CN100434668C - 一种无曲轴内燃机 - Google Patents

Abstract

一种无曲轴内燃机，涉及燃气动力领域，属于一种多缸内燃机。本发明提供了一种新型内燃机，八个气缸以环形方式均匀地布置在配气凸轮周围，气缸活塞直接作用于输出凸轮上，动力由输出凸轮通过输出轴输出。该内燃机去除了传统内燃机中的连杆及曲轴，八个气缸对输出凸轮的作用力完全平衡。所有气缸的进气门和排气门由两个凸轮集中控制。凸轮轴的轴线与输出轴的轴线重合，通过同步带传动机构实现配气正时，凸轮轴与输出轴之间的传动比较大。该种内燃机具有结构紧凑、整机运转平稳、噪声低、功率大、可实现大扭矩低转速输出等特点。

Description

一种无曲轴内燃机

技术领域

本发明涉及燃气动力领域，属于一种多缸内燃机。

技术背景

现有内燃机的多为往复活塞式内燃机，分为二冲程和四冲程两种，通过曲柄滑块机构将气缸活塞的直线运动转化为旋转运动输出。由于曲柄及连杆机构的存在，现有内燃机存在传动链长、冲击大、振动大、噪声大等缺点。二冲程式内燃机曲轴转动一周的过程中可完成一个工作循环，但在排气过程中有一部分新鲜可燃气体被排出，比四冲程内燃机的经济性差.排出污物多，对环境造成污染。四冲程内燃机的曲轴转动两周完成一个工作循环，在相同容积和转速的情况下，理论上四冲程内燃机的功率为二冲程内燃机的二分之一。

活齿传动是一种性能优越的新型传动，具有传动比大、承载能力强、效率高等优点。它主要由激波器、活齿架、活齿及波形轮等几部分组成，各构件都处在同一平面内。活齿与激波器和波形轮均为高副接触，活齿在激波器的作用下推动波形轮作连续的旋转运动，实现运动的转换。推杆活齿传动是活齿传动中较为典型的一种，推杆活齿在活齿架内作往复直线运动，推动波形轮旋转。

如果将活齿传动技术引入到内燃机中，则既可克服二冲程内燃机经济性差的缺点，又可以克服四冲程内燃机功率小的不足。

发明内容

本发明的目的：将优越的推杆活齿传动技术引入到内燃机中，从而提供一种结构紧凑、运转平稳、噪声小、转速低、功率大的新型内燃机。

本发明的技术方案：将推杆活齿传动中作往复直线运动的推杆活齿转化为内燃机的气缸活塞；将活齿传动中的激波器转化为内燃机的配气凸轮；将推杆活齿传动中的波形轮转化为输出凸轮；将八个气缸环形布置于配气凸轮周围，以实现配气集中控制；改变传统内燃机凸轮轴的布置方式，让凸轮轴与输出轴的轴线重合；内燃机的配气正时控制由同步带传动机构实现。

附图说明

图1无曲轴内燃机原理图

图2无曲轴内燃机结构示意图

图3输出凸轮与滚子在汽缸弹簧的作用下保持接触

图4气缸结构示意图

图5进气门控制凸轮

图6排气门控制凸轮

图中：1、机架，2、输出轴，3、输出凸轮，4、滚子，5、活塞，6、气缸，7、端盖，8、排气门，9、排气凸轮，10、同步带轮，11、配气凸轮轴，12、同步带，13、进气凸轮，14、进气门，15、带轮轴，16、轴承

本发明具体实施方式

该内燃机的工作原理如图1所示，八个气缸(6)固定不动。其中I、V号气缸内的活塞处于上止点位置，火化塞点火，燃气燃烧并膨胀推动活塞做功，做功冲程开始，活塞(5)开始运动并通过滚子(4)推动输出凸轮(3)顺时针旋转，输出凸轮与输出轴固连在一起，从而使输出轴顺时针旋转；II、VI号气缸内的活塞处于下止点位置，活塞在输出凸轮的推动下将气体排出气缸，排气冲程开始；III、VII号气缸内的活塞处于上止点位置，活塞在输出凸轮的作用下向下止点移动，气缸容积增大，吸气冲程开始；IV、VIII号气缸内活塞处于下止点位置，活塞在输出凸轮的作用下向上止点移动，气缸容积减小，气缸内气体受压，压缩冲程开始。当输出凸轮转过45°时，IV、VIII号气缸处于做功冲程开始的状态，I、V号气缸处于排气冲程开始的状态，II、VI号气缸处于吸气冲程开始的状态，III、VII号气缸处于压缩冲程开始的状态。如此周而复始地循环，输出轴可以一直稳定地旋转。

由上述可知：在任意一个时刻，八个气缸中有两个气缸处于做功冲程，两个气缸处于排气冲程，两个气缸处于吸气冲程，两个气缸处于压缩冲程。相位相差180°的两个气缸的工作状态完全相同。各活塞对输出凸轮的综合的效果只有力偶的作用，没有力的作用，因此该内燃机工作平稳、噪声小、振动冲击小。

该内燃机的结构如图2所示，端盖(7)固定在机架(1)上，八个气缸(6)固定在端盖(7)上，气缸内的活塞(5)上安装有滚子(4)，滚子(4)与输出凸轮(3)高副接触，输出凸轮(3)与输出轴(2)固连，输出轴(2)通过两个滚动轴承支承在机架(1)上。两个配气凸轮(9、13)固定在配气凸轮轴(11)上，配气凸轮轴(11)一端支承在输出轴(2)上，另一端支承在端盖(7)上。输出轴通过四个同步带轮(10)、两条同步带(12)和一根带轮轴(15)将动力传动到配气凸轮轴(11)上，以实现配气正时。

