专利名称：四行程双头自由活塞凸轮内燃机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种四行程内燃机领域。
传统四行程活塞内燃机，其活塞在气缸中往复运动，活塞顶部压力要经过活塞销、联杆小头滑动轴承，推动联杆的曲柄滑动轴瓦。联杆在摆动中驱动曲轴旋转作功，曲轴设有抵消部分曲柄联杆惯性不平衡的配重，曲轴上还装有旋转惯量较大的飞轮。采用强迫润滑及压力、飞溅复合式润滑。特别是联杆的摆动运动，使活塞承受侧压力的裙部端面边缘与气缸壁形成线接触滑动，破坏了缸壁油膜，恶化润滑条件，造成较大的磨擦耗功。传统内燃机的活塞裙部与活塞环的磨擦耗功占内燃机机械损失的46％左右。其主要原因正是活塞摆动。现在全国广泛使用的汽车汽油发动机DA462的机械磨擦损失在17－30％之间(见《DA462微型汽车发动机》一书，黑龙江科学技术出版社1987年版第30页)，即活塞系统磨擦功占8－13.8％。最低经济耗油率为220克／马力小时，额定功率为35马力，发动机净重(不含离合器、变速器)达95公斤，每马力约重2.7公斤。总之，传统四行程内燃机结构复杂、零件多、加工困难、体积大、重量重、有振动、润滑不完善、备件消耗率大、机械效率低、燃油消耗率高，已属七八十年前的老结构。国际上对传统内燃机的固有缺点虽深有了解，几十年间做过多方面研究开发工作，但尚未造出足以完全替代传统内燃机的新一代产品。
研究四行程双头自由活塞凸轮内燃机的目的是充分运用传统机的合理成熟技术，采用现有材料及现行工艺，克服传统内燃机各种缺陷，以提高全机机械效率，开发出替代传统内燃机的第二代新型产品。
图1是四行程双头自由活塞凸轮内燃机的结构剖面图。
图2是四行程双头自由活塞凸轮内燃机的主传力路线示意图。
图3是传统六缸曲轴联杆式内燃机的主传力路线示意图。
图4是起动电机延迟接通电路方框图。
图5是双头活塞11、活塞滚轮13、活塞滚轮销30、主凸轮14、主轴1、平面推力轴承16的工作结构图。
图6是前后缸体10、18的接合面以及用镙栓36与中机身联结的A－A剖面图。
图7是按主轴1旋转180°而展开的主凸轮14的型面和滚轮销运动轨迹及各缸顺序工作图。
图8是挺杆44、摇臂46、进排气凸轮43的凸轮杠杆式结构图。
本实用新型的结构剖面图见
图1。
本实用新型的整个机身由前后缸体10、18与缸身中段29以螺栓36连结(见图6)。前后缸体10、18上各有六个钢质气缸筒12，它们均匀分布在以机身中心线为中心的园周上，气缸筒12内壁系氨化后经过精磨珩磨的镜面，前后缸筒严格同心，偏差在0.01毫米以内。六个双头整体自由活塞11以两端裙部支持在六对前后同轴心的气缸筒12中作四行程往复运动，消除了传统机活塞的摆动及破坏缸壁油膜的作用。卡环37限止滚轮销30窜动(见图5)，滚轮销30上装有锥形滚轮13，双头活塞11中部的那对锥形滚轮13紧贴在主凸轮14的两侧工作曲面上，一个滚轮处于主凸轮14的鼓出面时，同一活塞上的另一滚轮正处于主凸轮14的凹面上，阻止了活塞11的旋转，滚轮13的工作锥顶与主凸轮14工作曲面锥顶重合于主轴1的中心线上，从而使两个滚轮13与主凸轮14永远处于各自锥面母线间的滚动运动。(主凸轮应作精密平衡，不平衡量应小于10克厘米。)镶在前后缸体中心空腔中的静压轴承5的润滑性能远胜于传统机曲轴联杆系统的润滑方式，各传力面均以滚动磨擦代替传统机的滑动磨擦，磨擦耗功大幅度降低。
