多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術的制作方法

專利名稱：多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及內燃機技術領域，特指一種多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技 術及用多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術制作的多缸聯(lián)動復合內燃機。
背景技術：
內燃機是熱機的一種，是將燃料的化學能經過釋放轉變?yōu)闄C械功 的機械，燃料的燃燒和工質的膨脹做功均在氣缸內部進行，因而，內 燃機具有較高的壓縮比，能量損失較小，具有較高的熱效率?！秲热紮C構造與原理》(人民交通出版社2004年5月第一版，孫建新主編)、 《高等內燃機學》(北京理工大學出版社2001年9月第一版，魏春 源、張衛(wèi)東、葛蘊珊編著)，及同類型的技術書籍，對內燃機的結構 及原理都進行了詳細的描述。經過一個多世紀發(fā)展的常規(guī)往復活塞式內燃機，在日益完善的同 時，其潛力也日趨枯竭，其效能再欲提升已經極為困難了，近來出現 的米勒循環(huán)理論與廢氣渦輪增壓等新技術，雖然效果顯著，但由于內 燃機結構上的限制，其以廢氣能量利用為基礎，在功效與潛力上必然 受到一定的制約。能源問題一直是現代文明的主要社會矛盾之一，本發(fā)明追求更高 的熱功效率與更大的功率密度,應有助于社會文明的發(fā)展。由卡諾定律 可知增加壓縮比，即擴大熱庫溫差，能提升內燃機的熱功轉換效率， 但常規(guī)往復活塞式內燃機卻始終被曲柄連桿系統(tǒng)的機械負荷所阻，無 法再有效提升壓縮比。由標準的內燃機四行程循環(huán)可知，在理論上， 作功行程傳遞給曲柄連桿系統(tǒng)的功，除了部分通過曲柄輸出到外界，還必須有足夠的能量通過連桿回饋給工質，才能保證循環(huán)的持續(xù)性。 若把回饋給工質的這部分功作為內部能量流離出曲柄連桿體系，就可 以擺脫往復活塞式內燃機受曲柄連桿系統(tǒng)機械負荷限制的困擾，從而 大幅提升熱效率，把內燃機的流動能量分配為內部循環(huán)能量與外部輸 出能量就是本發(fā)明的能量分流原理。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種可以使內燃機的能量分流、以擺脫常規(guī) 往復活塞式內燃機受曲柄連桿系統(tǒng)機械負荷限制的內燃機技術和結 構，即多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術及用多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術制 作的多缸聯(lián)動復合內燃機。本發(fā)明是這樣實現的多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術，其特征在于 用同一根聯(lián)動桿同時固定連接四個或四個以上的參與聯(lián)動的燃壓雙 向氣缸組和雙向預壓縮氣缸組之活塞桿及活塞，使聯(lián)動桿能帶動所有 參與聯(lián)動的活塞同時向同一方向運動，并同時到達參與聯(lián)動的所有的 氣缸組的上止點或下止點或上下止點間的任一點的相同的行程位置。上述的所有的氣缸組的工作行程相等，各氣缸組需要作缸體軸線 相互平行的空間固定。上述的燃壓雙向氣缸組為具有兩個端蓋的封閉的氣缸體，氣缸體 的一個端蓋采用的是四行程內燃機用的氣缸蓋及其組件，氣缸體的另 一個端蓋采用的是二行程雙向壓縮機用的氣缸座及其組件，使活塞兩 端分別形成一個四行程內燃機熱力循環(huán)的燃氣室和一個二行程壓縮 機泵氣工作循環(huán)的壓氣室。上述的參與聯(lián)動的所有的氣缸組的活塞桿的一端在壓氣室內與 活塞連接，所有的活塞桿的另一端與氣缸體外的聯(lián)動桿連接，所有的活塞、活塞桿與聯(lián)動桿固化為一體，所述的活塞桿為帶十字頭的活塞 桿?？稍谏鲜龅乃械娜級弘p向氣缸組的壓氣室內設置活塞潤滑系統(tǒng)。上述的所有執(zhí)行作功行程的燃氣室與執(zhí)行排氣行程的燃氣室安 裝方向相反，以保證強制排氣過程的功由工質膨脹功直接傳遞或由工 質膨脹功經保守力轉化而來。上述的使所有的燃壓雙向氣缸組之進氣行程與作功行程的燃氣 室安裝方向相同，壓縮行程與排氣行程的燃氣室安裝方向相同。一種用多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術制作的多缸聯(lián)動復合內燃機， 其特征在于外界工質經工質過濾器到達初級雙向預壓縮氣缸組之壓 氣室的進氣門，所有雙向預壓縮氣缸組之壓氣室的排氣門與同級預壓 縮中冷室相通，各級雙向預壓縮氣缸組之壓氣室的進氣門與上一級預 壓縮中冷室相通，末級預壓縮中冷室與所有燃壓雙向氣缸組之壓氣室 的進氣門相通，所有的燃壓雙向氣缸組之壓氣室的排氣門與燃氣中冷 室相通，燃氣中冷室與所有的燃壓雙向氣缸組之燃氣室的進氣門相 通，所有的燃壓雙向氣缸組之燃氣室的排氣門與動力渦輪組的進氣口 相通，活塞聯(lián)動桿的往復運動帶動連桿驅動曲柄旋轉以輸出內燃機主 軸功并強制燃壓雙向氣缸組之燃氣室內具有高溫高壓的燃氣導入動 力渦輪中作功。