机的移动活塞滑块曲柄组件中的摩擦是极大的。尤其在开始膨胀时，滑 块曲柄的倾斜用力按压活塞抵靠气缸，其运动时摩擦产生。同时，曲轴和滑块曲柄的轴承即 使经过润滑也存在摩擦。
[0033] 本发明的发动机优选示出4个活动连接件，每个通过曲轴和滑块轴驱动活塞，即引 导活塞运动。不再有如现有技术的滑块曲柄的倾斜。因此，与活塞的侧推力相关的摩擦大大 减少，即使被滑动轨道的滑动或滑块的滚轴的滚动所取代，其强度仍较低。事实上，在本发 明中，相邻的两个活塞不断地掠过彼此而不接触，所以没有摩擦。这些是揉在一起以保证密 封性的部分。
[0034] 激光点火
[0035] 为了启动爆炸，可控的光发动机采用火花塞产生电弧。火焰前缘离开火花塞的火 花并通过将其一部分热量传送至腔室壁而在腔室中传递。当为以下状态时获得最佳燃烧效 率：
[0036] ?火焰前缘传递时间最小，即不考虑湍流，要求腔室小而紧凑，球形最为理想。
[0037] ?延迟火焰前缘的热量到壁的传递。理想地，这在燃点在其中心的球形燃烧室中 实现。
[0038] 在球形燃烧室中，如本发明所述的发动机，火花塞有必要放置在球体边缘而不是 中心，使得其易于冷却并且不存在任何热点。
[0039]实验室研究已经实现了通过激光射线点火。激光点火能够通过聚焦激光射线使在 球体的中心点火成为可能。
[0040] 因此，在球形燃烧室中，如同本发明的发动机，通过将激光聚焦于腔室的中心的激 光点火提供了最大的潜能。
[0041] 此外，激光光源可以位于固定的底架组件上，而不是活动的活塞组件上，以避免来 自激光源的柔性电力线缆的需求。活塞组件具有聚焦镜片，该聚焦镜片的一面在上止点处 在腔室中的活塞面的表面上，另一面在活塞组件的外部是可见的且在循环的适当时刻接收 激光射线。
[0042] 等容性体积法
[0043] 根据活塞-滑块-曲柄运动学的体积法，传统柴油发动机的最大速度受到燃料燃烧 时间的限制，在给定速度下燃料燃烧时间是指定的。
[0044] 相对于相同气缸体积和体积率的传统的滑块曲柄-曲柄臂运动，本发明的发动机 示出更固定的在上止点处的体积法，对于本发明的发动机，通过压缩点火能够比传统发动 机以更高的速度旋转，同时使燃料被注入、蒸发和燃烧。
[0045] 发动机和负载之间的速度调整
[0046] 发动机到待驱动负载的速度范围的调整经常需要使用至少一个减速器或倍增器。 后者可以是结构紧凑而轻巧的，例如当其为外摆线轮系时;但其通常涉及轮-小齿轮传动装 置，轮-小齿轮传动装置是一种简单但是笨重且庞大的技术方案，因为所有的力通过单一啮 合点/线。
[0047] 对本发明的发动机到待驱动负载的速度范围的调整实际上被简化了，因为本发明 中已经具有减速器，且所述减速器相比曲轴可以减少发动机轴转速的2.5~3:1直至1:2(在 这种情况下为倍增器）。当力传递时，通过由4个啮合点/线（发明优先采用N = 4曲轴)被分 害J，每个齿传递大约减少四倍的力，因此其尺寸减小。本发明发动机中的减速器具有同一力 耦和减少量，因此比传统轮-小齿轮减速器更加轻便。
[0048]通过调整减速器传动比，本发明发动机能够避免使用额外的减速器级，能够更好 地调整负载的速度。
[0049] 飞机螺旋桨驱动
[0050] 小型和中型螺旋桨飞机的航空动力通常使用一个或多个或直接在发动机曲轴的 输出处、或通过连接到涡轮螺桨发动机的曲轴或涡轮轴的减速器连接到螺旋桨的发动机组 实现。增加减速器产生附加质量，但是该减速器能够设定最佳的螺旋桨和发动机速度，这使 发动机的功率系数最大化。极少情况下，采用具有两个反向旋转双同轴螺旋桨的驱动器，使 用如第二次世界大战中的战斗机(喷火，马克19和22)或冷战中的战斗机(图波列夫95"熊"） 中同样的发动机，因为该技术选择更加复杂、更不可靠且更重。
