專利名稱：齒輪傳動(opoc)內燃機的制作方法
技術領域：
本發明涉及使用一種可以逆向運行的，把往復直線運動轉變為朝同一方向旋轉的 齒輪傳動機構的往復活塞式內燃機等機械。齒輪傳動機構采用內齒輪組和齒輪軸的傳動來 替代連桿和曲軸的傳動。改進后的齒輪傳動機構能廣泛應用于車用內燃機、船用低速柴油 機、坦克引擎、液壓馬達和泵等機械。
背景技術：
傳統的往復活塞式內燃機都是采用連桿和曲軸來輸出動力的，盡管傳遞動力的效
率不高。根據申請號200780037368. 3，優先權2006. 9. 7，AU2006904920,名稱為“改進的對
置活塞燃燒發動機”的說明書所述，該發明實際上是采用了兩只滾動軸承和兩只反向旋轉 的三頭凸輪來傳遞動力的。機械效率相比曲軸和連桿的傳動機構增加不多，而且體積比較 大，結構復雜。根據申請號200910203645. 4，公開號CN101592077A，名稱為“內燃機”的說明書所 述，實施例提供一種對置活塞、對置汽缸的(OPOC)內燃機，其采用連桿和曲軸來傳遞動力。根據申請號201010126800. X，名稱為“齒輪傳動內燃機”的未公開的說明書所述，
該發明采用齒輪傳動來提高往復活塞式內燃機的動力輸出效率，內燃機的活塞對置、汽缸 對置。由于采用了輪套和滾輪的結構，制造和安裝比較困難。20世紀初內燃機形式多樣化時期就有對置活塞的內燃機形式(例如Junkers內燃 機)和對置氣缸的內燃機形式(例如Boxer內燃機)。其中，Junkers內燃機因其升功率高 被用于螺旋槳戰斗機。在2005年度SAE國際會議上，德國FEV公司展出了最新研發的輕質高功率密度內 燃機樣機，該內燃機的研制是由美國國防預先研究計劃局(DARPA)贊助的。該機為兩沖程、 對置活塞對置氣缸OPOC結構，可燃用柴油或JP8燃油。采用美國先進動力科技公司(APT) 研發的電輔助渦輪增壓器(EAT)，標定功率242KW，2000r/min時扭矩為800N · m,質量僅 125kg。用在APT和FEV聯合開發的一種發電動力裝置上，熱效率超過41 %，外形大小相當 于一個大公文包。美國陸軍坦克機動車輛研究發展與工程中心(TARDEC)在底特律“2008美國汽車 工程學會年會暨展覽會”上展示了其最新研發的對置活塞對置氣缸(OPOC)內燃機。這種內 燃機是針對美國國防預先研究計劃局(DARPA)關于縮小軍用地面車輛動力裝置體積的要 求而專門研制。這種水平對置雙缸四活塞內燃機最早源于德國的共用氣缸對置曲軸概念， 后來前蘇聯將其發展成坦克動力。這種特殊的內燃機在3800r/min的安全轉速范圍可產生 239KW的功率，內燃機質量僅為172kg。每個氣缸有兩個高壓噴油器，系統采用機械增壓和 渦輪增壓的復合增壓方式。OPOC內燃機是一種直噴、渦輪增壓兩沖程內燃機，整車制造商更傾向于采用小排 量的兩沖程OPOC內燃機。航空航天行業也覺察到了 OPOC內燃機的優點所在高功率輸出密度、輕質、高燃油經濟性潛能以及降低對材料的要求。在2010年柏林航展上，歐洲航空航 天EADS下屬旋翼(直升機)分部Eurocopter (歐洲直升機公司)為混合動力_電動“藍色 直升機”概念機安裝了兩臺柴油動力版OPOC內燃機。OPOC內燃機具有兩沖程燃燒循環、低 內部摩擦水平以及低熱能損耗的特點，較通常的四沖程內燃機而言，其功率輸出密度達到 后者的兩倍。該五葉螺旋槳直升機可載六名乘員。
發明內容
本發明提供的往復活塞式內燃機等機械至少包括一套齒輪傳動機構，其技術方案 如下所述改進后的齒輪傳動機構在取消了輪套和滾輪后，主要由固定在箱體上的有長圓形 內孔的滑槽[7]、可以在兩個滑槽[7]之間左右移動的各有兩個朝相反方向伸出的活塞(活 塞[la]、活塞[lc]與活塞[lb]、活塞[Id])的滑框[2a]和滑框[2b]、可以在滑框框架內上 下移動的上下各有一個伸出的凸輪[6a]與凸輪[6b]的內齒輪[3a]和內齒輪[3b]、凸輪 [6a]上有滾子[4a]和銷軸[5a]、凸輪[6b]上有滾子[4b]和銷軸[5b]、兩端裝有軸承[9] 的齒輪軸[8]等組成。