四沖程發(fā)動機

技術背景

汽車發(fā)明到現(xiàn)在，已經(jīng)有一百多年的歷史了，但四沖程發(fā)動機技術，始終未有大的改變，從機械方面來講，也就單缸氣門數(shù)由兩個增加到四個，還有就是渦輪增壓的引入，無論怎么改變，發(fā)動機始終由活塞，連桿，曲軸等主要部件組成。這種發(fā)動機主要存在以下問題：

1，燃燒效率低

四沖程(包括兩沖程)發(fā)動機在燃燒做功后，在排氣沖程結束時，由于殘留廢氣不能完全排出，殘留的氣體體積約占氣缸體積的十分之一(這個與壓縮比有關，一般發(fā)動機的壓縮比在10左右)，此時的壓力為P＝0.105～0.115Mpa，而在接下來的吸氣沖程時，最終吸氣壓力P＝0.075～0.09Mpa，而殘留氣體在和吸入的混合氣體混合后，壓力變小，在此壓力下的體積會變大，將達到10％x0.105/0.075＝14％左右。由于廢氣在燃燒后，其中的氧氣成分基本為零，這樣混合氣體中的氧氣含量從正常的21％會降到21％x(100％-14％)＝18％左右，由于氧氣含量在氣體燃燒時，對燃燒溫度，氣體膨脹倍數(shù)，速度有明顯的影響(此結論很多實驗已經(jīng)證明，并且在實際中確實如此)，從而降低了燃燒效率，也就降低了發(fā)動機的扭矩，減小了功率，發(fā)動機比較費油。

另一方面，從尾氣來講，燃燒時氧氣含量越高，尾氣中的CO和HC的濃度就顯著降低，對環(huán)境會帶來很大的改善。

2，壓縮比低

上面提到在混合氣體中，由于存在殘留氣體的影響，殘留氣體此時的溫度很高，為900～1200K，約為627～927℃，混合氣體溫度最終為100～130℃，在如此高的進氣溫度下，發(fā)動機的壓縮比不能太高，太高就會爆震，目前壓縮比基本都在10～11之間，壓縮比低，第一影響混合氣體中油氣之間的致密度，從而影響燃燒效率，混合氣體在爆炸時，就不能產(chǎn)生很大的沖擊力，扭矩也就不能再提高了，也就影響了功率。

以上兩點，都是說明了殘留氣體對燃燒的有害影響。

技術實現(xiàn)要素：

對現(xiàn)有四沖程發(fā)動機結構的改進，從而提高燃燒效率，提高壓縮比，減少尾氣排放。

第一改進了活塞形狀，外形形狀吻合氣缸頂端，用來驅(qū)氣。

第二增加了排氣曲軸，安裝在動力曲軸上，而連桿安裝在排氣曲軸上，動力曲軸做大的圓周運動，排氣曲軸在自己的半徑上做小的圓周運動，使得活塞的行程在四個行程時不是固定不變的，而是可以調(diào)節(jié)的，在排氣時，活塞上升到氣缸的最頂部，以用來達到徹底排出殘留廢氣。

第三改進了動力曲軸，以適用于改進后的發(fā)動機結構，來傳遞動力。

附圖說明

圖1是改進后的活塞，它和一般的活塞的區(qū)別就是活塞上部的形狀不同，頂端吻合氣缸頂部，當活塞被推到氣缸最上部時，能將廢氣全部排出。

圖2是增加的排氣曲軸，安裝在動力曲軸上面，用來徹底排氣。

圖3是改進后的動力曲軸，增加了三個支撐桿，它是緊密的套在動力曲軸上面的，其作用是固定動力曲軸，讓同一氣缸的動力曲軸兩邊轉(zhuǎn)動臂同步，將動力傳到主軸上。

圖4是活塞，連桿，排氣曲軸，動力曲軸組裝在一起的結構。

圖5是發(fā)動機在工作時，四個沖程中，動力曲軸，排氣曲軸的位置。

具體實施方案

本發(fā)明改進的目的，就是要在發(fā)動機排氣完成后，將燃燒產(chǎn)生的廢氣徹底排出去，能夠?qū)嚎s比顯著提高，這也是汽車制造廠家一直以來夢寐以求的目標。

