CN1811146A - 组合齿轮副活塞动力机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合齿轮副活塞动力机。这种动力机主要由组合齿轮副扭矩转化器、气缸活塞套件，供气供燃料及其控制系统组成。本发明将气缸活塞受到的两个反向推力由组合齿轮副扭矩转化器转化为总转化扭矩，彻底摆脱了正弦机构的束缚和仅将活塞受到的一个推力转化为机轴扭矩的传统，每行程驱动机轴1π，总转化扭矩可达到活塞扭矩绝对值1.5倍以上、2以下，每行程驱动机轴小于1π，总转化扭矩可达到活塞扭矩绝对值2倍以上，活塞行程加长，机械损失减少，比质量减小，各种效力提高，输出扭矩和功率增大，明显提高活塞动力机的动力性能、运转性能、经济性能。

Description

组合齿轮副活塞动力机

技术领域：

本发明涉及一种活塞式内燃机，尤其是一种组合齿轮副活塞动力机。

背景技术：

一百多年来，活塞动力机推动了工业革命和科技发展，但是至今蒸气机效率最高不过30％，内燃机效率最高不过40％，发展潜力还很大。在燃料危机感和环保意识不断加强的现代，改进动力机越来越迫切。人们知道活塞动力机的优点，也意识到曲轴正弦机构的缺陷，曲轴正弦机构使活塞蒸气机被淘汰，曲轴活塞内燃机在不少原来使用的领域处境困难。

发明内容：

为了发扬活塞动力机的优点，本申请提出了一种优于曲轴机构的组合齿轮副扭矩转化器，并发明由组合齿轮副扭矩转化器派生的气缸活塞旋转、气缸旋转、活塞旋转的组合齿轮副活塞动力机、流体内循环组合齿轮副活塞动力机、燃气—流体内循环双元组合齿轮副活塞动力机，以达到减小机械损失、减小比质量和燃料消耗率等，提高活塞动力机的动力性能、运转性能、经济性能。

本发明所采取的技术方案是：

主要由组合齿轮副扭矩转化器、气缸活塞套件、供气供燃料及其控制系统组成；其中，

组合齿轮副扭矩转化器的结构特点是：由支架，主动轴，从动轴，不完全齿轮刚性组合成的齿轮构成；主动轴、从动轴都设置不完全齿轮刚性组合成的齿轮，并且主动轴不完全齿轮刚性组合成的齿轮与从动轴不完全齿轮刚性组合成的齿轮啮合为齿轮副；此扭矩转化器的两条主动轴扭矩方向相反，从动轴将气缸活塞受到缸内气体的两个方向相反的力转化为只有一个转动方向的总转化扭矩。

气缸活塞套件的结构特点是：工质对气缸活塞的力偶作用的两部分互为动连接，与其它机体动连接，并且分别与组合齿轮副扭矩转化器的两条主动轴刚性连接，适应这个特点的结构有：圆弧形活塞在圆弧形气缸内转动的结构；沿气缸中心的轴向将气缸壁分为独立转动的两部分，两部分气缸壁内分别刚性连接活塞、气缸壁外通过连接件分别与两条主动轴刚性连接而转动的结构；沿气缸中心的轴向将气缸壁分为独立的三部分，一部分固定，两部分分别与主动轴刚性连接而转动，两个活塞分别安装在转动部分气缸壁内，将三部分气缸壁合围成的圆形气缸分隔为两个独立的圆弧形气缸的结构；流体作为热载体内循环驱动两个活塞转动的结构。

供气、供燃料及其控制系统的结构特点是：依靠滑动来开关气门的滑动式气门塞；

根据以上原理及特征可构成：气缸活塞转动的由不完全齿轮的齿轮副转化扭矩的动力机，气缸、活塞分别转动的由不完全齿轮的齿轮副转化扭矩的动力机，气体推活塞转动的由不完全齿轮的齿轮副转化扭矩的动力机，流体内循环组合齿轮副活塞蒸气机，燃气推活塞转动与内循环流体推活塞转动的由不完全齿轮的齿轮副转化扭矩的双元动力机。

组合齿轮，其结构特点是：一个齿轮由若干个同轴心的不完全齿轮刚性组合而成，能利用它的齿与其它有齿元件连续啮合，互相传递运动。

靠滑动来开关气门的气门塞，结构特点是：气门塞由一层或者数层重叠而成，由控制系统推拉滑动而开关气门。

沿气缸中心的轴向将气缸壁分为独立两部分的结构，其特点是：气缸壁沿着气缸中心的轴向分为独立转动的两部分，两部分气缸壁内分别刚性连接活塞，气缸壁外通过连接件分别与两条主动轴刚性连接，定位装置动连接在两条主动轴、两部分气缸交接处。

圆弧形活塞在圆弧形气缸内转动的结构，其特点是：圆弧形汽缸及圆弧形活塞分别通过连接件刚性连接在两条主动轴上，绕着同一个轴心转动，活塞能转动入气缸内。

气缸活塞转动的由不完全齿轮的齿轮副转化扭矩的动力机的结构特点是：气缸壁沿着气缸中心的轴向分为独立转动的两部分；两部分气缸壁内分别刚性连接活塞，并安装进气道、排气道、气门塞、喷油器；气缸壁外通过连接件分别与两条主动轴刚性连接，主动轴、不完全齿轮刚性组合成的齿轮与从动轴不完全齿轮组刚性合成的齿轮啮合为齿轮副；有定位装置动连接在两条主动轴、两部分气缸交接处，使两部分气缸壁滑动摩擦面紧密接触。

