專利名稱：組合齒輪副活塞動力機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種活塞式內燃機，尤其是一種組合齒輪副活塞動力機。
背景技術：
一百多年來，活塞動力機推動了工業革命和科技發展，但是至今蒸氣機效率最高不過30％，內燃機效率最高不過40％，發展潛力還很大。在燃料危機感和環保意識不斷加強的現代，改進動力機越來越迫切。人們知道活塞動力機的優點，也意識到曲軸正弦機構的缺陷，曲軸正弦機構使活塞蒸氣機被淘汰，曲軸活塞內燃機在不少原來使用的領域處境困難。
發明內容
為了發揚活塞動力機的優點，本申請提出了一種優于曲軸機構的組合齒輪副扭矩轉化器，并發明由組合齒輪副扭矩轉化器派生的氣缸活塞旋轉、氣缸旋轉、活塞旋轉的組合齒輪副活塞動力機、流體內循環組合齒輪副活塞動力機、燃氣—流體內循環雙元組合齒輪副活塞動力機，以達到減小機械損失、減小比質量和燃料消耗率等，提高活塞動力機的動力性能、運轉性能、經濟性能。
本發明所采取的技術方案是主要由組合齒輪副扭矩轉化器、氣缸活塞套件、供氣供燃料及其控制系統組成；其中，組合齒輪副扭矩轉化器的結構特點是由支架，主動軸，從動軸，不完全齒輪剛性組合成的齒輪構成；主動軸、從動軸都設置不完全齒輪剛性組合成的齒輪，并且主動軸不完全齒輪剛性組合成的齒輪與從動軸不完全齒輪剛性組合成的齒輪嚙合為齒輪副；此扭矩轉化器的兩條主動軸扭矩方向相反，從動軸將氣缸活塞受到缸內氣體的兩個方向相反的力轉化為只有一個轉動方向的總轉化扭矩。
氣缸活塞套件的結構特點是工質對氣缸活塞的力偶作用的兩部分互為動連接，與其它機體動連接，并且分別與組合齒輪副扭矩轉化器的兩條主動軸剛性連接，適應這個特點的結構有圓弧形活塞在圓弧形氣缸內轉動的結構；沿氣缸中心的軸向將氣缸壁分為獨立轉動的兩部分，兩部分氣缸壁內分別剛性連接活塞、氣缸壁外通過連接件分別與兩條主動軸剛性連接而轉動的結構；沿氣缸中心的軸向將氣缸壁分為獨立的三部分，一部分固定，兩部分分別與主動軸剛性連接而轉動，兩個活塞分別安裝在轉動部分氣缸壁內，將三部分氣缸壁合圍成的圓形氣缸分隔為兩個獨立的圓弧形氣缸的結構；流體作為熱載體內循環驅動兩個活塞轉動的結構。
供氣、供燃料及其控制系統的結構特點是依靠滑動來開關氣門的滑動式氣門塞；根據以上原理及特征可構成氣缸活塞轉動的由不完全齒輪的齒輪副轉化扭矩的動力機，氣缸、活塞分別轉動的由不完全齒輪的齒輪副轉化扭矩的動力機，氣體推活塞轉動的由不完全齒輪的齒輪副轉化扭矩的動力機，流體內循環組合齒輪副活塞蒸氣機，燃氣推活塞轉動與內循環流體推活塞轉動的由不完全齒輪的齒輪副轉化扭矩的雙元動力機。
組合齒輪，其結構特點是一個齒輪由若干個同軸心的不完全齒輪剛性組合而成，能利用它的齒與其它有齒元件連續嚙合，互相傳遞運動。
靠滑動來開關氣門的氣門塞，結構特點是氣門塞由一層或者數層重疊而成，由控制系統推拉滑動而開關氣門。
沿氣缸中心的軸向將氣缸壁分為獨立兩部分的結構，其特點是氣缸壁沿著氣缸中心的軸向分為獨立轉動的兩部分，兩部分氣缸壁內分別剛性連接活塞，氣缸壁外通過連接件分別與兩條主動軸剛性連接，定位裝置動連接在兩條主動軸、兩部分氣缸交接處。
圓弧形活塞在圓弧形氣缸內轉動的結構，其特點是圓弧形汽缸及圓弧形活塞分別通過連接件剛性連接在兩條主動軸上，繞著同一個軸心轉動，活塞能轉動入氣缸內。
氣缸活塞轉動的由不完全齒輪的齒輪副轉化扭矩的動力機的結構特點是氣缸壁沿著氣缸中心的軸向分為獨立轉動的兩部分；兩部分氣缸壁內分別剛性連接活塞，并安裝進氣道、排氣道、氣門塞、噴油器；氣缸壁外通過連接件分別與兩條主動軸剛性連接，主動軸、不完全齒輪剛性組合成的齒輪與從動軸不完全齒輪組剛性合成的齒輪嚙合為齒輪副；有定位裝置動連接在兩條主動軸、兩部分氣缸交接處，使兩部分氣缸壁滑動摩擦面緊密接觸。
氣缸、活塞分別轉動的由不完全齒輪的齒輪副轉化扭矩的動力機，結構特點是圓弧形汽缸及圓弧形活塞分別通過連接件剛性連接在兩條主動軸上，繞著同一個軸心轉動，活塞能轉動入氣缸內；氣缸底安裝進氣道、排氣道、氣門塞、噴油器；主動軸不完全齒輪剛性組合成的齒輪與從動軸不完全齒輪剛性組合成的齒輪嚙合為齒輪副。
氣體推活塞轉動的由不完全齒輪的齒輪副轉化扭矩的動力機，結構主要特點是沿氣缸中心的軸向將氣缸壁分為獨立的三部分，一部分固定，兩部分分別與主動軸剛性連接而轉動；兩個活塞分別安裝在轉動部分氣缸壁內，將三部分氣缸壁合圍成的圓形氣缸分隔為兩個獨立的圓弧形氣缸；主動軸不完全齒輪剛性組合成的齒輪與從動軸不完全齒輪剛性組合成的齒輪嚙合為齒輪副。
