變量杠桿式偏置連桿內(nèi)燃機的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種變量杠桿式偏置連桿內(nèi)燃機，該內(nèi)燃機的連桿機構由連桿(14)、變量杠桿式偏置連桿和可擺動的平衡連桿(8)組合而成，杠桿式偏置連桿包括具有一夾角的長臂(15)和短臂(11)，大致形成Y形，Y形下方的共同端與曲柄鉸接，偏置連桿的軸水平中垂線與活塞往復中軸線不在同一軸線上，形成偏置一段距離；連桿(14)上端與活塞連接，下端與短臂(11)上端鉸接；平衡連桿(8)的一端為平衡連桿固定銷(7)，可旋轉的固定在氣缸壁上，另一端為平衡連桿活動銷(9)，與長臂(15)上端鉸接。本發(fā)明改善活塞與曲軸之間的相互作用，使旋轉力矩能保持最佳狀態(tài)，提高內(nèi)燃機的效率，運行平穩(wěn)，結構緊湊、適應于多氣缸柴油機和直噴汽油機。
【專利說明】
變量杠桿式偏置連桿內(nèi)燃機
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機，尤其是涉及通過改進內(nèi)燃機的曲軸連桿機構，提高內(nèi)燃機能量轉換效率效率的變量杠桿式偏置連桿內(nèi)燃機。
【背景技術】
[0002]內(nèi)燃機使用氣缸和活塞機構將燃料的燃燒產(chǎn)生的壓力轉化為活塞的機械動力，然后通過曲軸連桿機構，將活塞的平移轉化為曲軸的旋轉動力向外輸出。曲軸連桿機構是目前普遍使用的內(nèi)燃機上的不可或缺的主要部件，其結構是將連桿的一端與氣缸活塞鉸接，另一端與曲軸曲頸鉸接，氣缸活塞在燃燒產(chǎn)生的壓力作用下在氣缸內(nèi)上下往返運動，通過曲軸連桿機構轉變成曲軸的旋轉運動，再由曲軸傳遞動力做功。由于這種內(nèi)燃機采用曲軸傳遞動力，其缺點在使用中不斷暴露出來，其缺點是活塞的連桿和曲軸之間的相互作用力的夾角總是隨著曲軸的旋轉而改變，曲軸產(chǎn)生的旋轉力矩隨之改變，不能保持最佳力矩，不僅浪費了機械能還加劇了機械的損耗，所消耗的功很大，因此對燃油的浪費也是驚人的，而且排放大量的污染廢氣，是造成城市空氣PM2.5濃度嚴重超標霧霾天氣的主要肇事者。四沖程氣缸活塞的連桿對曲軸的作用力受到作用角度的限制，因此曲軸的旋轉是不夠平穩(wěn)，造成車輛行駛的不穩(wěn)定性。
[0003]現(xiàn)有內(nèi)燃機是在曲柄上以切向獲得扭矩由曲軸輸出。因為連桿和垂直方向夾角的改變，其切向力值是變化的，缸內(nèi)氣體膨脹壓力達到最高值，夾角為O度，此時對曲軸軸頸旋轉力矩也為0，也就是說，當活塞處于上止點，混合氣在最大壓縮狀態(tài)下點火，此時，對曲軸軸頸旋轉力矩的貢獻卻為零，這就使得現(xiàn)有內(nèi)燃機曲柄連桿機構能量轉換效率不高，內(nèi)燃機的整體效率一般不會超過30 %，造成能源浪費，而且對曲軸造成沖擊，使發(fā)動機噪音增大。
[0004]為了克服現(xiàn)有內(nèi)燃機曲柄連桿機構能量轉換效率不高的問題，申請?zhí)枮?01310178318.4，名稱為"雙曲軸連桿偏置內(nèi)燃機"的發(fā)明專利，該雙曲軸連桿偏置機構包括雙曲軸，分別為主曲軸和副曲軸，并增加了一個斜連桿，該斜連桿的中間與連桿下端餃接，其兩端分別與主曲軸8和副曲軸7的主曲軸連桿頸和副曲軸連桿頸鉸接。在主副曲軸上引出主曲軸齒輪和副曲軸齒輪，在所述曲軸齒輪和之間設置情齒輪。上述結構改善活塞與曲軸之間相互作用，在整個工作循環(huán)中，旋轉力距保持較佳狀態(tài)，尤其是當活塞處于壓縮沖程的上止點，可燃氣點火爆發(fā)時，連桿對曲柄軸頸施加一個較大的旋轉力矩，提高了現(xiàn)有內(nèi)燃機的燃燒效率和機械效率。
