一技术领域

本发明涉及一种由椭圆齿轮构成传动机构的双向发动机，尤其涉及一种可逆向旋转，无连杆机构，靠椭圆齿轮即实现传动又实现汽缸容积变化，且运转时不产生震动的小体积大马力发动机。

二背景技术

目前现有的发动机中，技术较成熟的发动机主要是车用的往复活塞式发动机及三角转子式发动机。其中往复活塞式发动机已经问世一百多年了，多年来人们一直对它加以改进，但还存在着很多不可避免的问题。比如活塞的运动形式为往复式，即使使用很轻的金属来制作活塞也不可能完全避免惯性存在，导致发动机极限转速较低。当进行压缩冲程时，要严格控制火花塞的点火时间，以防止点火过早造成的功率降低现象或过晚造成的燃烧不充分现象。复杂的进排气阀门机构使整机噪音增大，重量与体积增加。使用连杆与凹轮轴传动使发动机体积太大，整机功率重量比太小。当将汽缸改为两冲程时，有助于提高功率，但进气与排气方式使燃料燃烧不充分，造成大气污染。

相比之下三角转子式发动机就优秀很多，因为它特有的换气方式与活塞运动形式很容易提高整机的极限转速，使整机功率重量比较往复式发动机出色。但其也存在着很多不足，比如低速运转时扭力太低，不适合越野车辆使用，只适合高速的赛车车辆。另外三角转子在运动时，形成的汽缸形状不利于气体燃烧，造成整机油耗过大，燃烧不充分。在全球节能化的今天不易推广及大批量生产。在加上其特有的汽缸材料及密封问题都给制造与维修增加了困难，不适合普及。当在特殊环境下需要反向转动则需要复杂的传动系来辅助，从而降低了设备的机械效率。

三发明内容

为了制造出一种理想的发动机，本发明提出了全新的解决方案。发动机由转子与定子组合够成，这样发动机在安装与维修时极其方便。构成转子的部件包括，一根输出轴，输出轴固定在定子的中心轴线处。在输出轴中间部位，对置固定了两个圆盘形状的构件，该构件可绕输出轴转动，在圆盘构件上固定有活塞，在输出轴两端还固定有相差90度角的两个椭圆齿轮。构成定子的部件包括，上下两个对置的壳体，安装在壳体上的双联偏心齿轮。发动机的汽缸是由转子与定子间的空间形成，其形状为闭合管状的圆环腔体，由圆盘构件的外圈壁、定子内圈壁拼合而成。负责换气的阀门机构改为气孔，是由上下两个壳体拼合而成。因为活塞特有的运动方式使整机的换气无需阀门机构。火花塞改为热火头，并在汽缸内始终是高热状态，从而使发动机从不熄火，气体燃烧充分。发动机的启动只需一次性点火即可，活塞间的运动形式为差速换位旋转，此旋转可以使汽缸间的容积发生变化，发动机正是由活塞间的旋转来产生动力的。实现此旋转方式的重要构件为双联偏心齿轮，该齿轮固定在定子上，且其一个齿轮与输出轴上的椭圆齿轮相啮合，其另一个齿轮与圆盘构件上的内齿轮相啮合，从而使两个圆盘形构件可绕输出轴做差速旋转，汽缸的容积在输出轴转动时发生周期性变化构成可以连续运转的发动机。整机部件只有转子与定子两部分，汽缸是由转子与定子之间的空间构成的，所以本发明所需的部件极少，且部件的空间利用率极高，很适合应用在未来的小型轻量化交通工具上。

