技术领域

本发明涉及一种往复活塞式内燃机，特别是一种往复活塞直轴式内燃机。

                            背景技术

往复活塞曲轴式内燃机，从发明到现在已经一百多年了。目前世界上效率最高的内燃机， 是大功率增压中速四冲程柴油机，其效率接近55％。除此之外，其它的很少能达到50％。普 通柴油机的效率大约在30％～40％之间，而汽油机的效率普遍较低，一般只有22％～30％(《内 燃机原理》华中科技大学出版社，2001年6月第一版，P52页)。从这组数据来看，我们人 类对石油资源的利用效率是不高的。当今世界石油期货价格每桶已上涨到近70美元，很多 行业因为油价上涨，已经感觉到难以承受，各国的经济建设成本也因此不断上升。为了节约 能源，各国竞相开发高效率动力装置，其中最先进的是氢燃料电池发动机，虽然它的热效率 已超过了60％，但走向普及，还有很漫长的路要走。

提高传统内燃机的效率是个世界性的课题，人类在提高内燃机效率方面想了不少的办 法，如采用电喷、提高压缩比、涡轮增压、改善排汽、添加剂、电脑控制以及在新工艺新材 料等等方面做文章。从目前对内燃机的研发效果来看，不改变其连杆、曲轴的结构方式，则 效率很难再有大的提高，这一点我们可以从传统内燃机工作过程的分析中，很清楚的看出来。 无论是柴油机、汽油机或其它的往复活塞曲轴式内燃机的效率损失，我们可以很容易在其自 身的示功P-φ图上找出来。我们以本田大鲨150型单缸四行程水冷式汽油机为例(该机参数 为：排量150ml，活塞行程5.7cm，连杆长度9.6cm)，其数学模型如图1所示，在该 机的示功P-φ图(图2)上，活塞在运转过程中所受到的压力变化曲线是I，而其作功时的 输出扭矩是怎样变化的呢？我们知道，在传统往复活塞曲轴式内燃机物理模型的数学关系表 达式中，活塞的压力作用在曲轴的切向力为：

Pt＝P×sin(a+β)/cosβ  MPa                                         (1)

-------(《机械工程手册》第74篇《内燃机》1979年版P16页，机械工业出版社)。 而曲轴的输出扭矩：

 Mt＝Pt×R＝P×Rsin(a+β)/cosβ  N·m                               (2)

 -------(同上)。 根据式(2)，我们可以在图2的P-φ图上，根据曲轴转角的变化，描出该单缸往复活塞曲轴 式汽油机作功时的输出扭矩跟随压力变化的扭矩曲线II。从曲线II可以看出，在作功行程里， 活塞在上止点时的输出扭矩为零，随着活塞离开上止点，输出扭矩才逐渐产生，只有当曲轴 转角达到约30度时，输出扭矩才能达到最大值，随后又呈递减趋势，当曲轴转角达到约60 度以后，扭矩曲线II才逐渐逼近压力曲线I。从曲线II和O-X轴包围的面积来看，该机作功 时，其活塞推力转变为对曲轴的扭矩是很不充分的，尤其是当曲轴转角在0至40度之间时。 可以说，曲线I与曲线II之间和O-Y轴包围的面积(图中横虚线所示)，就是该机结构上的 原因而造成的功率损失。不仅如此，由于活塞在爆发行程的推力不能很有效地转变为对曲轴 的扭矩，反而会对曲轴、连杆、轴承等零部件造成冲击，尤其是当爆震出现时，对内燃机危 害很大。因此，它迫使我们在设计内燃机时，要充分考虑机械零件的强度和寿命，增大零件 尺寸。依此类推，我们也可以在其它类型的往复活塞曲轴式内燃机上找到同样的答案，所以 说，造成传统往复活塞曲轴式内燃机效率低下的主要原因，是活塞在作功时不能有效地将活 塞的推力转变为对曲轴的扭矩。

                                发明内容

为了克服往复活塞曲轴式内燃机在作功行程不能有效地将活塞的推力转变为对曲轴的 扭矩的缺点，本发明提出一种往复活塞直轴式内燃机，该内燃机不但能有效地将活塞在作功 行程的推力转变为输出扭矩，提高功率输出，而且改善了内燃机的综合性能。