[0005]但是此種結構也存在問題:由于曲柄連桿機構的限制，以及主曲軸齒輪、副曲軸齒輪和惰齒輪尺寸的限制，斜連桿的長度受到限制，連桿距離主副曲軸連桿頸較近，使活塞通過斜連桿施加在主副曲軸頸上的爆發(fā)沖程產(chǎn)生的爆發(fā)力，由于連桿距離主副曲軸連桿頸較近，距離較短，使得旋轉力矩相對不大，限制內(nèi)燃機的功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種機械效率高的大功率內(nèi)燃機，該內(nèi)燃機的曲柄連桿機構采用變量杠桿式偏置連桿，解決現(xiàn)有內(nèi)燃機以及曲軸與活塞之間相互作用造成機械能的浪費和機械損耗加大的問題。
[0007]為了解決上述技術問題，本發(fā)明的內(nèi)燃機所采用的技術解決方案如下:
[0008]—種變量杠桿式偏置連桿內(nèi)燃機，包括氣缸，活塞、連桿機構和曲柄機構，所述內(nèi)燃機的連桿機構由連桿14、變量杠桿式偏置連桿和可擺動的平衡連桿8組合而成，其中，
[0009]所述杠桿式偏置連桿包括長臂15和短臂11，所述長臂15和短臂11具有一夾角，大致形成Y形，Y形下方的共同端與曲柄鉸接，所述變量杠桿式偏置連桿的軸水平中垂線與活塞往復中軸線不在同一軸線上，形成偏置一段距離；；
[0010]所述連桿14上端與活塞連接，下端與短臂11上端鉸接；
[0011]所述平衡連桿8的一端為平衡連桿固定銷7，可旋轉的固定在氣缸壁上，另一端為平衡連桿活動銷(9)，與所述長臂15上端鉸接。
[0012]所述連桿14的長度為106.5mm，所述活塞4在氣缸6中的行程為53.3mm。
[0013]所述所述長臂15的長度為7.4厘米，短臂11的長度為4.65厘米，長臂15與短臂11的夾角為24°，活塞4位于上止點時，短臂11和長臂15與垂直方向的角度分別為15°和9。。
[0014]所述平衡連桿8的長度為67.8mm。
[0015]所述平衡連桿固定銷7在氣缸6壁上的鉸接固定點與曲軸中心的垂直距離為77.5mm,水平距離為88.2mm。
[0016]所述連桿14下半段為弧形，偏離平衡連桿活動銷9。
[0017]本發(fā)明具有了以下優(yōu)點:
[0018]本技術方案使用的變量杠桿式偏置連桿能夠?qū)ηS連桿頸產(chǎn)生較大的旋轉力矩，因此，在壓縮過程中，活塞到達上止點時即可點火，可燃氣體燃燒推動活塞下行做工，由此改善活塞與曲軸之間相互作用，在整個工作循環(huán)中，旋轉力距保持最佳狀態(tài)，尤其是當活塞處于壓縮沖程的上止點，可燃氣點火爆發(fā)時，連桿對曲柄軸頸施加一個較大的旋轉力矩，提高了現(xiàn)有內(nèi)燃機的燃燒效率和機械效率。
【附圖說明】
[0019]圖1a和圖1b是本變量杠桿式偏置連桿在活塞處于上止點時的結構和受力狀態(tài)示意圖；
[0020]圖2a和圖2b是本變量杠桿式偏置連桿在活塞處于氣缸中過上止點，曲軸連桿頸向左旋轉10度時的結構和受力狀態(tài)示意圖；
[0021]圖3a和圖3b是本變量杠桿式偏置連桿在活塞處于氣缸中過上止點，曲軸連桿頸向左旋轉20度時的結構和受力狀態(tài)示意圖；
[0022]圖4、圖5和圖6是本變量杠桿式偏置連桿在活塞處于氣缸中做功下行曲軸連桿頸從上止點0°以2.7厘米為半徑向左作圓軌跡旋轉90度、180度和270度時的結構示意圖；
[0023]圖7是本變量杠桿式偏置連桿的長短臂變換的結構示意圖。
[0024]圖中
[0025]I噴油觜9平衡連桿活動銷
[0026]2排氣門10偏置連桿銷
[0027]3進氣門11偏置連桿短臂
[0028]4活塞12曲軸連桿頸
[0029]5活塞銷13曲軸頸
[0030]6氣缸14連桿
[0031]7平衡連桿固定銷15偏置連桿長臂
[0032]8平衡連桿
【具體實施方式】