本发明显著的有益效果是。

1.当将定子上的进气门与排气门互相换位时，发动机可以反向旋转，本发明是一个双向发动机。

2.发动机在运转时，转子在定子内做单方向无偏心转动，使整机无震动。

3.活塞被固定在绕输出轴旋转的圆盘上，使得活塞的运动轨迹线为闭合的环型线，发动机运转时活塞与汽缸间的摩擦力几乎为零，从而提高能量转化效率。

4.将气门阀门机构改为气孔，使整机较少零件的同时，减少自身体积及重量。

5.活塞采用差速换位转动，无往复运动，使整机极限转速大大提高。

6.本发明不同于三角转子发动机，发动机的汽缸形状与活塞式发动机类似，有助于气体燃烧。

7.环形燃烧腔体内被分割成8个汽缸。对置的两个汽缸同时做功，所以单台本发动机相当于16缸发动机，使其体积小，功率大。

8.因为发动机的转子与定子采用圆盘式，当使用多排放置时，可大大提高发动机的功率。可以使体积很小的设备输出很大的功率。双排转子相当于32缸发动机，三排转子相当于48缸发动机，可以将它用应于军事等特殊环境。

9.因为活塞特有的运动方式，发动机将原有的火花塞改为热火头，并且热火头始终是高热状态，当气体接触到热火头时即刻点燃。气体在汽缸内做压缩冲程时并不接触热火头，在达到最高压力时才接触热火头，所以本发动机不易熄火，启动时只需一次性点燃即可。

10.本发明部件极少，且传动系统，燃烧系统，冷却系统各系分部独立，制造精度与活塞式发动机相当，所以很容易制造与维修

11.本发明是四冲程原理的发动机，当将环形腔体外围的进气门与排气门由2对改为4对时，发动机即改为泵或气动设备。

12.本发明启动容易，活塞的差速换位转动与输出轴的匀速转动可以互相逆转，所以启动时直接转动输出轴即可。

四附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1整机外观图

图2整机剖面示意图

图3整机齿轮比例示意图

图4整机横截面示意图

图5发动机定子结构图

图6发动机定子内部结构图

图7发动机转子图

图8传动系椭圆齿轮安装图

图9活塞与圆盘构件安装图

图10环形燃烧腔的结构图

图11汽缸密封示意图

图12四冲程做功原理图

图13四冲程做功表

图14活塞差速换位转动原理图

图15活塞差速换位转动原理表

图中1.输出轴2.轴承3.椭圆齿轮4.双联偏心齿轮5.圆盘构件6.活塞7.壳体8.齿轮架9.输出轴螺栓10.输出轴螺纹11.输出轴键槽12.轴承托13.椭圆齿轮键槽14.圆盘油环凹槽15.圆盘气环凹槽16.圆盘侧壁气环凹槽17.圆盘侧壁油环凹槽18.圆盘油环19.圆盘气环20.圆盘侧壁油环21.圆盘侧壁气环22.转子止推环23.圆盘内齿轮24.汽缸密封垫25.输出轴孔26.汽缸热火头孔27.热火头28.转子止推环凹槽29.壳体齿轮轴孔30.齿轮架螺栓31.排气门32.进气门33.壳体螺栓

五具体实施方式

1.发动机的各种部件

如图1为本发明安装后的样式，整机由上下两个壳体用螺栓固定，将转子封闭在内部，发动机的形状类似圆柱状，在圆柱的上下侧面伸出输出轴的上下两端，在圆柱的一圈侧壁上设置有热火头与进排气门。

如图2为发动机的剖面示意图，在图中可以看出输出轴(1)位于整机的中心轴线处，在输出轴(1)上套有轴承(2)，此轴承(2)被安置在圆盘构件(5)的中心孔内并套在输出轴上，可以使两个对置的圆盘构件(5)稳定的绕输出轴旋转。在输出轴(1)两端，设置有上下两个相差90度角放置的椭圆齿轮(3)，椭圆齿轮被输出轴螺栓(9)牢牢固定在输出轴上，且不可绕输出轴转动。在两个椭圆齿轮(3)的两侧，每侧用齿轮架(8)将2个双联偏心齿轮(4)固定在壳体(7)上，使2个双联偏心齿轮(4)可以与输出轴上的椭圆齿轮(3)相啮合，又与圆盘构件(5)上的圆盘内齿轮(23)相啮合。从而可以使输出轴(1)在匀速转动的同时，两个圆盘构件(5)做单向差速转动。在每个圆盘构件(5)圆周壁上还设置有间隔90度放置的4个活塞(6)。如图7所示由输出轴(1)、圆盘构件(5)、椭圆齿轮(3)、8个活塞(6)构成一个完整的转子总成。由上下两个壳体(7)对置放置，固定在每个壳体上2个双联偏心齿轮(4)构成定子，用壳体螺栓(33)将转子固定在定子内部，构成一个完整的发动机。