气缸、活塞分别转动的由不完全齿轮的齿轮副转化扭矩的动力机，结构特点是：圆弧形汽缸及圆弧形活塞分别通过连接件刚性连接在两条主动轴上，绕着同一个轴心转动，活塞能转动入气缸内；气缸底安装进气道、排气道、气门塞、喷油器；主动轴不完全齿轮刚性组合成的齿轮与从动轴不完全齿轮刚性组合成的齿轮啮合为齿轮副。

气体推活塞转动的由不完全齿轮的齿轮副转化扭矩的动力机，结构主要特点是：沿气缸中心的轴向将气缸壁分为独立的三部分，一部分固定，两部分分别与主动轴刚性连接而转动；两个活塞分别安装在转动部分气缸壁内，将三部分气缸壁合围成的圆形气缸分隔为两个独立的圆弧形气缸；主动轴不完全齿轮刚性组合成的齿轮与从动轴不完全齿轮刚性组合成的齿轮啮合为齿轮副。

流体内循环组合齿轮副活塞蒸气机，结构主要特点是：沿气缸中心的轴向将气缸壁分为独立的三部分，一部分固定，两部分分别与主动轴刚性连接而转动；两个活塞分别安装在转动部分气缸壁内，将三部分气缸壁合围成的圆形气缸分隔为两个独立的圆弧形气缸；在固定气缸壁安置进气道、排气道；进气道连接锅炉的高压气体出口；排气道通过回流道与锅炉连接，回流道有高压泵促进流体返流锅炉，作为热载体重复使用；主动轴不完全齿轮刚性组合成的齿轮与从动轴不完全齿轮刚性组合成的齿轮啮合为齿轮副。

燃气推活塞转动与内循环流体推活塞转动的由不完全齿轮的齿轮副转化扭矩的双元动力机，结构特点是：有两个气缸做工单元，每个气缸都沿气缸中心的轴向将气缸壁分为独立的三部分，一部分固定，两部分分别与主动轴刚性连接而转动；两个活塞分别安装在气缸壁内，将三部分气缸壁合围成的圆形气缸分隔为两个独立的圆弧形气缸；在固定气缸壁安置进气道、排气道；其中，气缸壁的进气道连接燃烧室的高压气体出口，气缸壁主动轴不完全齿轮刚性组合成的齿轮与从动轴不完全齿轮刚性组合成的齿轮啮合为齿轮副；另一个气缸壁的进气道连接锅炉的高压气体出口，排气道通过回流道与锅炉连接，回流道有高压泵促进流体返流锅炉，作为热载体重复使用；气缸壁的主动轴不完全齿轮刚性组合成的齿轮与从动轴不完全齿轮刚性组合成的齿轮啮合为齿轮副。

本发明的优点和积极效果：

本发明将气缸活塞受到的两个反向推力由组合齿轮副扭矩转化器转化为总转化扭矩，彻底摆脱了正弦机构的束缚和仅将活塞受到的一个推力转化为机轴扭矩的传统，每行程驱动机轴1π，总转化扭矩可达到活塞扭矩绝对值1.5倍以上、2以下，每行程驱动机轴小于1π，总转化扭矩可达到活塞扭矩绝对值2倍以上，活塞行程加长，机械损失减少，比质量减小，各种效力提高，输出扭矩和功率增大，明显提高活塞动力机的动力性能、运转性能、经济性能。

组合齿轮副扭矩转化器对照曲轴动力转化装置，产生有益的效果：

①不完全齿轮在间歇运动机构有冲击和震动，做不完全齿轮组合齿轮副连续运转，它的冲击、震动、运转平稳性能和摩擦损失等方面优于曲轴装置，并且适当技术处理后，在运转过程中不会“咬死”，能承受重载。

②曲轴力转化装置受正弦传递函数及行程限制，不能将燃料爆炸始末对活塞很大的推力充分转化为机轴扭矩。组合齿轮副扭矩转化器彻底摆脱正弦函数的束缚，把气缸活塞受到缸内气体的方向相反的两个力同时转化为从动轴总转化扭矩，使从动轴扭矩与活塞主动轴扭矩绝对值成正比，每冲程驱动从动轴转动1π，比值可以在0.3以下到2以下，根据条件和需要选择，每冲程驱动从动轴转动小于1π时比值可达2以上，这对动力机各种性能都会产生良好的影响。

③曲轴力转化装置从活塞运动到曲轴旋转摩擦损失大。组合齿轮副扭矩转化器直接将气缸主动轴、活塞主动轴的扭矩通过齿轮副转化为从动轴扭矩，摩擦损失小，使其机械性能更好。

组合齿轮副活塞动力机对照曲轴活塞动力机，产生许多有益的效果：

①机械效率大大地提高：根据资料，曲轴活塞动力机的机械损失功率的分布大致为：

活塞和活塞环的摩擦损失：            45％～65％

整个活塞连杆曲轴机构摩擦损失：      60％～70％

气门机构的驱动损失：                2％～3％

附属机构的驱动损失：                10％～20％

泵气损失：        10％～20％

其中，活塞和活塞环的摩擦损失、整个活塞连杆曲轴机构摩擦损失所占的比例最大。组合齿轮副发动机刚好减少这两项占比例最大的摩擦损失，同时减小冷却损失等等，因此，组合齿轮副活塞动力机的机械损失功率比曲轴活塞发动机小得多，机械效率比曲轴发动机高得多。

②机轴转化扭矩和功率提高：曲轴活塞动力机的气缸直径使行程和曲柄转动半径受到限制，机轴的扭矩也受到正弦传递函数的限制。相比之下，组合齿轮副活塞动力机的活塞行程长、从动轴扭矩与活塞的主动轴扭矩绝对值成正比，比率可达1.5以上，作理论示功图、扭矩转化P-V、ω-M图等和一些计算比较，组合齿轮副活塞动力机的扭矩和功率优越于曲轴活塞动力机。

