CN105927380A - 双曲轴发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双曲轴发动机，属于发动机技术领域。它包括活塞，两个构成双曲柄机构的曲轴，还包括缸体，缸体包括气缸体部和曲轴支撑部；活塞的下端是活塞导向杆，缸体内有活塞杆导槽，活塞的下端开口并装有活塞端盖，活塞端盖与活塞导向杆之间为可拆固定连接；所述的活塞是活塞导向端与活塞密封端分离的无裙活塞，所述的活塞密封端即所述的活塞头，所述的活塞导向端是所述的活塞导向杆和活塞杆导槽。本发明工艺性好，活塞采用等应力设计，增加了强度，连杆与活塞的连接部有耐磨设计，提高了耐磨性能和整机的可靠性。

Description

双曲轴发动机
技术领域
本发明涉及一种双曲轴发动机，属于发动机技术领域。
背景技术
目前，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。
本发明人已经申请的专利(专利申请号：CN 201410653964.6)虽然在一定程度上解决了上述问题，但是，其加工制造工艺较复杂，相对运动的摩擦表面磨损较严重，一些细节问题尚待解决和完善。
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轴发动机，完善了双曲柄机构发动机，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。同时，本发明采用了可变压缩比设计，通过调节活塞可变长度，来改变活塞在上止点时刻该发动机的压缩比。发动机处于中小负荷工况时，采用大压缩比来提高热效率；发动机处于全负荷工况时，采用小压缩比来预防爆震。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种双曲轴发动机，它包括气缸和能在气缸内作直线往复运动的活塞，
所述的气缸的两侧布置有两个平行设置的曲轴，两个曲轴相对应的曲柄销之间铰接有连杆，构成双曲柄机构；
还包括缸体，缸体包括形成所述气缸的气缸体部和用于容纳和支撑所述双曲柄机构的曲轴支撑部；
所述的活塞的顶端是活塞头，活塞头下端是颈部，颈部下端是柱形的活塞导向杆，活塞导向杆上制作有插槽，所述的连杆滑动***所述的插槽内，所述缸体内制作有与所述活塞导向杆适配的活塞杆导槽，所述插槽的下端开口并装有活塞端盖，活塞端盖与活塞导向杆之间为可拆固定连接；
所述的活塞是活塞导向端与活塞密封端分离的无裙活塞，所述的活塞密封端即所述的活塞头，所述的活塞导向端是所述的活塞导向杆和活塞杆导槽；
所述的气缸有多个，多个气缸呈直线单列或双列排列，所述的活塞、连杆、活塞导向杆和每个曲轴上的曲柄销与气缸的数量和位置相对应。
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。
所述的连杆包括位于所述插槽内的连杆主体，连杆主体的两端装有连杆瓦盖，连杆瓦盖与连杆主体在与曲柄销的铰接处形成可拆固定连接；所述的连杆主体与所述的插槽接触的上下边缘制作有耐磨层。
所述的耐磨层是在所述连杆主体的表面镀成的耐磨层或是分体制成的瓦状耐磨材料层或是分体制成的圆弧形块状耐磨材料层。
所述的活塞导向杆是圆柱形。
所述的每个曲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，输出齿轮安装在缸体的芯轴上，所述缸体上具有容纳所述传动齿轮的罩壳。
所述的缸体内有供所述曲轴的主轴穿过的轴孔，每个轴孔下端装有瓦盖。
所述的颈部是由四个肋板构成的十字柱形，四个肋板的外侧呈近似等应力圆弧形；或者所述的颈部的外轮廓是具有近似等应力曲面的回转体形状。
所述的活塞是可变压缩比活塞，所述的颈部与所述活塞导向杆之间连接有导向滑块，导向滑块与所述颈部滑动连接并设置有限位装置，所述导向滑块与所述活塞导向杆为可拆固定连接，所述的颈部内有弹性件槽，弹性件槽内装有弹性件，所述的颈部与所述活塞导向杆之间留有压缩间隙。
所述的弹性件是若干个碟簧。
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。同时，本发明的活塞与连杆的连接、连杆与曲轴的连接均是可拆结构，工艺性好，活塞采用等应力设计，增加了强度，连杆与活塞的连接部有耐磨设计，提高了耐磨性能和整机的可靠性。还具有如下优点：
1、往复惯性力和离心惯性力可以完全平衡，整机对外只有倾覆力矩，因此，振动小；
2、无侧向力，无活塞敲击噪音，因此，噪音小；
3、往复质量小、往复加速度小，从而往复惯性力小；无侧向力，从而活塞与缸套磨损小，因此，发动机外特性曲线可改善，升功率高；
4、所有运动表面都处在低温易润滑环境，机械效率可提高。
5、两根曲轴的存在可以大幅提高缸内压力的承受能力，发展潜力巨大。
6、机构的优势确保了陶瓷使用的可靠性，陶瓷的使用大幅度提升了燃烧温度，为后续热量的回收提供了条件。