如图3为发动机的齿轮比例示意图，在图中位于中心的椭圆表示固定在输出轴一端的单个椭圆齿轮(3)，与其相啮合的是用虚线表示的圆，此圆为双联偏心齿轮(4)上的偏心齿轮(4a)，双联偏心齿轮上的另一个齿轮(4b)与圆盘构件侧面上的圆盘内齿轮(23)相啮合，其上的两个齿轮(4a)(4b)都为正圆。如果将双联偏心齿轮上的两个齿轮以其中外接内齿轮的齿轮(4b)中心做轴心，并将输出轴上的椭圆齿轮(3)、双联偏心齿轮(4)、圆盘内齿轮(23)的齿轮比设为2∶1∶4，且输出轴上下两个椭圆齿轮相差90度角，上下两套偏心齿轮系相差180度角，圆盘内齿轮相差45度角。此时输出轴转动，两个圆盘的运动可以位置替换，即为差速换位转动。

如图4为整机横截面示意图，在图中可以看出发动机的定子横截面是一个圆形，在定子中心部位被固定了转子。转子横截面也是一个圆形，且转子圆周一圈安排了8个活塞，每4个活塞间隔90度被固定在1个圆盘构件上，使2个圆盘构件上的8个活塞将转子与定子之间的空间隔成8个独立空间。每个空间就是一个汽缸。发动机圆周的左右两侧设置了2套气门，每套气门都设置了一个排气门(31)，一个进气门(32)，发动机圆周的上下两侧设置了2套热火头，每侧一套有两个，且热火头的位置更靠近排气门一端，从而可以使汽缸在膨胀时缩短点火提前角来适应活塞的运动，使输出功率增大。当整机经常运作在高速环境下时，为了保证点火提前角时间更长，可将热火头位置设在其两侧气门的中间，这样还可使发动机正向与反向转动的点火提前角时间相同。

如图5、6为定子的结构图，定子由上下两个壳体(7)对置用壳体螺栓(33)固定组合而成，两壳体中间设置了汽缸的密封垫(24)，每个壳体上都设置有输出轴孔(25)，每个壳体圆周上对置180度固定2个热火头，使整机每个缸体在做功时都是由2个热火头来点火，以保障燃烧充分。整机气门是由上下两个壳体拼合而成。如图6在壳体内部侧壁上设置有转子止推环凹槽(28)，壳体顶部侧壁上设置有用齿轮架螺栓(30)固定的齿轮架(8)，在齿轮架(8)与壳体上的壳体齿轮轴孔(29)之间固定了2个双联偏心齿轮(4)。两个壳体内部都设置有用于组合成汽缸的环形内壁，内壁截面是圆弧状，且其长度是活塞圆周的1/4长度。在壳体内壁上还设置有汽缸热火头孔(26)以用来使气体经过此孔时与热火头上的红热铂丝接触，点燃气体。壳体上间隔180度角设置有两套排气门(31)两套进气门(32)，气门是由上下两个壳体拼合而成，本发明无需设计复杂的阀门机构。另外本发动机的特别之处是当将进气门(31)与排气门(32)位置调换时，且热火头位置在其两侧气门中间时，发动机的四冲程方向改变，输出轴可以反向转动。即本发动机是一个双向发动机。