[0033]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖和具體實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0034]附圖顯示本發(fā)明變量杠桿式偏置連桿在內(nèi)燃機作工沖程的工作原理和結構，其中，圖1a和圖1b是本變量杠桿式偏置連桿在活塞處于上止點時的結構和受力狀態(tài)示意圖；如圖所不，本內(nèi)燃機為活塞式內(nèi)燃機，而且大部分結構和傳統(tǒng)的內(nèi)燃機結構相同，包括:氣缸6和活塞4組成氣缸活塞機構，連桿14和曲軸13構成曲柄連桿機構，本發(fā)明的連桿米用變量杠桿式偏置連桿，由連桿14和變量杠桿式偏置連桿構成；偏置連桿大體上為具有一夾角的“Y”形，包括構成夾角兩邊的長臂15和短臂11，其中，短臂11的上端通過偏置連桿銷10與連桿14下端鉸接，下端與曲柄連桿軸頸12鉸接；長臂15的上方與平衡連桿8的平衡連桿銷9鉸接，并由本身轉動的平衡連桿固定銷7定位于曲柄箱上；可以對長臂15的運動加以限定，使長臂15只能在本身可轉動定位的平衡連桿固定銷7為圓心以平衡連桿8為半徑作扇形軌跡上下運動。長臂15下端和短臂11下端相聯(lián)一整體與曲柄連桿軸頸12鉸接；上述機構完成將活塞4的上下直線運動對曲軸的旋轉運動的動力轉換。
[0035]根據(jù)圖la，在作工沖程，活塞4處于壓縮沖程的上止點，可燃氣處于最大壓縮比，在燃爆的瞬間，活塞4受到最大推力時、通過連桿14對偏置連桿11的偏置連桿銷10施加作用力F，使偏置連桿的短臂11的上方偏置連桿銷10向下延線垂直與曲軸連桿頸中心水平面線向右延線的交點為鄰邊，Lfi (短臂11的長度)為斜邊，其夾角為15°，曲軸連桿頸中心水平線中垂線起，向右延線一交點的距離LI (動力矩的動臂長)為對邊，構成一個杠桿的右邊動力直角三角形、在曲軸連桿頸中心水平線中垂線左邊以Lii (長臂15的長度)為斜邊、平衡連桿活動銷9向下垂直延線和曲軸連桿頸中心水平線向左延線垂直交點的距離為鄰邊，其夾角為9°，曲軸連桿頸中心水平線中垂線向左邊延線交點的距離L2(阻力矩的阻臂長)為對邊、構成杠桿的阻力平衡直角三角形，那么以曲軸連桿頸中心水平線中垂線為支點的杠桿動力矩FxLl，被長臂15的反作用阻力矩fxL2平衡；直接作用在曲柄連桿軸頸12上，該曲軸連桿頸12承受的壓力= F+f ;f的一部被分解為匕和f 作用在曲軸連桿頸12上，以搖臂軸形式旋轉受力Fii平衡產(chǎn)生向左移動，F(xiàn)ii對曲柄連桿軸頸施加一個旋轉力矩F移X曲柄，此力矩的力臂長是曲柄連桿軸頸10到曲軸頸13的中心水平垂直距離。則該旋轉力？#的大小同相等，是和連桿14與偏置連桿的短臂11鉸接的夾角相關，該夾角由偏置連桿11結構設計確定，在圖1a所示的是實施例中，偏置連桿長短臂之間的夾角為24°，長臂1^為7.4厘米、短臂Ls為4.65厘米。由此可知，活塞在上止點時，動力矩的臂長ctgl5° xL短，阻力矩的臂長1^為ctg9° xL長，根據(jù)杠桿平衡原理:F動xLl = fE xL2 ；
[0036]F動 xLl = f阻 xL2 丨動 x[ctgl5。xL短]=f阻 x[ctg9。xL長]
[0037]f2= F 動 x[ctgl5。xL短]/[ctg9。xL長]
[0038]F支=F動+f阻=Fs+F動 x[ctgl5。xL短]/[ctg9。xL長]
[0039]此時曲柄連桿軸頸12垂直與曲軸中心水平線、旋轉角度為0°，曲軸軸頸旋轉力矩也為0，向外輸出動力只有杠桿式偏置連桿在曲柄連桿軸頸12以搖臂軸的旋轉受力Fii平衡產(chǎn)生曲軸連桿頸12 (搖臂軸)向左移動，F(xiàn)ii對曲柄連桿軸頸施加一個旋轉力矩Fii xL曲，Lft是曲柄連桿軸頸10到曲軸頸13的中心距離。則該旋轉力？#的大小同相等。
