一种活塞往复式单缸内燃发动机的制作方法
【专利说明】一种活塞往复式单缸内燃发动机 所属领域
[0001] 本发明属内燃发动机领域，具体涉及一种活塞往复式单缸内燃发动机。
【背景技术】
[0002] 现有曲柄连杆机构活塞往复内燃机，简称之为常规内燃发动机，自发明以来，在长 期的实践和本领域科技人员不断地改进和完善中，各方面技术已达到相当成熟的阶段，在 当今的进步与发展方向上，似乎除应用电控技术和新科技材料之外，其优点无以复加;其缺 陷无须克服而置之不计。为了清楚地表述现有常规内燃机的缺陷和不足之处，下面，将其采 用电控技术和新科技材料以外的技术，统称之为发动机的"本体技术"进行表述。
[0003] 现有常规内燃机的"本体技术"，虽然已经达到了相当成熟的阶段，且在长期与诸 多新型设计技术方案的竞争中立于不败之地，然而，面临当今全球燃油价格不断攀升，为争 夺石油资源时而引起国际争端和大量不良燃烧污物及二氧化碳向大气中排放严重地威胁 着人类身体健康并引起气候恶劣变化日趋严峻的形势，以及相对于涡轮燃气发动机需大幅 度地降低发动机比重量、提高发动机的使用价值和降低生产制造成本的迫切要求，却显出 诸多严重的缺陷和不足之处，具体如下：
[0004] 曲柄连杆机构的动力系统，除不平衡的旋转惯性力和曲柄销线速度高的危害影响 发动机工作性能和功率的提高外，发动缸内爆发时，发动缸活塞、连杆、以及曲柄销和曲轴， 处于接近于直线相位，导致发动缸内瞬时爆发力输出不畅，造成系统机械负瞬时剧增和工 作粗暴的危害;为了抑制爆发力危害，采取限制发动缸内最高爆发力，导致发动缸内组织燃 烧工作的困难，同时也影响燃料热效率的发挥和局限了发动缸活塞速度最大许用值的提 高，局限了发动机功率的强化工作;上述缺陷连同曲轴转动1周活塞往复1次的运动机制，致 使不能从动力输出装置的途径成数倍地提高发动机的功率，是发动机的比重量不能大幅度 降低的主要原因之一。
[0005] 现有废气涡轮增压方式，瞬时反应滞后，涡轮与车用发动机流量特征不合、离心压 气机流量范围以及小型涡轮机性能等原因，严重地影响发动机的工作性能和正常地运转， 须得添加多项辅助设置，增加了发动机的复杂性和制造成本;其增压发动机，除应用于大型 船泊外，不适合在交通工具上应用，此外，实现增压比地2 5的超高增压困难多、增压度低， 且在汽油发动机和中小型发动机上难以普及应用，局限了活塞往复内燃机增压工作全面地 展开。
[0006] 现有发动装置的冷却，不论水冷或风冷，都是以确保发动装置不受到热负荷危害 安全可靠地工作为目标，在发动缸外大面积、不间断、无调控或大致地调控进行冷却;现有 对冷却与热效率关系的认知，有关资料(朱仙鼎编著，上海科技出版社出版《特种发动机原 理与结构》第125面)指出："冷却带走发动缸内30%的燃料热量，此热量虽大，但热的品位 低，以此品位为依据对燃料"火用"[注:此"火用"二字为一字，因无法打印以"火用"替代]值 (作功能力)作出分配，冷却损失的"火用"值(作功能力）只约为3.5%。因此，从热的质量上 讲，冷却损失的燃料热效率只约3.5% (见资料附图8.08和8.09示出)"。此认知上的误区导 致人们错误地认为:冷却带走的大量燃料热量是没有作功能力的废热，对燃料的热效率实 质上损失很小，但可保发动装置不受热负荷的危害安全可靠地工作，此热量损失不足为惜， 长期以来熟视无睹。，此认知上的误区至今仍误导着对发动装置冷却采用的技术手段。
[0007] 常识告诉我们，装置在冷却时，温度是从顶端往下降，其高温减去低温存在，绝不 会顶端的温度依然存在，从下往上地减去底端的温度而高温依然存在，由此证明，冷却带走 发动缸内燃料燃烧的热，总是发动缸内位于顶端温度热能密集品位高的热，而且经论证得 出：冷却带走发动缸内燃料热量的数值约为30%，则冷却带走发动缸内燃料"火用"值的数 值也同样约为30%，即从热的质量上讲同样损失了约30%燃料热效率。冷却水携带的热品 位低，所表现的"火用"值仅约为燃料"火用"值的3.5%，但此"火用"值实质上是发动缸内位 于顶端温度热能密集品位高的热经冷却水稀释后所表现出来的"火用"值(作功能力），而不 是冷却造成的发动缸内损失的燃料"火用"值(作功能力），以此"火用"值当作冷却损失的发 动缸内燃料的"火用"值，显然是不正确的。[注：有关详细的论述，请参看发明申请 "201410020453.0 '一种活塞往复内燃机的喷水冷却系统'"]。
