CN1959081A - 单一或多个摆动活塞串联为二缸或多缸四冲程内燃发动机 - Google Patents

Abstract

单一或多个摆动活塞串联为二缸或多缸四冲程内燃发动机，这是适合于小型、中型、大型、特大型、高效率节能型内燃发动机，节能和高效为各类发动机之首。节能是此一发明的最大优点，四冲程内燃机的内效率高于其他发动机，新发明的机械效率又特别的高，从而提高了发动机的有效效率，成为现有节能发动机之首。新发明另一结构特点，结构十分简单，外型容积仅为相近功率内燃机的五分之一至十分之一，制造成本也可近数倍的降低。此发明为最近申报的另一发明“整体式特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机”的后继发明，此二项发明可称为姐妹发明，将能在国际动力领域打下一大片天地。

Description

单一或多个摆动活塞串联为二缸或多缸四冲程内燃发动机

技术领域  单一或多个摆动活塞串联为二缸或多缸四冲程内燃发动机，根据国际专利分类表属于F01C9/00，F02B53/00，F02B53/04。

背景技术  本发明是发明人2006年8月16日申报，发明名称为《整体式特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机》，专利申请号：200610115894.4的后继发明，二者部分主要结构有相近之处，但工作原理和技术特征全然不同，本发明是在前一发明的基础上向更高层次的发展。发明是发明人历时36年(1970年至2006年)，在自己申报的七项专利的基础上发展而来，发明集这些专利的优点，形成了一项成功的完善的发明。

这些专利是：

1、二冲程摆动活塞内燃发动机。中国专利，专利号：85100486.5。获全国第二届发明展览会银奖，获首届国际与新技术展览会优秀奖。

2、摆动活塞内燃发动机——四缸发动机。中国专利，专利号：87107720.5，参加首届北京国际发明展，会上发明人受到党和国家领导人的接见和合影。

3、摆动活塞内燃发动机。美国专利，专利号：US4884532，获第十五届日内瓦世界发明展铜奖，获美国纽约第十四届世界发明展银奖。

4、摆动活塞内燃发动机全封闭密封装置。中国专利，专利号：94105413.6。

5、摆动活塞压缩机。中国专利，专利号：ZL96247057.0。

6、摆动活塞压缩机端面密封装置，2006年5月15日申请发明专利，专利申请号：200610082248.2。

7、整体式特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机，2006年8月16日申报发明专利，专利申请号：200610115894.4。

在已有技术上本发明和二冲程摆动活塞内燃发动机具有不同的工作原理和结构，本发明为四冲程发动机，前者为二冲程发动机。美国专利同样为二冲程内燃发动机。

本发明和摆动活塞内燃发动机——四缸发动机，有完全不同的结构形式，本发明一个摆动活塞和缸体构成二个工作气缸，四缸发动机一个摆动活塞和缸体构成四个工作气缸。

本发明是在1974年和1996年二次成功实机实践的基础上发展而来，是又一种成功的机型。

发明内容  单一或多个摆动活塞串联为二缸或多缸四冲程内燃发动机，可采用单一摆动活塞和缸体构成二缸，也可采用多个摆动活塞和缸体构成多缸(缸数为摆动活塞数的二倍数)，由同一曲轴[1]、曲柄[13]、边杆[2]驱动，每一曲柄、连杆驱动一个摆动活塞[3]，构成二个工作气缸。

本发明可实现中小功率四冲程发动机，也可实现特大功率四冲程发动机。本发明采用四冲程发动机，经济性可为各种发动机之首，符合当代节能的要求。由于此种发动机机械效率高于其他发动机，四冲程内燃机工作循环，内效率又是各发动机中最高的，因而有效效率可为各种发动机之首。

对于大型或特大型发动机建议采用四个摆动活塞八缸四冲程发动机，此种发动机结构简单，最大功率可达10万马力以上，符合大型电站、船舶、30万吨级油轮和豪华型客轮的要求。中等功率可适合于电站、机车、中小型船舶的要求。

采用此种发动机，工作平稳，噪声小，输出力矩均匀，起动性能良好，外型容积可为现有发动机的五分之一至十分之一，制造成本也可近数倍的降低。

四摆动活塞八缸四冲程发动机，如图2所示，以[Q]、[R]、[S]、[T]标注四个摆动活塞，首尾二摆动活塞[Q]、[T]同步摆动，中间二摆动活塞[R]、[S]同步摆动，当[Q]、[T]同步顺时针摆动时，[R]、[S]同步逆时针摆动，曲轴每转半转，活塞变更一次摆动方向。采用以上运动方式整个机构的惯性力和惯性力偶可做到完全平衡。

如图2所示：[Q]摆动活塞和缸体形成[A]、[B]二个工作气缸，[R]摆动活塞和缸体形成[C]、[D]二个工作气缸，[S]摆动活塞和缸体形成[E]、[F]二个工作气缸，[T]摆动活塞和缸体形成[G]、[H]二个工作气缸。当摆动活塞[Q]顺时针方向摆时[A]缸进气，[B]缸排气。当摆动活塞[R]逆时针方向摆动时[C]缸排气，[D]缸进气。当摆动活塞[S]逆时针方向摆动时，[E]缸空气压缩，[F]缸燃气膨胀作功，当摆动活塞[T]顺时针方向摆动时，[G]缸燃气膨胀作功，[H]缸空气压缩。

