專利名稱：對移活塞式大扭矩發(fā)動機(jī)的制作方法
對移活塞式大扭矩發(fā)動機(jī)(以下簡稱大扭矩發(fā)動機(jī))技術(shù)屬內(nèi)燃機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
大扭矩發(fā)動機(jī)的背景技術(shù)是現(xiàn)代廣泛使用的，具有曲柄連焊機(jī)構(gòu)的，活塞式裙型發(fā)動機(jī)。
大扭矩發(fā)動機(jī)具有類似二行程發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)，對移活塞式發(fā)動機(jī)的工作方式和四行程發(fā)動機(jī)的工作循環(huán)?，F(xiàn)以一單缸大扭矩發(fā)動機(jī)為例輸出軸每旋轉(zhuǎn)一圈，汽缸完成兩個與四行程發(fā)動機(jī)相類似的工作循環(huán)，同時輸出兩對力偶。
由內(nèi)燃機(jī)基本關(guān)系式可知，對于一定汽缸容積的發(fā)動機(jī)有31.83pe·Vh·iτN·M......(1)]]>Me發(fā)動機(jī)輸出扭矩(N.M)pe平均有效壓力(bar)Vh單缸工作容積i汽缸數(shù)τ發(fā)動機(jī)沖程數(shù)由式(1)可知Me反比于τ。四行程發(fā)動機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)兩圈完成一個工作循環(huán)，τ＝4；二行程發(fā)動機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)一圈完成一個工作循環(huán)，τ＝2；對于本例大扭矩發(fā)動機(jī)而言，輸出軸每轉(zhuǎn)半圈完成一個工作循環(huán)，故τ＝1。這就是說，在與本例同等條件下，大扭矩發(fā)動機(jī)的輸出扭矩為普通四行程發(fā)動機(jī)的4倍，為二行程發(fā)動機(jī)的2倍。
獲得單位馬力自重在0.4kg/馬力以下，輸出轉(zhuǎn)速較低的一種新型大扭矩發(fā)動機(jī)，以達(dá)到為小型飛行器或其它類型機(jī)器提供動力之目的。
大扭矩發(fā)動機(jī)有特殊的機(jī)器結(jié)構(gòu)、工作原理和換氣方式，現(xiàn)分述如下一、。結(jié)構(gòu)特征大扭矩發(fā)動機(jī)在結(jié)構(gòu)上舍去了裙型發(fā)動機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)而代之以導(dǎo)軌。其實(shí)質(zhì)是利用一個內(nèi)凸輪控制活塞在汽缸中的運(yùn)動過程，以獲得最大的膨脹比，較高的熱效率和較大的有效功率輸出。為了實(shí)現(xiàn)用凸輪控制活塞在汽缸內(nèi)運(yùn)動的全過程，采用了兩活塞對移運(yùn)動和缸套旋轉(zhuǎn)的配合運(yùn)動方式，省去了汽缸蓋和配氣機(jī)構(gòu)，從而大大地簡化了結(jié)構(gòu)，減輕了發(fā)動機(jī)單位馬力的自重，構(gòu)成了大扭矩發(fā)動機(jī)獨(dú)具一格的優(yōu)勢。大扭矩發(fā)動機(jī)主要由轉(zhuǎn)子組件、定子組件和往復(fù)運(yùn)動組件三大部分組成。
轉(zhuǎn)子組件包括上、下兩個半軸；汽缸套和左、右兩個半轉(zhuǎn)子組成的旋轉(zhuǎn)體。因?yàn)椴捎蔑L(fēng)冷散熱，旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的汽缸體帶有散熱片。進(jìn)、排氣道配置在汽缸體的進(jìn)、排氣口上，與旋轉(zhuǎn)體同步旋轉(zhuǎn)，并按配氣相位圖(參閱圖2)配氣，要求分別與其相對應(yīng)的定子進(jìn)、排氣道接通和關(guān)閉，完成換氣過程。分裝在轉(zhuǎn)子殼體上、下兩個半軸，承擔(dān)動力輸出和支撐作用。
