专利名称：Czd差速式往复活塞内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机，其技术特征为它是一种差速式往复活 塞内燃机，在气缸体的每一缸筒中装有两只作差速运动的活塞，两活 塞运动规律的控制及其功率扭矩的传输皆由同一根曲轴来完成。
二背景技术：
l.本发明是基于本发明人提出的"内燃机能量败值原理"而首创 的。该原理的数学方程式为
式中()d内，表示单缸、单位活塞面积、单位曲轴半径长度 内燃机的指示功。
Ex，Q为热力系统中供给的热量烦。 Wi为内燃机所作的指示功。 Mi为内燃机的指示扭矩。 a为曲轴转角(。CA)。
T为冲程数，二冲程T二2，四冲程1 = 4。
Pg为活塞顶面的缸内压力。
^为力臂系数(回转中心到连杆的垂直距离定义为力臂)
A二 f (r为曲轴半径，f为连杆长度) An2,Q为内燃机的妩(由烦退变而来)。
该"内燃机能量败值原理"的文字表迷为内燃机所供工质中 的热量烦Ex,q在实际循环过程中转变为指示功Wi,该指示功的大小等于气缸压力对曲轴的指示扭矩Mi 与无限小曲轴转角dct之乘积对 循环过程的积分；该指示扭矩的大小等于该气缸压力Pg和它所对应 的力臂系数《及单位曲轴半径长度的乘积，不能转化为指示功的 烦则随循环过程的进行逐渐贬值，并最终退化为妩，其妩增A^,Q恒 大于零。
该基本方程的三个导出方程和推论如下
推论l:内燃机的指示熟效率和指示烦效率均与气缸压力Pg和它 所对应的力臂系数《r及无限小曲轴转角dct之乘积对循环过程的积分 成正比。其数学表达式为
式中Q为热力系统中供给的热量。
推论2:内燃机平均指示压力pmi为气缸压力pg和它所对应的力 臂系数《r及无限小曲轴转角dc(之乘积对一个循环过程积分的二分之 一。其数学表达式为
式中Vh为气缸工作容积。
推论3:内燃机燃料供给量一定时，若想获得最大指示功，应使
最高燃烧压力Pmax在力臂系数最大时产生。其数学表达式为
(详见《内燃机与动力装置》杂志，2008年第3期，国际标准刊号ISSN 1673 — 6397，国内统一刊号，CN37 — 1445 / TK )
2、传统内燃机，是气缸压力pg通过活塞和曲柄连^于机构对外 输出扭矩而作功的。众所周知，内燃机燃烧压力在展开示功图上呈"脉 冲状"分布，而气缸压力对曲轴力矩的力臂，从上止点到下止点，是 一个由零逐渐变大，再逐渐回到零的过程，近似于正弦曲线。这也就是力臂系数曲线的形状。就是说，活塞在上止点附近，气缸燃烧压力 很大，力臂(或者对曲柄的切向力)却很小，故这时发动机发出的扭
矩很小；当力臂逐渐变大时，燃烧压力却急速变小，故其力矩仍然不 大。这就大大地影响了内燃机扭矩和功率的输出，致使工质的烦不能 够尽早、尽快、尽多地转化成为机械功，从而造成工质烦的大量贬值，
并最终退化为妩，永久地失去了作功能力，造成能源的巨大浪费。
3、 差速式旋转活塞内燃机，例如考尔茨(Kauertz)发动机， 工质燃烧膨胀时，力臂系数很大，能源得到较充分的利用。但密封和 齿轮强度等问题难以解决，故无法生产应用。
4、 ？yt世界上使用的内燃机，特别是量大面广的轿车发动机，为
提高其性能，结构变得越来越复杂， 一般每只气缸4个气门，每台发动 机两根凸轮轴，加之变升程、变相位，大大增加了生产成本。
5、 世界石油供应日趋紧张，价格节节攀升。节约能源，成为内燃 机行业的重点课题之一5也是广大汽车消费者的期望。
发明内容
1 、本发明的任务是提供一种比油耗(g/kw.h)低、比功率(kw/L) 高、比扭矩(Nm/L)大、运行品质好、结构简单的内燃机。
