CN101813025A - 一种双向导轨直轴内燃机 - Google Patents

Abstract

一种双向导轨直轴内燃机，它由缸盖、缸套、汽缸、活塞、过渡机匣、密封圈、球轴承、曲线导轨、导轨定位销、机匣、输出主轴、滑块、传动销、滑块铜套、化油器和桨垫组成，其位置连接关系是：缸盖与汽缸用螺栓连接，缸套安装在汽缸3内部，活塞外表面与缸套内表面接合并作往复运动；活塞下方通过销钉与滑块连接；滑块铜套的两侧与过渡机匣的轨道槽配合接触；传动销两端分别与两个曲线导轨接触；曲线导轨通过导轨定位销固定在输出主轴内部；输出主轴通过球轴承连接在机匣内部；汽缸、过渡机匣、机匣用螺栓进行固连；本发明结构紧凑，适合微型化，无横向振动，便于在高转速条件下平稳运行，它在内燃机技术领域里具有实用价值和很好的应用发展前景。

Description

一种双向导轨直轴内燃机

(一)技术领域：

本发明涉及一种内燃机，尤其涉及一种双向导轨直轴内燃机，属于内燃机技术领域。

(二)背景技术

当前，为器械提供动力的动力装置主要分为两大类：热动力装置和电动力装置，热动力装置的能源是推进剂(又称燃料)，利用推进剂燃烧反应释放的热能来做功，所以其发动机是热力发动机。热力发动机按照其燃烧发生的场所不同可分为内燃机和外燃机，内燃机由于其较高的燃烧效率和紧凑的结构被广泛的应用。内燃机中广泛应用于地面器械的是活塞式内燃机，它是通过燃料燃烧推动活塞往复运动做功，通过传动机构将活塞的往复运动转换为旋转运动为器械提供动力。因而，对于活塞式发动机，其传动机构的选择将对发动机的工作性能及效率产生极大的影响，目前应用于活塞式发动机的传动机构为曲柄连杆机构。

曲柄连杆机构是一种四连杆的机械机构，它的原理十分简单，在活塞式发动机里，该机构是通过连杆和曲轴实现的，但在实现运动转化过程中，连杆的横向振动一直是一个难以解决的问题，甚至成为了制约活塞式发动机持续发展的瓶颈。以往的工程师们已通过在曲轴上增加合适的配重来减小这种横向振动，但很显然的是，欲彻底的消除横向振动，只能寻求新型的传动机构来代替曲柄连杆机构。目前较为成熟的方案为日本马自达公司采用的三角转子发动机，它运用三角活塞在一个类跑道形汽缸中做圆周加往复的叠加运动来实现运动的转化，但由于它特殊的活塞型式，造成的活塞与汽缸的磨损加剧，导致了发动机寿命的大幅下降。这种现状使三角转子发动机很难用作为家用汽车的动力装置。

那么，为了即不改变活塞在汽缸中的运动型式(上下往复运动)，又采用新型机构将这种往复运动转化为旋转运动，应首先从活塞的运动规律考虑。活塞的往复运动规律可认为是机械振动中的简谐振动形式，如果把活塞视为一个质点，由一个围绕活塞周向做匀速圆周运动的光源将该质点的运动过程投影到一个假想的圆柱面上，这个圆柱面上即形成了一个封闭的正弦曲线轨迹，适当的调节活塞往复运动的周期和光源圆周运动的周期，使前者是后者的一半，圆柱面上便形成了一个两个波长的封闭正弦曲线。那么反过来考虑，就产生了由旋转着的带有正弦曲线的圆柱面来约束活塞的往复运动这一新思路。这样一来为发动机带来了更多的优势：一是完全的避免了运动件的横向振动；二是将活塞中心轴与输出轴的中心轴重合，形成了不同于以往曲柄连杆发动机的直角传动机构，由曲轴发动机改变为直轴发动机，这一改变为活塞发动机在航空航海领域中的应用提供了可能性和优势。

基于这种思路，应用适当的机械结构来实现上述运动的转化，便形成了该双向导轨直轴内燃机，该内燃机无曲柄连杆机构，取而代之为双向导轨机构，消除了活塞对汽缸的侧向压力，可平稳的提供低转速大扭矩的做功能力，结构紧凑，适合微型化，其直轴的特点使该发动机随载体前进时的阻力面积较小，因此尤其在航空与航海领域中具有很好的应用发展前景。

