本发明涉及一种对击式内燃机。 内燃机是广泛用于国民经济和国防各部门的基础部件。在美国第4466388号专利中,说明了一种压力点火的内燃机。它是由对动活塞来驱动用曲轴、连杆相联接的对动摇杆,并依靠蓄存于曲轴系统内的动能来完成其压缩行程。
该内燃机的不足之处在于:
1.不能使用固体燃料,如煤粉、木屑粉等。
2.具有死点,在燃料的燃烧过程中存在能量封闭区,可引起内燃机热损失的增加和强化爆震倾向。
3.压缩比是相对调定的,实际压缩比难以根据实际工况条件随机调整,因而影响燃料的经济性且燃料的通用性差。例如,难以实现酒精、汽油、柴油、煤油、润滑油(用作燃料)、重油的通用。
4.受强度和振动条件的限制,压缩比仍嫌偏低,除了给固体燃料的使用带来困难外,还使燃空比的下限偏高,易导致废气污染。
5.气缸直径与长度比偏大,难以同时提高压缩比和膨胀比。
本发明的目的是要提供一种对击式内燃机,以部分或全部克服上述缺点。
本发明的基本构思是,在气缸内装入对动活塞,该对动活塞又与对动摇杆相联,该对动摇杆之间不采用曲轴连杆机构相联接,而采用一种仅保持其同步对动的装置,以消除由于使用曲轴连杆而带来的死点,并使得所述摇杆的对动运动成为自由地。必要时,还可以增加对动摇杆的转动惯量,直至增设飞轮,以改善系统的动态工作特性。
其次,本内燃机还应设有燃料供给系统和点火系统。燃料供给系统可供给液态燃料,必要时还可供给气态燃料。至于点火系统,可采用火花塞点火的方法。当然,压燃式的点火方法也是常用的方法之一。由于采用压燃式点火时,所述的点火系统是无形的,从这个意义上来说,并非每种内燃机都有点火系统。
由于本内燃机的动量或角动量能够或接近完全平衡,允许在较高的压缩比下工作,又由于本内燃机的对动活塞的运动是自由的,它的压缩行程可以一直持续到燃烧过程开始并产生足够大的反力为止,这就给固体粉状燃料的使用带来方便。所述的固体粉状燃料,可以是植物粉、矿物粉、人工合成物粉或者它们的混合物。这时,本内燃机应设有固体粉状燃料的供给装置。当使用固体粉状燃料时,本内燃机的起动可能比较困难,建议采用分步起动的方法,即先使用易燃的液体燃料,如汽油,进行起动,而后再逐渐改用固体燃料。
在使用固体粉状燃料时,可以采用压燃的方法,由于固体燃料的燃烧较缓慢,还能具有抗爆性能。为了控制实际压缩比和/或提高固体粉状燃料燃烧特性的一致性,建议采用向气缸内喷入易燃液体的点火方法。请注意,这里所说的是点火的方法,尽管在形式上与压燃式内燃机的某些过程相类似,但是,使用液体燃料的目的在于点燃固体粉状燃料,因此,它们不是一回事。
从上述说明可知,本发明所述的内燃机可以用作一种能够使用或主要使用甚至专门使用固体粉状燃料的内燃机。
再次,本内燃机设有空气供给系统,它的基本功能是按时提供空气,以完成扫气和换气的任务。必要时还可承担携带燃料的使命。由于本内燃机的对动摇杆是自由的,它的气缸直径与长度之比可以做得较小,例如取作1/5、1/8甚至1/10以下,因而进气压力可采用较低的数值,这一方面可使燃气获得充分地膨胀,另一方面则给固体粉状燃料向气缸内输送带来极大的方便。
本内燃机的能量输出,可利用往复式或摆动式泵或者发电机来实现。也可采用专门将摆动转化为连续转动装置,对此,将在实施例中加以说明。另外,为了便于本内燃机起动,还应设有起动装置。
当然,本发明所述的内燃机还可组成内燃机组,以提高适用性。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
