四冲程发动机的改进发明的制作方法

四冲程发动机

技术背景

汽车发明到现在，已经有一百多年的历史了，但四冲程发动机技术，始终未有大的改变，从机械方面来讲，也就单缸气门数由两个增加到四个，还有就是涡轮增压的引入，无论怎么改变，发动机始终由活塞，连杆，曲轴等主要部件组成。这种发动机主要存在以下问题：

1，燃烧效率低

四冲程(包括两冲程)发动机在燃烧做功后，在排气冲程结束时，由于残留废气不能完全排出，残留的气体体积约占气缸体积的十分之一(这个与压缩比有关，一般发动机的压缩比在10左右)，此时的压力为P＝0.105～0.115Mpa，而在接下来的吸气冲程时，最终吸气压力P＝0.075～0.09Mpa，而残留气体在和吸入的混合气体混合后，压力变小，在此压力下的体积会变大，将达到10％x0.105/0.075＝14％左右。由于废气在燃烧后，其中的氧气成分基本为零，这样混合气体中的氧气含量从正常的21％会降到21％x(100％-14％)＝18％左右，由于氧气含量在气体燃烧时，对燃烧温度，气体膨胀倍数，速度有明显的影响(此结论很多实验已经证明，并且在实际中确实如此)，从而降低了燃烧效率，也就降低了发动机的扭矩，减小了功率，发动机比较费油。

另一方面，从尾气来讲，燃烧时氧气含量越高，尾气中的CO和HC的浓度就显著降低，对环境会带来很大的改善。

2，压缩比低

上面提到在混合气体中，由于存在残留气体的影响，残留气体此时的温度很高，为900～1200K，约为627～927℃，混合气体温度最终为100～130℃，在如此高的进气温度下，发动机的压缩比不能太高，太高就会爆震，目前压缩比基本都在10～11之间，压缩比低，第一影响混合气体中油气之间的致密度，从而影响燃烧效率，混合气体在爆炸时，就不能产生很大的冲击力，扭矩也就不能再提高了，也就影响了功率。

以上两点，都是说明了残留气体对燃烧的有害影响。

技术实现要素：

对现有四冲程发动机结构的改进，从而提高燃烧效率，提高压缩比，减少尾气排放。

第一改进了活塞形状，外形形状吻合气缸顶端，用来驱气。

第二增加了排气曲轴，安装在动力曲轴上，而连杆安装在排气曲轴上，动力曲轴做大的圆周运动，排气曲轴在自己的半径上做小的圆周运动，使得活塞的行程在四个行程时不是固定不变的，而是可以调节的，在排气时，活塞上升到气缸的最顶部，以用来达到彻底排出残留废气。

第三改进了动力曲轴，以适用于改进后的发动机结构，来传递动力。

附图说明

图1是改进后的活塞，它和一般的活塞的区别就是活塞上部的形状不同，顶端吻合气缸顶部，当活塞被推到气缸最上部时，能将废气全部排出。

图2是增加的排气曲轴，安装在动力曲轴上面，用来彻底排气。

图3是改进后的动力曲轴，增加了三个支撑杆，它是紧密的套在动力曲轴上面的，其作用是固定动力曲轴，让同一气缸的动力曲轴两边转动臂同步，将动力传到主轴上。

图4是活塞，连杆，排气曲轴，动力曲轴组装在一起的结构。

图5是发动机在工作时，四个冲程中，动力曲轴，排气曲轴的位置。

具体实施方案

本发明改进的目的，就是要在发动机排气完成后，将燃烧产生的废气彻底排出去，能够将压缩比显著提高，这也是汽车制造厂家一直以来梦寐以求的目标。

本发明对现有发动机进行三处改动。

第一改动的是活塞，改进后的活塞与气缸顶部内壁吻合，以达到能将废气全部排出的目的。

第二就是每个连杆上增加一个排气曲轴，排气曲轴安装在动力曲轴上，第一随着动力曲轴做大的圆周运动，同时自己也在做小的圆周运动，而连杆安装在排气曲轴上，其作用就是在排气过程中，当活塞从最下开始向上运动，过了中间点时，速度开始降低，由于惯性，加上排气曲轴的离心力，排气曲轴最终会被推到自己运动半径的顶部，从而把活塞推到气缸的最顶部，将残留气体全部排出去。另外，排气曲轴的半径，在压缩冲程时，由于最终处于自己圆周的底部，而留给了混合气燃烧的空间，所以这个半径就决定了发动机的压缩比。

第三，由于增加了排气曲轴，原来的动力曲轴已经不能使用，所以也对动力曲轴做了改进。增加了三个支撑杆，动力曲轴是套在支撑杆内，接触面通过润滑油润滑，其作用是第一支撑动力曲轴，第二让动力曲轴的动力能够传递，第三让排气曲轴两边的轴保持同步。

下面就四个冲程的运动情况做以说明，见图4。

吸气冲程：在排气终了时，吸气冲程开始，此时排气曲轴在自己圆周的顶点，也就是活塞在气缸的顶部，活塞向下运动，直到吸气终了，此时排气曲轴由于离心力和惯性作用，在自己圆周的底部，吸气冲程结束。

压缩冲程：压缩冲程开始，活塞从下向上运动，此时排气曲轴在自己圆周的底部，随着混合气体的压力不断增大，排气曲轴的离心力无法克服混合气体大的压力，而被压在自己圆周轨道的底部，而当动力曲轴转到顶部时，留下需要燃烧爆炸的燃烧室，这个的大小是由排气曲轴的半径决定的，半径的大小同时也觉得了压缩比的大小，此时压缩冲程完成。

做功冲程：当活塞到达顶部，火花塞点火，气体爆炸，活塞向下做功，此时排气曲轴由于爆炸的巨大推力，处在自己圆周运动的底部，一直到活塞到达下至点，做功冲程结束。

排气冲程：活塞由下向上，排气气门打开，排气开始，此时排气曲轴处在自己的底部，当活塞经过中间点后，活塞减速，排气压力大幅降低，由于惯性作用，再加上排气曲轴的离心力，排气曲轴逐渐向上运动，并且在废气压力小于离心力后，排气曲轴运动到自己的顶部，而把活塞推到气缸的最顶端，从而将全部的残留气体排出。

先计算活塞减速需要的力，根据动能定理，F.S＝1/2mv²，假如活塞2kg，怠速800rpm，从中间点减速到活塞到达顶部停止的时间是1/800/60/4＝0.018秒，速度v＝800/60x2πx0.05＝4.18m/s，所以F＝970N，97kg。而根据离心力的公式F＝mv²/r，假如排气曲轴1Kg，动力曲轴的运转半径是5cm，在最小转速怠速时，RPM＝800，也就是速度v＝800/60x2πx0.05＝4.18m/s，其离心力就是F＝350N，35kg，两种同向的力合成后是97+35＝132kg，这是怠速运转的作用在连杆上向上的力，当发动机在行驶时，这种力随着转速成几何数增长。而由于残留气体在排气终了前的压力很小，只有0.105～0.115mpa，考虑到活塞截面积，一般是50cm²，所以气缸在排气结束前的压力也就0.105Mpa，约1.05kg/cm²，乘以截面积，也就50kg多点，所以当活塞在排气终了前，132kg远大于50，排气曲轴肯定会提前到达它的圆周顶点，从而活塞就能完全挤出废气了。