专利名称：一种可变压缩比的微型摆式内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种摆式内燃机，特别涉及一种可为便携式电源系统提供动力的可变压缩比的微型摆式内燃机，属于热力发动机技术领域。
以内燃机为源动力来带动发电机发电的方案得到了广泛的认可，这是因为第一，液态炭氢燃料具有很高的能量密度，例如汽油的能量密度是现行商用电池的50倍以上；第二，液态燃料与同等能量的化学储能电池相比具有容易运输、存储和处理的特点。第三，补充液态燃料比化学储能电池充电要简单、快捷。那么，如果能将宏观的发电机系统直接按比例缩小为微观的发电系统应该说是一种有效的方法；但是，这一单纯缩小传统内燃机的努力在实施的过程中却遇到了难以克服的困难，这是因为传统的内燃机本身的结构特点决定了它们并不适合在微型化的条件下运转；比如现在广泛使用的往复活塞式内燃机，为了使内燃系统正常运转，必须在其缩小的版本中保留大部分零部件，尤其是复杂的曲柄连杆机构和配气机构不可或缺，这些都极大地增加了微型内燃机的设计与制造难度。
另外，在已有的摆式内燃机技术中(中国专利，申请号98203638，申请日98年04月20日；中国专利，申请号96220676申请日1996年08月07日；中国专利，申请号96122248，申请日1996年11月22日；中国专利，申请号87107720，申请日1987年11月08日；中国专利，申请号85105436，申请日1985年07月17日；中国专利，申请号85100486，申请日1985年04月01日)存在下列不足，第一，动力输出的运动形式只局限于旋转运动；然而就本专利所关注的便携式发电系统，其实质是只要保证导线和磁场有相对运动就能够实现发电这一目的；当然如果使发电机的转子有一定幅度的纯摆动也完全能够满足这一要求。在这种情况下，为之提供源动力的微型内燃机只要能输出摆动形式的动力即可。第二，由于受到曲柄连杆机构等结构形式的限制，压缩比都是固定不变的，在一定程度上影响了内燃机有效输出功，研究表明如果压缩比能够随负荷变化，将有利于内燃机的负荷特性。第三，由于使用了复杂的气门机构，使得其微小版本难以设计和制造。第四，从上述提到的发明文献来看，没有以便携式发电系统为目的微型摆式内燃机的设计。
便携式发电系统对作为源动力的微型内燃机的另一个重要要求是体积小、重量轻、功重比高(也就是能量密度要高)，这些要求不可能通过单纯缩小现有内燃机的手段来实现。
本发明的目的是提供如下技术方案实现的.一种可变压缩比的微型摆式内燃机，其特征在于该内燃机主要由输出轴，与该输出轴垂直布置的内部设有中心摆的缸体、前缸盖、后缸盖、前端盖、后端盖以及笛阀六个平面部件组成，所述缸体内设有上下两个容积不等的扇形空腔，中心摆将两个空腔分割成容积可变的两个燃烧室和两个预压缩室，所述的前端盖上设有进气管与预压缩室相通，在中心摆的轴毂上设有两个可以打开和关闭位于同一侧的燃烧室和预压缩室的进气通道，在所述的后缸盖上设有第一排气口，在所述的后端盖上设有两个相通的膨胀腔，第一排气口与其中的一个膨胀腔相连通，另一个膨胀腔与通往大气的排气口相连。
本发明所提供的微型摆式内燃机，其缸体内上部的空腔为半径相等的扇形腔，其下部的空腔是由两边半径相等的两个扇形腔和半径小于两边的中间扇形腔构成；而且缸体内上部空腔的容积小于下部空腔的容积，其容积比为1∶1～3。
本发明所述的中心摆固定在输出轴上，中心摆的两端采用扇形结构，与缸壁采用小间隙密封。
本发明具有以下突出性特点和和显著的技术进步实现了可变压缩比内燃机，压缩比随着负荷的增加而增大，因为负荷增大时输出轴的摆动频率降低，充气效率得以提高，从而改善了燃烧过程，增加了系统的有效输出功，改善了内燃机的负荷特性。
(1)可服了往复活塞式内燃机的主要缺点之一，即内燃机的最高转速受到活塞和缸壁之间侧向压力的限制。本发明的微型摆式内燃机的容积室之间采用小间隙密封，中心摆与缸壁之间几乎没有压力存在，所以摩擦损失非常小，使得摆动频率不再受活塞和缸壁之间的摩擦损失的限制。
(2)针对应用对象，直接以摆动形式输出动力，避免了使用复杂的曲柄连杆机构，结构简化，体积减小。
