CN101117916B

CN101117916B - 双摆杆内燃机

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Publication number: CN101117916B
Application number: CN200710035361XA
Authority: CN
Inventors: 闫官清
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2027-07-12
Also published as: CN101117916A

Abstract

一种双摆杆内燃机，主要由气缸、活塞组、连杆、双摆杆组成，其特点是：在机架中心装有中心轴O₁，轴上固定安装有刚性双摆杆、扇形中心齿轮、控摆吸能杆，双摆杆的两端通过连杆销各与一个活塞连杆的下端相连接，扇形中心齿轮与输出轴O₂、过桥轴O₃上两个半圆齿轮相啮合，并经过一对过桥齿轮用以输出动力。控摆吸能杆与输出轴O₂、过桥轴O₃及过桥齿轮上的控摆凸轮和机架上的储能限位器一起控制活塞的上下止点和换向运动；并能利用活塞等的往复惯性力。能量的输出还可以用液压或气压的方式来实现。能提高内燃机输出力30～35％或降低燃机油消耗20～25％，减少废气排放量及摩擦损失，提高使用寿命，延长维护周期；应用范围和曲轴内燃机相同。

Description

双摆杆内燃机

【技术领域】

本发明涉及一种内燃机，具体说是一种双摆杆内燃机。

【背景技术】

现有内燃机能量转换输出的公知方式是：燃料在气缸内燃烧所产生的气体膨胀压力作用于活塞，并与活塞组往复惯性力相加后，以作用合力P_∑通过连杆传给曲柄销，在曲柄销上再以切向分力t获得扭矩推动曲轴旋转并将其能量输出。其切向分力t值的数字表达式为t＝P_∑[sin(α+β)/cosβ]，因曲柄连杆机构的运动学特性，当活塞在上、下“死点”时，曲轴转角α、连杆摆角β均为零。可见t值是在零至P_∑又到零之间的变化。并且是在作用合力P_∑为高值区时，t值的转换率为低值区。内燃机工作中主要作用力的变化情况是：作用合力P_∑的最大值出现在α为15～20度时，但此时t值却因α、β值较小而低。当α在60～120度的范围里，是t值高值区，此时一是P_∑因气缸内容积增大而下降；二是出现了侧压力P_N的高值区，加剧了活塞与气缸壁之间的磨擦和内燃机的振动。当α在120度以上时，往复惯性力逐步接近最大值，此时P_∑值变大，但t值又因α、β值较小而很低。可见现代曲柄连杆内燃机的优点是结构简单，工作可靠，缺点是因结构原因能量转换效率不高。

【发明内容】

为克服现有内燃机的上述缺陷，本发明的目的是取消现有内燃机的曲轴，提供一种通过采用摆杆和半圆齿轮机构，来提高内燃机能量转换效率的双摆杆内燃机。

为解决其技术问题，本发明采用的技术方案是：在内燃机的机架中心安装有中心轴，在中心轴O₁上安装有两边具有相等长度的刚性双摆杆、扇形中心齿轮和控摆吸能杆，在中心轴轴线的两边机架上各安装有距离为L的气缸、活塞及连杆，双摆杆的两端通过连杆销各与一个连杆的下端相连接，扇形中心齿轮与输出轴O₂、过桥轴O₃上的半圆齿轮有机啮合。输出轴O₂、过桥轴O₃又通过一对过桥齿轮8相啮合。内燃机工作时，活塞上作用合力P_∑使活塞作上下运动，通过连杆传给双摆杆和扇形中心齿轮并通过控摆吸能杆、控摆凸轮、储能限位器使其控制在60～120°范围内往复摆动，再由扇形中心齿轮传给半圆齿轮和过桥齿轮将能量输出。双摆杆上所得作用力的数字表达式仍为P_∑[sin(α+β)/cosβ]，因α是从60度开始到120度结束，β值也很小，所以双摆杆上所得作用力是0.9P_∑～P_∑之间变化，没有零值和低值区，从而内燃机的能量转换率大大提高。

本发明的主要优点是：

1、本发明能提高内燃机的出力30～35％左右，或降低燃油消耗20～25％左右；

2、能减少废气排放量，有利于环境保护；

3、能减少磨擦损失，提高关键零部件的使用寿命，可延长维护周期；

4、翻转力矩很小，内燃机的工作状态平稳；

5、与现有曲轴内燃机相比，虽然零部件数量有所增加，但制造难度比曲轴要低，所以每功率单位制造成本变化不大，应用范围和曲轴内燃机相同。

【附图说明】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1是现有内燃机动力学关系图。图2是四缸四冲程双摆杆内燃机结构示意主视图。图3是图2的左视图。图4是图2的俯视图。图5是图3的局部B向视图。图6是四缸二冲程双摆杆内燃机结构示意主视图。图7是图6的左视图。图8是图6中的B向放大图。图9是新旧内燃机切向力比较图。