由上可见：在这一工作冲程[E]缸的压缩功通过摆动活塞[S]直接由[F]缸的膨胀功来支付，不需通过连杆、曲轴来传递。同样[H]缸的压缩功通过摆动活塞[T]直接由[G]缸的膨胀功来支付，不需通过连杆、曲轴来传递。这样大大减少了中间机构的功率损失，大大提高了机械效率。

在曲轴转过一周，第三个冲程时，摆动活塞[Q]再次顺时针方向摆动，缸[B]空气压缩，缸[A]燃气膨胀，缸[B]压缩功由缸[A]膨胀功通过摆动活塞[Q]直接来传递。同样摆动活塞[R]再次作逆时针方向摆动，缸[C]空气压缩，缸[D]燃气膨胀，缸[C]压缩功直接由缸[D]膨胀功通过摆动活塞[R]直接来传递。这样也大大减少了中间机构的功率损失，大大提高了机械效率。

摆动活塞又起到类似于飞轮贮能器的作用，以最大惯性力来平衡气体的最大作用力，随后又将能量逐步释放，使活塞和连杆轴承、曲轴曲柄轴承的受力大大的降低，约可降低2.5倍，减少了机械磨损，提高了工作效率。

摆动活塞[3]用滑动轴承支承，由于密封件的支撑，活塞悬浮在缸体之中，不直接和缸体接触和磨擦，大大降低了机械磨擦损失，提高了机械效率。不象往复式发动机不仅活塞在气缸中直接磨擦，而且活塞在气缸中横向拍击，产生横向拍击噪声。

此项发明采用缸体、缸盖、机座，每一曲轴曲柄经连杆驱动一个摆动活塞和缸体构成二个工作气缸，大大简化了结构，整个布置又十分的紧凑，因而可做到小的外型尺寸，低成本而发出大的功率。

本发明可采用发明人2006年5月15日申报的发明专利：摆动活塞压缩机端面密封装置，专利申请号：200610082248.2，用作本发明的端面密封，可保证发动机良好的密封。

此项发明对小、中、大各类发动机均可以适用，小型发动机可采用汽油机、柴油机、天然气发动机，对于大型发动机可采用柴油发动机和重油发动机。

附图说明  见图1、图2

图1.单一或多个摆动活塞串联为二缸或多缸四冲程内燃机发动机横剖面图。

图2.多个摆动活塞串联为多缸四冲程内燃发动机立体示意图。

图中所示为四个摆动活塞[3]串联布置，摆动活塞又分别用[Q]、[R]、[S]、[T]予以标记，每一活塞形成二个气缸，气缸[A]、[C]、[E]、[G]在摆动活塞销的一边，[B]、[D]、[F]、[H]在摆动活塞销的另一边。每个缸都为独立的四冲程工作气缸，由凸轮轴[9]和凸轮控制每缸进排气门的开闭，凸轮轴和曲轴准时齿轮传动比为2∶1，曲轴转二转，凸轮轴转一转。

由图2可见，首尾二摆动活塞[Q]、[T]同步摆动，中间二摆动活塞[R]、[S]同步摆动。在图2所示位置曲轴旋转时，凸轮控制打开[A]缸进气阀门，[A]缸进气；凸轮控制打开[B]缸排气阀门，[B]缸排气；凸轮控制打开[C]缸排气阀门，[C]缸排气；凸轮控制打开[D]缸进气阀门，[D]缸进气。此时[E]、[F]、[G]、[H]四个工作气缸的进排气阀门均处于关闭状态，此时[E]缸进行空气压缩，[F]缸燃气膨胀对外作功，[G]缸燃气膨胀对外作功，[H]缸空气压缩。

由图所示：1-曲轴，2-连杆，3-摆动活塞，又分别用[Q]、[R]、[S]、[T]予以标记，4-摆动活塞中心轴，5-整体式缸体，6-整体式缸盖，7-整体式机座，8-进排气门，9-凸轮轴和进排气凸轮，10-冷却水道，11-径向密封条，12-活塞销，13-曲柄轴。

由图可见加工采用通用机床，镗床、车床、刨床、铣床、磨床就可完成加工，这比往复式发动机的加工简单许多。

凸轮轴和曲轴间用准时和过挤齿轮传动，凸轮型线的设计需保证每个缸进排气的畅通，且减少气体流动过程中的节流损失和噪音，根据气室容积的变化，气门均有相适应的开度和流通面积。气门结构类同于往复式发动机的气门结构，用高强度耐热钢材按工艺制作。

摆动活塞压缩机总体安装步骤见图2。

1、曲轴[1]装置在整体式机座[7]中。

2、多个摆动活塞[3]装上径向和端面密封件，通过中心轴[4]装入整体式缸体[5]中。

3、连杆[2]小头轴承和摆动活塞[3]活塞销[12]滑动连接，连杆[2]大头轴承和曲轴[1]曲柄轴[13]滑动连接。此时整体式缸体[5]起吊在整体式机座[7]正上方，保留有人操作的空隙，此时也可由机械手帮助人手的操作。连杆安装完毕，整体式缸体[5]和机座[7]通过定位销和螺钉螺帽固紧。