实施例一,如图1所示。其中,所述的气缸制成〔1〕的形式,其上还制有或装有排气口〔16〕,进气口〔17〕。必要时,还可在气缸中部制出燃烧室〔2〕(见图2)。对动活塞〔3〕与对动摇杆〔4〕相联接,采用连杆〔23〕是合适的联接形式之一。不妨将保持对动摇杆的对动运动同步的装置记作〔147〕,该装置可以有多种具体结构:一是利用圆锥齿轮〔6〕、〔7〕、〔8〕、〔9〕和轴〔10〕组成的系统来实现这一功能,其中,齿轮〔6〕和〔9〕分别与对动摇杆刚性联接;二是选用图3和图4(图4是图3的A-A和B-B剖视图)所示的用钢带〔11〕、〔12〕联接的方案,其中,〔13〕是用于紧固钢带的机构。另外,还可采用图5所示的用外接半齿轮〔14〕、〔15〕的方案。请注意,图5中的双点划线部分是表示可将对动摇杆与半齿轮制成一体。至于其他方案就不在此处一一列举了。
至于所述的燃料供给系统和点火系统,可分别记作〔156〕和〔157〕并分别情况加以说明:
1.当使用液体燃料且采用压燃法点火时:这时,所述的点火系统〔157〕是无形的,因为燃料经喷嘴〔18〕喷入气缸后,可自行燃烧;对于燃料供应系统〔156〕,则包括可采用已知技术的喷嘴〔18〕和液体燃料供给器〔19〕。
所述的液体燃料供给器〔19〕,可制成图6所示的柱塞泵式的结构,其中,泵体〔26〕内装有泵芯〔27〕和柱塞〔28〕,在柱塞和泵芯上分别制有槽〔31〕和〔32〕,图中,槽〔31〕是直槽,而槽〔32〕是螺旋槽。当然,重要的是槽的功能,而不是其形状。在泵芯下部,装有推力轴承〔29〕的目的,是使泵芯的转动较为灵活。在油腔〔30〕内,还装有使柱塞复位的机构,如弹簧等(图中未示出)。另外,本燃料供给器所需的泄油孔、密封装置等就不必详细说明了。
本燃料供给器的工作过程是这样的:沿柱塞的轴线方向移动泵体〔26〕,可以调整开始供给燃料的时间,即调整了柱塞〔28〕被撞块〔24〕(参见图1)压下的起始时间。转动泵芯〔27〕,就调整了工作腔〔30〕通过槽〔31〕与回油孔〔33〕沟通的时间,且一旦沟通之后,工作腔内的压力就回零,所以,当柱塞继续下移时,就不会继续向外提供具有足够压力的燃料,使得燃料供应的起止时间均能得到调整。显然,在燃料入口〔45〕处(见图6)接上一个止回阀是必要的,不然就无法建立起足够高的压力。必要时,还可在燃料出口〔46〕处也接上一个止回阀,以提高系统工作的可靠性。
所述的燃料供给器〔19〕,还可以制成如图7所示的另一种柱塞泵式结构。它是图6所示的结构的改进。它增加了一个用来调整起始供油时间的旋套〔34〕,该旋套上有一个与回油槽〔35〕相通的螺旋槽〔36〕,回油槽通过孔〔37〕与回油孔〔38〕相通,只有当柱塞〔39〕上的槽〔40〕与螺旋槽〔36〕分离后,柱塞下部的空腔〔41〕内才能建立起足够的压力,使燃料喷入气缸。使旋套〔34〕转动的方案很多,图中是利用齿轮〔42〕来转动的,也可用齿条机构、杠杆机构等来实现这一功能。至于本图下部的结构则与图6类似,即通过转动泵芯〔43〕来调整停止供给燃料的时间。采用本燃料供给器,不必移动泵体〔44〕,便可调整供给燃料的起止时间。当然,它也应设置使柱塞〔39〕复位的装置,如弹簧等(图中未示出)。
图8是所述的燃料供给器〔19〕的另一种结构,它具有双阀芯的柱塞泵式结构,其中,〔47〕是燃料进口,〔49〕是回油孔,当柱塞〔50〕压下后,空腔〔48〕与回油孔〔49〕连通,并停止高压燃料的输出。至于高压燃料的出口,只须开在空腔〔48〕的下部即可。分别转动与调整杆〔51〕、〔52〕用滑动键联接的轮〔53〕、〔54〕,就可分别调整调整杆〔51〕、〔52〕的伸出长度,即调整了供给燃料的起、止时间。当然,也应装有使柱塞〔50〕和〔55〕复位的装置,可以在空腔〔48〕、〔56〕内装入复位弹簧等。