活塞与输出凸轮的连接方式可以有两种：第一种方式如图1所示，活塞滚子安装在输出凸轮上的环形槽中，以保证活塞滚子与输出凸轮的接触。第二种方式如图3所示，活塞通过滚子与输出凸轮的内轮廓接触，为保证滚子始终与输出凸轮接触，要在导向气缸内安装气缸弹簧。

气缸的结构如图4所示，由一大一小两个气缸串连组成，小气缸为燃烧室，气体膨胀做功在此完成；大气缸为导向缸，它对活塞的运动起到一个导向的作用，导向气缸主要承受活塞施加给气缸壁的正压力，活塞对燃烧气缸的正压力较小。这种结构有利于减小燃烧气缸的磨损，提高其寿命。气缸活塞由一大一小两个活塞及活塞杆组成，当气缸活塞在气缸内运动时，大小活塞之间的气体体积会发生变化，因此在大活塞上要开几个排气孔，易于气体的排出，这种结构也有利于小活塞的散热。为防止活塞绕气缸轴线旋转，出现活塞滚子与输出凸轮脱离接触的现象，导向气缸的截面形状作为圆角矩形。

该内燃机的八个气缸共有十六个配气门，由两个配气凸轮集中控制，进气凸轮控制八个进气门，排气凸轮控制八个排气门。各气门的开闭情况如表1所示。进气凸轮与排气凸轮的形状的完全相同，它们都固定在凸轮架上，二者的相位只相差45°，其形状如图5和图6所示。表1气门开闭情况表

	吸气	压缩	作功	排气
					进气门	开	关	关	关
排气门	关	关	关	开

由图5可知，配气凸轮旋转一周，气缸活塞完成两个循环。从图1可以看出，活塞每完成一个工作循环，输出凸轮转过两个齿。因此，配气凸轮每旋转一周，输出凸轮转过四个齿。输出凸轮的齿数一般为4的倍数，图1中输出凸轮一共有12个齿，所以输出轴与配气凸轮轴之间的传动比为1∶3，如果输出轮的齿数为16齿，则该传动比为1∶4。而传统四冲程内燃机的曲轴与凸轮轴之间的传动比为1∶1。由此可见，与传统内燃机相比，该种内燃机可以实现低转速输出，具有减速器的功能。

由图1中可以看出，输出凸轮的受力点与它的回转中心间的距离较大，故活塞对它的作用力可以产生较大的输出扭矩。

输出凸轮的轮廓曲线一般为样条曲线，为加工制造简单，也可选用简单线条的组合，如圆弧和直线的组合。输出凸轮的轮廓曲线完全对称，因此该内燃机既可正转也可反转，其转向由启动转向决定。

由前述分析可知，相位相差180°的两个气缸的工作状态完全相同。各活塞对输出凸轮的综合的效果只有力偶的作用，没有力的作用，因此输出凸轮可以能稳定地旋转。由于输出凸轮的半径较大，且它和输出轴固连为一体，所以它们具有很大的转动惯量。当输出凸轮与气缸的位置关系如图1所示时，处于死点位置，输出凸轮可凭惯性力闯过死点。

对于本发明中未涉及到的泵油系统、点火下正时系统、润滑系统及冷却系统，可直接借用现有内燃机的成熟技术来实现。

Claims (7)

1、一种无曲轴内燃机，该内燃机主要由机架(1)、输出轴(2)、输出凸轮(3)、滚子(4)、活塞(5)、气缸(6)、端盖(7)、排气门(8)、排气凸轮(9)、同步带轮(10)、配气凸轮轴(11)、同步带(12)、进气凸轮(13)、进气门(14)、带轮轴(15)、轴承(16)组成，其特征在于：取消了传统内燃机中的连杆和曲轴，八个气缸均匀布置在配气凸轮周围，气缸活塞直接作用在输出凸轮上，推动输出凸轮旋转，输出凸轮与输出轴固连在一起，实现动能输出；整机运转平稳；配气凸轮轴的轴线与输出轴的轴线重合；气缸的配气正时由同步带传动机构实现；能实现低速、大扭矩输出。

2、根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于：气缸活塞直接作用在输出凸轮上，推动输出凸轮旋转，输出凸轮与输出轴固连在一起，从而将动能输出，该内燃机中没有传统内燃机的曲轴及连杆，各活塞对输出凸轮的作用力完全平衡，整机运转平衡，冲击、振动、噪声都较小。

3、根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于：输出轴支承在机架上，配气凸轮轴一端支承在输出轴上，另一端支承在端盖上，配气凸轮轴的轴线与输出轴的轴线在一条直线上。

4、根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于：八个气缸均匀布置在两个配气凸轮周围，八个进气门由一个凸轮控制，八个排气门由另一个凸轮控制。

5、根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于：配气正时由同步带传动机构实现，输出轴通过四个同步带轮、两条同步带和一根带轮轴将运动传递到配气凸轮轴上。

6、根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于：配气凸轮轴与输出轴的转速比为3或更大，与传统内燃机相比，可以实现输出轴低速运转。

7、根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于：输出凸轮的受力点与其回转中心的距离较大，活塞对输出凸轮的作用力能产生较大的转矩。

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