[0040]圖2a和圖2b是本變量杠桿式偏置連桿在活塞處于氣缸中做功下行曲軸連桿頸從上止點0°以2.7厘米為半徑向左作圓軌跡旋轉10度時的結構和受力狀態(tài)示意圖；此時:右邊動力直角三角形、夾角變大為18°，它的對邊變長為1.476厘米、杠桿支點向左移動了CtglO0 X斜邊=ctgl0° x2.7厘米= 0.467厘米，也就是曲軸動力臂長從上止點O增長到
0.467厘米。左邊阻力平衡直角三角形夾角變小為6°，它的對邊變短為0.731厘米，以上數(shù)據(jù)表明活塞處于氣缸中做功下行、曲軸連桿頸10從上止點0°以2.7厘米為半徑向左作圓軌跡旋轉10度時；曲柄連桿軸頸10 (杠桿支點、搖臂軸)因旋轉以近似平向左靠近阻力平衡點移動了 0.467厘米，杠桿支點向左移動，動力臂變長，平衡阻力臂變短，根據(jù)杠桿平衡原理；F動 x[ctgl8。xL短]=f阻 x[ctg6° xL長]，f2= F 動 x[ctgl8° xL短]/[ctg6。xL長]，
曲軸連桿頸10作為杠桿支點所承受的壓力!^因平衡阻力臂變短平衡阻力需變大而增加變大；卩支=F動+fE= F動+F動x[ctgl8。xL短]/[ctg6。xL長]，曲軸軸頸旋轉力矩=F支xLft =IF動+? x[ctgl8° xL短]/[ctg6° xL長]}χ0.467厘米，再加上以搖臂軸12上旋轉受力平衡而產(chǎn)生曲軸連桿頸12(搖臂軸)向左移動的作圓切向分力，對曲柄連桿軸頸施加一個旋轉力矩fZlXLft，Lft是曲柄連桿軸頸10到曲軸頸13的中心距離。則該旋轉作圓切向分力^的大小同f:相差不大，因曲柄連桿軸頸10 (杠桿支點、搖臂軸)在曲軸旋轉10度時，杠桿支點12向左偏移，杠桿平衡使阻力量增大，曲軸軸頸旋轉力矩比同型號沒有杠桿的發(fā)動機的旋轉力矩大150%左右。
[0041]圖3a和圖3b是本變量杠桿式偏置連桿在活塞處于氣缸中做功下行曲軸連桿頸從上止點0°以2.7厘米為半徑向左作圓軌跡旋轉20度時的結構和受力狀態(tài)示意圖；此時，右邊動力直角三角形夾角變大為22°，它的對邊變長為1.757厘米，杠桿支點向左移動了ctg20° xLft = ctgl0° x2.7厘米=0.923厘米、也就是曲軸動力臂長從上止點O增長到
0.923厘米。左邊阻力平衡直角三角形夾角變小為2°，它的對邊變短為0.252厘米，以上數(shù)據(jù)表明活塞處于氣缸中做功下行、曲軸連桿頸10從上止點0°以2.7厘米為半徑向左作圓軌跡旋轉20度時；曲柄連桿軸頸10 (杠桿支點、搖臂軸)因旋轉以近似水平向左靠近阻力平衡點移動了 0.923厘米、杠桿支點向左移動、動力臂變長、平衡阻力臂變短、根據(jù)杠桿平衡原理；F動 x[ctg22° xL短]=f阻 x[ctg2。xL長]，f2= F 動 x[ctg22° xL短]/[ctg2。xLt]，曲軸連桿頸10作為杠桿支點所承受的壓力Fi因平衡阻力臂變短平衡阻力量變大而增加變大；F支=F動+f阻=F動+F動x[ctg22° xL短]/[ctg2° xL長]，曲軸軸頸旋轉力矩=F支xL曲={F動+F動x[ctg22° xLe ]/[ctg2° xL長]} χ0.923厘米，再加上以搖臂軸12上旋轉受力匕平衡而產(chǎn)生曲軸連桿頸12(搖臂軸)向左移動的作圓切向分力，對曲柄連桿軸頸施加一個旋轉力矩KxLft、L_是曲柄連桿軸頸10到曲軸頸13的中心距離。則該旋轉作圓切向分力匕的大小同f i相差不大，因曲柄連桿軸頸10 (杠桿支點、搖臂軸)在曲軸旋轉20度時杠桿支點12向左偏移，杠桿平衡使阻力量增大，曲軸軸頸旋轉力矩比同型號沒有杠桿的發(fā)動機的旋轉力矩大I倍左右。
