“一沖程”活塞機的構想

俞永強

摘 要：本文介紹一種新型的“一沖程”活塞機。作者創新思路，是把平動機活塞直線往復運動變成擺動機活塞的弧線往復擺動。擺動機對縮小內燃機體積、提高功率、減少振動和油耗等，都有明顯的改良作用。本文從理論上說明此機的基本原理和結構，以及它的優化問題，供參考。

關鍵詞：“一沖程”活塞機;構想研究

緒論

本文介紹一種新型的活塞機—U型雙作用擺動往復活塞機。它在平動機的基礎上，把平動機活塞直線往復運動變成擺動機活塞的弧線往復擺動。改變其結構，使活塞兩端都能做功，而達到“一沖程”的目的。對縮小平動機的體積提高工作效率都有明顯的改良作用。在結構上改變了活塞、氣缸形狀和傳動輸出關系所表現的工作原理，同平動機一樣。由于結構的改變，對加工、制造和材料強度要求比較高。故本文只能從原理上闡述“一沖程”活塞機的可行性。

目前，各國在提高發動機技術方面的竟爭很激烈，都在使用新技術、新方法，進行降低油耗和提高功率為目的的開發研究;于是斯特林發動機、旋轉活塞發動機、陶瓷發動機等的研究一時也活躍起來。而平動機研制已有百年歷史，如今仍沒有其它形式的發動機與之相媲美，可見它的某些結構特點是最優化的。作者認為平動機燃燒室形成和燃燒室密封優點尤為突出，但平動機由于自身其它一些結構特點，還存在一些不足，如下解說：

1、比重量、升功率的提高不明顯。要使這些參數進一步提高，必須使平動機活塞上、下空間都合理利用起來，設計出“一沖程”機，來縮小體積，增大功率。

2、在平動機中如圖（a），由于活塞、連桿和曲軸的傳統連接，使活塞頂上的P氣直接轉變成曲軸轉矩P切的力增加不明顯。只有尋找新的傳動形式，減少P側和P損，去增加P切，那么就可進一步完成節能目的。

3、活塞、連桿、曲軸的慣性力和離心分力是

平動機產生振動的原因之一，如能合理利用慣性力，進行優化互補，或減少活塞連桿對曲軸產生的離心分力，這樣不但能降低振動和噪音，而且使發動機工作可靠，延長柴油機使用壽命。

針對平動機以上情況，作者研制了一種新型擺動往復活塞內燃機，它在吸取平動機優點的同時，又克服了平動機的以上缺陷。

一、基本結構

如圖（1-1），擺動機

與平動機在結構上，除活塞、氣缸、連桿形狀不同，其余部件基本一致，平動機的設計技術都可用于擺動機。

機體和氣缸為環形狀，活塞組繞中心軸在氣缸中左右擺動。活塞

組中部開有滑槽，相當于平動機的連桿起動力傳遞作用。曲軸上的曲柄銷和滾輪（或滑塊），通過滑槽下部裝入滑槽內，帶動曲軸轉動，具體結構如下：

（一）機體和氣缸體

如圖（1-2），機體和氣缸體可整體和分體，整體能增加在機器的機械強度，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），它分左右兩個頭部，成扇形狀，固定在中間連接件上。上頭部開有軸孔，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;另一方面確定了活塞運動軌跡，承受活塞組的側向力、徑向力、離心力，所以中心軸強度要求高。在中間連接件中部垂直開有滑槽，滑槽下部設有連接塊，方便安裝曲軸用。

（三）曲軸

如圖（1-4）曲軸與平動機曲軸形狀大致相同，所不同是在曲柄銷上安裝的滾輪或滑塊，而不是連桿，滾輪和滑塊可根據發動機的功率和轉速而定，如下表分析：

（四）配氣機構

如圖（1-5）整個氣缸蓋的設計，都與平動機一樣，凸輪軸可直接借用中心軸和活塞中間連接件軸孔頭部，來控制氣閥的啟閉，使擺動機由于中心軸設計的復雜，而變得此設計的簡接和合理。

（五）輔助設置系統

擺動機可運用平動機輔助設置系統，如燃油系統、冷卻系統、潤滑系統、啟動和操縱系統等。

二、基本工作原理

基本工作原理擺動機與平動機基本一致，都有進氣、壓縮、膨脹、排氣四個工作過程，所不同的是活塞組相對氣缸左右擺動中，在氣缸左右兩邊空間都發生相對變化，即一邊進氣、壓縮，另一邊又膨脹、排氣，相互交替工作。活塞組一個工作沖程可完成多個工作過程，利用兩沖程原理時，一個沖程就做功一次，利用四沖程原理時，四個沖程做功兩次。如圖（2-1）

