专利名称：偶缸直轴往复活塞式内燃机的制作方法
技术领域：
本发明属往复活塞式内燃机，尤其涉及无连杆和曲柄结构的内燃机。
现有往复活塞式内燃机都是由活塞带动连杆来驱动曲柄的旋转运动。这种结构因难于平衡往复惯性力和旋转惯性力而严重阻碍了这类内燃机性能指标的提高，另外，连杆、曲轴结构使内燃机体积大、结构复杂，并且自身的制造难度也大。曲柄圆滑块往复活塞式内燃机，取消了连杆，能缩小内燃机体积。但该机仍要使用曲轴，在设计上仍难解决平衡往复惯性力和旋转惯性力的问题，使设计复杂。
本发明的任务是用新的设计以实现取消往复活塞式内燃机的曲轴，用直轴取代曲轴，并减少圆滑块，达到提高机械效率减小往复惯性力、旋转惯性力、内燃机体积、降低制造成本，且易于加工制造的目的。
图1为主剖视图，图中1为不完全齿轮，2为上齿条，3为下齿条，4为轴，5为气缸。
图2为俯剖视图，图中6为排气活塞，7为扫气活塞，8为排气口，9为扫气口。
图3为由两个气体旋转中心变为一个的气缸缸底示意图，图中箭头所指为空气进、排气方向。
图4为始终具有两个气体旋转中心的气缸缸底示意图，图中箭头所指为空气进、排气方向。
图5为气缸作功的示功图。
参照说明书附图介绍本发明，本发明由活塞、气缸、轴组成，在气缸上设有排气口和扫气口，其特征部份是在活塞6、7中部内空腔内设计有上齿条2、下齿条3，即该上、下齿条连接两活塞顶;在轴4上安装有与每一活塞的上、下齿条啮合的不完全齿轮1，构成一齿轮传动副;气缸设计为在同一轴线上对置的两个缸，每个缸由两个相通的圆形气缸构成;气缸俯视剖面呈U形，两端缸底各有一曲面10、11，使两个圆形气缸相通;在气缸5上设有排气口8和扫气口9，在气缸12上也设有排气口和扫气口，且分别与气缸5上的排气口和扫气口对称。在两缸套间间隙设计有连通上、下排气、扫气口的管道。活塞中的上、下齿条2、3由三段(或二段)直齿条组成，也可由曲线形齿条组成，且上、下齿条对称于轴心，齿的中心线与气缸轴线垂直，齿条首末两段为活塞变速运动段，中间段为活塞匀速运动段。不完全齿轮1的轮廓由对数螺线或其它曲线组成，不完全齿轮上的齿的中心线与该点的旋转半径重合，不完全齿轮的运动分为加速弧段，减速弧段，匀速圆弧段，且加速弧段和减速弧段与齿条的变速运动段对应，匀速圆弧段与齿条表匀速运动段对应。气缸5、12上的排气口8和扫气口9的开闭分别由活塞6、7控制，在设计上，将与排气活塞6啮合的不完全齿轮超前与扫气活塞7啮合的不完全齿轮一定角度φ，并将其定义为换气角。活塞在作功时，活塞6先打开排气口8，完成先期排气后活塞7再打开扫气口9，实施扫气，其空气主流如图2箭头所示，当排气口8关闭，则扫气结束，但此时扫气口9仍有一定开度，从而获得过后充气，这样有利于扫气效率的提高。在气缸横剖面上，扫气口、排气口均沿切线方向排列，以使空气在气缸中产生旋转运动，将废气排出气缸。图3所示的U形缸底结构在完成扫气后，有两个空气旋转中心，当旋转着的空气被压至缸底后，这两个旋转中心逐渐变成一个，空气紊流强烈，因而有利于燃油混合;图4所示的缸底结构，空气始终保持两个旋转中心，因而有利于燃油涂布。
通过以下的推导可得出确定本发明内燃机冲程的基本公式设不完全齿轮上的加速弧段为
减速弧段为
中间圆弧段为
;脱离啮啮合后的惯性冲程量为S1，又设上述各弧段与转轴中心的夹角分别由加速角φ1，减速角φ2、匀速角β，柔转角γ，则活塞的冲程S由以上各弧段组成，即S＝
