一种双曲轴自平衡的内燃机及其驱动单元

摘要

本发明提供了一种双曲轴自平衡的内燃机及其驱动单元，属于内燃机设备技术领域。它有效解决了现有技术中大质量活塞带动大质量曲轴所带来的震动问题。本内燃机包括驱动单元，本驱动单元包括一对相同的汽缸和一对相同的曲轴，一根曲轴分别和一个汽缸的的位置相对应，汽缸内具有活塞，曲轴上具有轴颈，两根曲轴轴线平行且并排设置，两根曲轴之间设有能使两者保持相同转速相向转动且能够为两者传递径向力的联动机构一，所述轴颈和对应的活塞之间设有能够将后者的直线运动传化为前者的周向转动的传动机构，两根曲轴上的轴颈呈对称分布。本发明有效解决了大型内燃机中单根曲轴在工作中容易震动的问题，而且承载能力更好。

说明书

技术领域

本发明属于内燃机设备技术领域，涉及一种内燃机，特别是 一种双曲轴自平衡的内燃机。

背景技术

通常所说的内燃机是指活塞式内燃机，活塞式内燃机以往复 活塞式最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其汽缸内 燃烧，释放出的热能使汽缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推 动活塞作功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱 动从动机械工作。

内燃机一般包括壳体，壳体内设有曲轴和活塞，活塞放置在 燃烧室中，曲轴通过连杆和活塞相连接，当活塞在化学能的驱动 下做往复式运动时，活塞通过连杆带动曲轴转动，曲轴转动后通 过传动机构带动输出轴转动。

一般内燃机如专利（CN85108944）所公开的多汽缸内燃机， 在曲轴箱上以一行或者多行放置且在其上固定的汽缸盖，汽缸盖 与内燃机纵向加工面垂直，并且相互紧靠，每行的单块汽缸盖用 至少一只锚定螺栓夹紧，所说的锚定螺栓以内燃机纵向通过或者 渗贯穿通过汽缸盖。这些内燃机都是只有一根曲轴的。

一些轮船、电厂等设备中都具有内燃机，但这些内燃机都是 大型的，曲轴单个零件大到几十吨至几百吨，活塞也大至几十吨 至几百吨。这些大型的内燃机由于零件的重量非常大，在工作的 时候转动速率非常低，单根的曲轴在被活塞带动的时候震动很大， 导致内燃机输出不稳定，使用寿命低。同时，内燃机的曲轴由于 非常巨大，整一根制造非常困难。

发明内容

本发明针对现有的技术存在的上述问题，提供一种双曲轴自 平衡的内燃机及其驱动单元，本发明所要解决的技术问题是：如 何平衡大质量活塞带动大质量曲轴所带来的震动问题。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种双曲轴自平衡的内燃机的驱动单元，其特征在于，本驱 动单元包括汽缸和一对曲轴，一根曲轴分别和一个汽缸的的位置 相对应，汽缸内具有活塞，曲轴上具有轴颈，两根曲轴轴线平行 且并排设置，两根曲轴之间设有能使两者保持同步相向转动且能 够为两者传递径向力的联动机构一，所述轴颈和对应的活塞之间 设有能够使活塞驱动所述曲轴周向转动的传动机构，两根曲轴上 的轴颈呈对称分布。

其原理如下：每个驱动单元的汽缸和曲轴都是成对，每根曲 轴或活塞都是几百吨以上的，两根曲轴通过联动机构一进行同步 化，由于两根曲轴并排平行设置，两个轴颈呈对称分布，且两根 曲轴又是以相同的转速相向转动，再通过联动机构一传递两者的 径向力，使得两根曲轴在工作的时候沿径向始终保持受力平衡， 从而解决了大型内燃机中单根曲轴在工作中容易震动的问题。同 时，两根曲轴比单根曲轴的承载能力更好。

