变量杠杆式偏置连杆内燃机的制作方法
【专利摘要】本发明是一种变量杠杆式偏置连杆内燃机，该内燃机的连杆机构由连杆(14)、变量杠杆式偏置连杆和可摆动的平衡连杆(8)组合而成，杠杆式偏置连杆包括具有一夹角的长臂(15)和短臂(11)，大致形成Y形，Y形下方的共同端与曲柄铰接，偏置连杆的轴水平中垂线与活塞往复中轴线不在同一轴线上，形成偏置一段距离；连杆(14)上端与活塞连接，下端与短臂(11)上端铰接；平衡连杆(8)的一端为平衡连杆固定销(7)，可旋转的固定在气缸壁上，另一端为平衡连杆活动销(9)，与长臂(15)上端铰接。本发明改善活塞与曲轴之间的相互作用，使旋转力矩能保持最佳状态，提高内燃机的效率，运行平稳，结构紧凑、适应于多气缸柴油机和直喷汽油机。
【专利说明】
变量杠杆式偏置连杆内燃机
技术领域
[0001]本发明涉及一种内燃机，尤其是涉及通过改进内燃机的曲轴连杆机构，提高内燃机能量转换效率效率的变量杠杆式偏置连杆内燃机。
【背景技术】
[0002]内燃机使用气缸和活塞机构将燃料的燃烧产生的压力转化为活塞的机械动力，然后通过曲轴连杆机构，将活塞的平移转化为曲轴的旋转动力向外输出。曲轴连杆机构是目前普遍使用的内燃机上的不可或缺的主要部件，其结构是将连杆的一端与气缸活塞铰接，另一端与曲轴曲颈铰接，气缸活塞在燃烧产生的压力作用下在气缸内上下往返运动，通过曲轴连杆机构转变成曲轴的旋转运动，再由曲轴传递动力做功。由于这种内燃机采用曲轴传递动力，其缺点在使用中不断暴露出来，其缺点是活塞的连杆和曲轴之间的相互作用力的夹角总是随着曲轴的旋转而改变，曲轴产生的旋转力矩随之改变，不能保持最佳力矩，不仅浪费了机械能还加剧了机械的损耗，所消耗的功很大，因此对燃油的浪费也是惊人的，而且排放大量的污染废气，是造成城市空气PM2.5浓度严重超标雾霾天气的主要肇事者。四冲程气缸活塞的连杆对曲轴的作用力受到作用角度的限制，因此曲轴的旋转是不够平稳，造成车辆行驶的不稳定性。
[0003]现有内燃机是在曲柄上以切向获得扭矩由曲轴输出。因为连杆和垂直方向夹角的改变，其切向力值是变化的，缸内气体膨胀压力达到最高值，夹角为O度，此时对曲轴轴颈旋转力矩也为0，也就是说，当活塞处于上止点，混合气在最大压缩状态下点火，此时，对曲轴轴颈旋转力矩的贡献却为零，这就使得现有内燃机曲柄连杆机构能量转换效率不高，内燃机的整体效率一般不会超过30 %，造成能源浪费，而且对曲轴造成冲击，使发动机噪音增大。
[0004]为了克服现有内燃机曲柄连杆机构能量转换效率不高的问题，申请号为201310178318.4，名称为"双曲轴连杆偏置内燃机"的发明专利，该双曲轴连杆偏置机构包括双曲轴，分别为主曲轴和副曲轴，并增加了一个斜连杆，该斜连杆的中间与连杆下端饺接，其两端分别与主曲轴8和副曲轴7的主曲轴连杆颈和副曲轴连杆颈铰接。在主副曲轴上引出主曲轴齿轮和副曲轴齿轮，在所述曲轴齿轮和之间设置情齿轮。上述结构改善活塞与曲轴之间相互作用，在整个工作循环中，旋转力距保持较佳状态，尤其是当活塞处于压缩冲程的上止点，可燃气点火爆发时，连杆对曲柄轴颈施加一个较大的旋转力矩，提高了现有内燃机的燃烧效率和机械效率。
