擺動活塞式發(fā)動機的結構設計

1、前 言內燃機的發(fā)明，帶動了汽車的發(fā)展，給世人在“行”上帶來極大的便利，使得窨距離縮小，人們的工作速度得以提高。近年來隨著電子技術的發(fā)展，又使汽車發(fā)動機如虎添翼，成為高新技術的集成。汽車用內燃機作動力并發(fā)展成為支柱產業(yè)，在歷史上有幾次革命性的進步，第一次是石油作為內內燃機的燃料，這使發(fā)動機擺脫了最初建立在煤氣為燃料基礎上的固定式發(fā)動機，從而邁向移動式的車用動力。第二次革命是汽車生產的工業(yè)化。第三次是電子技術與發(fā)動機技術相結合。電子技術最初在汽油機上的應用是實現(xiàn)電子點火，然后到電控燃油噴射，至今天點火和噴射的集成管理。短短幾十年，發(fā)動機成為高新技術的集成。無論是燃油經濟性、動力性、廢氣排放水平等等

2、，是任何一種其他動力機械所無法比擬的。這一切都來源于電子技術發(fā)揮的作用。汽車內燃機是通過燃料的燃燒，把燃料的化學能轉化為熱能，再將熱能轉化為機械功的熱動力機械。熱力學、燃燒學和機械學的理論分析表明，內燃機是熱效率最高的熱力機械，但仍存在著巨大的節(jié)能及降低尾氣污染的潛力。1內燃機1.1內燃機的概述內燃機是發(fā)動機的一種。發(fā)動機是把某種形式的能轉變?yōu)闄C械能的機器。能夠將燃料中的化學能經過燃燒轉變?yōu)闊崮?，并通過一定的結構使之再轉化為機械能的發(fā)動機也稱為熱機。內燃機是熱機的一種，他區(qū)別于其他形式熱機的特點，是燃料在機器內部燃燒，燃料燃燒時放出大量的熱量，使燃燒后的氣體膨脹推動機械做功。燃氣是實現(xiàn)熱能向機

3、械能轉化的媒介物質，這種媒介物質稱為工作介質1。發(fā)動機可以根據不同的特征來分類： 按所用燃料分 有汽油發(fā)動機、柴油發(fā)動機和其他代用燃料發(fā)動機。汽油發(fā)動機是用電火花強制點燃由汽油與空氣組成的可燃混合氣，使之燃燒并產生熱能，故汽油機又稱強制點火式發(fā)動機。柴油機使用的柴油是直接噴入發(fā)動機氣缸，在高溫高壓條件下自燃而產生熱能，故柴油機又稱壓燃式發(fā)動機。 按完成一個工作循環(huán)所需要的活塞沖程數分 有四沖程發(fā)動機和二沖程發(fā)動機。 按結構特點分 有水冷發(fā)動機和風冷發(fā)動機；單缸發(fā)動機和多缸發(fā)動機。多缸發(fā)動機根據各缸的排列方式，又有直列式發(fā)動機和“V”形發(fā)動機等。汽車發(fā)動機大多采用水冷式多缸發(fā)動機。 按活塞的運動

4、方式分 有往復活塞式發(fā)動機和旋轉發(fā)動機。往復活塞發(fā)動機的活塞為上下運動，旋轉發(fā)動機的活塞是旋轉的2。 現(xiàn)代汽車用的內燃機絕大多數為往復活塞式內燃機。為了方便敘述我們對各種型式的內燃機都簡稱為內燃機或發(fā)動機。本文主要介紹的便是在旋轉活塞式發(fā)動機上進行改造，而得出的擺動活塞式發(fā)動機，其工作沖程為二沖程。發(fā)動機是汽車、拖拉機、飛機和船舶等機器的動力源，是它們的“心臟”，其性能是決定這些機器使用性能好壞的關鍵。往復機已有百年的歷史了，經過長期使用和發(fā)展，到目前，不論是二沖程還是四沖程，可以說已經達到了比較完善的程度。它的最大優(yōu)點是經濟可靠，因此在工農業(yè)和交通運輸業(yè)中，一直占據主要地位。1.2選題的背景

5、眾所周知，往復機的基本結構方案，是利用曲軸連桿機構，將活塞的往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動。由于活塞的往復運動所造成的慣性力和慣性力矩，不能得到完全平衡，這是往復機結構本身存在的缺陷。這些不平衡的力和力矩，隨著發(fā)動機轉速的提高而急劇增大，作用在發(fā)動機軸承上的慣性負荷顯著增加，并引起振動和噪音的增大。特別是隨著發(fā)動機不斷向高速發(fā)展時，活塞連桿機構和氣閥機構表現(xiàn)出明顯的弊病。同時，活塞的平均速度，由于受到現(xiàn)有金屬材料性能的限制，通常不得超過允許值，也限制了往復機向高速方向發(fā)展。加之往復機的運動機構復雜，這些因素是往復機進一步提高功率、降低重量（和體積）的嚴重障礙。而旋轉發(fā)動機機與往復式發(fā)動機比較，它

