CN1282836A - 一种循环钢球正弦凸轮转子气动喷油活塞式内燃机 - Google Patents

Abstract

用于汽车、船舶等的动力。本发明是一种内燃机,其要点在于正弦凸轮转子的圆柱面上有两个周期的闭合弦曲线圆弧轨道,对置的活塞通过推杆中部的球面副作用于钢球,钢球在圆弧轨道中作啮合传动,使转子每转一周完成一次四冲程循环,将活塞的往复运动变为转子的转动,位于转子轴上的凸轮盘每转一周,依次驱动各缸进、排气门的启闭,完成一次配气正时,利用气缸内被压缩的空气产生的压力直接作用于气动泵喷油器的泵油活塞向缸中喷油,可提高机械效率,并节能。

Description

一种循环钢球正弦凸轮转子气动啧油活塞式内燃机

本发明是一种循环钢球正弦凸轮转子气动喷油活塞式内燃机，用于汽车、船舶等的动力。

现在广泛使用的曲柄连杆机构活塞式内燃机，由于多缸机结构复杂，曲轴平衡较困难，曲轴颈和轴承要承受很大的交变应力的作用，曲轴的扭振也难以消除，使内燃机工作时产生振动，部分能量通过摩擦和振动损失掉。

根据现有技术资料来看，参阅机械工业出版社1979年3月出版的《机械工程手册》第74篇(内燃机)。曲柄连杆机构工作时产生的离心惯性力和离心惯性力矩要靠增加配重进行平衡，往复惯性力和往复惯性力矩要用正、反向旋转的平衡轴装置平衡，而大多数内燃机为简化结构，则采用增大曲轴两端曲柄臂上的平衡块，使部分往复惯性力矩从纵向平面转移到水平平面，以减小内燃机的纵向振动。这些平衡措施使内燃机结构复杂化，重量增大。由于曲轴是一个弹性系统，存在一个固有的共振频率，使曲轴扭振无法根除，只有划出转速禁区，加装备类扭振消减装置来抑制扭振。另外曲轴制造工艺复杂，活塞连杆组重量不能超差，装配条件苛刻。

本发明用“循环钢球正弦凸轮转子机构”取代“曲柄连杆机构”，克服了由曲柄连杆机构产生的交变应力，消除了曲轴扭振，使内燃机结构简化，可提高机械效率，降低油耗。

凸轮机构因为是高副，比压大，一般认为不能做为动力传动的机构，本发明用循环钢球正弦凸轮转子机构将活塞的往复运动转换为凸轮转子的旋转运动，且凸轮转子是完全平衡的，不仅适用于传递动力，而且运转平穗，结构紧凑，其钢球在两个周期的闭合正弦曲线圆弧轨道中做相对运动，等效于圆弧齿圆柱齿轮的啮合传动过程。钢球在圆弧轨道中跑合后，钢球与圆弧轨道为圆弧线接触的高副，钢球在圆弧轨道中滚动，具有圆弧齿圆柱齿轮传递功率大，机械效率高的优点。

气动泵喷油器是一种内燃机燃料供给装置，用于内燃机的燃油喷射雾化，这种气动泵喷油器即可用于柴油机的柴油喷射雾化，亦可用于汽油机的汽油喷射雾化，尤其是二冲程汽油机的汽油喷射雾化。

一般柴油机用的是喷油器和喷油泵分离的两个独立部件，其间用高压油管相连。由于柴油的可压缩性，油管又具有弹性，当供油参数不当，转速或油压较高时，柴油会在高压油管中形成压力波，造成二次喷射，这是不正常喷射，使燃烧恶化。根据现有技术资料来看，参阅人民交通出版社1996年8月出版的《现代汽车发动机燃料供给装置》一书中发表的资料，美国通用汽车公司在30代研制的泵喷油器，是将喷油器和柱塞泵合二为一个部件，取消了高压油管，使喷油压力提高可达129．5MPa，喷雾质量好，消除了二次喷射现象。但其驱动机构和油路布置在缸盖上，使缸盖结构结构复杂，供油提前器及调速器布置较困难，调整不便。仅用于有限的柴油机上。

汽油机为改善化油器在各工况下混合比不易控制，雾化不良的缺陷，30年代曾采用与柴油机的喷射系统相仿的缸内汽油高压喷射系统，用于飞机发动机上，参阅国防工业出版社1956年4月出版的《航空发动机原理》，50年代德国奔驰汽车公司用于汽车发动机，后被电控汽油喷射系统取代。电控汽油喷射是缸外进气道低压喷射系统，在二冲程汽油机上应用受到限制。

