CN101529065A - 改进的对置活塞燃烧发动机 - Google Patents

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Abstract

一种发动机包括：轴(6)，其具有沿轴向被固定到所述轴(6)的第一多舌状凸轮(5a)以及被差动式齿轮连接到所述第一多舌状凸轮(5a)以绕所述轴(6)轴向反向旋转的第二多舌状凸轮(5b)；和一对沿直径对置的活塞(1a，1b)，一对活塞中的活塞通过连接板(4)被刚性地互相连接，其中，所述活塞的往复运动通过所述活塞与所述多舌状凸轮的凸轮表面之间的接触而向所述轴施加旋转运动。

Description

改进的对置活塞燃烧发动机
技术领域
本发明涉及内燃机。具体而言，本发明涉及对本申请人子公司名下的国际申请号为PCT/AU96/00449(国际公开号WO 97/04225)、发明名称为“对置活塞燃烧发动机”的国际申请中所描述的发动机的布局和紧凑性的改进，所述子公司为旋转发动机技术集团有限公司(Revolution EngineTechnologies Pty Ltd.)。WO 97/04225的全部内容通过交叉引用合并于此。
背景技术
诸如用于汽车等的内燃机典型地为往复式内燃机，在该类型内燃机中，在汽缸中往复摇摆的活塞通过连杆来驱动曲柄轴。在这种传统的往复型发动机设计中存在许多缺点，这些缺点大部分源于机械效益的不足，即连杆必须在整个冲程内将动力传递到曲柄轴。
连杆在上止点后(ATDC)约60度处实现其最大机械传递。WO 97/04225中描述的发动机通过将最大机械传递扩展在较大的旋转角度范围中来解决这种机械传递的不足。这导致在大的每分钟转速RPM范围内具有高转矩，从而提供非常平的转矩曲线。
在致力于开发WO 97/04225所描述的发动机以用于航空器的项目中发现，在反向旋转三叶片驱动凸轮设计(三舌)中，凸轮叶片每旋转60度则变为同相(in phase)。该特征使得有可能在发动机的每个模块中具有两组活塞组件，其每一组活塞组件均为反向旋转双三舌组件。
本发明的目的在于通过利用前述段落所提及的特征对WO 97/04225的主题的发动机进行改进。
发明内容
广义而言，本发明提供一种包括至少一个汽缸模块的内燃机，所述汽缸模块包括：
轴，其具有被轴向地固定到所述轴的第一多舌状凸轮，以及被差动式齿轮连接到所述第一多舌状凸轮以绕所述轴进行轴向反向旋转的相邻的第二多舌状凸轮；
与所述多舌状凸轮相关联的两对汽缸，每一对汽缸中的汽缸相对于所述轴被沿直径对置(diametrically opposed)，并且所述多舌状凸轮位于所述汽缸之间；以及
位于每个所述汽缸中的活塞，一对汽缸中的活塞被刚性地互相连接；
其中：每个所述多舌状凸轮包括3+n个叶片，其中n为零或偶整数；并且，所述两对汽缸的轴线彼此之间的角度为由360°除以凸轮上的叶片数目得到的数值的一半，
并且其中，所述活塞在所述汽缸中的往复运动通过所述活塞与所述多舌状凸轮的凸轮表面之间的接触而向所述轴施加旋转运动。
如上可知，典型地在包括反向旋转三舌状凸轮的驱动系统的发动机中发现，凸轮，或者更具体指其叶片，每旋转60度变为同相。这提供一种以如图1所示的60度X形结构来设置汽缸径的方法。如WO 97/04225中描述的那样，发动机的驱动凸轮可具有3、5、7或任意大于3的奇数个凸轮叶片。典型地，随着凸轮叶片的数目增加，5叶片凸轮将提供36度X形结构，而7叶片凸轮将提供25.13度X形结构，等等。
在WO 97/04225中公开，汽缸对被典型地设置为彼此成90度。在本发明主题的改进发动机中，与WO 97/04225的发动机相同的是一对汽缸对中的汽缸被设置为彼此成180度，但是两对汽缸被设置为彼此成60、36或者35.713度等等的X形结构。
