CN101509423A - 一种内摆线单缸柴油机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内摆线单缸柴油机，该柴油机使用一套新型内摆线能量转换机构，取代传统曲柄连杆机构，实现活塞的完全直线运动和曲轴旋转运动的互换，输出功率。内摆线能量转换机构的左曲轴(8)和右曲轴(11)分别通过轴承装在箱体(5)左右两侧；左曲轴(8)和右曲轴(11)通过两滑动轴承(17)分别与中间偏心曲轴(13)连接；行星齿轮(9)为2个，分别固定在中间偏心曲轴(13)的两端；两行星齿轮(9)分别与固定在箱体上的两个内齿圈(10)啮合形成两个齿轮副。与传统曲柄连杆机构式单缸柴油机相比，内摆线单缸柴油机消除了活塞对气缸的侧压力，具有传动效率高、燃油消耗率低、输出功率大的优点。

Description

一种内摆线单缸柴油机

技术领域

本发明涉及一种柴油机，特别是涉及一种内摆线单缸柴油机。

背景技术

目前，活塞式内燃机被广泛应用在海路空的交通运输、农业机械、工程机械和动力发电等各行各业。但在如图1所示的这种活塞式内燃机中，包括箱体1、活塞2、连杆3和曲轴4；在箱体1中，连杆3两端分别与活塞2和曲轴4连接；该装置存在着固有的缺点，即做往复摇摆运动的连杆3对活塞2不可避免的产生一侧向力，并导致活塞组在气缸内做横向平动和旋转摆动，其中该侧向力最终通过活塞作用于气缸壁。就是这个侧向力以及活塞组在气缸内做横向平动和旋转摆动，成为了科技工作者难以逾越的技术难题，导致内燃机如下问题：

(1)侧向力对气缸壁进行拍击，会产生俗称的“敲缸”现象，是内燃机中最大的机械噪音源，并严重影响内燃机的寿命。实际的内燃机活塞与气缸之间有一定间隙，连杆做往复偏摆运动时，侧向力导致活塞在上、下止点附近，从靠紧气缸一侧摆动到靠紧气缸另一侧，即活塞产生的摇摆和横向移动，对气缸产生强烈的拍击作用、产生振动和噪音。这种振动易使气缸套与冷却水接触的局部表面上出现蜂窝状的穴蚀破坏。另外，连杆小头作往复运动，大头作旋转运动，有分布质量的连杆便产生角加速度、惯性力矩而摆动，这个惯性摆动力也成为了发动机的横向激振源。

(2)侧向力使活塞与气缸产生摩擦、磨损，造成大量的能量损失，影响内燃机的经济性、动力性，并严重危害内燃机的使用寿命和可靠性。活塞与气缸之间的摩擦副，是内燃机中最重要的摩擦副之一，其摩擦损失在整个内燃机的摩擦损失中占有很大的比重，相当于发动机总机械损失的40％以上，一般都在50～60％。而曲柄连杆机构所固有的、活塞作用于气缸的侧压力产生的摩擦损失往往占了该摩擦损失的30％以上。

(3)传统曲柄连杆机构对气缸的侧向力增加了活塞的制造难度。活塞工作时，气体压力均布作用在活塞顶上，而活塞销给予的支反力则作用在活塞头部的销座处，由此而产生的变形使裙部直径沿活塞销座轴线方向增大，而侧向力的作用也使活塞裙部直径在同一方向上增大。鉴于这种情况，为了使活塞在正常工作时与气缸壁保持比较均匀的间隙，避免卡死或局部磨损，必须将活塞加工成裙部断面为椭圆形，加大了活塞的制造难度，增加了制造成本。

发明内容

为了克服传统活塞式内燃机的缺点，本发明提供一种能实现直线运动与曲轴旋转运动的转换，消除活塞对气缸产生的侧压力，降低活塞与气缸的摩擦、磨损，改善内燃机的动力性和经济性的内摆线单缸柴油机。

本发明的目的通过以下装置来实现：

一种内摆线单缸柴油机，包括箱体、活塞和连杆，在箱体内，活塞与连杆连接：所述内摆线单缸柴油机还包括内摆线能量转换机构，所述内摆线能量转换机构包括行星齿轮、固定内齿圈、左曲轴、右曲轴和中间偏心曲轴；所述左曲轴和右曲轴分别通过轴承装在箱体左右两侧；左曲轴、右曲轴的偏心距等于行星齿轮的半径；左曲轴和右曲轴通过两滑动轴承分别与中间偏心曲轴连接，形成转动副；所述行星齿轮为2个，分别固定在中间偏心曲轴的两端，位于左曲轴和右曲轴的内侧；两行星齿轮分别与固定在箱体上的两个内齿圈啮合形成两个齿轮副；中间偏心曲轴与连杆连接；行星齿轮的半径等于固定内齿圈半径的一半。

