CN111140352B - 缸套旋转式活塞发动机的旋转控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种缸套旋转式活塞发动机的旋转控制方法，将驱动各个缸套旋转的驱动电机分别与主控制器进行电连接，设于曲轴上的位置传感器也与主控制器电连接，当位置传感器检测到活塞移动至上止点或下止点位置时将信号传递给主控制器，主控制器控制驱动电机旋转设定的角度，使缸套周向各个方位都能与活塞环的每个部分进行轮流配合。利用该控制方法，可在避免与活塞垂直移动发生位置干涉的情况下顺利进行缸套的旋转，保证缸套周向各个方位都能与活塞环的每个部位进行轮流配合，从而使缸套的内壁沿周向被均匀的磨损，缸套的截面始终能保持圆形，进而保证活塞与缸套内壁之间的气密性。

Description

缸套旋转式活塞发动机的旋转控制方法

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种缸套旋转式活塞发动机的旋转控制方法。

背景技术

活塞发动机也叫往复式发动机，是一种利用一个或者多个活塞将压力转换成旋转动能的发动机。活塞式发动机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构等元件组成。气缸是混合气(汽油和空气)进行燃烧的地方。气缸内容纳活塞作往复运动。气缸头上装有点燃混合气的电火花塞(俗称电嘴)，以及进、排气门。其内的曲柄连杆机构是内燃机实现工作循环，完成能量转换的传动机构，用来传递力和改变运动方式。工作中，曲柄连杆机构在作功行程中把活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动，对外输出动力，而在其他三个行程中，即进气、压缩、排气行程中又把曲轴的旋转运动转变成活塞的往复直线运动。总的来说曲柄连杆机构是发动机借以产生并传递动力的机构。通过它把燃料燃烧后发出的热能转变为机械能。

但是，如图1-2所示，在曲轴旋转并驱动活塞往复移动过程中，当连杆在曲轴的左右两侧偏摆时，连杆与活塞的夹角不同，连杆对活塞的作用力沿水平方向的分力Fx在朝向相反的两个方向之间变化。分力Fx将活塞上的活塞环压向气缸的一侧内壁上，活塞在垂直移动过程中、活塞环与该侧内壁之间的摩擦力增大。由于分力Fx的方向不断变化，久而久之，使气缸左右两侧的内壁磨损远大于其它方向。气缸的横截面呈现左右两侧长度远超前后两侧长度的椭圆形，最终导致活塞环与气缸内壁之间出现密封不严的现象。

发明内容

为了解决上述问题，本发明在现有的活塞发动机基础上做出改进并提出一种缸套旋转式活塞发动机的旋转控制方法，缸套周向各个方位都能与活塞环的每个部位进行轮流配合，使得缸套的内壁沿周向被均匀地磨损，进而保证活塞与缸套间的气密性，同时减小缸套旋转的阻力，减少旋转过程对活塞环及活塞的影响。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：缸套旋转式活塞发动机的旋转控制方法，将驱动各个缸套旋转的驱动电机分别与主控制器进行电连接，设于曲轴上的位置传感器也与主控制器电连接，当位置传感器检测到活塞移动至接近上止点或下止点位置时将信号传递给主控制器，主控制器控制驱动电机旋转设定的角度，使缸套周向各个方位都能与活塞环的每个部分进行轮流配合。

进一步地，当位置传感器检测到活塞离上止点的距离≤5 mm时，主控制器控制驱动电机驱动缸套以A方向旋转2度，当位置传感器检测到活塞离下止点的距离≤5 mm时，主控制器控制驱动电机驱动缸套以B方向旋转3度。

进一步地，A方向与B方向可为同向，亦可以是逆向。

进一步地，所述驱动电机为步进电机。

本发明的有益效果是：

在运行过程中，在经改进的缸套旋转式活塞发动机基础上利用本发明公开的旋转控制方法进行缸套的旋转，避免了与活塞环的垂直移动发生位置干涉的情况，可保证旋转过程的顺利进行，缸套周向各个方位都能与活塞环的每个部位进行轮流配合，从而使缸套的内壁沿周向被均匀的磨损，缸套的截面始终能保持圆形，进而保证活塞与缸套内壁之间的气密性。