与WO 97/04225所述的发动机类似，该改进的发动机可包括多个模块，每个模块由两对汽缸组成。这些模块可被定相位为彼此串列为0度，或者可以具有相差任意角度的相位。在包括两个双三舌状凸轮组件的双模块发动机中，这两个模块典型地被构造为彼此成30度。
通过结合X形结构，活塞典型地通过使用安装在三舌状凸轮(见图2和4)之间的两个偏置连接板而被接合。应该注意到，安装在三舌状凸轮和一个活塞连杆之间的一个板可被用于桥接三舌状凸轮。
在WO 97/04225所述的发动机中，差动齿轮机构被用于提供三舌状凸轮的反向旋转，并且可以以本领域中已知的任意方式将任意方式的差动齿轮机构并入到所述发动机中。在本发明的改进发动机中，使用单独的输出轴。
前述段落涉及的输出轴提供所需的换向齿轮机构，并且三舌状凸轮的比率为1∶3。这提供与传统的往复式内燃机一致的输出轴转速，并且允许使用平衡轴。对于采用包括5叶片驱动凸轮的发动机，希望输出轴的比率为1∶5。然而，任意比率可被使用。
并入输出轴的优点在于，可以不向主凸轮驱动轴或输出轴上施加动力，从而可提供两种速度/转矩范围。
通过将模块中的汽缸对设置为60度的X形结构，活塞组件的往复量的三分之二被相对置的活塞组件抵消。这将参照图2进行阐释。这将平衡活塞组件所需的衡重体值减小到WO 97/04225所述的发动机中所需的衡重体值的三分之一。平衡轴示出在图3中，衡重体示出在图5中。可以注意到，驱动凸轮上的叶片的增加将减小所需的平衡量值。
在WO 97/04225的发动机中，活塞经由杆和导承套筒互相连接。然而，如上所述，改进发动机的活塞对可使用连接板而被接合。当采用连接板时，导承衬套或滑轨被用于控制活塞扭转和控制活塞运动。
前述段落涉及的活塞导承衬套或滑轨优选被安装在连接板上。然而，导承可替换地被安装在活塞、活塞导承板(见下文)、活塞轴承轴上，或者组件中可以控制活塞扭转和运动的任意位置中。典型地可使用两个导承，但是也可以使用四个导承，这些导承相对于活塞被径向地安装以允许扩展和收缩。然而，导承衬套可非径向地被安装。
WO 97/04225的主题的发动机的驱动凸轮被描述为是非对称的。该特征的优点在于，可通过驱动凸轮设计来模拟任意的连杆比率。传统往复型内燃机的典型的连杆比率为1.6∶1。本发明和WO 97/04225主题的发动机的与连杆比率等同的比率可以是可提供增大的换气间隙(breathing)和比传统往复式内燃机优越的性能的任何比率。无穷大/无限大的连杆比率或接近恒定速率的活塞速度可被模拟，从而提供像具有蒸汽驱动活塞的外燃发动机那样的较佳性能。
在广义上描述了本发明之后，现在将参照下文简要描述的附图对改进发动机进行例证。
附图说明
图1为改进发动机的内部部件的主视图。
图2为图1所示组件的相同的视图，其中正面的三舌驱动凸轮被移除。
图3为图1所示组件的相同的视图，其中示出齿轮机构和轴。
图4为图3所示组件的俯视图。
图5为更为详细地示出发动机部件的位置关系的前立体图。
图6为示出平衡轴上的衡重体的后立体图。
具体实施方式
参照图1，示出四汽缸四冲程发动机，其包括两对对置汽缸。与其它附图一样，外部发动机壳体被省略以便能够看到内部部件。活塞组件1a和1b被示出以60度角沿输出轴6分布。活塞组件包括：连接板4，其通过穿过活塞轴承3的销、定位销和螺栓被固定到活塞导承2，作为活塞固定的一部分。还示出两个反向旋转三舌驱动凸轮5a和5b。
当活塞组件1a处于上止点(TDC)和点火循环中时，活塞组件1b的上活塞处于上止点，从而完成排气冲程并开始进气冲程。当驱动凸轮反向地旋转活塞组件1a时，轴承3以剪切状动作使驱动凸轮伸展离开。接着活塞组件1b在进气冲程中向下移动。两个活塞以相同速率并且与输出轴成60度角地向下移动，相对置的活塞组件相反地执行往复量的三分之二。
