專利名稱：一種變?nèi)莅l(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃發(fā)動機領(lǐng)域，特別是四沖程點燃式(如汽油)發(fā)動機，也適用于柴油或二沖程發(fā)動機。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃發(fā)動機特別是四沖程汽油發(fā)動機(包括類似工作的其他燃料)是當(dāng)今最重要的一種動力源，特別是輕型汽車廣泛使用的一種發(fā)動機。
經(jīng)過一百多年的發(fā)展，目前四沖程汽油發(fā)動機已日趨完善，新技術(shù)不斷出現(xiàn)，其應(yīng)用也日見廣泛。但至今為止所有發(fā)動機均可稱為定容發(fā)動機，即其四個沖程的行程容積是完全相同的，這就使這類發(fā)動機一些固有的矛盾無法徹底解決。
一.壓縮比和廢氣殘留量為避免汽油混合氣體發(fā)生爆燃現(xiàn)象，目前的壓縮比控制在8～11，即是在活塞頂部的燃燒空間容積約為汽缸總?cè)莘e的1/10左右，而此正是排氣行程終點后的廢氣殘留容積。但進(jìn)氣終點時的氣壓為Pa＝0.07～0.09MP，溫度Ta＝400°K左右；而排氣終點氣壓Pb＝1.1MP左右，溫度Tb＝1000°K左右；因而殘氣量比K＝0.07左右。減小K值對提高發(fā)動機功率，效率，減少排放污染均有積極意義。采用增壓技術(shù)可以提高K值，但增壓系統(tǒng)復(fù)雜并顯著增加發(fā)動機制造成本。
二.提高作功行程的最高燃?xì)鈮簆m與平順性、效率的矛盾圖1是四沖程汽油發(fā)動機的示功圖，但發(fā)動機是以曲柄轉(zhuǎn)矩輸出而作功的，因而轉(zhuǎn)矩—容積曲線(M-V)較之氣壓—容積曲線(P-V)更能準(zhǔn)確地表示發(fā)動機的示功圖。圖2是曲柄—連桿機構(gòu)受力分析圖當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)過α角時的轉(zhuǎn)矩M＝F*R(sinα+cosα*tanβ)(當(dāng)α角較小時，M＝F*Rsinα＝F*R′)式中F-燃?xì)鈱钊目偼屏?，F(xiàn)＝P*S；p-氣缸內(nèi)的氣壓；S-活塞頂面積；R-曲柄半徑；
R′-當(dāng)量半徑；R′＝Rsinαβ＝sin(Rsinα/L)根據(jù)上述公式，我們概略地計算出轉(zhuǎn)矩—容積曲線，如圖1中曲線(M-V)所示，顯然M-V曲線所圍成的面積能更準(zhǔn)確地表示整個工作循環(huán)中單個氣缸所作的功。
一般(定容)發(fā)動機要求氣缸內(nèi)的最大燃?xì)鈮毫m出現(xiàn)在曲柄轉(zhuǎn)角α＝12～15°范圍(圖1中的d點處)，此時對應(yīng)的M≈Fm*R′＝Pm*S*R′ {當(dāng)量半徑R′＝Rsinα＝(0.2～0.26)R｝{注當(dāng)α較小時，此式的近似程度較高}，而并非最大輸出力矩Mm，，即Pm產(chǎn)生的壓力幾乎絕大部分為發(fā)動機結(jié)構(gòu)(活塞肖、連桿、曲軸、軸頸、機體)所承受，由于壓力P的升速很快，因而對機件的沖擊作用也較明顯，這就要求用足夠強的結(jié)構(gòu)來承受，從而使發(fā)動機的進(jìn)步輕量化受到限制。
從圖1可以看出一般(定容)發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩曲線的峰值Mm并不與氣缸內(nèi)的最大燃?xì)鈿鈮悍逯礟m重合，這表明一般發(fā)動機的氣壓—容積曲線(P-V曲線)并不是發(fā)動機作功的的最佳曲線。
