CN109488453A - 一种偏置曲轴式发动机 - Google Patents

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CN109488453A CN201811607918.7A CN201811607918A CN109488453A CN 109488453 A CN109488453 A CN 109488453A CN 201811607918 A CN201811607918 A CN 201811607918A CN 109488453 A CN109488453 A CN 109488453A
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Abstract

本发明涉及发动机设计与制造领域，尤其是一种偏置曲轴式发动机，包括气缸、活塞、活塞销、连杆、曲柄和曲柄销，活塞设于发动机气缸内，连杆通过活塞销与活塞连接在一起，曲柄通过曲柄销与连杆连接在一起，曲轴偏置需将曲轴向曲柄销下行方向偏移一定距离，以活塞销中心为圆心，连杆长度与曲柄半径的和为半径做圆弧，圆弧与偏移距所在直线的交点即为偏置曲轴中心的位置；连杆和曲柄销与气缸发生碰擦处加工有避让连杆和曲柄销的槽口，该发动机能合理利用摩擦系数的差异，降低气缸壁与活塞环的摩擦，提高发动机效率，还可获得降低最高爆压，改善换气质量，增加活塞行程等效果，有利于发动机经济运行，具有一定的经济效益。

Description

一种偏置曲轴式发动机
技术领域
本发明涉及发动机设计与制造领域，尤其是一种偏置曲轴式发动机。
背景技术
随着人们生活水平的日益提高，汽车已走进千家万户，汽车的保有量快速提高，汽车消费者对整车的燃油消耗十分敏感，这关系到汽车的使用成本。尽管燃用汽油、柴油已经不是人类获取能源的方向，但是在今后相当长一段时间内，内燃机车仍将是汽车市场的主导，在新能源、新技术普及之前，提高汽油机和柴油机的效率仍然具有现实意义。
目前，汽车上所采用的发动机多为正轴发动机，即汽油机和柴油机的曲轴轴线与气缸中心线理论上处于同一平面内，这类发动机在设计和使用中面临两大问题：第一是部件要承受油气燃烧产生的高达5MPa（汽油机）或9MPa（柴油机）的爆发压力；第二是运动副的磨损，其中尤以气缸套与活塞环的磨损最为严重且难以控制，上述存在问题是发动机工况下降，甚至产生故障的最常见的原因，上述影响不能消除，只能通过各种方法加以改善，曲轴偏置有助于这种改善，曲轴偏置是在曲柄、连杆、缸径等重要参数不变的情况下，仅改变其曲轴中心的位置，提高发动机的动力性和经济性的一种有效途径。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种偏置曲轴式发动机，曲轴通过向曲柄销下行方向偏移一定距离，使发动机曲轴轴线与气缸中心线不在同一平面内，从而降低了气缸壁与活塞环的摩擦以及提高了发动机效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种偏置曲轴式发动机，包括气缸、活塞、活塞销、连杆、曲柄和曲柄销；活塞设于发动机气缸内，活塞销设于活塞上，连杆通过活塞销与活塞连接在一起，曲柄通过曲柄销与连杆连接在一起；曲轴未偏置前，曲轴轴线与气缸中心线在同一平面内，将曲轴向曲柄销下行方向偏移一定距离，以活塞销中心为圆心，连杆长度与曲柄半径的和为半径做圆弧，圆弧与偏移距所在直线的交点即为偏置曲轴中心的位置；为防止曲轴偏移后连杆和曲柄销与气缸底部发生碰擦，在连杆和曲柄销与气缸发生碰擦处加工出避让连杆和曲柄销的槽口。
进一步的，发动机的类型为直列四冲程筒形活塞发动机，气缸类型包括直线排列式和V形排列式。
进一步的，发动机选用的参数为：气缸缸径为140毫米，冲程为150毫米，曲柄半径为75毫米，连杆长度为200毫米，偏移距为50毫米。
进一步的，曲轴转向为顺时针。
本发明的有益效果是：一种偏置曲轴式发动机，该发动机能合理利用摩擦系数的差异，降低气缸壁与活塞环的摩擦，偏置式曲轴发动机可将一部分内部平衡所消耗的功转为对外输出，提高发动机效率，还可获得降低最高爆压，改善换气质量，增加活塞行程等效果，有利于发动机经济运行，具有一定的经济效益。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的正轴发动机气缸中心线所在横向剖面简图。
图2为本发明的偏置曲轴式发动机气缸中心线所在横向剖面简图。
图3为本发明的正轴发动机活塞位置与曲柄转角关系的示意图。
图4为本发明的偏置曲轴式发动机活塞位置与曲柄转角关系的示意图。
图5为本发明的正轴发动机的活塞运动位置示意图。
图6为本发明的偏置曲轴式发动机的活塞运动位置示意图。
图7为本发明的正轴发动机和偏置曲轴式发动机活塞运行位置曲线对比图。
图8为本发明的活塞上下止点示意图。
图9为本发明的正轴发动机活塞下行做功时活塞销与曲柄销受力分析示意图。
图10为本发明的偏置曲轴式发动机活塞下行做功时活塞销与曲柄销受力分析示意图。