在上述的一种双曲轴自平衡的内燃机的驱动单元中，作为第 一种方案，所述传动机构包括传动连杆，所述传动连杆的上端部 和所述活塞相铰接，所述传动连杆的下端部和所述曲轴上的轴颈 相铰接。传动连杆的方式结构比较简单，经久耐用，传动连杆的 上下两端都是铰接方式的，其和曲轴及活塞的配合方式非常灵活。

在上述的一种双曲轴自平衡的内燃机的驱动单元中，作为另 一种方案，所述传动机构包括活塞杆、滑框和滑块，所述活塞杆 的上端和所述活塞固连，所述活塞杆的下端和所述滑框固连，所 述滑框内开设有沿曲轴径向的滑槽，所述滑块滑动连接在所述滑 槽内，所述滑块和所述轴颈径向固定且周向转动连接。活塞杆的 上端可以跟活塞固连而不用铰接，使得两者的稳定性更好，使得 活塞杆和活塞的运动能够直上直下，避免了活塞受到倾斜的作用 力而抖动的问题，由于活塞杆的下端和滑框固连，两者的稳定性 也非常好，由于滑框内设有滑槽和滑块，使得滑块在曲轴的轴颈 转动的时候可以沿滑槽移动，从而为活塞杆的上端部和活塞固连 提供条件，本方案的优点在于活塞杆的上端和下端的连接的稳定 性非常好，滑块沿滑槽移动的稳定性也很好。

在上述的一种双曲轴自平衡的内燃机的驱动单元中，所述滑 块中部开设有口径和所述轴颈直径相配合的安装孔，所述轴颈插 接在所述安装孔内。当曲轴转动时，轴颈会带动滑块同步移动， 同时，轴颈和安装孔的内壁会产生转动，采用插接的方式使得轴 颈和滑块的受力关系更加稳定，不会产生冲击力。

在上述的一种双曲轴自平衡的内燃机的驱动单元中，每个汽 缸具有一个活塞，每个曲轴具有一个轴颈。其好处是曲轴质量太 大，分段后，一个汽缸对应一根下端曲轴，单个曲轴的外形和重 量都变小，容易加工，将传动的一根曲轴对应多缸体改成现在的 一根曲轴对应单缸体，多对单缸体驱动单元组合形成发动机阵列， 使得内燃机的功率大大提高。

在上述的一种双曲轴自平衡的内燃机的驱动单元中，所述活 塞杆的下端部固连在所述滑框的上端面上，所述活塞杆和滑框的 上端面之间设有一对加强筋，两个加强筋沿滑槽的长度方向分布， 所述加强筋分别设置在活塞杆的两侧，所述加强筋的两端分别固 连在所述活塞杆的侧部和滑框的上端面上。由于活塞杆和滑框之 间的受力比较大且沿曲轴的径向方向，增加该朝向的加强筋后能 够提高两者的连接强度，加强筋的作用是分担沿滑槽长度方向的 分力。

在上述的一种双曲轴自平衡的内燃机的驱动单元中，所述活 塞杆、活塞和所述滑框均连为一体，三者为一体式结构，所述滑 框为两个，每个滑框对应一根曲轴，两个滑框并列设置且固连为 一体。由于活塞杆的上下两端都是固连的而不是铰接的，所以三 者可以做成一体式结构，采用机械加工或铸造的方式成型，进一 步提高三者的强度，两个滑框固连为一体能够进一步保证两根活 塞杆动作的同步，辅助平衡两根曲轴的径向力。

在上述的一种双曲轴自平衡的内燃机的驱动单元中，作为第 一种方案，所述联动机构一包括分别设置在两根曲轴侧面上的齿 部一和齿部二，所述齿部一和齿部二均沿对应的曲轴的周向均匀 分布，所述齿部一和齿部二与对应的曲轴为一体式结构，所述齿 部一和齿部二相啮合。直接在曲轴上制造齿部，使齿部和曲轴连 为一体，使得齿部和曲轴的牢固性很好，曲轴通过齿部进行啮合 保证同步运动和传递径向力，传动比更加精准，承受载荷能力更 好。

