WO2012167741A1

WO2012167741A1 - 外燃机及其传动机构

Info

Publication number: WO2012167741A1
Application number: PCT/CN2012/076637
Authority: WO
Inventors: 杨永顺
Original assignee: Yang Yongshun
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2012-12-13
Also published as: CN102251877B; CN102251877A

Abstract

一种外燃机包括热气组件、传动机构和曲轴（7）。热气组件包括四组加热器（H）、回热器（R）和冷却器（C）和呈矩形布置的四个气缸（11，12，13，14），每一气缸内形成有不连通的热腔（112，122，132，142）和冷腔（113，123，133，143），每一热腔与一组加热器（H）、回热器（R）和冷却器（C）及另一气缸的一冷腔气路连通以形成气体通道。传动机构包括摆杆组和连杆组，其中摆杆组包括摆动平面相互平行的第一摆杆（51）和第二摆杆（52），连杆组包括四个连杆，长度相等的第一连杆（61）与第二连杆（62）分别自第二枢轴（54）和第一枢轴（53）向下或向上延伸，长度相等的第三连杆（63）与第四连杆（64）的上端或下端分别铰接于第一连杆（61）和第二连杆（620），它们的下端或上端铰接于曲轴（7）的连杆颈（72）。该外燃机成本低、便于制造。

Description

外燃机及其传动机构技术领域

本发明涉及发动机，尤其与一种外燃机及其传动机构有关。背景技术

外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，因它是在 1816年为苏格兰的斯特林所发明，故又称斯特林发动机，也称为热气机。外燃机中传递能量的媒介物质（通常是高压气体）叫工质，可在一个、两个、四个或多个封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧所带来的热量或者外部热源通过加热器传给工质，因此工质不直接参与燃烧，也不需要更换。

由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了低噪音、低污染和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。只要热腔与冷腔之间达到一定的温差，外燃机即可做功运行，环境温度越低，则温差越容易变大，因此在用于发电时，发电效率越高。外燃机最大的优点是功率和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。

然而，现有技术的四缸外燃机，通常是通过曲轴、多拐和连杆等结构实现传动。如图

1所示，其为现有技术的一种典型的四缸外燃机结构。所述外燃机包括两根曲轴 911、 912、四个气缸 92以及四组 HRC组合 93 (包括加热器、回热器和冷却器）和传动机构等部件，图 1中的气缸 92只具有动力活塞 921，但实际应用中，气缸中既可以是单活塞，也可以是双活塞（一动力活塞、一置换活塞）。

如图 1所示，现有技术的外燃机的传动机构包括多拐 94、大头孔 941和具有小头孔

951的活塞连杆 95等。曲轴 911、 912上通过多拐 94连接活塞连杆 95，曲轴 911、 912端部的齿轮之间啮合有一与飞轮（图中未示出）共轴的齿轮 913，从而带动飞轮以向外输出能量。

但是，由于图 1所示的外燃机，其曲轴 911、 912与活塞连杆 95之间使用的也是多拐结构，难以用轴承实现连接。其曲轴 911、 912需由轴瓦进行连接或支撑，因此需在曲轴箱内设置机油池或者其他的润滑剂的存储池，以对多拐 94、曲轴 911、 912及其轴瓦进行润滑，因此增加了传动系统的成本，造成外燃机的成本上升。

另外，申请人的公布号为 CN101846014A (以下简称文献 1 ) 、公布日为 2010年 9月 29日、发明名称为《热气机》的中国发明专利申请公开了一种四缸式外燃机及其工作原理。图 1所示的外燃机的工作原理即与文献 1中的热气机的工作原理相同，但传动机构不同。

但是，文献 1中的外燃机的传动机构，其摆杆与连杆大多为曲线结构，不便于加工与制造，降低了外燃机的生产效率及通用性。发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种成本低、便于制造、便于维护的外燃机，以解决现有技术的外燃机的生产成本高、不便制造及维护成本高的缺陷。

本发明的另一目的在于提供一种用于外燃机的成本低、便于制造、便于维护的传动机构。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种外燃机，包括热气组件、传动机构和曲轴；所述热气组件包括四组加热器、回热器和冷却器和呈矩形布置的四个气缸，第一气缸与第二气缸、第四气缸相邻，与第三气缸相对；所述第一、第二、第三和第四气缸的活塞分别连接有第一、第二、第三和第四活塞杆；每一所述气缸内形成有不连通的冷腔和热腔，每一所述热腔与一组所述加热器、回热器和冷却器及另一气缸的一所述冷腔气路连通以形成气体通道；通过外部热源加热所述加热器以使所述气体通道内的气体在所述冷腔和其所连通的所述热腔之间往复运动膨胀收缩以带动各活塞通过所述传动机构所连接的曲轴周期运动做功；所述传动机构包括摆杆组和连杆组：所述摆杆组包括摆动平面相互平行的第一摆杆和与第二摆杆，所述第一摆杆的两端铰接所述第一活塞杆和所述第二活塞杆，所述第二摆杆的两端铰接所述第三活塞杆和所述第四活塞杆，所述第一摆杆的第一枢轴与所述第二摆杆的第二枢轴共轴；所述连杆组包括四个连杆，四个连杆为：长度相等的第一连杆与第二连杆，分别自所述第二枢轴和所述第一枢轴向下延伸，分别与所述第一枢轴和所述第二枢轴固定连接并与所述第二摆杆和所述第一摆杆保持互余的介于 30-60度的夹角；长度相等的第三连杆与第四连杆，它们的上端分别铰接于第一连杆和第二连杆，它们的下端铰接于所述曲轴的连杆颈。

