活塞式高效大扭矩输出发动机

摘要

一种活塞式高效大扭矩输出发动机涉及活塞式发动机的运动机构，属于发动机技术领域。目的是解决曲柄连杆发动机存在的死点和效率较低的问题。其特征在于，在发动机曲柄连杆机构的基础上，增设由活塞(2)、推杆(3)、摆杆(4)、超越离合器(5)和动力输出轴(6)组成的扭矩输出机构，将活塞推力通过铰接在活塞(2)上推杆(3)作用于摆杆(4)，由与摆杆(4)的另一端固定的超越离合器(5)通过动力输出轴(6)转化成扭矩输出。采用摆杆(4)的中间位置与活塞(2)的轴线垂直配置，摆杆(4)的长度不受活塞行程限制，可远大于曲柄半径，由此可实现发动机的高效大扭矩输出。本发明对增大发动机扭矩输出和提高效率，具有重要作用。

权利要求

1.一种活塞式高效大扭矩输出发动机，包括气缸(1)、活塞(2)、曲柄(9)、连杆(10)、燃油 供给和点火系统(11)、进气系统(12)、排气系统(13)，其特征在于，还包括推杆(3)、摆杆(4)、超越离合器(5)与动力输出轴(6)，由气缸(1)、活塞(2)、推杆(3)、摆杆(4)、超越离合器(5)和动力输出轴(6)组成的扭矩输出机构，该扭矩输出机构与由连杆(10)和曲柄(9)组成的曲柄连杆机构一起构成了发动机的复合式运动机构，活塞(2)配置在气缸(1)内，推杆(3)的一端铰接在活塞(2)上，推杆(3)的另一端与摆杆(4)的一端铰接，摆杆(4)的另一端与超越离合器(5)固定，超越离合器(5)套装在动力输出轴(6)上，且有同一回转轴心O，连杆(10)的一端铰接于推杆(3)与摆杆(4)铰接点上，连杆(10)的另一端与曲柄(9)铰接，储能飞轮(8)固定连接在曲柄轴(7)上；推杆(3)与活塞(2)的铰接点配置在活塞(2)的轴线上，推杆(3)与摆杆(4)的铰接点配置在活塞(2)的轴线附近，推杆(3)绕其与活塞(2)铰接点在活塞(2)的轴线两侧摆动，摆杆(4)摆动的中间位置与活塞(2)的轴线垂直配置，摆杆(4)的长度大于曲柄(9)的长度；连杆(10)的长度大于2倍的曲柄(9)的长度，连杆(10)的长度、曲柄(9)的长度和摆杆(4)的长度之和大于曲柄轴心到摆杆(4)摆动轴心O的距离。

2.如权利要求书1所述的活塞式高效大扭矩输出发动机，其特征在于，连杆(10)的一端铰接于摆杆(4)上的任一点，连杆(10)的另一端与曲柄(9)铰接。

3.如权利要求书1所述的活塞式高效大扭矩输出发动机，其特征在于，连杆(10)的一端铰接于推杆(3)上的任一点，连杆(10)的另一端与曲柄(9)铰接。

4.如权利要求书1所述的活塞式高效大扭矩输出发动机，其特征在于，连杆(10)的一端铰接于推杆(3)与活塞(2)铰接点上，连杆(10)的另一端与曲柄(9)铰接。

说明书

活塞式高效大扭矩输出发动机

技术领域

[0001] 本发明涉及活塞式发动机，更确切地说是一种将活塞的往复运动转化成动力输出轴的旋转运动的发动机复合式运动机构，属发动机技术领域。

背景技术

[0002] 目前，活塞式发动机的运动机构大部分为曲柄连杆机构，其作用是将活塞的往复运动，通过曲柄连杆机构，转化成曲柄轴的旋转运动。其工作原理是，发动机工作时燃料在气缸内燃烧产生热能，气体受热膨胀推动活塞移动，经过连杆传递到曲轴并使其旋转做功。在工作过程中，经过从热能到机械能要实现无数次的连续转变，每次转变都经历一个工作循环，活塞从上到下或从下到上运动一次称为一个行程，一般往复活塞式发动机完成一个工作循环需要4个行程，即吸气行程、压缩行程、做功(爆发)行程和排气行程。一个工作循环，活塞上下往复4次。曲轴旋转两圈。在一个工作循环中，只有做功行程，是由活塞推动曲柄连杆机构的主动行程，其余三个行程的动力，对于单缸发动机，是由储能飞轮的惯性力带动曲柄连杆机构运动的，对于多缸发动机，则是由进行做功行程的活塞带动其它非做功行程的气缸工作的。