定子組件主要由導(dǎo)軌、進(jìn)、排氣道；定子上、下殼體；一個與永磁式轉(zhuǎn)子相配套的發(fā)電點(diǎn)火系統(tǒng)和一對擺桿托輪組成。導(dǎo)軌固定在定子上、下殼體內(nèi)，用來控制活塞在缸套內(nèi)的運(yùn)動。定子進(jìn)、排氣道安裝在與轉(zhuǎn)子進(jìn)、排氣管相對應(yīng)的一側(cè)，用來完成換氣過程。下、下兩個定子殼體分別與轉(zhuǎn)子的兩個半軸安裝在滾動軸承上，是整個發(fā)動機(jī)的支承件。
往復(fù)運(yùn)動組件包括對稱布置的兩個活塞組件；兩副滾輪組件；兩副主推桿組件；四副擺桿組件及其相應(yīng)的滾動體、緊固件等。這里活塞為承力件，主推桿為傳力件，擺桿為卸荷件。
除以上三大組件外，尚有汽化器、空氣過濾器、火花塞及點(diǎn)火系統(tǒng)。潤滑系統(tǒng)包括機(jī)油泵及其驅(qū)動系統(tǒng)、過濾器等。
二、工作原理大扭矩發(fā)動機(jī)以對移活塞工作方式完成運(yùn)行，輸出軸每旋轉(zhuǎn)半圈完成一個工作循環(huán)。每個工作循環(huán)包括四個行程即進(jìn)氣行程、壓縮行程、工作行程和排氣行程。由于大扭矩發(fā)動機(jī)的進(jìn)、排氣行程是分步完成的，因而又可分成六個分步即壓縮點(diǎn)火、膨脹終點(diǎn)、定子排氣、擺桿排氣、擺桿進(jìn)氣和定子進(jìn)氣?，F(xiàn)根據(jù)大扭矩發(fā)動機(jī)運(yùn)行圖(

圖1-1至圖1-6)分述如下1、壓縮點(diǎn)火(圖1-1)當(dāng)A活塞運(yùn)行至下止點(diǎn)(圖1-6)，此時汽缸內(nèi)充滿著沿汽缸中心軸線旋轉(zhuǎn)的可燃混合氣。由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)慣性和往復(fù)組件所產(chǎn)生的離心力，使?jié)L輪緊貼定子導(dǎo)軌，并在導(dǎo)軌的制導(dǎo)下使A與B兩活塞作對移運(yùn)動進(jìn)入壓縮行程。當(dāng)汽缸內(nèi)混合氣壓縮到規(guī)定的壓縮比時，火花塞點(diǎn)火，兩活塞在上止點(diǎn)停留一個延燃角。
2、膨脹終點(diǎn)(圖1-2)滾動體越過延燃角后，汽缸內(nèi)燃?xì)馓幱谂蛎洜顟B(tài)。在膨脹氣體作用下，迫使兩活塞同時下行，此時活塞通過推桿推動滾動體運(yùn)動。滾輪作用在定子導(dǎo)軌曲線面上，因而兩活塞均產(chǎn)生一切向分力，該切向分力通過擺桿拖動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個角度，輸出一對力偶使轉(zhuǎn)子形成轉(zhuǎn)動慣量作功。當(dāng)A、B兩活塞下行至下止點(diǎn)時，兩活塞所對應(yīng)的兩排換氣孔全部開通，同時轉(zhuǎn)子排氣岐管接通定子排氣道，關(guān)閉轉(zhuǎn)子進(jìn)氣岐管使汽缸內(nèi)廢氣快速排出。
3、定子排氣(圖1-3)B活塞維持在下止點(diǎn)。B活塞所對應(yīng)的換氣孔全部開通，并與定子排氣道繼續(xù)保持接通狀態(tài)。A活塞依靠轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的慣性力，并在導(dǎo)軌制導(dǎo)下沿導(dǎo)軌曲面上行至導(dǎo)軌曲線的最高點(diǎn)，同時擺桿與擺桿托輪接觸。
