CN1005007B - 摆动活塞内燃发动机-四缸发动机 - Google Patents

Abstract

摆动活塞内燃发动机－－四缸发动机，包括曲轴、连杆、摆动活塞、气缸体等主要零件，一个摆动活塞和气缸形成四个工作气缸，气缸体采用水冷，摆动活塞采用水冷或油冷。新机型功率大、重量尺寸小、结构筒单、制造成本低、经济性好。新机型工作可靠，运转性能好，零件受力、受热情况良好，曲轴输出力矩均匀、功率范围广，可从小功率摩托车到万吨级船用主机，大功率采用多个摆动活塞串联布置，可制造汽油机、煤气机、柴油机、压缩机。

Description

摆动活塞内燃发动机-四缸发动机

本发明根据国际专利分类表属于FOC9/00有摆动活塞机器或原动机。

在已有技术中美国专利US3338137，公开日1965年7月26日。西德专利DE3020499，公开日1981年12月17日。以上专利均为四连杆曲柄摆杆机构。其中美国专利US3338137图16中公开了一种与本发明相似的结构，两者的不同之处主要在活塞和燃烧室结构、配气机构上;西德专利DE3020499与本发明相比不同之处在活塞和燃烧室结构、配气机构以及传动机构上。

美国专利US3338137图16机型为单曲柄、单连杆、摆动活塞为两个同心圆弧相连的活塞，构成两个工作气缸，气缸采用沿轴向的气口回流扫气，当活塞至下始点时气口打开进行换气，所以这一机型为商缸两冲程气口回流扫气汽油发动机，用火花塞点火。这一专利从结构上讲可以正常的发出功率但存在如下的缺点：

1.摆动活塞为两个左右活塞下部相连成一整体，连接部分为承受弯曲力矩的悬臂梁，受力情况严重，易于发生疲劳断裂。

2.摆动活塞结构复杂，体积大，缸体内空间未得到充分的利用，影响了发动机单位容积下功率的提高。

3.上述结构只可以设计成二缸二冲程气口回流扫气发动机，发动机换气需配置扫气泵，经济性低于具有自吸能力的四冲程发动机。

在已有技术中西德专利，专利号3020499，为四连杆曲柄摆杆机构，这专利是四缸四冲程内燃发动机，一个摆动活塞形成四个工作气缸，采用顶置式气门，每侧二个气缸共用一根凸轮轴控制气门的开闭，曲柄连杆机构设置在机体外部的一侧，这专利存在如下的问题：1.曲柄连杆机构设置在机体的外面，造成外型尺寸大，受力情况恶化;2.气门由凸轮轴凸轮直接顶起，安装和调整困难，气门杆受到侧压力，造成气门杆和气门导管间的磨损。

本发明的目的是：

充分利用发动机壳体内空间，尽量减小摆动活塞所占的容积，使单个摆动活塞形成四个工作气缸，从而大幅度提高发动机的容积功率。

本发明的主要技术特征即发明内容是在于气缸体以及摆动活塞的结构，所述气缸体由圆柱形腔体及与＊相接的长方形腔室、底座构成，圆柱形腔室上对称地形成朝向其中心的凸起部分，每个凸起部分两侧都设有凹入的燃烧室及配气机构，所述活塞由绕上述腔体转动的圆柱面及其上的三个悬伸板构成，圆柱面与上述凸起部分的顶端构成滑动配合，而悬伸板分别安置于上述凸起部分的左、右，并与圆柱形腔体内表面构成滑动配合，这样气缸体与活塞相配合构成了A、B、C、D四个工作缸，左、右悬伸板之一的下方带有一个连杆销座，通过销及连杆与安置在长方形腔中的曲轴连接。