[0005]但是此种结构也存在问题:由于曲柄连杆机构的限制，以及主曲轴齿轮、副曲轴齿轮和惰齿轮尺寸的限制，斜连杆的长度受到限制，连杆距离主副曲轴连杆颈较近，使活塞通过斜连杆施加在主副曲轴颈上的爆发冲程产生的爆发力，由于连杆距离主副曲轴连杆颈较近，距离较短，使得旋转力矩相对不大，限制内燃机的功率。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种机械效率高的大功率内燃机，该内燃机的曲柄连杆机构采用变量杠杆式偏置连杆，解决现有内燃机以及曲轴与活塞之间相互作用造成机械能的浪费和机械损耗加大的问题。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明的内燃机所采用的技术解决方案如下:
[0008]—种变量杠杆式偏置连杆内燃机，包括气缸，活塞、连杆机构和曲柄机构，所述内燃机的连杆机构由连杆14、变量杠杆式偏置连杆和可摆动的平衡连杆8组合而成，其中，
[0009]所述杠杆式偏置连杆包括长臂15和短臂11，所述长臂15和短臂11具有一夹角，大致形成Y形，Y形下方的共同端与曲柄铰接，所述变量杠杆式偏置连杆的轴水平中垂线与活塞往复中轴线不在同一轴线上，形成偏置一段距离；；
[0010]所述连杆14上端与活塞连接，下端与短臂11上端铰接；
[0011]所述平衡连杆8的一端为平衡连杆固定销7，可旋转的固定在气缸壁上，另一端为平衡连杆活动销(9)，与所述长臂15上端铰接。
[0012]所述连杆14的长度为106.5mm，所述活塞4在气缸6中的行程为53.3mm。
[0013]所述所述长臂15的长度为7.4厘米，短臂11的长度为4.65厘米，长臂15与短臂11的夹角为24°，活塞4位于上止点时，短臂11和长臂15与垂直方向的角度分别为15°和9。。
[0014]所述平衡连杆8的长度为67.8mm。
[0015]所述平衡连杆固定销7在气缸6壁上的铰接固定点与曲轴中心的垂直距离为77.5mm,水平距离为88.2mm。
[0016]所述连杆14下半段为弧形，偏离平衡连杆活动销9。
[0017]本发明具有了以下优点:
[0018]本技术方案使用的变量杠杆式偏置连杆能够对曲轴连杆颈产生较大的旋转力矩，因此，在压缩过程中，活塞到达上止点时即可点火，可燃气体燃烧推动活塞下行做工，由此改善活塞与曲轴之间相互作用，在整个工作循环中，旋转力距保持最佳状态，尤其是当活塞处于压缩冲程的上止点，可燃气点火爆发时，连杆对曲柄轴颈施加一个较大的旋转力矩，提高了现有内燃机的燃烧效率和机械效率。
【附图说明】
[0019]图1a和图1b是本变量杠杆式偏置连杆在活塞处于上止点时的结构和受力状态示意图；
[0020]图2a和图2b是本变量杠杆式偏置连杆在活塞处于气缸中过上止点，曲轴连杆颈向左旋转10度时的结构和受力状态示意图；
[0021]图3a和图3b是本变量杠杆式偏置连杆在活塞处于气缸中过上止点，曲轴连杆颈向左旋转20度时的结构和受力状态示意图；
[0022]图4、图5和图6是本变量杠杆式偏置连杆在活塞处于气缸中做功下行曲轴连杆颈从上止点0°以2.7厘米为半径向左作圆轨迹旋转90度、180度和270度时的结构示意图；
[0023]图7是本变量杠杆式偏置连杆的长短臂变换的结构示意图。
[0024]图中
[0025]I喷油觜9平衡连杆活动销
[0026]2排气门10偏置连杆销
[0027]3进气门11偏置连杆短臂
[0028]4活塞12曲轴连杆颈
[0029]5活塞销13曲轴颈
[0030]6气缸14连杆
[0031]7平衡连杆固定销15偏置连杆长臂
[0032]8平衡连杆
【具体实施方式】
[0033]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明。