6、的優(yōu)點是：結構簡單，體積小，重量輕，發(fā)動機振動很小，動轉平穩(wěn)，此外制造成本也比較低。特別是在要求發(fā)動機高轉速大功率的使用場合，轉子發(fā)動機的優(yōu)越性就更為突出。但是，轉子發(fā)動機也還存在著不少問題，例如低速動力性差，起動性能和耐久性也有待進一步提高等等?；谝陨蠋追N原因，我們希望有一種發(fā)動機能夠一定程度上結合了旋轉發(fā)動機與往復發(fā)動機的優(yōu)點。即具有旋轉發(fā)動機的旋轉特性，也具有往復機的曲柄連桿機構。它能夠利用旋轉特性很好地解決曲柄連桿機構存在的慣性力問題，而且根除了四桿機構的急回特性。而正在此時，老師向我們提出了晉江某企業(yè)已經設計出了一種擺動發(fā)動機，而且做成了樣機，還成功發(fā)動起來。只是這個樣機結構設計時

7、存在著一些不合理性，以至于后來發(fā)生了故障。由于這種擺動發(fā)動機具有較好的市場開拓前景，我們在對樣機的理解上大膽地提出了改進與創(chuàng)新。而所有的這些我們都將在下面的文章中做出詳細的說明。2 往復發(fā)動機基本工作原理2.1 二沖程發(fā)動機工作原理及換氣過程汽油機是將汽油和空氣混合成可燃混合氣，然后進入氣缸用電火花點燃。首先，我們以曲柄軸箱掃氣二沖程發(fā)動機為例說明一下二沖程汽油機的工作過程。二沖程汽油機的工作沖程如下：（1）第一沖程 活塞自下止點向上移動，三個氣孔被關閉后，在活塞上方，已進入氣缸的可燃混合氣體被壓縮；而活塞下方的曲柄軸箱內因容積增大，形成一定的真空度，在進氣孔露出時，可燃混合氣體自化油器經進氣

8、孔流入曲柄軸箱內。（2）第二沖程 活塞壓縮到上止點附近時，火花塞點燃混合氣體，高溫高壓的燃氣膨脹，推動活塞下移做功?；钊乱谱龉r進氣孔關閉，密閉在曲軸箱內的可燃混合氣體沖入氣功，驅除廢氣，進行換氣過程。此過程一直進行到下一沖程活塞上移，三個氣孔完全關閉為止。總之，活塞上行時進行換氣、壓縮、曲柄軸箱進氣；活塞下行時進行做功、壓縮曲柄軸箱混合氣體、換氣。 二沖程發(fā)動機的換氣過程二沖程發(fā)動機與四沖程發(fā)動機相比，由于省去單獨的進排氣沖程，必須在下死點前后很短的時間內同時進行進排氣，進排氣的時間差不多只有四沖程發(fā)動機的三分之一，因此，必須用有壓力的新氣清除氣缸內的廢氣，稱為掃氣作用。如果在此期間，有可

9、能把廢氣完全驅除，而用新鮮氣充滿氣缸，則與同樣大小同樣轉速的四沖程發(fā)動機相比，可使功率增大50%-70%。但如掃氣作用進行得不好，在氣缸中殘留下很多廢氣，與新氣混合，而且新氣中相當一部分進入氣缸后并沒有留在缸內，而在掃氣期間短路經過排氣口流出缸外的話，則由于氣缸內空氣不足（加上為了壓縮新氣要消耗一定能量），功率就要受到影響。如果是汽化器式發(fā)動機，新氣中含有燃料，短路溜走的燃料又會造成浪費。這樣會使燃料消耗率增高很多，而且排氣污染更嚴重3。由此可見，對二沖程發(fā)動機來說，掃氣作用對性能影響特別大。如果掃氣不良，壓縮空氣中廢氣率高，實際的混合氣體濃度將很稀，經常由于缺火使工作不穩(wěn)定，有時也會因為壓縮

