“一冲程”活塞机的构想

俞永强

摘 要：本文介绍一种新型的“一冲程”活塞机。作者创新思路，是把平动机活塞直线往复运动变成摆动机活塞的弧线往复摆动。摆动机对缩小内燃机体积、提高功率、减少振动和油耗等，都有明显的改良作用。本文从理论上说明此机的基本原理和结构，以及它的优化问题，供参考。

关键词：“一冲程”活塞机;构想研究

绪论

本文介绍一种新型的活塞机—U型双作用摆动往复活塞机。它在平动机的基础上，把平动机活塞直线往复运动变成摆动机活塞的弧线往复摆动。改变其结构，使活塞两端都能做功，而达到“一冲程”的目的。对缩小平动机的体积提高工作效率都有明显的改良作用。在结构上改变了活塞、气缸形状和传动输出关系所表现的工作原理，同平动机一样。由于结构的改变，对加工、制造和材料强度要求比较高。故本文只能从原理上阐述“一冲程”活塞机的可行性。

目前，各国在提高发动机技术方面的竟争很激烈，都在使用新技术、新方法，进行降低油耗和提高功率为目的的开发研究;于是斯特林发动机、旋转活塞发动机、陶瓷发动机等的研究一时也活跃起来。而平动机研制已有百年历史，如今仍没有其它形式的发动机与之相媲美，可见它的某些结构特点是最优化的。作者认为平动机燃烧室形成和燃烧室密封优点尤为突出，但平动机由于自身其它一些结构特点，还存在一些不足，如下解说：

1、比重量、升功率的提高不明显。要使这些参数进一步提高，必须使平动机活塞上、下空间都合理利用起来，设计出“一冲程”机，来缩小体积，增大功率。

2、在平动机中如图（a），由于活塞、连杆和曲轴的传统连接，使活塞顶上的P气直接转变成曲轴转矩P切的力增加不明显。只有寻找新的传动形式，减少P侧和P损，去增加P切，那么就可进一步完成节能目的。

3、活塞、连杆、曲轴的惯性力和离心分力是

平动机产生振动的原因之一，如能合理利用惯性力，进行优化互补，或减少活塞连杆对曲轴产生的离心分力，这样不但能降低振动和噪音，而且使发动机工作可靠，延长柴油机使用寿命。

针对平动机以上情况，作者研制了一种新型摆动往复活塞内燃机，它在吸取平动机优点的同时，又克服了平动机的以上缺陷。

一、基本结构

如图（1-1），摆动机

与平动机在结构上，除活塞、气缸、连杆形状不同，其余部件基本一致，平动机的设计技术都可用于摆动机。

机体和气缸为环形状，活塞组绕中心轴在气缸中左右摆动。活塞

组中部开有滑槽，相当于平动机的连杆起动力传递作用。曲轴上的曲柄销和滚轮（或滑块），通过滑槽下部装入滑槽内，带动曲轴转动，具体结构如下：

（一）机体和气缸体

如图（1-2），机体和气缸体可整体和分体，整体能增加在机器的机械强度，减少安装间隙，但不易加工。分体加工方便，但安装间隙不易确定。

（二）活塞组

如图（1-3），它分左右两个头部，成扇形状，固定在中间连接件上。上头部开有轴孔，安装在中心轴上，中心轴一方面使活塞组悬挂其中，绕轴左、右摆动;另一方面确定了活塞运动轨迹，承受活塞组的侧向力、径向力、离心力，所以中心轴强度要求高。在中间连接件中部垂直开有滑槽，滑槽下部设有连接块，方便安装曲轴用。

（三）曲轴

如图（1-4）曲轴与平动机曲轴形状大致相同，所不同是在曲柄销上安装的滚轮或滑块，而不是连杆，滚轮和滑块可根据发动机的功率和转速而定，如下表分析：

（四）配气机构

如图（1-5）整个气缸盖的设计，都与平动机一样，凸轮轴可直接借用中心轴和活塞中间连接件轴孔头部，来控制气阀的启闭，使摆动机由于中心轴设计的复杂，而变得此设计的简接和合理。

（五）辅助设置系统

摆动机可运用平动机辅助设置系统，如燃油系统、冷却系统、润滑系统、启动和操纵系统等。

二、基本工作原理

基本工作原理摆动机与平动机基本一致，都有进气、压缩、膨胀、排气四个工作过程，所不同的是活塞组相对气缸左右摆动中，在气缸左右两边空间都发生相对变化，即一边进气、压缩，另一边又膨胀、排气，相互交替工作。活塞组一个工作冲程可完成多个工作过程，利用两冲程原理时，一个冲程就做功一次，利用四冲程原理时，四个冲程做功两次。如图（2-1）