一种传动机构，用于外燃机的曲轴与气缸活塞杆之间的传动；所述传动机构包括连杆组和摆杆组：所述摆杆组包括摆动平面相互平行的第一摆杆和与第二摆杆，所述第一摆杆的两端用以分别铰接所述外燃机一侧的两气缸的两活塞杆，所述第二摆杆的两端用以分别铰接所述外燃机另一侧的两气缸的两活塞杆，所述第一摆杆的第一枢轴与所述第二摆杆的第二枢轴共轴；所述连杆组包括四个连杆；四个连杆分别为：长度相等的第一连杆与第二连杆，分别自所述第二枢轴和所述第一枢轴向下延伸，分别与所述第二枢轴和所述第一枢轴固定连接并与所述第二摆杆和所述第一摆杆保持互余的介于 30-60度的夹角；长度相等的第三连杆与第四连杆，它们的上端分别铰接于第一连杆和第二连杆，它们的下端铰接于所述曲轴的连杆颈。

本发明的有益效果在于：

本发明的传动机构及本发明的外燃机，采用摆杆单曲轴结构，通过连杆组和摆杆组进行曲轴与气缸活塞杆之间的传动，一套摆杆组同时带动两组气缸的活塞，保证两气缸之间的活塞运动相位差始终接近 180度，通过连接之间互余的夹角实现外燃机两侧的两组气缸中的活塞的相位差始终接近 90度，有效的保证了本发明传动机构的传动效果。

并且，连杆组、摆杆组及活塞杆等所有铰接件的连接和转动件的转动支撑都由轴承实现，对润滑要求低，免维护周期长，不必使用现有技术的多拐结构，不需用轴瓦进行连接或支撑，节省了润滑剂的成本和润滑剂存储池所占用的空间，因此降低了传动系统的成本。

再者，本发明的外燃机的传动机构及本发明的传动机构，其摆杆与连杆均为直线结构，便于加工与制造，提高了外燃机的生产效率，也降低了外燃机的维护成本。附图说明

图 1为现有技术的一种外燃机的示意图。

图 2为本发明第一实施例的外燃机的立体示意图。

图 3为本发明实施例的外燃机的传动机构的主视示意图。

图 4为本发明实施例的外燃机的传动机构的立体示意图。

图 5为图 4所示的传动机构的部件示意图。

图 6为图 4所示的传动机构的另一部件示意图。

图 7为本发明第一实施例的外燃机的热气组件连接关系示意图。

图 8为本发明第二实施例的外燃机的立体示意图。

图 9为本发明第二实施例的外燃机的热气组件连接关系示意图。

图 10为本发明第三实施例的外燃机的立体示意图。具体实施方式为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当指出，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的传动机构，用于本发明的外燃机；本发明实施例的外燃机，具有本发明实施例的传动机构。但本发明的传动机构，并不局限于用于本发明的外燃机，也可以适用于其他的外燃机，以降低成本并便于制造。

下面分别介绍本发明三个实施例的外燃机，前两实施例的外燃机的传动机构相同，不同的地方在于热气组件方面。而第三实施例与前两实施例不同的地方在于传动机构方面。

由于在外燃机中，加热器、回热器和冷却器总是设置在一起，且总是具有固定的连接关系，即加热器与回热器相连，回热器与冷却器相连，因此本说明书中，将加热器（H) 、回热器（R) 与冷却器（C) 统称为 HRC组合，并将 HRC组合的加热器一端称为热端，冷却器一端称为冷端。

本发明第一实施例的外燃机：

如图 2和图 7所示，本发明优选实施例的外燃机，可以划分为热气组件、曲轴 7和传动机构三个组成部分，其中的传动装置包括摆杆组和连杆组两部分。

一、热气组件

如图 2和图 7所示，本发明第一实施例的外燃机，所述热气组件为四组，分别为：第一组，包括气缸 11和 HRC组合 21，气缸 11内具有活塞 111，活塞 111将气缸 11 分隔为不连通的热腔 112和冷腔 113;热腔 112通过连通管 211连接 HRC组合 21的热端；第二组，包括气缸 12和 HRC组合 22，气缸 12内具有活塞 121，活塞 121将气缸 12 分为不连通的热腔 122和冷腔 123 ; 热腔 122通过连通管 221连接 HRC组合 22的热端；第三组，包括气缸 13和 HRC组合 23，气缸 13内具有活塞 131，活塞 131将气缸 13 分为不连通的热腔 132和冷腔 133; 热腔 132通过连通管 231连接 HRC组合 23的热端；第四组，包括气缸 14和 HRC组合 24，气缸 14内具有活塞 141，活塞 141将气缸 14 分为不连通的热腔 142和冷腔 143; 热腔 142通过连通管 241连接 HRC组合 24的热端；上述的活塞 111、 121、 131、 141 均为动力活塞，也可称为做功活塞或功率活塞，而热腔 112、 122、 132、 142分别位于活塞 111、 121、 131、 141的下方，而冷腔 113、 123、 133、 143分别位于活塞 111、 121、 131、 141的下方。

