[发明专利]一种具有对置活塞对置气缸单曲轴的内燃机

说明书

技术领域

本发明涉及一种内燃机，尤其涉及一种具有对置活塞对置气缸单曲轴的内燃机。 

背景技术

汽车和轻型飞机工业的内燃机设计和制造技术已经很发达。为了在商业上的应用，任何新型的发动机结构，必须在不牺牲性能的情况下，能够在节约能源和原材料上有明显的改善（特别是燃油消耗的改善），达到环境保护和污染控制的目的，并在乘客的安全性和舒适性方面有显著改善，以及采用有竞争力的设计和生产方法来降低成本和重量。 

新的发动机结构必须具有在简单的机械结构基础上使摩擦损失最小化，而且必须适合发展最大限度地提高燃烧效率和增大燃油利用率的技术。也就是说，新的发动机结构应具体解决在内燃机中最主要要的摩擦力损耗的问题；并且发动机应具有最佳体积和最高燃烧效率的燃烧室；还要能适合于利用先进的增压和燃油直喷技术。 

新的发动机结构必需在重量上更轻，最好能够减小高度尺寸，从而提高适配性和乘客的安全性。对于在汽车上的应用，发动机高度的降低就可以允许将发动机安装在座位下或行李箱中。对于在轻型飞机上的应用，低的外形尺寸就允许发动机被直接安装在机翼内，甚至不需要发动机导流罩。 

新的发动机结构应该能达到动态平衡，以尽量减少噪音和振动。理论上，能够实现完全平衡的发动机就是两缸发动机；而大的发动机仅需在结构上把这种小发动机连接到一起。在低负荷条件下，发动机的整体（随同其相关的机械损耗）可以在脱离的同时又不会破坏发动机的平衡性。 

对于汽车和轻型飞机来说，尽管运用外部连续燃烧技术（例如斯特林发动机和燃料电池）最终能为汽车和轻型飞机提供低排放且高效的动力，但由 于其在重量、空间、驾驶性能、能量密度和成本上的固有缺点，这些技术仍然不能替代内燃机，对于这些应用领域活塞式内燃机在许多年以内还将是最重要的动力形式。 

当前在汽车市场上四冲程内燃机占主导地位，其通常为四缸直列布置。为了实现发动机做功过程的连续和稳定一般至少需要四个气缸做功，因此就决定了发动机的尺寸和形状会很大，因此极大的限制了工程师在整车内布置发动机位置的选择。这类发动机拥有的较小的气缸对于燃烧的效率或者说对于降低初始气体的排放并不是最佳的设计方案。四缸直列的布置方式对于乘客的驾乘感受也有负面的影响，因其设计带来的运动件不平衡力导致了高的噪音和高的振动幅度。 

长期以来发动机的设计者已经认识到二冲程发动机对于四冲程发动机具有更明显地优势：曲轴每旋转一周每个气缸就有一次做功冲程；所以相比较于四冲程的发动机在相同转速速率下，二冲程发动机输出的功率会是四冲程发动机的二倍。通常气缸数越少机械结构就会越简单而且便于运输。而二冲程发动机相比四冲程发动机不仅结构简单，同时进排气口打开和关闭的机构也非常简单。 

然而，二冲程发动机因为其明显的缺点而限制了它的应用。即二冲程发动机平均有效压力（即，容积效率较差）低于四冲程发动机，因为在每个冲程中都会损失一些有效地燃料混合气用于移除之前做功冲程的燃烧产物（扫气）或者用于助燃空气的补充过程，因此做功冲程会失去这部分燃料提供的动力。扫气是二冲程发动机固有的问题，尤其是当发动机必须在超过某个大范围的速度并在负载的条件下运行时。二冲程压燃式（柴油）发动机还有其它已知的缺点，包括起动性差和高颗粒物排放。 

现代增压和燃油直喷技术可以克服许多二冲程发动机以前的限制，使得两缸二冲程发动机代替四缸四冲程发动机变得可行。假如一个两缸二冲程发动机和四缸四冲程发动机有相同的着火频率。如果二冲程发动机能够提供四冲程发动机2/3的平均有效压力，并且二冲程发动机每个缸的有效容积比四冲程发动机增加50%，那么这两种发动机能够产生几乎相同的输出功率。数量更少但体积更大的二冲程发动机燃烧室在提高燃烧效率和减少初始气体排放上将有更好的表现；二冲程还可以去除像四冲程发动机那样的气阀，因此 允许在燃烧室的设计上拥有更大的灵活性。 

目前生产的发动机已知的缺点是有显著地摩擦损失；因此通过减少这些摩擦损失可以达到提高发动机效率的目的。当前生产的汽车发动机摩擦损失最大的部分来源于旋转的连杆推动活塞在气缸壁产生的侧向力，这部分摩擦大约占整个摩擦损失的一半。这个损失的大小可以用一个关系式来表示：即曲轴曲柄半径r，除以连杆长度l；这个比值通常称为λ。想要减小λ，可以通过增加连杆有效长度或减少曲轴的曲柄半径，这样就可以最大化的降低整体的摩擦损失。 

由于活塞（或者更精确的说是活塞环）和气缸壁接触导致的摩擦损失和活塞相对于气缸壁的平均速度同样有一个对应关系。即在保持同样的功率输出的同时降低活塞的速度，也可以使摩擦损失相应减少。