在上述的一种双曲轴自平衡的内燃机的驱动单元中，作为另 一种方案，所述联动机构一包括齿轮一和齿轮二，所述齿轮一和 齿轮二分别和一根曲轴同轴固定，所述齿轮一和齿轮二直接啮合 或通过中间齿轮进行间接啮合。采用独立的齿轮组件进行传动的 话，更加方便，单个齿轮损坏的话可以针对性的更换，能够更好 的保护曲轴本身，维修成本低。

根据上述双曲轴自平衡的内燃机的驱动单元所设计的：

一种双曲轴自平衡的内燃机，本内燃机包括机壳，其特征在 于，所述机壳内设有若干驱动单元，所有驱动单元的曲轴的轴线 均相互平行，各驱动单元并排分布，相邻两个驱动单元的曲轴之 间设有能使两者保持相同转速的联动机构二，各驱动单元中对应 的曲轴转角依次错开形成相同的相位差。

其原理如下：本内燃机的联动机构二可以是行星齿轮的组合， 也可以是简单的若干根连杆组合。每个驱动单元由于包含一对相 向运动的曲轴，因此不同的驱动单元中转向相同的曲轴就是对应 的曲轴，各驱动单元对应的曲轴的相位差是现有技术，目的是为 了使曲轴连续收到汽缸的驱动，使输出的转矩持续和平稳。各驱 动单元通过联动机构二进行联动，使得各独立的驱动单元能够连 为一个驱动阵列，实现转矩的持续输出，使得内燃机的功率大大 提高，同时使得曲轴的制造更加方便。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、本驱动单元的两根曲轴又是以相同的转速相向转动，再通 过联动机构一传递两者的径向力，使得两根曲轴在工作的时候沿 径向始终保持受力平衡，从而解决了大型内燃机中单根曲轴在工 作中容易震动的问题。同时，两根曲轴比单根曲轴的承载能力更 好。

2、本内燃机通过多个单缸体驱动单元组合形成发动机阵列， 使得内燃机的功率大大提高，同时使得曲轴的制造更加方便。

附图说明

图1是实施例一中的内燃机局部的立体示意图。

图2是实施例一中的内燃机局部的俯视示意图。

图3是实施例一中的内燃机局部的侧视示意图。

图4是图2中的A-A的剖视图。

图5是实施例一中去除机壳后的内燃机局部的立体示意图。

图6是实施例一中去除机壳后的内燃机局部的俯视示意图。

图7是图6中B-B的剖视图。

图8是实施例二中的内燃机局部的立体示意图。

图9是实施例二中的内燃机局部的侧视示意图。

图10是图9中的C-C的剖视图。

图11是实施例二中的内燃机局部的俯视示意图。

图12是图11中的D-D剖视图。

图13是实施例二中去除机壳后的内燃机局部的立体示意图。

图14是实施例二中去除机壳后的内燃机局部的侧视示意图。

图15是实施例二中去除机壳后的内燃机局部的侧视示意图。

图16是图15中的E-E剖视图。

图17是两根曲轴啮合的局部结构示意图。

图18是实施例二中的滑块的结构示意图。

图19是实施例二中的滑框的结构立体示意图。

图20是实施例二中的滑框的结构正视示意图。

图21是本驱动单元力学平衡的示意图。

图22是实施例三中的驱动单元的结构示意图。

图23是实施例三中的驱动单元的立体示意图。

图24是实施例四中内燃机的立体示意图。

图25是实施例四中内燃机的正视示意图。

图26是实施例四中的内燃机的侧视示意图。

图27是图26中的F-F处的剖视图。

图28是图25中的G-G处的剖视图。

图29是图26中的H-H处的剖视图。

图30是实施例四中的内燃机中曲轴部分结构示意图。

图中，1驱动单元；2汽缸；3曲轴；4活塞；5轴颈；6联动 机构一；7传动机构；8传动连杆；9活塞杆；10滑框；11滑块； 12安装孔；13加强筋；14齿部一；15齿部二；16联动机构二； 17机壳；18滑槽；19螺杆。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方 案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一：

