CN1683765A

CN1683765A - 四冲程发动机活塞运动均衡装置

Info

Publication number: CN1683765A
Application number: CN 200410008591
Authority: CN
Inventors: 王玉山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2004-04-16
Publication date: 2005-10-19

Abstract

一种四冲程发动机活塞运动均衡装置，包括：曲轴、惯性轴、活塞、连杆，将两个长短半径完全相同的椭圆形齿轮，以垂直于椭圆平面的中心轴为轴互相正交啮合，其中一个齿轮与曲轴的定轴共轴，另一个齿轮与惯性轴共轴，相当于将原来的曲轴惯性轮结构进行分体，在曲轴和惯性轴之间用一对椭圆形齿轮啮合，这样将过去的平动—转动的转换方式，变为平动—变角速度转动—匀速转动，而且在本发明提出的对曲轴、惯性轴、活塞、连杆及一对椭圆形齿轮的规格尺寸的要求下，可以使活塞自身平动动能的波动，限制在惯性轴之前，而不会波及到惯性轮系统的转动，可以达到在相同转速下，活塞运动最高速度得以降低，边缘低速部获得提升，做功时间得以延长，达到对活塞运动的均衡效果，使运动形式更为和谐顺畅，同时又提出了分级活塞组发动机的设想，用于大功率大排量发动机。

Description

四冲程发动机活塞运动均衡装置

技术领域：本发明四冲程发动机活塞运动均衡装置属于四冲程发动机(内燃机)的改进。

背景技术：前，四冲程内燃机被广泛使用，优其是被用于车辆的驱动，它的燃气压缩、点燃、推动活塞膨胀做功形式是一种高效的能量转换方式，为人们所称道，但活塞，连杆的往复运动，与曲轴惯性轮的转动运动的转换不是十分和谐，对惯性轮的冲击波动不仅有燃气做功、气体压缩、进气、排气及摩擦损失冲击，还有活塞、连杆的往复平动引起的波动，活塞、连杆无论多轻都不为零，况且机械强度要求，也不可能太轻，这种波动影响在发动机高速运转下优其明显，引起发动机的振颤。

车辆运行的平稳要求，使得发动机都配以转动惯量较大的惯性轮，在惯性轮的均匀速度的强迫下，活塞运动速度曲线接近于正弦波(如图8中曲线2，曲线1为正弦波参考波形)，在曲轴运转一周的角度上，以活塞上止点、下止点、膨胀、压缩区段为中心等扇形划分，可知这四个区域运动中所经历的时间是相等的，在不做功的区域上不得不耗费相同的时间。再一个方面活塞运动速度涨落较大(如图8中曲线2)，它会造成气缸内做功气体的非平衡态加剧，损失最大的是形成压力梯度，降低能量转换效率，这就是发动机在高转速下扭力下降油耗增加的原因。

发明内容：本发明的目的是提供一种可用于四冲程燃油发动机的四冲程发动机活塞运动均衡装置，并可以经济地运用于已知基本构造的四冲程内燃机的改造。

根据此目的，本发明提供的四冲程发动机活塞运动均衡装置包括：

运行于缸筒中被连杆带动的活塞(图2中8)、连接曲轴活塞的连杆(图2中7)、曲轴(图2中3)及与曲轴共轴的椭圆形齿轮A(图2中1)、惯性轮(图2中5)惯性轴(图2中4)及与惯性轮共轴的椭圆形齿轮B(图2中2)，

与曲轴共轴的椭圆形齿轮A(图1中1)和与惯性轮共轴的椭圆形齿轮B(图1中2)，是一对椭圆形齿轮(图1)(或近似椭圆)，它们各自以垂直于椭圆面的中心轴(图1中3、4)为轴，在椭圆平面内旋转，它们具有相同长度的长半径和相同长度的短半径，并有相同数量的齿数，互相正交齿合(即如齿合点是一椭圆的长半径顶点，则另一椭圆与之齿合点正是其短半径的顶点)，这种齿合方式下，如果B椭圆形齿轮(如图1)按匀速ω₀转动，则A椭圆齿轮转动角速度ω为：

ω＝ω₀[(a+b)(b²cos²θ+a²sin²θ)^1/2/ab-1] (1)