+SI(1)为了减小冲击和应力，可选用各种曲线为不完全齿轮的变速弧段，设活塞的变速运动段为斜直齿条，则不完全齿轮的变速弧为对数螺线。以加速段为例，设加速段齿条与气缸轴线的夹角为α1，不完全齿轮以角速度ω旋转角度△θ，旋转半径变量△r，弧长变量△S，则有tgα1＝ (dr)/(ds) (2)结合极坐标系内弧长微分方程ds2＝r2dθ2+dr2(3)引入边界条件θ＝O，r＝r0
积分得r = r0eθc t g α1- 1(4)]]>
＝rctgα1(5)式中r0-进入啮合时的旋转半径(m);r-啮合点旋转半径(m)。
(4)、(5)两式即为确定冲程的基本公式。
为避免活塞6、7反向时不完全齿轮自锁和减小冲击，在不完全齿轮与齿条脱离啮合时，不立即进入正常啮合，而需要滞后一定角度γ，称为柔转角。一般情况下，不完全齿轮转过柔转角、加速角、匀速角和减速角，即为半圆周，同时活塞完成一个冲程。设置柔转角，能使内燃机平稳地运转，并能消除活塞往复惯性力的影响。
参照图5计算本发明内燃机的指示功和指示功率，将对置的两个气缸作为一个系统来考虑，则任何时刻两缸容积之和为定值V∑(包括冲程损失容积VS)，为叙述方便，将对置的两缸称为缸1、缸2，V∑由压缩终点时缸1容积Vc1、缸2容积Vc2和冲程容积V′h三部份组成。以气缸压力P为纵衡坐标，V∑为横坐标建立双向坐标系，规定横坐标始终以膨胀作功气缸的体积增加为正，两缸压差对外作功，图5中P7、P2分别表示缸1、缸2的压力，作功气缸的压力变化曲线C1Z1d1b1a1是P1随缸1体积V1变化的规律，被压缩气缸的压力变化曲线a2d1c2是P2随缸1体积变化的规律;以P1为积分上限，P2为积分下限，积分得示功图面积Fi，它是正功面积F1和负功面积F2的代数和;在d1点积分上、下限曲线相交，活塞两端压力相等，继续膨胀，则输出功为负，需外界提供能量以压缩气缸2内气体，设作功缸在d1点的体积为Vd1;d1点将曲线c1Z1d1b1a1和曲线a2d1c2分为两段，设曲线C1Z1d1段p1＝p1a，曲线d1b1a1段p1＝p16;曲线a2d1段p2＝p2a，曲线d1c2段p2＝p2b，则Fi可表示为
其中
(6)、(7)、(8)三式不能通过解析方法求得结果，须先将实验中获得的数据整理后，绘制出示功图，积出示功面积Fi，代入下式求出指示功WiWi＝ (Fi·H·L)/100 (9)式中H-示功图纵坐标比例尺(N/cm2/cm)L-示功图横坐标比例尺(cm3/cm)单位气缸工作容积所作的指示功，即平均指示压力Pi为Pi＝ (Wi)/(Vh) (J/m3) (10)式中Vh-每缸工作容积。(m3)具有i个气缸的内燃机每秒所作指示功，亦即指示功率为Ni＝λPiVhni (W) (11)式中λ-功率修正系数。
n-转速(S-1)因完成一冲程转轴并不恰好转过180°，需对指示功率进行修正λ = (γ+φ1+β+φ2)/180 (12)图5还可用于处理活塞柔顺反向问题，以指导选择柔转角γ。设活塞质量为mo，活塞齿条脱离啮合时的速度为Vo，经过时间t1活塞速度减到零，再经过时间t2，活塞速度在相反方向增加到Vo，并与不完全齿轮无冲击地啮合，与此同时，不完全齿轮转过柔转角γ，实际计算该角时，按以下步骤进行(1)在示功图上距压缩终点(c1或c2)ΔV处(脱离啮合点)作一垂线，积出ΔV所对应的示功面积F′，代入(9)式求出指示功W′。
