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CN109339946A - 一种基于气门换气的双曲轴对置活塞四冲程发动机 - Google Patents

一种基于气门换气的双曲轴对置活塞四冲程发动机 Download PDF

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李向荣
赵伟华
杨伟
陈彦林
刘福水
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Abstract

本发明公开了一种基于气门换气的双曲轴对置活塞四冲程发动机，属于内燃机技术领域，包括：机体、曲柄连杆机构、进气门、排气门及喷油器；曲柄连杆机构用于将活塞的直线运动转变为曲轴的转动；两个曲柄连杆机构的活塞同轴安装在机体的两端；一个以上进气门分别安装在机体的安装孔中，该安装孔为进气孔，进气孔与进气道相通；一个以上排气门分别安装在机体的安装孔中，该安装孔为排气孔，排气孔与排气道相通；喷油器安装在机体的其余安装孔中或者安装在进气道上；本发明将传统的对置二冲程发动机通过进气口、排气口完成换气过程替换为通过可开闭的进气门、排气门完成换气过程，使发动机在不同工况下得到最佳的进气量，优化油气混合和燃烧过程。

Description

一种基于气门换气的双曲轴对置活塞四冲程发动机
技术领域
本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种基于气门换气的双曲轴对置活塞四冲程发动机。
背景技术
与常规的发动机相比，对置活塞发动机取消了复杂的配气机构以及气缸盖，大幅减小了发动机的重量和体积，可以有效地提高发动机的功率密度，成为实现发动机小型化的重要技术途径之一。对置活塞发动机结构简单，零件数量少，成本低。取消配气机构可以减少摩擦副的数量，摩擦损失减少，相同排量的情况下，活塞平均速度可以减少一半，发动机的机械效率提高。取消气缸盖可以减小冷却系统的体积，减少向冷却系统的散热，提高发动机的热效率。此外，发动机的两个活塞在同一气缸中反向往复运动使得发动机自平衡性好，震动小。对置活塞发动机具有功率密度高和热效率高的优点，作为应对能源危机和环境污染的技术途径之一受到广泛的关注与研究。在传统的对置二冲程发动机中，通过活塞扫略布置在缸套两端的进、排气口完成换气过程，并且换气时间较短，所以对置二冲程发动机的换气性能较差、HC排放比较多。此外，对置二冲程发动机存在活塞轴向尺寸大、活塞往复质量大、活塞环需要定位、润滑油消耗高、活塞裙部需要布置气环/油环等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于气门换气的双曲轴对置活塞四冲程发动机，将传统的对置二冲程发动机通过进气口、排气口完成换气过程替换为通过可开闭的进气门、排气门完成换气过程，使发动机在不同工况下得到最佳的进气量，最终优化油气混合和燃烧过程，改善发动机的性能。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种基于气门换气的双曲轴对置活塞四冲程发动机，包括：机体、曲柄连杆机构、进气门、排气门及喷油器；
所述机体为两端开口的筒状结构，机体外圆周面的中部加工有沿其周向分布的安装孔；
所述曲柄连杆机构用于将活塞的直线运动转变为曲轴的转动；
整体连接关系如下：两个曲柄连杆机构的活塞同轴安装在机体的两端，并将机体的两个开口端封闭，且两个活塞的相对端之间的柱形空腔为燃烧室，所述燃烧室与机体上的安装孔相通；
一个以上进气门分别安装在机体的一个以上相邻的安装孔中，该安装孔为进气孔，进气孔与进气道相通；通过改变处于打开状态的进气孔的个数，调节通入燃烧室内的进气量；