10、過量，溫度過高而發(fā)生爆燃。小負荷由于進氣節(jié)流，缺火會特別嚴重，甚至變成兩轉爆發(fā)一次，像四沖程那樣。由于二沖程的汽化器式發(fā)動機經濟性較差，如果能采用汽油直接噴射即可大大改善指標（燃料消耗可下降1/4左右）。二沖程原理應用于柴油機，效果顯著。排氣口一經開啟，膨脹過程就告結束，因此排氣口應盡可能晚開啟，但是它應保證掃氣孔緊跟著它開啟時，氣缸內的壓力能降低到足夠低，以避免廢氣倒流，同時還保證掃氣過程又足夠的時間，所以排氣口不能開的太晚。由于氣口的存在，使發(fā)動機的實際壓縮比低于幾何壓縮比。實際壓縮比應該為幾何壓縮比減去一個排氣口相對高度，而對于擺動活塞則應該減去一個排氣口的相對角度。掃氣口的開啟時間也應

11、該從類似的考慮確定。應該注意的是，換氣過程中氣體的流量不僅是活塞的位置的函數，而且是時間的函數，故發(fā)動機的轉速越高，氣口相對高度或擺動活塞發(fā)動機的排氣相對角度就要越大。至于掃氣口和排氣口的關閉時間，如果掃氣孔比排氣孔先關，新氣可能逃逸，過后充填也就不可能了。所以最好是不對稱換氣，即排氣口先開先關，掃氣口后開后關4。2.2 四沖程發(fā)動機工作原理四沖程汽油機的每個工作循環(huán)均經過如下四個沖程：（1）進氣沖程 在這個沖程中，進氣門開啟，排氣門關閉，氣缸與化油器相通，活塞由上止點向下止點移動，活塞上方容積增大，氣缸內產生一定的真空度?？扇蓟旌蠚怏w被吸入氣缸內?；钊兄料轮裹c時，曲軸轉過半周，進氣門關閉，

12、進氣沖程結束。（2）壓縮沖程 進氣沖程結束后，進氣門、排氣門同時關閉。曲軸繼續(xù)旋轉，活塞由下止點向上止點移動，活塞上方的容積減少，進入到氣缸內的可燃混合氣體被壓縮，使其溫度、壓力升高?；钊缴现裹c時，壓縮沖程結束。（3）做功沖程 當壓縮沖程臨近終了時，火花塞發(fā)出電火花，點燃可燃混合氣體。由于混合氣體迅速燃燒膨脹，在極短的時間內壓力可達到3-5MPa，最高溫度約為2200-2800K。高溫、高壓的燃氣推動活塞迅速下行，并通過連桿使曲柄旋轉而對外做功。在做功沖程中，活塞自上止點移至下止點，曲軸轉至一周半。隨活塞向下運動，活塞上方容積增大，燃氣溫度、壓力逐漸降低。（4）排氣沖程 混合氣體燃燒后成了廢

13、氣，為了便于下一個工作循環(huán)，這些廢氣應及時排出氣缸，所以在做功沖程終了時，排氣門開啟，活塞向上移動，廢氣便排到氣缸外5。當活塞到達上止點時，排氣門關閉、曲軸轉至兩周，完成一個工作循環(huán)。由此可見，四沖程發(fā)動機經過進氣、壓縮、做功、排氣四個過程，完成一個工作循環(huán)。這期間活塞在上、下止點間往復移動了四個沖程，相應的曲軸旋轉了兩周。由上面的分析我們可以看出二沖程與四沖程汽油機不同，即二沖程汽油機曲軸每轉動一周就有一個做功沖程，因此，理論上相同排量的二沖程發(fā)動機的功率應該等于四沖程發(fā)動機的二倍。和四沖程發(fā)動機相比，由于做功頻率較快，因而運轉比較均勻平穩(wěn)。而且結構簡單。但是二沖程發(fā)動機換氣過程中新鮮氣體損

14、失較多，廢氣排放也不徹底，而且氣孔占據了一部分活塞沖程，做功時能量損失較大，經濟性較差。本文主要是針對二沖程汽油機進行設計的。3 擺動活塞式發(fā)動機工作原理3.1 工作原理下面我們就用圖解法來說明一下這個二沖程擺動發(fā)動機的工作原理。如圖1所示，我們可以看出活塞在氣缸內大致裝配位置（環(huán)狀缸體即為氣缸；扇形狀為活塞，我們稱為扇形活塞）。當扇形活塞逆時針擺動至死點時，可燃性混合氣體已經被壓縮在左燃燒室內。經火花塞點火后，壓縮氣體爆炸產生作用力，推動扇形活塞向右擺動，發(fā)動機開始工作。此時左儲氣室開始進氣。右工作室進氣已經完畢，右氣門關閉。圖1圖2為扇形活塞運轉過一定角度之后，右工作室工作沖程。扇形活塞順