(三)发明内容

1.发明目的

本发明的目的是提供一种双向导轨直轴内燃机，它应用双向导轨机构克服了传统曲轴内燃机的横向振动大的不足，是一种可平稳的提供低转速大扭矩的做功能力，结构紧凑，阻力面积非常小的新型内燃机。

2.技术方案

如图1和图2所示，本发明一种双向导轨直轴内燃机，它由缸盖1、缸套2、汽缸3、活塞4、过渡机匣5、密封圈6、球轴承7、曲线导轨8、导轨定位销9、机匣10、输出主轴11、滑块12、传动销13、滑块铜套14、化油器15和桨垫16组成，其位置连接关系是：缸盖1与汽缸3用螺栓连接在一起，缸套2用间隙配合安装在汽缸3内部；活塞4外圆柱表面与缸套2内圆柱表面接合并可沿圆柱母线方向往复运动；活塞4下方通过销钉与滑块12连接；滑块铜套14套在滑块12的两端，滑块铜套14的两侧与过渡机匣5的轨道槽配合接触；传动销13通过轴承连接在滑块内部并可自由转动，传动销13外端分别与两个曲线导轨8接触；曲线导轨8通过导轨定位销9固定在输出主轴11内部；输出主轴11通过球轴承7连接在机匣10内部；密封圈6放在机匣10与过渡机匣5之间；汽缸3、过渡机匣5、机匣10用螺栓进行固连；化油器15通过螺栓与机匣10小端的平面连接；桨垫16套在输出主轴11小端。

所述汽缸3如图3所示，为一圆筒形厚壁零件，圆筒外表面设有若干个散热沟槽，圆筒内表面对称设置有两个扫气槽和一个进气槽，圆筒的侧面设有一个矩形排气口，排气口处的外表面设置有矩形凸台；

