“一沖程”活塞機(jī)的構(gòu)想

俞永強(qiáng)

摘 要：本文介紹一種新型的“一沖程”活塞機(jī)。作者創(chuàng)新思路，是把平動(dòng)機(jī)活塞直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)變成擺動(dòng)機(jī)活塞的弧線往復(fù)擺動(dòng)。擺動(dòng)機(jī)對(duì)縮小內(nèi)燃機(jī)體積、提高功率、減少振動(dòng)和油耗等，都有明顯的改良作用。本文從理論上說(shuō)明此機(jī)的基本原理和結(jié)構(gòu)，以及它的優(yōu)化問(wèn)題，供參考。

關(guān)鍵詞：“一沖程”活塞機(jī);構(gòu)想研究

緒論

本文介紹一種新型的活塞機(jī)—U型雙作用擺動(dòng)往復(fù)活塞機(jī)。它在平動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，把平動(dòng)機(jī)活塞直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)變成擺動(dòng)機(jī)活塞的弧線往復(fù)擺動(dòng)。改變其結(jié)構(gòu)，使活塞兩端都能做功，而達(dá)到“一沖程”的目的。對(duì)縮小平動(dòng)機(jī)的體積提高工作效率都有明顯的改良作用。在結(jié)構(gòu)上改變了活塞、氣缸形狀和傳動(dòng)輸出關(guān)系所表現(xiàn)的工作原理，同平動(dòng)機(jī)一樣。由于結(jié)構(gòu)的改變，對(duì)加工、制造和材料強(qiáng)度要求比較高。故本文只能從原理上闡述“一沖程”活塞機(jī)的可行性。

目前，各國(guó)在提高發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面的竟?fàn)幒芗ち遥荚谑褂眯录夹g(shù)、新方法，進(jìn)行降低油耗和提高功率為目的的開(kāi)發(fā)研究;于是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)等的研究一時(shí)也活躍起來(lái)。而平動(dòng)機(jī)研制已有百年歷史，如今仍沒(méi)有其它形式的發(fā)動(dòng)機(jī)與之相媲美，可見(jiàn)它的某些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是最優(yōu)化的。作者認(rèn)為平動(dòng)機(jī)燃燒室形成和燃燒室密封優(yōu)點(diǎn)尤為突出，但平動(dòng)機(jī)由于自身其它一些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還存在一些不足，如下解說(shuō)：

1、比重量、升功率的提高不明顯。要使這些參數(shù)進(jìn)一步提高，必須使平動(dòng)機(jī)活塞上、下空間都合理利用起來(lái)，設(shè)計(jì)出“一沖程”機(jī)，來(lái)縮小體積，增大功率。

2、在平動(dòng)機(jī)中如圖（a），由于活塞、連桿和曲軸的傳統(tǒng)連接，使活塞頂上的P氣直接轉(zhuǎn)變成曲軸轉(zhuǎn)矩P切的力增加不明顯。只有尋找新的傳動(dòng)形式，減少P側(cè)和P損，去增加P切，那么就可進(jìn)一步完成節(jié)能目的。

3、活塞、連桿、曲軸的慣性力和離心分力是

平動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的原因之一，如能合理利用慣性力，進(jìn)行優(yōu)化互補(bǔ)，或減少活塞連桿對(duì)曲軸產(chǎn)生的離心分力，這樣不但能降低振動(dòng)和噪音，而且使發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠，延長(zhǎng)柴油機(jī)使用壽命。

針對(duì)平動(dòng)機(jī)以上情況，作者研制了一種新型擺動(dòng)往復(fù)活塞內(nèi)燃機(jī)，它在吸取平動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又克服了平動(dòng)機(jī)的以上缺陷。

一、基本結(jié)構(gòu)

如圖（1-1），擺動(dòng)機(jī)

與平動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上，除活塞、氣缸、連桿形狀不同，其余部件基本一致，平動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)都可用于擺動(dòng)機(jī)。

機(jī)體和氣缸為環(huán)形狀，活塞組繞中心軸在氣缸中左右擺動(dòng)。活塞

組中部開(kāi)有滑槽，相當(dāng)于平動(dòng)機(jī)的連桿起動(dòng)力傳遞作用。曲軸上的曲柄銷(xiāo)和滾輪（或滑塊），通過(guò)滑槽下部裝入滑槽內(nèi)，帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)如下：

（一）機(jī)體和氣缸體

如圖（1-2），機(jī)體和氣缸體可整體和分體，整體能增加在機(jī)器的機(jī)械強(qiáng)度，減少安裝間隙，但不易加工。分體加工方便，但安裝間隙不易確定。