4、擺桿排氣(圖1-4)B活塞繼續(xù)維持在下止點(diǎn)。B活塞所對應(yīng)的換氣孔全部開通，并與定子排氣道繼續(xù)保持接通狀態(tài)。A活塞依靠轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的慣性力，使其擺桿在擺桿托輪的作用下推動A活塞達(dá)到排氣上止點(diǎn)，與此同時B活塞在導(dǎo)軌的制導(dǎo)下完成輔助行程并關(guān)閉換氣孔，實(shí)現(xiàn)全部排氣過程。
由于在排氣終了時A活塞頂部越過了轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中心，平衡了部分因滾動體、擺桿和主推桿重量所引起的離心力。加速度慣性力與排氣阻力得到相互部分的抵消，從而減少了往復(fù)運(yùn)動組件因高速往復(fù)運(yùn)動所產(chǎn)生的慣性力。
當(dāng)排氣終了時；轉(zhuǎn)子排氣道(即B活塞所對應(yīng)的換氣孔)關(guān)閉；轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道(即B活塞所對應(yīng)的換氣孔)接通定子進(jìn)氣道，為A活塞下行進(jìn)氣作好準(zhǔn)備。
5、擺桿進(jìn)氣(圖1-5)B活塞繼續(xù)維持在下止點(diǎn)。B活塞所對應(yīng)的換氣孔全部開通，并與定子進(jìn)氣道保持接通狀態(tài)。A活塞依靠轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的慣性力，使其擺桿在擺桿托輪的作用下，迫使A活塞向下運(yùn)行，完成擺桿進(jìn)氣行程并使?jié)L輪與定子導(dǎo)軌曲線面接觸。
6、定子進(jìn)氣(圖1-6)B活塞繼續(xù)維持在下止點(diǎn)。B活塞所對應(yīng)的換氣孔全部開通，并與定子進(jìn)氣道繼續(xù)保持接通狀態(tài)。A活塞依靠轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的慣性力，使A活塞組件、主推桿及滾動體組件、擺桿組件產(chǎn)生一離心力，該離心力使?jié)L輪緊貼導(dǎo)軌曲器，迫使A活塞下行完成定子進(jìn)氣。在啟動狀態(tài)下，借助定位肋完成定子進(jìn)氣。
完成進(jìn)氣行程后，A、B兩活塞均處于下止點(diǎn)，進(jìn)、排氣道全部關(guān)閉，轉(zhuǎn)子已轉(zhuǎn)過180°，A活塞與B活塞交換位置，為下一次工作循環(huán)作好準(zhǔn)備。
三、大扭矩發(fā)動機(jī)的換氣由于大扭矩發(fā)動機(jī)的缸體和活塞及其往復(fù)運(yùn)動組件是隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的，所以轉(zhuǎn)子上的進(jìn)、排氣管也是旋轉(zhuǎn)的。其換氣方式類似一個氣體分配閥。轉(zhuǎn)子按配氣相位圖上的時間配置，定時與定子上的進(jìn)、排氣管接通和關(guān)閉，保證換氣過程準(zhǔn)時進(jìn)行。其配氣相位如圖2。
轉(zhuǎn)子進(jìn)、排氣道及缸套換氣孔斷面如圖3-1。缸套共有24個換氣孔，均為斜孔，分別配置在A、B兩活塞的一側(cè)，其傾斜角的大小由氣體在汽缸內(nèi)的旋轉(zhuǎn)直徑和缸套的外徑所決定。acrsinα=dudg]]>α＝換氣孔傾斜角
du＝氣體在汽缸內(nèi)的旋轉(zhuǎn)直徑平均值dg=汽缸套外徑為了方便論述進(jìn)、排氣過程的相位關(guān)系，令壓縮開始點(diǎn)A活塞的位置為0°。
從圖1-2可看到，當(dāng)活塞處于膨脹終點(diǎn)位置時，A、B兩活塞所對應(yīng)的排氣孔全部開通，這里上下共有24個換氣孔與定子排氣道接通，進(jìn)行排氣。雖然此時24個換氣孔毫無遮擋，但由于進(jìn)氣道處于關(guān)閉狀態(tài)(圖3-1)，僅有部分廢氣串入轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道，但隨著廢氣排出所形成的壓力差，這部分廢氣也將被排出汽缸外。
