CN87107720A - 摆动活塞内燃发动机-四缸发动机 - Google Patents

Abstract

摆动活塞内燃发动机——四缸发动机，包括曲轴、连杆、摆动活塞、气缸体等主要零件，一个摆动活塞和气缸形成四个工作气缸，气缸体采用水冷，摆动活塞采用水冷或油冷。新机型功率大、重量尺寸小、结构简单、制造成本低、经济性好。新机型工作可靠，运转性能好，零件受力、受热情况良好，曲轴输出力矩均匀、功率范围广，可从小功率摩托车到万吨级船用主机，大功率采用多个摆动活塞串联布置，可制造汽油机、煤气机、柴油机、压缩机。

Description

本发明根据国际专利分类表属于F01C9/00有摆动活塞机器或原动机。

在已有技术中西德专利，专利号3020499，为四连杆曲柄摆杆机构，这专利是四缸四冲程内燃发动机，一个摆动活塞形成四个工作气缸，采用顶置式气门，每侧二个气缸共用一根凸轮轴控制气门的开闭，曲柄连杆机构设置在机体外部的一侧。这专利存在如下的问题：1.曲柄连杆机构设置在机体的外面，造成外型尺寸大，受力情况恶化;2.气门由凸轮轴凸轮直接顶起，安装和调整困难，气门杆受到侧压力，造成气门杆和气门导管间的磨损。

本发明的任务是单个摆动活塞形成四缸四冲程内燃发动机，但将曲柄连杆机构对称布置在发动机机体内，同时采用工作情况良好的气门布置型式，并可发展为多个摆动活塞串联布置的多缸发动机。

本发明主要有以下几种机型：

1.侧置式气门摆动活塞单连杆四缸四冲程内燃发动机。

图1.摆动活塞四冲程汽油机、煤气机、天燃气发动机及二冲程压缩机横剖面图。〔1〕-曲轴;〔2〕-连杆;〔3〕-摆动活塞;〔4〕-气缸体;〔5〕-凸轮轴;〔6〕-气门;〔7〕-径向密封条;〔8〕-端面密封条;〔9〕-端面密封小园柱;〔10〕-气门挺柱;〔11〕-火花塞;〔12〕-平衡块。

发动机采用侧置式气门。主要另件为缸体、摆动活塞、连杆和曲轴。

发动机缸体为两个园弧形交接的中间壳体和左右壳体。中间壳体上有两缸分隔的气缸头，气缸头的安装是在中间壳体内孔，镗孔和磨光后用螺钉、定位销和中间壳体按图一中所示位置固紧。左右壳体相应的镗出摆动活塞和曲轴轴承座孔。左中右气缸各孔在镗床上一次镗出，中间壳体两侧布置侧置式进排气门，每边二个进气门，二个排气门，一对进排气门控制一个气缸的工作，另一对进排气门控制另一气缸工作，气门座孔从垂直方向向下镗出，每一气门上部有一盖板，打开此盖板，可放进和取出气门，进行研磨气门座等工作。每侧气门用一凸轮轴驱动，凸轮通过挺杆推动气门作往复运动。调整挺杆长度，可改变气门的开度，为调试时能任意改变凸轮角度，采用装配式活动凸轮，每一凸轮两侧面有36个齿，每次调整可改变10度。气缸、摆动活塞材料为球墨铸铁，连杆、曲轴和凸轮轴用45号铬钢制造。

摆动活塞中镗有内孔，镗孔中装配用锡青铜制造的轴衬，然后滑动套合在45号铬钢制造的光轴上，使摆动活塞能往复自由摆动，摆动活塞和气缸头之间形成四个工作气缸，通过单曲柄连杆机构控制四缸的工作，摆动活塞上布置径向和端面密封，用板弹簧向外弹出。密封条和缸体内园弧和端面保持面接触，可多道布置。径向密封和端面密封交接处用向外弹出的园柱体来进行交接，交接处留有少量的热膨胀间隙。图1中用符号E表示摆动活塞未能完全密封的一小段，在此段中用左右缸体向摆动活塞弹出的小园柱来密封。

摆动活塞可采用油冷或水冷结构，图1采用的是油冷结构（在柴油机方案中介绍摆动活塞的水冷结构）。冷却滑油从支承摆动活塞的园柱轴孔中通入（此园柱配入左右缸体的镗孔并轴向一端用凸缘，一端用螺帽压紧）。滑油从支承轴的径向孔中流出，用于润滑支承轴和摆动活塞铜衬。滑油的一路在摆动活塞内冷却通道中流过，冷却摆动活塞传出热量，防止密封弹簧的过热失效，滑油最后从摆动活塞中排出。滑油的另一路从活塞上连杆销支承座流入连杆销中心孔，再冷却和润滑连杆小头，通过连杆中心孔冷却和润滑连杆大头，完成整个冷却和润滑工作。