上述的四组热气组件中的四个气缸 11、 12、 13、 14，呈矩形布置，以气缸 11与气缸 13对角线相对，而气缸 12与气缸 14对角线相对，气缸 11与气缸 12、气缸 14相邻。而对于 HRC组合，则并不限定其布置方式，既可以为矩形布置，也可以一字排开。

前述的介绍中介绍了各气缸的热腔与 HRC组合的连接关系，而对于冷腔与 HRC组合的连接方式，本发明采用的是交叉连接的方式，如图 2和图 7所示，气缸 11的冷腔 113 通过连通管 232与 HRC组合 23的冷端相连，进而与所述气缸 13的热腔 132相连通；气缸 13的冷腔 133通过连通管 222与 HRC组合 22的冷端相连，进而与气缸 12的热腔 122 相连通；气缸 12的冷腔 123通过连通管 242与 HRC组合 24的冷端相连，进而与气缸 14 的热腔 142相连通；气缸 14的冷腔 143通过连通管 212与 HRC组合 21的冷端相连，进而与气缸 11的热腔 112相连通。

基于上述的连通情况，本发明第一实施例的外燃机中有四组气体通道，分别为： 1、热腔 112、连通管 211、 HRC组合 21、连通管 212和冷腔 143;

2、热腔 122、连通管 221、 HRC组合 22、连通管 222和冷腔 133 ;

3、热腔 132、连通管 231、 HRC组合 23、连通管 232和冷腔 113;

4、热腔 142、连通管 241、 HRC组合 24、连通管 242和冷腔 123。

通过外部热源加热 HRC组合 21、 22、 23、 24中的所述加热器（H) ，以使上述各气体通道内的气体在所述冷腔和其所连通的所述热腔之间往复运动膨胀收缩以带动活塞 111、 121、 131、 141通过所述传动机构所连接的曲轴 7周期运动做功。

以气缸 11及活塞 111为例，其中，活塞 111运动的上界不超过连通管 232的上沿，运动的下界不超过连通管 211的下沿，以保证冷腔 113和热腔 112的体积不会在一段时间内为 0 (可以瞬间为 0) 。通常，活塞 111的下界接近于气缸 11 的底部，但留有一定的空隙；在活塞 111与气缸 11的侧壁之间，也保留一定的间隙，以减少活塞 111的运动阻力，延长使用寿命。其他的气缸及活塞也具有相同的特性，不再赘述。

如图 2和图 7所示，活塞 111、 121、 131、 141分别具有活塞杆 114、 124、 134、 144，活塞杆 114、 124、 134、 144的下端连接在活塞 111、 121、 131、 141的圆心位置，活塞杆 114、 124、 134、 144由铰接轴 81、 82、 83、 84分为上下两段。

在热气组件中的热能带动活塞 111、 121、 131、 141运动后，即转化为机械能。

二、曲轴

曲轴 7是外燃机的机械能输出端，如图 3和图 4所示，曲轴 7具有轴心 71和连杆颈 72，通过曲轴 7向与外燃机相连接的用能设备输出机械能。而曲轴 7与热气组件之间，则需由传动机构将活塞运动的机械能传递给曲轴 7。轴心 71上可连接有飞轮，也可不连接飞轮。三、传动机构（也即本发明实施例的传动机构）

传动机构包括连杆组和摆杆组。

如图 2至图 4所示，所述摆杆组包括摆动平面相互平行的第一摆杆 51与第二摆杆 52，且第一摆杆 51与第二摆杆 52的中点分别垂直固定连接于枢轴 53、 54，枢轴 53与枢轴 54 共轴，在第一摆杆 51与第二摆杆 52的摆动平面之间相向延伸。

第一摆杆 51的左右两端分别通过铰接轴 85、 86铰接活塞杆 114、 124的上端，而第二摆杆 52的左右两端分别通过铰接轴 87、 88铰接活塞杆 134、 144的上端。

由于活塞 111、 121的活塞杆 114、 124对称的连接于摆杆 51的两侧，因此可以保证活塞 111、 121的运动相位相差 180度。同理，由于活塞 131、 141的活塞杆 134、 144对称的连接于摆杆 52的两侧，因此可以保证活塞 131、 141的运动相位相差 180度。

本发明的外燃机，传动机构不需液体润滑，只需在铰接轴 80-89的轴承上添加润滑脂即可，因此省去了对曲轴箱的密封，在具体使用时，可将除加热器和冷却器之外的其他部件全部密封在一个壳体中，壳体中密封有高压气体。如图 2和图 3所示，在气缸 11、 12、 13、 14之间可支撑有横板 41，横板 41上设置有与横板 41垂直的立柱 42、 43，曲轴 7的轴心 71可转动地连接于立柱 43下部，枢轴 53通过轴承 530枢转连接于立柱 42的上部或顶端，枢轴 54通过轴承 540枢转连接于立柱 43的上部或顶端，横板 41与立柱 42、 43的设置，既加强了各气缸之间的支撑强度，防止气缸间的相对位移，也加强了外燃机整体的强度，也便于设置曲轴 7和枢轴 53、 54。当然，也可以在横板 42上设置三脚架来支撑枢轴 53、 54。