三.活塞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件惡劣，工作壽命短目前所有發(fā)動機中活塞的工作條件是極其惡劣的。在每1工作循環(huán)中要承受1次高溫、高壓燃?xì)獾淖饔?。既要將燃?xì)鈮毫鬟f給曲柄作功又要實現(xiàn)汽缸的密封，并要求慣性力小，這些相互關(guān)聯(lián)的要求使活塞幾乎毫無例外的采用輕金屬材料(如鋁合金)制造，在高溫、高壓作用下變形量也較大；由于活塞肖的支撐結(jié)構(gòu)使活塞質(zhì)量分布很不均勻，從而加重了溫差引起的變形。為減小其影響只能使活塞的形狀變得很復(fù)雜，因而加工難度也大。此外連桿—曲柄機構(gòu)使活塞在作功及壓縮時存在一種相反的側(cè)向分力，使活塞壓向缸壁，從而使活塞的產(chǎn)生不均勻磨損，從而進(jìn)一步影響了活塞的使用壽命。
以上這些問題雖然多年來汽車界從未停止過改進(jìn)步伐，從結(jié)構(gòu)、材料、加工等方面進(jìn)行了許多研究，但上述問題并未徹底解決或基本解決。

發(fā)明內(nèi)容
為此本發(fā)明公開一種新的變?nèi)莅l(fā)動機設(shè)計，較好的解決上述問題。本發(fā)明的目的是這樣來實現(xiàn)的一種變?nèi)莅l(fā)動機，由汽缸、汽缸蓋及其上的進(jìn)排氣機構(gòu)、火花塞、活塞、連桿、曲軸等組成，其與一般定容發(fā)動機的最大不同在于其活塞由外活塞及內(nèi)活塞組成，外活塞上安裝有活塞環(huán)；內(nèi)活塞中帶有活塞肖孔，活塞肖及與其相配合的連桿；外活塞內(nèi)孔直徑略大于內(nèi)活塞外圓直徑，即內(nèi)活塞滑動地套裝在外活塞中；外活塞頂面內(nèi)壁用彈性元件支撐在內(nèi)活塞上，即在自由狀態(tài)下外活塞頂面內(nèi)壁與內(nèi)活塞頂部間有一可壓縮空間。
在外活塞內(nèi)孔下端制有環(huán)槽，槽內(nèi)裝有彈性卡環(huán)，卡環(huán)內(nèi)圓直徑小于內(nèi)活塞外圓直徑，從而使內(nèi)活塞不能從外活塞內(nèi)孔中脫出。
所述彈性元件可以是一個或多個螺旋彈簧、蝶形彈簧、錐形彈簧或不等距彈簧，也可以是不少于兩個相互套合的彈簧組，其中內(nèi)短彈簧的剛度大于外長彈簧的剛度。(外)彈簧高度大于內(nèi)、外活塞裝配后的可移動(壓縮)空間高度，以使活塞組裝配后在內(nèi)、外活塞、彈簧、彈性卡環(huán)之間不存在自由間隙。
外活塞上無活塞肖孔，其形狀呈徑向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，消除了因質(zhì)量分布不均引起的溫度變形，這使其內(nèi)、外表面都可以是正圓形，從而省去了復(fù)雜的橢圓面加工。為使從連桿小頭油孔噴出的冷卻潤滑油能充分冷卻外活塞，在其頂面內(nèi)壁中央有突起的分流錐體及相連的導(dǎo)流弧面。
由于內(nèi)活塞不接觸燃?xì)猓蚨漤斆婵梢允遣环忾]的，這使內(nèi)活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以充分考慮結(jié)構(gòu)剛度及加工的工藝性，在其上的兩活塞肖孔座側(cè)面之間及側(cè)面與內(nèi)活塞內(nèi)孔壁之間均有筋板連接，從而顯著地降低了內(nèi)活塞的受力變形。由于內(nèi)活塞不接觸高溫燃?xì)?，且有冷卻潤滑油的充分冷卻，因而內(nèi)活塞溫升不高，從而可使其上的活塞肖孔直徑略小于活塞肖直徑，即活塞肖孔與活塞肖實現(xiàn)緊配合，避免了活塞肖孔的磨損，延長了活塞的使用壽命。
為了使外活塞上的油環(huán)刮下的潤滑油有回流通道，在內(nèi)活塞外圓面上部制有導(dǎo)油槽，在導(dǎo)油槽下部制有與內(nèi)活塞內(nèi)孔相通的回油孔。
為了保證彈簧在活塞往復(fù)運動時的穩(wěn)定性，在內(nèi)活塞頂板上制有彈簧定位孔，并在孔的底部或側(cè)壁上制有冷卻潤滑油的回流孔，以使從連桿小頭油孔噴出的冷卻潤滑油能順暢地流回油池。
可以看出本變?nèi)莅l(fā)動機的彈性支撐雙活塞結(jié)構(gòu)(設(shè)計合適的彈簧剛度值)使外活塞頂面與氣缸蓋之間的空間即行程容積將隨各工作行程條件而變
