專利名稱：一沖程對爆自由活塞發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及內燃機與自由活塞動力裝置技術領域，特別是涉及目前應用最多的內燃機。
就申請人所知，現(xiàn)有內燃機應用最多的，不外四沖程和二沖程以及自由活塞與燃氣輪機或流體泵驅動流體馬達的動力裝置。四沖程發(fā)動機燃燒較完全，但油耗較大，而且均有膨脹沖程設計過長，則機體結構增重，造價加大，得不償失。設計短，則燃氣不能充分膨脹，大部熱量由排氣帶走。另外活塞通過連桿作用于曲軸，將直線運動變成回轉運動，導致力的分解，使效率降低和產生活塞偏磨。而現(xiàn)有的自由活塞燃氣輪機或自由活塞驅動流體泵通過流體馬達作動力，又結構復雜。故現(xiàn)有汽車拖拉機仍普遍用四沖程內燃機和二沖程機。
本實用新型的目的，是提供一種一沖程自由活塞發(fā)動機，使自由活塞通過簡單的機構，也能直接將活塞所作的功輸出去，不要再通過燃氣輪機或流體馬達，也不用一般內燃機的連桿曲軸機構。
本實用新型的原理是應用同一直線上的兩端汽缸活塞的對爆，對另一端汽缸已進入的增壓掃氣，進行壓縮噴油點火。產生相互對爆，使主軸在一個回轉中接受兩次作功沖程，這到與現(xiàn)有內燃動力及自由活塞機組相較，在同功率情況下，結構簡單、效率高、重量輕、轉速高，制造成本大大降低，燃燒完全，污染少的目的。
以下結合附圖來描術本實用新型的技術方案和工作原理。
這種發(fā)動機外型特點是汽缸是成對來實現(xiàn)的，外型像一根棒，故也可稱棒型發(fā)動機。
本說明書提供如下附圖


圖1 雙缸對爆一沖程自由活塞發(fā)動機(1)型圖2 雙缸對爆一沖程自由活塞發(fā)動機(2)型圖3 多缸(四缸、六缸、八缸、十缸、十二缸以上)一沖程自由活塞發(fā)動機組(3)型圖4 一沖程自由活塞發(fā)動機點火系統(tǒng)圖5 潤滑系統(tǒng)圖6 沖程增長的結構以下按圖次分別舉例說明以
圖1為例為雙缸對爆一沖程自由活塞發(fā)動機(1)型圖中有管形汽缸[1]、左活塞[2]、上齒條[3]、順轉棘轉[4]、主軸[5]、右活塞[6]、軸承[7]、飛輪[8]、主軸傳動法蘭[9]、下齒條[10]、向左沖程反向棘輪[11]、預燃室[12]、汽缸蓋[13]、散熱外套[14]、長形換氣孔[15]。
整個工作是這樣進行的當左端被壓縮的空氣噴入燃油后，活塞[2][6]及齒條[3][10]右行，此時上齒條[3]帶動棘輪[4]使主軸及飛輪順時針旋轉，并對右端汽缸內之空氣進行壓縮。當達到右死點時，右邊預燃室[12]噴油點火，右缸爆炸，活塞體開始左行，此時棘輪[4]開始滑轉，像腳踏車的[飛]一樣，對主軸不起作用。下齒條[10]左行時，通過反時針方向棘棘輪[11]，使主軸繼續(xù)回轉，與此同時，左邊燃氣膨脹達到排氣口[15]時，左邊汽缸已燃燒的廢氣，向外泄于排氣管中，新鮮的冷空氣，自然由下部進入汽缸，活塞體繼續(xù)右行，到達右死點時，右邊開始爆炸膨脹排氣換氣行程，因此循環(huán)不已。由于膨脹排氣換氣行程長，排氣口是長形設計，故缸內活塞在回程時，其中廢氣已全部外逸，由下邊冷卻的空氣置換。由于活塞不與發(fā)動機任何部分絞接，活塞是自由作往復運動，又是靠對邊汽缸產生爆炸作功來對這邊進行壓縮，每一汽缸只有一個作功行程，因此對每一汽缸而言，屬于一沖程發(fā)動機。此式也可組成多缸同軸的機組。