摆动活塞悬伸板和气缸头在构成气室的相对应工作平面上，分别开有燃烧室。曲柄、连杆机构对称布置在发动机机体内，实现单连杆单曲柄控制四缸的工作，摆动活塞的结构保证了发动机可在缸体内采用多种气门或气口的换气结构。并可采用多个摆动活塞串联布置，多连杆、曲轴多曲柄的机构。燃烧室因不同的换气方式而采用不同的结构。采用侧置式气门的换气结构，火花塞布置在排气门上方，以排气门上部空间和排气道为燃烧室;对顶置式气门的换气结构，燃烧室对称布置在气缸体进排气门之间和摆动活塞上;对二冲程气口换气结构。燃烧室对称相应布置在气缸体和摆动活塞上。

摆动活塞上布置径向和端面密封，用板弹簧向外弹出。密封条和缸体内圆弧和端面保持接触，可多道布置。径向密封〔7〕和端面密封〔8〕交接处用向外弹出的圆柱体〔9〕来进行交接，交接处留有少量的热膨胀间隙。图中用符号E表示的密封段结构，为圆弧段中加工出矩形齿和摆动活塞中相应的圆弧段矩形槽相滑配，并用板弹簧轴向弹出，其结构示于图五中〔18〕。

摆动活塞可采用两种不同的方式来支承，支承方式一，摆动活塞中镗有内孔，镗孔中装配用锡青铜制造的轴衬，然后滑动套合在45号铬钢制造的光轴上，此光轴安装紧固在左右缸体相应的镗孔中，使摆动活塞往复自由摆动。支承方式二：摆动活塞两端伸出轴颈，用安装在左右缸体相应镗孔中的滑动轴承支承。

摆动活塞可采用油冷或水冷结构：按摆动活塞支承方式一，采用的是油冷结构。冷却滑油从支承摆动活塞的圆柱轴孔中通入（此圆柱配入左右缸体的镗孔并轴向一端用凸缘一端用螺帽压紧）。滑油从支承轴的径向孔中流出，用于润滑支承轴和摆动活塞钢衬。滑油的一路在摆动活塞内冷却通道中流过，冷却摆动活塞传出的热量，防止密封弹簧的过热失效，滑油最后从摆动活塞中排出。滑油的另一路从活塞上连杆销支承座流入连杆销中心孔，再冷却和润滑连杆小头，通过连杆中心孔冷却和润滑连杆大头，完成整个冷却和润滑工作。

按摆动活塞支承方式二，采用的是水冷却结构。摆动活塞二端伸出轴颈，摆动活塞轴心从两端镗有内孔，两孔不通但分别和摆动活塞中的冷却水道相连通，一端用铜管输入冷却水，冷却摆动活塞后冷却水从另一端铜管中排出。输入和输出的水管用橡胶水封密封，橡胶水封外圈固紧于摆动活塞两端的内孔中，输入和排出水管固定在左右缸体盖板中。

采用上述结构的摆动活塞可以达到发明目的中的各项要求：

1.可构成多种型式的四缸发动机，新发动机结构紧凑具有功率大重量尺寸小的特点，相应的技术指标大大超过了往复式内燃发动机。

2.摆动活塞是新机型的核心，具有结构紧凑，加工容易，各部分具有足够的强度，保证了发动机运转的可靠性。摆动活塞往复摆动的线速度在往复式发动机活塞线速度的范围内，摆动活塞又不和缸体相接触，气缸衬的磨损低于往复式发动机，机械效率也高于往复式内燃发动机。其他主要运动件曲柄、连杆均可利用往复式发动机近百年来的经验进行设计。

3.摆动活塞外部采用多道面接触的密封条，径向密封〔7〕和端面密封〔8〕用向外弹出的圆柱体〔9〕来进行交接，密封情况良好。摆动活塞内部采用强制循环的水冷或油冷结构，这优于往复式内燃发动机，因往复式内燃机的活塞难于实行强制冷却，摆动活塞这一优点使新机型可以向大功率、高压比、高效率方向发展。

