CN2040954U - 环形活塞往复式发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型是涉及将热能转变为机械能的一种动力装置—往复式活塞发动机。它采用环形圆断面气缸分布在同一轴平面，同一圆周上；环形活塞将气缸分隔成主缸和背缸。主、背缸间有连接管连通；活塞通过活塞支臂、摆杆与曲轴连接；对于多缸发动机它只需一个摆杆、一支单拐曲轴，而且主、背缸同时参加四冲程循环。它的长度较直缸发动机缩短1/3左右，重量减轻1/4，缸径、行程相同时排量增加1/3强，明显简化加工、装配工艺。

Description

本实用新型是涉及将热能转变为机械能的一种动力装置－－往复活塞式发动机。

目前国内外所用的动力装置活塞式内燃机占有相当比重，其中以直缸往复活塞式采用最多，它们一般都包括机体、曲柄连杆机构、配气机构、供给系、点火系、冷却系、润滑系及起动***，与气缸内壁紧密接触的活塞允许在气缸里往复运动，其工作过程由进气、压缩、膨胀、排气四个冲程组成；单缸发动机由于运转不平稳、振动大，在实际中很少使用，采用最多的是四缸、六缸、八缸的多缸发动机，气缸排列基本上为两种型式：一是单列式即直列式，发动机的各个气缸排列一排，一般是垂直布置的；另一种为双列式即V型排列，左右两列气缸中心线夹角r≤180°。现有技术中的不足之处在于：①不论单列式还是V型排列，其外形尺寸都较长；②缸体及多拐曲轴从结构到工艺都很复杂，加工困难；③重量大，每缸都得有各自相应的曲柄连杆机构，构件多运行不稳定；④造价昂贵。

本实用新型的目的在于避免现有技术中的不足之处，而提供一种构造简单，外形尺寸小、排量增加的环形活塞往复式发动机产品。

可以通过以下措施来达到本实用新型的目的：机体上的气缸是分布在同一轴平面、同一圆周上的环形圆断面缸套，与气缸配合的环形活塞将气缸分隔成主缸和背缸，并有主、背缸盖形成密闭腔体；在曲轴连杆机构中，环形活塞是通过活塞支臂、摆杆与曲轴连接；而活塞支臂是回转支承点位于环形活塞回转中心轴线上、支臂端与环形活塞固定连接，轴向一端与摆杆连接的构件，且同一轴平面上的环形活塞连接在同一活塞支臂上；摆杆是以移动副与活塞支臂连接，以回转副与曲轴连接的杆件。它通过环形活塞在燃烧气体爆发力作用下。将力传给支臂、支臂受力后沿中心轴线在一定范围内往复摆动，摆杆随支臂同时动作，通过摆杆推动曲轴旋转，从而将环形活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动，实现输出作功。

图1、单缸环形活塞发动机原理示意图

图2、单缸环形活塞发动机原理左侧视图

图3、环形活塞往复式发动机工作行程示意图

a、进气行程；b、压缩行程；c、膨胀行程；d、排气行程。

图4、四缸环形活塞往复式发动机示意图

下面结合附图，以四缸四冲程环形活塞往复式发动机为例对本实用新型的内容作进一步详述。

图中：（1）气缸；（2）远止点；（3）活塞；（4）近止点；（5）进气门；（6）排气门；（7）摆杆；（8）曲轴；（9）曲轴中心；（10）支臂；（11）摆杆支承；（12）支臂轴承；（13）机体；（14）曲轴轴承；（15）底壳；（16）主缸；（17）背缸；（18）背缸盖；（19）主缸盖；（20）凸轮；（21）缩环；（22）活塞环；（23）油环；（24）连接管。

它是在一个轴平面上布置了四个环形活塞缸套（1），活塞缸套是圆断面的，每个气缸套中设有一个环形活塞（3），这四个环形活塞是固定在一个活塞支臂（10）上的，由于环形活塞距回转中心较远，因此它有较大的输出转矩。活塞支臂由两个轴承（12）予以支承定位，这样环形活塞以轴承为回转支点，进行往复摆动运动。在环形活塞支臂轴向的一端以移动副与摆杆（7）连接，摆杆以回转副与只有一个曲拐的曲轴（8）连接，使环形活塞的往复摆动转变成曲轴的圆周运动。当发动机马力需要增加时，可以选用二排以上环形活塞排列结构，即在环形活塞支臂轴向的另一端并接，这时它仍只需要一个摆杆和只有一个曲拐的曲轴来输出发动机功率。

