CN104481689B - 双曲柄机构发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双曲柄机构发动机，属于发动机技术领域。本发明包括气缸和能在气缸内作直线往复运动的活塞，气缸的两侧有两个平行的曲轴，两个曲轴相对应的曲柄销之间铰接有连杆，构成双曲柄机构；活塞后部的活塞杆上制作有连杆插槽和滑块，连杆滑动插入连杆插槽内，发动机内固定有导向块，导向块形成有供滑块滑动的导轨，滑块插入导轨内，曲轴的端部安装有传动齿轮，两传动齿轮之间啮合安装有输出齿轮，输出齿轮上安装有输出轴。本发明有效降低活塞与缸套的磨损和冲击，提高陶瓷材料应用在发动机上的可靠性，提高实际热效率。

Description

双曲柄机构发动机

技术领域

本发明涉及一种高效率发动机，属于发动机技术领域。

背景技术

在发动机领域已知，奥托热力循环包括两个等容吸热、放热过程，两个绝热压缩、膨胀过程，以压缩比10为例，理论热效率约60%。汽油机是近似遵循奥托循环的内燃发动机，实际热效率约30%；狄塞尔热力循环包括一个等压吸热过程，一个等容放热过程，两个绝热压缩、膨胀过程，以压缩比20为例，理论热效率约58%。柴油机是近似遵循狄塞尔循环的内燃发动机，实际热效率约35%。

由此可见，无论是汽油机还是柴油机，实际热效率比理论热效率都低很多，造成这种现象的主要原因之一是与高温燃气直接接触的缸套、活塞等零部件是由绝热效果较差的金属材料制造，金属材料持续可靠的工作需要依靠冷却系统不断的冷却其从密闭燃烧室吸取的热能。陶瓷材料是一种绝热效果较好的材料，缸套、活塞等零部件与高温燃气直接接触的部分如果使用陶瓷材料制造便可提高实际热效率，但是因为陶瓷材料的脆性而导致的低可靠性成为其应用在发动机上的技术障碍。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种双曲柄机构发动机，有效降低活塞与缸套的磨损和冲击，提高陶瓷材料应用在发动机上的可靠性，提高实际热效率。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种双曲柄机构发动机，它包括气缸和能在气缸内作直线往复运动的活塞，

所述的气缸的两侧共布置有两个平行设置且规格相同的曲轴，两个曲轴相对应的曲柄销之间铰接有连杆，构成双曲柄机构；

所述的活塞后部连接有活塞杆，活塞杆上制作有连杆插槽和滑块，所述的连杆滑动插入所述的连杆插槽内，所述的发动机内固定有导向块，导向块形成有供滑块滑动的导轨，所述的滑块插入导轨内，导轨的方向与活塞的运动方向平行；

所述的气缸上与活塞相对的一端装有缸盖，缸盖与活塞之间形成密封燃烧室，缸盖上具有进气孔和排气孔。

所述的活塞、气缸与高温燃气直接接触的部分采用陶瓷材料。

所述的活塞是无裙部活塞，即活塞导向端与活塞密封端分离，所述的活塞密封端即所述的活塞，所述的活塞导向端是用所述的滑块和导向块替代有裙活塞的导向裙部。

所述的每个曲轴的端部安装有传动齿轮，两传动齿轮之间啮合安装有输出齿轮，输出齿轮上安装有输出轴。

所述的气缸有多个，多个气缸呈一条直线排列，所述的活塞、连杆、活塞杆和每个曲轴上的曲柄销与气缸的数量和位置相对应。

所述的气缸有多个，多个气缸呈两排平行布置，所述的活塞、活塞杆与气缸的数量和位置相对应；所述的连杆同时从两曲轴之间的两个活塞杆的连杆插槽内穿过，连杆和每个曲轴上的曲柄销与单排气缸的数量和位置相对应。

