一种船用发动机的制作方法

本申请涉及发动机技术领域，更具体地说，涉及一种船用发动机。

背景技术：

发动机，又称为引擎，是一种能够把其它形式的能转化为另一种能的机器，通常是把化学能转化为机械能，比如汽油发动机。由于汽油粘性小，蒸发快，可以用汽油喷射系统将汽油喷入汽缸，经过压缩达到一定的温度和压力后，用火花塞点燃，使气体膨胀做功，实现将化学能转化为机械能。发动机的运动原理是把活塞在缸体内的直线往复运动利用曲轴转换为旋转运动把动力输出。发动机的活塞从一个极限位置到另一个极限位置的距离称为一个冲程。由于汽油机的特点是转速高，结构简单，质量轻，造价低廉，运转平稳，使用维修方便，所以很受人们欢迎，在汽车特别是小型汽车上得到广泛应用，而且近些年逐渐在割草机等园林工具和游艇等手操作动力机械方面得到较广泛的应用。而船用发动机需要强大的动力，因此一般都使用柴油发动机作为主要的动力源。

船舶用大型曲轴是船用柴油机的核心部件，普通柴油发动机所使用的曲轴回转半径不会超过0.5米，而大型船舶柴油发动机中曲轴回转半径可至2.5米，由于这个部件自重大、受力大、工作时候的磨损大，从而使发动机的热效率降低，因此需要要求曲轴的制造精度极高；而现有发动机的曲轴一方面受力太大容易脆断，另一方面重复循环容易造成疲劳断裂，同时，曲轴的结构复杂制作困难，还要保证承受得住恶劣的受力环境，从而极大地增加了制作成本。传统的超大型船舶发动机功率庞大，为了提高燃油经济性，只能通过加长汽缸的长度，通过延长做功冲程的办法来提高发动机的热效率，这样曲轴的旋转直径也同比例加大，就造成了发动机整体高度越来越高，如此便带来了一系列的负面效应，运行带来的曲轴的低频共振传递给推进螺旋桨，造成推进振动较大，也更容易发生故障损坏。发动机的整体结构都相应的加大，耗费大量的特种钢材，造价也不够经济，目前发动机汽缸的长径比几乎已经达到了设计的极限。

因此，如何解决现有船用发动机的长径比的设计限制问题和曲轴结构复杂制作困难并且容易断裂和现有船用发动机热效率低的问题，成为本领域人员所需解决的重要问题。

技术实现要素：

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请的目的在于提供一种船用发动机，其能够解决现有船用发动机的长径比的设计限制问题和曲轴结构复杂制作困难并且容易断裂和现有船用发动机热效率低的问题。

本申请提供了一种船用发动机，包括汽缸、与所述汽缸的活塞相连接的活塞杆、曲轴、与所述曲轴的曲柄相连接的曲轴连杆、用于安装所述曲轴的曲轴箱、第一端可转动地连接在所述曲轴箱内壁上的摆杆，所述摆杆的第二端与所述活塞杆和所述曲轴连杆相连接于一点，所述活塞由上止点运行到下止点、再由所述下止点运行到所述上止点，所述活塞杆带动所述曲轴旋转两周,当所述活塞运行至所述上止点至所述下止点连线的中间位置时，所述摆杆与所述曲轴连杆位于同一直线上。

