CN104153817B - 同轴无曲柄式发动机 - Google Patents

Abstract

一台同轴无曲柄式发动机（1）至少包含一个具有一条纵向延伸轴（XX）的气缸（3）；一对以相反方向沿该气缸纵轴进行往复运动的活塞（5,6）；活塞之间的空间（7）是一个共用的燃烧室（70）；第一根轴（10）与气缸的纵轴大致平行且与之有横向间隔；第二根轴（12）与气缸的纵轴大致平行且与之有横向间隔；第二根轴（12）有一个纵向延伸的通孔（14），使第一根轴能够从中延伸并旋转；每个活塞都与一个轴向分布的凸轮（16,17）相连接；第一个凸轮由第一根轴所支撑，而第二个凸轮由第二根轴所支撑。在使用时，活塞的往复运动带动其各自的轴以相反的方向旋转，从而驱动发动机运转。

Description

同轴无曲柄式发动机

本申请是申请号201080017158.X、申请日2010年3月19日、发明名称“同轴无曲柄式发动机”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及做功的发动机，尤其是涉及同轴或双向无曲柄式发动机。

背景技术

往复式发动机在世界范围内都比较普遍，尤其是使用曲柄机制将往复式运动转化成旋转运动来驱动整个机器，如汽车。由于此类发动机的往复式性质造成能量在运动过程中损失，从而降低了发动机的效率并引起一系列失衡效应，导致组件发生磨损、产生不可避免的振动以及噪音过大。

在解决这些问题方面，有人做了不少尝试，如转子发动机、轨道发动机、分置式循环发动机、凸轮发动机、轴向式发动机、桶式发动机；所有这些代表性的发动机中的曲柄轴已被某种机制所取代，这种机制能将往复式运动转化成旋转运动，从而使许多由于曲柄轴固有的失衡特征所导致的问题在一定程度上得到了缓解。

此类发动机能够驱动那些在驱动轴末端包含叶片或转子等此类组件的机器来推动机器（如船、飞机、潜艇、直升机等）。特别是在军事装备里，同轴转子被用于转动一对相反方向但却被安装在处于同一旋转轴线上的单一轴上的转子或螺旋桨，但是除了倒转设备以外，因为其转子或螺旋桨是在不同轴线上的不同轴上以相反方向旋转的。两种配置都需要某种变速箱将一个单一轴的运转转化成两个轴的反向旋转或同轴旋转。采用一个行星齿轮组或类似的变速箱将发动机驱动轴的旋转转化成轴的同轴或反向旋转方案，以驱动螺旋桨或转子的同轴或反向旋转。此类系统在轮船上较为常见。两个螺旋桨或转子是以一前一后的方式排列的，使功率从发动机通过齿轮传动而转移。如果使最大量的空气或水均匀地通过螺旋桨或转子会减少旋流，从而提高性能并减少能量损失。此类系统也可减少或消除现有单螺旋桨和转子系统所产生的扭矩。然而，这些发动机及相关的传输系统通常价格昂贵、机械操作复杂、重量更大、维护成本更高、噪音大并且容易发生故障。例如，在同轴直升机中，变速箱和转子轮毂结构十分复杂，有许多连接处及弹簧片等部件，这些部件可能因为需要同时驱动两个反向的转子盘的原因而发生故障。

AU629,238（其内容以引用的方式并入本文）建议可以通过提供一种无曲柄往复式发动机来降低发动机的复杂性。这样一种发动机可能至少包括一个气缸、两个相对放置并沿着每个气缸的纵轴进行相反方向的往复运动的活塞、活塞之间是一个共用的燃烧室、一个与每个气缸的纵轴相平行且有一定间隔的主轴、以及两个供主轴旋转的具有轴向间隔、环状的且大体上呈正弦的轨槽，该轨槽与前述活塞相互连接，以使活塞的往复运动能够带动主轴产生旋转运动。该发动机还进一步包括一个与共用燃烧室连通的小型燃料混合气和点火室，意思就是说将燃料注入该燃料混合气和点火室，在其中形成一个富燃料混合气，并在共用燃烧室与空气形成贫燃料混合气。在该燃料混合气和点火室中配有一个点火装置，用于点燃其中的富燃料混合气。

然而，基于上述建议的发动机，还是需要解决与两个在同一轴线上以相反方向同心旋转的轴有关的问题以及磨损和复杂性方面的问题。此外，还需要一个齿轮箱将前述单一轴发动机产生的功率和扭矩转化成同轴功率。

