技术领域

本发明涉及一种内燃机，特别是涉及一种能够对内燃机的的各工 作循环的控制进行改善的内燃机。本发明还涉及一种具有改进的转矩 特性的内燃机。

现有技术

使用在例如汽车中的内燃机一般为往复式，其中活塞在气缸中往 复运动，并且通过一个连杆驱动一个曲轴。这种现有往复式的内燃机 设计的缺点主要来自于活塞和连杆的往复运动。

已经发明了很多的内燃机以克服现有往复式内燃机的缺陷和不 足之处。这些发展包括汪克尔内燃机之类的转子式内燃机，以及使用 一个或者多个凸轮以取代至少是曲轴有时甚至还有连杆的一些类型 的内燃机。    

利用一个或者多个凸轮替代曲轴的内燃机类型公开在例如美国 专利4,848,282中和澳大利亚专利申请17897/76中。但是，尽 管获得发展的这种类型的内燃机，已经使现有往复式内燃机的缺陷得 以克服，但是，对于利用一个或者多个凸轮替代曲轴的内燃机类型， 还有待于进一步的开发。

带有对置的互连活塞的内燃机是已知的。这种类型的内燃机的结 构在澳大利亚专利申请36206/84中曾有描述。但是在该专利文献以 及其它类似的专利文献中，从未提及过对置的互连活塞可以和除曲轴 之外的任何结构其它结合起来使用。

发明简述

本发明的目的在于提出一种凸轮转子式内燃机，该内燃机具有改 进的转矩特性和循环控制特性。本发明的再一个目的在于提出一种至 少可以克服现有内燃机的一部分的缺陷的内燃机。

根据本发明的一个比较上位的结构，本发明提出一种内燃机，包 括至少一个气缸组合件，所述气缸组合件包括：

一轴，带有一个同轴固定于其上的第一多叶状凸轮和一个相邻的 第二多叶状凸轮，所述第二凸轮通过差动齿轮与第一凸轮配合，从 而绕所述轴作相反方向的转动；

至少一对气缸，所述气缸对中的每一个均与所述轴正好相对， 并且所述多叶状凸轮位于二气缸之间；

分别位于所述气缸中的活塞，在所述气缸对中，所述活塞彼此刚 性互连；

其中，所述多叶状凸轮中的每一个均包括一个3+n个凸角，其 中n为零或者一个偶数；

而且所述活塞在所述气缸中的往复运动，通过所述活塞和所述多 叶状凸轮的凸轮表面之间的接触，使所述轴产生转动。

从上面的描述可以理解，现有内燃机中的曲轴和连杆被本发明的 线性轴和多叶状凸轮所代替。利用凸轮代替连杆和曲轴结构，可以在 内燃机的循环过程中对活塞的位置进行进一步的控制，例如，活塞在 上死点(TDC)的驻留时间可以得以延长。

从对本发明的概述中可以理解的是，尽管在至少一对气缸中设有 二个气缸，但是，对置的气缸和互连的活塞，使一种双作用活塞-气 缸结构得以有效采用。气缸之间的刚性互连避免了扭转并且最大限度 地避免了活塞和气缸壁之间的接触，从而减少了摩擦。

使用两个转动方向相反的凸轮可以获得较现有内燃机更高的转 钜。这是因为当活塞开始进行作功冲程时，相应于凸轮凸角可以获得 一个最大的机械效益。

根据本发明的内燃机的更进一步的结构，如上所述的内燃机包括 至少一个气缸组合件。带有一个单独的气缸组合件的内燃机是优选 的，但是本发明的内燃机可以具有2到6个组合件。在带有多个组合 件的内燃机中，一个轴延伸过所有的组合件，这根轴可以是一体的部 件也可以是互连的轴件。类似地，带有多个组合件的内燃机的缸体可 以是一体的，也可以是分开的。

缸体组合件可以是仅包括一单对气缸。但是，根据本发明的内燃 机在一个组合件中也可以包括二对气缸。对于具有二对气缸的组合 件，两对气缸之间具有90度的夹角。

对于用于本发明的多叶状凸轮，三叶式凸轮可以作为优选。这样 可以在一个二冲程内燃机中，凸轮每转一圈，可以获得六个点火阶 段。而且，每一个凸轮可以具有5、7、9或者更多的凸轮凸角。

