專利名稱：雙活塞虛擬五沖程內燃機的制作方法
技術領域：
本發明屬于內燃機領域。
四沖程內燃機在一個工作循環內，曲軸旋轉兩周，活塞上下各兩次，走過四個沖程，以汽油機為例，這四個沖程分別是(1).進氣沖程，活塞由上向下移動，活塞上方容積增大，此時，進氣門開啟，排氣門關閉，可燃混合氣被吸入氣缸。進氣行程結束，進氣門關閉。
(2).壓縮沖程，此時進排氣門都關閉，曲軸繼續旋轉，活塞由下向上運動。缸內的可燃混合氣被壓縮在活塞頂部與氣缸蓋構成的燃燒室中，在壓縮行程將近結束時，火花塞放出火花，將可燃混合氣點燃。
(3).作功沖程，混合氣開始點燃時，缸內壓力和溫度達到最高，此時進排氣門仍關閉，燃燒氣體壓力作用在活塞頂部，推動活塞下行，并通過連桿傳給曲軸，使曲軸旋轉，對外輸出扭矩。
(4).排氣沖程，活塞由下向上運動。此時排氣門開啟，進氣門仍關閉。燃燒后的廢氣在剩余壓力和活塞上行的驅趕下，被排出氣缸外；排氣行程結束，排氣門關閉，準備下一個工作循環。
二沖程內燃機在一個工作循環內，曲軸旋轉一周(360度)，活塞運行兩個行程(上、下各一次)，與四沖程內燃機相比，二沖程內燃機沒有氣門，依靠活塞運行于氣缸內的不同位置分別讓開或擋住進、排氣孔來實現進、排氣及換氣過過程。
現有的四沖程內燃機和兩沖程內燃機在工作時，因其工作循環特點，有以下缺陷1.內燃機的作功爆燃正時(即火花塞點火的時刻)，一般都選在活塞行至上止點前約10度角左右，爆燃后可燃混合氣能量釋放最大，但是此時連桿與曲軸力臂幾乎成一直線，有用力矩幾乎等于零，此時對輸出作功十分不利，只能利用到可燃混合氣的部分能量；2.從結構上看，內燃機的輸出功率與排量成正比，而排量一定時，活塞的有效面積與曲軸的力臂成反比，因為它全優的乘積總是略小于排量的一半。要使它全優的乘積增大，目前我們采用的辦法是增大壓縮比。在某種意義上講，內燃機壓縮比越大，機器的效率越高，如柴油機壓縮比大于汽油機，柴油機效率就高于汽油機，同樣壓縮比大的柴油機效率高于壓縮比小的柴油機，于是我們可以這樣理解內燃機的效率和活塞有效面積與曲軸力臂的乘積成正向比例。目前的內燃機這兩個數的乘積小于1/2機器排量。現在有些機器上所使用的節油器，只能微量地減少機器在使用中的浪費，要想真正降低油耗，只有從改變現有內燃機結構入手，由于現有內燃機效率最高不超過40％，是有潛力可挖的。
本發明的另一目的是為了解決上述現有內燃機的第2點不足，提供一種雙活塞虛擬五沖程內燃機，使用了虛擬沖程來達到保壓，使吸氣沖程變短，在不改變排量的前提下增加了活塞吸收燃油能量的能力，提高轉換效率。
本發明的目的是這樣實現的一種雙活塞虛擬五沖程內燃機，其氣缸內裝有作功的主活塞，主活塞鉸接連桿，連桿鉸接曲軸，曲軸連接飛輪，所述氣缸體內主活塞的上方裝有副活塞，該主活塞與副活塞之間的空隙構成燃燒室，火花塞設置在對應燃燒室的氣缸壁上和/或對應燃燒室的副活塞的底面，在對應燃燒室的氣缸壁上設置有至少兩組氣門，主、副活塞的外圓環槽內裝有密封環，副活塞連接有使副活塞作遠離主活塞方向運動的復位件，該復位件為壓縮彈簧及同步凸輪；兩支壓縮彈簧分別套裝在固接于氣缸體的兩支導向柱上；所述凸輪的軸裝在固接于氣缸體的支架中，該凸輪的軸有向外折彎的曲軸，該凸輪的凸面由掛銷施壓保持與副活塞的頂面常接觸，該凸輪與所述曲軸保持如下運動關系凸輪與曲軸上的飛輪同步運轉，凸輪的旋轉周期與曲軸的旋轉周期一致，凸輪的最大半徑與曲軸有效半徑相等，該凸輪軸以傳動件連接于曲軸。
所述凸輪的凸面由掛銷施壓保持與副活塞頂面常接觸的結構為該凸輪的凸面有外凸環邊，該環邊內緣與掛銷接觸，該掛銷固接于銷座，該銷座固接于副活塞的頂面。