活塞所產生的作用力不再傳遞到齒輪軸上，而由機箱承受。齒輪軸 沒有徑向力，活塞沒有側向力，能有效降低工作摩擦。與活塞相關聯有兩對汽缸，每一對汽 缸相對于齒輪軸[8]沿徑向對置，活塞位于汽缸內。滑框[2a]、滑框[2b]的滑框中間的寬度和內齒輪[3a]、內齒輪[3b]的寬度相等。 內齒輪[3a]可以在滑框[2a]的框架內上下移動；內齒輪[3b]可以在滑框[2b]的框架內 上下移動。滑框上有可供內齒輪上的凸輪伸出的開口。內齒輪[3a]上下各有一個伸出的凸 輪[6a]，凸輪[6a]上用銷軸[5a]裝有滾子[4a]。同樣，內齒輪[3b]也上下各有一個伸出 的凸輪[6b]，凸輪[6b]上用銷軸[5b]裝有滾子[4b]。內齒輪[3b]和內齒輪[3a]相同。 內齒輪[3a]、內齒輪[3b]分別和齒輪軸[8]嚙合。凸輪[6a]以及上面的滾子[4a]、凸輪 [6b]以及上面的滾子[4b]還分別和滑槽[7]內的長圓形的內壁接觸，承受并傳遞活塞所產 生的作用力，防止齒輪和齒輪之間的過度嚙合，得到并保持對內齒輪[3a]、內齒輪[3b]和 齒輪軸[8]的兩個嚙合點的指向齒輪軸[8]的徑向約束。取代了原來設計方案中的輪套和 滾輪所起的作用。由
圖1所見，內齒輪[3a]和內齒輪[3b]套在齒輪軸[8]上，其整體受到上下和左 右二個約束，能在徑向的平面內移動。內齒輪[3a]、內齒輪[3b]分別和齒輪軸[8]嚙合傳 遞動力。為了使齒輪傳動機構能正常運轉，這里還需要一個使內齒輪組和齒輪軸[8]正常 嚙合而不離開的約束，這個約束正是本分明的關鍵所在。這個正常嚙合的另一個約束來自 和其相鄰平行的另一組相同的內齒輪所伸出的凸輪組上。凸輪[6a]和凸輪[6b]的截面 形狀同內齒輪[3a]、內齒輪[3b]和齒輪軸[8]正常嚙合時的運動軌跡相同。凸輪[6a]和 凸輪[6b]相同，相互接觸并且相對移動，得到并保持對內齒輪[3a]、內齒輪[3b]和齒輪軸 [8]的兩個嚙合點的離開齒輪軸[8]的徑向約束。兩個齒輪傳動裝置相對安裝，互相約束， 組成一套齒輪傳動機構。安裝滾子[4a]和滾子[4b]是為了減少磨損。也可以采用滾動軸 承，特別是大型的船用低速柴油機。圖1中滑框[2a]左側的活塞[la]處于上止點位置，右側的活塞[lc]處于下止點 位置；滑框[2b]正好相反，右側的活塞[lb]處于上止點位置，左側的活塞[Id]處于下止點位置。此時內齒輪[3a]最右端和齒輪軸[8]的右側嚙合；內齒輪[3b]最左端和齒輪軸 [8]的左側嚙合。內齒輪[3a]和內齒輪[3b]的形狀相同，可以是長圓形的，也可以是帶圓 角的長方形等。為了圖示清楚，圖中只畫了齒輪的中線，即分度圓直徑。與此同時上下兩個 凸輪[6a]的右側與上下兩個凸輪[6b]上的滾子[4b]的左側接觸，使內齒輪[3a]和內齒 輪[3b]受到約束不能左右移動。此時形成死點，八個滾子的額定動負荷可達14000NX8 = 112000N，強度滿足設計要求。圖2是圖1的A-A剖面俯視圖。由圖2可見，凸輪[6a]的右側和凸輪[6b]的左 側接觸長度較長，可以多裝幾個滾子或滾動軸承。也可以采用粉末冶金，用硬質合金把內齒 輪[3a]和內齒輪[3b]各自制成整體。滑框[2a]左側的活塞[la]受到汽缸內燃料燃燒后 產生的壓力，通過兩個凸輪[6a]把作用力傳遞到兩個凸輪[6b]，最后通過滾子[4b]把力作 用到滑槽[7]的右側內壁上。不會對齒輪軸[8]產生彎矩。隨著齒輪軸[8]的順時針旋轉，分別帶動內齒輪[3a]和內齒輪[3b]作平面移動。 內齒輪[3a]和齒輪軸[8]嚙合點則逆時針向上轉移；內齒輪[3b]和齒輪軸[8]嚙合點則 逆時針向下轉移。滑框[2a]左側的活塞[la]在汽缸內燃料燃燒后產生的壓力下推動內齒 輪[3a]，并且使齒輪軸[8]產生扭距。兩個凸輪[6a]和滾子[4b]始終保持接觸并跟隨移 動，對上述兩個嚙合點保持徑向約束。本發明中的實施例1由于內齒輪組上的內齒輪的齒數少于齒輪軸[8]上的齒輪的 齒數一倍，為30比18。所以內齒輪組繞齒輪軸[8] —圈齒輪軸[8]只轉動三分之二圈。