1)在壓縮行程上止點位置，由于混合氣體的壓力使外活塞壓縮彈簧，則使外活塞頂面與氣缸蓋之間的空間，滿足所設(shè)定壓縮比的燃燒條件(壓力P、溫度T)要求，這是本變?nèi)莅l(fā)動機的基礎(chǔ)設(shè)計之一。(如設(shè)定的壓縮比ε＝10，此時氣缸內(nèi)的壓力約為1MP左右，燃燒室容積約為汽缸總?cè)莘e的十分之一)；2)在排氣行程終點，氣缸內(nèi)的壓力約為0.1MP左右，在彈簧力及慣性力作用下外活塞遠(yuǎn)離內(nèi)活塞，使外活塞頂面與氣缸蓋之間的廢氣殘留空間變得很小，從而使廢氣殘留量明顯減少；3)在進(jìn)氣行程中，由于其起始點(上止點)處，外活塞位于氣缸內(nèi)最高位置，而在終點(下止點)處，此時內(nèi)活塞停止運動，但外活塞在慣性力作用下繼續(xù)下移，從而有效地擴大了進(jìn)氣容積。
4)在作功行程中，當(dāng)混合氣體點燃，氣體壓力急劇上升時，外活塞在此壓力作用下克服彈簧(高剛度區(qū))繼續(xù)少量下移，擴大了燃燒室容積，從而減緩了燃燒速度，即減慢了氣體壓力上升速度，并使燃?xì)鈮毫η€峰值右移，如前所述，則可增加輸出力矩，即增加了有效功率輸出，并改善了發(fā)動機各結(jié)構(gòu)部件的受力狀態(tài)。


圖1發(fā)動機示功圖；圖2連桿—曲柄機構(gòu)受力分析3本變?nèi)莅l(fā)動機活塞結(jié)構(gòu)示意圖(左邊是本活塞結(jié)構(gòu)的正視圖，右邊是本活塞結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖)圖4本變?nèi)莅l(fā)動機的四個行程中容積變化示意5本變?nèi)莅l(fā)動機外活塞結(jié)構(gòu)示意6本變?nèi)莅l(fā)動機外活塞與氣門相對關(guān)系結(jié)構(gòu)示意7本變?nèi)莅l(fā)動機內(nèi)活塞結(jié)構(gòu)示意8本變?nèi)莅l(fā)動機活塞彈簧剛度及結(jié)構(gòu)示意例說明1.外活塞101.頂面 102.氣環(huán)槽 103.油環(huán)槽 104.頭部外圓面105.卡環(huán)槽 106.內(nèi)頂面 107內(nèi)圓面 108 分流錐體109.導(dǎo)流弧面 110.裙部外圓面 111.避閥坑112.減重槽 113.回流孔2.內(nèi)活塞21.上表面 22.彈簧安裝孔 23.回流孔24.活塞肖孔座 25.外圓面 26.底面 27.活塞肖孔28.肖孔端面 29.筋板 210.內(nèi)頂板 211.集油槽212.回油孔 213，減重槽3.彈簧4.連桿41.桿身 42.噴油道 43.連桿小頭44.小頭肖孔 45.噴油孔5.肖孔襯套51.環(huán)形油槽 52.油孔 53.襯套外圓面54.襯套內(nèi)圓面 55.襯套外端面6.活塞肖61.外圓面 62.內(nèi)孔7.卡環(huán)8.曲軸9.汽缸10.汽缸蓋11.排氣閥12.火花塞13.進(jìn)氣閥具體實施方案圖3所示是本發(fā)明“變?nèi)莅l(fā)動機”一種實施例示意圖，由圖可以看出變?nèi)莅l(fā)動機的活塞由外活塞1及內(nèi)活塞2及彈簧3組成。外活塞1頭部外圓面104有安裝的活塞氣環(huán)及油環(huán)的氣環(huán)槽102及油環(huán)槽103外活塞1內(nèi)孔107是圓柱形孔，其下端口處有一卡環(huán)槽105，槽105中安裝有卡環(huán)7，卡環(huán)7內(nèi)徑小于內(nèi)活塞2的外圓面25直徑。
內(nèi)活塞2滑動地安裝在外活塞內(nèi)孔107中，活塞2上加工有活塞肖孔座24，孔中緊配安裝有活塞肖6，活塞肖6穿套在連桿4小頭孔的軸承套5中，軸承套5壓配在連桿4小頭孔44中，軸承套5上有油槽51；連桿4小頭上部有出油孔43，內(nèi)活塞2的內(nèi)頂面210上有彈簧安裝孔22，以穩(wěn)定彈簧位置。外活塞頂表面101，可以是平面、凸面也可以是符合燃燒室要求的凹面形狀如碗形等。