流體內循環組合齒輪副活塞蒸氣機，結構主要特點是沿氣缸中心的軸向將氣缸壁分為獨立的三部分，一部分固定，兩部分分別與主動軸剛性連接而轉動；兩個活塞分別安裝在轉動部分氣缸壁內，將三部分氣缸壁合圍成的圓形氣缸分隔為兩個獨立的圓弧形氣缸；在固定氣缸壁安置進氣道、排氣道；進氣道連接鍋爐的高壓氣體出口；排氣道通過回流道與鍋爐連接，回流道有高壓泵促進流體返流鍋爐，作為熱載體重復使用；主動軸不完全齒輪剛性組合成的齒輪與從動軸不完全齒輪剛性組合成的齒輪嚙合為齒輪副。
燃氣推活塞轉動與內循環流體推活塞轉動的由不完全齒輪的齒輪副轉化扭矩的雙元動力機，結構特點是有兩個氣缸做工單元，每個氣缸都沿氣缸中心的軸向將氣缸壁分為獨立的三部分，一部分固定，兩部分分別與主動軸剛性連接而轉動；兩個活塞分別安裝在氣缸壁內，將三部分氣缸壁合圍成的圓形氣缸分隔為兩個獨立的圓弧形氣缸；在固定氣缸壁安置進氣道、排氣道；其中，氣缸壁的進氣道連接燃燒室的高壓氣體出口，氣缸壁主動軸不完全齒輪剛性組合成的齒輪與從動軸不完全齒輪剛性組合成的齒輪嚙合為齒輪副；另一個氣缸壁的進氣道連接鍋爐的高壓氣體出口，排氣道通過回流道與鍋爐連接，回流道有高壓泵促進流體返流鍋爐，作為熱載體重復使用；氣缸壁的主動軸不完全齒輪剛性組合成的齒輪與從動軸不完全齒輪剛性組合成的齒輪嚙合為齒輪副。
本發明的優點和積極效果本發明將氣缸活塞受到的兩個反向推力由組合齒輪副扭矩轉化器轉化為總轉化扭矩，徹底擺脫了正弦機構的束縛和僅將活塞受到的一個推力轉化為機軸扭矩的傳統，每行程驅動機軸1π，總轉化扭矩可達到活塞扭矩絕對值1.5倍以上、2以下，每行程驅動機軸小于1π，總轉化扭矩可達到活塞扭矩絕對值2倍以上，活塞行程加長，機械損失減少，比質量減小，各種效力提高，輸出扭矩和功率增大，明顯提高活塞動力機的動力性能、運轉性能、經濟性能。
組合齒輪副扭矩轉化器對照曲軸動力轉化裝置，產生有益的效果①不完全齒輪在間歇運動機構有沖擊和震動，做不完全齒輪組合齒輪副連續運轉，它的沖擊、震動、運轉平穩性能和摩擦損失等方面優于曲軸裝置，并且適當技術處理后，在運轉過程中不會“咬死”，能承受重載。
②曲軸力轉化裝置受正弦傳遞函數及行程限制，不能將燃料爆炸始末對活塞很大的推力充分轉化為機軸扭矩。組合齒輪副扭矩轉化器徹底擺脫正弦函數的束縛，把氣缸活塞受到缸內氣體的方向相反的兩個力同時轉化為從動軸總轉化扭矩，使從動軸扭矩與活塞主動軸扭矩絕對值成正比，每沖程驅動從動軸轉動1π，比值可以在0.3以下到2以下，根據條件和需要選擇，每沖程驅動從動軸轉動小于1π時比值可達2以上，這對動力機各種性能都會產生良好的影響。
③曲軸力轉化裝置從活塞運動到曲軸旋轉摩擦損失大。組合齒輪副扭矩轉化器直接將氣缸主動軸、活塞主動軸的扭矩通過齒輪副轉化為從動軸扭矩，摩擦損失小，使其機械性能更好。
組合齒輪副活塞動力機對照曲軸活塞動力機，產生許多有益的效果①機械效率大大地提高根據資料，曲軸活塞動力機的機械損失功率的分布大致為活塞和活塞環的摩擦損失45％～65％整個活塞連桿曲軸機構摩擦損失 60％～70％氣門機構的驅動損失2％～3％附屬機構的驅動損失10％～20％
泵氣損失10％～20％其中，活塞和活塞環的摩擦損失、整個活塞連桿曲軸機構摩擦損失所占的比例最大。組合齒輪副發動機剛好減少這兩項占比例最大的摩擦損失，同時減小冷卻損失等等，因此，組合齒輪副活塞動力機的機械損失功率比曲軸活塞發動機小得多，機械效率比曲軸發動機高得多。
②機軸轉化扭矩和功率提高曲軸活塞動力機的氣缸直徑使行程和曲柄轉動半徑受到限制，機軸的扭矩也受到正弦傳遞函數的限制。相比之下，組合齒輪副活塞動力機的活塞行程長、從動軸扭矩與活塞的主動軸扭矩絕對值成正比，比率可達1.5以上，作理論示功圖、扭矩轉化P-V、ω-M圖等和一些計算比較，組合齒輪副活塞動力機的扭矩和功率優越于曲軸活塞動力機。
③熱效率提高受正弦傳遞函數和行程限制，曲軸活塞動力機不能用燃料爆炸初期巨大壓力和燃氣膨脹末期不小的壓力做工，而組合齒輪副活塞動力機行程長、從動軸的扭矩可以始終大于活塞軸扭矩絕對值的1.5倍，使利用燃料爆炸初期巨大壓力和燃氣膨脹末期不小的壓力做功具有明顯價值，排氣壓力小也減小消聲的功率消耗，使熱機的總效率高于曲軸活塞動力機。
④結構更簡單，比質量更小組合齒輪副活塞動力機省略連桿曲軸、外冷等笨重部件，整機結構簡單、緊湊，同功率單、雙缸動力機的體積和重量，比曲軸活塞動力機小得多；因此組合齒輪副活塞動力機比質量(單位輸出功率的質量)更小。
⑤更為環保組合齒輪副活塞動力機的氣缸充分換氣，有足夠空氣、行程，可選擇適當溫度和壓力進行燃料充分燃燒，排出的廢氣會更環保；同時，排氣溫度和壓力小，噪音污染會很小。