一个以上排气门分别安装在机体的一个以上相邻的安装孔中，该安装孔为排气孔，排气孔与排气道相通；通过改变处于打开状态的排气孔的个数，调节排出燃烧室内的排气量；
一个以上喷油器安装在机体的其余安装孔中或者安装在进气道上。
进一步的，所述进气门和排气门均为T型结构，T型结构的水平部分为圆板，竖直部分为圆杆；
所述进气门的圆板与进气孔对应，用于封闭或打开进气门，进气门的圆杆伸出进气孔；
所述排气门的圆板与排气孔对应，用于封闭或打开排气门，排气门的圆杆伸出排气孔。
进一步的，还包括火花塞，一个以上火花塞安装在机体的安装孔中。
进一步的，所述活塞为凸顶活塞。
进一步的，所述曲柄连杆机构包括：曲轴和连杆；连杆由杆状结构及一体成型在杆状结构两端的第一筒状结构和第二筒状结构组成；所述第一筒状结构和第二筒状结构的轴线平行，且分别与杆状结构的长度方向垂直；所述连杆的第二筒状结构通过活塞销与活塞销接；连杆的第一筒状结构通过销轴与曲轴的一端销接；曲轴的另一端与外部的支撑部件销接。
进一步的，所述第一筒状结构的内径大于第二筒状结构的内径。
进一步的，所述进气门和排气门采用机械驱动、电磁驱动或液压驱动的方式使其将对应的进气孔或排气孔封闭或打开。
有益效果：本发明通过采用进气门、排气门完成发动机的换气过程，使得活塞轴向尺寸变小，避免了现有的对置活塞发动机存在的活塞往复质量大、活塞轴向尺寸长及润滑、密封困难等问题，改变了现有对置发动机依靠气口开闭及滑动缸套来实现可变配气相位的方式；通过驱动进气门或排气门的开、闭实现配气相位的变化，使发动机在不同工况下得到最佳的进气量，最终优化油气混合和燃烧过程，改善发动机的性能，具有较强的可实现性和耐久性。
附图说明
图1为本发明的结构组成图；
图2为本发明的曲柄连杆机构的结构示意图；
图3为实施例1的进气门和排气门的安装示意图；
图4为本发明的进气道和排气道的结构示意图；
图5为实施例1的喷油器和火花塞的安装示意图；
图6为实施例2的喷油器和火花塞的安装示意图；
图7为实施例3的喷油器和火花塞的安装示意图；
图8为实施例4的喷油器和火花塞的安装示意图；
图9为本发明的凸顶活塞示意图；
其中，1-机体，2-曲柄连杆机构，3-进气门，4-排气门，5-喷油器，6-火花塞，7-曲轴，8-连杆，9-活塞，10-活塞销，11-第一筒状结构，12-第二筒状结构，13-进气道，14-排气道。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供了一种基于气门换气的双曲轴对置活塞四冲程发动机，参见附图1，包括：机体1、曲柄连杆机构2、进气门3、排气门4、喷油器5及火花塞6；
参见附图2，所述曲柄连杆机构2包括：曲轴7、连杆8、活塞9及活塞销10；曲柄连杆机构2用于将活塞9的直线运动转变为曲轴7的转动；所述连杆8由杆状结构及一体成型在杆状结构两端的第一筒状结构11和第二筒状结构12组成；所述第一筒状结构11和第二筒状结构12的轴线平行，且分别与杆状结构的长度方向垂直；第一筒状结构11的内径大于第二筒状结构12的内径；所述连杆8的第二筒状结构12通过活塞销10与活塞9销接；连杆8的第一筒状结构11通过销轴与曲轴7的一端销接；曲轴7的另一端与外部的支撑部件销接；
所述机体1为两端开口的圆筒状结构，机体1外圆周面的中部加工有沿其周向分布的安装孔；
所述进气门3和排气门4均为T型结构，T型结构的水平部分为圆板，竖直部分为圆杆；
整体连接关系如下：两个曲柄连杆机构2的活塞9同轴安装在机体1的两端，并将机体1的两个开口端封闭，且两个活塞9的相对端之间的柱形空腔为燃烧室，所述燃烧室与机体1上的安装孔相通；