其中：

a为椭圆形齿轮长半径

b为椭圆形齿轮短半径

θ为A椭圆形齿轮转过的转角度

这样在椭圆形齿轮B匀速转动时，则椭圆形齿轮A转速有如下的特征点转速：

ω＝ω₀b/a (θ＝0)

ω＝ω₀a/b (θ＝π/2)

ω＝ω₀b/a (θ＝π)

ω＝ω₀a/b (θ＝3π/2)

ω＝ω₀b/a (θ＝2π)

这种齿合方式下，如果惯性轮以ω₀均匀速度转动，则曲轴以ω(见公式(1))变角速度转动，单缸工作情况下的运用见图2。

椭圆形齿轮A与曲轴的固定方式为，椭圆形齿轮A的短半径方向与曲轴的偏心轴偏离方向平行，即，当活塞在上下止点时，A椭圆形齿轮的长半径与活塞的运动方向垂直(如图2)，椭圆形齿轮B保持与椭圆形齿轮A严格的齿合位置关系(如图1)，椭圆形齿轮B固定在惯性轮上并与之共轴，这样在椭圆形齿轮B相对均匀角速度转动下，椭圆形齿轮A将变角速度运转。

配合这个改造，要对活塞(图2中8)、连杆(图2中7)、曲轴(图2中3)、曲轴上的椭圆形齿轮A(图2中1)进行规定，活塞、连杆、椭圆形齿轮A及曲轴的规格选择符合如下公式要求(单缸筒工作情况)：

(m+m₂)R²＝I_A(a⁴/b⁴-1)+I_L(a⁴/b⁴)(R²/L²) (a≥b) (2)

式(2)中：

I_L：是连杆以活塞销为轴的转动惯量(单位：公斤平方米)

I_A：是椭圆形齿轮A与曲轴系统的总转动惯量(单位：公斤平方米)

a：椭圆形齿轮A的长半径长度(单位：米)

b：椭圆形齿轮A的短半径长度(单位：米)

R：为曲轴偏心距(单位：米)

m：为活塞的质量(包括活塞销)(单位：公斤)

m2：为连杆的质量(单位：公斤)

L：是连杆的轴距长度(单位：米)

在这样的安排之下，用惯性轮带动曲轴系统，再带动活塞连杆系统，就不会有力矩不均匀的状态，这样就将活塞不连续的往复运动，转化成了，连续的转动运动，从物理的角度说就是，惯性轴通过椭圆形齿轮B带动的椭圆形齿轮A及曲轴、活塞、连杆系统，就像是有均匀的不随时间变化的转动惯量一样(同样的角度观察，在过去的形式下，活塞运动到上下止点时转动惯量最小，而在活塞冲程的中点有最大的转动惯量，这里转动惯量是一个随运转角度变化的量)，实现了用结构对运动形式的和谐转换。

以上公式(2)是在考虑单缸工作情况下的结论，如果有n个缸筒工作，共用一个曲轴和椭圆形齿轮A，并且缸筒之间上下止点同步情况下(类似于图7的形式)则有如下换算公式：

I_An＝nI_A (3)

式(3)中：

I_An表示在n个缸筒工作情况下，椭圆形齿轮A与曲轴系统的总转动惯量

(单位：公斤平方米)

I_A：是单缸工作情况下椭圆形齿轮A与曲轴系统的总转动惯量(单位：公斤平方米)

相当于按缸筒数量成倍数增加椭圆A与曲轴系统的总转动惯量。

这样在实际工作的情况下，加之于惯性轮的波动影响因素只有，气体膨胀做功、进气耗能、排气耗能、压缩气体耗能、摩擦耗能、凸轮系统的耗能等影响，这些可通过多缸工作方式，配合惯性轮进行均衡，

另外从曲轴运转一周的情况，即活塞运动的二个冲程分析，这样的改进与末改进的情况在同样的惯性轴转速下，有如下的特点：

1)活塞在上下止点的附近区域，速度获得提升(图8中粗线1与细线2比较)。

2)活塞在膨胀和压缩区段，速度得以降低(图8中粗线1与细线2比较)。

3)活塞在上下止点的区域，运动历时缩短。

4)活塞在膨胀和压缩区域，运动历时加长。

以上四点使得活塞的运动趋于平稳(速度涨落变小，图8中粗线1与细线2比较)，这使得活塞对曲轴力矩大的区域时间得以延长，而在力矩为零及附近区域时间得以缩短，这就延长了能量转换时间。