环形活塞在气缸中作往复运动时，与主缸盖（19）接近极限时称作近止点（4），与背缸盖（18）接近到极限时叫远止点（2），由近止点摆到远止点所经过的圆弧距离S称作环形活塞的一个行程，此时摆杆（7）摆完一个角度α，曲轴正好转过半周。当曲轴（8）转过二周时完成进气压缩、膨胀（作功）、排气四个行程（见附图3）。其发火顺序为①缸→②缸→④缸→③缸，工作循环如下表：

曲轴转角

摆杆次数

①缸

②缸

③缸

④缸

主缸

背缸

主缸

背缸

主缸

背缸

主缸

背缸

0°～180°180°～360°360°～540°540°～720°

一次二次三次四次

作功排气进气压缩

压缩作功排气进气

压缩作功排气进气

作功排气进气压缩

排气进气压缩作功

进气压缩作功排气

进气压缩作功排气

排气进气压缩作功

四个独立的气缸套（1），也可为六缸、八缸，以螺栓、定位销钉的机械方式与主机体（13）连接在同一轴平面、同一圆周（半径R）上，气缸体与主机体成分离结构最为合理，装配上快捷容易，加工工艺简单、方便。气缸被环形活塞分隔成主缸（16）和背缸（17），一气缸的主缸通过连接管（24）与另一气缸的背缸相连通、主、背缸同时参加四行程循环。即①、②缸的主、背缸相互交叉连通，③、④缸的主、背缸相互交叉连通，以简化配气机构，仅将配气机构的进、排气阀门安装在主缸盖（19）上。这样①、②缸的主、背缸，③、④缸的主、背缸是按同一工作循环进行工作的。气缸体外壳与气缸套采用湿式套结构，缸套与冷却水直接接触，缸套的一端有凸出的台阶以保证定位精度，缸套顶部及尾部顶向口各高出气缸体外壳0.15mm左右，与气缸盖紧固时使其有较大的予紧力保证气缸密封性，防止冷却水和缸内高压气体泄漏。主、背缸盖的作用在于封闭缸体、形成燃烧室。主缸盖选用顶置气门，设有冷却水套并有进、排气通道，还有与背缸连通的气孔。背缸盖与活塞臂形成密闭配合，其上也有水套冷却、设有连接管法兰孔，为与活塞臂的密封可靠配合处选用了二道缩环结构，其缩力的大小与活塞环的受力不相上下。燃烧室形状选用双腔燃烧室结构，排气口设在曲轴输出端一侧，进气口设在风扇一侧。

环形活塞（3）与活塞支臂（10）呈刚性连接，它仅有顶部及头部，在头部置有活塞环槽，为使环形活塞与活塞支臂连接牢固，它几乎是实心结构、采用铝合金铸造，并可减小惯性力。环形活塞与活塞套可用刚性连接方式，如以螺钉连接，因此环形活塞本身及与活塞支臂连接的相应构件结构都比较简单，构件少，长度尺寸、重量明显下降。其上使用的活塞环与常规活塞环结构一样，但其弹力可以比常规活塞环小一些，这是由于环形活塞运行工况较简单，运行平稳又由于活塞分布圆直径较大，若弹力较大，过高的线速度会加快活塞环的磨损。环形活塞上主、背缸活塞环、槽按如下顺序排列：主缸密封环两道成圆心放射形加工而成；随后是一道油环、供环形缸套润滑用，由专用油管供油；油环后是一道排油环槽。将刮后的润滑油通过集油管甩出活塞套以外，最后是两道背缸密封环。

活塞支臂（10）是环形活塞发动机的关键部件，发动机的全部扭矩通过它传递给曲轴。其具体结构，中心是一空心轮毂，在轮毂的两端设有作为支承用的轴颈，为防止轴向窜动还有止推盘结构；轮毂外沿径向对称各有一个主臂。在主臂上各有对称两个环形支臂，这四个支臂分别与四个环形活塞连接，在气缸内四个支臂也是圆断面结构；在后轴颈处设有端部法兰用以与摆杆连接。这样环形往复式活塞发动机便能够在活塞的背部形成一个稳定的空腔，正由于具有背缸容积，它较直缸往复式发动机排量在相同缸径、行程的前提下增加一个可观的数值，相应发动机的输出功率增加。支臂根部主要是弯矩，保证支臂根部强度是关键，为增加支臂的强度及刚性，在气缸内部它是圆断面的而后逐渐由圆断面向方形断面过渡，这样支臂结构有较好的强度及刚性。

