专利名称：一冲程对爆自由活塞发动机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及内燃机与自由活塞动力装置技术领域，特别是涉及目前应用最多的内燃机。
就申请人所知，现有内燃机应用最多的，不外四冲程和二冲程以及自由活塞与燃气轮机或流体泵驱动流体马达的动力装置。四冲程发动机燃烧较完全，但油耗较大，而且均有膨胀冲程设计过长，则机体结构增重，造价加大，得不偿失。设计短，则燃气不能充分膨胀，大部热量由排气带走。另外活塞通过连杆作用于曲轴，将直线运动变成回转运动，导致力的分解，使效率降低和产生活塞偏磨。而现有的自由活塞燃气轮机或自由活塞驱动流体泵通过流体马达作动力，又结构复杂。故现有汽车拖拉机仍普遍用四冲程内燃机和二冲程机。
本实用新型的目的，是提供一种一冲程自由活塞发动机，使自由活塞通过简单的机构，也能直接将活塞所作的功输出去，不要再通过燃气轮机或流体马达，也不用一般内燃机的连杆曲轴机构。
本实用新型的原理是应用同一直线上的两端汽缸活塞的对爆，对另一端汽缸已进入的增压扫气，进行压缩喷油点火。产生相互对爆，使主轴在一个回转中接受两次作功冲程，这到与现有内燃动力及自由活塞机组相较，在同功率情况下，结构简单、效率高、重量轻、转速高，制造成本大大降低，燃烧完全，污染少的目的。
以下结合附图来描术本实用新型的技术方案和工作原理。
这种发动机外型特点是汽缸是成对来实现的，外型像一根棒，故也可称棒型发动机。
本说明书提供如下附图
图1 双缸对爆一冲程自由活塞发动机(1)型图2 双缸对爆一冲程自由活塞发动机(2)型图3 多缸(四缸、六缸、八缸、十缸、十二缸以上)一冲程自由活塞发动机组(3)型图4 一冲程自由活塞发动机点火系统图5 润滑系统图6 冲程增长的结构以下按图次分别举例说明以
图1为例为双缸对爆一冲程自由活塞发动机(1)型图中有管形汽缸[1]、左活塞[2]、上齿条[3]、顺转棘转[4]、主轴[5]、右活塞[6]、轴承[7]、飞轮[8]、主轴传动法兰[9]、下齿条[10]、向左冲程反向棘轮[11]、预燃室[12]、汽缸盖[13]、散热外套[14]、长形换气孔[15]。
整个工作是这样进行的当左端被压缩的空气喷入燃油后，活塞[2][6]及齿条[3][10]右行，此时上齿条[3]带动棘轮[4]使主轴及飞轮顺时针旋转，并对右端汽缸内之空气进行压缩。当达到右死点时，右边预燃室[12]喷油点火，右缸爆炸，活塞体开始左行，此时棘轮[4]开始滑转，像脚踏车的[飞]一样，对主轴不起作用。下齿条[10]左行时，通过反时针方向棘棘轮[11]，使主轴继续回转，与此同时，左边燃气膨胀达到排气口[15]时，左边汽缸已燃烧的废气，向外泄于排气管中，新鲜的冷空气，自然由下部进入汽缸，活塞体继续右行，到达右死点时，右边开始爆炸膨胀排气换气行程，因此循环不已。由于膨胀排气换气行程长，排气口是长形设计，故缸内活塞在回程时，其中废气已全部外逸，由下边冷却的空气置换。由于活塞不与发动机任何部分绞接，活塞是自由作往复运动，又是靠对边汽缸产生爆炸作功来对这边进行压缩，每一汽缸只有一个作功行程，因此对每一汽缸而言，属于一冲程发动机。此式也可组成多缸同轴的机组。
