本发明涉及一种用齿条、齿轮和棘轮组成的传动机构，将活塞的往复运动 转变成主轴的旋转运动，用电磁铁和计算机组成的电控装置控制气门开关的新 型发动机。属于内燃机技术领域。

现在广泛应用的内燃机，包括汽油机和柴油机，都是用曲轴连杆机构，将 活塞的往复运动转变成主轴的旋转运动的。中国专利ZL94202320.X中，提供了 一种用固定在两个对置活塞之间连杆上的拨轴，插入主轴表面上封闭的空间曲 线槽中，通过活塞带动拨轴在主轴表面上封闭的空间曲线槽中往复运动，拨轴 对主轴的切向分力使主轴转动的发动机。这种发动机因为主轴表面上封闭的空 间曲线槽形状复杂。需用数控铣床和数控磨床加工，制造成本高。拨轴与空间 曲线槽相对运动速度高，难以实现充分的润滑，发动机寿命低。

本发明的目的是要提供一种用齿条、齿轮和棘轮组成的传动机构，将活塞 的往复运动转变成主轴的旋转运动，用电磁铁和计算机组成的电控装置控制气 门开关的新型发动机。这种发动机比现有曲轴连杆发动机，和中国专利 ZL94202320.X中提供的无曲轴连杆发动机，结构更简单，性能更优越。

本发明的目的是这样实现的：在发动机气缸体中设置至少两组具有同一轴 线的气缸。这两组气缸的轴线相互平行，且在同一平面内。两个与气缸相配合 的活塞，通过一根带齿条的连杆连接在一起，形成一个活塞组。两个活塞组的 连杆齿条的齿面相互对置。一个轴线与两个活塞组轴线垂直但不相交的齿轮套， 置于两活塞组的连杆齿条中间。其齿轮节圆与两个活塞组连杆齿条的节线相切。 两个齿条和齿轮的模数相同，且相互正确啮合。在气缸体内，位于连杆齿条背 面一侧，各设置一个靠轮。两个靠轮的轴线与齿轮套的轴线相平行，同在一个 通过齿轮套轴线，且与活塞轴线相垂直的平面内。两个靠轮始终与其对应的连 杆齿条背面相接触。连杆齿条与齿轮套上齿轮的装配关系是：当一个活塞组运 行至气缸左止点时，另一个活塞组刚好运行至气缸右止点。反之亦然。在气缸 体和齿轮套上均设置挡块。在气缸体的挡块处装有压力传感器。当活塞组的行 程刚超过行程止点时，齿轮套上的挡块刚好与气缸体上的挡块相接触。其上的 压力传感器受压产生电信号，通过电脑处理发出指令使发动机熄火，避免活塞 与气缸顶部相撞击。带有两个棘轮的主轴与齿轮套转动配合。两个棘轮的棘齿 方向相反。一个棘轮与主轴固定配合，另一个棘轮与主轴转动配合。在齿轮套 上齿轮两侧设置有多个棘爪座。它们错开一定角度对称布置。在棘爪座中装有 棘爪和压紧弹簧。棘爪与主轴上的棘轮的棘齿相啮合。在齿轮套内侧表面中部， 加工出一条截面为半圆形的环形沟槽。在主轴表面对应齿轮套内壁环形槽处， 也加工出一条截面为半圆形的环形沟槽。这两条环形沟槽构成一个环形空间。 其截面为圆形。在齿轮套外侧对应环形空间处，开有一个略大于环形空间截面 的带螺纹的小孔。多个与环形空间相配合的钢球，从该孔放入环形空间。用一 个带螺纹的销钉将该孔封住。这套内插件块连接结构的作用是确定齿轮套与主 轴的相对位置，防止其左右窜动。这样安装后，齿轮套上棘爪座中的棘爪，刚 好与主轴上的棘轮的棘齿相啮合。当活塞在燃气推动下在气缸中往复运动时， 连杆上的齿条带动齿轮套来回摆转。其上的棘爪拨动主轴上的两个棘轮向相反 方向转动。一个较小的齿轮与棘轮做成一体，称为齿轮棘轮组件。它通过一个 介轮，与位于主轴下方的，固定在与主轴平行的传动轴上的，一个与其节圆直 径相等的齿轮传动配合。这三个齿轮模数相同，齿轮棘轮组件的齿轮与传动轴 上的齿轮节圆相等。在传动轴的另一端，固定一个直径较大的齿轮。它与固定 在主轴上的，与其节圆直径相等的齿轮相啮合。该套传动轴及传动齿轮的作用， 是将与主轴转动配合的齿轮棘轮组件的转动，转变为与齿轮棘轮组件转向相反 的主轴的转动。在齿轮棘轮组件两端装有推力球轴承。在主轴上对应齿轮套和 齿轮棘轮组件处加工有螺旋状油线，以便机油能进入轴和套之间的间隙，实现 良好的润滑。在主轴两端装有主轴轴承和密封件。主轴的前端与冷却风扇相连 接。其后端为花键轴，与离合器及变速器相连接。火花塞安装在气缸盖上，其 前端插入燃烧室中。燃油喷嘴安装在进气道末端，其喷油动作由电控器控制。 进、排气门的开、关由计算机控制的电磁铁直接带动。该计算机可与电喷电控 器及控制活塞行程的计算机整合为统一的集中电控器。在气缸盖上安装有压力 传感器，其探头插入燃烧室。在气缸体顶盖下方对应连杆齿条处，安装有光电 传感器。在连杆齿条上开有两个小孔。其中心连线与光电传感器的两个光电管 的中心连线垂直相交。当活塞运行至左侧止点时，连杆齿条上偏右侧的小孔的 中心线刚好与两个光电管的中心连线相重合。此时发射光电管发出的光，通过 连杆齿条上的小孔照射到接收光电管上，产生电信号传至集中电控器。与此同 时，探头伸入燃烧室的压力传感器，将测得的压力值传至集中电控器。集中电 控器经过数据处理，确认该燃烧室处于压缩终了状态时，对该燃烧室的燃油喷 嘴和火花塞发出喷油和点火指令。该燃烧室开始燃烧及膨胀做工行程。与此同 时，集中电控器按即定程序指令应处于吸气和排气状态的气缸对应的气门电磁 铁动作，打开进、排气门。当所述活塞组运行至右端止点时，连杆齿条上偏左 侧的小孔中心线刚好与光电传感器的两个光电管的中心连线相重合。于是又重 复上述过程，使两组活塞按四冲程不断往复做功，通过连杆齿条带动齿轮套摆 转，并通过其上的棘爪拨动棘轮，使主轴旋转。在气缸体顶盖上安装有润滑油 喷嘴，保证齿轮、棘轮及主轴的润滑。在油底壳中装有吸油盘，以便回收用过 的机油。