连杆组由四个连杆围成，在第一摆杆 51或第二摆杆 52的摆动平面上的投影为一四边形；在本发明第一实施例中，优选的四个连杆 61、 62、 63、 64 的长度相同，因此在曲轴 7转动的过程中，四个连杆始终在所述摆动平面投影成一个菱形。并且轴心 71与枢轴 53、 54的距离（两直线之间的距离，或者说是所述摆动平面面上的两投影点之间的距离）为连杆长度的^倍。四个连杆分别为：

第一连杆 61 : 如图 3、图 4和图 6所示，第一连杆 61与第二摆杆 52、第二枢轴 54 一体成型，第一连杆 61与第二枢轴 54之间固定连接，不能发生相对转动，而第二摆杆 52 与第二枢轴 54之间也不能发生相对转动。一体成型的优点是便于部件加工，也便于保持第一连杆 61与第二摆杆 52之间的角度，降低维护成本。因此，第一连杆 61也相当于铰接于枢轴 54并向下，即向连杆颈 72的方向延伸。以第一连杆 61与第二摆杆 52所成夹角为第一夹角，第一夹角优选的为 45度。第一夹角也可不等于 45度。第二连杆 62: 如图 3-图 5所示，第二连杆 62与第一摆杆 51、第一枢轴 53—体成型，第二连杆 62与第一枢轴 53之间固定连接，不能发生相对转动，而第一摆杆 51与第一枢轴 53之间也不能发生相对转动。一体成型的优点同上。因此，第二连杆 62也相当于铰接于枢轴 53并向下，即向连杆颈 72的方向延伸。以第二连杆 62与第一摆杆 51所成的角度为第二夹角，则在第一夹角为 45度时，第二夹角的角度应为 45度，因此第二夹角与上述第一夹角互为余角（两角之和为 90度时称互为余角），以保证不同摆杆所连接的活塞之间的运动相位相差 90度，例如活塞 111与活塞 131、 141之间相位相差 90度。

第三连杆 63 : 第三连杆 63的上端通过铰接轴 89铰接于第一连杆 61，第三连杆 63的下端铰接于曲轴 7的连杆颈 72。

第四连杆 64: 第四连杆 64的上端通过铰接轴 80铰接于第二连杆 62，第四连杆 64的下端也铰接于曲轴 7的连杆颈 72。

上述的第一夹角与第二夹角还可以分别取（30， 60)、（36， 54)、（54， 36)及（60， 30)等不同的互余的角度；还有，可以是第三连杆 63的长度大于第一连杆 61的长度，只要保证第一连杆 61与第二连杆 62等长，第三连杆 63与第四连杆 64等长。

以上介绍了本发明第一实施例的外燃机的各组成部分，下面再介绍本发明第一实施例的外燃机的工作原理。

对于热气组件中的每一气体通道来说，其工作原理与现有技术的相同类型外燃机相同。

如图 2所示，只要按照现有技术外燃机的装配方式，将活塞 111、 141、 121、 131 的初始位置调整到运动相位差相差 90度的位置即可很容易的启动外燃机。

可如图 7所示的，将活塞 121调整至上止点 A，相应的，与活塞 121在同一摆杆上的活塞 111对应调整至下止点，与活塞 121不在同一摆杆上的活塞 131调整至中间位置 B，即与活塞 111、 121的运动相位相差 90度，由于此时热腔 142膨胀做功，因此，活塞 141 所处的位置为运动趋势向上的中间位置 D，相应的活塞 131位于运动趋势向下的中间位置 B。

在同一气体通道中，或者称同一组动力循环机构中，当气体通道两端的活塞的运动方向相反时，在所述气体通道中的密封气体体积会快速膨胀或收缩而迫使活塞做功；而当气体通道两端的活塞的运动方向相同时，在所述气体通道中的密封气体会在一个气缸的热腔和另外一个气缸的冷腔之间快速移动，这时活塞不做功。

由以上可知，如图 7所示的四个气体通道的做功情况如下： 1、对于热腔 112、连通管 211、 HRC组合 21、连通管 212和冷腔 143组成的气体通道，此时活塞 111到达下止点 C，也即其行程热端，而活塞 141达到运动趋势向上的中间位置 D，活塞 111和活塞 141运动方向相同，因此密封气体由冷腔 143向热腔 112转移。

2、对于热腔 142、连通管 241、 HRC组合 24、连通管 242和冷腔 123组成的气体通道，此时活塞 121到达上止点 A，也即其行程冷端，而活塞 141达到运动趋势向上的中间位置 D，活塞 121和活塞 141运动方向相反，因此热腔 142内的密封气体受热膨胀，带动活塞 141向上运动做功，活塞 121向下运动做功。

3、对于热腔 122、连通管 221、 HRC组合 22、连通管 222和冷腔 133组成的气体通道，此时活塞 121到达上止点 A，也即其行程冷端，而活塞 131达到运动趋势向下的中间位置 B，活塞 121和活塞 131运动方向相同，因此密封气体由热腔 122向冷腔 133转移。