对比传统内燃机的主传力路线(见图3)与双头自由活塞凸轮内燃机的主传力路线(见图2)，可以判断本实用新型的活动磨擦面大为减少。图3上的五个活塞在耗功行程中，要由飞轮，并经过全部曲轴联杆系统传送回需功；作功的活塞也要经过全部曲轴联杆系统才能传功于飞轮，然后输出功率。活塞所做功输往飞轮时要消耗一次磨擦损耗功，从飞轮反传功至活塞还要消耗第二次磨擦损耗功。而图4则不然，作功活塞同时就是需功活塞，它的另一端正处于需功最大的压缩行程中，传功中并无运动发生，其余各活塞需功则来自主凸轮，也无相对滑动运动，因此不存在上述传统机的二次磨擦耗功损失。加上从活塞到主凸轮的传功不经过传统的联杆两头的滑动磨擦，而完全是滚动磨擦，其磨擦耗功损失必然大幅度降低。再加上省去了传统机分气凸轮轴系统的磨擦耗功，以及由于改善了主轴、活塞和气缸的润滑条件，双头自由活塞凸轮机的机械磨擦耗功可比传统机减少30－40％，因此必将降低耗油率。另外，传统机曲轴上有很多应力集中区，不得不加大几何尺寸，加上飞轮、配重，带来重量和成本的增加，而双头自由活塞凸轮机零件简单，重量和成本必然比传统机减少。
双头自由活塞11以两端裙部支持在气缸壁上，一个双头自由活塞11的左端顶部处于膨胀行程，其顶面气体压力使活塞11向右方移动，此时右端正处于压缩行程，活塞11左端的膨胀力远大于活塞11右端所需要的压缩力，其剩余推力迫使左侧滚轮13继续右移，推动主凸轮14的左侧曲线型面，使主凸轮14旋转，并经过主轴1对外做功。当主凸轮14旋转了60°时，相邻缸中的双头自由活塞11右端又处于膨胀作功行程，使主凸轮14继续旋转，如此连续工作，主轴每旋转一周，每对气缸里的活塞11两端都完成了四个行程(见图7)。装在主轴1两端的前后分气凸轮3、21的转速、转向和主轴相同，这就取消了传统内燃机上必设的1／2主轴转速的凸轮轴及其减速机构，从而减少了五个以上凸轮轴瓦的滑动磨擦损耗和减速机构的机械损失。
滚轮13中心运动的展开轨迹，是一条以活塞11行程之半为半径的正弦曲线。滚轮13的边缘所形成的包络线是主凸轮14的工作曲面，它绕主轴360°，完成两次展开周期，其最高点与最低点之间正是活塞的往复行程(见图7)。主凸轮从外形看呈马鞍状，其型面可用数控机床加工或用立铣加工(立铣须改装，使进给机构与被加工件联动旋转并按正弦曲线作往复运动)。分气凸轮工作面加工与主凸轮加工相似，但夹具的往复运动由标准靠模凸轮及滚轮完成。当然，也可以设计成园柱形凸轮固定在主轴两端，利用杠杆结构件启闭进排气门(见图8)。
前后分气凸轮盘3、21以键2和端头压紧螺帽24轴向压紧，固定在主轴1两端。其型面工作母线的锥顶与挺杆滚轮7的锥顶重合于主轴1的中心线上。分气凸轮3、21及进排气门等活动零件由前后静压轴承5溢出的滑油在分气凸轮3、21的离心力作用下飞溅润滑。积油存在保护套31、26下部，经导管流进油底壳28，各气缸筒12的回油集中在中机身29下部的出油口流回油底壳28。回油从油底壳28右下方的输油管经过滑油滤清器进入主滑油泵以3－5.5公斤／平方厘米的压力进入主轴1内腔，流经离心刮片17加压后，从主轴上的油孔注入静压轴承5间隙，构成静压油膜润滑主轴承。