結合熱效率、機械效率、機軸轉化力矩、功率、單位質量功率性能、環保等等因素，組合齒輪副活塞動力機多方面優于曲軸活塞動力機有充足理由。
流體內循環組合齒輪副活塞蒸氣機對照蝸輪蒸氣機有如下優點①流體內循環組合齒輪副活塞蒸氣機，熱載體內循環不僅大大減少熱載體消耗，而且可以在密封和相對絕熱的系統中更高效地將熱能轉化為機械能，利于蒸氣機小型化、密封化，擴大用途。
②更環保。流體內循環組合齒輪副活塞蒸氣機噪音污染低，熱污染少，特別是核能活塞蒸氣機，流體內循環組合齒輪副活塞蒸氣機的熱載體密封、相對絕熱循環，能有效地預防工質放射污染，可望核能活塞蒸氣機小型化、無害化、密封化，擴大用途。
燃氣—流體內循環雙元組合齒輪副活塞動力機與燃氣蝸輪機、曲軸活塞內燃機的比較①燃燒室壁、鍋爐壁有流體降溫，溫度不會太高，利于材料的選擇、制作和絕熱。
②熱效率、機械效率更高雙元的活塞都能在行程較長的氣缸中充分膨脹、降溫、降壓、做工，排氣溫度可接近室溫，壓力接近大氣壓，提高熱效率，熱載體內循環省略熱載體消耗，這是其它熱機難以達到的；兩個做工單元交錯做工，消除零工區間，無須起動系，輸出扭矩有疊加并且較均衡，這是四沖程曲軸活塞動力機四個缸聯合做工也達不到的；因此，可望熱機總效率更高。
③更環保整個燃氣—流體內循環雙元組合齒輪副活塞動力機可以設計在相對絕熱的環境中工作，可以使用多種燃料，可以設計燃料在燃燒室內以最恰當的溫度、最恰當的條件充分燃燒，減少有害物質的形成，排氣溫度和壓力接近大氣等等，因此各種污染可望更低。
圖1為組合齒輪副結構示意圖。
圖2為一副力偶的組合齒輪扭矩轉化器基本結構示意圖。
圖3為氣門塞控制原理簡圖。
圖4為滑動氣門塞控制原理簡圖。
圖5為雙疊滑動氣門塞開啟的縱切面圖。
圖6為單體泵燃料供給及其調節系統示意圖。
圖7為高壓油封示意圖。
圖8為缸、活塞轉動的氣缸底氣門塞控制簡圖。
圖9為氣缸、活塞轉動的套件簡圖。
圖10為氣缸、活塞轉動的組合齒輪副活塞動力機組裝簡圖。
圖11為氣缸內的燃氣開始做工圖。
圖12為氣缸開始排氣圖。
圖13為活塞、氣缸轉動速度互換圖。
圖14為活塞進入氣缸圖。
圖15為氣缸內空氣壓縮圖。
圖16為氣缸旋轉套件示意圖。
圖17為氣缸旋轉的組合齒輪副活塞內燃機總裝簡圖。
圖18為氣缸8A做工、8B換氣圖。
圖19為氣缸8B空氣壓縮圖。
圖20為組合齒輪副氣動活塞動力機總裝簡圖。
圖21為組合齒輪副流體內循環蒸氣機總裝簡圖。
圖22為氣缸8A蒸氣做工圖。
圖23為氣缸8A供氣停止圖。
圖24為兩個活塞同速轉動圖。
圖25為燃氣-流體內循環雙元組合齒輪副活塞動力機總裝簡圖。
為了敘述簡便，在敘述中，以半徑的編號代表不完全齒輪，如“齒輪副m、n”表示由半徑為m、n的不完全齒輪組成齒輪副，“組合齒輪m、n”表示由半徑為m、n的不完全齒輪構成組合齒輪。Rm表示組合齒輪半徑較大的編號為m的不完全齒輪。rn表示組合齒輪半徑較小的編號為n的不完全齒輪。
圖中標號所示1-支架，2.1-主動軸1，2.2-主動軸2，3-從動軸，4-不完全齒輪r4，5-不完全齒輪R5，6-不完全齒輪r6，7-不完全齒輪R7，8-氣缸(底)，8a-氣缸壁a部分，8b-氣缸壁b部分，8.1-氣缸與主動軸1的連接件，8.1a-氣缸主動軸1與氣缸壁8a的連接件，8.2b-氣缸主動軸2與氣缸壁8b的連接件，8A-氣缸A，8B-氣缸B，8a.1-第1氣缸壁a部分，8a.2-第2氣缸壁a部分，8b.1-第1氣缸壁b部分，8b.2-第2氣缸壁b部分，8c.1-第1氣缸壁c部分，8c.2-第2氣缸壁c部分，9-活塞，9a-活塞a，9a.1-第1氣缸的活塞a，9b-活塞b，9b.1-第1氣缸的活塞b，9.1-氣缸與主動軸1的連接件，9.2-活塞與主動軸2的連接件，9a.2-第2氣缸的活塞a，9b.2-第2氣缸的活塞b，10-進氣道，10a-進氣道a，10b-進氣道b，10.1-第1氣缸進氣道，10.2-第2氣缸進氣道，11-排氣道，11a-排氣道a，11b-排氣道b，11.1-第1氣缸排氣道，11.2-第2氣缸排氣道，11.3-回流道，12-氣門塞，12.1-滑動氣門塞，12.2-第二層滑動氣門塞，12.3-疊滑氣門塞，13-彈簧，14-搖臂，15-推桿，15.1-推桿1，15.2-推桿，15.2a-推桿2a，15.2b-推桿2b，16.1-端面凸輪，16.2-凸輪，17.1-空氣濾清器，17.2-燃料濾清器，18-調速器，19-油箱，20.1-油管，20.2-高壓油管，20.3-高壓不旋轉油管端面接頭，20.4-旋轉高壓油管，20.5-旋轉油管端面接頭；20.7-儲壓器，20.8-回油管，21-高壓油封，22.1-空氣壓縮機，22.2-配氣器，23.1-單體泵，23.2-低壓泵，23.3-變量高壓泵，23.4-噴油器，24-噴嘴，25-套管，26-滾珠，27-滾珠碗，28-各種傳感器，28.1-壓力傳感器，29-電控器，30.1-限壓閥，30.2-節流閥，31-定位構件，32-配重平衡體，33-燃燒室，34-鍋爐。
