基于气缸圆周排列的波轮直轴多缸汽油发动机研究

何昌德 陆友玲

摘  要：波轮直轴高效汽油发动机是一种气缸孔在圆柱形气缸体上圆周分布，用波轮代替曲轴，波轮旋转一周完成一个作功周期，可实行4缸、6缸、8缸、10缸、12缸及以上等多缸设计，文章针对排量为2.0升的波轮直轴四冲程12缸发动机进行结构设计分析和性能指标研究，为在船舶、摩托艇、空压机、无人机、坦克、汽车等产品上的使用提供科学依据。

关键词：气缸圆周排列;波轮;直轴;高效

中图分类号：U472 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）29-0114-02

Abstract： The wave-wheel straight-axis high-efficiency gasoline engine is a kind of cylinder hole distributed on the circumference of the cylinder body and the crankshaft is replaced by wave wheel. When the wave wheel rotates once， a work cycle is completed， so as to be able to implement the design of multi-cylinder engines with 4， 6， 8， and 10 cylinders， 12 cylinders and above. In this paper， the structural design analysis and performance index research are carried out for the 2.0-liter wave-wheel four-stroke 12-cylinder engine， thus providing scientific basis for its application in ships， motorboats， air compressors， UAVs， tanks， automobiles and other products.

Keywords： cylinder circumferential array; wheel-wave; straight axis; high efficiency

四冲程汽油发动机的发展已有上百年的历史，曲轴旋转两周经过进气、压缩、燃烧、排气四个冲程来完成作功一次已成为发动机的基本原理。现代的车用发动机大部分都是二缸、三缸或四缸，气缸孔在气缸体上都是直线排列。对于制造排量在3.0L以上的发动机，由于受到车辆发动机仓空间体积影响，一般采用V6、V8、V10等V型气缸体，但气缸孔在气缸体上也是单边直线排列，而且制造复杂，精度高，造价昂贵，目前市场上很少出现六缸、八缸及十缸以上的直列式多缸发动机。

波轮直轴四冲程发动机是用波轮代替传统发动机曲轴，圆柱形气缸体代替传统的直列式气缸体，在波轮两侧安装二个对称的圆柱形气缸体，在每个圆柱形气缸体上圆周均匀布置气缸孔，把气缸体和波轮安装在一根直轴上，用安装在直轴上的气门控制盘直接带动且实时打开进排气门的开启和关闭，以代替传统发动机利用曲轴带动凸轮轴的正时机构来实行气门的开启和关闭，减少了飞轮、凸轮轴、正时皮带、正时带轮等正时机构传动零件，降低了零件摩擦损耗和整机重量。所以波轮直轴发动机很适合实行多缸对称布置，也适合实行多缸小直径来代替大直径的气缸。

1 波轮直轴四冲程汽油发动机结构设计分析

1.1 波轮连杆机构

用一根直轴把1个波轮、2个气缸体、2个气缸盖、2个气门控制盘及磁电机、水泵等零部件连接起来，波轮两侧安装二个圆柱型气缸体，每个气缸体设置六个气缸孔，波轮上的环形轨道为对称设置的两段凸起轨道和与两段下凹轨道，六根连杆利用上下二个滚子在波轮轨道上滚动，每个连杆的二端分别连接有一个活塞组件（活塞、活塞环、活塞销、卡簧），活塞连杆组件的直线往复运动通过波轮的环形轨道驱动波轮转动。由于波轮表面有二个波峰和二个波谷，波轮旋转一周，经过进气、压缩、燃烧、排气四个冲程来完成一个做功周期，打破了传统发动机需曲轴旋转二周才能完成作功一次的基本原理。

由于波轮的功能集传统发动机曲轴和飞轮的功能为一体，大大减轻了发动机的重量。（见图1）

1.2 配气机构

波轮直轴发动机配气机构的传动部分直接由波轮旋转来带动直轴和安装在直轴上气门控制盘转动，气门控制盘上的进气凸台和排气凸台来驱动液压挺柱运动，并对12缸24个进排气门进行开启和关闭。由于波动直轴集曲轴功能、凸轮轴功能、正时带轮、齿链功能、飞轮功能及减速机功能于一体的性能，发动机的整体结构更加简化，也减小了因配气机构传动摩擦产生的能量损耗，也减轻了发动机的重量和发动机噪声。

2 波轮发动机与传统曲轴式发动机运动机理比较分析（见表1）

3 波轮发动机各项性能指标比较分析（见表2）

4 结束语

直列式气缸体转变为圆柱式气缸体，多个气缸孔圆周排列，波轮转一周完成作功一次，波轮通过一根中空直轴带动气门控制盘、磁电机、水泵等发动机主要零部件转动，去除了曲轴式发动机通过正时皮带传动的配气机构所有零部件，又由于连杆对波轮的作用力矩就是波轮的半径，波轮的旋转力矩提高了2到3倍以上。总之，波轮发动机相对于曲轴式发动机无论在体积、重量、功率、扭矩、油耗等都有了很大的创新，特别适用于多缸大功率大扭矩发动机，突破了四冲程汽油发动机能采用多缸（12缸及以上）大排量的这一历史性难题。

波轮直轴汽油发动机可应用在汽车、无人机、船艇、坦克、摩托车等动力上，也可应用在多缸压缩机以及水泵等农用动力上，使用十分广泛，意义十分重大。

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