最新的活塞往复运动与曲轴旋转运动的转换技术

活塞往复运动与曲轴圆周运动的转换效率的提高

本技术是很大幅度提高如发动机、活塞泵等从活塞往复运动转换到曲轴的圆周运动的应用中效率的方法，即是在相同的活塞吸收动力做功行程中，用减慢活塞相对于曲轴的运动速度（即是如发动机曲轴转动至某角度时，活塞运动速度减慢而得到更大的燃气压力推动）以及加大曲轴的吸收动力（是在活塞往的做功行程中曲轴以大于甚至很大程度地大于180。的角度吸收动力，回程时则以小于180度返回）。

在如图中，D是曲轴，L是连接曲轴与活塞的连杆，G是加长在活塞端的活塞杆，6是活塞或活塞杆G与连杆L的连接轴，1是发动机活塞处于最大压缩时的状态，2是发动机活塞处于做功结束最大体积时的状态，5是双缸对合用同一动力源中的如喷油、进排气等装置，3是发动机活塞处于最大压缩时活塞与连杆的连接轴6所处位置，2是发动机活塞处于做功结束最大体积时活塞与连杆的连接轴6所处位置，O是曲轴的轴心，H是活塞与连杆的连接轴6在活塞往复运动的两端时的位置连线到----曲轴心O的距离，N是用来控制活塞与连杆的连接轴6运动轨迹的连杆这里称为轨迹杆，其一端可转动连接在6上，另一端也是可转动连接在固定的或活动的装置上，O1是轨迹杆N的这另一端连接在固定不动体上，O2是轨迹杆N的这另一端连接在与曲轴同步转动(即是曲轴旋转一周其也旋转一周)转动装置上，O3是轨迹杆N的这另一端连接在与曲轴同步转动(即是曲轴旋转一周其也往复移动一周)的往复运动装置上，A1、A2是活塞在往复运动做功行程和回程中曲轴各自的分别转动角度。

在右图的1-1中可以看出，活塞在1位置时，

连杆L和曲轴D是处于收缩重叠状态，如在发动

机应时，从1处开始接受压缩气体的燃烧做功向2

处移动时，活塞1和活塞杆G受力推动连接轴6，

连接轴6是通过连杆L以牵拉的方式牵拉曲轴D,

使曲轴D作圆周旋转，得到活塞直线运动向曲轴

圆周运动的转换。在传统的发动机中连杆L是活

塞通过连杆推动曲轴的方式转换做功的，而这里

是活塞加入较长的活塞杆G后，通过连杆牵拉曲

轴的方式转换做功。

发动机活塞在接受点火做功时，一般是活塞

处在1的最小压缩体积状态附近行程中形成最大

的压力推动活塞做功，随着活塞的继续移动，体

积不断增大，燃油燃烧形成的最大压力也逐步降

低，在移动到最大内腔体积的2处附近时排放压

力气体而结束做功。

在以下实例中，为容易和简单地理解，是假

设发动机点火做功时，处在最小压缩体积1处为

最大压力，即此时压力为100%，压缩体积为活塞

从1到2所占体积的10%;活塞做功从1处移动到

2的位置时所占体积为100%P，则有活塞在2处的

腔内体积为(10+100)%，此时的压力较小,假设为

0，这里只计算做功压力与体积的关系，而不考虑其他因素即是只考虑能量的体积×压力的恒定。则有压力P×体积V= （最小体积最大压力时）100%P×10%=某处压力×某处体积(移动增加的体积+10%)。那么活塞做功后移动到某处时还受到的压力=（100%P×10%）÷（移动到某处增加体积的百分比+10%）。

下表是曲轴旋转半径为D=20，是图1-1是连接轴6随着活塞的推动在活塞缸轴心线上从开始做功的3处移动到终点4，不同的连杆长度以及H的不同距离，得到的一些活塞与曲轴的往复运动与圆周运动转换关系的一些参数:

表1：

在表中，中间的数值是曲轴转动至某一角度时，活塞从1移动向2处的移动百分比量(是移动量÷从1到2的总行程距离)，如第四行的1.13是曲轴接受连杆牵拉做功转动到15度时，其活塞所移动量÷1至2的距离的百分比数。

从表中可以看出，倒数第1和第3行是我们现在使用中的发动机连杆以推动的方式做功，对应每一个角度中，其数值都比在上面拉做功行中的数值大较多，也就是活塞相对于曲轴运动得较快，以下以体积与压力相对之间的变化关系计算得出曲轴转动到某角度时，活塞得到的压力百分比即是某处的压力相对于在1处最大压力的百分比:(中间以及右下的数值单位为%P)