为进一步实现发明目的，所述行星齿轮的齿数为固定内齿圈的齿数的一半。

所述行星齿轮通过热装工艺分别固定在中间偏心曲轴的两端。

所述中间偏心曲轴的偏心线位于行星齿轮的节圆上。

所述中间偏心曲轴通过轴承与连杆的大头连接。

所述内摆线单缸柴油机还包括飞轮和平衡轴；所述飞轮固定在右曲轴上，平衡轴有2个，位于箱体内的下端，分别固定在箱体的前后两侧上。

与传统曲柄连杆活塞式内燃机相比，本发明具有以下优点：

(1)内摆线单缸柴油机活塞和连杆固连在一起，理论上沿气缸做纯粹直线运动，对气缸无侧压、侧磨，消除了传统曲柄连杆机构中，连杆对活塞不可避免地产生一侧向力，并导致活塞在气缸内做横向平动和摆动，消除了活塞对气缸造成的拍击，降低了振动和噪音。

(2)由于活塞连杆组做直线运动，降低了活塞对气缸的摩擦、磨损，提高了活塞和气缸的工作寿命，降低了能量损失，具有同等功率下，燃油消耗少、耐用性高的优点。

(3)新型单缸柴油机活塞和连杆做简谐直线运动，没有二阶往复惯性力，降低了系统的振动，机器运转更加平稳。

(4)可方便在传统活塞式内燃机基础上进行内摆线单缸柴油机的改造。

附图说明

图1传统活塞式内燃机原理图。

图2a为内摆线单缸柴油机原理图。

图2b为图2a的右视图。

图3为内摆线单缸柴油机结构示意图。

图4为内摆线能量转换机构结构示意图。

图5为行星齿轮与中间曲轴安装示意图。

图6为行星齿轮、右曲轴、中间曲轴、固定内齿圈安装示意图。

图7a为齿圈与箱体安装示意图。

图7b为图7a的G-G向剖视图。

具体实施方式

为进一步理解本发明，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。

如图2a、图2b、图3、图4和图7b所示，内摆线单缸柴油机包括箱体5、飞轮15、活塞6、连杆7、平衡轴14和内摆线能量转换机构，飞轮15固定在右曲轴11上，平衡轴14有2个，位于箱体5内的下端，分别固定在箱体的前后两侧19上，通过偏心双轴机构平衡活塞往复惯性力。内摆线能量转换机构包括左曲轴8、右曲轴11、中间偏心曲轴13和行星齿轮9；左曲轴8和右曲轴11分别通过轴承装在箱体5左右两侧，左曲轴8左端连接齿轮室总成，齿轮室总成与油泵、配气机构等连接；左曲轴8、右曲轴11的偏心距等于行星齿轮9的半径；左曲轴8、右曲轴11与中间偏心曲轴13配合形成两个转动副；具体是左曲轴8和右曲轴11通过两滑动轴承17分别与中间偏心曲轴13连接，形成转动副。

如图5、6所示，行星齿轮9为2个，通过热装工艺分别固定在中间偏心曲轴13的两端，位于左曲轴8和右曲轴11的内侧；两行星齿轮9与固定在箱体上的内齿圈10配合形成两个齿轮副，行星齿轮9和固定在箱体上的内齿圈10齿数比为1∶2。如图6、7a、7b所示，内齿圈10为2个分别与两行星齿轮9啮合，齿圈10固接一安装体，通过该安装体和螺钉或销固定在箱体5上。中间偏心曲轴13通过轴承16与连杆7的大头连接；活塞6和连杆7的小头固定在一起。如图2a和图6所示，行星齿轮9的半径等于固定内齿圈10半径的一半。如图2b所示，内齿圈10的中心线与左曲轴8、右曲轴11的中心线重合。如图5所示，轴承16套接连杆7的大头，轴承16的中心线与中间偏心曲轴13偏心线18重合，中间偏心曲轴13偏心为行星齿轮9的节圆上的一点。如图2a所示，根据内摆线原理，当一对渐开线齿轮组成内啮合副时，内齿轮分度圆上一点的运动轨迹为内摆线。当内齿圈10的半径为行星齿轮9的半径的两倍时，行星齿轮9分度圆上任意一点的轨迹是通过齿圈中心的直线，即内摆线为直线，其运动为简谐直线运动，该内摆线能量转换机构可以实现活塞的直线运动和曲轴旋转运动的互换。