圖中，實線黑箭頭表示活塞的轉動方向和大小，空心箭頭表示氣缸的轉動方向和大小，虛線箭頭表示氣體的運動方向。
具體實施例方式(1)組合齒輪副扭矩轉化器實施方式
如圖2，氣缸活塞受到缸內氣體的兩個力轉化為組合齒輪副扭矩轉化器主動軸2.1的扭矩為-M1、主動軸2.2的扭矩為M1′，-M1≈M1′。主動軸2.1的r4(齒輪角速度ω4)與從動軸3的R7(齒輪角速度ω7)組成齒輪副4、7，ω4＞ω7，所以從動軸3的轉化扭矩M2＞|-M1|；主動軸2.2的R5(齒輪角速度ω5)與從動軸3的r6(齒輪角速度ω6)組成齒輪副5、6，ω5＜ω6，從動軸3的轉化扭矩|-m2|＜M1′。因此從動軸3有總轉化扭矩M＝M2+(-m2)＞0。因為R7與R6同一個齒輪，ω7＝ω6，那么ω4＞ω5，所以r4的主動軸2.1較r5的主動軸2.2轉動得快，主動軸2.1連接的氣缸(活塞)較主動軸2.2連接的氣缸(活塞)轉動得快，氣缸A的容積逐漸增大，給氣缸中的氣體膨脹，推動氣缸、活塞做工創造條件，也給氣缸B容積減小創造排氣、空氣壓縮的條件，見圖18、圖19。
當活塞受到缸內氣體的兩個力的方向對調時，轉化到組合齒輪副扭矩轉化器的主動軸2.1、主動軸2.2的扭矩方向對調，分別為M1′、-M1。主動軸2.1、主動軸2.2與從動軸3的齒輪副的半徑對調，即主動軸2.1與從動軸3的齒輪副4、7變成齒輪副5、6，ω5＜ω6，轉化到從動軸3的扭矩|-m2|＜M1′；主動軸2.2與從動軸3的齒輪副5、6變成齒輪副4、7，ω4＞ω7，轉化到從動軸3的扭矩M2＞|-M1|，從動軸3有總轉化扭矩M＝(-m2)+M2＞0。R7與r6同一個齒輪，ω7＝ω6，那么ω4＞ω5，所以r4的軸2.2較r5的軸2.1轉動得快，主動軸2.2連接的氣缸(活塞)較主動軸2.1連接的氣缸(活塞)轉動得快，氣缸B的容積逐漸增大，給氣缸B的氣體膨脹，推動氣缸、活塞做工創造條件。如果僅有一個氣缸A，即可給氣缸-活塞提供空氣壓縮的條件。
由此可知，氣缸活塞受到缸內氣體的兩個方向相反的力轉化為兩條主動軸的扭矩，不管哪一條主動軸的扭矩方向是正或者負，組合齒輪副扭矩轉化器都有相應的齒輪副，使從動軸3有總轉化扭矩M＝M2+(-m2)＞0，并且在確定組合齒輪副扭矩轉化器各個不完全齒輪的半徑以后，從動軸3總轉化扭矩的大小與活塞轉化到主動軸扭矩的絕對值成正比關系。其實，氣缸、活塞的轉動及氣缸容積的變化完全由組合齒輪副控制，氣缸、活塞做工的行程以及轉化扭矩的大小也完全由組合齒輪副決定。
要兩個活塞同速轉動一個角度，如活塞蒸氣機、活塞燃氣機等，則需要主動軸有三個轉動速度梯度，要主動軸、從動軸的組合齒輪由三個不完全齒輪組成，其中有一個是節齒輪0(在簡圖中未畫出)，當主動軸與從動軸的節齒輪0嚙合成齒輪副0、0時，兩個活塞將同速轉動。
在相反的情況下，有一個扭矩輸入從動軸3，從動軸3也能夠通過組合齒輪副分解成主動軸2.1、2.2的扭矩，轉化為氣缸、活塞的兩個方向相反的力，給組合齒輪副活塞動力機的起動提供條件。
2、(壓燃式)氣缸、活塞旋轉的組合齒輪副活塞動力機實施方式在起動機帶動下，氣缸8內的空氣達到設定壓縮比，見圖11。組合齒輪副力矩轉化器從動軸3的凸輪16.2壓迫供油單體泵23.1的柱塞，供油單體泵23.1產生高壓油，見圖6，從不旋轉的高壓油管20.2，經高壓油封21進入旋轉的高壓油管20.4，見圖7，到達噴油器23.4，從噴嘴24噴油、燃燒、膨脹做工，見圖6、圖11。氣體膨脹使氣缸(底)8、活塞9受到方向相反的兩個推力，轉化到組合齒輪副扭矩轉化器主動軸2.1、2.2，形成的方向相反的扭矩-M、M′，由實施方式1知道，組合齒輪副扭矩轉化器從動軸3具有總轉化扭矩M；氣缸8、活塞9的角速度ω8＞ω9，氣缸8如黑箭頭方向快速轉動，活塞9如空心箭頭方向慢速轉動，見圖11。活塞9轉動超出氣缸8的口，氣缸8內的廢氣如虛線箭頭方向排出，氣缸8依然如黑箭頭方向快速轉動，活塞9如空心箭頭方向慢速轉動，見圖12。活塞9轉動達到氣缸8外的特定距離，組合齒輪副扭矩轉化器的組合齒輪副半徑全部對調，即主動軸2.1與從動軸3的齒輪副4、7變為齒輪副5、6，主動軸2.2與從動軸3的齒輪副5、6變為齒輪副4、7，使氣缸8、活塞9轉動的角速度由ω8＞ω9變為ω8＜ω9，活塞9向氣缸口靠近，見圖13。