名称：一种新型内燃机
专利人： 杨维
专利号：201611028343.4
技术领域
本发明属于动力机械领域，具体涉及一种使燃料燃烧的热能转换为动力输出的内燃机。
背景技术
目前，现有技术中将燃料燃烧的热能，以转轴输出动能的内燃机主要有三种，分别是：涡轴式发动机、燃气轮机和往复式活塞发动机。其中，涡轴式发动机和燃气轮机，由于工作效率高，推重比大，输出功率大，多用于大型装备。但这两种发动机的结构复杂，制作难度大，制作工艺复杂，对材质要求高，造价高。
相对于涡轴式发动机和燃气轮机而言，往复式活塞发动机(包括汽油机和柴油机)则具有结构简单，热效率相对较高，尾气与噪音较小并可控的优点，故广泛用于汽车和摩托车。现有的往复式活塞发动机主要包括气缸、主轴(曲轴)、动力输出件(由活塞、曲柄连杆机构和飞轮等构成)、供气机构、供油机构和点火机构(柴油发动机无点火机构)；在做功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，使得曲轴能够向外输出动力。其中的供气机构是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启进气门和排气门，使得可燃混合气或空气进入气缸，使得废气从气缸内排出，实现换气过程。
往复式活塞发动机从十九世纪发明至今，虽经过不断改进，但仍存有以下不足之处：
1、热效率的提升有限。在气缸内，气体的进气容积与活塞的工作容积一样大；这样会导致气缸内混合气体燃烧后产生的膨胀气体所蕴含的能量，还未充分用尽就会从出气口排除，限制了热效率的提升。
2、能量转换过程中有较大的损失。该往复式活塞发动机在运行时：活塞运行至上死点时(此时连杆垂直连接在活塞与曲轴之间)点火器点火引爆气缸内空气与燃油的混合气体，此时气体所含能量最大，但由于此时连杆垂直连接在活塞与曲轴之间，所以，气体膨胀产生的冲击力经活塞、连杆传递至曲轴抵消，故此时不能做有用功，该冲击力作用于曲轴的径向，并使轴承受巨大的径向力，阻止曲轴的正常转动。
3、做功周期长，运行效率不高。该发动机做功一次需四个冲程，即曲轴需要旋转760度才做功一次，故做功周期长，运行效率不高。
4、振动和噪音较大。曲轴在传动时偏振大，故会产生较大的振动和噪音。
以上往复式活塞发动机存有的不足之处，也是本领域长久以来未曾解决的技术难题。
基于此，申请人首要考虑如何提供一种运行时振动更小的内燃机；随后进一步考虑在运行时振动更小的前提下，如何提升内燃机的热效率和运行效率。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种运行时振动更小的新型内燃机。进一步解决的技术问题是：如何提供一种能够在运行时振动更小的前提下，具有更高的热效率和运行效率的新型内燃机。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种新型内燃机，包括缸体、主轴、动力输出件、供气机构、供油机构和点火机构；所述缸体内部具有内腔，所述内腔中设置有与所述主轴传动相连的所述动力输出件，所述主轴用于输出动力；所述供气机构包括进气孔、进气门和排气孔，所述缸体上设置有所述进气孔和排气孔，且所述进气孔处安装有所述进气门；所述供油机构包括固定安装在缸体上的喷油嘴；所述点火机构包括固定安装在缸体上的火花塞；
其特征在于：所述主轴整体为长条形，所述内腔为柱形，所述主轴沿着所述内腔的柱形长度方向贯穿该内腔，并通过轴承连接在所述缸体上，且所述主轴的至少一端位于所述缸体外部并形成动力输出端；所述动力输出件包括设置于所述内腔中的转臂和推力板；