所述的燃料供给器〔19〕,还可按图9所示的结构制做,它具有定时接通燃料的阀式结构。燃料入口〔57〕与经常保持高压的燃料接通,但正常情况下,该孔被阀芯〔58〕堵住。当阀芯〔58〕被压下,环槽〔59〕将该孔与燃料出口〔60〕接通,这时,燃料便可经喷嘴喷入气缸。当阀芯继续下移时,燃料入口〔57〕又被堵住,也就停止了燃料的供给。当然,阀芯也应设有复位装置,例如,可在腔〔61〕中安装复位弹簧等。在回程中,由于环槽〔59〕还要接通燃料出口,形成二次喷射;当采用多环槽时,还可形成多次喷射。这些情况对于提高燃料的抗爆性能及保持内燃机工作的平稳性都有好处。为了调整燃料的喷射时间或喷射量,除了可以调整高压燃料的压力外,还可使环槽〔59〕的宽度可调。例如,转动套〔62〕,即可调整该环槽的现有宽度。为了满足只喷射一次燃料的要求,可增加一个阀芯〔63〕,该阀芯由阀芯〔58〕通过爪〔64〕加以驱动。在图9所示的位置,随着阀芯〔58〕的下移,当第一次喷射之后,爪〔64〕将带动阀芯〔63〕下移,并将孔〔65〕封住。当阀芯〔58〕回程时,槽〔59〕虽然接通了燃料入口〔57〕和孔〔65〕,但由于出口被阀芯〔63〕封锁,仍然不能向外输送燃料。当孔〔65〕被阀芯〔58〕封锁后,随着阀芯〔58〕的继续上移,孔〔65〕与燃料出口〔60〕又被接通,为下一次工作做好了准备。这里,长孔〔66〕起了延迟作用,以保证本燃料供给器正确的动作节拍。当本内燃机停在环槽〔59〕接通燃料入口〔57〕和孔〔65〕的位置时,可将阀芯〔63〕推到关闭的位置上,以防止不正常地喷射燃料。当然,也应设有使阀芯〔58〕复位的装置,如弹簧等。
需要时,只须将阀芯〔63〕的起始状态改为封锁出油口,而当它被移动后才将出油口接通,则本燃料供给器可实现在回程中供给燃料的功能。
2.当使用易于汽化或雾化的燃料且采用火花塞点火时:这时,先就点火系统加以说明。所述的点火系统〔157〕采用已知技术是可以的,例如,可由一个电子点火器和控制开关所组成 当然,该系统中,火花塞是不可少的。请注意,为了提高点火的可靠性,建议采用多火花塞,如采用4只、8只甚至10只以上,特别是下面将提到的、在使用固体粉状燃料的时候,若采用火花塞点火时,对此更应注意。
关于燃料的供给,可使用已知的汽化器或雾化器,且燃料可以由进气系统带入气缸。当采用雾化器时,可采用前述的燃料供给装置〔19〕来向雾化器提供燃料,只是在这种情况下,燃料的输入是在换气过程中完成的,因此,所述的燃料供给装置〔19〕应安装在〔20〕的位置上(见图1)。
3.当使用固体粉状燃料时:这时,应配备固体粉状燃料的供给系统〔146〕。该系统包括入口〔70〕(见图1);如图10和图11所示的固体粉状燃料供给器〔149〕和将粉状燃料吹入气缸的供气装置〔150〕。其中,图11是图10的A-A剖视。
所述的入口〔70〕,最好朝向气缸的下方,且不一定只采用一个。必要时,还可将其与进气口〔17〕共用一个通道。
所述的固体粉状燃料供给器〔149〕的基本结构是这样的:轮〔67〕由轴带动作连续或间歇回转运动,在该轮的外圆上开有许多细槽,该槽的底部宜做得光滑些。为了使燃料的输送均匀些,该槽可呈螺旋状。当轮〔67〕转动时,粉状燃料便从上部的槽〔68〕中被送到通道〔69〕中并可堆集在该处,在气缸扫气结束前后的适当时刻,由所述的供气装置〔150〕送入压缩空气,将该通道中的燃料吹入气缸。还建议加装一个混合器,例如采用螺旋喷嘴等。当需要改变燃料的供应量时,只要改变轮〔67〕的转速或每次转过的角度就可以了。