③热效率提高：受正弦传递函数和行程限制，曲轴活塞动力机不能用燃料爆炸初期巨大压力和燃气膨胀末期不小的压力做工，而组合齿轮副活塞动力机行程长、从动轴的扭矩可以始终大于活塞轴扭矩绝对值的1.5倍，使利用燃料爆炸初期巨大压力和燃气膨胀末期不小的压力做功具有明显价值，排气压力小也减小消声的功率消耗，使热机的总效率高于曲轴活塞动力机。

④结构更简单，比质量更小：组合齿轮副活塞动力机省略连杆曲轴、外冷等笨重部件，整机结构简单、紧凑，同功率单、双缸动力机的体积和重量，比曲轴活塞动力机小得多；因此组合齿轮副活塞动力机比质量(单位输出功率的质量)更小。

⑤更为环保：组合齿轮副活塞动力机的气缸充分换气，有足够空气、行程，可选择适当温度和压力进行燃料充分燃烧，排出的废气会更环保；同时，排气温度和压力小，噪音污染会很小。

结合热效率、机械效率、机轴转化力矩、功率、单位质量功率性能、环保等等因素，组合齿轮副活塞动力机多方面优于曲轴活塞动力机有充足理由。

流体内循环组合齿轮副活塞蒸气机对照蜗轮蒸气机有如下优点：

①流体内循环组合齿轮副活塞蒸气机，热载体内循环不仅大大减少热载体消耗，而且可以在密封和相对绝热的系统中更高效地将热能转化为机械能，利于蒸气机小型化、密封化，扩大用途。

②更环保。流体内循环组合齿轮副活塞蒸气机噪音污染低，热污染少，特别是核能活塞蒸气机，流体内循环组合齿轮副活塞蒸气机的热载体密封、相对绝热循环，能有效地预防工质放射污染，可望核能活塞蒸气机小型化、无害化、密封化，扩大用途。

燃气—流体内循环双元组合齿轮副活塞动力机与燃气蜗轮机、曲轴活塞内燃机的比较：

①燃烧室壁、锅炉壁有流体降温，温度不会太高，利于材料的选择、制作和绝热。

②热效率、机械效率更高：双元的活塞都能在行程较长的气缸中充分膨胀、降温、降压、做工，排气温度可接近室温，压力接近大气压，提高热效率，热载体内循环省略热载体消耗，这是其它热机难以达到的；两个做工单元交错做工，消除零工区间，无须起动系，输出扭矩有叠加并且较均衡，这是四冲程曲轴活塞动力机四个缸联合做工也达不到的；因此，可望热机总效率更高。

③更环保：整个燃气—流体内循环双元组合齿轮副活塞动力机可以设计在相对绝热的环境中工作，可以使用多种燃料，可以设计燃料在燃烧室内以最恰当的温度、最恰当的条件充分燃烧，减少有害物质的形成，排气温度和压力接近大气等等，因此各种污染可望更低。

附图说明：

图1为组合齿轮副结构示意图。

图2为一副力偶的组合齿轮扭矩转化器基本结构示意图。

图3为气门塞控制原理简图。

图4为滑动气门塞控制原理简图。

图5为双叠滑动气门塞开启的纵切面图。

图6为单体泵燃料供给及其调节系统示意图。

图7为高压油封示意图。

图8为缸、活塞转动的气缸底气门塞控制简图。

图9为气缸、活塞转动的套件简图。

图10为气缸、活塞转动的组合齿轮副活塞动力机组装简图。

图11为气缸内的燃气开始做工图。

图12为气缸开始排气图。

图13为活塞、气缸转动速度互换图。

图14为活塞进入气缸图。

图15为气缸内空气压缩图。

图16为气缸旋转套件示意图。

图17为气缸旋转的组合齿轮副活塞内燃机总装简图。

图18为气缸8A做工、8B换气图。

图19为气缸8B空气压缩图。

图20为组合齿轮副气动活塞动力机总装简图。

图21为组合齿轮副流体内循环蒸气机总装简图。

图22为气缸8A蒸气做工图。

图23为气缸8A供气停止图。

图24为两个活塞同速转动图。

图25为燃气-流体内循环双元组合齿轮副活塞动力机总装简图。

为了叙述简便，在叙述中，以半径的编号代表不完全齿轮，如“齿轮副m、n”表示由半径为m、n的不完全齿轮组成齿轮副，“组合齿轮m、n”表示由半径为m、n的不完全齿轮构成组合齿轮。Rm表示组合齿轮半径较大的编号为m的不完全齿轮。rn表示组合齿轮半径较小的编号为n的不完全齿轮。

图中标号所示：

1-支架，2.1-主动轴1，2.2-主动轴2，3-从动轴，4-不完全齿轮r4，5-不完全齿轮R5，6-不完全齿轮r6，7-不完全齿轮R7，

8-气缸(底)，8a-气缸壁a部分，8b-气缸壁b部分，8.1-气缸与主动轴1的连接件，8.1a-气缸主动轴1与气缸壁8a的连接件，8.2b-气缸主动轴2与气缸壁8b的连接件，8A-气缸A，8B-气缸B，8a.1-第1气缸壁a部分，8a.2-第2气缸壁a部分，8b.1-第1气缸壁b部分，8b.2-第2气缸壁b部分，8c.1-第1气缸壁c部分，8c.2-第2气缸壁c部分，

