CN104533614A - 双曲柄机构二冲程发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双曲柄机构二冲程发动机，属于发动机技术领域。本发明包括上、下对置的两个曲轴，和齿轮传动机构。两个曲轴相对应的曲拐之间铰接有连杆，共有三个连杆，构成双曲柄机构；气缸有两个，对称设置在曲轴的两侧，气缸内有内活塞和外活塞相对设置，在内活塞和外活塞之间形成燃烧室，两边的内活塞固定在同一个内活塞臂上，连杆从内活塞臂内穿过；两边的外活塞臂安装在同一个框架结构上，该框架结构具有两个连接板，曲轴两边的连杆从连接板内穿过；连接板上有滑块，发动机内固定有导向块，滑块插入导轨内。本发明有效降低活塞与缸套的磨损和冲击，提高陶瓷材料应用在发动机上的可靠性，提高实际热效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效率发动机，属于发动机技术领域。
背景技术
在发动机领域已知，奥托热力循环包括两个等容吸热、放热过程，两个绝热压缩、膨胀过程，以压缩比10为例，理论热效率约60%。汽油机是近似遵循奥托循环的内燃发动机，实际热效率约30%；狄塞尔热力循环包括一个等压吸热过程，一个等容放热过程，两个绝热压缩、膨胀过程，以压缩比20为例，理论热效率约58%。柴油机是近似遵循狄塞尔循环的内燃发动机，实际热效率约35%。
由此可见，无论是汽油机还是柴油机，实际热效率比理论热效率都低很多，造成这种现象的主要原因之一是与高温燃气直接接触的缸套、活塞等零部件是由绝热效果较差的金属材料制造，金属材料持续可靠的工作需要依靠冷却系统不断的冷却其从密闭燃烧室吸取的热能。陶瓷材料是一种绝热效果较好的材料，缸套、活塞等零部件与高温燃气直接接触的部分如果使用陶瓷材料制造便可提高实际热效率，但是因为陶瓷材料的脆性而导致的低可靠性成为其应用在发动机上的技术障碍。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种双曲柄机构二冲程发动机，有效降低活塞与缸套的磨损和冲击，提高陶瓷材料应用在发动机上的可靠性，提高实际热效率。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种双曲柄机构二冲程发动机，它包括气缸和能在气缸内做直线往复运动的活塞，它包括上、下对置的两个曲轴，两个曲轴轴线平行、规格相同，每个曲轴上有三个曲拐，中间的曲拐和两边的曲拐位置相差一相位角，两个曲轴相对应的曲拐之间铰接有连杆，共有三个连杆，构成双曲柄机构；
所述的气缸有两个，对称设置在曲轴的两侧，每个气缸的两端开口，所述的活塞分为内活塞和外活塞，内活塞装在每个气缸靠近曲轴的一端，外活塞装在每个气缸远离曲轴的一端，每个气缸内的内活塞和外活塞相对设置，在内活塞和外活塞之间形成燃烧室，气缸的进气门和排气门成对布置在气缸壁上，两边的内活塞固定在同一个内活塞臂上，内活塞臂上有连杆插槽Ⅰ，曲轴中间的连杆垂直从连杆插槽Ⅰ内穿过；所述的外活塞的外端连有外活塞臂，两边的外活塞臂安装在同一个处于气缸外围的框架结构上，该框架结构具有两个分置于气缸两侧的连接板，连接板上有连杆插槽Ⅱ，曲轴两边的连杆垂直从连杆插槽Ⅱ内穿过；
发动机内还固定有导向机构，导向机构包括外导向块和内导向块，所述的连接板的侧部固定有外滑块，所述的内活塞臂的侧部固定有活塞滑块，外导向块制作成供外滑块滑动的导轨，内导向块制作成供活塞滑块滑动的导轨，所述的外滑块和活塞滑块装入各自的导轨内，导轨的方向与活塞的运动方向平行。
发动机的内、外活塞、缸套与高温燃气直接接触的部分采用陶瓷材料。
所述的内活塞和外活塞是无裙部活塞，即活塞导向端与活塞密封端分离，所述的活塞密封端是指与气缸紧密接触的内活塞和外活塞，所述的活塞导向端是指所述的活塞滑块、外滑块替代有裙活塞的导向裙部。
