CN107725182A - 环式发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种环式发动机，其包括：机体组，包含基架和沿圆周方向等间隔设置于基架的四个弧形气缸，气缸周壁设有进气口和排气口；曲柄摇杆机构，包含：两个摇杆，两个摇杆交叉设置并分别于交叉处连接于中心轴，中心轴连接于基架，相邻的两个气缸之间设有弧形推杆，摇杆端部与弧形推杆相连，弧形推杆两端分别设有活塞，活塞能密封移动地设于气缸内，每个气缸内的两个活塞之间形成腔室，进气口和排气口分别与腔室相连通；至少一个曲轴，其连接于基架，摇杆通过连杆能摆动地与曲轴相连。本发明的气缸沿圆周方向均匀设置，通过曲柄摇杆机构将活塞的弧线运动转变为曲轴的旋转运动，结构简单，活塞无磨损，工作效率高，工作寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车发动机，尤其是一种环式发动机。
背景技术
汽车发动机自一百多年前问世以来，技术不断进步，现有的汽车发动机按活塞类型大致分为往复活塞式发动机和转子发动机，其均是通过进气、压缩、做功、排气四个行程，实现发动机的循环运转。
现有的往复活塞式发动机主要包括曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给***、点火***(仅用于汽油内燃机)、润滑***、冷却***和起动***；其中，曲柄连杆机构包括机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组，机体组中的气缸的排列形式包含两种形式：(1)直列式，即发动机的各个气缸排成一列，(2)双列式，即发动机的各个气缸排成两列(包括V形发动机和对置式发动机)，曲柄连杆机构是将活塞的直线往复运动转变为曲轴的旋转运动，并将燃料燃烧作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的扭矩，以驱动汽车车轮转动；配气机构包括与每排气缸相对应的凸轮轴，凸轮轴通过曲轴驱动而转动，每个凸轮轴上设有多对进气凸轮和排气凸轮，以分别定时开启和关闭每个气缸的进气门和排气门；
虽然往复活塞式发动机中不断有新技术的加入(例如电喷、可变气门、涡轮增压等)，但因往复活塞式发动机还存在着如下不足，使得其工作效率仍没有革命性的提升：(1)活塞在气缸内的自由度较多，如图25至图26所示，采用现有曲柄连杆机构的往复式活塞100具有自由度Z1、自由度Z2和自由度Z3，使其在气缸内不仅可以滑动，还可以转动，造成活塞100容易与一侧气缸壁102接触，而与另一侧气缸壁102的间隙101配合过大，易造成漏气烧机油、产生噪音、发生敲缸、拉缸或卡缸问题；(2)活塞100在气缸内滑动时，活塞100与气缸壁102为一对高摩擦副，活塞100长时间沿气缸壁102做往复运行，容易造成气缸壁102和活塞100的磨损，而影响发动机的正常工作；(3)活塞、连杆和曲轴都是空间分布，即多个活塞连杆没有排布在同一平面内，而是排布在一根曲轴上，使得需在曲轴上设置多个平衡块(俗称配重)实现动平衡，易引起发动机震动，消耗能量，而且还造成了发动机体积过大，占用空间过大，重量过重；(4)每套活塞连杆只能供一个气缸使用，每个气缸都需要一个进气凸轮和一个排气凸轮进行配气，造成发动机零部件过多，体积过大；同时也需要大量润滑油来润滑和降温，增加了发动机的重量；(5)往复活塞式发动机的气缸大多并排设置在一侧或两侧，使得气缸过于集中而不利于散热，长时间高速运行会造成发动机水箱“开锅”，因此其对冷却***要求高，也增加了发动机的成本和重量。
现有的转子发动机由茧形壳体和被安置在壳体中的三角形转子组成，转子和壳体壁之间的空间作为内部燃烧室，通过气体膨胀的压力驱动转子旋转，壳体的内侧圆周被设计成旋轮线外形并和安装在偏心轴上的转子组装在一起，因此，转子每转一圈工作室的体积变化两次，从而实现内燃机的四个工作过程(即进气、压缩、燃烧和排气)；但是，因转子的三个顶角负责密封，且长期处于无法良好润滑的情况下工作，使其工作中容易磨损，造成零部件寿命短，且油耗大，工作效率低。