4.摆动活塞可进行静平衡和动平衡，从而整个发动机的惯性力和惯性力矩可做到安全平衡，从而保证了发动机运转的平稳性。往复式发动机高阶惯性力难于做到完全平衡，因而始终存在着振动源。

5.往复式发动机横向拍击是主要噪声源之一，摆动活塞发动机中摆动活塞用滑动轴承支持，摆动活塞和气缸体不相接触，从而降低了噪声也提高了机械效率。

6.摆动活塞发动机一个摆动活塞形成四个气缸，代替了往复式发动机四个活塞的作用，同样摆动活塞发动机一个连杆和曲柄代替了往复式发动机四个连杆和曲柄的作用，从而大大的简化了结构。同一摆动活塞控制了四个缸的工作，直接以有效功对外输出，摆动活塞又起到类似于飞轮（贮能器）的作用，这使连杆和曲轴受力均匀（滤掉了高峰压力），曲轴输出力矩均匀，而且还大大的提高了机械效率。

7.摆动活塞的结构特点保证了发动机可采用多种型式的气门和气口结构，并保证了曲柄连杆机构能对称布置在缸体内，从而使新发动机能发展成多系列的机种，并可发展成多个摆动活塞串联布置的多缸发动机。

8.摆动活塞的结构特点，使发动机适应于各种换气型式的燃烧室得以妥善的进行设计。

对照附图本发明主要有以下几种机型，其中：

图1是四冲程汽油、天然气或煤气机的横剖面图;

图2是四冲程柴油机横剖面图;

图3是二冲程柴油机横剖面图;

图4是本机多个单元串联布置的轴测图;

图5是摆动活塞的结构图;

1.侧置式气门摆动活塞单连杆四缸四冲程内燃发动机。如图一其中：〔1〕-曲轴;〔2〕-连杆;〔3〕-摆动活塞;〔4〕-气缸体;〔5〕-凸轮轴;〔6〕-气门;〔7〕-径向密封条;〔8〕-端面密封条;〔9〕-端面密封小圆柱;〔10〕-气门挺柱;〔11〕-火花塞;〔12〕-平衡块。

发动机采用侧置式气门，主要零件为缸体、摆动活塞、连杆和曲轴。

发动机缸体为两个圆弧形交接的中间壳体和左右壳体。中间壳体上有两缸分隔的气缸头，气缸头的安装是在中间壳体内孔，镗孔和磨光后用螺钉、定位销和中间壳体按图一中所示位置固紧。左右壳体相应的镗出摆动活塞和曲轴轴承座孔。左中右气缸各孔在镗床上一次镗出，中间壳体两侧布置侧置式进排气门，每边二个进气门，二个排气门，一对进排气门控制一个气缸的工作，另一对进排气门控制另一气缸工作，气门座孔从垂直方向向下镗出，每一气门上部有一盖板，打开此盖板，可放进和取出气门，进行研磨气门座等工作。每侧气门用一凸轮轴驱动，凸轮通过挺杆推动气门作往复运动。调整挺杆长度，可改变气门的开度，为调试时能任意改变凸轮角度，采用装配式活动凸轮，每一凸轮两侧面有36个齿，每次调整可改变10度。气缸、摆动活塞材料为球墨铸铁，连杆、曲轴和凸轮轴用45号铬钢制造。火花塞布置在排气门上盖板中，燃烧室布置在排气门上空间和排气通道中。

摆动活塞中镗有内孔，镗孔中装配用锡青铜制造的轴衬，然后滑动套合在45号铬钢制造的光轴上，使摆动活塞能往复自由摆动，摆动活塞和气缸头之间形成四个工作气缸，通过单曲柄连杆机构控制四缸的工作，摆动活塞上布置径向和端面密封，用板弹簧向外弹出。密封条和缸体内圆弧和端面保持面接触，可多道布置。径向密封和端面密封交接处用向外弹出的圆柱体来进行交接，交接处留有少量的热膨胀间隙。图一中用符号E表示摆动活塞未能完全密封的一小段，在此段中用左右缸体向摆动活塞弹出的小圆柱来密封。

