CN1225707A - 拉力活塞发动机 - Google Patents

Abstract

一种往复式活塞发动机,包括一个具有冲程S的曲轴和长度L的连杆,如果活塞装有活塞杆和燃烧仅发生在活塞的拱形下侧,它能够比常规发动机增加燃料的燃烧所用时间几乎达(1+S/2L)倍。为了形成在活塞的拱形下的封闭空间,发动机具有缸底部而不是缸盖头部,并且,为达到现有发动机中的那样紧凑的燃烧室,本发动机具有底部下提升阀,以便享有顶阀赋予常规发动机大致同样优点,因为,活塞杆截面面积仅为A=P/f,其中P是由气体产生的力,f是活塞杆材料在基本上是简拉伸状态下的疲劳强度,没有轴向力作用在缸上,缸是相当薄和轻的。空气直接向腔壁流动,从里面冷却油膜。

Description

拉力活塞发动机

本发明背景

1．本发明的领域

本发明涉及具有曲轴、连杆和活塞杆总成的往复运动发动机。

2．现有技术简介

法国专利NO.814987和828306公开一种发动机，具有双作用活塞，即动力交替地施加到活塞一面然后再加到另一面。

利用两个活塞面的一些明显缺点是活塞冷却困难、润滑剂损失和发动机体积大。

使它们劣于常规发动机的另外的缺点是活塞杆的存在对阀的大小和位置的限制。从燃烧室的观点考虑，在现有技术得发动机中，L形盖(L-head)、F形盖和T形盖的发动机的缺点已然使得它们陈旧，结论是，不论比在常规顶阀发动机中对阀的尺寸或位置的限制大多少，都会使本发动机劣于相应的常规的发动机，因为阀的尺寸和位置的效果压倒了暂时提升阀发动机(temporary poppet valve engine)的所有其余特征。

在带有双作用活塞的发动机中，由顶杆负荷理论(column loadingtheory)给出活塞杆截面必须的惯性矩是

J=(4/aπ²)P_cl²/E

则对于圆杆可得d⁴=bP_cl²/E(l)

这里a和b取决于杆的支撑方式，对于悬臂杆a=1。

方程式(1)说明，圆杆的直径与它的长度L的根成正比，与材料的弹性模量的四次方根成反比，而与材料的强度无关。实际上，因为在顶杆加载(column loading)下是活塞杆和连杆的接合长度，情况会更坏，至少在曲轴一缸的轴线平面上。

如前所述，材料的任何改进对于d是无价值的。而且，E值低的材料，如钛合金是无用的，尽管其高强度/重量比适于制造跑动的发动机部件。

双作用活塞的其他缺点是，在活塞两个面侧的两类缸和燃烧室不相同。不仅它们的几何形状不同，而且两者在完成燃烧过程中所用时间差别显著，因为曲轴一连杆机构的活塞运动，在顶部死中心点附近比在底部死中心点附近快(1+S/2L)倍，其中S是冲程，L是连杆有效长度。例如，在L=2S时，在底部死中心点的停顿比在顶部死中心点长1.25倍，即在缸中更靠近曲轴的端侧的燃烧室为完成燃烧所用时间，比在缸中远离曲轴端侧的燃烧室长1.25倍，这使得双作用活塞发动机的不同类的两套燃烧室间在效率和性能中具有相当的差别。目前实际倾向表明，不仅是柴油发动机，而且电火花的发动机，在所用时间中的差别会对其效率和性能具有很大影响。本发明概要

因此，本发明的目的是提供一种带有与常规发动机同样紧凑燃烧室的发动机，活塞杆不限制阀的大小和位置，因为，使得常规的往复发动机居于任何其他类型热机之上的特征，除了它的简单性之外，就是燃烧室的紧凑性，但由于能够在缸盖上设置大的顶部提升阀，在紧凑的同时兼有还说得过去的气体流动效率。

本发明的另一个目的是提供一种发动机，它包括相同缸，不仅几何形状相同，完成燃烧所用时间也相同。

本发明的又一个目的是提供一种发动机，它有充分的时间完成燃烧，因此在燃烧时比常规发动机中较低的活塞运动速度提高效率，这是因为在常规发动机中，点火滞后，特别是在柴油机中，以及较不足的火焰速度，造成缺乏完成燃烧所用时间。为了达到此目的，本发明具有的燃烧所用时间是常规发动机燃烧所用时间的(1+S/2L)倍。

本发明的再一个目的是提供一种发动机，它至少与常规的发动机一样有效方便地润滑和冷却。

本发明的又另一个目的是提供一种发动机，它比常规发动机体积小和重量轻。

本发明的再另一个目的是提供一种发动机，它的本体如果有连接的话，该连接不处在气体压力下，避免会使发动机体部分分离的相当大的压力。

根据本发明的上述目的，活塞具有一个比另外的面更靠近连杆销的面，并且它在一个缸内往复运动，缸具有一个比另一端更靠近曲轴的端。在较靠近曲轴的缸端处固定一个气密盖，使得在靠近连杆销的活塞面与靠近曲轴的缸端的前述盖之间形成一个气密室。在缸的另一端是不存在气密盖，即在离连杆销远的活塞面上没有压力，使得在主连杆上没有显著的顶杆负荷。因此，沿所述连杆，仅有由于作用在靠近连杆销的活塞面上的气体压力形成的拉力。在长杆的这样简单拉伸中，所需的直径仅为d=(4P/πt)^1/2    (2)