如图1-图7所示，本双曲轴自平衡的内燃机包括机壳17，机 壳17内设有若干驱动单元1，作为优选方案，本驱动单元1包括 一对相同的汽缸2和一对相同的曲轴3，每个汽缸2具有一个活 塞4，每个曲轴3具有一个轴颈5。其好处是曲轴3质量太大，分 段后，一个汽缸2对应一根下端曲轴3，单个曲轴3的外形和重 量都变小，容易加工，将传动的一根曲轴3对应多缸体改成现在 的一根曲轴3对应单缸体，多对单缸体驱动单元1组合形成发动 机阵列，使得内燃机的功率大大提高。一根曲轴3分别和一个汽 缸2的的位置相对应，汽缸2内具有活塞4，曲轴3上具有轴颈5， 两根曲轴3轴线平行且并排设置，两根曲轴3之间设有能使两者 保持相同转速相向转动且能够为两者传递径向力的联动机构一 6。

本实施例中，作为第一种方案，联动机构一6包括分别设置 在两根曲轴3侧面上的齿部一14和齿部二15，齿部一14和齿部 二15均沿对应的曲轴3的周向均匀分布，齿部一14和齿部二15 与对应的曲轴3为一体式结构，齿部一14和齿部二15相啮合。 直接在曲轴3上制造齿部，使齿部和曲轴3连为一体，使得齿部 和曲轴3的牢固性很好，曲轴3通过齿部进行啮合保证同步运动 和传递径向力，传动比更加精准，承受载荷能力更好。

作为另一种方案，联动机构一6包括齿轮一和齿轮二，齿轮 一和齿轮二分别和一根曲轴3同轴固定，齿轮一和齿轮二直接啮 合或通过中间齿轮进行间接啮合。采用独立的齿轮组件进行传动 的话，更加方便，单个齿轮损坏的话可以针对性的更换，能够更 好的保护曲轴3本身，维修成本低。

轴颈5和对应的活塞4之间设有能够将后者的直线运动传化 为前者的周向转动的传动机构7，两根曲轴3上的轴颈5呈对称 分布。所有驱动单元1的曲轴3的轴线均相互平行，各驱动单元 1并排分布，相邻两个驱动单元1的曲轴3之间设有能使两者保 持相同转速的联动机构二16，各驱动单元1中对应的曲轴3转角 依次错开形成相同的相位差。本内燃机的联动机构二16可以是行 星齿轮的组合，也可以是简单的若干根连杆组合。

本实施例中，传动机构7包括传动连杆8，传动连杆8的上 端部和活塞4相铰接，传动连杆8的下端部和曲轴3上的轴颈5 相铰接。传动连杆8的方式结构比较简单，经久耐用，传动连杆 8的上下两端都是铰接方式的，其和曲轴3及活塞4的配合方式 非常灵活。

每个驱动单元1由于包含一对相向运动的曲轴3，因此不同 的驱动单元1中转向相同的曲轴3就是对应的曲轴3，各驱动单 元1对应的曲轴3的相位差是现有技术，目的是为了使曲轴3连 续收到汽缸2的驱动，使输出的转矩持续和平稳。各驱动单元1 通过联动机构二16进行联动，使得各独立的驱动单元1能够连为 一个驱动阵列，实现转矩的持续输出，使得内燃机的功率大大提 高，同时使得曲轴3的制造更加方便。每个驱动单元1的汽缸2 和曲轴3都是成对，每根曲轴3或活塞4都是几百吨以上的，两 根曲轴3通过联动机构一6进行同步化，由于两根曲轴3并排平 行设置，两个轴颈5呈对称分布，且两根曲轴3又是以相同的转 速相向转动，再通过联动机构一6传递两者的径向力，使得两根 曲轴3在工作的时候沿径向始终保持受力平衡，从而解决了大型 内燃机中单根曲轴3在工作中容易震动的问题。同时，两根曲轴 3比单根曲轴3的承载能力更好。

