基于氣缸圓周排列的波輪直軸多缸汽油發動機研究

何昌德 陸友玲

摘? 要：波輪直軸高效汽油發動機是一種氣缸孔在圓柱形氣缸體上圓周分布，用波輪代替曲軸，波輪旋轉一周完成一個作功周期，可實行4缸、6缸、8缸、10缸、12缸及以上等多缸設計，文章針對排量為2.0升的波輪直軸四沖程12缸發動機進行結構設計分析和性能指標研究，為在船舶、摩托艇、空壓機、無人機、坦克、汽車等產品上的使用提供科學依據。

關鍵詞：氣缸圓周排列;波輪;直軸;高效

中圖分類號：U472 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）29-0114-02

Abstract： The wave-wheel straight-axis high-efficiency gasoline engine is a kind of cylinder hole distributed on the circumference of the cylinder body and the crankshaft is replaced by wave wheel. When the wave wheel rotates once， a work cycle is completed， so as to be able to implement the design of multi-cylinder engines with 4， 6， 8， and 10 cylinders， 12 cylinders and above. In this paper， the structural design analysis and performance index research are carried out for the 2.0-liter wave-wheel four-stroke 12-cylinder engine， thus providing scientific basis for its application in ships， motorboats， air compressors， UAVs， tanks， automobiles and other products.

Keywords： cylinder circumferential array; wheel-wave; straight axis; high efficiency

四沖程汽油發動機的發展已有上百年的歷史，曲軸旋轉兩周經過進氣、壓縮、燃燒、排氣四個沖程來完成作功一次已成為發動機的基本原理。現代的車用發動機大部分都是二缸、三缸或四缸，氣缸孔在氣缸體上都是直線排列。對于制造排量在3.0L以上的發動機，由于受到車輛發動機倉空間體積影響，一般采用V6、V8、V10等V型氣缸體，但氣缸孔在氣缸體上也是單邊直線排列，而且制造復雜，精度高，造價昂貴，目前市場上很少出現六缸、八缸及十缸以上的直列式多缸發動機。

波輪直軸四沖程發動機是用波輪代替傳統發動機曲軸，圓柱形氣缸體代替傳統的直列式氣缸體，在波輪兩側安裝二個對稱的圓柱形氣缸體，在每個圓柱形氣缸體上圓周均勻布置氣缸孔，把氣缸體和波輪安裝在一根直軸上，用安裝在直軸上的氣門控制盤直接帶動且實時打開進排氣門的開啟和關閉，以代替傳統發動機利用曲軸帶動凸輪軸的正時機構來實行氣門的開啟和關閉，減少了飛輪、凸輪軸、正時皮帶、正時帶輪等正時機構傳動零件，降低了零件摩擦損耗和整機重量。所以波輪直軸發動機很適合實行多缸對稱布置，也適合實行多缸小直徑來代替大直徑的氣缸。

1 波輪直軸四沖程汽油發動機結構設計分析

1.1 波輪連桿機構

用一根直軸把1個波輪、2個氣缸體、2個氣缸蓋、2個氣門控制盤及磁電機、水泵等零部件連接起來，波輪兩側安裝二個圓柱型氣缸體，每個氣缸體設置六個氣缸孔，波輪上的環形軌道為對稱設置的兩段凸起軌道和與兩段下凹軌道，六根連桿利用上下二個滾子在波輪軌道上滾動，每個連桿的二端分別連接有一個活塞組件（活塞、活塞環、活塞銷、卡簧），活塞連桿組件的直線往復運動通過波輪的環形軌道驅動波輪轉動。由于波輪表面有二個波峰和二個波谷，波輪旋轉一周，經過進氣、壓縮、燃燒、排氣四個沖程來完成一個做功周期，打破了傳統發動機需曲軸旋轉二周才能完成作功一次的基本原理。

由于波輪的功能集傳統發動機曲軸和飛輪的功能為一體，大大減輕了發動機的重量。（見圖1）

1.2 配氣機構

波輪直軸發動機配氣機構的傳動部分直接由波輪旋轉來帶動直軸和安裝在直軸上氣門控制盤轉動，氣門控制盤上的進氣凸臺和排氣凸臺來驅動液壓挺柱運動，并對12缸24個進排氣門進行開啟和關閉。由于波動直軸集曲軸功能、凸輪軸功能、正時帶輪、齒鏈功能、飛輪功能及減速機功能于一體的性能，發動機的整體結構更加簡化，也減小了因配氣機構傳動摩擦產生的能量損耗，也減輕了發動機的重量和發動機噪聲。

2 波輪發動機與傳統曲軸式發動機運動機理比較分析（見表1）

3 波輪發動機各項性能指標比較分析（見表2）

4 結束語

直列式氣缸體轉變為圓柱式氣缸體，多個氣缸孔圓周排列，波輪轉一周完成作功一次，波輪通過一根中空直軸帶動氣門控制盤、磁電機、水泵等發動機主要零部件轉動，去除了曲軸式發動機通過正時皮帶傳動的配氣機構所有零部件，又由于連桿對波輪的作用力矩就是波輪的半徑，波輪的旋轉力矩提高了2到3倍以上。總之，波輪發動機相對于曲軸式發動機無論在體積、重量、功率、扭矩、油耗等都有了很大的創新，特別適用于多缸大功率大扭矩發動機，突破了四沖程汽油發動機能采用多缸（12缸及以上）大排量的這一歷史性難題。

波輪直軸汽油發動機可應用在汽車、無人機、船艇、坦克、摩托車等動力上，也可應用在多缸壓縮機以及水泵等農用動力上，使用十分廣泛，意義十分重大。

參考文獻：

[1]藍軍，葛維晶.摩托車發動機曲軸滾動軸承的受力分析[J].內燃機工程，2001，22（3）：80-85.

[2]崔亞彬，袁中營，等.連續可變氣門升程技術在汽油機上的應用研究[J].車用發動機，2019，244（5）：38-40.

[3]胡超，楊名洋，鄧康耀，等.機電復合增壓技術研究進展綜述[J].車用發動機，2019，240（1）：1-6.

[4]束永平，夏長高.汽車發動機曲柄連桿機構動力學分析[J].東華大學學報，2001，22（3）：80-85.