另一方面由于最高速度部分的降低，活塞运动的平稳，使得气缸内气体更趋于平衡态(与末改进相比)，按热力学原理将有更趋于理想的能量转换效率。

总之采用该双椭圆结构及相应的一些改进，可带来以下二个主要的好处：

1、节能

2、低噪

进一步的改进是，可以采用分级活塞方式，提高性能，获得在发动机低速、高速下的均衡扭力，可采用四个小缸径的缸筒组成一组，两个大缸径的缸筒组成另一组，大缸径的缸筒采用双缸方式，大缸筒组与惯性轮之间加一对减速齿轮，工作在低转速下，应注意的是这时双椭圆齿轮的匀速齿轮是结合于减速齿轮，并与减速齿轮同轴，再通过减速齿轮齿合于惯性轮，由于采用双椭圆齿轮，及对曲轴、活塞、连杆的综合改进，使得双椭圆齿轮、曲轴、活塞、连杆组成的系统对惯性轴有恒定转动惯量的表现，使得在分级活塞方式下，二级活塞系统互相起到惯性的作用，可以减小实际惯性轮的质量(起到最小材料最大效用的作用)，通过对这两组活塞系统调整进气比的方法，即在低速下，小缸径的缸筒组进气比高，而在高速下，大缸径的缸筒组进气比高。由于双椭圆齿轮、曲轴、活塞、连杆组成的系统对惯性轴有恒定转动惯量的表现，才使得分级活塞方式成为可能。

附图说明：

图1是椭圆形齿轮A和椭圆形齿轮B的齿合方式正视图，其中1是椭圆形齿轮A，2椭圆形齿轮是B，3是椭圆形齿轮A的运动轴，4是椭圆形齿轮B的运动轴。

图2是单缸筒工作情况下四冲程活塞运动均衡式发动机的正视图和侧视图，图中未画进排气结构及其它部分。1是椭圆形齿轮A，2是椭圆形齿轮B，3是椭圆形齿轮A的轴，4是椭圆齿轮B和惯性轮的轴，5是惯性轮，6是曲轴偏心轴，7是连杆，8是活塞，9是缸筒(未画进排气门结构及其它部分)。

图3表示的是另外一种单缸情况下的四冲程活塞运动均衡式发动机方式，这种方式有利于在纵向缩短发动机的尺寸，

图4显示了单缸情况下的四冲程活塞运动均衡式发动机的四个典型状态下的系统各部件形态分布情况。

图5是双缸工作情况下四冲程活塞运动均衡式发动机的侧视图。

图6是三个缸筒工作情况下椭圆形齿轮B在惯性轴上的安装图，三个缸筒工作情况较为复杂一些，为了惯性系统更好地均衡气体做功对发动机的波动影响，采用三对椭圆形齿轮结构，并有三个曲轴，其它部分末画出，结合方式与前同，应注意的是这时三个缸筒工作时间在相位上要相差240度。

图7是四个缸筒工作情况下的侧视图，

图8是活塞在二个冲程中的运动速度变化曲线，17表示的曲线为正弦波，16表示的曲线为末改进时的速度曲线，15表示的粗实曲线为四冲程活塞运动均衡式发动机中活塞速度变化曲线，从这几个曲线可以看原来速度高的部分降低，而低的部分升高，活塞运动速度获得均衡，。

具体实施方式：

单缸情况：单缸工作情况下，见图2，A、B轮与缸筒可以纵向分布，也可以如图3一样L形分布，或在空间方位可以安排下的其它角度方式，只要保证椭圆形齿轮A和椭圆形齿轮B之间的关系不变，椭圆形齿轮A与曲轴的关系不变即可。

双缸情况：双缸工作情况下，可按图4的方式安排，A、B轮与缸筒的分布，如上文单缸情况的说明相同。

三缸情况：三缸工作情况下，情况略为复杂一些，它需要三组双椭圆调速结构，其中B轮在惯性轮上的安排角度如图6所示，应提请注意的是，这三个轮子之间的相位关系为各相差240度，即在720度的一个周期中，三个气缸等间隔各工作一次，气缸可安排并排直列方式。