根据所述的供气装置〔150〕的功能要求,不难看出,图9所示的阀式结构即可胜任此项工作。这时,与入口〔57〕接通的应是具有一定压力的气源,而出口〔60〕则应通过图11所示的通道〔69〕和图1所示的燃料入口〔70〕与气缸接通。当图9所示的阀式结构用于这一目的时,由于动作时间大约相差半个周期,所以它的安装位置应由图1〔19〕的位置移到〔20〕的位置上。当然,它的控制对象也由控制燃料改为控制用于输送固体粉状燃料的空气。其动作原理,请参见上面的有关说明。
在这种固体粉状燃料的供给系统中,由于粉状燃料先输送到通道〔69〕中,而后再利用间歇供给的压缩空气将它们吹入气缸,这就使得燃料的定量控制比较方便,且大大降低了零件的加工精度。同时,用轮〔67〕输送燃料的方法,还有利于系统的密封。另外,间歇供气也适于本内燃机的工作条件,当活塞向下运动时,以致于使得进气口〔17〕和燃料入口〔70〕完全暴露后,也不易产生不良后果。
至于所述的点火系统,除采用已知技术外,还建议采用在气缸的压缩行程即将结束时,向气缸内喷入象柴油、汽油、酒精或其他能够压燃的、用以点燃所述墓烫宸圩慈剂系囊兹家禾迦剂系牡慊鸱椒ā?
所述的空气供给系统,可记作〔158〕,它主要由气源、气道和空气供给器〔20〕所组成。它的功能要求是向气缸输送空气,按时完成扫气和换气的任务,必要时,它还可以承担携带燃料的使命。不难看出,图9所示的阀式结构用作空气供给器也是合适的。这时,与所述的入口〔57〕接通的应是具有一定压力的气源,例如,可以是增压器或者是扫气泵等;而所述的燃料出口〔60〕应通往进气口〔17〕。至于有关通道的大小,应根据需要来确定。当空气供给器〔20〕负有携带燃料的任务时,最好将携带燃料的通道与用于扫气的通道分开,以免浪费燃料,建议使用两只空气供给器,一只用于输送扫气用的空气,另一只用来输送混合气。必要时,用于输送混合气的空气供给器〔20〕还可用于输送气体燃料,如煤气、天然气等。另外,当使用易于汽化或雾化的燃料时,采用这一方案也是可行的。
本实施例中,还应设置蓄能装置〔21〕,以便为压缩行程提供能量。当该蓄能装置的容量较大时,还可在完成压缩行程的同时对外做功,以提高本内燃机工作的平稳性。所述的蓄能装置可采用多种方案,例如选用弹簧或其他弹性蓄能元件,也可使用气缸等。当然,各零、部件都需要安装在一个支座系统中,才能保持它们之间的正确位置关系。另外,所述的蓄能装置还兼作起动装置使用。
下面结合本实施例大致的动作过程,再作进一步说明。
首先,使蓄能装置进入蓄能状态,例如,转动轴〔10〕即可达到这一目的。这时,活塞〔3〕分别位于气缸的两端部,为了防止在这一过程中活塞之间形成负压,可在气缸中部制出通气孔(图中未示出),待两活塞的位置调整好后,再将其关闭。接着,令本内燃机恢复自由状态,则蓄能装置将推动两活塞作对击运动,以完成压缩行程。当摇杆转到适当位置后,安装在它或者它的等价物上的撞块〔24〕将撞击到燃料供给器〔19〕上,这时,燃料将经过喷嘴〔18〕喷入气缸,无论喷入气缸的这些燃料是用于燃烧还是用于点燃已经送入气缸的固体粉状燃料,最终都是导致燃烧过程的开始。根据本内燃机用途和结构的不同,当摇杆转到适当位置后,也可能引起其他动作,例如,可使火花塞点火,无论将被点燃的是气体燃料、汽化或半汽化的液体燃料,还是固体粉状燃料,也将导致燃烧过程的开始。此后,将使活塞反向运动。在这一过程中,除了对外做功,也将向蓄能装置输送能量,以备下一次使用。随着这一过程的结束,排气口〔16〕,进气口〔17〕将先后或几乎同时与气缸的工作腔接通,与此大体同时,撞块〔25〕撞到进气供给器〔20〕上,随之而来的,是扫气和换气过程的开始。如前所述,在换气过程中,也可能完成向气缸内输送燃料的任务,至于这时被输送的燃料,可能是气(或汽)态、雾化了的液态或者是固体粉状物。至此,一个工作循环结束,下一个工作循环即将开始。