[0003] 在做功行程，当活塞在上止点位置时，燃料被喷入被活塞压缩的空气中，燃料燃烧爆炸，气体膨胀推动活塞向下运动做功，此时的活塞受力最大。由曲柄连杆机构的特性决定了，此时曲柄与连杆成直线，活塞作用力相当于曲轴中心的力矩半径很小，对曲轴产生的的扭矩等于力与力矩半径的积，因此由曲轴向外输出的扭矩较小，而且，随活塞的向下运动，曲轴也同时转动，作用于曲轴中心的力矩半径随之增大，但由于气缸的体积同时扩大，气体对活塞的压力迅速减小，因此，曲轴的扭矩输出也没有达到最好状态，未能充分发挥燃料燃烧爆炸所产生的最佳效能。在活塞的运动过程中，作用力和力矩半径的变化也比较大，造成了曲轴扭矩输出的不稳定性，不能充分发挥活塞在上止点时，燃料燃烧产生的对活塞最大推力的作用，直接影响发动机效率水平发挥，造成能源的巨大浪费。

[0004] 针对上述问题，国内外大量专家学者一直致力于解决这方面的问题，已有许多如旋转活塞式发动机等新型发动机原理方面的专利出现(如下列技术文件所述)，但由于其结构复杂，控制系统难以实现等技术问题，而未能在生产上大量应用。现在应用的柴油机、汽油机等内燃机其运动机构仍然是曲柄连杆结构。

[0005] 参考技术文献：

[0006] 技术文献1：新型旋转活塞式发动机，专利申请号200810030021。

[0007] 技术文献2：旋转活塞式发动机，专利申请号200510103234。

[0008] 技术文献3：偏转式往复运动发动机，专利申请号200710163913。

[0009] 技术文献4：机体旋转式内燃发动机，专利申请号200710133585。

[0010] 技术文献5：滑片转子发动机，专利申请号200710148485。

[0011] 技术文献6：多连杆式发动机，专利申请号200810173230。

发明内容

[0012] 针对现有技术存在的问题，本发明的目的是创建一种新型的活塞式发动机的复合运动机构，将活塞的往复运动转化成动力输出轴的旋转运动，解决曲柄连杆运动机构的存在死点的技术难题，实现活塞式发动机高效大扭矩输出，提高活塞式发动机的效率，减少发动机的燃油消耗。

[0013] 此目的通过下面的一个技术方案达到：

[0014] 活塞式高效大扭矩输出发动机是由气缸1、活塞2、推杆3、摆杆4、超越离合器5、动力输出轴6、曲柄9、连杆10、储能飞轮8、燃油供给和点火系统11、进气系统12、排气系统13构成。其特征在于：

[0015] 由气缸1、活塞2、推杆3、摆杆4、超越离合器5和动力输出轴6组成的扭矩输出机构，该扭矩输出机构与由连杆10和曲柄9组成的曲柄连杆机构一起构成了发动机的复合式运动机构。气缸1套装在活塞2上，在气缸1的顶部配置有燃油供给和点火系统11、进气系统12、排气系统13，推杆3的一端铰接在活塞2上，推杆3的另一端与摆杆4的一端铰接，摆杆4的另一端与超越离合器5固定，超越离合器5套装在动力输出轴6上，且有同一回转轴线O；连杆10的一端铰接于推杆(3)与摆杆(4)铰接点B上，连杆10的另一端与曲柄9铰接，储能飞轮8固定连接在曲柄轴7上。

[0016] 按照本发明的一种优选方案，为充分发挥活塞的推力作用，增大动力输出轴的扭矩输出，推杆3与活塞2的铰接点A配置在活塞2的轴线上，推杆3与摆杆4的铰接点B配置在活塞2的轴线附近，工作过程中，推杆3绕铰接点A在活塞2的轴线两侧摆动，摆杆4摆动的中间位置与活塞2的轴线垂直配置，摆杆4的长度大于曲柄9的长度。

[0017] 连杆10的长度大于2倍的曲柄9的长度，连杆10的长度、曲柄9的长度和摆杆4的长度之和大于曲柄轴心到摆杆4摆动轴心O的距离，以满足各个构件的运动要求。

