專利名稱：導(dǎo)向式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
自1886年德國人發(fā)明了第一輛汽車后，人類迅速進(jìn)入到汽車文明時(shí)代。汽車對(duì)一個(gè)國家的國民生產(chǎn)起著重要作用，一輛汽車的性能優(yōu)劣反映一個(gè)國家的工業(yè)技術(shù)發(fā)展水平，汽車的重要性不再論述。汽車的動(dòng)力——發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過不斷地改進(jìn)，到今天技術(shù)上已十分成熟，然而，發(fā)動(dòng)機(jī)的早磨、漏油、竄氣，仍然是自汽車誕生一百年來難以攻克的玩癥。導(dǎo)向式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是對(duì)目前使用的發(fā)動(dòng)機(jī)按照本說明書進(jìn)行技術(shù)改造或重新設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命將成倍延長，并將提高燃油的經(jīng)濟(jì)性，降低油耗，減少尾氣排放造成的污染。
活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)跳動(dòng)的心臟，傳統(tǒng)上的發(fā)動(dòng)機(jī)是由活塞、連桿、曲軸組成的往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。這里主要討論活塞的工作情況，它是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最嚴(yán)重的組件。活塞組(主要指活塞、活塞環(huán))工作情況決定發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性和使用耐久性。活塞組工作情況的特點(diǎn)是工作溫度很高，并在很高的機(jī)械負(fù)荷下高速滑動(dòng)，同時(shí)潤滑不良，這就決定了它們?cè)馐軓?qiáng)烈的磨損，并且可能產(chǎn)生滑動(dòng)表面的拉傷、燒蝕等故障。
通過對(duì)活塞的運(yùn)動(dòng)受力分析表明，對(duì)活塞工作情況造成不利因素的主要原因是連桿對(duì)活塞擺動(dòng)的力造成的，這個(gè)擺動(dòng)的力對(duì)活塞施加一個(gè)很大的側(cè)壓力Pc(

圖1)，側(cè)壓力是造成活塞、活塞環(huán)磨損的主要原因，最大側(cè)壓力約是最大氣壓力的1/10?？梢妭?cè)壓力對(duì)活塞造成的磨損是很厲害的，另一不利因素是活塞在連桿擺動(dòng)力作用下運(yùn)動(dòng)不平衡，運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性差，靠自身與氣缸壁摩擦導(dǎo)向，活塞一有磨損，易引起振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況又進(jìn)一步惡化。在大功率強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞這樣的工作狀況限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化潛力。
活塞的側(cè)壓力Pc由于連桿的擺動(dòng)，作用在活塞上的力Ph傳給連桿時(shí)(連桿承受力PI)在活塞與氣缸之間造成一個(gè)側(cè)壓力Pc(圖1)即Ph＝Pc+PIPc=PhtgB=Phλsina/1-λ2sin2a]]>估算式Pcmax＝0.1Pqmax＝8×10-4PzD2(kg)式中λ＝r/l——連桿比a—曲柄轉(zhuǎn)角B——連桿擺動(dòng)角cosB=1-λ2Sin2a]]>Pq——?dú)鈮毫?kg)Pq＝(D/2)2πPzPz——?dú)飧變?nèi)的最高燃燒壓力(kg/cm)Pz大小可從發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖得出，一般Pz＝30-50(汽油機(jī))；60-90(高速柴油機(jī))；80-120(增壓柴油機(jī))以缸徑為8cm發(fā)動(dòng)機(jī)為例一般最大側(cè)壓力150-250kg(汽油機(jī))；300-450kg(高速柴油機(jī))；400-600kg(增壓柴油機(jī))以往的往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是搖擺連桿把活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)本身對(duì)活塞的工作狀況很不利，自汽車問世以來，這種機(jī)構(gòu)沿用至今，并且人們不斷地探討、試驗(yàn)，試圖攻克汽車早磨、漏油、竄氣這種玩癥，但是，終沒有突破性進(jìn)展，因?yàn)槿藗兏嗟闹皇菑脑囼?yàn)材料入手。欲改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，需改善活塞的工作狀況。
