圓弧氣缸和活塞驅動的無曲軸發(fā)動機

發(fā)動機經過長期的技術發(fā)展，目前已發(fā)展到針對以提高發(fā)動機性能、滿足低碳排放指標、改善燃油效率為目標進行相關技術研發(fā)，并使精控空燃比、高能點火控制、氣門驅動控制、降低泵氣損失、電子控制、渦輪增壓、潤滑與冷卻系統性能改善等各項技術可不斷應用到發(fā)動機運行過程，這些技術研發(fā)均涉及到如何優(yōu)化氣缸的各沖程工作效率，可改善和提高發(fā)動機性能

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，另一方面發(fā)動機結構優(yōu)化也是提高發(fā)動機性能的重要組成部分，最初發(fā)動機性能改善大多得益于結構優(yōu)化技術的突破，研發(fā)出的直列、V型、水平對置、星型等各種結構的發(fā)動機,仍是目前市場應用的精典主流機型，其原理都是由燃燒導致氣體膨脹推動活塞做直線往復運動，然后通過曲軸將動力轉遞給發(fā)動機主軸帶動發(fā)動機主軸旋轉，構成目前發(fā)動機市場應用主流機型的精典結構

，而發(fā)動機如何能達到減少能源損耗和減輕尾氣排放的目的，將是優(yōu)化發(fā)動機結構設計方案的長期目標，涉及到開發(fā)出能使發(fā)動機結構簡單、緊湊、體積小、重量輕、動力傳輸效率高、振動小、摩擦損耗小、馬力大的發(fā)動機設計方案，因此有必要對如何優(yōu)化發(fā)動機結構的設計方案進一步進行一些有益探討，若開發(fā)出的發(fā)動機結構設計方案能使發(fā)動機更加的輕量化、高利用率，達到減少能源損耗和減輕尾氣排放的目的，將具有巨大的社會效益和經濟效益。

1 圓弧氣缸和活塞驅動的無曲軸發(fā)動機結構設計

圓弧氣缸和活塞驅動的無曲軸發(fā)動機結構分解圖如圖1所示，圖2是由搖桿通過曲柄連桿連接曲柄輪組成的一個曲柄搖桿機構示意圖。

教學評價方式對于教學起到很重要的作用。文秋芳指出：“目前教學中普遍存在的問題是，教師對學生完成的口頭表達任務評價空泛，對聽眾的表現置之不理;對學生完成的筆頭表達任務過多注意語言形式上的簡單錯誤，忽視語義表達的準確性和內容組織的邏輯性?！币虼?，教師對學生成績的評定可采用教師評價、學生互評、自我評價多種評價方式相結合的辦法，每種評價方式各占一定的比例。

圖中發(fā)動機結構由氣缸體、氣缸套、氣缸蓋、活塞、搖桿、曲柄連桿、曲柄輪、發(fā)動機主軸組成，其中：氣缸體可分解成前、后氣缸體，由螺桿固接閉合成氣缸體，中間加氣缸墊片密封，氣缸體呈圓蓋狀，其圓心是軸心線，在氣缸體軸心線位置設置主軸支承座、搖桿支承軸，以軸心線為中心在氣缸體內徑圓周上環(huán)形分布曲柄輪支承座，氣缸套則以軸心線為中心環(huán)形鑲嵌分布在氣缸體的外徑圓周上，與氣缸蓋閉合組成氣缸， 活塞可在氣缸內做圓弧往復運動，活塞尾部與一另一端設有支承環(huán)與位軸心線上的搖桿支承軸軸接，此時，活塞的圓弧往復運動可帶動搖桿以軸心線為支點做回轉運動，搖桿上設有曲柄連桿支承軸，曲柄輪上也設有曲柄連桿支承軸，曲柄連桿兩端設有支承環(huán)分別與搖桿和曲柄輪上的支承軸軸接，曲柄輪上設有支承軸與氣缸體上的曲柄輪支承座軸接，這樣搖桿與曲柄連桿和曲柄輪就組成了一個傳統的曲柄搖桿機構，曲柄輪軸上還設有齒輪與發(fā)動機主軸齒輪嚙合，發(fā)動機主軸上設置的齒輪也與曲柄輪相互嚙合，可由齒輪傳動將曲柄輪的運動和動力傳遞給發(fā)動機主軸，或者將發(fā)動機主軸的運動和動力傳遞給曲柄輪，發(fā)動機主軸前端設置連軸器與鏈帶驅動潤滑、冷卻、配氣等系統的設備運轉，后端設置法蘭與發(fā)動機飛輪固定連接，由此，通過活塞在氣缸內由燃燒導致氣體膨脹驅動的圓弧往復運動，帶動搖桿以軸心線為支點做回轉運動，再將回轉運動由傳統的曲柄搖桿機構轉化為曲柄輪的旋轉，然后曲柄輪將運動和動力由齒輪傳動傳送到發(fā)動機主軸上，從而可將膨脹氣體生成的運動和動力轉化為發(fā)動機主軸的輸出運動和動力，當傳統的曲柄搖桿機構中曲柄與曲柄連桿共線出現死點時，由發(fā)動機飛輪產生的慣性力帶過。