以附图2为例，为双缸对爆一冲程自由活塞发动机(2)型，它与(1)型不同的是如附图2所示，设计有扫气缸强制换气，并应用双齿条[3]与半边齿轮[16]配套，来达到传力的目的。(外形似半边齿轮，实际齿数少于半边)图2中有管形汽缸[1]、左端活塞[2]、上齿条[3]、主轴[5]、右端活塞[6]、下齿条[10]、预燃室[12]、汽缸盖[13]、半边齿轮[16]、左隔板[17]、左进空气阀[18]、左进扫气阀[19]、左排气孔[20]、活塞杆[21]、左扫气孔[22]、储气室[23]、右扫气孔[24]、右排气孔[25]、右缸进空气阀[26]、右边隔板[27]。
它与第一例(1)型不同处是在左右两端活塞之后，设置有左隔板[17]，和右隔板[27]，此隔板之目的，在左右活塞的后边，设置有扫气泵室，新鲜的空气经过滤器及进气阀[18]，进入扫气泵室内。当左活塞在燃气爆炸压力推动下，向右边移动时，即将其后边的空气压开扫气阀[19]进入储气室[23]，同时左边进空气阀[18]关闭，左活塞继续前进，膨胀之气体即由左排气孔[20]排入大气中，同时扫气孔[22]打开，新鲜空气由储气室[23]进入左边汽缸，将剩存废气扫走。同样的情况，右边爆炸膨胀行程开始后，右活塞[6]之后边空气，又被压入储气室[23]内，当右活塞继续左行，右排气口[25]打开，废气由此排出，剩余小量废气又被后来由储气室[23]中进入右扫气孔[24]之空气扫走，因此循环不已。
由此不难看出，此式之特点，即燃气将与进入之扫气燃烧，与废气接触之机会极少，故效率较一般二冲程机高，燃烧较完全，污染少。
此外一个最大不同点，即它是应用半边齿轮[16]与上下齿条配合，来带动主轴[5]，活塞的行程，即等于半边齿轮之节元直径与π之乘积以二除之。半边齿轮在左边爆炸行程开始时，与上齿条齿合，活塞膨胀行程，通过齿条带动半边齿轮[16]，使主轴转动，左边燃气膨胀后，又通过半边齿轮[16]的作用，与下齿条齿合，故主轴继续转向同一方向回转，如此周而复始。
如果不用半边齿轮，也可换用半边摩擦轮，即在半边摩擦轮之金属轮面上，滚压花纹，与耐摩橡胶条配摩，耐磨橡胶条用汽车外胎橡胶制成，粘合在金属板上构成摩擦条，代替前述的齿条，由于半边摩擦轮面与摩擦条紧压，作为传力机构，使主轴旋转，无压花的另半边，则与齿条尚有一定的间隙，故不起传动作用。此式也可将扫气孔[22][24]改由汽缸盖上装一直流扫气阀扫气。也可组成多缸方案。
以附图3为例、是多个汽缸组合，并另设公共扫气缸的(3)型自由活塞发动机。
这种设计，适用于汽车拖拉机船用动力以及内燃发电机组等。它的特点如下由多个相对爆炸之管形汽缸组合，推动一根主轴，并另设有公共扫气缸，用以扫气，此外扫气阀安装于两端汽缸盖上，采用直流扫气(扫气阀上装有复位弹簧，扫气压入后即复位)。如系大型汽缸，则可用多个环形扫气阀，由于系另设有公共扫气室，故可用过量空气进行扫气，以达到尽量排除缸内废气的目的，图3中为四对管形汽缸，[31]、[32]、[34]、[35]，共八个汽缸头，使用一个公共扫气泵[33]之示意图。扫气缸[33]由于缸内扫气压力不大，故可用耐磨硬塑料管或薄金属管制成。每一行程之扫气足够应付多个汽缸同时爆炸之扫气。这样既可达到燃气可获得充足的氧气供给，扫气缸材料也可多种多样，公共扫气缸由于所需扫气压力不大，也可采用相应的回转式压风机，以减少所占空间，装于主轴之前端，如图3[51]，也可用三角皮带或链条带动。图中有扫气管[36]，公共汽缸左端之扫气阀[37]，左端的进空气阀[38]，其网形外罩为空气过滤器。左右两边有公共储气室[39]，公共飞轮[8]，公共主轴传力法兰[9]，设在管式汽缸端部之直流扫气阀[40][41]，公共扫气缸之截面结构，一如A-A剖面，用半边齿轮和齿条带动左右活塞作往复运动，只是进空气阀[38]和扫气阀[37]如图示。