轴做功输出中，连杆长度为20，曲轴半径为20，当曲轴从开始接受做功转动到30度时，此时活塞还得到的燃气压力为活塞开始接受做功1处时的74.91%。

在L=20、H=0、推的行，以及L=30、H=0、推的行中，是传统发动机不同连杆长度在各个曲轴转角时，活塞所得到燃气压力百分比数值，可以看出，L=30的行比L=20的行压力百分比数值大，也就是在传统连杆推动曲轴式发动机中，连杆的短度越长，活塞的运动相对于曲轴越快，活塞在移动过程中受燃气压力的衰减越快，曲轴得到的力也越小，所以传统连杆推动曲轴式发动机减短连杆长度时会降低动力输出效率。在标注有拉的行中，在H值相同时，L值即是连杆长度越短，其压力百分比数值越大，曲轴得到的动力效率越高，这有利于整机体积的减少。

在相同的L连杆长度中，可以看出，拉的行与推的行相比，即是其他参数相同时连杆牵拉曲轴做功比传统的连杆推动曲轴做功压力百分比大较多，曲轴从15至90度中，压力都大有百分之十几至二十几，说明可以较大地提高动力的输出效率。

下表是图1中的1-5，是双活塞缸用相同的一个动力源做功，假设双活塞缸中的活塞在

最小压缩体积也是等于一个活塞从1处移动到终点2的体积的10%即是最小体积和上面单缸一样，那么有: （最小体积最大压力时）100%P×10%=某处压力×[(某处体积移动增加的体积)×2+10%],---即有:活塞移动至某处时的压力=(100%P×10%)÷[(某处体积移动增加的体积)×2+10%]。以此计算得到以下曲轴转动至某角度时的压力表:

力，曲轴在15至90度接受动力中，其活塞所得到的压力比表2中单缸输出得到的压力要大几个百分比，在后段虽然少2—3个百分点，但前段的压力大也是影响动力输出最大的段，所以在连杆牵拉曲轴做功输出的应用中，采用双缸以双动力输出时，其输出的动力要比传统连杆推动曲轴做功大一倍以上，即连杆牵拉曲轴做功输出的效率可以比传统的连杆推动曲轴式的效率提高一倍以上。

在L=30的双缸双曲轴动力输出中，其压力百分比略小一些，在与传统连杆推动曲轴做功式单缸动力输出的相比中，前段相差小零点几个百分点，中段小2至3个百分点，后段小四点几个百分点。即是在总体上连杆牵拉曲轴做功式也比传统连杆推动曲轴做功式效率多接近一倍。所以在设计时，取连杆的长度小一些，有利于提高效率。

在双缸中推的行中，是传统连杆推动曲轴做功双缸输出，可以看出，其压力百分比较小，如曲轴转动到60度时，其压力只有初始压力的12.52和13.74，也就是其体积增加过快，造成压力降低过快，也会造成燃气的燃烧不充分，这是为什么传统连杆推动曲轴做功式不能采用双缸输出的最在原因。而连杆牵拉曲轴做功双缸双曲轴输出中，在连杆不长时，双缸活塞移动形成的体积增大速度比连杆推动曲轴单缸输出的体积增大速度不要小，在得出大于双倍动力输出的同时，前段较慢的体积增大速度更有利于燃气的更完全燃烧，也有利于效率的增加和减少污染的排放。

从表1中可以看出，当在活塞做功的开始1和终点2时，活塞或活塞杆与连杆的连接轴6在这两个位置的连线相对于曲轴轴心有距离H时，曲轴的转动角度在活塞的做功行程和回程所占角度不同，如在表1第二、三行中L=20、H=5中，在第二行的做功行中，A1等于200.4度，即是如图1-1中的活塞从1开始做功移动到终点2时，曲轴接受连杆牵拉转动的角度为200.4度，当活塞从终点2回程移动到1的位置时，（即曲轴通过连杆L牵拉连接轴6和活塞、活塞杆，使活塞回到开始做功的1位置）），这过程中曲轴的转动角度只有159.6度。也就是产生H值后，曲轴的转动角度分别在活塞做功行程和回程的角度不同，利用角度大的一侧作为曲轴接受连杆做功输出，可以使曲轴增加接受力的行程距离而增加效率。即是:如图1的1-1中如果连接轴6在活塞在1至2间往复运动，当H=0时，连接轴6运动在3至4处的连线经过曲轴的轴心，此时，曲轴的转动角度在活塞的做功行程和回程所占角度都是180度；如果连接轴6运动在3至4处的位置连线即H值不等于0，曲轴的转动角度分别在活塞的做功行程和回程所占角度就不是180度，从而是两侧不相同的角度，H值的变化、H如图1-2中角度的变化、L连杆长度的变化、连接轴6以不同的线性变化等很多因素，都使曲轴的转动角度分别在活塞的做功行程和回程所占角度发生较大变化。

产生H后，曲轴的转动角度分别在活塞的做功行程和回程所占角度发生变化的同时，