當活塞9進入氣缸8內時，端面凸輪16.1不壓推桿15.2b，滑動氣門塞12.2在回位彈簧13作用下打開排氣道11，關閉進氣道10，氣缸8內的氣體從排氣道11排出，見圖8、圖14。當活塞使氣缸8達到設定容積，端面凸輪16.1不壓推桿15.2a，疊滑氣門塞12.3在回位彈簧13作用下關閉氣門，進入壓縮過程，見圖8、圖15。達到設定壓縮比，組合齒輪副扭矩轉化器主動軸2.1、2.2和從動軸3的組合齒輪副的不完全齒輪半徑完全對調，使氣缸8轉動加速、活塞9轉動減速；與此同時，噴油器23.4向氣缸內噴油、燃燒、做工，使從動軸3的總轉化扭矩M＝M2+(-m2)＞0，重復上面所述做工、排氣、壓縮過程。不斷重復上述過程，從動軸3即可不斷輸出扭矩，發揮動力機作用。為了限制發動機的最高轉速，保證在低速、怠速與其它工況下的轉速穩定，在從動軸3裝有調速器18，以調控供油單體泵23的工作保持適當轉速，見圖6。由于一個缸的氣缸、活塞的重心都不在軸心，設配重體32，使重心盡可能靠近軸心，減少震動。當兩個缸或兩個缸以上組合在一起時，重心可能與軸心靠近，不必配重體32即可減少震動。
兩個、兩個以上氣缸配合工作或需要優化動力機時，燃料供給與調節系統最好采用電子控制，簡圖10。
3、(壓燃式)氣缸旋轉的組合齒輪副活塞動力機實施方式氣缸旋轉的組合齒輪副活塞動力機在起動機帶動下，使氣缸8A或者8B內的空氣被壓縮到設定壓縮比，見圖18組合齒輪副力矩轉化器從動軸3的凸輪16.2壓迫供油單體泵23.1的柱塞，見圖6，高壓油從供油單體泵23.1，經不轉動高壓油管20.2、高壓油封21、轉動高壓油管20.4(見圖7)，到達噴油器23.4，從噴嘴24噴油、燃燒、膨脹做工，氣體膨脹對兩個活塞9a、9b的兩個方向相反的力，轉化為組合齒輪副扭矩轉化器主動軸2.1、2.2的扭矩-M1、M1′，分別通過組合齒輪副4、7，組合齒輪副5、6轉化為從動軸3的扭矩M2、-m2。主動軸2.1與從動軸3的齒輪副4、7，ω4＞ω7，M2＞|-M1|；主動軸2.2與從動軸3的齒輪副5、6，ω5＜ω6，|-m2|＜M1′，組合齒輪副扭矩轉化器的從動軸3有總轉化扭矩M＝M2+(-m2)＞0，見圖2。此時，主動軸2.1、2.2與從動軸3的齒輪副分別是齒輪副4、7，齒輪副5、6，不完全齒輪的角速度ω4＞ω7，ω5＜ω6，ω7＝ω6，所以ω4＞ω5，主動軸2.1、2.2的角速度ω2.1＞ω2.2，活塞9a、9b的角速度ω9a＞ω9b，如黑箭頭所示；此時氣缸8B排氣的疊滑氣門塞12.3、進氣的疊滑氣門塞12.3先后打開，氣缸8內的廢氣經排氣道排出氣缸；空氣如虛線方向經空氣濾清器17.1、進氣道10進入氣缸8B，氣缸8B進行換氣過程，見圖18。
氣缸8B達到設定容積，氣缸8B的排氣疊滑氣門塞12.3、進氣疊滑氣門塞12.3先后關閉，氣缸8B進入壓縮過程，見圖19。
氣缸8B達到設定壓縮比，重復氣缸8A的噴油、燃燒、膨脹做工、扭矩轉化過程。不過，由于活塞9a、9b受力的是相反的另一面，因此，轉化到組合齒輪副扭矩轉化器主動軸2.1、2.2的扭矩方向完全相反，分別為M1′、-M1，組合齒輪副扭矩轉化器的從動軸3的總轉化扭矩M＝(-m2)+M2＞0。ω4＞ω7，ω5＜ω6，ω7＝ω6，所以ω4＞ω5，主動軸2.1、2.2的角速度ω2.1＞ω2.2，活塞9a、9b的角速度ω9b＞ω9a，轉動如黑箭頭所示；此時氣缸8A的排氣疊滑氣門塞12.3、進氣疊滑氣門塞12.3先后打開，氣缸8A進入換氣過程。
兩個氣缸8A、8B不斷地輪流做工、換氣、壓縮，從動軸3不斷地獲得總轉化扭矩M＝M2+(-m2)＞0。為了限制發動機的最高轉速，保證在低速、怠速與其它工況下的轉速穩定，在從動軸3裝有調速器18，以調控變量高壓泵23.3的工作。
在兩個、兩個以上氣缸配合工作或需要優化動力機時，燃料供給與調節系統應采用電子控制，見圖17。