如图8为传动系的重要构件，在整机传动系中心是输出轴(1)，输出轴(1)上设有轴承托(12)，其作用是防止轴承(2)在输出轴上滑动的作用。在输出轴上还设置有输出轴键槽(11)，在椭圆齿轮的中心孔内设置有椭圆齿轮键槽(13)。两个键槽相互匹配用来将椭圆齿轮固定在输出轴上，此时椭圆齿轮可以带动输出轴转动，输出轴也可以带动椭圆齿轮转动。为防止椭圆齿轮在轴向方向滑动，在输出轴上还设置有输出轴螺纹(10)，并用输出轴螺栓(9)将椭圆齿轮固定。

如图9可直观的了解到圆盘构件(5)的外观，该构件为一端是大圆，一端是小圆。在组合转子时是两个小圆端对接。圆盘构件上大圆与小圆间是一个圆弧的过渡，此圆弧长度为活塞圆周的1/4长度。整机的汽缸正是由该圆弧与壳体内壁的圆弧组合构成的。在圆盘构件(5)的小圆一端设置有圆盘侧壁气环凹槽(16)圆盘侧壁油环凹槽(17)，其内部分别安装圆盘侧壁气环(21)圆盘侧壁油环(20)。在大圆圆周壁上设置有圆盘油环凹槽(14)圆盘气环凹槽(15)，在其内部分别安装圆盘油环(18)圆盘气环(19)。圆盘中心位置是一个贯穿圆盘的孔，孔内放置了轴承(2)，在大圆一端还设置有内齿轮，该内齿轮与双联偏心齿轮(4)啮合。在每个圆盘构件的外圈圆弧侧壁上固定了4个活塞，当两个圆盘构件对置组合后，其外围的8个活塞运动的轨迹线为闭合的环形线。以上所指的单转子发动机，当使用多转子排列时，将输出轴加长，并增加输出轴上的椭圆齿轮数量，增加对置的圆盘数量与活塞数量，增加定子上的双联偏心齿轮数量，将组合成定子的壳体分段排列，使他们并列排置，可以将机型改为多转子机型。使用双转子组合时，4个圆盘构件组成的转子外圈安装有16个活塞，使用三转子组合时，6个圆盘构件组成的转子外圈安装有24个活塞。双排转子相当于32缸发动机，三排转子相当于48缸发动机。

如图10由圆盘构件与壳体组合成环形腔体，该腔体即为汽缸体，且它是一个连贯的圆环状汽缸体，当在圆盘构件(5)上安装活塞后，8个活塞将环形燃烧腔分割为8个汽缸，如图11所示为组合后的汽缸密封系统，两个圆盘构件(5)对置放置，接触面上被设置了两个密封环，其中靠近输出轴的是圆盘侧壁油环(20)，其外圈是圆盘侧壁气环(21)，两个密封环被上下两个圆盘构件(5)共用。在圆盘构件圆周处与壳体内壁的接触面上设置有圆盘油环(18)与圆盘气环(19)，此外在每个壳体的转子止推环凹槽(28)内，放置有转子止推环(22)，其作用为防止圆盘构件(5)在轴向方向有位移造成漏气现象，在两个壳体组合后的接触面上还设有汽缸密封垫(24)以防止汽缸漏气。