本发明因为采用齿条和齿轮传动机构，且有靠轮平衡齿条和齿轮啮合时产 生的侧向力，所以活塞在运动时不受侧向力。这有利于延长气缸、活塞和活塞 环的使用寿命。因为两个活塞共用一个连杆齿条，它比两个传统连杆的质量小 得多，所以该活塞组运动时产生的往复惯性力，比两套传统的活塞连杆组运动 时产生的往复惯性力小得多。又因为本发明两组活塞运动方向相反，其往复惯 性力相互抵消，所以本发明没有往复惯性力。往复惯性力会引起发动机振动。 而传统发动机的往复惯性力较大，且难以平衡。因为本发明主轴和齿轮套的结 构都是对称的，它们在转动时不产生离心惯性力。而离心惯性力会引起发动机 振动和主轴颈的磨损。所以本发明的发动机工作时几乎没有振动，主轴及轴承 的寿命比传统发动机要长得多。因为本发明活塞力始终与齿轮套的齿轮的节圆 相切，其作用力全部转化为主轴的扭矩。而不象传统发动机那样，一部分力作 用于曲轴轴线，使曲轴弯曲。特别是在燃烧行程初期，轴向分力超过切向分力， 使大部分有用功，转变为使曲轴弯曲的破坏性能量。所以本发明的机械效率比 传统发动机高得多。本发明因为采用电控气门结构，进、排气门的开启和关闭 均由计算机控制的电磁铁直接驱动，动作迅速、准确，可实现瞬间全开和全关， 使换气更充分、更彻底。不象传统发动机那样，受凸轮升角的限制，气门的开 启和关闭有一个逐渐开大和逐渐关小的过程。所以本发明有利于减少废气残留 量、增加新鲜空气进气量，有利于燃料充分燃烧，有利于减少排放气体中的有 害物质，即有利于节能、环保。因为本发明的工作行程和气门开闭均由集中电 控器控制，可以通过计算机选择、控制各项工作参数，所以本发明很容易实现 各项工作参数的最优化。因为本发明中没有传统发动机的笨重的飞轮、曲轴及 其上的配重块，所以本发明比传统发动机重量轻。它装在轻型飞机上将有利于 提高飞机的性能。因为本发明几乎没有振动，所以装用本发明的汽车坐上去感 觉舒适，有利于提高产品挡次和竞争力。