所述的外活塞臂通过方轴与连接板连接，方轴与曲轴平行，与连接板共同构成框架结构。
所述的两个外活塞之间的距离保证其中一个到达内止点时，另一个处于外止点。
所述的内活塞和外活塞相贴近的内止点在气缸的中间位置。
每个所述的曲轴的曲轴主轴的端部安装有传动齿轮，两传动齿轮之间啮合安装有输出齿轮，输出齿轮上安装有输出轴。
所述的外滑块固定在两个连接板的外侧，所述的活塞滑块固定在内活塞臂的两侧，外导向块和内导向块均是由两个平行的导向条构成的滑槽式导轨，两导向条之间的间隙形成滑槽，所述的外滑块和活塞滑块插入各自的导轨滑槽内。
所述的进气门和排气门设置在靠近内、外活塞外止点的位置。
本发明的有益效果是：本发明将受力作用点由高温、高压和高速的活塞与缸套往复作用区域转移到其它低温易润滑区域，实现活塞与气缸之间除活塞环背压以外无其它作用力存在，实现使用陶瓷材料制造的缸套、活塞等零部件只承受高温燃气的压力载荷，实现在不增加陶瓷材料韧性和制造成本的前提下提高其可靠性及使用寿命，因此具有如下优点：
1. 活塞与缸套之间除活塞环背压以外无其他作用力存在，与高温燃气直接接触的缸套、活塞等零部件可以使用陶瓷材料制造，取消了冷却系统，大幅度提高了热效率。
2.降低了活塞与缸套之间摩擦损失，且整个机构中所有的摩擦表面都处于低温易润滑环境中，提高了机械效率。
3.陶瓷材料的应用提升了气缸内燃烧温度，爆发出更大的缸压，提升了功率和扭矩。
4.活塞与缸套之间摩擦力仅由活塞环背压决定，可大幅度提高发动机极限转速。
5.传统水平对置发动机，横向尺寸是制约汽车总布置的一个关键尺寸，曲柄滑块机构为了减小活塞与缸套侧向力，连杆孔心距一般是曲轴回转半径的3.2～4倍，双曲柄机构不受该因素限制，可降低发动机横向尺寸。
6.传统发动机的连杆做往复摆动，存在惯性力；本发明的连杆做匀速转动，不存在惯性力。
7.相对于传统二冲程发动机，本发明进气孔和排气孔分别位于气缸两侧，直流扫气方式可最大限度的降低气缸内残余废气量。
8.一个气缸具有两个对置活塞，两个对置活塞同时做功，活塞惯性力相互抵消，曲轴径向力相互抵消，只存在旋转切向力，整机平衡性好，振动小。
9.一个气缸具有两个对置活塞，活塞线速度相对于传统发动机活塞线速度减小一倍，可有效降低活塞与缸套的摩擦损失。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明立体结构示意图；
图2是本发明主视图；
图3是图2的俯视图；
图4是图2的A-A剖视图；
图5是图2的左视图；
图6是图5的B-B剖视图；
图7是图2的E-E剖视图；
图8是图5的C-C剖视图；
图9是图3的D-D剖视图。
图中，1、曲轴，1-1、曲拐，1-2、曲轴主轴，2、气缸，2-1、进气门，2-2、排气门，3、外活塞臂，4、方轴，5、外活塞，6、燃烧室，7、内活塞，8、内活塞臂，8-1、连杆插槽Ⅰ，8-2、活塞滑块，9、连杆，10、连接板，10-1、连杆插槽Ⅱ，10-2、外滑块，11、传动齿轮，12、输出齿轮，13、输出轴，14、外导向块，15、内导向块。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
如附图所示，一种双曲柄机构二冲程发动机，它包括气缸2和能在气缸内做直线往复运动的活塞，
它包括上、下对置的两个曲轴1，两个曲轴1轴线平行、规格相同，每个曲轴1上有三个曲拐1-1，中间的曲拐和两边的曲拐位置相差一使内活塞7和外活塞5向相反方向运动的相位角，理论上是180度，实际中由于存在点火提前角、进、排气提前角等，这个角度应根据实际情况修正。两个曲轴1相对应的曲拐1-1之间铰接有连杆9，共有三个连杆9，构成双曲柄机构；
