CN1003878B - 往复式内燃机 - Google Patents

Abstract

该机以一种圆柱曲面导槽连杆机构代替传统的曲柄连杆机构，将活塞的往复运动变为旋转运动而输出，它有在气缸内往复运动的活塞，与活塞相联的连杆与圆柱曲面导槽相配合，连杆上还有一个滑块与滑块腔配合，组成圆柱曲面导槽连杆机构。在活塞的两端分别构成一个二冲程内燃机的燃烧室。该机具有扭矩大，振动小，气缸壁磨损小，热效率高的优点。

Description

本发明是关于往复式内燃机，特别是一冲程内燃机的发明.

传统的往复式内燃机，在气缸中燃气产生的爆发压力是通过活塞曲柄连杆机构来转换输出的，曲柄连杆机构在这种内燃机中使用了一百多年。但是它的输出扭矩低，限制了内燃机热效率的提高，活塞受交变的侧向力作用，使气缸壁在一个固定的对径方向磨损大，运转时产生不平衡的力和力矩，振动大，噪音高。

日本公开特许公报JP-特开昭58-65937公开了一种内燃机，它有一个与活塞有关的立体凸轮机构。其中有一个带键的活塞在气缸内往复运动，与活塞成一体的连杆随之作往复运动，及与连杆相配合并将活塞连杆的往复运动转变为旋转运动的立体凸轮导槽。它虽然减轻了气缸壁的磨损，但因其结构简单，转换机构的立体凸轮在某一角度范围内存在着自锁作用，凸轮升角不能太大，相应地减少了活塞的移动行程，这对于降低活塞移动速度是极为不利的，无减振装置在活塞受燃烧膨胀的冲击力时容易使与曲面导槽相配合的滚子断裂。从总体上限制了该机的性能和适用范围。

本发明的目的是，为克服上述用曲柄连杆机构的发动机存在的缺点，提供一种不同于现有技术的改进的内燃机，它以一种圆柱曲面导槽连杆机构代替传统的曲柄连杆机构将将活塞的往复运动转变为连续旋转运动而输出。

本发明的任务是通过以下技术方案来实现的。

在往复式内燃机中，有在气缸22内可往复运动的活塞11，与活塞11相联并随之往复运动的连杆9，及与连杆9相配合并将活塞连杆的往复运动转变为旋转运动的圆柱曲面导槽3，在所说的连杆上还有一个与它相联的滑块10及与之相配合的滑块腔17组成圆柱曲面导槽连杆机构。

该机可以在活塞的一侧或两侧与气缸的端面构成内燃机的燃烧室；它可以分别设计成四冲程、二冲程、一冲程的往复式内燃机。

本发明的往复式内燃机同已有技术相比，具有高度低，输出扭矩大，单位马力重量轻，振动小，气缸磨损小，热效率高的优点。它的另一个优点是，内燃机中的连杆作直线运动而不摆动，可以左右延伸，所构成的各个腔室可供使用，；圆柱曲面导槽的形状、宽度以及曲面升角可以在一定范围内变动，改变行程和扭矩方便。按照单机的原理可以设计成按不同方式组合的各种大小规格的发动机，为摩托车、汽车、船、飞机提供动力。

附图图面说明：

图1是本发明的往复式内燃机的总成剖视图；

图2是圆柱曲面导槽与连杆头部相配合的轴测透视图；

图3是圆柱曲面导槽中心线展开后的平面图；

图4是往复式外圆柱曲面导槽连杆机构内燃机的机构简图；

图5是往复活塞组合式外圆柱曲面导槽连杆机构内燃机的机构简图。

上述各实施例中相同或相似的部件及部位标注同样的符号，说明相同。

图1的最优实施例中描述了一种本发明的往复式内燃机。它有在气缸22内可往复运动的活塞11，与活塞11相联并随之往复运动的连杆9，及与连杆9相配合并将活塞连杆的往复运动转变为旋转运动的圆柱曲面导槽3，在连杆9上还有一个与它相联的滑块10及与之相配合的滑块腔17，圆柱曲面导槽3、连杆9、10和滑块腔17三者组成圆柱曲面导槽连杆机构，在活塞11的两端与气缸22的两端面分别构成一个二冲程内燃机的燃烧室。

