专利名称：齿轮传动(opoc)内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用一种可以逆向运行的，把往复直线运动转变为朝同一方向旋转的 齿轮传动机构的往复活塞式内燃机等机械。齿轮传动机构采用内齿轮组和齿轮轴的传动来 替代连杆和曲轴的传动。改进后的齿轮传动机构能广泛应用于车用内燃机、船用低速柴油 机、坦克引擎、液压马达和泵等机械。
背景技术：
传统的往复活塞式内燃机都是采用连杆和曲轴来输出动力的，尽管传递动力的效
率不高。根据申请号200780037368. 3，优先权2006. 9. 7，AU2006904920,名称为“改进的对
置活塞燃烧发动机”的说明书所述，该发明实际上是采用了两只滚动轴承和两只反向旋转 的三头凸轮来传递动力的。机械效率相比曲轴和连杆的传动机构增加不多，而且体积比较 大，结构复杂。根据申请号200910203645. 4，公开号CN101592077A，名称为“内燃机”的说明书所 述，实施例提供一种对置活塞、对置汽缸的(OPOC)内燃机，其采用连杆和曲轴来传递动力。根据申请号201010126800. X，名称为“齿轮传动内燃机”的未公开的说明书所述，
该发明采用齿轮传动来提高往复活塞式内燃机的动力输出效率，内燃机的活塞对置、汽缸 对置。由于采用了轮套和滾轮的结构，制造和安装比较困难。20世纪初内燃机形式多样化时期就有对置活塞的内燃机形式(例如Junkers内燃 机)和对置气缸的内燃机形式(例如Boxer内燃机)。其中，Junkers内燃机因其升功率高 被用于螺旋桨战斗机。在2005年度SAE国际会议上，德国FEV公司展出了最新研发的轻质高功率密度内 燃机样机，该内燃机的研制是由美国国防预先研究计划局(DARPA)赞助的。该机为两冲程、 对置活塞对置气缸OPOC结构，可燃用柴油或JP8燃油。采用美国先进动力科技公司(APT) 研发的电辅助涡轮增压器(EAT)，标定功率242KW，2000r/min时扭矩为800N · m,质量仅 125kg。用在APT和FEV联合开发的一种发电动力装置上，热效率超过41 %，外形大小相当 于一个大公文包。美国陆军坦克机动车辆研究发展与工程中心(TARDEC)在底特律“2008美国汽车 工程学会年会暨展览会”上展示了其最新研发的对置活塞对置气缸(OPOC)内燃机。这种内 燃机是针对美国国防预先研究计划局(DARPA)关于缩小军用地面车辆动力装置体积的要 求而专门研制。这种水平对置双缸四活塞内燃机最早源于德国的共用气缸对置曲轴概念， 后来前苏联将其发展成坦克动力。这种特殊的内燃机在3800r/min的安全转速范围可产生 239KW的功率，内燃机质量仅为172kg。每个气缸有两个高压喷油器，系统采用机械增压和 涡轮增压的复合增压方式。OPOC内燃机是一种直喷、涡轮增压两冲程内燃机，整车制造商更倾向于采用小排 量的两冲程OPOC内燃机。航空航天行业也觉察到了 OPOC内燃机的优点所在高功率输出密度、轻质、高燃油经济性潜能以及降低对材料的要求。在2010年柏林航展上，欧洲航空航 天EADS下属旋翼(直升机)分部Eurocopter (欧洲直升机公司)为混合动力_电动“蓝色 直升机”概念机安装了两台柴油动力版OPOC内燃机。OPOC内燃机具有两冲程燃烧循环、低 内部摩擦水平以及低热能损耗的特点，较通常的四冲程内燃机而言，其功率输出密度达到 后者的两倍。该五叶螺旋桨直升机可载六名乘员。
发明内容