本发明解决技术问题的方案是：一种往复活塞式内燃机，它由汽缸、活塞、连杆、飞轮 轴、机体等组成。其特征是：往复活塞式内燃机的飞轮轴是直轴，在飞轮轴的飞轮上设置有 滑道，连杆大头绞接在杠杆上，杠杆上安装有插入到飞轮滑道内的短轴，杠杆固定在单向超 越离合器上，单向超越离合器通过变速装置与飞轮轴相连。

上述方案是在往复活塞曲轴式内燃机的基础上，让连杆大头与曲轴分离后，绞接在安装 有短轴的杠杆上，并且把飞轮轴由曲轴改为直轴，活塞在作功行程的推力通过连杆和杠杆， 变成了对单向超越离合器的扭矩，单向超越离合器在得到扭矩后，又通过变速装置传递给飞 轮轴，维持内燃机的运转。至于活塞在各个行程的运动状态，则通过飞轮轴上飞轮的滑道来 控制杠杆上的短轴予以实现。

                                有益效果

1、内燃机的效率提高。在往复活塞直轴式内燃机的作功行程里，由于连杆大头绞接在 杠杆上，当活塞离开汽缸上止点以后，连杆大头就进入到自由向下的悬空状态，这时活塞的 推力仅仅只能通过连杆和杠杆变为对单向超越离合器的扭矩，只有在作功行程末期，连杆大 头才通过杠杆、短轴和缓冲装置接触到飞轮，它最大限度地利用了活塞在作功行程的推力， 使内燃机的输出扭矩增大。我们再回头来看图2，在图2中，我们假定P-φ图上的曲线I，就 是改进后的本田大鲨150型单缸往复活塞水冷式汽油机的输出扭矩曲线，从P-φ图可以看出， 在活塞作功区间，曲线I和O-X轴包围的面积，比改进前的曲轴式汽油机输出扭矩曲线II和 O-X轴包围的面积多出约30％，而且曲线I的峰值是曲线II的峰值的两倍。因为所有往复活塞 曲轴式内燃机的结构原理是一样的，所以，它们的效率在改进后都能得以提高。

2、内燃机缸体与活塞的磨损降低。与往复活塞曲轴式内燃机相比，由于往复活塞直轴 式内燃机的连杆大头与飞轮轴分离，内燃机运转时，连杆大头沿活塞的对称中心线左右周期 摆动的距离大幅减小，因此，活塞在汽缸内运动的过程中，对汽缸壁的侧向推力也相应减小， 这既减少了摩擦阻力，同时降低了磨损，相应地也延长了活塞和汽缸的使用寿命。

3、内燃机的升功率增加。

4、内燃机热负荷降低。由于燃烧介质在往复活塞直轴式内燃机汽缸内膨胀过程中的输 出功率增加，根据能量守恒定律，其放热必然是减少的。

5、内燃机的怠速降低。对任何一种原有规格的内燃机而言，根据本发明的原理改进后， 内燃机的输出扭矩是增加的，而维持某特定一种内燃机怠速运行所需的功率N是一定的，那 么，根据功率公式：

            N＝M×ω  W            (3)

在式(3)中，由于扭矩M的增加，必然使内燃机的怠速ω下降。所以，对任何一种原 有规格的曲轴式内燃机而言，经过改进后，内燃机的怠速是降低的。

6、省去了制造往复活塞曲轴式内燃机曲轴的复杂工序。

                    附图说明

图1是曲轴式内燃机数学模型图；

图2是曲轴式汽油机示功P-φ图；

图3是直轴式内燃机改进部分基本结构初图；

图4是直轴式内燃机短轴运动轨迹初图；

图5是直轴式内燃机短轴上止点定位图；

图6是直轴式内燃机短轴下止点定位图；

图7是图6飞轮滑道轨迹偏移图；

图8是图7飞轮滑道轨迹修定图；

图9是图8飞轮滑道轨迹加工图；

图10是图9飞轮滑道轨迹补充加工图；

图11是直轴式内燃机飞轮滑道轨迹正式图；

图12是直轴式内燃机飞轮滑道缓冲装置位置图；

图13是图12飞轮滑道缓冲装置局部结构图；

图14是直轴式内燃机改进部分立体示意图；

图15是直轴式内燃机工作原理说明组图；

图中  1.齿轮A，2.齿轮B，3.齿轮C，4.单向超越离合器内环轴，5.单向超越 离合器外环，6.杠杆，7.短轴，8.飞轮轴，9.飞轮，9′.镜像飞轮，10.缓冲装置， 11.活塞。

