CN2076608U - 矩形活塞往复双向作用曲柄圆滑块式内燃机 - Google Patents

Abstract

一种矩形活塞往复双向作用曲柄圆滑块式内燃 机。通过偏心距为e的圆滑块和曲柄半径为e的曲 轴将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动，活塞的行 程为4e。为了保证活塞的往复运动可靠地转变为曲 轴的旋转运动，在活塞和曲柄销上配有内齿轮副。本 机因采用矩形双向作用活塞和曲柄圆滑块机构，使本 机比一般往复活塞式内燃机，体积小、重量轻、结构简 单、无侧压力、效率高，振动小等优点。可用于单缸多 缸二行程及四行程汽油机或柴油机。

Description

本发明创造是往复活塞式内燃机的一种新形式，其涉及无连杆矩形活塞往复式内燃机。

传统的内燃机都是采用曲柄连杆机构，从运动学上分析这种机构是不合理的，有巨大的往复惯性力和对气缸壁的巨大的侧压力，结构的不合理使得机器庞大而复杂。人们为了寻找更为合理的结构，发明了许多种结构上无连杆式内燃机，其中曲柄滑块机构亦称正弦机构较为简单。用于这种机构的滑块外形大都是矩形，由于运动副为平面摩擦，往复运动，润滑效果不好，机械效率较低，不能用于高速、高负荷的情况下。日本的《内燃机关》1981年第8期上报导了日本工业大学研究的无连杆内燃机，采用曲柄圆滑块机构，但必须是双滑块组合使用，气缸是“十”型布置，不能作成单缸或多缸直列式机器这样必须有一缸或几缸斜置，润滑油容易窜入活塞顶部引起重大事故（如活塞杆弯曲，缸盖和活塞损坏，缸盖螺丝拉断）。而且操作复杂，起动前必须排油。日本小仓胜从研究平衡问题出发，也采用了曲柄圆滑块机构，但配置了一套太阳轮系，使其结构复杂，并且由于冲击负荷大，经常打坏齿轮机构。美国紫罗兰公司也研究了类似的四缸机，均因轮系体积庞大，结构复杂而难于应用。就中国专利公告所知，湖南黎正中从改善相位传动齿轮的角度出发，研制了一种曲柄圆滑块往复活塞式内燃机，其机械性能和构造都取得了很大进步，但因其使用圆柱活塞，在活塞导向部份尺寸大于其直径时，活塞过长，不但活塞惯性力比本发明创造大，而且内燃机体积也相应较大；在活塞导向部份尺寸等于其直径时，曲轴强度不足。所以，不能再进一步提高“比功率”（即为单位体积、单位重量或单位成本的功率），上述这种发动机的体积和重量比本发明创造分别大30％以上，而且活塞的往复惯性力，成本也比本发明创造高。（湖南、黎正中发明的专利号85100358）

本发明创造的目的是为了提供一种体积小、重量轻、结构简单，机械性能好、工作可靠长寿命的无连杆矩形活塞往复双向作用曲柄圆滑块式内燃机。

本发明创造的内燃机主要由带有气缸的缸体（6）、缸盖（25）、油底壳（27）、矩形活塞（7）、圆滑块（18）、曲轴（2）、飞轮（17）以及配气机构、润滑系统、供给与点火系统、冷却系统等组成。所述的圆滑块（18）上有偏心距为e的偏心圆孔，与曲轴（2）偏心轴径（即曲柄销）相配，其中曲轴（2）偏心距也为e，圆滑块动配合装于活塞导向部份的圆孔中，形成曲柄圆滑块机构，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，其中在曲柄圆滑块机构上配置有一对保证曲轴和活塞相位的内齿轮副，它由固接在活塞导向部份上的内齿圈和直接加工在曲轴偏心轴径上的外齿轮啮合组成，其齿数比为2：1。在发动机工作时，前述内齿轮副，保证了相位，使矩形活塞往复运动一次，圆滑块（18）在矩形活塞导向部份的圆孔内逆时针旋转一周（即圆滑块绕窜过圆滑块偏心孔的曲轴偏心轴径逆时针旋转两周），曲轴绕曲轴主轴径顺时针旋转一周。本发明创造最突出的特点是双向作用矩形活塞（7）及矩形活塞（7）同曲柄圆滑块机构有效的结合。矩形活塞（7）沿缸体工作段的矩形面往复滑移，工作有两种形式：第一种，矩形活塞相对两个方向交替工作［如矩形活塞对置燃烧室式二冲程或四冲程内燃机（其中一个活塞起两个活塞的作用）］；第二种，矩形活塞一个方向工作相对方向当扫气泵（如曲轴箱换气式或压力润滑活塞反向扫气式）。

