CN102733948A - 对动活塞发动机的曲柄扇齿摇杆机构 - Google Patents

Abstract

对动活塞发动机的曲柄扇齿摇杆机构是在一个气缸内的这一部分曲轴上设计有两个连杆颈，这两个连杆颈是以主曲轴颈为园心，在轴向方向上投影成θ角度，并在这两个连扞颈上分别装有连杆，扇齿摇杆，齿条，及活塞。当曲轴旋转时带动这些构件运动，并使活塞在气缸内作相反的往复运动，并能产生压缩，換气，爆发作功等工作行程，完成把热能转换成机械能。并具有热效率高，构件寿命长，振动小等优点。

Description

对动活塞发动机的曲柄扇齿摇杆机构

所属技术领域：

本发明涉及一种新型的内燃发动机的工作机构，特别是高性能，高节能的柴油发动机。

背景技术：

目前公知的内燃机的工作机构均为曲柄连杆机构，随着社会的进步，人们发现了它的一些不足之处，比如说，配气机构容易出现故障，特别是排气门与其座容易烧蚀，其次是换气效果好的四冲程发动机，其曲轴要转两圈才有一次爆发作功过程。而曲轴转一转就能爆发作功一次的两冲程发动机，其换气效果后又不好，能不能发明一种运动机构，即不需要那些容易出现故障的配气机构，而且还是能使曲轴旋转一转，发动机就能爆发作功一次呢。这就是我发明的曲柄扇齿摇杆机构。

本发明的曲柄扇齿摇杆机构，不但适用单缸机，而且还适用多缸机，现从单缸机而言，我们规定，在一根曲轴有Θ角度的两连杆颈上，分别装有左右两连杆，与连杆相连接的有扇齿摇杆，活塞，齿条及减振垫，而两活塞是在同一个缸套内往复运动的。Θ角度是两连杆颈在以曲轴为园心的轴向方向上的投影的夹角，其值等于左右两活塞在上止点位置时的角度。如图1。当曲轴旋转时，由连杆同时带动这两个扇齿摇杆机构运动，使两个活塞在同一气缸内往复运动，就能产生换气，压缩，爆发的往复运动过程，在扫气泵的协助下，从而完成把热量转换成机械能的全过程。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

本发明的曲柄扇齿摇杆机构其运动简图如图2，图中的实线表示活塞处在上止点时的位置，虚线表示活塞处在下止点的位置，从图中我们可以看出，左、右两活塞能同时处在上止点的位置，而不能同时处在下止点位置，只能是左面的排气活塞比右面的扫活塞要先到一个角度2α。现在我们假设，曲轴按时针方向旋转，那么左面的排气活塞到达下止点时，其曲轴转角B小于180°为180°-α。而右面的扫气活塞到达下止点时，其曲轴转角β大于180°，为180°+A，其中α＝A，是活塞在缸套内从上止点运行到下止点这一段距离为一边，而以曲轴颈园心为一角的夹角。A是扫气活塞在上止点时曲轴所对应的位置，a是排气活塞在上止点时曲轴所对应的位置。所以我们规定，左面活塞为排气活塞，右面的活塞为扫气活塞。如果曲轴的转向相反，那么两个活塞的功能也要互换。因此，我们知道当两个活塞的曲轴夹角

一定时，左面的活塞到达下止点时，右面的活塞还没有到达下止点，只有经过2α角度时(因α＝A，所以2α＝α+A)右面的活塞比左面的活塞迟到2α角度后，才到达下止点。根据以上所说，现在我这样规定，左面的排气口的开启角度是在左活塞的下止点前b度，关闭是在左活塞的下止点后b′度，而且b＝b′，而右面的扫气口开启角度是在右活塞的下止点前d度，关是在右活塞的下止点后d′度，而且d＝d′，如图3，图中的实线表示活塞处在打开，关闭扫，排气口的位置，虚线表示活塞处在下止点位置，B是排气活塞爆发作功行程，C是排气活塞换行气程，D是排气活塞压缩行程，b扫气活塞爆发作功行程，c是扫气活塞换气行程，d是扫气活塞压缩行程。Δα≠α是排气口高度与排气活塞到下止点时的角度，是变数，ΔA≠A是扫气口高度与扫气活塞到下止点时的角度，是变数，

