基于燃烧室负压驱动进气门进气的活塞发动机及运动方法与流程

1.本发明涉及发动机技术领域，具体为基于燃烧室负压驱动进气门进气的活塞发动机及运动方法。


背景技术：

2.目前，活塞式发动机是汽车、船舶、小型无人机、小型航空器中运用广泛的一类发动机，其小型化、技术成熟、运行稳定的条件是它的优势，但是，目前的这类发动机，要提升其输出功率目前的办法就是加大发动机的进排气效率，目前加大进排气效率唯一的办法就是增加进排气门的数量。而进排气门本身具有特定的结构设备，需要配置相关的安装部件，配上其自身和部件的重量，其占用了发动机本身的空间和重量，并且还需要进行适配调整等增加调试工序。而对于无人机而言，其本身的设备重量，也是考量无人机的重要指标。目前的活塞发动机，进气门和排气门都设置在燃烧室顶部，而为了增加燃烧效率，则需要提高进气量，通常都设置多个进排气门，但是，排气门的口径设置的大、数量就得下降，而又要考虑排气门的空间，往往导致进气门的截面面积无法超过活塞气缸截面的一半。


技术实现要素：

3.为克服上述现有技术存在的不足和缺陷，发明人经过研发和设计，现提供了一种提高进出气效率、且缩减了发动机的整体重量，使其结构更为紧凑和一体化的活塞发动机，实现了航空发动机的轻量化设计。
4.具体的，本发明是这样实现的：
5.基于燃烧室负压驱动进气门进气的活塞发动机，包括气缸、燃烧室、活塞机构、设置在气缸顶部连通燃烧室的排气口和排气门，在曲轴箱上设置有连通至曲轴箱内部的单向进气口；在活塞主体的顶面上安装有进气门，进气门通过进气门复位弹簧安装，进气门能开闭曲轴箱内部到燃烧室的气路，排气门通过排气门复位弹簧安装在气缸顶部位于燃烧室上方，能在凸轮轴的控制下打开排气门；其中：所述单向进气口能在压缩冲程和排气冲程中因曲轴箱内的负压而从外部进气；所述进气门复位弹簧能在吸气冲程中因燃烧室内的负压被吸起，以向燃烧室进气。
6.进一步的，所述排气门复位弹簧仅在排气门被凸轮轴的作用下能被下压、开启排气口。
7.进一步的，所述进气门以可动的方式安装在活塞顶部，当其闭合后，其表面与活塞顶部边缘构成一个活塞整体，当其向上升起时，打开连通至活塞内部与曲轴箱内部连通的气路，向燃烧室进气。
8.进一步的，活塞主体的顶部开设一条内部进气道，内部进气道的顶部连接气门座圈，进气门支架安装在内部进气道内，进气门下方的门杆穿过所述进气门支架，并在门杆底部安装气门连接件，气门连接件与气门座圈之间通过安装所述进气门复位弹簧。
9.进一步的，所述进气门的面积超过活塞塞面面积的50％，且进气门和排气门不处
于同一平面上，相互不挤占各自的空间。
10.进一步的，所述进气门、排气门为凡尔气门结构，缸内正向压力使其密闭更为紧密。
11.本发明的另一方面，提供了基于燃烧室负压驱动进气门进气的活塞运动方法，包括以下步骤：
12.进气门设置在活塞顶部，排气门设置在燃烧室顶部，进气门和排气门不处于同一平面上，相互不挤占各自的空间，曲轴箱上设置有连通至曲轴箱内部的单向进气口；
13.吸气冲程：活塞主体从上往下运动，单向进气口、排气门闭合，燃烧室形成负压，曲轴箱内部压强远大于燃烧室内部压强进气门被向上推开打开进气门，气体从曲轴箱内进入燃烧室；
14.压缩冲程：活塞主体从下往上运动，曲轴箱内部呈负压状态，进气门和排气门闭合，单向进气口打开，空气进入曲轴箱内；
15.做功冲程：燃烧室燃烧，活塞主体从上往下运动做功，燃烧室内部压强大于曲轴箱内部压强进气门、排气门、单向进气口闭合；
16.排气冲程：凸轮轴下压排气门，排气门打开，活塞主体从下往上运动，曲轴箱内部呈负压状态，进气门关闭，单向进气口打开，空气进入曲轴箱内；燃烧室内的气体从排气门排出燃烧室。
17.进一步的，进气门通过进气门复位弹簧安装，仅有在曲轴箱内的压力大于燃烧室内的压力和进气门复位弹簧力只和才能将进气门推开。
18.进一步的，排气门通过排气门复位弹簧安装，常态下排气门复位弹簧保持排气门紧闭，仅有在凸轮轴转动到位后下压排气门才能将排气门复位弹簧压缩使排气门打开。
19.本发明的工作原理和有益效果介绍：排气门采用传统的凸轮轴控制方式控制，进气门位于活塞顶部通过燃烧室负压开启从曲轴箱内部实现进气，使得排气门位于燃烧室上方而进气门位于活塞上，二者不处于同一部位层级，不会相互挤占空间，提高了了进气排气的质量的同时，减少了整体结构，相比下，传统的发动机为了获得更大的进排气效率来提高发动机功率，只能通过增加进排气门的数量来提高效率(现有的发动机已经从两气门发展到4-5个气门)但效果甚微且结构复杂、体积庞大、重量重及成本高。本结构采用了燃烧室顶部使用一个超大排气门及活塞中部使用一个超大进气门结构，所以不必考虑进排气门的尺寸限制问题尽可能的扩大进排气效率提升发动机功率。且有效率的减小机构的复杂程度、体积、重量及成本。使其结构更为紧凑和一体化，实现了航空发动机的轻量化设计。
附图说明
20.图1为本发明基于燃烧室负压驱动进气门进气的活塞发动机的结构主视图；
21.图2为本发明的活塞主体结构主视图；
22.图3为本发明的活塞主体内部结构俯视图；
23.图4为本发明基于燃烧室负压驱动进气门进气的活塞发动机的吸气冲程；
