专利名称：导向式活塞发动机的制作方法
自1886年德国人发明了第一辆汽车后，人类迅速进入到汽车文明时代。汽车对一个国家的国民生产起着重要作用，一辆汽车的性能优劣反映一个国家的工业技术发展水平，汽车的重要性不再论述。汽车的动力——发动机，经过不断地改进，到今天技术上已十分成熟，然而，发动机的早磨、漏油、窜气，仍然是自汽车诞生一百年来难以攻克的玩症。导向式活塞发动机是对目前使用的发动机按照本说明书进行技术改造或重新设计，发动机的使用寿命将成倍延长，并将提高燃油的经济性，降低油耗，减少尾气排放造成的污染。
活塞是发动机跳动的心脏，传统上的发动机是由活塞、连杆、曲轴组成的往复运转机构。这里主要讨论活塞的工作情况，它是活塞式发动机中工作条件最严重的组件。活塞组(主要指活塞、活塞环)工作情况决定发动机工作的可靠性和使用耐久性。活塞组工作情况的特点是工作温度很高，并在很高的机械负荷下高速滑动，同时润滑不良，这就决定了它们遭受强烈的磨损，并且可能产生滑动表面的拉伤、烧蚀等故障。
通过对活塞的运动受力分析表明，对活塞工作情况造成不利因素的主要原因是连杆对活塞摆动的力造成的，这个摆动的力对活塞施加一个很大的侧压力Pc(
图1)，侧压力是造成活塞、活塞环磨损的主要原因，最大侧压力约是最大气压力的1/10。可见侧压力对活塞造成的磨损是很厉害的，另一不利因素是活塞在连杆摆动力作用下运动不平衡，运动的稳定性差，靠自身与气缸壁摩擦导向，活塞一有磨损，易引起振动，发动机工作情况又进一步恶化。在大功率强化发动机中，活塞这样的工作状况限制了发动机的强化潜力。
活塞的侧压力Pc由于连杆的摆动，作用在活塞上的力Ph传给连杆时(连杆承受力PI)在活塞与气缸之间造成一个侧压力Pc(图1)即Ph＝Pc+PIPc=PhtgB=Phλsina/1-λ2sin2a]]>估算式Pcmax＝0.1Pqmax＝8×10-4PzD2(kg)式中λ＝r/l——连杆比a—曲柄转角B——连杆摆动角cosB=1-λ2Sin2a]]>Pq——气压力(kg)Pq＝(D/2)2πPzPz——气缸内的最高燃烧压力(kg/cm)Pz大小可从发动机示功图得出，一般Pz＝30-50(汽油机)；60-90(高速柴油机)；80-120(增压柴油机)以缸径为8cm发动机为例一般最大侧压力150-250kg(汽油机)；300-450kg(高速柴油机)；400-600kg(增压柴油机)以往的往复式活塞发动机的运动机构是摇摆连杆把活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动，这种运动机构本身对活塞的工作状况很不利，自汽车问世以来，这种机构沿用至今，并且人们不断地探讨、试验，试图攻克汽车早磨、漏油、窜气这种玩症，但是，终没有突破性进展，因为人们更多的只是从试验材料入手。欲改善发动机性能，需改善活塞的工作状况。
导向式活塞发动机(以下简称导向发动机)是在发动机运动机构上进行改造，改造办法是在气缸下端设置导向机构(导向组)，导向组由导向连杆、滑块、滑轨、支撑座组成(图2、图7)。这将是发动机技术上的一次革命，这个导向组将使发动机性能大为改善。导向发动机运动机构是导向组始终保持活塞往复直线运动，并由摇摆连杆变为曲轴的旋转运动。导向组使活塞的工作状况得到改善，活塞无侧压力，并且受力运动得到平衡，活塞的磨损排除，起密封作用的活塞环的磨损从根本上得到减轻，因为自身的弹性造成的磨损与侧压力造成的磨损相比是较小的。活塞在结构设计上也大为简化。导向组滑动摩擦面润滑较好，摩擦力小，且运离高温，滑块结构轻巧，因此损耗的机械能减少，发动机的机械效率将有所提高，这为降低油耗创造条件。由于活塞的工作状况得到改善，导向发动机的强化潜力将得到发挥，强化导向发动机具有体积小、重量轻、耗油低、效率高、马力强劲、性能优良等特点。