曲轴在外力的作用下旋转，通过曲柄销和滚轮带动中间连接件上的滑槽，使活塞组沿气缸绕中心轴左、右摆动。当一缸处在压缩过程死点时，开始喷油燃烧，高压燃气推动活塞向另一边摆动，活塞组一方面通过中心轴确定运动轨迹，另一方面通过中心连接件上的滑槽带动曲柄和滚轮作圆周运动，使曲轴转动，向外做功。具体工作原理如下表（2-2）

从运动轨迹图（如图2-3）中可以分析得出，滚轮在滑槽表面滚动过程中，始终向一个方向转动，方向与曲轴转向相反，这样滚轮利用自身惯性力和滚动摩擦力，帮助曲柄销沿曲轴转动方向运动，形成转距，使设计合理。

三、设计目标和优化程度

（一）体积小，重量轻

用一组摆动机与二缸平动机进行比较，如下：

从上可得，摆动机比平动机体积小，重量轻。

（二）提高有功功率，降低油耗。

一组摆动机与二缸平动机相比，在缸径和行程一样的情况下，用四冲程工作原理，通过力学分析和力的变量说明，如图（3-3）（3-4）

综上所述，摆动机利用平动机的工作原理，使活塞左右两边都得到合理利用，在左边完成工作过程的同时，完成了右边工作过程，一个行程完成多个工作过程，冲程数减少一半，使发动机效率大为提高，另外也降低了运动摩擦力和泵气损失，而达到节能目的。

发动机换气效果好、燃烧完善是达到减排的最佳途径。在摆动机中，由于自身结构特点，活塞相对气缸摆动形成扇形工作容积，离中心轴远端容积变量大，近端容积变量小，于是近端、远端空气形成了压力差。如把进气阀设在远端，排气阀设在近端，这样在进气时，气缸容积逐渐增大，在远端容积变量大，进气阻力小，进气量多;在排气时，气缸工作容积变小，远端气体向近端压，产生吹气效能;在扫气过程中，利用流体通过集面大小所产生的流动变化规律，从进气口大量流进空气，从排气口迅速流出，扫气效果好，从上说明，摆动机比平动机换气好，达到了燃烧完善，降低有害气体排放的目的。

（四）振动减小，工作平稳。

在平动机中，活塞侧向力和惯性力，曲轴的径向力和离心力是产生振动之一，其中惯性力和离心分力影响最大。在平动机中，活塞连杆组惯性力最大时，一般在活塞死点附近;（如图3-5）。在上死点时，惯性力与P压力相反，这样可 抑制最大爆炸压力的产生，但要消耗曲轴的功率;在下死点时，惯性力与P压力方向相同，迭加后对曲轴产生运转阻力和振动，因此平动机应尽时减少活塞连杆组的重量。

在摆动机中（a）活塞没有侧向力，对气缸不产生高频振动;（b）活塞组对曲轴不产生离心分力，它的力主要作用在中心轴上。（c）由于冲程数减少，惯性力、径向力和离心分力减少一半。（d）活塞组的惯性力能带来益处，（如图3-6），在活塞运动时两边都有工作过程，利用惯性力来弥补工作过程所产生的泵气损失，而增加功率。综上简述，摆动机比平动机振动要小。

（五）使主件磨损减少，延长使用寿命。

在平动机中，减少运动主件的磨损，是延长发动机寿命的主要因素。主件有活塞、气缸、曲轴和连杆。活塞与气缸磨损，主要受侧向力影响，曲轴与连杆磨损主要受离心力、径向力和惯性力的影响，只要减少其作用力和往复运动次数，就可达到减少磨损目的。

在摆动机中，從结构和原理便知，活塞对气缸没有侧向力，曲轴受离心力、惯性力影响小，它们都集中作用在中心轴上，在运动中，还可相互抵消部分力，往复运动的次数也减小一半，所以，摆动机比平动机在主要部件上磨损减少，寿命增长。

（六）摆动机理论，可用于压缩空气机。

由于摆动机具有体积小、输出功率大、换气效果好等优点，可广泛用于空气压缩机。

四、结论

从以上基本结构和原理可知，（1）摆动机是在平动机的基础上设计出来的，平动机的一些设计理论都可用于摆动机，如活塞、配气机构、曲轴等，使摆动机的研制有较好的参考内容。（2）摆动机与平动机相比具有体积小、功率大、振动小、节能减排等优点;从我国发动机发展现状来看有一定的研究价值。（3）摆动机虽在理论上有某些进步性，还有待实际检验。它自身也存在某些固有的缺点，由于活塞、气缸、机体的形状不同，于是加工工艺还有待于进一步确定设计。另外，由于结构紧凑，于是材料强度要求高。