[0034]附图显示本发明变量杠杆式偏置连杆在内燃机作工冲程的工作原理和结构，其中，图1a和图1b是本变量杠杆式偏置连杆在活塞处于上止点时的结构和受力状态示意图；如图所不，本内燃机为活塞式内燃机，而且大部分结构和传统的内燃机结构相同，包括:气缸6和活塞4组成气缸活塞机构，连杆14和曲轴13构成曲柄连杆机构，本发明的连杆米用变量杠杆式偏置连杆，由连杆14和变量杠杆式偏置连杆构成；偏置连杆大体上为具有一夹角的“Y”形，包括构成夹角两边的长臂15和短臂11，其中，短臂11的上端通过偏置连杆销10与连杆14下端铰接，下端与曲柄连杆轴颈12铰接；长臂15的上方与平衡连杆8的平衡连杆销9铰接，并由本身转动的平衡连杆固定销7定位于曲柄箱上；可以对长臂15的运动加以限定，使长臂15只能在本身可转动定位的平衡连杆固定销7为圆心以平衡连杆8为半径作扇形轨迹上下运动。长臂15下端和短臂11下端相联一整体与曲柄连杆轴颈12铰接；上述机构完成将活塞4的上下直线运动对曲轴的旋转运动的动力转换。
[0035]根据图la，在作工冲程，活塞4处于压缩冲程的上止点，可燃气处于最大压缩比，在燃爆的瞬间，活塞4受到最大推力时、通过连杆14对偏置连杆11的偏置连杆销10施加作用力F，使偏置连杆的短臂11的上方偏置连杆销10向下延线垂直与曲轴连杆颈中心水平面线向右延线的交点为邻边，Lfi (短臂11的长度)为斜边，其夹角为15°，曲轴连杆颈中心水平线中垂线起，向右延线一交点的距离LI (动力矩的动臂长)为对边，构成一个杠杆的右边动力直角三角形、在曲轴连杆颈中心水平线中垂线左边以Lii (长臂15的长度)为斜边、平衡连杆活动销9向下垂直延线和曲轴连杆颈中心水平线向左延线垂直交点的距离为邻边，其夹角为9°，曲轴连杆颈中心水平线中垂线向左边延线交点的距离L2(阻力矩的阻臂长)为对边、构成杠杆的阻力平衡直角三角形，那么以曲轴连杆颈中心水平线中垂线为支点的杠杆动力矩FxLl，被长臂15的反作用阻力矩fxL2平衡；直接作用在曲柄连杆轴颈12上，该曲轴连杆颈12承受的压力= F+f ;f的一部被分解为匕和f 作用在曲轴连杆颈12上，以摇臂轴形式旋转受力Fii平衡产生向左移动，Fii对曲柄连杆轴颈施加一个旋转力矩F移X曲柄，此力矩的力臂长是曲柄连杆轴颈10到曲轴颈13的中心水平垂直距离。则该旋转力？#的大小同相等，是和连杆14与偏置连杆的短臂11铰接的夹角相关，该夹角由偏置连杆11结构设计确定，在图1a所示的是实施例中，偏置连杆长短臂之间的夹角为24°，长臂1^为7.4厘米、短臂Ls为4.65厘米。由此可知，活塞在上止点时，动力矩的臂长ctgl5° xL短，阻力矩的臂长1^为ctg9° xL长，根据杠杆平衡原理:F动xLl = fE xL2 ；
[0036]F动 xLl = f阻 xL2 丨动 x[ctgl5。xL短]=f阻 x[ctg9。xL长]
[0037]f2= F 动 x[ctgl5。xL短]/[ctg9。xL长]
[0038]F支=F动+f阻=Fs+F动 x[ctgl5。xL短]/[ctg9。xL长]
[0039]此时曲柄连杆轴颈12垂直与曲轴中心水平线、旋转角度为0°，曲轴轴颈旋转力矩也为0，向外输出动力只有杠杆式偏置连杆在曲柄连杆轴颈12以摇臂轴的旋转受力Fii平衡产生曲轴连杆颈12 (摇臂轴)向左移动，Fii对曲柄连杆轴颈施加一个旋转力矩Fii xL曲，Lft是曲柄连杆轴颈10到曲轴颈13的中心距离。则该旋转力？#的大小同相等。