优选地，包括两排并列设置的所述汽缸，两排所述汽缸分别位于所述曲轴相对的两侧。

优选地，所述活塞杆、所述摆杆、所述曲轴连杆的数量均与所述汽缸的数量相同。

优选地，所述曲轴的位置在水平方向上距离所述汽缸的的中轴线为所述摆杆偏移所述汽缸中轴线的最大偏移量加上所述曲轴连杆的长度减去所述曲轴的旋转半径。

优选地，活塞杆底端的上止点与活塞杆底端的下止点的连线与所述汽缸的中轴线重合，且所述曲轴的旋转圆心位于所述连线的垂直平分面上。

优选地，每排所述汽缸的数量均为7个。

优选地，所述活塞杆、所述曲轴连杆和所述摆杆通过连杆销连接固定。

优选地，所述汽缸包括汽缸盖和缸体，所述活塞在所述缸体内运行，所述汽缸盖与所述缸体的连接处设置有燃烧室。

优选地，所述汽缸盖上还设置有进气口、喷油嘴和排气口，所述进气口、所述喷油嘴和所述排气口均与所述燃烧室相连通。

优选地，所述汽缸内外壁之间设置有散热水套。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请提供了一种船用发动机，活塞杆、曲轴连杆和摆杆共同组成三连杆结构，彻底改变了传统的发动机中活塞连杆的运行方式，活塞连杆原来是围绕曲轴做高速旋转运动，本申请提供的发动机活塞连杆只是沿着摆杆为半径的圆弧做及小幅度的往复摆动，减小了活塞杆的左右摆动幅度，减小了曲轴的有效旋转半径，从而减小运动过程中的振动和摩擦等损失，提高了发动机的热效率，使整个发动机的尺寸大大减小，活塞自上止点运行到下止点，再由下止点运行到上止点，即活塞往返运行一次，活塞带动曲轴转动两周，这样，活塞在低速运行的情况下，曲轴可以以二倍的角速度旋转，从而传递更大的角动量，低速的活塞运动能够获得更高的曲轴转速，提高了发动机的热效率。原发动机的活塞行程与曲轴的旋转直径等长，本申请的发动机活塞行程远大于曲轴的旋转直径，如此设置，解决了现有船用发动机长径比的设计限制问题，以及曲轴结构复杂制作困难并且容易断裂和现有船用发动机热效率低的问题。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种船用发动机结构示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种二冲程船用发动机结构示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种四冲程船用发动机结构示意图(左活塞到达上止点，右活塞到达下止点)；

图4是根据一示例性实施例示出的一种四冲程船用发动机结构示意图(左右活塞均到达上止点与下止点连接的中间位置)；

图5是根据一示例性实施例示出的一种四冲程船用发动机结构示意图(左活塞到达下止点，右活塞到达上止点)；

图6是根据一示例性实施例示出的一种14缸发动机内部结构布置示意图；

图7是根据一示例性实施例示出的一种4缸发动机内部结构布置示意图；

图8是根据一示例性实施例示出的一种14缸二冲程发动机内部一侧立面布置示意图。

图中：

1-进气口，2-喷油嘴，3-排气口，4-汽缸盖，5-活塞，6-活塞杆销，7-汽缸，8-活塞杆，9-散热水套，10-汽缸内外壁，11-曲轴箱盖，12-结点，13-摆杆，14-曲轴连杆，15-固定转轴，16-曲轴底箱，17-曲轴箱底座，18-曲轴，19-吹扫口，20-结点轨迹，21-活塞杆底端的下止点，22-活塞杆底端的上止点。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

参照附图1-8，本具体实施方式提供了一种船用发动机，包括汽缸7、与汽缸7的活塞5相连接的活塞杆8、曲轴18、曲轴连杆14、曲轴箱、摆杆13，曲轴连杆14铰接在曲轴18上，曲轴18安装在曲轴箱内，摆杆13的第一端可转动地连接在曲轴箱的内壁上，摆杆13的第二端与活塞杆8和曲轴连杆14相连接于结点12。

其中，活塞杆8通过活塞杆销6与活塞5相连接，以加强活塞杆8与活塞5连接的稳固性。

并且，为了加强摆杆13的第一端连接在曲轴箱内壁的稳固性，在曲轴箱内壁上设置有固定转轴15和用来固定固定转轴15的轴支座，摆杆13可转动地连接在固定转轴15上，以便于摆杆13转动。

需要说明的是，结点12为摆杆13的第二端与活塞杆8远离活塞5的一端和曲轴连杆14远离曲轴18的一端的连接点。

活塞5由上止点运行到下止点，再由下止点运行到上止点，即活塞5往返运行一次，活塞杆8带动曲轴18旋转两周。

需要说明的是，上止点指的是：活塞顶最高点离曲轴回转中心最大距离时的位置，通常是活塞的最高位置。下止点指的是：活塞顶最高点离曲轴回转中心最小距离时的位置，通常是活塞的最低位置。

当活塞5运行至上止点到下止点连线的中间位置时，摆杆13和曲轴连杆14位于同一直线上。

如图2所示，当活塞5由上止点运行到中间位置时，摆杆13和曲轴连杆14位于同一直线上，结点12位于摆杆13与曲轴连杆14连线上，曲轴18旋转了180度加上角度δ；当活塞5由中间位置运行到下止点时，曲轴18旋转了180度加上角度δ；相当于活塞5由上止点运行到下止点，曲轴18旋转了360度加上2δ；当活塞5由下止点运行到中间位置时，曲轴18旋转了180度减去δ；当活塞5由中间位置运行到上止点时，曲轴18旋转了180度减去δ，相当于活塞5由下止点运行到上止点，曲轴18旋转了360度减去2δ，因此，活塞5往返运行一次，曲轴18旋转两周。

