環缸發動的製造方法
2023-06-03 22:40:21 2
環缸發動的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種環缸發動機，屬於發動機【技術領域】。本發明氣缸的內腔和活塞的外側面均採用圓環形曲面，活塞的後部固定有轉臂，轉臂的一端是與氣缸的內腔無接觸的形狀，轉臂的另一端鉸接在活塞中心軸上，活塞中心軸的軸線與氣缸內腔和活塞外側面的圓環形曲面的創成軸線重合，在轉臂與活塞中心軸相對的一側裝有曲軸，曲軸的曲柄上裝有連杆，連杆的一端與曲柄鉸接，連杆的另一端與轉臂鉸接，曲軸、連杆、轉臂和活塞中心軸構成使活塞在氣缸內繞活塞中心軸的軸線做擺動的曲柄搖杆機構。本發明有效降低活塞與缸套的磨損和衝擊，大大提高陶瓷材料應用在發動機上的可靠性，提高實際熱效率。
【專利說明】
環缸發動機
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種氣缸內腔呈圓環形曲面的發動機，屬於發動機【技術領域】。
【背景技術】
[0002]在發動機領域已知，奧託熱力循環包括兩個等容吸熱、放熱過程，兩個絕熱壓縮、膨脹過程，以壓縮比10為例，理論熱效率約60%。汽油機是近似遵循奧託循環的內燃發動機，實際熱效率約30% ;狄塞爾熱力循環包括一個等壓吸熱過程，一個等容放熱過程，兩個絕熱壓縮、膨脹過程，以壓縮比20為例，理論熱效率約58%。柴油機是近似遵循狄塞爾循環的內燃發動機，實際熱效率約35%。
[0003]由此可見，無論是汽油機還是柴油機，實際熱效率比理論熱效率都低很多，造成這種現象的主要原因之一是與高溫燃氣直接接觸的缸套、活塞等零部件是由絕熱效果較差的金屬材料製造，金屬材料持續可靠的工作需要依靠冷卻系統不斷的冷卻其從密閉燃燒室吸取的熱能。陶瓷材料是一種絕熱效果較好的材料，缸套、活塞等零部件與高溫燃氣直接接觸的部分如果使用陶瓷材料製造便可提高實際熱效率，但是因為陶瓷材料的脆性而導致的低可靠性成為其應用在發動機上的技術障礙。
[0004]中國專利文獻「CN200910159657.1_環缸發動機」公開了一種具有曲柄搖杆機構的環缸發動機。其結構在理想狀態下活塞繞搖臂軸做旋轉往復運動，與缸套之間不存在接觸。但是理想狀態在實施時是不存在的，因為活塞臂並不是無窮剛度，在幾噸氣體壓力的作用下活塞臂會發生變形，從而導致活塞偏離運動軌跡而與缸套發生衝擊摩擦，事實證明，僅僅依靠活塞臂的彎曲剛度會導致活塞偏離運動軌跡2_以上，而發動機設計中活塞與缸套間隙一般控制在0.1mm以內，因此「CN200910159657.1_環缸發動機」在實際中並不能真正有效地降低活塞與缸套的磨損，也不能有效的運用陶瓷材料。
【發明內容】
[0005]為了克服上述現有技術的不足之處，本發明提供一種環缸發動機，有效降低活塞與缸套的磨損和衝擊，大大提高陶瓷材料應用在發動機上的可靠性，提高實際熱效率。