从中间两个静压轴承5渗出的滑油，经平面推力球轴承16的静止环与主轴1之间的间隙流进轴承，润滑滚球和轴承跑道。润滑汽缸12、活塞11、主凸轮14和滚轮13的滑油，从主轴1中段的滑油喷嘴35向四周旋转均匀喷出，使各运动面获得充分的润滑。为了保证缸身、主轴、主凸轮和活塞处于最佳轴向位置，特设置调整圈33(其厚度尺寸在实际测量各有关零件后确定并按精度±0.01毫米加工)。前后缸体头部铸成多球形带挤气面燃烧室，进排气口9、27设置在缸体10、18上的气缸头部。进气总管用光滑的铝管制成，分成六个出口与进气口相接以减少流动阻力，并紧靠在前后缸身外壁与排气总管并排排列，接受缸身及排气总管的辐射热，防止混合气中的雾化汽油再度凝聚。进入进气口的混合气流经铸成的进气腔，由进气门8调节进入气缸。(进气口和进气腔表面应打磨光滑，以减少混合气流动的阻力。)由于各缸按1－2－3－4－5－6的顺序工作，混合气在总管内不会停滞逆流，总管壁上不致凝成汽油膜，混合气能够均匀一致地供应各缸。但传统机如DA462以1－3－4－2缸的顺序点火工作，CS492则以1－2－4－3缸的次序工作，进气总管内混合气流时而前进，时而停滞倒流，使各缸进气量、混合气中的汽油含量和雾化程度很不一致，导致功率下降，燃油消耗率高，成为多缸汽油机的一个长期难题。航空活塞式汽油发动机往往不用气化器而用直接注油式就是为了解决这个难题以降低耗油率，但各缸进气量仍不一致。
主轴1后部伸出缸体进入后保护罩26，连接附件传动箱中的齿轮。前后保护罩外缘都设有12个窗口以备调节气门间隙，用口盖42堵盖密封。后保护罩26后部安装各种传动齿轮，保护罩后段外缘与端面安装各种附件。静压轴承5后端流出的滑油以飞溅方式润滑凸轮气门系统和齿轮23及轴承，底部设放油螺堵。在后保护罩26中心设分油套40和压紧螺母24。主轴1末端有键槽安装带动冷却风扇及冷却水循环泵用的皮带轮39，并可安装双机串联使用的弹性联轴节或手摇起动节38。气缸活塞及缸头在工作中承受高温，在前后缸体上设有冷却水进出口，冷却水在通道中流动，对高温部件进行散热降温，以保持正常工作。
在起动发动机时，接通点火开关，电动滑油泵34首先运转将滑油经导管(图中未画出)从滑油进口41，泵进主轴内腔，建立起静压油膜，在起动电机延迟接通电路作用下，起动电机电路自动接通，发动机运转至怠车转速，切断点火开关，电动滑油泵34和起动电机同时停止工作，滑油由主油泵供应。
气化器、空气滤清器、主滑油泵、滑油滤清器、汽油泵、汽油滤清器、起动电机、直流发电机、火花塞、电缆、冷却水泵、水箱、冷却风扇都选用现有成件，点火头可利用现有成件作适当修改。
在该机主体结构前后缸体、中机身、前后同心气缸、双头自由活塞、主凸轮和分气机构均不改变的情况下，即可使用多种液体、气体燃料。
燃用柴油时，取消气化器、汽油泵、点火系统代之以低、高压柴油泵，燃油分配器与喷油嘴，压缩比随设计而定。燃用煤油时取消气化器，利用排气总管后的高温废气蒸发器，将煤油蒸发成气态，经过进气量控制阀，导入原与汽化器相接的进气总管，在起动时由储电瓶供电蒸发煤油，正常工作时切断蒸发器电路。燃用气体燃料时，取消汽化器、汽油泵，在原气化器位置设置可燃气流量控制阀。
本实用新型的优点为1.混合气进气均匀，工作平稳，无曲轴、联杆、凸轮轴、飞轮，无振动，润滑完善，大幅度降低机械磨擦耗功，耗油率低，寿命长，排气污染度低。