四缸情况：四缸工作情况下，四个缸的工作时间等间距地分配在720度的一个周期中，该情况下只需要一组双椭圆调速结构，实际运用如图7所示。

多缸情况：可采用分级活塞方式。

由于双齿轮结构在运动过程中主动从动关系在时间上是交替互易的，所以齿轮的间隙要小，另一方面，由于是椭圆齿轮，不同部位的轮齿其加工参数也是不一样的，有一定的工艺难度，其实在双椭圆调速结构中主动与从动关系转折点(拐点)位置上(实际情况由于加工误差和实际工作冲程的影响，转折点略有提前或落后)，工作条件也并不恶劣，因为在这一点上A齿轮与B齿轮之间无能量交换，齿合力为零，主动从动关系转折是渐变、平稳的(不会出现因齿轮碰撞而出现噪声现象)。

Claims

1、一四冲程发动机活塞运动均衡装置，其特征在于该结构包含：活塞、连杆、曲轴、惯性轴、椭圆形齿轮A和椭圆形齿轮B等，在所述曲轴上和所述惯性轴上分别加装椭圆形齿轮A和椭圆形齿轮B，且所述椭圆形齿轮A和所述椭圆形齿轮B有相同的长半径、短半径及齿数，且所述椭圆形齿轮A的旋转轴与所述曲轴的定轴共轴，所述曲轴的动轴的偏离方向与所述椭圆形齿轮A的短半径在同一个方向上，与所述椭圆形齿轮A的长半径方向垂直，所述椭圆形齿轮B的旋转轴与所述惯性轮共轴，且所述椭圆形齿轮A和椭圆形齿轮B相互齿合。

2、按权利要求1所述四冲程发动机活塞运动均衡装置，其特征在于，所述椭圆形齿轮A和所述椭圆形齿轮B的齿合方式是正交齿合，即所述椭圆形齿轮A的长半径顶点与所述椭圆形齿轮B的短半径顶点相齿合，转过90度时反过来，椭圆A的短半径顶点与椭圆B的长半径顶点相齿合，当转过360度时，又回到最初的齿合状态。

3、根据权利要求1、2所述四冲程发动机活塞运动均衡装置，其特征在于，在单缸工作情况下，活塞、连杆、曲轴、曲轴上的椭圆形齿轮A的规格选择符合如下公式要求：

(m+m2)R²＝IA(a⁴/b⁴-1)+I_L(a⁴/b⁴)(R²/L²) (a＞b) (1)

式(1)中：

IL：是连杆以活塞销为轴的转动惯量(单位：公斤平方米)

IA：是椭圆A与曲轴系统的总转动惯量(单位：公斤平方米)

a：椭圆A的长半轴长度(单位：米)

b：椭圆A的短半轴长度(单位：米)

R：为曲轴偏心距(单位：米)

m：为活塞的质量(包括活塞销)(单位：公斤)

m2：为连杆的质量(单位：公斤)

L：是连杆的轴距长度(单位：米)

4、根据权利要求1、2、3所述的一种四冲程发动机活塞冲程双椭圆缓释机构，其特征在于，如果有n个缸筒工作的情况下，并且缸筒之间上下止点同步，并且共用一个曲轴的情况下，则有如下换算公式：

I_An＝nI_A (2)

式(2)中：

I_An表示在n个缸工作情况下，A轮与曲轴系统的总转动惯量(单位：公斤平方米)

I_A：是单缸工作情况下椭圆A与曲轴系统的总转动惯量(单位：公斤平方米)

5、根据权利要求1、2、3、4所述的一种四冲程发动机活塞运动均衡装置，其特征在于，在所述曲轴上和所述惯性轮上分别加装椭圆形齿轮A和椭圆形齿轮B的结构，可用于单缸或多缸往复式内燃机。

6、根据权利要求1、2、3、4所述的一种四冲程发动机活塞运动均衡装置，其特征在于可用于分级活塞方式。采用四个小缸径的缸筒组成一组，两个大缸径的缸筒组成另一组，大缸径的缸筒采用双缸方式，大缸筒组与惯性轮之间加一对减速齿轮，工作在低转速下，应注意的是这时双椭圆齿轮的匀速齿轮是结合于减速齿轮，并与减速齿轮同轴，再通过减速齿轮齿合于惯性轮，通过配气机构对这两组活塞系统调整进气比，即在低速下，小缸径的缸筒组进气比高，而在高速下，大缸径的缸筒组进气比高。