[发明专利]发动机外齿轴内齿齿条连杆机构

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种往复活塞式发动机的主要运动转换机构，能高效地将活塞所受的燃烧气体澎胀压力转变为发动机转轴对外输出的转矩，并将活塞的往复运动转变为发动机转轴的旋转运动而对外输出动力。

背景技术

目前，公知的活塞式发动机大至有两种，一种是汪克尔发明的转子发动机，它没有曲轴连杆机构，因为它的三菱柱形活塞既是活塞又是转子，可以将作用于活塞上的力通过活塞转子内的内齿轮传给发动机输出轴上的外齿轮使之旋转并对外输出转矩。所以它转速高，功率大(转子旋转一周做功三次)，振动小，缺点是燃料的利用效率很低，大约在百分之二十左右，全世界有近三万辆装载此发动机的汽车在运行。更为普及的是曲轴连杆活塞式发动机，从内燃机出现发展到今天它已经趋于完善，但它有个明显的弱点，就是燃料的利用效率同样不高，一般来讲也只有百分之三十左右。而燃料电池的转化效率可达百分之七十，只是因为造价太高而暂时没有市场化。由此可见利用机器将燃料的化学能转变成机械能的效率提高空间还很大。造成曲轴连杆活塞式发动机效率不高的原因主要是曲轴。它结构简单运行可靠，从蒸汽机开始延用至今已近二百年了却没有变动，显得好像完美无缺了，因为发动机的其它部分，比如汽油机原先使用化油器，现在改为电喷，从进气歧管喷射到缸内直喷，单气门改为多气门，机械点火改为电子点火，自然进气改为预先压气(如增加涡轮增压器等)，直接排放到增加催化器(如三源催化器)并通过氧转感器和空气流量计由电脑控制缸内的燃烧等等，而构成往复活塞式发动机的基础曲轴连轩机构一直没有变，也正是因为这种曲轴连杆机构降低了活塞式发动机的系统效率。活塞在推动连杆时，由于连杆的摆动，连杆从活塞销上获得的力只是活塞在连杆方向上的一个分力，既F1＝Pcos(a)，其中P为活塞受到膨胀气体的压力，a为连杆与活塞运动方向形成的夹角，而推动曲轴旋转的力又是上述分力的分力，既F2＝Flsin(b1)＝Pcos(a)sin(b1)，其中b1为连杆与曲轴形成的夹角。a，b1的最大值由连杆长度与曲柄半径决定。由此表达式可以看到曲轴的缺陷，既无论曲轴旋转到任何位置F2永远小于P。理论上讲曲轴连杆机构的转换效率可达百分之六十八左右，但由曲轴连轩机构组成的发动机的系统效率却只有一半，其原因是在一百八十度的做功行程中只有七十度行程段效率达百分之九十以上，有一百一十度行程段效率低于百分之九十，特别是做功行程的起始段，这时气缸内的压力是最大的，而此时曲轴连杆机构的转换效率却很低。比如从零度到五十五度的起始行程段的理论效率只有百分之五十左右，三十五度内只有百分之三十七左右，二十度内只有百分之二十左右。实际运行过程中由于连杆大幅度摆动(单边摆动幅度最大可到一十八度左右)给活塞反作用力在气缸表面上的垂直分力Psin(a)，当a接近最大值附近时由于活塞与气缸之间是滑动摩擦，会造成活塞运动方向巨大的摩擦力，此时也正是曲轴连杆机构效率最高的做功行程段，活塞必须克服强大的摩擦力做功，另外排气、进气、压缩行程以及热损失都会消耗能量，从而大大降低了系统的整体效率。

发明内容

为了克服曲轴连杆的缺陷，大幅度提高燃油的使用效率而降低能源消耗，本发明提供一种外齿轴内齿齿条连杆机构，该机构不仅能将活塞的往复运动转变成发动机转轴的旋转运动，更能将曲轴连杆机构百分之六十八的理论效率提高到百分之九十八以上，实际系统使用效率从百分之三十提高到百分之六十，油耗减少一半。