上述的活塞聯(lián)動桿的往復運動僅帶動連桿驅動曲柄旋轉以輸出 內燃機主軸功，而燃氣室內的燃氣作為廢氣直接排往大氣。上述的活塞聯(lián)動桿的往復運動強制燃壓雙向氣缸組之燃氣室內 具有高溫高壓的燃氣導入動力渦輪中作功，而不用帶動連桿驅動曲柄旋轉以輸出內燃機主軸功。多缸聯(lián)動技術是本發(fā)明的核心技術，是實現能量分流原理的關 鍵，參與聯(lián)動的所有氣缸組必須是工作行程相等、各氣缸組均作缸體 軸線相互平行的空間固定、在任一活塞位于氣缸內任一行程的止點上 時，參加聯(lián)動的其它活塞必須同步位于相同方向的行程止點上、用聯(lián) 動桿和活塞桿將各氣缸組的活塞固化成為一個整體的聯(lián)動活塞，該聯(lián) 動活塞要有足夠的剛性，并要保障聯(lián)動活塞有足以完成行程的運動空 間，以避免聯(lián)動活塞在運動中變形。在燃壓雙向氣缸組中，氣缸內的活塞將內腔分為兩個氣室，即壓 氣室和燃氣室。用燃氣中冷室的進口接壓氣室的排氣門，用燃氣中冷 室的出口接燃氣室的進氣門，讓工質先入壓氣室預壓，再由燃氣中冷 室中冷，然后進燃氣室作標準的內燃機四行程熱力循環(huán)。根據燃壓雙向氣缸組的工作特性，聯(lián)動四組完全相同的燃壓雙向 氣缸組作為一個氣缸組群時，執(zhí)行進氣行程的燃氣室正向于活塞聯(lián)動 桿運動方向安裝，執(zhí)行壓縮行程的燃氣室逆向安裝，執(zhí)行作功行程的 燃氣室正向安裝，執(zhí)行排氣行程的燃氣室逆向安裝，在熱力循環(huán)時， 在聯(lián)動活塞的一個單向行程時間段內，行程過程中的聯(lián)動活塞在其運 動方向上受到的各氣缸組作用的綜合過程都將相同，這是燃壓雙向氣 缸組的對置安裝特征。借助氣缸聯(lián)動技術，可以通過聯(lián)動活塞推動燃氣執(zhí)行全程強制排 氣，強制排氣特征允許排氣過程壓強保持在作功行程終止壓強之上， 以確保動力渦輪組的高熱功效率。在整體上，本發(fā)明主要由工質預壓機、燃氣發(fā)生器和動力渦輪組 三部分構成。工質預壓機的原型是二行程雙向氣缸式壓縮機，但必須與燃壓雙向氣缸組聯(lián)動，因此雙向預壓縮氣缸組除了要符合氣缸聯(lián)動 技術的要求外，還要考慮多級中冷時各級間的配合及末級與燃壓雙向 氣缸組壓氣室間的配合等問題，工質預壓機可前置葉輪壓氣機預壓， 葉輪的動力由動力渦輪組傳輸，原理參考廢氣渦輪增壓。燃氣發(fā)生器 的原型是往復活塞式內燃機，但燃壓雙向氣缸組必須符合氣缸聯(lián)動技 術特征、燃壓雙向氣缸組特征、預壓中冷特征和強制排氣特征，對置 性布置氣缸組是為了均衡各行程的運行差異性，以保障本發(fā)明運轉的 穩(wěn)定性，曲柄連桿系統(tǒng)與活塞聯(lián)動桿連接的對稱性是為了消減行程運 轉過程中的整體力距，動力渦輪組的原型是渦輪軸發(fā)動機的低壓渦輪 組，這里不再累述。工質在氣缸內的循環(huán)雖然是標準的內燃機四行程循環(huán)，但多缸聯(lián) 動復合內燃機的整機工作循環(huán)卻已悄然發(fā)生變化，在進氣預壓過程 中，多級中冷對工質進行了準等溫放熱，從而允許在經歷燃氣發(fā)生器 和動力渦輪組循環(huán)后的工質恢復到進入多缸聯(lián)動復合內燃機前的狀 態(tài)(不計燃料成分引發(fā)的變化)，因此在理論上，多缸聯(lián)動復合內燃機 允許進行先放熱式的卡諾循環(huán)設計。本發(fā)明相比現有技術突出的優(yōu)點是本發(fā)明利用能量分流原理，利用聯(lián)動活塞直接傳遞給曲柄連桿輸 出功率及強制排廢氣推動動力渦輪組作功來完成外部能量循環(huán)，構架 出一套新型的內燃機結構，熱效率得到了充分地利用。本發(fā)明設計的燃壓雙向氣缸組突破了傳統(tǒng)的氣缸結構，在同一個 氣缸組內可分別完成四行程內燃機熱力循環(huán)過程與二行程預壓泵氣 循環(huán)過程，減少了原內燃機氣缸組單面工作的特征，功效提高一倍。借助剛性的聯(lián)動活塞，在結構上保證了參與聯(lián)動的各氣缸組的活 塞相互間的相對空間位置不變，十字頭可保障聯(lián)動活塞的運動軌跡， 加之參與聯(lián)動的各氣缸組采用了氣缸聯(lián)動技術，使得在聯(lián)動活塞移動 時，各氣缸組工質可以通過聯(lián)動活塞的支持力實現能量交換，當聯(lián)動 活塞變速時，通過聯(lián)動活塞的質量力，各氣缸組工質的內能與聯(lián)動活 塞的動能可以實現能量交換，支持力與質量力屬保守力，因此在理論 上，以上兩種能量交換可以忽略損耗。