本发明提供的往复活塞式内燃机等机械至少包括一套齿轮传动机构，其技术方案 如下所述改进后的齿轮传动机构在取消了轮套和滚轮后，主要由固定在箱体上的有长圆形 内孔的滑槽[7]、可以在两个滑槽[7]之间左右移动的各有两个朝相反方向伸出的活塞(活 塞[la]、活塞[lc]与活塞[lb]、活塞[Id])的滑框[2a]和滑框[2b]、可以在滑框框架内上 下移动的上下各有一个伸出的凸轮[6a]与凸轮[6b]的内齿轮[3a]和内齿轮[3b]、凸轮 [6a]上有滾子[4a]和销轴[5a]、凸轮[6b]上有滾子[4b]和销轴[5b]、两端装有轴承[9] 的齿轮轴[8]等组成。活塞所产生的作用力不再传递到齿轮轴上，而由机箱承受。齿轮轴 没有径向力，活塞没有侧向力，能有效降低工作摩擦。与活塞相关联有两对汽缸，每一对汽 缸相对于齿轮轴[8]沿径向对置，活塞位于汽缸内。滑框[2a]、滑框[2b]的滑框中间的宽度和内齿轮[3a]、内齿轮[3b]的宽度相等。 内齿轮[3a]可以在滑框[2a]的框架内上下移动；内齿轮[3b]可以在滑框[2b]的框架内 上下移动。滑框上有可供内齿轮上的凸轮伸出的开口。内齿轮[3a]上下各有一个伸出的凸 轮[6a]，凸轮[6a]上用销轴[5a]装有滾子[4a]。同样，内齿轮[3b]也上下各有一个伸出 的凸轮[6b]，凸轮[6b]上用销轴[5b]装有滾子[4b]。内齿轮[3b]和内齿轮[3a]相同。 内齿轮[3a]、内齿轮[3b]分别和齿轮轴[8]啮合。凸轮[6a]以及上面的滾子[4a]、凸轮 [6b]以及上面的滾子[4b]还分别和滑槽[7]内的长圆形的内壁接触，承受并传递活塞所产 生的作用力，防止齿轮和齿轮之间的过度啮合，得到并保持对内齿轮[3a]、内齿轮[3b]和 齿轮轴[8]的两个啮合点的指向齿轮轴[8]的径向约束。取代了原来设计方案中的轮套和 滾轮所起的作用。由
图1所见，内齿轮[3a]和内齿轮[3b]套在齿轮轴[8]上，其整体受到上下和左 右二个约束，能在径向的平面内移动。内齿轮[3a]、内齿轮[3b]分别和齿轮轴[8]啮合传 递动力。为了使齿轮传动机构能正常运转，这里还需要一个使内齿轮组和齿轮轴[8]正常 啮合而不离开的约束，这个约束正是本分明的关键所在。这个正常啮合的另一个约束来自 和其相邻平行的另一组相同的内齿轮所伸出的凸轮组上。凸轮[6a]和凸轮[6b]的截面 形状同内齿轮[3a]、内齿轮[3b]和齿轮轴[8]正常啮合时的运动轨迹相同。凸轮[6a]和 凸轮[6b]相同，相互接触并且相对移动，得到并保持对内齿轮[3a]、内齿轮[3b]和齿轮轴 [8]的两个啮合点的离开齿轮轴[8]的径向约束。两个齿轮传动装置相对安装，互相约束， 组成一套齿轮传动机构。安装滾子[4a]和滾子[4b]是为了减少磨损。也可以采用滾动轴 承，特别是大型的船用低速柴油机。图1中滑框[2a]左侧的活塞[la]处于上止点位置，右侧的活塞[lc]处于下止点 位置；滑框[2b]正好相反，右侧的活塞[lb]处于上止点位置，左侧的活塞[Id]处于下止点位置。此时内齿轮[3a]最右端和齿轮轴[8]的右侧啮合；内齿轮[3b]最左端和齿轮轴 [8]的左侧啮合。内齿轮[3a]和内齿轮[3b]的形状相同，可以是长圆形的，也可以是带圆 角的长方形等。为了图示清楚，图中只画了齿轮的中线，即分度圆直径。与此同时上下两个 凸轮[6a]的右侧与上下两个凸轮[6b]上的滾子[4b]的左侧接触，使内齿轮[3a]和内齿 轮[3b]受到约束不能左右移动。此时形成死点，八个滾子的额定动负荷可达14000NX8 = 112000N，强度满足设计要求。图2是图1的A-A剖面俯视图。由图2可见，凸轮[6a]的右侧和凸轮[6b]的左 侧接触长度较长，可以多装几个滾子或滾动轴承。也可以采用粉末冶金，用硬质合金把内齿 轮[3a]和内齿轮[3b]各自制成整体。滑框[2a]左侧的活塞[la]受到汽缸内燃料燃烧后 产生的压力，通过两个凸轮[6a]把作用力传递到两个凸轮[6b]，最后通过滾子[4b]把力作 用到滑槽[7]的右侧内壁上。不会对齿轮轴[8]产生弯矩。随着齿轮轴[8]的顺时针旋转，分别带动内齿轮[3a]和内齿轮[3b]作平面移动。 内齿轮[3a]和齿轮轴[8]啮合点则逆时针向上转移；内齿轮[3b]和齿轮轴[8]啮合点则 逆时针向下转移。滑框[2a]左侧的活塞[la]在汽缸内燃料燃烧后产生的压力下推动内齿 轮[3a]，并且使齿轮轴[8]产生扭距。两个凸轮[6a]和滾子[4b]始终保持接触并跟随移 动，对上述两个啮合点保持径向约束。本发明中的实施例1由于内齿轮组上的内齿轮的齿数少于齿轮轴[8]上的齿轮的 齿数一倍，为30比18。所以内齿轮组绕齿轮轴[8] —圈齿轮轴[8]只转动三分之二圈。