所述凸輪凸面由掛銷施壓保持與副活塞頂面常接觸的結構為凸輪的側面有外凸掛銷，該掛銷伸入導軌的滑槽，該導軌固裝于副活塞的頂面。
所述凸輪的外廓呈由一近似半圓的弧形和一組拋物線形拼合構成的形狀。所述凸輪的外廓為圓弧漸進線組所圍成的形狀。所述凸輪的點火提前角與曲軸的點火提前角相等。
所述氣缸壁上的氣門的構造為；氣門孔內有插槽，該插槽底面及兩側有凸坎，氣門孔上方有一槽室，該槽室內裝有插板，該插板邊沿有凹槽與插槽內的凸坎相應而能插入將氣門孔密封，該插板上部連接一推拉桿，該推拉桿穿過槽室上方的有頂圓孔，并從圓孔頂面小孔中穿出，其頂部固接一壓板，該壓板底面與氣缸體頂面之間裝有一氣門凸輪，該凸輪軸支承于氣缸體頂面，該推拉桿在圓孔中的部分套裝有一壓縮彈簧，該彈簧支承在圓孔底面與推拉桿橫向彈簧座之間，該橫向彈簧座的位置與插板將氣門孔密封的位置相應。
本發明有以下積極有益的效果本發明內燃機氣缸，采用一個與內燃機氣缸內現有的作功活塞相對應的，由半圓凸輪或近似半圓的凸輪引導其作周期性往復運動，稱之為副活塞的器械，來完成保壓沖程，達到改變點火程序的目的，從而從根本上改變了內燃機對外輸出的功率因素。同時我們可通過改變凸輪的α角，可隨意調整點火正時點，同時，改變凸輪的形狀可生產出不同轉速要求的發動機。這里凸輪的旋轉周期與曲軸完全一致。凸輪的最大半徑與曲軸有效半徑相等，且連接凸輪組的不是一根直桿，而是像凸軸一樣有規則曲度的一個組合件。
本發明由于使用了虛擬沖程來完成保壓，進而使點火程序成為任意可調，這樣可使活塞獲得的能量最大限度被曲軸吸收，使機器輸出功率較目前的內燃機有很明顯的提高。由于吸氣沖程不是從活塞的上止點開始，而是從中途開始的，那么我們如果在不改變曲軸力臂時，要達到與以前相同曲軸的內燃機的排量，我們必須以增大活塞的面積及缸徑來實現，那么我們使用了本技術后的內燃機，它的活塞有效面積與曲軸力臂的乘積就會超過1/2倍機器排量而接近總排量，從而使前面論述中的第2點得到跳躍的改變，并使使用了本技術后的機器的輸出功率比未使用本技術的機器的功率有大幅度的提升。在實際使用中我們并不需要太大的功率，所以我們可降低所選機器的排量而達到相同的效果，從而實現節油。
圖9是本發明的壓縮沖程氣缸示意圖；
圖10是本發明的保壓沖程氣缸示意圖；圖11是本發明的作功沖程氣缸示意圖；圖12是本發明的排氣沖程氣缸示意圖；圖13是本發明內燃機的一實施例的原理圖；圖14是本發明內燃機的另一實施例的原理圖；圖15是本發明的凸輪掛銷結構的一實施例；圖16是相鄰兩個氣缸凸輪的組合結構一實施例的示意圖。
所述凸輪10的軸101裝在固接于氣缸體的支架11中見圖2，該凸輪的軸10有向外折彎的曲軸105，該凸輪10的凸面由掛銷施壓保持與副活塞5的頂面301接觸，該凸輪10與所述曲軸13保持如下運動關系見圖8至圖12凸輪10與曲軸13上的飛輪14同步運轉，凸輪10的旋轉周期與曲軸13的旋轉周期一致，凸輪10的最大半徑與曲軸13有效半徑相等，該凸輪軸101以傳動件連接于曲軸13，(所述傳動件為已有技術，例如齒輪、鏈傳動、帶傳動、連桿傳動等)。在連桿推動活塞1到達上止點位置，凸輪10旋轉到完全釋放活塞的位置。該凸輪轉動時周期性地向下推壓和釋放副活塞，副活塞在所述復位件和偏心件的共同作用下沿氣缸壁作往復直線運動。
請參照圖4，所述凸輪10的凸面由掛銷施壓保持與副活塞頂面301常接觸的結構為該凸輪10的凸面有外凸環邊102，該環邊內緣與掛銷接觸，該掛銷103固接于銷座104，該銷座固接于副活塞3的頂面。
請參照圖15，所述凸輪10凸面由掛銷施壓保持與副活塞頂面301常接觸的結構為凸輪10的側面有外凸掛銷103，該掛銷伸入導軌16的滑槽，該導軌16固裝于副活塞3的頂面301。