发明的具体结构由以下的实施例及其附图给出。

图1是根据本发明提出的齿条齿轮棘轮传动电控气门发动机的局部剖视图。

图2是图1的俯视局部剖视图。

图3是图1的A--A剖视图。

图4是图2的B--B剖视图。

下面结合图1至图4详细说明本发明提出的具体结构的细节和工作情况， 它并不作为对本发明的限定。

本发明至少由气缸体1、气缸盖2、气缸9、活塞10、连杆齿条13和27、 齿轮套12、固定在齿轮套上的棘爪座18、主轴43、固定在主轴上的棘轮40、 与主轴转动配合的齿轮棘轮组件28、介轮23、靠轮26、装在传动轴49上的齿 轮25和24、固定在主轴上的齿轮41、主轴轴承42和34、主轴密封44和32、 装在齿轮棘轮组件28两端的推力球轴承33、装在齿轮套上的挡块65、装在气 缸体上的挡块64及设在其中的压力传感器63、进气道21、排气道39、进气门 37、排气门7、气门电磁铁3和5、探头伸入燃烧室的压力传感器6、燃油喷嘴 19及控制导线20、火花塞8、由发射光电管52和接收光电管54组成的光电传 感器、润滑油喷嘴16、吸油盘53及发底壳68构成。