該專利結(jié)構(gòu)給發(fā)動機帶來的最大變化是四個沖程容積不等，即將原本是定容發(fā)動機變成“變?nèi)莅l(fā)動機”，雖然內(nèi)活塞仍是按定容發(fā)動機特性工作，但由于外活塞1用彈簧3支撐在內(nèi)活塞2的上部，從而使汽缸容積和工作特性在四個行程中發(fā)生明顯的變化請參見圖4設(shè)計的出發(fā)點是保證作功行程(III行程)的初始狀態(tài)點燃被壓縮混合氣體所需的燃燒的溫度TC及壓力PC，即控制合適的壓縮比，其要點是彈簧剛度的控制，使發(fā)動機在壓縮行程(II行程)終點時(上止點)，外活塞頂部101與汽缸蓋10間形成的燃燒室容積VC符合設(shè)計的壓縮比要求。例如選取壓縮比ε＝10，在壓縮終點汽缸內(nèi)壓力Pc＝1MP左右，外活塞在壓力Pc作用下下移l2距離，使形成的燃燒室容積Vc約為汽缸9總?cè)莘eVo的1/10左右。(在本發(fā)明中汽缸總?cè)莘eVo定義為在壓縮行程下止點處，外活塞1頂面以上的汽缸容積。因為在此行程初始狀態(tài)時，內(nèi)活塞2位于下止點處，由于汽缸內(nèi)壓力P約等于大氣壓，因而外活塞1在彈簧3作用下處于自由狀態(tài)；此時汽缸容積與定容發(fā)動機基本相當(dāng))。
本專利結(jié)構(gòu)的變?nèi)莅l(fā)動機的壓縮比ε還受到外活塞1慣性力的影響。由于往復(fù)運動的活塞具有運動慣性，在發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下外活塞1的慣性力是不相同的，在低速時(如怠速狀態(tài))，由于活塞慣性力小，因慣性力引起的壓縮空間變化也較小，即壓縮比ε也略?。欢诟咚贂r由于外活塞1慣性力增大，則由此引起的附加壓縮量也略有增加，即增大了壓縮比，從而改善了高速時的燃燒條件，而這正是目前定容發(fā)動機努力解決的技術(shù)問題。
在排氣沖程(IV行程)，排氣閥11打開，高壓、高溫廢氣迅速外排；隨即活塞上移實現(xiàn)強排，這與定容發(fā)動機相同。但在排氣行程終點A4位置(內(nèi)活塞2位于上止點處)由于此時殘氣壓力Pr很低(略大于0.1MP)，在慣性力和彈簧力作用下外活塞1將繼續(xù)上移(與內(nèi)活塞2在軸向相距最遠(yuǎn))，使外活塞1與汽缸蓋10之間的殘留空間Vr最小。這表明本變?nèi)莅l(fā)動機在排氣終點其汽缸內(nèi)的廢氣殘留量遠(yuǎn)小于定容發(fā)動機的殘留量。
進(jìn)入吸氣沖程(I行程)時，進(jìn)氣閥13打開，在曲柄連桿的拉動下活塞下行，吸入新鮮混合氣，當(dāng)內(nèi)活塞2移至下止點B1時，外活塞1由于慣性力將壓縮彈簧3而繼續(xù)下移l1行程，則由于外活塞1慣性力引起的增容V1＝l1*S(S-外活塞1頂面積，近似等于汽缸9的截面積)而l1(V1)的大小正比于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速即低速時活塞往復(fù)速度小，即外活塞1慣性力小，l1(V1)也較??；高速時外活塞1慣性力大，因而l1(V1)也增大。即高速時進(jìn)氣容積大于低速時的進(jìn)氣容積，從而較好地補償了發(fā)動機高速時充氣不足的問題。例如設(shè)外活塞直徑D＝7cm，質(zhì)量m＝1kg，工作行程L0＝10cm，壓縮比ε＝10；當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速n＝3000rm時，可以計算出可以l1≈l2即V1≈VC；)。
可以看出該變?nèi)莅l(fā)動機有很高的充氣效率1)由于外活塞1在排氣行程終點時的慣性上移壓縮廢氣殘留空間，可以達(dá)到95％～98％的廢氣排放效率，因而廢氣殘留量大大低于定容發(fā)動機。