9-活塞，9a-活塞a，9a.1-第1气缸的活塞a，9b-活塞b，9b.1-第1气缸的活塞b，9.1-气缸与主动轴1的连接件，9.2-活塞与主动轴2的连接件，9a.2-第2气缸的活塞a，9b.2-第2气缸的活塞b，

10-进气道，10a-进气道a，10b-进气道b，10.1-第1气缸进气道，10.2-第2气缸进气道，

11-排气道，11a-排气道a，11b-排气道b，11.1-第1气缸排气道，11.2-第2气缸排气道，11.3-回流道，

12-气门塞，12.1-滑动气门塞，12.2-第二层滑动气门塞，12.3-叠滑气门塞，

13-弹簧，14-摇臂，

15-推杆，15.1-推杆1，15.2-推杆，15.2a-推杆2a，15.2b-推杆2b，

16.1-端面凸轮，16.2-凸轮，

17.1-空气滤清器，17.2-燃料滤清器，

18-调速器，19-油箱，

20.1-油管，20.2-高压油管，20.3-高压不旋转油管端面接头，20.4-旋转高压油管，20.5-旋转油管端面接头；20.7-储压器，20.8-回油管，

21-高压油封，

22.1-空气压缩机，22.2-配气器，

23.1-单体泵，23.2-低压泵，23.3-变量高压泵，23.4-喷油器，

24-喷嘴，25-套管，26-滚珠，27-滚珠碗，

28-各种传感器，28.1-压力传感器，

29-电控器，

30.1-限压阀，30.2-节流阀，

31-定位构件，32-配重平衡体，33-燃烧室，34-锅炉。

图中，实线黑箭头表示活塞的转动方向和大小，空心箭头表示气缸的转动方向和大小，虚线箭头表示气体的运动方向。

具体实施方式：

(1)组合齿轮副扭矩转化器实施方式：

如图2，气缸活塞受到缸内气体的两个力转化为组合齿轮副扭矩转化器主动轴2.1的扭矩为-M1、主动轴2.2的扭矩为M1′，-M1≈M1′。主动轴2.1的r4(齿轮角速度ω4)与从动轴3的R7(齿轮角速度ω7)组成齿轮副4、7，ω4＞ω7，所以从动轴3的转化扭矩M2＞|-M1|；主动轴2.2的R5(齿轮角速度ω5)与从动轴3的r6(齿轮角速度ω6)组成齿轮副5、6，ω5＜ω6，从动轴3的转化扭矩|-m2|＜M1′。因此从动轴3有总转化扭矩M＝M2+(-m2)＞0。因为R7与R6同一个齿轮，ω7＝ω6，那么ω4＞ω5，所以r4的主动轴2.1较r5的主动轴2.2转动得快，主动轴2.1连接的气缸(活塞)较主动轴2.2连接的气缸(活塞)转动得快，气缸A的容积逐渐增大，给气缸中的气体膨胀，推动气缸、活塞做工创造条件，也给气缸B容积减小创造排气、空气压缩的条件，见图18、图19。

当活塞受到缸内气体的两个力的方向对调时，转化到组合齿轮副扭矩转化器的主动轴2.1、主动轴2.2的扭矩方向对调，分别为M1′、-M1。主动轴2.1、主动轴2.2与从动轴3的齿轮副的半径对调，即主动轴2.1与从动轴3的齿轮副4、7变成齿轮副5、6，ω5＜ω6，转化到从动轴3的扭矩|-m2|＜M1′；主动轴2.2与从动轴3的齿轮副5、6变成齿轮副4、7，ω4＞ω7，转化到从动轴3的扭矩M2＞|-M1|，从动轴3有总转化扭矩M＝(-m2)+M2＞0。R7与r6同一个齿轮，ω7＝ω6，那么ω4＞ω5，所以r4的轴2.2较r5的轴2.1转动得快，主动轴2.2连接的气缸(活塞)较主动轴2.1连接的气缸(活塞)转动得快，气缸B的容积逐渐增大，给气缸B的气体膨胀，推动气缸、活塞做工创造条件。如果仅有一个气缸A，即可给气缸-活塞提供空气压缩的条件。

由此可知，气缸活塞受到缸内气体的两个方向相反的力转化为两条主动轴的扭矩，不管哪一条主动轴的扭矩方向是正或者负，组合齿轮副扭矩转化器都有相应的齿轮副，使从动轴3有总转化扭矩M＝M2+(-m2)＞0，并且在确定组合齿轮副扭矩转化器各个不完全齿轮的半径以后，从动轴3总转化扭矩的大小与活塞转化到主动轴扭矩的绝对值成正比关系。其实，气缸、活塞的转动及气缸容积的变化完全由组合齿轮副控制，气缸、活塞做工的行程以及转化扭矩的大小也完全由组合齿轮副决定。

要两个活塞同速转动一个角度，如活塞蒸气机、活塞燃气机等，则需要主动轴有三个转动速度梯度，要主动轴、从动轴的组合齿轮由三个不完全齿轮组成，其中有一个是节齿轮0(在简图中未画出)，当主动轴与从动轴的节齿轮0啮合成齿轮副0、0时，两个活塞将同速转动。

在相反的情况下，有一个扭矩输入从动轴3，从动轴3也能够通过组合齿轮副分解成主动轴2.1、2.2的扭矩，转化为气缸、活塞的两个方向相反的力，给组合齿轮副活塞动力机的起动提供条件。