矩形活塞（7）有一个导向部份（36）其中心线上开有直径大于圆滑块的圆孔（37），圆滑块（18）装在此孔中，可采用镶衬套（83）后装滚针（84）形成滚动副或加装减摩合金的圆滑块（18）形成滑动副的方式。矩形活塞（7）的宽度a（即导向部份尺寸），是根据圆滑块直径，及其同活塞之间的运动副，以及活塞（7）的孔（37）与导向部份（36）的最小壁厚处的强度要求来决定的。

矩形活塞的总长度C主要由最后一道密封条（汽油、机油混合油二行程内燃机），或最后一道油环不碰到曲轴或曲轴主轴承孔边为准，再加上活塞顶部尺寸。矩形活塞（7）的前后厚度b是根据内燃机所需单缸活塞单向排量来决定的。如下试：

b＝ (V_单间)/(4ea)

其中：V_单向为单缸活塞单向排量

b为矩形活塞的厚度（即前后面止推部份尺寸）

a为矩形活塞的宽度（即导向部份尺寸）

e为圆滑块或曲轴的偏心距

4e为矩形活塞行程

矩形活塞（7）顶部气体密封结构是由活塞侧面密封片（39）活塞前后端面的端面密封条（38）及衔接它们的密封销（41）所组成，它们下面都分别有波形片簧（42）和密封销弹簧（40），并衔接成一条为绕活塞的封闭线路。侧面密封片（39）、密封销（41）和端面密封条（38）的结构和装配形式与三角旋转活塞式发动机基本相同，但双向开槽式密封销（41）可衔接成封闭线路，是本发明创造的一特点；另外气体密封结构也完全可以采用与三角活塞式发动机完全一样的结构。在矩形活塞上的油封装置是组合式方框钢片油环，它是由4片或8片L型刮片（43）两两对接并上下错缝安装，和纵向衬簧（45）和周向衬簧（44）组成。缸体（23）有两种结构，一种结构缸体如图12、图13、采用铸造并加工成矩形环带体，这样可以增强其结构刚度。在缸体（23）的端面上留有进气孔（49）、排气孔（52），并设置有进气门（83）、排气门（10），火花塞（24）（说明一下火花塞可以根据需要设置在缸体或缸盖上），在缸体的边缘处留有定位孔（53）和连结螺丝孔（48），对水冷机而言，在缸体工作段（46）的环带上还有冷却水轴向连通孔（47）。另一种结构缸体是采用两截式（如图22、图23）即是上述矩形环带缸体在中间对称分割成两个U形缸体，以便加工，然后在总体组装时组合成一个同前述基本一样的矩形环带体（46），此种结构其它部份完全与前一种结构相同。

利用缸盖（6）与缸体（23）可装配成单缸内燃机；利用缸盖（6）、缸体（23）和中间隔板（22）还可组成多缸机（如图2）。缸盖（6）和中间隔板（22）其外轮廓与缸体（23）矩形环带（46）外轮廓应一致，并在边缘处留有与缸体（23）一一相对应的连结螺丝孔（48）和定位孔（48），在水冷机中还有与缸体（23）一一相对应的冷却水轴向连通孔（47），以便准确安装应用。

曲轴转动时，活塞（7）的两端面的密封条（38）和两侧面的密封片（39）紧贴缸体（23）的工作面和前后缸盖（6）｜或中间隔板（22）｜表面往复滑移，因此缸体（23）、缸盖（6）｜或中间隔板（22）｜的工作表面（46）（60）和（85）要有一定的光洁度和硬度，在缸盖（6）上留有主轴承孔（58），中间隔板（22）上也留有主轴承孔（82）以便支承曲轴（2）。