有鉴于上述现有技术存在的问题，本发明人结合相关制造领域多年的设计及使用经验，提供一种环式发动机，来克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种环式发动机，其气缸沿圆周方向均匀设置，通过曲柄摇杆机构将活塞的弧线运动转变为曲轴的旋转运动，结构简单，活塞无磨损，工作效率高，工作寿命长。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
本发明提供一种环式发动机，其包括：机体组，其包含基架和四个弧形的气缸，四个所述气缸沿圆周方向等间隔设置在所述基架上，所述气缸的周壁设有进气口和排气口；曲柄摇杆机构，其包含：两个摇杆，两个所述摇杆交叉设置并分别于交叉处连接于中心轴，所述中心轴连接于所述基架，相邻的两个所述气缸之间设有一个弧形推杆，所述摇杆的端部与所述弧形推杆相连，所述弧形推杆的两端分别设有活塞，所述活塞能密封移动地设于所述气缸内，每个所述气缸内的两个所述活塞之间形成腔室，所述进气口和所述排气口分别与所述腔室相连通；至少一个曲轴，其连接于所述基架，所述摇杆通过连杆能以所述中心轴为圆心摆动地与所述曲轴相连。
在优选的实施方式中，所述曲轴为一个，所述曲轴上设有两个曲柄，两个所述曲柄沿所述曲轴的周壁呈90度错开设置，两个所述摇杆分别与一个所述曲柄相连。
在优选的实施方式中，所述曲轴为两个，每个所述曲轴上设有一个曲柄，两个所述摇杆分别与两个所述曲柄相连，两个所述曲轴分别连接有一个齿轮，两个所述齿轮相互啮合。
在优选的实施方式中，所述曲柄摇杆机构的极位夹角为0度。
在优选的实施方式中，所述环式发动机还包括配气机构，所述配气机构包括：凸轮轴，其与所述曲轴传动相连；四个进气顶杆，四个所述进气顶杆均与所述基架相连，所述进气顶杆的一端与所述凸轮轴滚动抵接，其另一端设有进气门，所述进气门与所述进气口相配合；四个排气顶杆，四个所述排气顶杆均与所述基架相连，所述排气顶杆的一端与所述凸轮轴滚动抵接，其另一端设有排气门，所述排气门与所述排气口相配合。
在优选的实施方式中，所述凸轮轴上套设有进气凸轮和排气凸轮，四个所述进气顶杆沿所述进气凸轮的圆周方向均匀设置，四个所述排气顶杆沿所述排气凸轮的圆周方向均匀设置，所述进气凸轮的凸部和所述排气凸轮的凸部沿所述凸轮轴的周壁错开设置。
在优选的实施方式中，所述进气口位于所述气缸的外侧周壁，所述排气口位于所述气缸的内侧周壁，所述凸轮轴位于所述中心轴的一侧并与所述中心轴同心设置，所述进气凸轮位于所述排气凸轮远离所述中心轴的一侧。
在优选的实施方式中，所述进气顶杆包括相互垂直的纵进气顶杆和进气摇臂，所述纵进气顶杆的一端与所述进气凸轮滚动接触，所述纵进气顶杆的另一端与所述进气摇臂相连，所述进气摇臂远离所述纵进气顶杆的一端设有所述进气门，所述进气摇臂的中部通过支点固定于所述基架，在所述进气凸轮的凸部与所述纵进气顶杆滚动接触的状态下，所述进气门与所述进气口相分离。
在优选的实施方式中，所述排气顶杆包括相互垂直的纵排气顶杆和横排气顶杆，所述纵排气顶杆的一端与所述排气凸轮滚动接触，所述纵排气顶杆的另一端与所述横排气顶杆固定相连，所述横排气顶杆远离所述纵排气顶杆的一端设有所述排气门，在所述排气凸轮的凸部与所述纵排气顶杆滚动接触的状态下，所述排气门与所述排气口相分离。
在优选的实施方式中，所述中心轴固定连接于所述基架，两个所述摇杆分别通过一轴承能转动地连接于所述中心轴；或所述中心轴通过一轴承能转动地连接于所述基架，一所述摇杆与所述中心轴固定相连，另一所述摇杆通过一轴承能转动地连接于所述中心轴。
在优选的实施方式中，所述活塞与所述气缸的内壁之间夹设有多个活塞环，所述活塞通过所述活塞环能密封移动地设于所述气缸内。
本发明的环式发动机的特点和优点是：
1、本发明通过将四个弧形的气缸沿圆周方向等间隔设置在基架上，活塞在气缸内呈弧线运动，使活塞仅具有一个转动的自由度，避免活塞与气缸内壁的摩擦，降低了损耗，提高了发动机的工作效率，延长了各零部件的使用寿命，且本发明的运动副均为低副，可靠性高；
2、本发明的曲柄摇杆机构的两个摇杆交叉设置，每个摇杆通过连杆与曲轴相连，以将活塞的弧线运动转变为曲轴的旋转运动，进而进行动力传输，工作效率高，且曲轴的曲柄只需设置一个或两个即可，曲轴尺寸小，同轴度要求低，节约制造成本；
3、本发明的配气机构通过设于凸轮轴上的一个进气凸轮和一个排气凸轮，即可控制四个进气门和四个排气门的开闭，以实现所有气缸的进气和排气，结构简单，工作效率高，减少零部件数量和尺寸，减轻发动机重量，减少空间占用；