[0006]本發明是通過如下技術方案實現的:一種環缸發動機，它包括氣缸和活塞，所述的氣缸的內腔和活塞的外側面均採用圓環形曲面，所述的圓環形曲面是指:平面內一圓繞該平面內一軸線旋轉所形成的空間曲面，平面內的該圓叫做圓環形曲面的創成圓，軸線叫做創成軸線，創成圓圓心至創成軸線的垂直距離叫做創成半徑；所述的氣缸內腔的圓環形曲面和活塞外側面的圓環形曲面的創成軸線重合、創成半徑相等，所述的氣缸的內腔和活塞的外側面之間留有既能保證活塞運動又能保證燃燒室密封的間隙，所述的活塞的後部固定有轉臂，轉臂的一端是與氣缸的內腔無接觸的形狀，轉臂的另一端鉸接在活塞中心軸上，活塞中心軸的軸線與氣缸內腔和活塞外側面的圓環形曲面的創成軸線重合，在轉臂與活塞中心軸相對的一側裝有曲軸，曲軸包括曲軸主軸和曲柄，曲軸主軸與所述的活塞中心軸平行，所述的曲柄上裝有連杆，連杆的一端與曲柄鉸接，連杆的另一端與轉臂鉸接，所述的曲軸、連杆、轉臂和活塞中心軸構成使活塞在氣缸內繞活塞中心軸的軸線做擺動的曲柄搖杆活塞導向機構；所述的氣缸上與活塞相對的一端裝有缸蓋，缸蓋與活塞之間形成密封燃燒室，缸蓋上具有進氣孔和排氣孔。
[0007]所述的活塞、氣缸與高溫燃氣直接接觸的部分採用陶瓷材料。
[0008]所述的連杆與轉臂的鉸點所在區域應滿足以下要求:在活塞從上止點運動到下止點過程中，以鉸點到氣體合壓力F的延長線L的距離為偏心距e，以連杆長度方向與氣體合壓力延長線夾角為α，要求:
一、偏心距e儘可能接近O;
二、上止點後曲軸轉角5?15度範圍內，夾角α儘可能接近O;
三、曲軸從上止點位置到曲軸轉角5?15度位置，連杆的轉動方向應滿足使α逐漸變小。
[0009]所述的連杆的一端通過曲柄銷與曲柄鉸接，連杆的另一端通過連杆銷與轉臂鉸接。
[0010]所述的活塞是無裙部活塞，即活塞導向端與活塞密封端分離，所述的活塞密封端即所述的圓環形曲面形狀的活塞，所述的活塞導向端是用所述的活塞中心軸替代有裙活塞的導向裙部。
[0011]所述的氣缸有多個，多個氣缸呈直列式排列，相應地，所述的活塞和連杆有與氣缸等量的多個，多個活塞並列設置在同一個活塞中心軸上，多個連杆並列安裝在同一個曲軸上，曲軸是多曲柄曲軸。
[0012]本發明的有益效果是:本發明將受力作用點由高溫、高壓和高速的活塞與缸套往復作用區域轉移到其它低溫易潤滑區域，實現活塞與氣缸之間除活塞環背壓以外無其它作用力存在，實現使用陶瓷材料製造的缸套、活塞等零部件只承受高溫燃氣的壓力載荷，實現在不增加陶瓷材料韌性和製造成本的前提下提高其可靠性及使用壽命，因此具有如下優佔.V.1.與現有技術相比，本發明連杆與活塞直接連接，連杆的壓縮剛度相對於活塞臂的彎曲剛度大非常多，連杆與活塞臂共同承擔氣體壓力可有效保證活塞偏離運動軌跡小於0.1mm,因此本發明在實際中能真正有效降低活塞與缸套的摩擦和衝擊，活塞與缸套之間除活塞環背壓以外無其他作用力存在，與高溫燃氣直接接觸的缸套、活塞等零部件可以使用陶瓷材料製造，大幅度提高了熱效率。
[0013]2.降低了活塞與缸套之間摩擦損失，且整個機構中所有的摩擦表面都處於低溫易潤滑環境中，提高了機械效率。
[0014]3.陶瓷材料的應用提升了氣缸內燃燒溫度，爆發出更大的缸壓，提升了功率和扭矩。
[0015]4.活塞與缸套之間摩擦力僅由活塞環背壓決定，可大幅度提高發動機極限轉速。
[0016]5.發動機高度尺寸是制約汽車總布置的一個關鍵尺寸，傳統的曲柄滑塊機構為了減小活塞與缸套側向力，連杆孔心距一般是曲軸迴轉半徑的3.2?4倍，曲柄搖杆機構不受該因素限制，可降低發動機高度尺寸。