2、本发明的实质是将传统往复活塞式内燃机的燃烧室位置进 行转移，由在活塞上止点向动力活塞行程的中部方向转移，以使气缸 最高燃烧压力时的动力活塞曲柄连4f机构有较大的力臂系数，为燃料 燃烧的热量烦及时地、尽早尽快尽多地转化为指示功创造条件，减少 在膨胀过程中烦向灶的退变量，提高能源利用效率，增大指示功。也 就是背景技术1推论3所表述的内容。
3、 本发明的技术措施是去掉常规往复活塞式内燃机的气缸蓋， 并由一只运动着的活塞——辅助活塞代替。这样，在一只气缸筒中， 对向布置两只活塞——动力活塞和辅助活塞。两只活塞按一定的差动 角作差速运动，类似于差速式旋转活塞发动机。动力活塞到达上止点 时，并不着火，而是立即返回，在返回途中，被辅助活塞追上，完成 压缩过程而着火燃烧，膨胀作功。两活塞运动规律的控制和功率扭矩 的传输，皆由同一根曲轴来完成。动力活塞跟曲轴的连接与常规内燃 机相同，辅助活塞与曲轴的连接需通过转接机构——摇杆或辅杆。
4、 本发明的具体结构是它由气缸体、活塞、连片f、曲轴、转 接机构、和其它常规机构与系统构成。所述气缸体可以是单缸、多缸、 立置、卧置、斜置、V型、星型等。所述活塞与常规直流换气二冲
5程内燃机活塞基本相同，只是顶部形状要适合燃油喷射(包括汽油直 喷)和组织燃烧的需要。连杆和飞轮也与常规内燃机的相同。
所述曲轴由主曲柄、副曲柄、主曲柄销、副曲柄销、主轴颈、平 衡重等构成。主曲柄长度和副曲柄长度可以相等也可以不相等。主副 曲柄形成一定夹角--主副曲柄夹角。主副曲柄夹角的补角即为该发
动机的差动角，用Cd表示，单位为。CA (CA为曲轴转角)。主曲柄 销与动力连杆连接，动力连杆与动力活塞连接；副曲柄销与转接连杆
连接，转接连杆连接转接机构，转接机构连接辅助活塞。
所述转接机构的作用是将辅助活塞通过转接机构与曲轴上的转 接连杆连接起来。它有两种形式——摇杆式和辅杆式。摇杆式转接机 构它实际上是一V型摇臂，摇軒轴固定在缸体上，摇杆一端与辅助 活塞连杆连接，另一端与曲轴上的转接连杆连接。辅杆式转接机构 辅杆实际上是一直杆，它的上端与辅助活塞杆连接，下端与转接连杆 连接，辅杆的导向孔与气缸筒平行，辅杆在导向孔中与辅助活塞一起 作往复运动，辅杆、辅助活塞杆可以为空心杆，但需要有通气孔和润 滑油流出孔。
5、 本发明的工作和换气过程如下本发明的换气机构与二冲程 对向活塞直流换气发动机相同。排气口在动力活塞一侧，扫气口在 辅助活塞一侧。排气和扫气时间由活塞控制。
。燃烧膨胀过程辅助活塞即将到达上止点时点火燃烧，或喷入 燃料着火燃烧，膨胀作功。
② 自由排气过程在膨胀后期，下行的动力活塞将排气口打开， 开始自由排气。
③ 扫气过程下行的辅助活塞将扫气口打开，外界的新鲜空气经 曲轴箱，或扫气泵，或增压器进入气缸，开始扫气。此时，扫气口和 排气口均在开启位置，排出的废气直接进入大气，或涡轮增压器，或 后处理器。
^过后充气动力活塞经下止点上行，将排气口关闭，此时，扫 气口仍在开启位置，利用气流惯性和压力继续充气，以增大充气量。
压缩过程上行的辅助活塞将扫气口关闭，并继续上行；此时， 上行的动力活塞到达上止点后转而下行，并被上行的辅助活塞追赶， 最终实现压缩过程(汽油机可在此过程将汽油喷入气缸)。
6、 本发明与传统内燃机比较，其有益效果是: 。烦效率与热效率高，比油耗(g/kw.h)低、用油省。② 动力性好，升功率(kw/L)高，升扭矩(Nm/L)大。 6每只气缸中，两只活塞相对运动，易形成强烈的工质紊流，有利于
燃烧和压缩比的提高。
4换气过程中，没有泵气损失，没有驱动气门弹簧的功耗和机构的摩 擦损失。
@结构简单，没有气缸蓋，没有凸轮轴气门机构，生产成本低。虽然 需要扫气泵或增压器，但在传统发动机中也广泛使用增压器。
与传统发动机比较，虽然辅助活塞的转接机构在气缸外占据了 一定空 间，但所占位置比一只气缸要小得多。考虑到本发明在气缸中已同时布置 了两只活塞，起到了两只气缸的作用，所以其结构还是紧凑的。同时，这 也有利于气缸的散热。