2、(压燃式)气缸、活塞旋转的组合齿轮副活塞动力机实施方式：

在起动机带动下，气缸8内的空气达到设定压缩比，见图11。组合齿轮副力矩转化器从动轴3的凸轮16.2压迫供油单体泵23.1的柱塞，供油单体泵23.1产生高压油，见图6，从不旋转的高压油管20.2，经高压油封21进入旋转的高压油管20.4，见图7，到达喷油器23.4，从喷嘴24喷油、燃烧、膨胀做工，见图6、图11。气体膨胀使气缸(底)8、活塞9受到方向相反的两个推力，转化到组合齿轮副扭矩转化器主动轴2.1、2.2，形成的方向相反的扭矩-M、M′，由实施方式1知道，组合齿轮副扭矩转化器从动轴3具有总转化扭矩M；气缸8、活塞9的角速度ω8＞ω9，气缸8如黑箭头方向快速转动，活塞9如空心箭头方向慢速转动，见图11。活塞9转动超出气缸8的口，气缸8内的废气如虚线箭头方向排出，气缸8依然如黑箭头方向快速转动，活塞9如空心箭头方向慢速转动，见图12。活塞9转动达到气缸8外的特定距离，组合齿轮副扭矩转化器的组合齿轮副半径全部对调，即主动轴2.1与从动轴3的齿轮副4、7变为齿轮副5、6，主动轴2.2与从动轴3的齿轮副5、6变为齿轮副4、7，使气缸8、活塞9转动的角速度由ω8＞ω9变为ω8＜ω9，活塞9向气缸口靠近，见图13。当活塞9进入气缸8内时，端面凸轮16.1不压推杆15.2b，滑动气门塞12.2在回位弹簧13作用下打开排气道11，关闭进气道10，气缸8内的气体从排气道11排出，见图8、图14。当活塞使气缸8达到设定容积，端面凸轮16.1不压推杆15.2a，叠滑气门塞12.3在回位弹簧13作用下关闭气门，进入压缩过程，见图8、图15。达到设定压缩比，组合齿轮副扭矩转化器主动轴2.1、2.2和从动轴3的组合齿轮副的不完全齿轮半径完全对调，使气缸8转动加速、活塞9转动减速；与此同时，喷油器23.4向气缸内喷油、燃烧、做工，使从动轴3的总转化扭矩M＝M2+(-m2)＞0，重复上面所述做工、排气、压缩过程。不断重复上述过程，从动轴3即可不断输出扭矩，发挥动力机作用。为了限制发动机的最高转速，保证在低速、怠速与其它工况下的转速稳定，在从动轴3装有调速器18，以调控供油单体泵23的工作保持适当转速，见图6。由于一个缸的气缸、活塞的重心都不在轴心，设配重体32，使重心尽可能靠近轴心，减少震动。当两个缸或两个缸以上组合在一起时，重心可能与轴心靠近，不必配重体32即可减少震动。

两个、两个以上气缸配合工作或需要优化动力机时，燃料供给与调节系统最好采用电子控制，简图10。

3、(压燃式)气缸旋转的组合齿轮副活塞动力机实施方式：

气缸旋转的组合齿轮副活塞动力机在起动机带动下，使气缸8A或者8B内的空气被压缩到设定压缩比，见图18组合齿轮副力矩转化器从动轴3的凸轮16.2压迫供油单体泵23.1的柱塞，见图6，高压油从供油单体泵23.1，经不转动高压油管20.2、高压油封21、转动高压油管20.4(见图7)，到达喷油器23.4，从喷嘴24喷油、燃烧、膨胀做工，气体膨胀对两个活塞9a、9b的两个方向相反的力，转化为组合齿轮副扭矩转化器主动轴2.1、2.2的扭矩-M1、M1′，分别通过组合齿轮副4、7，组合齿轮副5、6转化为从动轴3的扭矩M2、-m2。主动轴2.1与从动轴3的齿轮副4、7，ω4＞ω7，M2＞|-M1|；主动轴2.2与从动轴3的齿轮副5、6，ω5＜ω6，|-m2|＜M1′，组合齿轮副扭矩转化器的从动轴3有总转化扭矩M＝M2+(-m2)＞0，见图2。此时，主动轴2.1、2.2与从动轴3的齿轮副分别是：齿轮副4、7，齿轮副5、6，不完全齿轮的角速度：ω4＞ω7，ω5＜ω6，ω7＝ω6，所以ω4＞ω5，主动轴2.1、2.2的角速度ω2.1＞ω2.2，活塞9a、9b的角速度ω9a＞ω9b，如黑箭头所示；此时气缸8B排气的叠滑气门塞12.3、进气的叠滑气门塞12.3先后打开，气缸8内的废气经排气道排出气缸；空气如虚线方向经空气滤清器17.1、进气道10进入气缸8B，气缸8B进行换气过程，见图18。

气缸8B达到设定容积，气缸8B的排气叠滑气门塞12.3、进气叠滑气门塞12.3先后关闭，气缸8B进入压缩过程，见图19。

气缸8B达到设定压缩比，重复气缸8A的喷油、燃烧、膨胀做工、扭矩转化过程。不过，由于活塞9a、9b受力的是相反的另一面，因此，转化到组合齿轮副扭矩转化器主动轴2.1、2.2的扭矩方向完全相反，分别为M1′、-M1，组合齿轮副扭矩转化器的从动轴3的总转化扭矩M＝(-m2)+M2＞0。ω4＞ω7，ω5＜ω6，ω7＝ω6，所以ω4＞ω5，主动轴2.1、2.2的角速度ω2.1＞ω2.2，活塞9a、9b的角速度ω9b＞ω9a，转动如黑箭头所示；此时气缸8A的排气叠滑气门塞12.3、进气叠滑气门塞12.3先后打开，气缸8A进入换气过程。