[0017]6.本發明結構簡單可靠，發動機的結構越簡單，越具有推廣應用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]下面根據附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0019]圖1是本發明結構示意圖；
圖2是圖1的A-A剖視圖(活塞處在下止點位置)；
圖3是圖1的B-B剖視圖(活塞處在上止點位置)；
圖4是本發明活塞結構示意圖；
圖5是圖4的右視圖；
圖6是本發明直列式四缸實施例的側視圖；
圖7是圖6的立體結構示意圖；
圖8是圖7的俯視圖；
圖9是圖7的C-C剖視圖。
[0020]圖中，1、活塞中心軸，2、轉臂，3、連杆銷，4、連杆，5、曲軸，5-1、曲軸主軸，5-2、曲柄，5-3、曲柄銷，6、活塞，7、氣缸，8、密封燃燒室，9、缸蓋，10、進氣孔，11、火花塞或噴油器安裝孔，12、排氣孔。
【具體實施方式】
[0021]下面結合實施例對本發明進一步說明。
[0022]如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，一種環缸發動機，它包括氣缸7和活塞6，所述的氣缸7的內腔和活塞6的外側面均採用圓環形曲面，所述的圓環形曲面是指:平面內一圓繞該平面內一軸線旋轉所形成的空間曲面，平面內的該圓叫做圓環形曲面的創成圓，軸線叫做創成軸線，創成圓圓心至創成軸線的垂直距離叫做創成半徑；；所述的氣缸7內腔的圓環形曲面和活塞6外側面的圓環形曲面的創成軸線重合、創成半徑相等。所述的氣缸7的內腔和活塞6的外側面之間留有能同時滿足活塞運動和燃燒室密封的間隙，一般來說在
0.1mm以內，所述的活塞6的後部固定有轉臂2，轉臂2的一端是與氣缸7的內腔無接觸的形狀，轉臂2的另一端鉸接在活塞中心軸I上，活塞中心軸I的軸線與氣缸7內腔和活塞6外側面的圓環形曲面的創成軸線重合，在轉臂2與活塞中心軸I相對的一側裝有曲軸5，曲軸5包括曲軸主軸5-1和曲柄5-2，曲軸主軸5-1與所述的活塞中心軸I平行，所述的曲柄5-2上裝有連杆4，連杆4的一端與曲柄5-2鉸接，連杆4的另一端與轉臂2鉸接，所述的曲軸5、連杆4、轉臂2和活塞中心軸I構成使活塞6在氣缸7內繞活塞中心軸I的軸線做擺動的曲柄搖杆活塞導向機構。
[0023]所述的活塞、氣缸與高溫燃氣直接接觸的部分採用陶瓷材料。絕熱效果好，提升了氣缸內燃燒溫度，爆發出更大的缸壓，提升了功率和扭矩。
[0024]所述的連杆4與轉臂2的鉸點所在區域應滿足以下要求:在活塞從上止點運動到下止點過程中，以鉸點到氣體合壓力F的延長線L的距離為偏心距e，以連杆長度方向與氣體合壓力延長線夾角為α，要求:
一、偏心距e儘可能接近O;
二、上止點後曲軸轉角5?15度範圍內，夾角α儘可能接近O;
三、曲軸從上止點位置到曲軸轉角5?15度位置，連杆4的轉動方向應滿足使α逐漸變小。
[0025]事實證明，缸內氣體最大爆發壓力出現時刻隨轉速變化而變化，一般為上止點後曲軸轉角5?15度，滿足上述要求，在缸內氣體壓力最大的轉角範圍內，氣體合壓力基本全部被連杆壓縮剛度所承受，活塞臂的彎曲剛度只承受一點點側向力，可有效保證活塞偏離運動軌跡小於0.1mm。當曲軸轉角在5?15度範圍以外時，缸內氣體壓力已經很小不足以引起活塞偏離運動軌跡。
[0026]所述的連杆4的一端通過曲柄銷5-3與曲柄5-2鉸接，連杆4的另一端通過連杆銷3與轉臂2鉸接。