（二）活塞組

如圖（1-3），它分左右兩個(gè)頭部，成扇形狀，固定在中間連接件上。上頭部開(kāi)有軸孔，安裝在中心軸上，中心軸一方面使活塞組懸掛其中，繞軸左、右擺動(dòng);另一方面確定了活塞運(yùn)動(dòng)軌跡，承受活塞組的側(cè)向力、徑向力、離心力，所以中心軸強(qiáng)度要求高。在中間連接件中部垂直開(kāi)有滑槽，滑槽下部設(shè)有連接塊，方便安裝曲軸用。

（三）曲軸

如圖（1-4）曲軸與平動(dòng)機(jī)曲軸形狀大致相同，所不同是在曲柄銷(xiāo)上安裝的滾輪或滑塊，而不是連桿，滾輪和滑塊可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速而定，如下表分析：

（四）配氣機(jī)構(gòu)

如圖（1-5）整個(gè)氣缸蓋的設(shè)計(jì)，都與平動(dòng)機(jī)一樣，凸輪軸可直接借用中心軸和活塞中間連接件軸孔頭部，來(lái)控制氣閥的啟閉，使擺動(dòng)機(jī)由于中心軸設(shè)計(jì)的復(fù)雜，而變得此設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)接和合理。

（五）輔助設(shè)置系統(tǒng)

擺動(dòng)機(jī)可運(yùn)用平動(dòng)機(jī)輔助設(shè)置系統(tǒng)，如燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、啟動(dòng)和操縱系統(tǒng)等。

二、基本工作原理

基本工作原理擺動(dòng)機(jī)與平動(dòng)機(jī)基本一致，都有進(jìn)氣、壓縮、膨脹、排氣四個(gè)工作過(guò)程，所不同的是活塞組相對(duì)氣缸左右擺動(dòng)中，在氣缸左右兩邊空間都發(fā)生相對(duì)變化，即一邊進(jìn)氣、壓縮，另一邊又膨脹、排氣，相互交替工作。活塞組一個(gè)工作沖程可完成多個(gè)工作過(guò)程，利用兩沖程原理時(shí)，一個(gè)沖程就做功一次，利用四沖程原理時(shí)，四個(gè)沖程做功兩次。如圖（2-1）

曲軸在外力的作用下旋轉(zhuǎn)，通過(guò)曲柄銷(xiāo)和滾輪帶動(dòng)中間連接件上的滑槽，使活塞組沿氣缸繞中心軸左、右擺動(dòng)。當(dāng)一缸處在壓縮過(guò)程死點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始噴油燃燒，高壓燃?xì)馔苿?dòng)活塞向另一邊擺動(dòng)，活塞組一方面通過(guò)中心軸確定運(yùn)動(dòng)軌跡，另一方面通過(guò)中心連接件上的滑槽帶動(dòng)曲柄和滾輪作圓周運(yùn)動(dòng)，使曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，向外做功。具體工作原理如下表（2-2）

從運(yùn)動(dòng)軌跡圖（如圖2-3）中可以分析得出，滾輪在滑槽表面滾動(dòng)過(guò)程中，始終向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，方向與曲軸轉(zhuǎn)向相反，這樣滾輪利用自身慣性力和滾動(dòng)摩擦力，幫助曲柄銷(xiāo)沿曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，形成轉(zhuǎn)距，使設(shè)計(jì)合理。

三、設(shè)計(jì)目標(biāo)和優(yōu)化程度

（一）體積小，重量輕

用一組擺動(dòng)機(jī)與二缸平動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較，如下：

從上可得，擺動(dòng)機(jī)比平動(dòng)機(jī)體積小，重量輕。

（二）提高有功功率，降低油耗。

一組擺動(dòng)機(jī)與二缸平動(dòng)機(jī)相比，在缸徑和行程一樣的情況下，用四沖程工作原理，通過(guò)力學(xué)分析和力的變量說(shuō)明，如圖（3-3）（3-4）

綜上所述，擺動(dòng)機(jī)利用平動(dòng)機(jī)的工作原理，使活塞左右兩邊都得到合理利用，在左邊完成工作過(guò)程的同時(shí)，完成了右邊工作過(guò)程，一個(gè)行程完成多個(gè)工作過(guò)程，沖程數(shù)減少一半，使發(fā)動(dòng)機(jī)效率大為提高，另外也降低了運(yùn)動(dòng)摩擦力和泵氣損失，而達(dá)到節(jié)能目的。

