圓弧氣缸和活塞驅動的無曲軸發動機

發動機經過長期的技術發展，目前已發展到針對以提高發動機性能、滿足低碳排放指標、改善燃油效率為目標進行相關技術研發，并使精控空燃比、高能點火控制、氣門驅動控制、降低泵氣損失、電子控制、渦輪增壓、潤滑與冷卻系統性能改善等各項技術可不斷應用到發動機運行過程，這些技術研發均涉及到如何優化氣缸的各沖程工作效率，可改善和提高發動機性能

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，另一方面發動機結構優化也是提高發動機性能的重要組成部分，最初發動機性能改善大多得益于結構優化技術的突破，研發出的直列、V型、水平對置、星型等各種結構的發動機,仍是目前市場應用的精典主流機型，其原理都是由燃燒導致氣體膨脹推動活塞做直線往復運動，然后通過曲軸將動力轉遞給發動機主軸帶動發動機主軸旋轉，構成目前發動機市場應用主流機型的精典結構

，而發動機如何能達到減少能源損耗和減輕尾氣排放的目的，將是優化發動機結構設計方案的長期目標，涉及到開發出能使發動機結構簡單、緊湊、體積小、重量輕、動力傳輸效率高、振動小、摩擦損耗小、馬力大的發動機設計方案，因此有必要對如何優化發動機結構的設計方案進一步進行一些有益探討，若開發出的發動機結構設計方案能使發動機更加的輕量化、高利用率，達到減少能源損耗和減輕尾氣排放的目的，將具有巨大的社會效益和經濟效益。

1 圓弧氣缸和活塞驅動的無曲軸發動機結構設計

圓弧氣缸和活塞驅動的無曲軸發動機結構分解圖如圖1所示，圖2是由搖桿通過曲柄連桿連接曲柄輪組成的一個曲柄搖桿機構示意圖。

教學評價方式對于教學起到很重要的作用。文秋芳指出：“目前教學中普遍存在的問題是，教師對學生完成的口頭表達任務評價空泛，對聽眾的表現置之不理;對學生完成的筆頭表達任務過多注意語言形式上的簡單錯誤，忽視語義表達的準確性和內容組織的邏輯性。”因此，教師對學生成績的評定可采用教師評價、學生互評、自我評價多種評價方式相結合的辦法，每種評價方式各占一定的比例。

圖中發動機結構由氣缸體、氣缸套、氣缸蓋、活塞、搖桿、曲柄連桿、曲柄輪、發動機主軸組成，其中：氣缸體可分解成前、后氣缸體，由螺桿固接閉合成氣缸體，中間加氣缸墊片密封，氣缸體呈圓蓋狀，其圓心是軸心線，在氣缸體軸心線位置設置主軸支承座、搖桿支承軸，以軸心線為中心在氣缸體內徑圓周上環形分布曲柄輪支承座，氣缸套則以軸心線為中心環形鑲嵌分布在氣缸體的外徑圓周上，與氣缸蓋閉合組成氣缸， 活塞可在氣缸內做圓弧往復運動，活塞尾部與一另一端設有支承環與位軸心線上的搖桿支承軸軸接，此時，活塞的圓弧往復運動可帶動搖桿以軸心線為支點做回轉運動，搖桿上設有曲柄連桿支承軸，曲柄輪上也設有曲柄連桿支承軸，曲柄連桿兩端設有支承環分別與搖桿和曲柄輪上的支承軸軸接，曲柄輪上設有支承軸與氣缸體上的曲柄輪支承座軸接，這樣搖桿與曲柄連桿和曲柄輪就組成了一個傳統的曲柄搖桿機構，曲柄輪軸上還設有齒輪與發動機主軸齒輪嚙合，發動機主軸上設置的齒輪也與曲柄輪相互嚙合，可由齒輪傳動將曲柄輪的運動和動力傳遞給發動機主軸，或者將發動機主軸的運動和動力傳遞給曲柄輪，發動機主軸前端設置連軸器與鏈帶驅動潤滑、冷卻、配氣等系統的設備運轉，后端設置法蘭與發動機飛輪固定連接，由此，通過活塞在氣缸內由燃燒導致氣體膨脹驅動的圓弧往復運動，帶動搖桿以軸心線為支點做回轉運動，再將回轉運動由傳統的曲柄搖桿機構轉化為曲柄輪的旋轉，然后曲柄輪將運動和動力由齒輪傳動傳送到發動機主軸上，從而可將膨脹氣體生成的運動和動力轉化為發動機主軸的輸出運動和動力，當傳統的曲柄搖桿機構中曲柄與曲柄連桿共線出現死點時，由發動機飛輪產生的慣性力帶過。