上述内燃机的具体结构是：1为机壳体，气缸体护壳2与机壳1相联，机壳1内装有带齿轮30的输出轴和曲面导槽3的转动部件4，输出轴、曲面导槽和转体轴盖5联结在圆柱轴套上成一体，构成转动部件4。转动部件4的左端与机壳体1用径向轴承6和止推轴承7配合。转动部件4的圆柱曲面导槽3采取单件组装，将加工好的两件形状一样的端面轴套凸轮8拉开一定距离后联接在转动部件4的内圆柱面上，形成一个连续的圆柱曲面导槽。带孔的转体轴盖5联接在转动部件4的右端，使转体内成为一个完整的腔室。连杆的形状成“干”字型，由带“T”型的连杆轴9联接滑块10组成，延伸的连杆9与活塞11联接在一起作往复运动，相互不发生转动和位移。“T”型头部导入导槽3的轴头13加滚针轴承，以减小轴头在导槽中运动传递扭矩时所产生的摩擦力。

连杆穿过转体轴盖5，止推轴承14、径向轴承15进入滑块腔17，安装轴承15的腔隔盖16与机壳1联接在一起，转体轴盖5的轴颈通过轴承15与腔隔盖16配合。滑块腔17是一个封闭腔与机壳1联接，它有两个供往复滑动用的平行平面。连杆上的滑块与腔配合良好，滑块在腔内滑动而不能转动，连杆与滑块在腔内往复滑动成为“干”字型连杆平衡扭矩的支承端，“T”型头部在圆柱曲面导槽内移动产生扭矩的转动端。

滑块后部的连杆轴接着穿过与机壳联接的腔隔盖12(或叫气缸盖)上的轴承进入气缸22与活塞11联接，活塞的往复运动形成左右气缸，气缸两端的腔隔盖12、28上设火花塞23(柴油机装喷油器)。扫气孔24和排气孔25设置在气缸中间，分别对左右气缸换气。排气道26接排气管或接消音器。

活塞由多个零件组成，与连杆联接承受气体压力，活塞有内腔，一方面减轻重量，另一方面供润滑冷却液循环。活塞环采用四环，左右最外边的两环作气环，中间两环作油环。

连杆轴继续延伸穿过与机壳联接的腔隔盖28上的轴承进入储油室27，储油室和气缸外面是冷却室29，气缸采用水冷，单机亦可以采用风冷。连杆与腔隔盖上的连杆孔之间的密封，是通过相嵌在腔隔盖上的“孔环”的内圆与连杆外圆面密合来实现的。

图2的轴测透视图形象地描述了圆柱曲面导槽的形状及与连杆配合的状态，圆柱曲面导槽的两个波峰和两个波谷对称地分布在轴套的内圆柱面上，是一个连续的曲面导槽，其中心线平面展开后是两个周期的曲线，如图3所示。连杆头部滚柱对称地导入对径的导槽中，连杆的中心线与曲面导槽轴套的中心线重合，连杆沿中心线作往复运动，导槽的波峰是其上止点，波谷是其下止点，两滚柱在对径的导槽中滚动，形成圆柱曲面导槽与连杆的相对转动，限制任意一端的转动使其成为扭矩的支承端，另一端则成为转动输出端。

图1中是用滑块10和与之相配合的滑块腔17与机壳联接来限制连杆转动的，另一端用轴承与机壳配合成为转动输出端。

这样，燃气在左右两端气缸中燃烧膨胀，产生的爆发压力驱动活塞连杆作往复运动，带动滑块在滑块腔内滑动和连杆头部在圆柱曲面导槽内滚动，从而驱动转动部件转动，由齿轮输出扭矩。

图3是圆柱曲面导槽中心线平面展开后两个周期的曲线，它实用于小的圆柱体，对于大圆柱体，曲面导槽的中心线的周期数可以是2、4、8、16……即按2^1+X公式选择，式中X为零或自然数。在往复式内燃机中，优先选用X＝0的曲线。

上述形状的曲面导槽可以制造在内圆柱面上，也可以制造在外圆柱面上。

图4的实施例描述了往复式内燃机的圆柱曲面导槽连杆机构的曲面导槽制造在外圆柱面上，在这种机构中，有在气缸22内可往复运动的活塞11，与活塞11相联并随之往复运动的连杆9，在连杆9上有一个与它相联的滑块10及与之相配合的滑块腔17，及与连杆9相配合、并将活塞连杆的往复运动转变为旋转运动的带外圆柱曲面导槽3的转体4组成圆柱曲面导槽连杆机构，在活塞的两侧与气缸的两端面分别构成一个二冲程内燃机的燃烧室。