[0040]图2a和图2b是本变量杠杆式偏置连杆在活塞处于气缸中做功下行曲轴连杆颈从上止点0°以2.7厘米为半径向左作圆轨迹旋转10度时的结构和受力状态示意图；此时:右边动力直角三角形、夹角变大为18°，它的对边变长为1.476厘米、杠杆支点向左移动了CtglO0 X斜边=ctgl0° x2.7厘米= 0.467厘米，也就是曲轴动力臂长从上止点O增长到
0.467厘米。左边阻力平衡直角三角形夹角变小为6°，它的对边变短为0.731厘米，以上数据表明活塞处于气缸中做功下行、曲轴连杆颈10从上止点0°以2.7厘米为半径向左作圆轨迹旋转10度时；曲柄连杆轴颈10 (杠杆支点、摇臂轴)因旋转以近似平向左靠近阻力平衡点移动了 0.467厘米，杠杆支点向左移动，动力臂变长，平衡阻力臂变短，根据杠杆平衡原理；F动 x[ctgl8。xL短]=f阻 x[ctg6° xL长]，f2= F 动 x[ctgl8° xL短]/[ctg6。xL长]，
曲轴连杆颈10作为杠杆支点所承受的压力!^因平衡阻力臂变短平衡阻力需变大而增加变大；卩支=F动+fE= F动+F动x[ctgl8。xL短]/[ctg6。xL长]，曲轴轴颈旋转力矩=F支xLft =IF动+? x[ctgl8° xL短]/[ctg6° xL长]}χ0.467厘米，再加上以摇臂轴12上旋转受力平衡而产生曲轴连杆颈12(摇臂轴)向左移动的作圆切向分力，对曲柄连杆轴颈施加一个旋转力矩fZlXLft，Lft是曲柄连杆轴颈10到曲轴颈13的中心距离。则该旋转作圆切向分力^的大小同f:相差不大，因曲柄连杆轴颈10 (杠杆支点、摇臂轴)在曲轴旋转10度时，杠杆支点12向左偏移，杠杆平衡使阻力量增大，曲轴轴颈旋转力矩比同型号没有杠杆的发动机的旋转力矩大150%左右。
[0041]图3a和图3b是本变量杠杆式偏置连杆在活塞处于气缸中做功下行曲轴连杆颈从上止点0°以2.7厘米为半径向左作圆轨迹旋转20度时的结构和受力状态示意图；此时，右边动力直角三角形夹角变大为22°，它的对边变长为1.757厘米，杠杆支点向左移动了ctg20° xLft = ctgl0° x2.7厘米=0.923厘米、也就是曲轴动力臂长从上止点O增长到
0.923厘米。左边阻力平衡直角三角形夹角变小为2°，它的对边变短为0.252厘米，以上数据表明活塞处于气缸中做功下行、曲轴连杆颈10从上止点0°以2.7厘米为半径向左作圆轨迹旋转20度时；曲柄连杆轴颈10 (杠杆支点、摇臂轴)因旋转以近似水平向左靠近阻力平衡点移动了 0.923厘米、杠杆支点向左移动、动力臂变长、平衡阻力臂变短、根据杠杆平衡原理；F动 x[ctg22° xL短]=f阻 x[ctg2。xL长]，f2= F 动 x[ctg22° xL短]/[ctg2。xLt]，曲轴连杆颈10作为杠杆支点所承受的压力Fi因平衡阻力臂变短平衡阻力量变大而增加变大；F支=F动+f阻=F动+F动x[ctg22° xL短]/[ctg2° xL长]，曲轴轴颈旋转力矩=F支xL曲={F动+F动x[ctg22° xLe ]/[ctg2° xL长]} χ0.923厘米，再加上以摇臂轴12上旋转受力匕平衡而产生曲轴连杆颈12(摇臂轴)向左移动的作圆切向分力，对曲柄连杆轴颈施加一个旋转力矩KxLft、L_是曲柄连杆轴颈10到曲轴颈13的中心距离。则该旋转作圆切向分力匕的大小同f i相差不大，因曲柄连杆轴颈10 (杠杆支点、摇臂轴)在曲轴旋转20度时杠杆支点12向左偏移，杠杆平衡使阻力量增大，曲轴轴颈旋转力矩比同型号没有杠杆的发动机的旋转力矩大I倍左右。