内 齿轮的齿数和齿轮轴的齿数是根据实际需要设计的，只要凸轮的机械强度能够满足内燃机 的工况和使用寿命，内齿轮的齿数可以是齿轮轴的齿数的一倍，使内齿轮绕齿轮轴一圈齿 轮轴同样转动一圈。大型内燃机的凸轮能够做到足够强大，机械传动的效率也将随着内齿 轮的齿数和齿轮轴的齿数比的增大而增大。当齿轮轴[8]顺时针旋转60度，达到图3所示的位置时，活塞[la]处于汽缸的中 间位置。齿轮轴[8]上端和内齿轮[3a]上边的齿条中点啮合，推动齿轮轴[8]顺时针旋转， 输出扭距。齿轮轴[8]下端和内齿轮[3b]下边的齿条中点啮合，使滑框[2b]两端的活塞 [lb]和活塞[Id]共同向左移动。两个凸轮[6a]的上边和两个凸轮[6b]的下边保持接触 并跟随移动，对上述两个啮合点保持径向约束。图4是图3的B向剖面图。由图4可见，内齿轮[3a]及其两个凸轮[6a]和内齿 轮[3b]及其两个凸轮[6b]形成E型，相互对插啮合，保证整套机构正常运行。在齿轮轴[8]又顺时针旋转75度(见图5)时，齿轮轴[8]和内齿轮[3a]的啮合 点处于左下45度的位置，活塞[la]已经过了下止点开始向上止点运动；齿轮轴[8]和内齿 轮[3b]的啮合点处于右上45度的位置。此时两个凸轮[6a]和两个凸轮[6b]保持接触， 也随动移位到相应的45度的位置，对上述两个啮合点保持径向约束。在齿轮轴[8]又顺时针旋转75度，到达图6所示的位置时，齿轮轴[8]下端和内 齿轮[3a]下边的齿条右端啮合；齿轮轴[8]上端和内齿轮[3b]上边的齿条左端啮合。此 时两个凸轮[6a]和两个凸轮[6b]保持接触，也相随移动到相应的位置，对上述两个啮合点 保持径向约束。齿轮轴[8]再顺时针旋转30度，就回到了图1所示的位置。周而复始，随着汽缸 循环工作，齿轮轴[8]不断旋转，输出有效功率。采用增压技术，改善换气条件，齿轮传动的两冲程内燃机在节能和环保上都会有很大改进。除了内燃机，齿轮传动机构还能用于液压马达等机械。齿轮传动机构也能逆向运 行，由原动机带齿轮轴[8]旋转，使滑框[2a]和滑框[2b]作往复直线运动，设计制造出高 效的液压泵，气泵和水泥泵等机械。齿轮传动机构更适合应用于OPOC内燃机。从图7和图8可见，本发明的齿轮传动OPOC内燃机是一种两冲程内燃机，主要由 处于同一轴心线的四个活塞(外活塞[12a]、外活塞[12b]、内活塞[15a]、内活塞[15b]) 和二个汽缸(汽缸[14a]和汽缸[14b])、在汽缸[14a]和汽缸[14b]外侧的排气口 [16a] 和排气口 [16b]、在汽缸[14a]和汽缸[14b]内侧的进气口 [17a]和进气口 [17b]、在汽缸 [14a]和汽缸[14b]中间的喷油孔[13a]和喷油孔[13b]、两端用拉杆[11a]和拉杆[lib] 连接活塞座[10a]与外活塞[12a]和活塞座[10b]与外活塞[12b]的外滑框[19a]和外滑 框[19b]、两端有内活塞[15a]和内活塞[15b]的内滑框[18]、可以在内滑框[18]的框架 内上下移动的上下各有一个伸出的双凸轮[25a]和双凸轮[25b]的中间内齿轮[20]、双凸 轮[25a]和双凸轮[25b]上的销轴[26]与滾子[24]、可以在外滑框[19a]和外滑框[19b] 框架内上下移动的上下各有一个伸出的凸轮[27a]和凸轮[27b]的外侧内齿轮[21a]和外 侧内齿轮[21b]、两端装有轴承[29]的齿轮轴[28]、连接凸轮[27a]和凸轮[27b]的连接 件[30]、滚轮[22]与轮轴[23]等组成。中间内齿轮[20]上采用双凸轮[25a]和双凸轮[25b]，受力均勻。外侧内齿轮 [21a]和外侧内齿轮[21b]上的凸轮[27a]和凸轮[27b]用连接件[30]固定连接(见图 12)。使外侧内齿轮[21a]和外侧内齿轮[21b]连接成整体，不再单臂受力。滚轮[22]和 轮轴[23]支承了可以左右移动的全部零部件质量，汽缸壁理论上只有和活塞环之间产生 的摩擦力。齿轮传动OPOC内燃机的换气过程是先打开排气口排出部分废气，然后再打开进 气口充入高压空气，强制直流扫气。