CN112855341B - 一种无曲轴二冲程往复式发动机 - Google Patents

一种无曲轴二冲程往复式发动机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无曲轴二冲程往复式发动机，该发动机利用圆柱凸轮槽和活塞滚轮的相对运动完成往复运动与回转运动之间的转换。与曲轴连杆机构相比部件少、结构简单、组合灵活、维修方便，而且使曲轴连杆机构固有的倾倒力矩得以消除。本设计还采用了偏置摆动排气阀，排气口和排气通道位于气缸中心的一侧，排气阀在垂直下行的同时，按照导轨和摆阀球头确定的路径摆动，使开口正对扫气流动方向。这一设计充分利用扫气动能，提高换气质量，同时可使喷油器或者火花塞灵活布置，改善油雾分布和发火质量，提高燃烧效果。因为没有曲轴的限制，多部发动机可以灵活布置、并入或解列、调整发火间隔期，达到平稳高效运转。

Description

一种无曲轴二冲程往复式发动机
技术领域
本发明涉及机械设计与制造技术领域，尤其是涉及一种无曲轴二冲程往复式发动机。
背景技术
在四大类发动机中，往复活塞式发动机最为常见，该类发动机又称为内燃机，分为汽油机和柴油机，现有内燃机的核心部件是曲柄连杆机构。要完成旋转和往复两种运动状态的转换，该机构不可或缺，其固有的缺点是具有倾倒力矩，这是发动机的振动源；内燃机中的二冲程发动机具有结构简单，功率输出大、结构可靠等优点，但是因为没有独立的换气行程，废气排出不彻底，影响了燃烧性能，这是制约该类发动机发展的瓶颈之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无曲轴二冲程往复式发动机，设计目的在于取消曲柄连杆机构，减小发动尺度，消除振动源；采用新型排气阀运动形式，提高排气效率，改善燃烧室油雾分布，促进油雾燃烧。
一种无曲轴二冲程往复式发动机，包括缸套，所述缸套的顶端设有异形缸头，所述异形缸头上设有排气口，所述排气口连接排气通道，所述排气口处设有排气阀，所述排气阀贯穿所述异形缸头，所述排气阀的顶部与摆阀导轨滑动连接，所述缸套的内部设有活塞和芯轴，所述活塞与所述缸套的内壁滑动连接，所述活塞的底端设有偏心孔，所述芯轴安装在所述偏心孔内，所述芯轴的外侧设有连续的凸轮槽，所述活塞的内侧设有与所述凸轮槽配合的活塞滚轮，所述活塞滚轮与所述活塞转动连接，所述缸套的底端设有底座，所述芯轴的底端与所述底座之间转动连接，所述底座的上方设有气阀摇臂，所述气阀摇臂与所述排气阀的顶端通过气阀连杆连接。
进一步的，所述异形缸头上设有阀杆限位口，所述排气阀贯穿所述阀杆限位口，所述排气阀上设有摆阀球头、气阀弹簧和弹簧固定座，所述气阀弹簧安装在所述摆阀球头与所述弹簧固定座之间，所述摆阀球头和所述弹簧固定座均与所述排气阀滑动连接，所述排气阀的顶端设有摆阀滚轮，所述摆阀滚轮与所述摆阀导轨滑动连接。
进一步的，所述气阀摇臂与所述摆阀滚轮之间通过气阀连杆连接，所述气阀连杆包括第一连杆、第二连杆和支撑杆，所述第一连杆和所述第二连杆分别通过第一支点和第二支点与所述支撑杆铰接，所述支撑杆的底端与所述异形缸头的顶端转动连接。
进一步的，所述气阀摇臂的上端设有摇臂滚轮，所述摇臂滚轮与所述气阀摇臂之间转动连接。
进一步的，所述活塞的底部的设有过渡斜面，所述过渡斜面位于所述摇臂滚轮的正上方。
进一步的，所述活塞滚轮安装在滚轮轴上，所述活塞滚轮与所述滚轮轴转动连接，所述滚轮轴通过压盖固定在所述活塞的底端，所述凸轮槽的截面为矩形。
进一步的，所述芯轴为空心轴结构，所述芯轴的底端设有吸油口，所述芯轴的上端开设有引流口，所述芯轴的底端设有供油凸轮，所述供油凸轮设置在所述凸轮槽底端的正下方。
进一步的，所述偏心孔内设有轴套，所述芯轴通过所述轴套安装在所述偏心孔内。
进一步的，所述缸套的四周设有多个进气孔，多个所述进气孔均处于同一水平位置。能实现同步进气。