摆动活塞可采用油冷或水冷结构，图一采用的是油冷结构（在柴油机方案中介绍摆动活塞的水冷结构）。冷却滑油从支承摆动活塞的圆柱轴孔中通入（此圆柱配入左右缸体的镗孔并轴向一端用凸缘，一端用螺帽压紧）。滑油从支承轴的径向孔中流出，用于润滑支承轴和摆动活塞铜衬。滑油的一路在摆动活塞内冷却通道中流过，冷却摆动活塞传出热量，防止密封弹簧的过热失效，滑油最后从摆动活塞中排出。滑油的另一路从活塞上连杆销支承座流入连杆销中心孔，再冷却和润滑连杆小头，通过连杆中心孔冷却和润滑连杆大头，完成整个冷却和润滑工作。

曲轴两边用滑动轴承或滚动轴承支承，曲轴上布置平衡块，整个曲轴和摆动活塞分别进行静平衡和动平衡，曲轴功率输出端安装飞轮和连轴节，另一端安装控制凸轮轴的正时齿轮，左中右气缸体分别铸有冷却水道，缸体内布置有可调换的气缸衬。密封件和气缸衬用耐磨和有润滑性的材料制成。

2.采用挺柱摇臂顶置式气门摆动活塞单连杆四缸四冲程内燃发动机，如图二，其中：

〔1〕-曲轴;〔2〕-连杆;〔3〕-摆动活塞;〔4〕-气缸体;〔5〕-凸轮轴;〔6〕-气门;〔7〕-径向密封条;〔8〕-端面密封条;〔9〕-端面密封小圆柱;〔10〕-气门挺柱摇臂;〔13〕-射油嘴;〔14〕-冷却水道。摆动活塞四冲程柴油发动机主要件为缸体、摆动活塞、连杆、曲轴，气门等和图一相同。其不同点在于摆动活塞式四冲程柴油机压缩比增加，采用喷油嘴射油，燃烧室也根据燃烧柴油而有各种形式。发动机采用顶置式气门，用凸轮、顶杆、摇臂来控制气门的开闭。

在这机型中气缸头可和中间壳体整体铸造加工而成。图二中为装配式气缸头，中间壳体内圆弧仍可用镗床加工，其加工工艺在零件设计中已给予考虑。燃烧室对称布置在气缸体进排气门之间和摆动活塞上。

摆动活塞柴油机，采用气缸水冷却，摆动活塞水冷或油冷，图二为摆动活塞水冷却的结构形式。气缸中铸有冷却水道，摆动活塞二端伸出轴颈，用滑动轴承支承。摆动活塞中心从两端镗有内孔，两孔不通，但分别和摆动活塞中的冷却水道相连通，一端用铜管输入冷却水，冷却摆动活塞后从另一端排出。输入和排出的水管用橡胶水封密封，橡胶水封外圈固紧于摆动活塞两端的内孔中，输入和排出水管固定在左右缸体盖板中。

润滑情况，摆动活塞两端用润动轴承支承。从左右缸体通入压力油进行润滑，润滑后的滑油在两边排出，如曲轴采用滚动轴承，此油可用管子引到滚动轴承处用作润滑，并可用于润滑固紧于曲轴上的正时齿轮。如曲轴用滑动轴承，需另从左右缸体中引入压力油润滑。曲轴和曲柄轴颈和连杆大小头轴承的润滑，从曲轴中引入压力油，一部分润滑曲柄轴承，一部分从连杆中心孔中引入连杆小头，用作冷却和润滑。