图11为本发明的正轴发动机活塞上行压缩时活塞销与曲柄销受力分析示意图。
图12为本发明的偏置曲轴式发动机活塞上行压缩时活塞销与曲柄销受力分析示意图。
图中1.气缸，2.活塞，3.活塞销，4.连杆，5.曲轴中心，6.偏曲轴中心，7.偏移距，8.曲柄，9.曲柄销，10.气缸中心线，11.曲柄转角,12.第一垂直距，13.第二垂直距，14.正轴发动机活塞运行位置曲线，15.偏轴发动机活塞运行位置曲线，16.活塞上止点，17.活塞下止点。
具体实施方式
参照附图，一种偏置曲轴式发动机，包括气缸1、活塞2、活塞销3、连杆4、曲柄8和曲柄销9；活塞1设于发动机气缸1内，活塞销9设于活塞2上，连杆4通过活塞销3与活塞2连接在一起，曲柄8通过曲柄销9与连杆4连接在一起，发动机的类型为直列四冲程筒形活塞发动机，气缸1类型包括直线排列式和V形排列式，气缸1缸径为140毫米，冲程为150毫米，曲柄8半径为75毫米，连杆4长度为200毫米；曲轴未偏置前，曲轴轴线与气缸中心线10在同一平面内，将曲轴向曲柄销9下行方向偏移一定距离，曲轴转向为顺时针，偏移距为50毫米，以活塞销3中心为圆心，连杆4长度与曲柄8半径的和为半径做圆弧，圆弧与偏移距7所在直线的交点即为偏置曲轴中心6的位置；为防止曲轴偏移后连杆4和曲柄销9与气缸1底部发生碰擦，在连杆4和曲柄销9与气缸1发生碰擦处加工出避让连杆4和曲柄9销的槽口。
如图1和图2所示，图1为曲轴未发生偏置时的剖面简图，此时，气缸中心线10与曲轴中心线在同一平面内，图2为曲轴偏移50毫米后，气缸中心线10与曲轴位置的剖面简图，此时，曲轴中心5的位置变为偏置曲轴中心6所在的位置。
如图3和图4所示，气缸中心线10与曲柄8的夹角为曲柄转角11，活塞销3与曲轴中心5的垂直距离为第一垂直距12，曲轴偏置前活塞销3与曲轴中心5的第一垂直距离12用s正表示，此时，
曲轴偏置后，活塞销3与偏置曲轴中心6的垂直距离为第二垂直距13，用s偏表示，此时，
由公式可以看出，在相同转角时，活塞2所处位置不同。
如图5和图6所示，将360°曲柄转角11按照每30°一图，用于比较在相同曲柄转角11时正轴和偏轴发动机的活塞2位置，从图5和图6比较可以看出，偏轴发动机活塞上、下止点不是曲柄销的上、下止点。
如图7所示，虚线为正轴发动机活塞运行位置曲线14，实线为偏轴发动机活塞运行位置曲线15，在下行和上行行程，偏轴发动机活塞速度均高于正轴发动机，较快的活塞运行速度可使燃烧室空间较快地扩大，可以缓解油气集中燃烧形成的最高爆压并且活塞环与气缸相对速度增加，有利于形成润滑油膜，改善气缸与活塞环这一摩擦副的润滑，选取30°和60°两个曲柄转角11位置，偏轴发动气缸容积分别增大3.8%和8.2%。而在曲柄转角11为90°时，偏轴发动气缸容积增大到10.5%。在压缩行程，活塞2接近上止点时，侧向力为0，这对于减少压缩阻力和缸套上部磨损是有益的，活塞2较快下行有利于吸气，增加空气注入气缸的惯性，较快上行有利于增加排气的动能，提高增压器转速。
如图8所示，活塞2顶部离曲轴中心最大距离时的位置为活塞上止点16，活塞2顶部离曲轴中心最小距离时的位置为活塞下止点17，曲轴偏移可以增加发动机冲程。对于偏置曲轴式发动机：
活塞2位于上止点，发动机冲程的最大值
活塞2位于下止点，发动机冲程的最小值
带入数据计算结果，冲程为155.85mm。比正轴发动机增大3.9% 。
如图9、图10、图11和图12所示，图9和图10为活塞2下行做功行程时，对活塞销3与曲柄销9的受力情况分析，图11和图12为在活塞2上行压缩行程时，对活塞销3与曲柄销9的受力情况分析。本实施例对活塞2下行做功进行详细分析，活塞销3受的向下的压力为FP，可分解为两个分力：沿连杆传递的连杆力FP1和向汽缸壁的水平侧向力FP2，连杆力FP1作为驱动力传递到曲柄销9，侧向力FP2形成发动机的倾覆力矩和活塞运动的摩擦阻力，活塞销3受向下的力与连杆力的夹角为ψ,分力的计算公式为：
根据上式，ψ角增加，连杆力FP1和侧向力FP2均增加。因此，活塞2下行时，偏轴发动机的连杆力FP1和侧向力FP2均大于正轴发动机，侧向力FP2增加有利于发动机动力输出。
曲柄销9受力分析，连杆力FP1在曲柄销9处再次分解为指向曲轴主轴承的径向力R和与径向力垂直的周向力S，径向力R对曲轴转动不产生作用，周向力S驱动曲轴运转。
做功行程活塞2下行时，虽然侧向力FP2较大，但是由于汽缸壁与活塞环之间能够形成良好的流体润滑，其摩擦系数很小，为0.01～0.001，摩擦阻力不会明显增加，而在压缩冲程，汽缸壁与活塞环之间接近于边界润滑，摩擦系数是0.5～0.05，是流体润滑的数十倍，减小活塞2上行过程中的侧向力FP2有利于发动机运行，偏轴发动机的活塞运行特性与这一要求吻合。
受力分析图采用统一比例，图中各力的数值可以用代表力的线段表示，便于比较，比较列表如下：
综合分析表中数据：偏轴发动机的受力多数优于正轴发动机，其中明显有利的是压缩行程中偏轴发动机的侧向力FP2仅为正轴发动机侧向力F’P2的0.3倍，不仅减少摩擦消耗还可以减少拉缸的可能性。