图2中，可更详细地观察到偏置活塞连接板4。注意到该板中的椭圆形剪切部允许活塞组件往复。
图3示出齿轮10和11a。这些齿轮给出1∶3的比率，从而提供每一个旋转周期具有两个活塞冲程，如同传统内燃机的特征那样。图3还示出用于平衡轴8a和8b的驱动齿轮，以及提供反方向驱动的驱动中间齿轮9。
进一步参照图3，当驱动凸轮5b沿逆时针方向移动，其转动主轴6，并随后驱动齿轮11a。齿轮11a接着沿顺时针方向转动正时齿轮(front gear)10和输出轴7。在活塞组件1a和1b抵消往复量的三分之二的同时，平衡轴8a和8b同样被主轴齿轮11a转动，从而抵消往复量的最后三分之一。
参照图4，其示出位于驱动凸轮5a与5b之间的偏置活塞板4a和4b。还示出后驱动凸轮5a安装在其上的换向轮轴13以及后换向轮轴齿轮11b。后驱动凸轮5a被活塞组件沿顺时针方向驱动。该驱动凸轮被安装在主轴6上的换向轮轴/套筒13上。后驱动凸轮5a转动套筒13，并随后驱动后驱动齿轮11b。
参照图5，活塞导承板2由安装至发动机组本体中的供油导承衬套保持，所述发动机组本体控制由驱动所述驱动凸轮5a和5b的轴承3引起的活塞扭转。
在图6中，可观察到平衡轴8a和8b上的衡重体12。还示出与驱动中间齿轮9和作为换向齿轮机构的一部分的换向轮轴11b相啮合的输出轴和齿轮7。后驱动齿轮沿逆时针方向转动中间驱动齿轮9，中间齿轮9接着沿顺时针方向驱动输出轴7，从而提供所需的换向齿轮机构。
前述实施例仅为本发明原理的示例，本领域技术人员易于进行各种修改和变化。本发明能够以各种方式和其它实施例被实施和执行。还应理解的是，本文所采用的术语是出于描述目的，不应视为是限制。
术语“包括”和该术语的各种变型，例如“包括”或“包括”被用在本文以表示所陈述的完整物体的包含物，但不排除任何其它的完整物体，除非上下文或使用中根据需要对该术语做了排外的解释。
对本申请文件中引用的公开文本的任意参照，并不表示其公开内容构成澳大利亚的公知常识。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1、一种内燃机，包括至少一个汽缸模块，所述汽缸模块包括：
轴，其具有被轴向地固定到所述轴的第一多舌状凸轮，以及被差动式齿轮连接到所述第一多舌状凸轮以绕所述轴进行轴向反向旋转的相邻的第二多舌状凸轮；
与所述多舌状凸轮相关联的两对汽缸，每一对汽缸中的汽缸相对于所述轴被沿直径对置，并且所述多舌状凸轮位于所述汽缸之间；以及
位于每个所述汽缸中的活塞，一对汽缸中的活塞被刚性地互相连接；
其中：每个所述多舌状凸轮包括3+n个叶片，其中n为零或偶整数；并且，所述两对汽缸的轴线彼此之间的角度为由360°除以凸轮上的叶片数目得到的数值的一半，
并且其中，所述活塞在所述汽缸中的往复运动通过所述活塞与所述多舌状凸轮的凸轮表面之间的接触而向所述轴施加旋转运动。
2、如权利要求1所述的发动机，其中所述凸轮的每个叶片是非对称的。
3、如权利要求1所述的发动机，其中每对活塞中的活塞通过连接板被互相连接。
4、如权利要求1所述的发动机，其中所述发动机为四冲程发动机。
5、如权利要求1所述的发动机，包括2至6个汽缸模块。
6、如权利要求5所述的发动机，其中所述模块被定相为彼此串列为0度或者相差任意角度的相位。
7、如权利要求1所述的发动机，其中所述活塞与所述多舌状凸轮的凸轮表面之间的接触经由滚动轴承。
8、如权利要求7所述的发动机，其中所述滚动轴承具有公共轴线。
9、如权利要求7所述的发动机，其中所述滚动轴承的轴线相对于彼此和相对于所述活塞轴线偏移。
10、如权利要求1所述的发动机，其中所述凸轮为三舌状。