所述的活塞为双头活塞，即所述的活塞杆的两端均设置有一个活塞，每端的活塞均配置有一个气缸。

所述的活塞杆的两端各有一排或双排气缸，所述的活塞、连杆、活塞杆和每个曲轴上的曲柄销与气缸的数量和位置相适配。

所述的导向块的长度保证活塞位于上止点时滑块不与导轨完全脱离。

本发明的有益效果是：本发明将受力作用点由高温、高压和高速的活塞与缸套往复作用区域转移到其它低温易润滑区域，实现活塞与气缸之间除活塞环背压以外无其它作用力存在，实现使用陶瓷材料制造的缸套、活塞等零部件只承受高温燃气的压力载荷，实现在不增加陶瓷材料韧性和制造成本的前提下提高其可靠性及使用寿命，因此具有如下优点：

1. 活塞与缸套之间除活塞环背压以外无其他作用力存在，与高温燃气直接接触的缸套、活塞等零部件可以使用陶瓷材料制造，取消了冷却系统，大幅度提高了热效率。

2.降低了活塞与缸套之间摩擦损失，且整个机构中所有的摩擦表面都处于低温易润滑环境中，提高了机械效率。

3.陶瓷材料的应用提升了气缸内燃烧温度，爆发出更大的缸压，提升了功率和扭矩。

4.活塞与缸套之间摩擦力仅由活塞环背压决定，可大幅度提高发动机极限转速。

5.传统直列发动机，高度尺寸是制约汽车总布置的一个关键尺寸，曲柄滑块机构为了减小活塞与缸套侧向力，连杆孔心距一般是曲轴回转半径的3.2～4倍，双曲柄机构不受该因素限制。

6、与现在广泛应用的直列4缸往复发动机通用性好，配气机构、曲轴都可以直接借用，可实施性强，改造成本低。

7、传统发动机的连杆做往复摆动，存在惯性力；本发明的连杆做匀速转动，不存在惯性力。

8.本发明结构简单可靠，发动机的结构越简单，越具有推广应用价值。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明结构原理图；

图2是本发明实施例1的立体结构示意图；

图3是本发明实施例1的主视图；

图4是图3的A-A剖视图；

图5是图3的B-B剖面图；

图6是图3的俯视图；

图7是图6的C-C剖视图（活塞位于上止点）；

图8是图6的D-D剖视图（活塞位于下止点）；

图9是图6的E-E剖视图；

图10是本发明实施例2的立体结构示意图；

图11是本发明实施例2的主视图；

图12是本发明实施例2的内部结构示意图（即图14的G-G剖视图）；

图13是图11的F-F剖视图；

图14是图11的俯视图；

图15是图14的H-H剖视图；

图16是本发明实施例3的立体结构示意图；

图17是本发明实施例3的主视图；

图18是图17的I-I剖视图；

图19是图17的J-J剖面图；

图20是图17的左视图；

图21是图20的K-K剖视图；

图22是图20的L-L剖视图；

图23是图20的M-M剖视图；

图24是本发明实施例3活塞结构示意图；

图25是图14的N-N剖视图。

图中，1、曲轴，1-1、曲柄销，1-2、曲轴主轴，2、气缸，3、活塞，3-1、活塞杆，3-2、连杆插槽，3-3、滑块，3-4、孔隙，4、连杆，5、导向块，6、传动齿轮，7、输出轴，8、输出齿轮，9、缸盖，10、进气孔，11、火花塞或喷油器安装孔，12、排气孔，13、密封的燃烧室。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

如附图所示，尤其参照图1、图4、图6、图7所示，一种双曲柄机构发动机，它包括气缸2和能在气缸内作直线往复运动的活塞3，所述的气缸2的两侧共布置有两个平行设置且规格相同的曲轴1，两个曲轴1相对应的曲柄销1-1之间铰接有连杆4，构成双曲柄机构。

