CN1020939C - 全力作功内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明为一种全力作功内燃机，即一种四行程活塞7以飞轮轴30为圆心沿环形气缸筒6中心圆周往复运动内燃机。其目的是要使气缸筒中的燃气膨胀力能最大限度地得到利用，也就是整个作功行程都是全力作功，克服传统的曲柄连杆往复活塞式内燃机几乎所有的弊病，使其功率达到传统的曲柄连杆往复活塞式内燃机的六倍以上。全力作功内燃机配气严密，协调，工作可靠，能广泛用于汽车、火车、轮船、发电等领域作动力，是一个切实可行的方案。

Description

国内外现行使用的汽车发动机一般都还是传统的曲柄连杆往复活塞式内燃机（以下简称传统内燃机）。这种内燃机作功时是由燃气的膨胀力推动活塞作直线运动，活塞的推动力是通过连杆使曲轴作园周运动，对外输出扭矩。长期的实践证明，这种结构给内燃机带来许多弊病，最大的缺点是功率太低。设，推动活塞的最高压力为P，其最高压力一般出现在曲轴转角10°-15°时，高速柴油机一般出现在6°-15°时。由计算可知，推动曲轴旋转的切向分力为0.15P-0.3P，而沿曲轴中心线方向的分力为0.99P-0.95P，这说明只有一小部分压力被用来作功，而极大部分压力被曲轴抵消掉了，不仅动力浪费大，而且加速了机件的磨损，甚至损坏机件，使曲轴产生变形。发明名称为曲柄园滑块往复活塞式内燃机，专利号：85100358的发明者用一个偏心半径等于曲轴半径的园滑块取代传统内燃机中的连杆，将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动，基本上克服了连杆造成的弊病，但没有解决分力作功的问题。

本发明为一种全力作功内燃机，即一种四行程活塞7以飞轮轴30为园心沿环形气缸筒6中心园周往复运动内燃机，包括气缸体1、气缸筒6，设置在气缸筒中的活塞7，与活塞7相连的活塞杆8，杠杆力臂9，飞轮11，设置在杠杆力臂与飞轮间的棘轮机构，由配气块齿圈13，摇臂43以及由它们控制的气门44，进排气管组 成的配气系统，一组使活塞与气缸筒产生相对运动的传动变速齿轮，液压系统，以及点火供油系统，起动系统。

附图说明：

图1是整机结构原理图;

图2是棘爪50与棘齿11啮合放大图（

）;

图3是活塞杆齿条8-3与齿轮12-1啮合放大图（

）;

图4是图3中活塞杆A-A剖面图;

图5是图1中的B-B剖面图（活塞7与活塞杆8连接处油道喷油孔示意图）;

图6是配气传动示意图;

图7是配气齿轮14与配气块齿圈13啮合放大图（ ）;

图8是齿条25与齿轮28啮合放大图（

）;

图9是图6中的C-C剖面图;

图10是图6中的D-D剖面旋转展开图;

图11是图6中的E-E剖面图;

图12是图6中的F-F剖面图;

图13是图6中的G-G剖面图;

