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“一冲程”活塞机的构想

时间:2024-08-31

俞永强

摘 要:本文介绍一种新型的“一冲程”活塞机。作者创新思路,是把平动机活塞直线往复运动变成摆动机活塞的弧线往复摆动。摆动机对缩小内燃机体积、提高功率、减少振动和油耗等,都有明显的改良作用。本文从理论上说明此机的基本原理和结构,以及它的优化问题,供参考。

关键词:“一冲程”活塞机;构想研究

绪论

本文介绍一种新型的活塞机—U型双作用摆动往复活塞机。它在平动机的基础上,把平动机活塞直线往复运动变成摆动机活塞的弧线往复摆动。改变其结构,使活塞两端都能做功,而达到“一冲程”的目的。对缩小平动机的体积提高工作效率都有明显的改良作用。在结构上改变了活塞、气缸形状和传动输出关系所表现的工作原理,同平动机一样。由于结构的改变,对加工、制造和材料强度要求比较高。故本文只能从原理上阐述“一冲程”活塞机的可行性。

目前,各国在提高发动机技术方面的竟争很激烈,都在使用新技术、新方法,进行降低油耗和提高功率为目的的开发研究;于是斯特林发动机、旋转活塞发动机、陶瓷发动机等的研究一时也活跃起来。而平动机研制已有百年历史,如今仍没有其它形式的发动机与之相媲美,可见它的某些结构特点是最优化的。作者认为平动机燃烧室形成和燃烧室密封优点尤为突出,但平动机由于自身其它一些结构特点,还存在一些不足,如下解说:

1、比重量、升功率的提高不明显。要使这些参数进一步提高,必须使平动机活塞上、下空间都合理利用起来,设计出“一冲程”机,来缩小体积,增大功率。

2、在平动机中如图(a),由于活塞、连杆和曲轴的传统连接,使活塞顶上的P气直接转变成曲轴转矩P切的力增加不明显。只有寻找新的传动形式,减少P侧和P损,去增加P切,那么就可进一步完成节能目的。

3、活塞、连杆、曲轴的惯性力和离心分力是

平动机产生振动的原因之一,如能合理利用惯性力,进行优化互补,或减少活塞连杆对曲轴产生的离心分力,这样不但能降低振动和噪音,而且使发动机工作可靠,延长柴油机使用寿命。

针对平动机以上情况,作者研制了一种新型摆动往复活塞内燃机,它在吸取平动机优点的同时,又克服了平动机的以上缺陷。

一、基本结构

如图(1-1),摆动机

与平动机在结构上,除活塞、气缸、连杆形状不同,其余部件基本一致,平动机的设计技术都可用于摆动机。

机体和气缸为环形状,活塞组绕中心轴在气缸中左右摆动。活塞

组中部开有滑槽,相当于平动机的连杆起动力传递作用。曲轴上的曲柄销和滚轮(或滑块),通过滑槽下部装入滑槽内,带动曲轴转动,具体结构如下:

(一)机体和气缸体

如图(1-2),机体和气缸体可整体和分体,整体能增加在机器的机械强度,减少安装间隙,但不易加工。分体加工方便,但安装间隙不易确定。

(二)活塞组

如图(1-3),它分左右两个头部,成扇形状,固定在中间连接件上。上头部开有轴孔,安装在中心轴上,中心轴一方面使活塞组悬挂其中,绕轴左、右摆动;另一方面确定了活塞运动轨迹,承受活塞组的侧向力、径向力、离心力,所以中心轴强度要求高。在中间连接件中部垂直开有滑槽,滑槽下部设有连接块,方便安装曲轴用。

(三)曲轴

如图(1-4)曲轴与平动机曲轴形状大致相同,所不同是在曲柄销上安装的滚轮或滑块,而不是连杆,滚轮和滑块可根据发动机的功率和转速而定,如下表分析:

(四)配气机构

如图(1-5)整个气缸盖的设计,都与平动机一样,凸轮轴可直接借用中心轴和活塞中间连接件轴孔头部,来控制气阀的启闭,使摆动机由于中心轴设计的复杂,而变得此设计的简接和合理。

(五)辅助设置系统

摆动机可运用平动机辅助设置系统,如燃油系统、冷却系统、润滑系统、启动和操纵系统等。

二、基本工作原理

基本工作原理摆动机与平动机基本一致,都有进气、压缩、膨胀、排气四个工作过程,所不同的是活塞组相对气缸左右摆动中,在气缸左右两边空间都发生相对变化,即一边进气、压缩,另一边又膨胀、排气,相互交替工作。活塞组一个工作冲程可完成多个工作过程,利用两冲程原理时,一个冲程就做功一次,利用四冲程原理时,四个冲程做功两次。如图(2-1)

