CN104454153B - 环缸发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环缸发动机，属于发动机技术领域。本发明气缸的内腔和活塞的外侧面均采用圆环形曲面，活塞的后部固定有转臂，转臂的一端是与气缸的内腔无接触的形状，转臂的另一端铰接在活塞中心轴上，活塞中心轴的轴线与气缸内腔和活塞外侧面的圆环形曲面的创成轴线重合，在转臂与活塞中心轴相对的一侧装有曲轴，曲轴的曲柄上装有连杆，连杆的一端与曲柄铰接，连杆的另一端与转臂铰接，曲轴、连杆、转臂和活塞中心轴构成使活塞在气缸内绕活塞中心轴的轴线做摆动的曲柄摇杆机构。本发明有效降低活塞与缸套的磨损和冲击，大大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

环缸发动机

技术领域

本发明涉及一种气缸内腔呈圆环形曲面的发动机，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***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。

中国专利文献“CN200910159657.1-环缸发动机”公开了一种具有曲柄摇杆机构的环缸发动机。其结构在理想状态下活塞绕摇臂轴做旋转往复运动，与缸套之间不存在接触。但是理想状态在实施时是不存在的，因为活塞臂并不是无穷刚度，在几吨气体压力的作用下活塞臂会发生变形，从而导致活塞偏离运动轨迹而与缸套发生冲击摩擦，事实证明，仅仅依靠活塞臂的弯曲刚度会导致活塞偏离运动轨迹2mm以上，而发动机设计中活塞与缸套间隙一般控制在0.1mm以内，因此“CN200910159657.1-环缸发动机”在实际中并不能真正有效地降低活塞与缸套的磨损，也不能有效的运用陶瓷材料。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种环缸发动机，有效降低活塞与缸套的磨损和冲击，大大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：一种环缸发动机，它包括气缸和活塞，所述的气缸的内腔和活塞的外侧面均采用圆环形曲面，所述的圆环形曲面是指：平面内一圆绕该平面内一轴线旋转所形成的空间曲面，平面内的该圆叫做圆环形曲面的创成圆，轴线叫做创成轴线，创成圆圆心至创成轴线的垂直距离叫做创成半径；所述的气缸内腔的圆环形曲面和活塞外侧面的圆环形曲面的创成轴线重合、创成半径相等，所述的气缸的内腔和活塞的外侧面之间留有既能保证活塞运动又能保证燃烧室密封的间隙，所述的活塞的后部固定有转臂，转臂的一端是与气缸的内腔无接触的形状，转臂的另一端铰接在活塞中心轴上，活塞中心轴的轴线与气缸内腔和活塞外侧面的圆环形曲面的创成轴线重合，在转臂与活塞中心轴相对的一侧装有曲轴，曲轴包括曲轴主轴和曲柄，曲轴主轴与所述的活塞中心轴平行，所述的曲柄上装有连杆，连杆的一端与曲柄铰接，连杆的另一端与转臂铰接，所述的曲轴、连杆、转臂和活塞中心轴构成使活塞在气缸内绕活塞中心轴的轴线做摆动的曲柄摇杆活塞导向机构；所述的气缸上与活塞相对的一端装有缸盖，缸盖与活塞之间形成密封燃烧室，缸盖上具有进气孔和排气孔。

所述的活塞、气缸与高温燃气直接接触的部分采用陶瓷材料。

所述的连杆与转臂的铰点所在区域应满足以下要求：在活塞从上止点运动到下止点过程中，以铰点到气体合压力F的延长线L的距离为偏心距e，以连杆长度方向与气体合压力延长线夹角为α，要求：

一、偏心距e尽可能接近0；

二、上止点后曲轴转角5～15度范围内，夹角α尽可能接近0；

三、曲轴从上止点位置到曲轴转角5～15度位置，连杆的转动方向应满足使α逐渐变小。

所述的连杆的一端通过曲柄销与曲柄铰接，连杆的另一端通过连杆销与转臂铰接。

所述的活塞是无裙部活塞，即活塞导向端与活塞密封端分离，所述的活塞密封端即所述的圆环形曲面形状的活塞，所述的活塞导向端是用所述的活塞中心轴替代有裙活塞的导向裙部。

所述的气缸有多个，多个气缸呈直列式排列，相应地，所述的活塞和连杆有与气缸等量的多个，多个活塞并列设置在同一个活塞中心轴上，多个连杆并列安装在同一个曲轴上，曲轴是多曲柄曲轴。

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. 与现有技术相比，本发明连杆与活塞直接连接，连杆的压缩刚度相对于活塞臂的弯曲刚度大非常多，连杆与活塞臂共同承担气体压力可有效保证活塞偏离运动轨迹小于0.1mm，因此本发明在实际中能真正有效降低活塞与缸套的摩擦和冲击，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，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.发动机高度尺寸是制约汽车总布置的一个关键尺寸，传统的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，曲柄摇杆机构不受该因素限制，可降低发动机高度尺寸。