4、对于热腔 132、连通管 231、 HRC组合 23、连通管 232和冷腔 113组成的气体通道，此时活塞 111到达下止点 C，也即其行程热端，而活塞 131达到运动趋势向下的中间位置 B，活塞 111和活塞 131运动方向相反，因此冷腔 113内的密封气体受冷收缩，带动活塞 111向上运动做功，活塞 131向下运动做功。

由于活塞 111、 121、 131、 141的运动而带动与活塞相连接的摆杆 51、 52的转动，进而带动与摆杆 51、 52固定连接的连杆 61、 62、 63、 64的转动，最终使得通过连杆颈 72 与连杆 61、 62、 63、 64连接的轴心 71的转动。曲轴颈 72转动的行程如下，其中假设曲轴颈 72在最高点时的相位角为 0度，最低点时的相位为 180度，在水平右侧时为 90度，水平左侧时为 270度：

1、当活塞 141到达其上止点 A时，活塞 131到达其下止点 C, 此时第二摆杆 52处在左端达到上止点而右端达到下止点，即第二摆杆 52处在左端最高右端最低的位置，此时活塞 121位于运动趋势向下的中间位置 B，而活塞 111位于运动趋势向上的中间位置 D，因此第一摆杆 51处在水平状态，因此第二连杆 62与水平成 45度角，而第一连杆 61与水平所成的锐角小于 45度（与第二摆杆 52的摆动幅度有关），两者的夹角较大，因此曲轴颈 72处在第四象限（270-360度之间），由于第二摆杆 52左端的转动趋势向下，第一摆杆 51左端的转动趋势向上，第一连杆 61与第二连杆 62之间的夹角有变小的趋势，因此会带动曲轴颈 72向第三象限（180-270度之间）转动。

2、当活塞 141到达运动趋势向下的中间位置 B，活塞 131到达运动趋势向上的中间位置 D，所以第二摆杆 52处在水平状态，此时活塞 111位于上止点 A，而活塞 121位于下止点 C，因此第一摆杆 51左端达到上止点而右端达到下止点，即第一摆杆 51处在左端最高右端最低的位置，因此第二连杆 62与水平所成的锐角大于 45度，而第一连杆 61与水平所成的角度为 45度，两者的夹角较小，因此曲轴颈 72处在第三象限（ 180-270度之间），由于第一摆杆 51左端的转动趋势向下，第二摆杆 52左端的转动趋势向下，因此会带动曲轴颈 72向第二象限（90-180度之间）转动。

3、当活塞 141到达其下止点 C时，置换活塞 131到达其上止点 A，所以第二摆杆 51 处在右端达到上止点而左端达到下止点，即第二摆杆 52处在左端最低右端最高的位置，活塞 121位于运动趋势向上的中间位置 D，而活塞 111位于运动趋势向下的中间位置 B，因此第一摆杆 51处在水平状态，因此第二连杆 62与水平成 45度角，而第一连杆 61与水平所成的锐角大于 45度，两者的夹角较小，因此曲轴颈 72处在第二象限（90-180度之间），由于第二摆杆 52左端的转动趋势向上，第一摆杆 51左端的转动趋势向下，第一连杆 61 和第二连杆 62之间的夹角有增大的趋势，因此会带动曲轴颈向第一象限（0-90度之间）转动。

4、当活塞 141到达运动趋势向上的中间位置 D时，置换活塞 131到达运动趋势向下的中间位置 B，即如图 7所述的位置，此时第二摆杆 52处在水平状态，此时活塞 111位于下止点 C，而活塞 121位于上止点 A，因此第一摆杆 51左端达到下止点而右端达到上止点，即第二摆杆 52、 53处在左端最低右端最高的位置，因此第二连杆 62与水平所成的锐角小于 45度，而第一连杆 61与水平所成的角度为 45度，两者的夹角较大，因此曲轴颈 72处在第一象限（0-90度之间），由于第一摆杆 51 左端的转动趋势向上，第二摆杆 52、 53左端的转动趋势向上，因此会带动曲轴颈 72向第四象限（270-360度之间）转动并重复 1-4的过程。

在上述的过程中，当第三连杆 63经过轴心 71的瞬间，以及第三连杆 63的延长线经过轴心 71的瞬间，这时连杆 63在曲轴颈 72的切线方向的力为 0，曲轴可以靠飞轮的惯性而继续转动，在不设置飞轮的情况下，可由做功的活塞的带动下继续转动。

第一摆杆 51与第二摆杆 52的摆动幅度可视实际情况确定，两者的摆动幅度可以相同，也可以不相同。

本发明第二实施例的外燃机：

如图 8和图 9所示，本发明第二实施例的外燃机，也可以划分为热气组件、曲轴 7和传动机构三个组成部分，其中的传动装置包括摆杆组和连杆组两部分。而其中的曲轴和传动机构，均可与第一实施例相同，所不同的只是热气组件。