當(dāng)A活塞進(jìn)入排氣行程時(圖1-3)，迅速遮蓋A活塞一側(cè)的換氣孔，壓縮汽缸內(nèi)廢氣從B活塞一側(cè)的換氣孔排出。此時B活塞一側(cè)的換氣孔仍然與定子排氣道保持接通進(jìn)行排氣。當(dāng)A活塞完成擺桿排氣時(圖1-4)，B活塞完成輔助行程，共同完成排氣的過程。此時也有少量廢氣串入轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道，同樣會隨著廢氣排出所形成的壓力差將這部分廢氣排出汽缸外(圖3-1)。
當(dāng)A活塞進(jìn)入進(jìn)氣行程時(圖1-5)，B活塞一側(cè)的換氣孔利用轉(zhuǎn)子排氣道切斷與定子排氣道的聯(lián)系，達(dá)到關(guān)閉轉(zhuǎn)子排氣道的目的。與此同時，B活塞一側(cè)的換氣孔利用轉(zhuǎn)子進(jìn)氣道溝通與定子進(jìn)氣道的聯(lián)系，使B活塞一側(cè)的換氣孔與定子進(jìn)氣道接通。由于轉(zhuǎn)子排氣道關(guān)閉，當(dāng)A活塞下行進(jìn)氣時，雖然B活塞一側(cè)的換氣孔毫無遮擋，但不能吸入廢氣(圖3-2)。
由于換氣重疊角的設(shè)置，在進(jìn)氣開始時，排氣口尚未完全關(guān)閉，在排出氣體的慣性力作用下，排氣仍在進(jìn)行，直到排氣口完全關(guān)閉。因此，正確選擇重疊角，將是汽缸內(nèi)新鮮混合氣充量增加的保證。(六)、大扭矩發(fā)動機(jī)與背景技術(shù)相比所具有的有效效果1、大扭矩發(fā)動機(jī)重量輕。大扭矩發(fā)動機(jī)由于舍去了曲柄桿機(jī)構(gòu)，使其自身的單位馬力重量大為減輕，由于主推桿擺動小，中心距短，受力狀態(tài)好，可設(shè)計(jì)得很小、很輕。采用擺桿排氣機(jī)構(gòu)，使整個發(fā)動機(jī)線性尺寸得到控制。采用二行程發(fā)動機(jī)的換氣方式，使配氣機(jī)構(gòu)大為簡化。采用對移活塞工作方式，使機(jī)體重量進(jìn)一步減輕。整個發(fā)動機(jī)重量集中在轉(zhuǎn)子和定子上，如果采用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，其單位馬力重量可達(dá)到0.4kg/馬力以下。這個重量是人類單體自由飛行的標(biāo)準(zhǔn)，是曲柄式內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)人員一直為之努力而又無法實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)。只有采用大扭矩發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)才能達(dá)到目的。
2、為提高活塞式內(nèi)燃機(jī)熱效率開辟了新的途徑。曲柄式內(nèi)燃機(jī)固有的運(yùn)動規(guī)律無法改變，使曲柄式內(nèi)燃機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)完全的等容加熱循環(huán)過程。大扭矩發(fā)動機(jī)的活塞運(yùn)動規(guī)律決定于導(dǎo)軌曲線的設(shè)計(jì)，只要導(dǎo)軌設(shè)計(jì)合理，就可以實(shí)現(xiàn)等容加熱循環(huán)，完善燃燒過程，獲得較高的熱效率。
3、可簡化減速機(jī)構(gòu)。大扭矩發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速低，活塞運(yùn)動頻率高，可使變速機(jī)構(gòu)大為簡化。