本发明是以内燃机气缸内被压缩的空气产生的压力直接推动泵油活塞，向气缸中喷油，克服了美国通用汽车公司的泵喷油器由凸轮驱动高压柱塞泵所带来的使缸盖结构复杂，维护调整不便，凸轮磨损及消耗曲轴功率的缺点；克服了化油器，电控汽油喷射系统应用在二冲程汽油机上以混合气扫气所造成的燃料损失。

用循环钢球正弦凸轮转子活塞式内燃机和气动泵喷油器组成的循环钢球正弦凸轮转子气动喷油活塞式内燃机，机械效率高，油耗低，排污小。

下面分述本发明导致的两项独立的发明：循环钢球正弦凸轮转子活塞式内燃机和气动泵喷油器。

循环钢球正弦凸轮转子活塞式内燃机结构详见附图1。

循环钢球正弦凸轮转子活塞式内燃机是由正弦凸轮转子(1)，钢球(2)，球衬(3)，推杆(4)，活塞(5)，活塞环(6)，弹性挡圈(7)，机匣(8)，前气缸体(9)，后气缸体(10)，前气缸盖(11)，后气缸盖(12)，进气门(13)，排气门(14)，气门弹簧(15)，挺柱(16)，滚轮(17)，前凸轮盘(18)，后凸轮盘(19)，平键(20)，卡键(21)，圆锥轴承(22)，滚珠轴承(23)，滑动轴承(24)，前端盖(25)，后端盖(26)组成。

其推杆(4)两端各套一个活塞(5)，活塞(5)与推杆(4)过渡配合或过盈配合，活塞(5)嵌有活塞环(6)，活塞(5)由弹性挡圈(7)止动，推杆(4)中部凹进的半球面嵌球衬(3)，正弦凸轮转子(1)的转子轴上每边各套一只圆锥轴承(22)，圆弧轨道中放入钢球(2)，若干组推杆活塞组件通过球衬(3)分别扣在相应的钢球(2)上，各推杆活塞组件的轴线与正弦凸轮转子(1)的轴线平行，均布在以正弦凸轮转子(1)轴心为圆心的圆周上，各活塞分别插对应的前气缸体(9)，后气缸体(10)的气缸中，由机匣(8)连接前气缸体(9)，后气缸体(10)，将正弦凸轮转子(1)，推杆活塞组件封装；前气缸盖(11)，后气缸盖(12)上每缸位各装进气门(13)，排气门(14)，气门弹簧(15)套在各气门上，挺柱(16)套在气门弹簧(15)外，挺柱(16)上装滚轮(17)，各滚轮(17)分别与前凸轮盘(18)，后凸轮盘(19)接触，前凸轮盘(18)，后凸轮盘(19)通过平键(20)分别套在正弦凸轮转子(1)两边的转子轴上，压在滚轮(17)上，气门处于开启状态的气门弹簧向外侧压紧前凸轮盘(18)和后凸轮盘(19)，由卡键(21)限制轴向移动，前端盖(25)通过滑动轴承(24)套在正弦凸轮转子(1)的转子轴上并压在前气缸盖(11)上，后端盖(26)通过滚珠轴承(23)套地正弦凸轮转子的转子轴上，并压在后气缸盖(12)上，全部零件紧固为一个整体。

(27)是进气道，(28)是排气道，(29)是活花塞或喷油器。

圆弧齿圆柱齿轮承载能力高，其齿面承载能力比普通渐开线圆柱齿轮高2-2．5倍，机械效率可达0．99，凸齿和凹齿作相对的高速滚动，齿间的润滑油成膜条件好。本发明的循环钢球正弦凸轮转子机构在形式上虽然没有圆弧齿圆柱齿的结构，但其传动实质是相同的，相当于一副螺旋角大小和方向周期性不断变化的圆弧齿圆柱齿轮，都是以圆弧线接触，做相对高速滚动，所以它适用于动力的传动，并具有圆弧齿圆柱齿轮的所有优点。

本发明基本组成必须是2周期8缸内燃机，8个气缸的排列从轴向看呈“+”字型布置，才能完全平衡地工作。正弦凸轮转子圆柱表面有二个周期的闭合正弦曲线圆弧轨道，沿圆柱表面展开如图2所示：由单位圆得出的正弦曲线y=sinx，一个周期的长度等于单位圆周长，正弦凸轮转子的圆柱直径由下式确定：