所述的气缸2有两个，两曲轴1的中心轴线组成一个平面，两气缸沿此平面对称设置在曲轴1的两侧，每个气缸2的两端开口，所述的活塞分为内活塞7和外活塞5，内活塞7装在每个气缸2靠近曲轴1的一端，外活塞5装在每个气缸2朝外的一端，每个气缸2内的内活塞7和外活塞5相对设置，在内活塞7和外活塞5之间形成燃烧室6，气缸2的进气门2-1设在靠近内活塞7的位置，气缸2的排气门2-2设在靠近外活塞5的位置；两边的内活塞7固定在同一个内活塞臂8上，内活塞臂8上有连杆插槽Ⅰ8-1，曲轴1中间的连杆9垂直从连杆插槽Ⅰ8-1内穿过；所述的外活塞5的外端连有外活塞臂3，两边的外活塞臂3安装在同一个处于气缸2外围的框架结构上，该框架结构具有两个分置于气缸2两侧的连接板10，连接板10上有连杆插槽Ⅱ10-1，曲轴1两边的连杆9垂直从连杆插槽Ⅱ10-1内穿过；
发动机内还固定有导向机构，导向机构包括外导向块14和内导向块15，所述的连接板10的侧部固定有平行于活塞运动方向的外滑块10-2，所述的内活塞臂8的侧部固定有活塞滑块8-2，外导向块14制作成供外滑块10-2滑动的导轨，内导向块15制作成供活塞滑块8-2滑动的导轨，所述的外滑块10-2和活塞滑块8-2装入各自的导轨内，导轨的方向与活塞的运动方向平行。
发动机的内、外活塞、缸套与高温燃气直接接触的部分采用陶瓷材料。
所述的内活塞7和外活塞5是无裙部活塞，即活塞导向端与活塞密封端分离，所述的活塞密封端是指与气缸紧密接触的内活塞7和外活塞5，所述的活塞导向端是指所述的活塞滑块、外滑块替代有裙活塞的导向裙部，其效果是：发动机转速4000r/min时，传统曲柄滑块机构最大侧向力3500N，活塞速度16m/s，活塞与缸套之间的磨损、密封、漏气、机械噪声等问题随之而来。而本发明的活塞拥有独特设计：导向与密封分离，导向端承受全部载荷且处于低温易润滑区域，密封端无载荷且处于高温区域，上述问题可得到良好的解决。往复直列4缸1.8L最大输出扭矩：175Nm4000r/min，最大输出功率：90KW5500r/min，制约最大扭矩时刻4000r/min上升的主要因素之一是活塞与缸套的磨损，该时刻以后发动机会主动降低喷油量来减小磨损。本发明双曲柄机构、及内外活塞的导向机构处于低温易润滑环境，该处转动副的压力润滑方式已经相当成熟，磨损量很小，因此最大扭矩对应的转速时刻可以延伸至5500r/min左右。
所述的外活塞臂3通过方轴4与连接板10连接，方轴4与曲轴1平行，与连接板10共同构成框架结构。
所述的两个外活塞5之间的距离保证其中一个到达内止点时，另一个处于外止点。
所述的内活塞7和外活塞5相贴近的内止点在气缸2的中间位置。
每个所述的曲轴1的曲轴主轴1-2的端部安装有传动齿轮11，两传动齿轮11之间啮合安装有输出齿轮12，输出齿轮8上安装有输出轴13。
内、外活塞的导向机构可以采用：所述的外滑块10-2固定在两个连接板10的外侧，所述的活塞滑块8-2固定在内活塞臂8的两侧，外导向块14和内导向块15均是由两个平行的导向条构成的滑槽式导轨，两导向条之间的间隙形成滑槽，所述的外滑块10-2和活塞滑块8-2插入各自的导轨滑槽内。内、外活塞的导向机构也可以采用其它导轨形式。
本发明二冲程发动机的工作过程：
本发明双曲柄机构中，由于中间的曲拐与两边的曲拐位置相差180°左右的相位角，两个对置的曲轴1转动后，在连杆带动下，内、外活塞臂沿气缸轴线做直线运动，两个外活塞5的运动为：其中一个到达内止点与内活塞贴近时，同时另一个处于外止点。曲轴转动一圈（360度）完成一个工作周期，完成气体的压缩与膨胀。吸气口与排气口分别布置在气缸的侧面，当其中一个外活塞处于外止点时刻，其所在气缸的吸气口与排气口开启，瞬间完成换气过程，同排量的二冲程功率可以做到四冲程功率的1.7倍左右。
双曲柄机构中，活塞与连杆的摩擦力引起了活塞的侧向力，活塞沿导向块往复滑动，活塞侧向力完全被导向块承受从而不会引起活塞与缸套的冲击摩擦。无论是活塞与连杆的摩擦还是活塞与导向块的摩擦，都处于低温易润滑环境，较易采用压力润滑，摩擦系数0.003～0.01。