需要说明的是，这里的角度δ指的是活塞5位于上止点时，曲轴连杆14与水平线的夹角，且曲轴的旋转方向为逆时针方向，当然曲轴的旋转方向也可以为顺时针方向。

当曲轴的旋转方向为顺时针时，当活塞5由上止点运行到中间位置时，摆杆13和曲轴连杆14位于同一直线上，结点12位于摆杆13与曲轴连杆14连线上，曲轴18旋转了180度减去角度δ；当活塞5由中间位置运行到下止点时，曲轴18旋转了180度减去角度δ；相当于活塞5由上止点运行到下止点，曲轴18旋转了360度减去2δ；当活塞5由下止点运行到中间位置时，曲轴18旋转了180度加上δ；当活塞5由中间位置运行到上止点时，曲轴18旋转了180度加上δ，相当于活塞5由下止点运行到上止点，曲轴18旋转了360度加上2δ，因此，活塞5往返运行一次，曲轴18旋转两周。

这样，活塞5在低速运行的情况下，曲轴18可以以二倍的角速度旋转，从而传递更大的角动量，低速的活塞5运动能够获得更高的曲轴18转速，提高了发动机的热效率。原发动机的活塞行程与曲轴的旋转直径等长，本申请的发动机活塞行程远大于曲轴的旋转直径，如此设置，解决了现有船用发动机长径比的设计限制问题，以及曲轴结构复杂制作困难并且容易断裂和现有船用发动机热效率低的问题。

为了使发动机正常运行，并且便于安装汽缸7和曲轴18，曲轴18的位置在水平方向上到汽缸7的中轴线的距离为摆杆13偏移汽缸7中轴线的最大偏移量加上曲轴连杆14的长度再减去曲轴18的有效半径。

其中，水平方向指的是固定转轴到曲轴旋转圆心的延伸方向。

需要说明的是，这里，摆杆13偏移汽缸7中轴线的最大偏移量为摆杆13转动到水平位置时，摆杆13的第二端与汽缸7中轴线的距离。

本实施例中，如图1所示，活塞杆8、曲轴连杆14和摆杆13通过连杆销相互铰接，摆杆13的第一端连接在曲轴箱内壁上，活塞5由上止点到下止点往复运行，结点12在以摆杆13的第一端为圆心、摆杆13的长度为半径所形成的弧形轨迹上移动，即结点轨迹20，这样，活塞杆8、曲轴连杆14和摆杆13三者之间形成互相限制作用，从而减小了活塞杆8的左右摆动幅度，同时也减小了活塞杆8的长度，并减小了曲轴18的有效旋转半径，使整个发动机的高度尺寸大大减小。

并且，摆杆13结构的设计，使活塞杆8不必大幅度转动，减小了活塞杆8和汽缸壁之间的受力角度，大大减小了活塞5与汽缸壁之间的滑动摩擦阻力，有利于减小动能损耗，提供发动机的热效率，同时，减小汽缸壁和活塞5的磨损，使活塞5运行更加平稳，提高了活塞5的运行效率，优化了结构设计。因此无需加大活塞5的尺寸来平衡活塞杆8的转动角度，这样，可以减小活塞5的尺寸，从而减小汽缸7的直径，以使汽缸7的长径比加大，从而延长了做功冲程，能较大地提高发动机的热效率。

本实施例的优选方案中，如图1、图6和图7所示，该船用发动机包括两排并列设置的汽缸7，并且两排汽缸分别位于曲轴18相对的两侧，且与曲轴18之间的间距相等，每排汽缸均包括多个汽缸7，这里，活塞杆8、摆杆13、曲轴连杆14的个数与汽缸7的个数相同。两排汽缸7共用一根曲轴18，本实施例中，两排汽缸垂直于水平方向摆放。这样，汽缸7并且摆放与曲轴18的两侧，使发动机的整体长度减小，曲轴18的长度减小，节省了发动机在船上的布置空间。

其中，每排汽缸的数量可以为1、2，3、4或者7，或更多，具体根据要求发动机的功率大小确定。比如，目前14缸的发动机，如图6所示，可以每排设置7个汽缸7并共用一根曲轴18，相对于原有14缸的发动机，曲轴18的长度减小了一半，从而使发动机的整体尺寸减小，达到了节省空间的目的。

需要说明的是，两排汽缸相互交错设置，如图6所示：比如其中一排的汽缸的活塞位于上止点时，另一排汽缸的活塞位于下止点，即各排汽缸中的相邻汽缸相间隔设置，以保证两排汽缸之间互不限制。