Claims (4)

1.一种偏置曲轴式发动机，包括气缸、活塞、活塞销、连杆、曲柄和曲柄销；活塞设于发动机气缸内，活塞销设于活塞上，连杆通过活塞销与活塞连接在一起，曲柄通过曲柄销与连杆连接在一起；曲轴未偏置前，曲轴轴线与气缸中心线在同一平面内，其特征在于，将曲轴向曲柄销下行方向偏移一定距离，以活塞销中心为圆心，连杆长度与曲柄半径的和为半径做圆弧，圆弧与偏移距所在直线的交点即为偏置曲轴中心的位置；连杆和曲柄销与气缸发生碰擦处加工有避让连杆和曲柄销的槽口。
2.根据权利要求1所述的偏置曲轴式发动机，其特征在于，发动机的类型为直列四冲程筒形活塞发动机，气缸类型包括直线排列式和V形排列式。
3.根据权利要求1所述的偏置曲轴式发动机，其特征在于，发动机选用的参数为：气缸缸径为140毫米，冲程为150毫米，曲柄半径为75毫米，连杆长度为200毫米，偏移距为50毫米。
4.根据权利要求1所述的偏置曲轴式发动机，其特征在于，曲轴转向为顺时针。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113294260A (zh) * 2021-06-30 2021-08-24 王尚礼 一种内燃机做功效率提升的方法
CN114412640A (zh) * 2021-11-30 2022-04-29 李寿生 提高内燃机能效和扭矩的方法及基于该方法制备的内燃机

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