          R----单位圆半径

          L----内燃机冲程

          2πL----2个周期的正弦曲线长度

正弦曲线波峰与波谷之间的距离等于内燃机冲程L。

以钢球直径所在的平面将钢球分为两个半球，一半嵌入推杆中部的球衬(3)中，构成球面副，另一半嵌入圆弧轨道中，构成圆弧线接触的高副。推杆活塞组件由处于同轴线二个对置的气缸的约束，作往复直线运动。钢球(2)由球衬(3)保持，随推杆活塞组件作往复直线运动，在相对于正弦凸轮转子(1)的旋转运动过程中循环，钢球有5个自由度，可在圆弧轨道中滚动，在球衬(3)中的半球作滑动。为减少摩擦，球衬做成一个形同无底的碗，其缺省部分的空间用来贮存润滑油和容纳污垢。钢球从正弦曲线圆弧轨道的波峰运动到波谷，或从波谷运动到波峰过程，其钢球运动轨迹的积分相当于一副圆弧齿圆柱齿轮的啮合过程。

沿正弦凸轮转子圆柱表面展开，气缸也随之展开的平面机构示意图如图3所示，从图3可以看出：正弦凸轮转子(1)上的两个周期的闭合正弦曲线圆弧轨道，使得正弦凸轮转子每转一周，各推杆活塞组件完成一个四冲程循环，亦即各气缸中的活塞依次完成一个四冲程工作循环。其工作过程详见附表1：

表1．2周期8缸内燃机工作循环表(发火次序1．4-2．7-3．6-5．8)

注：1^#和4^#缸，2^#和7^#缸，3^#和6^#缸，5^#和8^#缸的排列，相位差分别为90°

从图3和表1可见，要保持内燃机平稳工作，应由8个气缸组成才能完全平衡推杆活塞组件的往复惯性力。8缸共有4组推杆活塞组件，由4个钢球带动，在闭合正弦曲线圆弧轨道的峰点与谷点之间作往复直线运动，总是1．2组、5．6组推杆活塞组件与3．4组、7．8组推杆活塞组件同时作相向运动，且重量相等，它们是关于正弦凸轮转子轴线中心对称的运动，所以1．2组、5．6组推杆活塞组件产生的轴向推力和往复惯性力被3．4组、7．8组完全平衡掉。反之亦然，它们总是相互对消的。正弦凸轮转子圆柱表面的圆弧轨道呈有规律的变化，使正弦凸轮转子在重量分布上对于转轴是中心对称的，所以正弦凸轮转子是完全平衡的，从而使内燃机运转平稳，无振动损失。由于消除了曲柄连杆机构产生的交变应力的作用，和曲轴扭振，使机体受力较小，柴油机则可以轻量化；推杆的侧向力由两个活塞分担，使活塞对气缸壁的正压力减小，减小了其间的摩擦力。活塞是一个均匀的旋转体，受热均匀，消除了曲柄连杆内燃机活塞耳座造成的热膨胀不均的现象，使活塞制造工艺简单。

在2周期8缸内燃机基础上增加8个气缸，可以构成2周期16缸内燃机。8个钢球及推杆活塞组件，其轴线平行于正弦凸轮转子的轴线，从轴向看呈“米”字型均布在以正弦凸轮转子轴心为圆心的圆周上，使内燃机工作更平稳，单位体积功率更大，而不增加机构的复杂性。8个推杆活塞组件相邻的两组，作功相位差为45°。

本发明的正弦凸轮转子圆圜柱表面还可以制成4周期、6周期、8周期及2n周期(n是正整数)，与其对应，可以构成4周期16缸／32缸，6周期24缸／48缸，8周期32缸／64缸，及2n周期8n缸／16n缸的四冲程内燃机，正弦凸轮转子每转一周，各缸作功次数相应增加为2次、3次、4次、n次。周期数越大，内燃机转速越低，扭矩越大，径向尺寸也越大。采用合适的周期数构成的船用低速内燃机，可与螺旋桨良好匹配。

由于正弦凸轮转子每转一周完成一个四冲程循环，使得进、排气门可以由正弦凸轮转子直接带动凸轮盘以1∶1的转速依次驱动各气缸进、排气门的启闭，每转一周使各气缸完成一次四冲程配气正时，其凸轮盘结构详见图4：外圈为进气凸轮，内圈为排气凸轮，或根据设计两者可以互相易位，进、排气凸轮相位差为90°左右。各气缸的进、排气门沿内燃机径向呈放射状排列，使各缸进、排气门分别位于凸轮盘的两条同心圆凸轮轨道上，挺柱(16)上的滚轮(17)减小了与凸轮盘的摩擦力，前凸轮盘(18)与后凸轮盘(19)在驱动相位上差90°角。

本发明可以采用水冷和气冷型式。气冷的叶轮可装在气缸盖段的正弦凸转子的转轴上，前后各一只，使空气由气缸体吸入，由叶轮从气缸盖排出，结构紧凑。采用压力循环润滑，由正弦凸轮转子内部的孔道向各润滑点分配输送润滑油。