                            实施方式

本发明的制作过程如图3所示，变速装置由齿轮A1、齿轮B2、齿轮C3构成(这里选择 的转速关系为：齿轮C3的转速是齿轮A1的转速的三倍)。齿轮A1与单向超越离合器内环轴 4相连，在单向超越离合器外环5上固定杠杆6，在杠杆6上设置有的短轴7，在连接齿轮C3的 飞轮轴8上固定有飞轮9[注：齿轮A1和单向超越离合器内环轴4为一体，齿轮C3、飞轮轴8 和飞轮9为一体]。为了首先确定飞轮9上的滑道的形状，我们进行以下操作：当短轴7的轴心 在飞轮9的边沿位置时，往下推动杠杆6，使单向超越离合器外环5与单向超越离合器内环轴4 在闭合状态，这时，单向超越离合器外环5的扭矩传递给单向超越离合器内环轴4，单向超越 离合器内环轴4通过齿轮A1、齿轮B2、齿轮C3带动飞轮轴8及飞轮9沿顺时针方向旋转，当 下压杠杆6使飞轮9旋转一周后，这时可以在旋转的飞轮9上得到一个杠杆6上的短轴7的运动 轨迹的垂直投影，如图4填充部分所示。在这里，我们还要把图4所示的轨迹进行定位和修正。 我们首先把短轴7的轴心靠近飞轮9边沿的G点确定为起点，我们称它为短轴7的上止点，用符 号“G”表示，如图5所示。当往下压杠杆6使短轴7的轴心旋转至E点时刻，我们把E点确定 为短轴7的下止点，用符号“E”表示，如图6所示，此时单向超越离合器内环轴4的轴心线、 短轴7的轴心线和飞轮轴8的轴心线在同一平面上。接下来，我们要人为地阻止短轴7从E点继 续下行，因此，要对图6飞轮9上E点以下的运动轨迹进行修改，于是我们在短轴7停留在下止 点E时，从与短轴7接触的轨迹两侧往下逐渐圆滑地对原轨迹进行偏移，并延续到短轴7停留在 上止点G时的轨迹起点，如图7飞轮9上轨迹下侧的虚线所示，这样，短轴7从E点继续下行的 条件被破坏，因为我们规定短轴7必须始终在轨迹内移动或停留，不能跳出，所以E点成为了 短轴7一个真正意义上的下止点。此时如果让飞轮9往顺时针方向旋转时，则飞轮9上E点以下 修改后的虚线轨迹，会产生一个把短轴7往上推的趋势，按照此趋势，单向超越离合器外环5 与单向超越离合器内环轴4将被打开，杠杆6以及短轴7也将在虚线轨迹的作用下向上运动， 修改后的轨迹如图8飞轮9上的轨迹所示。

下一步的工作，是用数控加工设备，在飞轮9上按图8所示飞轮9上的轨迹铣出有一定深 度尺寸的滑道，于是得到滑道外曲面abca和内曲面a′b′c′a′，如图9飞轮9上的填充部分 所示，为了说明方便，我们把两个曲面上的a点、a′点分别设在当短轴7在上止点G时与外曲 面、内曲面的接触点，同时把两个曲面上的b点、b′点分别设在当短轴7在下止点E时与外曲 面、内曲面的接触点，而c点、c′点是任意分别放在下部外曲面、内曲面上的点。在这里， 我们为了保证短轴7在受外力作用从上止点G开始往下运动时，在内曲面b′点以前不接触到 内曲面的a′b′段的任何点，使短轴7在滑道内呈现悬空状态，我们还要在保留a′点、b′ 点的条件下，修正内曲面a′b′段，如图10飞轮9上的填充部分所示，我们同样用数控加工 按相同深度尺寸，把飞轮9上填充部分铣掉，于是得到一个新的a′b′段的内曲面，最后在 飞轮9上得到了我们所需要的完整的滑道形状，如图11填充部分所示。接下来，我们把杠杆6 上的短轴7取下来，并且在圆心位置保持不变的条件下，把杠杆6上安装短轴7的内孔规则放 大，然后加装好轴承，再在轴承内安装好短轴7，并将短轴7的下端的一段插入到加工好了的 滑道内，这时，我们直接用手顺时针旋转飞轮9，短轴7能够在滑道的作用下于G点和E点之间 上下运动。

