CN102400785A - 直线运动导轨发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直线运动导轨发动机，它是在保留原发动机整体结构形式基础上，用一直线运动导轨装置固定活塞做往复直线运动，改进了活塞结构，降低了汽缸高度，增大活塞行程，从而提高了发动机的输出功率，改善了发动机的动力性能、经济性能和排放性能，为发动机技术领域提供一种低消耗、大功率的直线运动导轨发动机。
Description
技术领域
本发明涉及一种往复式活塞发动机，尤其是将直线运动导轨应用于发动机之中，固定活塞往复直线运动，增大活塞行程，增加力矩来增加功率的直线运动导轨发动机。
背景技术
原有汽、柴油发动机一般由一机体(机体组)、两个机构(曲柄连杆机构、配气机构)、五大系统(燃油供给系统、点火系统、冷却系统、润滑系统和启动系统)组成。曲柄连杆机构由活塞连杆组、曲轴飞轮组组成，是往复式活塞发动机将热能转换为机械能的主要机构。在工作过程中，燃烧气体压力直接作用在活塞上，推动活塞往复直线运动，经活塞销、连杆和曲轴，将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动。摘自化学工业出版社出版，吴文琳主编的《图解汽车发动机构造手册》。从
公式可知，发动机功率(P)的大小取决于转矩(Me)和转速(n)的大小，根据转矩、扭矩、力矩定义，增加10％的力矩就是增加10％的功率，增加20％的力矩，就是增加20％的功率。从力对轴之矩M(F)＝Fxyxd公式和力对轴的合力矩定理可知，发动机力矩的大小取决于曲轴臂的长度尺寸和作用在曲轴臂上(Fxy)的大小。保持(Fxy)不变，曲轴臂长度尺寸在原发动机曲轴臂的基础上增加20％，就是增加20％的力矩，增加20％的功率。原有发动机技术研究的重点都放在如何提高燃烧气体压力上了。但没有单方面只增加曲轴臂长度尺寸，增大活塞行程来增加力矩、增加功率的研究成果。而这一方面又是能充分利用原有发动机技术成果最直接、最有效地改善发动机动力性能、经济性能、排放性能的一条最佳途径。一旦突破就是发动机技术领域的重大创新。然而原有发动机技术从结构上限制和制约了只单方面增加曲轴臂长度尺寸、增加力矩、增加功率的研究开发，主要存在以下问题：
1、汽缸直径的限制：原有发动机结构增大活塞行程就必须同时增大汽缸直径。因为增加曲轴臂长度尺寸就是增大活塞行程。增大了活塞行程，汽缸高度随之增加，如果不同时增大汽缸直径来增宽连杆摆幅空间，连杆一运动就会卡缸。
2、活塞、活塞环因侧压力与汽缸壁之间摩擦损失的制约。由国防工业出版社出版，闫大建主编的《汽车发动机原理与汽车理论》一书指出：“摩擦损失占所有机械损失的60％-75％，而活塞、活塞环与汽缸壁之间的摩擦损失占总摩擦损失的70％-80％，因此，在通过提高转速来强化发动机动力性时，尽量减小活塞的动行速度，以减少活塞、活塞环与汽缸之间的摩擦损失，对提高机械效率有重要意义。要提高发动机转速，又不使活塞运行速度过高，则应尽量减少活塞行程。”这说明原有发动机活塞、活塞环与汽缸壁之间的摩擦损失制约了只单方面增加曲轴臂长度尺寸、增大活塞行程、增加力矩、增加功率的研究开发。而摩擦损失产生的原因是：原活塞裙部在汽缸中起导向作用，活塞环在汽缸中起密封和刮油作用，工作中必定与汽缸壁接触产生滑动摩擦，如果只是这种滑动摩擦损失，不可能占总摩擦损失的70-80％。主要原因是活塞直径小于汽缸直径，活塞销座孔中心偏置活塞中心线，且与连杆小头铰链成转动副，所以承受燃烧气体压力时必定产生侧压力，连杆的摆幅运动同样产生侧压力，就是这些侧压力增加了活塞、活塞环与汽缸壁之间的摩擦损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种汽缸直径小，固定活塞往复直线运动，可较大幅度增加曲轴臂长度尺寸，增大活塞行程，增加力矩来增加发动机功率的直线运动导轨发动机。
