[发明专利]活塞式发动机的新型曲柄-连杆机构

说明书

本发明涉及一种活塞式发动机的曲柄-连杆机构。

对传统的活塞式发动机的曲柄-连杆所作的研究表明，在燃烧向未充分燃烧时，活塞即已离开上止点，未燃部分在此后的过程中持续燃烧。在活塞位移一段之后的燃烧热不做功，因而燃料的化学能没有得到充分利用。总的表现是，气缸中的最大压力较低，而且相对于活塞的行程来说，这个最大压力建立得较晚，因而在每一循环中的输出功较少。典型的传统活塞式发动机的曲柄-连杆-活塞系统如图1a）所示，活塞的位移X由曲柄r和连杆l在水平轴线上的投影r_x和l_x所确定，曲柄在右半圆运动时，活塞位移X为r_x和l_x之和，曲柄在左半圆运动时，活塞位移X为l_x和r_x之差，如图1b）和c）所示。图1.b）中的活塞刚刚经过上止点，曲柄向下运动，它在水平轴线上的投影r_x（作简谐运动）将减小，同时连杆也向下运动，其投影l_x也减小，由于此时X等于r_x和l_x之和，因此，活塞此时的运动是在简谐运动（离开上止点）之上叠加一个离开上止点的运动，这个运动由连杆的转动引起，连杆曲柄之比越大，这个运动速度越大，换言之，活塞以较简谐运动速度为快的速度离开上止点。由结构的对称性可以推知，在上止点之前，活塞以较简谐运动速度为快的速度逼近上止点。图1.C）所示的活塞刚刚离开下止点，而连杆向上运动，它在水平轴上的投影l_x减小，即产生一个指向下止点的运动，因此，活塞此时的运动是在简谐运动（离开下止点）之上叠加了一个指向下止点的运动。换言之，活塞以较简谐运动为慢的速度离开下止点。因结构对称，在下止点之前，活塞以较简谐运动为慢的速度逼近下止点。总之，在对燃烧非常重要的上止点附近，活塞具有较快的运动速度;而在下止点附近，则具有较慢的运动速度。图2描绘出活塞的位移曲线，曲线1是上止点附近的活塞位移曲线，原点对应上止点;曲线2是下止点附近的活塞位移曲线，原点表示下止点，可以看出，在对燃烧非常重要的上止点附近，活塞有较大的运动速度，对应曲轴转角θ，它具有较大位移;而在下止点附近，活塞具有较低的运动速度，对应相同的曲轴转角θ，它具有较小的位移。从而，传统的曲柄-连杆-活塞系统具有前面已提及的两个重要缺陷：1、在上止点附近，有效燃烧时间短，燃烧来不及充分进行;2、气缸内最大压力建立得较晚且较弱，因而在每一循环中的输出功较少。

现有的汽油机的燃烧持续时间大约是70-80度曲轴转角，柴油机的燃烧持续时间大约是40-50度曲轴转角。随着发动机转速N的提高，燃烧持续时间大约以N^0.15增长，若把从燃烧开始到活塞位移到前十分之一燃烧冲程所需的时间称为有效燃烧时间，则在发动机燃烧时间不变的情况下，延长这个时间是有益的。

在传统的发动机中，工作过程中活塞承受很大的侧向力，加剧了活塞与缸壁之间的摩损，增大了摩擦损失，因此，若能够降低活塞所受的侧向力也是有益的。

本发明的目的是要提供一种适用于活塞式发动机的新型曲柄-连杆机构，它能在发动机转速相同的情况下，在燃烧冲程的早期，减慢活塞位移速度，增加有效燃烧时间，使燃烧充分燃烧，因而压力场建立得较早且较强，显著增加了每一循环的输出功。

本发明的另一目的是要提供一种适用于活塞式发动机的新型曲柄-连杆机构，该机构能大大降低活塞所受的侧向力，改善活塞工作条件，减小摩擦损失。

本发明的上述目的是这样实现的：在传统的曲柄-连杆机构中增设副连杆，使改进后的曲柄-连杆-活塞实现这样的功能：活塞在上止点附近运动速度较慢，而在下止点附近运动速度较慢，而在下止点附近运动速度较快。在本发明的一个实施例中，曲柄依次通过第一连杆、双臂副连杆和第二连杆与活塞相连，曲柄的旋转运动通过第一连杆转化为副连杆的圆弧运动，副连杆的圆弧运动通过第二连杆转化为活塞在气缸中的直线往复运动。实际装配情况是这样的：第一连杆的一端与曲柄外端铰接，另一端与双臂副连杆的一端铰接，双臂副连杆的另一端与第二个连杆铰接，副连杆的双臂呈V形并铰接于一个固定支承点上。

在本发明的另一个实施例中，曲柄依次通过第一连杆、副连杆和第二连杆与活塞相连，副连杆是单臂的，具体装配情况是：曲柄外端与第一连杆一端相铰接，第一连杆另一端与副连杆中央铰接，副连杆端头则与第二连杆一端正交固定相连，第二连杆另一端与活塞相连，副连杆是直杆。