本发明可以由化油器(也称汽化器)，电控汽油喷射系统及缸内高压汽油喷射中的一种向内燃机供给汽油及代用燃料，火花塞电点火构成的点燃式汽油机。

本发明可以由高压柱塞泵，分配式喷油泵，喷油器，泵喷油器，PT喷油器中的一种向内燃机气缸内啧射柴油及代用燃料，构成的压燃式柴油机。

本发明可以由气体燃料供给装置构成的使用各种可燃性气体燃料，火花塞电点火的点燃式，柴油压燃点火的煤气机。

本发明的循环钢球正弦凸轮转子机构可以构成以扫气方式工作的二冲程内燃机。

与曲柄连杆机构活塞式内燃机相比，本发明具有如下优点：

1、保留了活塞式内燃机往复活塞机构密封严密，工作可靠，结构简单，动力性和经济性高的优点，克服了曲柄连杆机构产生的交变应力，及曲轴扭振，使内燃机述转平稳，无振动。

2、钢球在正弦凸轮转子的圆弧轨道中滚动，润滑油成膜条件好，推杆的侧向力由两个对置的活塞平均分担，传递给气缸壁，活塞对气缸壁的正压力小，因而摩擦损失小。

3、正弦凸轮转子每转一周完成一个四冲程循环，凸轮盘安装在转子轴上，以1∶1的转速直接依次驱动各气进、排气门的配气正时。而曲柄连杆机构内燃机曲轴每转两周完成一个四冲程循环，需用正时齿轮等机构做2∶1减速对进、排气门进行配气正时。使内燃机结构简化，减少了传动损失。

4、曲柄连杆机构内燃机一个作功冲程使曲轴转过180°角，而循环钢球正弦凸轮转子内燃机一个作功冲程使转子转过90°角。因此，作功的路程短，摩擦损失小，相同的活塞平均速度，后者比前者转速低一倍，或者说在相同转速下，后者比前者功率大一倍，使之具有低速大扭矩的特点。

5、曲柄连杆机构内燃机作功冲程，活塞的推力在180°的做功角内，由于连杆角度的变化，形成有效扭矩的分力变化很大，而循环钢球正弦凸轮转子内燃机则变化很小，使活塞的推力更有效地形成内燃机的扭矩。

6、以上特点，使循环钢球正弦凸轮子内燃机机械效率高，节能效果显著。

7、整体构造简单，体积小，特别是高度低，重量轻，结构紧凑，转速均匀，运转平稳，制造工艺简便。

气动泵喷油器的结构详见附图5。

气动泵喷油器是由套管(1)，泵油活塞(2)，活塞环(3)，复位弹簧(4)，导销(5)，柱塞套(6)，柱塞(7)，限程环(8)，固定油针(9)，活动喷咀套(10)，压套(11)，调压螺母(12)，调压止动销(13)，调压簧(14)，压紧螺塞(15)，定位销(16)，限位套(17)，压紧弹簧(18)，锥套(19)，泵体(20)，压盖(21)，调节齿轮(22)组成。

其活塞环(3)嵌入泵油活塞(2)起密闭气体的作用。泵油活塞(2)内装柱塞套(6)，定位销(16)将柱塞套(6)与泵油活塞(2)定位于一体，限制柱塞套(6)旋转。活动喷咀套(10)套在固定油针(9)外，限程环(8)套在活动喷咀套(10)外，调压螺母(12)旋在活动喷咀套(10)外的螺纹上，插在调压螺母(12)上的两根调压止动销(13)嵌在压套(11)的两条纵槽中，在旋转活动喷咀套调节针阀开启压力时，阻止调压螺母旋转，使调压螺母(12)沿活动喷咀套(10)轴向往复运动，调节调压弹簧(14)压力的大小，从而调定针阀的开启压力；调压弹簧(14)套在活动喷咀套(10)外，位于调压螺母(12)和压套(11)之间，压套(11)的端面压在限程环(8)上，由压紧螺塞(15)旋入泵油活塞(2)的螺纹中，将压套(11)压紧，使之形成一体。两根导销(5)插在泵油活塞(2)的孔中，并嵌入套管(1)的两条纵向导槽中，复位弹簧(4)套在泵油活塞(2)外，一同装在套管(1)内，插在泵体(20)中，压紧弹簧(18)套在柱塞(7)外，柱塞(7)插在柱塞套(6)，限位套(17)中，锥套(19)套在柱塞(7)的圆锥台上，压盖(21)旋入泵体(20的螺纹中，将全部零件封装为一个整体。齿轮(22)套在柱塞(7)外，位于压盖(21)上，用来旋转柱塞(7)，以调节供油量。

