CN102192008B - 齿轮传动内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可以逆向运行的，把往复直线运动转变为朝同一方向旋转的齿轮传动机构。技术方案中采用齿套和齿轮的传动来替代曲轴和连杆的传动。齿轮传动机构能广泛应用于车用内燃机、船用低速柴油机、坦克引擎、液压马达和泵等机械。齿轮传动内燃机在燃料燃烧膨胀的急燃阶段仿效了曲轴传动内燃机的工作状况，使齿轮传动机构同样能满足点燃式内燃机的等容燃烧条件，维持了内燃机热机循环的转换效率。齿轮传动机构在上止点附近提供了增大一倍的传动角，机械效率大幅提高。理想的齿轮传动内燃机能够真正做到等容燃烧和瞬时爆发燃气能量，使循环热效率达到理想的水平。

Description

齿轮传动内燃机

技术领域

本发明涉及一种可以逆向运行的，把往复直线运动转变为朝同一方向旋转的齿轮传动机构。技术方案中采用齿套和齿轮的传动来替代曲轴和连杆的传动。齿轮传动机构能广泛应用于车用内燃机、船用低速柴油机、坦克引擎、液压马达和泵等机械。

背景技术

往复式内燃机在一百多年的发展历史中，都是采用曲轴和连杆来输出动力的，尽管传递动力的效率不高。

根据申请号200510032875.0，名称为“对置式内齿条推动间歇齿轮式内燃机”的说明书和申请号200610092074.8，名称为“往复活塞式直轴内燃机的动力传递机构”的说明书所述，该两項发明专利申请的传动机构均在止点附近失去约束。

根据申请号200780037368.3，优先权2006.9.7，AU2006904920，名称为“改进的对置活塞燃烧发动机”的说明书所述，该发明实际上是采用了两只反向旋转的三头凸轮来传递动力的。机械效率相比曲轴和连杆的传动机构增加不多。而且体积比较大，适用于航空器项目。

本发明的目的是采用齿轮传动来提高往复活塞式内燃机的动力输出效率。内燃机的汽缸对置，结构紧凑，能适应轿车的发动机仓位。

发明内容

内燃机的动力输出轴转速高达7500rpm，齿轮传动在强度、可靠性和使用寿命上都能满足要求。问题在于如何把活塞的往复直线运动转变为朝同一方向的旋转运动，把动力传递到车轮上。任何对内燃机的改进都会有附加的功率损耗，所以新的技术方案能够提高的功率必须大于损耗的功率。

本发明提供的一种内燃机至少包括一套齿轮传动机构，其技术方案如下所述：

传动轴[7]由齿轮[14a]、齿轮[14b]、滾轮[13a]、滾轮[13b]和轴等组成并固定联接。传动轴[7]上有前轴承[10]和后轴承[9]，并安装在内燃机的箱体内。箱体由上箱体[18]和下箱体[19]组成，并各自带有滑槽[6]。(见图12和图13)。联体活塞[1a]和联体活塞[1b]平行布置在箱体的滑槽[6]内，可以左右移动。联体活塞有两个相反方向伸出的活塞。与联体活塞[1a]和联体活塞[1b]相关联有两对汽缸，每一对汽缸相对于传动轴[7]沿径向对置，活塞位于汽缸内。箱体内的汽缸可以是单个汽缸或者是有多个汽缸组成的汽缸，有多个汽缸组成的汽缸内有连通汽缸盖的冷却液通道。如图13和图14所示的双汽缸[17a]、双汽缸[17b]和图15所示的单汽缸[20a]、单汽缸[20b]。活塞可沿中心线布置(见图1和图2)；亦可上下偏离传动轴[7]的中心线(见图8和图9)，使活塞的中心位置接近齿条和齿轮的啮合点(作功冲程时)，受力更合理。联体活塞的框架中间的宽度与齿套组件[2a]和齿套组件[2b]的宽度相等，齿套组件可以在框架内上下移动。齿套组件[2a]由两个轮套[12a]和齿套[11a]用连接件[8a]固定在一起。齿套[11a]上下各有一个伸出的定位杆[5a]，定位杆[5a]的一端用销轴[4a]装有滾子[3a]。同样齿套组件[2b]由两个轮套[12b]和齿套[11b]用连接件[8b]固定在一起。齿套[11b]上下各有一个伸出的定位杆[5b]，定位杆[5b]的一端用销轴[4b]装有滾子[3b]。齿套组件[2b]和齿套组件[2a]相同。齿套的内齿轮形状可以是长圆形的，也可以是带圆角的长方形、圆形、椭圆形、双曲线形和抛物线形.。轮套的轮廓线与内齿轮的齿的中线连接线相同。本发明实施例1中的轮套[12a]和轮套[12b]内的长圆形形状和齿套[11a]和齿套[11b]上的内齿轮的齿的中线连接线相同。

