[发明专利]活塞－曲柄推连机构

说明书

一种主要用于往复活塞式发动机上的机构。

目前，世界上所具有的往复活塞式发动机热效率大多在40％以下，尤其是汽油发动机热效率低于30％(参见各类发动机原理书籍及各型往复活塞式发动机)，其活塞——曲轴(或曲柄)连杆机构的设计方案均采用一刚性连杆，一端连接活塞，另一端连接曲轴颈(或曲柄销)的结构。该结构在上止点附近时，膨胀对曲柄产生的推力，其径向分量远远大于切向分量。因而膨胀不能迅速完成，导致传导和辐射热量损失较大，发动机震动和磨损较重，热效率很低。

本发明的目的是解决上述方案中留下的问题，采用一柔性储能连杆和一刚性弯曲推杆轮换做功的方案，使上止点附近作用在曲柄上的膨胀力在切向上的分量远远大于径向分量，并且在曲轴转角120°左右范围内始终保持切向分量大于径向分量。因而能加速膨胀，降低传导和辐射热量，减轻震动和磨损，提高热效率和升功率。

本发明是这样实现的，在一个由活塞、柔性储能连杆、刚性弯曲推杆和带有凸部的曲柄轴以及退杆滑道、让杆槽组成的活塞——曲柄推连机构中，当活塞处于上止点附近位置时，推杆的推顶销正好顶在曲柄凸部的加工面上，该加工面此时正好处于推杆力和曲柄圆的切点附近。由于推杆是刚性的而连杆是柔性的，所以膨胀力主要通过推杆作用在曲柄凸部上，因而曲柄获得的切向分量远远大于径向分量。当推顶销推动曲柄转动一定角度，使得推杆力的切向分量接近径向分量时，却又正好到达换位点，这时推杆退出工作，改由切向分量逐渐变大的连杆力做功，并在做功过程中将储藏在连杆弹簧中的能量释放出来。当连杆力推动曲柄继续转动，使切向分量再次接近径向分量时，曲柄已经转过120°左右(α＝120°±2.5°——此值是根据现代摩托车发动机λ＝的取值范围而定的，其中λ为曲柄半径r与连杆长度l的比值)角度了，此时膨胀过程已近完结，能量大部分得到有效利用，从而达到了提高热效率和升功率的目的。

机构中连杆和推杆的一头靠活塞销与活塞装配在一起。连杆的另一头与曲柄销安装在一起；推杆的另一端装一推顶销。

机构中的刚性弯曲推杆由一弯曲的刚体和一推顶销组成。推杆内侧有一压气平台。正是由于该推杆的存在和作用，才使机构有别于过去的活塞——曲柄连杆机构。所以本发明的机构叫做活塞——曲柄推连机构。

机构中的柔性储能连杆是由两截刚性杆体和一根弹簧套装在一起，加上一些连接紧固件组成的。连杆大头的根部装有一压气片型弹簧。

机构中的曲柄上有一凸部，凸部向着曲柄销的一侧是一个加工面，该加工面是以曲柄销为轴心，以推顶销的工作点为半径的一段圆弧面。

机构中的退杆滑道和让杆槽及所需空间均设置在发动机的曲轴箱上。

从上述机构的工作原理来看，具有如下优点：

1.曲柄在上止点附近获得的最大膨胀力通过推杆作用在其与曲柄圆的切点附近，从而可获得大扭矩和高转速。

2.由于曲柄转速提高而推杆力又作用在切点附近，因而活塞下行速度提高，即膨胀加快。这样，高温气体在气缸内的滞留时间大大缩短，降低了热量的传导和辐射损失。

3.由于曲柄所受径向力的大幅下降，使得发动机零件承受的无谓磨损大大减轻。

由于上述优点的存在，本发明将导致发动机的热效率及升功率提高、热负荷下降、使用寿命延长。

图1，根据本发明提出的一种具体柔性储能连杆的示意图。

图2，根据本发明提出的一种具体刚性弯曲推杆的示意图。

图3，根据本发明提出的一种具体曲柄型式示意图。

图4，活塞——曲柄推连机构解剖示意图。

附图1，自由状态下的柔性储能连杆组合构件示意图。其中1——刚性杆体1；2——连杆弹簧；3——压气片型弹簧；4——刚性杆体2；5——限位销。

附图2，刚性弯曲推杆组合件示意图。其中1——弯曲的刚性杆体；2——可以滚动的推顶销；3——压气平台。

附图3，曲柄示意图。其中1——防滑止退埂；2——凸部。

附图4，剖去一边曲柄的活塞——曲柄推连机构示意图。其中1—曲柄；2——刚性弯曲推杆；3——柔性储能连杆；4——活塞；5——拢靠弹簧片；6——杆滑道；7——让杆槽。

下面参照附图4来说明本发明的活塞——曲柄推连机构的工作过程：当活塞4在上止点附近受到气缸膨胀压力时，推杆2上的推顶销正好处于推杆力与曲柄圆的切点附近，由于连杆3相对柔软，所以活塞受到的压力大部分通过刚性推杆作用在曲柄的凸部上；另一部分力通过压缩连杆弹簧而储存在连杆内。当曲柄转动一定角度，致连杆力与推杆力平行时，连杆正好被压缩至极点而呈现刚性，气缸压力全部转移到连杆上(此过程称为换位)，曲柄由连杆继续推动旋转，并在推动过程中将弹簧内的能量全部释放出来。在连杆独立做功的同时，推杆在拢靠弹簧5的作用下脱离曲柄凸部而冲向退杆滑道6。当连杆将曲柄推送至下止点时，推杆的推顶销已进入让杆槽7；推杆的压气平台也已在连杆的压气片型弹簧上落座，并开始压缩过程。压气片型弹簧的最小变形压力为可燃混合气被压至上止点时的最大压力。当缸内气体燃烧膨胀时，推杆上的压气平台迫使连杆的压气片型弹簧弯曲并与之分离，使刚性弯曲推杆将膨胀力传递至曲柄的凸部而进入下一次作功行程。这里还需说明的是：曲柄上凸部的加工面是以曲柄销为轴心，以推顶销的着力点为半径的圆弧面；防滑止退埂的加工面亦是以曲柄销为轴心的圆弧面。另外退杆滑道6和让杆槽7均设在曲轴箱上。所以采用本发明的发动机最明显的标志就是曲轴箱上有一凸起的让杆槽。这是为了获得高效率而付出的空间。