(3)经过巧妙设计，避开了常规的进、排气门及其驱动机构，进、排气正时由中心摆的摆动位置来控制，增强了系统的可靠性。
(4)将排气消声部分直接集成在微型内燃机上，省却了相对于微型内燃机本体来说体积很大的排气消声部件；排气依次经过两个膨胀腔充分膨胀之后再排入大气中，降低了排气温度和排气噪声。
(5)实现了整个内燃机基本由平面结构构成，使内燃机微型化直至应用到MEMS(微机电系统)成为可能。几瓦到几十瓦的输出功率都可以通过缩放内燃机的本体来达到，而且其制造过程可以由现有的加工工艺来完成。满足了体积小、重量轻、功重比高的要求，并且整个系统只有一个运动部件(安装了输出轴的中心摆)，内燃机系统的可靠性得以有效提高。
图1为微型内燃机的主视图。
图2为图1的右视图。
图3为图2的A-A剖视图。
图4为微型内燃机中心摆的侧视图。
图5为微型内燃机后缸盖的主视图。
图6为微型内燃机后端盖的主视图。
图7为图6的B-B剖视图。
图8为微型内燃机前端盖的主视图。
图9为微型内燃机笛阀弹簧片的主视图。
图10为微型内燃机前缸盖的主视图。
图11～图17为左燃烧室的工作过程示意图。
图18～图24为右燃烧室的工作过程示意图。
本发明采用如下的结构方案来完成二冲程内燃机的工作过程在方形的缸体上，以水平中心线为界，上端是一个体积稍小、半径一致的扇形空腔。下端由三个扇形空腔组成，并且两边的两个扇形空腔半径相等，中间的扇形空腔半径较小。上、下两个大的空腔之间由缸体内的两个凸起分割。输出轴垂直安装在缸体的几何中心，通过月牙键连接在输出轴上的中心摆将缸体的上、下空腔分割成四个可变容积的容积室；上端空腔被分割成的两个容积室作为内燃机的两个燃烧室；下端空腔的容积较大，被分割成的两个容积室形成内燃机的两个预压缩室，分别为其上端对应的燃烧室提供压力高于一个大气压力的可燃混合气；上部空腔容积与下部空腔容积之比一般为1∶1～3。进气口布置在前端盖上，在进气口与预压缩室之间安装有笛阀，它的作用是使可燃混合气在预压缩室内负压时进入预压缩室；同时防止预压缩室内的可燃混合气因为压力增高而反向流回进气道。进气正时由布置在中心摆轴毂上的进气通道随中心摆的摆动来决定。两个燃烧室共用一个布置在后缸盖上的第一排气口，排气正时也由中心摆的摆动来控制；第一排气口排出的高温、高压废气在后端盖上的两个膨胀腔内依次进行膨胀，最终排入大气中。火花塞垂直安装在前缸盖上对应于两个燃烧室的位置。
本专利的微型摆式内燃机结构结合图1～图10进一步加以说明。
在缸体2上以水平中心线为界(图1)，有上、下两个空腔，中心摆1将两个空腔分割成了四个可变容积室。在同一侧，上、下对应的两个容积室分别为左燃烧室8、左预压缩室13和右燃烧室7、右预压缩室3。中心摆1通过月牙键与输出轴6连接在一起；输出轴通过轴承安装在前缸盖18和后端盖15上(图2)。左、右两个定位销5保证了中心摆1各个端面与缸壁和前、后缸盖之间的配合间隙。四个固定螺钉将构成微型内燃机的6个平面部件固定在一起。
可燃混合气通过安装在前端盖20上的进气管10，经由笛阀弹簧片19上的笛阀21进入预压缩室；同时，为了增加预压缩室的容积，减少阻力损失，在前缸盖18(图10)的下方对称布置了两个旨在增加预压缩室容积的扇形空腔22。设置在中心摆轴毂上的左进气通道24、右进气通道4(其位置如图4所示)与缸体上左、右凸起的内圆柱面构成了左、右进气阀，随着中心摆1的摆动完成每对燃烧室和预压缩室之间的打开和关闭。
两个火花塞9分别垂直安装在前缸盖上对应于中心摆1左、右止点的位置。
第一排气口16布置在后缸盖17上对应于左、右燃烧室的中间位置(图5)，排气正时由中心摆1的摆动位置控制。从第一排气口16排出的高温、高压废气首先进入设在后端盖上的第一膨胀腔14(图6，图7)，然后经由两个第二排气口23进入第二膨胀腔12进一步膨胀，最终由第三排气口11排入大气。
下面结合图11～图17详细说明左燃烧室8的工作过程，各图中箭头的方向表示中心摆1的运动方向。
图11中，中心摆1处于左燃烧室8的左止点，此时对可燃混合气的压缩已经结束，火花塞点火，可燃混合气开始爆炸燃烧，高温、高压燃气将推动中心摆顺时针运动；与之对应的左预压缩室13从外部通过笛阀21吸入可燃混合气结束。