設計加工合理的活塞聯(lián)動桿結 構足以承載內燃機技術要求的內部能量流，因此，限制常規(guī)內燃機壓 縮比的負荷極限問題在采用氣缸聯(lián)動技術后再無意義，制約內燃機熱 效率的關鍵可能轉向燃燒系統(tǒng)的高溫氮氧化物問題，這將使內燃機的 壓縮比與循環(huán)模式發(fā)生巨大變化。很顯然，假設有雙向工作的四行程氣缸組，其能兼?zhèn)涠谐虤飧?組的充量效率與普通四行程氣缸組的換氣效率優(yōu)勢，但雙向燃燒卻會 導致雙向四行程氣缸組的熱負荷與潤滑等問題急劇惡化并難以解決。 在燃壓雙向氣缸組的燃氣室完成一個四行程內燃機熱力循環(huán)過程足 夠執(zhí)行兩次壓氣室二行程預壓泵氣循環(huán)過程的情況下，在燃氣中冷室 中累積兩倍于燃氣室容積的預壓縮工質將使燃氣室獲得雙倍的工質 充量，燃壓雙向氣缸組因此有等同雙向作用四行程氣缸組的工作效 果。燃壓雙向氣缸組的壓氣室的預壓縮循環(huán)過程相對低溫低壓，因此 采用燃壓雙向模式的氣缸組能極大的緩解熱負荷與潤滑等設計難題， 且預壓中冷特征可進一步改善熱效率，前置的工質預壓機中的多級壓 縮及其中冷措施正是這種效應的延伸和擴展。每當聯(lián)動活塞完成一個完整的行程過程，總能在符合對置安裝特 征的聯(lián)動燃壓雙向氣缸組群中同時找出完整的工質行程來與內燃機的進氣、壓縮、作功、排氣這四種行程一一對應，且進氣和作功行程 總是與聯(lián)動活塞的運動同向，壓縮和排氣行程總是與聯(lián)動活塞的運動 逆向，總能找出兩個壓氣室進氣行程與聯(lián)動活塞的運動同向，兩個壓 氣室壓縮氣行程與聯(lián)動活塞的運動逆向，因此，符合對置安裝特征的 聯(lián)動燃壓雙向氣缸組群聯(lián)動循環(huán)時，在聯(lián)動活塞的運動方向上只體現 唯一的綜合行程過程，加上工質預壓機的每組雙向氣泵循環(huán)時，每次 行程也是同時存在正向于聯(lián)動活塞運動的進氣行程動作和反向于聯(lián) 動活塞運動的壓縮泵氣行程動作，所以，符合對置安裝特征的多缸聯(lián) 動復合內燃機在聯(lián)動活塞運動方向上只體現唯一的綜合行程效果，其 每個行程過程對所連接的曲柄連桿系統(tǒng)都有相同的功和力的傳輸過 程。利用氣缸聯(lián)動技術帶來的高額低耗的內部能量流，多缸聯(lián)動復合 內燃機可以在排氣行程取消自由排氣過程，直接以聯(lián)動活塞驅動燃氣 進行全程高壓強制排氣。高壓強制排氣特征能使工質保持不低于作功 行程終止時的壓強導入動力渦輪組，顯而易見，在理論上，多缸聯(lián)動 復合內燃機的工質從氣缸作功到渦輪作功并不產生額外的損耗，這對 廢氣渦輪增壓類內燃機設計來說是不可想象的，這將使多缸聯(lián)動復合 內燃機擁有更好的熱功轉換效率。本發(fā)明的總體構思是用往復活塞式內燃機充當燃氣發(fā)生器，以燃 氣渦輪機作框架的復合內燃機，工質預壓機的主要用途在于消減活塞 氣缸結構的工質充量劣勢，因此本發(fā)明在總體構架上就有活塞式和渦 輪式內燃機之取長補短后的優(yōu)勢。雙向預壓縮氣缸組及其中冷室是非 常成熟的容積式氣體壓縮機技術，且與氣缸聯(lián)動技術要求并無沖突， 因此聯(lián)動活塞帶來的高效低耗的內部能量流將成為工質預壓機的極大優(yōu)勢，工質預壓機的葉輪裝置可參考廢氣渦輪增壓的原理，這里不 再累述。燃氣發(fā)生器實際上是一組特殊的往復活塞內燃機，其特殊性 在于必須符合氣缸聯(lián)動技術特征、燃壓雙向氣缸組特征、預壓中冷特 征和強制排氣特征，同時也具備了以上特征所帶來的優(yōu)勢，活塞聯(lián)動 桿輸送到曲柄連桿系統(tǒng)的大量外部能量流，可以有效緩解從燃氣室排 氣門到動力渦輪組進口的燃氣輸送管路與閥門的高溫高壓的惡劣條 件，動力渦輪組只是多缸聯(lián)動復合內燃機必不可少的組成部分，其本 身并無特殊性。當內燃機的工作限制轉移到低溫(即環(huán)境溫度)與高溫(即氮氧化 物排放限制)間的限制時，卡諾循環(huán)的優(yōu)點就不言而喻了，允許進行 先放熱式的準卡諾循環(huán)設計自然會為本發(fā)明設計帶來巨大優(yōu)勢。當本發(fā)明技術與低散熱(即以前的絕熱)內燃機技術結合使用時，就 會產生更加顯著的功效。本發(fā)明可用于制造各種類型的內燃機。