2)外活塞1在吸氣行程終點的慣性下移行程l1增加了汽缸的吸氣容積(V1)，即本變?nèi)莅l(fā)動機吸氣容積大于相同往復(fù)行程量的定容發(fā)動機?？梢钥闯霰咀?nèi)莅l(fā)動機的充氣效率η遠(yuǎn)大于定容發(fā)動機的0。7～0。8的數(shù)值，即本變?nèi)莅l(fā)動機具有自增壓作用。
另外由于高溫殘氣量大幅度減少，因而吸入的新鮮混合氣體的溫升也減小(進(jìn)氣終了溫度下降)，例如設(shè)廢氣排放效率為96％，即廢氣殘留量約為總進(jìn)氣量的二十五分之一(而定容發(fā)動機約為十分之一或更大)，則廢氣對新進(jìn)混合氣體的加熱作用明顯減小，計算表明進(jìn)氣終點的氣體溫度將下降30°～50°K，這給提高壓縮比ε創(chuàng)造了條件，即可以將壓縮比ε提高到12或更高，而不致引起爆然現(xiàn)象，從而提高了發(fā)動機效率；并由于廢氣量的減少，使燃燒條件得到改善，從而提高了輸出功率、轉(zhuǎn)矩，使變?nèi)莅l(fā)動機有很好的動力性，燃油經(jīng)濟(jì)性及更好的排放性能。
在壓縮行程(III行程)起始點(下止點)，由于缸內(nèi)氣壓約為0.1MP左右外活塞1在彈簧3作用下回復(fù)到自由位置，即處于壓縮行程開始的B2位置，由于此時進(jìn)、排氣閥門13、11均關(guān)閉，隨著內(nèi)活塞2上升，外活塞1逐漸壓縮混合氣體，缸內(nèi)壓力P上升；同時受P的作用，外活塞1也逐漸壓縮彈簧3。當(dāng)內(nèi)活塞2行至上止點A2位置時，此時燃燒室內(nèi)被壓縮的混合氣體的壓力P上升至發(fā)動機要求的初始燃燒條件(PC、TC)。在此壓強PC作用下，外活塞1壓縮彈簧3下移l2，形成必要的燃燒空間VC(彈簧的剛度設(shè)計可以滿足上述的要求)。但本發(fā)明的變?nèi)莅l(fā)動機在壓縮行程終點形成的燃燒空間VC并不是定值，除上述條件外，VC還受到外活塞1慣性影響在高速時，外活塞1慣性力大，造成的慣性壓縮量也增大，即在高速時燃燒空間VC將略有減小，即提高了壓縮比；相反低速時外活塞1慣性力小，燃燒空間VC將稍有增大，即壓縮比變小。而這正好滿足了發(fā)動機高、低速運行時對壓縮比變化的需要，實現(xiàn)了自變壓縮比的功能。
在作功行程(III行程)時，由于壓縮比控制在設(shè)定范圍內(nèi)，因而點燃壓縮混合氣的條件與定容發(fā)動機基本相同。但由于變?nèi)莅l(fā)動機充氣效率高，殘氣比低，因而燃燒條件更好。隨著氣缸內(nèi)壓力P3迅速上升，外活塞在P3作用下壓縮彈簧3而下移(如圖中l(wèi)3)，從而擴大了燃燒室空間，減緩了燃燒速度，降低了氣壓的上升速度，即略為降低了峰值氣壓Pm和峰值溫度Tm，并使變?nèi)莅l(fā)動機的峰值壓力Pm右移，如圖1中的P′-V′曲線。由于發(fā)動機輸出功率正比于轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)距M，而轉(zhuǎn)距M又正比例于氣體壓力P和曲軸有效半徑R′(R′＝Rsinα)，由于變?nèi)莅l(fā)動機的峰值壓力Pm右移，即P′-V′曲線右移，峰值壓力Pm對應(yīng)的轉(zhuǎn)角α較大，因而R′明顯增大，也就使變?nèi)莅l(fā)動機的輸出M增大，即變?nèi)莅l(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)距較大，在相同轉(zhuǎn)速下，輸出功率也越大，如變?nèi)莅l(fā)動機的轉(zhuǎn)距—容積曲線(M′-V′)所示(從能量守衡原理也能解釋這種變化)。這說明變?nèi)莅l(fā)動機有更好的容積效率，同時由于降低了缸內(nèi)氣壓P的上升速度和峰值壓力Pm，使發(fā)動機結(jié)構(gòu)(活塞、連桿、軸承、曲軸、機體等)受力情況有較大的改善，因而可以將這些受力另、部件結(jié)構(gòu)設(shè)計得更輕巧些，從而可減輕發(fā)動機的重量，有利于整車的油耗降低并使發(fā)動機運轉(zhuǎn)更為平穩(wěn)，其使用壽命更長。