齿套[11a]和齿套[11b]相同，内有长圆形的内齿轮分别与齿轮[14a]和齿轮[14b]啮合。啮合时轮套[12a]和轮套[12b]分别与滾轮[13a]和滾轮[13b]接触。滾轮的外径等于齿轮的分度圓直径，在齿轮传动时作纯滾动，承受并传递径向作用力，防止齿与齿的过渡啮合，得到并保持对齿轮[14a]和齿套[11a]与齿轮[14b]和齿套[11b]两个啮合点的指向传动轴[7]的径向约束。

齿套组件[2a]和齿套组件[2b]套在传动轴[7]上，能在径向的平面内移动。内齿轮与传动轴上的齿轮啮合传递动力。为了使传动机构能正常运转，这里还需要一个使齿套上的内齿轮与传动轴上的齿轮正常啮合而不离开的约束，这个约束正是本分明的关键所在。

由图1所见，齿套组件[2a]的内齿轮是长圆形的，其整体受到上下和左右二个约束，在平面上是可以移动的。其与传动轴[7]上的齿轮正常啮合的另一个约束来自相邻的与其平行的另一组相同的齿套组件[2b]上。两个齿轮传动装置相对安装，互相约束，组成一套齿轮传动机构。

定位杆[5a]和定位杆[5b]的截面形状同齿套组件[2a]和齿套组件[2b]上的齿套[11a]和齿套[11b]与齿轮[14a1和齿轮[14b]正常啮合时的运动轨迹相同。定位杆[5a]和定位杆[5b]是两套凸轮，相互接触并能相对移动，得到并保持对齿轮[14a]和齿套[11a]与齿轮[14b]和齿套[11b]两个啮合点的离开传动轴[7]的径向约束。安装滾子[3a]和滾子[3b]是为了减少磨损。也可以采用滾动轴承，特别是大型的船用低速柴油机。

图1中联体活塞[1a]左侧的活塞[16a]处于上止点位置，右侧活塞(被剖面图剖去，图中不见)处于下止点位置；联体活塞[1b]正好相反，右侧活塞[16b]处于上止点位置，左侧活塞处于下止点位置。此时齿套组件[2a]最右端和齿轮[14a]的右侧啮合；齿套组件[2b]最左端和齿轮[14b]的左侧啮合。为了图示清楚，图中只画了轮套[12a]与滾轮[13a]的接触和轮套[12b]与滾轮[13b]的接触。与此同时上下两个定位杆[5a]的右侧与上下两个定位杆[5b]上的滾子[3b]的左侧接触，使齿套组件[2a]和齿套组件[2b]受到约束不能左右移动。此时形成死点。图2是图1的A-A剖面俯视图。由图2可见，定位杆[5a]的右侧和定位杆[5b]的左侧接触长度较长，可以多装几个滾子或滾动轴承。也可以采用粉末冶金，用硬质合金把齿套[11a]和齿套[11b]各自制成整体。联体活塞[1a]左侧的活塞[16a]受到汽缸内燃料燃烧后产生的压力，通过两个定位杆[5a]把作用力传递到两个定位杆[5b]，最后通过轮套[12b]把力作用在滾轮[13b]上。其只对传动轴[7]产生弯矩。

