发明内容
发明目的:针对现有技术中的不足,本发明的目的在于提供一种往复旋转活塞式发动机,使其不仅体积较小,结构紧凑,而且易于保养和维护。
技术方案:为了实现上述发明目的,本发明采用的技术方案如下:
一种往复旋转活塞式发动机,包括气缸、旋转活塞、摇杆轴和带传动装置,所述的旋转活塞固定连接在摇杆轴上,摇杆轴贯穿设置在气缸内,摇杆轴的一端突出气缸盖且该端与带传动装置相连,另一端通过轴承端盖固定;所述的旋转活塞包括旋转主体和对称设置在旋转主体侧面的两个突起,突起的顶部与气缸的内壁相贴合;在所述的气缸内对称设有两个隔板,隔板的顶部与旋转主体相贴合,配合后,气缸被旋转活塞划分为四个子气缸;在所述的子气缸内均设有火花塞或者喷油器、进气通道和排气通道;在所述的气缸上对称设有两个用于安放凸轮轴的凸轮轴孔,凸轮轴孔分别位于两个隔板的两侧,在气缸上对称设有用于安放推杆的推杆导孔,推杆导孔与凸轮轴孔相连通,且该推杆导孔为四个,推杆在推杆导孔内往复直线运动,推杆与用于控制气门的摇臂相接触;所述的摇臂设置在摇臂轴上;所述的带传动装置设置在气缸外侧,其包括连杆、连杆销、曲轴、飞轮、主动带轮和从动带轮,所述的连杆的小头通过连杆销旋转固定于摇杆轴的摇杆结构上,连杆的大头与曲轴的连杆轴颈可转动连接;所述的飞轮和主动带轮固定连接在曲轴的主轴颈上,所述的主动带轮设置在飞轮的外侧。
在所述的进气通道和排气通道上均设有固定气门的气门导孔;在所述的气缸外设有以气门导孔的轴线为中心的圆柱形凹槽,凹槽用于安放气门的主副弹簧,主副弹簧通过气门弹簧座固定。
所述的从动带轮包括第一从动带轮和第二从动带轮;第一从动带轮为双排带轮且固定安装于第一凸轮轴上,其带轮直径为主动带轮的两倍,主动带轮与第一从动带轮的传动比为2:1;第二从动带轮为单排带轮且固定安装在第二凸轮轴上,其带轮直径与第一从动带轮相同,第二从动带轮与第一从动带轮的传动比为1:1。
所述的摇杆轴突出气缸盖的一端为摇杆结构,在摇杆结构上设有用于安装连杆销的通孔;所述的轴承端盖通过螺钉固定在摇杆轴的一端,摇杆轴上预留有配合螺钉使用的螺纹孔;在旋转活塞的中心设有花键通孔,在摇杆轴上设有配合花键通孔固定连接的花键。
在所述的气缸的外部对称设有两个气门罩室,该气门罩室为U形的壳体,将气门及其配件与外界隔离开来,在每个气门罩室上对称的设有两个供喷油器或火花塞穿过的孔;在每个子气缸的进气通道和排气通道之间,都设有用于安装喷油器或火花塞的预留孔。
所述的气缸通过气缸盖封闭;气缸盖包括前气缸盖和后气缸盖,前气缸盖设置在摇杆轴的摇杆结构的一侧,前气缸盖包括一个摇杆轴孔,摇杆轴孔位于该前气缸盖的中心位置,在前气缸盖的四周对称分布着四个与进气通道相连通的进气口;在前气缸盖上设有两个配合凸轮轴孔使用的凸轮孔,两凸轮轴可从该凸轮轴孔伸出一段轴;在前气缸盖上还设有四个摇臂轴孔,摇臂轴孔均布于前气缸盖的四周,位于前气缸盖面向气缸的一侧,孔深为前气缸盖厚度的一半;后气缸盖设置在摇杆轴的轴承端盖侧。
所述的凸轮轴设置在凸轮孔和凸轮轴孔形成的区域内,凸轮轴的一端突出前气缸盖,凸轮轴的另一端在气缸内,在此端并排设有四个配合推杆使用的凸轮;所述的摇臂轴固定于气缸盖之间,在摇臂轴上还设有摇臂滑动轴承和摇臂定距环。
在所述的旋转活塞的两端设有圆锥滚子轴承,圆锥滚子轴承包括第一圆锥滚子轴承和第二圆锥滚子轴承,第一圆锥滚子轴承设置在前气缸盖的摇杆轴孔处,第一圆锥滚子轴承的内圈与摇杆轴配合;第二圆锥滚子轴承安装在后气缸盖的摇杆轴孔处,第二圆锥滚子轴承的内圈与摇杆轴配合,同时轴承端盖将其内圈固定在摇杆轴上;第一圆锥滚子轴承、第二圆锥滚子轴承和旋转活塞均通过活塞定距环轴向固定。