[0008] 由现有冷却与热效率关系认知误区而形成的，现有在发动装置外面大面积、不间 断、不定部位、不定时定量定速率、无调控的冷却方式，必定在发动装置不需要冷却的部位、 时刻、以及冷却强度下带走发动缸内大量的热量和与带走热量等量的"火用"值，造成过剩 冷却所导致的大量燃料热效率损失[注:一种可以避免发动缸外冷却造成约30%燃料热效 率损失的技术方案和采用的技术手段，请参看发明申请"201410020453.0'一种活塞往复内 燃机的喷水冷却系统'"的说明书记载]。
[0009] 上述现有冷却与热效率关系的认知和冷却方式的缺陷与不足之处，还能致使现有 冷却技术方案不能掌控发动缸内燃烧的温度，导致发动缸内生成大量的不良燃烧污染物向 大气中排放;现有冷却方式所损失的约30 %的燃料热效率，不仅是燃料的重大损失，也相应 地增加了大量的二氧化碳向大气中排放，同时还相应地降低了发动机的单位功率。
[0010]发动机的燃油栗喷和气门开闭，由定时齿轮装置、凸轮机构及多个工作部件共同 完成，运动件多，结构复杂，影响发动机工作性能的因素增多，不能准确地实现随发动机工 况的变化工作，此缺陷不仅增加了发动机的制造费用，还占用了大量的发动机体内宝贵的 空间，以致下述发动机应具备的工作系统和调控系统不能实施。
[0011]发动机的工作系统中，缺少掌控发动缸内燃烧和温度的增压空气量(也即供入发 动缸内空气量)的调控机构和增压缸内中冷压缩喷水机构及其调控技术；同时还缺少一种 将发动机的燃油栗喷、冷却、增压、中冷、增压空气量和温度调控、气门开闭等工作系统的调 控综合起来，统一调控，使之随发动机工况的变化同步地处在发动机任一工况的任一工作 循环中，并分别在该任一同一工作循环中各自的工作参数下工作的综合调控系统。
[0012] 现有常规内燃发动机向外界输出的转速，其低速发动机是以增加活塞行程的长度 来实现的，大型低速发动机的行程有的长达3米以上，造成发动机的体积和比重量成数倍地 增大，降低了发动机的使用价值，同时增加了发动机制造的难度和生产成本;高速发动机则 是减小活塞行程的长度，其最短的活塞行程竞不足10公分，由于活塞行程太短局限了发动 机功率的增大，导致高速发动机仅限于小型发动机，难以制造出大功率高速发动机。
[0013] 由于曲柄连杆机构作发动机动力机构有不平衡惯性力、曲柄销线速度高离心力 大、发动缸活塞对发动缸产生侧倾力冲击和摩擦、以及发动缸活塞热负荷危害严重的制约， 导致发动缸活塞平均速度过大时会造成系统工作环境恶化、磨损加剧，甚至造成系统损坏， 局限了现有发动缸活塞平均速度的最大许用值，导致不能从提高发动缸活塞平均速度的途 径去大幅度地提高发动机的单位功率。
[0014] 没有能使汽油混合气的压缩比与柴油混合气的压缩比相同、且点火处汽油混合气 的浓度又利于点火燃烧，使同一台发动机可分别使用柴油或汽油作燃料的技术手段，导致 柴油机和汽油机分别制造和使用，造成发动机制造的浪费和使用的局限。
[0015] 上述现有常规内燃机，相对于当今社会发展形势要求所表现出来的严重的缺陷和 不足之处，现已有发明专利和实用新型专利(注：以下所述发明专利和实用新型专利均为我 国专利），分别针对性地提出了技术方案和采用的技术手段，简要介绍如下：