进一步的，所述活塞的内部设有加强筋，所述活塞的外侧分别设有活塞环槽和减磨环槽。减磨环槽的设置能够为活塞导向，平衡芯轴的侧向力。
本发明的技术方案通过提供了一种无曲轴二冲程往复式发动机，该发动机的气缸的顶端采用了一种异形缸头，异形缸头的排气口底端与排气阀的底端相配合，使排气口能够完全封闭，异形缸头上设有阀杆限位口，排气阀的阀杆贯穿该阀杆限位口，在后续的工作当中使排气阀的阀杆能够沿阀杆限位口滑动并倾斜，使开口正对扫气流动方向，这一设计充分利用扫气动能，提高换气质量，同时可使喷油器或者火花塞灵活布置，改善油雾分布和发火质量，提高燃烧效果，进而完成排气动作，排气阀上设有摆阀球头、气阀弹簧和弹簧固定座，气阀弹簧安装在摆阀球头与弹簧固定座之间，通过摆阀球头和阀杆限位口的共同作用来限制排气阀的移动和转动路径，在缸套的内部设有活塞和芯轴，活塞与缸套的内壁滑动连接，芯轴与活塞的内部配合连接，使活塞竖直方向的切向力转变为芯轴的旋转运动，与曲轴连杆机构相比部件少、结构简单、组合灵活、维修方便，而且使曲轴连杆机构固有的倾倒力矩得以消除，缸套的底端设有底座，芯轴的底端与底座之间转动连接，底座的上方设有气阀摇臂，气阀摇臂与排气阀的顶端通过气阀连杆连接，从而使排气阀与气阀摇臂之间产生联动，使该排气阀偏置于一侧，气阀连杆拉动排气阀沿轨道下移并偏转，使排气阀开口逆向扫气涡流旋转方向，使废气顺利排出，能够提高扫气质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明气阀关闭状态的示意图；
图2为本发明中顶部结构的整体示意图；
图3为本发明工作状态中扫气开始时的示意图；
图4为本发明工作状态中活塞下降到最低点时的示意图；
图5为本发明中活塞的整体示意图；
图6为本发明中活塞的主视图；
图7为说明书附图6中沿A-A的剖视图；
图8为本发明中活塞的左视图的半剖视图；
图9为本发明中的芯轴的整体示意图；
图10为本发明中的芯轴的主视图；
图11为本发明中芯轴的右视图的半剖视图；
附图标记说明：1-缸套、101-进气孔、2-异形缸头、201-排气口、3-排气阀、301-摆阀球头、302-气阀弹簧、303-弹簧固定座、304-摆阀滚轮、4-活塞、401-偏心孔、402-活塞滚轮、403-滚轮轴、404-轴套、405-过渡斜面、406-活塞环槽、407-减磨环槽、408-加强筋、5-芯轴、501-凸轮槽、502-吸油口、503-供油凸轮、6-底座、601-气阀摇臂、7-摆阀导轨、8-气阀连杆、801-第一连杆、802-第二连杆、803-支撑杆、804-第一支点、805-第二支点；
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-图11所示，
一种无曲轴二冲程往复式发动机，该发动机的主体包括外部的缸套1缸套1，缸套1的顶端设有异形缸头2，异形缸头2的特点在于设有偏置的排气口和排气通道，排气通道与排气口201连通，在排气口201处连接有排气阀3，该排气口201底端的形状与尺寸与排气阀3底端的形状与尺寸相同，使排气阀3在闭合状态下与排气口201的底端形成完全封闭状态，在异形缸头2上还设有阀杆限位口，排气阀3贯穿阀杆限位口，并且排气阀3的阀杆可以沿阀杆限位口进行滑动和倾斜，在排气阀3上设有摆阀球头301、气阀弹簧302和弹簧固定座303，摆阀球头301安装在阀杆限位口的上端口处，气阀弹簧302安装在摆阀球头301与弹簧固定座303之间，摆阀球头301和弹簧固定座303均与排气阀3滑动连接，排气阀3的顶端限制了弹簧固定座303的最高滑动位置，排气阀3完成排气动作后，在气阀弹簧302的作用下能重新闭合，排气阀3的顶端设有摆阀滚轮304，摆阀滚轮304可以沿摆阀导轨7的轨迹运动，摆阀导轨7一是能够限制摆阀滚轮304的运动路线，二是能够对排气阀3起到一定程度的支撑作用，偏置的排气阀3能够为喷油器或火花塞节省更加灵活的布置空间，从而改善油雾分布，使油雾燃烧更充分。