如图 8和图 9所示，本发明第二实施例的外燃机，所述热气组件为四组，分别为：第一组，包括气缸 15和 HRC组合 25，气缸 15内由隔板 150分为上腔和下腔，上腔内具有活塞 155，下腔内具有活塞 151，活塞 155与隔板 150之间形成有冷腔 156，活塞 151将气缸 15的所述下腔分隔为不连通的热腔 152和辅助冷腔 153 ;热腔 152通过连通管 251连接 HRC组合 25的热端；辅助冷腔 153通过连通管 253连接 HRC组合 25的冷端。

第二组，包括气缸 16和 HRC组合 26，气缸 16内由隔板 160分为上腔和下腔，上腔内具有活塞 165，下腔内具有活塞 161，活塞 165与隔板 160之间形成有冷腔 166，活塞 161将气缸 16的所述下腔分隔为不连通的热腔 162和辅助冷腔 163 ;热腔 162通过连通管 261连接 HRC组合 26的热端；辅助冷腔 163通过连通管 263连接 HRC组合 26的冷端。

第三组，包括气缸 17和 HRC组合 27，气缸 17内由隔板 170分为上腔和下腔，上腔内具有活塞 175，下腔内具有活塞 171，活塞 175与隔板 170之间形成有冷腔 176，活塞 171将气缸 17的所述下腔分隔为不连通的热腔 172和辅助冷腔 173 ;热腔 172通过连通管 271连接 HRC组合 27的热端；辅助冷腔 173通过连通管 273连接 HRC组合 27的冷端。

第四组，包括气缸 18和 HRC组合 28，气缸 18内由隔板 180分为上腔和下腔，上腔内具有活塞 185，下腔内具有活塞 181，活塞 185与隔板 180之间形成有冷腔 186，活塞 181将气缸 18的所述下腔分隔为不连通的热腔 182和辅助冷腔 183 ;热腔 182通过连通管 281连接 HRC组合 28的热端；辅助冷腔 183通过连通管 283连接 HRC组合 28的冷端。

上述的活塞 151、 161、 171、 181均为置换活塞，活塞 155、 165、 175、 185均为动力活塞，活塞 151和活塞 155具有共同的活塞杆 154，活塞 161和活塞 165具有共同的活塞杆 164，活塞 171和活塞 175具有共同的活塞杆 174，活塞 181和活塞 185具有共同的活塞杆 184。活塞杆 154、 164、 174、 184分别由铰接轴 81、 82、 83、 84分为上下两段，铰接轴 81、 82、 83、 84位于活塞 181、 182、 183、 184的上方或上表面。

上述的四组热气组件中的四个气缸 15、 16、 17、 18，与第一实施例相同，呈矩形布置，气缸 15与气缸 17对角线相对，而气缸 16与气缸 18对角线相对，气缸 15与气缸 16、气缸 18相邻。而对于 HRC组合，则并不限定其布置方式，既可以为矩形布置，也可以一字排开。

前述的介绍中介绍了各气缸的热腔与 HRC组合、辅助冷腔与 HRC组合的连接关系，而对于冷腔与 HRC组合的连接方式，本实施例中采用的仍是交叉连接的方式，如图 9所示，气缸 15的冷腔 156通过连通管 272与 HRC组合 27的冷端相连，进而与所述气缸 17 的热腔 172相连通，气缸 17的冷腔 176通过连通管 262与 HRC组合 26的冷端相连，进而与气缸 16的热腔 162相连通，气缸 16的冷腔 166通过连通管 262与 HRC组合 28的冷端相连，进而与气缸 18的热腔 182相连通，气缸 18的冷腔 186通过连通管 252与 HRC 组合 25的冷端相连，进而与气缸 15的热腔 152相连通。

当然，上述冷腔 156、 166、 176、 186也可不直接与 HRC组合 25、 26、 27、 28冷端直接相连，而是如图 8所示，通过连通管 252将辅助冷腔 153与冷腔 186相连接，通过连通管 262将辅助冷腔 163与冷腔 176相连接，通过连通管 272将辅助冷腔 173与冷腔 156 相连接，通过连通管 282将辅助冷腔 183与冷腔 166相连接。

基于上述的连通情况，本发明第一实施例的外燃机中有四组气体通道，分别为：

1、热腔 152、连通管 251、 HRC组合 25、连通管 252、冷腔 186、连通管 253和辅助冷腔 153 ;

2、热腔 182、连通管 281、 HRC组合 28、连通管 282、冷腔 166、连通管 283和辅助冷腔 183 ;

3、热腔 162、连通管 261、 HRC组合 26、连通管 262、冷腔 176、连通管 263和辅助冷腔 163 ;

4、热腔 172、连通管 271、 HRC组合 27、连通管 272、冷腔 156、连通管 273和辅助冷腔 173 ;

通过外部热源加热 HRC组合 25、 26、 27、 28中的所述加热器（H) ，以使上述气体通道内的气体在所述冷腔、所述辅助冷腔和其所连通的所述热腔之间往复运动膨胀收缩以带动各所述活塞通过所述传动机构所连接的曲轴 7 周期运动做功。其中的各所述辅助冷腔，起到的是加大气体容积，增加外燃机功率的作用。