图14是图10中的A向视图（气门开闭示意图）

图15是图9中的K向视图（进排气管示意图）。

本发明之目的是要使气缸筒中的燃气膨胀力能最大限度地得到利用，也就是整个作功行程都是全力作功，克服传统内燃机几乎所有的弊病，使其功率达到传统内燃机的六倍以上。

本发明内燃机是这样实现的，如图1所示：一个气缸体1，一个飞轮11（兼做棘轮）装配在气缸体1的中央（如图9所示），以飞轮轴30为圆心，在飞轮11的同一平面内沿气缸体1半径和气缸筒6的曲率半径相吻合的同一圆周上，以相同的圆周方向均匀对称地分布四个相同的气缸筒6，设置在气缸筒中的四个活塞7以及和活塞刚性连接的活塞杆8的曲率半径和气缸筒是一致的。其中气缸筒（1）和气缸筒（2）的活塞杆8-1和8-2不带齿条;气缸筒（3）和气缸筒（4）的活塞杆8-3和8-4兼做环形齿条（如图1和图3所示）分别与齿轮12-1和齿轮12-2相啮合;气缸筒（1）和气缸筒（3）（如图1所示）的活塞杆8-1和8-3与一对以飞轮轴30为圆心（支点）的杠杆力臂9-1的两头刚性连接。杠杆力臂9上刚性连接的棘爪主体10上装有棘爪50与棘轮（飞轮11）相啮合（如图1和图2所示）组成顺时针传递动力的棘轮机构（也可采用别的办法传递动力）由飞轮轴30对外输出扭矩。气缸筒（2）和气缸筒（4）同上面的（1）和（3）两个气缸筒的情形一样。四个气缸筒的活塞持续往复运动是通过偏心轮20的顺时针旋转迫使齿条主体22作往复直线运动，即齿条25作往复直线运动，带动一组传动变速齿轮31-1和31-2作摆动（如图6及图10所示），实现四行程的连续运动;配气块齿圈13在配气齿轮14的带动下作反时针旋转实现四个气缸筒的配气职能，齿轮32和配气齿轮14啮合实现点火和喷油正时。油泵齿轮26在油泵动力齿轮27的带动下输出压力油推动油马达齿轮24带动齿轮18旋转（齿轮18和配气齿轮14啮合，齿轮18和偏心轮20均固装在偏心轮轴19 上），实现内燃机持续不断地工作。

本发明内燃机是这样工作的：如图1和图6所示，开始运行，手摇起动齿轮33-2（装有滚柱式超越离合器，其结构如图6和图13所示），起动时让其与配气齿轮14啮合（起动后即分离）作顺时针摇转，配气齿轮14作反时针旋转：一是带动配气块齿圈13作反时针旋转（内啮合如图6和图7所示）;二是带动齿轮32旋转（喷油泵、输油泵或汽油泵、分电器的动力齿轮）;三是带动齿轮18作顺时针旋转，即带动偏心轮20顺时针旋转（18和20都是固装在偏心轮轴19上）通过滚针轴承21（2个）和滚针轴承23（至少4个）的作用（如图6和图11所示）迫使齿条主体22开始作往复直线运动，如图6和图8所示，齿条25带动齿轮28作摆动（开始时是作反时针旋转）通过传动变速齿轮31-1和传动齿轮31-2带动与其相啮合的活塞杆齿条8-3绕飞轮轴30作反时针旋转，使气缸筒（1）和气缸筒（3）中的活塞由外向里运动（如图1所示）因使活塞杆齿条8-4旋转的传动齿轮31-2少一个（如图6所示），所以两对杠杆力臂9-1和9-2绕飞轮轴30作剪刀型运动。如图1所示：设气缸筒（1）是作功终点，气缸筒（2）是压缩终点，气缸筒（3）是吸气终点，气缸筒（4）是排气终点。四个气缸筒进排气阀门开闭的位置（图1和图6标上度数是为了便于说明）：气缸筒（1）在54°的地方，气缸筒（2）在144°，气缸筒（3）在234°，气缸筒（4）在324°。四个气缸筒的活塞开始进行第一行程：由图6和图14所示：54°-36°之间是排气块15，气缸筒（1）的排气阀4打开作排气行程，如图15所示，废气经排气管46-2 进入大气中;144°-126°之间没有进排气块，气缸筒（2）的进排气阀都是关闭的，进行作功行程;234°-216°之间没有进排气块，气缸筒（3）的进排气阀都是关闭的，进行压缩行程;324°-306°之间是进气块17，气缸筒（4）的进气阀3打开作吸气行程，如图15所示，新鲜空气经进气管46-1吸入气缸筒中。第二行程：气缸筒（1）因36°-18°之间为吸气块作吸气行程;气缸筒（2）因126°-108°之间为排气块是排气行程;气缸筒（3）因216°-198°之间没有进排气块是作功行程;气缸筒（4）因306°-288°之间没有进排气块是压缩行程。第三行程，第四行程依次类推。四个气缸筒的作功顺序是（1）（2）（3）（4）。