2 曲柄搖桿機構設計

如圖1所示的圓弧氣缸和活塞驅動的無曲軸發(fā)動機是四缸結構，四個氣缸環(huán)形分布在氣缸體外徑圓周上，活塞可在氣缸中作圓弧往復運動，帶動長度為L1的搖桿按擺角Φ回轉，取曲柄長度為L2，則通過曲柄搖桿機構的輔助圓圖解設計

可求解出曲柄輪軸心位置和連桿長如圖3所示。

圖中曲柄輪支承座軸心為A，以AB為半徑是曲柄運動軌跡圓，搖桿以支點D回轉，搖桿兩極限位置為C

D和C

D，夾角∠C

D C

為Φ，C

C

弧為搖桿回轉運動弧，曲柄與連桿鉸接點相應的位置為B

和B

，當搖桿回轉到極限位置時連桿是B

C

和B

C

長度為L3，按一般方法作出輔助圓I，兩連線B

B

和C

C

的中垂線MA和MN相交于M點。則有A、C

、C

、M四點共圓。

因M B

=M B

，B

C

= B

C

，M C

=M C

，ΔMB

C

=ΔM B

C

則有 ∠B

M B

= ∠C

A C

= ∠C

M C

=θ

由此可歸納出連桿長度是B

C

= B

C

=L3，曲柄輪支承座軸心位于A點，曲柄長度是B

A= B

A=L2，曲柄以A為圓心，以L2為半徑旋轉，搖桿以支點D回轉運動，搖桿長度為C

D= C

D=L1。

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圓弧氣缸和活塞發(fā)動機的結構如圖6所示，將如圖6所示的結構通過并聯疊加可得到如圖7所示的雙列發(fā)動機結構。

3 圓弧氣缸和活塞驅動的無曲軸發(fā)動機工作原理

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4 圓弧氣缸和活塞驅動的無曲軸發(fā)動機的優(yōu)點

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由此可根據得到的曲柄搖桿機構的設計參數，得到圓弧氣缸和活塞驅動的無曲軸發(fā)動機的氣缸體結構如圖4所示。

圖中發(fā)動機具有如下優(yōu)點：

圖中氣缸1至氣缸4環(huán)形分布在氣缸體的外徑圓周上，曲柄輪1至曲柄輪4環(huán)形分布在氣缸體內徑圓周上，圖中的氣缸1至氣缸4都有相應的活塞、搖桿、曲柄連桿、曲柄輪進行運動和動力傳送，每個曲柄輪的齒輪節(jié)圓均與發(fā)動機主軸的齒輪節(jié)圓相切，曲柄輪齒輪分別與發(fā)動機主軸齒輪嚙合，如圖5a所示的氣缸1處于做功沖程，當氣缸燃燒室點火燃燒壓縮空氣時，膨脹氣體可推動活塞1從上止點向下止點逆時針旋轉，此時曲柄輪1是主動輪，可輸送運動和動力驅動發(fā)動機主軸旋轉，曲柄輪2至曲柄輪4都是從動輪，由發(fā)動機主軸提供運動和動力聯動塞2至活塞4做圓弧運動在氣缸2至氣缸4中完成排氣、壓縮、吸氣的任務進入如圖5b所示的下一個沖程，此沖程氣缸3處于做功沖程，由曲柄輪3作為主動輪輸送運動和動力給發(fā)動機主軸旋轉，曲柄輪1、曲柄輪4、曲柄輪2是從動輪，由發(fā)動機主軸提供運動和動力聯動活塞1、活塞4、活塞2做圓弧運動在氣缸1、氣缸4、氣缸2中完成排氣、壓縮、吸氣的任務，如此循環(huán)往復由各曲柄輪輪換給發(fā)動機主軸輸送運動和動力，是一種由傳統的曲柄搖桿機構傳送動力的無曲軸發(fā)動機設計方案，本實施例的設計方案是有四個氣缸環(huán)形分布在氣缸體外徑圓周生成的四缸發(fā)動機，也可以設計三個或二個氣缸環(huán)形分布在氣缸體外徑圓周上，因此則可生成三缸或二缸發(fā)動機，能有效改變氣缸壓縮比。