即杆的直径d与负荷的平方根成正比，与材料在基本上正向拉伸状态下的疲劳强度的平方根成反比。

对于可能用于活塞杆材料的合理强度，缸腔和冲程的合理尺寸以及热力学循环中合理的最大压力，方程式(2)得到的连杆直径在缸腔口径的10％范围内，甚至更小，显然，在多阀的发动机中这对阀的尺寸和位置不会有限制，在两阀的发动机中仅有很小的限制。而且，材料疲劳强度t的提高会使d减小，这进一步有助于减小燃烧室壁的面积、杆的密封长度、减轻运动件和提高机械效率。参照附图的说明

在图1-8中，示出理论上是劣等的双作用活塞发动机缸组是如何被消除的，以及留下的由一组理论上更有效的缸组构成的发动机。

在图1和2中，示出本发明的两个剖示图，一个示于曲轴4垂直方向，一个是在曲轴一缸3的轴线平面上。

在图5、6和7中更清楚地示出连杆销6，它固定着主连杆7的一端，并且也铰链着辅助连杆5的小端52。主连杆7的相反端固定到活塞73上，同时辅助连杆5的大端铰链连接着曲轴4的曲柄销41。如图5、6和7所示的连杆销的滑件61在图4中清楚地示出的滑道10上滑动。

图4所示的缸3的端部32与缸3的曲轴4的端部远离，被称为离开曲轴远的缸端部32；而缸3端部31是接近曲轴4的缸端部，被称为接近曲轴的缸端部31。

相应地，如图5、6和7所示得更清楚，接近连杆销6的活塞表面被称为接近连杆销的活塞表面731；而远离连杆销的活塞表面被称为远离连杆销的活塞表面732。图4示出的板2具有主连杆7穿过的孔21和阀9的接口。固定在曲轴4上的齿轮45驱动凸轮轴8的齿轮81。

前述表明，在此发动机中，仅形成一个气密室，它是在接近连杆销的活塞面731、板2和缸腔之间的室。也指出，在远离连杆销的活塞面732上不存在压力。因此，即使在高速下，除了比因在活塞面731上的燃气压力所施加的拉伸载荷小若干倍的活塞73的惯性力外，主连杆7没有压缩力。如已知的，对于通常长度的连杆，最大的压缩惯性力是最大的拉伸惯性力的约0.6倍。

在图3中示出对于两组使用共用凸轮轴的气缸卧式对置发动机的实施例。

图4示出四缸发动机的壳体上的曲轴主轴承44、凸轮轴承82、滑道10和板2。

图5示出传动机构件和施加气压的单个活塞面731的透视图。

图7示出活塞面731相对于阀9的位置，示出在阀9和活塞面731间的专门产生燃烧的空间，图6示出在其上不发生燃烧的活塞面732。

图8示出由活塞运动驱动的冷却液的管路，从内部冷却缸腔和远离连杆销的活塞面732。由于油膜耐久性的温度限制，会对缸壁温度施加一些限制。直接向缸的内壁流动冷却剂，会保持油膜比较冷却，尽管与常规发动机比其缸壁较热，以便减少热损失。

Claims (4)

1．一种往复式活塞内燃机，包括：

一个壳体；

一个曲轴；

一个缸，其中具有一个可往复运动的活塞；

一个连杆销，包括在固定到所述壳体的滑道上进行滑动的滑动件装置；

一个主连杆，其一端固定到所述活塞，而相反端固定到所述连杆销；

一个辅助连杆，其一端铰链连接着所述曲轴，而相反端铰链连接着所述连杆销；

所述活塞具有一个接近所述连杆销的活塞面和一个远离所述连杆销的活塞面；

所述缸具有一个接近所述曲轴的缸端和一个远离所述曲轴的缸端；

一个板，固定到接近曲轴的缸端；

所述往复式活塞内燃机的特征是：燃烧只发生在所述接近连杆销的活塞面上；从而造成一个通过限制压缩负荷而得到的足够小直径的主连杆；取得一个带有小热损失和摩擦损失的紧凑燃烧室，且其易于密封，易于活塞冷却，完成燃烧所用时间充足；并且，带有与同样缸尺寸的常规发动机一样的阀所需空间。

2．如根据权利要求1所述的往复式活塞内燃机，其特征是，所述板包括阀，后者在所述板上基本不从缸腔突出处向外伸出，从而，燃烧室的紧凑性和气体的流动质量不受限制。

3．如根据权利要求1所述的往复式活塞内燃机，其特征是，所述远离曲轴的缸端可容纳孔装置，后者向着所述缸的内壁和所述远离连杆销的活塞面引导冷却剂，从而比常规的缸具有更高的缸温度，而不烧油膜。

4．如根据权利要求1所述的往复式活塞内燃机，特征是：所述壳体包括至少一个凸轮轴，后者包括平衡两个冲程循环发动机的第一次序惯性力和第一次序惯性力矩的平衡重量。

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