所述转臂整体呈块状，该转臂固定安装在所述主轴上且能够随所述主轴一同在内腔中旋转，所述转臂在主轴逆时针旋转方向上的后侧面为与所述推力板相配合的推进面，且所述推进面整体呈前倾状；所述推力板整体为板状结构，且该推力板的一个板面面向主轴，另一板面面向内腔的侧壁且为能够与该内腔的侧壁相贴合的受力面；所述推力板在主轴逆时针旋转方向的前端通过一根垂直于内腔的端壁且与主轴轴向一致的枢轴铰接安装在内腔中，后端为用于推动转臂的推进面的推进端；
所述内腔的侧壁与推力板的受力面相贴合的位置处内凹形成有供气用凹槽，所述供气用凹槽能够与推力板的受力面共同围成封闭状的燃烧室；所述喷油嘴的喷油口与所述火花塞的点火端均位于所述燃烧室内，所述供气用凹槽的内壁上设置有所述进气孔；所述缸体在主轴逆时针旋转方向上邻近推力板且位于推力板前方的位置处贯穿设置有与大气连通的所述排气孔。
上述新型内燃机在使用时可采用启动机构(内燃机上启动机构的设置为现有技术，在此不作赘述)来启动，所述启动机构包括启动轮(可为齿轮或皮带轮中的任意一种)和启动电机；所述启动轮同轴固定在缸体的内腔外部的主轴上，所述启动轮与所述启动电机之间驱动相连。启动时，开启启动电机，即可使得主轴旋转。
上述新型内燃机启动后，转臂随主轴旋转，且转臂外端可使得推力板回退至推力板的受力面与内腔的侧壁贴合并形成燃烧室，此时，在燃烧室内进气门开启并向该燃烧室供气、喷油嘴的喷油口喷油后；当转臂的顶端随主轴逆时针旋转且刚位于推力板的推进端的前方位置处时(转臂的位置可根据主轴旋转位置来获得)，火花塞的点火端点火引爆燃烧室内的混合气体，并使得混合气体迅速膨胀并作用于推力板的受力面，使得推力板的推进端沿枢轴旋转并同时推动转臂的推进面来使得主轴旋转并向外输出动力。
由上可见，本发明的新型内燃机通过引爆空气与燃油的混合气体产生膨胀气体，来推动推力板来推动转臂和主轴旋转向外输出动力。不同于往复式活塞发动机中主轴为曲轴的结构，本发明中主轴整体为长条形且不会产生曲轴旋转过程因偏振导致的振动，故运行起来振动更小。
与此同时，不同于往复式活塞发动机中采用曲柄连杆机构与活塞配合会使得主轴承受径向压力的情况(详见背景技术)，会导致主轴对强度要求更高，更难制造。本发明的内燃机中，由燃烧室喷出的膨胀气体推动转臂的力始终沿转臂旋转的圆周切线方向，故本发明中的主轴无需承受径向力，故更易满足强度要求，易制造。
作为一种优选方案：所述内腔为圆柱形，所述主轴与所述内腔同轴设置；所述推力板的板状结构整体呈外凸圆弧形状，所述内腔的侧壁内凹形成有推力板用凹槽，所述推力板用凹槽的容腔空间的形状大小与推力板的形状大小相匹配，且该推力板用凹槽中设置有一块所述推力板。
实施上述结构后，推力板能够整体落入推力板用凹槽内；这样一来，即可使得该内燃机整体结构能够为紧凑，利于在保证输出功率的前提下，缩小内燃机的整体体积。
作为一种优选方案：所述推力板的推进端的端面与其正对的推力板用凹槽的侧面为两个相互配合连接的台阶面。
上述两个相互配合连接的台阶面的结构，能够提升推力板的推进端与推力板用凹槽之间的密封效果，从而有效预防燃烧室中空气泄露，提升燃烧室内混合气体的燃烧效率。
作为一种优选方案：所述推力板用凹槽为在所述内腔的圆周方向均匀内凹设置的两个；所述排气孔为设置在所述内腔的端面上且与两个推力板用凹槽中的推力板一一对应设置的两个；所述转臂为在所述主轴的外侧面的圆周方向上均匀设置的两个。
上述两个推力板用凹槽(对应设置有两个推力板、两个燃烧室)和两个转臂的结构，能够在不增加缸体体积的情况下，双倍提升内燃机的输出功率。
作为一种优选方案：所述推力板的轴向长度与所述内腔的轴向长度相匹配；所述转臂在主轴的轴向的两个端面的边缘与内腔的两个端面之间为滑动配合连接，所述转臂在主轴的径向的外端与所述内腔的侧壁之间为滑动配合连接。