圖1是本發(fā)明的燃壓雙向氣缸組對置安裝及四行程工作原理示意圖；圖2是本發(fā)明的燃壓雙向氣缸組的內部結構示意圖；圖3是本發(fā)明的多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術的結構原理示意圖；圖4是本發(fā)明的多缸聯(lián)動復合內燃機結構原理示意圖；圖5是本發(fā)明的多缸聯(lián)動復合內燃機結構布局簡圖；圖中的符號含義是-丄--------------------工質過濾器；3---------------------級雙向預壓縮氣缸組；4A、 4B----------------級雙向預壓縮氣缸組壓氣室；5A、 5B----------------級雙向預壓縮氣缸組壓氣室排氣門;6----------------------級預壓中冷室；7A、 7B---------------二級雙向預壓縮氣缸組壓氣室進氣門;8--------------------二級雙向預壓縮氣缸組；9A、 9B---------------二級雙向預壓縮氣缸組壓氣室；IOA、 10B-------------二級雙向預壓縮氣缸組壓氣室排氣門;11-------------------二級預壓中冷室；12-------------------導管；13A、 13B、 13C、 13D-—燃壓雙向氣缸組壓氣室進氣門；14A、 14B、 14C、 14D、 30A、 30B、 30C、 30D-—燃壓雙向氣缸組；15A、 15B、 15C、 15D-—燃壓雙向氣缸組壓氣室；16A、 16B、 16C、 16D、 31A、 31B、 31C、 31D—燃壓雙向氣缸組燃氣室;17A、 17B、 17C、 17D-—燃壓雙向氣缸組壓氣室排氣門；18-------------------燃氣中冷室；19A、 19B、 19C、 19D-—燃壓雙向氣缸組燃氣室進氣門； 20A、 20B、 20C、 20D—-燃壓雙向氣缸組燃氣室排氣門;21-------------------動力渦輪組；22-------------------多缸聯(lián)動復合內燃機排氣口；23-------------;------聯(lián)動活塞；24-------------------連桿；25-------------------曲柄；26-------------------聯(lián)動桿；27-------------------活塞桿；28-------------------活塞；29-------------------葉輪壓氣機；30-------------------燃壓雙向氣缸體；301------------------燃壓雙向氣缸組的氣缸蓋；302------------------燃壓雙向氣缸組的氣缸座；
具體實施例方式下面以具體實施例對本發(fā)明作進一步描述參見圖1一5:多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術，其特征在于用同一根 聯(lián)動桿26同時固定連接四個或四個以上的參與聯(lián)動的燃壓雙向氣缸組14A、 14B、 14C、 14D、 30A、 30B、 30C、 30D和雙向預壓縮氣缸組3、8之活塞桿27及活塞28。使聯(lián)動桿能帶動所有參與聯(lián)動的活塞28同 時向同一方向運動，并同時到達參與聯(lián)動的所有的氣缸組3、 8、 14A、 14B、 14C、 14D、 30A、 30B、 30C、 30D的上止點或下止點或上下止點 間的任 一 點的相同的行程位置。上述的所有的氣缸組3、 8、 14A、 14B、 14C、 14D、 30A、 30B、 3 0C、 30D的工作行程相等，各氣缸組3、 8、 14A、 14B、 14C、 14D、 30 A、 30B、 30C、 30D需要作缸體軸線相互平行的空間固定。上述的燃壓雙向氣缸組14A、 14B、 14C、 14D、 30A、 30B、 30C、 3 OD為分別具有兩個端蓋的封閉的氣缸體，氣缸體的一個端蓋采用的是 四行程內燃機用的氣缸蓋及其組件，氣缸體的另一個端蓋采用的是二 行程雙向壓縮機用的氣缸座及其組件，使活塞兩端分別形成一個四行 程內燃機熱力循環(huán)的燃氣室16A、 16B、 16C、 16D、 31A、 31B、 31C、 3 1D和一個二行程壓縮機泵氣工作循環(huán)的壓氣室15A、 15B、 15C、 15D。上述的參與聯(lián)動的所有的燃壓雙向氣缸組的活塞桿27的一端在壓氣室內與活塞28連接，所有的活塞桿的另一端與氣缸體外的聯(lián)動桿連接，所有的活塞、活塞桿與聯(lián)動桿固化為一體，所述的活塞桿為 帶十字頭的活塞桿?？稍谏鲜龅乃械娜級弘p向氣缸組的壓氣室內設置活塞潤滑系統(tǒng)。上述的所有執(zhí)行作功行程的燃氣室16B、 31B與執(zhí)行排氣行程的 燃氣室16A、 31A安裝方向相反，以保證強制排氣過程的功由工質膨 脹功直接傳遞或由工質膨脹功經保守力轉化而來(參見圖l)。上述的所有的燃壓雙向氣缸組之進氣行程與作功行程的燃氣室1 6D、 31D與16B、 31B安裝方向相同，壓縮行程與排氣行程的燃氣室1 16C、 31C與6A、 31A安裝方向相同(參見圖l)。