6.本发明结构简单可靠，发动机的结构越简单，越具有推广应用价值。

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是本发明结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图（活塞处在下止点位置）；

图3是图1的B-B剖视图（活塞处在上止点位置）；

图4是本发明活塞结构示意图；

图5是图4的右视图；

图6是本发明直列式四缸实施例的侧视图；

图7是图6的立体结构示意图；

图8是图7的俯视图；

图9是图7的C-C剖视图。

图中，1、活塞中心轴，2、转臂，3、连杆销，4、连杆，5、曲轴，5-1、曲轴主轴，5-2、曲柄，5-3、曲柄销，6、活塞，7、气缸，8、密封燃烧室，9、缸盖，10、进气孔，11、火花塞或喷油器安装孔，12、排气孔。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种环缸发动机，它包括气缸7和活塞6，所述的气缸7的内腔和活塞6的外侧面均采用圆环形曲面，所述的圆环形曲面是指：平面内一圆绕该平面内一轴线旋转所形成的空间曲面，平面内的该圆叫做圆环形曲面的创成圆，轴线叫做创成轴线，创成圆圆心至创成轴线的垂直距离叫做创成半径；；所述的气缸7内腔的圆环形曲面和活塞6外侧面的圆环形曲面的创成轴线重合、创成半径相等。所述的气缸7的内腔和活塞6的外侧面之间留有能同时满足活塞运动和燃烧室密封的间隙，一般来说在0.1mm以内，所述的活塞6的后部固定有转臂2，转臂2的一端是与气缸7的内腔无接触的形状，转臂2的另一端铰接在活塞中心轴1上，活塞中心轴1的轴线与气缸7内腔和活塞6外侧面的圆环形曲面的创成轴线重合，在转臂2与活塞中心轴1相对的一侧装有曲轴5，曲轴5包括曲轴主轴5-1和曲柄5-2，曲轴主轴5-1与所述的活塞中心轴1平行，所述的曲柄5-2上装有连杆4，连杆4的一端与曲柄5-2铰接，连杆4的另一端与转臂2铰接，所述的曲轴5、连杆4、转臂2和活塞中心轴1构成使活塞6在气缸7内绕活塞中心轴1的轴线做摆动的曲柄摇杆活塞导向机构。

所述的活塞、气缸与高温燃气直接接触的部分采用陶瓷材料。绝热效果好，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。

所述的连杆4与转臂2的铰点所在区域应满足以下要求：在活塞从上止点运动到下止点过程中，以铰点到气体合压力F的延长线L的距离为偏心距e，以连杆长度方向与气体合压力延长线夹角为α，要求：

一、偏心距e尽可能接近0；

二、上止点后曲轴转角5～15度范围内，夹角α尽可能接近0；

三、曲轴从上止点位置到曲轴转角5～15度位置，连杆4的转动方向应满足使α逐渐变小。

事实证明，缸内气体最大爆发压力出现时刻随转速变化而变化，一般为上止点后曲轴转角5～15度，满足上述要求，在缸内气体压力最大的转角范围内，气体合压力基本全部被连杆压缩刚度所承受，活塞臂的弯曲刚度只承受一点点侧向力，可有效保证活塞偏离运动轨迹小于0.1mm。当曲轴转角在5～15度范围以外时，缸内气体压力已经很小不足以引起活塞偏离运动轨迹。

所述的连杆4的一端通过曲柄销5-3与曲柄5-2铰接，连杆4的另一端通过连杆销3与转臂2铰接。

所述的活塞是无裙部活塞，即活塞导向端与活塞密封端分离，所述的活塞密封端即所述的圆环形曲面形状的活塞，所述的活塞导向端是用活塞中心轴替代有裙活塞的导向裙部。活塞导向端与活塞密封端分离，减少了活塞与缸体的接触面积，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。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：175Nm@4000r/min，最大输出功率：90KW@5500r/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。曲柄摇杆机构的活塞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。

如图6-图9所示，所述的气缸7可以有2-8个，优选4个，长度合适、对应四个冲程可保证输出连续，4个气缸7呈直列式排列，相应地，所述的活塞6和连杆4也均有4个，4个活塞6并列设置在同一个活塞中心轴1上，4个连杆4并列安装在同一个曲轴5上，曲轴5是4曲柄曲轴。该方案与现在广泛应用的直列4缸往复发动机通用性好，配气机构、曲轴和连杆都可以直接借用，可实施性强，改造成本低。使用时，本发明的气缸上装上缸盖9，以便在气缸内形成密封燃烧室8，缸盖9上有进气孔10、火花塞或喷油器安装孔11和排气孔12。附图为原理示意图，缸盖部分不代表真实结构；火花塞安装孔是针对汽油机，喷油器安装孔是针对柴油机。