本發(fā)明對現(xiàn)有發(fā)動機進行三處改動。

第一改動的是活塞，改進后的活塞與氣缸頂部內(nèi)壁吻合，以達到能將廢氣全部排出的目的。

第二就是每個連桿上增加一個排氣曲軸，排氣曲軸安裝在動力曲軸上，第一隨著動力曲軸做大的圓周運動，同時自己也在做小的圓周運動，而連桿安裝在排氣曲軸上，其作用就是在排氣過程中，當活塞從最下開始向上運動，過了中間點時，速度開始降低，由于慣性，加上排氣曲軸的離心力，排氣曲軸最終會被推到自己運動半徑的頂部，從而把活塞推到氣缸的最頂部，將殘留氣體全部排出去。另外，排氣曲軸的半徑，在壓縮沖程時，由于最終處于自己圓周的底部，而留給了混合氣燃燒的空間，所以這個半徑就決定了發(fā)動機的壓縮比。

第三，由于增加了排氣曲軸，原來的動力曲軸已經(jīng)不能使用，所以也對動力曲軸做了改進。增加了三個支撐桿，動力曲軸是套在支撐桿內(nèi)，接觸面通過潤滑油潤滑，其作用是第一支撐動力曲軸，第二讓動力曲軸的動力能夠傳遞，第三讓排氣曲軸兩邊的軸保持同步。

下面就四個沖程的運動情況做以說明，見圖4。

吸氣沖程：在排氣終了時，吸氣沖程開始，此時排氣曲軸在自己圓周的頂點，也就是活塞在氣缸的頂部，活塞向下運動，直到吸氣終了，此時排氣曲軸由于離心力和慣性作用，在自己圓周的底部，吸氣沖程結束。

壓縮沖程：壓縮沖程開始，活塞從下向上運動，此時排氣曲軸在自己圓周的底部，隨著混合氣體的壓力不斷增大，排氣曲軸的離心力無法克服混合氣體大的壓力，而被壓在自己圓周軌道的底部，而當動力曲軸轉(zhuǎn)到頂部時，留下需要燃燒爆炸的燃燒室，這個的大小是由排氣曲軸的半徑?jīng)Q定的，半徑的大小同時也覺得了壓縮比的大小，此時壓縮沖程完成。

做功沖程：當活塞到達頂部，火花塞點火，氣體爆炸，活塞向下做功，此時排氣曲軸由于爆炸的巨大推力，處在自己圓周運動的底部，一直到活塞到達下至點，做功沖程結束。

排氣沖程：活塞由下向上，排氣氣門打開，排氣開始，此時排氣曲軸處在自己的底部，當活塞經(jīng)過中間點后，活塞減速，排氣壓力大幅降低，由于慣性作用，再加上排氣曲軸的離心力，排氣曲軸逐漸向上運動，并且在廢氣壓力小于離心力后，排氣曲軸運動到自己的頂部，而把活塞推到氣缸的最頂端，從而將全部的殘留氣體排出。

先計算活塞減速需要的力，根據(jù)動能定理，F(xiàn).S＝1/2mv²，假如活塞2kg，怠速800rpm，從中間點減速到活塞到達頂部停止的時間是1/800/60/4＝0.018秒，速度v＝800/60x2πx0.05＝4.18m/s，所以F＝970N，97kg。而根據(jù)離心力的公式F＝mv²/r，假如排氣曲軸1Kg，動力曲軸的運轉(zhuǎn)半徑是5cm，在最小轉(zhuǎn)速怠速時，RPM＝800，也就是速度v＝800/60x2πx0.05＝4.18m/s，其離心力就是F＝350N，35kg，兩種同向的力合成后是97+35＝132kg，這是怠速運轉(zhuǎn)的作用在連桿上向上的力，當發(fā)動機在行駛時，這種力隨著轉(zhuǎn)速成幾何數(shù)增長。而由于殘留氣體在排氣終了前的壓力很小，只有0.105～0.115mpa，考慮到活塞截面積，一般是50cm²，所以氣缸在排氣結束前的壓力也就0.105Mpa，約1.05kg/cm²，乘以截面積，也就50kg多點，所以當活塞在排氣終了前，132kg遠大于50，排氣曲軸肯定會提前到達它的圓周頂點，從而活塞就能完全擠出廢氣了。