圆弧气缸和活塞驱动的无曲轴发动机

发动机经过长期的技术发展，目前已发展到针对以提高发动机性能、满足低碳排放指标、改善燃油效率为目标进行相关技术研发，并使精控空燃比、高能点火控制、气门驱动控制、降低泵气损失、电子控制、涡轮增压、润滑与冷却系统性能改善等各项技术可不断应用到发动机运行过程，这些技术研发均涉及到如何优化气缸的各冲程工作效率，可改善和提高发动机性能

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，另一方面发动机结构优化也是提高发动机性能的重要组成部分，最初发动机性能改善大多得益于结构优化技术的突破，研发出的直列、V型、水平对置、星型等各种结构的发动机,仍是目前市场应用的精典主流机型，其原理都是由燃烧导致气体膨胀推动活塞做直线往复运动，然后通过曲轴将动力转递给发动机主轴带动发动机主轴旋转，构成目前发动机市场应用主流机型的精典结构

，而发动机如何能达到减少能源损耗和减轻尾气排放的目的，将是优化发动机结构设计方案的长期目标，涉及到开发出能使发动机结构简单、紧凑、体积小、重量轻、动力传输效率高、振动小、摩擦损耗小、马力大的发动机设计方案，因此有必要对如何优化发动机结构的设计方案进一步进行一些有益探讨，若开发出的发动机结构设计方案能使发动机更加的轻量化、高利用率，达到减少能源损耗和减轻尾气排放的目的，将具有巨大的社会效益和经济效益。

1 圆弧气缸和活塞驱动的无曲轴发动机结构设计

圆弧气缸和活塞驱动的无曲轴发动机结构分解图如图1所示，图2是由摇杆通过曲柄连杆连接曲柄轮组成的一个曲柄摇杆机构示意图。

教学评价方式对于教学起到很重要的作用。文秋芳指出：“目前教学中普遍存在的问题是，教师对学生完成的口头表达任务评价空泛，对听众的表现置之不理;对学生完成的笔头表达任务过多注意语言形式上的简单错误，忽视语义表达的准确性和内容组织的逻辑性。”因此，教师对学生成绩的评定可采用教师评价、学生互评、自我评价多种评价方式相结合的办法，每种评价方式各占一定的比例。

图中发动机结构由气缸体、气缸套、气缸盖、活塞、摇杆、曲柄连杆、曲柄轮、发动机主轴组成，其中：气缸体可分解成前、后气缸体，由螺杆固接闭合成气缸体，中间加气缸垫片密封，气缸体呈圆盖状，其圆心是轴心线，在气缸体轴心线位置设置主轴支承座、摇杆支承轴，以轴心线为中心在气缸体内径圆周上环形分布曲柄轮支承座，气缸套则以轴心线为中心环形镶嵌分布在气缸体的外径圆周上，与气缸盖闭合组成气缸， 活塞可在气缸内做圆弧往复运动，活塞尾部与一另一端设有支承环与位轴心线上的摇杆支承轴轴接，此时，活塞的圆弧往复运动可带动摇杆以轴心线为支点做回转运动，摇杆上设有曲柄连杆支承轴，曲柄轮上也设有曲柄连杆支承轴，曲柄连杆两端设有支承环分别与摇杆和曲柄轮上的支承轴轴接，曲柄轮上设有支承轴与气缸体上的曲柄轮支承座轴接，这样摇杆与曲柄连杆和曲柄轮就组成了一个传统的曲柄摇杆机构，曲柄轮轴上还设有齿轮与发动机主轴齿轮啮合，发动机主轴上设置的齿轮也与曲柄轮相互啮合，可由齿轮传动将曲柄轮的运动和动力传递给发动机主轴，或者将发动机主轴的运动和动力传递给曲柄轮，发动机主轴前端设置连轴器与链带驱动润滑、冷却、配气等系统的设备运转，后端设置法兰与发动机飞轮固定连接，由此，通过活塞在气缸内由燃烧导致气体膨胀驱动的圆弧往复运动，带动摇杆以轴心线为支点做回转运动，再将回转运动由传统的曲柄摇杆机构转化为曲柄轮的旋转，然后曲柄轮将运动和动力由齿轮传动传送到发动机主轴上，从而可将膨胀气体生成的运动和动力转化为发动机主轴的输出运动和动力，当传统的曲柄摇杆机构中曲柄与曲柄连杆共线出现死点时，由发动机飞轮产生的惯性力带过。