為了不使燃燒條件變化過大，因而外活塞1在P3作用下位移量l3不能過大，即要求彈簧3此時的的剛度很高(在壓縮行程，外活塞1在P2作用下位移量l2時，要求彈簧3的剛度較低)，故本專利中彈簧3是采用變剛度彈簧(如組合彈簧、錐形彈簧或變距彈簧)。
可以看出，雙活塞結(jié)構(gòu)把原來由單一活塞要承受的惡劣工作條件(承受高溫、高壓燃?xì)饧案咚賯鬟f動力)分別由內(nèi)、外活塞分擔(dān)如外活塞1只承受高溫、高壓燃?xì)鈮毫Σ崿F(xiàn)與汽缸間的密封，但汽缸的壓力由外活塞1通過彈簧3傳遞給內(nèi)活塞2；內(nèi)活塞2將此壓力經(jīng)活塞肖6---連桿4---曲柄8而變成發(fā)動機的動力輸出。所以雖然內(nèi)活塞2結(jié)構(gòu)及受力與單活塞(定容)發(fā)動機基本相似，但內(nèi)活塞2基本上不承受高溫作用(特別在采用強制油冷卻時)，和承擔(dān)汽缸密封，因而活塞的熱變形??；同時便于采用合理受力結(jié)構(gòu)以減少應(yīng)力變形，從而極大地改善了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的內(nèi)活塞的工作條件。在定容發(fā)動機中活塞外圓必須加工成橢圓形，及上小下大的錐形或其他復(fù)雜形狀，至使加工難度大，活塞壽命短。而變?nèi)莅l(fā)動機的雙活塞結(jié)構(gòu)中，上述問題幾乎不存在，外活塞1由于可采用簡單的圓柱結(jié)構(gòu)，因而加工容易；加之在往復(fù)運動時由于壓縮、作功行程中交替存在的側(cè)面壓力，會使外活塞1發(fā)生自轉(zhuǎn)，這樣可使外活塞1的磨損均勻化，有效地延長了活塞壽命，而定容發(fā)動機活塞的偏磨是不可避免的。
下面進(jìn)一步討論功能參數(shù)及結(jié)構(gòu)特征間的關(guān)系從圖3可以看出外活塞1與內(nèi)活塞2之間的最大的軸向間隙是l0，為了使排氣行程終點時能將廢氣盡可能多的排出，外活塞頂面101位于汽缸最高位置(由于排氣終點汽缸內(nèi)氣壓約等于大氣壓，外活塞1在彈簧3的作用下與內(nèi)活塞頂部21間相距為最大間隙是l0)；而在壓縮終點處又必須控制外活塞頂部與汽缸蓋之間的空間予設(shè)的壓縮比(ε)范圍，由于此時汽缸內(nèi)的氣壓為PC，則作用于外活塞2上的氣體壓力FC＝PC*S(S-外活塞頂面積)此FC力壓縮彈簧3使外活塞2下降l2距離，l2＝FC/K2＝PC*S/K2(K2——彈簧3此段的剛度)即使外活塞頂面101與汽缸蓋10之間形成的空間容積VC，符合在設(shè)定的壓縮比ε下燃燒室的空間容積要求。如取壓縮比為ε，ε＝VC/V0(V0——汽缸總?cè)莘eVo定義為在壓縮行程下止點處，外活塞1頂面以上的汽缸容積)。設(shè)彈簧3此段的剛度為K2，則可以解出K2＝ε(S*PC/V0)如前所述，為達(dá)到適當(dāng)減慢燃燒速度，以降低燃燒峰值氣壓Pm及減慢燃?xì)鈮毫上升速度的目的，則要求外活塞1在燃燒氣壓p3作用下繼續(xù)下降l3以適當(dāng)擴大燃燒空間，由于Pm≥PC，為不使燃燒條件變化過大而影響正常燃燒過程，必須控制l3值的大小，一般可取l3≤l2，即此時彈簧3的剛度K3≥K2(Pm/PC)從結(jié)構(gòu)上講，這表明彈簧3必須具有變剛度特征，如采用螺旋彈簧與多片蝶形彈簧套裝來滿足上述要求，如圖8(I)所示，此外也可以采用錐形彈簧、不等距彈簧來滿足上述要求，如圖8(II、III)所示。
圖5是外活塞1的結(jié)構(gòu)示意圖.由于其上無活塞肖孔，因此氣環(huán)槽102距頂面106及相互間距離可以更遠(yuǎn)一些，這可以減少經(jīng)活塞環(huán)切口的泄流量及熱變形量。其頭部104(氣環(huán)槽102以上部分)直徑略小于裙部直徑，以補償接觸高溫引起的熱變形，其頂面101形狀主要決定于汽缸蓋設(shè)計(燃燒室結(jié)構(gòu)、氣閥布置，火花塞位置等)，圖6是一種對稱傾斜氣門、中置火花塞的一種半球形燃燒室布局。為使廢氣盡可能排盡，外活塞1在排氣終點十分貼近汽缸蓋，為避免氣門與外活塞頂面101相碰，在頂面101上加工出與氣門數(shù)相同的避閥坑111，如圖6所示。