是两连杆颈在曲轴上的夹角，其值等于左右两活塞的上止点位置时的夹角，是常数，Γ是排气活塞从上止点的180度到排气口关闭时的角度，γ是排气活塞从排气口开启时到下止点时的角度，所以排气活塞的换气行程c＝Γ+γ+Δa。Δa≠a≠ΔA，因a是常数，Δa是变数，是活塞在缸套内从排气口运行到下止点这一段距离为一边，而以曲轴颈园心为一角的夹角，在曲轴上所对应的曲轴转角为排气行程。是随着排气口的高度变化而变化的。E是扫气活塞从上止点的180度到扫气口关闭时的角度，ε是扫气活塞从扫气口开启时到下止点时的角度，所以扫气活塞的换气行程ε＝E+ε+ΔA。因ΔA≠A，因A是常数，ΔA是变数，是活塞在缸套内从扫气口运行到下止点这一段距离为一边，而以曲轴颈园心为一角的夹角，在曲轴上所对应的曲轴转角为扫气行程。是随着扫气口的高度变化而变化的。从附图3可以看出本发明的曲柄扇齿摇杆机构具有压缩，爆发作功，换气行程。从附图2中知道左、右两活塞能同时处在上止点的位置，而在其他位置时是不可能在同一位置，可见只要我们根据发动机不同的缸径，转速，合理地设计扫气口，排气口的高度，相对宽度，经过适当的数据筛选，就能得到不同的换气角度，就可以得到比较理想的换气效果，为了使本机构能设计、生产出性能优良的内燃发动机，在这里还必须提出几个独特方面的改进设计：1、扫气口与排气口应设计成方向相反的阿基米德涡线气道与气口，使气流能在气缸内作高速旋转，从而改善换气效果与燃烧条件；2、燃烧室与活塞顶部采用低导热率的合金钢，如：12CrNi3A或其它低导热率的材料制成燃烧室壳体，并在中间充填一定厚度的绝热材料，然后与铝合金烧铸成一个整体活塞加工，把由活塞顶部燃烧室壳体得到的热量，再传给铝合金活塞的热量，降低到最小，从而使发动机的热效率与寿命得以提高。经过以上的各项改进，由曲柄扇齿摇杆机构设计，生产的柴油机，其油耗率可达150g/kw小时。所以他的经济价值与社会效益是巨大的。

本本发明的有益效果：

由曲柄扇齿摇杆机构设计生产的内燃发动机与现公知的曲柄连杆机构生产的发动机相比，有益效果是明显的：(1)虽然构件增加了扇齿摇杆，齿条及减振垫。但是这两个曲柄扇齿摇杆机构的每一个构件都是在作相反的运动，宏观上来说，其运动惯性相互抵消，整个发动机处在一个平衡状态。(2)与现行的发动机曲轴的回转半径相同时本发明的活塞行程要大的多，而且工作容积也大得多，同时在爆发作功时又没有缸盖，气门等散热面存在，其散热面只有两个活塞顶，如果把两个活塞顶作了上面的改进，其热损失会很小，热效率会提高，理论上油耗率能达到150g/kw小时。(3)由于不存在配气系统，易损件大为减少，制造成本减少。而且其寿命增长，(4)由于本机构能每转一转，就能作功一次，所以与曲柄连杆机构的缸径，曲轴半径相等的条件下，其功率理论上要比现在的内燃机大几倍。比如说，我现以165F柴油机为设计蓝本，生产出来的柴油机，功率可达10马力以上。(5)因扇齿摇杆的中心与齿的分度园半径是恒定不变的，所以活塞在缸套内不会像曲柄连杆机构那样产生活塞对气缸壁的偏磨，又加上活塞顶部的绝热层，活塞的热负荷比较小，缸套内壁的油膜层不会破坏，所以活塞环与缸套的使用寿命增长很多。

，因本机的换热面积小，散热少，故可得到很高的热效率和比功率，除了航空发动机，本机是最大的比功率，所以随着新型能源与氢气贮存技术的完善，这种新型能源与氢气发动机在汽车上的使用性能要比燃料电池汽车的使用性能更优越，这就是内燃机发展必然方向。