是在保留原发动机机体组、曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、启动系统整体结构形式的基础上，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在汽缸体曲轴箱一侧内壁上装配有导轨，滑块与导轨配合并沿导轨做直线运动，活塞槽板支架的一端与滑块固定，活塞槽板支架的另一端为活塞头部，由此固定了活塞头部在汽缸中做往复直线运动，取消原活塞裙部结构，从而降低原活塞裙部在汽缸中所占汽缸高度，相应地增加曲轴臂长度尺寸，增大活塞行程来实现上述目的。
本发明汽缸高度结构尺寸由活塞头部结构高度尺寸和活塞行程尺寸组成，降低了汽缸高度、增大了连杆摆幅宽度和汽缸体曲轴箱的高度空间尺寸结构。
本发明直线运动导轨装配连接和工作原理是：直线运动导轨中的导轨对中汽缸中心，垂直装配固定于汽缸体曲轴箱一侧内壁上，直线运动导轨中的滑块与活塞槽板支架的一端连接，另一端为活塞头部。工作过程中，燃烧气体压力作用在活塞顶部上，一方面推动活塞槽板支架在曲轴平衡块之间运动带动滑块在导轨上运动，以滑块在导轨上的往复直线运动固定活塞头部在汽缸中的往复直线运动，消除活塞头部对汽缸的侧压力，另一方面，燃烧气体压力作用在活塞顶部上，经活塞销座推动连杆在活塞槽板支架的槽隙间运动推动曲轴，将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动。
本发明结构尺寸的设计确定方式：
1、本发明中的直线运动导轨、机体组、曲柄连杆机构、配气机构的结构尺寸，随本发明直线运动导轨发动机设计的技术参数来设计和制造。
2、本发明中的燃油供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、启动系统的结构尺寸和装配布局，随本发明直线运动导轨发动机的技术参数、结构尺寸来调整、设计、制造和装配。
与已有技术相比，本发明具有下列优点：
1、能大幅度降低摩擦损失。装配应用直线运动导轨，把原活塞在汽缸中的滑动摩擦转移到汽缸体曲轴箱的直线运动导轨上，润滑效果优于汽缸中的恶劣环境；更主要的是消除了原活塞裙部在汽缸中的摩擦损失；消除了原活塞、活塞环因侧压力对汽缸壁增加的摩擦损失。如果使用滚动直线导轨，摩擦损失会更低。因为滚动直线导轨摩擦因素只有0.003-0.005，只是滑动摩擦的1/20-1/50。
2、结构创新。本发明装配应用直线运动导轨固定了活塞在汽缸中的往复直线运动，取消了原活塞裙部结构后，降低了汽缸高度，增宽了连杆摆幅空间，增高了汽缸体曲轴箱高度空间。这一结构创新的技术特征，突破了原发动机不能单方面增加曲轴臂长度尺寸，增大活塞行程，增加力矩的结构限制。而且曲轴臂长度尺寸增加值可在原发动机曲轴臂基础上增加10％、20％、30％、……只要连杆最大摆幅时不卡缸、曲轴平衡块不碰缸就可以。达到大幅度增加力矩，增加功率，实现节能减排的目的。
3、更具实用性。本发明的结构创新。能单方面只增加曲轴臂长度尺寸，就可以根据发动机不同使用要求，使用场合来研究开发生产，使发动机应用更具实用性：
(1)减小汽缸直径，保留原发动机排量，压缩比不变，力求燃烧气体压力不变，在原发动机曲轴臂至连杆最大摆幅之间，选择曲轴臂长度尺寸增加值，增加力矩，增加功率，而且每一个不同的曲轴臂长度增加值就是不同力矩、功率、高度的发动机。达到以小缸径、小排量、大行程、大功率的结构和技术参数，研究开发生产节能减排型发动机。
(2)保留原发动机汽缸直径不变，只单方面在原发动机曲轴臂的基础上增加长度尺寸，一直增加到连杆不卡缸时的最大值。这样，曲轴臂长度尺寸增加，活塞行程、汽缸容积、排量都随之增加，使力臂和燃烧气体压力同时增加，就能研究开发生产出二种不同燃料，而力矩、功率都最大化的新型发动机：汽油发动机，压缩比在6-12之间，当曲轴臂长度尺寸增加，活塞行程增加，汽缸容积增加，调整燃烧室容积使压缩比达到10-12之间时就能生产出力矩、功率最大化的汽油发动机；柴油发动机压缩比在14-22之间，把曲轴臂长度尺寸增加到最大值、调整燃烧室容积，使压缩比控制在20-22之间就能生产出力矩、功率最大化的新型柴油发动机。与原发动机增大活塞行程就必须增大汽缸直径的结构比较，本发明汽缸直径没有改变，排量低于原发动机，曲轴臂尺寸则增加到了最大值，仍是小缸径、小排量、大行程、大功率的节能减排型发动机。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明直线运动导轨发动机汽缸体曲柄连杆机构结构示意图。