前面已经提到,本内燃机的能量输出,可以有多种方式,这里,仅就将本内燃机的往复摆动转换成连续转动的方法,谈两种具体的方案。
1.采用曲柄-弹性连杆〔165〕时,如图12所示。图中,摇杆〔71〕带动销〔72〕摆动,通过由外套〔73-1〕、拉杆〔73-2〕和在空腔〔72-3〕中所装的弹性元件〔164〕(例如弹簧,图中未示出)等所组成的弹性连杆〔73〕和曲柄销〔75〕,带动曲柄〔74〕作连续圆周运动。该曲柄应具有较大的转动惯量,必要时,可加装飞轮。采用曲柄-弹性连杆机构的目的,是要解决摇杆摆角不是常量,而曲柄的实际偏心距是常量的问题;弹性连杆还可吸收气缸中的尖峰压力,提高内燃机的工作平稳性。必要时,它还可以作为一种受迫振动系统来加以理解。为了简化结构,所述的连杆〔73〕还可按图21制作。其中,〔141〕是连杆接头,而〔142〕则是弹性元件,图中是采用了一个圆柱弹簧。
2.采用一种专用的摆动-连续转动的转换装置〔166〕,如图13所示。图中的摇杆〔76〕相当于图1中的摇杆〔4〕,它与轴〔80〕刚性联接,〔77〕是支座,以支承轴〔80〕,齿轮〔78〕和〔79〕分别相当于图1中的齿轮〔6〕和〔7〕或者〔9〕和〔8〕,而齿轮〔81〕则空套在轴〔80〕上,且与壳〔83〕刚性联接。通过齿轮〔79〕,保持了齿轮〔78〕和齿轮〔81〕的等速反向运动,由于摇杆〔76〕和齿轮〔78〕与轴〔80〕是刚性联接的,且芯〔82〕也与轴〔80〕刚性联接,所以,壳〔83〕与芯〔82〕也必定作等速反向摆动。同时,在壳和芯之间又装入了一个圈〔84〕,该圈又与轴〔85〕刚性联接或制成一体,在壳和圈、芯和圈之间还装有能使壳或芯只能朝同一方向驱动圈转动、而朝相反方向能自由返回的构件,例如,采用棘轮、棘爪机构等。在图13中,采用了超越离合器的结构。该图的A-A剖面请看图14,其中,〔137〕是圈与壳配用的滚柱,〔138〕是圈与芯配用的滚柱,其余标号请参见图13。这样,只要壳〔88〕和芯〔82〕相对摆动,总有一件将驱动圈〔84〕向固定的方向旋转,也就达到了将摆动转化为连续转动的目的。
当本内燃机只是在爆发冲程中对外输出机械能时,只须将齿轮〔81〕去掉,并将壳〔83〕与机座固定就可以了。这时,壳〔88〕的作用,是防止圈〔84〕倒转。当然,当圈或与圈装配在一起的零件组的转动惯量或当量转动惯量较大时,也可省去壳〔83〕。
图13中,〔86〕是用于支承圈〔84〕和轴〔85〕的支座,图中只示意性地画出了一个,建议在其他合适的位置上再予以增加。为了使内燃机的输出更加平稳,还可在轴〔85〕和轴〔87〕之间增加弹性装置〔88〕,以吸收尖峰扭力并使输出力矩均匀。该装置的简单例子是选用扭转弹簧或者其他弹性扭转元件。
必要时,例如在制成大型内燃机时,建议采用集中控制的方法,这样,还有利用提高本内燃机的自动调节水平。实现集中控制的方案较多,例如,选用一个测角器,测得摇杆的实际摆角,将此摆角与预先置定的和/或经过计算预期的角度相比较,然后决定当前应执行哪种动作。如果对摇杆的角速度、燃料供给量、进气量、点火时间等参量都能加以测量,并由微计算机加以处理和控制,可使本内燃机经常工作在最优化状态下。
实施例二,如图15所示。本实施例的特点在于,在摇杆轴连线的两侧都安装了气缸。例如,为了便于制造,气缸〔89〕和〔90〕可对称配置,这时,一个气缸的工作冲程除了对外做功外,还为另一个气缸的压缩冲程提供动力,因此,实施例一中的蓄能装置已经不是必要件。需要时,可将所述的蓄能装置重新安排一个位置,作为起动装置使用。在其他方面,包括构件的编号,请参见实施例一。