[0027]所述的活塞是無裙部活塞，即活塞導向端與活塞密封端分離，所述的活塞密封端即所述的圓環形曲面形狀的活塞，所述的活塞導向端是用活塞中心軸替代有裙活塞的導向裙部。活塞導向端與活塞密封端分離，減少了活塞與缸體的接觸面積，將受力作用點由高溫、高壓和高速的活塞與缸套往復作用區域轉移到其它低溫易潤滑區域。其效果是:發動機轉速4000r/min時，傳統曲柄滑塊機構最大側向力3500N，活塞速度16m/s，活塞與缸套之間的磨損、密封、漏氣、機械噪聲等問題隨之而來。而本發明的活塞擁有獨特設計:導向與密封分離，導向端承受全部載荷且處於低溫易潤滑區域，密封端無載荷且處於高溫區域，上述問題可得到良好的解決。往復直列4缸1.8L最大輸出扭矩:175Nm@4000r/min，最大輸出功率:90KW@5500r/min，制約最大扭矩時刻4000r/min上升的主要因素之一是活塞與缸套的磨損，該時刻以後發動機會主動降低噴油量來減小磨損。曲柄搖杆機構的活塞導向機構處於低溫易潤滑環境，該處轉動副的壓力潤滑方式已經相當成熟，磨損量很小，因此最大扭矩對應的轉速時刻可以延伸至5500r/min左右。
[0028]如圖6-圖9所示，所述的氣缸7可以有2-8個，優選4個，長度合適、對應四個衝程可保證輸出連續，4個氣缸7呈直列式排列，相應地，所述的活塞6和連杆4也均有4個，4個活塞6並列設置在同一個活塞中心軸I上，4個連杆4並列安裝在同一個曲軸5上，曲軸5是4曲柄曲軸。該方案與現在廣泛應用的直列4缸往復發動機通用性好，配氣機構、曲軸和連杆都可以直接借用，可實施性強，改造成本低。使用時，本發明的氣缸上裝上缸蓋9，以便在氣缸內形成密封燃燒室8，缸蓋9上有進氣孔10、火花塞或噴油器安裝孔11和排氣孔12。附圖為原理示意圖，缸蓋部分不代表真實結構；火花塞安裝孔是針對汽油機，噴油器安裝孔是針對柴油機。
[0029]相對於最接近的現有技術，即中國專利文獻「CN200910159657.1-環缸發動機」，其中的活塞臂並不是無窮剛度，在幾噸氣體壓力的作用下活塞臂會發生變形從而導致活塞偏離運動軌跡與缸套發生衝擊摩擦，僅僅依靠活塞臂的彎曲剛度會導致活塞偏離運動軌跡2mm以上，發動機設計中活塞與缸套間隙一般控制在0.1mm以內，因此「CN200910159657.1_環缸發動機」在實際中並不能有效降低活塞與缸套的磨損，也不能有效的運用陶瓷材料。本發明與其比較，結構更簡單可靠，連杆與活塞直接通過連杆銷連接，連杆的壓縮剛度相對於活塞臂的彎曲剛度大非常多，連杆與活塞臂共同承擔氣體壓力可有效保證活塞偏離運動軌跡小於0.1mm,因此本發明在實際中能有效降低活塞與缸套的磨損，能有效的運用陶瓷材料。
[0030]中國專利文獻「CN200910159657.1_環缸發動機」的第一個實施例圖4是一個轉子發動機，活塞與氣缸通過行星齒輪實現差速轉動；本發明活塞旋轉往復運動，兩者有明顯不同。
[0031]中國專利文獻「CN200910159657.1_環缸發動機」的第二個實施例圖7是一個活塞旋轉往復發動機，其4個氣缸對置排列，4個氣缸共用一個曲拐和一個連杆，剛度差，對置的氣缸需要對置的配氣機構，成本較高；本發明4個氣缸直線排列，4個氣缸分別對應4個曲拐和4個連杆，剛度好，直線排列的氣缸只需一排配氣機構，成本較低。