[0051] 本发明的发动机的输出可使用反向旋转的两个同轴的轴相对容易地实现，具有很 小的额外质量和占地，理想地，其适用于速度大体上为1500转/分钟-2500转/分钟的双螺旋 桨反向旋转飞机的推进，且待连接到2000转/分钟到5000转/分钟(对应于目前范围为80到 500马力）的传统活塞发动机。
[0052] 在所有其他条件都相同的情况下，减速器包含扭转弹簧以减弱发动机力偶峰值。
[0053]
[0054] @明的发动机以直接、自然、且以"单缸"设计的方式显示了静力平衡的运动。
[0055] 动态下，仅除了 "摆动"（即取决于电机轴的轴线的时刻的变化)之外，所有轴保证 平衡。但是，由于不平衡的、以谐波速度旋转的量，这可能很容易地衰减或者甚至消除。 [0056] 相比于传统滑块曲柄-曲柄臂使用的术语
[0057]本发明描述了具有复杂腔室形状的热机。相比于常规电机，本发明中的气缸称谓 并不恰当，这一发动机的基本组件包括基本工作空间或腔室，其不是圆柱形的。此外，通过 意义延伸，本发明的发动机当其分别包括一个、两个、三个等发动机基础部分时被称为单 缸、双缸、三缸发动机等。
[0058]同样地，以此类推，将热机在循环周期中对应于最小和最大体积的位置分别和命 名上止点和下止点，即使在摆动时刻，本发明发动机活塞没有死点。
【附图说明】
[0059]附图示出了本发明的发动机，在此每个气缸具有4个活塞组件(N = 4)，但图4a，4b 和4c，N=5除外，本发明不受此限制，仅用于当查看附图时容易理解。
[0060] 图1为本发明一般情况下的一个通用的运动学图解，其示出对于发动机的一个气 缸的活塞组件，该活塞组件由驱动轴或曲轴以及相对于其他活塞组件表面的接触驱动，如 在中线剖视图中沿发动机Z轴所示。
[0061] 图2a为图1的一个特定运动学实施例，其中活塞组件被滑块相对于彼此引导。
[0062] 图2b为图1的一个特定运动学实施例，其中活塞组件包括活塞、防火表面、安装的 滑块，且其中该活塞由滑块-枢轴旋转引导。
[0063] 图3为本发明的基于图1的一个特定运动学实施例，其中活塞组件仅是由滑块-枢 轴旋转引导的活塞且具有密封装置。
[0064]图4a为从发动机轴线来看的、图4b的具有隐藏虚线的视图。
[0065]图4b为发动机的5个简化的联锁表面的简图，该5个联锁表面构成具有5个活塞组 件的气缸的的燃烧室。
[0066]图4c为来自图4b的视图，其中去除了两个相邻面。
[0067]图4d与图4b不同在于从另一个角度来看，其一共呈现了4面而不是5面。
[0068]图5a、5b和5c示出在不同的曲轴角度下，发动机的、具有4个活塞组件的气缸的燃 烧室的体积。
[0069]图6a和6b为包含相反旋转轴的发动机同步装置的相同运动方案的两个正交视图。 [0070]图7a、7b和7c为枢轴滑块连接件的多个变形，其使活塞组件定向。
[0071 ]图7d示出表示活塞特征点的精确轨迹的的一个大图和一个小图。
[0072]图8a和8b示意性地描绘了活塞组件表面的可能的不同剖面。
[0073]图9详细描绘了从正面看的活塞组件的表面，即与图8a和8b的视图正交的视图。 [0074] 图10a、10b、10c、10d、10e、IOf、11a、Ilb和Ilc示出根据本发明特定实施例的用线 分部分的活塞的发动机的活塞组件的多方面视图、截面视图、具体视图和分解图，。
[0075]图12a、12b、12c、13a和13b示出根据本发明另一特定实施例的发动机活塞组件的 多方面视图、截面视图、分解图和具体视图，活塞具有防火表面和反加速装置。
[0076]图14a、14b和14c示出喷射栗的特定实施例。
[0077]图15a、15b、15c和15d示意性示出在一个循环中不同曲轴角度处的排气的分配机 制。
[0078]图16为进气时刻的部分可视的剖视图，不出了气缸的填充。
[0079] 图17示出根据本发明的示例性发动机的气缸分布图和体积曲线。
[0080] 图18a和18b为同一类型的发动机的垂直于Z轴的中线剖视图，该发动机尤其构造 为在循环的两个特定时刻(上止点和曲轴旋转60°)具有带有防火表面的活塞组件。