內 齒輪的齒數和齒輪軸的齒數是根據實際需要設計的，只要凸輪的機械強度能夠滿足內燃機 的工況和使用壽命，內齒輪的齒數可以是齒輪軸的齒數的一倍，使內齒輪繞齒輪軸一圈齒 輪軸同樣轉動一圈。大型內燃機的凸輪能夠做到足夠強大，機械傳動的效率也將隨著內齒 輪的齒數和齒輪軸的齒數比的增大而增大。當齒輪軸[8]順時針旋轉60度，達到圖3所示的位置時，活塞[la]處于汽缸的中 間位置。齒輪軸[8]上端和內齒輪[3a]上邊的齒條中點嚙合，推動齒輪軸[8]順時針旋轉， 輸出扭距。齒輪軸[8]下端和內齒輪[3b]下邊的齒條中點嚙合，使滑框[2b]兩端的活塞 [lb]和活塞[Id]共同向左移動。兩個凸輪[6a]的上邊和兩個凸輪[6b]的下邊保持接觸 并跟隨移動，對上述兩個嚙合點保持徑向約束。圖4是圖3的B向剖面圖。由圖4可見，內齒輪[3a]及其兩個凸輪[6a]和內齒 輪[3b]及其兩個凸輪[6b]形成E型，相互對插嚙合，保證整套機構正常運行。在齒輪軸[8]又順時針旋轉75度(見圖5)時，齒輪軸[8]和內齒輪[3a]的嚙合 點處于左下45度的位置，活塞[la]已經過了下止點開始向上止點運動；齒輪軸[8]和內齒 輪[3b]的嚙合點處于右上45度的位置。此時兩個凸輪[6a]和兩個凸輪[6b]保持接觸， 也隨動移位到相應的45度的位置，對上述兩個嚙合點保持徑向約束。在齒輪軸[8]又順時針旋轉75度，到達圖6所示的位置時，齒輪軸[8]下端和內 齒輪[3a]下邊的齒條右端嚙合；齒輪軸[8]上端和內齒輪[3b]上邊的齒條左端嚙合。此 時兩個凸輪[6a]和兩個凸輪[6b]保持接觸，也相隨移動到相應的位置，對上述兩個嚙合點 保持徑向約束。齒輪軸[8]再順時針旋轉30度，就回到了圖1所示的位置。周而復始，隨著汽缸 循環工作，齒輪軸[8]不斷旋轉，輸出有效功率。采用增壓技術，改善換氣條件，齒輪傳動的兩沖程內燃機在節能和環保上都會有很大改進。除了內燃機，齒輪傳動機構還能用于液壓馬達等機械。齒輪傳動機構也能逆向運 行，由原動機帶齒輪軸[8]旋轉，使滑框[2a]和滑框[2b]作往復直線運動，設計制造出高 效的液壓泵，氣泵和水泥泵等機械。齒輪傳動機構更適合應用于OPOC內燃機。從圖7和圖8可見，本發明的齒輪傳動OPOC內燃機是一種兩沖程內燃機，主要由 處于同一軸心線的四個活塞(外活塞[12a]、外活塞[12b]、內活塞[15a]、內活塞[15b]) 和二個汽缸(汽缸[14a]和汽缸[14b])、在汽缸[14a]和汽缸[14b]外側的排氣口 [16a] 和排氣口 [16b]、在汽缸[14a]和汽缸[14b]內側的進氣口 [17a]和進氣口 [17b]、在汽缸 [14a]和汽缸[14b]中間的噴油孔[13a]和噴油孔[13b]、兩端用拉桿[11a]和拉桿[lib] 連接活塞座[10a]與外活塞[12a]和活塞座[10b]與外活塞[12b]的外滑框[19a]和外滑 框[19b]、兩端有內活塞[15a]和內活塞[15b]的內滑框[18]、可以在內滑框[18]的框架 內上下移動的上下各有一個伸出的雙凸輪[25a]和雙凸輪[25b]的中間內齒輪[20]、雙凸 輪[25a]和雙凸輪[25b]上的銷軸[26]與滾子[24]、可以在外滑框[19a]和外滑框[19b] 框架內上下移動的上下各有一個伸出的凸輪[27a]和凸輪[27b]的外側內齒輪[21a]和外 側內齒輪[21b]、兩端裝有軸承[29]的齒輪軸[28]、連接凸輪[27a]和凸輪[27b]的連接 件[30]、滾輪[22]與輪軸[23]等組成。中間內齒輪[20]上采用雙凸輪[25a]和雙凸輪[25b]，受力均勻。外側內齒輪 [21a]和外側內齒輪[21b]上的凸輪[27a]和凸輪[27b]用連接件[30]固定連接(見圖 12)。使外側內齒輪[21a]和外側內齒輪[21b]連接成整體，不再單臂受力。滾輪[22]和 輪軸[23]支承了可以左右移動的全部零部件質量，汽缸壁理論上只有和活塞環之間產生 的摩擦力。齒輪傳動OPOC內燃機的換氣過程是先打開排氣口排出部分廢氣，然后再打開進 氣口充入高壓空氣，強制直流掃氣。活塞過下止點以后的回程中先關閉排氣口，增壓后再關 閉進氣口。