7、 本发明与传统内燃机比较，其主要特点是
③ 、改变了人们的传统观念传统观念认为，内燃机的升功率、 升扭矩、比油耗与功率传输机构——曲柄连杆机构没有直接关系，而 燃烧室理所当然地在动力活塞上止点位置。本发明认为内燃机的动力 性、经济性直接与曲柄连杆机构有关，且与力臂系数成正比，因此将 燃烧室转移到靠近动力活塞行程中部的位置，以充分利用燃烧压力， 从而节约了能源。
②、继承性好全面继承了往复活塞式内燃机的优点，密封简单 有效，功率传输机构坚固可靠。便于组织生产。
8、 本发明所使用的燃料为汽油、柴油、醚类、醇类、天然气、
石油气、氩等o
9、 本发明的用途可广泛用于汽车、摩托车、火车、船舶、拖 拉机、工程机械以及直升机和轻型飞机等。
四
附图中各编号的名称如下
l曲轴、2转接连杆、3动力连杆、4动力活塞、5辅助活塞、6辅助活 塞连杆、7摇杆、8扫气通道、9气釭体、IO汽油喷油器、ll火花塞、12冷 却水套、13排气通道、M飞轮、15曲轴箱、16排气歧管、17限压阀、18 扫气歧管、19辅助活塞连接杆、20储气箱、21止回阀、22扫气泵出气管、 23扫气泵进气管、24扫气泵体、25扫气泵出气阀、26扫气泵活塞、27扫气 泵进气阀、M辅杆导向孔、29辅杆、30柴油喷油器、31主曲柄销、32副曲 柄销、33主轴颈、34副曲柄、35主曲柄、36摇杆轴。
图l为摇杆型CZD差速式往复活塞内燃;^L示意图，动力活塞4和辅助活 塞5对向(活塞顶对着活塞顶)布置于气缸体的同一缸筒中。图示中的活塞位置为气釭中燃烧压力达最大值时的位置，辅助活塞在上止点，动力活塞在 i殳计差动角(接近最大力臂系数)位置。
图2为摇杆示意图。它实际上是一 V形摇臂，上端连接辅助活塞的连杆， 下端连接曲轴的转接连杆，中间轴承孔的轴36固定在缸体上，并有润滑油
孔，摇杆夹角为e，摇杆两臂可以等长也可以不等长。
图3为图2摇杆左侧示图的展开示意图。
图4为曲轴示意图。它是一才艮单缸曲轴，31为主曲柄销，32为副曲柄 销，33为主轴颈，34为副曲柄，35为主曲柄。
图5为曲轴的差动角Cd示意图。主副曲柄夹角为屮，它的补角Cd即为 曲轴的差动角，也就;UC动机的差动角。
图6为力臂系数；的曲线图。当A = l/3. 5时，其最大值约为1.045，在 曲轴转角的75。附近。
图7为摇杆型CZD内燃机气缸工作容积变化曲线图。横坐标为曲轴转角 (° CA) ， 0°为动力活塞上止点的位置、辅助活塞屮角位置。纵坐标为气 缸工作容积(AS) ， A为活塞顶面积，S为活塞行程。该曲线所示的内燃才几， 主副曲柄夹角屮=130° (差动角为50。)，主副曲柄长度分别为50和42 (单位为mm,下同)，动力连杆和转接连杆长度分别为175和240，连接辅助 活塞连杆和转接连杆的摇臂长度分别为170和230,气缸直径为98.曲线D和 F分别为动力活塞和辅助活塞的位置变化，T为气釭综合工作容积变化。由 曲线图可以清楚看出发动;M^0。 CA(上止点)到85。 CA,气釭综合工作 容积T均在动力活塞的工作容积D之下(D曲线与缸蓋固定式传统发动初4目 同)。这就保证了本发明比传统发动机有更高更丰满的气釭燃烧压力曲线。 更重要的是可以获得更大的力臂系数。例如由于辅助活塞的影响，本发明 35° CA的工作容积，约相当传统发动机(即本动力活塞)15° CA时的工作 容积。若在此时发动机达最高燃烧压力，本发明35° CA时的动力活塞的； =0. 71，而传统发动机15。 CA时，《r =0.33。另外，传统发动才几在活塞到 达上止点前，工质已处于急燃期，气釭压力已经很高。此时活塞纯作负功。 但本发明，虽然辅助活塞也在作负功，动力活塞却在作正功，由于动力活 塞的力臂系数大大高于辅助活塞的力臂系数，故本发明的发动机综合结果 还是作正功。这就保证了本发明较传统发动机有更高的升功率和升扭矩以 及更低的比油耗。