外圆柱曲面导槽转体4的中心线与连杆9的中心线处在，同一条轴线上，连杆头部作如图的改进，延长连杆滑动支承面31，受气缸22中活塞11的驱动，燃气产生的爆发力推动活塞连杆作往复运动而不作转动，连杆9的头部滚柱人圆柱体的对径上与曲面导槽3相配合并在其中滚动，从而驱动转体4转动而输出扭矩。

图5给出的是往复活塞组合式外圆柱曲面导槽连杆机构内燃机。在这种机构中，有两个由同一个滑块10驱动的制有圆柱曲面导槽3的圆柱体4。连杆左右延伸与对置的两活塞相联，它有在气缸22内可往复运动的活塞11，与活塞11相联并随之往复运动的连杆9，在连杆9上有一个与它相联的滑块10及与之相配合的滑块腔，及与连杆9相配合、并将活塞连杆的往复运动转变为旋转运动的两个外圆柱曲面导槽转体4，组合成圆柱曲面导槽连杆机构。该机同样可以在活塞的一侧或两侧与气缸的端面形成内燃机的燃烧室，可以分别设计成四冲程、二冲程或一冲程的往复式内燃机。

连杆9是一个组合连杆，它实际上是由图4中的两件连杆组合而成。连杆的中心线与两圆柱曲面导槽转体的中心线互相平行，燃气产生的爆发压力推动活塞作往复运动，与活塞相联的组合连杆9随活塞作往复运动而不作转动，滑块两侧的连杆头部滚柱分别在导槽3中滚动，从而驱动两转体4转动而输出扭矩。

本发明的往复式内燃机中的圆柱曲面导槽连杆机构，不仅可以代替现有内燃机的曲柄连杆机构，还可以做为一种将往复运动转变为连续旋转运动的机构用到其它机械上。

本发明的往复式内燃机可以采用气口横流式换气、回流式换气、直流式换气或气阀换气，起动或驱动活塞连杆机构的力除了飞轮的惯性力外，还可以用气体压力，液体压力和电磁力。

本发明的进一步改进是；将滑块的左右腔设计成扫气泵；采用气口横流式换气，如图1和图4所示。在滑块腔17两侧通过进气孔18和出气孔19与滑块腔外的进气道20和扫气道21相通，进出气孔18、19上装有反向的簧片阀，进气道20和扫气道21分别接通汽化器和气缸的扫气口24，活塞处于左、右止点附近时才开始排气和扫气。

往复式内燃机采用气口横流式换气时，其工作循环按换气(进气和排气)、压缩、燃烧膨胀的次序工作。

往复运动的滑块把经汽化后的燃料混合气由进气道左右簧片阀吸入滑块左右腔，左腔吸入，右腔压出；右腔吸入，左腔压出，滑块将腔内的新鲜混合气经对径上的另外两上簧片阀压入扫气道，由于活塞离开左右止点后将扫气口封闭，新鲜混合气在扫气道中成压缩状态暂存，活塞的每一冲程扫气道中都提前准备好了新鲜压缩混合气。

当活塞处于接近右止点时，火花塞点燃右缸被压缩的新鲜混合气，活塞在燃烧膨胀的气体压力作用下，从右止点向左止点移动(完成右缸作功，左缸压缩和右缸的换气过程)。活塞向左移动关闭气缸上的排气孔、扫气孔后，左缸的新鲜混合气被压缩，同时滑块右腔吸入新鲜混合气、左腔将新鲜混合气压入扫气道暂存，待到活塞行到接近左止点时，排气口开始排气，废气由排气孔25经排气道26排入大气，或者经消音器后再排入大气，接着活塞打开扫气孔，新鲜混合气即充入右气缸，在扫气流作用下，废气继续排出。当活塞到达左止点后，火花塞点燃左缸的压缩混合气，活塞在左缸燃烧膨胀的气体压力作用下，再向右止点移动时，于是开始了一个新的工作循环。如此周而复始，使发动机连续地输出功率，活塞往复运动四次(或四个冲程)，完成四个工作循环，作功四次输出齿轮转动一周。