然后壓縮空氣和噴射燃料。在汽缸[14a]中的外活塞[12a]與內活塞[15a]處 于上止點的位置和汽缸[14b]中的內活塞[15b]與外活塞[12b]處于下止點的位置的時候 (見圖7)，中間內齒輪[20]和齒輪軸[28]的嚙合點有個滯后；外側內齒輪[21a]、外側內齒 輪[21b]和齒輪軸[28]的嚙合點有個超前(相對于齒輪軸[28]的水平中心線而言)。利 用中間內齒輪[20]和外側內齒輪[21a]、外側內齒輪[21b]的相位角的不同，來控制不對稱 的氣道正時，保證換氣的質量和效果。雙凸輪[25a]、雙凸輪[25b]的形狀可以和凸輪[27a]、凸輪[27b]的形狀不相同， 并可根據汽缸直流掃氣所需的不對稱的氣道正時調整內齒輪組和齒輪軸[28]的相位角后 產生的間隙或干涉的狀況作出修正，使凸輪接觸處的運動軌跡同中間內齒輪[20]和齒輪 軸[28]以及外側內齒輪[21a]、外側內齒輪[21b]和齒輪軸[28]正常嚙合時的運動軌跡相 匹配，移動時保持接觸，保證齒輪傳動時能正常嚙合。保證內齒輪組和齒輪軸正常嚙合的公式是內齒輪組的運動軌跡周長之和等于凸 輪組的周長之和，內齒輪組左右移動的距離之和等于凸輪組的寬度之和，內齒輪組上下移 動的距離之和等于凸輪組的高度之和。由于內滑框[18]和外滑框[19a]、外滑框[19b]的質量存在差異，為了平衡動能，曲軸傳動和齒輪傳動的平均傳動效率和有效壓力(MP)的比較 A 缸內壓力(MP)
8. 0
6. 6
4. 4
3. 0
2. 6
在內齒輪的齒數相等的條件下，中間內齒輪[20]中的內齒輪的長度與半圓形的半徑可以 和外側內齒輪[21a]、外側內齒輪[21b]中的內齒輪的長度與半圓形的半徑不相等。此時內 滑框[18]和外滑框[19a]、外滑框[19b]位移的速度和距離也不相等，達到動平衡的效果。 采用相位角180度配置的兩套齒輪傳動OPOC內燃機，能自然達到動能平衡。齒輪傳動OPOC內燃機的拉桿[11a]和拉桿[lib]始終處于拉伸狀態，內活塞 [15a]和內活塞[15b]始終對內滑框[18]產生推力。齒輪軸[28]上也就不存在指向軸心的 徑向作用力，不必對其約束。只需要對離開齒輪軸[28]軸心的徑向作用力采取約束措施。 雙凸輪[25a]、雙凸輪[25b]以及上面的滾子[24]和凸輪[27a]、凸輪[27b]之間相互接觸， 并且相對移動，得到并保持對中間內齒輪[20]和外側內齒輪[21a]、外側內齒輪[21b]離開 齒輪軸[28]的軸心的徑向約束。改變齒輪傳動OPOC內燃機的內齒輪組和凸輪組的形狀，可以得到不同的燃燒效^ ο汽缸內工作壓力隨著曲軸轉角而變化，使用壓電式示功器能直接測出兩者之間的 關系。通過齒輪傳動和曲軸傳動的機械效率比較，初步可分析出本發明對熱效率提高的程 度有多大。
1. 8 50-60 80-100
0.819
1.000 1. 474 1. 800 1. 221實際上內燃機的轉速很高，活塞經歷每個行程的時間很短。在活塞到達下止點前， 燃氣的壓力已經很低，為了保證廢氣能排放干凈，排氣門通常會提前開啟。燃料在內燃機汽 缸中發出的總熱量除了 20%至45%能轉化為有效功外，其余均以不同的熱傳遞方式散失 在內燃機之外。內燃機利用石油燃料在燃燒室內燃燒，引起工質(氣體)膨脹做功，將熱能 轉化為動能，也使廢氣的排放造成了日益嚴重的環境污染。齒輪傳動OPOC內燃機采用均質 壓燃的燃燒方式能大幅降低氮氧化合物和碳煙的形成，二氧化碳排放也大幅降低。符圖說明
0-10 10-20 20-30 0-2020-40
30-40 40-50 40-60 60-80
B曲軸轉角(度)
C 齒輪嚙合點轉角(度) 100-120
D 曲軸傳動平均傳動效率 0. 087 0. 259 0. 423 0. 574 0. 707 E 齒輪傳動平均傳動效率 0. 174 0. 500 0. 766 0. 940 1. 000 F 曲軸傳動有效壓力(MP) 0. 697 1. 701 1. 862 1. 721 1. 838