[0042]圖4、圖5和圖6是本變量杠桿式偏置連桿在活塞處于氣缸中做功下行曲軸連桿頸從上止點0°以2.7厘米為半徑向左作圓軌跡旋轉90度、180度和270度時的結構示意圖；顯示在做工沖程結束，即將開始排氣沖程，活塞I處于下止點，此時，對曲軸連桿軸頸12產(chǎn)生旋轉力矩為負值，對曲軸連桿機構的慣性完成排氣沖程起到阻礙作用。
[0043]圖7是本變量杠桿式偏置連桿的長短臂變換的結構示意圖。
[0044]本機構在作工沖程的全過程，輸出的旋轉力矩波動范圍不大，確保工作過程平穩(wěn)，活塞推連桿14繞曲軸連桿頸運轉、左右擺度的角度(左5°右6° )效小活塞對缸則向磨損減小。
[0045]在做工沖程結束時，燃氣壓力產(chǎn)生的F相對減小很多，該旋轉力矩對曲軸連桿機構的作用可以忽略不計，不會影響完成排氣沖程。
[0046]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術的曲軸連桿機構，在整個作工沖程，其對曲軸連桿機構產(chǎn)生的旋轉力矩因杠桿支點隨曲軸向左旋轉靠近杠桿平衡阻力點、動力臂長與阻力臂長之比成倍數(shù)變化而增，在同等燃燒條件下，平均輸出功率增加近80 %。
[0047]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步的詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.一種變量杠桿式偏置連桿內(nèi)燃機，包括氣缸，活塞、連桿機構和曲柄機構，其特征在于，所述內(nèi)燃機的連桿機構由連桿(14)、變量杠桿式偏置連桿和可擺動的平衡連桿(8)組合而成，其中， 所述杠桿式偏置連桿包括長臂(15)和短臂(11)，所述長臂(15)和短臂(11)具有一夾角，大致形成Y形，Y形下方的共同端與曲柄鉸接，所述變量杠桿式偏置連桿的軸水平中垂線與活塞往復中軸線不在同一軸線上，形成偏置一段距離；； 所述連桿(14)上端與活塞連接，下端與短臂(11)上端鉸接； 所述平衡連桿(8)的一端為平衡連桿固定銷(7)，可旋轉的固定在曲軸箱壁上，另一端為平衡連桿活動銷(9)，與所述長臂(15)上端鉸接。2.根據(jù)權利要求1所述的變量杠桿式偏置連桿內(nèi)燃機，其特征在于，所述連桿(14)的長度為106.5_，所述活塞(4)在氣缸(6)中的行程為53.3_。3.根據(jù)權利要求2所述的變量杠桿式偏置連桿內(nèi)燃機，其特征在于，所述所述長臂(15)的長度為7.4厘米，短臂(11)的長度為4.65厘米，(改變平衡連桿固定銷(7)在曲軸箱壁上坐標位置時、長短臂可互換；)長臂(15)與短臂(11)的夾角為24°，活塞(4)位于上止點時，短臂(11)和長臂(15)與垂直方向的角度分別為15°和9°。4.根據(jù)權利要求3所述的變量杠桿式偏置連桿內(nèi)燃機，其特征在于，所述平衡連桿(8)的長度為67.8mm。(長短臂互換時平衡連桿(8)的長度為62.98mm)。5.根據(jù)權利要求4所述的變量杠桿式偏置連桿內(nèi)燃機，其特征在于，所述平衡連桿固定銷(7)在曲軸(13)箱壁上的鉸接固定點與曲軸中心的垂直距離為77.5mm，水平距離為88.2mm。(長短臂互換時平衡連桿固定銷(7)在曲軸(13)箱壁上的鉸接固定點與曲軸中心的垂直距離為42.78mm，水平距離為70.08mm)。6.根據(jù)權利要求5所述的變量杠桿式偏置連桿內(nèi)燃機，其特征在于，所述連桿(14)下半段為偏離平衡連桿活動銷(9)的弧形。
【文檔編號】F02B75/32GK106089427SQ201510226655
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2015年4月30日
【發(fā)明人】陳作應
【申請人】陳作應