附图说明：，附图1是对动活塞内燃机的曲柄扇齿摇杆机构的结构图，图中1、左机体，2、缸套，3、冷却水室，4、排气口及阿基米德涡线型排气道，5、油环，6、气环、7、排气活塞，8、左低导热燃烧室合金壳绝热层，9、右低导热燃烧室合金壳，10、右低导热燃烧室合金壳，11、右低导热燃烧室合金壳紧固螺母，12、扫气活塞，13、扫气口及阿基米德涡线型扫气道，14、扫气活塞销，15、右连杆销，16、右机体，17、右缸体挡板，18、右扇齿摇杆，19右齿条减振垫、，20、右连杆，21、右低导热燃烧室合金壳绝热层，22、右齿条，23、飞轮轴，24、右连杆紧固螺栓，25、右连杆颈，26右连杆大头、27曲轴颈、28、右连杆大头座，29、燃烧室，31、左连杆，32左齿条减振垫，33、左齿条，34、左扇齿摇杆，35、左缸体挡板，36左连杆销，37、扫气活塞销。

附图2是曲柄扇齿摇杆机构上止点及下止点简图，实线表示活塞在上止点时的位置，虚线表示活塞在下止点的位置，α是排气活塞在下止点与上止点的180角度时的夹角，A是扫气活塞在下止点与上止点的180角度时的夹角，B是排气活塞从上止点到下止点时的角度，β是扫气活塞从上止点到下止点时的角度，

是曲轴两连轴颈的夹角，等于左、右两活塞在上止点时的角度。2、缸套，4、排气口及阿基米德涡线型排气道，7、排气活塞，12、扫气活塞，13、扫气口及阿基米德涡线型扫气道，18、右扇齿摇杆，20、右连杆，27、曲轴颈，31、、左连杆，33、左齿条，34、左扇齿摇杆。

附图3是曲柄扇齿摇杆的扫、排气开关简图，图中的实线是活塞开启排气口的位置，虚线是活塞处在下止点的位置，双点线是活塞关闭气口的位置，B是排气活塞爆发作功行程，C是排气活塞换气行程，D是排气活塞压缩行程，b扫气活塞爆发作功行程，c是扫气活塞换气行程，d是扫气活塞压缩行程，Δα≠α是排气口高度与排气活塞到下止点时的角度，是变数，ΔA≠A是扫气口高度与扫气活塞到下止点时的角度，是变数，

是曲轴两连轴颈的夹角。2、缸套，4、排气口及阿基米德涡线型排气道，7、排气活塞，12、扫气活塞，13、扫气口及阿基米德涡线型扫气道，18、右扇齿摇杆，20、右连杆，27、曲轴颈，31、、左连杆，33、左齿条，34、左扇齿摇杆。

具体实施方式：以现有的柴油机型式作设计参照物，并根据一些具体的数据进行修正，从而制成生产图纸，进行加工出所需要的零件，来进行装配。其装配顺序是：先把缸套，曲轴放入左、右机体内，然后用10个缸体紧固螺栓拧紧，再把活塞环装入活塞上，再把齿条装好，上面再装扇齿摇杆，把扇齿摇杆放入活塞内，装上活塞销，两头用孔用弹性卡固定，放入缸套内，然后把连杆用连杆销装在扇齿摇杆上，两头用轴用弹性卡固定，然后把连杆大头，大头座及轴瓦装在曲轴的连杆颈上，这里要声明一下，凡是装配过柴油机的人，都知道装配时运动副内必定有轴瓦或铜套，运动副内先涂上机油，所以这些基础东西上面没有讲。装好后，用手摇手柄，使其运转，看是否两活塞在上止时是否自锁，或间隙过大等，必要时，调整减振垫厚度，使之正常。这时就可以测量，捡测换气，压缩，爆发的运动的角度，时间。其后就是装配其它的部件，试车。因本发明是一种运动机构，不是整台发动机，所以这里不作详述。

Claims (2)

1.对动活塞发动机的曲柄扇齿摇杆机构，其特征是；θ是两连杆颈在以曲轴颈为园心在轴向方向上投影的夹角，其值等于左，右两活塞在上止点位置时的夹角，在曲轴的两连杆颈上，分别装有左，右连杆，左，右扇齿摇杆，左，右活塞，左，右齿条，左、右减振垫及一个缸套与机体组成。

2.根据权利要求1所述的缸套，其特征是；当曲轴运转时，带动各构件运动，使左，右两活塞在气缸套内作往复运动，就能产生換气，压缩及爆发作功的相应的工作过程。

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