[0081] 图18c和18d为同一类型的发动机的垂直于Z轴的中线剖视图，该发动机尤其构造 为在循环的两个特定时刻（曲轴从下止点旋转130°和180°)具有有边缘分部分活塞的活塞 组件。
[0082] 图19a、19b和19c从不同的观察角度示出发动机气缸的部分组件，包括四个中的具 有两个相对应曲轴的两个相邻活塞组件。
[0083]图20a和20b为发动机的气缸同一局部的主视图和等角视图，包括四个滑块和移动 部分，移动部分包括活塞和曲轴。
[0084]图21示出根据本发明的发动机气缸的固定部件的等角视图。
[0085]图22为包含图20a、20b和21的组合部件件的视图，但无进气歧管。
[0086]图23a和23b示出单缸发动机的等角透视图。
[0087]图24a和24b示出横截面视图，在循环中的两个不同的时刻，该横截面由完全的单 杠发动机的轴线截断。
[0088]图25示出在通过激光射线点火的发动机的特定实施例中，上止点处的气缸的剖面 图视图。
[0089]图26示出带有助力器的单缸发动机的略图。
[0090] 图27示出具有特定排气设计的双缸发动机的略图。
[0091] 图28示出带有特定歧管的三缸增压发动机的略图。
[0092]图29示出具有特定排气歧管布置的三缸增压发动机的略图。
[0093] 图30示出四缸增压发动机的略图，该发动机具有特定进气和排气歧管布置和两个 涡轮压缩机。
[0094] 图31示出发动机的2次和3次谐波的平衡装置。
[0095] 描述本发明的附图及其功能
[0096] 运动学图解
[0097] 图1是为本发明一般情况下的一个通用的运动学图解，其示出对于发动机的一个 气缸的具有气缸面(51a)和滑块表面(52a)的第一活塞组件，其通过第一活塞组件的循环驱 动和定位机构（30)的一部分，以及限制该第一活塞与其他相邻活塞组件的气缸面（51b， 51c，51d)和滑动表面(52b，52c，52d)接触的触点，由驱动轴（39)或者第一曲轴（40a)来驱 动，驱动轴或者第一曲柄轴在这里是通用类型，其他相邻活塞组件部分地示出。
[0098] 第一活塞组件的滑动表面(52a)靠着第四活塞组件的气缸面(51d)滑动。
[0099] 第二活塞组件的滑动表面(52b)靠着第一活塞组件的气缸面(51a)滑动。
[0100] 在该通用版本中，第一驱动轴(39)和曲轴(40a)，根据循环驱动和定位机构(30)的 复杂性和设计，每个循环做出一轮或两轮单调循环旋转。对于可替代的或"半可替代的"旋 转替代选择，本发明只适用于单一的气缸。
[0101] 在一个循环中，工作体积到达至少一个最小值（上止点）和至少一个最大值（下止 点）。这留下了以下可能性，其显然在技术上是不可行的，因为其使扫描体积在压缩和膨胀 过程中不同的4冲程发动机的分配装置及循环驱动和定位机构（30)更复杂，这导致了真正 的米勒循环。
[0102] 此处示意性示出的循环驱动和定位机构(30)不限制本发明，且可有多种类型：
[0103] ?齿轮齿条型，是一种复杂的方案，具有半-旋转转动的中间小齿轮，用于以可替 代的平移推动所述活塞组件，且具有经由滑块曲轴通过驱动轴连续的、单调旋转来驱动的 小齿轮。
[0104] ?曲柄臂及滑块曲柄型，用于以可替代的平移安装有滑块的活塞组件。
[0105] 第一活塞组件的循环驱动和定位机构（30)，与活塞组件的滑动表面和相邻及周围 活塞组件的气缸面的滑动接触，需要在循环的每时每刻，使得N个活塞的前边缘(53)运动地 穿透发动机的Z轴，这也是发动机部件关于Z轴重复旋转所需要的。
[0106] 图2a是本发明的特定中比较特殊的动力运动学操作实施例，在图1中已阐明过，活 塞组件通过滑块(32)彼此间被引导。这是一种运动学上可行的实施例，但是在技术上比较 繁琐复杂，因此不是优先的选择也没有获得进一步的发展。
[0107]图2b是图1的特定运动学实施例，其