[0018] 作为本发明的3种特殊形式：

[0019] 其一的特征在于，连杆(10)的一端铰接于摆杆(4)上的任一点，连杆10的另一端与曲柄(9)铰接。

[0020] 其二的特征在于，连杆(10)的一端铰接于推杆(3)上的任一点，连杆10的另一端与曲柄(9)铰接。

[0021] 其三的特征在于，连杆(10)的一端铰接于推杆(3)与活塞(2)铰接点A上，连杆10的另一端与曲柄(9)铰接。

[0022] 本发动机的工作原理是，工作时，燃料在气缸内燃烧产生热能，气体受热膨胀推动活塞移动，经过发动机的复合式运动机构，将热能转化成动力输出轴的机械能。在工作过程中，经过从热能到机械能要实现无数次的连续转变，每次转变都经历一个工作循环，活塞从上到下或从下到上运动一次称为一个行程，发动机完成一个工作循环需要4个行程，即吸气行程、压缩行程、做功(爆发)行程和排气行程。

[0023] 在做功行程，利用燃料燃烧时的爆炸力，推动活塞2从上止点向下运动，通过推杆3将活塞2的力传递到摆杆4的一端，带动摆杆4绕动力输出轴6的轴心O摆动，通过超越离合器5将扭矩传递到动力输出轴6，由动力输出轴6将动力输出。为充分发挥活塞的推力作用，增大动力输出轴的扭矩输出，推杆3与活塞2的铰接点A配置在活塞2的轴线上，推杆3与摆杆4的铰接点B配置在活塞2的轴线附近，工作过程中，推杆3绕铰接点A在活塞
2的轴线两侧摆动，摆杆4摆动的中间位置与活塞2的轴线垂直配置，摆杆4的长度大于曲柄9的长度，动力输出轴6获得的扭矩等于推杆3的力与其力相对于动力输出轴轴心O的力臂的积，并且，活塞从上止点到下止点的运动过程中，作用力的力臂变化远远小于曲柄连杆机构力臂的变化范围，因此可以获得较大的而且比较均匀的扭矩输出。

[0024] 同时活塞2向下的一小部分推力经推杆3传递给连杆10，推动连杆10运动，由连杆10带动曲柄9转动，使与曲柄轴7固定连接的储能飞轮8旋转，在非做功行程，利用储能飞轮8的惯性力，由曲柄连杆机构经推杆3带动活塞运动，进行排气、吸气、压缩行程，完成一个工作循环。

[0025] 在发动机的非做功行程，摆杆4在连杆10的带动下，同时绕其摆动轴心O进行摆动，此时由于超越离合器5的作用，当摆杆4向上运动时，动力输出轴6不随其运动，因此动力输出轴6的运动输出只有一个方向。对于大多数的4冲程发动机，采用4个气缸，交错配置做功行程，即可实现动力输出轴6的连续不间断转动，实现动力输出。

附图说明

[0026] 附图1：本发明的机构简图。

[0027] 附图2：本发明实施例1的机构简图。

[0028] 附图3：本发明实施例2的机构简图。

[0029] 附图4：本发明实施例3的机构简图。

具体实施方式

[0030] 如图1所示的发动机复合式运动机构，其应用于四行程柴油机，是由气缸1、活塞2、推杆3、摆杆4、超越离合器5、动力输出轴6、储能飞轮8、曲柄9、连杆10、燃油供给系统
11、进气系统12、排气系统13构成。由活塞2、推杆3、摆杆4、超越离合器5和动力输出轴6组成的扭矩输出机构与连杆10和曲柄9组成的曲柄连杆机构一起构成了发动机的复合式运动机构。在气缸1的顶部配置有燃油供给系统11，进气系统12、排气系统13，活塞2配置在气缸1内，推杆3的一端铰接在活塞2上，推杆3另一端与摆杆4的一端铰接，摆杆4的另一端固定在超越离合器5上，超越离合器5套装在动力输出轴6上，且有同一回转轴心O；
连杆10的一端铰接于推杆3与摆杆4的铰接点B上，连杆10的另一端与曲柄9铰接，曲柄轴7与储能飞轮8固定。