附图说明

图1为现有技术中活塞发动机的结构示意图；

图2为现有技术中活塞发动机的结构示意图；

图3为缸套旋转式活塞发动机的气缸体的正面结构示意图；

图4为缸套旋转式活塞发动机的气缸体的背面结构示意图；

图5为缸套旋转式活塞发动机的气缸体的正面结构分解示意图；

图6为缸套旋转式活塞发动机的气缸体的背面结构分解示意图；

图7为缸套旋转式活塞发动机的缸套与驱动电机的连接示意图；

图8为缸套旋转式活塞发动机的活塞的结构示意图；

图9为缸套旋转式活塞发动机的活塞的结构示意图；

图10为缸套旋转式活塞发动机的活塞的结构爆炸图；

图11为缸套旋转式活塞发动机的活塞的结构爆炸图；

图12为缸套旋转式活塞发动机的活塞移动至上止点位置时的结构示意图；

图13为缸套旋转式活塞发动机的活塞移动至下止点位置时的结构示意图；

图14为缸套旋转控制的流程图；

其中，1-气缸体，2-曲轴箱体，3-气缸，4-曲轴，5-曲轴箱，6-活塞，7-气缸盖，8-气门，9-火花塞，10-连杆；

11-缸套孔，12-缸套，13-从动齿轮，14-驱动电机，15-驱动齿轮，16-凸缘，17-凸台；

61-第一活塞环槽，62-第二活塞环槽，63-第三活塞环槽；64-第一活塞环，65-第二活塞环，66-第三活塞环，67-活塞销孔；

611-第一活塞环定位块；

621-第二活塞环定位块；

631-第三活塞环定位块；

641-第一活塞环定位槽，642-第一活塞环开口；

651-第二活塞环定位槽，652-第二活塞环开口；

661-第三活塞环定位槽，662-第三活塞环开口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例一

为了在发动机长时间运行后仍能保证活塞与气缸内壁间的气密性，避免出现气缸内壁的横向磨损明显大于纵向磨损的情况，本实施例中公开一种缸套旋转式活塞发动机，发动机的主体框架结构与现有的活塞发动机相同，主要包括一体成型的气缸体1和曲轴箱体2，气缸体1上部的空腔为气缸3，曲轴箱体2内为支承曲轴4的曲轴箱5，在气缸体1内部设有数个活塞6、顶部为气缸盖7，气缸盖7上设有两个气门8和火花塞9，两个气门8分别为进气门和排气门，发动机内连杆10的连杆小头端与活塞6连接、连杆大头端与曲轴4连接。

为了保证受到活塞冲击后的气缸内壁磨损的均一性，本实施例中在气缸体1内加设了可旋转的缸套孔11结构，在气缸体1上设置四个缸套孔11，在缸套孔11内连接共轴线的缸套12，活塞6置于缸套12内，缸套12的上平面比气缸体1的上平面低1-2 mm，缸套12下端的外侧周向同轴设有从动齿轮13，在气缸体1的内侧底面上与缸套12一一对应共设有四个驱动电机14，各驱动电机14的转子端部设有驱动齿轮15，驱动齿轮15与对应设置的缸套12底部的从动齿轮13啮合传动，缸套12在驱动电机14的作用下可绕其中心轴线做旋转运动。运行时，缸套12处于旋转状态，活塞6产生的分力Fx通过活塞环碰触缸套12内壁的部位在不断变化，可避免同一部位长时间受力导致的变形问题，缸套12的内壁沿周向被均匀的磨损，不会出现背景技术中指出的截面呈现椭圆形状的问题。

在缸套12的顶部设有环形的凸缘16，在缸套孔11的顶部设有对该凸缘16定位配合的凸台17，当缸套12安装于缸套孔11内时，凸缘16与凸台17定位配合且缸套12可沿凸台17滑动旋转。该结构可防止运行过程中缸套12沿缸套孔11做轴向向下移动。在旋转过程中，凸缘16与凸台17的相邻配合面适于密封配合，缸套12与缸套孔11的相邻配合面适于密封配合。同时，由于气缸体1的顶部设有气缸盖7，气缸盖7亦可对缸套12顶部进行轴向限位，防止缸套12沿套孔11做轴向向上运动，同时气缸盖7不会限制缸套12绕其中心轴线的旋转运动。

在活塞6上部设有三道活塞环槽，从上至下依次为第一活塞环槽61、第二活塞环槽62和第三活塞环槽63，在第一活塞环槽61内安装第一活塞环64、在第二活塞环槽62内安装第二活塞环65，在第三活塞环槽63内安装第三活塞环66，在活塞6下部壁面上设有活塞销孔67，连杆小头端通过活塞销与活塞6的活塞销孔67处进行连接。

在三道活塞环槽内分别对应设有第一活塞环定位块611、第二活塞环定位块621和第三活塞环定位块631，三个活塞环定位块在周向上相互等角度地错开排列，在第一活塞环64的内环面上与第一活塞定位块611对应的位置设有与其适配的第一活塞环定位槽641，在第二活塞环65的内环面上与第二活塞定位块621对应的位置设有与其适配的第二活塞环定位槽651，在第三活塞环66的内环面上与第三活塞定位块631对应的位置设有与其适配的第三活塞环定位槽661，各活塞环定位槽与对应的活塞环定位块无间隙的配合安装。安装完成后，三道活塞环上的开口位置在周向上相互等角度地错开排布，即第一活塞环开口642、第二活塞环开口652和第三活塞环开口662在周向上相互等角度地错开排布，从而增加三道活塞环的密封性能，防止气缸内的高温高压气体窜入曲轴箱内。

由于上述各活塞环定位槽及活塞定位块的定位配合作用，使得在缸套12旋转时，各活塞环不会随缸套12进行旋转，既便于缸套12内壁能够相对活塞6及其上的活塞环顺利进行旋转运动，同时，由于活塞通过活塞环与缸套进行接触配合，保证了缸套12的内壁能够与活塞环的外侧壁沿周向均匀地接触和磨损。