活塞过下止点以后的回程中先关闭排气口，增压后再关 闭进气口。然后压缩空气和喷射燃料。在汽缸[14a]中的外活塞[12a]与内活塞[15a]处 于上止点的位置和汽缸[14b]中的内活塞[15b]与外活塞[12b]处于下止点的位置的时候 (见图7)，中间内齿轮[20]和齿轮轴[28]的啮合点有个滞后；外侧内齿轮[21a]、外侧内齿 轮[21b]和齿轮轴[28]的啮合点有个超前(相对于齿轮轴[28]的水平中心线而言)。利 用中间内齿轮[20]和外侧内齿轮[21a]、外侧内齿轮[21b]的相位角的不同，来控制不对称 的气道正时，保证换气的质量和效果。双凸轮[25a]、双凸轮[25b]的形状可以和凸轮[27a]、凸轮[27b]的形状不相同， 并可根据汽缸直流扫气所需的不对称的气道正时调整内齿轮组和齿轮轴[28]的相位角后 产生的间隙或干涉的状况作出修正，使凸轮接触处的运动轨迹同中间内齿轮[20]和齿轮 轴[28]以及外侧内齿轮[21a]、外侧内齿轮[21b]和齿轮轴[28]正常啮合时的运动轨迹相 匹配，移动时保持接触，保证齿轮传动时能正常啮合。保证内齿轮组和齿轮轴正常啮合的公式是内齿轮组的运动轨迹周长之和等于凸 轮组的周长之和，内齿轮组左右移动的距离之和等于凸轮组的宽度之和，内齿轮组上下移 动的距离之和等于凸轮组的高度之和。由于内滑框[18]和外滑框[19a]、外滑框[19b]的质量存在差异，为了平衡动能，曲轴传动和齿轮传动的平均传动效率和有效压力(MP)的比较 A 缸内压力(MP)
8. 0
6. 6
4. 4
3. 0
2. 6
在内齿轮的齿数相等的条件下，中间内齿轮[20]中的内齿轮的长度与半圆形的半径可以 和外侧内齿轮[21a]、外侧内齿轮[21b]中的内齿轮的长度与半圆形的半径不相等。此时内 滑框[18]和外滑框[19a]、外滑框[19b]位移的速度和距离也不相等，达到动平衡的效果。 采用相位角180度配置的两套齿轮传动OPOC内燃机，能自然达到动能平衡。齿轮传动OPOC内燃机的拉杆[11a]和拉杆[lib]始终处于拉伸状态，内活塞 [15a]和内活塞[15b]始终对内滑框[18]产生推力。齿轮轴[28]上也就不存在指向轴心的 径向作用力，不必对其约束。只需要对离开齿轮轴[28]轴心的径向作用力采取约束措施。 双凸轮[25a]、双凸轮[25b]以及上面的滾子[24]和凸轮[27a]、凸轮[27b]之间相互接触， 并且相对移动，得到并保持对中间内齿轮[20]和外侧内齿轮[21a]、外侧内齿轮[21b]离开 齿轮轴[28]的轴心的径向约束。改变齿轮传动OPOC内燃机的内齿轮组和凸轮组的形状，可以得到不同的燃烧效^ ο汽缸内工作压力随着曲轴转角而变化，使用压电式示功器能直接测出两者之间的 关系。通过齿轮传动和曲轴传动的机械效率比较，初步可分析出本发明对热效率提高的程 度有多大。
1. 8 50-60 80-100
0.819
1.000 1. 474 1. 800 1. 221实际上内燃机的转速很高，活塞经历每个行程的时间很短。在活塞到达下止点前， 燃气的压力已经很低，为了保证废气能排放干净，排气门通常会提前开启。燃料在内燃机汽 缸中发出的总热量除了 20%至45%能转化为有效功外，其余均以不同的热传递方式散失 在内燃机之外。内燃机利用石油燃料在燃烧室内燃烧，引起工质(气体)膨胀做功，将热能 转化为动能，也使废气的排放造成了日益严重的环境污染。齿轮传动OPOC内燃机采用均质 压燃的燃烧方式能大幅降低氮氧化合物和碳烟的形成，二氧化碳排放也大幅降低。符图说明
0-10 10-20 20-30 0-2020-40
30-40 40-50 40-60 60-80
B曲轴转角(度)
C 齿轮啮合点转角(度) 100-120
D 曲轴传动平均传动效率 0. 087 0. 259 0. 423 0. 574 0. 707 E 齿轮传动平均传动效率 0. 174 0. 500 0. 766 0. 940 1. 000 F 曲轴传动有效压力(MP) 0. 697 1. 701 1. 862 1. 721 1. 838