4、本发明的每个气缸内均设有一对活塞，气缸内可燃混合气燃烧做功时，同时作用于两个活塞，使两个活塞分别带动两个摇杆摆动，因此本发明的单缸功率就相当于现有发动机两倍的单缸功率(相同活塞直径的条件下)，发动机功率大、效率高，提速快；
5、本发明的四个弧形气缸沿圆周方向等间隔设置，使得各气缸分散设置而并非如现有发动机的气缸聚集在一起，有利于各个气缸的散热和冷却，简单水冷甚至风冷即能满足散热要求，减轻发动机的重量，节约了燃料消耗；
6、本发明的曲轴和凸轮轴的长度均较短，且摩擦部位只有曲柄摇杆机构的两个摇杆、曲轴和凸轮轴，不需要大量的润滑油，降低了对润滑***的要求，进而降低发动机重量，节约燃料消耗，降低成本；
7、本发明的环式发动机可以多个并排组成环式发动机组合结构，且两两相邻的所述环式发动机的基架能拆卸地相连，以提高发动机的总功率，并提高***的可靠性，同时并联设置的多个发动机彼此可拆卸，组装灵活，使用方便；
8、本发明的环式发动机及将本发明并排组成的环式发动机组合结构均是一种平衡式发动机，其活塞、气缸、进气顶杆和排气顶杆均呈对称分布，具有良好的动平衡性能，可有效降低噪音和振动带来的能量损失，节能高效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明环式发动机的第一实施例的立体结构示意图；
图1-1为本发明环式发动机的第一实施例的部分立体结构示意图(不含配气机构和齿轮)；
图2为本发明环式发动机的第一实施例的另一立体结构示意图；
图3为本发明环式发动机的第一实施例的主视结构示意图；
图3-1为一实施例中沿图3中的X-X向剖切线的截面示意图；
图3-2为另一实施例中沿图3中的X-X向剖切线的截面示意图；
图4为本发明环式发动机的第一实施例的后视结构示意图；
图5为本发明的环式发动机的第一实施例的侧视结构示意图；
图6为本发明的环式发动机的第一实施例的半剖的立体结构示意图；
图7为本发明的环式发动机的第一实施例的半剖的主视结构示意图；
图8为本发明的工作过程示意图；
图9为本发明的第一实施例的曲柄摇杆机构的工作原理示意图；
图10为本发明的第一实施例的曲柄摇杆机构的结构简图；
图11为本发明的第二实施例的立体结构示意图(不含配气机构)；
图12为本发明的第二实施例的主视结构示意图(不含配气机构)；
图13为本发明的第二实施例的后视结构示意图(不含配气机构)；
图14为本发明的第二实施例的半剖的立体结构示意图(不含配气机构)；
图15为本发明的第二实施例的半剖的主视结构示意图(不含配气机构)；
图16为本发明的第二实施例的曲柄摇杆机构的结构简图；
图17为本发明的第二实施例的曲柄摇杆机构的另一结构简图；
图18为本发明的第二实施例的曲柄摇杆机构的工作原理示意图；
图19为本发明的配气机构进气时的结构示意图；
图20为本发明的配气机构排气时的结构示意图；
图21为多个本发明的环式发动机并排形成环式发动机组合结构的分解示意图；
图22为本发明的极位夹角的原理示意图；
图23为现有技术的极位夹角的原理示意图；
图24为本发明的活塞与气缸的部分结构示意图；
图25为现有技术往复式活塞发动机的曲柄连杆机构及活塞的结构示意图；
图26为沿图25中的Y-Y向剖切线的截面示意图。
附图标号说明：
本发明：
1气缸，2中心轴，3摇杆，4弧形推杆，5活塞，6腔室，7曲轴，8曲柄，9曲轴支架，10连杆，11齿轮，12小齿轮，13凸轮轴，14进气凸轮，15排气凸轮，16凸轮轴齿轮，17皮带，18进气顶杆，19纵进气顶杆，20进气摇臂，21进气门，22支点，23排气顶杆，24纵排气顶杆，25横排气顶杆，26排气门，27气环，28油环，29间隙，F1进气方向，F2排气方向。
现有技术：
100活塞，101间隙，102气缸壁，Z1自由度，Z2自由度，Z3自由度，Ψ夹角，ω1反向夹角，ω2正向夹角，θ1极位夹角。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施方式一