4、可望降低內(nèi)燃機(jī)的噪音。內(nèi)燃機(jī)的噪音問題歷來就是一個非常棘手的問題。由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律與燃料在燃燒室中的燃燒規(guī)律不吻合，在發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)上使降低內(nèi)燃機(jī)噪音成為難題。而大扭矩發(fā)動機(jī)不存在這一結(jié)構(gòu)上的矛盾，為解決這一難題提供了前提條件。
5、由于舍去了曲柄連桿機(jī)構(gòu)，以滾動軸承代替滑動軸承，降低了對潤滑條件的要求，使大扭矩發(fā)動機(jī)成為實(shí)現(xiàn)絕熱燃燒較理想的機(jī)型。(七)、圖面說明一、圖1-1至圖1-6為大扭矩發(fā)動機(jī)運(yùn)行圖。
圖1-1壓縮點(diǎn)火圖1-2膨脹終點(diǎn)圖1-3定子排氣圖1-4擺桿排氣圖1-5擺桿進(jìn)氣圖1-6定子進(jìn)氣以上六圖表示了大扭矩發(fā)動機(jī)運(yùn)行圖的六個分步，均已在大扭矩發(fā)動機(jī)工作原理中分別進(jìn)行了論述。
二、圖2為大扭矩發(fā)動機(jī)配氣相位圖。下半部代表A活塞完成一個工作循環(huán)的轉(zhuǎn)角(180°)；上半部代表B活塞完成一個工作循環(huán)的轉(zhuǎn)角(180°)。箭頭表示旋向。令壓縮行程起點(diǎn)為0°。
由于大扭矩發(fā)動機(jī)A、B兩活塞為對移運(yùn)動，所以A、B兩活塞的運(yùn)動行程均以極點(diǎn)為對稱。
“點(diǎn)火提前角”表示A、B兩活塞對移壓縮至終點(diǎn)前，火花塞提前點(diǎn)火的角度。
“A活塞排氣控制角”表示A、B兩活塞到達(dá)工作終點(diǎn)時，兩側(cè)換氣孔同時開放排氣時間。該控制角延長至排氣部分表示A活塞一側(cè)排氣道的延遲關(guān)閉角。
“B活塞排氣控制角”表示A、B兩活塞到達(dá)工作終點(diǎn)時，B活塞一側(cè)換氣孔開啟時間，并且自開啟一直延長至進(jìn)氣開始后。延長至進(jìn)氣部份，為B活塞一側(cè)排氣道的延遲關(guān)閉角。
“B活塞進(jìn)氣控制角”表示A活塞下行進(jìn)氣時，B活塞一側(cè)換氣孔的開始時間，延伸到排氣部份，為B活塞一側(cè)進(jìn)氣道提前開啟時間。與“B活塞排氣控制角”的重疊部份為進(jìn)、排氣道的開啟重疊角。
三、圖3-1為大扭矩發(fā)動機(jī)排氣原理圖。缸套外面的虛線表示安裝缸套的缸體，與轉(zhuǎn)子是一個整體。在缸套換氣孔上下分別配置了進(jìn)氣岐管與排氣岐管。當(dāng)排氣行程時，進(jìn)氣岐管處于關(guān)閉狀態(tài)。圖中箭頭表示廢氣排出路線，α表示缸套換氣孔斜角。
四、圖3-2為大扭矩發(fā)動機(jī)進(jìn)氣原理圖。缸套外面的虛線表示安裝缸套的缸體，與轉(zhuǎn)子是一個整體。在缸套換氣孔上下分別配置了進(jìn)氣岐管與排氣岐管。當(dāng)進(jìn)氣行程時，排氣岐管處于關(guān)閉狀態(tài)。圖中箭頭表示進(jìn)氣路線；α表示缸套換氣孔的斜角。(八)、大扭矩發(fā)動機(jī)的應(yīng)用展望大扭矩發(fā)動機(jī)由于其單位馬力重量輕，在軍用和民用兩方面都有著廣泛的應(yīng)用前景。
在軍用方面可以用作制造小型飛行器的動力，可以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)士單人飛行。隨著這種小型飛行器的廣泛應(yīng)用，可改變目前空降部隊(duì)的被動局面；可變步兵戰(zhàn)斗的平面戰(zhàn)場為三維空間戰(zhàn)場；使步兵在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中重新成為攻擊的主力。此外在偵察、截?fù)簟⑼黄?、?qiáng)攻等重要軍事手段中將發(fā)揮重要作用。