一種用多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術制作的多缸聯(lián)動復合內燃機， 其特征在于外界工質經工質過濾器1到達初級雙向預壓縮氣缸組3之 壓氣室4A、 4B的進氣門2A、 2B，所有雙向預壓縮氣缸組3、 8之壓 氣室4A、 4B、 9A、 9B之排氣門5A、 5B、 IOA、 IOB與同級預壓縮預 壓中冷室6、 ll相通，各級雙向預壓縮氣缸組3、 8之壓氣室9A、 9B 的進氣門7A、 7B與上一級預壓縮預壓中冷室6相通，末級預壓縮預 壓中冷室11與所有燃壓雙向氣缸組14A、 14B、 14C、 14D、 30A、 30B、 30C、 30D之壓氣室15A、 15B、 15C、 15D的進氣門13A、 13B、 13C、 1 3D相通，所有的燃壓雙向氣缸組之壓氣室14A、 14B、 14C、 14D、 30A、 30B、 30C、 30D的排氣門17A、 17B、 17C、 17D與燃氣中冷室18相通， 燃氣中冷室18與所有的燃壓雙向氣缸組14A、 14B、 14C、 14D、 30A、 30B、 30C、 30D之燃氣室16A、 16B、 16C、 16D、 31A、 31B、 31C、 31D的進氣門19A、 19B、 19C、 19D相通，所有的燃壓雙向氣缸組14A、 1 4B、 14C、 14D、 30A、 30B、 30C、 30D之燃氣室16A、 16B、 16C、 16D、 31A、 31B、 31C、 31D的排氣門20A、 20B、 20C、 20D與動力渦輪組21 的進氣口相通，聯(lián)動活塞23的往復運動帶動連桿24、曲柄25輸出內 燃機主軸功和強制燃壓雙向氣缸組14A、 14B、 14C、 14D、 30A、 30B、 30C、 30D之燃氣室16A、 16B、 16C、 16D、 31A、 31B、 31C、 31D內具 有高溫高壓的燃氣導入動力渦輪組21中作功。上述的聯(lián)動活塞23的往復運動僅帶動連桿24、曲柄25輸出內燃 機主軸功，而燃氣室16A、 16B、 16C、 16D、 31A、 31B、 31C、 31D內 的燃氣作為廢氣直接排往大氣。上述的聯(lián)動活塞23的往復運動強制燃壓雙向氣缸組14A、 14B、 1 4C、 14D、 30A、 30B、 30C、 30D之燃氣室16A、 16B、 16C、 16D、 31A、 31B、 31C、 31D內具有高溫高壓的燃氣導入動力渦輪組21中作功，而 不用帶動連桿24、曲柄25輸出內燃機主軸功。圖2和圖3中的燃壓雙向氣缸組30A、 30B、 30C、 30D與燃壓雙 向氣缸組14A、 14B、 14C、 14D的結構相同、對置安裝，用以增加內 燃機的作功能力和平衡作功時對聯(lián)動活塞23造成的扭矩。多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術，可用于制造各種類型的汽油機、柴 油機等。汽油機與柴油機的區(qū)別之一在于噴油點火的方式及結構有所 不同，這早為公眾所知，當然，也可以用于制造用天燃氣或其它燃料 用于燃燒作功的發(fā)動機。機械結構本發(fā)明的核心是燃氣發(fā)生器，燃氣發(fā)生器的主體是燃 壓雙向氣缸組14A、 14B、 14C、 14D、 30A、 30B、 30C、 30D，活塞28 將燃壓雙向氣缸組14A、 14B、 14C、 14D、 30A、 30B、 30C、 30D分別分割成燃氣室16A、 16B、 16C、 16D、 31A、 31B、 31C、 31D和壓氣室1 5A、 15B、 15C、 15D。燃壓雙向氣缸組30A、 30B、 30C、 30D上的壓氣 室、氣缸座及其組件在圖中均未標出，燃氣室的氣缸蓋按四行程內燃 機的氣缸蓋方式配置，壓氣室的氣缸座按二行程雙向氣缸式壓縮機的 氣缸座方式配置，缸體和活塞的潤滑可在壓氣室中安排，八組(或十 六組)完全相同的燃壓雙向氣缸組以對置特征安裝，應用氣缸聯(lián)動技 術，將各氣缸內的活塞用聯(lián)動桿26和活塞桿27剛性固化成為一體， 連桿24與曲柄25按帶十字頭型的普通內燃機的曲柄連桿系統(tǒng)的布置 方式連接在聯(lián)動活塞23的下方，燃氣中冷室18通過導管與燃壓雙向 氣缸組壓氣室的排氣門17A、 17B、 17C、 17D和燃壓雙向氣缸組燃氣 室的進氣門19A、 19B、 19C、 19D連通，以上構成本發(fā)明的燃氣發(fā)生 器；構成工質預壓機的一級氣泵的雙向預壓縮氣缸組3及預壓中冷室 6和二級氣泵的雙向預壓縮氣缸組8及預壓中冷室11按成熟的容積式 二行程雙向氣體壓縮機技術配置， 一級雙向預壓縮氣缸組壓氣室4A、 4B的進氣門2A、 2B連通進氣用的工質過濾器l，二級預壓中冷室11 經過導管12連通燃壓雙向氣缸組壓氣室進氣門13A、 13B、 13C、 13D， 一級預壓中冷室6連通一級雙向預壓縮氣缸組的排氣門5A、 5B和二 級雙向預壓縮氣缸組的進氣門7A、 7B， 二級雙向預壓縮氣缸組的排氣 門IOA、 IOB接通二級預壓中冷室11，按照容積式氣體壓縮機的多級 配合原則，二級雙向預壓縮氣缸組的壓氣室9A、 9B內完成預定壓縮 比時的工質體積必需等于燃壓雙向氣缸組壓氣室15A、 15B、 15C、 15 D容積的2倍，而一級雙向預壓縮氣缸組壓氣室4A、 4B中完成預定壓 縮比時的工質體積必需等于二級壓氣室9A、 9B的容積，動力渦輪組2 1按燃氣渦輪機的低壓渦輪組配置，其進口接通燃壓雙向氣缸組燃氣室排氣門20A、 20B、 20C、 20D，而出口連通多缸聯(lián)動復合內燃機的排 氣口 22。