外活塞1頂部內(nèi)表面106中部有冷卻潤滑液分流錐108及導(dǎo)流弧面109，以使由連桿小頭43噴出的潤滑油能很好地冷卻外活塞1的整個頂部內(nèi)表面106，防止外活塞頂面101的溫升過高。為提高冷卻效果內(nèi)表面106可用噴砂處理，以使其表面粗糙。內(nèi)表面106在對應(yīng)于接觸彈簧3位置應(yīng)是平面，以便與彈簧3的上表面良好的接觸。外活塞內(nèi)孔107下端有槽105用以安裝彈性卡環(huán)7，以阻止內(nèi)活塞2從外活塞內(nèi)孔107中脫出?？梢钥闯鲇捎诨钊げ慌c外活塞1相連，因而外活塞1可以制成厚度均勻的軸對稱結(jié)構(gòu)，這樣避免了因質(zhì)量分布不均而引起的不均勻熱變形，即不必將外圓面104，109加工成橢圓形，這樣使外活塞的加工變的簡單容易，即顯著地降低加工成本，并且由于無不均勻熱變形，使外活塞工作條件得以改善，不但有助于改善汽缸工作條件也減輕了磨損，延長了活塞及缸套的使用壽命，為減輕重量和減少精加工面，可將外活塞裙部109中間部分直徑減小。
圖7是內(nèi)活塞2的結(jié)構(gòu)圖，可以看出內(nèi)活塞2與常規(guī)活塞有一個很大的不同是內(nèi)活塞2的采用軸向開放式結(jié)構(gòu)，這是由于內(nèi)活塞2不接觸汽缸內(nèi)的高溫，高壓氣體，這使得內(nèi)活塞2的結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造變的容易通過設(shè)置加強筋29，使內(nèi)活塞2的徑向剛度得到很大提高，這可使內(nèi)活塞2在傳遞動力時的側(cè)向壓力引起的不均勻變形減至很小；同時由于內(nèi)活塞2離高溫氣體，而且又采用強制噴油冷卻潤滑故使熱變形也減小，從而使內(nèi)活塞2的外圓面25也不用加工成橢圓形，這不但簡化了加工，而且也提高了內(nèi)、外活塞的配合精度。凹槽22是用以安裝彈簧3，其底部或側(cè)面的孔23是上述冷卻外活塞1內(nèi)表面的潤滑油的回流通道。由于內(nèi)活塞溫開較小，活塞肖座23上的活塞肖孔27的直徑略小于活塞肖6外圓直徑，因而活塞肖6是緊壓在活塞肖孔27中的，從而可以有效延長內(nèi)活塞的壽命。外圓縮頸211是為收集從外活塞1的油環(huán)槽103中刮下來的潤滑油，并經(jīng)孔212回流到油池中，下部的縮頸是為了減少精加工面及改善內(nèi)外活塞的配合精度而加工。
總上所述可以看出本變?nèi)莅l(fā)動機的內(nèi)，外活塞結(jié)構(gòu)與定容發(fā)動機活塞在結(jié)構(gòu)上有很大差異，其結(jié)構(gòu)及加工工藝性有很大改善，可以看出采用彈性雙活塞變?nèi)莅l(fā)動機有如下優(yōu)點1.減少廢氣殘留量，增加進(jìn)氣量，使廢氣殘留比大大降低，充氣效率顯著增加，使發(fā)動機的燃燒狀況得以改善，并可以將壓縮比ε提高到12或更高，從而提高了發(fā)動機效率；燃油經(jīng)濟(jì)性及尾氣排放均得到改善；2.由于進(jìn)氣行程具有增壓作用，加之有效輸出轉(zhuǎn)矩增加，因而提高了升功率比，在相同功率輸出條件下，減輕發(fā)動機重量，從而進(jìn)一步降低油耗。
3.由于作功行程時發(fā)動機結(jié)構(gòu)受力改善，則可以減小內(nèi)活塞、活塞肖、連桿、軸承、曲軸、機體的結(jié)構(gòu)尺寸，從而使發(fā)動機輕量化，更有利于進(jìn)一步減小整車的燃油消耗。
4.由于彈性活塞系統(tǒng)具有的的緩沖、吸能作用，使氣缸內(nèi)燃?xì)鈮毫ι仙恢逻^快，因而使發(fā)動機工作更平穩(wěn)，使發(fā)動機工作狀態(tài)得到進(jìn)一步改善.