摆杆（7）以方形导轨（11）与活塞支臂端部法兰构成移动副连接，形成摆杆的往复运动；它以回转副与曲轴连接，形成摆杆的摆动。不论采用几个活塞、在一个轴平面内或几个轴平面内采用多缸排列，环形活塞往复式发动机，它只需要一个摆杆构件。将运动传递给曲轴。

同样，不论采用几个活塞、在一个轴平面内或几个轴平面内采用多缸排列，环形活塞往复式发动机也只需要一根单拐曲轴（8），它以连杆轴颈与摆杆连接，轴向输出端与飞轮、离合器连接。它的前轴端与一小轴连接，使其驱动配气机构及其它辅助装置。关于曲轴的密封采用传统结构即可。在完成一个工作循环的曲轴转角内，每个气缸都应点火作功一次，四缸点火间隔角为720°／4，即曲轴每转180°就应有一个主、背缸作功，这就保证了发动机运转平稳。

环形活塞往复式发动机的启动方式与直缸发动机相同。

因主体结构变化，要求配气机构布置成放射型较为合理，进、排气门及进、排气管全布置在主缸盖上。配气机构所选用的零、部件与直缸往复式发动机基本相同。

其它供给系、点火系、润滑***、冷却***及起动***等与传统结构没有本质的区别。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

1.活塞分布圆尺寸大，有较大的输出转矩，为制造更大型的动力装置创造条件，且活塞的密封性能可靠，当缸径、行程相同时排量增加1／3强。以492发动机为例当缸径D＝92mm时。现有发动机输出功率N＝75马力，而本发动机N＝84×1.36＝114.24马力。

2.制造多缸发动机它只需一个摆杆及一支单拐曲轴，明显缩短机组尺寸，减小机组重量，其长度较现有发动机缩短1／3左右，重量减轻1／4左右，改变直缸发动机一个活塞就需要一个连杆，占有一曲拐的传统结构形式。

3.明显简化加工制造、装配、维修工艺，节省金属材料及制造装配工时。粗略估算，全国75马力以上老式发动机若改用本技术方案的结构型式，全国每年将节约几亿元的加工制造费用，尤其在大中型发动机上，其经济效果更加显著。

4.本技术方案除在汽油机，柴油机上应用外，亦可使用于空气压缩机及液体泵，同样也会有良好的经济效果。

Claims (4)

1、一种涉及将热能转变为机械能的活塞式内燃机，它包括机体、曲柄连杆机构、配气机构、供给系、点火系、冷却系、润滑系及起动***，与气缸内壁紧密接触的活塞允许在气缸里往复运动，其工作过程由进气、压缩、膨胀、排气四个冲程组成，其特征在于机体上的气缸是分布在同一轴平面、同一圆周上的环形圆断面缸套(1)，与气缸配合的环形活塞(3)将气缸分隔成主缸(16)和背缸(17)，并有主、背缸盖(19)、(18)形成密闭腔体；在曲柄连杆机构中，环形活塞是通过活塞支臂(10)、摆杆(7)与曲轴连接；活塞支臂是回转支承点位于环形活塞回转中心轴线上。支臂端与环形活塞固定连接、轴向一端与摆杆连接的构件，且同一轴平面上的环形活塞连接在同一活塞支臂上；摆杆是以移动副与活塞支臂连接、以回转副与曲轴连接的杆件。

2、如权利要求1所述的内燃机，其特征在于在同一轴平面内、同一圆周上分布多缸时，它只需要一个摆杆、一个单拐曲轴；气缸的主缸（16）通过连接管（24）与另一气缸的背缸相连通，主、背缸同时参加四冲程循环。

3、如权利要求1所述的内燃机，其特征在于当两个以上轴平面多缸沿轴向并联时，各轴平面的活塞支臂依次连接，它们共用一个摆杆和仅有一个曲拐的曲轴。

4、如权利要求1所述的内燃机，其特征在于配气机构的进、排气阀门（5）、（6）安装在主缸盖上。

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