CN102959182A - 质量平衡得到提高的往复式活塞发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种往复式活塞发动机(1)，包括截面为圆形并且具有互相平行的汽缸轴的四个汽缸(8、8’)和输出轴(2)，其中，当从轴向截面观察时，所述汽缸轴位于一个矩形的拐角点上。根据本发明的往复式活塞发动机(1)的特征是：所述矩形为方形，平行于汽缸轴的输出轴(2)的轴线位于所述方形的中心，当从轴向观察时，位于对角线上的两个汽缸(8、8’)设置于相同方向，并且当从轴向观察时，则相对于另外两个汽缸(8、8’)而设置于相反方向，并且通过单独的转动曲柄(7、7’)及啮合件(3、4、5、6)将力和扭矩从每个汽缸(8、8’)传递到所述输出轴(2)。

Description

质量平衡得到提高的往复式活塞发动机
本发明涉及一种与权利要求1的前序部分对应的质量平衡得到提高的往复式活塞发动机。从日本专利JP2004204777中可以了解这种发动机。该文献揭露了一种装置。在该装置中，每个活塞作用于摇杆，所述摇杆自身通过锥齿传动和飞轮而将往复运动转变转换为输出轴的连续旋转运动，所述输出轴垂直于汽缸轴而延伸。
德国专利DE2626979揭露了一种具有往复式活塞的发动机，所述往复式活塞即使在输出轴固定时仍然可以运转，但是随后被设定为围绕输出轴旋转。该发动机具有两个环形汽缸。所述两个环形汽缸以对镜像方式与输出轴同轴设置，并且所述两个环形汽缸具有环形活塞，所述环形活塞通过万向节类型或差速类型的内部传动而连接于输出轴。即使活塞具有完全的质量平衡，复杂的传动(设置在汽缸的中央腔体内)也得不到完全平衡，更不用说其它实际缺陷了。
一般而言，往复式活塞发动机因其成熟性、关键技术的通常可获得性、材料的技术改良、汽缸内燃烧过程的广泛了解度及因此形成的对相应应用领域的良好适应性而被广泛使用。
往复式活塞发动机运行原理的固有问题是质量平衡问题。一方面，活塞的来回运动及从顶部死点开始和从底部死点开始的活塞速度不均匀导致了质量平衡问题。另一方面，曲柄运动的侧向分量引起的不平衡性导致了质量平衡问题。
在四冲程运行中具有120度点火间隔的串联安装的六缸发动机提供了高达二级的完全平衡，并且同时具有自由质量力和自由质量扭矩。然而，在这些发动机中，长曲轴的扭转刚度或扭转刚度的不足已经开始导致出现问题，并且串联方式排列的汽缸导致出现具有较长外形的发动机组。
平衡结构与多种偏心轴配合运行，这些偏心轴平行于曲轴，并且以可转动的方式连接于曲轴。而且偏心轴的转动速度通常为曲轴转动速度的两倍或四倍，以便平衡质量力和质量扭矩。在摈弃这些复杂并且因而昂贵的系统的过程中，设计者们曾经满足于用于悬挂或安装发动机的装置，这种装置尽可能地不把振动传递给底座或车架。
比较而言，本发明的目的是提供一种往复式活塞发动机，其具有紧凑设计，并且具有较高程度的质量力平衡和质量扭矩平衡。
根据本发明，这些目的通过具有在权利要求1的特征部分指出的特征的往复式活塞发动机实现。
换言之，根据本发明的往复式活塞发动机的本质特征在于其输出轴平行于汽缸轴，并且优选地通过锥齿轮将扭矩传递给输出轴。汽缸具有圆形截面。
四个汽缸优选地呈方形排列，在此，在对角线上相对设置的汽缸以相反的方向运行，但位于等角位置，并且通过这种方式形成的两个汽缸配对以头对尾的方式设置，也就是说，在一个汽缸配对的曲柄驱动件之间，所述汽缸头上设置有另一个汽缸配对的气门。