两个气缸8A、8B不断地轮流做工、换气、压缩，从动轴3不断地获得总转化扭矩M＝M2+(-m2)＞0。为了限制发动机的最高转速，保证在低速、怠速与其它工况下的转速稳定，在从动轴3装有调速器18，以调控变量高压泵23.3的工作。

在两个、两个以上气缸配合工作或需要优化动力机时，燃料供给与调节系统应采用电子控制，见图17。

4、组合齿轮副气动活塞动力机实施方式：

过热气体从锅炉34经进气管10如虚线箭头进入气缸8A，使活塞9a、9b具有两个方向相反的力，转化为组合齿轮副扭矩转化器从动轴3的总转化扭矩M，组合齿轮副扭矩转化器主动轴2.1与从动轴3的齿轮副4、7，主动轴2.2与从动轴3的齿轮副5、6，使活塞9b慢速、9a快速如实线箭头同向转动，气缸8B如虚线箭头方向排气，见图20，图22；当活塞9a转动到设定角度，活塞9b堵塞了进气道10通往气缸8A的口，气缸8A内的过热气体开始膨胀做工，见图23；因为主动轴2.1、2.2的组合齿轮都由r4、R5、R0组成，从动轴3的组合齿轮由r6、R7、R0组成，R0为节齿轮，所以主动轴与从动轴之间有：齿轮副4、7，齿轮副5、6，齿轮副0、0；活塞9a转动到排气道11出口时，将气缸8B的排气口堵住，组合齿轮副扭矩转化器主动轴2.1、2.2、从动轴3的节齿轮啮合为齿轮副0、0，使两个活塞9a、9b同速转动，见图24，到气缸8B与进气道10连通后，过热高压气体进入气缸8B，组合齿轮副扭矩转化器主动轴2.1、从动轴3的齿轮副由齿轮副0、0换成齿轮副5、6，主动轴2.2、从动轴3的齿轮副同时由齿轮副0、0换成齿轮副4、7，让过热高压气体驱动活塞9b快速转动、9a慢速转动，气缸8B内的高压过热气体做工，气缸8A排气，由活塞9b重复活塞9a上述过程，活塞9a重复活塞9b上述过程，从动轴3不断输出扭矩M。二个缸做工，要配备起动机，在遇到齿轮副0、0不能起动时使用，四缸及四缸以上不必配起动机。

5、流体内循环组合齿轮副活塞动力机实施方式：

过热蒸气从锅炉34经进气管10进入气缸8A，使活塞9a、9b具有两个方向相反的力，转化为组合齿轮副扭矩转化器从动轴3的总转化扭矩M，组合齿轮副扭矩转化器主动轴2.1与从动轴3的齿轮副4、7，主动轴2.2与从动轴3的齿轮副5、6，使活塞9b慢速、9a快速如实线箭头同向转动，气缸8B如虚线箭头方向排气，见图21，图22；气缸8B排出的流体，从排气道11进入回流道11.3，由低压泵23.2、变量高压泵23.3把流体泵回锅炉作热载体循环使用。当活塞9a转动到设定角度，活塞9b堵塞了进气道10通往气缸8A的口，气缸8A内的过热蒸气开始膨胀做工，见图23；因为主动轴2.1、2.2的组合齿轮都由r4、R5、R0组成，从动轴3的组合齿轮由r6、R7、R0组成，R0为节齿轮，所以主动轴与从动轴之间有：齿轮副4、7，齿轮副5、6，齿轮副0、0；活塞9a转动到排气道11出口时，将气缸8B的排气口堵住，组合齿轮副扭矩转化器主动轴、从动轴的节齿轮啮合为齿轮副0、0，使两个活塞9a、9b同速转动，见图24，到气缸8B与进气道10连通后，过热高压蒸气进入气缸8B，组合齿轮副扭矩转化器主动轴2.1、从动轴3的齿轮副由齿轮副0、0换成齿轮副5、6，主动轴2.2、从动轴3的齿轮副同时由齿轮副0、0换成齿轮副4、7，让过热高压蒸气如黑线箭头驱动活塞9b快速转动、9a慢速转动，由活塞9b重复活塞9a上述过程，活塞9a重复活塞9b上述过程，从动轴3不断输出扭矩M，低压泵23.2、变量高压泵23.3不断把排气道的流体泵回锅炉作热载体循环使用。仅二个气缸做工配备起动系，在遇到齿轮副0、0不能起动时使用。

6、燃气—流体内循环双元组合齿轮副活塞动力机实施方式，见图25：

空气经空气压缩机22.1从配气器22.2喷入燃烧室33，燃料经变量高压泵23.3从喷油器23.4喷入燃烧室33燃烧，产生高温高压燃气，通过燃气进气道10a进入活塞燃气机的气缸8A.1，使两个活塞9a.1、9b.1具有两个方向相反的力，转化为组合齿轮副扭矩转化器从动轴3的总转化扭矩M，见图25、图2。在组合齿轮副扭矩转化器的作用下，活塞9a.1快速、活塞9b.1慢速同向转动，见图22。活塞9a.1转动到特定角度时，活塞9b.1堵住气缸8A.1的进气口，气缸8A.1内的燃气膨胀做工，气缸8B.1排气，见图23，一直到活塞9a.1堵住气缸8B.1的排气道，活塞9a.1、9b.1在组合齿轮副扭矩转化器齿轮副0、0的作用下，同速转动，见图24，气缸8B与进气道连通后，组合齿轮副扭矩转化器主动轴2.1、从动轴3的齿轮副由齿轮副0、0换成齿轮副5、6，主动轴2.2、从动轴3的齿轮副同时由齿轮副0、0换成齿轮副4、7，使活塞9b.1快速、9a.1慢速同向转动，活塞9b.1、9a.1换位重复上述做工过程，组合齿轮副扭矩转化器从动轴不断地获得同方向的总转化扭矩M。