24.图5为本发明基于燃烧室负压驱动进气门进气的活塞发动机的压缩冲程；
25.图6为本发明基于燃烧室负压驱动进气门进气的活塞发动机的做功冲程；
26.图7为本发明基于燃烧室负压驱动进气门进气的活塞发动机的排气冲程；
27.其中：1—进气门、2—进气门复位弹簧、3—活塞主体、4—连杆、5—曲轴、6—单向进气口、7—曲轴箱、8—燃烧室、9—排气口、10—排气门、11
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排气门复位弹簧、12
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凸轮轴、13
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气缸、14
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气门座圈、15
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内部进气道、16
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气门连接件、17
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进气门支架。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明专利的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明专利的概念。
29.实施例1：基于燃烧室负压驱动进气门进气的活塞发动机，包括气缸13、燃烧室8、活塞机构、设置在气缸13顶部连通燃烧室8的排气口9和排气门10，在曲轴箱7上设置有连通至曲轴箱7内部的单向进气口6；在活塞主体3的顶面上安装有进气门1，进气门1通过进气门复位弹簧2安装，进气门1能开闭曲轴箱7内部到燃烧室8的气路，排气门10通过排气门复位弹簧11安装在气缸13顶部位于燃烧室8上方，能在凸轮轴12的控制下打开排气门10；其中：所述单向进气口6能在压缩冲程和排气冲程中因曲轴箱7内的负压而从外部进气；所述进气门复位弹簧2能在吸气冲程中因燃烧室8内的负压被吸起，以向燃烧室8进气。
30.实际使用时：进气门1设置在活塞顶部，排气门10设置在燃烧室8顶部，进气门1和排气门10不处于同一平面上，相互不挤占各自的空间，曲轴箱7上设置有连通至曲轴箱7内部的单向进气口6；
31.吸气冲程：活塞主体3从上往下运动，单向进气口6、排气门10闭合，燃烧室8形成负压，进气门1被向上推开打开进气门1，气体从曲轴箱7内进入燃烧室8；
32.压缩冲程：活塞主体3从下往上运动，曲轴箱7内部呈负压状态，进气门1和排气门10闭合，单向进气口6打开，空气进入曲轴箱7内；
33.做功冲程：燃烧室8燃烧，活塞主体3从上往下运动做功，进气门1、排气门10、单向进气口6闭合；
34.排气冲程：凸轮轴12下压排气门10，排气门10打开，活塞主体3从下往上运动，曲轴箱7内部呈负压状态，进气门1关闭，单向进气口6打开，空气进入曲轴箱7内；燃烧室8内的气体从排气门10排出燃烧室8。
35.排气门10位于燃烧室8顶部采用传统的凸轮轴12控制方式控制。进气门1位于活塞中部通过燃烧室8负压开启从曲轴箱7内部进气。结构采用了燃烧室8顶部使用一个超大排气门10及活塞中部使用一个超大进气门1结构，所以不必考虑进排气门10的尺寸限制问题尽可能的扩大进排气效率提升发动机功率。燃烧室8顶部只放置排气门10及其它必要附件，不放置进气门1，排气门10通过传统的凸轮轴12控制方式控制。
36.活塞由中部一个进气门1，进气门1代有复位弹簧辅助进气门1复位、气门座圈14辅助进气门1对空气的密闭、进气门1连接件、进气门支架17、活塞主体3及活塞内部进气道15组成。进气门1的开启是通过发动机的排气冲程后活塞下行使燃烧室8容积增大此时排气门10处于关闭状态使燃烧室8内部产生强大的负压力以此同时曲轴箱7内部是正向压力从而推动进气门1的开启。
37.排气门复位弹簧11的弹力是进气门复位弹簧2的数倍，燃烧室8负压只能使进气气
门开启，不能开启排气气门，排气气门只有通过凸轮轴12动作才能使其开启。进排气门10都是传统的凡尔气门结构，缸内正向压大于外界的大气压力力只会使其密闭更为紧密。
38.本发明提出了一个全新的发动机配气理念，常规的4冲程发动机在工作状态下只有一个冲程燃烧室8处于负压燃烧室8气压低于发动机外界大气压状态，再加上传统的凡尔气门的物理特性燃烧室8内部气压越大其密闭越紧密，反之折可以拉动复位弹簧使其松开。通过以上两个物理特性，发动机在工作时压缩、做功及排气3个冲程燃烧室8都处于正压状态燃烧室8内部气压大于外界大气压顾不必考虑气门会漏气的问题。进气门复位弹簧2的弹力控制在燃烧室8内部负压可以开启的范围内使进气门1能够在燃烧室8负压状态下开启实现发动机燃烧室8进气。
39.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。