2.发动机的工作过程

组装好发动机后，可以通过转动输出轴来启动本发动机，整机内部的输出轴转动与活塞间的运动是可以互相逆转的，发动机工作时，先由两侧的进气口进气，此进气口就是一个简单的孔，并没有复杂的阀门设置，实现其正常进气的是活塞的运动过程，活塞的运动是一种叫单向差速换位转动的方式，故名思议，活塞的运动是围绕中轴线单方向旋转，且两组活塞的运动速度是时刻变化并进行位置替换的。当一组活塞运动较慢时，另一组活塞运动较快，此时汽缸间的容积会变化，且减速的活塞可以通过气体的膨胀将减速惯性力传递给加速的活塞上，从而提高能量转化效率。活塞在转动时，当汽缸刚好经过进气门时，如果其容积变大，则吸入可燃气体，可燃气体可用压燃的柴油，也用点燃的汽油，也可使用氢气或煤气等其他可燃气体。当吸气结束后，紧跟着就是可燃气体的压缩过程，原来运动速度较快的活塞忽然运动速度变的较慢，原来运动速度较慢的活塞开始加速并扫过进气门，此时活塞将汽缸封闭。当压缩到最高压力时，汽缸的位移刚好经过热火头孔的位置，此时热火头如果是红热状态，即可将可燃气体点燃。要注意的是本发明的热火头无需点火，只要一直是高热状态即可，因为活塞在压缩气体时是不接触热火头的，所以可以容易解决点燃过早或过晚的问题。热火头的制作材料可以考虑某些耐热及积热的铂合金材料，原理类似防风打火机即可。当气体点燃后气体膨胀，此时发动机输出功率。当气体膨胀结束后，原来受力做功的活塞运动由快变慢，其刚好扫过排气门的位置，露出排气门。原来速度较慢的又开始加速，并将燃烧后的废气推出汽缸。此时每个汽缸内都在做冲程。在一个缸体的4个冲程结束后，转子转动180度，输出轴转动360度，整机输出功4次。

如图12为发动机的四冲程原理图，可以看到在整个环形燃烧腔体内，8个活塞分为A与B两组进行移动，其移动方式为单方向差速换位转动方式。实现其传动方式的是整机内部齿轮机构，参考图3所示，齿轮一共分为3个类型，即椭圆齿轮、双联偏心齿轮、圆盘内齿轮，此三类齿轮比为2∶1∶4。在实施例中本发动机转子转动一周，输出轴转动两周。将A组活塞分为A1、A2、A3、A4，将B组活塞分为B1、B2、B3、B4。如图表13所示，当输出轴由0转动到90度时，A组活塞运动幅度较大，B组活塞运动幅度较小，原B组活塞位置替换成A组活塞。使8个空间同时发生相应的冲程，即A1B2排气，B2，A2进气，A2，B3压缩，B3，A3膨胀，A3，B4排气，B4，A4进气，A4，B1压缩，B1，A1膨胀。当输出轴由90度转动到180度时，A组活塞位移较小，B组活塞位移较大，原A组活塞位置替换成B组活塞。此时输出轴总转角为180度，A组活塞总转角为90度，B组活塞的总转角为90度，转子转动90度，发动机输出功2次。当输出轴转动360度时，转子转动180度，发动机输出功4次，当输出轴转动720度时，转子转动360度，发动机输出功8次，依次类推。另外当发动机每次输出功时，在环形燃烧腔体内，对置的两个汽缸同时做功，所以相当于转子转动1周，输出轴转动2周，输出功8次，其中有16个缸体膨胀，即本发动机相当于16缸发动机。

如图14及图表15所示，当输出轴转动180度时，转子转动90度。活塞呈单向差速换位转动。当输出轴由0度转动到90度时，此时A组活塞运动幅度较大，约为67度。B组活塞运动幅度较小，约为23度。此时A组活塞向B组活塞靠近，且占有了原来B组活塞的位置。当输出轴又由90度转动到180度时，此时A组活塞运动幅度较小，约为23度，B组活塞运动位移又很大，约为67度。此时B组活塞远离A组活塞，A组活塞又占有了原来B组活塞的位置。此种运动方式即为单向差速换位转动，此时输出轴转动共180度，A组活塞转动共90度，B组活塞转动共90度，即认为转子转动90度。所以本发动机输出轴转动的速度是转子转动速度的2倍，且整机部件较少，活塞的两侧都做冲程，使得本发明的空间利用率很高，更适合应用在小型高速化设备上。

以上是正常发动机的工作过程，此时发动机的壳体圆周上设置有两套热火头，两套进排气门，如将两套热火头改为两套进排气门使发动机圆周上，每间隔90度设置一套进排气门，则此时本发明不再是内燃机设备，而是一个双向的泵或气动设备，由进气门负责进气，由排气门负责排气，输出轴输入动力可作为泵使用，输出轴输出动力时可作为气动或液动设备使用。