随着传动轴[7]的]顺时针旋转，传动轴[7]上的齿轮[14a]和齿轮[14b]分别带动齿套[11a]和齿套[11b]平面移动。两个定位杆[5a]和滾子[3b]始终保持接触并跟随移动。啮合点则逆时针向上转移，逐渐对传动轴[7]产生扭距。

由于齿套的内齿轮和传动轴上的齿轮的齿数差，齿套绕齿轮一圈齿轮只转动三分之二圈。当传动轴[7]顺时针旋转30度，达到图3所示的位置时，齿轮[14a]和齿套[11a]的啮合点逆时针上移了45度；齿轮[14b]和齿套[11b]的啮合点逆时针下移了45度。此时两个定位杆[5a]和两个滾子[3b]保持接触，并随动移位45度，对上述两个啮合点保持径向约束。轮套[12b]对传动轴[7]产生弯矩。活塞[16a]受汽缸内燃料燃烧所产生的爆发力推动，带动齿套[11a]推动齿轮[14a]顺时针旋转，输出扭距。

在传动轴[7]又顺时针旋转30度(见图4)时，齿轮[14a]和齿套[11a]的啮合点逆时针又上移了45度；齿轮[14b]和齿套[11b]的啮合点又逆时针下移了45度。此时两个定位杆[5a]和两个滾子[3b]保持接触，也随动移位45度，对上述两个啮合点保持径向约束。此时对传动轴[7]已经没有径向压力。齿套[11a]上的齿条直接带动齿轮[14a]运转，对外输出功率。

图5所示的位置是传动轴[7]又顺时针旋转60度，此时活塞[16a]处于汽缸中间位置。齿轮[14a]和齿套[11a1上的齿条中点啮合，推动传动轴[7]顺时针运转。齿轮[14b]和齿套[11b]上的齿条中点啮合，使联体活塞[1b]两端的活塞分别进行排气冲程和进气冲程。两个定位杆[5a]的上边和两个定位杆[5b]的下边保持接触并且跟随移动，对上述两个啮合点保持径向约束。图6是图5的B向剖面图。由图6可见，齿套[11a]和齿套[11b]成E型，相互对插啮合，保证整套机构正常运行。齿套[11a]和齿套[11b]上的两个定位杆[5a]和两个定位杆[5b]也可以设计成两个定位滑块[15a]和两个定位滑块[15b]的形状，得到理想的齿轮传动机构。

周而复始，随着四个汽缸循环工作，传动轴[7]不断旋转，输出有效功率。

除了内燃机，齿轮传动机构还能用于液压马达等机械。齿轮传动机构也能逆向运行，由原动机带传动动轴[7]旋转，使齿套组件作往复直线运动，设计制造出高效的液压泵，气泵和水泥泵等机械。

齿轮传动机构同样可以只在一边安装活塞，采用I型式者V型排列；亦可在使用二套及二套以上的齿轮传动机构时采用X型排列。

符图说明

图1——处于上止点时的内燃机齿轮传动机构主视半剖图。

图2——图1的A-A剖面俯视图。

图3——图1中的传动轴[7]顺时针旋转30度后的主视半剖图。

图4——图3中的传动轴[7]顺时针旋转30度后的主视半剖图。

图5——图4中的传动轴[7]顺时针旋转60度后的主视半剖图。

图6——图5的B向剖面图。

图7——1.6升内燃机的薄形汽缸盖设计图。

图8——内燃机左侧活塞[16a]压缩冲程中的理想的齿轮传动机构示意图。

图9——活塞[16a]处于上止点时的理想的齿轮传动机构示意图。

图10——活塞[16a]在燃料等容燃烧后，处在爆发时的理想的齿轮传动机构示意图。

图11——活塞[16a]处于排气之前的理想的齿轮传动机构示意图。

图12——安装双汽缸的齿轮传动内燃机的箱体简图。

图13——图12的C——C剖面俯视图。

图14——图12的D向视图。

图15——安装单汽缸的齿轮传动内燃机的箱体简图。

图中——1a和1b.联体活塞；2a和2b.齿套组件；3a和3b.滾子；4a和4b.销轴；5a和5b.定位杆；6.滑槽；7.传动轴；8a和8b.连接件；9.后轴承；10.前轴承；11a和11b.齿套；12a和12b.轮套；13a和13b.滾轮；14a和14b.齿轮；15a和15b.定位滑块；16a和16b.活塞；17a和17b.双汽缸；18.上箱体；19.下箱体；20a和20b.单汽缸。