2.体积小，马力／重量比大，与传统机相比结构简单，耗材少，加工组装工时短，成本低。同一机身作少量改动就能形成多燃料系列内燃机，能扩大主要零件产量，扩大使用范围，提高经济效益。
3.润滑优良，结构简单，消耗备件少，使用维持费用低于传统机。主要工作原理和机载附件与传统机相同，使用维护人员只需短期培训，就能应用自如，便于推广。
4.可以推动全国活塞式内燃机行业的50－5000马力级的中高速内燃机产品结构更新，达到第二代活塞式内燃机水平。全国推广后节约能源、材料、人力的价值无法估量。
5.体积小，安装简单，适于各种固定式或移动式水、气、油泵站，特别适于各种车辆、船舶、机车、工程、农用机械，有多燃料灵活性。
6.无需特殊材料和特种新工艺，易于实现现有各活塞式内燃机厂改造新机生产线的计划。
实施例按照上述四行程双头自由活塞凸轮内燃机的说明书，设计了一台KM1262Q汽油发动机，用于代替现在的130型以及212型汽车上的492Q汽油发动机。
发动机型号KM1262Q型种类四行程双头自由活塞凸轮汽油机。
气缸数与配置水平12缸，沿主轴周向配置。
气缸直径φ62毫米活塞行程66毫米配气机构特征主轴两端安装凸轮盘，由挺杆滚轮推动气门启闭。
配气定时进气门开启 上止点前27°(指主轴旋转角，下同)进气门关闭 下止点后43°排气门开启 下止点前44°30′排气门关闭 上止点后25°30′气门冷态间隙 进排气门均为0.13－0.18毫米压缩比8.71排量2.391升额定功率110马力干重以铸铁为缸体，含全部附件(不含4000／2750增速箱)时＜160公斤最低耗油率＜200克／马力小时额定转速2750转／分(发动机主轴转速)
怠速转速450±50转／分(发动机主轴转速)发动机转向逆时针(从主轴输出端向风扇看)燃料油85号车用汽油润滑油牌号15W／30QE汽油机油(冬季)15W／40QE汽油机油(夏季)该机前后缸体的燃烧室采用DA462上的多球形带挤气面的燃烧室，在DA462机上已证明，怠速转动时氮氧化物与未燃炭氢含量远低于国家标准允许的排污含量。(见《DA462微型汽车发动机》黑龙江科学技术出版社1987年版第29、30页)。
用高强度铸铁铸造的前后缸体，同外径为φ250的灰铸铁环形中机身以螺栓联结成机身整体(见图6)。前后缸体铸有通冷却水的夹层。气缸筒为38CrMoAL，缸壁镶入铸铁气缸体孔中，内表面经氮化，具有高硬度抗磨能力，可长期使用，缸壁不会拉伤。
各缸中心在主轴中心的φ140同心园上作六等分均匀分布，位置误差＜±0.01毫米。
进排气口设在气缸头部。空气经滤清器进入两个CS475机用气化器，分别经混合气总管导入前后缸进气口。铸铁排气总管将各缸排气口排出的废气集中导入消音器后释入大气。进气总管与排气总管互相靠近，以保持混合气雾化均匀良好。
主轴用40CrNiW钢制造。其中央安装主凸轮部位的直径为φ52，内有φ28光洁内孔，是全机主要滑油通路。滑油从进油嘴41进入主轴中心孔，经主轴上的限流孔润滑主凸轮与滚轮、缸壁。流经静压轴承供油孔的滑油，经过紧装于主轴内孔中的离心刮片提高压力后，进入主轴静压轴承5。静压轴承前后端泄出的滑油润滑前后分气机构，中部泄出滑油润滑平面推力球轴承。前中后三股回油经前后保护罩及机体中段分别流到油底壳28，再经滑油滤清器进入主滑油泵送回主轴后部的主进油嘴41。电动油泵34与起动电机电路并联。起动时，电动油泵先于起动电机起动，以满足主轴在起动期间的润滑需要，起动完成，与起动电机同时停机。加油口、量油尺设在油底壳上，油底壳存油量6.5公升左右。