所述活塞4如图4所示，由活塞体和连杆两部分组成，活塞体为一圆柱形杯体，连杆为一两端带孔的杆件，连杆一端通过销钉与活塞体连接，另一端与滑块12连接；

所述过渡机匣5如图5所示，由法兰盘和圆筒两部分组成，其中法兰盘顶端有一凸台，法兰盘四周设有通孔；圆筒两侧设置有两个矩形的轨道槽；法兰盘内壁设有一个进气槽；

所述密封圈6是一圆环形的纸板，四周设有通孔，是利用钢纸手工剪制而成；

所述球轴承7是两面带密封圈的深沟球轴承；

所述曲线导轨8如图6所示，为一圆筒形零件，一端为平底，另一端设有凹凸不平的曲线轨道，该曲线轨道的方程为正弦或余弦函数；

所述导轨定位销9是一圆台体；

所述机匣10如图7所示，它是由外径不等的圆筒形部分组成，其中上部最大圆筒四周设有通孔，下部最小圆筒一端设置有凸台并在其侧面设有一平面和一径向孔；

所述输出主轴11如图8所示，它是由外径不等的圆筒形部分组成，其中最大圆筒侧面加工有四个径向孔，下部由下而上的第三个圆筒侧面设有矩形的径向进气口；

所述滑块12如图9所示，由一个长方体和一个U形耳片组成，长方体内设有两个圆形通孔，U形耳片设置在长方体上部正中；

所述传动销13如图10所示，为一圆柱体销；

所述滑块铜套14如图11所示，是一个矩形方框件，可以套在滑块12的长方体两端；

其中，该曲线导轨8的数量是2件；

其中，该导轨定位销9的数量是4件；其圆台大径为5.2mm，小径为5mm，高度为11mm；

其中，该传动销13的数量是4件；

其中，该滑块铜套14的数量是2件；

其中，该球轴承7的型号为61812-2RS；

其中，该机匣10是由四个外径不等的圆筒形部分组成；

其中，该输出主轴11是由七个外径不等的圆筒形部分组成；

其中，该缸盖1、缸套2、化油器15和桨垫16是三叶牌52级发动机的缸盖、缸套、化油器和桨垫。

汽缸与活塞共同形成了一个密闭腔，当腔中的燃料在热火头的加热下燃烧后推动活塞向下运动，活塞通过连杆使滑块在过渡机匣轨道槽的约束下向下运动，滑块带动传动销向下运动，传动销在下曲线导轨上滚动，迫使曲线导轨连同输出主轴一起转动，这样就完成了内燃机的做功冲程。在做功冲程的同时，活塞下方已经充满了由化油器进入的新鲜燃气，当活塞向下到一定位置时，下方腔体封闭停止进气，这样燃气就受到活塞的压缩作用，当活塞向下到一定位置时，汽缸内壁上的进气口打开，将已受到压缩的新鲜燃气释放到汽缸中，并排除前一次燃烧的废气。当传动销运动到曲线导轨的下止点时，活塞不能再继续向下运动，这时由于前一做功冲程使主轴和曲线导轨已具有一定的速度和惯性，所以曲线导轨靠惯性继续推动传动销向上运动，由此推动活塞向上运动，压缩汽缸中燃气，形成压缩冲程，提高燃气的压强，为下一做功冲程做准备。压缩的同时活塞下方的腔体打开，新鲜燃气由于负压作用进入到腔体中，为下一次燃烧做准备。当曲线导轨使活塞运动到上止点时压缩冲程结束，燃气具有足够的压强以致在热火头的热量下可以燃烧，开始了下一次做功，进入下一个做功冲程，之后又有压缩冲程，这样反复循环，持续运转。曲线导轨一个圆周上有两个上止点和两个下止点，因此当主轴转动一圈时，活塞往复运动两次，这样使得输出扭矩是普通曲柄连杆发动机的两倍，而转速为曲柄连杆发动机一半。

其中汽缸用材料为铸铝，用铸造加工，活塞材料为超硬铝，过渡机匣材料可用较轻的硬铝，用车削加工，也可用铸造加工，曲线导轨材料为钢，机匣材料可用较轻的硬铝，用车削加工，也可用铸造加工，主轴材料用超硬铝或钢、传动销材料用调质处理的40Cr，或钛合金，后者重量更轻但加工较困难，滑块材料可用普通铝，也可用尼龙。

发动机使用的燃料为甲醇与蓖麻油以5∶1的比例配合而成，其中甲醇燃烧，蓖麻油用作部件的润滑。油箱中的燃油通过化油器与空气以合适的比例混合，当主轴上的进气槽对向机匣上的进气口时，混合气进入到活塞下腔体，提供给发动机。通过调节化油器进口的大小和油气混合比来调节发动机的转速和稳定性。

汽缸顶端装有热火头，在启动时用锂电池通电，热火头的铂丝通电变红，产生较高的热量，这时用外力使主轴转动，压缩汽缸中的燃气混合气，用热铂丝点燃，点燃后发动机正常运转，平稳运转后，热火头撤掉通电，由于燃气自身的热量使铂丝持续的保持着红热状态，而使之后的每次点火都不需要外加电源。这种启动点火方式十分简单有效。

3.优点和功效

(1)运转平稳，具有低转速大扭矩的做功能力。由于本发明的运动部件没有横向振动，振动单一的发生于活塞的轴向方向，因此运转过程中较为平稳；同时，由于圆柱导轨上一周有两个波长的曲线，因此活塞往复两个周期输出轴产生一个周期的旋转运动，在消耗一定的燃料燃烧能量后，其做功形式是低转速大扭矩的，这一特点部分的替代了器械的减速装置。

(2)零部件少，结构简单紧凑。采用的合理的设计，仅用滑块和传动销就实现了活塞与输出轴的运动转化，零件加工简单，对工艺要求不高。另外由于其直轴特点，使该发动机结构紧凑，空间利用率较高，对于在航空等领域的应用具有一定的优势。

(3)利用内部零件提供飞轮惯性，无需外加飞轮。由于该发动机导轨及主轴的半径较大，这样导致了大的转动惯量，这恰好为发动机在压缩冲程时提供了足够的惯性，而无需另外增加飞轮。这一优点使得它更适用于直接驱动较为轻巧的推进器做功，例如螺旋桨等。