当动力带动左曲轴8旋转，驱动固定在中间偏心曲轴13两端的行星齿轮9绕固定的内齿圈10做行星转动，同时行星齿轮9的转动带动右曲轴11做旋转运动，根据内摆线原理，中间偏心曲轴13偏心线18上的任意一点做通过固定内齿圈10中心的直线往复运动，从而带动与中间偏心曲轴13在偏心距上形成转动副的连杆7做往复直线运动；活塞6与连杆7固定在一起，则活塞沿着气缸轴线做纯粹往复直线运动。反之，当气缸内气体压力推动活塞6和连杆7做直线运动，则带动中间偏心曲轴13随行星齿轮9沿着内齿圈10做行星转动，通过轴承17驱动左曲轴8和右曲轴11的旋转运动，输出功率。

实施例

对目前流行的传统活塞式柴油机进行改造：内摆线能量转换机构替换传统曲柄连杆机构。

如图3、4所示；根据偏心双轴机构平衡活塞往复惯性力对平衡轴14尺寸进行调整，满足平衡活塞往复惯性力的要求，箱体5、活塞6的外形和安装尺寸均可不变。将左曲轴8、右曲轴11分别装进箱体5内原有曲轴的左右轴承上，确保牢固平稳运转。将图6所示的齿圈10通过螺栓和定位销装置固定在箱体5下部。左曲轴8和右曲轴11通过两滑动轴承17分别与中间偏心曲轴13连接，形成转动副。中间偏心曲轴13两端分别固定两个行星齿轮9，两个行星齿轮9分别与固定在箱体5上的内齿圈10形成齿轮副；中间偏心曲轴13的回转中心同行星齿轮9的回转中心重合，偏心距等于左曲轴8主轴颈中心线到连杆7轴颈中心线之间距离的一半；中间偏心曲轴13与连杆7通过滑动轴承16连接，形成转动副。这样，便将传统曲柄连杆活塞式内燃机改造成内摆线单缸节能柴油机。

经上述改造后，内摆线单缸柴油机连杆活塞固结为一体，沿着气缸做简谐直线运动，活塞对气缸无侧压，消除了活塞对气缸的拍击；由于活塞做简谐运动，只有一阶往复惯性力，往复惯性力得到完全平衡，降低了内燃机的振动；内摆线单缸柴油机活塞做简谐直线运动，通过理论分析计算，在同样的循环供油量下，平均指示压力提高了10％；活塞对气缸无侧压，降低了内燃机的摩擦损失，提高了内燃机输出功率。

Claims (6)

1、一种内摆线单缸柴油机，包括箱体(5)、活塞(6)和连杆(7)，在箱体(5)内，活塞(6)与连杆(7)连接，其特征在于：所述内摆线单缸柴油机还包括内摆线能量转换机构，所述内摆线能量转换机构包括行星齿轮(9)、固定内齿圈(10)、左曲轴(8)、右曲轴(11)和中间偏心曲轴(13)；所述左曲轴(8)和右曲轴(11)分别通过轴承装在箱体(5)左右两侧；左曲轴(8)、右曲轴(11)的偏心距等于行星齿轮(9)的半径；左曲轴(8)和右曲轴(11)通过两滑动轴承(17)分别与中间偏心曲轴(13)连接，形成转动副；所述行星齿轮(9)为2个，分别固定在中间偏心曲轴(13)的两端，位于左曲轴(8)和右曲轴(11)的内侧；两行星齿轮(9)分别与固定在箱体上的两个内齿圈(10)啮合形成两个齿轮副；中间偏心曲轴(13)与连杆(7)连接；行星齿轮(9)的半径等于固定内齿圈(10)半径的一半。

2、根据权利要求1所述的内摆线单缸柴油机，其特征在于：行星齿轮(9)的齿数为固定内齿圈(10)的齿数的一半。

3、根据权利要求1所述的内摆线单缸柴油机，其特征在于：所述行星齿轮(9)通过热装工艺分别固定在中间偏心曲轴(13)的两端。

4、根据权利要求1所述的内摆线单缸柴油机，其特征在于所述中间偏心曲轴(13)的偏心线(18)位于行星齿轮(9)的节圆上。

5、根据权利要求1所述的内摆线单缸柴油机，其特征在于：所述中间偏心曲轴(13)通过轴承(16)与连杆(7)的大头连接。

6、根据权利要求1～5任一项所述的内摆线单缸柴油机，其特征在于：所述内摆线单缸柴油机还包括飞轮(15)和平衡轴(14)；所述飞轮(15)固定在右曲轴(11)上，平衡轴(14)有2个，位于箱体(5)内的下端，分别固定在箱体的前后两侧(19)上。

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