G 齒輪傳動有效壓力(MP) 1. 389 3. 300 3. 371 2. 891
G/F有效壓力提高的倍率
1. 993
1. 940
1. 812
1. 638
2. 600
1. 415
圖1——活塞[la]處于上止點時的內燃機齒輪傳動機構的示意圖。圖2——圖1的A-A剖面俯視圖。圖3——圖1中的齒輪軸[8]順時針旋轉60度后的示意圖。圖4——圖3的B向剖面圖。圖5——圖3中的齒輪軸[8]順時針旋轉75度后的示意圖。圖6——圖5中的齒輪軸[8]順時針旋轉75度后的示意圖。圖7——活塞處于止點位置時的齒輪傳動OPOC內燃機示意圖。圖8——圖7的俯視圖。圖9——汽缸[14a]中的排氣口 [16a]打開，進氣口 [17a]即將開啟時的示意圖。圖10——汽缸[14a]中的排氣口 [16a]剛關閉，進氣口 [17a]打開時的示意圖。圖11——汽缸[14b]中的排氣口 [16b]即將打開時的示意圖。圖12——圖11的左視剖面圖。圖中——la、lb、Ic和Id.活塞；2a和2b.滑框；3a和3b.內齒輪；4a和4b.滾 子；5a和5b.銷軸；6a和6b.凸輪；7.滑槽；8.齒輪軸；9.軸承；IOa和IOb.活塞座；Ila 和lib.拉桿；12a和12b.外活塞；13a和13b.噴油孔；14a和14b.汽缸；15a和15b.內活 塞；16a和16b.排氣口 ； 17a和17b.進氣口 ； 18.內滑框；19a和19b.外滑框；20.中間內齒 輪；21a和21b.外側內齒輪；22.滾輪；23.輪軸；24.滾子；25a和25b.雙凸輪；26.銷軸； 27a和27b.凸輪；28.齒輪軸；29.軸承；30.連接件。
具體實施例方式實施例1 齒輪傳動內燃機，見圖1至圖6。現代車用內燃機的技術已經非常成熟。為了秉承現代內燃機的全部先進技術和科 研成果，本發明的齒輪傳動機構仿效了曲軸傳動機構在活塞處于上止點附近，即曲軸的轉 角正負35度范圍內的工作狀況。也就是說在相同沖程和相等時間的一個循環中，兩者的活 塞在上止點附近移動同樣的距離所需要的時間相等，讓齒輪傳動機構能夠適應現代內燃機 的燃料燃燒特征。由于采用了水平對置的汽缸設計，本實施例內齒輪的兩端采用相同的半 圓形內齒輪，中間用兩個齒條聯接，使水平對置在兩端的活塞在上止點附近都能像曲軸連 桿傳動機構中的活塞那樣工作。對點燃式的內燃機而言，火焰傳播速度越快，明顯燃燒時間越短，燃燒等容放熱程 度就越高。內燃機的動力性，經濟性越好。最高燃燒壓力相對活塞從上止點位移的距離，對 內燃機的輸出功率和燃油消耗影響很大。齒輪傳動內燃機在燃料燃燒膨脹的急燃階段仿 效了曲軸傳動內燃機的工作狀況，使齒輪傳動機構同樣能滿足點燃式內燃機的等容燃燒條 件，維持了內燃機熱機循環的轉換效率。實踐證明，最高壓力出現在上止點后12度至15度 曲軸轉角時，示功圖面積最大，循環功最多。經過計算，齒輪傳動機構到達上述點位所需的 時間是曲軸傳動機構所需的時間的1. 1倍。當內燃機以4000rpm的轉速運轉時，活塞會在 大約0. 004秒的時間內從零加速到97km/h。所以時間上百分之十的差距在瞬間就過去了。 從這點而言，齒輪傳動內燃機能在較低的轉速下就得到最大扭矩。水平對置內燃機的活塞運動的平衡性好，能相互抵消震動。曲軸傳動的水平對置 內燃機能保持650rpm的低速平穩工作，相比其他形式內燃機油耗更低。本發明的內燃機沒有曲軸，優點更明顯。沒有曲軸就不需要平衡配重，有助于提升轉速。內燃機的活塞由箱體 上的滑槽承重，磨損大大減少，噴油潤滑也很方便。傳動軸采用滾動軸承，汽缸對置熱量分 散，熱效率又比較高，需要散發的熱量少，可以采用油冷技術，使制造成本大幅降低。四沖程內燃機的工作循環由進氣、壓縮，燃燒膨脹和排氣四個過程組成。每個過程 中工質的狀態參數的變化及工質與外界的能量交換非常復雜，要想全面地，真實地研究實 際過程是不現實的。本發明改進了傳動部件，從動力傳遞的角度略作分析。相對于傳統的 曲軸傳動而言，齒輪傳動機構在上止點附近提供了增大一倍的傳動角，機械效率大幅提高。 改進內齒輪組和凸輪組的形狀，可以使熱效率提高更多。齒輪傳動內燃機的汽缸對置，結構緊湊，能適應轎車的發動機倉位。