图2是本发明直线运动导轨发动机活塞结构示意图。
图3是本发明直线运动导轨发动机活塞的A-A剖视图。
图中：1、导轨；2、滑块；3、活塞槽板支架；4、活塞头部；5、活塞顶部；6、活塞销座；7、连杆；8、曲轴臂；9、曲轴；10、曲轴平衡块。
具体实施方法
如图1、图2、图3所示，在汽缸体曲轴箱一侧内壁上装配有导轨(1)，滑块(2)与导轨(1)配合并沿导轨上做直线运动，活塞槽板支架(3)的一端与滑块(2)固定，活塞槽板支架(3)的另一端为活塞头部(4)，由此固定了活塞头部(4)在汽缸中做往复直线运动，取消原活塞裙部结构，从而降低原活塞裙部在汽缸中所占汽缸高度，相应地增加曲轴臂长度尺寸，增大活塞行程。
本发明直线运动导轨装配连接和工作原理是：直线运动导轨中的导轨(1)对中汽缸中心，垂直装配固定于汽缸体曲轴箱一侧内壁上，直线运动导轨中的滑块(2)与活塞槽板支架(3)的一端连接，另一端为活塞。工作过程中，燃烧气体压力作用在活塞顶部(5)上，一方面推动活塞槽板支架(3)在曲轴平衡块(10)之间运动带动滑块(2)在导轨(1)上运动，以滑块(2)在导轨(1)上的往复直线运动固定活塞头部(4)在汽缸中的往复直线运动，消除活塞头部(4)对汽缸的侧压力，另一方面，燃烧气体压力作用在活塞顶部(5)上，经活塞销座(6)推动连杆(7)在活塞槽板支架(3)的槽隙间运动推动曲轴臂(8)，将活塞的往复直线运动转变为曲轴(9)的旋转运动。
实施例一
结构、连接方式、结构尺寸的设计确定方式如发明内容中所述。只是汽缸体为直列式4缸、缸径74mm，直线运动导轨为滚动直线导轨中的滚动直线导轨副、曲轴臂长度尺寸活塞行程在原发动机曲轴臂长度尺寸、活塞行程基础上增加10％。
实施例二
结构、连接方式、结构尺寸的设计确定方式与例一相同，不同之处是汽缸体为V型6缸，汽缸直径74mm，直线运动导轨为滚动直线导轨中的滚动花键副，曲轴臂长度尺寸、活塞行程在原发动机曲轴臂长度尺寸、活塞行程的基础上增加20％。
实施例三
结构、连接方式、结构尺寸的设计确定方式与实施例一相同，不同之处是直线运动导轨为滑动导轨中的直线导轨。曲轴臂长度尺寸、活塞行程在原发动机曲轴臂长度尺寸、活塞行程基础上增加30％，压缩比调整设计，汽油机压缩比在6-12之间，柴油机压缩比在14-22之间。
Claims (2)
1.一直线运动导轨发动机，它包括机体组、曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、启动系统，在曲柄连杆机构中活塞头部(4)经活塞销座(6)连接连杆(7)及曲轴(9)、曲轴臂(8)和曲轴平衡块(10)，其特征是：在汽缸体曲轴箱一侧内壁上装配有导轨(1)，滑块(2)与导轨(1)配合并沿导轨上做直线运动，活塞槽板支架(3)的一端与滑块(2)固定，活塞槽板支架(3)的另一端为活塞头部(4)。
2.根据权力要求1所述的直线运动导轨发动机，其特征是：结构尺寸的设计确定方式为：
a、本发明中的直线运动导轨、机体组、曲柄连杆机构、配气机构的结构尺寸，随本发明直线运动导轨发动机设计的技术参数来设计和制造。
b、本发明中的燃油供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、启动系统的结构尺寸和装配布局，随本发明直线运动导轨发动机的技术参数、结构尺寸来调整、设计、制造和装配。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103195562A (zh) * | 2013-04-11 | 2013-07-10 | 北京理工大学 | 一种自由活塞内燃发电动力系统活塞组件相位锁定装置 |
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2010
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Application publication date: 20120404 |