CN101037957A

CN101037957A - 气缸环形排列无曲轴内燃机

Info

Publication number: CN101037957A
Application number: CN 200610022368
Authority: CN
Inventors: 李华; 姚进
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2007-09-19

Abstract

气缸环形排列无曲轴内燃机，涉及燃气动力领域，属于一种多缸内燃机。本发明提供了一种新型内燃机，八个气缸以环形方式均匀地布置在中心轮周围，气缸活塞直接作用于中心轮上，动力由中心轮通过输出轴输出，该内燃机去除了传统内燃机中的连杆及曲轴。八个气缸对中心轮的作用力完全平衡。所有气缸的进气门和排气门由两个凸轮集中控制，没有凸轮轴。输出轴每转一圈，每个气缸完成两个工作周期，在相同容积和转速下，其功率在理论上应为传统四冲程内燃机的四倍。该种内燃机具有结构紧凑、原理简明、轴向尺寸小，整机运转平稳、噪声低、功率大等特点。

Description

气缸环形排列无曲轴内燃机

技术领域

本发明涉及燃气动力领域，属于一种多缸内燃机。

技术背景

现有内燃机的多为四冲程内燃机，通过曲柄连杆机构将气缸活塞的直线运动转化为旋转运动输出，由于运动机理的约束，该种内燃机存在冲击大、振动大、噪声大等缺点；现有多缸内燃机的气缸一般沿输出轴的轴线方向直线排列或V形排列，因此它的轴向尺寸大；现有内燃机通常利用一根长凸轮轴和其上的配气凸轮来控制多个气缸的进气和排气，为使凸轮配气正时准确，一般采用正时齿轮机构来调整，这使得传统内燃机在结构上比较复杂，加工、制造、装配等都比较困难。

综上所述，传统内燃机存在冲击大、振动大、噪声大、轴向尺寸大、结构复杂等缺点，同时它的加工、制造、装配也比较困难。

发明内容

本发明的目的：针对传统内燃机存在结构复杂、轴向尺寸大、冲击振动大等不足之处，本发明试图提供一种结构简单、原理简明、轴向尺寸小，整机有运转平稳、脉动小、噪声低、功率大的内燃机——气缸环形排列无曲轴内燃机。

本发明的技术方案：改变传统内燃机气缸的布置方式，采用环形布置方式，将八个气缸环形布置于输出轴周围；改变传统内燃机的动力输出方式，活塞直接作用于输出轴上，去掉了传统内燃机动力输出的中间件——连杆；改变传统内燃机的配气方式，去除凸轮轴，对所有气缸采用两个凸轮集中配气；去除传统内燃机的配气正时齿轮机构。

附图说明

图1气缸环形排列无曲轴内燃机结构图

图2中心轮与滚子在环形槽的作用下接触

图2中心轮与滚子在汽缸弹簧的作用下接触

图4气缸及活塞结构示意图

图5进气门控制凸轮

图6排气门控制凸轮

图7中心轮理论齿形

图8气缸活塞受力图

本发明具体实施方式

如图1所示，该内燃机主要由机架(1)、凸轮架(2)、气缸(3)、活塞(4)、中心轮(5)、输出轴(6)、活塞滚子(7)、右端盖(8)、配气凸轮(9，10)、气门(11，12)等部件组成。动力由输出轴(6)输出，输出轴(6)支承左右两个轴承上，在输出轴(6)上固定着中心轮(5)和凸轮架(2)，凸轮架(2)上固定着两个配气凸轮(9，10)。八个气缸(3)按环形均匀排列在中心轮(5)周围，八个气缸(3)固定在右端盖(8)上，右端盖(8)与机架(1)固连在一起。气缸活塞(4)通过滚子(7)与中心轮(5)接触。