15、時針擺動，左氣門進氣，左儲氣室增壓。右工作室封閉，右工作室氣體被壓縮。圖2圖3為扇形活塞繼續(xù)順時針擺動，左工作室開始排氣，左氣門保持開啟，左儲氣室與左工作室相貫通，左工作室開始進氣。右工作室則繼續(xù)壓縮。圖3圖4為扇形活塞繼續(xù)順時針擺動至死點，左氣門還是保持開啟，而左工作室與左儲氣室持續(xù)貫通，左工作室充氣工作此時已經完成。右工作火花塞點火，右儲氣室進氣開始。圖4圖5為右工作室工作沖程，扇形活塞逆時針擺動，右氣門保持開啟，右儲氣室持續(xù)進氣，且開始增壓。左工作室開始壓縮，左氣門關閉。圖5圖6為扇形活塞繼續(xù)逆時針擺動，右工作室已經開始排氣，右儲氣室與工作室已經貫通，壓縮氣體進入右工作室，右氣門保持開啟

16、。左工作室繼續(xù)壓縮，左氣門保持關閉。此時工作沖程接近完畢，最后擺動至左死點，即圖1所示位置，而后按圖1說明完成一次往復熱循環(huán)運動。圖6從以上原理圖我們可以看出二沖程擺動發(fā)動機機主要有以下優(yōu)點：每轉做功，因此升功率較大（約為四沖程汽油機的1.5-1.6倍），運轉比較平穩(wěn)；而且構造較簡單，重量也較輕，制造和維修都比較方便。但是我們也看到了，不論將排氣口開得多大，都不能將廢氣從氣缸內排除得比較干凈，而且換氣時要損失一部分做功沖程，再加上有部分混合氣體在掃氣時隨同廢氣流失，所以動力性較差。此外，因做功頻率較大，所以熱負荷較高6。因此二沖程擺動發(fā)動機可以較多地應用在摩托車和一些小型機具上，或用作某些柴油

17、機的起動機。3.2 曲柄搖桿機構傳動分析擺動活塞發(fā)動機的傳動是依靠一個曲柄搖桿機構，通過燃料在燃燒室中燃燒，推動扇形活塞在氣缸內一定范圍角度內作往復的擺動，通過一個與活塞相連的連桿把活塞的擺動傳動到輸出軸上的曲柄，從而使曲柄帶動輸出軸轉動，實現(xiàn)從熱能向機械能的轉換（如圖7）?；钊趤砘財[動一個過程中，帶動曲軸轉動一周。圖71 極位夾角曲柄搖桿機構搖桿處在兩個極位時，曲柄所在兩個位置之間的夾角稱為極位夾角。 當曲柄以等角速度1順時針轉過1=180+時，搖桿將由位置C1D擺到C2D，其擺角為，設所需要時間為t1，C點的平均速度為v1；當曲柄繼續(xù)轉過2=180 時，搖桿又從位置C2D回到C1D，擺角

18、仍然是，設所需要時間為t2，C點的平均速度為V2。由于曲柄為等速轉動，而12，所以有t1t2,v2v1。搖桿的這種運動性質成為急回特性（如圖8）。圖8圖8可見極位夾角越大，急回特性便越顯著。由于這種急回特性會導致活塞擺動運動慣性力的增大，降低傳動的穩(wěn)定性，所以發(fā)動機設計中應盡可能地減小極位夾角。存在一種特例，使為零，從而消除急回特性，即曲柄回轉中心在搖桿兩極位時C1，C2的延長線上。在設計總體機構時應該盡量考慮采用無急回特性的機構（如圖1所示），如果受到總體方案的限制，也應該采用小的極位夾角，并且使急回沖程做功的運動，而更有利于傳遞動力。本設計所采用的角即為零度。這也就較好地解決了一部分慣性力

19、問題。2 傳動角四桿機構中，主動件AB經連桿傳遞到從動件CD上C點的力F的方向與C點速度方向之間的銳角稱為此位置的壓力角，而連桿BC與從動件CD之間所夾的銳角為機構在此位置的傳動角。傳動角越大，對機構的傳力則越有利。一般要保證最小傳動角4050度，這樣才能使機構有良好傳動性。對于曲柄搖桿機構，最小傳動角在主動件曲柄與機架共線的兩位置之一。傳動角與各桿的長度有關。4 擺動活塞式發(fā)動機結構設計4.1 傳統(tǒng)發(fā)動機的組成結構介紹傳統(tǒng)往復發(fā)動機一般由以下幾個機構和系統(tǒng)組成：. 曲柄連桿機構 曲柄連桿機構由活塞組、連桿組、曲軸飛輪組三部分組成。此機構的作用是把活塞的往復運動轉化為曲軸的旋轉運動。該機構與機