2 曲柄搖桿機構設計

如圖1所示的圓弧氣缸和活塞驅動的無曲軸發動機是四缸結構，四個氣缸環形分布在氣缸體外徑圓周上，活塞可在氣缸中作圓弧往復運動，帶動長度為L1的搖桿按擺角Φ回轉，取曲柄長度為L2，則通過曲柄搖桿機構的輔助圓圖解設計

可求解出曲柄輪軸心位置和連桿長如圖3所示。

圖中曲柄輪支承座軸心為A，以AB為半徑是曲柄運動軌跡圓，搖桿以支點D回轉，搖桿兩極限位置為C

D和C

D，夾角∠C

D C

為Φ，C

C

弧為搖桿回轉運動弧，曲柄與連桿鉸接點相應的位置為B

和B

，當搖桿回轉到極限位置時連桿是B

C

和B

C

長度為L3，按一般方法作出輔助圓I，兩連線B

B

和C

C

的中垂線MA和MN相交于M點。則有A、C

、C

、M四點共圓。

因M B

=M B

，B

C

= B

C

，M C

=M C

，ΔMB

C

=ΔM B

C

則有 ∠B

M B

= ∠C

A C

= ∠C

M C

=θ

由此可歸納出連桿長度是B

C

= B

C

=L3，曲柄輪支承座軸心位于A點，曲柄長度是B

A= B

A=L2，曲柄以A為圓心，以L2為半徑旋轉，搖桿以支點D回轉運動，搖桿長度為C

D= C

D=L1。

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圓弧氣缸和活塞發動機的結構如圖6所示，將如圖6所示的結構通過并聯疊加可得到如圖7所示的雙列發動機結構。

3 圓弧氣缸和活塞驅動的無曲軸發動機工作原理

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4 圓弧氣缸和活塞驅動的無曲軸發動機的優點

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由此可根據得到的曲柄搖桿機構的設計參數，得到圓弧氣缸和活塞驅動的無曲軸發動機的氣缸體結構如圖4所示。

圖中發動機具有如下優點：

圖中氣缸1至氣缸4環形分布在氣缸體的外徑圓周上，曲柄輪1至曲柄輪4環形分布在氣缸體內徑圓周上，圖中的氣缸1至氣缸4都有相應的活塞、搖桿、曲柄連桿、曲柄輪進行運動和動力傳送，每個曲柄輪的齒輪節圓均與發動機主軸的齒輪節圓相切，曲柄輪齒輪分別與發動機主軸齒輪嚙合，如圖5a所示的氣缸1處于做功沖程，當氣缸燃燒室點火燃燒壓縮空氣時，膨脹氣體可推動活塞1從上止點向下止點逆時針旋轉，此時曲柄輪1是主動輪，可輸送運動和動力驅動發動機主軸旋轉，曲柄輪2至曲柄輪4都是從動輪，由發動機主軸提供運動和動力聯動塞2至活塞4做圓弧運動在氣缸2至氣缸4中完成排氣、壓縮、吸氣的任務進入如圖5b所示的下一個沖程，此沖程氣缸3處于做功沖程，由曲柄輪3作為主動輪輸送運動和動力給發動機主軸旋轉，曲柄輪1、曲柄輪4、曲柄輪2是從動輪，由發動機主軸提供運動和動力聯動活塞1、活塞4、活塞2做圓弧運動在氣缸1、氣缸4、氣缸2中完成排氣、壓縮、吸氣的任務，如此循環往復由各曲柄輪輪換給發動機主軸輸送運動和動力，是一種由傳統的曲柄搖桿機構傳送動力的無曲軸發動機設計方案，本實施例的設計方案是有四個氣缸環形分布在氣缸體外徑圓周生成的四缸發動機，也可以設計三個或二個氣缸環形分布在氣缸體外徑圓周上，因此則可生成三缸或二缸發動機，能有效改變氣缸壓縮比。