實施例2 齒輪傳動OPOC內燃機，見圖7至圖12。齒輪傳動OPOC內燃機隨著齒輪軸[28]順時針旋轉到達圖7所示的位置時，汽缸 [14a]處于上止點的位置；汽缸[14b]處于下止點的位置。此時汽缸[14a]內的燃料被壓 燃，汽缸[14b]直流掃氣。如前所述，中間內齒輪[20]與齒輪軸[28]的嚙合點有個滯后角； 外側內齒輪[21a]與外側內齒輪[21b]和齒輪軸[28]的嚙合點有個提前角。由此產生外 滑框[19a]、外滑框[19b]和內滑框[18]不對稱移動。排氣口 [16a]位于外活塞[12a] 一 則，排氣口 [16b]位于外活塞[12b] —則。所以排氣口先于進氣口開啟，先于進氣口關閉。 由于中間內齒輪[20]和外側內齒輪[21a]、外側內齒輪[21b]相對運動的對稱性被破壞，所 以在滾子[24]不能改變的情況下，修正凸輪[27a]和凸輪[27b]的形狀。作用在滾子[24] 和凸輪[27a]、凸輪[27b] 二條線上的力的大小相等，方向相反(見圖8)。分別限制了中間 內齒輪[20]向右移動和外側內齒輪[21a]、外側內齒輪[21b]向左移動，保證內齒輪組和齒 輪軸[28]的正常嚙合并且傳遞動力。在汽缸[14a]內的燃料燃燒膨脹的過程中，高壓燃氣推動外活塞[12a]向左拉動 外側內齒輪[21a]和外側內齒輪[21b]；同時推動內活塞[15a]向右推動中間內齒輪[20]。 對齒輪軸[28]產生一對大小相等，方向相反的力偶距，帶動齒輪軸[28]順時針旋轉對外輸 出動力。此時汽缸[14b]的排氣口 [16b]和進氣口 [17b]全部開啟，進行直流掃氣。在齒輪軸[28]又順時針旋轉90度，到達圖9所示的位置時，汽缸[14a]上的排氣 口 [16a]已經開始排氣，進氣口 [17a]即將開啟。汽缸[14b]處于壓縮行程中。中間內齒 輪[20]上面的齒條尾部和齒輪軸[28]嚙合，外側內齒輪[21a]、外側內齒輪[21b]下面的 齒條尾端和齒輪軸[28]嚙合。此時依靠慣性運轉。凸輪[27a]的下邊和雙凸輪[25a]上 的滾子[24]接觸；凸輪[27b]的下邊和雙凸輪[25b]上的滾子[24]接觸。約束內齒輪組 上的齒條和齒輪軸[28]正常嚙合。當齒輪軸[28]在慣性和汽缸[14b]內的燃氣膨脹的作用下又順時針旋轉60度， 到達圖10所示的位置時，汽缸[14b]繼續作功。汽缸[14a]的排氣口 [16a]已經關閉，進氣 口 [17a]繼續刺充入高壓空氣。中間內齒輪[20]下面的齒條開始和齒輪軸[28]嚙合，外側 內齒輪[21a]、外側內齒輪[21b]上面的齒條已經和齒輪軸[28]嚙合。此時雙凸輪[25a] 上的滾子[24]和凸輪[27a]的上邊接觸；雙凸輪[25b]上的滾子[24]和凸輪[27b]的上 邊接觸。約束內齒輪組上的齒條和齒輪軸[28]正常嚙合。當齒輪軸[28]又順時針旋轉40度，到達圖11所示的位置時，汽缸[14a]處于壓 縮行程，汽缸[14b]的排氣口 [16b]即將開啟。中間內齒輪[20]下面的齒條中點和齒輪軸[28]嚙合；外側內齒輪[21a]、外側內齒輪[21b]上面的齒條中點和齒輪軸[28]嚙合。此 時雙凸輪[25a]的下邊和凸輪[27a]的上邊接觸，雙凸輪[25b]的下邊和凸輪[27b]的上 邊接觸。約束內齒輪組上的齒條和齒輪軸[28]正常嚙合。圖11中的齒輪軸[28]再順時針旋轉50度，就回到了圖7所示的位置。左右汽缸 各自完成了一次作功過程。齒輪軸[28]在中間內齒輪[20]和外側內齒輪[21a]、外側內齒輪[21b]的共同作 用下，始終產生一對大小相等，方向相反的力偶距，工作時沒有軸向力。兩沖程的齒輪傳動 OPOC內燃機輸出的扭矩是四沖程的齒輪傳動內燃機的一倍。由于沒有汽缸蓋，沒有配氣系統和氣門，結構簡單。摩擦和損失的熱量減少，齒輪 傳動OPOC內燃機的油耗低、排放少、效率上升。齒輪傳動OPOC內燃機的熱效率的大幅提高，所需要的散發的熱量減少，就可以簡 化冷卻系統，完全可以采用油冷卻技術，讓潤滑油帶走熱量并起到潤滑作用。省掉水冷卻系 統，使內燃機設計簡單，制造成本下降。