与此同时，燃烧室33的壁加温锅炉34中的流体，高压高温蒸气通过进气道10b进入流体内循环活塞蒸气机的气缸8A.2，使两个活塞9a.2、9b.2具有两个方向相反的力，转化为组合齿轮副扭矩转化器从动轴3的总转化扭矩M，见图25、图2。在组合齿轮副扭矩转化器的作用下，活塞9a.2快速、活塞9b.2慢速同向转动，气缸8B.2排气，见图22，排出的气体经回流道11.3由低压泵23.2及变量高压泵23.3输入锅炉作为热载体重新加温循环使用，见图25。活塞9a.2转动特定角度时，活塞9b.2堵住气缸8A.2的进气口，气缸8A.2内的蒸气膨胀做工，气缸8B.2排气，见图23，一直到活塞9a.2堵住气缸8B.2的排气道，活塞9a.2、9b.2在组合齿轮副扭矩转化器的齿轮副0、0的作用下，同速转动，见图24，气缸8B.2与进气道10.2连通后，组合齿轮副扭矩转化器主动轴2.1、从动轴3的齿轮副由齿轮副0、0换成齿轮副5、6，主动轴2.2、从动轴3的齿轮副同时由齿轮副0、0换成齿轮副4、7，使活塞9b.2快速、9a.2慢速同向转动，活塞9b.2、9a.2换位重复上述做工过程，组合齿轮副扭矩转化器从动轴3不断地获得同方向总转化扭矩M。

两个做工单元共用一条组合齿轮副扭矩转化器的主动轴2.2，利于两个做工单元交错配合做工，见图25。

Claims (10)

1、一种组合齿轮副活塞动力机，其特征是：主要由组合齿轮副扭矩转化器、气缸活塞套件、供气供燃料及其控制系统组成；其中，

(1)、能将力偶转化为总转化扭矩的组合齿轮副扭矩转化器的结构特点是：由支架(1)，主动轴(2.1)、(2.2)，从动轴(3)，不完全齿轮刚性组合成的齿轮(01)、(02)构成；主动轴(2.1)、(2.2)、从动轴(3)都设置不完全齿轮刚性组合成的齿轮，并且主动轴(2.1)、(2.2)不完全齿轮刚性组合成的齿轮与从动轴(3)不完全齿轮刚性组合成的齿轮啮合为齿轮副；此扭矩转化器的主动轴(2.1)、(2.2)扭矩方向相反(M)、(-M)，从动轴(3)将气缸活塞受到缸内气体的两个方向相反的力转化为只有一个转动方向的总转化扭矩(M)；

(2)、气缸活塞套件的结构特点是：工质对气缸活塞的力偶作用的两部分互为动连接，与其它机体动连接，并且分别与组合齿轮副扭矩转化器的两条主动轴(2.1)、(2.2)刚性连接，适应这个特点的结构有：圆弧形活塞(9)在圆弧形气缸(8)内转动的结构；沿气缸中心的轴向将气缸壁分为独立转动的两部分(8a)、(8b)，两部分气缸壁(8a)、(8b)内分别刚性连接活塞(9a)、(9b)、气缸壁(8a)、(8b)外通过连接件分别与两条主动轴(2.1.1)、(2.2.1)刚性连接而转动的结构；沿气缸(8)中心的轴向将气缸壁分为独立的三部分，一部分(8c)固定，两部分(8a)、(8b)分别与主动轴(2.1)、(2.2)刚性连接而转动，两个活塞(9a)、(9b)分别安装在转动部分气缸壁(8a)、(8b)内，将三部分气缸壁(8a)、(8b)、(8c)合围成的圆形气缸分隔为两个独立的圆弧形气缸(9A)、(9B)的结构；流体作为热载体内循环驱动两个活塞转动的结构；

(3)、供气、供燃料及其控制系统的结构特点是：依靠滑动来开关气门的滑动式气门塞(12.2)、(12.3)；

根据以上原理及特征可构成：气缸活塞转动的由不完全齿轮的齿轮副转化扭矩的动力机，气缸、活塞分别转动的由不完全齿轮的齿轮副转化扭矩的动力机，气体推活塞转动的由不完全齿轮的齿轮副转化扭矩的动力机，流体内循环组合齿轮副活塞蒸气机，燃气推活塞转动与内循环流体推活塞转动的由不完全齿轮的齿轮副转化扭矩的双元动力机。

2、根据权利要求1所述的组合齿轮副活塞动力机，其特征是所述的由若干个不完全齿轮刚性组合成的齿轮，其结构特点是：一个齿轮由若干个同轴心的不完全齿轮刚性组合而成，能利用它的齿与其它有齿元件连续啮合，互相传递运动。

3、根据权利要求1所述的组合齿轮副活塞动力机，其特征是靠滑动来开关气门的气门塞，结构特点是：气门塞(12.2)、(12.3)由一层或者数层重叠而成，由控制系统推拉滑动而开关气门。

4、根据权利要求1所述的组合齿轮副活塞动力机，其特征是沿气缸中心的轴向将气缸壁分为独立两部分的结构，其特点是：气缸壁沿着气缸中心的轴向分为独立转动的两部分(8a)、(8b)，两部分气缸壁(8a)、(8b)内分别刚性连接活塞(9a)、(9b)，气缸壁(8a)、(8b)外通过连接件分别与两条主动轴(2.1.1)、(2.2.1)刚性连接，定位装置(31)动连接在两条主动轴(2.1)、(2.2)、两部分气缸(8a)、(8b)交接处。