(23)是燃油入口，(24)是润滑油入口，导气孔(25)与大气相通，使泵油活塞(2)背腔的压力与大气压力相同，保证气缸内空气的绝对压力作用在泵油活塞上。

本发明具备升压、喷射、精确计量及完全雾化四项功能。

现在使用的高压柱塞泵是燃油从柱塞套上的进油孔进入泵内，由凸轮驱动柱塞，使柱塞与柱塞套产生相对运动，油腔容积减小，使泵内燃油压力升高，控油棱边制在柱塞套上，旋转柱塞对供油量进行计量调节。本发明与上述正相反，燃油是从柱塞(7)上端的燃油入口(23)由柱塞内心进入泵内，由内燃机气缸内被压缩的空气产生的压力压缩泵油活塞(2)，驱动泵油活塞(2)内的柱塞套(6)，使柱塞套(6)与柱塞(7)产生相对运动，减小泵内压油腔容积，使燃油压力升高，控油棱边制在柱塞套上，对供油量进行计量调节。其结构详见附图6。柱塞套(6)沿内表面展开的平面图见附图7，(26)是控油棱边，(27)是环形槽，(28)是纵槽。柱塞(7)上的两个进油孔相对于柱塞套(6)上控油棱边不同位置，确定不同的啧油量。燃油从柱塞(7)上的两个进油孔沿环形槽(27)，纵槽(28)进入压油腔，柱塞套(6)上升封闭进油孔，泵内油压升高，使之从啧咀喷出，进油孔越过控油棱边(26)，进油孔暴露，高压燃油从进油孔流回来油处，通过旋转柱塞(7)调节供油量，完成供油计量。柱塞套(6)上的油道将润滑油输往活动喷咀套(10)，泵油活塞(2)的活塞环槽，使之得到润滑。图8所示：(a)为最大供油量，(b)为半供油量，(c)为最小供油量，(d)为断油位置。

现用的喷油器是针阀体固定不动，针阀运动，启闭针阀来控制喷油。高压燃油从针阀与针阀体的间隙微量泄漏，经回油管回流，使喷油压力有所减小，不利于雾化。本发明是固定油针(9)固定不动，活动喷咀套(10)运动，高压燃油从固定油针上的导油孔(29)和导油槽(30)到达针阀(31)，压开活动喷咀套(10)，开启针阀喷油，其结构详见图9。螺旋状的导油槽(30)使燃油旋转喷出，增大喷雾锥角，减小惯穿度。喷油结束，活动喷咀套(10)在调压弹簧(14)的作用下，关闭针阀(31)。活动喷咀套(10)上端的圆锥台与限程环(8)上的圆锥面构成密封阀(32)，活动啧咀套在高压燃油的作用下，由限程环限制行程，其落程最大为0．2-0．4mm范围，封闭密封阀(32)，阻止高压燃油泄漏，保持高压喷油，油压越高，关闭越紧。固定油针(9)和活动喷咀套(10)构成的闭式喷咀(33)具有出油阀和喷咀阀的双重功能，喷油结束，针阀(31)落座关闭，使柱塞泵重新抽油，为下次喷油作准备。喷咀(33)的形式根据要求可以是单孔、多孔、无压力室喷咀(即VCO喷咀)。活动喷咀套(10)的喷咀旁开有调节孔或槽，用专用工具调整调压弹簧(14)的弹力，控制针阀(31)的开启压力，范围在5-40MPa。

限位套(17)限制泵油活塞(2)的升程，并承受泵油活塞传递的气缸内气体的压力，锥套(19)承受柱塞(7)的压力、由柱塞(7)中段，柱塞套(6)上端，限位套(17)构成的环形油腔成为润滑油泵，柱塞套(6)上升，减小环形油腔容积，由于导油槽的节流作用，使润滑油压力升高，对柱塞与柱塞套构成的精密偶件进行润滑，润滑油从润滑油入口(24)进入泵内，部分回流，另一部分经柱塞套(6)上的导油孔，导油槽，限程环上的导油槽进入活动喷咀套(10)，泵油活塞(2)的活塞环槽，对其润滑。进入压套(11)的润滑油还对针阀(31)，调压弹簧(14)进行冷却和隔热，保证针阀工作正常。由于柱塞(7)在小180°的角内来回旋转调节供油量，进油管可用一段软管连接，不影响柱塞的旋转。

本发明的工作原理：图10所示，内燃机在压缩冲程时，当压缩终了，汽油机缸内空气压力达0．6-1MPa，柴油机达3．5-4．5MPa，泵油活塞(2)背腔的导气孔(25)与大气相通，缸内空气的压强P₁作用在泵油活塞上产生压力F $F=(\frac{D_1}{2}{)}^2\mathrm{\π}{P}_1$