主轴静压轴承5紧镶在缸体中心，以双金属板材ZLSn－1／10制成筒状，挤紧于铸铁缸体中心孔中。内孔光洁，具有一定自润滑性。
为保证活塞滚轮与主凸轮之间形成无间隙滚动接触，双头自由活塞由高硅低膨胀系数铝合金铸成，毛胚经粗加工后，应使它在适量弹性变形下进行精加工，装配时滚轮贴于主凸轮侧面，活塞自动回弹消除各处间隙，回复到设计时的正常外形。工作中活塞受主凸轮与滚轮接触产生的侧压力形成的弯矩，自然夹紧各接触面，形成可靠的无间隙滚动运动，各滚动面都不会发生滑蹭损伤工作表面。活塞滚轮采用7302单列园锥滚子轴承改造或定制。7302内环、保持架及锥形滚子完全不变，只改外环的外园成锥形，内锥面仍保持原尺寸。而外锥面按活塞滚轮要求制成相应锥面，其小端外径与7302的原来外园直径φ42相同以保持原强度。特制外环仍用轴承钢GCr15或12Cr2Ni4A渗炭淬火，使其既有硬度又有韧性以及足够的强度。滚轮内径为φ15，滚轮销为20Cr钢，外径φ15，内孔φ8，内外表面都需渗炭淬火并磨光，销两端切有窄槽安放防窜弹性卡簧圈37。
为进一步减少活塞的磨损，在承压的活塞裙部再加镀干磨减磨润滑薄层，在安装φ15活塞滚轮锥的两个半园座表面加镀耐磨层。
DA462系黑龙江东安发动机公司在前第三机械工业部对微型汽车作了大量调查研究后，引进日本技术所生产的发动机，在全国享有省油发动机的声誉。该厂于1985年7月至9月，对从生产线上任抽的两台发动机，编号85075910、85075911作国家鉴定试验。进行了300小时全速全负荷可靠性试验。两机功率在试验前分别为34.29马力和34.36马力；耗油率则为199克／马力小时与201克／马力小时，试验后功率分别为35.17马力和35.63马力，耗油率则为195克／马力小时与201克／马力小时(见《DA462微型汽车发动机》黑龙江科学技术出版社1987年版32页)，确系国内的优秀发动机。KM1262继承了DA462对性能有影响的各种参数，配合上双头自由活塞的合理结构，两者结合，相得益彰。
为继承DA462的优点，本机活塞直径、平均速度、头部尺寸，燃烧室尺寸、形状、压缩比、定时角、点火提前角都来自DA462，进排气门、座、弹簧、活塞环、火花塞、点火线圈、点火提前装置也用DA462成件。但分电器的分电凸轮须由四边形改成六边形，分电盖的插线孔由四个改成六个，高压电缆按1－2－3－4－5－6缸的次序分别接前后六缸的火花塞。点火提前装置的点火提前角改为5°。利用这些现成DA462的热力参数与成、附件，有助于充分发挥DA462的优点和减少试制、生产的工作量，降低成本。汽油泵、气化器则利用CS475用的成件，仅作小量修改。滑油泵及滑油滤则用492的成件。将这些成熟的成、附件使用在结构新颖的双头自由活塞凸轮机上，可避免发生附件故障的可能性。