4、組合齒輪副氣動活塞動力機實施方式過熱氣體從鍋爐34經進氣管10如虛線箭頭進入氣缸8A，使活塞9a、9b具有兩個方向相反的力，轉化為組合齒輪副扭矩轉化器從動軸3的總轉化扭矩M，組合齒輪副扭矩轉化器主動軸2.1與從動軸3的齒輪副4、7，主動軸2.2與從動軸3的齒輪副5、6，使活塞9b慢速、9a快速如實線箭頭同向轉動，氣缸8B如虛線箭頭方向排氣，見圖20，圖22；當活塞9a轉動到設定角度，活塞9b堵塞了進氣道10通往氣缸8A的口，氣缸8A內的過熱氣體開始膨脹做工，見圖23；因為主動軸2.1、2.2的組合齒輪都由r4、R5、R0組成，從動軸3的組合齒輪由r6、R7、R0組成，R0為節齒輪，所以主動軸與從動軸之間有齒輪副4、7，齒輪副5、6，齒輪副0、0；活塞9a轉動到排氣道11出口時，將氣缸8B的排氣口堵住，組合齒輪副扭矩轉化器主動軸2.1、2.2、從動軸3的節齒輪嚙合為齒輪副0、0，使兩個活塞9a、9b同速轉動，見圖24，到氣缸8B與進氣道10連通后，過熱高壓氣體進入氣缸8B，組合齒輪副扭矩轉化器主動軸2.1、從動軸3的齒輪副由齒輪副0、0換成齒輪副5、6，主動軸2.2、從動軸3的齒輪副同時由齒輪副0、0換成齒輪副4、7，讓過熱高壓氣體驅動活塞9b快速轉動、9a慢速轉動，氣缸8B內的高壓過熱氣體做工，氣缸8A排氣，由活塞9b重復活塞9a上述過程，活塞9a重復活塞9b上述過程，從動軸3不斷輸出扭矩M。二個缸做工，要配備起動機，在遇到齒輪副0、0不能起動時使用，四缸及四缸以上不必配起動機。
5、流體內循環組合齒輪副活塞動力機實施方式過熱蒸氣從鍋爐34經進氣管10進入氣缸8A，使活塞9a、9b具有兩個方向相反的力，轉化為組合齒輪副扭矩轉化器從動軸3的總轉化扭矩M，組合齒輪副扭矩轉化器主動軸2.1與從動軸3的齒輪副4、7，主動軸2.2與從動軸3的齒輪副5、6，使活塞9b慢速、9a快速如實線箭頭同向轉動，氣缸8B如虛線箭頭方向排氣，見圖21，圖22；氣缸8B排出的流體，從排氣道11進入回流道11.3，由低壓泵23.2、變量高壓泵23.3把流體泵回鍋爐作熱載體循環使用。當活塞9a轉動到設定角度，活塞9b堵塞了進氣道10通往氣缸8A的口，氣缸8A內的過熱蒸氣開始膨脹做工，見圖23；因為主動軸2.1、2.2的組合齒輪都由r4、R5、R0組成，從動軸3的組合齒輪由r6、R7、R0組成，R0為節齒輪，所以主動軸與從動軸之間有齒輪副4、7，齒輪副5、6，齒輪副0、0；活塞9a轉動到排氣道11出口時，將氣缸8B的排氣口堵住，組合齒輪副扭矩轉化器主動軸、從動軸的節齒輪嚙合為齒輪副0、0，使兩個活塞9a、9b同速轉動，見圖24，到氣缸8B與進氣道10連通后，過熱高壓蒸氣進入氣缸8B，組合齒輪副扭矩轉化器主動軸2.1、從動軸3的齒輪副由齒輪副0、0換成齒輪副5、6，主動軸2.2、從動軸3的齒輪副同時由齒輪副0、0換成齒輪副4、7，讓過熱高壓蒸氣如黑線箭頭驅動活塞9b快速轉動、9a慢速轉動，由活塞9b重復活塞9a上述過程，活塞9a重復活塞9b上述過程，從動軸3不斷輸出扭矩M，低壓泵23.2、變量高壓泵23.3不斷把排氣道的流體泵回鍋爐作熱載體循環使用。僅二個氣缸做工配備起動系，在遇到齒輪副0、0不能起動時使用。
6、燃氣—流體內循環雙元組合齒輪副活塞動力機實施方式，見圖25空氣經空氣壓縮機22.1從配氣器22.2噴入燃燒室33，燃料經變量高壓泵23.3從噴油器23.4噴入燃燒室33燃燒，產生高溫高壓燃氣，通過燃氣進氣道10a進入活塞燃氣機的氣缸8A.1，使兩個活塞9a.1、9b.1具有兩個方向相反的力，轉化為組合齒輪副扭矩轉化器從動軸3的總轉化扭矩M，見圖25、圖2。在組合齒輪副扭矩轉化器的作用下，活塞9a.1快速、活塞9b.1慢速同向轉動，見圖22。活塞9a.1轉動到特定角度時，活塞9b.1堵住氣缸8A.1的進氣口，氣缸8A.1內的燃氣膨脹做工，氣缸8B.1排氣，見圖23，一直到活塞9a.1堵住氣缸8B.1的排氣道，活塞9a.1、9b.1在組合齒輪副扭矩轉化器齒輪副0、0的作用下，同速轉動，見圖24，氣缸8B與進氣道連通后，組合齒輪副扭矩轉化器主動軸2.1、從動軸3的齒輪副由齒輪副0、0換成齒輪副5、6，主動軸2.2、從動軸3的齒輪副同時由齒輪副0、0換成齒輪副4、7，使活塞9b.1快速、9a.1慢速同向轉動，活塞9b.1、9a.1換位重復上述做工過程，組合齒輪副扭矩轉化器從動軸不斷地獲得同方向的總轉化扭矩M。
與此同時，燃燒室33的壁加溫鍋爐34中的流體，高壓高溫蒸氣通過進氣道10b進入流體內循環活塞蒸氣機的氣缸8A.2，使兩個活塞9a.2、9b.2具有兩個方向相反的力，轉化為組合齒輪副扭矩轉化器從動軸3的總轉化扭矩M，見圖25、圖2。在組合齒輪副扭矩轉化器的作用下，活塞9a.2快速、活塞9b.2慢速同向轉動，氣缸8B.2排氣，見圖22，排出的氣體經回流道11.3由低壓泵23.2及變量高壓泵23.3輸入鍋爐作為熱載體重新加溫循環使用，見圖25。活塞9a.2轉動特定角度時，活塞9b.2堵住氣缸8A.2的進氣口，氣缸8A.2內的蒸氣膨脹做工，氣缸8B.2排氣，見圖23，一直到活塞9a.2堵住氣缸8B.2的排氣道，活塞9a.2、9b.2在組合齒輪副扭矩轉化器的齒輪副0、0的作用下，同速轉動，見圖24，氣缸8B.2與進氣道10.2連通后，組合齒輪副扭矩轉化器主動軸2.1、從動軸3的齒輪副由齒輪副0、0換成齒輪副5、6，主動軸2.2、從動軸3的齒輪副同時由齒輪副0、0換成齒輪副4、7，使活塞9b.2快速、9a.2慢速同向轉動，活塞9b.2、9a.2換位重復上述做工過程，組合齒輪副扭矩轉化器從動軸3不斷地獲得同方向總轉化扭矩M。