G 齿轮传动有效压力(MP) 1. 389 3. 300 3. 371 2. 891
G/F有效压力提高的倍率
1. 993
1. 940
1. 812
1. 638
2. 600
1. 415
图1——活塞[la]处于上止点时的内燃机齿轮传动机构的示意图。图2——图1的A-A剖面俯视图。图3——图1中的齿轮轴[8]顺时针旋转60度后的示意图。图4——图3的B向剖面图。图5——图3中的齿轮轴[8]顺时针旋转75度后的示意图。图6——图5中的齿轮轴[8]顺时针旋转75度后的示意图。图7——活塞处于止点位置时的齿轮传动OPOC内燃机示意图。图8——图7的俯视图。图9——汽缸[14a]中的排气口 [16a]打开，进气口 [17a]即将开启时的示意图。图10——汽缸[14a]中的排气口 [16a]刚关闭，进气口 [17a]打开时的示意图。图11——汽缸[14b]中的排气口 [16b]即将打开时的示意图。图12——图11的左视剖面图。图中——la、lb、Ic和Id.活塞；2a和2b.滑框；3a和3b.内齿轮；4a和4b.滾 子；5a和5b.销轴；6a和6b.凸轮；7.滑槽；8.齿轮轴；9.轴承；IOa和IOb.活塞座；Ila 和lib.拉杆；12a和12b.外活塞；13a和13b.喷油孔；14a和14b.汽缸；15a和15b.内活 塞；16a和16b.排气口 ； 17a和17b.进气口 ； 18.内滑框；19a和19b.外滑框；20.中间内齿 轮；21a和21b.外侧内齿轮；22.滚轮；23.轮轴；24.滾子；25a和25b.双凸轮；26.销轴； 27a和27b.凸轮；28.齿轮轴；29.轴承；30.连接件。
具体实施例方式实施例1 齿轮传动内燃机，见图1至图6。现代车用内燃机的技术已经非常成熟。为了秉承现代内燃机的全部先进技术和科 研成果，本发明的齿轮传动机构仿效了曲轴传动机构在活塞处于上止点附近，即曲轴的转 角正负35度范围内的工作状况。也就是说在相同冲程和相等时间的一个循环中，两者的活 塞在上止点附近移动同样的距离所需要的时间相等，让齿轮传动机构能够适应现代内燃机 的燃料燃烧特征。由于采用了水平对置的汽缸设计，本实施例内齿轮的两端采用相同的半 圆形内齿轮，中间用两个齿条联接，使水平对置在两端的活塞在上止点附近都能像曲轴连 杆传动机构中的活塞那样工作。对点燃式的内燃机而言，火焰传播速度越快，明显燃烧时间越短，燃烧等容放热程 度就越高。内燃机的动力性，经济性越好。最高燃烧压力相对活塞从上止点位移的距离，对 内燃机的输出功率和燃油消耗影响很大。齿轮传动内燃机在燃料燃烧膨胀的急燃阶段仿 效了曲轴传动内燃机的工作状况，使齿轮传动机构同样能满足点燃式内燃机的等容燃烧条 件，维持了内燃机热机循环的转换效率。实践证明，最高压力出现在上止点后12度至15度 曲轴转角时，示功图面积最大，循环功最多。经过计算，齿轮传动机构到达上述点位所需的 时间是曲轴传动机构所需的时间的1. 1倍。当内燃机以4000rpm的转速运转时，活塞会在 大约0. 004秒的时间内从零加速到97km/h。所以时间上百分之十的差距在瞬间就过去了。 从这点而言，齿轮传动内燃机能在较低的转速下就得到最大扭矩。水平对置内燃机的活塞运动的平衡性好，能相互抵消震动。曲轴传动的水平对置 内燃机能保持650rpm的低速平稳工作，相比其他形式内燃机油耗更低。本发明的内燃机没有曲轴，优点更明显。没有曲轴就不需要平衡配重，有助于提升转速。内燃机的活塞由箱体 上的滑槽承重，磨损大大减少，喷油润滑也很方便。传动轴采用滚动轴承，汽缸对置热量分 散，热效率又比较高，需要散发的热量少，可以采用油冷技术，使制造成本大幅降低。四冲程内燃机的工作循环由进气、压缩，燃烧膨胀和排气四个过程组成。每个过程 中工质的状态参数的变化及工质与外界的能量交换非常复杂，要想全面地，真实地研究实 际过程是不现实的。本发明改进了传动部件，从动力传递的角度略作分析。相对于传统的 曲轴传动而言，齿轮传动机构在上止点附近提供了增大一倍的传动角，机械效率大幅提高。 改进内齿轮组和凸轮组的形状，可以使热效率提高更多。