本机若配新设计的汽车，主轴前端可以直接与车上的离合器变速箱相接。若配原装用492机的汽车，在前保护罩上加装内外齿啮合的增速箱，由主轴前端传动。主轴上装45齿的内齿轮，输出轴上装34齿的外齿轮及联接起动电机齿轮和492磨擦离合器，则输出轴的转向和额定转速与492相同，在高原地区的功率也和492海平面功率同等级，可直接同现有汽车上的变速箱连接使用。仍用492的水泵，由机身后端的皮带轮传动，风扇也是这样。水箱仍是原车成件，但位置需作一定调整。用水必须按CS492机使用保养说明书(第二版)第9页规定使用软水，而禁止用含碱较大或矿物质较多的硬水。或按照《DA462微型汽车发动机》(1987年版)第93页的规定，使用中华牌3＃防冻液。还允许用工业纯水和其它乙二醇水溶液。因为本机水套中通道较窄，对积存水垢比较敏感，一旦堵死，损坏严重。
权利要求1.可燃用多种液体燃料、气体燃料的四行程双头自由活塞凸轮内燃机由气缸、活塞、缸体、分气凸轮、进排气门以及挺杆机构、点火系统、供给系统、润滑系统、起动系统、冷却系统、附件传动系统等组成，其特征为浇铸成的前后缸体10、18各有六个气缸头与气缸筒及其冷却水通道，各缸中心六等分均匀分布在以主轴1为中心的园周上，前后缸体10、18以螺栓36和中机身29相联结组成机身整体，六个双头自由活塞11在镶有缸套12的前后六对同轴心的气缸中往复运动，各双头自由活塞11的中部有一对滚轮13驱动主凸轮14运动，主凸轮14由带有紧度的可拆卸园锥销15固定在主轴1上，主轴上的四段静压轴承5镶在前后缸体中心空腔中，润滑油自进油嘴41进入主轴中心孔，经离心片17注入主轴1与静压轴承5的间隙中，形成静压油膜，分气机构由装在主轴1两端的前后分气凸轮盘3、21与两套挺杆滚轮组合件7组成，分气机构也可设计成凸轮杠杆式。
2.根据权利1要求所说的内燃机，其特征在于双头自由活塞11以两端裙部支持在气缸壁上，双头自由活塞11中部有半园形凹槽安放活塞滚轮销30，滚轮销30上装有活塞滚轮13，滚轮13的工作锥顶与主凸轮14工作曲面锥顶重合于主轴1的中心线上。
3.根据权利1要求所说的内燃机，其特征在于主凸轮14两侧在主轴上设两个平面推力轴承16，其转动环紧贴在主凸轮14的侧面，静止环紧靠在缸体10、18的中央凸台上。
4.根据权利1要求所说的内燃机，其特征在于前后分气凸轮盘3、21设有两圈凸轮型面，型面工作母线的锥顶与挺杆滑轮7的锥顶重合于主轴1的中心线上。
5.根据权利1要求所说的内燃机，其特征在于分气机构也可以设计成凸轮杠杆式。由装在主轴1的筒形双轨道凸轮套43，通过挺杆组合45作用于杠杆46，杠杆46上带有击头镙钉47。
6.根据权利1要求所说的内燃机，其特征在于主轴承5为静压轴承，为保证其工作，特在油底壳上设置电动滑油泵34。
7.根据权利6要求所说的内燃机，其特征在于为起动时静压轴承5的需要，设计有专门的起动电机延迟接通电路。
专利摘要四行程双头自由活塞凸轮内燃机机体水平安装，水冷。缸体上有六对气缸，沿机体作六等分均匀分布，活塞在同轴心的一对气缸中工作。缸体中心的主轴上有个主凸轮，六个双头自由活塞用各自中部所带的一对传力滚轮轮流驱动主凸轮使主轴旋转。主轴两端各设一个分气凸轮盘负责启闭气缸的进排气门。主轴每转一周，各缸均完成四个行程。本内燃机各缸顺序工作，运行平衡，无振动，体积小，节油显著，同一机体可用多种燃料。
文档编号F02B75/32GK2074818SQ8922103
公开日1991年4月10日 申请日期1989年12月9日 优先权日1989年12月9日
发明者费秉方, 陆志英, 费绍中 申请人:费秉方