如此设置，由于曲轴18的长度减小，从而更容易加工和保证曲轴18的结构强度，减小曲轴18的实际尺寸，摆杆13的设计，使曲轴18的旋转曲柄有效半径减小，从而减小了曲轴18的加工尺寸和提高了结构强度，减小了运行过程中的振动和摩擦等损失，提高了发动机的热效率。

本实施例中，活塞5位于上止点时和活塞5位于下止点时，活塞杆8远离活塞5的一端均位于汽缸7的中轴线上。

需要说明的是，活塞5位于上止点时，活塞杆8远离活塞5的一端位于最高位置，即相当于活塞杆8远离活塞5的一端的上止点，这里即为活塞杆底端的上止点22；活塞5位于下止点时，活塞杆8远离活塞5的一端位于最低位置，即相当于活塞杆8远离活塞5的一端的下止点，这里即为活塞杆底端的下止点21。

如图1所示，活塞杆底端的上止点22和活塞杆底端的下止点21的连线与汽缸7的中轴线相重合，并且曲轴18的旋转圆心位于连线的垂直平分面上。

本实施例中，汽缸7包括汽缸盖4和缸体，活塞5位于缸体内，并能够在缸体内运行，汽缸盖4与缸体的连接处设置有燃烧室。

需要说明的是，当发动机为汽油机或者为燃气机时，汽缸盖4上设置有火花塞，火花塞与燃烧室相连通，火花塞点火时，能够将燃烧室内的气体或油液燃烧。

汽缸盖4上还设置有进气口1、喷油嘴2、排气口3，并且进气口1、喷油嘴2和排气口3均与燃烧室相连通。

当该发动机为四冲程发动机时，如图1所示，进气口1位于汽缸盖4上，进气口1开启，喷油嘴2开启，活塞5从上止点向下止点运行，汽缸7的容积变大，空气和油液被吸入汽缸7内，空气和油液在燃烧室内混合形成可燃混合气，进气完成，进气口1和喷油嘴2关闭，活塞杆8带动曲轴18旋转了360度加上2δ；活塞5从下止点向上止点运行，汽缸7的容积变小，对可燃混合气压缩，使可燃混合气的压力变大，温度升高，活塞杆8带动曲轴18旋转了360度减去2δ，活塞5到达上止点时，火花塞点火，使燃烧室内的可燃混合气燃烧，并释放大量热能，燃烧气体体积膨胀，压力、温度升高；通过进气和压缩行程，曲轴18旋转两周。燃烧气体压力推动活塞5从上止点运动到下止点，活塞杆8推动曲轴18旋转360度加上2δ；进气口1关闭，排气口3开启，活塞5从下止点运动到上止点，膨胀过后的废气在其自身剩余压力和在活塞5的推动下，经排气口3排出气缸，活塞杆8推动曲轴18旋转360度减去2δ，通过作功和排气行程，曲轴18旋转两周。

当该发动机为二冲程发动机时，如图2所示，进气口1位于汽缸7的底端，并且进气口与吹扫口19为同一入口，排气口3位于汽缸盖4上、并与燃烧室相连通，当活塞5由下止点向上止点移动时，进气口1和排气口3同时被关闭，进入汽缸7的混合气被压缩，在进气孔露出时，可燃混合气流入曲轴箱，活塞杆8推动曲轴18旋转360度减去2δ；活塞5压缩到上止点时，火花塞点燃可燃混合气，燃气膨胀推动活塞5下移，这时进气口1关闭，密闭在曲轴箱内的可燃混合气被压缩，当活塞5运行到下止点时排气口3开启，废气冲出；随后进气口(吹扫口19)开启，受预压的可燃混合气冲入气缸，排出废气，进行换气过程；活塞杆8推动曲轴18旋转360度加上2δ。

该船用发动机相对于传统曲轴连杆14的发动机比较如下：

传统曲轴连杆发动机：有曲轴，活塞，和连接曲轴与活塞的连杆，活塞行程与曲轴的曲柄旋转直径等长，活塞往返复位一次，曲轴旋转一周。

该船用发动机：有曲轴18，活塞5，与活塞5连接的活塞杆8，与曲轴18连接的曲轴连杆14，摆杆13，活塞杆8与曲轴连杆14和摆杆13连接于一点、形成三连杆结构，活塞行程大于曲轴18的曲柄旋转直径的长度，活塞5往返复位一次，曲轴18旋转两周。