有益效果:与现有就技术相比,本发明的通过将气缸分为四个子气缸,四个子气缸就相当于四个往复式发动机的四个气缸,将普通往复式发动机需要四个连杆四个曲轴连杆轴颈才能完成的过程,简化到只需一个连杆一个曲轴连杆轴颈就能完成,不仅布局简单紧凑、体积大幅减小,而且能够实现普通的往复式发动机的功能,作为配件使用,节省了设备制造成本,适宜在生产运作中推广应用,具有很好的经济效益和社会效应。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
如图1~图9所示,往复旋转活塞式发动机,包括气缸1、气缸盖、旋转活塞2、摇杆轴3和带传动装置,旋转活塞2固定连接在摇杆轴3上,摇杆轴3贯穿设置在气缸1内,摇杆轴3突出气缸盖的一端与带传动装置相连,另一端通过轴承端盖4固定;旋转活塞2包括旋转主体和对称设置在旋转主体侧面的两个突起5,该突起5的顶部与气缸1的内壁相贴合;在气缸1内对称设有两个隔板6,该隔板6的顶部与旋转主体的侧面相贴合,配合后,气缸1被旋转活塞2划分为四个子气缸,旋转活塞2可在两个隔板6之间往复旋转;每个子气缸内均设有火花塞或者喷油器7、进气通道8和排气通道9,在进气通道8和排气通道9上均设有固定气门10的气门导孔11,气门10在气门导孔11的轴线上作往复直线运动,气门导孔11的轴线垂直于气缸内对应的进排气通道9口所在平面;在气缸1外设有以气门导孔11的轴线为中心的圆柱形凹槽12,在凹槽12内设有环形凸台,该凹槽12用于安放气门10的主副弹簧13,该主副弹簧13通过气门弹簧座14固定;在气缸1上对称设有两个用于安放凸轮轴的凸轮轴孔15,该凸轮轴孔15分别位于两个隔板6的两侧,在气缸1上对称设有用于安放推杆16的推杆导孔17,该推杆导孔17与凸轮轴孔15相连通,且该推杆导孔17为四个,推杆16在推杆导孔17内往复直线运动;每个子气缸中,每对进排气通道中的进气通道8和排气通道9向着相反方向弯转90°通向气缸1两侧,即在气缸的每一侧都有四个与进排气通道口大小相等的圆形通道口,那些通道口是与之临近的进排气通道口的出口,进排气通道口弯转一定角度后从这些通道口穿出。
摇杆轴3突出气缸盖的一端为摇杆结构,在摇杆结构上设有用于安装连杆销的通孔18,在摇杆轴3上沿着摇杆结构的轮廓开有凹槽,该凹槽的宽度与连杆19宽度相当,凹槽的深度由连杆19与摇杆结构的相对位置决定,必须保证在摇杆轴3往复旋转时,连杆19不会碰到凹槽底部;摇杆轴3另一端的端面环形均布有若干螺纹孔,用于安装固定轴承端盖4的螺钉20,端面中心处有一深孔21。
带传动装置包括连杆19、连杆销、曲轴22、飞轮23、主动带轮24和从动带轮,连杆19的小头通过连杆销旋转固定于摇杆轴3的摇杆结构上,连杆19的大头与曲轴22的连杆轴颈可转动连接;曲轴22的主轴颈与机架可转动连接;飞轮23和主动带轮24固定连接在曲轴22的主轴颈上,主动带轮24设置在飞轮23的外侧。
从动带轮包括第一从动带轮25和第二从动带轮26;第一从动带轮25为双排带轮且固定安装于第一凸轮轴27上,带轮直径为主动带轮24的两倍,主动带轮24与第一从动带轮25的传动比为2:1;第二从动带轮26为单排带轮且固定安装在第二凸轮轴28上,直径与第一从动带轮25相同,第二从动带轮26与第一从动带轮25的传动比为1:1;主动带轮24通过皮带将动力传递给第一从动带轮25,带动第一从动带轮25所在的第一凸轮轴27转动,其角速度是主动带轮24的一半,方向相同,再由第一从动带轮25的另一排带轮上的皮带将第一从动带轮25的动力传递给第二从动带轮26,第二从动带轮26所在的第二凸轮轴28转动,第二从动带轮26的角速度和方向都与第一从动带轮25相同;通过带轮的传动,使得两个凸轮轴朝相同方向以相同角速度旋转,其角速度是曲轴22角速度的一半,从而控制气门10的开合。