11、如权利要求7所述的发动机，其中所述汽缸对的轴线彼此成60度角，从而形成X形结构。
12、如权利要求7所述的发动机，其中所述活塞由安装在多舌状凸轮之间的两个偏置连接板连接。
13、如权利要求1所述的发动机，包括另一输出轴。
14、如权利要求13所述的发动机，其中所述输出轴提供所述多舌状凸轮的反向旋转。
15、如权利要求13所述的发动机，其中当所述凸轮为三舌状时，所述轴提供1∶3比率的换向齿轮机构。
16、如权利要求13所述的发动机，其中当所述凸轮包括5个叶片时，所述轴提供1∶5比率的换向齿轮机构。
17、如权利要求13所述的发动机，其中不向两个轴上施加动力从而提供两种速度/转矩范围。
18、如权利要求1所述的发动机，其中所述发动机进一步包括用于抵消所述活塞的往复量的平衡轴和/或衡重体。
19、如权利要求1所述的发动机，包括用于控制活塞扭转和运动的导承衬套或滑轨。
20、如权利要求19所述的发动机，其中所述导承衬套或滑轨被安装在所述连接板上。

Claims (20)

1、一种内燃机，包括至少一个汽缸模块，所述汽缸模块包括：
轴，其具有被轴向地固定到所述轴的第一多舌状凸轮，以及被差动式齿轮连接到所述第一多舌状凸轮以绕所述轴进行轴向反向旋转的相邻的第二多舌状凸轮；
与所述多舌状凸轮相关联的两对汽缸，每一对汽缸中的汽缸相对于所述轴被沿直径对置，并且所述多舌状凸轮位于所述汽缸之间；以及
位于每个所述汽缸中的活塞，一对汽缸中的活塞被刚性地互相连接；
其中：每个所述多舌状凸轮包括3+n个叶片，其中n为零或偶整数；并且，所述两对汽缸的轴线彼此之间的角度为由360°除以凸轮上的叶片数目得到的数值的一半，
并且其中，所述活塞在所述汽缸中的往复运动通过所述活塞与所述多舌状凸轮的凸轮表面之间的接触而向所述轴施加旋转运动。
2、如权利要求1所述的发动机，其中所述凸轮的每个叶片是非对称的。
3、如权利要求1所述的发动机，其中每对活塞中的活塞通过连接板被互相连接。
4、如权利要求1所述的发动机，其中所述发动机为四冲程发动机。
5、如权利要求1所述的发动机，包括2至6个汽缸模块。
6、如权利要求5所述的发动机，其中所述模块被定相为彼此串列为0度或者相差任意角度的相位。
7、如权利要求1所述的发动机，其中所述活塞与所述多舌状凸轮的凸轮表面之间的接触经由滚动轴承。
8、如权利要求4所述的发动机，其中所述滚动轴承具有公共轴线。
9、如权利要求4所述的发动机，其中所述滚动轴承的轴线相对于彼此和相对于所述活塞轴线偏移。
10、如权利要求1所述的发动机，其中所述凸轮为三舌状。
11、如权利要求7所述的发动机，其中所述汽缸对的轴线彼此成60度角，从而形成X形结构。
12、如权利要求7所述的发动机，其中所述活塞由安装在多舌状凸轮之间的两个偏置连接板连接。
13、如权利要求1所述的发动机，包括另一输出轴。
14、如权利要求12所述的发动机，其中所述输出轴提供所述多舌状凸轮的反向旋转。
15、如权利要求12所述的发动机，其中当所述凸轮为三舌状时，所述轴提供1∶3比率的换向齿轮机构。
16、如权利要求12所述的发动机，其中当所述凸轮包括5个叶片时，所述轴提供1∶5比率的换向齿轮机构。
17、如权利要求12所述的发动机，其中不向两个轴上施加动力从而提供两种速度/转矩范围。
18、如权利要求1所述的发动机，其中所述发动机进一步包括用于抵消所述活塞的往复量的平衡轴和/或衡重体。
19、如权利要求1所述的发动机，包括用于控制活塞扭转和运动的导承衬套或滑轨。
20、如权利要求19所述的发动机，其中所述导承衬套或滑轨被安装在所述连接板上。
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