具体实施方式

参照图1所示的四汽缸四冲程内燃机，其包括两对水平对置的汽缸。与其他附图一样，外部内燃机的箱体，包括汽缸均被省略，只能见到齿轮传动机构的内部构件示意图。

实施例1：1.6升四汽缸四冲程齿轮传动内燃机，见图1至图7。

内燃机的缸径81mm，冲程77.1mm，排量1589cc。如图7所示，内燃机的汽缸盖采用薄形设计，使水平对置的内燃机宽度控制在800mm。多数的轿车发动机仓位宽度达到900mm，有安装空间。如果发动机纵向安装，使活塞的运动方向与汽车的运行方向保持一致，则汽车行驶更趋平稳。

经过一百多年的发展，车用内燃机的技术已经非常成熟。为了秉承现代内燃机的全部先进技术和科研成果，本发明的齿轮传动机构仿效了曲轴传动机构在活塞处于上止点附近，即曲轴的转角正负35度范围内的工作状况。也就是说在相同冲程和相等时间的一个循环中，两者的活塞在上止点附近移动同样的距离所需要的时间相等，让齿轮传动机构能够适应现代内燃机的燃料燃烧特征。由于采用了水平对置的汽缸设计，本实施例齿套的两端采用相同的半圆内齿轮，中间用两个齿条联接，使水平对置在两端的活塞在上止点附近都能像曲轴连杆传动机构中的活塞那样工作。

对点燃式的内燃机而言，火焰传播速度越快，明显燃烧时间越短，燃烧等容放热程度就越高。内燃机的动力性，经济性越好。最高燃烧压力相对活塞从上止点位移的距离，对内燃机的输出功率和燃油消耗影响很大。齿轮传动内燃机在燃料燃烧膨胀的急燃阶段仿效了曲轴传动内燃机的工作状况，使齿轮传动机构同样能满足点燃式内燃机的等容燃烧条件，维持了内燃机热机循环的转换效率。实践证明，最高压力出现在上止点后12度至15度曲轴转角时，示功图面积最大，循环功最多。经过计算，齿轮传动机构到达上述点位所需的时间是曲轴传动机构所需的时间的1.1倍。当内燃机以4000rpm的转速运转时，活塞会在大约0.004秒的时间内从零加速到97km/h。所以时间上百分之十的差距在瞬间就过去了。从这点而言，齿轮传动内燃机能在较低的转速下就得到最大扭矩。

水平对置内燃机的活塞运动的平衡性好，能相互抵消震动。没有曲轴就不需要平衡配重，有助于提升转速。曲轴传动的水平对置内燃机能保持650rpm的低速平稳工作，相比其他形式内燃机油耗更低。本发明的内燃机没有曲轴，优点更明显，内燃机的活塞由箱体上的滑槽承重，磨损大大减少，喷油润滑也很方便。传动轴采用滚动轴承，汽缸对置热量分散，热效率又比较高，需要散发的热量少，可以采用油冷技术，使制造成本大幅降低。

四冲程内燃机的工作循环由进气、压缩，燃烧膨胀和排气四个过程组成。每个过程中工质的状态参数的变化及工质与外界的能量交换非常复杂，要想全面地，真实地研究实际过程是不现实的。本发明改进了传动部件，从动力传递的角度略作分析。相对于传统的曲轴传动而言，齿轮传动机构在上止点附近提供了增大一倍的传动角，机械效率大幅提高。改进传动部件齿套的形状，可以使热效率提高更多。