气缸1通过气缸盖封闭;气缸盖包括前气缸盖29和后气缸盖30,前气缸盖29设置在摇杆轴3的摇杆结构的一侧,前气缸盖29包括一个摇杆轴孔,该摇杆轴孔位于该前气缸盖29的中心位置,在前气缸盖29四周对称分布着四个与进气通道8相连通的进气口;在前气缸盖29上设有两个配合凸轮轴孔15使用的凸轮孔,两凸轮轴可从该孔伸出一段轴;在前气缸盖29上还设有四个摇臂轴孔43,该孔均布于前气缸盖的四周,位于前气缸盖29面向气缸的一侧,孔深为前气缸盖29厚度的一半。后气缸盖30设置在摇杆轴3的轴承端盖4侧,后气缸盖30与前气缸盖29的结构基本相同,不同之处在于设置在后气缸盖30上的两个凸轮孔不是通孔,该孔位于后气缸盖30面向气缸1的一侧,孔深为气缸盖1厚度的一半,同时在后气缸盖四周对称分布着四个与进气通道8相连通的进气口。
摇臂轴31固定于两气缸盖之间,在摇臂轴31上套有摇臂滑动轴承和摇臂定距环,通过摇臂定距环固定摇臂滑动轴承的相对位置,摇臂安装于摇臂滑动轴承上,可绕摇臂滑动轴承旋转,但不能左右移动,同侧不同摇臂轴上的滑动轴承、定距环和摇臂的形状和安装方法不同,具体见图6。摇臂包括第一摇臂32和第二摇臂33,二者大小尺寸相同,但它们各部位相互对称,每一个凸轮轴对应两个第一摇臂32和两个第二摇臂33;摇臂滑动轴承包括第一摇臂滑动轴承34和第二摇臂滑动轴承35,第一摇臂滑动轴承34为环形柱体,中间的环形柱体的外径大于两端的外径,但内径均相同,第二摇臂滑动轴承35为环形柱体,一端的外径大于另一端,内径相同;摇臂定距环包括第一摇臂定距环36和第二摇臂定距环37,它们均为环形柱体,内外径尺寸相同,长度不同。
在气缸1的外部对称设有两个气门罩室38,该气门罩室38为U形的壳体,将气门10及其配件与外界隔离开来,在每个气门罩室38上对称的设有两个供喷油器或火花塞7穿过的孔;在每个子气缸的进气通道8和排气通道9之间,都设有安装喷油器或火花塞7的预留孔41。
火花塞用于燃料为汽油的时候,装于气缸1的指定位置上,用于点燃高温高压可燃混合气体;喷油器用于燃料为柴油的时候,装于气缸1的指定位置,在压缩冲程接近完成时喷人雾化柴油,与高温高压空气混合燃烧。
凸轮轴设置在凸轮孔和凸轮轴孔15形成的区域内,凸轮轴的一端突出前气缸盖29,用以安装第一从动带轮25和第二从动带轮26,凸轮轴的另一端在气缸1内,在此端并排设有配合推杆使用的四个凸轮,不同凸轮对应不同的推杆16,不同推杆对应不同摇臂,不同摇臂对应不同的气门10,一个凸轮轴能够控制四个气门10,也就是两个子气缸的进排气门。
在旋转活塞2的两端设有圆锥滚子轴承,圆锥滚子轴承包括第一圆锥滚子轴承39和第二圆锥滚子轴承40,第一圆锥滚子轴承39设置在前气缸盖29的摇杆轴孔处,第一圆锥滚子轴承39的内圈与摇杆轴3配合;第二圆锥滚子轴承40安装在后气缸盖30的摇杆轴孔处,第二圆锥滚子轴承40的内圈与摇杆轴3配合,同时轴承端盖4将其内圈固定在摇杆轴3上;第一圆锥滚子轴承39、第二圆锥滚子轴承40和旋转活塞2通过活塞定距环42轴向固定,保证了摇杆轴3不会左右运动,而只绕其轴线往复旋转;其中,活塞定距环为环形柱体。