在民用方面，裝備大扭矩發(fā)動機(jī)的小型飛行器，必然是取代小汽車的換代產(chǎn)品，它將把目前小汽車的平面運(yùn)動變成立體的空間運(yùn)動。人類自古以來夢寐以求的自由翱翔將可能成為現(xiàn)實(shí)。此外在摩托車發(fā)動機(jī)、摩托快艇發(fā)動機(jī)、汽車發(fā)動機(jī)等凡是需要動力的地方，都將可能得到廣泛地應(yīng)用。
權(quán)利要求
對移活塞式大扭矩發(fā)動機(jī)，究其工作原理而言，每個工作循環(huán)有四個行程，又可分為六個分步。當(dāng)輸出軸每旋轉(zhuǎn)半圈完成一個工作循環(huán)時，其輸出扭矩為四行程發(fā)動機(jī)的四倍，為二行程發(fā)動機(jī)的兩倍。在結(jié)構(gòu)上，對移活塞式大扭矩發(fā)動機(jī)的汽缸體為旋轉(zhuǎn)體，利用凸輪控制活塞等往復(fù)運(yùn)動組件按設(shè)定的規(guī)則在汽缸內(nèi)運(yùn)動。利用兩個活塞的對移運(yùn)動完成工作循環(huán)，運(yùn)用帶斜角的換氣孔換氣。運(yùn)用擺桿托輪完成排氣。對移活塞式大扭矩發(fā)動機(jī)屬活塞式內(nèi)燃機(jī)。但它有別于現(xiàn)行的裙型發(fā)動機(jī)，其特征是大扭矩發(fā)動機(jī)舍去了典柄連桿結(jié)構(gòu)，利用導(dǎo)軌控制活塞等往復(fù)運(yùn)動組件，按設(shè)定的規(guī)則在汽缸內(nèi)運(yùn)動，達(dá)到優(yōu)化燃燒過程的目的，并使其本身單位馬力重量大為減輕。主推桿擺動小，中心距短，受力狀態(tài)好，可設(shè)計(jì)得較小、較輕。采用擺桿和擺桿托輪排氣，使整個發(fā)動機(jī)的線性尺寸得到壓縮。采用帶斜角的換氣孔進(jìn)行換氣，使配氣機(jī)構(gòu)得到簡化。采用對移活塞工作方式，使機(jī)體重量進(jìn)一步減輕，使缸套的受熱均勻性得到改善。綜上所述，本發(fā)明的獨(dú)立權(quán)利要求為對移活塞式大扭矩發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)特征。對移活塞式大扭矩發(fā)動機(jī)的從屬權(quán)利要求為1、對移活塞式大扭矩發(fā)動機(jī)的工作原理。
2.對移活塞式大扭矩發(fā)動機(jī)的換氣方式。
全文摘要
對移活塞式大扭矩發(fā)動機(jī)，屬內(nèi)燃機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。該發(fā)動機(jī)具有類似二行程發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)，對移活塞式發(fā)動機(jī)的工作方式和四行程發(fā)動機(jī)的工作循環(huán)。輸出軸每旋轉(zhuǎn)半圈完成一個工作循環(huán)，從而提高了活塞運(yùn)動頻率，降低了輸出軸轉(zhuǎn)速；提高了輸出扭矩，簡化了機(jī)器結(jié)構(gòu)，降低了單位馬力自重?？赏@得單位馬力自重在0.4kg/馬力，輸出軸轉(zhuǎn)速較低的一種新型大扭矩輸出的發(fā)動機(jī)。以達(dá)到為小型飛行器或其它類型機(jī)械提供動力之目的。
文檔編號F02B59/00GK1165912SQ96108358
公開日1997年11月26日 申請日期1996年7月11日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月11日
發(fā)明者王榮 申請人:王榮