尤其適合干旱地區和用作坦克引擎。早期測試顯示，OPOC內燃機的燃油燃燒效率比普通內燃機高出50%。OPOC內燃 機具有兩沖程燃燒循環、低內部摩擦水平以及低熱能損耗的特點，較通常的四沖程內燃機 而言，其功率輸出密度達到后者的兩倍。均質壓燃的燃燒過程是缸內混合氣幾乎同時到達自燃溫度而幾乎同時發生的放 熱反應，基本上是一個非擴散的燃燒過程。均質壓燃是一種完全不同的的燃燒方式，具有 解決汽油機熱效率低問題的能力，使汽油機的指示熱效率可達到甚至超過目前柴油機的水 平。由于采用了壓燃，混合氣的空燃比不再受到混合氣點燃和火焰傳播的限制，內燃機的壓 縮比也不再受到爆震的限制。因此，均質壓燃齒輪傳動OPOC汽油機有可能使汽油機的熱效 率大幅度提高。與此同時，由于可以在稀薄混合氣中進行燃燒，從而可以大幅度地降低氮氧 化物和碳煙的生成，二氧化碳排放也大幅降低，并提高熱效率。氮氧化物的生成受到抑制， 減輕了排氣后處理的困難。節能和減排的效果非常明顯。采用均質壓燃的齒輪傳動OPOC內燃機的循環熱效率更能達到理想的水平，非常 適合在增程型電動車上使用。當增程型電動車的行駛里程小于60公里時，完全可以依靠一 個車載的16千瓦時鋰離子電池所儲備的電量來驅動車輛。當車載電池電量消耗至最低臨 界限值時，使用小排量的兩沖程均質壓燃的齒輪傳動OPOC內燃機為原動機的車載發電機 將自動啟動并為其繼續提供電能，以實現額外高達450公里以上的繼駛能力。增程型的電 力驅動方式可以徹底解決電動車行駛里程短的問題，能夠在全天候、全路況下行駛，且不必 為電池的電力不足擔心。小排量的兩沖程均質壓燃的齒輪傳動OPOC內燃機為原動機的車 載發電機可以安裝在車尾后座下面，有足夠的寬度和空間。如果齒輪傳動OPOC內燃機縱向 安裝在前輪之間，使活塞的運動方向與汽車的運行方向保持一致，則汽車行駛更趨平穩。實施例3 齒輪傳動液壓馬達和泵。如圖1和圖7所示，齒輪傳動機構的活塞配以液壓缸和換向閥門，在壓力油的作用 下可推動齒輪軸旋轉。輸出的有效功率高，能輸出的扭矩大。齒輪傳動機構也可以由原動機拖動齒輪軸旋轉，帶動活塞作往復直線運動，把缸 體內的介質經過單向閥門組吸入和泵出。
權利要求
使用一種可以逆向運行的，把往復直線運動轉變為朝同一方向旋轉的齒輪傳動機構的往復活塞式內燃機等機械，其特征在于內燃機等機械至少包括一套齒輪傳動機構，主要由固定在箱體上的有長圓形內孔的滑槽[7]、可以在兩個滑槽[7]之間左右移動的各有兩個朝相反方向伸出的活塞(活塞[1a]、活塞[1c]與活塞[1b]、活塞[1d])的滑框[2a]和滑框[2b]、可以在滑框框架內上下移動的上下各有一個伸出的凸輪[6a]與凸輪[6b]的內齒輪[3a]和內齒輪[3b]、凸輪[6a]上有滾子[4a]和銷軸[5a]、凸輪[6b]上有滾子[4b]和銷軸[5b]、兩端裝有軸承[9]的齒輪軸[8]等組成；齒輪傳動OPOC內燃機是一種兩沖程內燃機，主要由處于同一軸心線的四個活塞(外活塞[12a]、外活塞[12b]、內活塞[15a]、內活塞[15b])和二個汽缸(汽缸[14a]和汽缸[14b])、在汽缸[14a]和汽缸[14b]外側的排氣口[16a]和排氣口[16b]、在汽缸[14a]和汽缸[14b]內側的進氣口[17a]和進氣口[17b]、在汽缸[14a]和汽缸[14b]中間的噴油孔[13a]和噴油孔[13b]、兩端用拉桿[11a]和拉桿[11b]連接活塞座[10a]與外活塞[12a]和活塞座[10b]與外活塞[12b]的外滑框[19a]和外滑框[19b]、兩端有內活塞[15a]和內活塞[15b]的內滑框[18]、可以在內滑框[18]框架內上下移動的上下各有一個伸出的雙凸輪[25a]和雙凸輪[25b]的中間內齒輪[20]、雙凸輪[25a]和雙凸輪[25b]上的銷軸[26]與滾子[24]、可以在外滑框[19a]和外滑框[19b]框架內上下移動的上下各有一個伸出的凸輪[27a]和凸輪[27b]的外側內齒輪[21a]和外側內齒輪[21b]、兩端裝有軸承[29]的齒輪軸[28]、連接凸輪[27a]和凸輪[27b]的連接件[30]、支承了可以左右移動的全部零部件質量的滾輪[22]與輪軸[23]等組成。