实施上述结构后，不仅能够提升推力板与内腔的两个端壁之间的密封性，还能够提升转臂与内腔的两个端壁之间的密封性，以及转臂的外端与内腔的侧壁之间的密封性，从而提升经燃烧室产生的膨胀气体经排气孔排除前所处空间环境的密封性，使得膨胀气体的压力能够充分作用于推力板来向外做功，提升热效率。
作为一种优选方案：上述新型内燃机还包括推进用密封结构，所述推进用密封结构包括密封板和转筒；
在主轴的逆时针旋转方向上，所述推力板的外侧面上位于相邻的所述供气用凹槽的后方位置处外凸形成有一块所述密封板，所述密封板整体为以相邻的枢轴为轴心的圆弧形结构，且该密封板的轴向长度与所述推力板的轴向长度相等；
所述缸体的内壁上对应的设置有能够供所述密封板插入的插口，且所述插口上靠近相邻的所述供气用凹槽的边缘与所述密封板的外侧面之间滑动配合并构成密封结构；
所述转筒整体为设置在所述内腔中且轴向长度与内腔的轴向长度匹配的圆筒状结构，所述转筒同轴固定在所述主轴上；所述转筒的外侧面外凸形成有所述转臂；
所述密封板的弦长大于等于所述转筒的外侧面与所述内腔侧壁之间的距离。
上述推进用密封结构的设置，能够在推力板在绕枢轴旋转并推动转臂的过程中，密封板与插口之间形成滑动密封，有效防止因膨胀的气体进入推力板背侧与推力板用凹槽所围成的空间导致膨胀气体对推力板做功减少的情况发生，提高热效率。
作为一种优选方案：所述缸体内壁上设置与所述密封板相对应的插槽，所述插槽的槽口即构成供所述密封板落入的插口；还包括推力板回位结构，所述推力板回位结构包括设置在所述插槽内的回位拉簧，所述回位拉簧连接在所述推力板的外侧与所述密封板交汇处设置的拉钩以及所述插槽上远离推力板的底面设置的拉钩之间。
设置上述插槽与推力板回位结构后，能够在燃烧室的膨胀气体的完成做功时(膨胀气体从排气孔排除时)，将推力板快速拉回并复位，有效防止高速旋转的转臂与推力板内侧面之间的撞击和摩擦，有效避免因撞击和摩擦造成的功率损耗，并起到保护推力板的作用。
作为一种优选方案：上述新型内燃机还包括推力板锁定结构，所述推力板锁定结构包括设置于所述插槽内的锁块和锁定件，所述密封板的外端处外凸形成有所述锁块；所述插槽内可转动地设置有一根与所述枢轴同轴向的转轴，所述转轴的一端位于所述插槽内，另一端端部可转动贯穿所述缸体并形成转动控制端；所述锁定件为同轴固定安装在所述转轴上的筒状结构，且所述锁定件的外侧面外凸形成有一个锁定部，所述锁定部的表面内凹形成有一个能够供锁块落入并限位的卡接槽。
采用上述推力板锁定结构后，可通过控制转动控制端来控制转轴的旋转，使得转轴上的锁定件在火花塞引爆燃烧时混合气体前解除对锁块的锁定。可见，上述推力板锁定结构的设置，不仅能够预防因燃烧室中通入高压混合气体并将推力板推开的情况，提升燃烧室内的封闭性；还能够在不增加燃烧室容积的前提下提高燃烧室内混合气体的压缩比，使得混合气体膨胀后产生更大的推力。
作为一种优选方案：所述供气用凹槽设置在邻近所述推力板的推进端的位置。
实施上述结构后，可使得由燃烧室内产生的膨胀气体，具有最大的作用于推力板的推力力臂，从而产生最大的推动力矩。
作为一种优选方案：所述燃烧室的容腔为轴向与主轴的轴向一致的圆柱形。
实施上述结构后，这样可使得燃烧室的混合气体在引爆后所产生的膨胀气体的冲击力能够充分作用于转臂，以获得更为理想的热效率(热效率的含义是：有效输出的能量与输入的能量之比)。且当燃烧室为上述圆柱形时，可在排气过程中，使得进气门能够贯穿燃烧室的容腔内来将燃烧室内剩余的废气排出。或在采用柴油作为燃油时，进气门能够完全伸入燃烧室的容腔内来压缩空间，引爆燃烧室内的柴油与空气。
一、本发明的新型内燃机的工作原理说明：