[0031] 本发明不限于上述说明的实施方案，在本发明的技术思想范围内，可以有各种变形和改变，显而易见，上述的各种变形和改变，也包含在本发明的权利要求中。

[0032] 本发明的实施特例之一如图2所示，应用于四行程柴油机。发动机是由气缸1、活塞2、推杆3、摆杆4、超越离合器5、动力输出轴6、储能飞轮8、曲柄9、连杆10、燃油供给系统11、进气系统12、排气系统13等构成。由活塞2、推杆3、摆杆4、超越离合器5和动力输出轴6组成的扭矩输出机构与连杆10和曲柄9组成的曲柄连杆机构一起构成了发动机的复合式运动机构；推杆3的一端铰接在活塞2上，另一端与摆杆4铰接，摆杆4的另一端固定在超越离合器5上，超越离合器5与动力输出轴6相连；连杆10的一端与摆杆4的任一点铰接，连杆10的另一端与曲柄9铰接，曲柄轴7与储能飞轮8固定。

[0033] 本发明的实施特例之二如图3所示，应用于四行程柴油机。发动机是由气缸1、活塞2、推杆3、摆杆4、超越离合器5、动力输出轴6、曲柄9、连杆10、燃油供给和点火系统11、进气系统12、排气系统13等构成。其特征在于：由活塞2、推杆3、摆杆4、超越离合器5和动力输出轴6组成的扭矩输出机构与连杆10和曲柄9组成的曲柄连杆机构一起构成了发动机的复合式运动机构；与实施特例的不同点在于，连杆10的一端与推杆3上的任一点铰接，连杆10的另一端与曲柄9铰接，曲柄轴7与储能飞轮8固定。

[0034] 本发明的实施特例之三如图4所示，应用于四行程柴油机。发动机的运动机构是在由活塞2、连杆10和曲柄9组成的传统曲柄连杆机构的基础上，附加了由活塞2、推杆3、摆杆4、超越离合器5和动力输出轴6组成的扭矩输出机构。其特征在于推杆3的一端铰接在活塞2上，另一端与摆杆4的一端铰接，摆杆4的另一端固定在超越离合器5上，超越离合器5与动力输出轴6相连；连杆10的一端与推杆3上与活塞2的铰接点A重合铰接，另一端与曲柄9铰接，曲柄轴7与储能飞轮8固定。

[0035] 其工作原理是，利用燃料燃烧时的爆炸力，推动活塞2从上止点向下运动，活塞2的推力分为两部分，其中大部分通过推杆3将活塞2的力传递到摆杆4的一端，带动摆杆4绕动力输出轴O摆动，通过超越离合器5将扭矩和运动传递到动力输出轴6，由动力输出轴6将动力输出。为充分发挥活塞的推力作用，增大动力输出轴的扭矩输出，推杆3与活塞2的铰接点A配置在活塞2的轴线上，推杆3与摆杆4的铰接点B配置在活塞2的轴线附近，工作过程中，推杆3绕与活塞2的铰接点A在活塞2的轴线两侧摆动，摆杆4摆动的中间位置与活塞2的轴线垂直配置，摆杆4的长度大于曲柄9的长度，动力输出轴6获得的扭矩等于推杆3的力与其力相当于动力输出轴中心O的力臂的积，并且，活塞从上止点到下止点的运动过程中，作用力的力臂变化远远小于曲柄连杆机构力臂的变化范围，因此可以获得较大的而且比较均匀的扭矩输出。活塞2向下推力的另外一小部分推力由推杆3传递，经连杆10带动曲柄9转动，使与曲柄轴固定的储能飞轮8旋转；在非做功行程，利用储能飞轮8的惯性力，由曲柄连杆机构经推杆3带动活塞运动，进行排气、吸气、压缩行程，完成一个工作循环。

[0036] 在发动机的非做功行程，活塞2上下运动经推杆3带动摆杆4同时进行摆动，此时由于超越离合器5的作用，当摆杆4向上运动时，动力输出轴6不随其运动，因此动力输出轴6的运动输出只有一个方向。对于大多数的4冲程发动机，采用4个气缸，交错配置做功行程，即可实现动力输出轴6的连续不间断转动，同时实现动力输出。

[0037] 本实施例优选的各部件的参数为：曲柄长度40mm，活塞行程80mm，连杆长度160mm，推杆长度100mm，摆杆半径160mm。活塞一个行程时，摆杆的最大摆角约30°，动力输出轴输出的最大扭矩值比传统的由曲柄轴输出的最大扭矩输 值增大约16倍，推杆作用力力臂变化率约为5％。

[0038] 由此可见，采用本发明技术方案的发动机，可解决曲柄连杆发动机存在的死点问题，充分发挥燃料燃烧爆炸时的活塞最大作用力的效率，实现发动机的高效大扭矩输出，大大提高发动机的燃油利用率和发动机的工作效率，对减少发动机的燃油消耗，具有非常重要作用。