曲轴两边用滑动轴承或滚动轴承支承，曲轴上布置平衡块，整个曲轴和摆动活塞分别进行静平衡和动平衡，曲轴功率输出端安装飞轮和连轴节，另一端安装控制凸轮轴的正时齿轮，左中右气缸体分别铸有冷却水道，缸体内布置有可调换的气缸衬。密封件和气缸衬用耐磨和有润滑性的材料制成。

2.采用挺柱摇臂顶置式气门摆动活塞单连杆四缸四冲程内燃发动机。

图2.摆动活塞式四冲程柴油发动机横剖面图。〔1〕-曲轴;〔2〕-连杆;〔3〕-摆动活塞;〔4〕-气缸体;〔5〕-凸轮轴;〔6〕-气门;〔7〕-径向密封条;〔8〕-端面密封条;〔9〕-端面密封小园柱;〔10〕-气门挺柱摇臂;〔13〕-射油嘴;〔14〕-冷却水道。摆动活塞四冲程柴油发动机主要件为缸体、摆动活塞、连杆、曲轴，气门等和图一相同。其不同点在于摆动活塞式四冲程柴油机压缩比增加，采用喷油嘴射油，燃烧室也根据燃烧柴油而有各种形式。发动机采用顶置式气门，用凸轮、顶杆、摇臂来控制气门的开闭。

在这机型中气缸头可和中间壳体整体铸造加工而成。图二中为装配式气缸头，中间壳体内园弧仍可用镗床加工，其加工工艺在另件设计中已给予考虑。

摆动活塞柴油机，采用气缸水冷却，摆动活塞水冷或油冷，图二为摆动活塞水冷却的结构形式。气缸中铸有冷却水道，摆动活塞二端伸出轴颈，用滑动轴承支承。摆动活塞中心从两端镗有内孔，两孔不通，但分别和摆动活塞中的冷却水道相连通，一端用铜管输入冷却水，冷却摆动活塞后从另一端排出。输入和排出的水管用橡胶水封密封，橡胶水封外圈固紧于摆动活塞两端的内孔中，输入和排出水管固定在左右缸体盖板中。

润滑情况，摆动活塞两端用润动轴承支承。从左右缸体通入压力油进行润滑，润滑后的滑油在两边排出，如曲轴采用滚动轴承，此油可用管子引到滚动轴承处用作润滑，并可用于润滑固紧于曲轴上的正时齿轮，如曲轴用滑动轴承，需另从左右缸体中引入压力油润滑。曲轴和曲柄轴颈和连杆大小头轴承的润滑，从曲轴中引入压力油，一部分润滑曲柄轴承，一部分从连杆中心孔中引入连杆小头，用作冷却和润滑。

摆动活塞的结构及其密封，基本上图2和图1相同，这里不再详述。

3.不用气门改用气口的摆动活塞单连杆四缸二冲程气口回流气内燃发动机。

摆动活塞单连杆驱动四缸，二冲程柴油发动机，图3，摆动活塞式二冲程柴油发动机横剖面图。〔1〕-曲轴、〔2〕-连杆、〔3〕-摆动活塞、〔4〕-气缸体、〔13〕-喷油嘴、〔14〕-冷却水道、〔15〕-摆动活塞气口遮块，〔16〕、〔17〕-气口。

摆动活塞式二冲程柴油机功率比摆动活塞四冲程柴油机增加很多，而外形尺寸却减小很多，结构也变得更加简单，另件数大大减少，发动机内部空间得到更充分有效的利用。为了实现单连杆驱动四缸二冲程工作，并尽量使发动机内部空间得到更充分有效的利用。摆动活塞二冲程柴油机主要件的结构设计和结构参数均和摆动活塞四冲程柴油机有了很大的不同。总的讲摆动活塞二冲程柴油机中曲柄偏心距加大，连杆加长，摆动活塞摆动的角度也比四冲程柴油机的摆动角度大，相应的二冲程发动机中每缸工作容积有了增大，发动机功率进一步有了增大。

为保证在不换气时，压缩和膨胀过程中摆动活塞能有效的遮住气口，将摆动活塞上部一片加宽，使不换气时刚好遮住气口，并用密封片密封。摆动活塞下部用稍小于气缸内径的园环相连接，如图五中所示，此园环上留有连杆穿过和允许其摆动的开口。因此摆动活塞二冲程发动机上部两缸可用同一排进排气口来工作。气口可在中间气缸整个轴向尺寸布置，且允许换气时间较长，所以气口尺寸可较小。下部两缸各有单独的进排气口，由于气口在对应于连杆穿过摆动活塞的位置不能布置，因此气口数减少，气口尺寸也就要做得大一些。