参见附图3和图4，一个以上进气门3分别安装在机体1的一个以上相邻的安装孔中，该安装孔为进气孔，进气孔与进气道13相通；其中，进气门3的圆板与进气孔对应，用于封闭或打开进气门3，进气门3的圆杆伸出进气孔；通过分别控制每个进气门3的圆板将对应的进气孔封闭或打开，以调节通入燃烧室内的进气量；一个以上排气门4分别安装在机体1的一个以上相邻的安装孔中，该安装孔为排气孔，排气孔与排气道14相通；其中，排气门4的圆板与排气孔对应，用于封闭或打开排气门4，排气门4的圆杆伸出排气孔；通过分别控制每个排气门4的圆板将对应的排气孔封闭或打开，以调节排出燃烧室内的排气量；进气门3和排气门4采用机械驱动、电磁驱动或液压驱动其竖直部分的圆杆运动的方式使其将对应的进气孔或排气孔封闭或打开，依据发动机不同运行工况调节进气门3、排气门4开启的个数和开启的相位，使发动机在不同工况下的最佳的进气量和排气量，优化油气混合燃烧过程；
参见附图5，一个以上喷油器5和一个以上火花塞6分别安装在机体1上其余安装孔中，组成缸内直喷火花点火发动机。
其中，所述活塞9为凸顶活塞，参见附图9，即两个活塞9的相对端的外圆周面分别加工有环形凹面，防止活塞9与进气门3、排气门4、喷油器5以及火花塞6产生运动干涉；
工作原理：发动机工作过程分为四个冲程，1)进气冲程：进气门3打开，活塞9从机体1的中心向其两端运动，气体进入燃烧室；2)压缩冲程：进气门3关闭，通过转动曲轴7推动活塞9从机体1的两端向其中心运动，压缩燃烧室内的气体；3)做功冲程：打开喷油器5，喷油器5喷出的燃油与燃烧室内的气体混合形成可燃混合气，通过火花塞6点燃可燃混合气，可燃混合气燃烧膨胀，推动活塞9从机体1的中心向其两端运动，通过曲轴7对外做功；4)排气冲程：做功结束后，打开排气门4，通过转动曲轴7推动活塞9从机体1的两端向其中心运动，将燃烧室内的废气排出。
实施例2：
本实施例中，除了喷油器5和火花塞6布置与实施例1不同以外，其余部件的连接关系与实施例1均相同；
参见附图6，一个以上喷油器5安装在进气道13上，且未设有火花塞6，组成进气道喷射压燃点火发动机；
工作原理：发动机工作过程分为四个冲程，1)进气冲程：喷油器5喷出的燃油与进气道的气体混合形成的可燃混合气，进气门3打开，可燃混合气进入燃烧室，活塞9从机体1的中心向其两端运动；2)压缩冲程：进气门3关闭，通过转动曲轴7推动活塞9从机体1的两端向其中心运动，压缩燃烧室内的气体；3)做功冲程：通过压缩燃烧室内的可燃混合气，点燃可燃混合气，可燃混合气燃烧膨胀，推动活塞9从机体1的中心向其两端运动，通过曲轴7对外做功；4)排气冲程：做功结束后，打开排气门4，通过转动曲轴7推动活塞9从机体1的两端向其中心运动，将燃烧室内的废气排出。
实施例3：
本实施例中，除了喷油器5和火花塞6布置与实施例1不同以外，其余部件的连接关系与实施例1均相同；
参见附图7，一个以上喷油器5安装在机体1的安装孔中，且未设有火花塞6，组成缸内直喷压燃点火发动机；
工作原理：发动机工作过程分为四个冲程，1)进气冲程：进气门3打开，气体进入燃烧室，活塞9从机体1的中心向其两端运动；2)压缩冲程：进气门3关闭，打开喷油器5，喷油器5喷出的燃油与燃烧室内的气体混合形成的可燃混合气后，通过转动曲轴7推动活塞9从机体1的两端向其中心运动，压缩燃烧室内的可燃混合气；3)做功冲程：通过压缩燃烧室内的可燃混合气，点燃可燃混合气，可燃混合气燃烧膨胀，推动活塞9从机体1的中心向其两端运动，通过曲轴7对外做功；4)排气冲程：做功结束后，打开排气门4，通过转动曲轴7推动活塞9从机体1的两端向其中心运动，将燃烧室内的废气排出。
实施例4：
本实施例中，除了喷油器5和火花塞6布置与实施例1不同以外，其余部件的连接关系与实施例1均相同；