[0016] 我国发明专利"ZL200710147446.7、'一种齿轮齿条机构公告号CN101144524B、 公告日2013年8月14日）中发明的一种齿轮齿条机构，是以具有曲柄连杆机构的优点并克服 所述曲柄连杆机构的缺陷和不足之处而专设计的一种活塞往复内燃机的动力输出机构(如 图2.01、2.02、2.03示出），主要技术特征是:两边平行相对两端横向连接的齿条框架(2.01) 内装配齿轮(2.07)，两边齿条上分别作出与齿轮相对应的齿槽或牙齿，与齿轮上对应的牙 齿或齿槽啮合；如图2.01示出，齿条上齿槽与齿轮上轮齿相对运动进入啮合的一边作出活 块(2.02、2.10)，由齿轮运动方向的首齿(与齿条上齿槽进入啮合的轮齿)压迫后退让位；图 2.02示出，齿条上替代牙齿的活块(2.23、2.24)，在齿轮圆平面压力下后退;齿条框架位于 上下止点时，齿轮与一边齿条啮合的同时与另一边齿条脱开，于是齿轮不断旋转齿条框架 上下往复，或齿条框架上下往复齿轮不断旋转;齿条框架的行程对应一定的齿轮转角，其转 角的度数依机构用途的需要选取；当齿条框架往复的频率一定时，齿条框架行程对应的齿 轮转角不同，齿轮的转数随之改变；
[0017]
【具体实施方式】1所述齿轮齿条机构如图2.01示出：其主要技术特征是齿轮(2.07) 上均布3个轮齿（2. 12、2.13、2. 14)，两边齿条上各作出一个与轮齿对应的齿槽（2.05、 2.11 )，齿槽与齿轮相对运动进入啮合的一边作出活块(2.02、2.10 )，活块在齿轮运动方向 首齿进入啮合的压迫下后退让位，使系统顺利啮合运转;结合图3.01示出：发动缸活塞固定 在齿条框架(3.06)上，则齿条框架(2.01)的行程即是活塞(3.07)的行程，由齿条框架行程 对应的齿轮转角(相当于曲轴转角）为60度，那么齿轮转动1周活塞(3.07)上下往复3次;也 即活塞(3.07)上下往复3次齿轮轴(相当于曲轴)转动1周。由于此项技术特征，此齿轮齿条 机构相对于曲柄连杆机构，在活塞行程和往复频率相同的情况下，齿轮轴(动力轴)转动的 次数为曲轴(动力轴)转动次数的三分之一，由此，该第一种方式齿轮齿条机构尤其有利于 作低速发动机的动力机构;其运转机制和原理结合图2.01说明如下：齿条框架(2.01)位于 下止点时，轮齿(2.14)与齿槽(2.05)啮合，轮齿(2.12)与齿槽(2.11)分离;齿轮(2.07)顺时 针转动，框架（2.01)向上运动，齿槽（2.05)与齿轮（2.07)顺向运动；齿槽（2.11)与轮齿 (2.13)相对运动，进入啮合时，轮齿(2.13)压迫活块(2.10)让位顺利进入啮合，到达上止点 时啮合完成，活块（2.10)在弹簧（2.09)的压力下，回复原位，构成齿槽（2.11)(运动状态 (2.08)所示），同时，轮齿（2.14)与齿槽(2.05)分离(运动状态（2.06)所示）；齿轮(2.07)继 续顺时针转动，框架(2.01)从上止点向下运动，齿槽(2.05)与轮齿(2.12 ])作相对运动，到 达啮合时，轮齿（2.12)压迫活块(2.02)让位，进行啮合，框架(2.01)行至下止点时，啮合完 成，活块(2.02)在弹簧(2.03)的压力下回复原位，构成齿槽(2.05);另一边轮齿(2.13)与齿 槽(2.11)分离。齿轮(2.07)不断旋转，框架(2.01)相应地上下运动，齿槽(2.05、2.11)分别 依次与轮齿(2.12、2.13、2.14)啮合分离，有机地配合，形成有规律的、准确的齿轮旋转齿条 上下往复的运动。此实施方式整个详细技术特征见所属专利说明书记载；
[0018]