7、压缩冲程喷入常温水，降低混合气温度，压缩比可提升至15(结合可变压缩比就是15～26)。
8、点火前喷入高压饱和水，水蒸气膨胀做功，同时水蒸气的存在可以降低可燃气体向缸壁的传热损失，从而提高热效率。
9、采用本发明可变活塞机构，压缩比可实现从11～18.6可变，在保证高负荷不暴震的前提下，提高中小负荷热效率，从而节省油耗20％。
10、排气阶段，活塞处于最大伸展状态，可大幅度降低残余废气，从而进一步提高压缩比，提高热效率。
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本发明结构示意图；
图2是图1的左视图；
图3是图1的右视图；
图4是图1的俯视图；
图5是图1的仰视图；
图6是图1的A-A剖视图；
图7是图1的B-B剖视图；
图8是图1的C-C剖视图；
图9是本发明外部结构立体图；
图10是本发明内部结构立体图；
图11是发明一种活塞的立体图；
图12是本发明连杆结构图；
图13是本发明可变压缩比活塞结构示意图，图14的D-D剖视图；
图14是本发明可变压缩比活塞结构示意图。
图中，1、曲轴，1-1、曲柄销，1-2、油道，2、气缸，3、活塞，3-1、活塞头，3-2、颈部，3-3、耐磨瓦套，3-4、插槽，3-5、活塞导向杆，3-6、活塞端盖，3-7、肋板，3-8、弹性件槽，3-9、导向滑块，3-10、限位装置，3-11、压缩间隙，4、连杆，4-1、连杆主体，4-2、连杆瓦盖，4-3、耐磨层，4-4、减重孔，5、缸体，5-1、气缸体部，5-2、曲轴支撑部，5-3、活塞杆导槽，5-4、瓦盖，6、传动齿轮，7、输出齿轮，8、弹性件。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
如附图图1-图10一种双曲轴发动机，它包括气缸2和能在气缸内作直线往复运动的活塞3，
所述的气缸2的两侧布置有两个平行设置的曲轴1，两个曲轴1相对应的曲柄销1-1之间铰接有连杆4，构成双曲柄机构；
还包括缸体5，缸体5包括形成所述气缸2的气缸体部5-1和用于容纳和支撑所述双曲柄机构的曲轴支撑部5-2；
所述的活塞3的顶端是活塞头3-1，活塞头3-1下端是颈部3-2，颈部3-2下端是柱形的活塞导向杆3-5，活塞导向杆3-5上制作有插槽3-4，所述的连杆4滑动***所述的插槽3-4内，所述缸体5内制作有与所述活塞导向杆3-5适配的活塞杆导槽5-3，所述插槽3-4的下端开口并装有活塞端盖3-6，活塞端盖3-6与活塞导向杆3-5之间为可拆固定连接；所述的活塞导向杆3-5最好是圆柱形，受力均匀，工艺性好、结构简化。
所述的活塞3是活塞导向端与活塞密封端分离的无裙活塞，所述的活塞密封端即所述的活塞头3-1，所述的活塞导向端是所述的活塞导向杆3-5和活塞杆导槽5-3；
所述的气缸2有多个，多个气缸2呈直线单列或双列排列，所述的活塞3、连杆4、活塞导向杆3-5和每个曲轴1上的曲柄销与气缸2的数量和位置相对应。
所述的活塞3、气缸2与高温燃气直接接触的部分采用陶瓷材料。
所述的连杆4包括位于所述插槽3-4内的连杆主体4-1，连杆主体4-1的两端装有连杆瓦盖4-2，连杆瓦盖4-2与连杆主体4-1在与曲柄销1-1的铰接处形成可拆固定连接；所述的连杆主体4-1与所述的插槽3-4接触的上下边缘制作有耐磨层4-3。
所述的耐磨层4-3是在所述连杆主体4-1的表面镀成的耐磨层或是分体制成的瓦状耐磨材料层或是分体制成的圆弧形块状耐磨材料层。
所述的每个曲轴1的端部安装有传动齿轮6，两传动齿轮6之间啮合安装有输出齿轮7，输出齿轮7安装在缸体5的芯轴上，所述缸体5上具有容纳所述传动齿轮6的罩壳。
所述的缸体5内有供所述曲轴1的主轴穿过的轴孔，每个轴孔下端装有瓦盖5-2。
如图6、图7、图11所示，所述的颈部3-2是由四个肋板3-7构成的十字柱形，四个肋板3-7的外侧呈近似等应力圆弧形；或者所述的颈部3-2的外轮廓是具有近似等应力曲面的回转体形状。本领域技术人员知道，等应力设计是理想状态，工程应用只能是近似达到，所以“近似”的用语是清楚的。对于本发明而言，活塞会受到一定弯矩，颈部3-2上部受到的弯矩较大，故四个肋板3-7的外侧的圆弧形为从上向下逐渐收缩的弧线；作为回转体形状，应为上粗下细的回转体。
如图13、14所示，所述的活塞3是可变压缩比活塞，所述的颈部3-2与所述活塞导向杆3-5之间连接有导向滑块3-9，导向滑块3-9与所述颈部3-2滑动连接并设置有限位装置3-10，所述导向滑块3-9与所述活塞导向杆3-5为可拆固定连接，所述的颈部3-2内有弹性件槽3-8，弹性件槽3-8内装有弹性件8，所述的颈部3-2与所述活塞导向杆3-5之间留有压缩间隙3-11。采用本发明可变压缩比活塞机构，压缩比可实现从11～18.6可变，在保证高负荷不暴震的前提下，提高中小负荷热效率，从而节省油耗20％。
所述的弹性件8是若干个碟簧组合而成，能承受大载荷、便于安装、安全性高。