由于左缸(或右缸)的燃烧膨胀冲程同时又是右缸(或左缸)的压缩冲程，右缸(或左缸)的燃烧膨胀冲程同时又是左缸(或右缸)的压缩冲程，换气过程不单独占冲程，活塞往返都作功。也就是说它实现了将二冲程发动机的压缩，燃烧膨胀两冲程重叠为一个冲程。这样，在一只气缸里一只活塞作往复运动的内燃机中，实现了活塞每一冲程都作功，接循环方式称其为一冲程内燃机。

往复式内燃机的组合和气缸布置。为了获得大的动力，可以根据单机的原理将连杆延伸制成多级气缸，但它受到“干”字型连杆强度的限制。还可以将几个单机组合在一起，排列组合可以是横(径)向或纵(轴)向排列方式将单机组合成多缸机，或整体制成多缸机，即一个气缸体内含有多个气缸。

横向排列时最好成圆周布置，这样可以使单个扭矩输出齿轮与动力齿轮直接齿合。多缸发动机采取整体铸造，但是加工和装配方面都比较复杂。

往复式内燃机的润滑与冷却。润滑冷却系通过供油泵的综合设计使发动机充分发挥功能，能量得到充分利用。它吸收了复合润滑系中压力润滑可靠和掺油润滑中没有专门的机油泵的优点。同时避免了它们的缺点，实现了没有专门的机油泵的压力润滑和对活塞连杆轴的冷却功能。

它的润滑冷却的技术方案是：在连杆上设柱塞及与之相配的柱塞套。将润滑冷却液通过连杆中心纵孔压到各需要润滑和冷却的部位。从图1中可见到部分结构，它是在连杆上设柱塞，在圆柱曲面导槽转体内腔两端设与之相配的柱塞套。油泵的结构原理与柴油机柱塞式喷油泵相似，柱塞上有轴向孔和径向孔，连杆轴心设纵孔，柱塞的轴向孔与连杆纵孔之间设油阀，柱塞的圆柱表面有斜槽。在柱塞套上开有两圆孔与低压油腔相通。“干”字型连杆往复运动到止点附近时才泵油，同时对活塞连杆机构的惯性起部分缓冲作用。高压油经阀门，连杆轴心上纵孔，通过油孔润滑滑块，流入活塞内腔对活塞冷却通过活塞上的油孔对气缸壁润滑，润滑油经过活塞后再经轴心纵孔流入储油室。润滑油在储油室得到冷却后在压力作用下经油管进入各个轴承，最后流入转体4的外腔，经油孔回到转体4的内腔，完成一个循环，不断的油循环对滑块、活塞、轴承、连杆轴进行润滑，同时又对连杆轴和活塞冷却。

这样，这种泵油循环系统完成了三种功能。一是循环润滑，二是循环冷却，三是实现对活塞连杆机构运动惯性的部分油压减振。

Claims (8)

1.往复式内燃机，有在气缸内可往复运动的活塞，与活塞相联并随之往复运动的连杆，及与连杆相配合并将活塞连杆的往复运动转变为旋转运动的圆柱曲面导槽机构，其特征在于：在所说的连杆上还有一个与它相联的滑块及与之相配合的滑块腔组成圆柱曲面导槽连杆机构。

2.按照权利要求1的内燃机，其特征在于：所说活塞的两端与所说气缸的两端面分别构成一个二冲程内燃机的燃烧室。

3.按照权利要求1或2的内燃机，其特征在于：所说的圆柱曲面导槽连杆机构中的导槽是制在内圆柱面上、周期为2^1+X的波形导槽，式中X为零或自然数。

4.按照权利要求1或2的内燃机，其特征在于：所说的圆柱曲面导槽连杆机构中的导槽是制在外圆柱面上、周期为2^1+X的波形导槽，式中X为零或自然数。

5.按照权利要求4的内燃机，其特征在于：所说的圆柱曲面导槽连杆机构中，有两个由同一个滑块驱动的制有圆柱曲面导槽的圆柱体。

6.按照权利要求2的内燃机，其特征在于：所说滑块腔两侧通过进气孔和出气孔与滑块腔外的进气道和扫气道相通，进出气孔上装有气阀，进气道和扫气道分别接通汽化器和气缸的扫气口。

7.按照权利要求2的内燃机，其特征在于：用横(径)向或纵(轴)向排列方式将单机组合成多缸机或整体制成多缸机，即一个整体气缸体内含多个气缸。

8.按照权利要求2、6或7的内燃机，其特征在于：在连杆上设柱塞，及与之相配的柱塞套，将润滑冷却液通过连杆中心纵孔压到各需要润滑和冷却的部位。

Images