【具体实施方式】2所述齿轮齿条机构如图2.02参照图2.04示出：其主要技术特征是： 齿轮(2.07)上均布4个齿槽(2.15、2.16、2.17、2.18)，两相对的齿槽(2.15和2.17)、（2.16和 2.18)分别相同，两边齿条分别作出对应各自齿槽的牙齿(2.23、2.24)，牙齿(2.23)对应齿 槽(2.16、2.18)，牙齿(2.24)对应齿槽(2.15、2.17)，此对应各自齿槽的牙齿分别顺利通过 与其不对应地齿槽，且只与其对应的齿槽进行啮合运行;牙齿作成活块，脱离齿槽后，在齿 轮圆面上作出的平面压迫下后退让位，使系统顺利运转；齿条框架的行程（同上述即活塞 (3.07) 的行程)对应的齿轮转角(相当于曲柄转角)为90度，则齿轮轴转动1周活塞上下往复 两次，或活塞(3.07)上下往复两次齿轮轴(相当于曲轴)转动1周。由于此项技术特征，此齿 轮齿条机构相对于上述第一种方式的齿轮齿条机构，在发动机活塞行程和往复频率相同的 情况下，它有利于作中速发动机的动力机构。其运动机理如下：图2.02示出，齿轮框架 (2.01)位于下止点时，齿轮(2.07)顺时针转动，左边活块(2.23)与齿槽(2.16)啮合，与齿轮 (2.07) 同向往上运动;右边活块(2.24)与齿槽(2.15)分离从下向上与齿轮(2.07)作相对运 动，在齿轮圆面上作出的平面压迫下后退，并在齿轮圆面上滑行向上运动，当与齿槽(2.18) 相遇时，由于齿槽（2.18)中间有一与齿轮圆面相平的隔断处，不是与其对应的齿槽，活块 (2.24不会落进齿槽(2.18)内而顺利向上运动，齿条框架(2.01)到达上止点时，活块(2.24) 在弹簧(2.09)的压力下，与对应的齿槽(2.17)啮合（图2.02运动状态（2.08)示出），左边活 块(牙齿）（2.23)与齿槽(2.16)分离(运动状态(2.06)示出）。齿轮(2.07)继续转动，齿条框 架（2.01)下行，右边活块(牙齿）（2.24)与齿槽(2.17)已啮合与齿轮顺向运动，下行至下止 点；左边活块(2.23)与齿轮(2.07)相对运动时，在齿轮(2.07)圆面上作出的平面压迫下后 退，然后在齿轮圆面上滑动下行，当与齿槽(2.15)相遇时，由于活块(2.23)的宽度大于齿槽 (2.15)的宽度，不是对应的齿槽，便顺利通过齿槽(2.15)到达下止点（即框架(2.01)到达下 止点）时，活块(2.23)在弹簧(2.03)的压力下与对应的齿槽(2.18)啮合，活块(2.24)与齿槽 (2.17)分离。齿轮(2.07)不断旋转，活块(2.23、2.24)分别与各自对应的齿槽(2.16、2.18)、 (2.15、2.17)准确地啮合、分离，顺利地运转，形成有规律的、准确的齿条上下往复齿轮不断 旋转的运动。此实施方式整个详细技术特征见所属专利说明书记载；
[0019]
【具体实施方式】3所述的齿轮齿条机构如图2.03参照图2.05示出：其主要技术特征 是:齿轮(2.07)以6个轮齿均布，但只作出3个相邻的轮齿(2.27、2.28、2.29)，其中，中间轮 齿(2.28)的宽度小于其两边轮齿的宽度，两边轮齿的宽度相等（图2.05示出）；两边齿条上， 分别作出与齿轮上轮齿相对应的齿槽(2.11、2.19、2.20)和(2.22、2.21、2.05)，各中间的齿 槽(2.19、2.21)分别作在活块(2.26、2.25)上，齿轮与齿条进行啮合时，首齿(2.27)压迫活 块后退让位并顺利通过中间的齿槽与前齿槽啮合，齿条框架(2.01)的行程（同上即发动缸 活塞(3.07)行程)对应的齿轮转角(相当于曲轴转角)为180度，则齿轮轴转动1周活塞往复1 次，由于此技术特征，此齿轮齿条机构，相对于上述两齿轮齿条机构，尤其有利于作高速发 动机的动力机构。其运动机理如下：齿条框架（2.01)位于下止点时，齿轮(2.07)顺时针转 动，框架(2.01)从下止点向上运动，轮齿(2.29)与齿条框架右边齿条上齿槽(2.11)分离，首 轮齿（2.27)与左边齿条上齿槽（2.05)啮合向上运动，轮齿（2.28、2.29)分别依次与齿槽 (2.21、2.22)啮合，运行进行时相互啮合的轮齿和齿槽依次脱开，直到齿条框架(2.01)到达 上止点时，轮齿(2.29)与齿槽(2.22)进入脱开状态;在框架（2.01)从下止点向上运动的同 时，齿槽(2.11、2.19、2.20)与齿轮(2.07)相对运动，首轮齿（2.27)与活块(2.26)上凹进齿 