以附圖2為例，為雙缸對爆一沖程自由活塞發(fā)動機(2)型，它與(1)型不同的是如附圖2所示，設計有掃氣缸強制換氣，并應用雙齒條[3]與半邊齒輪[16]配套，來達到傳力的目的。(外形似半邊齒輪，實際齒數(shù)少于半邊)圖2中有管形汽缸[1]、左端活塞[2]、上齒條[3]、主軸[5]、右端活塞[6]、下齒條[10]、預燃室[12]、汽缸蓋[13]、半邊齒輪[16]、左隔板[17]、左進空氣閥[18]、左進掃氣閥[19]、左排氣孔[20]、活塞桿[21]、左掃氣孔[22]、儲氣室[23]、右掃氣孔[24]、右排氣孔[25]、右缸進空氣閥[26]、右邊隔板[27]。
它與第一例(1)型不同處是在左右兩端活塞之后，設置有左隔板[17]，和右隔板[27]，此隔板之目的，在左右活塞的后邊，設置有掃氣泵室，新鮮的空氣經過濾器及進氣閥[18]，進入掃氣泵室內。當左活塞在燃氣爆炸壓力推動下，向右邊移動時，即將其后邊的空氣壓開掃氣閥[19]進入儲氣室[23]，同時左邊進空氣閥[18]關閉，左活塞繼續(xù)前進，膨脹之氣體即由左排氣孔[20]排入大氣中，同時掃氣孔[22]打開，新鮮空氣由儲氣室[23]進入左邊汽缸，將剩存廢氣掃走。同樣的情況，右邊爆炸膨脹行程開始后，右活塞[6]之后邊空氣，又被壓入儲氣室[23]內，當右活塞繼續(xù)左行，右排氣口[25]打開，廢氣由此排出，剩余小量廢氣又被后來由儲氣室[23]中進入右掃氣孔[24]之空氣掃走，因此循環(huán)不已。
由此不難看出，此式之特點，即燃氣將與進入之掃氣燃燒，與廢氣接觸之機會極少，故效率較一般二沖程機高，燃燒較完全，污染少。
此外一個最大不同點，即它是應用半邊齒輪[16]與上下齒條配合，來帶動主軸[5]，活塞的行程，即等于半邊齒輪之節(jié)元直徑與π之乘積以二除之。半邊齒輪在左邊爆炸行程開始時，與上齒條齒合，活塞膨脹行程，通過齒條帶動半邊齒輪[16]，使主軸轉動，左邊燃氣膨脹后，又通過半邊齒輪[16]的作用，與下齒條齒合，故主軸繼續(xù)轉向同一方向回轉，如此周而復始。
如果不用半邊齒輪，也可換用半邊摩擦輪，即在半邊摩擦輪之金屬輪面上，滾壓花紋，與耐摩橡膠條配摩，耐磨橡膠條用汽車外胎橡膠制成，粘合在金屬板上構成摩擦條，代替前述的齒條，由于半邊摩擦輪面與摩擦條緊壓，作為傳力機構，使主軸旋轉，無壓花的另半邊，則與齒條尚有一定的間隙，故不起傳動作用。此式也可將掃氣孔[22][24]改由汽缸蓋上裝一直流掃氣閥掃氣。也可組成多缸方案。
以附圖3為例、是多個汽缸組合，并另設公共掃氣缸的(3)型自由活塞發(fā)動機。
這種設計，適用于汽車拖拉機船用動力以及內燃發(fā)電機組等。它的特點如下由多個相對爆炸之管形汽缸組合，推動一根主軸，并另設有公共掃氣缸，用以掃氣，此外掃氣閥安裝于兩端汽缸蓋上，采用直流掃氣(掃氣閥上裝有復位彈簧，掃氣壓入后即復位)。如系大型汽缸，則可用多個環(huán)形掃氣閥，由于系另設有公共掃氣室，故可用過量空氣進行掃氣，以達到盡量排除缸內廢氣的目的，圖3中為四對管形汽缸，[31]、[32]、[34]、[35]，共八個汽缸頭，使用一個公共掃氣泵[33]之示意圖。掃氣缸[33]由于缸內掃氣壓力不大，故可用耐磨硬塑料管或薄金屬管制成。每一行程之掃氣足夠應付多個汽缸同時爆炸之掃氣。這樣既可達到燃氣可獲得充足的氧氣供給，掃氣缸材料也可多種多樣，公共掃氣缸由于所需掃氣壓力不大，也可采用相應的回轉式壓風機，以減少所占空間，裝于主軸之前端，如圖3[51]，也可用三角皮帶或鏈條帶動。圖中有掃氣管[36]，公共汽缸左端之掃氣閥[37]，左端的進空氣閥[38]，其網形外罩為空氣過濾器。左右兩邊有公共儲氣室[39]，公共飛輪[8]，公共主軸傳力法蘭[9]，設在管式汽缸端部之直流掃氣閥[40][41]，公共掃氣缸之截面結構，一如A-A剖面，用半邊齒輪和齒條帶動左右活塞作往復運動，只是進空氣閥[38]和掃氣閥[37]如圖示。