2 曲柄摇杆机构设计

如图1所示的圆弧气缸和活塞驱动的无曲轴发动机是四缸结构，四个气缸环形分布在气缸体外径圆周上，活塞可在气缸中作圆弧往复运动，带动长度为L1的摇杆按摆角Φ回转，取曲柄长度为L2，则通过曲柄摇杆机构的辅助圆图解设计

可求解出曲柄轮轴心位置和连杆长如图3所示。

图中曲柄轮支承座轴心为A，以AB为半径是曲柄运动轨迹圆，摇杆以支点D回转，摇杆两极限位置为C

D和C

D，夹角∠C

D C

为Φ，C

C

弧为摇杆回转运动弧，曲柄与连杆铰接点相应的位置为B

和B

，当摇杆回转到极限位置时连杆是B

C

和B

C

长度为L3，按一般方法作出辅助圆I，两连线B

B

和C

C

的中垂线MA和MN相交于M点。则有A、C

、C

、M四点共圆。

因M B

=M B

，B

C

= B

C

，M C

=M C

，ΔMB

C

=ΔM B

C

则有 ∠B

M B

= ∠C

A C

= ∠C

M C

=θ

由此可归纳出连杆长度是B

C

= B

C

=L3，曲柄轮支承座轴心位于A点，曲柄长度是B

A= B

A=L2，曲柄以A为圆心，以L2为半径旋转，摇杆以支点D回转运动，摇杆长度为C

D= C

D=L1。

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圆弧气缸和活塞发动机的结构如图6所示，将如图6所示的结构通过并联叠加可得到如图7所示的双列发动机结构。

3 圆弧气缸和活塞驱动的无曲轴发动机工作原理

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4 圆弧气缸和活塞驱动的无曲轴发动机的优点

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由此可根据得到的曲柄摇杆机构的设计参数，得到圆弧气缸和活塞驱动的无曲轴发动机的气缸体结构如图4所示。

图中发动机具有如下优点：

图中气缸1至气缸4环形分布在气缸体的外径圆周上，曲柄轮1至曲柄轮4环形分布在气缸体内径圆周上，图中的气缸1至气缸4都有相应的活塞、摇杆、曲柄连杆、曲柄轮进行运动和动力传送，每个曲柄轮的齿轮节圆均与发动机主轴的齿轮节圆相切，曲柄轮齿轮分别与发动机主轴齿轮啮合，如图5a所示的气缸1处于做功冲程，当气缸燃烧室点火燃烧压缩空气时，膨胀气体可推动活塞1从上止点向下止点逆时针旋转，此时曲柄轮1是主动轮，可输送运动和动力驱动发动机主轴旋转，曲柄轮2至曲柄轮4都是从动轮，由发动机主轴提供运动和动力联动塞2至活塞4做圆弧运动在气缸2至气缸4中完成排气、压缩、吸气的任务进入如图5b所示的下一个冲程，此冲程气缸3处于做功冲程，由曲柄轮3作为主动轮输送运动和动力给发动机主轴旋转，曲柄轮1、曲柄轮4、曲柄轮2是从动轮，由发动机主轴提供运动和动力联动活塞1、活塞4、活塞2做圆弧运动在气缸1、气缸4、气缸2中完成排气、压缩、吸气的任务，如此循环往复由各曲柄轮轮换给发动机主轴输送运动和动力，是一种由传统的曲柄摇杆机构传送动力的无曲轴发动机设计方案，本实施例的设计方案是有四个气缸环形分布在气缸体外径圆周生成的四缸发动机，也可以设计三个或二个气缸环形分布在气缸体外径圆周上，因此则可生成三缸或二缸发动机，能有效改变气缸压缩比。