油泵动力齿轮27（固装在飞轮轴30上）带动油泵齿轮26，（如图6和图9所示）输出的压力油通过减压阀：一路用于各润滑部位;另一路进入油马达（油马达齿轮24）带动齿轮18旋转（如图6和图10所示）。这样，内燃机就可以连续可靠地工作。

油泵输出的压力油经过配置的单向阀、溢流阀、蓄压器、减压阀等液压元件进入油马达。蓄压器所蓄存的液压能除可调节系统中的油压外，还可以作为内燃机起动的动力。停车时关闭蓄压器阀门，起动时打开阀门，蓄压器的压力油便流入系统中推动油马达转动，使内燃机得以起动。在正常情况下是用蓄压器起动，手摇起动是备用机构。

本发明内燃机由于四个环形气缸筒6均匀、对称地分布在气缸体1中飞轮11的同一平面内，以飞轮轴30为圆心的同一园周上， 活塞7和活塞杆8及杠杆力臂9之间刚性连接，活塞7在气缸筒6中始终是以飞轮轴30为圆心沿气缸筒的中心圆周往复运动，活塞端面通过飞轮轴30，气缸筒6中的燃气最高压力可以出现在活塞刚刚换向后，即小于前面所设的最高压力P出现的曲轴转角位置。如果出现在相当于前面所设的最高压力P的位置，那么推动活塞7作圆周运动的力为P，也即推动杠杆力臂9绕飞轮轴30（支点）作摆动的力为P（在气缸筒容积和燃油量相同的前提下）P与0.15P之比为6.66倍，并且整个作功行程都是全力作功。如果燃气最高压力出现在小于相当于前面所设的最高压力P的曲轴转角位置（活塞刚刚换向后）其比值显然大大超过6.66倍。从曲轴转角0到曲轴和连杆相互垂直时曲轴转角之间的情形来看，曲轴转角较小时，其燃气压力较大，但利用率很小，随着曲轴转角的增大，燃气压力利用率增大，但活塞不断下移，燃气压力下降得很快，当连杆和曲轴相互垂直时，利用率最高（沿连杆的力几乎全部用于作功）但这时的燃气压力不大了。这就是本发明内燃机的功率是传统内燃机功率的六倍以上的主要依据。其次气缸筒6的密封、润滑均比传统内燃机好得多以及内燃机的磨擦损耗比传统内燃机低得多，再加上内燃机的许多参数最具有条件进行优化（在内燃机领域中）获得最佳值等方面均能使内燃机功率得到提高，这些将在下列优点中作进一步说明：

1、本发明内燃机的运行、配气是严密的、协调的，工作可靠。偏心轮20顺时针每转半周，配气块齿圈13反时针转过一个行 程位置，四个气缸筒中的活塞完成一个行程，即一个吸气，一个压缩，一个作功，一个排气。如图1和图6所示，配气块齿圈13是以飞轮轴30为圆心由6个滚针轴承29定心（如图6和图10中另件号29的放大图所示）。6对锥形滚针轴承16承受配气块齿圈13前后方向的负荷（如图6和图12所示，其锥度应与配气块齿圈13吻合）。由于齿轮32（汽油泵、分电器或喷油泵、输油泵动力齿轮）和配气齿轮14啮合，所以内燃机点火喷油正时。

2、传统内燃机活塞的运行速度是随曲轴的转速而改变。本发明内燃机由于油泵和油马达之间可由溢流阀、蓄压器、减压阀调定系统中的油压，活塞7的运行速度基本上是个定值（可以调到最佳范围），因此，内燃机的许多参数，如点火或喷油时刻，燃气的浓度等最具有条件进行优化，获得最佳值（指内燃机领域中），汽油机的压缩比在设计时就可选定最佳值，这些都将使内燃机功率得到提高。