(4)阻力面积较小。该发动机的汽缸与输出轴在一条直线上，整体呈柱体形状，因此它随载体前进时的阻力面积较小，在航空与航海领域中具有很好的应用发展前景。

(5)具有良好的经济型，较低的耗油率。由于活塞的运动规律取决于曲线导轨的曲线方程，因此可以通过进一步优化曲线方程，来优化活塞的做功性能，使燃烧做功的效率更高，能量的损耗更小，降低耗油率，获得较好的经济性。

(四)附图说明

图1：为本发明双向导轨直轴内燃机的剖视图

图2：为本发明双向导轨直轴内燃机的外观三维立体图

图3：汽缸三维立体图

图4：活塞三维立体图

图5：过度机匣三维立体图

图6：单个曲线导轨三维立体图

图7：机匣三维立体图

图8：主轴三维立体图

图9：滑块示意图(a剖视图；b主视图；c俯视图；)

图10：传动销三维立体图

图11：滑块铜套示意图(a主视图；b右视图；)

图中符号说明如下：

1、缸盖；2、缸套；3、汽缸；4、活塞；5、过渡机匣；6、密封圈；7、球轴承；8、曲线导轨；9、导轨定位销；10、机匣；11、输出主轴；12、滑块；13、传动销；14、滑块铜套；15、化油器；16、桨垫；

(五)具体实施方式

如图1和图2所示，本发明一种双向导轨直轴内燃机，它由缸盖1、缸套2、汽缸3、活塞4、过渡机匣5、密封圈6、球轴承7、曲线导轨8、导轨定位销9、机匣10、输出主轴11、滑块12、传动销13、滑块铜套14、化油器15、桨垫16组成，其位置连接关系是：缸盖1与汽缸3用螺栓连接在一起，缸套2用间隙配合安装在汽缸3内部；活塞4外圆柱表面与缸套2内圆柱表面接合并可沿圆柱母线方向往复运动；活塞4下方通过销钉与滑块12连接；滑块铜套14套在滑块12的两端，滑块铜套14的两侧与过渡机匣的轨道槽配合接触；传动销13通过轴承连接在滑块12内部并可自由转动，传动销13外端分别与两个曲线导轨8接触；曲线导轨8通过导轨定位销9固定在输出主轴11内部；输出主轴11通过球轴承7连接在机匣10内部；密封圈6放在机匣10与过渡机匣5之间；汽缸3、过渡机匣5、机匣10用螺栓进行固连；化油器15通过螺栓与机匣10小端的平面连接；桨垫16套在输出主轴11小端。

所述缸盖1是利用市场上现有的航模内燃机缸盖，是三叶牌52级发动机的缸盖；

所述缸套2是利用市场上现有的航模内燃机缸套，是三叶牌52级发动机的缸套；

所述的汽缸3如图3所示，为一圆筒形厚壁零件，圆筒外表面加工有36个散热沟槽，圆筒内表面对称加工有两个扫气槽和一个进气槽，圆筒的侧面加工有一个矩形排气口，排气口处的外表面加工有矩形凸台；汽缸3的材料是硬铝；

所述的活塞4如图4所示，由活塞体和连杆两部分组成，活塞体为一圆柱形杯体，连杆为一两端带孔的杆件，连杆一端通过销钉与活塞体连接，另一端与滑块12连接；活塞4的材料为超硬铝；

所述的过渡机匣5如图5所示，由法兰盘和圆筒两部分组成，其中法兰盘顶端有一凸台，法兰盘四周有8个通孔；圆筒两侧设置有两个矩形的轨道槽；法兰盘内壁加工有一个进气槽；该过渡机匣5的材料使用硬铝；

所述密封圈6是一圆环形的纸板，四周有8个通孔，是利用钢纸手工剪制而成；

所述球轴承7是两面带密封圈的深沟球轴承，其型号为61812-2RS；

所述的曲线导轨8如图6所示，为一圆筒形零件，一端为平底，另一端加工有凹凸不平的曲线轨道，该曲线轨道的方程为正弦或余弦函数。该曲线导轨8的材料为45#钢；

所述导轨定位销9是一圆台体，其大径为5.2mm，小径为5mm，高度为11mm，材料采用45#钢；

所述的机匣10如图7所示，它是由四个外径不等的圆筒形部分组成，其中上部最大圆筒四周加工有8个通孔，下部最小圆筒一端设置有凸台并在其侧面加工有一平面和一径向孔。机匣10用铝质材料；