由图3之A-A截面及B-B截面可以看出，各个汽缸内之结构相同。有管形汽缸[1]左端活塞[2]齿条[3]主轴[5]右活塞[6]排气孔[20]预燃室[12]半边齿轮[16]，扫气阀[40][41]，A-A剖面及B-B剖面不同的是活塞在管形汽缸中的安装位置。A-A系左活塞在左死点开始向右的爆炸膨胀行程。B-B系右活塞在右死点时爆炸开始向左的膨胀行程，例如附图3中之四对汽缸[31]、[32]、[34]、[35]，有两对汽缸活塞安装位置[32]、[35]如B-B剖面。这样每对管形汽缸结构相同，但由于安装时的位置不同，相邻两对汽缸的爆炸膨胀行程方向系相反进行的，这样就可以平衡机组的运行，减小机脚的震动，使运行趋于平衡。汽缸越多，功率越大，越需要这样组合。此外这种组合形式，尚可组合成十缸，十二缸等。如需增大功率，只需增多缸数，加长加粗主轴，即可作成大功半机组。如这种型式，也可作成小功率的两个汽缸对爆直流阀扫气或四个汽缸对爆的机组。
附图4系各种形式的相同点火系统。
如附图4所示，预燃室[12]、喷油器[42]与一般柴油机相同，高压油管[48]、燃油泵[43]亦为一般柴油机通用件。当左活塞[2]到达左死点前，碰杆[44]撞击油泵[43]心子，高压油经油管[48]进入喷油器[42]喷雾。在预燃室[12]中燃烧，使左边汽缸产生爆炸膨胀排气扫气冲程。同样，当右活塞快到右死点时，碰杆[44]又撞击右边油泵心子，使右边喷油器喷油，右边又产生爆炸膨胀排气扫气冲程。碰杆[44]系固定在齿条[3]上，随活塞作往复运动，碰杆上装有调给螺钉调节喷油量。预燃引火塞[45]，与一般预燃引火塞相同，系用电池电力使引火塞电热丝产生高温，起动正常后，关闭电源，又由于采用预燃室用压燃喷油，故柴油、汽油、煤油、酒精等多种液体燃料均能使用。
关于这种发动机的起动这种发动机的起动与一般柴油机相似，可用马达带动主轴旋转，也可用弹簧或压缩空气蓄力起动，也可用手摇柄起动。当压缩的高热空气进入燃烧室后，油泵喷入燃油即产生爆炸膨胀排气、扫气，最初也可接通电源，使用预燃引火塞。
关于这种发动机的润滑装置如附图5所示，系在上齿条[3]中间有一输油长孔[47]，经活塞中之环形油道对汽缸进行润滑，汽缸下部有油池其中置机油泵和过滤网，润滑油可循环使用。机油泵与软管相连，软管[49]接于上齿条中间之进油管接[48]，随齿条作往复摆动。汽缸上边的长形槽孔[50]，供软管接头[48]摆动往复之用。
关于本机之冷却本机之冷却装置一如一般内燃机，可用风冷和水冷，水冷设置有夹套，风冷则用散热片和强力扇风机散热，这是一般通用技术。
关于冲程长度的另一设计前已叙述，关于冲程之长度是齿轮节元直径与π之乘积的二分之一，为了获得较长的膨胀冲程，以增大马力和效率，也可如附图6所示，采用双锯弓形齿条组成一对活塞体，如图中之[3]与[10]上下齿条，这样就可以采用较大的半边齿轮，使冲程增长。
关于排气管设计排气管设计与现有技术相同，即在排气孔处设计一外罩，有排气管与消声器相连，通过消声器将废气排入大气中。
本实用新型与现有技术相比，所具有的有益的效果。
如前所述，应用本实用新型的循环原理与结构，将有如下效益1.用一冲程对爆自由活塞发动机，在缸径相同的情况下，只需在管形汽缸的两端各置一个汽缸头制造成本差不多，作功次数将为原来四冲程内燃机的四倍。