槽(2.19)相遇时，由于轮齿(2.27)的宽度大于齿槽(2.19)的宽度且与活块(2.26)宽度相 同，轮齿（2.27)不会落入齿槽(2.19)而压缩活块(2.26)后退让位，继而顺利与齿槽(2.20) 进入啮合，框架(2.01)到达上止点时，活块(2.26)在弹簧(2.09)的压力下，回到原来的位置 重新构成齿槽(2.19、2.20)，首轮齿(2.27)与齿槽(2.20)啮合完成;齿轮(2.07)继续转动， 框架(2.01)从上止点向下运动，轮齿(2.29)与齿槽(2.22)脱开，轮齿（2.27、2.28、2.29)分 别与齿槽(2.20、2.19、2.11)进行啮合脱开，在框架(2.01)从上止点向下运动的同时，齿槽 (2.22、2.21、2.05)与齿轮相对运动，首轮齿（2.27)与活块(2.25)上凹进齿槽(2.21)相遇 时，同上述，首轮齿(2.27)的宽度大于齿槽(2.21)的宽度且与活块(2.25)的宽度相同，轮齿 (2.27)顺利通过齿槽(2.21)并压迫活块(2.25)后退让位，进而与齿槽(2.05)进入啮合，框 架(2.01)到达下止点时，弹簧(2.03)压迫活块(2.25)恢复原来位置，构成齿槽(2.21、2.05) 啮合完毕。齿轮(2.07)继续转动，齿轮框架(2.01)随之上下往复，齿轮(2.07)上的轮齿继续 与齿条上的齿槽依次啮合、脱开，相继循环运行。此实施方式整个详细技术特征见所属专利 说明书记载。
[0020] 从上述的技术特征和附图2.01、2.02、2.03的示出可以看出：此专利中作发动机动 力机构的三种齿轮齿条机构:其齿轮和齿条之间为滚动摩擦，且可以很方便地作出所需机 械强度的轮齿和齿槽，则该种齿轮齿条机构作动力机构摩擦力小、传动效率高、磨损少、寿 命长，能满足发动机机构负荷的要求;能满足发动机动力循环和将直线运动转变为旋转运 动并将旋转运动转变为直线运动的要求；由此，具有曲柄连杆机构在长期的实践和竞争中 立于不败之地的优点；同时可以看出，所述齿轮齿条机构没有不平衡的旋转惯力和曲柄销 线速度高危害的困扰。参看图3.01示出：将发动缸活塞(3.07)连接在所述齿条框架(2.01) 的上端面上，则发动缸活塞（3.07)与齿条框架（2.01)同步运动且行程相同；所述齿条框架 (2.01)的行程（即活塞行程）对应的齿轮转角（相当于曲柄转角）为60度，那么，齿轮轴 (2.07)旋转1周（相当于曲轴转动1周）活塞(3.07)往复3次，即当齿轮轴与曲轴（同为动力 轴）的转速相同时，发动缸活塞(3.07)作功的次数是曲柄连杆机构活塞作功次数的3倍。由 此，在发动缸活塞的直径、行程、以及齿轮轴(相当于曲轴)转数与曲柄连杆机构发动机相同 时（暂不计增压和其他条件），从动力输出机构的途径，将发动机的功率提高了3倍；由于活 塞往复3次（即作功3次)齿轮轴(相当于曲轴)转动1周，其单缸发动机发动缸内发火间角与 现有二冲程三缸发动机发火间角相同（同为120°)，在两者单缸有效容积相同（暂不计其他 条件)时，单缸发动机可替现有二冲程三缸发动机使用。从图2.01齿轮右上角轮齿和齿槽运 动虚线(框架返回上止点时齿轮与齿条啮合后相位)还可以看出，在发动缸内爆发时，齿条 与齿轮处于相切的相位，此相位与曲柄连杆机构发动缸内爆发时，活塞、连杆、曲柄销、曲轴 处在一直线上的相位相比较可见，在发动缸内最大爆发力时刻，前者活塞下降的速度比后 者活塞下降的速度要快近8倍以上，大幅度地数倍之上地降低了系统的机械负荷，避免了发 动缸内最大爆发力危害的困扰，为发动机实现超高增压，克服缸内压力剧增的危害创造了 条件。
[0021] 我国发明专利"ZL200710193938.X、'一种活塞往复内燃机的增压机构（公告号 CN101289956B、公告日2011年6月22日）中【具体实施方式】1所述的一种发动机体内活塞往复 式增压机构及其系统设置，如图3.01示出，其主要技术特征是：发动机用前所述专利 "ZL200710