我们知道，当杠杆6上的短轴7受力从上止点G开始往下运动时，由于短轴7携带着自身的 以及杠杆6等的质量以及动能，而且短轴7的运动方向与飞轮9滑道曲面b′c′a′的旋转方向 相反，因此，短轴7下行至内曲面的b′点时，会发生机械碰撞，并且产生噪音，这对内燃机 的安全运转是不利的。为了降低机械碰撞带来的危害，我们可以在飞轮9的滑道内设置缓冲 装置10，如图12所示，其原理是：当短轴7在下行途中还没有与飞轮9滑道内曲面b′点接触 前，先与滑道内的缓冲装置10的Q点接触，然后短轴7贴着缓冲装置10继续下行，平缓过渡到 滑道内曲面b′点停止，然后掉头向上运行。缓冲装置10的局部放大图如图13所示，它是在 飞轮滑道的反面加工后安装的。

最后，通过数控加工设备的镜像功能，按上述步骤再制作出与飞轮9完全对称的第二只 飞轮9′，我们称它为镜像飞轮9′，并把它对称安装好，并且使短轴7的另一端插入到镜像 飞轮9′的滑道内，这时，我们同样直接用手顺时针旋转飞轮9或者镜像飞轮9′，短轴7能够 在滑道的作用下于G点和E点之间上下灵活运动。接下来，我们在杠杆6上铰接安装好连杆和 活塞11，如图14所示，涉及本发明的改进工作就完成了。只要我们再安装好其它必要的系统 和零部件，一台单缸往复活塞直轴式内燃机就组装完成了。

                            工作原理

我们先以四冲程内燃机为例来描述其运转过程：如图15中组图所示，内燃机启动时，启 动机使飞轮9顺时针方向旋转，短轴7在飞轮9滑道的作用下通过杠杆6带动连杆和活塞11上下 运动。我们首先假设短轴7在上止点G处，同时活塞11也在汽缸的上止点，见图(e)，这时短 轴7受旋转的飞轮9滑道外曲面ab段侧压力，使短轴7通过杠杆6带动连杆和活塞11下行，见图 (f)，以此来达到帮助汽缸进气的目的，当短轴7经过缓冲装置10到达滑道内曲面的b′点后 停止下行，活塞11也到达汽缸下止点，活塞停止下行，见图(g)，进气结束。随后滑道的内 曲面b′c′a′向上推动短轴7使杠杆6上的连杆和活塞11上行，见图(h)，这时单向超越离 合器外环5与单向超越离合器内环轴4分开，进入压缩行程，见图(i)，当短轴7沿滑道的内 曲面b′c′a′到达上止点G点时，活塞11也进入到汽缸的上止点，见图(j)，即将进入作功 行程。在作功行程，见图(k)，短轴7脱离了滑道内曲面a′点的约束进入到ab段，而且处于 悬空状态，见图(l)，活塞11向下的推力通过连杆和杠杆6，促使单向超越离合器外环5与单 向超越离合器内环轴4闭合，于是活塞11的推力就通过连杆、杠杆6和单向超越离合器外环5， 变为了对单向超越离合器内环轴4的扭矩，受扭矩作用的单向超越离合器内环轴4又通过齿轮 A1、齿轮B2、齿轮C3带动飞轮轴8及飞轮9旋转，直到短轴7再次经过缓冲装置10接触滑道 内曲面b′点，活塞11也到达汽缸下止点，见图(m)，作功结束；最后飞轮9滑道内曲面b′ c′a′又推动短轴7带动连杆和活塞11上行，见图(n)，单向超越离合器外环5与单向超越离 合器内环轴4分开，活塞11进入排气行程，见图(o)，当活塞11到达汽缸上止点后，见图(p)， 排气完成。由于四冲程内燃机已经启动，旋转的飞轮9滑道使短轴7控制连杆和活塞11进入下 一循环。