本发明相关的运动原理和平衡原理可按照下列方式计算：

如图21所示，曲轴3、传动机构7和活塞4的运动中。活塞 作周期性往复运动时的位移x、速度v和加速度a可用下述各式 近似求算：

$\left(\begin{array}{c}x=r[(1-\cos \alpha )+\frac{\lambda }{4}(1-\cos 2\alpha )]\\ v=\mathrm{r\omega }(\sin \alpha +\frac{\lambda }{2}\sin 2\alpha )\\ a=r{\omega }^2(\cos \alpha +\lambda \cos 2\alpha )\end{array}\right)$

公式中α为曲轴3转角；ω为曲轴3旋转角速度；r为相 当于曲柄的轴颈5半径；α为轴颈5中心与曲轴3中心的连线与 汽缸2轴线形成的夹角，β为传动连杆8与汽缸2轴线形成的夹 角，λ为r与传动连杆l之比，即λ=r/l;

轴颈5作回转运动，传动连杆8作复杂的平面运动。传动连 杆8的运动往往被简化分解为随活塞组的往复运动和随同轴颈5 的旋转运动。作用在轴颈5连接机构上的力有轴颈5运动时产生 的往复惯性力F_j和离心惯性力F_r，以及内燃机汽缸内的气体压力。

$F_j=-m_j·a=-{m·}_{j}r{\omega }^2(\cos \alpha +\lambda \cos 2\alpha )$

$=-m_{j}r{\omega }^2\cos \alpha -m_{j}r{\omega }^2\lambda \cos 2\alpha$

$=F_{\mathrm{jI}}+F_{\mathrm{jII}}$

公式中m_j为传动连杆8作往复运动的部件的质量，往复惯性 力是由若干简谐力组成的，但在工程计算中取一级往复惯性力， 即F_jⅠ与F_jⅡ二级往复惯性力之和；离心惯性力用F_r表示:F_r=m_rrω, 式中m_r为轴颈5及连接机构作旋转运动的不平衡质量，往复惯 性力F_j＝F_jI+F_jII、离心惯性力F_r和反转矩Μ′，这些力和力矩周期 性地变化并作用在机架上，激起振动，影响结构的可靠性和机器 的经济性。

在气体压力F_G向下推动活塞4的过程中，气体压力经活塞销 和上述传动机构传递到曲轴上，作用在传动机构上的力F为传递 往复惯性力F_j和气体压力F_G的合力，即F=F_j+F_G，传递给活塞销 分解为垂直于汽缸壁的侧压力F_N=Ftanβ和沿着传动机构轴线的 力F_t=F/cosβ。F_t传递到曲轴，分解为沿着曲轴方向的径向力 Z=Fcos(α+β)/cosβ和轴颈5的切向力T=Fsin(α+β)/cosβ。 切向力相对于曲轴轴线构成内燃机的输出力矩，F_t传到曲颈,分解 为沿汽缸轴线方向的力Z′=Z和垂直于汽缸轴线的力F_N′=-F_N,F_N′与F_N大小相等、方向相反，它构成内燃机输出力矩的反转矩。本 内燃机通过设置多个相同的汽缸2和多个相同的曲轴3联动，各 曲轴之间通过齿轮啮合或若干根连杆组合，作用在曲轴上的径向 力大小相等，方向相反，使传给机架的力和力矩在内部抵消，大 大减小了曲轴径向力对机架的冲击，形成平衡的内燃机。

本实施例中，曲轴的直径为180mm，轴颈的直径为80mm，活 塞直径为125mm，但在实际使用中可根据具体情况设计，本实施 例的尺寸仅供参考。

实施例二：

本实施例大致内容和实施例一相同，所不同之处在于，本实 施例中，作为另一种方案，传动机构7包括活塞杆9、滑框10和 滑块11，滑块11中部开设有口径和轴颈5直径相配合的安装孔 12，轴颈5插接在安装孔12内。当曲轴3转动时，轴颈5会带动 滑块11同步移动，同时，轴颈5和安装孔12的内壁会产生转动， 采用插接的方式使得轴颈5和滑块11的受力关系更加稳定，不会 产生冲击力。