对本实施例,有必要进一步说明的是起动方法。事实上,可供选择的方案是较多的,下面仅就两种情形加以说明。
1.压缩空气起动:在图15的情况下,向气缸〔90〕内充入压缩空气,并在排气口接通或接近接通时关闭气源,从而使气缸〔89〕进入工作状态,进而完成本内燃机的起动过程。
2.利用飞轮起动:可在轴〔10〕或其他合适位置上安装飞轮,并使该飞轮的转速达到一定数值,以蓄存足以完成压缩行程的能量;根据飞轮的转向,调整好摇杆的起始位置,然后利用离合装置,例如利用电磁或气动离合器,联接飞轮和轴〔10〕,使得压缩行程开始。在排气口接通或接近接通时,打开离合器,也可完成本内燃机的起动过程。
在本实施例中,为了使轴〔10〕及齿轮〔7〕、〔8〕的角动量能够得到平衡,可以利用齿轮对〔139〕和〔140〕来实现。请注意,本方案对于实施例一或下面将要提到的类似的情况也是适用的。
实施例三,如图16和图17所示,其中,图17是图16的A-A剖面。本实施例是实施例二的改进,其特点在于,摇杆〔92〕、〔93〕的回转轴线大体重合,与此相适应,气缸〔94〕、活塞〔95〕也制成了环状,并建议将活塞与摇杆固定联接,例如,相当于前述实施例的连杆的部位〔96〕,就可以与相配的摇杆制成或装成一体。另外,与摇杆〔92〕作固定联接的齿轮〔97〕、与轴〔98〕固定联接的齿轮〔99〕和齿轮〔100〕及支座〔101〕组成了保持两摇杆同步反向摆动的装置,并将其记作〔159〕。其中,支座〔101〕宜固定于底座上,轴〔98〕与摇杆〔93〕是刚性联接的。
在本实施例中,其他有关部分,请参见实施例一、二的相应说明。当然,有关组件的安装位置,应适应本实施例结构的变化。必要时,可增设一个模拟摇杆,将实际摇杆的摆动运动等效传递出来,以改善有关部件的安装条件。另外,图17中的〔102〕,相当于图13和图14所示的将摆动转化成连续转动的装置;图16中的〔103〕、〔104〕和〔105〕分别相当于图1中的〔17〕、〔16〕和〔70〕。附加这些说明的目的,是要表明本实施例与其他实施例的相关部分是可以类比的。这种情况在下面还会遇到,但是不一定都加以说明。
实施例四,如图18和图19所示。其中,图19是图18的A-A剖视。本实施例在实施例三的基础上,将气缸、钊⒁「说热谖惶宥玫降囊恢纸峁菇舸盏哪谌蓟@纾臼凳├拖嗟庇谝惶?缸内燃机。这对于运输设备,如车辆等,是非常重要的。
在本实施例中,环形气缸〔115〕和〔117〕被制成两部分:与摇杆〔107〕融为一体的内环〔163〕和与摇杆〔108-A〕和〔108-B〕融为一体的外环〔108〕。把外环制成两半,是为了便于装配,同理,也可以将内环分为两半制造。在本实施例中,所述的对动活塞又分为外环活塞〔109〕和内环活塞〔110〕,它们分别与外环和内环相固结。在本实施例中,罩〔111〕的内腔〔112〕形成废气导管,以便于将废气集中处理。摇杆〔107〕与轴〔113〕刚性联接,而摇杆〔108-A〕和〔108-B〕则空套在轴〔113〕上,并通过轴承座〔114〕将其支承起来。当所述的对动摇杆相对摆动时,内环活塞和外环活塞之间的空腔就形成了气缸的工作空间。在图18所示的位置下,气缸〔115〕正处在压缩后期,这时,通过喷嘴〔116〕分别喷入燃料,即可开始工作行程或在点燃固体粉状燃料后进入工作行程。在图示位置,气缸〔117〕正处在扫气或充量更换的过程中,其中,排气口〔118〕开得较长,它的一部分被内环活塞〔110〕挡住了;而进气口〔119〕是扫气气源的入口,也可以用作或兼用作混合气入口。