缸套1的内部设有活塞4和芯轴5，活塞4与缸套1的内壁滑动连接，活塞4的直径与缸套1的内径相同，活塞4的底端设有偏心孔401，活塞4安装在该偏心孔401内，活塞4上的活塞滚轮402同样设置在该偏心孔内，活塞滚轮402安装在滚轮轴403上，活塞滚轮402与滚轮轴403转动连接，滚轮轴403通过压盖固定在活塞4的底端，在偏心孔401内设有轴套404，芯轴5通过轴套404安装在活塞4的偏心孔401内，芯轴5的外侧设有凸轮槽501，凸轮槽501的轨迹线是矩形斜切芯轴所形成的的椭圆形曲线，该凸轮槽501的横断面为矩形，将活塞滚轮402镶嵌在凸轮槽501内并沿槽壁滚动，进而将活塞4与芯轴5之间形成联动组，将活塞4的上下往复运动转换为芯轴5的旋转运动，芯轴下部较小直径的轴穿过底板从而远远不断的对外输出功率。
缸套1的底端设有底座6，芯轴5的底端与底座6之间转动连接，工作时芯轴5下部较小直径的轴穿过底板对外输出功率，该芯轴5为空心轴结构，芯轴5的底端设有吸油口502，吸油口502向上进行吸油，芯轴5的上端开设有引流口，活塞4内的油通过该引流口流入凸轮槽501中，既能起到润滑的作用，又能起到冷却的作用，芯轴5的底端设有供油凸轮503，供油凸轮503设置在凸轮槽501底端的正下方，该供油凸轮503能对凸轮槽501的底端进行局部的加强，在工作时该供油凸轮503通过一个摇臂架传导到燃油泵，从而压动燃油泵为发动机供油，缸套1的四周设有多个进气孔101，多个进气孔101均处于同一水平位置，在活塞4的内部设有加强筋408，能对活塞4的强度进行整体上的加强，活塞4的外侧分别设有活塞环槽406和减磨环槽407，活塞环槽406上分别安装油环和气环，气环的作用主要是起缸套1内壁和活塞4之间的密封作用，使气体不至于下窜到底部，油环能起到从缸套内壁向下刮油的作用，当活塞4下行时，不让机油留在缸壁上被燃烧造成积碳，减磨环槽406用于上安装减磨环，减磨环起到导程作用，使活塞裙部不与缸套1接触，可以避免在柴油机初期跑和过程中产生拉缸情况，活塞4整体比较长，设置该减磨环槽407，并安装减磨环能够对活塞4整体进行导向，平衡与芯轴5的侧向力。
底座6的上方设有气阀摇臂601，该气阀摇臂601设置在活塞4的底端有活塞滚轮402的一侧，气阀摇臂601的上端设有摇臂滚轮，摇臂滚轮与气阀摇臂601之间转动连接，气阀摇臂601的一侧与底座6转动连接，气阀摇臂601的另一侧排气阀3顶端的摆阀滚轮304通过气阀连杆8连接，提供气阀运动的动力。该气阀连杆8包括第一连杆801、第二连杆802和支撑杆803，第一连杆801和第二连杆802分别通过第一支点804和第二支点805与支撑杆转动连接，第一支点804将该支撑杆分成两部分，在第一支点804处设置一个类似于紧张器可调节结构，该调节结构可以调节第一支点804与第二支点805的距离，从而避免了第二连杆802与缸套1之间在联动过程中产生干涉，支撑杆803的底端与异形缸头2的顶端转动连接，从而保证了排气阀3与气阀连杆8之间的联动，在活塞4的底部还设有过渡斜面405，该过渡斜面405位于摇臂滚轮的正上方，避免了活塞4在下降过程中直接与气阀摇臂601的主体直接接触，该摇臂滚轮在这里起到缓冲的作用，有效的减小了长时间的接触对零件造成的摩擦。
本发明的技术方案通过提供了一种无曲轴二冲程往复式发动机，该发动机在工作时，首先在开始状态活塞4处于缸套1内的顶部时，此时排气阀3的底部与排气口201的底端重合，通过外界施加给活塞4的力，使活塞4上的活塞滚轮402沿芯轴5的凸轮槽501轨迹线向下运动，由于活塞4和芯轴5不同心，即中心轴线互不重合，所以活塞4在缸套1和芯轴5的共同作用下，限制了活塞4与缸套1间的相对转动，使发动机只能沿竖直方向向下运动，活塞4向下运动的同时使活塞滚轮402沿凸轮槽501的槽壁向下滚动，将活塞4向下运动的切向分力驱动芯轴5旋转，当活塞4向下运动到距离底端一定距离时，活塞4底部的过渡斜面405开