如图1至图24所示，本发明提供一种环式发动机，其包括：机体组，其包含基架(图中未示出)和四个弧形的气缸1，四个所述气缸1沿圆周方向等间隔设置在所述基架上，即四个所述气缸1沿圆周方向均匀设置在所述基架上，也即四个所述气缸1沿圆周方向呈90度均匀错开设置在所述基架上，所述气缸1的周壁设有进气口和排气口；曲柄摇杆机构，其包含：两个摇杆3，两个所述摇杆3交叉设置并分别于交叉处连接于中心轴2，所述中心轴2连接于所述基架，相邻的两个所述气缸1之间设有一个弧形推杆4，所述摇杆3的端部与所述弧形推杆4相连，所述弧形推杆4的两端分别设有活塞5，所述活塞5能密封移动地设于所述气缸1内，每个所述气缸1内的两个所述活塞5之间形成腔室6，所述进气口和所述排气口分别与所述腔室6相连通；至少一个曲轴7，其连接于所述基架，所述摇杆3通过连杆10能以所述中心轴2为圆心摆动地与所述曲轴7相连。
具体的，如图1至图3所示，基架上设有中心轴2，本发明的四个弧形气缸1以中心轴2为圆心，沿中心轴2的圆周方向等间隔均匀设置在基架上，弧形气缸1的纵截面(也即，与中心轴2的轴线垂直的平面)呈弧形，在一实施例中，如图3-1所示，该弧形气缸1的横截面(也即，与中心轴2的轴线平行的平面)呈圆形，在另一实施例中，该弧形气缸1的横截面也可以为圆角矩形(如图3-2所示)，当然该弧形气缸1的横截面还可以根据需要设置为其他合适的形状，例如椭圆形等，在此不做限制；两个摇杆3呈X形交叉设置，两个摇杆3的交叉处位于摇杆3的中心，使两个摇杆3的四个端部摆动速度均匀；基架上设有曲轴支架9，曲轴7能转动地设于曲轴支架9上，曲轴7上设有曲柄8，曲柄8的中心线与曲轴7的中心线相互平行且具有一间距，使曲轴7转动时，曲柄8围绕曲轴7的中心线进行转动，其中，摇杆3通过连杆10连接于曲柄8的中心线，使曲轴7在转动时，两个摇杆3能被连杆10带动而相互靠近或相互远离，或者，使两个摇杆3在相互靠近或相互远离的摆动过程中，能驱动曲轴7转动。
在第一实施例中，如图1至图10所示，所述曲轴7为两个，每个所述曲轴7上设有一个曲柄8，两个所述摇杆3分别与两个所述曲柄8相连，两个所述曲轴7分别连接有一个齿轮11，两个所述齿轮11相互啮合，具体的，曲轴支架9为两个，较佳的，两个曲轴支架9同时位于两个摇杆3与任一气缸1之间的区域内，当然也可以分别位于两个摇杆3与任一气缸1之间的区域内，只要能方便两个曲轴7通过齿轮11啮合实现传动即可，两个曲轴7中的一个曲轴7的一端与飞轮相连，另一端与配气机构中的凸轮轴13相连，以通过该一个曲轴7实现发动机的起动、及将气缸1做的功传输出去，即，在发动机起动时，飞轮的动力传递给一个曲轴7并带动该一个曲轴7转动，该一个曲轴7通过齿轮11带动另一个曲轴7转动，两个曲轴7分别通过一连杆10带动两个摇杆3摆动，该一个曲轴7同时将动力传递给配气机构的凸轮轴13以进行配气，发动机起动怠速后进行正常工作时，依次由四个气缸1中的其中一个气缸1内的可燃混合气做功促使活塞5运动，活塞5带动摇杆3摆动并通过连杆10带动两个曲轴7转动，以通过一个曲轴7将两个曲轴7上的动力传输出去。
在第二实施例中，如图11至图18所示，所述曲轴7为一个，所述曲轴7上设有两个曲柄8，两个所述曲柄8沿所述曲轴7的周壁呈90度错开设置，两个所述摇杆3分别与一个所述曲柄8相连，使两个摇杆3能够通过一个曲轴7即可进行同步摆动，即，如图18所示，在工作循环过程中，摇杆3左右摆动，曲轴7和曲柄8转动，且曲轴7上的两个曲柄8始终呈90度错开，具体的，曲轴支架9为一个并位于两个摇杆3与任一气缸1之间的区域内，曲轴7设于曲轴支架9上，曲轴7的一端与飞轮相连，曲轴7的另一端与配气机构中的凸轮轴13相连，在发动机起动时，通过起动***经飞轮带动曲轴7转动，同时由曲轴7的两个曲柄8带动两个摇杆3同步摆动并由曲轴7带动凸轮轴13转动，进而分别实现四个气缸1的进气、压缩、做功和排气动作，发动机起动并由怠速转变为正常工作后，依次由四个气缸1中的其中一个气缸1内的可燃混合气做功促使该气缸1内的活塞5运动，活塞5带动摇杆3摆动并通过连杆10带动曲轴7转动，然后通过曲轴7将动力传输出去。