轴承端盖4通过螺钉20固定在摇杆轴3的一端,摇杆轴3上预留有配合螺钉20使用的螺纹孔;在旋转活塞的中心设有花键通孔,在摇杆轴3的上设有配合花键通孔固定连接的花键。
该轴承端盖4为圆盘结构,在其上圆周均布着数目和位置均与摇杆轴3端面上的螺纹孔相同的通孔,轴承端盖4中心处有一个与摇杆轴3端面的深孔等直径的通孔。
工作过程:工作时,高温高压燃料做功推动旋转活塞2在气缸1内往复旋转,从而带动摇杆轴3往复旋转,使得摇杆轴3一端摇杆往复摆动,通过连接在摇杆上连杆将往复摆动转变为曲轴的旋转运动,曲轴再将所获得的动能存储于飞轮,可将其简化为曲柄摇杆机构。
具体做功过程附图说明,如图8所示,将气缸1分为1~4号子气缸,摇杆轴3的摇杆侧的气门均为进气气门,另一侧均为排气气门,以1号子气缸完成四个冲程为参照,分别对应其它各子气缸的冲程状态。
1号子气缸进入做功冲程:1号子气缸为做功冲程,2号子气缸为压缩冲程,3号子气缸为进气冲程,4号子气缸为排气冲程,由图的视角,旋转活塞2逆时针旋转,摇杆轴3的摇杆逆时针往上提升连杆13,连杆13拉动曲轴14逆时针旋转;此时各子气缸的气门开合状态为:1号:进气门关闭,排气门关闭;2号:进气门关闭,排气门关闭;3号:进气门打开,排气门关闭;4号:进气门关闭,排气门打开。
1号子气缸进入排气冲程:1号子气缸为排气冲程,2号子气缸为做功冲程,3号子气缸为压缩冲程,4号子气缸为进气冲程,由图的视角,旋转活塞2顺时针旋转,摇杆轴3的摇杆顺时针往下推动连杆13,连杆13推动曲轴14逆时针旋转;此时各子气缸的气门开合状态为:1号:进气门关闭,排气门打开;2号:进气门关闭,排气门关闭;3号:进气门关闭,排气门关闭;4号:进气门打开,排气门关闭。
1号子气缸进入进气冲程:1号子气缸为进气冲程,2号子气缸为排气冲程,3号子气缸为做功冲程,4号子气缸为压缩冲程,由图的视角,旋转活塞2逆时针旋转,摇杆轴3的摇杆逆时针往上提升连杆13,连杆13拉动曲轴14逆时针旋转;此时各子气缸的气门开合状态为:1号:进气门打开,排气门关闭;2号:进气门关闭,排气门打开;3号:进气门关闭,排气门关闭;4号:进气门关闭,排气门关闭。
1号子气缸进入压缩冲程:1号子气缸为压缩冲程,2号子气缸为进气冲程,3号子气缸为排气冲程,4号子气缸为做功冲程,由图的视角,旋转活塞2顺时针旋转,摇杆轴3的摇杆顺时针往下推动连杆13,连杆13推动曲轴14逆时针旋转;此时各子气缸的气门开合状态为:1号:进气门关闭,排气门关闭;2号:进气门打开,排气门关闭;3号:进气门关闭,排气门打开;4号:进气门关闭,排气门关闭。
同行程时各气缸冲程对照表1:
表1 气缸冲程对照表
| 1号子气缸 |
2号子气缸 |
3号子气缸 |
4号子气缸 |
| 做功冲程 |
压缩冲程 |
进气冲程 |
排气冲程 |
| 排气冲程 |
做功冲程 |
压缩冲程 |
进气冲程 |
| 进气冲程 |
排气冲程 |
做功冲程 |
压缩冲程 |
| 压缩冲程 |
进气冲程 |
排气冲程 |
做功冲程 |
由表1可知,每个子气缸的四个行程都是一个完整的工作周期,每个行程都有一个子气缸做功推动或拉动曲轴旋转,从而保证了做功的连续性。其中的每一个气门由一个单独的凸轮控制,因此在四个行程中能控制气门在必要时刻的开合,并且各气门互不干涉。
该往复旋转活塞式发动机通过将气缸分为四个子气缸,四个子气缸就相当于四个往复式发动机的四个气缸,不仅布局简单紧凑、体积大幅减小,而且能够实现普通的往复式发动机的功能,作为配件使用,节省了设备制造成本,适宜在生产运作中推广应用,具有很好的经济效益和社会效应。