齿轮传动内燃机的汽缸对置，结构紧凑，能适应轿车的发动机仓位。实施例2 齿轮传动OPOC内燃机，见图7至图12。齿轮传动OPOC内燃机随着齿轮轴[28]顺时针旋转到达图7所示的位置时，汽缸 [14a]处于上止点的位置；汽缸[14b]处于下止点的位置。此时汽缸[14a]内的燃料被压 燃，汽缸[14b]直流扫气。如前所述，中间内齿轮[20]与齿轮轴[28]的啮合点有个滞后角； 外侧内齿轮[21a]与外侧内齿轮[21b]和齿轮轴[28]的啮合点有个提前角。由此产生外 滑框[19a]、外滑框[19b]和内滑框[18]不对称移动。排气口 [16a]位于外活塞[12a] 一 则，排气口 [16b]位于外活塞[12b] —则。所以排气口先于进气口开启，先于进气口关闭。 由于中间内齿轮[20]和外侧内齿轮[21a]、外侧内齿轮[21b]相对运动的对称性被破坏，所 以在滾子[24]不能改变的情况下，修正凸轮[27a]和凸轮[27b]的形状。作用在滾子[24] 和凸轮[27a]、凸轮[27b] 二条线上的力的大小相等，方向相反(见图8)。分别限制了中间 内齿轮[20]向右移动和外侧内齿轮[21a]、外侧内齿轮[21b]向左移动，保证内齿轮组和齿 轮轴[28]的正常啮合并且传递动力。在汽缸[14a]内的燃料燃烧膨胀的过程中，高压燃气推动外活塞[12a]向左拉动 外侧内齿轮[21a]和外侧内齿轮[21b]；同时推动内活塞[15a]向右推动中间内齿轮[20]。 对齿轮轴[28]产生一对大小相等，方向相反的力偶距，带动齿轮轴[28]顺时针旋转对外输 出动力。此时汽缸[14b]的排气口 [16b]和进气口 [17b]全部开启，进行直流扫气。在齿轮轴[28]又顺时针旋转90度，到达图9所示的位置时，汽缸[14a]上的排气 口 [16a]已经开始排气，进气口 [17a]即将开启。汽缸[14b]处于压缩行程中。中间内齿 轮[20]上面的齿条尾部和齿轮轴[28]啮合，外侧内齿轮[21a]、外侧内齿轮[21b]下面的 齿条尾端和齿轮轴[28]啮合。此时依靠惯性运转。凸轮[27a]的下边和双凸轮[25a]上 的滾子[24]接触；凸轮[27b]的下边和双凸轮[25b]上的滾子[24]接触。约束内齿轮组 上的齿条和齿轮轴[28]正常啮合。当齿轮轴[28]在惯性和汽缸[14b]内的燃气膨胀的作用下又顺时针旋转60度， 到达图10所示的位置时，汽缸[14b]继续作功。汽缸[14a]的排气口 [16a]已经关闭，进气 口 [17a]继续刺充入高压空气。中间内齿轮[20]下面的齿条开始和齿轮轴[28]啮合，外侧 内齿轮[21a]、外侧内齿轮[21b]上面的齿条已经和齿轮轴[28]啮合。此时双凸轮[25a] 上的滾子[24]和凸轮[27a]的上边接触；双凸轮[25b]上的滾子[24]和凸轮[27b]的上 边接触。约束内齿轮组上的齿条和齿轮轴[28]正常啮合。当齿轮轴[28]又顺时针旋转40度，到达图11所示的位置时，汽缸[14a]处于压 缩行程，汽缸[14b]的排气口 [16b]即将开启。中间内齿轮[20]下面的齿条中点和齿轮轴[28]啮合；外侧内齿轮[21a]、外侧内齿轮[21b]上面的齿条中点和齿轮轴[28]啮合。此 时双凸轮[25a]的下边和凸轮[27a]的上边接触，双凸轮[25b]的下边和凸轮[27b]的上 边接触。约束内齿轮组上的齿条和齿轮轴[28]正常啮合。图11中的齿轮轴[28]再顺时针旋转50度，就回到了图7所示的位置。左右汽缸 各自完成了一次作功过程。齿轮轴[28]在中间内齿轮[20]和外侧内齿轮[21a]、外侧内齿轮[21b]的共同作 用下，始终产生一对大小相等，方向相反的力偶距，工作时没有轴向力。两冲程的齿轮传动 OPOC内燃机输出的扭矩是四冲程的齿轮传动内燃机的一倍。由于没有汽缸盖，没有配气系统和气门，结构简单。摩擦和损失的热量减少，齿轮 传动OPOC内燃机的油耗低、排放少、效率上升。齿轮传动OPOC内燃机的热效率的大幅提高，所需要的散发的热量减少，就可以简 化冷却系统，完全可以采用油冷却技术，让润滑油带走热量并起到润滑作用。