曲轴在外力的作用下旋转,通过曲柄销和滚轮带动中间连接件上的滑槽,使活塞组沿气缸绕中心轴左、右摆动。当一缸处在压缩过程死点时,开始喷油燃烧,高压燃气推动活塞向另一边摆动,活塞组一方面通过中心轴确定运动轨迹,另一方面通过中心连接件上的滑槽带动曲柄和滚轮作圆周运动,使曲轴转动,向外做功。具体工作原理如下表(2-2)

从运动轨迹图(如图2-3)中可以分析得出,滚轮在滑槽表面滚动过程中,始终向一个方向转动,方向与曲轴转向相反,这样滚轮利用自身惯性力和滚动摩擦力,帮助曲柄销沿曲轴转动方向运动,形成转距,使设计合理。

三、设计目标和优化程度

(一)体积小,重量轻

用一组摆动机与二缸平动机进行比较,如下:

从上可得,摆动机比平动机体积小,重量轻。

(二)提高有功功率,降低油耗。

一组摆动机与二缸平动机相比,在缸径和行程一样的情况下,用四冲程工作原理,通过力学分析和力的变量说明,如图(3-3)(3-4)

综上所述,摆动机利用平动机的工作原理,使活塞左右两边都得到合理利用,在左边完成工作过程的同时,完成了右边工作过程,一个行程完成多个工作过程,冲程数减少一半,使发动机效率大为提高,另外也降低了运动摩擦力和泵气损失,而达到节能目的。

发动机换气效果好、燃烧完善是达到减排的最佳途径。在摆动机中,由于自身结构特点,活塞相对气缸摆动形成扇形工作容积,离中心轴远端容积变量大,近端容积变量小,于是近端、远端空气形成了压力差。如把进气阀设在远端,排气阀设在近端,这样在进气时,气缸容积逐渐增大,在远端容积变量大,进气阻力小,进气量多;在排气时,气缸工作容积变小,远端气体向近端压,产生吹气效能;在扫气过程中,利用流体通过集面大小所产生的流动变化规律,从进气口大量流进空气,从排气口迅速流出,扫气效果好,从上说明,摆动机比平动机换气好,达到了燃烧完善,降低有害气体排放的目的。

(四)振动减小,工作平稳。

在平动机中,活塞侧向力和惯性力,曲轴的径向力和离心力是产生振动之一,其中惯性力和离心分力影响最大。在平动机中,活塞连杆组惯性力最大时,一般在活塞死点附近;(如图3-5)。在上死点时,惯性力与P压力相反,这样可 抑制最大爆炸压力的产生,但要消耗曲轴的功率;在下死点时,惯性力与P压力方向相同,迭加后对曲轴产生运转阻力和振动,因此平动机应尽时减少活塞连杆组的重量。

在摆动机中(a)活塞没有侧向力,对气缸不产生高频振动;(b)活塞组对曲轴不产生离心分力,它的力主要作用在中心轴上。(c)由于冲程数减少,惯性力、径向力和离心分力减少一半。(d)活塞组的惯性力能带来益处,(如图3-6),在活塞运动时两边都有工作过程,利用惯性力来弥补工作过程所产生的泵气损失,而增加功率。综上简述,摆动机比平动机振动要小。

(五)使主件磨损减少,延长使用寿命。

在平动机中,减少运动主件的磨损,是延长发动机寿命的主要因素。主件有活塞、气缸、曲轴和连杆。活塞与气缸磨损,主要受侧向力影响,曲轴与连杆磨损主要受离心力、径向力和惯性力的影响,只要减少其作用力和往复运动次数,就可达到减少磨损目的。

在摆动机中,從结构和原理便知,活塞对气缸没有侧向力,曲轴受离心力、惯性力影响小,它们都集中作用在中心轴上,在运动中,还可相互抵消部分力,往复运动的次数也减小一半,所以,摆动机比平动机在主要部件上磨损减少,寿命增长。

(六)摆动机理论,可用于压缩空气机。

由于摆动机具有体积小、输出功率大、换气效果好等优点,可广泛用于空气压缩机。

四、结论

从以上基本结构和原理可知,(1)摆动机是在平动机的基础上设计出来的,平动机的一些设计理论都可用于摆动机,如活塞、配气机构、曲轴等,使摆动机的研制有较好的参考内容。(2)摆动机与平动机相比具有体积小、功率大、振动小、节能减排等优点;从我国发动机发展现状来看有一定的研究价值。(3)摆动机虽在理论上有某些进步性,还有待实际检验。它自身也存在某些固有的缺点,由于活塞、气缸、机体的形状不同,于是加工工艺还有待于进一步确定设计。另外,由于结构紧凑,于是材料强度要求高。

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