专利名称：环缸发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机，特别指圆环形曲面缸体活塞发动机。
背景技术：
公知，传统往复式活塞发动机的缸体在运动学上是作为活塞的约束而存在的，缸 体和活塞之间存在着力的作用和相对运动。一台设计良好的传统往复式活塞发动机因缸体 与活塞之间的摩擦而消耗的功率，占到了其总摩擦功耗的百分之五十以上，而摩擦功耗则 是随着发动机转速的增加而急剧增加的。由于摩擦的存在，受材料性能的限制，缸体与活塞 之间必须得到良好的润滑和冷却，否则会因磨损、摩擦和过热而很快失效。由于缸体与活塞 均与燃气直接接触，也给缸体和活塞间的移动副的正常运行带来了不利，因此传统往复式 活塞机必须设置复杂的润滑系统和冷却系统。又公知，提高发动机功率的途径之一是提高转速，而转速的提高导致了运动构件 惯性力和线速度的增大。现今发动机缸体和活塞均采用金属材料，体涨系数较大，为保证发 动机的正常运转，缸体和活塞之间必须给出足够的间隙以适应热变形，而发动机密封性又 要求间隙足够地小以减少燃气泄漏。传统活塞发动机解决这一矛盾的方法是采用专门的密 封元件——活塞环来堵塞所有可能的漏气通道。活塞环与缸体存在摩擦，又与燃气直接接 触，必然受到线速度的制约。二十世纪六十年代出现的高温结构陶瓷，以其良好的耐热性， 极高的硬度，极小的体胀系数，优异的耐化学侵蚀性和抗变形能力，引起了人们的关注。发 动机缸体和活塞采用高温结构陶瓷，使得其工作时的热变形能够控制在密封性要求所能接 受的范围内，则活塞环的存在有无必要便可重新考虑。取消了活塞环，便能够彻底解除线速 度的制约。但是，高温结构陶瓷有一个致命弱点就是它的脆性。传统往复式活塞发动机缸 体与活塞间存在冲击，显然，不适合采用高温结构陶瓷作为其高温结构构件的材料。
发明内容
为了克服上述不足，本发明提供一种工作时缸体与活塞之间不存在直接接触的新 型环缸发动机。该发动机不仅能避免缸体与活塞间力的相互作用，减小发动机的摩擦功耗， 而且能大大简化发动机的结构。本发明解决其技术问题所采取的技术方案是采用圆环形曲面缸体和活塞方案， 改变传统往复式活塞发动机缸体与活塞之间的约束方式。我们把平面内一圆绕该平面内一 轴线旋转所形成的空间曲面叫圆环形曲面，把平面内的这个圆叫做圆环形曲面的创成圆， 这条轴线叫做创成轴线，创成圆圆心至创成轴线的垂直距离叫做创成半径。环缸发动机缸 体的内壁面和活塞的外侧面采用的均是这样的圆环形曲面，并且二者的创成半径相等，创 成轴线重合。此时，传统的往复式活塞发动机缸体与活塞之间的移动副便可以以一个简单 的转动副替代使得缸体与活塞之间不再存在直接接触，并且，该转动副可以移转至缸体与 活塞之外使其避免直接接触燃气，从而避免了传统往复机缸体与活塞采用移动副带来的种 种缺陷。圆环形曲面缸体和活塞既可采用金属材料制作，也可采用高温结构陶瓷。采用金
3属材料可沿用传统发动机的密封技术，采用高温结构陶瓷则能够取消活塞环，彻底解除活 塞线速度对发动机的制约。本发明的有益效果是1、减小了发动机的摩擦功耗，提高了热机效率。2、减小了活塞惯性力和线速度对发动机的制约。3、减小了发动机的润滑系统和冷却系统的负荷。 4、简化了发动机结构，降低了制造和使用成本。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。图1是环缸发动机的等轴测结构原理图。图2是环缸发动机圆环形曲面缸体的等轴测视图。图3是环缸发动机圆环形曲面活塞的等轴测视图。图4是环缸发动机第一个实施例的等轴测结构原理图。图5是第一个实施例中圆环形曲面缸体的等轴测视图。图6是第一个实施例中圆环形曲面活塞的等轴测视图。图7是环缸发动机第二个实施例的等轴测结构原理图。图8是第二个实施例中圆环形曲面缸体的等轴测视图。图9是第二个实施例中圆环形曲面活塞的等轴测视图。图1中1.缸体，2.活塞，3.摇臂轴，4.摇臂，5.连杆，6.曲轴。图4中1.缸体，2.活塞，3.摇臂轴，4.摇臂，5.连杆，6.曲轴。7.行星齿轮，8.支 撑轮，9.中心齿轮，10.中心轴，11.缸盖。图7中1.缸体，2.活塞，3.摇臂轴，4.摇臂，5.连杆，6.曲轴。