所述的输出主轴11如图8所示，它是由七个外径不等的圆筒形部分组成，其中最大圆筒侧面加工有四个径向孔，下部由下而上的第三个圆筒侧面加工有矩形的径向进气口。该输出主轴11的材料为45#钢；

所述的滑块12如图9所示，由一个长方体和一个U形耳片组成，长方体内加工有两个圆形通孔，U形耳片设置在长方体上部正中。该滑块12为铝质材料；

所述的传动销13如图10所示，为一圆柱体销。它的材料为40Cr，经过热处理提高表面硬度；

所述滑块铜套14如图11所示，是一个长方形方框，可以套在滑块12的长方体两端，材料为黄铜；

所述化油器15是利用市场上现有的航模内燃机化油器，是三叶牌52级发动机的化油器；

所述桨垫16是利用市场上现有的航模内燃机桨垫，是三叶牌52级发动机的桨垫。

其中，该曲线导轨8的数量是2件；

其中，该导轨定位销9的数量是4件；

其中，该传动销13的数量是4件；

其中，该滑块铜套14的数量是2件。

汽缸3与活塞4共同形成了一个密闭腔，当腔中的燃料在热火头的加热下燃烧后推动活塞4向下运动，活塞4通过连杆使滑块12在过渡机匣5轨道槽的约束下向下运动，滑块12带动传动销13向下运动，传动销13在下曲线导轨8上滚动，迫使曲线导轨8连同输出主轴11一起转动，这样就完成了内燃机的做功冲程。在做功冲程的同时，活塞4下方已经充满了由化油器15进入的新鲜燃气，当活塞4向下到一定位置时，下方腔体封闭停止进气，这样燃气就受到活塞4的压缩作用，当活塞4向下到一定位置时，汽缸3内壁上的进气口打开，将已受到压缩的新鲜燃气释放到汽缸3中，并排除前一次燃烧的废气。当传动销13运动到曲线导轨8的下止点时，活塞4不能再继续向下运动，这时由于前一做功冲程使输出主轴11和曲线导轨8已具有一定的速度和惯性，所以曲线导轨8靠惯性继续推动传动销13向上运动，由此推动活塞4向上运动，压缩汽缸3中燃气，形成压缩冲程，提高燃气的压强，为下一做功冲程做准备。压缩的同时活塞4下方的腔体打开，新鲜燃气由于负压作用进入到腔体中，为下一次燃烧做准备。当曲线导轨8使活塞4运动到上止点时压缩冲程结束，燃气具有足够的压强以致在热火头的热量下可以燃烧，开始了下一次做功，进入下一个做功冲程，之后又有压缩冲程，这样反复循环，持续运转。曲线导轨8一个圆周上有两个上止点和两个下止点，因此当输出主轴11转动一圈时，活塞4往复运动两次，这样使得输出扭矩是普通曲柄连杆发动机的两倍，而转速为曲柄连杆发动机一半。

发动机使用的燃料为甲醇与蓖麻油以5∶1的比例配合而成，其中甲醇燃烧，蓖麻油用作部件的润滑。油箱中的燃油通过化油器15与空气以合适的比例混合，当输出主轴11上的进气槽对向机匣10上的进气口时，混合气进入到活塞4下腔体，提供给发动机。通过调节化油器15进口的大小和油气混合比来调节发动机的转速和稳定性。

汽缸3顶端装有热火头，在启动时用锂电池通电，热火头的铂丝通电变红，产生较高的热量，这时用外力使输出主轴11转动，压缩汽缸3中的燃气混合气，用热铂丝点燃，点燃后发动机正常运转，平稳运转后，热火头撤掉通电，由于燃气自身的热量使铂丝持续的保持着红热状态，而使之后的每次点火都不需要外加电源。这种启动点火方式十分简单有效。

实践证明，这种双向导轨直轴内燃机具有广阔的应用和发展前景。

Claims (10)