图8为辅杆结构示意图。下端连接转接连杆，上端连接辅助活塞杆。辅 杆可以为中空，但应有通气孔和泄油孔。
图9为辅杆型CZD差速式往复活塞内燃才几示意图。图10为辅杆型CZD内燃机(CZD. F )气缸工作容积变化曲线。该曲线示 例主要参数曲轴的主副曲柄夹角为130°主副曲柄长度均为50,动力连杆 和转接连杆均为180,气釭直径为IOO,该曲线图的横坐标为曲轴转角，0°为 动力活塞的上止点、辅助活塞的屮位置。纵坐标为气缸工作容积(AS)。
D为动力活塞位置变化曲线，F为辅助活塞位置变化曲线，T为气 缸综合工作容积变化曲线。动力活塞变化曲线与缸盖固定式传统内燃机 相同。由图清楚看出在IOO。 CA时，T曲线和D曲线相交(在66.4AS 处)，在0°——100° CA区间，T曲线一直在D曲线之下。也就是说， 在此区间，由于F曲线的影响，使气缸工作^P、一直小于传统内燃机， 这有力于气缸压力的提升和气釭压力曲线的丰满，有力于功率的提高； 更重要的是(D本发明的气缸最高燃烧压力时的动力活塞力臂系数大大 的超越了传统内燃机的力臂系数，例如若在40° CA时，达最高气缸压 力，此时的气釭工作容积为1.9AS，力臂系数等于0.79，这约为传统内燃 机15° CA时的气缸容积和力臂系数(；二0.33)。②辅助活塞将要到达上 止点时，气缸压力已经很高，该辅助活塞虽作负功，但动力活塞却作正 功，由于动力活塞力臂系数远远超过辅助活塞力臂系数，故综合结果， 发动机仍作正功。而传统内燃机，此时活塞只作负功。③辅助活塞到达 上止点后，它和动力活塞一起均作正功。由于上述三个原因，使本发明 的升功率、升扭矩和热效率，得到根本性提高。
五、具体实施方案举例
实施例1
如图1所示，它是一种摇杆型CZD汽油机，包括曲轴l.转接连牙f 2. 动力连杆3.动力活塞4辅助活塞5.辅助活塞连杆6.摇杆7,扫气通道 8.气缸体9.汽油喷射器10.火花塞11.冷却水套12排气通道m飞轮14 曲轴箱15.等。动力活塞4和辅助活塞5对向布置在同一气釭筒中，两 只活塞疾50° CA的差动角作差速运动，其运动规律的控制和功率扭矩的 传输皆由曲轴1来完成。所迷曲轴的曲柄，由主曲柄35和副曲柄34构成， 主、副曲柄的夹角为小，它的补角Cd即为该发动机的差动角。"^斥f7的 轴固定在缸体上，摇杆上端(在气缸筒上方)与辅助活塞6连接，下端 (在气釭筒之外)与转接连杆2连接，气釭上下端的缸筒周围开有袪气 孔和排气孔。袪气孔的设置，要有利于纵向涡流和漩流的形成(气口可 为切向、螺旋状)。来自增压器或扫气泵的新鲜空气(亦可采用废气再循 环)，经扫气通道8进入气缸。排气口将要关闭、压缩过程将要开始时， 即可由喷油器10.将汽油喷入气釭内。压缩过程将要结束时，由火花塞
9ll点火，辅助活塞到达上止点时(或将要到达上止点时)，气缸内达到最 高燃烧压力，此时下行的动力活塞已经具备了很大的力臂系数，这就为 燃烧热能烦的利用创造了 "结构上"的有利条件。这是该发动机比传统 发动机的最大优越处，此时辅助活塞通过摇杆也将动力传给曲轴，增大
发动机的扭矩和功率。与传统发动机比较，该发动机的另一大优点是 工质急燃期，辅助活塞将要到达而尙未到达上止点时，此时气缸压力已 经很高，该压力仍然通过已具备较大力臂系数的动力活塞将功率输出； 在传统发动机中，该压力作用于气缸蓋，活塞在到达上止点之前，完全 作负功。也就是说本发明在辅助活塞将要到达上止点的压缩行程末期， 动力活塞的正功要大于辅助活塞的负功，(因为动力活塞此时的力臂系数 大大的大于辅助活塞此时的力臂系数)。膨胀过程结束时，名》气口打开， 废气经排气口进入废气涡轮或废气处理器，或消音器或大气。由于排气 温度比较高，本例已增大了排气口周围的冷却强度。该发动机的燃料供 给系、点火系、^Mp系等基本与传统发动Wa同。润滑系统可采用传统 二冲程对向活塞直流换气发动机的润滑方案。进-排气系统也基本与传统 二冲程直流换气发动机相同。 具体实施例2