所述的活塞3后部连接有活塞杆3-1，活塞杆3-1上制作有连杆插槽3-2和滑块3-3，所述的连杆4滑动插入所述的连杆插槽3-2内，所述的发动机内固定有导向块5，导向块5形成有供滑块3-3滑动的导轨，所述的滑块3-3插入导轨内，导轨的方向与活塞3的运动方向平行，导向块5的长度保证活塞3位于上止点时滑块3-3不从导轨完全脱出；导向机构可以单独设置，也可以与发动机缸体一体成型。所述的气缸2上与活塞3相对的一端装有缸盖9，缸盖9与活塞3之间形成密封燃烧室13，缸盖9上具有进气孔10、火花塞或喷油器安装孔11和排气孔12，附图的缸盖部分不代表真实结构，仅是原理示意；火花塞安装孔是针对汽油机，喷油器安装孔是针对柴油机。

发动机内与高温燃气直接接触的活塞、气缸部分采用陶瓷材料。绝热效果好，提升了气缸内燃烧温度，爆发出更大的缸压，提升了功率和扭矩。

所述的每个曲轴1的端部安装有传动齿轮6，两传动齿轮6之间啮合安装有输出齿轮8，输出齿轮8上安装有输出轴7。

所述的活塞是无裙部活塞，即活塞导向端与活塞密封端分离，所述的活塞密封端即所述的活塞，所述的活塞导向端是用所述的滑块3-3和导向块5替代有裙活塞的导向裙部。

所述的活塞杆3-1上有孔隙3-4，节省材料，减轻重量。

本发明可有如下实施例：

实施例1，参照图2-图9，所述的气缸2有四个，四个气缸2呈两排平行布置，所述的活塞3、活塞杆3-1与气缸2的数量和位置相对应；所述的连杆4同时从两曲轴1之间的两个活塞杆3-1的连杆插槽3-2内穿过，连杆4和每个曲轴1上的曲柄销与单排气缸2的数量和位置相对应。

实施例2，参照图10-图15，所述的气缸2有四个，四个气缸2呈一条直线排列，所述的活塞3、连杆4、活塞杆3-1和每个曲轴1上的曲柄销与气缸2的数量和位置相对应。

活塞做功时，活塞的直线往复运动转化为连杆和曲轴的转动，导向块承受侧向力，受力区域转移至气缸外低温易润滑区域，曲轴的转动由齿轮传动副传给输出轴7，以对外做功。四个气缸对应四个冲程可保证输出连续。

实施例3，参照图16-图25，所述的活塞3为双头活塞，即所述的活塞杆3-1的两端均设置有一个活塞3，每端的活塞3均配置有一个气缸2。作为一种改进，所述的活塞杆3-1的两端各有一排或双排气缸2，所述的活塞3、连杆4、活塞杆3-1和每个曲轴1上的曲柄销与气缸2的数量和位置相适配。

双曲柄机构中，活塞与连杆的摩擦力引起了活塞的侧向力，活塞沿导向块往复滑动，活塞侧向力完全被导向块承受从而不会引起活塞与缸套的冲击摩擦。无论是活塞与连杆的摩擦还是活塞与导向块的摩擦，都处于低温易润滑环境。实施例1和实施例2较易采用边界润滑，摩擦系数约0.02～0.06；实施例3较易采用压力润滑，摩擦系数0.003～0.01。其效果是：发动机转速4000r/min时，传统曲柄滑块机构最大侧向力3500N，活塞速度16m/s，活塞与缸套之间的磨损、密封、漏气、机械噪声等问题随之而来。而本发明的活塞拥有独特设计：导向与密封分离，导向端承受全部载荷且处于低温易润滑区域，密封端无载荷且处于高温区域，上述问题可得到良好的解决。往复直列4缸1.8L最大输出扭矩：175Nm@4000r/min，最大输出功率：90KW@5500r/min，制约最大扭矩时刻4000r/min上升的主要因素之一是活塞与缸套的磨损，该时刻以后发动机会主动降低喷油量来减小磨损。本发明双曲柄机构的活塞导向机构处于低温易润滑环境，该处转动副的压力润滑方式已经相当成熟，磨损量很小，因此最大扭矩对应的转速时刻可以延伸至5500r/min左右。