本发明创造的内燃机，曲轴的曲轴偏心轴径和一端主轴径之间是可以拆装的，以便安装圆滑块和矩形活塞。如图1、图2所示的两缸内燃机，曲轴（2）如图16，图17，图18，图19｜两个偏心轴径，它们同前后端主轴径（3）（21）分别利用可装拆的圆柱销（4）、（20）当键窜入与主轴径同心的中心长孔连接在一起，并用圆柱销（12）把前（后）主轴径同前（后）曲轴偏心轴径通过横向圆孔窜入，使主轴径（3）（21）和曲轴偏心轴径（70）（86）牢牢地固定在一起。曲轴偏心距为e，圆滑块（18）外圆和内孔的偏心距也为e，偏心内孔与曲轴偏心轴径（70）（86）相配，可采取装滚针形成滚动副或装轴套形成滑动副的形式。圆滑块上还开有起平衡作用的扇形槽（30）和去重孔（31），以及润滑油孔（32）（33）和端面润滑的“十”字槽（28），润滑孔（32）是开在通过偏心圆孔中心，并于偏心圆孔（29）中心和外圆中心连线垂直的通孔；以及在外圆上距内孔（29）最远点到内孔（29）的通孔。

前述的内齿轮副由固接在活塞导向部份（36）上的内齿圈（34）和直接加工在曲轴偏心轴径上的外齿轮（75）啮合组成。内齿圈（34）与活塞导向部份（36）的固接方式可采取弹性销（84）连接或其他连接方式。齿轮与圆滑块之间可装有档片（88）。

为了使曲轴（2）转动时的惯性力偶尽量等于零，在曲轴（2）的偏心轴径一侧曲柄上去掉了一些金属，在飞轮（17）的同一侧开有配重槽（71），在曲轴皮带轮（65）上安置了平衡配重（68）。

本发明创造装配时，是将未组装的曲轴不可拆主轴径端装入一端缸盖（或中间隔板）主轴承（或主轴套）内，将内装有滚针（或减磨合金）的圆滑块（18）装入曲轴偏心轴径（70），将已装有密封系统（38、39、40、41、42、43、44、45）、活塞滚针（89）｜或衬套（35）｜和相位内齿圈（34）的矩形活塞（7），装入有配气机构（10、1、13、14、83等）和点火系统的矩形环带缸体（23）内（配气机构和点火系统与一般往复活塞式发动机的已有技术相同），并将装有圆滑块的曲轴窜入装入缸体的活塞滚针（85）｜或衬套（35）｜中，并保证曲轴外齿轮（75）和活塞内齿轮（34）的啮合相位，装上曲轴主轴径，窜上可拆圆柱销和横向圆柱销，然后，盖上另一缸盖，装上主轴承（或主轴套），分别通过定位孔（53）和连接螺丝孔（48）装上定位销和缸盖螺丝（26）。并按一定顺序和扭力柠紧全部缸盖螺丝（26）。若是多缸机每缸都按上述顺序安装，缸和缸之间全部用中间隔板（22）代替缸盖（6），对润滑系统，供给系统和冷却系统仍然与已有技术相同。

本发明创造的内燃机由于省去了苯重的连杆，可不用专门的曲轴箱，一个矩形活塞（7）双向作用取代两个圆柱活塞，尺寸小的圆滑块（18）可取代两个庞大苯重的连杆，缸体（23）采用矩形环带结构形式等，缩短了机体长度50％；降低了机体高度50％；及按长规立式发动机全高算，降低了机体重心25％。可以很方便地安装在前驱动的车辆上，和地板下安装发动机的车辆上，并且重心底，车辆行走平稳。本发明创造，结构简单，容易制成比一般连杆式内燃机体积小50％，重量轻45％的内燃机。并且矩形活塞（7）同曲柄圆滑块（8）机构的惯性力减小，活塞（7）无侧压力等，机械效率和寿命得到了提高。特别是作二冲程曲轴箱扫气式的内燃机时（如图24），由于曲轴箱容积不到常规机的 1/5 ，故可获得所需要的扫气压力，使其换气达到最佳效果，可提高内燃机的功率和效率。由于本发明创造其活塞按余弦规律运动，相对常规机而言，等容量增加，填充效率和热效率提高。本发明创造同时用缸盖（6）和中间隔板（22）可组成同一系列不同缸数的矩形活塞式内燃机；其中可制成同一系列的对置燃烧室式四冲程内燃机；可制成同一系列的带扫气泵对置燃烧室式二冲程内燃机；可制成同一系列的不用另设扫气泵二冲程内燃机；还可制成同一系列的不另设扫气泵的压力润滑式二冲程内燃机。本发明创造的的内燃机具有工艺结构简单，体积小，重量轻，效率高，振动小等优点。根据本发明创造可以制造出各种型号的不同系列的单缸或多缸的风冷的或水冷的二冲程的及四冲程的汽油机或柴油机。并且可以布置成立型、对置型、卧型、V型、“十”型、星型等。