参见附图8，一个以上喷油器5安装在进气道13上，一个以上火花塞6安装在机体1的安装孔中，组成进气道喷射火花点火发动机；通过火花塞6点燃可燃混合气。
工作原理：发动机工作过程分为四个冲程，1)进气冲程：喷油器5喷出的燃油与进气道的气体混合形成的可燃混合气，进气门3打开，可燃混合气进入燃烧室，活塞9从机体1的中心向其两端运动；2)压缩冲程：进气门3关闭，通过转动曲轴7推动活塞9从机体1的两端向其中心运动，压缩燃烧室内的可燃混合气；3)做功冲程：通过火花塞6点燃可燃混合气，可燃混合气燃烧膨胀，推动活塞9从机体1的中心向其两端运动，通过曲轴7对外做功；4)排气冲程：做功结束后，打开排气门4，通过转动曲轴7推动活塞9从机体1的两端向其中心运动，将燃烧室内的废气排出。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于气门换气的双曲轴对置活塞四冲程发动机，其特征在于，包括：机体(1)、曲柄连杆机构(2)、进气门(3)、排气门(4)及喷油器(5)；
所述机体(1)为两端开口的筒状结构，机体(1)外圆周面的中部加工有沿其周向分布的安装孔；
所述曲柄连杆机构(2)用于将活塞(9)的直线运动转变为曲轴(7)的转动；
整体连接关系如下：两个曲柄连杆机构(2)的活塞(9)同轴安装在机体(1)的两端，并将机体(1)的两个开口端封闭，且两个活塞(9)的相对端之间的柱形空腔为燃烧室，所述燃烧室与机体(1)上的安装孔相通；
一个以上进气门(3)分别安装在机体(1)的一个以上相邻的安装孔中，该安装孔为进气孔，进气孔与进气道(13)相通；通过改变处于打开状态的进气孔的个数，调节通入燃烧室内的进气量；
一个以上排气门(4)分别安装在机体(1)的一个以上相邻的安装孔中，该安装孔为排气孔，排气孔与排气道(14)相通；通过改变处于打开状态的排气孔的个数，调节排出燃烧室内的排气量；
一个以上喷油器(5)安装在机体(1)的其余安装孔中或者安装在进气道(13)上。
2.如权利要求1所述的一种基于气门换气的双曲轴对置活塞四冲程发动机，其特征在于，所述进气门(3)和排气门(4)均为T型结构，T型结构的水平部分为圆板，竖直部分为圆杆；
所述进气门(3)的圆板与进气孔对应，用于封闭或打开进气门(3)，进气门(3)的圆杆伸出进气孔；
所述排气门(4)的圆板与排气孔对应，用于封闭或打开排气门(4)，排气门(4)的圆杆伸出排气孔。
3.如权利要求1所述的一种基于气门换气的双曲轴对置活塞四冲程发动机，其特征在于，还包括火花塞(6)，一个以上火花塞(6)安装在机体(1)的安装孔中。
4.如权利要求1所述的一种基于气门换气的双曲轴对置活塞四冲程发动机，其特征在于，所述活塞(9)为凸顶活塞。
5.如权利要求1所述的一种基于气门换气的双曲轴对置活塞四冲程发动机，其特征在于，所述曲柄连杆机构(2)包括：曲轴(7)和连杆(8)；连杆(8)由杆状结构及一体成型在杆状结构两端的第一筒状结构(11)和第二筒状结构(12)组成；所述第一筒状结构(11)和第二筒状结构(12)的轴线平行，且分别与杆状结构的长度方向垂直；所述连杆(8)的第二筒状结构(12)通过活塞销(10)与活塞(9)销接；连杆(8)的第一筒状结构(11)通过销轴与曲轴(7)的一端销接；曲轴(7)的另一端与外部的支撑部件销接。
6.如权利要求5所述的一种基于气门换气的双曲轴对置活塞四冲程发动机，其特征在于，所述第一筒状结构(11)的内径大于第二筒状结构(12)的内径。
7.如权利要求2所述的一种基于气门换气的双曲轴对置活塞四冲程发动机，其特征在于，所述进气门(3)和排气门(4)采用机械驱动、电磁驱动或液压驱动的方式使其将对应的进气孔或排气孔封闭或打开。
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