實施時，所述凸輪10的外廓可以呈由一近似半圓的弧形和一組拋物線形拼合構成的形狀見圖13。
所述凸輪10的外廓可以為圓弧漸進線組所圍成的形狀見圖14。
所述凸輪10的點火提前角α1與曲軸13的點火提前角α2相等，見圖13。
請參照圖2、圖5、圖6，所述氣缸1壁上的氣門6的構造為氣門孔6內有插槽601，該插槽底面及兩側有凸坎602，氣門孔上方有一槽室603，該槽室603內裝有插板604，該插板604邊沿有凹槽612與插槽601內的凸坎602相應而能插入將氣門孔密封，該插板604上部連接一推拉桿605，該推拉桿605穿過槽室603上方的有頂圓孔606，并從圓孔606頂面小孔中穿出，其頂部固接一壓板607，該壓板底面與氣缸體頂面之間裝有一氣門凸輪608，該凸輪軸支承于氣缸體頂面，該推拉桿605在圓孔606中的部分套裝有一壓縮彈簧609，該彈簧609支承在圓孔底面與推拉桿橫向彈簧座610之間，該橫向彈簧座610的位置與插板604將氣門孔6密封的位置相應。該氣門凸輪608的運動周期及驅動方式同已有技術。
請參照圖8至圖12，圖8、9、11、12是本發明基本原理，省略描述排氣后回位沖程，與現有內燃機相比，它多了圖10所示的保壓沖程，其余圖8、9、11、12分別為吸氣、壓縮、作功、排氣，另外從圖1我們可分析得出，由于吸氣沖程不是從活塞的上止點開始，而是從中途開始的，那么我們如果在不改變曲軸力臂時，要達到與以前相同曲軸的內燃機的排量，我們必須以增大活塞的面積及缸徑來實現，那么我們使用了本技術之后的內燃機，它的活塞有效機積與曲軸力臂的乘積就會超過1/2倍機器排量而接近總排量，從而使前面論述中的第2點得到跳躍的改變，使用了本技術后的機器的輸出功率比未使用本技術的機器的功率有近一倍的提升。在實際使用中我們并不需要太大的功率，所以我們可降低所選機器的排量而達到相同的效果，從而實現節油。
在實際使用中我們應選擇圖13的形式，凸輪類似扇形，以保證在作功時連桿與曲軸力壁垂直，使有效力矩最大。當然，當我們發動機轉速較高時，我們為防止兩活塞可能碰撞，我們要將凸輪作成圖14的形狀。目的是除了在作功時使氣缸內空間最小，其余時間氣缸內均有較大空間避免活塞碰撞。另外為了副活塞的更有效退縮，我們將在凸輪的外緣增設凸坎，而副活塞以掛銷鉤住凸輪，使之被凸輪牽引退縮見圖4。本技術氣門需設置在氣缸壁上，同時氣門將根據實際需要而改變形式。
圖7是汽油機的火花塞分布圖，本技術的燃燒室須由氣缸壁、主副活塞共同圍構而成，火花塞的具體安裝由燃燒室的位置決定，將缸壁上的火花塞換成噴油嘴可生產出柴油機。
請參照圖2、圖16，凸輪也是由曲軸帶動運轉，軸的形狀和主曲軸相似，只是軸臂相應短些，它的作用是保證凸輪在運轉時避免副活塞掛銷與凸輪中心相搓，另由圖4可以看出，副活塞兩側有固定副活塞方位的導向柱，圖3是副活塞的大致模型構造，圖16是凸輪組10的大致組合方式圖，為了便于觀察，圖中將兩凸輪同向擺放，在實際中的凸輪是有角度的，圖5、圖6是門狀氣門的工作描述圖，它的驅動方式及周期與現有技術一致。
本技術的氣缸密封，配氣機構、電路、油路、潤滑系統同現有技術，主活塞、曲軸，飛輪也同現有技術。連接凸輪的曲軸可裝可不裝飛輪。
權利要求