導(dǎo)向式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱導(dǎo)向發(fā)動(dòng)機(jī))是在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上進(jìn)行改造，改造辦法是在氣缸下端設(shè)置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(導(dǎo)向組)，導(dǎo)向組由導(dǎo)向連桿、滑塊、滑軌、支撐座組成(圖2、圖7)。這將是發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)上的一次革命，這個(gè)導(dǎo)向組將使發(fā)動(dòng)機(jī)性能大為改善。導(dǎo)向發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是導(dǎo)向組始終保持活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，并由搖擺連桿變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向組使活塞的工作狀況得到改善，活塞無側(cè)壓力，并且受力運(yùn)動(dòng)得到平衡，活塞的磨損排除，起密封作用的活塞環(huán)的磨損從根本上得到減輕，因?yàn)樽陨淼膹椥栽斐傻哪p與側(cè)壓力造成的磨損相比是較小的?；钊诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也大為簡(jiǎn)化。導(dǎo)向組滑動(dòng)摩擦面潤滑較好，摩擦力小，且運(yùn)離高溫，滑塊結(jié)構(gòu)輕巧，因此損耗的機(jī)械能減少，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率將有所提高，這為降低油耗創(chuàng)造條件。由于活塞的工作狀況得到改善，導(dǎo)向發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化潛力將得到發(fā)揮，強(qiáng)化導(dǎo)向發(fā)動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕、耗油低、效率高、馬力強(qiáng)勁、性能優(yōu)良等特點(diǎn)。
一、導(dǎo)向發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)情況(圖2)沿氣缸軸線作用的力F(F力是氣壓力和慣性力的合力)與導(dǎo)向連桿的反作用力N在同一直線上是兩上平衡力，(這樣的活塞運(yùn)動(dòng)符合自然界萬物運(yùn)動(dòng)平衡的法則，也就是牛頓定律)二、導(dǎo)向組工作原理以及在設(shè)計(jì)上的技術(shù)要求導(dǎo)向組之導(dǎo)向連桿對(duì)活塞的作用力N的方向始終在活塞的圓心線上(軸線上)，并且在活塞高速運(yùn)動(dòng)時(shí)始終保持活塞圓心線不偏離氣缸圓心線。
三、導(dǎo)向發(fā)動(dòng)機(jī)的往復(fù)慣性力和在設(shè)計(jì)上的要求漢活塞位于上死點(diǎn)時(shí)，往復(fù)慣性力最大，經(jīng)推算(推算過程略)最大往復(fù)慣性力Pah＝-Ghrω2(1+λ)/g(kg)Gh——往復(fù)運(yùn)動(dòng)件重量(活塞組+導(dǎo)向連桿+滑塊質(zhì)量)r——曲柄半徑，r＝s/2 s為活塞行程ω——曲軸旋轉(zhuǎn)的角速度，ω＝2n/60＝0.105n(弧度/秒)
g——重力加速度(9.8)n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)計(jì)算可知，往復(fù)運(yùn)動(dòng)件最大慣性力，在目前高速水平上，已達(dá)本身重量的1000-2000倍(汽油機(jī))和300-600倍(柴油機(jī))往復(fù)慣性力的周期變化，可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，使搖擺連桿、曲軸組零件特別是其軸承負(fù)荷加重，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性下降，是非常有害的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要求1、活塞組和導(dǎo)向組運(yùn)動(dòng)件結(jié)構(gòu)輕巧，采用比重小強(qiáng)度高的材料。2、不采取無限制提高轉(zhuǎn)速來提高功率，往復(fù)慣性負(fù)荷不超過一定的程度。
四、導(dǎo)向組發(fā)動(dòng)機(jī)的第二心臟，由導(dǎo)向連桿、滑塊、滑軌、支撐座組成(如圖3)。主要作用是保持活塞始終往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，它能使活塞的受力運(yùn)動(dòng)得到平衡，并把活塞的運(yùn)動(dòng)通過導(dǎo)向連桿、滑塊由搖擺連桿變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而改善活塞工作狀況，無側(cè)壓力作用，則活塞無磨損，活塞環(huán)的磨損也大為減輕，進(jìn)而改善了發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性和使用耐久性。
導(dǎo)向組工作情況直接關(guān)系到活塞的工作狀況。這要求導(dǎo)向組滑動(dòng)摩擦面是極耐磨的材料制成，滑塊用比重小、強(qiáng)度高的材料，并且在機(jī)體上的位置公差都有嚴(yán)格的要求，要求做到滑塊高速運(yùn)動(dòng)時(shí)保持導(dǎo)向連桿中心線在氣缸圓心線上。
導(dǎo)向組的工作環(huán)境比活塞好的多，潤滑良好(這種滑塊機(jī)構(gòu)較適應(yīng)飛濺潤滑)、遠(yuǎn)離高溫氣體，設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮熱澎脹因素。
導(dǎo)向連桿與活塞和滑塊固定連接成一體并采用防松脫辦法。