20、體組零件工作關系比較密切，比如氣缸體、氣缸蓋、曲軸箱等在工作時的關系非常密切，再結構分析時常把他們放在一起，組成廣義的曲柄連桿機構。配氣機構 它的作用是按照發(fā)動機的各個缸的工作順序，定時的開啟和關閉各缸的進氣門和排氣門，以保證新鮮氣體及時進入氣缸，廢氣及時排出氣缸。它是由氣門組、傳動組和驅動組組成。. 供油系統(tǒng) 供給系統(tǒng)包括燃料供給、空氣供給與廢氣排出三個系統(tǒng)。其作用是將燃料和空氣及時供給氣缸，并將燃燒后的廢氣及時排出機外。. 冷卻系統(tǒng) 其功用是吸收內燃機工作中受熱零件的多余熱量并及時散發(fā)出去，保證內燃機各部位在最適宜的溫度范圍內工作。水冷系統(tǒng)一般由水箱、水套、水泵、風扇、散熱器、節(jié)溫器等組成

21、。風冷系統(tǒng)由散熱片、風扇、導流罩等組成。. 潤滑系統(tǒng) 其作用是將潤滑油輸送到內燃機各運動部件的摩擦表面，以減少摩擦阻力和磨損，同時起到冷卻、密封、清洗和防銹的作用。主要包括機油泵、機油濾清器、機油散熱器、機油壓力表、機油溫度表和閥門、潤滑油道等。(6).點火系統(tǒng) 它是汽油機特有的一個系統(tǒng)。其功能就是在一定的時刻產生電火花，點燃氣缸內的可燃混合氣。由于我們所設計的為二沖程汽油機，而且利用吸氣口與排氣口就能控制空氣的進與出，因此沒有給它配備專門的配氣機構。本文主要考慮的是曲柄連桿機構的設計，再輔以冷卻系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)的設計7。4.2 曲柄連桿機構的設計曲柄連桿機構是內燃機借以實現(xiàn)將熱能轉變?yōu)闄C械能的

22、最主要的機構，它的零件可分為固定件與運動件兩類。固定件包括氣缸端蓋、氣缸墊、氣缸體等。運動件包括活塞連桿組和曲軸飛輪組?；钊B桿組由活塞、密封環(huán)、活塞銷、連桿等零件組成；曲軸飛輪組由曲軸、飛輪及裝在曲軸上的其他零件組成8。下面我們就發(fā)動機的曲柄連桿機構進行分析設計： 氣缸的設計氣缸是內燃機中重要部位，氣缸中裝有活塞，活塞在氣缸中高速往復運動。氣缸端面是用氣缸端蓋封閉的，中間再用密封圈加以密封9。為了保持結構的簡易性，我們沒有在氣缸體壁留出水道以冷卻，而只是在氣缸端蓋上做出水道冷卻。主軸承安裝在氣缸端蓋上。為了保證主要機構工作可靠，氣缸和軸承的尺寸和相對位置都加工得比較精確。參考樣機的設計，我們

23、暫時將氣缸的內徑設為65mm，考慮到總體的功率問題，這里我們將活塞的厚度定為60mm。為了減少氣缸與活塞之間的摩擦損失，氣缸外壁尺寸和形狀要求比較精確，表面粗糙度要高。如果按2-3級精度的尺寸公差來加工氣缸必然會增加加工困難，并且提高零件的加工成本。因此，一般將尺寸公差加大，按4-5級精度來加工，然后按2-3級精度的尺寸公差來選配，這樣加工就比較容易，而且成本也降低了。為了提高氣缸的耐磨性，可選用含有少量合金元素鎳（Ni）的優(yōu)質鑄鐵，這種材料機械強度高，耐磨性好，但成本相對會高一些。我們知道氣缸是個類似于環(huán)形的缸體，怎么才能保證活塞在一定的角度內擺動呢？為此我們可在氣缸壁上再加上兩塊楔形塊，氣

24、缸中的楔形塊與活塞側面所包圍的空間，就是擺動發(fā)動機的燃燒室。兩楔形塊形成一定的角度，即為活塞的活動空間。楔形塊與組合后的氣缸形狀如下圖所示。楔形塊的左右端面都是加工成弧形，再用螺栓將其與氣缸壁鎖緊，當然這也就要求楔形塊的加工精度相對較高。配合前應先畫線以確保配合的精度。保證活塞的活動空間的準確性。圖9由圖9可知，由于氣缸筋板結構所限，如果要右邊再設置進氣口，結構會顯得比較復雜。我們就沒有采用原先所提到的兩邊點火爆發(fā)做功。而改為單邊爆發(fā)做功，即只是在左邊設置火花塞位置及進氣口位置。 燃燒室的設計在介紹燃燒室的設計之前，我們先來看看壓縮比對燃燒室設計的影響。氣缸總容積與燃燒室容積之比，即為壓縮比。