气缸体1用铸铁或铝合金铸成。其上至少加工出四个轴线相互平行的气缸9， 其中两两气缸对置，且同轴线。活塞10和活塞销11与现有发动机的相同。连 杆齿条13和27用45号钢或40Cr钢制成。其两端加工出与活塞销相配合的孔。 其中部一侧加工成齿条，并做高频热处理。两根连杆齿条13和27分别通过活 塞销11与两个对置的活塞10相连接，组成两个活塞组。齿轮套12用40Cr钢 制成，齿轮部位做高频热处理。该齿轮模数与连杆齿条的模数相同。其节圆与 两齿条的节线相切。为减少齿轮套的加工量，可将其在工作时不与齿条相啮合 的齿去掉，做成不完全齿轮。在齿轮套上设有至少四个棘爪座18。它们两两相 对，分别置于齿轮两侧，且相互错开90度角。在棘爪座中装有棘爪30、压紧弹 簧35。棘爪座盖36与棘爪座螺纹连接。在棘爪座上装有带螺纹的销钉60。它 插入棘爪侧壁上与棘爪轴线相平行的槽61中，起导向作用，防止棘爪30转动。 为便于棘爪和棘爪座的制造和安装，棘爪可以采用现在常用的棘爪结构，用带 螺纹的销钉固定在齿轮套两侧。销钉与棘爪上的孔转动配合。另有一个板弹簧 将棘爪压靠在棘轮上。主轴43用40Cr钢制成，调质处理。它与齿轮套12转动 配合。在配合表面上加工有螺旋状油线67。在主轴前、后端分别装有圆锥滚子 轴承34和42，主轴通过轴承与气缸体1相配合。在前轴承盖31上装有橡胶密 封圈32。在后轴承盖45上装有橡胶密封圈44。主轴前端与冷却风扇相连接。 其后端为花键轴，与离合器及变速器相连接。在主轴后部固定有棘轮40和齿轮 41。它们均用40Cr钢制成，齿面高频热处理。在主轴前部轴径较细段，装有齿 轮棘轮组件28。它也用40Cr钢制成，齿面高频热处理。在主轴上与其配合部分 的表面，加工有螺旋状油线67。为提高主轴43、齿轮套12、齿轮棘轮组件28、 棘轮40和齿轮41的强度和耐磨性，上述另部件可用38CrMoAl钢制成，表面氮 化处理。为提高上述另部件的耐磨性，还可在主轴43、齿轮套12、齿轮棘轮组 件28的配合表面喷涂陶瓷，或在配合表面镶陶瓷衬套。在齿轮棘轮组件28两 端装有推力球轴承33。在齿轮套12内壁中部加工出一条截面为半圆形的环形沟 槽48。在主轴表面对应齿轮套内壁环形沟槽48处，加工出一条截面为半圆形的 环形沟槽47。这两条环形沟槽构成一个环形空间，其截面为圆形。在齿轮套外 侧对应环形空间处，开有一个略大于环形截面的带螺纹的小孔。多个与环形空 间相配合的钢球，从该孔放入环形空间。用一个带螺纹的销钉将该孔封住。上 述结构称为内插键块连接结构。详见中国专利ZL00101462.5。其作用是确定齿 轮套与主轴的相对位置，防止其左右窜动。这样安装后，齿轮套上棘爪座中的 棘爪刚好与主轴上的棘轮的棘齿相啮合。在齿轮套上设置四个挡块65。在气缸 体上设置两个挡块64。安装时当活塞处于左止点时，挡块65刚好与挡块64轻 微接触。当活塞处于右止点时，挡块65刚好与挡块64的另两个接触面轻微接 触。在气缸体上挡块接触面处装有压力传感器63。它们通过导线62与集中电控 器相连接。在主轴下方安装有传动轴49。它用40Cr钢制成，调质处理。在传动 轴上固定有齿轮25和齿轮24。它们用40Cr钢制成，调质处理。它们通过键59 与传动轴连接。齿轮25与齿轮棘轮组件28的齿轮节圆相等，模数相同。它们 通过模数相同的介轮23相啮合。介轮轴固定在气缸体上，呈悬臂布置。齿轮24 与齿轮41节圆相等，模数相同，直接啮合。在传动轴中部对应连杆齿条27处， 安装有用深沟球轴承做成的靠轮26。它刚好与连杆齿条27的背面相接触。传动 轴49两端装有圆锥滚子轴承55。在齿轮25和24、靠轮26及轴承55之间装有 套管66。其作用是确定它们之间的相对位置。使齿轮25与介轮23及齿轮棘轮 组件28的齿轮对正。使齿轮24与齿轮41对正。使靠轮26对准连杆齿条27的 中心线。在轴承55外侧装有轴承盖46。它们用20号钢制成。安装时它们被轴 承盖31和45盖住。在主轴上方，机顶盖56的下端，设置由两块平行的固定板 组成的支架15。在支架上装有与主轴平行的小轴50。在小轴中部装有用深沟球 轴承做成的靠轮26。它与连杆齿条13的背面刚好接触。在靠轮和支架之间装有 套管66。其作用是确定靠轮26的位置，使靠轮26对准连杆齿条13的中心线。 在小轴50及传动轴49两端均装有弹簧挡圈51。其作用是防止轴沿轴向窜动。 在支架15的固定板下端内侧，各开有一个盲孔57和58。它们相对置，且同轴 线。在固定板上与盲孔57和58相垂直的方向，开有两个较深的盲孔。它们与 盲孔57和58的底部相连通。发射光电管52通过固定板上较深的盲孔置于盲孔 58的底部。其导线经过接线柱14与集中电控器相连接。接收光电管54通固定 板上较深的盲孔置于盲孔57的底部。其导线经过接线柱14与集中电控器相连 接。在连杆齿条13上开有两个小孔17。这两个小孔的中心连线与盲孔57和58 的中心线垂直相交。连杆齿条13和27与齿轮套12的安装关系是：当含连杆齿 条13的活塞组运行至左止点时，含连杆齿条27的活塞组刚好运行至右止点。 此时连杆齿条13上右侧的小孔17，刚好与发射光电管和接收光电管处在同一直 线上。反之，当含连杆齿条27的活塞组运行至左止点时，含连杆齿条13的活 塞组刚好运行至右止点。此时连杆齿条13上左侧的小孔17，刚好与发射光电管 和接收光电管处在同一直线上。两个气缸盖2分别安装在气缸体两端。它们用 铝合金铸成。气缸体和气缸盖的冷却水套22相互连通。在气缸盖上铸有半球状 燃烧室4、进气道21和排气道39。进、排气道均与燃烧室相连通。在进气口处 装有进气门37和气门导管38。在气缸盖外侧对应进气门处，安装有气门电磁铁 3。其铁芯与进气门37同轴线，且相互连接。在排气口处装有排气门7和气门 导管38。在气缸盖外侧对应排气门处，安装有气门电磁铁5。其铁芯与排气门 同轴线，且相互连接。在气缸盖顶部装有压力传感器6。其探头伸入到燃烧室顶 部。它通过导线与集中电控器相连接。在缸盖上还安装有火花塞8和燃油喷嘴 19及其控制导线20。火花塞头部插入燃烧室。燃油喷嘴插入进气道末端。其控 制导线与集中电控器相连接。这些与电喷发动机相同。在机顶盖49上装有机油 喷嘴16。其作用是保证传动构件的润滑。如果这种自然润滑方式不能满足发动 机正常工作需要，可采用传统发动机的强制润滑方式。在发动机底部装有油底 壳68和吸油盘53。其结构与传统发动机的相似。其作用是回收用过的机油。