各所述活塞运动的上下界，与第一实施例相同，以保证各所述冷腔、各所述辅助冷腔及各所述热腔的体积不会在一段时间内为 0 (可以瞬间为 0) 。

本发明第二实施例外燃机的热气组件的工作原理以及传动机构的工作原理，均与第一实施例相同，不再赘述。

本发明第三实施例的外燃机：

如图 10所示（图 10中省略了热气组件中的各连通管），本发明第三实施例的外燃机，也可以划分为热气组件、曲轴 7和传动机构三个组成部分，其中的传动装置包括摆杆组和连杆组两部分。而其中的曲轴和传动机构，有与前两实施例不同之处，而热气组件的连接方式及热气组件的工作原理均可与第一实施例相同或与第二实施例相同。

本实施例中，传动机构的工作原理，与前两实施例相同，所不同的是，设置曲轴 7的位置和连杆 61、 62、 63、 64相对枢轴 53、 54的位置关系。如图 10所示，在热气组件的各气缸之间可支撑有横板 41，横板 41上设置有与横板 41垂直的立柱 46、 47，立柱 46的高度大于立柱 47的高度，例如立柱 46是立柱 47高度的两倍，曲轴 7的轴心 71可转动地连接于立柱 46的上部，靠近立柱 46顶端的位置，而枢轴 53通过轴承 530枢转连接于立柱 47的上部或顶端，枢轴 54通过轴承 540枢转连接于立柱 46的中部，例如立柱 46高度方向中心的位置；横板 41与立柱 46、 47的设置，既加强了各气缸之间的支撑强度，防止气缸间的相对位移，也加强了外燃机整体的强度，也便于设置曲轴 7和枢轴 53、 54。

在曲轴 7设置于枢轴 53、 54上方的情况下，连杆 61、 62、 63、 64则可设置于枢轴 53、 54上方。

如图 10所示，第一连杆 61铰接于枢轴 54并向上，即向连杆颈 72的方向延伸，第二连杆 62铰接于枢轴 53并向上，即向连杆颈 72的方向延伸。第三连杆 63的下端通过铰接轴 89铰接于第一连杆 61，第三连杆 63的上端铰接于曲轴 Ί的连杆颈 72。第四连杆 64的下端通过铰接轴 80铰接于第二连杆 62，第四连杆 64的上端也铰接于曲轴 7的连杆颈 72。

本实施例的好处在于，防止连杆 61、 62、 63、 64与外燃机的其他部件发生运动干涉，降低了外燃机的设计复杂度。

如上所示，本发明优选实施例的传动机构及本发明优选实施例的外燃机，连杆组、摆杆组及活塞杆等所有铰接件（铰接轴 80-89) 的连接和转动件的转动支撑都由轴承实现，对润滑要求低，免维护周期长，不必使用现有技术的多拐结构，不需用轴瓦进行连接或支撑，节省了润滑剂的成本和润滑剂存储池所占用的空间，因此降低了传动系统的成本。

至此本文所述的实施方式应该理解为是对本发明的解释，而非对本发明的限制。本发明的范围不是由以上说明书来说明，而是由专利的权利要求来限定，本发明意欲包括与本专利权利要求的意义和范围等同的所有修正。

Claims

权利要求

1、一种外燃机，其特征在于，所述外燃机包括热气组件、传动机构和曲轴；所述热气组件包括四组加热器、回热器和冷却器和呈矩形布置的四个气缸，第一气缸与第二气缸、第四气缸相邻，与第三气缸相对；所述第一、第二、第三和第四气缸的活塞分别连接有第一、第二、第三和第四活塞杆；每一所述气缸内形成有不连通的冷腔和热腔，每一所述热腔与一组所述加热器、回热器和冷却器及另一气缸的一所述冷腔气路连通以形成气体通道；

通过外部热源加热所述加热器以使所述气体通道内的气体在所述冷腔和其所连通的所述热腔之间往复运动膨胀收缩以带动各活塞通过所述传动机构所连接的曲轴周期运动做功；

所述传动机构包括摆杆组和连杆组：

所述摆杆组包括摆动平面相互平行的第一摆杆和与第二摆杆，所述第一摆杆的两端铰接所述第一活塞杆和所述第二活塞杆，所述第二摆杆的两端铰接所述第三活塞杆和所述第四活塞杆，所述第一摆杆的第一枢轴与所述第二摆杆的第二枢轴共轴；

所述连杆组包括四个连杆，四个连杆为：

长度相等的第一连杆与第二连杆，分别自所述第二枢轴和所述第一枢轴向下延伸，分别与所述第一枢轴和所述第二枢轴固定连接并与所述第二摆杆和所述第一摆杆保持互余的介于 30-60度的夹角；

长度相等的第三连杆与第四连杆，它们的上端分别铰接于第一连杆和第二连杆，它们的下端铰接于所述曲轴的连杆颈。

2、如权利要求 1所述的外燃机，其特征在于，所述第一摆杆与所述第二连杆的夹角为 45度，所述第二摆杆与所述第一连杆的夹角为 45度。

3、如权利要求 2所述的外燃机，其特征在于，所述四个连杆的长度均相等。

4、如权利要求 3所述的外燃机，其特征在于，所述第一摆杆、第一枢轴与所述第二连杆一体成型，所述第二摆杆、第二枢轴与所述第一连杆一体成型。

5、如权利要求 3或 4所述的外燃机，其特征在于，所述传动机构和所述曲轴密封在曲轴箱中，所述曲轴箱中密封有高压气体；四个所述气缸之间支撑有横板，所述横板上设置有与所述横板垂直的第一立柱或第二立柱，所述曲轴可转动地连接于所述第二立柱下部，所述第一枢轴和所述第二枢轴分别枢转连接于所述第一立柱和所述第二立柱的上部。