4、整体式缸盖[6]中安装进排气门[8]，起吊整体式缸盖[6]，和整体式缸体[5]，通过定位销，螺钉螺帽固紧。

5、在整体式缸盖[6]上安装进、排气门[8]、导管、弹簧、锁紧件等零件，安装凸轮轴[9]、摇臂、顶杆等系统。凸轮轴上安装准时齿轮。

6、在曲轴[1]前端安装准时齿轮、飞轮、连轴节，在曲轴[1]后端安装燃油泵、机油泵、水泵等辅助设备。

7、在曲轴和凸轮轴准时齿轮间可安装过桥齿轮在机体前端面上。

摆动活塞二缸或多缸四冲程内燃发动机可采用废气涡轮增压器对进气进行增压。

各个摆动活塞的密封装置采用发明人自行设计申报的摆动活塞压缩机端面密封装置中的结构，发明专利申请号：200610082248.2。

具体实施方案

目前正在制造单摆动活塞双缸压缩机，主要参数为每缸工作容积3.8公升，双缸工作容积7.6公升。吸气压力：常压排气压力8公斤力/公分²，转速980转/分，活塞外缘线速度5.8公尺/秒，缸体水冷，活塞油冷，2006年内可完成样机制作和测试鉴定。在此基础上重新设计缸头，提高压缩比和压缩压力，就可从事摆动活塞二缸四冲程发动机的设计加工，可先实施汽油机、天然气发动机，然后向柴油机方向发展，并从单个摆动活塞向四个摆动活塞多缸大功率发动机方向发展。

2006年已先于此项发明，申报了二项发明专利：①摆动活塞压缩机端面密封装置，发明专利申请号：20061002248.2。②整体式特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机，专利申请号：200610115894.4，是本发明先行的发明，为本发明实施打下良好的基础。《整体式特大排量超高压活塞串联多缸多级摆动活塞压缩机》和《单一或多个摆动活塞串联为二缸或多缸四冲程内燃发动机》可称为姐妹发明，将能在国际动力领域打下一大片天地。

Claims (5)

1、单一或多个摆动活塞串联为二缸或多缸四冲程内燃发动机，每一摆动活塞[3]形成二个工作气缸，多个摆动活塞串联布置在整体式缸体[5]、缸盖[6]和机座[7]之中，形成摆动活塞二倍数的工作气缸，如四个摆动活塞[Q]、[R]、[S]、[T]形成八个工作气缸[A]、[B]、[C]、[D]、[E]、[F]、[G]、[H]，由同一曲轴[1]四个曲柄[13]，四个连杆[2]分别来驱动每一摆动活塞[Q]、[R]、[S]、[T]，每一气缸[A]、[B]、[C]、[D]、[E]、[F]、[G]、[H]为独立的工作气缸，每缸按四冲程工作原理工作。

2、多缸四冲程摆动活塞发动机以四个摆动活塞八缸为标准型结构，以[Q]、[R]、[S]、[T]标注四个摆动活塞，首尾二摆动活塞[Q]、[T]同步同向摆动，中间二摆动活塞[R]、[S]同步同向摆动，当[Q]、[T]同步顺时针摆动时，[R]、[S]同步逆时针摆动，曲轴每转半转，摆动活塞变更一次摆动方向。

3、四个摆动活塞形成八个独立工作气缸，[A]、[B]、[C]、[D]、[E]、[F]、[G]、[H]，每缸按四冲程工作原理工作，由凸轮轴[9]中凸轮控制各缸进排之门[8]的开闭，各缸在各个冲程按进气，新气压缩，(火花塞点燃或喷油燃烧)，膨胀作功，废气排出完成整个循环。凸轮控制当摆动活塞[Q]顺时针方向摆动时，缸[A]进气，缸[B]排气；此时摆动活塞[R]逆时针方向摆动，此时缸[C]排气，缸[D]进气；同时摆动活塞[S]逆时针方向摆动，缸[E]空气压缩，缸[F]燃气膨胀作功；同时摆动活塞[T]顺时针方向摆动，缸[G]燃气膨胀作功，缸[H]空气压缩，这一工作冲程中[E]缸的压缩功通过摆动活塞[S]由[F]缸的膨胀功来支付；同样[H]缸的压缩功通过摆动活塞[T]由[G]缸的膨胀来支付，均不需通过连杆、曲轴来传递，大大减少了中间机构的功率损失，大大提高了机械效率。

4、用凸轮[9]、进排气[8]控制气体的流通，气门的凸轮设计需保证高气压下的强度要求，且需保证气体的快速充入和排出，降低节流损失和降低噪声。

5、单一或多个摆动活塞串联为二缸或多缸四冲程内燃发动机，各个摆动活塞的密封装置采用发明人自行设计申报的摆动活塞压缩机端面密封装置中的结构形式，其发明专利申请号：200610082248.2。

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