因此，需要一种能够在不需要变速箱的情况下、以机器要求的每分钟转数（RPM）将总功率和扭矩传递给同轴同心轴的发动机。

发明内容

发明目的

本发明的目的在于基本上克服或者至少改善现有技术的一个或多个缺点，或至少提供一个有用的替代解决方案。

发明总览

在本文开头所介绍的同轴无曲柄式发动机包括：

至少一个确定一条纵向延伸轴的气缸；

一对以相反方向沿该气缸纵轴进行往复运动的活塞，并且这两个活塞之间有一个共用的燃烧室；

第一根与上述气缸的纵轴大致平行并且具有横向间隔的轴；

第二根与上述气缸的纵轴大致平行并且具有横向间隔的轴，这个第二根轴有一个纵向延伸的通孔，使第一根轴能够从中延伸并旋转，上述每个活塞都与一个轴向分布的凸轮相连接，第一个凸轮由第一根轴所支撑，而第二个凸轮由第二根轴所支撑，

即在使用时，活塞的往复运动带动其各自的轴以相反的方向旋转，从而驱动发动机运转。

最好在轴附近包含多个气缸。

最好包含两个气缸和四个活塞，其中一个气缸中的活塞以180°与另一个汽缸中的活塞异相地运行。

最好包含三个气缸和六个活塞，以一个三角形而分布并且与轴的间隔相等。

最好包含四个或更多气缸。

凸轮最好互为镜像。

凸轮最好为单叶式、多叶式、斜盘式、摇盘式或正弦式凸轮。

相反方向的气缸中的活塞最好位于发动机的同一侧，因为它们与同一个凸轮相连。

最好能够让活塞反向驱动凸轮，从而带动轴发生同轴反向旋转。

最好是第一根轴由第一个框架支持，而第二根轴由第二个框架支持。

最好包含一个与上述第一根轴有效关联的第一个齿轮。

最好包含一个与上述第二根轴有效关联的第二个齿轮。

与上述轴连接的第一个和第二个齿轮最好以能够确保两根轴时间同步的方式连接。

上述方式最好是一个能够以与第一根和第二根轴大约呈90°的角度驱动动力输出轴的齿轮。

附图说明

下面将对本发明的首选实施方案仅以举例的方式并参考所附图纸进行描述，其中：

图1是本发明一个实施方案的横截面侧视图。

具体实施方式

图1显示的是一个同轴无曲柄式发动机1，其包括至少一个确定一条纵向延伸轴XX的气缸3；一对以相反方向沿该气缸3纵轴XX进行往复运动的活塞5,6，并且这两个活塞5之间的空间7是一个共用的燃烧室7；第一根与上述气缸3的纵轴XX大致平行并且具有横向间隔的轴10；第二根与上述气缸3的纵轴XX大致平行并且具有横向间隔的轴12，这个第二根轴12有一个纵向延伸的通孔14，使第一根轴10能够从中延伸并旋转。第一根轴10以与第二根轴12相反的方向旋转。活塞5,6与两个轴向分布的环状凸轮16,17相连接。第一个凸轮16由第一根轴10所支撑并与活塞5相连，而第二个凸轮17由第二根轴12所支撑并与活塞6相连。在使用时，活塞5,6的往复运动带动其各自的轴10,12以相反的方向旋转，从而驱动发动机1运转。

图1中显示的发动机基本运行是一个典型的内燃机。但是，发动机1包括两个气缸3，分别位于第一根轴10和第二根轴12两侧，而这两根轴的安装方式能够使它们围绕轴承20,21中的水平轴XX以相反的方向旋转。在这里，术语“轴向的”和“放射状的”是以第一根轴和第二根轴10,12的纵轴YY为参考标准。固定在第一根轴10和第二根轴12上与之一起旋转的是一对具有相似圆柱形外表面、间隔排列的轮子22。每个轮子22支撑着凸轮16,17，而凸轮16,17从各自的轮子22的圆柱表面呈向外放射状延伸。凸轮16,17位于轴向方向，为波状外形，使其能够以轮子22圆柱表面周围的环状路径运转。在首选形式中，凸轮16,17可以为单叶或多叶、斜盘、摇盘、正弦凸轮或其他能够将往复式运动转换成旋转运动从而驱动轴10,12运转的形状。两个凸轮16,17是相同的，两者互为镜像。