由于存在较高制造精度和较高稳定性的可能性，通过锥齿轮将单个汽缸的扭矩传递到输出轴不再成为问题，并且相应地，直到1980年代都存在的与锥齿轮的使用寿命及运动精度有关的问题也被完全解决，那个年代的锥齿轮具有相当高的制造成本。
下面结合附图详细描述了本发明。其中：
图1展示了与输出轴垂直的截面示意图；
图2展示了重复沿着边角穿过多个汽缸轴的截面示意图；
图3、4展示了与图1、2的视图相同的变型例；及
图5展示了二冲程运行方式的变型例。
图1展示了延伸穿过多个台阶、穿过根据本发明的往复式活塞发动机1及输出轴2的截面示意图。所述输出轴2上具有与其连接的锥齿轮3。所述锥齿轮3与两个驱动锥齿轮4啮合。与曲轴齿轮6啮合的中间齿轮5在每种情况下都通过可转动及同轴方式连接于驱动锥齿轮4。而曲轴齿轮6则永久连接于汽缸8的活塞9(图2)的连接杆11的曲柄(轴)7上。通过选择锥齿轮的传动比，可以适当的传动比而获得较宽的极限范围。结果是，发动机可在对其有利的转动速度范围内运行。
从图1可以看出：具有展示出的曲轴7的两个汽缸8相对于输出轴3对称设置，并且汽缸轴与其平行。两个曲轴互相平行，并且输出轴2垂直于两个曲轴限定的平面。
结构与汽缸8相同并且其标号上附有’符号以示区别的另外两个汽缸8’围绕输出轴2的轴线设置，被旋转了90度，并且其头部打开。
作为上述设置的结果，所有4个活塞9均同时到达顶部死点中心和底部死点中心。然而，由于这些汽缸两两相互设置在相对方向上，就好像头部对尾部一样，因此，汽缸运动和曲柄转动之间的差异得到了完全平衡。由于设置在相同方向上的两个汽缸的对称性，水平力(实际上是垂直于汽缸轴而发生的力)得到了完全平衡。
从活塞及曲柄的设置及表示转动方向的箭头可以看出：发动机具有完全的质量平衡。这种紧凑设计(分配给汽缸8’的气门可通过活塞9或汽缸8的曲柄7得到控制)的结果是：空间需求降低，并且居中穿越的输出轴2允许存在多种安装情形。作为经由连接杆11、短活塞9和啮合件而从活塞9传递到输出轴2的实际上直接的力流或扭矩流的结果是：发动机实际上没有扭转和扭转振动。而对于比如传统的串联安装的六缸发动机，则由于曲轴长度的原因而可能发生扭转和扭转振动。
在本发明的变型例中，存在一种更加令人满意的可能性：相对于第一个变型例，通过使用齿轮3、4、5和6，也可以使具有理想常规转动速度的发动机自身的输出轴2具有相应的理想“主转动速度”，而不需要额外部件。
本发明的一个变型例展示于图3-4中，其中与图1-2中的部件相同的部件使用相同的标号，并且曲柄驱动的基本设计或活塞发动机的基本设计也相同，区别仅仅是单个汽缸的曲柄轴线7’的朝向不同而已。
尤其是从图3可以看出：曲轴7的轴线7’朝着输出轴2的轴线延伸，并且与其相交。通过这种方式可以让位于曲轴7上的驱动锥齿轮4与位于输出轴2上的锥齿轮3啮合，并且因而在不需要中间啮合件的情况下将发动机的扭矩传导出去。
通过这种设计，可以省掉在第一个实施例中所需要的直齿轮5、6，并且可以消除这些齿轮所提供的额外传动可能性，同时可以保留通过选择锥齿轮形成的传动可能性。
从图3-4可以看到用于尤其是通过啮合件及直齿轮来驱动气门的变型例。啮合件通过螺纹方式安装在驱动轴2上，并且该啮合件也可以是蜗轮。所述直齿轮与啮合件啮合，并且所述直齿轮位于具有对应凸轮的轴上。然而，由于该变型例仅为次要的，因此我们没有提供标号。