进一步的，所述曲柄摇杆机构的极位夹角为0度，其中极位夹角指的是曲柄摇杆机构中的摇杆3位于两个极限位置时，连杆10所夹的锐角，具体的，在现有曲柄连杆机构技术中，曲柄在等速转动情况下，摇杆往复摆动的平均速度一快一慢，该种运动性质称为急回特性，如图23所示，曲柄连杆机构位于任一位置ABCD(其中曲轴轴心位于位置A，曲柄位于位置AB，连杆位于位置BC，摇杆位于位置CD)，当曲柄连杆机构自位置ABCD转动到第一极限位置AB1C1D时，曲轴的曲柄与连杆共线且部分重合，当曲柄连杆机构自位置ABCD转动到第二极限位置AB2C2D时，曲轴的曲柄与连杆共线，摇杆在第一极限位置与第二极限位置时具有夹角Ψ，位于第一极限位置时的曲柄与位于第二极限位置时的曲柄之间的正向夹角ω2不等于反向夹角ω1，且该曲柄连杆机构的极位夹角θ1(即位于第一极限位置时的连杆与位于第二极限位置的连杆之间的夹角)不等于0度，即现有技术的曲柄连杆机构具有急回特性，但是，在本发明中，如图22所示，曲柄摇杆机构位于任一位置O1O2EO3(其中曲轴轴心位于位置O3，曲柄位于位置O3E，连杆位于位置O2E，摇杆位于位置O1O2)，当曲柄摇杆机构自位置O1O2EO3转动到第一极限位置O1BFO3时，连杆与曲轴的曲柄共线且部分重合，当曲柄摇杆机构自位置O1O2EO3转动到第二极限位置O1ACO3时，连杆与曲轴的曲柄共线，而位于第一极限位置时的连杆与位于第二极限位置的连杆的极位夹角等于0度，使得摇杆回摆周期相同，较佳的，摇杆3的摆动角度为20度，即左右各摆动10度，当然也可根据实际需要设置其他摆动角度，在此不作限制。
本发明的所述环式发动机还包括配气机构，如图1至图3、图4至图8、图19至图20所示，所述配气机构包括：凸轮轴13，其与所述曲轴7传动相连；四个进气顶杆18，四个所述进气顶杆18均与所述基架相连，所述进气顶杆18的一端与所述凸轮轴13滚动抵接，其另一端设有进气门21，所述进气门21与所述进气口相配合；四个排气顶杆23，四个所述排气顶杆23均与所述基架相连，所述排气顶杆23的一端与所述凸轮轴13滚动抵接，其另一端设有排气门26，所述排气门26与所述排气口相配合。
具体的，如图1和图5所示，凸轮轴13的一端套设有凸轮轴齿轮16，曲轴7远离飞轮的一端套设有小齿轮12，凸轮轴齿轮16与小齿轮12之间通过皮带17或链条传动连接，以将曲轴7上的旋转动力同步传递给凸轮轴13，其中小齿轮12与凸轮轴齿轮16的传动比为1:2，即曲轴7旋转两圈，凸轮轴13旋转一圈，以完成一次工作循环(其中每个工作循环包括使每个气缸1内均完成进气、压缩、做功和排气四个冲程)，其中发动机的气缸1完成工作循环的工作原理与现有的四冲程发动机的工作原理相同，在此不再赘述。
进一步的，如图5至图8所示，所述凸轮轴13上套设有进气凸轮14和排气凸轮15，四个所述进气顶杆18沿所述进气凸轮14的圆周方向均匀设置，即四个所述进气顶杆18沿所述进气凸轮14的圆周方向呈90度错开设置，四个所述排气顶杆23沿所述排气凸轮15的圆周方向均匀设置，即四个所述排气顶杆23沿所述排气凸轮15的圆周方向呈90度错开设置，也即，四个进气顶杆18呈十字分布，四个排气顶杆23呈十字分布，所述进气凸轮14的凸部和所述排气凸轮15的凸部沿所述凸轮轴13的周壁错开设置，在一理想状态下，进气凸轮14的凸部和排气凸轮15的凸部沿凸轮轴13的周壁呈90度错开设置，当然在考虑到进气提前角(例如进气提前角为10度～30度)的情况下，进气凸轮14的凸部和排气凸轮15的凸部沿凸轮轴13的周壁的夹角可以稍大于90度，如图6、图19和图20所示，在凸轮轴13旋转过程中，进气凸轮14和排气凸轮15随凸轮轴13同步旋转，使进气凸轮14的凸部依次顶起与其滚动抵接的进气顶杆18，且排气凸轮15的凸部依次顶起与其滚动抵接的排气顶杆23，而且，在进气凸轮14的凸部顶起任一进气顶杆18使与其连接的气缸1进气时，与该气缸1相邻的另一气缸1对应的排气顶杆23被排气凸轮15的凸部顶起，使相邻的两个气缸1同时发生进气行程和排气行程。
更进一步的，如图1和图6所示，所述进气口位于所述气缸1的外侧周壁，所述排气口位于所述气缸1的内侧周壁，较佳的，气缸1上设置的进气口和排气口于气缸1周壁上径向相对设置，且气缸1上的进气口直径大于排气口直径，使进气更加充分，所述凸轮轴13位于所述中心轴2的一侧并与所述中心轴2同心设置，使凸轮轴13位于四个弧形气缸1围成的圆形的中心位置，且分别对应四个气缸1的四个进气顶杆18长度相同、四个排气顶杆23长度相同，所述进气凸轮14位于所述排气凸轮15远离所述中心轴2的一侧，使进气顶杆18长度大于排气顶杆23的长度，且进气顶杆18位于排气顶杆23远离中心轴2的一侧，以节省发动机内的空间设置，当然，也可以使进气口与排气口的位置颠倒、进气凸轮14与排气凸轮15的位置颠倒，即进气口设于气缸1的内侧周壁，排气口设于气缸1的外侧周壁，而进气凸轮14位于排气凸轮15靠近所述中心轴2的一侧，在此不作限制。