工質流程(主要參見圖4):外界工質伴隨著聯(lián)動活塞23的上下 運動，依次在本發(fā)明的設備中進入、通過并流出。聯(lián)動活塞23下行 時 一級壓氣室的進氣門2A打開，外界工質由工質過濾器1進入一級 壓氣室4A，而原先由工質過濾器1進入一級壓氣室4B中的工質將被 壓縮，并在達到預定壓縮比時打開一級壓氣室4B的排氣門5B，將工 質泵入一級預壓中冷室6;同理，二級壓氣室9A的進氣門7A打開， 工質由一級預壓中冷室6進入二級壓氣室9A， 二級壓氣室9B中的工 質將被壓縮并達到預定壓縮比時，打開二級壓氣室的排氣門IOB泵入 二級預壓中冷室11;工質預壓機預壓后的工質由二級預壓中冷室11 經導管12進入燃氣發(fā)生器，在聯(lián)動活塞23下行過程中，燃壓雙向氣 缸組壓氣室進氣門13A、 13C打開，工質由二級預壓中冷室11經導管 12進入燃壓雙向氣缸組壓氣室15A、 15C，原先存在于燃壓雙向氣缸 組壓氣室15B、 15D中的工質將被壓縮，并在合適的時機(大約二分 之一壓縮比)打開燃壓雙向氣缸組壓氣室的排氣門17B、 17D泵入燃 氣中冷室18，至此，工質預壓中冷過程結束。聯(lián)動活塞23上行過程 則與之相反進氣門2B、 7B、 13B、 13D打開，壓氣室4B、 9B和壓氣 室15B、 15D充入工質，排氣門5A、 IOA、 17A、 17C打開，壓氣室4A、 9A和壓氣室15A、 15C的工質泵入預壓中冷室6、 11、 18。由于燃壓 雙向氣缸組燃氣室16A、 16B、 16C、 16D執(zhí)行內燃機四行程循環(huán)，進 出燃壓雙向氣缸組燃氣室16A、 16B、 16C、 16D的工質必須用行程一、 二、三、四來解說，其中，行程一和行程三為下行行程，行程二和行 程四為上行行程。行程一過程中燃壓雙向氣缸組燃氣室的進氣門19D打開，工質由燃氣中冷室18充入燃壓雙向氣缸組燃氣室16D,燃 壓雙向氣缸組燃氣室排氣門20A打開，工質由燃壓雙向氣缸組燃氣室 16A壓入動力渦輪組21，行程開始后，燃壓雙向氣缸組燃氣室16B的 工質和燃料開始加熱過程，整個聯(lián)動活塞23下行行程過程中都執(zhí)行 燃壓雙向氣缸組燃氣室16D進氣，燃氣室16C壓縮，燃氣室16B作功， 燃氣室16A排氣的行程過程；行程二同理打開燃壓雙向氣缸組燃氣 室的進氣門19A和燃壓雙向氣缸組燃氣室排氣門20B，在整個聯(lián)動活 塞23上行行程過程中都執(zhí)行燃壓雙向氣缸組燃氣室16A進氣，燃氣 室16D壓縮，燃氣室16C作功，燃氣室16B排氣的行程過程；行程三 同樣打開燃壓雙向氣缸組燃氣室進氣門19B和燃壓雙向氣缸組燃氣 室排氣門20C，在整個聯(lián)動活塞23下行行程過程中都執(zhí)行燃壓雙向氣 缸組燃氣室16B進氣，燃氣室16A壓縮，燃氣室16D作功，燃氣室1 6C排氣的行程過程；行程四照例打開燃壓雙向氣缸組燃氣室進氣門 19C和燃壓雙向氣缸組燃氣室排氣門20D，在整個聯(lián)動活塞23上行行 程過程中都執(zhí)行燃壓雙向氣缸組燃氣室16C進氣，燃氣室16B壓縮， 燃氣室16A作功，燃氣室16D排氣的行程過程，四類行程過程中，每 類行程過程都各自有且只有一個燃壓雙向氣缸組燃氣室在執(zhí)行進氣、 壓縮、作功和排氣這四個行程過程，只是分處的部位因各類行程不同 時會有循環(huán)變化而已，因為聯(lián)動活塞23是同軸固化的，所以，本發(fā) 明的燃壓雙向氣缸組的對置安裝特征是可行的，其作用結果就是本發(fā) 明的所有行程在聯(lián)動活塞23運動方向上只體現唯一的綜合行程效果， 工質到達動力渦輪組21，脈動式的行程循環(huán)部分全部結束。上述工質 流程過程中，只要燃壓雙向氣缸組燃氣室16A、 16B、 16C、 16D的排 氣管路全部匯聚到動力渦輪組21的同一進氣口上，那么在高壓強制排氣特征的效果下，本發(fā)明的內燃機的轉速穩(wěn)定時，在動力渦輪組2 1中可呈現穩(wěn)定的葉輪機械的工質連續(xù)循環(huán)特性，在經歷葉輪機械循 環(huán)后，工質將以接近外界氣壓的狀態(tài)由多缸聯(lián)動復合內燃機的排氣口 22回歸外界。能量流程(參見圖4):由于取消了能量回饋，以燃燒作為能量 來源，其執(zhí)行作功行程中，燃壓雙向氣缸組燃氣室成為唯一的能量流 出子系統(tǒng)(能量源系統(tǒng))，其它所有牽涉到能量流程的子系統(tǒng)如各氣缸 組、曲柄連桿、動力渦輪組等，甚至包括機件運動產生的損耗，都無 一例外的成為純能量消費(接受)單位；燃壓雙向氣缸組燃氣室執(zhí)行的是內燃機四行程循環(huán)，必然導致作功行程燃氣室無法連續(xù)固定在某組 燃壓雙向氣缸組上，但是根據氣缸聯(lián)動技術特征，氣缸組對置安裝特 征及聯(lián)動氣缸同軸安裝要求，依據行程循環(huán)輪流出現在不同燃壓雙向 氣缸組中的作功行程，并不影響由作功行程起始的聯(lián)動機能量流程， 因此，對本發(fā)明的能量循環(huán)流程來說，解釋單一行程與解釋多個配合 的行程并無差異，或者說，多缸聯(lián)動復合內燃機的任意行程的能量流 程都可以代表所有循環(huán)行程的能量流程。