兩個做工單元共用一條組合齒輪副扭矩轉化器的主動軸2.2，利于兩個做工單元交錯配合做工，見圖25。
權利要求
1.一種組合齒輪副活塞動力機，其特征是主要由組合齒輪副扭矩轉化器、氣缸活塞套件、供氣供燃料及其控制系統組成；其中，(1)、能將力偶轉化為總轉化扭矩的組合齒輪副扭矩轉化器的結構特點是由支架(1)，主動軸(2.1)、(2.2)，從動軸(3)，不完全齒輪剛性組合成的齒輪(01)、(02)構成；主動軸(2.1)、(2.2)、從動軸(3)都設置不完全齒輪剛性組合成的齒輪，并且主動軸(2.1)、(2.2)不完全齒輪剛性組合成的齒輪與從動軸(3)不完全齒輪剛性組合成的齒輪嚙合為齒輪副；此扭矩轉化器的主動軸(2.1)、(2.2)扭矩方向相反(M)、(-M)，從動軸(3)將氣缸活塞受到缸內氣體的兩個方向相反的力轉化為只有一個轉動方向的總轉化扭矩(M)；(2)、氣缸活塞套件的結構特點是工質對氣缸活塞的力偶作用的兩部分互為動連接，與其它機體動連接，并且分別與組合齒輪副扭矩轉化器的兩條主動軸(2.1)、(2.2)剛性連接，適應這個特點的結構有圓弧形活塞(9)在圓弧形氣缸(8)內轉動的結構；沿氣缸中心的軸向將氣缸壁分為獨立轉動的兩部分(8a)、(8b)，兩部分氣缸壁(8a)、(8b)內分別剛性連接活塞(9a)、(9b)、氣缸壁(8a)、(8b)外通過連接件分別與兩條主動軸(2.1.1)、(2.2.1)剛性連接而轉動的結構；沿氣缸(8)中心的軸向將氣缸壁分為獨立的三部分，一部分(8c)固定，兩部分(8a)、(8b)分別與主動軸(2.1)、(2.2)剛性連接而轉動，兩個活塞(9a)、(9b)分別安裝在轉動部分氣缸壁(8a)、(8b)內，將三部分氣缸壁(8a)、(8b)、(8c)合圍成的圓形氣缸分隔為兩個獨立的圓弧形氣缸(9A)、(9B)的結構；流體作為熱載體內循環驅動兩個活塞轉動的結構；(3)、供氣、供燃料及其控制系統的結構特點是依靠滑動來開關氣門的滑動式氣門塞(12.2)、(12.3)；根據以上原理及特征可構成氣缸活塞轉動的由不完全齒輪的齒輪副轉化扭矩的動力機，氣缸、活塞分別轉動的由不完全齒輪的齒輪副轉化扭矩的動力機，氣體推活塞轉動的由不完全齒輪的齒輪副轉化扭矩的動力機，流體內循環組合齒輪副活塞蒸氣機，燃氣推活塞轉動與內循環流體推活塞轉動的由不完全齒輪的齒輪副轉化扭矩的雙元動力機。
2.根據權利要求1所述的組合齒輪副活塞動力機，其特征是所述的由若干個不完全齒輪剛性組合成的齒輪，其結構特點是一個齒輪由若干個同軸心的不完全齒輪剛性組合而成，能利用它的齒與其它有齒元件連續嚙合，互相傳遞運動。
3.根據權利要求1所述的組合齒輪副活塞動力機，其特征是靠滑動來開關氣門的氣門塞，結構特點是氣門塞(12.2)、(12.3)由一層或者數層重疊而成，由控制系統推拉滑動而開關氣門。
4.根據權利要求1所述的組合齒輪副活塞動力機，其特征是沿氣缸中心的軸向將氣缸壁分為獨立兩部分的結構，其特點是氣缸壁沿著氣缸中心的軸向分為獨立轉動的兩部分(8a)、(8b)，兩部分氣缸壁(8a)、(8b)內分別剛性連接活塞(9a)、(9b)，氣缸壁(8a)、(8b)外通過連接件分別與兩條主動軸(2.1.1)、(2.2.1)剛性連接，定位裝置(31)動連接在兩條主動軸(2.1)、(2.2)、兩部分氣缸(8a)、(8b)交接處。
5.根據權利要求1所述的組合齒輪副活塞動力機，其特征是圓弧形活塞在圓弧形氣缸內轉動的結構，其特點是圓弧形汽缸(8)及圓弧形活塞(9)分別通過連接件剛性連接在兩條主動軸(2.1.1)、(2.2.1)上，繞著同一個軸心轉動，活塞(9)能轉動入氣缸(8)內。
6.根據權利要求1、2、3、4、所述的組合齒輪副活塞動力機，其特征是氣缸活塞轉動的由不完全齒輪的齒輪副轉化扭矩的動力機的結構特點是氣缸壁沿著氣缸中心的軸向分為獨立轉動的兩部分(8a)、(8b)；兩部分氣缸壁(8a)、(8b)內分別剛性連接活塞(9a)、(9b)，并安裝進氣道(10)、排氣道(11)、氣門塞(12.3)、噴油器(3.4)；氣缸壁(8a)、(8b)外通過連接件分別與兩條主動軸(2.1)、(2.2)剛性連接，主動軸(2.1)、(2.2)不完全齒輪剛性組合成的齒輪與從動軸(3)不完全齒輪組剛性合成的齒輪嚙合為齒輪副；有定位裝置(31)動連接在兩條主動軸(2.1)、(2.2)、兩部分氣缸(8a)、(8b)交接處，使兩部分氣缸壁滑動摩擦面緊密接觸。