由圖3之A-A截面及B-B截面可以看出，各個汽缸內之結構相同。有管形汽缸[1]左端活塞[2]齒條[3]主軸[5]右活塞[6]排氣孔[20]預燃室[12]半邊齒輪[16]，掃氣閥[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裝位置。A-A系左活塞在左死點開始向右的爆炸膨脹行程。B-B系右活塞在右死點時爆炸開始向左的膨脹行程，例如附圖3中之四對汽缸[31]、[32]、[34]、[35]，有兩對汽缸活塞安裝位置[32]、[35]如B-B剖面。這樣每對管形汽缸結構相同，但由于安裝時的位置不同，相鄰兩對汽缸的爆炸膨脹行程方向系相反進行的，這樣就可以平衡機組的運行，減小機腳的震動，使運行趨于平衡。汽缸越多，功率越大，越需要這樣組合。此外這種組合形式，尚可組合成十缸，十二缸等。如需增大功率，只需增多缸數(shù)，加長加粗主軸，即可作成大功半機組。如這種型式，也可作成小功率的兩個汽缸對爆直流閥掃氣或四個汽缸對爆的機組。
附圖4系各種形式的相同點火系統(tǒng)。
如附圖4所示，預燃室[12]、噴油器[42]與一般柴油機相同，高壓油管[48]、燃油泵[43]亦為一般柴油機通用件。當左活塞[2]到達左死點前，碰桿[44]撞擊油泵[43]心子，高壓油經油管[48]進入噴油器[42]噴霧。在預燃室[12]中燃燒，使左邊汽缸產生爆炸膨脹排氣掃氣沖程。同樣，當右活塞快到右死點時，碰桿[44]又撞擊右邊油泵心子，使右邊噴油器噴油，右邊又產生爆炸膨脹排氣掃氣沖程。碰桿[44]系固定在齒條[3]上，隨活塞作往復運動，碰桿上裝有調給螺釘調節(jié)噴油量。預燃引火塞[45]，與一般預燃引火塞相同，系用電池電力使引火塞電熱絲產生高溫，起動正常后，關閉電源，又由于采用預燃室用壓燃噴油，故柴油、汽油、煤油、酒精等多種液體燃料均能使用。
關于這種發(fā)動機的起動這種發(fā)動機的起動與一般柴油機相似，可用馬達帶動主軸旋轉，也可用彈簧或壓縮空氣蓄力起動，也可用手搖柄起動。當壓縮的高熱空氣進入燃燒室后，油泵噴入燃油即產生爆炸膨脹排氣、掃氣，最初也可接通電源，使用預燃引火塞。
關于這種發(fā)動機的潤滑裝置如附圖5所示，系在上齒條[3]中間有一輸油長孔[47]，經活塞中之環(huán)形油道對汽缸進行潤滑，汽缸下部有油池其中置機油泵和過濾網，潤滑油可循環(huán)使用。機油泵與軟管相連，軟管[49]接于上齒條中間之進油管接[48]，隨齒條作往復擺動。汽缸上邊的長形槽孔[50]，供軟管接頭[48]擺動往復之用。
關于本機之冷卻本機之冷卻裝置一如一般內燃機，可用風冷和水冷，水冷設置有夾套，風冷則用散熱片和強力扇風機散熱，這是一般通用技術。
關于沖程長度的另一設計前已敘述，關于沖程之長度是齒輪節(jié)元直徑與π之乘積的二分之一，為了獲得較長的膨脹沖程，以增大馬力和效率，也可如附圖6所示，采用雙鋸弓形齒條組成一對活塞體，如圖中之[3]與[10]上下齒條，這樣就可以采用較大的半邊齒輪，使沖程增長。
關于排氣管設計排氣管設計與現(xiàn)有技術相同，即在排氣孔處設計一外罩，有排氣管與消聲器相連，通過消聲器將廢氣排入大氣中。
本實用新型與現(xiàn)有技術相比，所具有的有益的效果。
如前所述，應用本實用新型的循環(huán)原理與結構，將有如下效益1.用一沖程對爆自由活塞發(fā)動機，在缸徑相同的情況下，只需在管形汽缸的兩端各置一個汽缸頭制造成本差不多，作功次數(shù)將為原來四沖程內燃機的四倍。
2.由于結構簡單，又是一種組合型發(fā)動機，應用它安裝在車輛上，將使現(xiàn)有汽車拖拉機制造成本大大降低，功率增加。