1.一種雙活塞虛擬五沖程內燃機，其氣缸(1)內裝有作功的主活塞(2)，主活塞鉸接連桿(12)，連桿鉸接曲軸(13)，曲軸連接飛輪(14)，其特征在于所述氣缸體(1)內主活塞(2)的上方裝有副活塞(3)，該主活塞(2)與副活塞(3)之間的空隙構成燃燒室(4)，火花塞(5)設置在對應燃燒室(4)的氣缸壁上和/或對應燃燒室的副活塞(2)的底面，在對應燃燒室(4)的氣缸壁上設置有至少兩組氣門(6)，主、副活塞(2)、(3)的外圓環槽內裝有密封環(7)，副活塞(3)連接有使副活塞作遠離主活塞方向運動的復位件，該復位件為壓縮彈簧(8)及同步凸輪(10)；兩支壓縮彈簧(8)分別套裝在固接于氣缸體的兩支導向柱(9)上；所述凸輪(10)的軸(101)裝在固接于氣缸體的支架(11)中，該凸輪的軸(10)有向外折彎的曲軸(105)，該凸輪(10)的凸面由掛銷施壓保持與副活塞(3)的頂面(301)常接觸，該凸輪(10)與所述曲軸(13)保持如下運動關系凸輪(10)與曲軸(13)上的飛輪(14)同步運轉，凸輪(10)的旋轉周期與曲軸(13)的旋轉周期一致，凸輪(10)的最大半徑與曲軸(13)有效半徑相等，該凸輪軸(101)以傳動件連接于曲軸(13)。
2.如權利要求1所述的雙活塞虛擬五沖程內燃機，其特征在于所述凸輪(10)的凸面由掛銷施壓保持與副活塞頂面(301)常接觸的結構為該凸輪(10)的凸面有外凸環邊(102)，該環邊內緣與掛銷接觸，該掛銷(103)固接于銷座(104)，該銷座固接于副活塞(3)的頂面。
3.如權利要求1所述的雙活塞虛擬五沖程內燃機，其特征在于所述凸輪(10)凸面由掛銷施壓保持與副活塞頂面(301)常接觸的結構為凸輪(10)的側面有外凸掛銷(103)，該掛銷伸入導軌(16)的滑槽，該導軌(16)固裝于副活塞(3)的頂面(301)。
4.如權利要求1所述的雙活塞虛擬五沖程內燃機，其特征在于所述凸輪(10)的外廓呈由一近似半圓的弧形和一組拋物線形拼合構成的形狀。
5.如權利要求1所述的雙活塞虛擬五沖程內燃機，其特征在于所述凸輪(10)的外廓為圓弧漸進線組所圍成的形狀。
6.如權利要求1所述的雙活塞虛擬五沖程內燃機，其特征在于所述凸輪(10)的點火提前角(α1)與曲軸(13)的點火提前角(α2)相等。
7.如權利要求1所述的雙活塞虛擬五沖程內燃機，其特征在于所述氣缸(1)壁上的氣門(6)的構造為氣門孔(6)內有插槽(601)，該插槽底面及兩側有凸坎(602)，氣門孔上方有一槽室(603)，該槽室(603)內裝有插板(604)，該插板(604)邊沿有凹槽(612)與插槽內的凸坎(602)相應而能插入將氣門孔密封，該插板(604)上部連接一推拉桿(605)，該推拉桿(605)穿過槽室(603)上方的有頂圓孔(606)，并從圓孔(606)頂面小孔中穿出，其頂部固接一壓板(607)，該壓板底面與氣缸體頂面之間裝有一氣門凸輪(608)，該凸輪軸支承于氣缸體頂面，該推拉桿(605)在圓孔(606)中的部分套裝有一壓縮彈簧(609)，該彈簧(609)支承在圓孔底面與推拉桿橫向彈簧座(610)之間，該橫向彈簧座(610)的位置與插板(604)將氣門孔(6)密封的位置相應。
全文摘要
一種雙活塞虛擬五沖程內燃機，其氣缸內主活塞的上方裝有副活塞，該主活塞與副活塞之間的空隙構成燃燒室，副活塞連接有使副活塞作遠離主活塞方向運動的復位件，該復位件為壓縮彈簧及同步凸輪；該凸輪與所述曲軸保持如下運動關系凸輪與曲軸上的飛輪同步運轉，凸輪的旋轉周期與曲軸的旋轉周期一致，凸輪的最大半徑與曲軸有效半徑相等；本發明增加了一個虛擬的保壓沖程，讓活塞經過上止點后氣缸內壓強與溫度在短時內保持與活塞行至上止點基本一致，待活塞行至連桿與曲軸所成夾角對功的輸出最有利時而將燃油點燃作功，使吸氣沖程變短，同排量時增加了活塞吸收燃油能量的能力，提高轉換效率。
文檔編號F02B75/00GK1458398SQ03148179
公開日2003年11月26日 申請日期2003年7月4日 優先權日2003年7月4日
發明者陳紅運 申請人:陳紅運