(1)減少發(fā)動機振動

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本發(fā)動機結構中活塞的圓弧往復運動慣性、主軸旋轉慣性都以軸心線為中心，因此，各沖程生成的振動能相互抵消，可減少發(fā)動機振動，本發(fā)動機結構無曲軸帶來的重心與軸線偏離誤差帶來的振動，可減少發(fā)動機振動。

(2)減少氣缸與活塞的磨損

本發(fā)動機結構通過曲柄輪齒輪與發(fā)動機主軸齒輪嚙合，將曲柄輪的運動和動力傳遞給發(fā)動機主軸，通過改變曲柄輪齒輪與發(fā)動機主軸齒輪之間的傳動比，可加大發(fā)動機的傳動比。

(3)加大傳動比

圓弧氣缸和活塞發(fā)動機工作時，由膨脹氣體推動活塞做圓弧運動，帶動搖桿擺動，然后經曲柄搖桿機構驅動曲柄輪旋轉，并通過曲柄輪齒輪與發(fā)動機主軸齒輪傳動驅動主軸旋轉，從而可以將燃燒導致氣體膨脹所生成的運動和動力，轉化為發(fā)動機主軸的運動和動力輸出。發(fā)動機剖視圖圖5a-5b所示是四沖程發(fā)動機的工作原理。

本發(fā)動機結構活塞尾部與搖桿一端固定連接，而搖桿以軸心線為支點回轉，搖桿以軸心為支點可引導和約束活塞在氣缸內做圓弧往復運動，能有效減少氣缸與活塞之間側磨損，降低氣缸和活塞的磨損變形。

(4)優(yōu)化壓縮比

本發(fā)動機結構中通過在氣缸體外徑圓周上選擇環(huán)形分布四個氣缸、三個氣缸或二個氣缸，可得到不同的壓縮比，從而得到可優(yōu)化壓縮比的結構。

(5)加大馬力

選擇1#樣品韻達公司快遞包裹袋，剪取面積為0.5 cm×0.5 cm，利用反射法，在相同檢測條件下重復測定5次。

通過并聯疊加可將四缸發(fā)動機增加為雙列八缸發(fā)動機，三缸和二缸發(fā)動機增加為雙列六缸和雙列四缸發(fā)動機，成倍加大馬力。

(5)結構簡單和緊湊、體積小、重量輕

氣缸在氣缸體外徑圓周環(huán)形分布，曲柄輪和動力傳動機構環(huán)形分布在氣缸體內徑圓周區(qū)域，發(fā)動機主軸設置在軸心線位置，使得發(fā)動機徑向和軸向尺寸小，結構簡單和緊湊，可減少發(fā)動機體積和減輕發(fā)動機重量。

5 結論

對現有直線往復式活塞發(fā)動機結構改進的設計方案進行了一些有益探索，主要是將直筒氣缸改變?yōu)閳A弧氣缸，氣缸在氣缸體的圓周上環(huán)形分布，活塞在氣缸內由氣體膨脹推動做弧形運動，可使與活塞尾部連接的搖桿擺動，搖桿通過連桿與曲柄輪相連，組成曲柄搖桿機構將搖桿擺動轉換成曲柄輪的旋轉，曲柄輪與發(fā)動機主軸通過齒輪嚙合，從而可使燃燒導致氣體膨脹生成的運動和動力轉換為發(fā)動機主軸的輸出運動和動力，設計出一種新的無曲軸發(fā)動機，由此設計出的發(fā)動機具有振動小、氣缸與活塞之間磨損小、結構簡單緊湊、體積小、重量輕和可加大傳動比、優(yōu)化壓縮比以及可便捷成倍加大馬力等優(yōu)點。

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[3]【日】塩路昌宏,車用發(fā)動機燃燒技術發(fā)展趨勢及未來展望 汽車與新動力 2020第5期 26-31.

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