[0042]图4、图5和图6是本变量杠杆式偏置连杆在活塞处于气缸中做功下行曲轴连杆颈从上止点0°以2.7厘米为半径向左作圆轨迹旋转90度、180度和270度时的结构示意图；显示在做工冲程结束，即将开始排气冲程，活塞I处于下止点，此时，对曲轴连杆轴颈12产生旋转力矩为负值，对曲轴连杆机构的惯性完成排气冲程起到阻碍作用。
[0043]图7是本变量杠杆式偏置连杆的长短臂变换的结构示意图。
[0044]本机构在作工冲程的全过程，输出的旋转力矩波动范围不大，确保工作过程平稳，活塞推连杆14绕曲轴连杆颈运转、左右摆度的角度(左5°右6° )效小活塞对缸则向磨损减小。
[0045]在做工冲程结束时，燃气压力产生的F相对减小很多，该旋转力矩对曲轴连杆机构的作用可以忽略不计，不会影响完成排气冲程。
[0046]本发明相对于现有技术的曲轴连杆机构，在整个作工冲程，其对曲轴连杆机构产生的旋转力矩因杠杆支点随曲轴向左旋转靠近杠杆平衡阻力点、动力臂長与阻力臂长之比成倍数变化而增，在同等燃烧条件下，平均输出功率增加近80 %。
[0047]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种变量杠杆式偏置连杆内燃机，包括气缸，活塞、连杆机构和曲柄机构，其特征在于，所述内燃机的连杆机构由连杆(14)、变量杠杆式偏置连杆和可摆动的平衡连杆(8)组合而成，其中， 所述杠杆式偏置连杆包括长臂(15)和短臂(11)，所述长臂(15)和短臂(11)具有一夹角，大致形成Y形，Y形下方的共同端与曲柄铰接，所述变量杠杆式偏置连杆的轴水平中垂线与活塞往复中轴线不在同一轴线上，形成偏置一段距离；； 所述连杆(14)上端与活塞连接，下端与短臂(11)上端铰接； 所述平衡连杆(8)的一端为平衡连杆固定销(7)，可旋转的固定在曲轴箱壁上，另一端为平衡连杆活动销(9)，与所述长臂(15)上端铰接。2.根据权利要求1所述的变量杠杆式偏置连杆内燃机，其特征在于，所述连杆(14)的长度为106.5_，所述活塞(4)在气缸(6)中的行程为53.3_。3.根据权利要求2所述的变量杠杆式偏置连杆内燃机，其特征在于，所述所述长臂(15)的长度为7.4厘米，短臂(11)的长度为4.65厘米，(改变平衡连杆固定销(7)在曲轴箱壁上坐标位置时、长短臂可互换；)长臂(15)与短臂(11)的夹角为24°，活塞(4)位于上止点时，短臂(11)和长臂(15)与垂直方向的角度分别为15°和9°。4.根据权利要求3所述的变量杠杆式偏置连杆内燃机，其特征在于，所述平衡连杆(8)的长度为67.8mm。(长短臂互换时平衡连杆(8)的长度为62.98mm)。5.根据权利要求4所述的变量杠杆式偏置连杆内燃机，其特征在于，所述平衡连杆固定销(7)在曲轴(13)箱壁上的铰接固定点与曲轴中心的垂直距离为77.5mm，水平距离为88.2mm。(长短臂互换时平衡连杆固定销(7)在曲轴(13)箱壁上的铰接固定点与曲轴中心的垂直距离为42.78mm，水平距离为70.08mm)。6.根据权利要求5所述的变量杠杆式偏置连杆内燃机，其特征在于，所述连杆(14)下半段为偏离平衡连杆活动销(9)的弧形。
【文档编号】F02B75/32GK106089427SQ201510226655
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2015年4月30日
【发明人】陈作应
【申请人】陈作应