首先從能量源----當時執(zhí)行作功行程的燃壓雙向氣缸組燃氣室16B說起，行程啟動時，聯(lián)動活塞23開始下移，作功行程燃氣室16B 中的工質開始受熱膨脹(燃燒膨脹)，正常情況下，不管工質是在前期 的受熱膨脹還是后期的絕熱膨脹，隨著行程的進行，工質壓強總體逐 步下降的，相反的是，在執(zhí)行壓縮行程的燃壓雙向氣缸組燃氣室16C 中的工質隨著行程的進行，其壓強呈現逐步上升趨勢，作功行程燃氣 室與壓縮行程燃氣室主導著整機的能量流程，其工質狀態(tài)基本決定了 聯(lián)動活塞23的移動規(guī)律，燃壓雙向氣缸組燃氣室16D執(zhí)行進氣行程，其工質壓強略低于燃氣中冷室18內的壓強，燃壓雙向氣缸組燃氣室16A執(zhí)行排氣行程，其工質壓強略高于動力渦輪組21的進口壓強，燃 壓雙向氣缸組壓氣室15A、 15C執(zhí)行進氣行程，其工質壓強略低于雙 向預壓縮氣缸組二級預壓中冷室11內的壓強，雙向預壓縮氣缸組二級 壓氣室9A執(zhí)行進氣行程，其工質壓強略低于雙向預壓縮氣缸組一級 預壓中冷室6內的壓強，雙向預壓縮氣缸組一級壓氣室4A執(zhí)行進氣 行程，其工質壓強略低于外界氣壓，以上的工質壓強基本不隨行程的 進度而改變。雙向預壓縮氣缸組一級壓氣室4B的最終工質壓強略高 于雙向預壓縮氣缸組一級預壓中冷室6內的壓強，雙向預壓縮氣缸組 二級壓氣室9B的最終工質的壓強略高于雙向預壓縮氣缸組二級預壓 中冷室11內的壓強，燃壓雙向氣缸組壓氣室15B、 15D的最終工質壓 強略高于燃氣中冷室18內的壓強，以上行程都是泵氣行程，其前期 工質壓強呈現規(guī)律上升，在達到預定壓縮比時，隨著排氣門的打開， 工質壓強就基本保持不變了。很顯然，只有通過活塞聯(lián)動桿，本發(fā)明 的各個系統(tǒng)才能達成能量流動，聯(lián)動活塞23的移動決定著本發(fā)明的 能量流程，綜上所述，只有作功行程燃氣室在推進聯(lián)動活塞23運動， 其它系統(tǒng)包括尚未述及的曲柄連桿系統(tǒng)和動力渦輪組都在消耗聯(lián)動 活塞23的運動能量，因此，在行程起始，作功行程燃氣室16B的工 質壓強本來就是壓縮行程終了時的壓強，再加上其工質為受熱膨脹狀 態(tài)，而其它氣缸中的工質基本處于相對低壓狀態(tài)，尤其是壓縮行程燃 氣室16C中，其工質剛由進氣狀態(tài)開始壓縮，所以在行程前期，聯(lián)動 活塞23處于加速狀態(tài)，作功行程燃氣室16B輸出的能量除了各個系 統(tǒng)的直接消費外，大部分用于轉化為活塞聯(lián)動桿動能，隨著行程的繼 續(xù)，特別是作功行程燃氣室16B的工質由受熱膨脹狀態(tài)轉向絕熱膨脹 狀態(tài)，其工質壓強急劇降低，相反，隨著行程的進度，各泵氣行程系統(tǒng)的工質壓強逐步上升，并相繼進入持續(xù)高壓的排氣期，特別是壓縮 行程燃氣室16C隨著壓縮的進度，其工質壓強將迅速增高，因此，在行程中期，聯(lián)動活塞23的加速度將逐步降低并最終消失，作功行程 燃氣室16B輸出的能量大部分消耗于各個系統(tǒng)需求，只有小部分用于轉化為聯(lián)動活塞23動能；進入行程后期，雖然其它氣缸系統(tǒng)都進入壓強穩(wěn)定期，但壓縮行程燃氣室16C的工質壓強在行程后期急劇增高 并遠超出其它氣缸系統(tǒng)，而此時作功行程燃氣室16B的工質壓強已經 非常低，對聯(lián)動活塞23的推動效果極其微弱了。很顯然，相對于其 它能量流程系統(tǒng)，多缸聯(lián)動復合內燃機的大部分能量轉換集中在作功 行程中的燃氣室工質到聯(lián)動活塞23動能到壓縮行程燃氣室的工質， 這基本上與四行程內燃機的作功行程到慣性輪動能到壓縮行程類似， 主要差別在于本發(fā)明不再需要曲柄連桿系統(tǒng)作中間環(huán)節(jié)。非常幸運， 由于慣性的存在，形成聯(lián)動活塞23極大的加速度到微小的加速度到 極大的負加速度并最終停止的拋物線運動規(guī)律與曲柄連桿系統(tǒng)的正 弦運動規(guī)律很接近，因此本發(fā)明在穩(wěn)定循環(huán)時，其曲柄的轉速將相當 均勻。本發(fā)明的各氣缸組通過聯(lián)動活塞23完成內部能量循環(huán)，而聯(lián) 動活塞23通過曲柄連桿系統(tǒng)直接輸出功及通過推進強制排氣過程推 動動力渦輪組作功來完成外部能量循環(huán)。
權利要求
1、多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術，其特征在于用同一根聯(lián)動桿同時連接四個或四個以上的參與聯(lián)動的燃壓雙向氣缸組和雙向預壓縮氣缸組之活塞桿及活塞，使聯(lián)動桿能帶動所有參與聯(lián)動的活塞同時向同一方向運動，并同時到達參與聯(lián)動的所有的氣缸組的上止點或下止點或上下止點間的任一點的相同的行程位置。