相对于最接近的现有技术，即中国专利文献“CN200910159657.1-环缸发动机”，其中的活塞臂并不是无穷刚度，在几吨气体压力的作用下活塞臂会发生变形从而导致活塞偏离运动轨迹与缸套发生冲击摩擦，仅仅依靠活塞臂的弯曲刚度会导致活塞偏离运动轨迹2mm以上，发动机设计中活塞与缸套间隙一般控制在0.1mm以内，因此“CN200910159657.1-环缸发动机”在实际中并不能有效降低活塞与缸套的磨损，也不能有效的运用陶瓷材料。本发明与其比较，结构更简单可靠，连杆与活塞直接通过连杆销连接，连杆的压缩刚度相对于活塞臂的弯曲刚度大非常多，连杆与活塞臂共同承担气体压力可有效保证活塞偏离运动轨迹小于0.1mm，因此本发明在实际中能有效降低活塞与缸套的磨损，能有效的运用陶瓷材料。

中国专利文献“CN200910159657.1-环缸发动机”的第一个实施例图4是一个转子发动机，活塞与气缸通过行星齿轮实现差速转动；本发明活塞旋转往复运动，两者有明显不同。

中国专利文献“CN200910159657.1-环缸发动机”的第二个实施例图7是一个活塞旋转往复发动机，其4个气缸对置排列，4个气缸共用一个曲拐和一个连杆，刚度差，对置的气缸需要对置的配气机构，成本较高；本发明4个气缸直线排列，4个气缸分别对应4个曲拐和4个连杆，刚度好，直线排列的气缸只需一排配气机构，成本较低。

Claims (5)

1.一种环缸发动机，它包括气缸（7）和活塞（6），所述的气缸（7）的内腔和活塞（6）的外侧面均采用圆环形曲面，所述的圆环形曲面是指：平面内一圆绕该平面内一轴线旋转所形成的空间曲面，平面内的该圆叫做圆环形曲面的创成圆，轴线叫做创成轴线，创成圆圆心至创成轴线的垂直距离叫做创成半径；所述的气缸（7）内腔的圆环形曲面和活塞（6）外侧面的圆环形曲面的创成轴线重合、创成半径相等，其特征在于：所述的气缸（7）的内腔和活塞（6）的外侧面之间留有既能保证活塞运动又能保证燃烧室密封的间隙，所述的活塞（6）的后部固定有转臂（2），转臂（2）的一端是与气缸（7）的内腔无接触的形状，转臂（2）的另一端铰接在活塞中心轴（1）上，活塞中心轴（1）的轴线与气缸（7）内腔和活塞（6）外侧面的圆环形曲面的创成轴线重合，在转臂（2）与活塞中心轴（1）相对的一侧装有曲轴（5），曲轴（5）包括曲轴主轴（5-1）和曲柄（5-2），曲轴主轴（5-1）与所述的活塞中心轴（1）平行，所述的曲柄（5-2）上装有连杆（4），连杆（4）的一端与曲柄（5-2）铰接，连杆（4）的另一端与转臂（2）铰接，所述的曲轴（5）、连杆（4）、转臂（2）和活塞中心轴（1）构成使活塞（6）在气缸（7）内绕活塞中心轴（1）的轴线做摆动的曲柄摇杆活塞导向机构；所述的气缸（7）上与活塞（6）相对的一端装有缸盖（9），缸盖（9）与活塞（6）之间形成密封燃烧室（8），缸盖（9）上具有进气孔（10）和排气孔（12）；

所述的连杆（4）与转臂（2）的铰点所在区域应满足以下要求：在活塞从上止点运动到下止点过程中，以铰点到气体合压力F的延长线L的距离为偏心距e，以连杆长度方向与气体合压力延长线夹角为α，要求：

一、偏心距e尽可能接近0；

二、上止点后曲轴转角5～15度范围内，夹角α尽可能接近0；

三、曲轴从上止点位置到曲轴转角5～15度位置，连杆（4）的转动方向应满足使α逐渐变小。

2.根据权利要求1所述的环缸发动机，其特征在于：所述的活塞（6）、气缸（7）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所述的环缸发动机，其特征在于：所述的连杆（4）的一端通过曲柄销（5-3）与曲柄（5-2）铰接，连杆（4）的另一端通过连杆销（3）与转臂（2）铰接。

4.根据权利要求1所述的环缸发动机，其特征在于：所述的活塞（6）是无裙部活塞，即活塞导向端与活塞密封端分离，所述的活塞密封端即所述的圆环形曲面形状的活塞（6），所述的活塞导向端是用所述的活塞中心轴（1）替代有裙活塞的导向裙部。

5.根据权利要求1所述的环缸发动机，其特征在于：所述的气缸（7）有多个，多个气缸（7）呈直列式排列，相应地，所述的活塞（6）和连杆（4）有与气缸（7）等量的多个，多个活塞（6）并列设置在同一个活塞中心轴（1）上，多个连杆（4）并列安装在同一个曲轴（5）上，曲轴（5）是多曲柄曲轴。