活塞杆9的上端和活塞4固连，活塞杆9的下端和滑框10 固连，滑框10内开设有沿曲轴3径向的滑槽18，滑块11滑动连 接在滑槽18内，滑块11和轴颈5径向固定且周向转动连接。活 塞杆9的上端可以跟活塞4固连而不用铰接，使得两者的稳定性 更好，由于活塞杆9的下端和滑框10固连，两者的稳定性也非常 好，由于滑框10内设有滑槽18和滑块11，使得滑块11在曲轴3 的轴颈5转动的时候可以沿滑槽18移动，从而为活塞杆9的上端 部和活塞4固连提供条件，本方案的优点在于活塞杆9的上端和 下端的连接的稳定性非常好，滑块11沿滑槽18移动的稳定性也 很好。活塞杆9的下端部固连在滑框10的上端面上，活塞杆9 和滑框10的上端面之间设有一对加强筋13，两个加强筋13沿滑 槽18的长度方向分布，加强筋13分别设置在活塞杆9的两侧， 加强筋13的两端分别固连在活塞杆9的侧部和滑框10的上端面 上。由于活塞杆9和滑框10之间的受力比较大且沿曲轴3的径向 方向，增加该朝向的加强筋13后能够提高两者的连接强度，加强 筋13的作用是分担沿滑槽18长度方向的分力。

作为优选方案，活塞杆9、活塞4和滑框10均连为一体，三 者为一体式结构，滑框10为两个，每个滑框10对应一根曲轴3， 两个滑框10并列设置且固连为一体。由于活塞杆9的上下两端都 是固连的而不是铰接的，所以三者可以做成一体式结构，采用机 械加工或铸造的方式成型，进一步提高三者的强度，两个滑框10 固连为一体能够进一步保证两根活塞杆9动作的同步，辅助平衡 两根曲轴3的径向力。

本实施例中，曲轴的质量为35公斤。

实施例三：

如图22所示，本实施例大致内容和实施例二相同，所不同之 处在于，本实施例中，作为另一种方案，每根曲轴3对应两个汽 缸2，使用时，曲轴3和汽缸2都是轴线沿水平方向平放的，两 个汽缸2分别位于曲轴3的两端且呈对称分布，每个汽缸2的活 塞4都固连有一根活塞杆9，一根曲轴3对应的两根活塞杆9分 别固连在滑框10的前后两端，该两根活塞杆9位于同一轴线上。 本实施例中，活塞行程93mm，曲轴3的重量为55公斤。本实施 例的优点在于，由于一根曲轴的前后两端均设有一个汽缸2，活 塞杆9对滑框10两端都有作用力，使得本驱动单元可以水平放置， 从而增加了本驱动单元的使用场合。

实施例四：

如图23-30所示，本实施例大致内容和实施例一相同，所不 同之处在于，本实施例中，作为另一种方案，本实施例中的内燃 机应用于轮船上，其曲轴3每根80吨，活塞行程3.7米，曲轴3 上的轴颈5直径1.3米。

本实施例中的一根曲轴3的内端固连有齿轮一14，另一个曲 轴3的内端固连有齿轮二15，齿轮一14和齿轮二15相啮合，两 根曲轴3的前端都固连有螺杆19，两根螺杆19相向转动形成向 外排水的动力，将内部的水排挤至该螺杆19的外端。本实施例中， 活塞4连接有一根活塞杆9，传动连杆8的下端和曲轴3的轴颈5 相铰接，传动连杆8的上端和活塞杆9的下端相铰接，该活塞杆 9的上端和活塞4固连且为一体式结构。

本实施例的好处在于：能够使用在轮船等这种大功能的内燃 机的场合。两个驱动单元1按照轴线平行安装在一起，形成曲轴 自平衡。两个驱动单元1通过螺栓进行固定连接。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说 明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例 做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离 本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。