2.由于结构简单，又是一种组合型发动机，应用它安装在车辆上，将使现有汽车拖拉机制造成本大大降低，功率增加。
3.由于活塞通过齿条使半边齿轮驱动主轴，力臂始终处于最佳位置，传力均衡，故机械效率高于曲轴连杆机构。活塞汽缸也不产生偏磨，使用寿命延长。
4.由于采用压力扫气等措施，故为增压燃烧，喷油量可加大，因而马力可增大。有足量的增压空气，燃烧可完全，对环境污染减少。
5.由于结构简单，又是组合型，可设计成几千匹马力以上的大型内燃动力，故可广泛应用于火车、船舰作发动机和柴油内燃发电机机组。
6.由于转速将较四冲程大大提高，机重相应减轻、热效率高，故可设计多缸成对的大功率轻型一冲程自由活塞发动机组，作航空发动机，用于直升飞机和螺旋浆式民用飞机。
权利要求1.一冲程对爆自由活塞发动机，包括汽缸、活塞、供油及润滑装置、点火装置、冷却装置、扫气装置、起动机构，其特征是二个或二个以上两端成对的汽缸头组合成多组结构，用左右对爆来进行爆炸膨胀作功、排气、扫气和对另一端进行压缩喷油点火，用上下相对的齿条与两端活塞作刚性连接，推动半边齿轮或半边摩擦轮或二个方向相反的棘轮，作往复运动，主轴每一回转产生两次作功冲程。
2.根据权利要求1的一冲程对爆自由活塞发动机，特征是有长形排气换气孔[15]，有顺转棘轮[4]，反转棘轮[11]的无气阀结构。
3.根据权利要求1的一冲程对爆自由活塞发动机，其特征是有上下齿条[3]或摩擦条，与半边的齿轮[16]齿合，有左隔板[17]，右隔板[27]，左进气阀[18]，扫气室[23]，右进气阀[26]，进扫气阀[19]，左右扫气孔[22]、[24]，左右排气孔[20]、[25]。
4.根据权利要求1的一冲程对爆自由活塞发动机，其特征是在多组结构中有直流扫气阀[40]、[41]、有公共储气室[39]、有公共扫气泵[33]、或回转扫气泵[51]，有多组以上汽缸[31]、[32]、[33]、[34]、[35]，共用一根主轴[5]，各组的成对汽缸中有齿条[3]、半边齿轮[16]、排气孔[20]。
5.根据权利要求1的一冲程对爆自由活塞发动机，其特征是点火装置有往复碰杆[44]，安装于齿条[3]上，与两端之喷油泵[43]喷撞泵油，碰杆上装有调节螺栓，可调整泵油时间及喷油量，喷油器[42]装于预燃室[12]上。
6.根据权利要求1的一冲程对爆自由活塞发动机，其特征是润滑装置有摆动软管[49]，安装于齿条[3]上，通过[3]中之油孔，将润滑油送入两端活塞油环及扫气泵活塞与半边齿轮齿条上。
7.根据权利要求1的一冲程对爆自由活塞发动，其特征是增大冲程结构中设计成锯弓形齿条，组成一对活塞体。
8.根据权利要求1的一冲程对爆自由活塞发动机，其特征是在半边金属轮上滚压花纹，与耐摩橡胶配摩，耐摩橡胶粘合在金属条上，代替齿条。
专利摘要一冲程对爆自由活塞发动机。解决了现有内燃机机体笨重，造价高，以及现有自由活塞燃气轮机中的活塞不能直接驱动输出轴作功的问题。特征是应用半边齿轮与上下相对的齿条等三种方法，将活塞直线运动变成回转运动。应用同一直线上的两端对置活塞的爆炸膨胀排气扫气冲程，对另一端汽缸内扫气进行压缩喷油点火，产生对边活塞又一次作功冲程，主轴每一回转有两次作功冲程，多缸设置公共扫气泵。
文档编号F02B53/00GK2270120SQ94238030
公开日1997年12月10日 申请日期1994年8月22日 优先权日1994年8月22日
发明者向探真 申请人:向探真