3.由于活塞通過齒條使半邊齒輪驅動主軸，力臂始終處于最佳位置，傳力均衡，故機械效率高于曲軸連桿機構?；钊滓膊划a生偏磨，使用壽命延長。
4.由于采用壓力掃氣等措施，故為增壓燃燒，噴油量可加大，因而馬力可增大。有足量的增壓空氣，燃燒可完全，對環(huán)境污染減少。
5.由于結構簡單，又是組合型，可設計成幾千匹馬力以上的大型內燃動力，故可廣泛應用于火車、船艦作發(fā)動機和柴油內燃發(fā)電機機組。
6.由于轉速將較四沖程大大提高，機重相應減輕、熱效率高，故可設計多缸成對的大功率輕型一沖程自由活塞發(fā)動機組，作航空發(fā)動機，用于直升飛機和螺旋漿式民用飛機。
權利要求1.一沖程對爆自由活塞發(fā)動機，包括汽缸、活塞、供油及潤滑裝置、點火裝置、冷卻裝置、掃氣裝置、起動機構，其特征是二個或二個以上兩端成對的汽缸頭組合成多組結構，用左右對爆來進行爆炸膨脹作功、排氣、掃氣和對另一端進行壓縮噴油點火，用上下相對的齒條與兩端活塞作剛性連接，推動半邊齒輪或半邊摩擦輪或二個方向相反的棘輪，作往復運動，主軸每一回轉產生兩次作功沖程。
2.根據(jù)權利要求1的一沖程對爆自由活塞發(fā)動機，特征是有長形排氣換氣孔[15]，有順轉棘輪[4]，反轉棘輪[11]的無氣閥結構。
3.根據(jù)權利要求1的一沖程對爆自由活塞發(fā)動機，其特征是有上下齒條[3]或摩擦條，與半邊的齒輪[16]齒合，有左隔板[17]，右隔板[27]，左進氣閥[18]，掃氣室[23]，右進氣閥[26]，進掃氣閥[19]，左右掃氣孔[22]、[24]，左右排氣孔[20]、[25]。
4.根據(jù)權利要求1的一沖程對爆自由活塞發(fā)動機，其特征是在多組結構中有直流掃氣閥[40]、[41]、有公共儲氣室[39]、有公共掃氣泵[33]、或回轉掃氣泵[51]，有多組以上汽缸[31]、[32]、[33]、[34]、[35]，共用一根主軸[5]，各組的成對汽缸中有齒條[3]、半邊齒輪[16]、排氣孔[20]。
5.根據(jù)權利要求1的一沖程對爆自由活塞發(fā)動機，其特征是點火裝置有往復碰桿[44]，安裝于齒條[3]上，與兩端之噴油泵[43]噴撞泵油，碰桿上裝有調節(jié)螺栓，可調整泵油時間及噴油量，噴油器[42]裝于預燃室[12]上。
6.根據(jù)權利要求1的一沖程對爆自由活塞發(fā)動機，其特征是潤滑裝置有擺動軟管[49]，安裝于齒條[3]上，通過[3]中之油孔，將潤滑油送入兩端活塞油環(huán)及掃氣泵活塞與半邊齒輪齒條上。
7.根據(jù)權利要求1的一沖程對爆自由活塞發(fā)動，其特征是增大沖程結構中設計成鋸弓形齒條，組成一對活塞體。
8.根據(jù)權利要求1的一沖程對爆自由活塞發(fā)動機，其特征是在半邊金屬輪上滾壓花紋，與耐摩橡膠配摩，耐摩橡膠粘合在金屬條上，代替齒條。
專利摘要一沖程對爆自由活塞發(fā)動機。解決了現(xiàn)有內燃機機體笨重，造價高，以及現(xiàn)有自由活塞燃氣輪機中的活塞不能直接驅動輸出軸作功的問題。特征是應用半邊齒輪與上下相對的齒條等三種方法，將活塞直線運動變成回轉運動。應用同一直線上的兩端對置活塞的爆炸膨脹排氣掃氣沖程，對另一端汽缸內掃氣進行壓縮噴油點火，產生對邊活塞又一次作功沖程，主軸每一回轉有兩次作功沖程，多缸設置公共掃氣泵。
文檔編號F02B53/00GK2270120SQ94238030
公開日1997年12月10日 申請日期1994年8月22日 優(yōu)先權日1994年8月22日
發(fā)明者向探真 申請人:向探真