5、根据权利要求1所述的组合齿轮副活塞动力机，其特征是圆弧形活塞在圆弧形气缸内转动的结构，其特点是：圆弧形汽缸(8)及圆弧形活塞(9)分别通过连接件刚性连接在两条主动轴(2.1.1)、(2.2.1)上，绕着同一个轴心转动，活塞(9)能转动入气缸(8)内。

6、根据权利要求1、2、3、4、所述的组合齿轮副活塞动力机，其特征是气缸活塞转动的由不完全齿轮的齿轮副转化扭矩的动力机的结构特点是：气缸壁沿着气缸中心的轴向分为独立转动的两部分(8a)、(8b)；两部分气缸壁(8a)、(8b)内分别刚性连接活塞(9a)、(9b)，并安装进气道(10)、排气道(11)、气门塞(12.3)、喷油器(3.4)；气缸壁(8a)、(8b)外通过连接件分别与两条主动轴(2.1)、(2.2)刚性连接，主动轴(2.1)、(2.2)不完全齿轮刚性组合成的齿轮与从动轴(3)不完全齿轮组刚性合成的齿轮啮合为齿轮副；有定位装置(31)动连接在两条主动轴(2.1)、(2.2)、两部分气缸(8a)、(8b)交接处，使两部分气缸壁滑动摩擦面紧密接触。

7、根据权利要求1、2、3、5、所述的组合齿轮副活塞动力机，其特征是气缸、活塞分别转动的由不完全齿轮的齿轮副转化扭矩的动力机，结构特点是：圆弧形汽缸(8)及圆弧形活塞(9)分别通过连接件刚性连接在两条主动轴(2.1)、(2.2)上，绕着同一个轴心转动，活塞(9)能转动入气缸(8)内；气缸底安装进气道(10)、排气道(11)、气门塞(12.2)、(12.3)、喷油器(23.4)；主动轴(2.1)、(2.2)不完全齿轮刚性组合成的齿轮与从动轴(3)不完全齿轮刚性组合成的齿轮啮合为齿轮副。

8、根据权利要求1、2、所述的组合齿轮副活塞动力机，其特征是气体推活塞转动的由不完全齿轮的齿轮副转化扭矩的动力机，结构主要特点是：沿气缸(8)中心的轴向将气缸壁分为独立的三部分，一部分(8c)固定，两部分(8a)、(8b)分别与主动轴(2.1)、(2.2)刚性连接而转动；两个活塞(9a)、(9b)分别安装在转动部分气缸壁(8a)、(8b)内，将三部分气缸壁(8a)、(8b)、(8c)合围成的圆形气缸分隔为两个独立的圆弧形气缸(9A)、(9B)；主动轴(2.1)、(2.2)不完全齿轮刚性组合成的齿轮与从动轴(3)不完全齿轮刚性组合成的齿轮啮合为齿轮副。

9、根据权利要求1、2、所述的组合齿轮副活塞动力机，其特征是流体内循环组合齿轮副活塞蒸气机，结构特点是：沿气缸(8)中心的轴向将气缸壁分为独立的三部分，一部分(8c)固定，两部分(8a)、(8b)分别与主动轴(2.1)、(2.2)刚性连接而转动；两个活塞(9a)、(9b)分别安装在转动部分气缸壁(8a)、(8b)内，将三部分气缸壁(8a)、(8b)、(8c)合围成的圆形气缸分隔为两个独立的圆弧形气缸(9A)、(9B)；在固定气缸壁(8c)安置进气道(10)、排气道(11)；进气道(11)连接锅炉的高压气体出口；排气道(11)通过回流道(11.3)与锅炉(34)连接，回流道(11.3)有高压泵(23.3)促进流体返流锅炉(34)，作为热载体重复使用；主动轴(2.1)、(2.2)不完全齿轮刚性组合成的齿轮与从动轴(3)不完全齿轮刚性组合成的齿轮啮合为齿轮副。

10、根据权利要求1、2、所述的组合齿轮副活塞动力机，其特征是燃气推活塞转动与内循环流体推活塞转动的由不完全齿轮的齿轮副转化扭矩的双元动力机，结构特点是：有两个气缸做工单元，每个气缸都沿气缸中心的轴向将气缸壁分为独立的三部分，一部分(8c)固定，两部分(8a)、(8b)分别与主动轴(2.1)、(2.2)刚性连接而转动；两个活塞(9a)、(9b)分别安装在气缸壁(8a)、(8b)内，将三部分气缸壁(8a)、(8b)、(8c)合围成的圆形气缸分隔为两个独立的圆弧形气缸(9A)、(9B)；在固定气缸壁(8c.1)安置进气道(10.1)、排气道(11.1)；其中，气缸壁(8c.1)的进气道(10.1)连接燃烧室(33)的高压气体出口，气缸壁(8a.1)、(8b.1)主动轴(2.1)、(2.2)不完全齿轮刚性组合成的齿轮与从动轴(3)不完全齿轮刚性组合成的齿轮啮合为齿轮副；另一个气缸壁(8c.2)的进气道(10.2)连接锅炉(34)的高压气体出口，排气道(11.2)通过回流道(11.3)与锅炉(34)连接，回流道(11.3)有高压泵(23.3)促进流体返流锅炉(34)，作为热载体重复使用；气缸壁(8a.2)、(8b.2)的主动轴(2.1)、(2.2)不完全齿轮刚性组合成的齿轮与从动轴(3)不完全齿轮刚性组合成的齿轮啮合为齿轮副。

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