(1)減少發動機振動

其人剛直，所糾察彈劾之人，不論身份貴賤，一概按律論處，因而不為周遭大臣所喜，被陷害帶兵討賊。周處雖知此戰必敗，卻也悍不畏死，仗劍出征，最終以身殉國，被追封為平西將軍。西戎校尉閻瓚上詩說：“周處全臣節，美名不能已。身雖遭覆沒，載名為良史。”

本發動機結構中活塞的圓弧往復運動慣性、主軸旋轉慣性都以軸心線為中心，因此，各沖程生成的振動能相互抵消，可減少發動機振動，本發動機結構無曲軸帶來的重心與軸線偏離誤差帶來的振動，可減少發動機振動。

(2)減少氣缸與活塞的磨損

本發動機結構通過曲柄輪齒輪與發動機主軸齒輪嚙合，將曲柄輪的運動和動力傳遞給發動機主軸，通過改變曲柄輪齒輪與發動機主軸齒輪之間的傳動比，可加大發動機的傳動比。

(3)加大傳動比

圓弧氣缸和活塞發動機工作時，由膨脹氣體推動活塞做圓弧運動，帶動搖桿擺動，然后經曲柄搖桿機構驅動曲柄輪旋轉，并通過曲柄輪齒輪與發動機主軸齒輪傳動驅動主軸旋轉，從而可以將燃燒導致氣體膨脹所生成的運動和動力，轉化為發動機主軸的運動和動力輸出。發動機剖視圖圖5a-5b所示是四沖程發動機的工作原理。

本發動機結構活塞尾部與搖桿一端固定連接，而搖桿以軸心線為支點回轉，搖桿以軸心為支點可引導和約束活塞在氣缸內做圓弧往復運動，能有效減少氣缸與活塞之間側磨損，降低氣缸和活塞的磨損變形。

(4)優化壓縮比

本發動機結構中通過在氣缸體外徑圓周上選擇環形分布四個氣缸、三個氣缸或二個氣缸，可得到不同的壓縮比，從而得到可優化壓縮比的結構。

(5)加大馬力

選擇1#樣品韻達公司快遞包裹袋，剪取面積為0.5 cm×0.5 cm，利用反射法，在相同檢測條件下重復測定5次。

通過并聯疊加可將四缸發動機增加為雙列八缸發動機，三缸和二缸發動機增加為雙列六缸和雙列四缸發動機，成倍加大馬力。

(5)結構簡單和緊湊、體積小、重量輕

氣缸在氣缸體外徑圓周環形分布，曲柄輪和動力傳動機構環形分布在氣缸體內徑圓周區域，發動機主軸設置在軸心線位置，使得發動機徑向和軸向尺寸小，結構簡單和緊湊，可減少發動機體積和減輕發動機重量。

5 結論

對現有直線往復式活塞發動機結構改進的設計方案進行了一些有益探索，主要是將直筒氣缸改變為圓弧氣缸，氣缸在氣缸體的圓周上環形分布，活塞在氣缸內由氣體膨脹推動做弧形運動，可使與活塞尾部連接的搖桿擺動，搖桿通過連桿與曲柄輪相連，組成曲柄搖桿機構將搖桿擺動轉換成曲柄輪的旋轉，曲柄輪與發動機主軸通過齒輪嚙合，從而可使燃燒導致氣體膨脹生成的運動和動力轉換為發動機主軸的輸出運動和動力，設計出一種新的無曲軸發動機，由此設計出的發動機具有振動小、氣缸與活塞之間磨損小、結構簡單緊湊、體積小、重量輕和可加大傳動比、優化壓縮比以及可便捷成倍加大馬力等優點。

[1]李樹會,汽車發動機技術發展趨勢研究 內燃機與配件 2019，(21) 40-41.

[2]熊藜,王港,新形勢下車用發動機發展技術探究 內燃機與配件 2019，(13) 36-37.

[3]【日】塩路昌宏,車用發動機燃燒技術發展趨勢及未來展望 汽車與新動力 2020第5期 26-31.

[4]《汽車發動機結構與原理》 徐春保、張秋 主編.

[5]楊秀杰,李芳, 曲柄搖桿機構的輔助圓圖解設計法的探討 安陽大學學報 2004,第1期 34-36.