        D₁----泵油活塞直径压力F通过燃油作用在柱塞上，使柱塞泵内的燃油产生压强P₂ $P_2=\frac{F}{(D_2/2{)}^2\mathrm{\π}}=\frac{(D_1/2{)}^2\mathrm{\π}{P}_1}{(D_2/2{)}^2\mathrm{\π}}=(D_1/D_2{)}^2{P}_1$

即P₂=(D₁／D₂)²P₁

D₂----柱塞直径

燃油压强由D₁／D₂的比值确定。该值一般为4左右为宜，过大则气动泵喷油器直径增大，应用较困难，过小则最大燃油压力低。

燃油的实际压强由下式确定： $P_2=\frac{F-\mathrm{K\ΔL}}{(D_2/2{)}^2\mathrm{\π}}=\frac{(D_1/2{)}^2\mathrm{\π}{P}_1-\mathrm{K\ΔL}}{(D_2/2{)}^2\mathrm{\π}}=P_1(\frac{D_1}{D_2}{)}^2-\frac{4\mathrm{K\ΔL}}{D_2^2\mathrm{\π}}\left(\mathrm{MPa}\right)$

KΔL----复位弹簧弹力

K----弹性系数

ΔL----弹簧压缩长度

气缸内被压缩的空气产生的压力，在压缩终了时，压缩泵油活塞(2)泵油，油压升高压开活动喷咀套(10)喷油，燃油压力可达120MPa，作功结束，四冲程内燃机在排气、进气冲程，二冲程内燃机在扫气过程，气缸气压降到大气压附近，泵油活塞(2)在复位弹簧(4)的作用下复位，为下一次喷油过程作准备。

当其它条件确定后，喷油时刻由进入气缸内空气的多少来确定，因此，调节空气进入量可对喷油提前角进行调整。

喷油规律由空气和燃气产生的两级压力作用，呈现二步啧油，使之具有高喷油速率，短喷油持续期。

由泵油活塞等零件组成的往复运动部件的重量对气动泵喷油器影响较大，它的工作频率影响着内燃机转速传，要尽量减小重量，以提高内燃机的转速。

用齿条转动调节齿轮(22)调节供油量。采用电动伺服机构调节柱塞转角调节喷油量，为内燃机电控化提供了一个较理想的元件。

本发明在内燃机上的安装形式，详见图11，图12。图11所示为在气缸盖上的常规形式，图12为适应四冲程汽油机使燃油喷向火花塞，或小缸径四冲程内燃机，气动泵喷油器安装在气缸体上，与气缸轴线约呈30°夹角。

与美国通用汽车公司的泵喷油器相比，本发明具有如下优点：

1、由于利用气缸内被压缩的空气产生的压力推动泵油活塞泵油，没有凸轮驱动机构，不消耗曲轴功率，使内燃机结构简单，利于提高内燃机转速。

2、由凸轮驱动的高压柱塞泵，随内燃机转速的变化，其喷油压力变化很大：低转速时雾化不良，高转速时，泵体应力大增，凸轮磨损加剧。而气动啧油器先期喷油是靠压缩空气，先期喷入气缸中的燃油燃烧后产生的燃气压力骤增，使啧油压力猛增，使之具有高喷油速率，短喷油持续期，内燃机从低速到高速范围内喷油压力变化小，使得各工况下的喷雾质量好。在空气和燃气产生的二级压力作用下呈现二步喷油，使着火延迟期内喷入气缸的燃油少，边燃烧边喷油减小了爆震倾向。

3、泵油活塞被压缩后让出的容积缓冲了着火时的暴发力，气缸压力升高率增加平稳，使内燃机工作柔和。

4、固定油针与活动喷咀套构成的闭式喷咀，在停止喷油时，避免燃油向缸内泄漏，活动喷咀套与限程环构成的密封阀，在燃油压力作用下保持密闭，使之在喷油时阻止高压燃油泄漏，保持高压喷油，活动喷咀重量小，断油迅速。

5、喷油提前量通过节气门调节进入气缸空气的多少，控制压缩终了时空气的压力，从而改变喷油时刻，调节机构简单。

6、适用于柴油机、汽油机的燃油喷射雾化。汽油机可提高压缩比，实现在过剩空气系数下的分层燃烧，特别是二冲程汽油机，用空气扫气后，压缩终了时喷油，改善了二冲程气油机的经济性。

7、构造简单，结构紧固，寿命长。

将气动泵喷油器按图11、图12所示方式安装在循环钢球正弦凸轮转子机上构成的循环钢球正凸轮转子气动喷油活塞式内燃机，应用于汽车、船舶、机车、飞机等，其高机械效率、低油耗、运转平稳、构造简洁、比重小的显著优点，改善了现有内燃机技术的缺陷，节能和排污指标可以创造新的突破，意义重大。