凸轮的凸角可以是不对称的，以在一个循环的不同阶段控制活 塞的速度，例如提高活塞在TDC或者BDC的驻留时间。对于本领域 的普通技术人员来说，在TDC延长的时间可以改善燃烧，而在BDC 延长的时间，可以确保一个更佳的扫气效果。通过凸角的形状控制活 塞的速度，可以控制活塞的加速和扭矩的施加。具体地说，在TDC 之后，可以立即获得一个比现有的往复式内燃机更大的扭矩。此外， 通过变化的活塞速度而获得的控制特性包括对与气门关闭速度相比 较的气门打开速度的控制，以及相应于燃烧率的压缩比的控制。

第一多叶状凸轮可以通过本领域熟知的方式固定到轴上。作为替 代方案，轴和多叶状齿轮可以作为一个部件一体制成。

差动齿轮传动装置使第一多叶状凸轮和第二多叶状凸轮可以以 相反方向转动，同时使二者的运动同步。用于凸轮的差动凸轮传动机 构可以通过任何已知的方式构成。例如，斜齿轮可以设置在第一和第 二多叶状凸轮的对面，并且在它们之间，还可以设有至少一个小斜齿 轮，作为优选，可以设置两个正对着的小斜齿轮。以可转动的方式支 持轴的支持部件优选用来设置支持小齿轮。

活塞之间的刚性互连包括连在活塞的下部靠近边缘处的至少二 根杆。作为优选，使用四根杆，这四根杆沿活塞的边缘等间隔设置。 在气缸组合件中，还可以设有用于互连杆的导套。导套设计成可以允 许当活塞膨胀和收缩时杆的横向运动。

在活塞和凸轮的凸轮表面之间的接触以一种可以最大限度的减 少振动和摩擦的方式进行。作为优选，在活塞的下面设有用于与凸轮 的凸轮表面接触的滚柱轴承。

可以理解的是，对置的活塞之间的互连，可以控制活塞的接触面 (这种接触面可以是滚柱轴承、滑动轴承或者类似轴承)和凸轮的凸 轮面之间的间隙。此外，上述的接触方式不再需要在凸轮的一侧设置 凹槽或者类似结构，这些凹槽是在一个类似设计的内燃机中用来接收 现有的连杆用的。这种类似设计内燃机在运行过度时，会出现磨损和 较大的噪音，这些缺陷均在本发明中得以克服。

根据本发明的内燃机可以是二冲程式也可以是四冲程式。在前一 种情况下，燃料的混合物的供应与增压作用相关。但是，任何形式的 燃料和空气供应都可以和四冲程内燃机一起使用。

根据本发明的气缸组合件，还可以作为空气或者气体压缩机。

根据本发明的内燃机的其它特征则是本领域所公知的。但是，可 以理解的是，在这里，只需将低压油送至多叶状凸轮的差动齿轮传动 装置即可，从而减少了由于油泵所造成的功率损失。此外，其它的内 燃机零件，包括活塞，可以被沾上油，这时，可以理解的是，由于离 心作用而溅到活塞上的油，还具有冷却活塞的作用。

本发明的内燃机的优点包括：

内燃机的机构紧凑，运动部件少；

如果多叶状凸轮具有对称的凸角，则内燃机可以在正反两个方向 上转动；

与现有往复式的内燃机相比，重量较轻；

制造、组装容易；

由于可以具有较一般压缩比更小的压缩比，因此延长活塞的驻留 时间成为可能，

没有活塞-曲轴连杆这样的往复运动部件。

本发明的内燃机由于使用多叶状的凸轮所带来的优点在于，与对 曲轴的制造相比，制造更加容易，而且凸轮不再需要额外的平衡重， 双凸轮作为飞轮，提供了更好的动量平衡。

以上是本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的具体实施例 进行详细描述。

对附图的简要描述

图1是沿气缸的轴线并且垂直于气缸轴的剖视图，示出一个二冲 程内燃机，该内燃机包括一个单独的气缸组合件。

图2是沿图1中A-A线的部分剖视图。

图3是沿图1中B-B线的剖视图，示出活塞的下部的细节。

图4是一曲线图，示出当通过一个非对称的凸轮凸角时，活塞上 的一个特定点的状况。

图5是沿内燃机中心轴的平面的剖视图，示出另外一个带有单独 的气缸组合件的二冲程内燃机。

图6是图5所示内燃机的一个齿轮系的端视图。

图7是一个内燃机的示意图，示出一个与二转动方向相反的三叶 式凸轮相配合的活塞。

图8是具有偏置凸轮接触轴承的活塞的详细视图。

在以下的描述中，相似的部件由相同的标号标出。

实现本发明的优选实施方式

参看图1，一个二冲程内燃机1包括一个单独的气缸组合件，该 单独的气缸组合件包括由气缸2和3组成的一个单独的气缸对。气缸 2和3带有活塞4和5，活塞4和5由四根杆互连，其中两根见标号 6a、6b。

