[发明专利]往复活塞式内燃动力机械

说明书

本发明涉及一种把燃料的化学能通过燃烧的形式转换为机械能的热机。尤其是由气缸、活塞、连杆、曲轴、配气机构和燃料供给系统等所组成的内燃动力机械。

目前广泛应用于工业、农业、国防等各领域作为发动机使用的就是这种机构。其工作原理如下：由空气——烯料混合物在气缸中燃烧，产生高温高压气体，膨胀后推动活塞，活塞再推动连杆，连杆摇动曲轴旋转，对外输出机械功。

以上原理类似于中国农村中时常可看到的人力磨：上半扇好比曲轴，套在木柄上的长木杆就象连杆，推磨的人则起了活塞的作用：一前一后的推拉长木杆，磨就连续不断的转动。这就是原始的曲轴连杆机构。

1783年英国工程师瓦特改良蒸汽机获得成功，他就是使用了该机构将活塞的往复运动转换成旋转运动，从而使原先只能用于煤矿排水的原始蒸汽机成了第一种具有广泛用途的发动机。

近两百年来，热机的发展有了长足的进步：德国的奥托和狄塞耳先后发明了汽油机、柴油机，但瓦特所首先采用的曲轴连杆机构仍沿用至今。以上为公知公用情况。

随着现代机械尤其是内燃机日益朝着高速、强载、大功率的方向发展，曲轴连杆机构固有缺点逐渐暴露：

1.连杆在工作中不但受到周期性变化的拉、压应力作用，还受到由于惯性所引起的横向的周期性变化的弯曲应力的作用。随着转速的提高，该应力急剧增大。连杆如有制造缺陷或设计强度不足，很容易发生疲劳失效，即发生弯曲、断裂等事故。

2.由于现代机械日益追求结构紧凑，往往将连杆缩短至极限，造成连杆通过活塞对缸壁产生很大的侧推力，在做功冲程中，侧推力达到最大。摩擦力也达到最大：因为在高温高压环境中，油膜形成且保持不易，在起动时最初一段时间里，侧向力使活塞裙部与缸壁发生干摩擦，使机械效率下降。特别在低速重载如车辆满载爬山时，往往是造成发动机过热的原因之一。

3.由于连杆在工作中相对于活塞高速摆动，现有技术是将活塞与连杆小头用销连接。由此造成了一系列问题：

(1)活塞周向材料分布不均，销孔部位较厚，受热时膨胀量大，造成活塞变形、失圆。易发生涨死现象。

(2)销、孔、连杆小头为基轴制配合，加工及控制公差比基孔制复杂。

(3)连杆高速摆动，造成销与小头孔之间的局部磨损，间隙分布不均。

(4)连杆小头深陷于活塞裙内部、润滑、散热均不易。

(5)高速摆动造成机体振动，难以完全平衡。

4.由于侧向力对缸壁和活塞裙部产生不均匀磨损，结果是使缸壁和活塞工作了一段时间后产生程度不等的椭圆形磨损：气缸的椭圆长轴与活塞的椭圆短轴重合，且做功冲程推力面的磨损尤甚。极限间隙逐步增大，气密性下降，漏油、漏气、起动不易等。虽然活塞上装有数道气环和油环，在某种程度上补偿了磨损所造成的间隙，但环的使用带来了缸壁的斜差磨耗，和泵油作用以及背压附加磨擦阻力。尤其是泵油作用过甚时造成大量润滑油进入燃烧室，这是积炭、火花塞不着火、爆震等的原因。另外大量滑油从排气管排出，也污染了环境，造成浪费。

5.由于连杆摆动，在设计时需考虑缸套和活塞裙部不能与之碰撞，故在冲程确定的情况下，缸径不能自由选择。长冲程、低油耗的远洋船用主机不得不使用十字头结构，但带来了结构复杂、道轨润滑困难，高度增加等问题。

6.由于连杆曲轴的结构所决定，运动形式复杂，连杆小头作往复运动，大头作圆周运动，曲轴从0°转至90°和90°转至180°中活塞均发生超出简谐运动范围的加速现象，换向过渡极不平稳，造成进气不畅、排气冲击波和压缩后半段过猛等不良现象，是机器运转不平稳的原因之一。

由于存在以上种种问题，人们曾作出种种努力试图取消连杆和曲轴机构。本世纪六十年代前联邦德国工程师汪克尔发明了三角活塞式转子发动机，由于密封技术复杂且效果不理想，制造、维护、修理比传统结构困难得多，至今未能推广。

本发明的任务是提出一种新型的往复——旋转转换机构，它在工作中使连杆仅作往复直线运动。从而一举解决了以上由于连杆高速摆动所带来的一系列问题，而保留了筒形气缸和柱形活塞制造及装配容易、密封技术简单的优点。

本发明采用的方案是：在曲轴的连杆轴颈上空套上一个小齿轮与一个固定在曲轴箱上的内齿轮啮合。当满足下列条件：

(1)小齿轮的齿数为内齿轮齿数的1/2。

(2)内齿轮齿数为双数。

(3)小齿轮的节圆半径等于曲轴主轴颈中心线与连杆轴颈中心线之间的距离。

(4)内齿轮的节圆半径等于小齿轮的节圆直径。