5.由于內(nèi)，外活塞的工作條件有很大改善，使其結(jié)構(gòu)工藝性也有很大改善，從而降低了制造成本，延長了使用壽命。
總之變?nèi)莅l(fā)動機從原理到結(jié)構(gòu)與定容發(fā)動機相比都有很大的變化和改進(jìn)，值得進(jìn)一步研究和推廣。
權(quán)利要求
1.一種變?nèi)莅l(fā)動機，由汽缸、汽缸蓋及其上的進(jìn)排氣機構(gòu)、火花塞、活塞、連桿、曲軸等組成，其特征在于其活塞由外活塞及內(nèi)活塞組成，外活塞上安裝有活塞環(huán)；內(nèi)活塞中帶有活塞肖孔、活塞肖及與其相配合的連桿；外活塞內(nèi)孔直徑略大于內(nèi)活塞外圓直徑；外活塞頂面內(nèi)壁用彈性元件支撐在內(nèi)活塞上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變?nèi)莅l(fā)動機，其特征在于在所述外活塞內(nèi)孔下端制有環(huán)槽，槽內(nèi)裝有彈性卡環(huán)，卡環(huán)內(nèi)圓直徑小于內(nèi)活塞外圓直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變?nèi)莅l(fā)動機，其特征在于所述彈性元件可以是一個或多個螺旋彈簧、蝶形彈簧、錐形彈簧、不等距彈簧等或其組合；也可以是不少于兩個相互套合的彈簧組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變?nèi)莅l(fā)動機，其特征在于所述外活塞形狀呈徑向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，其頂面內(nèi)壁中央有突起的冷卻潤滑油分流錐體及相連的導(dǎo)流弧面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變?nèi)莅l(fā)動機，其特征在于所述內(nèi)活塞的頂面是不封閉的，內(nèi)活塞上的兩活塞肖孔座側(cè)面之間及側(cè)面與內(nèi)活塞內(nèi)孔壁之間均有筋板連接；內(nèi)活塞上的活塞肖孔直徑略小于活塞肖直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變?nèi)莅l(fā)動機，其特征在于所述內(nèi)活塞外圓面上部制有導(dǎo)油槽，在導(dǎo)油槽下部制有與內(nèi)孔相通的回油孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變?nèi)莅l(fā)動機，其特征在于所述內(nèi)活塞頂板上制有彈簧定位孔，在孔的底部或側(cè)壁上制有冷卻潤滑油的回流孔。
全文摘要
一種變?nèi)莅l(fā)動機，與其它定容發(fā)動機的最大不同在于每氣缸中有兩個互相套裝的活塞。內(nèi)活塞與連桿通過活塞肖相連接，外活塞帶有活塞環(huán)并用彈簧支撐在內(nèi)活塞上。其特點是各沖程的容積變化不同。在排氣沖程，外活塞到達(dá)氣缸最高點，廢氣的幾乎完全排出(理論排氣率可達(dá)95％～98％)，從而使提高壓縮比(≥12)成為可能；在吸氣沖程，由于外活塞在進(jìn)氣終點的慣性增容位移，使進(jìn)氣量大于一般定容發(fā)動機的進(jìn)氣量，實現(xiàn)自增壓作用，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性和排放。由于外活塞的彈性儲能作用，降低了峰值氣壓和峰值氣壓的升速，從而降低結(jié)構(gòu)受力，為減輕發(fā)動機自重創(chuàng)造條件；并提高運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。由于峰值氣壓后移，使輸出轉(zhuǎn)矩增加，提高發(fā)動機效率?？傊?nèi)莅l(fā)動機較定容發(fā)動機在性能有很大提高。
文檔編號F02B75/32GK1719013SQ20051000010
公開日2006年1月11日 申請日期2005年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月4日
發(fā)明者王希平, 王宏 申請人:王希平