CN110043389A - 一种内燃机滚轮式活塞 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃机滚轮式活塞，包括气缸、活塞和曲轴，所述活塞配套设置在气缸的气缸壁内，且活塞的内部滑槽内设置有滑块，所述滑块的上下两端设置有滚轮，与气缸壁贴合中部位置活动设置有连杆，本发明将现行活塞与汽缸套的滑动摩擦，改进为加上滚轮，形成滚动加滑动的运动方式，从而大大的降低了摩擦阻力，提高了内燃机的输出效率，延长了使用寿命，从而提高了可靠性，将活塞与气缸套之间不良润滑的滑动摩擦变为以滚轮的滚动摩擦，而滚轮轴与滑块以及滑块与对应的滑槽都是充分润滑的，从而使现在的活塞与气缸套之间的工况环境大为改善提高了内燃机的输出效率和寿命，适合于现行所有内燃机的改装，市场潜力巨大。

Description

一种内燃机滚轮式活塞

技术领域

本发明涉及内燃机领域，特别涉及一种内燃机滚轮式活塞。

背景技术

活塞环-缸套作为内燃机中一对最重要的摩擦副,对发动机的动力性、可靠性、耐久性有着极大的影响，活塞环-缸套的磨损直接影响着发动机的工作,也影响着发动机的机械效率，资料表明内燃机的燃烧能量中有10％～20％消耗在机械损失,而内燃机的机械损失主要由五部分组成；活塞及活塞环与气缸套之间的摩擦损失；曲轴连杆系及液体摩擦损失；驱动附属机构的功率损失；气门机构摩擦损失和泵损失，

另外，现有的内燃机气缸套因为有F3正压力的作用下，使用一段时间后，由圆形磨损成一个“椭圆”形，因此需要进行镗缸从而恢复圆度，因为有F3存在于活塞与气缸之间，使得工况变得恶劣，为降低磨损就得使用粘稠度较高的机油，以保证其润滑的可靠性。机油的粘度增加带来的问题是，一是机油泵的泵损失增加功耗，二是内燃机整机为克服机油粘度带来附加粘度阻力。

总结来说，活塞在气缸内的总磨擦阻力的原因为：1、活塞环、油环的涨力，2、活塞在连杆的作用下产生正压力F3；3、不良润滑，通过对现有技术的分析：2、3项占绝大部分，本发明主要是解决针对2、3项问题的发明，为此，我们提出一种内燃机滚轮式活塞。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种内燃机滚轮式活塞，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种内燃机滚轮式活塞，包括气缸、活塞和曲轴，所述活塞配套设置在气缸的气缸壁内，且活塞内部滑槽内设置有滑块，所述滑块的上下两端设置有滚轮，与气缸壁贴合中部位置活动设置有连杆，并通过设置连杆与曲轴连接，所述曲轴的一端与连杆活动连接，且连杆带动曲轴进行圆周运动。

优选的，所述活塞的中心轴线与曲轴作圆周运动的中心端位于同一轴线上。

优选的，所述连杆与滑块之间采用关节型连接，所述连杆与曲轴之间活动连接。

优选的，两个所述滚轮装配在滑块的上下两端，且滚轮的表面均与气缸的气缸壁相互贴合。

优选的，两个所述滚轮装配在滑块的上下两端，且滚轮的表面均与气缸的气缸壁相互贴合。

优选的，在同一平面内，所述滚轮延伸出活塞上下表面的距离相等，且该距离的数值为活塞表面到气缸内壁的间隙厚度，该间隙设有润滑油膜。

与现有技术相比，本发明提供了一种内燃机滚轮式活塞，具有如下有益效果：

1、将现行活塞与汽缸套的滑动摩擦，改进为加上滚轮，形成滚动加滑动的运动方式，从而大大的降低了摩擦阻力，提高了内燃机的输出效率；

2、将活塞与气缸套之间不良润滑的滑动摩擦变为滚轮的滚动摩擦，而滚轮轴与滑块以及滑块与对应的滑槽都是充分润滑的，从而使现在的活塞与气缸套之间的工况环境大为改善；

3、通过设置滚轮与活塞的其他几种连接方式，同样也能起到减小摩擦的效果，将滚轮直接装在活塞侧面上，在活塞截面的四个方向上安装滚轮，或是使用滑框式结构，滚轮的直径可以按活塞直径的大小制造，若是滚轮的直径较大可安装滚珠轴承进一步降低摩擦阻力。

该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

附图说明

图1为现有的一种内燃机活塞的结构示意图；

图2为本发明一种内燃机滚轮式活塞的整体结构示意图；

图3和图4为本发明一种内燃机滚轮式活塞的滚轮与活塞的另外两种连接方式结构示意图。

图中：1、气缸；2、活塞；3、连杆；4、曲轴；5、滑块；6、滚轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

对比例1

如图1所示，装置内摩擦阻力应分为两部分：一、活塞环、油环与汽缸套的摩擦副；二、活塞与气缸套之间的摩擦副。是活塞环、油环的张力加上活塞在连杆的作用下产生正压力F2，F2是活塞与连杆之间的α角的受力F分解造成。即:

F2＝tagαF

F为活塞顶面的燃气压力

而F2形成一个大小相等方向相反的正压力F3，F3将活塞紧紧压在气缸内壁上造成的摩擦阻力应是主要部分。

计算摩擦力的大小时,应先判断该摩擦力是滑动摩擦力还是静摩擦力.再用相应方法求出。

滑动摩擦力的大小计算公式为：f＝μN,

μ为动摩擦因数,(例如：该处的μ在活塞与气缸都为铝材质时，该μ的数值在干摩擦条件下为1.4，在润滑摩擦条件下为0.2)

N为正压力(该处N的数值与F3相等)

滑动摩擦力：发生在两个相互接触而相对滑动的物体之间,阻碍着它们之间相对滑动的力。

摩擦力的方向与物体相对运动的方向或相对运动趋势方向相反，而不是与物体的运动方向相同。

实施例2

如图2所示，一种内燃机滚轮式活塞，包括气缸1、活塞2和曲轴4，活塞2配套设置在气缸1的气缸壁内，且活塞2的内部滑槽内设置有滑块5，滑块5的上下两端设置有滚轮6，与气缸壁贴合中部位置活动设置有连杆3，并通过设置连杆3与曲轴4连接，曲轴4的一端与连杆3活动连接，且连杆3带动曲轴4进行圆周运动。

如图2所示，活塞2的中心轴线与曲轴4作圆周运动的中心端位于同一轴线上。

如图2所示，连杆3与滑块5之间采用关节型连接，连杆3与曲轴4之间活动连接，在同一平面内，连杆3可在与滑块5连接端的位置发生一定角度的偏移，以配合连杆3带动曲轴4转动。

将现行活塞2与气缸套的滑动摩擦，改进为加上滚轮6，形成滚动加滑动的运动方式，从而大大的降低了摩擦阻力，提高了内燃机的输出效率。

如图2所示，两个滚轮6装配在滑块5的上下两端，且滚轮6的表面均与气缸1的气缸壁相互贴合。

如图2所示，在同一平面内，滚轮6延伸出活塞2上下表面的距离相等，且该距离的数值为活塞2表面到气缸1内壁的间隙厚度，该间隙设有润滑油膜。

将活塞2与气缸套之间不良润滑的滑动摩擦变为滚轮6的滚动摩擦，而滚轮轴与滑块5以及滑块5与对应的滑槽都是充分润滑的，从而使现在的活塞2与气缸套之间的工况环境大为改善。

本发明位于活塞2内的滑块5可使用普通的刨床、铣床即可加工，一般的机械加工厂均可生，设备成本跟人工成本大幅下降，在这种情况下，即可获得30％至50％的提升空间，可以说是微改进，即可大跃进，同时，现有的内燃机气缸套因为在F2、F3压力的作用下，使用一段时间后，由圆形变成一个“椭圆”形。因此，气缸使用一段时间后，就需要进行镗缸从而恢复圆度，保证气密性，本发明因为增加了滚轮，将滑动摩擦变为滚动摩擦，对缸套的磨损大为降低，延长了缸套及活塞的使用寿命，活塞环，油环寿命也都得到了大幅的提高，同时也延长了内燃机的大修间隔。

因为有了滚轮的支持，因此可以使用粘度较低的润滑油。它可以带来以下好处：

一、减少机油泵阻力损失；

二、提高机油的侵润性，机油的侵润性提高以后，使活塞环的积碳不易形成，从而提高了活塞环的气密性，

气缸的拉伤与F3的大小有正向关系，施加在气缸套的正压力越大拉伤越深，使用滚轮就不会产生拉伤。滚轮砸在气缸内壁的磨料上，一是将磨料砸碎，二是将表面砸成浅坑。机油在油泵压力的作用下是流动的，有冲洗性。磨料是突然落入摩擦配合面造成的，油泵经机油滤清器后是没有磨料的，另外更换新机油，则会将砸碎的磨料带出，此时小浅坑在洁净的机油润滑下，经与活塞的反复运动摩擦起着研磨作用，是可以自行修复的，浅坑上的油膜有"填平″作用会改善气密性。若不装滚轮，活塞与气缸是滑动关系，在F3的作用下活塞紧紧将磨料压向气缸内表面，在活塞的高速往复运动下，于是磨料将气缸套拉伤，其拉伤深度取决于F3力的大小，磨料直径的大小。拉伤长度若超过气环的宽度则造成气缸的漏气，这也是现代内燃机故障高、可靠性差、热效率低的原因之一。

实施例3

如图3-4为滚轮与活塞的其它几种连接方式。

通过设置滚轮与活塞的其他几种连接方式，同样也能起到减小摩擦的效果，1、如图3所示，在活塞2圆截面的n个方向上均安装滚轮6。2、如图4所示，使用滑框式结构，滚轮6的直径可以按活塞2圆截面弦长来大小制造，将滚轮6直接装在活塞2内。若是滚轮6的直径较大可安装滚珠轴承进一步降低摩擦阻力。