省掉水冷却系 统，使内燃机设计简单，制造成本下降。尤其适合干旱地区和用作坦克引擎。早期测试显示，OPOC内燃机的燃油燃烧效率比普通内燃机高出50%。OPOC内燃 机具有两冲程燃烧循环、低内部摩擦水平以及低热能损耗的特点，较通常的四冲程内燃机 而言，其功率输出密度达到后者的两倍。均质压燃的燃烧过程是缸内混合气几乎同时到达自燃温度而几乎同时发生的放 热反应，基本上是一个非扩散的燃烧过程。均质压燃是一种完全不同的的燃烧方式，具有 解决汽油机热效率低问题的能力，使汽油机的指示热效率可达到甚至超过目前柴油机的水 平。由于采用了压燃，混合气的空燃比不再受到混合气点燃和火焰传播的限制，内燃机的压 缩比也不再受到爆震的限制。因此，均质压燃齿轮传动OPOC汽油机有可能使汽油机的热效 率大幅度提高。与此同时，由于可以在稀薄混合气中进行燃烧，从而可以大幅度地降低氮氧 化物和碳烟的生成，二氧化碳排放也大幅降低，并提高热效率。氮氧化物的生成受到抑制， 减轻了排气后处理的困难。节能和减排的效果非常明显。采用均质压燃的齿轮传动OPOC内燃机的循环热效率更能达到理想的水平，非常 适合在增程型电动车上使用。当增程型电动车的行驶里程小于60公里时，完全可以依靠一 个车载的16千瓦时锂离子电池所储备的电量来驱动车辆。当车载电池电量消耗至最低临 界限值时，使用小排量的两冲程均质压燃的齿轮传动OPOC内燃机为原动机的车载发电机 将自动启动并为其继续提供电能，以实现额外高达450公里以上的继驶能力。增程型的电 力驱动方式可以彻底解决电动车行驶里程短的问题，能够在全天候、全路况下行驶，且不必 为电池的电力不足担心。小排量的两冲程均质压燃的齿轮传动OPOC内燃机为原动机的车 载发电机可以安装在车尾后座下面，有足够的宽度和空间。如果齿轮传动OPOC内燃机纵向 安装在前轮之间，使活塞的运动方向与汽车的运行方向保持一致，则汽车行驶更趋平稳。实施例3 齿轮传动液压马达和泵。如图1和图7所示，齿轮传动机构的活塞配以液压缸和换向阀门，在压力油的作用 下可推动齿轮轴旋转。输出的有效功率高，能输出的扭矩大。齿轮传动机构也可以由原动机拖动齿轮轴旋转，带动活塞作往复直线运动，把缸 体内的介质经过单向阀门组吸入和泵出。
权利要求
使用一种可以逆向运行的，把往复直线运动转变为朝同一方向旋转的齿轮传动机构的往复活塞式内燃机等机械，其特征在于内燃机等机械至少包括一套齿轮传动机构，主要由固定在箱体上的有长圆形内孔的滑槽[7]、可以在两个滑槽[7]之间左右移动的各有两个朝相反方向伸出的活塞(活塞[1a]、活塞[1c]与活塞[1b]、活塞[1d])的滑框[2a]和滑框[2b]、可以在滑框框架内上下移动的上下各有一个伸出的凸轮[6a]与凸轮[6b]的内齿轮[3a]和内齿轮[3b]、凸轮[6a]上有滾子[4a]和销轴[5a]、凸轮[6b]上有滾子[4b]和销轴[5b]、两端装有轴承[9]的齿轮轴[8]等组成；齿轮传动OPOC内燃机是一种两冲程内燃机，主要由处于同一轴心线的四个活塞(外活塞[12a]、外活塞[12b]、内活塞[15a]、内活塞[15b])和二个汽缸(汽缸[14a]和汽缸[14b])、在汽缸[14a]和汽缸[14b]外侧的排气口[16a]和排气口[16b]、在汽缸[14a]和汽缸[14b]内侧的进气口[17a]和进气口[17b]、在汽缸[14a]和汽缸[14b]中间的喷油孔[13a]和喷油孔[13b]、两端用拉杆[11a]和拉杆[11b]连接活塞座[10a]与外活塞[12a]和活塞座[10b]与外活塞[12b]的外滑框[19a]和外滑框[19b]、两端有内活塞[15a]和内活塞[15b]的内滑框[18]、可以在内滑框[18]框架内上下移动的上下各有一个伸出的双凸轮[25a]和双凸轮[25b]的中间内齿轮[20]、双凸轮[25a]和双凸轮[25b]上的销轴[26]与滾子[24]、可以在外滑框[19a]和外滑框[19b]框架内上下移动的上下各有一个伸出的凸轮[27a]和凸轮[27b]的外侧内齿轮[21a]和外侧内齿轮[21b]、两端装有轴承[29]的齿轮轴[28]、连接凸轮[27a]和凸轮[27b]的连接件[30]、支承了可以左右移动的全部零部件质量的滚轮[22]与轮轴[23]等组成。