图5展示了飞机(图未示)的螺旋桨13的驱动装置的变形例。在此，如“点火符号”12所示，提供了二冲程运行方式。该视图沿着多重折叠的表面延伸，以便让截面穿过以交错方式放置的汽缸。阻尼元件14设置在位于螺旋桨13与发动机之间的驱动链上。在所展示的例子中，所述阻尼元件14以同轴方式延伸到驱动装置，然而，这并不是必须的。该阻尼装置可以与具有适当传动比的传动件结合。根据截面形式的输出轴可以看出：在背离螺旋桨的一侧上设置有至少又一个相同类型的发动机单元，该发动机单元也对输出轴及螺旋桨13起作用。
根据本发明的装置不需要任何新颖或奇特的材料、控制系统、密封件等。因此，本发明的装置是发动机设计者的一项创新概念，并且可以毫不费力地调整尺寸和配置。在本发明的启发下，可以毫无问题地配置和制造啮合件。并且在传动设计领域内，可容易获知发动机的功率和扭矩、输出轴的转动速度范围及所有必要的知识。
这些视图展示了直观上看为沿着垂直方向延伸的输出轴2，然而这仅仅是习惯而已。在往复式活塞发动机中这是惯例：在对发动机自身没有影响的情况下，可以对汽缸轴的朝向进行调整，以便适应相应的安装位置。可以构思出水冷或空气冷却的情况，也可以构思出二冲程运行或四冲程运行的情况。根据设计者的主意，可以使用汽油、柴油或其它燃料。
当本发明作为飞机发动机使用时(这是合适的，因为紧凑设计及高性能质量平衡的原因)，建议使用“软”连接或阻尼装置，以便保护锥齿轮啮合件不受震动比如可能由螺旋桨引起的扭矩波动的影响。当以这种方式使用本发明时，二冲程发动机的运行是有利的，因为压缩压力较低，因此可以减小墙壁厚度及质量，因为不需要油槽，运行与位置无关(能够人工飞行)，锥齿轮啮合件不会出现负荷变化，最后，还因为相对于四冲程运行，更容易将气体流导入狭窄空间内。

Claims (6)

1.一种往复式活塞发动机(1)，包括截面为圆形并且具有互相平行的汽缸轴的四个汽缸(8、8’)和输出轴(2)，其中，当从轴向截面观察时，所述汽缸轴位于一个矩形的拐角点上，其特征在于：所述矩形为方形，平行于汽缸轴的输出轴(2)的轴线位于所述方形的中心，当从轴向观察时，位于对角线上的两个汽缸(8、8’)设置于相同方向，并且当从轴向观察时，则相对于另外两个汽缸(8、8’)而设置于相反方向，并且通过单独的转动曲柄(7、7’)及啮合件(3、4、5、6)将力和扭矩从每个汽缸(8、8’)传递到所述输出轴(2)。
2.根据权利要求1所述的往复式活塞发动机(1)，其特征在于：位于对角线上的活塞(9、9’)设置成具有相同相位，并且具有以相反方向转动的曲柄(7)。
3.根据权利要求2所述的往复式活塞发动机(1)，其特征在于：所有汽缸(8、8’)的所述活塞(9、9’)同时到达其各自的顶部死点中心和底部死点中心。
4.根据前述任何一项权利要求所述的往复式活塞发动机(1)，其特征在于：所述啮合件具有锥齿轮(3、4)。
5.根据前述任何一项权利要求所述的往复式活塞发动机(1)，其特征在于：所述曲轴(7)的轴(7’)与所述输出轴(2)的轴线相交，并且所述曲轴(7)具有锥齿轮(4)，所述锥齿轮(4)与位于所述输出轴上的锥齿轮(3)啮合。
6.根据权利要求1-4中任何一项所述的往复式活塞发动机(1)，其特征在于：所述曲轴(7)的所述轴(7’)互相成对平行延伸，并且相对于所述输出轴(2)的所述轴线偏斜，并且所述曲轴(7)具有与中间齿轮(5)啮合的曲柄齿轮(6)，所述中间齿轮(5)具有与位于所述输出轴上的锥齿轮(3)啮合的同轴锥齿轮(4)。
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