附图2中，上图是正弦凸轮转子圆柱表面展开的平面图，图中正弦曲线点划线是钢球球心的运动轨迹，两条近似正弦曲线的实线是钢球运动轨迹的包络。

下图是钢球球心按正弦曲线y=sinx运动的理论轨迹的平面展开图。

附图6是由柱塞(7)和柱塞套(6)组成的高压柱塞泵结构图。

附图9是由泵油活塞(2)、柱塞套(6)、固定油针(9)、活动喷咀套(10)限程环(8)、压套(11)、调压螺母(12)、调压弹簧(14)、压紧螺塞(15)等组成的泵油活塞组件总成图。

Claims (12)

1、一种用正弦凸转子(1)，钢球(2)，球衬(3)，推杆(4)，活塞(5)，活塞环(6)，弹性当圈(7)，机匣(8)，前气缸体(9)，后气缸体(10)，前气缸盖(11)，后气缸盖(12)，进气门(13)，排气门(14)，气门弹簧(15)，挺柱(16)，滚轮(17)，前凸轮盘(18)，后凸轮盘(19)，平键(20)，卡键(21)，圆锥轴承(22)，滚珠轴承(23)，滑动轴承(24)，前端盖(25)，后端盖(26)，组成的循环钢球正弦凸轮转子活塞式内燃机。其特征是：所设计的推杆(4)两端各套一个活塞(5)，活塞(5)与推杆(4)过渡配合或过盈配合，活塞(5)嵌有活塞环(6)，活塞(6)由弹性挡圈(7)止动，推杆(4)中部凹进的半球面嵌球衬(3)，正弦凸轮转子(1)的转子轴上每边各套一只圆锥轴承(22)，圆弧轨道中放入钢球(2)，若干组推杆活塞组件通过球衬(3)分别扣在相应的钢球(2)上，各推杆活塞组件的轴线与正弦凸轮转子(1)的轴线平行，均布在以正弦凸轮转子(1)轴心为圆心的圆周上，各活塞分别插入对应的前气缸体(9)，后气缸体(10)的气缸中，由机匣(8)连接前气缸体(9)，后气缸体(10)，将正弦凸轮转子(1)，推杆活塞组件封装；前气缸盖(11)，后气缸盖(12)上每缸位各装进气门(13)，排气门(14)，气门弹簧(15)套在各气门上，挺柱(16)套在各气门弹簧外，挺柱(16)上装滚轮(17)，各滚轮(17)分别与前凸轮盘(18)，后凸轮盘(19)接触，前凸轮盘(18)，后凸轮盘(19)通过平键(20)分别套在正弦凸轮转子(1)两边的转子轴上，压在滚轮(17)上，气门处于开启状态的气门弹簧向外侧压紧前凸轮盘(18)和后凸轮盘(19)，由卡键(21)限制轴向移动，前端盖(25)通过滑动轴承(24)套在正弦凸轮转子(1)的转子轴上并压在前气缸盖(11)上，后端盖(26)通过滚珠轴承(23)套在正弦凸轮转子的转子轴上，并压在后端盖(12)上，全部零件紧固为一个整体。

2、根据权利要求1所述的循环钢球正弦凸轮转子活塞式内燃机，其特征是：正弦凸轮转子(1)的圆柱面有两个周期的闭合正弦曲线圆弧轨道，对置的活塞(5)通过推杆(4)中部嵌入的球衬(3)作用于钢球(2)，钢球(2)在圆弧轨道中作滚动，使正弦凸轮转子每转一周完成一个四冲程循环，将活塞(5)的往复直线运动变换成正弦凸轮转子的旋转运动；位于正弦凸轮转子(1)转轴上的凸轮盘每转一周，依次驱动各气缸进、排气门的启闭，使8缸／16缸各完成一次四冲程配气正时，前凸轮盘(18)与后凸轮盘(19)在驱动相位上差90°角。

3、根据权利要求1所述的循环钢球正弦凸轮转子活塞式内燃机，其特征是：正弦凸轮转子(1)的圆柱表面制有2个周期、4个周期、6个周期、8个周期，及2n个周期(n是正整数)的闭合正弦曲线圆弧轨道，与其对应分别构成2周期8缸／16缸，4周期16缸／32缸，6周期24缸／48缸，8周期32缸／64缸，及2n周期8n缸／16n缸，各气缸每转作功次数相应为1次、2次、3次、4次、n次的四冲程内燃机。

4、根据权利要求1、权利要求2、权利要求3所述的循环钢球正弦凸轮转子活塞式内燃机，其特征是：由化油器(也称汽化器)，电控汽油喷射系统及缸内高压汽油喷射中的一种向内燃机供给汽油及代用燃料，火花塞电点火构成的点燃式汽油机。