内燃机1包括一个中心轴，其轴线由标号7指出，三叶式凸轮8 和9与该轴线相对应。由于图中的二活塞分别在TDC和BDC，因此 凸轮9和凸轮8在图中是重合的。活塞4和5通过滚柱轴承与凸轮8 和9接触，这些轴承的位置由标号10和11标出。

内燃机1的其它结构包括水套12、火花塞13和14、油泵15、 油泵拾取装置16和平衡轴17和18。进气口的位置由标号19和20 标出，同时这些标号也对应于出气口的位置。

参看图2，其详细示出了凸轮8和9，轴7和差动齿轮传动装置 将要在下面进行详细描述。图2的剖视图相应于图1转了90度，这 时的凸轮凸角与图1中位置相比，稍微变动了一个角度。

差动或者同步齿轮传动装置包括位于第一凸轮8上的斜齿轮 21、位于第二凸轮9上的斜齿轮22和小齿轮23和24。小齿轮23 和24由固定到轴箱26上的齿轮支持件25支持。可以理解，轴箱26 是气缸组合件的一部分。在图2中还示出了飞轮27、槽轮28和轴承 29-35。

第一凸轮8是轴7的一个部分，而第二凸轮9相对于凸轮8以相 反方向转动并且由差动齿轮传动装置控制而与凸轮8的转动同步。

图3示出了图1中活塞3的下部的滚柱轴承的详细情况。在图3 中，可以看到活塞3和在凸台37和38之间的轴36。滚柱轴承39和 40位于轴36上，并且属于在图1中由总标号10和11标出的滚柱轴 承中的两个。

在图3的剖视图中，同样可以看到互连杆，其中一个由标号6a 标出。还可以看到互连杆穿于其中的杆套，其中一个杆套由标号41 标出。

尽管图3比图2的比例略微的大一些，可以理解，在内燃机的工 作过程中，滚柱轴承39和40可以与凸轮8和9的凸轮表面42和43 接触。

内燃机1的工作原理可以通过图1进行了解。在作功冲程中，活 塞4和5在气缸2中从左到右的运动，通过滚柱凸轮10的接触，使 凸轮8和9转动，并且产生一个“剪刀作用”。凸轮8的转动使轴7 转动，而相反方向转动的凸轮9，通过差动齿轮传动装置(见图2)， 也对轴7的转动做出贡献。

由于这种“剪刀作用”，与现有内燃机相比，在作功冲程中可以 获得更大的扭矩。事实上，在图1中的冲程/活塞直径之比，尽管已 经明显不是一个正方形，但是仍然能提供一个足够大的转矩。

根据本发明的内燃机在图1中显现出的另外一个特点是，现有内 燃机的曲轴箱的等同物相对于气缸是密封的。这一点与现有的二冲程 内燃机不同。因此可以使用非油化(not-oiled)的燃料，从而减少了 内燃机的排出部件。

利用不对称的凸轮凸角对活塞的速度以及在TDC和BDC的驻留 进行的控制，描绘于图4中。图4为一曲线图，示出当活塞在中点45、 TDC46和BDC57之间运动时，活塞上的一个特定点的情况。由于非 对称的凸轮凸角，凸轮的速度得以控制。首先，可以看到，活塞在 TDC46驻留一个延长的时间。在点48处的较快加速使得在燃烧阶段 可以获得一个较大的转矩，而在燃烧阶段结束时的点49处，一个较 低的活塞速度有助于获得较好的气门控制。此外，在压缩阶段开始点 50处的较快的活塞速度，可以允许气门较快关闭，从而节约燃料， 而在这一阶段的终端51处的活塞较慢的速度，可以获得较佳的机械 效益。

参看图5，其示出了另外一个具有一个单独的气缸组合件的二冲 程内燃机。在该图中，内燃机为局部剖视。事实上，在图中，一半缸 体已经被取下，以展示内燃机的内部细节。该剖面与内燃机中心轴的 轴线所在平面重合(见下面)，缸体被沿其中线劈成两半。此外，内 燃机的一些部件，例如活塞62和63、轴承凸台66和70、三叶式凸 轮60和61以及与凸轮61相应的套83仍然示出在该剖面中。所有这 些部件描述如下。