实施例2：齿轮传动液压马达。

如图1所示，齿轮传动机构的活塞配以液压缸和换向阀门，在压力油的作用下可推动传动轴[7]旋转。输出的有效功率高，能输出的扭矩大。

实施例3：齿轮传动泵。

如图1所示，齿轮传动机构由原动机拖动传动轴[7]旋转，带动活塞作往复直线运动，把缸体内的介质经过单向阀门组吸入和泵出。

实际例4，理想的齿轮传动内燃机，见图8至图11。

理想的齿轮传动内燃机的齿套组件[2a]和齿套组件[2b]相同，其内齿轮的形状是有四个圆角的长方形，其中两个相对的四分之一内齿轮的分度圆半径与传动轴[7]上的齿轮的分度圆半径相等。如前所述，轮套的形状与内齿轮的齿的中线轮廓线相同。定位滑块[15a]和定位滑块[15b]的形状等于齿套的内齿轮与传动轴上的齿轮正常啮合运转时的运动轨迹，是对角有两个圆角的长方形。

图8中随着传动轴[7]的顺时针旋转，带动齿套组件[2a]向左下方移动，活塞(16a)处在压缩冲程的后阶段，活塞[16b]处于排气冲程后阶段。图中两个定位滑块[15a]右下圆弧面和两个定位滑块[15b]左上的圆弧面接触，约束齿套上的内齿轮绕齿轮运转。

传动轴[7]顺时针转动15度后，见图9。活塞[16a]和活塞[16b]处于上止点位置，两个定位滑块[15a]的右端和两个定位滑块[15b]的左端接触，约束活塞[16a]右移和活塞[16b]左移。此时活塞[16a]的汽缸内的燃料着火燃烧，燃气的压力推动活塞[16a]，通过定位滑块传递，对传动轴[7]产生弯矩。

在燃料燃烧的过程中，传动轴[7]在惯性作用下又顺时针转动10度，齿套组件[2a]向下移动；齿套组件[2b]向上移动。同时两个定位滑块[15a]向下随动，两个定位滑块[15b]向上随动。活塞[16a]在汽缸内的位置不变，汽缸内燃烧室的容积不变，燃料在等容条件下扩散燃烧放热。到达图10所示的位置时，两个定位滑块[15a]右端和两个定位滑块[15b]左端瞬间脱离接触，切入对方的上下平面，对齿套组件[2a]和齿套组件[2b]产生约束，使两者只能左右移动而不能上下移动。此时活塞[16a]在膨胀的燃气压力作用下瞬间开始向右做作功冲程，带动齿套组件[2a]上的齿条推动传动轴[7]上的齿轮[14a]顺时旋转，直接输出动力。

在活塞[16a]的推动下，传动轴[7]顺时针旋转80度到达图11所示的位置时，活塞[16a]已经处于作功冲程的后期，排气阀门即将打开。定位滑块[15a]和定位滑块[15b]依然对齿套组件[2a]和齿套组件[2b]的上下产生约束。此后活塞[16a]进入减速缓冲阶段。

传动轴[7]再顺时针旋转375度，完成排气冲程和进气冲程，又回到图8所示的位置，活塞[16a]处于压缩冲程后阶段。

四汽缸四冲程周而复始进行热机循环，能达到最理想的热效率。热效率的大幅提高，所需要的散发的热量减少，就可以简化冷却系统，完全可以采用油冷却技术，让润滑油带走热量并起到润滑作用。省掉水冷却系统，使内燃机设计简单，制造成本下降。

实际上内燃机的转速很高，活塞经历每个行程的时间很短。在活塞到达下止点前，燃气的压力已经很低，为了保证废气能排放干净，排气门通常会提前开启。燃料在内燃机汽缸中发出的总热量除了20％至45％能转化为有效功外，其余均以不同的热传递方式散失在内燃机之外。汽缸内工作压力随着曲轴转角而变化，使用压电式示功器能直接测出两者之间的关系。通过齿轮传动和曲轴传动的机械效率比较，初步可分析出本发明对热效率提高的程度有多大。