5、根据权利要求1、权利要求2、权利要求3所述的循环钢球正弦凸轮转子活塞式内燃机，其特征是：由高压柱塞泵，分配式喷油泵，喷油器，泵喷油器，PT喷油器中的一种向内燃机气缸内喷射柴油及代用燃料，构成的压燃式柴油机。

6、根据权利要求1、权利要求2、权利要求3所述的循环钢球正弦凸轮转子活塞式内燃机，其特征是：由气体燃料供给装置构成的使用各种可燃性气体燃料，火花塞电点火的点燃式、柴油压燃点火的煤气机。

7、根据权利要求1、所述的循环钢球正弦凸轮转子内燃机中的循环钢球正弦凸轮转子机构，其特征是：正弦凸轮转子的圆柱表面制有若干周期的闭合正弦曲线圆弧轨道，若干个钢球嵌在圆弧轨道中，通过对应数量的杆件中部的球面副作用，杆件被约束为往复直线运动，其轴线与正弦凸轮转子的轴线平行，并均布在以正弦凸轮转子轴心为圆心的圆周上，钢球自由度为5，杆件自由度为1，实现往复直线运动与旋转运动的互相转换。

8、根据权利要求7所述的循环钢球正弦凸轮转子机构，其特征是：构成以扫气方式工作的二冲程内燃机。

9、一种用套管(1)，泵油活塞(2)，活塞环(3)，复位弹簧(4)，导销(5)，柱塞套(6)，柱塞(7)，限程环(8)，固定油针(9)，活动喷咀套(10)，压套(11)，调压螺母(12)，调压止动销(13)，调压弹簧(14)，压紧螺塞(15)，定位销(16)，限位套(17)，压紧弹簧(18)，锥套(19)，泵体(20)，压盖(21)，调节齿轮(22)组成的气动泵喷油器。其特征是：所设计的活塞环(3)嵌入泵油活塞(2)，泵油活塞(2)内装入柱塞套(6)，定位销(16)将柱塞套(6)与泵油活塞(2)定位于一体，活动喷咀套(10)套在固定油针(9)外，限程环(8)套在活动喷咀套(10)外，调压螺母(12)旋在活动喷咀套(10)外的螺纹上，插在调压螺母(12)上的两根调压止动销(13)嵌在压套(11)的两条纵槽中，调压弹簧(14)套在活动喷咀套(10)外，位于调压螺母(12)和压套(11)之间，压套(11)的端面压在限程环(8)上，由压紧螺塞(15)旋入泵油活塞(2)的螺纹中，将压套(11)压紧，使之形成一体；两根导销(5)插在泵油活塞(2)的孔中，并嵌入套管(1)的两条纵向导槽中，复位弹簧(4)套在泵油活塞(2)外，一同装在套管(1)内，插在泵体(20)中，压紧弹簧(18)套在柱塞(7)外，柱塞(7)插在柱塞套(6)，限位套(17)中，锥套(19)套在柱塞(7)的圆锥台上，压盖(21)旋入泵体(20)的螺纹中，将全部零件封装为一个整体。调节齿轮(22)套在柱塞(7)外，位于压盖(21)上。

10、根据权利要求9，所述的气动泵喷油器，其特征是：燃油从柱塞(7)内心进入高压柱塞泵，利用内燃机气缸内被压缩的空气产生的压力直接作用于泵油活塞(2)，与泵油活塞(2)构成一体的柱塞套(6)，随之产生与柱塞(7)的相对运动，使燃油压力升高，推开活动喷咀套(10)，燃油喷入气缸，喷油压力在5-120MPa范围，旋转柱塞(7)，改变柱塞(7)上进油孔与柱塞套(6)上控油棱边的相对位置对燃油计量，调节喷油量。

11、根据权利要求9所述的气动泵喷油器，其特征是：固定油针(9)固定不动，燃油通过其上的导油孔和导油槽到达针阀，活动喷咀套(10)在燃油压力的作用下下落，最大落程为0．2-0．4mm，活动喷咀套(10)上端的圆锥台与限程环(8)上的圆锥面构成密封阀，在燃油压力的作用下保持密闭，阻止高压燃油泄漏；喷油结束时，活动喷咀套(10)在调压弹簧(14)的作用下，使固定油针(9)与活动喷咀套(10)构成的针阀落座关闭。调压弹簧(14)在5-40MPa的范围调节针阀开启压力。

12、根据权利要求9，所述的气动泵喷油器，其特征是：进油孔在柱塞(7)上，控油棱边在柱塞套(6)上，柱塞(7)不动，柱塞套(6)作与柱塞(7)轴向的相对运动。

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