为了提高混合气的利用率,必要时还可设专门的混合气通道。随着做功行程的继续,气缸〔117〕又被压缩,而气缸〔115〕又进入扫气和充量更换过程。这时,进气口〔119〕又从外环活塞〔109〕的另一端面露出,而排气口〔118〕也从内环活塞〔110〕的另一端露出,从而使气缸〔115〕的扫气和充量更换过程得以实现。此后,喷嘴〔121〕又向气缸〔117〕喷入燃料,以实现燃烧做功或点燃固体粉状燃料的另一过程。请注意,图中的两个喷嘴〔121〕是共用一条燃料通道,当然,还是使它们各自专用一条通道更好些。
在本实施例中,燃料及空气是通过轴〔113〕内部的通道进入到各气缸的,这些通道应尽量做得圆滑,以减少流动阻力。各通道的入口,可使用连接套〔122〕与/或〔123〕与外部供给装置相联接。当然,还可以用软管直接与轴〔113〕上的相应孔联接。
在本实施例中,用于保持对动摇杆同步对动的装置〔160〕是由齿轮〔124〕、〔125〕和〔126〕组成。齿轮〔125〕选用多个的目的,是要使其结构更加紧凑。其中,齿轮〔124〕与外环〔108〕固结在一起,而齿轮〔126〕则与轴〔113〕固结,支承齿轮〔125〕的轴承座最好固定在机座(图中未示出)上,当然,前面所述的轴承座〔114〕也应固定在机座上。另外,该装置〔160〕还可用于实施例三,而用于实施例三的装置〔159〕,也可用于本实施例。
本实施例的能量输出,可参见上述各实施例的有关说明。在这里需要指出,通过轴〔113〕的轴颈〔127〕和外环〔108〕的轴颈〔128〕来输出动力是比较方便的。
当然,输送燃料与空气的通道应尽量短些,因此建议采用图20所示的结构。其特点是将保持两对动摇杆同步对动的装置和动力输出端安排在同一侧,而在另一侧安排空气和燃料的输入通道。至于具体的输送和联接方式,可参见图19及其说明,没在图20中详细画出。
在图20中,保持对动摇杆同步对动的装置〔160〕是用圆柱齿轮构成的。其中,齿轮〔129〕和〔130〕分别与外环和轴〔134〕固结在一起,且轴与内环刚性联接;而互相啮合的齿轮〔131〕和〔132〕又分别与齿轮〔129〕和〔130〕啮合,以保证齿轮〔129〕和〔130〕的同步反向转动。增设与齿轮〔131〕同轴的齿轮〔133〕和空套在轴〔134〕上的齿轮〔135〕的作用,是要将外环的转动跨过齿轮〔130〕引出,以便于直接利用外环和轴的相对摆动对外做功或将其转化成连续转动。至于其他未尽部分,请参考上面各实施例。
从形式上看,本实施例的密封问题较难解决,但是,只要充分利用密封面可以做得足够长这一特点,并可以在密封面上制出大量用于增加气阻的凹槽,就能够使它的密封性能达到实用要求。
另外,通过重新配置本实施例的对动活塞等构件,还可获得相当于2缸、6缸、8缸或更多缸的内燃机。
实施例五,如图22、23所示。其中,图23是图22的A-A剖视。图中,气缸〔161〕和〔162〕由两个半体组成,固定半体〔91〕可以固定在底座上 也可以与底座合制成一体,为了便于装配,可将其制成对开结构,例如,可将其按径向或轴向的对称面分为两半等;至于转动半体〔167〕则与对动摇杆〔143〕融为一体。保持对「送蕉远淖爸萌纭?44〕所示,且事实上,它与实施例一中的保持对动摇杆同步对动的装置〔147〕是等价的。装于对动摇杆〔143〕上的对动活塞〔120〕则与对动摇杆一起作对动运动,只是其运动形式是往复摆动而不是往复直线运动。图中,喷嘴〔145〕安装在固定半体〔91〕上,既便于维修,又便于管路连接。进气口〔148〕则通过轴〔106〕和对动摇杆与气缸接通,并可通过软管〔136〕与供气系统联接。排气口如〔151〕所示。为了便于对有关部件的控制,本实施例装有模拟摇杆〔152〕,通过该模拟摇杆和用于安装有关组件,如燃料供给器、空气供给器等的安装板〔153〕,可使有关组件的位置安排和控制更加方便。另外,用于支承轴〔106〕的轴承座〔155〕可与固定半体〔91〕固定在一起。当然,必要时也可将转动半体〔167〕制成对开结构,其剖分原则可参照固定半体〔91〕。