附图说明

图1为矩形活塞双向作用对置燃烧室式四冲程内燃机的正面前缸盖和前主轴径拆除及A－A剖视图。其中（23）表示缸体；（22）或（25）表示中间隔板或后缸盖；（2）表示曲轴；（18）表示圆滑块；（7）表示矩形活塞；（8）表示油环；（9）表示气环；（10）表示排气门；（83）表示进气门；（52）表示排气门套；（14）表示凸轮轴；（13）表示摇臂轴；（11）表示摇臂；（27）表示油底壳；（26）表示缸盖螺丝；（87）表示定位销。

图2为矩形活塞双向作用对置燃烧室式双缸四冲程内燃机内部结构图，其中（23）表示缸体，（6）表示前缸盖，（25）表示后缸盖；（22）表示中隔板；（7）表示矩形活塞；（18）表示圆滑块；（2）表示组合曲轴；（17）表示飞轮；（24）表示火花塞；（10）表示排气门；（14）表示凸轮轴；（13）表示摇臂轴；（11）表示摇臂；（5）表示前主轴径轴承；（21）表示凸轮轴齿形带轮。

图3为图4的I－I剖视图，（12）、（33）均表示润滑孔。

图4为圆滑块视图，图中（29）表示偏心圆孔；（20）表示扇形槽；（31）表示去重孔；（23）表示十字槽。

图5为活塞总成正面视图，其中（36）表示活塞导向部份；（37）表示活塞圆孔。

图6为活塞总成C－C剖视图，其中（34）表示内齿圈；（35）表示活塞衬套。

图7为活塞总成A－A剖视放大图，其中（43）表示L形刮片；（44）表示周向衬簧；（45）表示纵向衬簧。

图8为活塞总成B－B剖视放大图，其中（38）表示密封片；（39）表示密封条；（40）表示密封销弹簧片；（41）表示密封销；（42）表示波纹片簧。

图9为两端密封的矩形活塞的立体图。其（36）表示活塞导向面；（37）表示活塞内孔；（90）表示润滑槽；（91）表示润滑油孔。

图10为一端密封的矩形活塞的立体图。其中（36）表示活塞导向面；（37）表示活塞内孔。

图11为一端密封的矩形活塞总成剖视图。其中（35）表示活塞衬套；（34）表示活塞内齿圈；（89）表示活塞滚针；（88）表示挡片。

图12为缸体B－B的剖视图，其中（46）表示矩形环带缸体的工作表面；（47）表示冷却水轴向连通孔；（48）表示缸盖螺丝孔；（49）表示进气孔；（50）表示进气门导管；（51）表示排气门导管；（52）表示排气孔；（53）表示定位销孔；（86）表示机油回油槽。

图13为缸体A－A的剖视图。

图14为缸盖B－B的剖视图。其中（53）表示定位销孔；（47）表示冷却水轴向连通孔；（54）表示润滑油回油孔；（48）表示缸盖螺丝孔；（55）表示火花塞孔；（56）表示凸轮轴轴瓦；（57）表示摇臂轴孔。

图15为缸盖A－A剖视图，其中（58）表示曲轴主轴承孔；（59）表示缸盖水套；（60）表示缸盖工作面。

图16为曲轴总成装配图。其中（3）表示曲轴前主轴径；（4）表示可拆装圆柱销；（19）表示曲轴主节；（21）表示曲轴后主轴径；（20）表示可拆装圆柱销；（12）表示圆柱销；（17）表示飞轮；（61）表示飞轮螺栓；（63）表示曲轴定时同步齿形带轮；（64）表示键；（65）表示曲轴皮带轮；（66）表示起动爪；（67）表示键；（69）表示润滑油道堵塞；（70）表示曲柄销轴径；（68）表示曲轴皮带轮配重块；（71）表示飞轮配重槽；（75）表示曲柄销齿轮。