曲軸在外力的作用下旋轉，通過曲柄銷和滾輪帶動中間連接件上的滑槽，使活塞組沿氣缸繞中心軸左、右擺動。當一缸處在壓縮過程死點時，開始噴油燃燒，高壓燃氣推動活塞向另一邊擺動，活塞組一方面通過中心軸確定運動軌跡，另一方面通過中心連接件上的滑槽帶動曲柄和滾輪作圓周運動，使曲軸轉動，向外做功。具體工作原理如下表（2-2）

從運動軌跡圖（如圖2-3）中可以分析得出，滾輪在滑槽表面滾動過程中，始終向一個方向轉動，方向與曲軸轉向相反，這樣滾輪利用自身慣性力和滾動摩擦力，幫助曲柄銷沿曲軸轉動方向運動，形成轉距，使設計合理。

三、設計目標和優化程度

（一）體積小，重量輕

用一組擺動機與二缸平動機進行比較，如下：

從上可得，擺動機比平動機體積小，重量輕。

（二）提高有功功率，降低油耗。

一組擺動機與二缸平動機相比，在缸徑和行程一樣的情況下，用四沖程工作原理，通過力學分析和力的變量說明，如圖（3-3）（3-4）

綜上所述，擺動機利用平動機的工作原理，使活塞左右兩邊都得到合理利用，在左邊完成工作過程的同時，完成了右邊工作過程，一個行程完成多個工作過程，沖程數減少一半，使發動機效率大為提高，另外也降低了運動摩擦力和泵氣損失，而達到節能目的。

發動機換氣效果好、燃燒完善是達到減排的最佳途徑。在擺動機中，由于自身結構特點，活塞相對氣缸擺動形成扇形工作容積，離中心軸遠端容積變量大，近端容積變量小，于是近端、遠端空氣形成了壓力差。如把進氣閥設在遠端，排氣閥設在近端，這樣在進氣時，氣缸容積逐漸增大，在遠端容積變量大，進氣阻力小，進氣量多;在排氣時，氣缸工作容積變小，遠端氣體向近端壓，產生吹氣效能;在掃氣過程中，利用流體通過集面大小所產生的流動變化規律，從進氣口大量流進空氣，從排氣口迅速流出，掃氣效果好，從上說明，擺動機比平動機換氣好，達到了燃燒完善，降低有害氣體排放的目的。

（四）振動減小，工作平穩。

在平動機中，活塞側向力和慣性力，曲軸的徑向力和離心力是產生振動之一，其中慣性力和離心分力影響最大。在平動機中，活塞連桿組慣性力最大時，一般在活塞死點附近;（如圖3-5）。在上死點時，慣性力與P壓力相反，這樣可 抑制最大爆炸壓力的產生，但要消耗曲軸的功率;在下死點時，慣性力與P壓力方向相同，迭加后對曲軸產生運轉阻力和振動，因此平動機應盡時減少活塞連桿組的重量。

在擺動機中（a）活塞沒有側向力，對氣缸不產生高頻振動;（b）活塞組對曲軸不產生離心分力，它的力主要作用在中心軸上。（c）由于沖程數減少，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益處，（如圖3-6），在活塞運動時兩邊都有工作過程，利用慣性力來彌補工作過程所產生的泵氣損失，而增加功率。綜上簡述，擺動機比平動機振動要小。

（五）使主件磨損減少，延長使用壽命。

在平動機中，減少運動主件的磨損，是延長發動機壽命的主要因素。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運動次數，就可達到減少磨損目的。

在擺動機中，從結構和原理便知，活塞對氣缸沒有側向力，曲軸受離心力、慣性力影響小，它們都集中作用在中心軸上，在運動中，還可相互抵消部分力，往復運動的次數也減小一半，所以，擺動機比平動機在主要部件上磨損減少，壽命增長。

（六）擺動機理論，可用于壓縮空氣機。

由于擺動機具有體積小、輸出功率大、換氣效果好等優點，可廣泛用于空氣壓縮機。

四、結論

從以上基本結構和原理可知，（1）擺動機是在平動機的基礎上設計出來的，平動機的一些設計理論都可用于擺動機，如活塞、配氣機構、曲軸等，使擺動機的研制有較好的參考內容。（2）擺動機與平動機相比具有體積小、功率大、振動小、節能減排等優點;從我國發動機發展現狀來看有一定的研究價值。（3）擺動機雖在理論上有某些進步性，還有待實際檢驗。它自身也存在某些固有的缺點，由于活塞、氣缸、機體的形狀不同，于是加工工藝還有待于進一步確定設計。另外，由于結構緊湊，于是材料強度要求高。