(1)减少发动机振动

其人刚直，所纠察弹劾之人，不论身份贵贱，一概按律论处，因而不为周遭大臣所喜，被陷害带兵讨贼。周处虽知此战必败，却也悍不畏死，仗剑出征，最终以身殉国，被追封为平西将军。西戎校尉阎瓒上诗说：“周处全臣节，美名不能已。身虽遭覆没，载名为良史。”

本发动机结构中活塞的圆弧往复运动惯性、主轴旋转惯性都以轴心线为中心，因此，各冲程生成的振动能相互抵消，可减少发动机振动，本发动机结构无曲轴带来的重心与轴线偏离误差带来的振动，可减少发动机振动。

(2)减少气缸与活塞的磨损

本发动机结构通过曲柄轮齿轮与发动机主轴齿轮啮合，将曲柄轮的运动和动力传递给发动机主轴，通过改变曲柄轮齿轮与发动机主轴齿轮之间的传动比，可加大发动机的传动比。

(3)加大传动比

圆弧气缸和活塞发动机工作时，由膨胀气体推动活塞做圆弧运动，带动摇杆摆动，然后经曲柄摇杆机构驱动曲柄轮旋转，并通过曲柄轮齿轮与发动机主轴齿轮传动驱动主轴旋转，从而可以将燃烧导致气体膨胀所生成的运动和动力，转化为发动机主轴的运动和动力输出。发动机剖视图图5a-5b所示是四冲程发动机的工作原理。

本发动机结构活塞尾部与摇杆一端固定连接，而摇杆以轴心线为支点回转，摇杆以轴心为支点可引导和约束活塞在气缸内做圆弧往复运动，能有效减少气缸与活塞之间侧磨损，降低气缸和活塞的磨损变形。

(4)优化压缩比

本发动机结构中通过在气缸体外径圆周上选择环形分布四个气缸、三个气缸或二个气缸，可得到不同的压缩比，从而得到可优化压缩比的结构。

(5)加大马力

选择1#样品韵达公司快递包裹袋，剪取面积为0.5 cm×0.5 cm，利用反射法，在相同检测条件下重复测定5次。

通过并联叠加可将四缸发动机增加为双列八缸发动机，三缸和二缸发动机增加为双列六缸和双列四缸发动机，成倍加大马力。

(5)结构简单和紧凑、体积小、重量轻

气缸在气缸体外径圆周环形分布，曲柄轮和动力传动机构环形分布在气缸体内径圆周区域，发动机主轴设置在轴心线位置，使得发动机径向和轴向尺寸小，结构简单和紧凑，可减少发动机体积和减轻发动机重量。

5 结论

对现有直线往复式活塞发动机结构改进的设计方案进行了一些有益探索，主要是将直筒气缸改变为圆弧气缸，气缸在气缸体的圆周上环形分布，活塞在气缸内由气体膨胀推动做弧形运动，可使与活塞尾部连接的摇杆摆动，摇杆通过连杆与曲柄轮相连，组成曲柄摇杆机构将摇杆摆动转换成曲柄轮的旋转，曲柄轮与发动机主轴通过齿轮啮合，从而可使燃烧导致气体膨胀生成的运动和动力转换为发动机主轴的输出运动和动力，设计出一种新的无曲轴发动机，由此设计出的发动机具有振动小、气缸与活塞之间磨损小、结构简单紧凑、体积小、重量轻和可加大传动比、优化压缩比以及可便捷成倍加大马力等优点。

[1]李树会,汽车发动机技术发展趋势研究 内燃机与配件 2019，(21) 40-41.

[2]熊藜,王港,新形势下车用发动机发展技术探究 内燃机与配件 2019，(13) 36-37.

[3]【日】塩路昌宏,车用发动机燃烧技术发展趋势及未来展望 汽车与新动力 2020第5期 26-31.

[4]《汽车发动机结构与原理》 徐春保、张秋 主编.

[5]杨秀杰,李芳, 曲柄摇杆机构的辅助圆图解设计法的探讨 安阳大学学报 2004,第1期 34-36.