發(fā)動(dòng)機(jī)換氣效果好、燃燒完善是達(dá)到減排的最佳途徑。在擺動(dòng)機(jī)中，由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，活塞相對(duì)氣缸擺動(dòng)形成扇形工作容積，離中心軸遠(yuǎn)端容積變量大，近端容積變量小，于是近端、遠(yuǎn)端空氣形成了壓力差。如把進(jìn)氣閥設(shè)在遠(yuǎn)端，排氣閥設(shè)在近端，這樣在進(jìn)氣時(shí)，氣缸容積逐漸增大，在遠(yuǎn)端容積變量大，進(jìn)氣阻力小，進(jìn)氣量多;在排氣時(shí)，氣缸工作容積變小，遠(yuǎn)端氣體向近端壓，產(chǎn)生吹氣效能;在掃氣過(guò)程中，利用流體通過(guò)集面大小所產(chǎn)生的流動(dòng)變化規(guī)律，從進(jìn)氣口大量流進(jìn)空氣，從排氣口迅速流出，掃氣效果好，從上說(shuō)明，擺動(dòng)機(jī)比平動(dòng)機(jī)換氣好，達(dá)到了燃燒完善，降低有害氣體排放的目的。

（四）振動(dòng)減小，工作平穩(wěn)。

在平動(dòng)機(jī)中，活塞側(cè)向力和慣性力，曲軸的徑向力和離心力是產(chǎn)生振動(dòng)之一，其中慣性力和離心分力影響最大。在平動(dòng)機(jī)中，活塞連桿組慣性力最大時(shí)，一般在活塞死點(diǎn)附近;（如圖3-5）。在上死點(diǎn)時(shí)，慣性力與P壓力相反，這樣可 抑制最大爆炸壓力的產(chǎn)生，但要消耗曲軸的功率;在下死點(diǎn)時(shí)，慣性力與P壓力方向相同，迭加后對(duì)曲軸產(chǎn)生運(yùn)轉(zhuǎn)阻力和振動(dòng)，因此平動(dòng)機(jī)應(yīng)盡時(shí)減少活塞連桿組的重量。

在擺動(dòng)機(jī)中（a）活塞沒(méi)有側(cè)向力，對(duì)氣缸不產(chǎn)生高頻振動(dòng);（b）活塞組對(duì)曲軸不產(chǎn)生離心分力，它的力主要作用在中心軸上。（c）由于沖程數(shù)減少，慣性力、徑向力和離心分力減少一半。（d）活塞組的慣性力能帶來(lái)益處，（如圖3-6），在活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)兩邊都有工作過(guò)程，利用慣性力來(lái)彌補(bǔ)工作過(guò)程所產(chǎn)生的泵氣損失，而增加功率。綜上簡(jiǎn)述，擺動(dòng)機(jī)比平動(dòng)機(jī)振動(dòng)要小。

（五）使主件磨損減少，延長(zhǎng)使用壽命。

在平動(dòng)機(jī)中，減少運(yùn)動(dòng)主件的磨損，是延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的主要因素。主件有活塞、氣缸、曲軸和連桿。活塞與氣缸磨損，主要受側(cè)向力影響，曲軸與連桿磨損主要受離心力、徑向力和慣性力的影響，只要減少其作用力和往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)，就可達(dá)到減少磨損目的。

在擺動(dòng)機(jī)中，從結(jié)構(gòu)和原理便知，活塞對(duì)氣缸沒(méi)有側(cè)向力，曲軸受離心力、慣性力影響小，它們都集中作用在中心軸上，在運(yùn)動(dòng)中，還可相互抵消部分力，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的次數(shù)也減小一半，所以，擺動(dòng)機(jī)比平動(dòng)機(jī)在主要部件上磨損減少，壽命增長(zhǎng)。

（六）擺動(dòng)機(jī)理論，可用于壓縮空氣機(jī)。

由于擺動(dòng)機(jī)具有體積小、輸出功率大、換氣效果好等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于空氣壓縮機(jī)。

四、結(jié)論

從以上基本結(jié)構(gòu)和原理可知，（1）擺動(dòng)機(jī)是在平動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來(lái)的，平動(dòng)機(jī)的一些設(shè)計(jì)理論都可用于擺動(dòng)機(jī)，如活塞、配氣機(jī)構(gòu)、曲軸等，使擺動(dòng)機(jī)的研制有較好的參考內(nèi)容。（2）擺動(dòng)機(jī)與平動(dòng)機(jī)相比具有體積小、功率大、振動(dòng)小、節(jié)能減排等優(yōu)點(diǎn);從我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看有一定的研究?jī)r(jià)值。（3）擺動(dòng)機(jī)雖在理論上有某些進(jìn)步性，還有待實(shí)際檢驗(yàn)。它自身也存在某些固有的缺點(diǎn)，由于活塞、氣缸、機(jī)體的形狀不同，于是加工工藝還有待于進(jìn)一步確定設(shè)計(jì)。另外，由于結(jié)構(gòu)緊湊，于是材料強(qiáng)度要求高。