一、导向发动机活塞运动情况(图2)沿气缸轴线作用的力F(F力是气压力和惯性力的合力)与导向连杆的反作用力N在同一直线上是两上平衡力，(这样的活塞运动符合自然界万物运动平衡的法则，也就是牛顿定律)二、导向组工作原理以及在设计上的技术要求导向组之导向连杆对活塞的作用力N的方向始终在活塞的圆心线上(轴线上)，并且在活塞高速运动时始终保持活塞圆心线不偏离气缸圆心线。
三、导向发动机的往复惯性力和在设计上的要求汉活塞位于上死点时，往复惯性力最大，经推算(推算过程略)最大往复惯性力Pah＝-Ghrω2(1+λ)/g(kg)Gh——往复运动件重量(活塞组+导向连杆+滑块质量)r——曲柄半径，r＝s/2 s为活塞行程ω——曲轴旋转的角速度，ω＝2n/60＝0.105n(弧度/秒)
g——重力加速度(9.8)n——发动机转速(转/分)计算可知，往复运动件最大惯性力，在目前高速水平上，已达本身重量的1000-2000倍(汽油机)和300-600倍(柴油机)往复惯性力的周期变化，可能引起发动机的振动，使摇摆连杆、曲轴组零件特别是其轴承负荷加重，导致发动机耐久性下降，是非常有害的，因此在设计时要求1、活塞组和导向组运动件结构轻巧，采用比重小强度高的材料。2、不采取无限制提高转速来提高功率，往复惯性负荷不超过一定的程度。
四、导向组发动机的第二心脏，由导向连杆、滑块、滑轨、支撑座组成(如图3)。主要作用是保持活塞始终往复直线运动，它能使活塞的受力运动得到平衡，并把活塞的运动通过导向连杆、滑块由摇摆连杆变为曲轴的旋转运动，从而改善活塞工作状况，无侧压力作用，则活塞无磨损，活塞环的磨损也大为减轻，进而改善了发动机工作可靠性和使用耐久性。
导向组工作情况直接关系到活塞的工作状况。这要求导向组滑动摩擦面是极耐磨的材料制成，滑块用比重小、强度高的材料，并且在机体上的位置公差都有严格的要求，要求做到滑块高速运动时保持导向连杆中心线在气缸圆心线上。
导向组的工作环境比活塞好的多，润滑良好(这种滑块机构较适应飞溅润滑)、远离高温气体，设计时可以不考虑热澎胀因素。
导向连杆与活塞和滑块固定连接成一体并采用防松脱办法。
五、活塞组(活塞、活塞环)1、活塞主要作用是承受气体压力并把它传给导向连杆同时与活塞环一起配合气缸密封。活塞因无侧压力作用，不靠活塞裙部与气缸壁摩擦导向，结构设计也大为简化，裙部全去掉，只保留活塞头部，也就是环岸和环槽部分，形状是正圆柱形，结构轻巧(见图4)。高速运动时不允许与气缸壁接触摩擦。在大功率强化发动机中，活塞的热负荷尤为严重，必要情况下，设置喷油嘴，对活塞采取强制冷却措施。
活塞头部设计参照活塞技术标准确定。
设计要点保证它具有足够的机械强度和刚度；温度不过高，温差小，防止产生过大的热变形，为活塞环的正常工作创造良好的条件；结构轻巧，重量轻。
2、活塞环活塞的密封是由活塞环和环槽共同完成的，活塞环分为气环和油环两类。气环的主要作用是密封，另一个作用是传热，与气缸壁接触时，由循环水带走一部分热量，但是密封是气环的首要任务，也是发动机正常工作的前提条件。
试分析活塞环的密封机理如图5首先，环应以一定的弹力Po与气缸壁压紧，形成所谓的第一密封面，也是主密封面(如图5)，在这样的条件下，气体不能通过主密封面便钻入环与环槽之间的空间，把环槽侧面压紧形成第二密封面，也就是侧密封面，同时作用在环背的气压力Pc又加强了主密封面。但是，由于环在高速运动时惯性力可能大于环所承受的气压力PA与承受气压力PA是不平衡的，在某种情况下，环会在环槽内多次上下跳动，汽油机一般有两道气环，是，柴油机有三道气环，第二道、第三道气环环背气压力Pc又较小，环在跳动的同时，如果气缸壁上的油膜太厚，机油的动压有时会促使环浮起，引起颤振，颤振严重时，漏气增大，发动机不能正常工作。所以靠环背气压力Pc加强密封有时不可靠。
对气环的工作要求是长久在高温环境下滑动摩擦，始终能保持可靠的密封性，为提高环的密封性，采取如下措施
(1)、环侧面与环槽贴合要好，间隙要小。