具体实施例方式由图1可知环缸发动机的装配结构为紅体(1)中装有活塞(2)，活塞⑵和摇臂 (4)均固联在摇臂轴(3)上。摇臂⑷与连杆(5)小头铰接，连杆(5)大头与曲轴(6)上的 曲柄销铰接。缸体(1)内壁面的创成轴线、活塞(2)外侧面的创成轴线、摇臂轴(3)的中心 线三线重合。活塞(2)在缸体(1)中可作绕其创成轴线并且相对于缸体(1)的摆动。在图4所示的第一个实施例中，缸体⑴与中心轴(10)固联，缸体⑴上装有缸 盖(11)，缸体(1)中装有活塞(2)，活塞⑵和摇臂(4)均固联在摇臂轴(3)上。摇臂轴 (3)与中心轴(10)铰接，摇臂⑷与连杆(5)小头铰接，连杆(5)大头与曲轴(6)上的曲 柄销铰接。行星齿轮(7)固联在曲轴(6)上并且与中心齿轮(9)啮合，中心齿轮(9)与机 架固联。曲轴(6)铰装在支撑轮⑶上，支撑轮⑶与中心轴(10)固联。中心轴(10)的 中心线、中心齿轮(9)中心线、支撑轮(8)中心线、摇臂轴(3)中心线、活塞(2)创成轴线、 缸体(1)创成轴线六线重合。中心轴(10)勻速旋转时，缸体(1)、活塞(2)、摇臂轴(3)、摇 臂(4)、连杆(5)、曲轴(6)、行星齿轮(7)、支撑轮⑶皆绕中心轴(10)中轴线随之转动，因 行星齿轮(7)与中心齿轮(9)啮合，行星齿轮(7)还将产生饶自己中轴线的自转，通过曲 轴(6)、连杆(5)、摇臂(4)、摇臂轴(3)带动活塞(2)做变角速度运动，使得缸盖(11)与活塞(2)之间的容积发生周期性变化，从而满足奥托循环要求。燃气膨胀做功时，由中心齿轮 (9)、行星齿轮(7)、曲轴(6)、连杆(5)、摇臂(4)、摇臂轴(3)、活塞(2)对燃气提供反力，燃 气直接驱动缸体(1)、中心轴(10)旋转对外输出功率。显然，本实施例是一台转子发动机， 缸盖(11)侧面设有进(排)气口，采用转子机传统的端面进、排气方式，从而省去了传统往 复式活塞发动机的阀门机构。缸体(1)旋转时使空气在离心力作用下流动自然形成主动风 冷，简化了发动机的冷却系统。 在图7所示的第二个实施例中，缸体⑴与机架固联，缸体⑴中装有活塞(2)，活 塞(2)和摇臂(4)均固联在摇臂轴(3)上，摇臂轴(3)中心线、活塞(2)创成轴线、缸体(1) 创成轴线三线重合。摇臂轴(3)用轴承支撑在机架上，摇臂(4)与连杆(5)小头铰接，连杆 (5)大头与曲轴(6)上的曲柄销铰接，曲轴(6)用轴承支撑在机架上。燃气膨胀做功时，由 缸盖对燃气提供反力，燃气驱动活塞(2)、摇臂轴(3)和摇臂(4)作绕摇臂轴(3)中心线的 摆动，通过连杆(5)将摆动转变为曲轴(6)的旋转运动对外输出功率。显然，这是一台介于 转子机和往复机之间的新型发动机，它的其余结构均相同于现今往复机，不同的是曲轴只 有一个曲拐。对于多缸发动机，只要简单地增加缸体(1)和活塞(2)的数目，并相应延长摇 臂轴(3)即可实现。此时，各缸动力均可由各缸活塞传递给摇臂轴(3)，再统一由摇臂(4)、 连杆(5)传递给曲轴(6)对外输出。不但消除了发动机缸体与活塞间的摩擦，而且简化了 发动机的结构，也简化了发动机的生产工艺。
权利要求
一种环缸发动机，在缸体内设有活塞，活塞顺次与摇臂轴、摇臂、连杆、曲轴相联接，其特征是活塞与摇臂轴固定联接，摇臂轴与摇臂一端固定联接，摇臂另一端与连杆小头铰接，连杆大头与曲轴上的曲柄销铰接，活塞在缸体内可绕给定轴线作给定弧度的摆动。
2.根据权利要求1所述的环缸发动机，其特征是缸体孔膛的内壁面采用圆环形曲面， 活塞的外侧面也采用圆环形曲面。圆环形曲面的定义是平面内一圆绕该平面内一轴线旋 转所形成的空间曲面，其术语定义是平面内的圆叫做圆环形曲面的创成圆，轴线叫做创成 轴线，创成圆圆心至创成轴线的垂直距离叫做创成半径。
3.根据权利要求1所述的环缸发动机，其特征是缸体孔膛内壁面的圆环形曲面与活 塞外侧面的圆环形曲面，二者的创成半径相等，创成轴线重合。
4.根据权利要求1所述的环缸发动机，其特征是活塞圆环形曲面的创成轴线与摇臂 轴中心线重合。
5.根据权利要求1所述的环缸发动机，其特征是缸体和活塞既可以采用传统的金属 材料制造，也可以采用新颖的高温结构陶瓷制造。
全文摘要
一种能显著减小发动机摩擦功耗，减小活塞惯性力和线速度对发动机制约，简化发动机结构，降低发动机制造和使用成本，拓展新型热机材料应用领域的环缸发动机。它采用新颖的圆环形曲面缸体和活塞方案，以转动副替代传统往复式活塞发动机缸体与活塞之间的移动副的约束方式，使得发动机缸体与活塞之间不再存在直接接触，运动副与燃气也不再存在直接接触，从而避免了传统往复机缸体与活塞采用移动副并直接接触燃气所带来的种种缺陷。它消除了现今往复式活塞发动机最大的摩擦功耗源，提高了发动机的热效率。它消除了发动机缸体与活塞之间的冲击，为发动机缸体和活塞采用高温结构陶瓷提供了可能，也为发动机缸体与活塞彻底摆脱线速度的制约提供了可能。
文档编号F02B55/02GK101963095SQ20091015965
公开日2011年2月2日 申请日期2009年7月22日 优先权日2009年7月22日
发明者刘敬平, 蔡盛龙 申请人:蔡盛龙;刘敬平