摆动活塞的结构及其密封，其本上图二和图一相同，这里不再详述。

3.不用气门改用气口的摆动活塞单连杆四缸二冲程气口回流气内燃发动机，如图三，其中：

〔1〕-曲轴、〔2〕-连杆、〔3〕-摆动活塞、〔4〕-气缸体、〔13〕-喷油嘴、〔14〕-冷却水道、〔15〕-摆动活塞气口遮块、〔16〕、〔17〕-气口。

摆动活塞式二冲程柴油机功率比摆动活塞四冲程柴油机增加很多，而外形尺寸却减小很多，结构也变得更加简单，零件数大大减少，发动机内部空间得到更充分有效的利用。为了实现单连杆驱动四缸二冲程工作，并尽量使发动机内部空间得到更充分有效的利用。摆动活塞二冲程柴油机主要件的结构设计和结构参数均和摆动活塞四冲程柴油机有了很大的不同。总的讲摆动活塞二冲程柴油机中曲柄偏心距加大，连杆加长，摆动活塞摆动的角度也比四冲程柴油机的摆动角度大，相应的二冲程发动机中每缸工作容积有了增大，发动机功率进一步有了增大。

为保证在不换气时，压缩和膨胀过程中摆动活塞能有效的遮住气口，将摆动活塞上部一片加宽，使不换气时刚好遮住气口，并用密封片密封。摆动活塞下部用稍小于气缸内径的圆环相连接，如图五中所示，此圆环上留有连杆穿过和允许其摆动的开口。因此摆动活塞二冲程发动机上部两缸可用同一排进排气口来工作。气口可在中间气缸整个轴向尺寸布置，且允许换气时间较长，所以气口尺寸可较小。下部两缸各有单独的进排气口，由于气口在对应于连杆穿过摆动活塞的位置不能布置，因此气口数减少，气口尺寸也就要做得大一些。燃烧室对称相应布置在气缸体和摆动活塞上。

摆动活塞二冲程柴油机的冷却，润滑和密封系统都和摆动活塞四冲程柴油机相同。摆动活塞二冲程柴油机的主要特点在于各部分尺寸的合理调配，实行气口换气，同时在摆动活塞上有了特殊的设计。

为了在压缩和膨胀冲程遮住下部两气缸的气口。如图五，摆动活塞下部相连的圆环中可滑配减磨材料制成的气口遮块。气口遮块用弹簧向外弹出，工作时气口遮块随摆动活塞一起摆动，不换气时就遮住气口，其中：

〔3〕-摆动活塞，〔7〕-径向密封条，〔8〕-端面密封条，〔9〕-端面密封小圆柱，〔15〕-摆动活塞气口遮块，〔18〕-端面外缘密封环。

4.多个摆动活塞串联布置内燃发动机的结构方案。

这种多个摆动活塞内燃发动机是采用一根曲轴和一个机座，曲轴安装在机座的轴承座中，而将一个摆动活塞、一个缸体、一个连杆组成一个单元体，这单元体可采用侧置式气门按四缸四冲程原理工作的结构，也可采用顶置式气门按四缸四冲程原理工作的结构，或按四缸二冲程气口回流扫气原理工作的结构。将上述任一种结构的单元体中气缸体和机座固紧，连杆和曲轴连接，就形成多个摆动活塞串联布置的内燃发动机。气缸体采用水冷，摆动活塞采用油冷。这种结构方案形式多样，安装和拆卸方便，整个结构是很简单的。如图四，其中：〔19〕-一个摆动活塞、一个连杆、一个气缸体组成的单元体。〔1〕-曲轴，〔20〕-机座，〔21〕-进气管，〔22〕-排气管。

5.多个摆动活塞并排布置在同一缸体中。

多个摆动活塞布置在同一气缸体中，并使用多个连杆和一根多拐曲轴相连接，每一摆动活塞由三个悬伸板构成，缸体相应的圆柱形腔体上对称地形成朝向中心的凸起部分，气缸体和摆动活塞相配合构成工作气缸，其配气机构可采用顶置式气门;布置在缸体轴向两端的侧置式气门;或二冲程气口回流扫气的机构。