25、通常用符號表示。=Va/Vc。如圖10所示，Va為活塞位于右止點時，活塞左側的整個空間；Vc為活塞位于左止點時，活塞左側的空間。壓縮比是發(fā)動機一個很重要的參數。它反映了在壓縮沖程中氣缸內的可燃混合氣體被壓縮的程度。排量相同的發(fā)動機，壓縮比越高，做功沖程時膨脹能力就越強，輸出功率也越大。汽油機壓縮比一般為6-1010。在此我們選用壓縮比為8。由此我們可以看出，在氣缸總體積一定的情況下，壓縮比的大小關系到燃燒室的大小。圖10燃燒室的形狀和尺寸對內燃機的性能有很大的影響。對燃燒室有兩點基本要求：第一是結構要緊湊，散熱面積小以減少散熱損失，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短以減少爆燃傾向；第二是其形狀要使混合氣在壓縮終了

26、時產生適當的擾流，以提高燃燒速率，保證混合氣體得到及時和完全燃燒。此外燃燒室做成扇形狀有利于力的分布均勻，減少活塞振動對發(fā)動機性能產生影響，如左圖所示。參考樣機的設計，我們可將燃燒室的角度設為110。這樣由第一章燃燒比設為8可知，氣缸的總容積為8*11=880。我們只要再設計出扇形活塞的角度即可將兩楔形塊的位置確定出來，從而完成氣缸的尺寸設計。 活塞連桿組的設計（1）扇形活塞的設計考慮到力如果從主軸輸出的話，主軸的尺寸就會顯得比較大，整個結構都會因此而顯得比較龐大，為此我們將搖桿定在活塞上，即將活塞銷置于活塞上的小孔內（活塞銷孔）。因此活塞一方面隨著氣體的壓力，一方面又要將力通過活塞銷傳給連桿

27、。它直接承愛高溫高壓的燃氣壓力，并在氣缸中高速往復運動。圖11為活塞的示意圖：圖11參考樣機的設計以及考慮活塞的強度要求，我們先將扇形活塞的角度定為600左右，其寬度與氣缸寬度一致均為60mm。扇形活塞下方的直板為掃氣板，其作用就是將氣體充分地掃進燃燒室內。而為了便于實現(xiàn)活塞與活動缸壁的密封，我們將扇形活塞與活動缸壁做成一體，因此我們從上圖中便可看出，扇形活塞后加一突出的圓盤即為活動缸壁。由于還要在活動缸壁上加工出環(huán)槽用以密封，因此，缸壁的半徑取100mm，厚度取20mm，缸壁的半徑決定了氣缸臺階的半徑也為100mm。掃氣板由于也要開密封槽，厚度也取20mm。而扇形活塞內徑則依主軸進行設計，這

28、在下面的設計中再做介紹。（2）搖桿長度的設計扇形活塞上半部有一小孔即為活塞銷孔?；钊N孔中心到扇形活塞中心的距離即為搖桿的長度。由扇形活塞的受力可知，扇形活塞的側面受到力作用。其力的作用中心約位于扇型活塞直徑的2/3處，即是65mm*2/343.3mm考慮到機構設計數據的簡單和連桿與主軸的干涉，取大值，定為46mm。這樣在整個曲柄搖桿機構中搖桿的長度就出來了。（3）扇形活塞材料的選擇由于活塞承受高溫氣體的加熱，一般最高燃燒溫度高達1200度以上，活塞側面最高溫度達300-400度，這會使材料的機械強度顯著下降。同時，活塞在氣缸中高速運動，活塞與氣缸壁之間摩擦嚴重。因此扇形活塞最好用強度高、重量

29、輕、熱膨脹系數小、導熱性好的材料制造。鑄鐵活塞雖有強度高，熱膨脹系數小等優(yōu)點，但重量大，導熱性差，所以在中小型高速內燃機中很少采用。鋁合金活塞重量輕，導熱性好，用于中小型高速內燃機可以滿足強度要求，因而應用非常廣泛。但是，其主要缺點卻是熱膨脹系數大。（4）扇形活塞與氣缸的間隙活塞在高速擺動時，要求活塞與氣缸頂壁間有恒定的最佳間隙，以減小摩擦和磨損。如果間隙過小，由于鋁合金膨脹系數大，內燃機熱車時活塞會在氣缸中卡住。反之，間隙過大，內燃機冷車時密封效果就會大打折扣11。為此我們參考了目前廣泛使用的最佳間隙量后，對活塞頂壁的尺寸公差及制造精度做出了確定。圖20主視圖圖21俯視圖圖22左視圖5 潤滑