(2)、增加环的弹力，主密封面的密封很大程度上是靠自身的弹性保持的，环侧面与环槽贴合较好的情况下，主密封面可靠的密封基本上能满足对其密封工作要求。如果环始终能有较大且适量的弹性力与缸壁紧紧贴合，则密封与档油将有保证，为此导向式发动机将采用新式组合气环。这种组合气环是由一个普通气环加上一个弹性圈组成，弹性圈由圆形保持架和在保持架上固定的多个弧形弹性钢板构成(图6-1)。弹性圈总弹力的大小可据活塞工作情况确定，总弹力可为气环弹力的3-5倍，弹性圈在环槽里被环压缩，形成对环和活塞的双向张力(图6-2)。这种组合气环加强了环的弹性密封能力和挡油能力，并能防止环产生颤振，减轻对环槽的冲击磨损，又由于活塞不触及缸壁，高速运动时可能引起活塞的振动，这种组合气环还起稳定活塞的作用，能防止活塞的振动。采用扭曲组合气环还是非扭曲组合气环有待讨论确定。
(3)、气环必须润滑良好并且采用耐磨耐高温材料制成。
现代发动机转速较高，气缸内的瞬时最高温度可过2500k以上，最高工作压力过9mpa。汽油机最高转速达5000r/min以上，在此转速下，活塞每分钟要行经10000多个行程，活塞环在这样的高温下高速滑动，一旦缺少润滑机油，将很块磨损。为使气环润滑良好，对油环的要求是始终能在气缸壁上铺涂一层均匀的机油油膜(实际上，机油油膜还起辅助封气作用)并刮除多余的机油。传统上往往过多强调油环的刮油作用，以为这样能挡住机油穿入燃烧室，实践经验证明，气环一旦磨损、漏气，油环是挡不住机油窜入燃烧室的，其挡油作用只是挡住并刮掉过多的飞溅在缸壁上的机油。由于活塞、活塞环承受很高的热负荷，强化发动机热负荷更为严重，第一道气环(火力环)直接接触高温气体，要求是耐热材料制成，主要靠它起隔热作用；二道、三道环相比来说温度低，环槽热变形小，可采用组合气环，要求是耐磨、耐热材料制成，封气、挡油主要靠二道、三道气环。
六、导向式发动机设计说明对现有的性能比较成熟的内燃机的改造办法是先合理地确定导向组件结构尺寸以及在机体上固定办法，再相应确定机体尺寸，调整配合机构，特别是现有的高增压柴油机设置导向机构将有更佳的优良性。
现代内燃机转速日益提高，活塞的平均速度高，因为提高转速是提高功率的一项有效措施，但是惯性负荷的增大，对曲轴的工作情况很不利，从整体上的使用耐久性考虑，导向发动机提高功率的措施是适当提高转速，但往复惯性负荷不超过曲轴组所能承受的限度；设置空气增压系统(见图7)，增大气缸工作压力来提高功率。大功率强化发动机，可设置喷油咀对活塞强制冷却，并加装机油散热器。
汽油机的强化类似增压柴油机，也可设置空气增压器。并对化油器改造，或象柴油机那样直接往气缸内喷射燃油。为进可能提高汽油机的功率，要对强化的汽油机做更完善的改进，例如，增加运动件的刚度和强度，调整配合机构及配合相位，改变燃油供给系统等，则汽油机功率可增加1倍左右。
此外，有可能试制成即可燃用汽油也可燃用柴油的双燃料导向式发动机，这在战略上有重要意义，用于战车上，一种燃料供给不足的情况下，可选用另一种燃料，其优良性能，弛骋千里不用担心会出现故障。
权利要求
1.一种性能优良的往复式活塞发动机，其特征是在气缸下端设置有导向机构(导向组)，这个导向组能保持活塞往复直线运动，活塞不承受侧压办，活塞无磨损，活塞环的磨损也大为减轻。
2.机动车辆、船舶、飞行器采用权利要求1所述的发动机做动力。
3.机械电器产品采用权利要求1所述的发动机做动力。
4.一种能保持活塞往复直线运动的导向机构(导向组)，其特征是导向组由导向连杆、滑块、滑轨、支撑座组成。
5.一种结构轻巧的发动机活塞，其特征是这种活塞只有环岸和环槽部分。
6.一种组合活塞环，其特征是这种活塞环有一个气环和一个弹性圈组成。
全文摘要
导向式活塞发动机的活塞不承受侧压力,则活塞无磨损,活塞环的磨损也从根本上得到减轻,从而改善了发动机的使用耐久性。这种发动机经强化后具有体积小、重量轻、耗油低、效率高、马力强劲,工作可靠等特点。机动车辆采用这种发动机做动力有最佳的经济性。
文档编号F02B75/32GK1263207SQ9911843
公开日2000年8月16日 申请日期1999年8月29日 优先权日1999年8月29日
发明者杨柏保 申请人:杨柏保