(2)根据能量守恒，速度为Vo的活塞速度减到零，必具备重量m，才能作功W′，故有W′＝ 1/2 mV2o(13)(3)求出m，并比较m、m0，若m＞mo，则减小ΔV，若m＜mo，则增大ΔV，重复以上计算，直至m＝mo。
(4)根据确定的ΔV，即可求出脱离啮合后冲程量SI，并将其定义为惯性冲程量。
(5)设平均压力值为P，平均作用时间t1，根据动量定理∫0tPAdt=Δ(mV)(14)]]>
式中△(mV)-动量变化量(kg.m/S)A-气缸横断面积(m2)P-气缸压力(Pa)引入平均压力P、平均作用时间t1，则有APt1＝mVo(15)W′＝APSI(16)所以t1= (mv0SI)/(W′) (17)(6)同理可求出t2，自由冲程量SⅡ，SⅡ为压缩终点到活塞正常啮合的距离，令t＝t1+t2，t称为柔转时间，代入下式即可得柔转角γ＝ωt(18)本发明由于以直轴取代了曲轴，使往复运动质量与旋转运动质量分开，有利于内燃机向高速化发展活塞的往复惯性力主要作用于压缩缸内气体，这有助于消除机体振动，也不需设置平衡轴，运动质量可精确测定，所以转轴平衡容易，运转平稳，因而轴承内应力减小，轴瓦寿命延长，机体的应力状况也得到改善。由于零件减少，所以结构简单、运行可靠，故障率下降，机械效率得以提高;由于没有曲轴和平衡轴，故成本低、体积小、重量轻，且制造容易。
实施例图1所示左边气缸即缸12正在作功，不完全齿轮1与上齿条2啮合，活塞向右运动，轴4顺时针方向旋转，冲程即将结束。
活塞6先打开排气口(处于排气口8的对称位置)，完成先期排气后，活塞7才打开扫气口(处于扫气口9的对称位置)实施扫气;随即不完全齿轮1与上齿条脱离啮合而与下齿条3啮合，此时右边气缸即缸5作功，活塞向左运动，完成二冲程循环。
权利要求
1.一种往复活塞式内燃机，包括有活塞、气缸、轴，在气缸横剖面上沿切线方向排列有排气口和扫气口，其特征在于两缸对置，每个缸由两个相通的圆形气缸构成，且在同一轴线上；在每一活塞中部内空腔里设计有上、下齿条，该上、下齿条连接两活塞顶，在轴上安装有与每一活塞的上、下齿条啮合的不完全齿轮。
2.按权利要求1所述的内燃机，其特征是活塞中的上、下齿条由三段或二段直齿条组成。也可由曲线形齿条组成，齿的中心线与气缸轴线垂直。
3.按权利要求1所述的内燃机，其特征是不完全齿轮的轮廓由对数螺线或其它曲线组成，且不完全齿轮上的齿的中心线与该点的旋转半经重合。
4.按权利要求1所述的内燃机，其特征是与排气活塞啮合的不完全齿轮超前与扫气活塞啮合的不完全齿轮一定角度。
5.按权利要求1.2、3、4、所述的内燃机，其特征是在不完全齿轮与齿条脱离啮合时，不立即进入正常啮合，而滞后一定角度。
全文摘要
本发明是一种往复活塞式内燃机，采取两缸对置，每个缸由两个相通的圆形气缸构成。且在同一轴线上；在每一活塞中部内空腔里设计有上下齿条，在输出轴上安装有与每一活塞的上下齿条啮合的不完全齿轮。本发明既可用于火花点火式发动机也可用于压燃式发动机，适用于船舶、机车等运载工具。
文档编号F01B9/04GK1043978SQ8910950
公开日1990年7月18日 申请日期1989年12月18日 优先权日1989年12月18日
发明者孔令彬 申请人:孔令彬