30、系統(tǒng)5.1 潤滑的作用與設計要求內燃機潤滑系統(tǒng)的主要作用是將一定數量的清潔潤滑油送到各摩擦部位，以潤滑、冷卻和凈化摩擦表面。一個良好的潤滑系統(tǒng)必須具備以下幾個條件：有布置合理的油路，使內燃機所有的摩擦部位都能得到潤滑。 當內燃機在允許的工況和環(huán)境條件下，在內燃機允許的傾斜范圍內，仍有適當的潤滑油壓力、溫度和足夠的循環(huán)油量，以保證摩擦表面的潤滑。 進入摩擦部位的潤滑油應清潔。 內燃機一經啟動，各摩擦部位應能夠立即充滿潤滑油。也可在啟動前將潤滑油預先壓入各摩擦部位進行潤滑。5.2 幾種常見的潤滑方式根據內燃機類型和潤滑部位不同，采用不同的潤滑方式，主要有以下5種： 壓力循環(huán)潤滑 即潤滑油是在機油泵

31、作用下以一定的壓力注入摩擦部位。常用于承受較大負荷的摩擦表面，如軸承、軸套等。 飛濺潤滑 潤滑油濺于摩擦表面上。常用于那些壓力送油難以到達，或承受負荷不大的摩擦部位，如氣缸壁、齒輪、凸輪等。 油霧潤滑 油霧附著于摩擦表面周圍，積多后滲入摩擦部位。常用于承受負荷較小或相對運動速度不大的摩擦部位，如氣門調整、螺釘球頭、氣門桿頂端與搖臂之間等處。 壓力間歇潤滑 潤滑油在微量機油泵作用下定期注入摩擦部位。常用于曲軸箱掃氣二沖程發(fā)動機的軸承及大型柴油機氣缸壁等。 摻混潤滑 潤滑油以一定比例摻混在汽油中，在燃料經化油器時呈霧狀進人曲軸箱，借此摻混的油霧來潤滑摩擦部位。常用于摩托車和其他小型曲軸箱掃氣二沖程

32、汽油機的摩擦部位。除了個別情況采用單一的潤滑方式(例如二沖程摩托車汽油機采用摻混潤滑)外，大多數內燃機的潤滑系統(tǒng)都是采用壓力循環(huán)潤滑、飛濺潤滑和油霧潤滑的復合形式。這是因為內燃機是各類機械中潤滑條件最困難的一種。5.3 潤滑系統(tǒng)的設計對于作者設計的發(fā)動機而言，我們主要考慮幾個主要相對運動的零件潤滑，即連桿、主軸與主軸軸承、扇形活塞、曲軸與曲軸軸承的潤滑。.連桿潤滑由于整個連桿裸露在氣缸體的外面，因此不能采用通常的飛濺方式潤滑，只能在定期地往連桿注油孔擠壓機油進行潤滑。雖然這種潤滑效果比較差，但是由于此發(fā)動機還處于試驗階段，不會作大負荷長時間的工作，基于結構簡單考慮后還是采用此法。我們可以在連桿

33、大頭及小頭內挖一個小的儲油槽，以便更大程度上地減少注油次數，提高效率。當然今后我們可以對其結構進行改造，將整個連桿機構并入一個氣缸體內。.主軸與主軸軸承的潤滑對于主軸與支承主軸的主軸軸承來說，由于主軸軸承所受到的力比較簡單的，不會特別大。再加上我們在氣缸端蓋上設有水道，故如果要在氣缸端蓋上開專門的潤滑油路，還要考慮水的密封問題，這樣整個結構又會顯得比較復雜。因此我們暫定為定期將軸承端蓋打開，朝滾動軸承添加黃油或機油進行潤滑即可。.曲軸與曲軸軸承的潤滑對于曲軸軸承來說，我們在設計軸承座的時候已經在軸承座的上蓋預置了螺紋孔，這樣我們便可在軸承座上安裝油杯。我們只須隨著需要朝軸承座里添加潤滑機油。而

34、曲軸銷的潤滑剛可從連桿上得到潤滑.扇形活塞的潤滑在氣缸內扇形活塞的潤滑方面，采用的是摻混潤滑，和上述所提到的二沖程摩托車的發(fā)動機一樣，把機油和汽油以一定的比例混合，就可以對活塞起到潤滑作用。而且也省去了開通油道的煩惱。所以對于本設計整個發(fā)動機而言，潤滑方式有濺油潤滑又有摻混潤滑，故屬于復合潤滑方式。雖然說潤滑效果及效率不是很好，但能滿足通常的要求即可。由于潤滑系統(tǒng)只是發(fā)動機結構的一個輔助構件，因此在設計時可能會略顯簡單點。但由于我們只是對新產品開發(fā)的初步探討。勢必會有不合理的地方，這將在今后的改進中進行重新考慮。6 冷卻系統(tǒng)發(fā)動機工作時，燃燒氣體的最高溫度達1800-2200度，使直接與燃燒氣