2、 根據權利要求1所述的多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術，其特征在于所述的所有的氣缸組的工作行程相等，各氣缸組需要作缸體軸線 相互平行的空間固定。
3、 根據權利要求1所述的多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術，其特征 在于所述的燃壓雙向氣缸組為具有兩個端蓋的封閉的氣缸體，氣缸體 的一個端蓋采用的是四行程內燃機用的氣缸蓋及其組件，氣缸體的另 一個端蓋采用的是二行程雙向壓縮機用的氣缸座及其組件，使活塞兩 端分別形成一個四行程內燃機熱力循環(huán)的燃氣室和一個二行程壓縮 機泵氣工作循環(huán)的壓氣室。
4、 根據權利要求1所述的多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術，其特征 在于所述的參與聯(lián)動的所有的氣缸組的活塞桿的一端在壓氣室內與 活塞連接，所有的活塞桿的另一端與氣缸體外的聯(lián)動桿連接，所有的 活塞、活塞桿與聯(lián)動桿固化為一體，所述的活塞桿為帶十字頭的活塞 桿。
5、 根據權利要求1所述的多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術，其特征 在于可在所述的燃壓雙向氣缸組的壓氣室內設置活塞潤滑系統(tǒng)。
6、 根據權利要求1所述的多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術，其特征 在于所述的所有執(zhí)行作功行程的燃氣室與執(zhí)行排氣行程的燃氣室安 裝方向相反，以保證強制排氣過程的功由工質膨脹功直接傳遞或由工質膨脹功經保守力轉化而來。
7、 根據權利要求1所述的多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術，其特征 在于使所述的所有的燃壓雙向氣缸組之進氣行程與作功行程的燃氣 室安裝方向相同，壓縮行程與排氣行程的燃氣室安裝方向相同。
8、 一種用根據權利要求1所述的多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術制作的多缸聯(lián)動復合內燃機，其特征在于外界工質經工質過濾器到達初 級雙向預壓縮氣缸組之壓氣室的進氣門，所有雙向預壓縮氣缸組之壓 氣室的排氣門與同級預壓縮中冷室相通，各級雙向預壓縮氣缸組之壓 氣室的進氣門與上一級預壓縮中冷室相通，末級預壓縮中冷室與所有 燃壓雙向氣缸組之壓氣室的進氣門相通，所有的燃壓雙向氣缸組之壓 氣室的排氣門與燃氣中冷室相通，燃氣中冷室與所有的燃壓雙向氣缸 組之燃氣室的進氣門相通，所有的燃壓雙向氣缸組之燃氣室的排氣門 與動力渦輪組的進氣口相通，活塞聯(lián)動桿的往復運動帶動連桿驅動曲 柄旋轉以輸出內燃機主軸功并強制燃壓雙向氣缸組之燃氣室內具有 高溫高壓的燃氣導入動力渦輪中作功。
9、 根據權利要求8所述的用多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術制作的 多缸聯(lián)動復合內燃機，其特征在于所述的活塞聯(lián)動桿的往復運動僅帶 動連桿驅動曲柄旋轉以輸出內燃機主軸功，而燃氣室內的燃氣作為廢 氣直接排往大氣。
10、 根據權利要求8所述的用多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術制作的 多缸聯(lián)動復合內燃機，其特征在于所述的活塞聯(lián)動桿的往復運動強制 燃壓雙向氣缸組之燃氣室內具有高溫高壓的燃氣導入動力渦輪中作 功，而不用帶動連桿驅動曲柄旋轉以輸出內燃機主軸功。
全文摘要
本發(fā)明涉及內燃機設備技術領域，即多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術，其特征在于用同一根聯(lián)動桿同時固定連接四個或四個以上的參與聯(lián)動的燃壓雙向氣缸組和雙向預壓縮氣缸組之活塞桿及活塞，使聯(lián)動桿能帶動所有參與聯(lián)動的活塞同時向同一方向運動，并同時到達參與聯(lián)動的所有的氣缸組的上止點或下止點或上下止點間的任一點的相同的行程位置，利用多缸內燃機的氣缸聯(lián)動技術結合多級預壓縮、多級中冷及動力渦輪組結構，可用于制作多缸聯(lián)動復合內燃機，該原理可用于制造汽油、柴油或天然氣等各種類型的內燃機。
文檔編號F02B33/02GK101225765SQ20081005969
公開日2008年7月23日 申請日期2008年2月3日 優(yōu)先權日2008年2月3日
發(fā)明者謝凌輝, 謝聲利 申請人:謝聲利