CN101210517A

CN101210517A - 双摆杆内燃机

Info

Publication number: CN101210517A
Application number: CNA2006101369682A
Authority: CN
Inventors: 闫官清
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2008-07-02

Abstract

一种双摆杆内燃机，主要由气缸(1)，活塞组(2)、连杆(3)、双摆杆(5)组成，其特点是：在内燃机机架中心装有中心轴O₁，轴上固定安装有两边具有相等长度的刚性双摆杆(5)、扇形中心齿轮(6)、控摆杆(9)，双摆杆的两端通过摆杆销(4)各与一个活塞速杆(3)的下端相连接，扇形中心齿轮(6)与输出轴O₂、过桥轴O₃上两个半圆齿轮(7)相啮合，用以输出动力。控摆杆通过输出轴O₂、过桥轴O₃一端的曲拐及控摆连杆一起控制活塞的上下止点和换向运动的准确关系；能量的输出还可以用液压或气压的方式来实现。它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，可提高关键零件的使用寿命，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_∑又到零之间变化。并在活塞上下“死点”附近为低值区，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_∑值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摩擦和内燃机的振动。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O₁，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杆，双摆杆的两端通过摆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上的半圆齿轮有机啮合。双摆杆和扇形中心齿轮在60～120°内往复摆动。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使其控制在α60～120°范围内往复摆动，再由扇形中心齿轮传给装在输出轴上的半圆齿轮将能量输出。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效率大大提高。

本发明的主要优点是：

1、从理论分析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、能减少摩擦损失，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。

【附图说明】

下面结合附图和实施例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3中的A-A视图。图5是图2的俯视图。图6是图2的B向视图。图7是四缸二冲程双摆杆内燃机结构示意主视图。图8是图7的左视图。图9是图7的俯视图。图10是图7中的B向放大图。图11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控摆杆，10控摆连杆销，11控摆连杆，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，当L₁大于0后，β有正负值，e是过桥轴和输出轴一端的偏心距。

【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～图6：在图2所示的四缸四冲程双摆杆内燃机，机架的中心安装有中心轴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一个气缸1，气缸内装有活塞组2及活塞连杆3，活塞连杆3下端与双摆杆5两端用摆连杆销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和控摆杆9，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，这两根O₁和O₂轴的同一端设有偏心距为e的曲拐，e值等于二分之一S。在各自的偏心轴上装有控摆连杆11，并用控摆连杆销10将控摆杆9与控摆连杆11活动连接。本发明所述的气缸1到中心轴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，L₁＝2/3L-√L₂-(S/2)²左右，S为活塞行程，其值应稍大于L。控摆杆外端销孔中心至中心轴O₁中心的距离也须等于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7～图10，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：启动内燃机时，外力使输入轴O₂上的过桥齿轮8作顺时针旋转，通过输出轴O₂、过桥轴O₃两端的曲拐、控摆连杆、控摆杆及双摆杆拖动活塞和其他相应机构运动，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；而另一端的活塞必然上行，即可能是压缩或排气。双摆杆连同中心轴、扇形中心齿轮、控摆杆随活塞上下运动而往复摆动。输出轴始终作顺时针的旋转运动并输出动力。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。两个半圆齿轮随各自轴作相应的连续旋转运动。半圆齿轮7是一齿数为偶数的齿轮，并保证该齿轮的节圆周长正好等于2倍活塞行程S，即该齿轮旋转一周，正好是活塞做完一次上下运动，并把该齿的二分之一的齿形部分完全去掉。当内燃机工作中活塞处于下行时，扇形中心齿轮必然是和此端半圆齿轮的有齿部分啮合转动并传递动力；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转动，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，扇形中心齿轮与活塞下行端的半圆齿轮的有齿部分刚好离开啮合状态，准备活塞和扇形中心齿轮换向运动后进入与无齿部分相对运动。而扇形中心齿轮与活塞上行端的半圆齿轮的无齿部分刚好相对运动完，半圆齿轮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。此时输出轴连续运转靠圆周惯性力维持；此时的活塞运动上下止点位置靠输出轴、过桥轴上的曲拐偏心距通过控摆连杆、控摆杆、双摆杆来保证；此时的中心轴O₁、双摆杆、扇形中心齿轮及控摆杆也同样处于换向摆动瞬间；此时的活塞及中心轴上构件换向运动的动力由输出轴、过桥轴上曲拐的转动，通过控摆连杆、控摆杆、双摆杆来拖动，并保证活塞运动方向、扇形中心齿轮和半圆齿轮起始啮合或分开的准确运动关系。平衡活塞组的往复惯性力装置也能在此时提供动力的帮助。考虑到各运动构件关系的差别和误差，半圆齿轮上开始进入啮合的1到2齿可能要适当修正。活塞换向运动完成后，继续各自的上下运行，当运行到各自的上、下止点时又进入上述的换向运动，周而复始，从而使该新型能量转换机构的内燃机连续运转并将动力连续输出。此外，能量的转换和输出还可以单独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相匹配设计的液压缸或气压缸，将能量输出。这种方式可以省掉扇形中心齿轮、半圆齿轮、过桥齿轮、过桥轴。在液压工程施工机械和车辆越来越多的情况下，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输出使用。内燃机工作时的惯性力有飞轮系统的圆周惯性力和活塞组的往复惯性力。圆周惯性力容易平衡，而活塞组的往复惯性力非常有必要增加一套专门机构来解决，而本发明的能量转换机构恰好提供了利用这一惯性力的条件。其解决办法有储能平衡法和做功平衡法二种。储能平衡法就是在活塞连杆上下方机架上的合适位置各设置一匹配的弹簧，使活塞运动至接近上下止点时对这一弹簧进行压缩，由弹簧吸收此时的大部分惯性能量，当活塞到达上下止点并换向运动后，弹簧施放能量，帮助活塞继续运行。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量并输出做功，从而使往复惯性力有害变成有用。以上两种方法也可以混合同时使用。这二种平衡法都要求与活塞速度有机地联系起来，既活塞速度高时，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、气压力也相应为零，这样既能更好地利用和平衡往复惯性力，又可使内燃机起动时不出现附加阻力。

Claims

1.一种双摆杆内燃机，包括气缸(1)、活塞齿轮组(2)、连杆(3)，其特征是：在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刚性双摆杆(5)、扇形中心齿轮(6)和控摆杆(9)，双摆杆(5)的两端通过摆杆销(4)各与一个活塞连杆(3)的下端相连接，扇形中心齿轮(6)与输出轴O₂、过桥轴O₃上的半圆齿轮有机啮合，双摆杆和扇形中心齿轮在60～120°内作往复摆动。

2.根据权利要求书1所述的双摆杆内燃机，其特征是：在每一个活塞下方设有通过双摆杆直接驱动的液压缸或气压缸。

3.根据权利要求1所述的双摆杆内燃机，其特征是：在活塞连杆上下方机架上设有匹配的弹簧。