实施例二

活塞6移动至最顶部，离曲轴4旋转中心最远的位置叫上止点、活塞6移动至最底部、离曲轴4旋转中心最近的位置叫下止点，从上止点到下止点的距离叫活塞冲程，活塞6在一个活塞冲程内做上下往复移动时、通过活塞环对缸套12内壁产生的水平方向的分力Fx是在不断变化的，分力Fx较大时活塞环与缸套12内壁间的摩擦力较大，旋转缸套12的阻力也就比较大。由于更大摩擦力的存在，此时旋转缸套12会通过活塞环对活塞6产生旋转的作用力矩、使活塞及连杆发生扭转变形、对其正常的垂直移动产生干涉，并且缸套的旋转更易使活塞环产生变形、扭曲等现象，从而影响活塞环与缸套内壁之间的密封配合。因此，在活塞环与缸套之间摩擦力最小的情况下旋转缸套，将会避免上述不利影响。当活塞6处于上止点（如图12所示）或下止点（如图13所示）的位置时，与其相连接的连杆10处于垂直方位，此时连杆10对活塞6产生的作用力F沿垂直方向，不会产生水平方向的分力Fx，则活塞6上的活塞环与缸套12内壁之间无水平压紧力，活塞环与缸套12内壁之间的摩擦力最小。当活塞6邻近上止点或下止点的位置时，虽然此时有水平方向的分力Fx，但其力的数值接近于零，此时旋转缸套12，所受到的摩擦阻力接近最小值，驱动电机14更容易驱动缸套12旋转。同时，活塞6邻近上止点或下止点时，其垂直移动速度接近于零，如在此时缸套12旋转、将不会对活塞6的垂直移动产生干涉。

基于上述分析，可提出一种更为合理的旋转控制方法：

在曲轴4上设置位置传感器，位置传感器与主控制器电连接，主控制器根据位置传感器传递的位置信息来判断活塞6在气缸3中的位置，同时，将驱动电机14分别与主控制器进行电连接，当位置传感器检测到活塞6移动至接近上止点位置或下止点位置时将信号传递给主控制器，主控制器控制与该活塞6所在缸套孔11内缸套12对应连接的驱动电机14在这段无阻力或小阻力的时段内（即活塞在止点位置与邻近止点位置间活动的短时间内）顺利旋转设定的角度，使缸套12周向各个方位都能与活塞环的每个部分进行轮流配合，从而使缸套12的内壁沿周向被均匀地磨损，在缸套的使用寿命周期内，保证其截面为圆形。

缸套旋转控制的流程如下图，控制器通过曲轴4上的位置传感器检测各气缸内的活塞6位置，当活塞6离上止点的距离小于等于5 mm时，驱动电机14驱动缸套12以A方向旋转2度，当活塞6离下止点的距离小于等于5 mm时，驱动电机14驱动缸套12以B方向旋转3度。活塞6每当经过上止点或下止点时，缸套12旋转一次。选取距离限值为5 mm，是由于在这个距离内，活塞6离上止点或下止点的距离很近，活塞6的垂直速度接近于零，同时又考虑到主控制器检测的频率及电机的反应时间，当活塞6上移并接近上止点时或者活塞6下移并接近下止点时，控制器检测到上述距离小于5 mm，就对驱动电机14发出控制指令，当驱动电机14驱动缸套12旋转时，活塞6离上、下止点的距离将会更小或者恰好处于上、下止点的位置，此时缸套12将更容易被驱动并且对活塞、活塞环的影响更小。

活塞6在上止点时的旋转角度与下止点时的旋转角度都较小，便于缸套在较短的时间内完成旋转过程，有效地利用活塞接近上、下止点的机会。同时上止点时旋转角度为偶数，下止点时旋转角度为奇数，可以使缸套的旋转到达的方位更多，有利于缸套的周向更均匀地磨损，同时A方向与B方向既可以同向，也可以反向，同向与反向随机选择，可以使缸套旋转到达的方位更多；并且当A方向与B方向为相反的方向时，不会使相邻两次缸套的旋转角度相互抵消而使缸套转回到原位，即保证相邻两次旋转过程，缸套都具有不同的方位。

作为一种优选，所述驱动电机14为步进电机。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.缸套旋转式活塞发动机的旋转控制方法，其特征在于，将驱动各个缸套旋转的驱动电机分别与主控制器进行电连接，设于曲轴上的位置传感器也与主控制器电连接，当位置传感器检测到活塞移动至接近上止点或下止点位置时将信号传递给主控制器，主控制器控制驱动电机旋转设定的角度，使缸套周向各个方位都能与活塞环的每个部分进行轮流配合；

当位置传感器检测到活塞离上止点的距离≤5 mm时，主控制器控制驱动电机驱动缸套以A方向旋转2度，当位置传感器检测到活塞离下止点的距离≤5 mm时，主控制器控制驱动电机驱动缸套以B方向旋转3度。

2.如权利要求1所述的缸套旋转式活塞发动机的旋转控制方法，其特征在于，A方向与B方向可为同向，亦可以是逆向。

3.如权利要求1所述的缸套旋转式活塞发动机的旋转控制方法，其特征在于，所述驱动电机为步进电机。

Images