需要说明的是，本发明为一种内燃机滚轮式活塞，采用一种滚轮6与滑块5的结合方式，滑块5在活塞2的滑槽内自由滑动并带动滚轮6与气缸套接触减轻活塞2与气缸1之间的滑动摩擦阻力。

将活塞2与气缸1之间不良润滑的滑动摩擦变为滚轮6的滚动摩擦，而滚轮轴与滑块5是充分润滑的，如图1和2所示，力F3有了滚轮6的支持，产生的滑动摩擦(阻力转变为以)滚轮6与气缸内壁的滚动(摩擦阻力，)该处的F3为活塞2与连杆3的作用下产生正压力F3，F3是活塞2与连杆3之间的α角的受力分解造成的，

不管是滑块5与滑块槽的润滑还是滚轮轴的润滑是充分保障的，从而将现在的不良滑动磨擦变为本发明的具有良好润滑保障的滚动摩擦，气缸1中的高温高压气体作用于活塞2顶面产生压力，该压力经活塞2传导至滑块5和与滑块5活动连接的连杆3，在α角作用下分解为三个方向的作用力，如图1所示，F1是连杆3方向的作用力，该作用力用于驱动曲轴4旋转；F2的作用力与正向压力F3大小相等，方向相反，因F2的作用，使滑块5携滚轮6压向气缸1，这样由现在的活塞2与气缸套之间的滑动不良润滑摩擦，变为以滚轮6滚动摩擦为主，活塞2与气缸套之间摩擦为辅的滑动摩擦复合型运动方式，

滑块5在滑槽内滑动，指的是活塞与力F3的滑动关系，是为了将力F3经滑块5滚轮6引导至气缸壁上使滚轮6与气缸壁接触，从而实现由滑动摩擦变为滚动摩擦的目的。滑块5的位置是相对固定的，因为滑块5与连杆3曲轴4相联，因曲轴4旋转中心为位置固定的，所以曲轴端为固定端，活塞端为自由端。为保证活塞2在气缸套内上下死点处平稳过度，滑块5与连杆3中心轴线应与活塞2中心轴线尽量重合。

因为滑块5和滚轮6润滑工况环境，较之现在的活塞2与气缸套之间的工况环境大为改善，因此不管是滑块5与滑道的润滑还是滚轮轴的润滑都是有着充分保障的，这样就由现在的不良滑动磨擦，变为具有良好润滑保障的滚动摩擦，因为由滚轮6的支持，现行活塞加在活塞环、油环的力F3形成的附加压力、阻力消失，在往复运动时，发生形变的几率就会大幅下降，活塞环、油环靠自身理想设计张力进行气、油密封改善了气环和油环的工况环境，提高了汽、油的密封效果，间接的提高了功率输出，同时降低了气缸套内各部件的磨损，延长各部件使用寿命，在曲轴4运行至负半周时滑块5在连杆3的作用下携滚轮6向上移动，滚轮6与气缸上壁接触产生滚动效果，

图3和4为滑框7、滑块5与活塞2的另外几种连接方式，在图3中将滚轮6直接装在活塞2内。在活塞2圆截面的数个方向上安装滚轮6，或是在图4所中，使用滑框式结构，滚轮6的直径可以按活塞2圆截面的弦长来制造，若是滚轮6的直径较大可安装滚珠轴承进一步降低摩擦阻力。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种内燃机滚轮式活塞，包括气缸(1)、活塞(2)和曲轴(4)，其特征在于：所述活塞(2)配套设置在气缸(1)的气缸壁内，且活塞(2)的内部滑槽内设置有滑块(5)，所述滑块(5)的上下两端设置有滚轮(6)，与气缸壁贴合中部位置活动设置有连杆(3)，并通过设置连杆(3)与曲轴(4)连接，所述曲轴(4)的一端与连杆(3)活动连接，且连杆(3)带动曲轴(4)进行圆周运动。

2.根据权利要求1所述的一种内燃机滚轮式活塞，其特征在于：所述活塞(2)的中心轴线与曲轴(4)作圆周运动的中心端位于同一轴线上。

3.根据权利要求1所述的一种内燃机滚轮式活塞，其特征在于：所述连杆(3)与滑块(5)之间采用关节型连接，所述连杆(3)与曲轴(4)之间活动连接。

4.根据权利要求1所述的一种内燃机滚轮式活塞，其特征在于：两个所述滚轮(6)装配在滑块(5)的上下两端，且滚轮(6)的表面均与气缸(1)的气缸壁相互贴合。

5.根据权利要求1所述的一种内燃机滚轮式活塞，其特征在于：在同一平面内，所述滚轮(6)延伸出活塞(2)上下表面的距离相等，且该距离的数值为活塞(2)表面到气缸(1)内壁的间隙厚度，该间隙设有润滑油膜。