摆动活塞二冲程柴油机的冷却，润滑和密封系统都和摆动活塞四冲程柴油机相同。摆动活塞二冲程柴油机的主要特点在于各部分尺寸的合理调配，实行气口换气，同时在摆动活塞上有了特殊的设计。

为了在压缩和膨胀冲程遮住下部两气缸的气口。图5，摆动活塞下部相连的园环中可滑配减磨材料制成的气口遮块。气口遮块用弹簧向外弹出，工作时气口遮块随摆动活塞一起摆动，不换气时就遮住气口。

图5，二冲程柴油发动机中的摆动活塞。〔3〕-摆动活塞，〔7〕-径向密封条，〔8〕-端面密封条，〔9〕-端面密封小园柱，〔15〕-摆动活塞气口遮块，〔18〕-端面外缘密封环。

4.多个摆动活塞串联布置内燃发动机的结构方案。

这种多个摆动活塞内燃发动机是采用一根曲轴和一个机座，曲轴安装在机座的轴承座中，而将一个摆动活塞、一个缸体、一个连杆组成一个单元体，这单元体可采用侧置式气门按四缸四冲程原理工作的结构，也可采用顶置式气门按四缸四冲程原理工作的结构，或按四缸二冲程气口回流扫气原理工作的结构。将上述任一种结构的单元体中气缸体和机座固紧，连杆和曲轴连接，就形成多个摆动活塞串联布置的内燃发动机。气缸体采用水冷，摆动活塞采用油冷。这种结构方案形式多样，安装和拆卸方便，整个结构是很简单的。

图4，多个摆动活塞、连杆、缸体成单元串联布置的方案。

〔19〕-个摆动活塞、一个连杆、一个气缸体组成的单元体。〔1〕-曲轴，〔20〕-机座，〔21〕-促气管，〔22〕-排气管。

5.将摆动活塞四冲程内燃发动机改变为气门式二冲程内燃发动机或气体压缩机或流体压缩机。

四缸或二缸四冲程内燃发动机，如使凸轮轴和曲轴按1∶1的转速旋转，同时改变凸轮的角度和气门开闭的时间就可把四缸或二缸四冲程内燃发动机改变为采用气门的四缸或二缸二冲程回流扫气内燃发动机，同时也成为一种四缸或二缸气体或流体压缩机。对压缩机也可拆除凸轮轴、顶杆等传动机构，而改为相应方向的单向伐，也就成为曲轴每转一转，四缸或二缸中每缸工作一次的压缩机。

对四连杆八缸顶置式气门四冲程内燃发动机也可改变为气门式二冲程内燃发动机或气体或流体压缩机。

图4中摆动活塞、连杆、缸体各成单元布置的方案中，如这单元是按四缸或二缸四冲程原理工作的，也可改变为气门式四缸或二缸二冲程回流扫气内燃发动机单元，或四缸或二缸气体压缩机单元，或四缸或二缸流体压缩机单元，并多个单元在机架上用一曲轴串联成一个整体。

上述各类摆动活塞内燃发动机，具有功率大，重量尺寸小，结构简单，便于加工，制造成本低，运转性能良好，发动机经济性高，运转平稳性和输出力矩均匀性好，发动机主要另件（摆动活塞、连杆、曲轴）受力情况良好，工作可靠，从使用燃料和功率范围，可适应国民经济各个方面的需要，是多用途发动机。

本发明最佳方案可选用侧置式气门四缸四冲程摆动活塞内燃发动机作为最先实施的方案，然后发展四缸二冲程气口回流扫气发动机和多缸发动机。

由上所述，各类摆动活塞内燃发动机，燃料均可采用汽油、柴油、天然气、工业煤气以及各种特种燃料。用途可用于汽车、拖拉机、坦克、大中小型船舶、大中小型发电站、机车、农业机械、林业机械、矿山机械、建筑机械、起重机、摩托车等各个方面。

Claims (7)