1.一种双向导轨直轴内燃机，其特征在于：它由缸盖(1)、缸套(2)、汽缸(3)、活塞(4)、过渡机匣(5)、密封圈(6)、球轴承(7)、曲线导轨(8)、导轨定位销(9)、机匣(10)、输出主轴(11)、滑块(12)、传动销(13)、滑块铜套(14)、化油器(15)和桨垫(16)组成，其位置连接关系是：缸盖(1)与汽缸(3)用螺栓连接在一起，缸套(2)用间隙配合安装在汽缸(3)内部；活塞(4)外圆柱表面与缸套(2)内圆柱表面接合并可沿圆柱母线方向往复运动；活塞(4)下方通过销钉与滑块(12)连接；滑块铜套(14)套在滑块(12)的两端，滑块铜套(14)的两侧与过渡机匣(5)的轨道槽配合接触；传动销(13)通过轴承连接在滑块(12)内部并可自由转动，传动销(13)两端分别与两个曲线导轨(8)接触；曲线导轨(8)通过导轨定位销(9)固定在输出主轴(11)内部；输出主轴(11)通过球轴承(7)连接在机匣(10)内部；密封圈(6)放在机匣(10)与过渡机匣(5)之间；汽缸(3)、过渡机匣(5)、机匣(10)用螺栓进行固连；化油器(15)通过螺栓与机匣(10)小端的平面连接；桨垫(16)套在输出主轴(11)小端；

所述汽缸(3)为一圆筒形厚壁零件，圆筒外表面设有散热沟槽，圆筒内表面对称设置有两个扫气槽和一个进气槽，圆筒的侧面设有一个矩形排气口，排气口处的外表面设置有矩形凸台；

所述活塞(4)由活塞体和连杆两部分组成，活塞体为一圆柱形杯体，连杆为一两端带孔的杆件，连杆一端通过销钉与活塞体连接，另一端与滑块(12)连接；

所述过渡机匣(5)由法兰盘和圆筒两部分组成，其中法兰盘顶端有一凸台，法兰盘四周设有通孔；圆筒两侧设置有两个矩形的轨道槽；法兰盘内壁设有一个进气槽；

所述密封圈(6)是一圆环形的纸板，四周设有通孔，是利用钢纸手工剪制而成；

所述球轴承(7)是两面带密封圈的深沟球轴承；

所述曲线导轨(8)为一圆筒形零件，一端为平底，另一端加工有凹凸不平的曲线轨道，该曲线轨道的方程为正弦、余弦函数；

所述导轨定位销(9)是一圆台体；

所述机匣(10)是由外径不等的圆筒形部分组成，其中上部最大圆筒四周设有通孔，下部最小圆筒一端设置有凸台并在其侧面加工有一平面和一径向孔；

所述输出主轴(11)是由外径不等的圆筒形部分组成，其中最大圆筒侧面设有四个径向孔，下部由下而上的第三个圆筒侧面设有矩形的径向进气口；

所述滑块(12)由一个长方体和一个U形耳片组成，长方体内设有两个圆形通孔，U形耳片设置在长方体上部正中；

所述传动销(13)为一圆柱体销；

所述滑块铜套(14)是一个矩形方框件，套在滑块(12)的长方体两端。

2.根据权利要求1所述的一种双向导轨直轴内燃机，其特征在于：该曲线导轨(8)的数量是2件。

3.根据权利要求1所述的一种双向导轨直轴内燃机，其特征在于：该导轨定位销(9)的数量是4件。

4.根据权利要求1所述的一种双向导轨直轴内燃机，其特征在于：该传动销(13)的数量是4件。

5.根据权利要求1所述的一种双向导轨直轴内燃机，其特征在于：该滑块铜套(14)的数量是2件。

6.根据权利要求1所述的一种双向导轨直轴内燃机，其特征在于：该缸盖(1)、缸套(2)、化油器(15)和桨垫(16)是三叶牌52级发动机的缸盖、缸套、化油器和桨垫。

7.根据权利要求1所述的一种双向导轨直轴内燃机，其特征在于：该球轴承(7)的型号为61812-2RS。

8.根据权利要求1所述的一种双向导轨直轴内燃机，其特征在于：该导轨定位销(9)的材料采用45#钢，其圆台体大径为5.2mm，小径为5mm，高度为11mm。

9.根据权利要求1所述的一种双向导轨直轴内燃机，其特征在于：该机匣(10)是由四个外径不等的圆筒形部分组成。

10.根据权利要求1所述的一种双向导轨直轴内燃机，其特征在于：该输出主轴(11)是由七个外径不等的圆筒形部分组成。

Images