3、本发明内燃机四个气缸筒中活塞的运行速度是相同的，作功的燃气压力在骤然升到最高值后逐渐下降，开始时高于系统中的油压，一定时间后低于系统中的油压，由油压推动完成另一个气缸筒的压缩行程。在接近终点时燃气开始燃烧膨胀克服惯性力换向进入作功行程。由于运动成剪刀型，活塞7和活塞杆8及杠杆力臂9的质量惯性力大小相等，方向相反，互相抵消。另外，偏心轮20造成的惯性力可以平衡消除，齿条主体22往复运动的惯性力也可以平衡消除。如果不平衡消除，由于其运动行程短，质 量小，其振动很小。

4、由于活塞7和活塞杆8及杠杆力臂9之间为刚性连接在离心力作用下也不会对气缸筒内壁产生侧压力，只要是通过以飞轮轴30为圆心开的活塞环槽其截面是圆形的，活塞环与气缸筒内壁的接触始终是圆形的，所以活塞7在气缸筒6中作相对运动时不会产生侧压力，密封性很好，不存在传统内燃机由于连杆造成侧压力、漏气等弊病。

5、润滑条件要比传统内燃机好得多，机件受力情况比传统内燃机简单得多，机件寿命长，磨擦损耗小，气缸筒6中的润滑可采取喷射的办法，如图5所示，活塞7与活塞杆8刚性连接处里面钻有油道47，其圆周方向钻有喷油孔48，能使气缸筒6内壁润滑充分、均匀、适当。刮油环刮下的油可自行流回油底壳（图上未画出），因气缸筒（2）口朝上可采取吸附办法或装上吸油性好的材料，定期更换。

6、气缸筒6均匀、对称地分布在气缸体1的同一圆周上散热性好，便于冷却（风冷或水冷均可）;

7、本发明内燃机便于借鉴传统内燃机长期积累的经验，给试制带来许多有利条件;

8、本发明内燃机结构紧凑，比体积小，加工方便，但环形气缸筒在现有设备条件下加工较困难，但根据其运行特点，设想将活塞换成能自转的刀具或砂轮进行镗削或磨削的专用设备其加工就不难，这样的设备是做得出来的。

9、本发明内燃机可以做成八个气缸筒或更多气缸筒的内燃机用于要求功率很大的地方，也可以采取加大缸径或增加气缸筒长度等办法增加功率。棘轮机构可以传递很大的动力，因其棘齿较长，每对杠杆力臂9的中间以飞轮轴30为支点在和棘轮相对应的两端固装两个棘爪主体10，每个棘爪主体装有多个棘爪50，每个棘爪和棘轮齿啮合间隙都不同。如图2所示的b和b′两个面只要在结构上采取措施，每次啮合总会有的棘爪和棘轮齿两个面（b和b′）很接近，活塞7换向时速度由零开始作加速运动，所以b和b′两个面在活塞刚换向时，就贴在一起，不会发生碰撞，a和a′两个面的接触由于先接触橡胶垫片51所以不会发生响声。另外，由于棘爪仅仅受到一块弹簧片的作用力，这力很小，棘爪和棘齿润滑条件好，磨擦力很小，尽管它们间磨擦频繁，但棘爪的寿命不会短。

10、本发明内燃机用途广泛，可用于汽车、火车、轮船、发电等领域作动力，可使用汽油、柴油、工业煤气、天然气等多种燃料，是一个切实可行的方案。

另件序号：

1-气缸体    2-弹簧

3-进气阀    4-排气阀

5-气缸盖    6-气缸筒[（1）（2）（3）（4）]

7-活塞 8-¹ ₂活塞杆

8-³ ₄活塞杆（环形齿条） 9-¹ ₂杠杆力臂

10-棘爪主体    11-飞轮（棘轮）

12-¹ ₂齿轮 13-配气块齿圈

14-配气齿轮    15-配气块（排气）

16-锥形滚针轴承    17-配气块（进气）

18-齿轮    19-偏心轮轴

20-偏心轮    21-滚针轴承

22-齿条主体    23-滚针轴承

24-油马达齿轮    25-齿条

26-油泵齿轮    27-油泵动力齿轮

28-齿轮    29-滚针轴承

30-飞轮轴    31-1传动变速齿轮

31-2传动齿轮    32-（汽油泵、分电器或喷油泵、输油泵）齿轮

33-1十字空心轴    34-键

33-2手摇起动齿轮（超越离合器）

35-润滑油管    36-轴承

37-变速齿轮    38-变速齿轮副轴

39-变速箱    40-离合器

41-副轴齿轮    42-活动支点饺链

43-摇臂    44-气门

45-1进气歧管    46-1进气管

45-2排气歧管    46-2排气管

47-大油孔（接油管）    48-喷油孔

49-弹簧片    50-棘爪

51-橡胶垫片（耐油）

Claims (6)