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，活塞侧向力完全被活塞导向槽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活塞导向槽的摩擦，都处于低温易润滑环境。实施例中，此处摩擦系数为0.02～0.06，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：225Nm@4000r/min，最大输出功率：118KW@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气缸的磨损，该时刻以后发动机会主动降低喷油量来减小磨损。本发明双曲轴发动机的活塞导向机构处于低温易润滑环境，该处运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。
另外，本发明可降低发动机高度尺寸；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，本发明采用双曲柄机构从而不受该因素限制。

Claims (10)

1.一种双曲轴发动机，它包括气缸(2)和能在气缸内作直线往复运动的活塞(3)，其特征在于：
所述的气缸(2)的两侧布置有两个平行设置的曲轴(1)，两个曲轴(1)相对应的曲柄销(1-1)之间铰接有连杆(4)，构成双曲柄机构；
还包括缸体(5)，缸体(5)包括形成所述气缸(2)的气缸体部(5-1)和用于容纳和支撑所述双曲柄机构的曲轴支撑部(5-2)；
所述的活塞(3)的顶端是活塞头(3-1)，活塞头(3-1)下端是颈部(3-2)，颈部(3-2)下端是柱形的活塞导向杆(3-5)，活塞导向杆(3-5)上制作有插槽(3-4)，所述的连杆(4)滑动***所述的插槽(3-4)内，所述缸体(5)内制作有与所述活塞导向杆(3-5)适配的活塞杆导槽(5-3)，所述插槽(3-4)的下端开口并装有活塞端盖(3-6)，活塞端盖(3-6)与活塞导向杆(3-5)之间为可拆固定连接；
所述的活塞(3)是活塞导向端与活塞密封端分离的无裙活塞，所述的活塞密封端即所述的活塞头(3-1)，所述的活塞导向端是所述的活塞导向杆(3-5)和活塞杆导槽(5-3)；
所述的气缸(2)有多个，多个气缸(2)呈直线单列或双列排列，所述的活塞(3)、连杆(4)、活塞导向杆(3-5)和每个曲轴(1)上的曲柄销与气缸(2)的数量和位置相对应。
2.根据权利要求1所述的双曲轴发动机，其特征在于：所述的活塞(3)、气缸(2)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所述的双曲轴发动机，其特征在于：所述的连杆(4)包括位于所述插槽(3-4)内的连杆主体(4-1)，连杆主体(4-1)的两端装有连杆瓦盖(4-2)，连杆瓦盖(4-2)与连杆主体(4-1)在与曲柄销(1-1)的铰接处形成可拆固定连接；所述的连杆主体(4-1)与所述的插槽(3-4)接触的上下边缘制作有耐磨层(4-3)。
4.根据权利要求3所述的双曲轴发动机，其特征在于：所述的耐磨层(4-3)是在所述连杆主体(4-1)的表面镀成的耐磨层或是分体制成的瓦状耐磨材料层或是分体制成的圆弧形块状耐磨材料层。
5.根据权利要求1所述的双曲轴发动机，其特征在于：所述的活塞导向杆(3-5)是圆柱形。
6.根据权利要求1所述的双曲轴发动机，其特征在于：所述的每个曲轴(1)的端部安装有传动齿轮(6)，两传动齿轮(6)之间啮合安装有输出齿轮(7)，输出齿轮(7)安装在缸体(5)的芯轴上，所述缸体(5)上具有容纳所述传动齿轮(6)的罩壳。
7.根据权利要求1所述的双曲轴发动机，其特征在于：所述的缸体(5)内有供所述曲轴(1)的主轴穿过的轴孔，每个轴孔下端装有瓦盖(5-2)。
8.根据权利要求1所述的双曲轴发动机，其特征在于：所述的颈部(3-2)是由四个肋板(3-7)构成的十字柱形，四个肋板(3-7)的外侧呈近似等应力圆弧形；或者所述的颈部(3-2)的外轮廓是具有近似等应力曲面的回转体形状。
9.根据权利要求1所述的双曲轴发动机，其特征在于：所述的活塞(3)是可变压缩比活塞，所述的颈部(3-2)与所述活塞导向杆(3-5)之间连接有导向滑块(3-9)，导向滑块(3-9)与所述颈部(3-2)滑动连接并设置有限位装置(3-10)，所述导向滑块(3-9)与所述活塞导向杆(3-5)为可拆固定连接，所述的颈部(3-2)内有弹性件槽(3-8)，弹性件槽(3-8)内装有弹性件(8)，所述的颈部(3-2)与所述活塞导向杆(3-5)之间留有压缩间隙(3-11)。
10.根据权利要求9所述的双曲轴发动机，其特征在于：所述的弹性件(8)是若干个碟簧。
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