五、活塞組(活塞、活塞環(huán))1、活塞主要作用是承受氣體壓力并把它傳給導(dǎo)向連桿同時(shí)與活塞環(huán)一起配合氣缸密封?；钊驘o側(cè)壓力作用，不靠活塞裙部與氣缸壁摩擦導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也大為簡(jiǎn)化，裙部全去掉，只保留活塞頭部，也就是環(huán)岸和環(huán)槽部分，形狀是正圓柱形，結(jié)構(gòu)輕巧(見圖4)。高速運(yùn)動(dòng)時(shí)不允許與氣缸壁接觸摩擦。在大功率強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞的熱負(fù)荷尤為嚴(yán)重，必要情況下，設(shè)置噴油嘴，對(duì)活塞采取強(qiáng)制冷卻措施。
活塞頭部設(shè)計(jì)參照活塞技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定。
設(shè)計(jì)要點(diǎn)保證它具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度；溫度不過高，溫差小，防止產(chǎn)生過大的熱變形，為活塞環(huán)的正常工作創(chuàng)造良好的條件；結(jié)構(gòu)輕巧，重量輕。
2、活塞環(huán)活塞的密封是由活塞環(huán)和環(huán)槽共同完成的，活塞環(huán)分為氣環(huán)和油環(huán)兩類。氣環(huán)的主要作用是密封，另一個(gè)作用是傳熱，與氣缸壁接觸時(shí)，由循環(huán)水帶走一部分熱量，但是密封是氣環(huán)的首要任務(wù)，也是發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的前提條件。
試分析活塞環(huán)的密封機(jī)理如圖5首先，環(huán)應(yīng)以一定的彈力Po與氣缸壁壓緊，形成所謂的第一密封面，也是主密封面(如圖5)，在這樣的條件下，氣體不能通過主密封面便鉆入環(huán)與環(huán)槽之間的空間，把環(huán)槽側(cè)面壓緊形成第二密封面，也就是側(cè)密封面，同時(shí)作用在環(huán)背的氣壓力Pc又加強(qiáng)了主密封面。但是，由于環(huán)在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)慣性力可能大于環(huán)所承受的氣壓力PA與承受氣壓力PA是不平衡的，在某種情況下，環(huán)會(huì)在環(huán)槽內(nèi)多次上下跳動(dòng)，汽油機(jī)一般有兩道氣環(huán)，是，柴油機(jī)有三道氣環(huán)，第二道、第三道氣環(huán)環(huán)背氣壓力Pc又較小，環(huán)在跳動(dòng)的同時(shí)，如果氣缸壁上的油膜太厚，機(jī)油的動(dòng)壓有時(shí)會(huì)促使環(huán)浮起，引起顫振，顫振嚴(yán)重時(shí)，漏氣增大，發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作。所以靠環(huán)背氣壓力Pc加強(qiáng)密封有時(shí)不可靠。
對(duì)氣環(huán)的工作要求是長久在高溫環(huán)境下滑動(dòng)摩擦，始終能保持可靠的密封性，為提高環(huán)的密封性，采取如下措施
(1)、環(huán)側(cè)面與環(huán)槽貼合要好，間隙要小。
(2)、增加環(huán)的彈力，主密封面的密封很大程度上是靠自身的彈性保持的，環(huán)側(cè)面與環(huán)槽貼合較好的情況下，主密封面可靠的密封基本上能滿足對(duì)其密封工作要求。如果環(huán)始終能有較大且適量的彈性力與缸壁緊緊貼合，則密封與檔油將有保證，為此導(dǎo)向式發(fā)動(dòng)機(jī)將采用新式組合氣環(huán)。這種組合氣環(huán)是由一個(gè)普通氣環(huán)加上一個(gè)彈性圈組成，彈性圈由圓形保持架和在保持架上固定的多個(gè)弧形彈性鋼板構(gòu)成(圖6-1)。彈性圈總彈力的大小可據(jù)活塞工作情況確定，總彈力可為氣環(huán)彈力的3-5倍，彈性圈在環(huán)槽里被環(huán)壓縮，形成對(duì)環(huán)和活塞的雙向張力(圖6-2)。這種組合氣環(huán)加強(qiáng)了環(huán)的彈性密封能力和擋油能力，并能防止環(huán)產(chǎn)生顫振，減輕對(duì)環(huán)槽的沖擊磨損，又由于活塞不觸及缸壁，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)可能引起活塞的振動(dòng)，這種組合氣環(huán)還起穩(wěn)定活塞的作用，能防止活塞的振動(dòng)。采用扭曲組合氣環(huán)還是非扭曲組合氣環(huán)有待討論確定。
(3)、氣環(huán)必須潤滑良好并且采用耐磨耐高溫材料制成。
現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，氣缸內(nèi)的瞬時(shí)最高溫度可過2500k以上，最高工作壓力過9mpa。汽油機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)5000r/min以上，在此轉(zhuǎn)速下，活塞每分鐘要行經(jīng)10000多個(gè)行程，活塞環(huán)在這樣的高溫下高速滑動(dòng)，一旦缺少潤滑機(jī)油，將很塊磨損。為使氣環(huán)潤滑良好，對(duì)油環(huán)的要求是始終能在氣缸壁上鋪涂一層均勻的機(jī)油油膜(實(shí)際上，機(jī)油油膜還起輔助封氣作用)并刮除多余的機(jī)油。傳統(tǒng)上往往過多強(qiáng)調(diào)油環(huán)的刮油作用，以為這樣能擋住機(jī)油穿入燃燒室，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，氣環(huán)一旦磨損、漏氣，油環(huán)是擋不住機(jī)油竄入燃燒室的，其擋油作用只是擋住并刮掉過多的飛濺在缸壁上的機(jī)油。由于活塞、活塞環(huán)承受很高的熱負(fù)荷，強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷更為嚴(yán)重，第一道氣環(huán)(火力環(huán))直接接觸高溫氣體，要求是耐熱材料制成，主要靠它起隔熱作用；二道、三道環(huán)相比來說溫度低，環(huán)槽熱變形小，可采用組合氣環(huán)，要求是耐磨、耐熱材料制成，封氣、擋油主要靠二道、三道氣環(huán)。