更进一步的，如图1、图5、图19和图20所示，所述进气顶杆18包括相互垂直的纵进气顶杆19和进气摇臂20，所述纵进气顶杆19的一端与所述进气凸轮14滚动接触，所述纵进气顶杆19的另一端与所述进气摇臂20相连，所述进气摇臂20远离所述纵进气顶杆19的一端设有所述进气门21，所述进气摇臂20的中部通过支点22固定于所述基架，在所述进气凸轮14的凸部与所述纵进气顶杆19滚动接触的状态下，所述进气门21与所述进气口相分离，具体的，纵进气顶杆19的延伸方向与凸轮轴13的径向平行且与凸轮轴13的轴向垂直，纵进气顶杆19与进气凸轮14滚动接触的一端设有圆柱体，使纵进气顶杆19与进气凸轮14接触更加顺滑，保证顺利进气，避免打滑，进气摇臂20位于气缸1的外侧，进气摇臂20的中部通过支点22固定于基架，其中，进气顶杆18的纵进气顶杆19能滑动地与基架相连，使纵进气顶杆19在进气凸轮14的凸部的作用下，沿凸轮轴13径向向外滑动时，进气摇臂20沿支点22转动而打开进气门21，实现向气缸1内进气。
更进一步的，如图1、图5、图19和图20所示，所述排气顶杆23包括相互垂直的纵排气顶杆24和横排气顶杆25，所述纵排气顶杆24的一端与所述排气凸轮15滚动接触，所述纵排气顶杆24的另一端与所述横排气顶杆25固定相连，所述横排气顶杆25远离所述纵排气顶杆24的一端设有所述排气门26，在所述排气凸轮15的凸部与所述纵排气顶杆24滚动接触的状态下，所述排气门26与所述排气口相分离，具体的，纵排气顶杆24的延伸方向与凸轮轴13的径向平行且与凸轮轴13的轴向垂直，横排气顶杆25的延伸方向与凸轮轴13的轴向平行，纵排气顶杆24与排气凸轮15滚动接触的一端设有圆柱体，使纵排气顶杆24与排气凸轮15接触更加顺滑，保证顺利排气，避免打滑，横排气顶杆25位于气缸1的内侧，其中排气顶杆23能滑动地与基架相连，也即纵排气顶杆24和横排气顶杆25能同步滑动地与基架相连，使横排气顶杆25能随纵排气顶杆24沿凸轮轴13径向向外滑动时而同步沿凸轮轴13径向向外运动，实现排气门26打开或关闭。
进一步的，如图2所示，所述中心轴2固定连接于所述基架，两个所述摇杆3分别通过一轴承能转动地连接于所述中心轴2，使两个摇杆3能均相对于固定不动的中心轴2进行转动；或者，在另一实施例中，所述中心轴2通过一轴承能转动地连接于所述基架，一所述摇杆3与所述中心轴2固定相连，另一所述摇杆3通过一轴承能转动地连接于所述中心轴2，使中心轴2与一摇杆3相对于基架能同步的转动，且另一摇杆3能相对于中心轴2转动，方便的进行两个摇杆3的摆动。
其中，应用于本发明的环式发动机中的燃油供给***、点火***(仅应用于汽油机使用)、润滑***、冷却***和起动***与在现有的发动机中的功能相同，即：燃油供给***用以将可燃混合气供入气缸进行燃烧；点火***是将汽油式的环式发动机气缸内的可燃混合气点燃，使汽油式的环式发动机实现做功；润滑***是在环式发动机工作时，通过机油泵连续不断地把润滑油输送到全部传动件的摩擦表面；冷却***是将受热机件的热量散到大气中去，保证环式发动机正常工作；起动***是通过外力使环式发动机的曲轴7发生转动，以使环式发动机能进入工作循环，例如通过电力起动机带动飞轮转动，以使与飞轮连接的曲轴7转动，进而起动环式发动机；同时，上述五大***的结构也与现有发动机中的结构基本相同，在此不再赘述。
本发明的环式发动机在工作时，首先起动***通过飞轮向曲轴7输入旋转动力，曲轴7与曲轴7上的曲柄8同步转动，通过曲轴7上的小齿轮12将旋转动力传递给凸轮轴13，使凸轮轴13驱使进气顶杆18和排气顶杆23径向运动而实现相邻两个气缸1的进气行程和排气行程，并通过与曲柄8相连的连杆10带动两个摇杆3同步摆动，以带动各个气缸1内的活塞5相应移动，直至环式发动机实现自动怠速运转，起动***停止输入动力，环式发动机进入正常运转状态；