7.根據權利要求1、2、3、5、所述的組合齒輪副活塞動力機，其特征是氣缸、活塞分別轉動的由不完全齒輪的齒輪副轉化扭矩的動力機，結構特點是圓弧形汽缸(8)及圓弧形活塞(9)分別通過連接件剛性連接在兩條主動軸(2.1)、(2.2)上，繞著同一個軸心轉動，活塞(9)能轉動入氣缸(8)內；氣缸底安裝進氣道(10)、排氣道(11)、氣門塞(12.2)、(12.3)、噴油器(23.4)；主動軸(2.1)、(2.2)不完全齒輪剛性組合成的齒輪與從動軸(3)不完全齒輪剛性組合成的齒輪嚙合為齒輪副。
8.根據權利要求1、2、所述的組合齒輪副活塞動力機，其特征是氣體推活塞轉動的由不完全齒輪的齒輪副轉化扭矩的動力機，結構主要特點是沿氣缸(8)中心的軸向將氣缸壁分為獨立的三部分，一部分(8c)固定，兩部分(8a)、(8b)分別與主動軸(2.1)、(2.2)剛性連接而轉動；兩個活塞(9a)、(9b)分別安裝在轉動部分氣缸壁(8a)、(8b)內，將三部分氣缸壁(8a)、(8b)、(8c)合圍成的圓形氣缸分隔為兩個獨立的圓弧形氣缸(9A)、(9B)；主動軸(2.1)、(2.2)不完全齒輪剛性組合成的齒輪與從動軸(3)不完全齒輪剛性組合成的齒輪嚙合為齒輪副。
9.根據權利要求1、2、所述的組合齒輪副活塞動力機，其特征是流體內循環組合齒輪副活塞蒸氣機，結構特點是沿氣缸(8)中心的軸向將氣缸壁分為獨立的三部分，一部分(8c)固定，兩部分(8a)、(8b)分別與主動軸(2.1)、(2.2)剛性連接而轉動；兩個活塞(9a)、(9b)分別安裝在轉動部分氣缸壁(8a)、(8b)內，將三部分氣缸壁(8a)、(8b)、(8c)合圍成的圓形氣缸分隔為兩個獨立的圓弧形氣缸(9A)、(9B)；在固定氣缸壁(8c)安置進氣道(10)、排氣道(11)；進氣道(11)連接鍋爐的高壓氣體出口；排氣道(11)通過回流道(11.3)與鍋爐(34)連接，回流道(11.3)有高壓泵(23.3)促進流體返流鍋爐(34)，作為熱載體重復使用；主動軸(2.1)、(2.2)不完全齒輪剛性組合成的齒輪與從動軸(3)不完全齒輪剛性組合成的齒輪嚙合為齒輪副。
10.根據權利要求1、2、所述的組合齒輪副活塞動力機，其特征是燃氣推活塞轉動與內循環流體推活塞轉動的由不完全齒輪的齒輪副轉化扭矩的雙元動力機，結構特點是有兩個氣缸做工單元，每個氣缸都沿氣缸中心的軸向將氣缸壁分為獨立的三部分，一部分(8c)固定，兩部分(8a)、(8b)分別與主動軸(2.1)、(2.2)剛性連接而轉動；兩個活塞(9a)、(9b)分別安裝在氣缸壁(8a)、(8b)內，將三部分氣缸壁(8a)、(8b)、(8c)合圍成的圓形氣缸分隔為兩個獨立的圓弧形氣缸(9A)、(9B)；在固定氣缸壁(8c.1)安置進氣道(10.1)、排氣道(11.1)；其中，氣缸壁(8c.1)的進氣道(10.1)連接燃燒室(33)的高壓氣體出口，氣缸壁(8a.1)、(8b.1)主動軸(2.1)、(2.2)不完全齒輪剛性組合成的齒輪與從動軸(3)不完全齒輪剛性組合成的齒輪嚙合為齒輪副；另一個氣缸壁(8c.2)的進氣道(10.2)連接鍋爐(34)的高壓氣體出口，排氣道(11.2)通過回流道(11.3)與鍋爐(34)連接，回流道(11.3)有高壓泵(23.3)促進流體返流鍋爐(34)，作為熱載體重復使用；氣缸壁(8a.2)、(8b.2)的主動軸(2.1)、(2.2)不完全齒輪剛性組合成的齒輪與從動軸(3)不完全齒輪剛性組合成的齒輪嚙合為齒輪副。
全文摘要
本發明公開了一種組合齒輪副活塞動力機。這種動力機主要由組合齒輪副扭矩轉化器、氣缸活塞套件，供氣供燃料及其控制系統組成。本發明將氣缸活塞受到的兩個反向推力由組合齒輪副扭矩轉化器轉化為總轉化扭矩，徹底擺脫了正弦機構的束縛和僅將活塞受到的一個推力轉化為機軸扭矩的傳統，每行程驅動機軸1π，總轉化扭矩可達到活塞扭矩絕對值1.5倍以上、2以下，每行程驅動機軸小于1π，總轉化扭矩可達到活塞扭矩絕對值2倍以上，活塞行程加長，機械損失減少，比質量減小，各種效力提高，輸出扭矩和功率增大，明顯提高活塞動力機的動力性能、運轉性能、經濟性能。
文檔編號F02B53/02GK1811146SQ20051012052
公開日2006年8月2日 申請日期2005年12月23日 優先權日2005年12月23日
發明者黎耕, 黎俊良 申請人:黎耕