由图1可见，八个气缸中，I、V号气缸内的活塞处于上止点位置，火化塞点火，燃气燃烧并膨胀做功，做功冲冲程开始，活塞通过滚子(7)推动中心轮(5)，从而使输出轴顺时针旋转：II、VI号气缸内的活塞处于下止点位置，活塞在中心轮的推动下将气体排出气缸，排气冲程开始；III、VII号气缸内的活塞处于上止点位置，活塞在中心轮的作用下向下止点移动，气缸容积增大，吸气冲程开始；IV、VIII号气缸内活塞处于下止点位置，活塞在中心轮的作用下向上止点移动，气缸容积减小，气内气体受压，压缩冲程开始。当中心轮转过45°时，IV、VIII号气缸处于做功冲程开始的状态，I、V号气缸处于排气冲程开始的状态，II、VI号气缸处于吸气冲程开始的状态，III、VII号气缸处于压缩冲程开始的状态。如此周而复始地循环，输出轴可以一直稳定地旋转。

由上述可知：在任意一个时刻，八个气缸中有两个气缸处于做功冲程，两个气缸处于排气冲程，两个气缸处于吸气冲程，两个气缸处于压缩冲程。相位相差180°的两个气缸的工作状态完全相同。各活塞对中心轮的综合的效果只有力偶的作用，没有力的作用，因此该内燃机工作平稳、噪声小、振动冲击小。

八个气缸均匀布置在中心轮周围，它们与中心轮的位置关系可以为对心布置，也可以偏心布置。图2所示的情况为对心布置，各活塞的轴线与中心轮的轴线相交。图3所示的情况为偏心布置，各气缸的轴线与中心轮的轴线有一段相同距离。两种布置情况各有其优缺点：偏心布置时，活塞对中心轮产生的扭矩较大，但输出轴只能单向旋转；对心布置时，输出轴可以双向旋转，其转向由起动转向决定。

活塞与中心轮的连接方式可以有两种：第一种方式如图2所示，活塞滚子安装在中心轮上的环形槽中，以保证活塞滚子与中心轮的接触。第二种方式如图3所示，活塞通过滚子与中心轮外接触，为保证滚子始终与中心轮接触，要在气缸内安装气缸弹簧。

气缸的结构如图4所示，由一大一小两个气缸串连组成，小气缸为燃烧室，气体膨胀做功在此完成；大气缸为导向缸，它对活塞的运动起到一个导向的作用，同时承受中心轮施加给活塞的作用力，防止活塞偏转。这种结构有利于减小燃烧气缸的磨损。气缸活塞由一大一小两个活塞及活塞杆组成，当气缸活塞在气缸内运动时，大小活塞间之间的气体体积会发生变化，因此在大活活塞上要开几个排气孔，这也有利于小活塞的散热。

因此，该种内燃机可以有四种方式：气缸对心布置且滚子与中心轮通过环形槽保持接触；气缸对心布置且滚子与中心轮通过弹簧保持接触；气缸偏心布置且滚子与中心轮通过环形槽保持接触；气缸偏心布置且滚子与中心轮通过弹簧保持接触。

该内燃机的八个气缸共有十六个配气门，由两个配气凸轮集中控制，进气凸轮控制八个进气门，排气凸轮控制八个排气门。各气门的开闭情况如表1所示。进气凸轮与排气凸轮的形状的完全相同，它们都固定在凸轮架上，二者的相位只相差45°，其形状如图5和图6所示。

表1 气门开闭情况表

	吸气	压缩	作功	排气
	吸气	压缩	作功	排气	进气门	开	关	关	关
排气门	关	关	关	开	进气门	开	关	关	关

由图5可知，配气凸轮旋转半周，活塞完成一个循环。由图1可以看出，活塞每完成一个工作循环，中心轮转过两个齿，也就是输出轴转过半周。因此，输出轴的转速与凸轮的转速相同，故将凸轮架与输出固连在一起。从而彻底去除了传统内燃机的凸轮轴与配气正时齿轮机构，使内燃机的结构大大简化。由图1还可以看出，凸轮架及凸轮还具有很大的转动惯量，它具有传统内燃机上飞轮的功能，故该内燃机去除了传统内燃机上的飞轮。

活塞滚子的轨迹为中心轮的理论齿形。理论齿形可选择多种曲线，为加工制造简单，可选择“两圆弧一直线”齿形。如图7所示，中心轮的齿顶采用一段圆弧，齿根也采用一段圆弧，两段圆弧由一段直线相连，该直线为两段圆弧的内公切线。为防止运动失真，圆弧的直径应大于滚子的直径。