35、體相接觸的零件如活塞、氣缸端蓋、氣缸等強烈受熱。如果不采取適當的冷卻措施，將會產生一系列嚴重后果：(1)各受熱件將要達到很高的溫度，使金屬的強度顯著下降，以致發(fā)生變形破壞。(2)零件受熱后要膨脹。溫度越高，膨脹量越大，以致破壞零件之間的正常 合間隙。常見的活塞卡列在氣缸中的現(xiàn)象，溫度太高就是其中一個主要原因。(3)潤滑油在高溫下容易氧化變質，使粘度降低，不利于摩擦表面形成油膜，潤滑油使用期限縮短，消耗量增加。(4)新鮮氣體進入氣缸之前受到高溫機件的加熱后，比容增加，每次被吸入氣缸的氣體重量減少，使內燃機功率下降，而且還會導致混合氣體燃燒不正常。由此可見，不進行冷卻，內燃機就不能正常工作，所以冷

36、卻系統(tǒng)是內燃機正常工作所必需的。但是，過度冷卻也是極其有害的。因為將執(zhí)量散發(fā)到大氣中去，必然消耗一部分燃料所發(fā)出的熱能，這就會降低內燃機的輸出功率。不僅如此，內燃機在過冷的情況下運轉時，可燃混合氣體不能很好地形成和燃燒；機油在低溫時粘度增高，零件運動的摩擦阻力增加。降低零件的使用壽命。因此，冷卻系統(tǒng)的作用就是保持內燃機最適宜工作的溫度范圍。采用水冷卻時，冷卻水溫度應在80-90攝氏度之間；采用空氣冷卻時，鋁氣缸壁的允許溫度為150-180攝氏度，鋁氣缸蓋則為160-200攝氏度。本文主要采用的冷卻方法為水冷卻。6.1 傳統(tǒng)發(fā)動機水冷卻系統(tǒng)的組成水冷卻系統(tǒng)是用水做為介質冷卻內燃機，然后再將熱傳給

37、空氣。這種冷卻方法的優(yōu)點是：冷卻比較均勻。目前用得最為廣泛的水冷卻采用的是強制循環(huán)式的水冷卻。它主要是由以下幾個部件組成的：.散熱器 散熱器的功用是將水的熱量散發(fā)給外界大氣，因此必須有足夠的散熱面積，并用導熱性好的材料制造。.風扇 風扇通常裝在散熱器后面。風扇放置時，把散熱器周圍的熱空氣抽走，冷空氣通過散熱器芯部提高了散熱器的散熱能力，使流過芯部的冷卻水很快得到冷卻。.水泵 水泵與風扇安裝在同一根軸上，它的功用是迫使冷卻水在冷卻系統(tǒng)內作循環(huán)流動。目前在內燃機上應用最廣泛的是離心式水泵，因為它具有結構簡單、尺寸小、排量大、工作可靠。當水泵因故障而停止工作時，其結構不妨礙水在冷卻系統(tǒng)內的自然循環(huán)等

38、優(yōu)點。.冷卻強度的調整裝置在強制循環(huán)式水冷卻系統(tǒng)中，可用節(jié)溫器來改變流過散熱器的冷卻水的循環(huán)量，以自動調節(jié)冷卻強度。一般節(jié)溫器安裝在氣缸蓋出水口處。6.2 冷卻系統(tǒng)的設計考慮到結構的緊湊性，我們只在主軸上、活塞內孔以及在氣缸端蓋上留出水道，而沒有在裝配圖上繪制出強制循環(huán)式水冷卻所必需的水泵、散熱器以及風扇。1. 氣缸端蓋的冷卻冷卻水的走向見圖23所示(氣缸端蓋實體按逆時針旋轉90度后所形成的圖形)。圖23由上圖我們可知,冷卻水從端蓋的上方進入，流經整個氣缸端蓋內腔后從端蓋下方流出。這樣可以很好地對氣缸端蓋及扇形活塞壁進行冷卻。2.扇形活塞內部的冷卻主軸及扇形活塞內部冷卻水的流向如圖24所示圖24由上圖,我們可以清楚地看到,冷卻水經主軸左端水道流入,流經扇形活塞內腔后又進入主軸水道,流向另一扇形活塞內腔。最后從主軸右