Claims (9)
1.一种双曲柄机构二冲程发动机，它包括气缸（2）和能在气缸内做直线往复运动的活塞，其特征在于：
它包括上、下对置的两个曲轴（1），两个曲轴（1）轴线平行、规格相同，每个曲轴（1）上有三个曲拐（1-1），中间的曲拐和两边的曲拐位置相差一相位角，两个曲轴（1）相对应的曲拐（1-1）之间铰接有连杆（9），共有三个连杆（9），构成双曲柄机构；
所述的气缸（2）有两个，对称设置在曲轴（1）的两侧，每个气缸（2）的两端开口，所述的活塞分为内活塞（7）和外活塞（5），内活塞（7）装在每个气缸（2）靠近曲轴（1）的一端，外活塞（5）装在每个气缸（2）远离曲轴（1）的一端，每个气缸（2）内的内活塞（7）和外活塞（5）相对设置，在内活塞（7）和外活塞（5）之间形成燃烧室（6），气缸（2）的进气门（2-1）和排气门（2-2）成对布置在气缸壁上，两边的内活塞（7）固定在同一个内活塞臂（8）上，内活塞臂（8）上有连杆插槽Ⅰ（8-1），曲轴（1）中间的连杆（9）垂直从连杆插槽Ⅰ（8-1）内穿过；所述的外活塞（5）的外端连有外活塞臂（3），两边的外活塞臂（3）安装在同一个处于气缸（2）外围的框架结构上，该框架结构具有两个分置于气缸（2）两侧的连接板（10），连接板（10）上有连杆插槽Ⅱ（10-1），曲轴（1）两边的连杆（9）垂直从连杆插槽Ⅱ（10-1）内穿过；
发动机内还固定有导向机构，导向机构包括外导向块（14）和内导向块（15），所述的连接板（10）的侧部固定有外滑块（10-2），所述的内活塞臂（8）的侧部固定有活塞滑块（8-2），外导向块（14）制作成供外滑块（10-2）滑动的导轨，内导向块（15）制作成供活塞滑块（8-2）滑动的导轨，所述的外滑块（10-2）和活塞滑块（8-2）装入各自的导轨内，导轨的方向与活塞的运动方向平行。
2.根据权利要求1所述的双曲柄机构二冲程发动机，其特征在于：发动机的内、外活塞、缸套与高温燃气直接接触的部分采用陶瓷材料。
3.根据权利要求1所述的双曲柄机构二冲程发动机，其特征在于：所述的内活塞（7）和外活塞（5）是无裙部活塞，即活塞导向端与活塞密封端分离，所述的活塞密封端是指与气缸紧密接触的内活塞（7）和外活塞（5），所述的活塞导向端是指所述的活塞滑块（8-2）、外滑块（10-2）替代有裙活塞的导向裙部。
4.根据权利要求1所述的双曲柄机构二冲程发动机，其特征在于：所述的外活塞臂（3）通过方轴（4）与连接板（10）连接，方轴（4）与曲轴（1）平行，与连接板（10）共同构成框架结构。
5.根据权利要求1所述的双曲柄机构二冲程发动机，其特征在于：所述的两个外活塞（5）之间的距离保证其中一个到达内止点时，另一个处于外止点。
6.根据权利要求1所述的双曲柄机构二冲程发动机，其特征在于：所述的内活塞（7）和外活塞（5）相贴近的内止点在气缸（2）的中间位置。
7.根据权利要求1所述的双曲柄机构二冲程发动机，其特征在于：每个所述的曲轴（1）的曲轴主轴（1-2）的端部安装有传动齿轮（11），两传动齿轮（11）之间啮合安装有输出齿轮（12），输出齿轮（8）上安装有输出轴（13）。
8.根据权利要求1所述的双曲柄机构二冲程发动机，其特征在于：所述的外滑块（10-2）固定在两个连接板（10）的外侧，所述的活塞滑块（8-2）固定在内活塞臂（8）的两侧，外导向块（14）和内导向块（15）均是由两个平行的导向条构成的滑槽式导轨，两导向条之间的间隙形成滑槽，所述的外滑块（10-2）和活塞滑块（8-2）插入各自的导轨滑槽内。
9.根据权利要求1所述的双曲柄机构二冲程发动机，其特征在于：所述的进气门（2-1）和排气门（2-2）设置在靠近内、外活塞外止点的位置。
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