始接触到气阀摇臂601顶端的摇臂滚轮，使气阀摇臂601拉动第二连杆802，在支撑杆803的作用下第二连杆802拉动第一连杆801，从而使顶部排气阀3在摆阀导轨7和阀杆限位口的共同作用下做斜向下的运动，从而使排气阀3的底部开始脱离排气口201，使排气口201慢慢打开，活塞4继续向下运动一定距离时，活塞4的上平面开始低于缸套1四周进气孔101的高度，此时扫气动作开始，活塞4继续向下运动至完全低于进气孔101的位置，新鲜气体进入缸套1内部，将废气从顶部的排气口201赶出，因为设置在芯轴5上的凸轮槽501是连续的，所以活塞4到达底部后在芯轴5的旋转惯性作用下开始做回程运动，活塞4底部慢慢脱离气阀摇臂601，顶部的排气阀3也在气阀弹簧302的作用下慢慢回到初始位置，并且排气阀3的底部会与排气口201的底部重合，将排气口201封闭，同时，排气阀3偏置设置，可使喷油器或火花塞便于布置于较为理想的位置，改善油气分布或着火点，促进燃烧。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种无曲轴二冲程往复式发动机，其特征在于，包括缸套，所述缸套的顶端设有异形缸头，所述异形缸头上设有排气口，所述排气口连接排气通道，所述排气口处设有排气阀，所述排气阀贯穿所述异形缸头，所述排气阀的顶部与摆阀导轨滑动连接，所述缸套的内部设有活塞和芯轴，所述活塞与所述缸套的内壁滑动连接，所述活塞的底端设有偏心孔，所述芯轴安装在所述偏心孔内，所述芯轴的外侧设有连续的凸轮槽，所述活塞的内侧设有与所述凸轮槽配合的活塞滚轮，所述活塞滚轮与所述活塞转动连接，所述缸套的底端设有底座，所述芯轴的底端与所述底座之间转动连接，所述底座的上方设有气阀摇臂，所述气阀摇臂与所述排气阀的顶端通过气阀连杆连接。
2.根据权利要求1所述的一种无曲轴二冲程往复式发动机，其特征在于，所述异形缸头上设有阀杆限位口，所述排气阀贯穿所述阀杆限位口，所述排气阀上设有摆阀球头、气阀弹簧和弹簧固定座，所述气阀弹簧安装在所述摆阀球头与所述弹簧固定座之间，所述摆阀球头和所述弹簧固定座均与所述排气阀滑动连接，所述排气阀的顶端设有摆阀滚轮，所述摆阀滚轮与所述摆阀导轨滑动连接。
3.根据权利要求2所述的一种无曲轴二冲程往复式发动机，其特征在于，所述气阀摇臂与所述摆阀滚轮之间通过气阀连杆连接，所述气阀连杆包括第一连杆、第二连杆和支撑杆，所述第一连杆和所述第二连杆分别通过第一支点和第二支点与所述支撑杆铰接，所述支撑杆的底端与所述异形缸头的顶端转动连接。
4.根据权利要求3所述的一种无曲轴二冲程往复式发动机，其特征在于，所述气阀摇臂的上端设有摇臂滚轮，所述摇臂滚轮与所述气阀摇臂之间转动连接。
5.根据权利要求4所述的一种无曲轴二冲程往复式发动机，其特征在于，所述活塞的底部的设有过渡斜面，所述过渡斜面位于所述摇臂滚轮的正上方。
6.根据权利要求1所述的一种无曲轴二冲程往复式发动机，其特征在于，所述活塞滚轮安装在滚轮轴上，所述活塞滚轮与所述滚轮轴转动连接，所述滚轮轴通过压盖固定在所述活塞的底端，所述凸轮槽的截面为矩形。
7.根据权利要求1所述的一种无曲轴二冲程往复式发动机，其特征在于，所述芯轴为空心轴结构，所述芯轴的底端设有吸油口，所述芯轴的上端开设有引流口，所述芯轴的底端设有供油凸轮，所述供油凸轮设置在所述凸轮槽底端的正下方。
8.根据权利要求1所述的一种无曲轴二冲程往复式发动机，其特征在于，所述偏心孔内设有轴套，所述芯轴通过所述轴套安装在所述偏心孔内。
9.根据权利要求1所述的一种无曲轴二冲程往复式发动机，其特征在于，所述缸套的四周设有多个进气孔，多个所述进气孔均处于同一水平位置。
10.根据权利要求1所述的一种无曲轴二冲程往复式发动机，其特征在于，所述活塞的内部设有加强筋，所述活塞的外侧分别设有活塞环槽和减磨环槽。
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