由前述分析可知，相位相差180°的两个气缸的工作状态完全相同。各活塞对中心轮的综合的效果只有力偶的作用，没有力的作用，因此中心轮可以能稳定地旋转。由于凸轮架的凸轮的半径较大，具有很大的转动惯量，且凸轮架、凸轮、输出轴和中心轮固连为一体，当中心轮与气缸的位置关系如图2所示时，处于死点位置，中心轮可凭惯性力闯过死点。

气缸活塞受力如图8所示。其中：F_n为中心轮对滚子的作用力，力的方向垂直于接触点处的公切线方向，与活塞轴线方向的夹角为；F₁和F₂分别为气缸对活塞的法向力；f₁和f₂为气缸对活塞的摩擦力。

对活塞列力平衡方程式可得：

F₂＝F_nSinα*L₁/L₂ F₁＝F_nSinα(1+L₁/L₂)

活塞不发生自锁的条件为：

FnCosα＞＝(F₁+F₂)f f为滑动摩擦系数

如果取滑动摩擦系数f为0.08，并取L₁/L₂的值为1，则可得：

Cosα＞＝0.24Sinα

即：α＜＝76.5°

如果中心轮廓线设计合理，完全可以满足α＜＝76.5°这一条件，气缸活塞不会发生自锁。

对于本发明中未涉及到的泵油系统、点火下正时系统、润滑系统及冷却系统，可直接借用现有的成熟技术。

Claims

1、一种气缸环形排列无曲轴内燃机，该内燃机主要由机架(1)、凸轮架(2)、气缸(3)、活塞(4)、中心轮(5)、输出轴(6)、滚子(7)、右端盖(8)、配气凸轮(9，10)、气门(11，12)等部件组成。八个气缸(3)以环形方式均匀排列在中心轮(5)周围，气缸固定在右端盖(8)上，右端盖(8)与机架(1)固连在一起。气缸活塞通过滚子(7)与中心轮(5)高副接触。中心轮(5)和凸轮架(2)都固定在输出轴(6)上，两个配气凸轮(9，10)固定在凸轮架(2)上。输出轴由左、右两个轴承支承。

其特征在于：气缸环形排列，输出轴不受压轴力的作用；彻底取消了传统内燃机中的连杆和曲轴；八个气缸上的十六个气门由两个凸轮集中控制；结构紧凑，彻底取消了传统内燃机中凸轮轴和配气正时齿轮机构及飞轮机构；该内燃机的功率在理论上为传统内燃机的四倍。

2、根据权利要示1所述的内燃机，其特征在于：八个气缸以环形的方式均匀排列在中心轮周围，各个气缸对中心轮的作用力的合力为零，对中心轮只有力偶的作用。中心轮与输出轴固连，中心轮对输出轴没有力的作用，只有力偶的作用。

3、根据权利要示1，2所述的内燃机，其特征在于：轴向尺寸小，只有传统多缸内燃机轴向尺寸的1/3到1/2。

4、根据权利要示1所述的内燃机，其特征在于：气缸活塞通过滚子直接与中心轮接触，活塞推动中心轮旋转，由于中心轮与输出轴固连，从而带动输出轴旋转。没有传统内燃机中的连杆及曲轴。

5、根据权利要示1所述的内燃机，其特征在于：八个进气门环形布置于垂直于输出轴的平面上，由固定在凸轮架上的一个进气凸轮集中控制。同样，八个排气门由固定在凸轮架上的一个排气凸轮集中控制。

6、根据权利要示1、4所述的内燃机，其特征在于：配气凸轮与输出轴同步旋转，凸轮架直接固定在输出轴上，不需要配气凸轮轴，也不需要配气正时齿轮机构，使得该内燃机的结构大大简化。由于凸轮架具有较大的转动惯量，它充当了传统内燃机中飞轮的角色，因此不需要专用飞轮。

7、根据权利要示1所述的内燃机，其特征在于：输出轴每转一圈，每个气缸完成两个工作周期。而传统四冲程内燃机的输出轴每转两圈，气缸完成一个工作周期。因此，在相同容积和转速下，其功率在理论上应为传统四冲程内燃机的四倍。