因此，该船用发动机通过改变动力的传递方向，活塞杆8、曲轴连杆14和摆杆13共同实现了曲轴18位置的偏移，减小了活塞5对汽缸壁的受力角分量，减小了活塞杆8的摆动幅度，满足超长的作功冲程，提高了发动机的效率，相较于具有相同的活塞运行速度的传统的曲轴连杆式发动机来说，可以提高一倍的角速度。

其中，根据如下数据可以得出该船用发动机相对于传统曲轴连杆14发动机的一些优点。

传统曲轴连杆的曲柄直径可以为2600mm，汽缸7直径可以为960mm，则活塞行程为2600mm，曲柄直径与活塞行程等长。

该船用发动机的曲柄直径可以为1120mm，活塞杆8的长度可以为3275mm，曲轴连杆14的长度可以为1739mm，摆杆13的长度可以为1537mm，这样得出的活塞行程为2600mm，行程与曲轴18旋转直径的比值为2.314。

这里，(h/2)2＝(l+r)2-(a+l-r)2。

需要说明的是，h为活塞行程，l为曲轴连杆14的长度，r为曲柄旋转半径，a为摆杆13水平位置时摆杆的第二端到汽缸7中轴线的距离。

而所需要的曲柄的直径则要小于传统曲轴连杆的发动机的曲柄直径，从而该船用发动机的行程与曲柄旋转直径的比值大于1，而传统曲轴连杆的发动机的行程与曲柄旋转直径的比值等于1。活塞杆8、曲轴连杆14和摆杆13共同实现了曲轴18位置的偏移，减小了活塞5对汽缸壁的受力角分量，减小了活塞杆8的摆动幅度，满足超长的作功冲程，提高了发动机的效率，相较于具有相同的活塞运行速度的传统的曲轴连杆式发动机来说，可以提高一倍的角速度。

在一些实施例中，举例处如下的参数数据，以便于说明和让本领域内的技术人员直观理解，本发明所述的项目包含但不限于以下所述的参数。

实施例1，该船用发动机的曲柄直径可以为1260mm，汽缸7直径可以为960mm，活塞杆8的长度可以为3275mm，曲轴连杆14的长度可以为1514mm，摆杆13的长度可以为1439mm，从而得出的活塞行程为2600mm，行程与曲轴18直径比值为2.064，汽缸7的长径比为2.708。

实施例2，该船用发动机的曲柄直径可以为892mm，汽缸7直径可以为880mm，活塞杆8的长度可以为2318mm，曲轴连杆14的长度可以为1119mm，摆杆13的长度可以为1011mm，从而得出的活塞行程为1840mm，行程与曲轴18直径比值为2.063，汽缸7的长径比为2.091。

实施例3，发动机的曲柄直径可以为703mm，汽缸7直径可以为860mm，活塞杆8的长度可以为2641mm，曲轴连杆14的长度可以为1000mm，摆杆13的长度可以为1411mm，从而得出的活塞行程为1840mm，行程与曲轴18直径比值为2.617，汽缸7的长径比为2.140。

实施例4，发动机的曲柄直径可以为793mm，汽缸7直径可以为796mm，活塞杆8的长度可以为2318mm，曲轴连杆14的长度可以为1231mm，摆杆13的长度可以为1088mm，从而得出的活塞行程为1840mm，行程与曲轴18直径比值为2.320，汽缸7的长径比为2.312。

实施例5，发动机的曲柄直径可以为1146mm，汽缸7直径可以为600mm，活塞杆8的长度可以为3351mm，曲轴连杆14的长度可以为1780mm，摆杆13的长度可以为1573mm，从而得出的活塞行程为2600mm，行程与曲轴18直径比值为2.321，汽缸7的长径比为4.433。

本实施例中，为了防止汽缸7的温度过高，而造成汽缸7损坏，降低其使用寿命，在汽缸内外壁10之间设置有散热水套9。

曲轴箱包括与曲轴底箱16、曲轴箱盖11和曲轴箱底座17，曲轴底箱16和曲轴箱盖11围成用于放置曲轴18的空间，曲轴箱盖11位于曲轴18的上方，曲轴箱底座17位于曲轴底箱16的下方，以用来支撑曲轴箱和汽缸7。

需要说明的是，本文所表述的“第一”“第二”等词语，不是对具体顺序的限制，仅仅只是用于区分各个部件或功能，本文中所表述的“水平”“上”“下”“底”等方位性词语均为图1所摆放的方向。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。