两冲程内燃机的运转过程也如图15中组图所示，启动时，启动机使飞轮9顺时针方向旋 转，我们还是首先假设短轴7在上止点G处，同时活塞11也在汽缸的上止点，见图(e)，这时 短轴7受旋转的飞轮9滑道外曲面ab段侧压力，使短轴7通过杠杆6带动连杆和活塞11下行，见 图(f)，当活塞11下行至汽缸进气口时，由于活塞下腔的压力作用，飞轮箱的混合汽被挤入 汽缸进气口，汽缸开始进气，当短轴7经过缓冲装置10到达滑道内曲面的b′点后停止下行， 活塞11也到达汽缸下止点，见图(g)，停止下行，进气继续。随后滑道的内曲面b′c′a′ 向上推动短轴7使连杆和活塞11上行，见图(h)，这时单向超越离合器外环5与单向超越离合 器内环轴4分开，当活塞11上行封闭了汽缸进气口后，进气结束，当活塞11继续上行且封闭 了汽缸排气口后，进入压缩行程，见图(i)，活塞11继续上行，当短轴7沿滑道的内曲面b′ c′a′到达上止点G点时，活塞11也进入到汽缸的上止点，见图(j)，压缩行程结束，与此 同时，由于活塞11上行时活塞下腔的负压作用，进气装置的混合汽被吸入到飞轮箱。接下来， 内燃机进入作功行程，见图(k)，在作功行程，短轴7脱离了滑道内曲面a′点的约束进入到 ab段，而且处于悬空状态，见图(l)，活塞11向下的推力通过连杆和杠杆6，促使单向超越离 合器外环5与单向超越离合器内环轴4闭合，于是活塞11的推力就通过连杆、杠杆6和单向超 越离合器外环5，变为了对单向超越离合器内环轴4的扭矩，受扭矩作用的单向超越离合器内 环轴4又通过齿轮A1、齿轮B2、齿轮C3带动飞轮轴8及飞轮9旋转，当活塞11下行至汽缸排 气口时，作功结束，排气开始，再当活塞11下行至汽缸进气口时，由于活塞11下行时活塞下 腔的压力作用，飞轮箱的混合汽被挤入汽缸进气口，汽缸开始进气，当短轴7再次经过缓冲 装置10接触滑道内曲面b′点，停止下行，活塞11到达汽缸下止点，见图(m)，这时进气仍 在继续；随后，飞轮9滑道内曲面b′c′a′又推动短轴7通过杠杆6带动连杆和活塞11上行， 见图(n)，单向超越离合器外环5与单向超越离合器内环轴4分开，当活塞11上行封闭了汽缸 进气口后，进气结束，接着，当活塞11上行封闭了汽缸排气口后，进入压缩行程，见图(o)， 飞轮9滑道内曲面b′c′a′继续推动短轴7带动连杆和活塞11上行，当活塞11到达汽缸上止 点后，压缩完成，见图(p)，又进入作功行程。由于两冲程内燃机已经启动，旋转的飞轮9 滑道使短轴7控制连杆和活塞11进入下一循环。

从上面对两冲程内燃机和四冲程内燃机工作原理的叙述可以看出，本发明的目的只有一 个：让往复活塞式内燃机的活塞在作功行程的推力，尽可能大的转换成输出扭矩，它不受往 复活塞式内燃机燃烧介质的种类、冲程数量、点火方式的限制，仅仅只是在往复活塞曲轴式 内燃机的基础上，让连杆大头与曲轴脱离后，通过本发明的技术方案，把活塞在作功行程的 推力，转换成扭矩后又回送到飞轮轴8上，克服了传统往复活塞曲轴式内燃机的不足，改善 动力的传递，提高效率，增强内燃机的综合性能。

在本发明中，通过飞轮9滑道对短轴7控制，实现了对连杆、活塞11的控制。在飞轮9顺 时针旋转的条件下，当短轴7在滑道ab段时，活塞11总是向下运行的，所不同的是，在进气 行程，是滑道外曲面ab段的侧压力使其下行，而在作功行程，是汽缸的爆发压力使其下行； 当短轴7在滑道bca段，由于滑道内曲面b′c′a′的作用，活塞11总是向上运行的。

在往复活塞直轴式内燃机的运转过程中，无论在哪个行程，单向超越离合器内环轴4始 终通过变速装置(齿轮A1、齿轮B2、齿轮C3)与飞轮轴8同向不同速旋转；单向超越离合 器外环5与单向超越离合器内环轴4在内燃机的作功行程是闭合的，其作用就是把活塞11的推 力，通过连杆、杠杆6和单向超越离合器外环5变为对单向超越离合器内环轴4的扭矩，而活 塞11在上行的过程中，单向超越离合器外环5与单向超越离合器内环轴4才是分开的。单向超 越离合器内环轴4在得到由于活塞11的推力而产生的扭矩后，其中的一部分通过变速装置(齿 轮A1、齿轮B2、齿轮C3)传递给飞轮轴8，维持内燃机的运转，多余部分则作为动力输出 到负载。当然，用飞轮轴8作为动力的输出端也是可行的，只是变速装置承载加大。