本发明的工作情况如下：为叙述方便，我们将四个气缸按从上到下，从左 至右，逆时针排序，分别命名为：E、F、G、H。我们假设图1此时的状态是： 气缸E处于压缩终了状态，气缸F处于吸气终了状态，气缸G处于排气终了状 态，气缸H处于燃烧终了状态。此时连杆齿条13右侧的小孔17刚好对准光电 管58和57的中心连线。发射光电管58发出的光穿过小孔17被接收光电管57 接收。光信号转变为电信号，通过导线传至集中电控器。与此同时，压力传感 器6将各气缸压力值传至集中电控器。经计算机处理后确认，此时应为气缸E 燃烧行程开始。于是向燃油喷嘴19发出喷油指令。向火花塞8发出点火指令。 并按即定程序向气缸G的进气门电磁铁3发出指令，将进气门37打开。向气缸 H的排气门电磁铁5发出指令，将排气门7打开。于是，含连杆齿条13的活塞 组向右运动，完成气缸E的燃烧行程和气缸H的排气行程。连杆齿条13推动齿 轮套12顺时针转动，带动连杆齿条27向左运动。完成气缸F的压缩行程和气 缸G的吸气行程。此时，齿轮套中的棘爪30拨动齿轮棘轮组件28的棘齿29， 使与主轴转动配合的齿轮棘轮组件28顺时针转动。通过介轮23、传动齿轮25 和24将转动能量传递给与主轴固定为一体的齿轮41，使其逆时针转动。因为棘 轮40的棘齿方向为逆时针，所以，在此行程中，棘轮40与其对应的棘爪30空 滑动。当气缸H的活塞运行至右止点，气缸F的活塞运行至左止点时，连杆齿 条左侧的小孔17刚好对准光电管58和57的中心连线。于是光电传感器和压力 传感器又重复上述的过程，集中电控器指令气缸F的燃油喷嘴喷油，火花塞点 火，指令气缸H的进气门打开，气缸E的排气门打开。于是气缸F开始燃烧行 程，气缸G开始压缩行程，气缸H开始吸气行程，气缸E开始排气行程。在此 过程中，连杆齿条27向右运行，带动齿轮套12逆时针转动。其上的棘爪30拨 动棘轮40的棘齿，使主轴逆时针转动。因为齿轮棘轮组件28的棘齿为顺时针 方向，所以在这一行程中，齿轮棘轮组件的棘轮与其对应的棘爪空滑动。象上 面的工作行程继续下去，我们可以排出各气缸的工作程序：从图1的状态开始， 气缸E：燃烧、排气、吸气、压缩。气缸F：压缩、燃烧、排气、吸气。气缸G： 吸气、压缩、燃烧、排气。气缸H：排气、吸气、压缩、燃烧。每个气缸都完 成一次上述四冲程循环以后，将继续重复上述循环。如果集中电控器或其它部 件发生故障，使活塞行程超过止点，齿轮套上的挡块65将撞击气缸体上的挡块 64。装在气缸体上挡块中的压力传感器63将压力信号传至集中电控器。经电脑 处理确认后，发出熄火指令。发动机停止工作。因挡块的保护作用，活塞不会 撞击气缸顶部。

如果将上述由四个气缸组成的发动机称为单元发动机，那么，由多个单元 发动机串联即可构成多元发动机。其中每个单元发动机的工作起点的相位，相 互均匀地错开一定角度，这样，它们作用在共同主轴上的力就比较均匀。将多 个单元发动机相互并联，也可构成多元发动机。其中每两个相邻的单元发动机 的主轴的前后方向相互倒置，它们的主轴转向相反。这样，它们可以相互借用 对方的主轴作为自己的传动轴，使其中一台单元发动机与主轴转动配合的齿轮 棘轮组件的齿轮，直接与另一台单元发动机的固定在主轴上的齿轮相啮合。将 其动能直接传给另一台单元发动机的主轴。相互啮合的这两个齿轮节圆相等。 这种并联式多元发动机可以组合成环形。上述多元发动机还可以相互组合成串、 并联复合发动机。既可由多台串联式多元发动机并联构成复合发动机，也可由 多台并联式多元发动机串联构成复合发动机。