图中：1气缸，2活塞组，3连杆，4连杆销，5双摆杆，6扇形中心齿轮，7半圆齿轮，8过桥齿轮，9控摆凸轮，10控摆吸能杆，11储能限位器，12导向孔套及密封件，13摆连杆，14长摆连杆销。L是摆杆中心至气缸中心距离，L₁是双摆杆水平位置时外端销孔中心至气缸中心尺寸，S是活塞行程，α是双摆杆工作时与中心铅垂线的摆角，β是连杆摆角。

【具体实施方式】

实施例1：四缸四冲程双摆杆内燃机

参照附图2～5：在四缸四冲程双摆杆内燃机的机架中心安装有中心轴O₁，在中心轴O₁上安装有二根双摆杆5，在双摆杆5两端的机体上各安装有一个气缸1，气缸内装有活塞组2及连杆3，连杆3下端与双摆杆5两端用连杆销4活动连接。双摆杆5与中心轴O₁固定连接，在该中心轴O₁上还固定连接有扇形中心齿轮6和控摆吸能杆10，扇形中心齿轮与固定在输出轴O₂、过桥轴O₃上的两个半圆齿轮7有机啮合，这两根轴O₂、O₃上同时固定有两个过桥齿轮8并使之啮合。在两过桥齿轮的合适位置上设有一控摆凸轮9，在机架的合适位置上设有储能限位器11，通过这两组构件对中心轴O₁上控摆吸能杆10的作用，使储能限位器在60～120°范围内作往复运动，达到控制内燃机活塞的上、下止点及换向运动。本发明所述气缸1至中心轴O₁的中心距离为L，双摆杆5外端销孔中心至中心轴O₁中心距离为L+L₁，左右，S为活塞行程，其值应稍大于L。本发明所述内燃机的气缸数必须成偶数，且每对气缸设一根双摆杆5。扇形中心齿轮6可根据需要设计一个或多个并与相对应的半圆齿轮7匹配。各气缸之间可通过配气等机构将作功冲程有序错开。

实施例2：四缸二冲程双摆杆内燃机

参照附图6～图8，在实施例1的四缸四冲程内燃机的结构上稍作如下改动：将活塞2下方的气缸空间密封后作扫气换气室，气缸1下端设一活塞连杆3的导向孔套及密封件12，使活塞连杆3仅能作上下运动而不能摆动，同时增设一对摆连杆13，并用短摆连杆销4、长摆连杆销14将活塞连杆、双摆杆及摆连杆活动连接，由摆连杆13的摆动来代替活塞连杆3的摆动。

本发明所述双摆杆内燃机的工作原理如下：

一、内燃机的工作过程

当左面的缸1内膨胀做功使活塞2下行时，作用合力通过此端活塞2、连杆3、连杆销4推动中心轴O₁上的双摆杆5、扇形中心齿轮6、控摆吸能杆10一同做逆时针摆动，此时扇形中心齿轮6正好是与输出轴O₂上的半圆齿轮7的有齿部分啮合，使输出轴O₂以顺时针旋转并将此端冲程的动力输出。此时输出轴O₂上顺时针旋转的过桥齿轮8带动过桥轴O₃上的过桥齿轮8做逆时针旋转，并使过桥轴O₃上的半圆齿轮7的无齿部分与扇形中心轮6相对。此时右面缸1内的活塞2被双摆杆5推动处于上行运动中。当右面缸1内膨胀做功使活塞2下行时，作用合力通过此端活塞2、连杆3、连杆销4推动中心轴O₁上的双摆杆5、扇形中心齿轮6、控摆吸能杆10一同做顺时针摆动，此时扇形中心齿轮6正好是与过桥轴O₃上的半圆齿轮7的有齿部分啮合，使过桥轴O₃作逆时针旋转，再通过该轴上的过桥齿轮8传给做顺时针旋转的输出轴O₂上的过桥齿轮8并将此端冲程的动力输出。启动内燃机时，外力使输出轴O₂上的过桥齿轮8作顺时针旋转，再经过半圆齿7、扇形中心齿轮6、双摆杆5拖动活塞和其他机构相对运动，从而进入工作状态。内燃机工作时，双摆杆一端的活塞下行，即可能是进气或作功；而另一端活塞必然是上行，即可能是压缩或排气。双摆杆连同中心轴、扇形中心齿轮、控摆吸能杆随活塞上下运动而往复摆动。输出轴始终作顺时针旋转并输出动力和拖动其他机构运动；通过一对过桥齿轮的传动，过桥轴始终作逆时针的旋转运动并将右端动力传给输出轴输出。根据结构需要，其他机构也可用过桥轴来拖动。两个半圆齿轮随各自轴作相应的连续旋转运动；半圆齿轮旋转一周，正好是活塞作完一次上下运动；把该齿的二分之一多一点的齿形完全去掉，使当活塞处于下行时，扇形中心齿轮必然是和此端半圆齿轮的有齿部分啮合；而另一端活塞正在上行，扇形中心齿轮必然是和此端半圆齿轮的无齿部分相对运动，以避开此时扇形中心齿轮与此端半圆齿轮旋转方向不对应的矛盾。在活塞运行到各自的上下止点并准备换向运动的瞬间，活塞下行端的半圆齿轮的有齿部分刚好离开与扇形中心齿轮的啮合状态；而活塞上行端的半圆齿轮的无齿部分刚好运动完且有齿部分的第一个齿进入扇形中心齿轮相对应的齿槽中，准备活塞和扇形中心齿轮换向运动后进入相互的啮合运动状态。