另外，实施例1和实施例2可降低发动机高度尺寸；传统水平对置发动机，横向尺寸是制约汽车总布置的一个关键尺寸，曲柄滑块机构为了减小活塞与缸套侧向力，连杆孔心距一般是曲轴回转半径的3.2～4倍，本发明采用双曲柄机构从而不受该因素限制；实施例3可降低发动机横向尺寸。

Claims (8)

1.一种双曲柄机构发动机，它包括气缸（2）和能在气缸内作直线往复运动的活塞（3），其特征在于：

所述的气缸（2）的两侧共布置有两个平行设置且规格相同的曲轴（1），两个曲轴（1）相对应的曲柄销（1-1）之间铰接有连杆（4），构成双曲柄机构；

所述的活塞（3）后部连接有活塞杆（3-1），活塞杆（3-1）上制作有连杆插槽（3-2）和滑块（3-3），所述的连杆（4）滑动插入所述的连杆插槽（3-2）内，所述的发动机内固定有导向块（5），导向块（5）形成有供滑块（3-3）滑动的导轨，所述的滑块（3-3）插入导轨内，导轨的方向与活塞（3）的运动方向平行；

所述的气缸（2）上与活塞（3）相对的一端装有缸盖（9），缸盖（9）与活塞（3）之间形成密封燃烧室（13），缸盖（9）上具有进气孔（10）和排气孔（12）；

所述的活塞（3）是无裙部活塞，即活塞导向端与活塞密封端分离，所述的活塞密封端即所述的活塞（3），所述的活塞导向端是用所述的滑块（3-3）和导向块（5）替代有裙活塞的导向裙部。

2.根据权利要求1所述的双曲柄机构发动机，其特征在于：所述的活塞（3）、气缸（2）与高温燃气直接接触的部分采用陶瓷材料。

3.根据权利要求1所述的双曲柄机构发动机，其特征在于：所述的每个曲轴（1）的端部安装有传动齿轮（6），两传动齿轮（6）之间啮合安装有输出齿轮（8），输出齿轮（8）上安装有输出轴（7）。

4.根据权利要求1所述的双曲柄机构发动机，其特征在于：所述的气缸（2）有多个，多个气缸（2）呈一条直线排列，所述的活塞（3）、连杆（4）、活塞杆（3-1）和每个曲轴（1）上的曲柄销与气缸（2）的数量和位置相对应。

5.根据权利要求1所述的双曲柄机构发动机，其特征在于：所述的气缸（2）有多个，多个气缸（2）呈两排平行布置，所述的活塞（3）、活塞杆（3-1）与气缸（2）的数量和位置相对应；所述的连杆（4）同时从两曲轴（1）之间的两个活塞杆（3-1）的连杆插槽（3-2）内穿过，连杆（4）和每个曲轴（1）上的曲柄销与单排气缸（2）的数量和位置相对应。

6.根据权利要求1所述的双曲柄机构发动机，其特征在于：所述的活塞（3）为双头活塞，即所述的活塞杆（3-1）的两端均设置有一个活塞（3），每端的活塞（3）均配置有一个气缸（2）。

7.根据权利要求6所述的双曲柄机构发动机，其特征在于：所述的活塞杆（3-1）的两端各有一排或双排气缸（2），所述的活塞（3）、连杆（4）、活塞杆（3-1）和每个曲轴（1）上的曲柄销与气缸（2）的数量和位置相适配。

8.根据权利要求1所述的双曲柄机构发动机，其特征在于：所述的导向块（5）的长度保证活塞（3）位于上止点时滑块（3-3）不与导轨完全脱离。