每个气缸3及其往复运动的活塞5,6的结构相同。但是，参考图1，上部气缸3的活塞5,6与下部气缸3的活塞5,6呈180°的角度异相运转。对面的活塞5,6适用于沿气缸3的纵轴XX以相反方向往复运动。与每个活塞5,6刚性连接或起到关键性连接作用的是一个连杆25，适用于在一个、两个或多个驱动轴承28及一个尾轴承29的协助下与凸轮16,17协同运转。发动机两端由油底壳30封闭。可采用任意数量的轴承。

如图1所示，连杆25的末端呈分叉状，可在每个连杆臂上安装一个、两个或多个驱动轴承28。外侧的分叉臂延伸到凸轮16以外，用于安装尾轴承29。

活塞5,6之间定义了一个共用燃烧室7。与每个气缸相邻安装有一个燃料混合气和点火室40（富燃料室），带有一个注孔42与燃烧室7相通。在点火室40上安装有一个火花塞45，用于点燃其中的燃料。一个燃料喷射器46用于控制注入燃料混合气和点火室40内的燃料量。发动机内的燃烧过程与现有发动机的大致相同，并且也可根据需要采用压缩点火法。

发动机1还可能包括齿轮50等。齿轮50为锥形齿轮或准双曲面齿轮，与径直位于齿轮50顶部的一个普通的直齿锥齿轮或准双曲面齿轮（未显示）以及锁定了同轴轴10,12旋转的第一根和第二根轴10,12连接在一起。该齿轮（未显示）还可以与同轴轴10,12呈90°的角度为一个辅助轴提供动力输出。可以根据需求在发动机1的周围重复此种轴的安排方式。齿轮的设计可能会因对转速、齿轮减速的程度以及其所驱动的辅助设备的扭转负载的要求而有所不同，如推式螺旋桨，并且根据该齿轮系统的时间选择，偏航控制在某些应用中可进行改善。

虽然已参考具体例子对本发明进行说明，但本领域的技术人员应该理解本发明还可能以许多其他的形式体现。

Claims (5)

1.一个同轴无曲柄式发动机包括：

至少两个气缸，每个气缸确定一条纵向延伸轴；每个气缸具有一对以相反方向沿该每个气缸纵轴进行往复运动的活塞，其中一个气缸中的活塞以180°与另一个汽缸中的活塞异相地运行；

每个所述气缸的活塞之间的空间限定有一个共用的燃烧室；

第一根与每个上述气缸的每个纵轴大致平行并且具有横向间隔的轴；

第二根与每个上述气缸的纵轴大致平行并且具有横向间隔的轴，这个第二根轴有一个纵向延伸的通孔，使第一根轴能够从中延伸并旋转；

每个上述活塞都与一个轴向分布的凸轮相连接，其中凸轮互为镜像，其中异相地运行的气缸中的活塞位于发动机的同一侧，因为它们与同一个凸轮相连；

第一个凸轮由第一根轴所支撑，而第二个凸轮由第二根轴所支撑，

一个与上述第一根轴有效关联并且同轴的第一个齿轮，一个与上述第二根轴有效关联并且同轴的第二个齿轮，第一个和第二个齿轮直接地连接到上述相应的第一根轴、第二根轴上并且环绕上述相应的第一根轴、第二根轴，上述第一个和第二个齿轮连接到设置在上述第一个和第二个齿轮的顶部上的共同的第三个齿轮，以确保两根轴之间的时间同步，共同的第三个齿轮在与上述第一根和第二根轴大约呈90°的轴线处旋转；

即在使用时，所述活塞的往复运动在相反方向上驱动凸轮产生了轴的同轴反向旋转，从而驱动发动机运转。

2.根据权利要求1所述的同轴无曲柄式发动机，其中，所述同轴无曲柄式发动机包括三个气缸和六个活塞，以一个三角形而分布并且与轴的间隔相等。

3.根据权利要求1所述的同轴无曲柄式发动机，其中凸轮为单叶式、多叶式、斜盘式、摇盘式或正弦式凸轮。

4.根据权利要求1所述的同轴无曲柄式发动机，其中第一根轴由第一个框架支持，而第二根轴由第二个框架支持。

5.根据权利要求1所述的同轴无曲柄式发动机，其中所述第三个齿轮提供驱动用于与第一根和第二根轴大约呈90°的角度设置的动力输出轴的齿轮。