6、如权利要求 5所述的外燃机，其特征在于，所述气缸内均设置有动力活塞，所述动力活塞的下方形成有热腔，所述动力活塞的上方形成有冷腔，所述第一气缸的冷腔与所述第三气缸的热腔相连通，所述第三气缸的冷腔与所述第二气缸的热腔相连通，所述第二气缸的冷腔与所述第四气缸的热腔相连通，所述第四气缸的冷腔与所述第一气缸的热腔相连通。

7、如权利要求 5所述的外燃机，其特征在于，各所述气缸由隔板分隔成上腔与下腔，所述上腔和所述下腔内分别设置有由同一活塞杆连接的动力活塞与置换活塞，所述下腔中所述置换活塞的下方形成有热腔，所述下腔中所述置换活塞的上方与所述隔板间形成有辅助冷腔，所述上腔中所述动力活塞的下方形成有冷腔，所述第一气缸的冷腔与所述第三气缸的热腔相连通，所述第三气缸的冷腔与所述第二气缸的热腔相连通，所述第二气缸的冷腔与所述第四气缸的热腔相连通，所述第四气缸的冷腔与所述第一气缸的热腔相连通，同组的加热器与冷却器分别与同一气缸的所述热腔和所述辅助冷腔相连。

8、一种传动机构，用于外燃机的曲轴与气缸活塞杆之间的传动；所述传动机构包括连杆组和摆杆组：

所述摆杆组包括摆动平面相互平行的第一摆杆和与第二摆杆，所述第一摆杆的两端用以分别铰接所述外燃机一侧的两气缸的两活塞杆，所述第二摆杆的两端用以分别铰接所述外燃机另一侧的两气缸的两活塞杆，所述第一摆杆的第一枢轴与所述第二摆杆的第二枢轴共轴；

所述连杆组包括四个连杆；四个连杆分别为：长度相等的第一连杆与第二连杆，分别自所述第二枢轴和所述第一枢轴向下延伸，分别与所述第二枢轴和所述第一枢轴固定连接并与所述第二摆杆和所述第一摆杆保持互余的介于 30-60度的夹角；长度相等的第三连杆与第四连杆，它们的上端分别铰接于第一连杆和第二连杆，它们的下端铰接于所述曲轴的连杆颈。

9、如权利要求 8所述的传动机构，其特征在于，所述第二摆杆与所述第一连杆的夹角为 45度，所述第一摆杆与所述第二连杆的夹角为 45度。

10、如权利要求 8或 9所述的传动机构，其特征在于，所述第一摆杆、第一枢轴与所述第二连杆一体成型，所述第二摆杆、第二枢轴与所述第一连杆一体成型。

11、一种外燃机，其特征在于，所述外燃机包括热气组件、传动机构和曲轴；所述热气组件包括四组加热器、回热器和冷却器和呈矩形布置的四个气缸，第一气缸与第二气缸、第四气缸相邻，与第三气缸相对；所述第一、第二、第三和第四气缸的活塞分别连接有第一、第二、第三和第四活塞杆；每一所述气缸内形成有不连通的冷腔和热腔，每一所述热腔与一组所述加热器、回热器和冷却器及另一气缸的一所述冷腔气路连通以形成气体通道；

所述传动机构包括摆杆组和连杆组：

所述连杆组包括四个连杆，四个连杆为：

长度相等的第一连杆与第二连杆，分别自所述第二枢轴和所述第一枢轴向上延伸，分别与所述第一枢轴和所述第二枢轴固定连接并与所述第二摆杆和所述第一摆杆保持互余的介于 30-60度的夹角；

长度相等的第三连杆与第四连杆，它们的下端分别铰接于第一连杆和第二连杆，它们的上端铰接于所述曲轴的连杆颈。

12、如权利要求 11所述的外燃机，其特征在于，所述传动机构和所述曲轴密封在曲轴箱中，所述曲轴箱中密封有高压气体；四个所述气缸之间支撑有横板，所述横板上设置有与所述横板垂直的第一立柱或第二立柱，所述第二立柱高于所述第一立柱，所述曲轴可转动地连接于所述第一立柱上部，所述第一枢轴和所述第二枢轴分别枢转连接于所述第一立柱的上部和所述第二立柱的中部。

13、一种传动机构，用于外燃机的曲轴与气缸活塞杆之间的传动；所述传动机构包括连杆组和摆杆组：

所述连杆组包括四个连杆；四个连杆分别为：长度相等的第一连杆与第二连杆，分别自所述第二枢轴和所述第一枢轴向上延伸，分别与所述第二枢轴和所述第一枢轴固定连接并与所述第二摆杆和所述第一摆杆保持互余的介于 30-60度的夹角；长度相等的第三连杆与第四连杆，它们的下端分别铰接于第一连杆和第二连杆，它们的上端铰接于所述曲轴的连杆颈。