和往复式活塞发动机的工况类似，本发明的新型内燃机也是采用燃烧燃气(油和空气的混和气体)，利用燃气燃烧时膨胀产生的爆炸力，推动推力板使转臂来带动主轴转动，使得主轴向外输出动力。因此，本发明的新型内燃机也有充气加压、燃烧和排气这样一个过程。本发明的新型内燃机可同现有的内燃机一样采用多种燃料(如汽油、柴油、天然气或酒精中的一种)。
本发明的新型内燃机工作原理如说明书附图2a至2e中所示，所有图中标注有A和B为对两个转臂的标记：
当两个转臂处在如图2a所示的位置时，燃烧室内已充满的燃气被点燃，此时燃烧室内一侧膨胀的气体压力大于推力板另一侧的压力，气体推动推力板沿着图中小箭头的方向向内腔运动。在推力板打开的初始阶段，由推力板推动转臂沿逆时针方向转。当推力板转过一定角度后，推力板与转臂分离，此时由燃烧室、推力板、转臂与缸体所围成的密闭空间一侧的气体压力乃大于另一侧空间的大气压力。因此气体继续推动转子沿时针旋转方向转动(图2a中为逆时针方向转动)至如图2b所示位置。
随后，两个转臂继续转至图2c所示的位置时，燃烧室通过排气孔与大气相通，缸体内气体排出后，使得缸体内气压趋近于大气压。
再随后，两个转臂随惯性转到图2d所示的位置时，两个转臂A和B已转动180度，并能够使得推力板回位，燃烧室再次密闭；供气机构、供油机构开始给燃烧室供燃气。
再随后，两个转臂转至图2e所示的位置时，缸内气体继续排气，同时系统继续为燃烧室供气。当两个转臂转过360度后，回到初始状态(图2a)时，进入下一个循环。通过本发明的新型内燃机这样循环往复的工作来使转臂转动带动主轴向外输出动力。
这里值得一提的是，根据设计需要，可让两个推力板同时工作，也可以让两个推力板交替工作并各自负责180度范围内推动工作。本发明的新型内燃机的工作周期为360度。
二、同现有往复式活塞发动机相比较，本发明的新型内燃机的有益技术效果是：
1、机械效率更高：如说明书附图中图3a至3c所示：其中图3a和3b分别为本发明的新型内燃机的工作示意图，3c是往复式发动机的工作示意图。
设图中P是燃气燃烧时产生的对推力板、活塞的正向压力，R为转动半径。从图3a可看到，本发明的新型内燃机在气体点燃瞬间产生的推力通过推力板传递给转臂，对主轴的扭矩N0：N0＝P×R，假定转臂转至此处时，转动惯量产生的扭矩为NX，此时总的扭矩N：N＝N0+Nx。可见本发明的新型内燃机的转臂所受推力是连续的，且产生的扭矩没有损失。
在往复式活塞发动机中，在燃气点燃瞬间，活塞在上死点气体施加的压力沿曲轴径向作用于曲轴，产生的阻力矩Nf，转动产生的惯性力矩Nx，此处总力矩N：N＝Nx—Nf，产生的力矩有损失。
另外，本发明的新型内燃机在整个工作行程中，当膨胀气体接触到转臂后，始终沿着转臂的切线方向，推动转臂转动(如图3b所示)。但往复式活塞发动机在工作行程中，转臂的受力设定为P1：P1＝Pcosαcosβ(如图3c所示)。
从以上分析比较中可以明显看出，本发明的新型内燃机的机械效率高于往复式发动机。
2、工作效率更高：本发明的新型内燃机的工作周期为360度，比往复式活塞发动机的720度的工作周期运快一倍，故具有更高的工作效率。
3、热效率更高：本发明的新型内燃机的结构利于和便于使我们在设计发动机时，将燃烧室产生的膨胀气体用于推动转臂做功的空间容积设置得充分大，且大于供气容积至合理倍数，这样会使气体所含能量能充分发挥，提高热效率。
4、本发明的新型内燃机中主轴设置在发动机的中心位置，这样使得本发明的新型内燃机更便于使用和安装。
5、由于本发明的新型内燃机转臂受力的连续性，低速时不受转矩的制约，故在小功率运行可节省燃油，并减少废气排放。可具备更好的启动性能。
6、燃烧室和排气孔不在一个位置，有自然消声的效果。
7、综和性能较优，且结构较为简化，制造起来更为方便，性价比高，适用大、中和小功率的一款发动机。