1、一种全力作功内燃机，包括气缸体1、气缸筒6，设置在气缸筒6中的活塞7，与活塞7相连的活塞杆8，杠杆力臂9，飞轮11，设置在杠杆力臂与飞轮间的棘轮机构，由配气块齿圈13，摇臂43以及由它们控制的气门44，进排气管组成的配气系统，一组使活塞与气缸筒产生相对运动的传动变速齿轮，液压系统及点火供油系统，起动系统，其特征是：

(1)气缸筒6的数量为偶数，气缸筒的形状是环形的，其曲率半径相同，通过其园心的横截面是园形的，所有的气缸筒都是以飞轮轴30为园心，在飞轮11的同一平面内，与气缸筒的曲率半径相吻合的同一园周上以相同的园周方向均匀对称地分布在气缸体1内。

(2)活塞7和活塞杆8的曲率半径与气缸筒6是一致的，活塞7和活塞杆8及杠杆力臂9之间刚性连接，以飞轮轴30为园心，沿气缸筒6的中心园周往复运动。

(3)杠杆力臂9上刚性连接装有棘爪50的棘爪主体10和兼做棘轮的飞轮11相啮合组成棘轮机构传递动力，由飞轮轴30对外输出扭矩。

(4)在飞轮轴30上固装一个齿轮27带动油泵齿轮26输出压力油推动油马达齿轮24带动固装在偏心轮轴19上的齿轮18旋转：一是带动配气齿轮14旋转，使与其相啮合的配气块齿圈13及点火供油系 统齿轮32旋转，以实现配气职能及点火喷油正时；二是固装在偏心轮轴19上的偏心轮20旋转推动齿条主体22作往复直线运动，带动一组传动变速齿轮作摆动通过杠杆力臂9使活塞7作持续往复园周运动。

(5)一个开有滚柱槽的齿轮33-2装在一个十字空心轴33-1上，在滚柱槽内装有滚柱组成一个滚柱式超越离合器并能在需要手摇起动时才与配气齿轮14相啮合的手摇起动机构作备用起动机构。

2、根据权利要求1所述的内燃机，其特征是：活塞7与活塞杆8刚性连接处里面钻有油道47，其园周方向钻有喷油孔48，压力油通过喷油孔48喷射在气缸筒6内壁上，活塞杆8的下面是槽形，里面装有润滑油管35，在活塞杆8中有的活塞杆兼做环形齿条。

3、根据权利要求1所述的内燃机，其特征是：每对杠杆力臂9中间以飞轮轴30为支点，在和棘轮对应的两端固装有棘爪50的棘爪主体10，每个棘爪主体装有多个棘爪并和棘轮齿的啮合间隙都不同，棘爪只能顺时针传递动力，棘爪上面装有弹簧片49，下端头部与棘爪主体10接触部位装有耐油橡胶垫片51。

4、根据权利要求1所述的内燃机，其特征是：配气块齿圈13一侧是齿圈，另一侧是进排气块，配气块齿圈13是以飞轮轴30为园心，在它的外园周气缸体1上均匀地装有适当数量的滚针轴承29定心，用适当数量的锥形滚针轴承16承受配气块齿圈13前后方向的负荷。

5、根据权利要求1所述的内燃机，其特征是：在液压系统中装有蓄压器用于起动和平衡系统中的油压。

6、根据权利要求1所述的内燃机，其特征是：齿条主体22装有两个滚针轴承21和偏心轮20相接触，在气缸体1上至少装有4个滚针轴承23迫使齿条主体22作往复直线运动。

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