图5中的内燃机52包括缸体53、缸盖54和55、和气缸的内部 空间56和57。火花塞分别位于每一个缸盖上，但为清楚起见，在图 中省略了。轴58可以在缸体53中转动，并且由滚柱轴承支持着，其 中一个滚柱轴承由标号59标出。在轴58上固定有一个第一三叶式凸 轮60，该凸轮60与一个转动方向相反的三叶式凸轮61相邻。内燃 机52包括一对刚性互连的分别位于气缸56和57中的活塞62和63。 活塞62和63由四根连杆连在一起，其中两根由标号64和65标出。 连杆64和65相对于图中的剖面的其它部分，位于不同的平面上。类 似地，连杆和活塞62和63的接触点也与剖面的其它部分也不在一个 共同的平面内。该实施例中连杆和活塞之间的关系与图1-3中所示 内燃机的连杆和活塞的关系实质上是相同的。在缸体53中设有网 53a，该网上设有一个连杆可以穿过的孔。该网确保连杆和活塞与气 缸组合件的轴线共线。

在活塞下部和三叶式凸轮的凸轮表面之间具有滚柱轴承。注意看 活塞62，在该活塞的下部有一个轴承凸台66，用于支持滚柱轴承68 和69的轴67。轴承68接触凸轮60而轴承69接触凸轮61。可以理 解，在活塞63上具有一个相同的带有轴和轴承的凸台70。同样可以 理解的是，网53b具有一个适于轴承凸台通过的开口。网53a具有一 个类似的开口，但是图中所示的网的那一部分是与连杆64和65位于 同一个平面上的。

凸轮61相反于凸轮60的转动，通过安装在缸体外部的齿轮系71 实现。壳体72用于保持和遮盖齿轮系中的各个零件。在图5中，壳 体72被剖开了，而齿轮系71和轴58未被剖开。

齿轮系71包括位于轴58上的太阳齿轮73。太阳齿轮73与驱动 齿轮74和75接触，二驱动齿轮74和75然后与行星齿轮76和77啮 合。行星齿轮76和77通过轴78和79与第二套行星齿轮80和81连 接，该行星齿轮与套83上的太阳齿轮82啮合。套83与轴58同轴， 而套58的远端固定在凸轮61上。驱动齿轮74和75装在轴84和85 上，而轴84和85通过壳体72中的轴承而被支持住。

齿轮系71的一部分示出在图6中。图6为从图5的底部看的轴 58的端视图。

在图6中，太阳齿轮73绕着轴58。驱动齿轮74如图所示与轴 78上的行星齿轮76啮合。图中还示出，第二行星齿轮80与套83上 的太阳齿轮82啮合。

从图6中可以理解，例如轴58和太阳齿轮73的顺时针转动，将 通过驱动齿轮74和行星齿轮76和80，使太阳齿轮82和套83产生 一个反时针转动。因此凸轮60和61可以以相反方向转动。

图5中的内燃机的其它特征和工作原理，与图1和2中的内燃机 相同。具体的说，活塞的向下推力，对二凸轮产生一个“剪刀作用”， 从而通过差动齿轮系产生一个相反的转动。

可以理解，尽管在图5中的内燃机的齿轮系中使用的是一般齿 轮，实际上斜齿轮也是可以的。类似的，在图1和2中所示出的气缸 中的差动齿轮结构中，也可以使用一般的齿轮。

在图1-3和5中所例示的内燃机中，用于与三叶式凸轮的凸轮 面接触的轴承的轴线是在一条直线上的。但是，为了进一步提高转矩 特性，滚柱轴承的轴线也可以是偏置的。

图7中示意地示出了具有偏置的凸轮接触轴承的内燃机。在这张 沿内燃机的中心轴看过去的图中，凸轮86、反转齿轮87和活塞88 被示出。活塞88包括用于支持滚柱齿轮91和92的轴承凸台89和 90，这些轴承91和92分别与三叶式凸轮86和87的凸角93和94 接触。

从图7中可以看到，轴承91和92的轴线95和96彼此偏置并且 相对与活塞轴线也偏置。通过使轴承偏离活塞轴线，通过提高机械效 益，而提高了转矩。

图8中给出了带有位于下部的偏置轴承的活塞的另外一个活塞 的细节。活塞97的轴承98和99由位于活塞下部的壳体100和101 所支持。这里可以看到，轴承98和99的轴线102和103彼此之间是 偏置的，但其偏置程度小于图7中的偏置程度。可以理解，在图7中 较大的分离角度将产生一个较大的转矩。

尽管上面描述的实施例仅仅涉及二冲程内燃机，可以理解的是， 上述的基本原理同样适用于四冲程内燃机。在不脱离本发明的最大范 围前提下，还可以对本发明所例示的内燃机作出种种修改。