【權利要求】
1.一種環缸發動機，它包括氣缸(7)和活塞(6)，所述的氣缸(7)的內腔和活塞(6)的外側面均採用圓環形曲面，所述的圓環形曲面是指:平面內一圓繞該平面內一軸線旋轉所形成的空間曲面，平面內的該圓叫做圓環形曲面的創成圓，軸線叫做創成軸線，創成圓圓心至創成軸線的垂直距離叫做創成半徑；所述的氣缸(7)內腔的圓環形曲面和活塞(6)外側面的圓環形曲面的創成軸線重合、創成半徑相等，其特徵在於:所述的氣缸(7)的內腔和活塞(6)的外側面之間留有既能保證活塞運動又能保證燃燒室密封的間隙，所述的活塞(6)的後部固定有轉臂(2)，轉臂(2)的一端是與氣缸(7)的內腔無接觸的形狀，轉臂(2)的另一端鉸接在活塞中心軸(I)上，活塞中心軸(I)的軸線與氣缸(7 )內腔和活塞(6 )外側面的圓環形曲面的創成軸線重合，在轉臂(2)與活塞中心軸(I)相對的一側裝有曲軸(5)，曲軸(5)包括曲軸主軸(5-1)和曲柄(5-2)，曲軸主軸(5-1)與所述的活塞中心軸(I)平行，所述的曲柄(5-2 )上裝有連杆(4)，連杆(4)的一端與曲柄(5-2 )鉸接，連杆(4)的另一端與轉臂(2)鉸接，所述的曲軸(5)、連杆(4)、轉臂(2)和活塞中心軸(I)構成使活塞(6)在氣缸(7)內繞活塞中心軸(I)的軸線做擺動的曲柄搖杆活塞導向機構；所述的氣缸(7)上與活塞(6)相對的一端裝有缸蓋(9)，缸蓋(9)與活塞(6)之間形成密封燃燒室(8)，缸蓋(9)上具有進氣孔(10)和排氣孔(12)。
2.根據權利要求1所述的環缸發動機，其特徵在於:所述的活塞(6)、氣缸(7)與高溫燃氣直接接觸的部分採用陶瓷材料。
3.根據權利要求1所述的環缸發動機，其特徵在於:所述的連杆(4)與轉臂(2)的鉸點所在區域應滿足以下要求:在活塞從上止點運動到下止點過程中，以鉸點到氣體合壓力F的延長線L的距離為偏心距e，以連杆長度方向與氣體合壓力延長線夾角為α，要求: 一、偏心距e儘可能接近O; 二、上止點後曲軸轉角5?15度範圍內，夾角α儘可能接近O; 三、曲軸從上止點位置到曲軸轉角5?15度位置，連杆(4)的轉動方向應滿足使α逐漸變小。
4.根據權利要求1所述的環缸發動機，其特徵在於:所述的連杆(4)的一端通過曲柄銷(5-3 )與曲柄(5-2 )鉸接，連杆(4)的另一端通過連杆銷(3 )與轉臂(2 )鉸接。
5.根據權利要求1所述的環缸發動機，其特徵在於:所述的活塞(6)是無裙部活塞，即活塞導向端與活塞密封端分離，所述的活塞密封端即所述的圓環形曲面形狀的活塞(6)，所述的活塞導向端是用所述的活塞中心軸(I)替代有裙活塞的導向裙部。
6.根據權利要求1所述的環缸發動機，其特徵在於:所述的氣缸(7)有多個，多個氣缸(7)呈直列式排列，相應地，所述的活塞(6)和連杆(4)有與氣缸(7)等量的多個，多個活塞(6)並列設置在同一個活塞中心軸(I)上，多個連杆(4)並列安裝在同一個曲軸(5)上，曲軸(5)是多曲柄曲軸。
【文檔編號】F02B55/14GK104454153SQ201410655889
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月17日 優先權日:2014年11月17日
【發明者】王蓬波, 周建濤, 劉洋 申請人:王蓬波