1、摆动活塞内燃发动机包括曲轴[1]、连杆[2]、摆动活塞[3]、气缸体[4]等主要条件，本发明的特征在于曲柄连杆和摆动活塞整体布置在气缸体[4]的下部，摆动活塞[3]布置在气缸体[4]的上部，摆动活塞采用两种不同的支承方式，支承方式之一：摆动活塞中镗有内孔，镗孔中装配用锡青铜制造的轴衬，轴衬滑套在光轴上，光轴安装固紧于左右缸体相应的镗孔中；支承方式二：摆动活塞两端伸出轴颈，用安装在左右缸体相应镗孔中的滑动轴承支承，摆动活塞以园柱体、三个悬伸板、连杆销支承座等构成一整体，其中小园柱面和气缸体中向内凸出的二气缸头内孔园柱密封面相配合，三个悬伸板和气缸体大园柱孔工作面相配合，配合需有适当的间隙，摆动活塞悬伸板和气缸头在构成气室的相对应工作平面上，分别开有燃烧室，摆动活塞和气缸体、气缸头、左右缸体间构成[A]、[B]、[C]、[D]四个工作气缸，摆动活塞上布置多道径向密封条[7]和端面密封条[8]，密封条用板弹簧向外弹出，径向密封和端面密封用向外弹出的端面密封小园柱[9]进行交接，交接处留有少量热膨胀间隙，摆动活塞可采用油冷或水冷结构，油冷结构为冷却滑油从支承摆动活塞的园柱轴孔中通入，此园柱配入左右缸体的镗孔中，并轴向一端用凸缘一端用螺钉压紧，滑油从支承轴的径向孔中流出，用于润滑支承轴和摆动活塞铜衬，滑油的一路在摆动活塞内冷却通道中流过，最后从摆动活塞中排出，滑油另一路从活塞上连杆销支承座流入连杆销中心孔，通过连杆销中心孔流至连杆大头；摆动活塞水冷结构，摆动活塞两端伸出轴颈，用滑动轴支承，摆动活塞外伸轴从两端镗有中心孔，两孔不通，但分别和摆动活塞中的冷却水道相通，摆动活塞两轴端中心孔，一端用铜管输入冷却水，另一端用铜管排出冷却水，输入和排出的水管用橡胶水封密封，橡胶水封外圈固紧于摆动活塞两轴端的内孔中，输入的排出水管固定在左右缸体盖板中，缸体内园柱面布置可调换的气缸衬。

2、据权利要求1所述，其进气部特征为采用侧置式气门〔6〕，发动机缸体为两个园弧形交接的中间缸体和左右缸体，中间缸体上有两缸分隔的气缸头，气缸头是在中间缸体内孔用螺钉、定位销固紧，也可整体铸件加工出气缸头和中间缸体内孔，左右缸体相应镗出摆动活塞〔3〕和曲轴轴承座孔，左中右缸体用定位销、螺钉固紧，中间缸体两侧布置侧置式进排气门〔6〕，每边两个进气门，两个排气门，每对进排气门控制一个气缸的工作，气门座孔从垂直方向向下镗出，每一气门上都有一盖板，盖板用于放进和取出气门，研磨气门座，每侧气门〔6〕用一凸轮轴〔5〕、挺杆〔10〕驱动，挺杆长度可调整用以改变气门开度，曲轴一端安装控制两侧凸轮轴〔5〕的正时齿轮。

3、据权利要求1所述，其进气部特征为采用顶置式气门〔6〕，发动机中间缸体由下气缸体、中间两个气缸头、上气缸体四部份组合而成，每一缸头安装有相邻两缸的两对顶置式进排气门〔6〕，一对进排气门控制一个缸的进排气，气门〔6〕经布置在发动机两侧的凸轮轴〔5〕、气门挺柱、摇臂〔10〕驱动。

4、据权利要求1所述，其进气部特征为采用二冲程气口回流扫气，发动机中间缸体由下气缸体、中间两气缸头、上气缸体四部份组合而成，每一缸头安装有相邻两缸的燃烧室，上气缸体顶部沿轴向开有进排气口〔16〕、〔17〕，摆动活塞上部悬伸板在外缘处加宽，下气缸体两侧沿轴向分别开有进排气口〔16〕、〔17〕摆动活塞下部两悬伸板之间用园弧形肋板连成一体，这园弧形肋板沿轴向分为左右两部分，中间留有连杆〔2〕穿过活动的空间，左右两部份园弧形肋板外布置摆动活塞气口遮块〔15〕，气口遮块后装有板弹簧。

5、据权利要求1或2或3或4所述，多摆动活塞发动机其特征为下气缸体沿曲轴主轴承中心线所在的水平面下部构成整体式机座〔20〕，采用一根有多个曲柄的曲轴安装在整体机座的轴承座中，而将一个摆动活塞〔3〕、一个连杆〔2〕、一个下气缸体、二个气缸头、上气缸体、左右缸体组成一个单元体〔19〕，将多个单元体轴向排列，每一单元体〔19〕中下气缸体和机座〔20〕固紧，连杆〔2〕和多曲柄曲轴上曲柄〔1〕连接。

6、据权利要求1或2或3所述，特征为改变凸轮轴〔5〕和曲轴〔1〕的转速比为1∶1，改变气门〔6〕的开闭时间，可实现二冲程气门式回流扫气内燃发动机。

7、据权利要求1或2或3所述，特征为改变凸轮轴〔5〕和曲轴〔1〕的转速比为1∶1，进排气门采用单向式气门，可实现具有自吸能力的气体或流体压缩机。

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