2.根据权利要求1所述的齿轮传动内燃机等机械，其特征在于凸轮[6a]与凸轮[6b] 相同，相互接触并且相对移动，得到并保持对内齿轮[3a]与内齿轮[3b]和齿轮轴[8]的两 个啮合点的离开齿轮轴[8]的径向约束；凸轮[6a]与凸轮[6b]还分别与滑槽[7]的长圆 形内壁接触和移动，承受并传递活塞所产生的作用力，防止齿轮与齿轮之间的过度啮合，得 到并保持对内齿轮[3a]与内齿轮[3b]和齿轮轴[8]的两个啮合点的指向齿轮轴[8]的径 向约束。
3.根据权利要求1和2所述的齿轮传动内燃机等机械，其特征在于在活塞[la]与活 塞[lb]处于上止点和活塞[lc]与活塞[Id]处于下止点位置时内齿轮[3a]的右端与内齿 轮[3b]的左端和齿轮轴[8]啮合，内齿轮[3a]与内齿轮[3b]的形状相同，可以是长圆形 的，也可以是带圆角的长方形等。
4.根据权利要求1和3所述的齿轮传动内燃机等机械，其特征在于凸轮[6a]与凸轮 [6b]的截面形状同内齿轮[3a]与内齿轮[3b]和齿轮轴[8]正常啮合时的运动轨迹相同。
5.根据权利要求1所述的齿轮传动OPOC内燃机，其特征在于中间内齿轮[20]和齿 轮轴[28]的啮合点有个滞后；外侧内齿轮[21a]与外侧内齿轮[21b]和齿轮轴[28]的啮 合点有个超前(相对于齿轮轴[28]的水平中心线而言)。
6.根据权利要求1和5所述的齿轮传动OPOC内燃机，其特征在于双凸轮[25a]与双 凸轮[25b]以及上面的滾子[24]和凸轮[27a]与凸轮[27b]之间相互接触，并且相对移动， 得到并保持对中间内齿轮[20]和外侧内齿轮[21a]与外侧内齿轮[21b]离开齿轮轴[28] 的轴心的径向约束。
7.根据权利要求1和6所述的齿轮传动OPOC内燃机，其特征在于在内齿轮的齿数相等的条件下，中间内齿轮[20]中的内齿轮的长度和半圆形的半径可以与外侧内齿轮[21a] 与外侧内齿轮[21b]中的内齿轮的长度和半圆形的半径不相等。
8.根据权利要求1和7所述的齿轮传动OPOC内燃机，其特征在于双凸轮[25a]与双 凸轮[25b]的形状可以和凸轮[27a]与凸轮[27b]的形状不相同，并可根据汽缸直流扫气 所需的不对称的气道正时调整内齿轮组和齿轮轴[28]的相位角后产生的间隙或干涉的状 况作出修正，使凸轮接触处的运动轨迹同中间内齿轮[20]和齿轮轴[28]以及外侧内齿轮 [21a]与外侧内齿轮[21b]和齿轮轴[28]正常啮合时的运动轨迹相匹配，移动时保持接触， 保证齿轮传动时能正常啮合。
9.根据权利要求1、4和8所述的齿轮传动机构，其特征在于保证内齿轮组和齿轮轴 正常啮合的公式是内齿轮组的运动轨迹周长之和等于凸轮组的周长之和，内齿轮组左右移 动的距离之和等于凸轮组的宽度之和，内齿轮组上下移动的距离之和等于凸轮组的高度之 和。
10.根据权利要求1、4、8和9所述的齿轮传动机构，其特征在于齿轮传动机构还可以 应用于船用低速柴油机、坦克引擎、液压马达和泵等机械。
全文摘要
本发明涉及使用一种可以逆向运行的，把往复直线运动转变为朝同一方向旋转的齿轮传动机构的往复活塞式内燃机等机械。机构采用内齿轮组和齿轮轴的传动来替代连杆和曲轴的传动。改进后的齿轮传动机构在取消了轮套和滚轮后，活塞所产生的作用力不再传递到齿轮轴上，而由机箱承受。齿轮轴没有径向力，活塞没有侧向力，能有效降低摩擦力。齿轮传动内燃机在燃料燃烧膨胀的急燃阶段仿效了曲轴传动内燃机的工作状况，使齿轮传动机构同样能满足点燃式内燃机的等容燃烧条件，维持了内燃机热机循环的转换效率。齿轮传动机构在上止点附近提供了增大一倍的传动角，机械效率大幅提高。采用均质压燃的齿轮传动OPOC内燃机的循环热效率更能达到理想的水平。
文档编号F02B75/32GK101975110SQ20101050051
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月8日 优先权日2010年10月8日
发明者舒锦海 申请人:舒锦海