6.将摆动活塞四冲程内燃发动机改变为气门式二冲程内燃发动机或气体压缩机或流体压缩机。

四缸或二缸四冲程内燃发动机，如使凸轮轴和曲轴按1∶1的转速旋转，同时改变凸轮的角度和气门开闭的时间就可把四缸或二缸四冲程内燃发动机改变为采用气门的四缸或二缸二冲程回流扫气内燃发动机，同时也成为一种四缸或二缸气体或流体压缩机。对压缩机也可拆除凸轮轴、顶杆等传动机构，而改为相应方向的单向伐，也就成为曲轴每转一转，四缸或二缸中每缸工作一次的压缩机。

对四连杆八缸顶置式气门四冲程内燃发动机也可改变为气门式二冲程内燃发动机或气体或流体压缩机。

图四中摆动活塞、连杆、缸体各成单元布置的方案中，如这单元是按四缸或二缸四冲程原理工作的，也可改变为气门式四缸或二缸二冲程回流扫气内燃发动机单元，或四缸或二缸气体压缩机单元，或四缸或二缸流体压缩机单元，并多个单元在机架上用一曲轴串联成一个整体。

上述各类摆动活塞内燃发动机，具有功率大，重量尺寸小，结构简单，便于加工，制造成本低，运转性能良好，发动机经济性高，运转平稳性和输出力矩均匀性好，发动机主要零件（摆动活塞、连杆、曲轴）受力情况良好，工作可靠，从使用燃料和功率范围，可适应国民经济各个方面的需要，是多用途发动机。

本发明最佳方案可选用侧置式气门四缸四冲程摆动活塞内燃发动机作为最先实施的方案，然后发展四缸二冲程气口回流扫气发动机和多缸发动机。

由上所述，各类摆动活塞内燃发动机，燃料均可采用汽油、柴油、天然气、工业煤气以及各种特种燃料。用途可用于汽车、拖拉机、坦克、大中小型船舶、大中小型发电站、机车、农业机械、林业机械、矿山机械、建筑机械、起重机、摩托车等各个方面。

Claims (9)

1、一种摆动活塞内燃发动机，包括气缸体〔4〕、摆动活塞〔3〕、连杆〔2〕、曲轴〔1〕以及与之相配的配气、冷却、润滑系统，其特征在于：所述气缸体由圆柱形腔体及与之相接的长方形腔室、底座构成，圆柱形腔体上对称地形成朝向其中心的凸起部分，每个凸起部分两侧都设有凹入的燃烧室及配气机构，所述活塞由绕上述腔体转动的圆柱面及其上的三个悬伸板构成，圆柱面与上述凸起部分的顶端构成滑动配合，而悬伸板分别安置于上述凸起部分的左、右，并与圆柱形腔体内表面构成滑动配合，这样气缸体与活塞相配合构成了A、B、C、D四个工作缸，左、右悬伸板之一的下方带有一个连杆销座，通过销及连杆与安置在长方形腔中的曲轴连接。

2、如权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述活塞中部带有轴承孔，内装轴承，与气缸体圆柱形腔中心安置的固定光轴构成转动连接。

3、如权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述活塞中部带有两端伸出的轴颈，安装在气缸体两端孔中的轴承上。

4、如权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述活塞的两侧、悬伸板的两侧及顶面、缸体凸出部分的顶面均安置有多道端面及径向密封条。

5、如权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述配气机构为顶置气门式。

6、如权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述配气机构为侧置气门式。

7、如权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述配气机构为二冲程气口回流扫气结构。

8、如权利要求5或6或7所述的发动机，其特征在于：两个以上的气缸体相互串联构成一体，并使用两个以上的摆动活塞、连杆和多拐曲轴相连接。

9、如权利要求5或6或7所述的发动机，其特征在于：两个以上的摆动活塞并联布置在同一气缸体中，并使用两个以上的连杆和一根多拐曲轴棍连接。

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