2.根據權利要求1所述的齒輪傳動內燃機等機械，其特征在于凸輪[6a]與凸輪[6b] 相同，相互接觸并且相對移動，得到并保持對內齒輪[3a]與內齒輪[3b]和齒輪軸[8]的兩 個嚙合點的離開齒輪軸[8]的徑向約束；凸輪[6a]與凸輪[6b]還分別與滑槽[7]的長圓 形內壁接觸和移動，承受并傳遞活塞所產生的作用力，防止齒輪與齒輪之間的過度嚙合，得 到并保持對內齒輪[3a]與內齒輪[3b]和齒輪軸[8]的兩個嚙合點的指向齒輪軸[8]的徑 向約束。
3.根據權利要求1和2所述的齒輪傳動內燃機等機械，其特征在于在活塞[la]與活 塞[lb]處于上止點和活塞[lc]與活塞[Id]處于下止點位置時內齒輪[3a]的右端與內齒 輪[3b]的左端和齒輪軸[8]嚙合，內齒輪[3a]與內齒輪[3b]的形狀相同，可以是長圓形 的，也可以是帶圓角的長方形等。
4.根據權利要求1和3所述的齒輪傳動內燃機等機械，其特征在于凸輪[6a]與凸輪 [6b]的截面形狀同內齒輪[3a]與內齒輪[3b]和齒輪軸[8]正常嚙合時的運動軌跡相同。
5.根據權利要求1所述的齒輪傳動OPOC內燃機，其特征在于中間內齒輪[20]和齒 輪軸[28]的嚙合點有個滯后；外側內齒輪[21a]與外側內齒輪[21b]和齒輪軸[28]的嚙 合點有個超前(相對于齒輪軸[28]的水平中心線而言)。
6.根據權利要求1和5所述的齒輪傳動OPOC內燃機，其特征在于雙凸輪[25a]與雙 凸輪[25b]以及上面的滾子[24]和凸輪[27a]與凸輪[27b]之間相互接觸，并且相對移動， 得到并保持對中間內齒輪[20]和外側內齒輪[21a]與外側內齒輪[21b]離開齒輪軸[28] 的軸心的徑向約束。
7.根據權利要求1和6所述的齒輪傳動OPOC內燃機，其特征在于在內齒輪的齒數相等的條件下，中間內齒輪[20]中的內齒輪的長度和半圓形的半徑可以與外側內齒輪[21a] 與外側內齒輪[21b]中的內齒輪的長度和半圓形的半徑不相等。
8.根據權利要求1和7所述的齒輪傳動OPOC內燃機，其特征在于雙凸輪[25a]與雙 凸輪[25b]的形狀可以和凸輪[27a]與凸輪[27b]的形狀不相同，并可根據汽缸直流掃氣 所需的不對稱的氣道正時調整內齒輪組和齒輪軸[28]的相位角后產生的間隙或干涉的狀 況作出修正，使凸輪接觸處的運動軌跡同中間內齒輪[20]和齒輪軸[28]以及外側內齒輪 [21a]與外側內齒輪[21b]和齒輪軸[28]正常嚙合時的運動軌跡相匹配，移動時保持接觸， 保證齒輪傳動時能正常嚙合。
9.根據權利要求1、4和8所述的齒輪傳動機構，其特征在于保證內齒輪組和齒輪軸 正常嚙合的公式是內齒輪組的運動軌跡周長之和等于凸輪組的周長之和，內齒輪組左右移 動的距離之和等于凸輪組的寬度之和，內齒輪組上下移動的距離之和等于凸輪組的高度之 和。
10.根據權利要求1、4、8和9所述的齒輪傳動機構，其特征在于齒輪傳動機構還可以 應用于船用低速柴油機、坦克引擎、液壓馬達和泵等機械。
全文摘要
本發明涉及使用一種可以逆向運行的，把往復直線運動轉變為朝同一方向旋轉的齒輪傳動機構的往復活塞式內燃機等機械。機構采用內齒輪組和齒輪軸的傳動來替代連桿和曲軸的傳動。改進后的齒輪傳動機構在取消了輪套和滾輪后，活塞所產生的作用力不再傳遞到齒輪軸上，而由機箱承受。齒輪軸沒有徑向力，活塞沒有側向力，能有效降低摩擦力。齒輪傳動內燃機在燃料燃燒膨脹的急燃階段仿效了曲軸傳動內燃機的工作狀況，使齒輪傳動機構同樣能滿足點燃式內燃機的等容燃燒條件，維持了內燃機熱機循環的轉換效率。齒輪傳動機構在上止點附近提供了增大一倍的傳動角，機械效率大幅提高。采用均質壓燃的齒輪傳動OPOC內燃機的循環熱效率更能達到理想的水平。
文檔編號F02B75/32GK101975110SQ20101050051
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月8日 優先權日2010年10月8日
發明者舒錦海 申請人:舒錦海