随着中心摆1在高压燃气的推动下顺时针运动，中心摆克服系统的所有阻力对外输出机械功，左燃烧室8处于做功行程；同时，左预压缩室13内的容积逐渐减少，可燃混合气压力逐渐增高。这一过程一直进行到图12所示的位置。
当中心摆1摆过图12所示的位置后，第一排气口16打开，高压燃气迅速排入到第一膨胀腔14，左燃烧室8处于纯排气过程；此时左燃烧室8内的压力急剧下降，左预压缩室13内的容积还在减小，压力仍在增加，此过程一直延续到图13所示的位置。
当中心摆摆过图13所示的位置后，左燃烧室8内的残余压力已经等于或略低于预压缩室内13的压力。左进气通24道随着中心摆的摆动连通了左燃烧室8和左预压缩室13，在压力差的作用下，新鲜混合气开始进入左燃烧室8；此时，左燃烧室8处于扫气行程。
当上述过程进行到图14所示的位置时，中心摆1到达其右止点。右燃烧室7开始做功，在右燃烧室7高压燃气的作用下，中心摆1开始逆时针运动，并依次关闭左燃烧室8的进气通道24(图15，此时左预压缩室13开始打开笛阀21吸入新鲜的可燃混合气)和第一排气口16(图16)，左燃烧室8进入压缩行程，同时左预压缩室13一直在从外界吸气。当到达图17所示的位置时，左燃烧室8压缩终了，左预压缩室13吸气终了；接下来开始下一个循环的工作过程。
图18～图24是右燃烧室7工作过程的示意图，由于右燃烧室7与左燃烧室8仅工作过程相反，所以在这里不再重复叙述。
最终结果是左、右燃烧室的交替做功推动中心摆1以摆动的形式向外输出机械功。
输出功率为46瓦/50Hz。
燃料汽油其体积为长、宽、高分别为50mm。
权利要求
1.一种可变压缩比的微型摆式内燃机，其特征在于该内燃机主要由输出轴，与该输出轴垂直布置的内部设有中心摆的缸体、前缸盖、后缸盖、前端盖、后端盖以及笛阀六个平面部件组成，所述缸体内设有上下两个容积不等的扇形空腔，中心摆将两个空腔分割成可变容积的左右两个燃烧室和左右两个预压缩室，所述的前端盖上设有进气管与预压缩室相通，在中心摆的轴毂上设有两个可以打开和关闭位于同一侧的燃烧室和预压缩室的进气通道，在所述的后缸盖上设有第一排气口，在所述的后端盖上设有两个相通的膨胀腔，第一排气口与其中的一个膨胀腔相连通，另一个膨胀腔与通往大气的排气口相连。
2.按照权利要求1所述的微型摆式内燃机，其特征在于所述缸体内上部的空腔为半径相等的扇形腔，其下部的空腔是由两边半径相等的两个扇形腔和半径小于两边的中间扇形腔构成。
3.按照权利按照权利要求1或2所述的微型摆式内燃机，其特征在于所述缸体内上部空腔的容积小于下部空腔的容积，其容积比为1∶1～3。
4.按照权利按照权利要求3所述的微型摆式内燃机，其特征在于在前缸盖上设置两个分别对应于左右预压缩室的扇形空腔。
5.按照权利要求3所述的微型摆式内燃机，其特征在于所述的中心摆的两端采用扇形结构，与缸壁采用小间隙密封。
6.按照权利要求1所述的微型摆式内燃机，其特征在于所述的左右两个燃烧室共用一个布置在后缸盖上的第一排气口，所述排气口设置在对应于左、右燃烧室的中间位置。
7.按照权利要求1所述的微型摆式内燃机，其特征在于在所述的前端盖上垂直安装两个对应于中心摆左、右止点位置的火花塞。
全文摘要
一种可变压缩比的微型摆式内燃机,涉及一种可为便携式电源系统提供动力的微型热力发动机。本发明主要由输出轴,与该输出轴垂直布置的内部设有中心摆的缸体、前缸盖、后缸盖、前端盖、后端盖以及笛阀六个平面部件组成,所述缸体内设有上下两个容积不等的扇形空腔,中心摆将两个空腔分割成可变容积的两个燃烧室和两个预压缩室,最终使输出轴以摆动的方式输出动力。本发明具有体积小、重量轻、功重比高,压缩比随负荷变化,从几瓦到几十瓦的输出功率都可通过缩放内燃机的本体来达到,并且整个系统只有一个运动部件,内燃机系统的可靠性得以有效提高,从而使微型内燃机为源动力的便携式发电系统真正实用化。
文档编号F02B53/00GK1375621SQ0211708
公开日2002年10月23日 申请日期2002年4月29日 优先权日2002年4月29日
发明者汪劲松, 张仕民, 叶佩青, 段广洪, 郭志平 申请人:清华大学