六、導(dǎo)向式發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)說明對(duì)現(xiàn)有的性能比較成熟的內(nèi)燃機(jī)的改造辦法是先合理地確定導(dǎo)向組件結(jié)構(gòu)尺寸以及在機(jī)體上固定辦法，再相應(yīng)確定機(jī)體尺寸，調(diào)整配合機(jī)構(gòu)，特別是現(xiàn)有的高增壓柴油機(jī)設(shè)置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)將有更佳的優(yōu)良性。
現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速日益提高，活塞的平均速度高，因?yàn)樘岣咿D(zhuǎn)速是提高功率的一項(xiàng)有效措施，但是慣性負(fù)荷的增大，對(duì)曲軸的工作情況很不利，從整體上的使用耐久性考慮，導(dǎo)向發(fā)動(dòng)機(jī)提高功率的措施是適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速，但往復(fù)慣性負(fù)荷不超過曲軸組所能承受的限度；設(shè)置空氣增壓系統(tǒng)(見圖7)，增大氣缸工作壓力來提高功率。大功率強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)，可設(shè)置噴油咀對(duì)活塞強(qiáng)制冷卻，并加裝機(jī)油散熱器。
汽油機(jī)的強(qiáng)化類似增壓柴油機(jī)，也可設(shè)置空氣增壓器。并對(duì)化油器改造，或象柴油機(jī)那樣直接往氣缸內(nèi)噴射燃油。為進(jìn)可能提高汽油機(jī)的功率，要對(duì)強(qiáng)化的汽油機(jī)做更完善的改進(jìn)，例如，增加運(yùn)動(dòng)件的剛度和強(qiáng)度，調(diào)整配合機(jī)構(gòu)及配合相位，改變?nèi)加凸┙o系統(tǒng)等，則汽油機(jī)功率可增加1倍左右。
此外，有可能試制成即可燃用汽油也可燃用柴油的雙燃料導(dǎo)向式發(fā)動(dòng)機(jī)，這在戰(zhàn)略上有重要意義，用于戰(zhàn)車上，一種燃料供給不足的情況下，可選用另一種燃料，其優(yōu)良性能，弛騁千里不用擔(dān)心會(huì)出現(xiàn)故障。
權(quán)利要求
1.一種性能優(yōu)良的往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是在氣缸下端設(shè)置有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(導(dǎo)向組)，這個(gè)導(dǎo)向組能保持活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，活塞不承受側(cè)壓辦，活塞無磨損，活塞環(huán)的磨損也大為減輕。
2.機(jī)動(dòng)車輛、船舶、飛行器采用權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)做動(dòng)力。
3.機(jī)械電器產(chǎn)品采用權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)做動(dòng)力。
4.一種能保持活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(導(dǎo)向組)，其特征是導(dǎo)向組由導(dǎo)向連桿、滑塊、滑軌、支撐座組成。
5.一種結(jié)構(gòu)輕巧的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，其特征是這種活塞只有環(huán)岸和環(huán)槽部分。
6.一種組合活塞環(huán)，其特征是這種活塞環(huán)有一個(gè)氣環(huán)和一個(gè)彈性圈組成。
全文摘要
導(dǎo)向式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞不承受側(cè)壓力,則活塞無磨損,活塞環(huán)的磨損也從根本上得到減輕,從而改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用耐久性。這種發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)強(qiáng)化后具有體積小、重量輕、耗油低、效率高、馬力強(qiáng)勁,工作可靠等特點(diǎn)。機(jī)動(dòng)車輛采用這種發(fā)動(dòng)機(jī)做動(dòng)力有最佳的經(jīng)濟(jì)性。
文檔編號(hào)F02B75/32GK1263207SQ9911843
公開日2000年8月16日 申請(qǐng)日期1999年8月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月29日
發(fā)明者楊柏保 申請(qǐng)人:楊柏保