环式发动机正常运转过程中，四个气缸1依次分别为进气、压缩、做功和排气状态，如图8所示的左上角的气缸1为进气状态的气缸1，并沿顺时针方向依次为压缩状态的气缸1、做功状态的气缸1和排气状态的气缸1，进气状态的气缸1开始进气时，进气凸轮14在凸轮轴13的带动下使其凸部逐渐对应进气状态的气缸1，进气凸轮14顶起进气顶杆18，进气门21与该进气状态的气缸1的进气口分离，使可燃混合气沿进气方向F1进入进气状态的气缸1的腔室6中，进气状态的气缸1内的两个活塞5相互远离，与进气状态的气缸1相邻的压缩状态的气缸1内的两个活塞5则相互靠近以压缩可燃混合气，与压缩状态的气缸1相邻的做功状态的气缸1在点火***作用下点燃可燃混合气(此处指的是汽油机，柴油机则采用与现有技术相同的压燃方式点燃)，燃料燃烧的能量直接作用于做功状态的气缸1内的两个活塞5，使做功状态的气缸1内的两个活塞5相互远离，以驱动两个摇杆3摆动，与做功状态的气缸1相邻的排气状态的气缸1在排气顶杆23的作用下，排气门26呈打开状态，该排气状态的气缸1的腔室6内燃烧产生的气体沿排气方向F2经排气门26排出，接着，完成进气的气缸1则进入压缩状态，完成排气的气缸1则进入进气状态，如此循环，进一步的，燃料燃烧做的功使两个摇杆3摆动的同时，通过与摇杆3连接的连杆10将动力传递给曲柄8和曲轴7，使曲轴7转动，并通过曲轴7的一端传递给凸轮轴13使凸轮轴13转动以进行配气，且通过曲轴7的另一端将环式发动机产生的动力传输出去；
在上述工作循环过程中，如图3-1、图3-2和图24所示，因本发明的摇杆只有一个摆动自由度，使活塞5仅存在一个摆动自由度，优选的，所述活塞5与所述气缸1的内壁之间夹设有多个活塞环，所述活塞5通过所述活塞环能密封移动地设于所述气缸1内，即活塞5与气缸1的内壁之间并无直接接触且不存在磨损，而活塞5与气缸1之间的密封则通过活塞环实现，确保了活塞5在气缸1内往复活动时与气缸1的内壁之间始终存在间隙29，而不存在摩擦阻力，以避免活塞5和气缸1内壁的磨损，延长使用寿命，提高发动机的能量转化率，较佳的，活塞5上设有至少两道活塞环(气环27和油环28)，本发明仅通过活塞环与气缸1的内壁接触(为减小摩擦可喷有润滑油)，靠近腔室6(即燃烧腔室)的为气环27，以防止漏气，远离腔室6的为油环28，以将多余的润滑油刮下来，防止润滑油进入腔室6内燃烧，活塞环的结构设计与现有普通发动机的活塞环的结构相同。
实施方式二
本发明还提供一种环式发动机组合结构，如图21所示，其中，所述环式发动机组合结构由多个实施方式一所述的环式发动机并排组成，两两相邻的所述环式发动机的基架能拆卸地相连，所述的环式发动机的结构、工作原理和有益效果与实施方式一相同，在此不再赘述。
具体的，环式发动机组合结构的多个环式发动机的中心轴2共线，而且多个环式发动机的曲轴7与同一飞轮相连，可以同时起动多个环式发动机，也可以终止任一环式发动机工作，即多个环式发动机彼此独立工作，如任一发动机损坏，即可将其更换，操作简单方便，其中，并联的环式发动机的数量可以根据实际需要而定，在此不作限制。
本发明的环式发动机的特点和优点是：
1、本发明通过将四个弧形的气缸1沿圆周方向等间隔设置在基架上，活塞5在气缸1内呈弧线运动，使活塞5仅具有一个转动的自由度，避免活塞5与气缸1内壁的摩擦，降低了损耗，提高了发动机的工作效率，延长了各零部件的使用寿命，且本发明的运动副均为低副，可靠性高；
2、本发明的曲柄摇杆机构的两个摇杆3交叉设置，每个摇杆3通过连杆10与曲轴7相连，以将活塞5的弧线运动转变为曲轴7的旋转运动，进而进行动力传输，工作效率高，且曲轴7的曲柄8只需设置一个或两个即可，曲轴7尺寸小，同轴度要求低，节约制造成本；
3、本发明的配气机构通过设于凸轮轴13上的一个进气凸轮14和一个排气凸轮15，即可控制四个进气门21和四个排气门26的开闭，以实现所有气缸1的进气和排气，结构简单，工作效率高，减少零部件数量和尺寸，减轻发动机重量，减少空间占用；
4、本发明的每个气缸1内均设有一对活塞5，气缸1内可燃混合气燃烧做功时，同时作用于两个活塞5，使两个活塞5分别带动两个摇杆3摆动，因此本发明的单缸功率就相当于现有发动机两倍的单缸功率(相同活塞直径的条件下)，发动机功率大、效率高，提速快；
5、本发明的四个弧形气缸1沿圆周方向等间隔设置，使得各气缸1分散设置而并非如现有发动机的气缸聚集在一起，有利于各个气缸1的散热和冷却，简单水冷甚至风冷即能满足散热要求，减轻发动机的重量，节约了燃料消耗；
6、本发明的曲轴7和凸轮轴13的长度均较短，且摩擦部位只有曲柄摇杆机构的两个摇杆3、曲轴7和凸轮轴13，不需要大量的润滑油，降低了对润滑***的要求，进而降低发动机重量，节约燃料消耗，降低成本；