二、活塞换向运动工作过程

当两端的活塞各自运行到接近上下止点时，控摆吸能杆10的一端首先对匹配设计的储能限位器11中的弹簧进行压缩，其目的有二个，一是吸收并储存此时高值往复惯性力的能量，二是减少换向时的冲击。当控摆吸能杆10继续运行到接触储能限位器11中的限位块时，也就是活塞到达了上下止点，进入了换向运行状态。此时控摆吸能杆10的另一端下方的过桥齿轮8上的控摆凸轮9已稍前接触控摆吸能杆，随着过桥齿轮8的继续运转，控摆凸轮9迅速升高一较小高程，控制和推动控摆吸能杆并带动扇形中心齿轮、双摆杆及活塞开始换向运动。在此同时，在缸内作用合力、输出轴、过桥轴系统的圆周惯性作用力、储能限位器施放的作用力及负载阻力等的共同作用下，使活塞运动换向并使此时活塞开始下行端的半圆齿轮与扇形中心齿轮顺利进入啮合状态，从而完成活塞运动的换向过程。周而复始，使该双摆杆内燃机连续运转并将动力连续输出。

三、能量输出的其他方式

本发明的内燃机除了能以机械能的方式输出之外，还可以直接用液压或气压的方式来实现，即每一活塞组下面通过双摆杆直接驱动一个匹配设计的液压缸或气压缸来将能量输出，这种方式还可以省掉扇形中心齿轮、半圆齿轮、过桥齿轮及过桥轴、控摆吸能杆、储能限位器等。只需在输出轴的一端设一曲拐，然后用一连杆将曲拐与双摆杆连接起来，用来控制活塞行程和换向就能正常工作了。在液压工程施工机械和车辆越来越多的情况下，这将是双摆杆内燃机大有发展前途的派生机型。根据需要还可以用机械和液压或气压混合方式输出使用。

四、惯性力的平衡

内燃机工作时的惯性力有飞轮系统旋转的圆周惯性力和活塞组等的往复惯性力，圆周惯性力是有用的且容易平衡，而活塞组等的往复惯性力非常有必要增加一套专门机构来解决。本发明的内燃机提供了把这一惯性力化害为利的条件，其解决办法有储能平衡法和做力平衡法二种，储能平衡法就是在内燃机机架的合适位置安装一组(2个)或多组匹配设计的储能限位器，使活塞运动到接近上、下止点时对储能限位器中的弹簧进行压缩，由弹簧吸收此时的大部分惯性能量，当活塞换向运动后，弹簧施放能量，帮助活塞继续运行。当需要安装多组储能限位器时，除了与控摆吸能杆作用一组外，其余的可用双摆杆直接作用于它。做功平衡法就是将弹簧，改为液压或气压缸，将往复惯性力变为压力能并输出做功。以上两种方法也可以混合使用。这二种平衡法都要求与活塞速度有机地联系起来，即活塞速度高时，弹簧力或液、气压力也要相应增加，活塞速度为零时，弹簧力或液、气压力也基本为零，这样既能更好地利用和平衡往复惯性力，又可使内燃机在启动时不出现附加阻力。

Claims

1.一种双摆杆内燃机，包括气缸、活塞齿轮组、连杆、机架，在内燃机的所述机架中心安装有中心轴O₁，在中心轴O₁上安装有两边具有相等长度的两根刚性双摆杆、扇形中心齿轮和控摆吸能杆，在每根双摆杆两端的所述机架上各安装有一个气缸，该气缸内装有活塞和连杆，每根双摆杆的两端通过连杆销各与一个连杆的下端相连接；其中，扇形中心齿轮与输出轴O₂、过桥轴O₃上的半圆齿轮有机啮合，输出轴O₂、过桥轴O₃又与一对过桥齿轮相啮合；在所述一对过桥齿轮的合适位置上设有一控摆凸轮，在所述机架的合适位置上设有储能限位器，通过控摆凸轮、储能限位器这组构件对中心轴O₁控摆吸能杆的作用，使储能限位器在60～120°范围内作往返运动，达到控制内燃机活塞的上、下止点及换向运动；内燃机工作时，活塞上作用合力P_∑使活塞作上下运动，通过连杆传给双摆杆和扇形中心齿轮并通过控摆吸能杆、控摆凸轮、储能限位器，使双摆杆和扇形中心齿轮控制在60～120°范围内往复摆动，再由扇形中心齿轮传给所述半圆齿轮和所述过桥齿轮将能量输出。