曲轴传动、齿轮传动和理想的齿轮传动的平均传动效率和有效压力(MP)的比较：

A  曲轴转角(度)               0-10     10-20    20-30    30--40

B  缸内压力(MP)               8        6.6      4.4      3

C  曲轴传动平均传动效率       0.087    0.259    0.423    0.574

D  曲轴传动有效压力(MP)       0.697    1.701    1.862    1.721

E  齿轮传动平均传动效率       0.174    0.500    0.766    0.940

F  齿轮传动有效压力(MP)       1.389    3.300    3.371    2.891

   F/D                        1.993    1.940    1.812    1.638

G  理想的齿轮传动平均传动效率 0        1        1        1

H  理想的齿轮传动有效压力(MP) 0        8        6.6      4.4

H/D                           0        4.703    3.545    2.577

由以上数据分析，在燃气压力最高阶段，齿轮传动传递动力的平均效率是曲轴传动的1.83倍。理想的齿轮传动传递动力的平均效率是曲轴传动的3.18倍。

理想的齿轮传动内燃机能够真正做到等容燃烧和瞬时爆发燃气能量，使循环热效率达到理想的水平。

Claims (8)

1.一种用于往复活塞式齿轮传动内燃机的，可以逆向运行的，把往复直线运动转变为朝同一方向旋转的齿轮传动机构，其特征在于：齿轮传动内燃机至少包括一套齿轮传动机构，传动轴由两个齿轮、四个滾轮和轴组成并固定联接，传动轴上有两个轴承并且安装在内燃机的箱体内，可以左右移动的两个联体活塞平行布置在箱体的滑槽内，联体活塞有两个相反方向伸出的活塞，与两个联体活塞相关联的有两对汽缸，每一对汽缸相对于传动轴沿径向对置，两个联体活塞的框架中间的宽度与两个齿套组件的宽度相等，两个齿套组件可以在框架内上下移动，齿套组件有两个轮套和一个齿套并且用连接件固定在一起，齿套上下各有一个伸出的定位杆，定位杆的一端用销轴装有滾子，两个齿套组件相同，两个齿套成E型，相互对插啮合，两个定位杆的截面形状同两个齿套组件上的两个齿套与两个齿轮正常啮合时的运动轨迹相同，两个定位杆是两套凸轮，相互接触并能相对移动，得到并保持对两个齿轮和两个齿套的两个啮合点的离开传动轴的径向约束，齿套的内齿轮形状是长圆形的，轮套的轮廓线与内齿轮的齿的中线连接线相同，内齿轮与齿轮啮合时，轮套也与滾轮接触，滾轮的外径等于齿轮的分度圆直径，在齿轮传动时作纯滾动，承受并传递径向作用力，防止齿与齿的过渡啮合，得到并保持对两个齿轮和两个齿套的两个啮合点的指向传动轴的径向约束，两个齿套组件套在传动轴上，能在径向的平面内移动，两个齿轮传动装置相对安装，互相约束，组成一套齿轮传动机构。

2.根据权利要求1所述的齿轮传动机构，其特征在于：联体活塞两端伸出的活塞亦可上下偏离传动轴的中心线，使活塞的中心位置接近齿条和齿轮的啮合点。

3.根据权利要求1所述的齿轮传动机构，其特征在于：齿套的内齿轮形状也可以是带圆角的长方形。

4.根据权利要求1所述的齿轮传动机构，其特征在于：定位杆上可以采用滾动轴承；也可以采用定位滑块。

5.根据权利要求1所述的齿轮传动机构，其特征在于：可以只在一边安装活塞，采用I型或者V型排列；亦可在使用二套及二套以上的齿轮传动机构时采用X型排列。

6.根据权利要求1所述的齿轮传动机构，其特征在于：箱体由上箱体和下箱体组成，并各自带有滑槽。

7.根据权利要求1所述的齿轮传动机构，其特征在于：箱体内的汽缸可以是单个汽缸或者是有多个汽缸组成的汽缸，有多个汽缸组成的汽缸内有连通汽缸盖的冷却液通道。

8.根据权利要求1所述的齿轮传动机构，其特征在于：齿轮传动机构还可以应用于液压马达和泵。

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