如图9所示的一种具体实施例，它是一单釭辅杆型CZD柴油机。可 以连接为直列多缸，或V型多缸机。它包括曲轴l、转接连杆2、动力连 杆3,对向装入同一气缸筒中的动力活塞4和辅助活塞5，辅助活塞连接 杆l9的上端，装有扫气泵活塞26，扫气泵活^辅助活:i^辅杆29的带 动下，作往复运动。辅杆下端连接转接连杆2，辅杆在导孔28内滑动。 该扫气泵有两个进气阀27和两个出气阀25,为双向作用式，活塞向下运动 右侧的进气阀和出气阀打开，新鲜空气进入扫气泵上部，压缩空气自下 部流出，并进入储气箱20。扫气泵活塞向上运动时，左边的进气阀和出 气阀打开，新鲜空气进入扫气泵，压缩空气进入储气箱。储气箱具有冷 却作用，并装有限压阀17。该发动机的换气机构与实施例1基本相同。 各系统与传统发动机基本相同。该发动机的气釭工作^P、变化和动力活 塞、辅助活塞的运动规律示于图10。
权利要求
1、一种CZD差速式往复活塞内燃机，它包括气缸体、活塞、连杆、曲轴、转接机构等。其特征是所述气缸体(9)的每一缸筒内，对向布置着动力活塞(4)和辅助活塞(5)，两只活塞按一定的差动角作差速运动，其运动规律的控制和功率扭矩的传输，皆由同一根曲轴(1)来完成。曲轴(1)的主曲柄销(31)连接动力连杆(3)，动力连杆连接动力活塞(4)，副曲柄销(32)连接转接连杆(2)，转接连杆(2)连接转接机构，转接机构连接辅助活塞(5)。
2. 根据权利要求l所述的内燃机，其特征是所述辅助活塞(5 ) 的转接机构为一摇杆(7)，摇杆(7)为一V型摇臂，它的轴(36) 固定在气缸体上，摇杆的一端连接曲轴上的转接连杆(2),另一端连 接辅助活塞连杆(6 )，辅助活塞连杆(6 )与辅助活塞(5 )连接，摇 杆两臂长度可以相等也可以不相等。
3. 根据权力要求1所述的内燃机，其特征是所述辅助活塞(5 ) 的转接机构为一辅杆(29 ),辅杆上端通过连接杆与辅助活塞(5 )连 接，辅杆下端与曲轴上的转接连杆(2)连接，辅杆导向孔(28)与 气缸筒平行，辅杆在导向孔(28)内，与辅助活塞(5) —起作往复 运动。辅杆(29)可以为空心或实心。
4. 根据权利要求1所述的内燃机，其特征是所述曲轴(1)由 主曲柄(35)、副曲柄(34)、主曲柄销(31)、副曲柄销(32)、主轴 颈(33)和平衡重等构成。主曲柄和副曲柄形成一定夹角——主副曲 柄夹角ijj，夹角ilf的补角Cd即是该内燃机的差动角。主曲柄的长度 和副曲柄的长度可以相等也可以不相等。
全文摘要
本发明公开了一种CZD差速式往复活塞内燃机。它包括气缸体、活塞、连杆、曲轴和转接机构。所述活塞包括对向安装于同一气缸筒内的动力活塞和辅助活塞，两活塞按一定大小的差动角作差速运动，其运动规律的控制和功率扭矩的传输皆由同一根曲轴来完成。由于气缸最高燃烧压力发生在动力活塞对曲轴的较大力臂系数之处，因而燃料燃烧中的热量能够及时地转化为指示功，减少了在膨胀过程中向的退变量，有效的节省了能源，故是一种高效节能内燃机。它结构简单，没有气缸蓋和凸轮轴气门机构。继承性好，可以直接利用传统内燃机的系统和零部件。
文档编号F02B75/32GK101608574SQ20091006011
公开日2009年12月23日 申请日期2009年7月27日 优先权日2009年7月27日
发明者楚兆鼎 申请人:楚兆鼎