图17为曲轴总成A－A剖视图。其中（74）表示曲轴出油孔。

图18为曲轴总成B－B剖视图。其中（72）表示曲轴进油孔；（73）表示曲轴纵向油道。

图19为曲轴总成C－C剖视图。

图20为中间隔板A－A剖视图。其中（53）表示定位销孔；（47）表示冷却水轴向连通孔；（48）表示缸盖螺丝孔；（82）表示中间隔板曲轴主轴承座孔；（79）表示隔水板；（78）表示分电器装入孔；（75）表示环形油道；（80）表示摇臂轴孔；（81）表示凸轮轴窜过孔。

图21为中间隔板俯视图。其中（76）表示机体进水孔；（77）表示机体出水孔；（85）表示中间隔板工作表面。

图22为两截式缸体A－A剖视图。

图23为两截式缸体B－B剖视图。

图24为实施例一的剖视图。

图25为实施例二的正面剖视图。

图26为实施例二的水平剖视图。

实施例一

根据本发明创造制造小型二冲程风冷汽油机。用铝合金铸造出活塞，用铝合金或铸铁铸造出缸体、缸盖；内齿轮、曲轴和其它零件分别用普通结构钢、碳素钢、铸铁通过车、铣、磨等加工方法制得，将活塞总成装入气缸内，曲轴总成通过缸盖轴承孔并插入缸体，并使圆滑块进入活塞滚针孔，并使曲柄销进入圆滑块装有滚针的孔内，装上主轴径，装上缸盖，及主轴承，柠紧有关螺丝，装上点火装置、火花塞等，便得到图21所示的汽油机。

实施例二

根据本发明创造制造四冲程汽油机，零件的制造，组装方法，使用材料与实施例一同。活塞为附图10、图11、所示结构，润滑油路同常规基本相同，圆滑块采用图3、图4所示结构。装上配气机构和供给系统后得到如图25、图26所示的汽油机。

Claims (10)

1、一种矩形活塞往复双向作用曲柄圆滑块式内燃机，主要由缸体、曲轴、活塞、缸盖、圆滑块、密封系统、飞轮、油底壳、供给系统、润滑系统、冷却系统等组成。所述的圆滑块上有偏心距为e的偏心圆孔，与曲轴偏心轴径(即曲柄销)相配，其中曲轴偏心距也为e，圆滑块滑动配合装于活塞导向部份的圆孔中，形成曲柄圆滑块机构，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，其中在曲柄圆滑块机构上配置有一对保证曲轴和活塞相位的内齿轮副，它由固接在活塞导向部份上的内齿圈和加工在曲轴偏心轴径上的外齿轮啮合组成，其齿数比为2∶1。其特征是往复双向作用的矩形活塞，及其矩形活塞同曲柄圆滑块机构的有效结合。矩形活塞沿缸体工作段的矩形形面往复滑移，工作有两种形式：第一种，矩形活塞相对两个方向工作如矩形活塞对置燃烧室式二冲程或四冲程内燃机(一个活塞起两活塞的作用)；第二种，矩形活塞一个方向工作相对方向当扫气泵(如曲轴箱换气式或压力润滑活塞反向扫气式)。

2、按权利要求1的发动机。其特征是缸体为矩形环带结构。

3、按权利要求1的发动机。其特征是缸体为U形状，两件U形缸体组装成2述的矩形环带结构，其目的是便于机械加工。

4、按权利要求1、2或3的发动机，其特征是用中间隔板和缸盖结构形式组成多缸发动机。

5、按权利要求1的发动机，其特征是可多次拆装的组合式曲轴，用可拆装圆柱销当键安装在与其相配的曲轴主轴径中心孔上；并加装横向圆柱销，使主轴径牢牢的固定在曲柄销上。此种结构在多缸机上使用更为方便。

6、按权利要求1、5的发动机，其特征于形成内齿轮副的小齿轮在曲轴偏心轴径上直接加工的。

7、按权利要求1、6的发动机，其特征在于形成相位内齿轮副的内齿圈用弹性销连接在矩形活塞导向部份上的，并与6述小齿轮相啮合。

8、按权力要求1、7的发动机，其特征是气体密封采用全闭式密封结构，双向开槽式密封销是其中的关键件，它可使活塞侧面密封片和活塞端面的端面密封条衔接成围绕活塞的封闭线路。

9、按权力要求1、8的发动机，其特征是采用组合钢片油环，它由四片或八片l形刮片，其中两两对接并且上下层刮片错缝组装，和活塞纵向和周向衬簧共同组装在一个油环槽内。

10、按权利要求1的发动机，其特征通过曲轴、圆滑块、活塞润滑面的机油并可冷却活塞。

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