本实施例的能量输出,可利用轴〔106〕下部的轴头进行,具体方式可参照上述各实施例。
在本实施例中,许多未提及的部分,如燃料供给系统、空气供给系统等等,均可参考实施例一至四的有关说明,这里就不再一一重复说明了。但应指出,〔22〕是固定在固定半体〔91〕上的气缸分隔块。
需要特别说明的是,本实施例的结构非常紧凑,不难看出,它相当于一台8缸内燃机。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1.可以使用固体粉状燃料。例如,可使用植物粉 矿物粉,人工合成物粉及其混合物等的可用作燃料的粉状固态物质。比较典型的就有:农作物的秸秆粉,木屑粉,杂草、树叶粉;煤粉;塑料粉及其混合物等。且混合后,还可以调节或改善该燃料的适燃性。显然,这些燃料与石油及其制品相比,来源既广,价格又便宜得多,因此,它将在广大的范围内对能源结构产生影响。
2.压缩冲程通常可持续到燃料燃烧,因此,可以使用较低的燃空比,因而提高了燃料的经济性,且能降低废气的污染程度。
3.一般可以做到动量和动量矩的完全平衡或接近完全平衡,因此,允许在更高的压缩比下工作,且振动较小。
4.燃料的通用性好,可使用常见的多种可燃液体作燃料,例如,可使用白酒、酒精、汽油、柴油、煤油及其他石油制品,在特殊情况下,甚至可使用高浓度糖水等,还可使用多种固体粉状燃料,如淀粉、面粉及其他已说明过的这类燃料。这对于军用动力装置,具有特殊的重要意义。
5.消除了死点,避免了内燃机工作过程中的由于自锁而产生的能量封闭区,可提高内燃机的热效率和抑制爆燃倾向。
6.实际压缩比可根据燃料和工况条件随机调整,有利于使本内燃机经常工作在最佳状态。
7.气缸的长度基本不受限制,气缸的长度与直径比可以做得很大,可以使燃气充分膨胀,提高整机的热效率。
8.由于动量和动量矩的完全平衡或接近完全平衡,活塞质量(或重量)的增加一般不具有危害性,因而可节约大量有色金属。特别是耐热合金材料的使用,还能大幅度提高气缸的燃烧强度。
9.当使用固体粉状燃料时,燃料本身的安全性极佳,这将有利于提高对意外事故的承受能力。对于军用动力装置,特别是对于战斗车辆、舰船等,更具有重要价值。
10.结构紧凑,制造较容易,便于维修。
另外,如果按本发明制作成专门以固体粉状燃料为燃料的内燃机系列的话,还将对传统的蒸汽动力装置,如火力发电设备等,提出有力的挑战。
实施本发明,应同时注意其他先进技术的应用,例如,采用气缸、活塞的高性能涂层技术或采用陶瓷气缸、活塞等;必要时,还可采用新型石墨密封材料等。
就具体结构而言,在空间基本不受限制的条件下,以实施例二的形式实施本发明较好,这不仅是因为该实施例易于实施,还因为该实施例所借鉴的已有技术已经非常成熟。具体实施时,建议采用立式气缸,以避免重力作用造成气缸和活塞的磨损;当使用固体粉状燃料的时候,建议将该燃料的入口设置在气缸上部,并在排气口外设置除尘装置。
当使用条件对本内燃机的尺寸限制较大,且单位功率所含的内燃机重量又是一个重要指标时,建议采用实施例五所示的结构。
由于本发明可以淘汰常用的铝合金活塞,提高了气缸内的燃烧强度,因此,可以尽量不采用水冷方式,而采用风冷。这样,将有利于提高本内燃机的热效率。