7、本发明的环式发动机可以多个并排组成环式发动机组合结构，且两两相邻的所述环式发动机的基架能拆卸地相连，以提高发动机的总功率，并提高***的可靠性，同时并联设置的多个发动机彼此可拆卸，组装灵活，使用方便；
8、本发明的环式发动机及将本发明并排组成的环式发动机组合结构均是一种平衡式发动机，其活塞5、气缸1、进气顶杆18和排气顶杆23均呈对称分布，具有良好的动平衡性能，可有效降低噪音和振动带来的能量损失，节能高效。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (11)
1.一种环式发动机，其特征在于，所述环式发动机包括：
机体组，其包含基架和四个弧形的气缸，四个所述气缸沿圆周方向等间隔设置在所述基架上，所述气缸的周壁设有进气口和排气口；
曲柄摇杆机构，其包含：
两个摇杆，两个所述摇杆交叉设置并分别于交叉处连接于中心轴，所述中心轴连接于所述基架，相邻的两个所述气缸之间设有一个弧形推杆，所述摇杆的端部与所述弧形推杆相连，所述弧形推杆的两端分别设有活塞，所述活塞能密封移动地设于所述气缸内，每个所述气缸内的两个所述活塞之间形成腔室，所述进气口和所述排气口分别与所述腔室相连通；
至少一个曲轴，其连接于所述基架，所述摇杆通过连杆能以所述中心轴为圆心摆动地与所述曲轴相连。
2.根据权利要求1所述的环式发动机，其特征在于，所述曲轴为一个，所述曲轴上设有两个曲柄，两个所述曲柄沿所述曲轴的周壁呈90度错开设置，两个所述摇杆分别与一个所述曲柄相连。
3.根据权利要求1所述的环式发动机，其特征在于，所述曲轴为两个，每个所述曲轴上设有一个曲柄，两个所述摇杆分别与两个所述曲柄相连，两个所述曲轴分别连接有一个齿轮，两个所述齿轮相互啮合。
4.根据权利要求2或3所述的环式发动机，其特征在于，所述曲柄摇杆机构的极位夹角为0度。
5.根据权利要求1所述的环式发动机，其特征在于，所述环式发动机还包括配气机构，所述配气机构包括：
凸轮轴，其与所述曲轴传动相连；
四个进气顶杆，四个所述进气顶杆均与所述基架相连，所述进气顶杆的一端与所述凸轮轴滚动抵接，其另一端设有进气门，所述进气门与所述进气口相配合；
四个排气顶杆，四个所述排气顶杆均与所述基架相连，所述排气顶杆的一端与所述凸轮轴滚动抵接，其另一端设有排气门，所述排气门与所述排气口相配合。
6.根据权利要求5所述的环式发动机，其特征在于，所述凸轮轴上套设有进气凸轮和排气凸轮，四个所述进气顶杆沿所述进气凸轮的圆周方向均匀设置，四个所述排气顶杆沿所述排气凸轮的圆周方向均匀设置，所述进气凸轮的凸部和所述排气凸轮的凸部沿所述凸轮轴的周壁错开设置。
7.根据权利要求6所述的环式发动机，其特征在于，所述进气口位于所述气缸的外侧周壁，所述排气口位于所述气缸的内侧周壁，所述凸轮轴位于所述中心轴的一侧并与所述中心轴同心设置，所述进气凸轮位于所述排气凸轮远离所述中心轴的一侧。
8.根据权利要求6所述的环式发动机，其特征在于，所述进气顶杆包括相互垂直的纵进气顶杆和进气摇臂，所述纵进气顶杆的一端与所述进气凸轮滚动接触，所述纵进气顶杆的另一端与所述进气摇臂相连，所述进气摇臂远离所述纵进气顶杆的一端设有所述进气门，所述进气摇臂的中部通过支点固定于所述基架，在所述进气凸轮的凸部与所述纵进气顶杆滚动接触的状态下，所述进气门与所述进气口相分离。
9.根据权利要求6或8所述的环式发动机，其特征在于，所述排气顶杆包括相互垂直的纵排气顶杆和横排气顶杆，所述纵排气顶杆的一端与所述排气凸轮滚动接触，所述纵排气顶杆的另一端与所述横排气顶杆固定相连，所述横排气顶杆远离所述纵排气顶杆的一端设有所述排气门，在所述排气凸轮的凸部与所述纵排气顶杆滚动接触的状态下，所述排气门与所述排气口相分离。
10.根据权利要求1所述的环式发动机，其特征在于，所述中心轴固定连接于所述基架，两个所述摇杆分别通过一轴承能转动地连接于所述中心轴；或所述中心轴通过一轴承能转动地连接于所述基架，一所述摇杆与所述中心轴固定相连，另一所述摇杆通过一轴承能转动地连接于所述中心轴。
11.根据权利要求1所述的环式发动机，其特征在于，所述活塞与所述气缸的内壁之间夹设有多个活塞环，所述活塞通过所述活塞环能密封移动地设于所述气缸内。
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