CN109958532A - 双直齿连杆齿轮式发动机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双直齿连杆齿轮式发动机，至少包括：双直齿齿条连杆，其内部相对的两侧分别设有一段齿条；活塞，其与双直齿齿条连杆的上端固定连接，受到来自燃烧室气体的作用力而带动双直齿齿条连杆上下往复运动；与输出轴连接的部分齿齿轮，其设置于双直齿齿条连杆中间且在同一时间只与双直齿齿条连杆其中的一侧齿条相啮合；线圈，其固定缠绕于双直齿齿条连杆的下端；以及，设置于双直齿齿条连杆正下方的电磁铁，所述电磁铁上缠绕线圈且与ECU连接，其用于双直齿齿条连杆上下运动时与线圈产生电磁阻尼和电磁驱动作用。该发动机能够良好地解决双直齿齿条连杆下降时因过大相对速度产生的崩齿问题。

Description

双直齿连杆齿轮式发动机及其工作方法

技术领域

本发明涉及汽油发动机技术领域，具体涉及双直齿连杆齿轮式发动机及其作方法。

背景技术

现有发动机的动力输出是由曲柄连杆机构完成的，它通过把气体燃烧时产生的作用在活塞顶上的气体压力力通过连杆转变为对曲轴的转矩，将活塞的上下往复运动转变为曲轴的旋转运动以达到动力输出的目的，向工作机械输出机械能。在做功行程中，气体压力作用在活塞上使其向下运动，此力可分解通过活塞销传递给连杆，并沿连杆方向作用在曲柄销上，此力对曲轴形成转矩，推动曲轴旋转，但是在上止点位置时，曲轴受到的转矩为零，此时的作用力并未对曲轴的旋转起促进作用，这对曲轴的旋转来说是一个能量损失。因此，为了尽量利用在活塞上止点时的作用力，使整个做功行程中都能对曲轴产生转矩，一种将发动机的动力输出改变为双直齿齿条啮合于部分齿齿轮而设计的双齿条部分齿齿轮传动发动机设想应运而生。双直齿连杆齿轮式发动机保持原来的燃烧系统、配气系统、燃油供给系统或点火系统不变,保证较高的发动机效率；另一方面，动力通过双齿条带动部分齿齿轮输出，使得做功冲程任意时刻转矩都处于输出轴最大值处,大大提高发动机的性能。但实验发现，当双直齿齿条连杆高速向下运动，部分齿齿轮与左侧直齿相啮合并高速旋转，当活塞达到下止点的瞬间，双直齿齿条连杆速度向下且达到最大，部分齿齿轮脱离左侧直齿与右侧直齿相啮合，速度向上，由于二者相对运动速度过大，产生的作用力对齿产生了不可逆的毁坏。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种双直齿连杆齿轮式发动机，该发动机能够良好地解决双直齿齿条连杆下降时因过大相对速度产生的崩齿问题。

本发明还提供了一种基于上述所述发动机的工作方法，以及包括上述所述发动机的车辆。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种双直齿连杆齿轮式发动机，至少包括：

双直齿齿条连杆，其内部相对的两侧分别设有一段齿条；

活塞，其与双直齿齿条连杆的上端固定连接，受到来自燃烧室气体的作用力而带动双直齿齿条连杆上下往复运动；

与输出轴连接的部分齿齿轮，其设置于双直齿齿条连杆中间且在同一时间只与双直齿齿条连杆其中的一侧齿条相啮合；

线圈，其固定缠绕于双直齿齿条连杆的下端；以及，

设置于双直齿齿条连杆正下方的电磁铁，所述电磁铁上缠绕线圈且与ECU连接，其用于双直齿齿条连杆上下运动时与线圈产生电磁阻尼和电磁驱动作用。

进一步地，还包括两个与ECU连接的速度传感器，分别设置于双直齿齿条连杆上和部分齿齿轮上，采用两个速度传感器，能更精确地得到双直齿齿条连杆与部分齿齿轮的相对速度。

进一步地，还包括与线圈连接的能量回收系统，所述能量回收系统还与ECU连接并受ECU控制。

进一步地，所述部分齿齿轮的角度小于180°且部分齿齿轮的齿条弧长与双直齿齿条连杆上任一侧的齿条长度相同。

进一步地，所述双直齿齿条连杆上两侧的齿条长度相同且其中一侧齿条与另一侧齿条的高度相错开使得部分齿齿轮与其中一侧齿条分离时恰好与另一侧齿条啮合。

进一步地，所述电磁铁的宽度小于双直齿齿条连杆上两条杆的内壁之间的距离，以使得电磁铁可以进出双直齿齿条连杆从而与位于双直齿齿条连杆下端的线圈产生电磁阻尼和电磁驱动作用。

本发明还提供了一种基于上述所述发动机的工作方法，包括：

在进气冲程，进气口打开，双直齿齿条连杆与部分齿齿轮啮合，加上自重作用使双直齿齿条连杆向下运动，燃烧室吸入混合气体，电磁铁通电，在线圈和电磁铁的相对运动下，线圈中产生感应电动势；

在压缩冲程，当双直齿齿条连杆从底部上升带动活塞压缩燃烧室内气体时，由ECU控制汽车电瓶提供能量使线圈和电磁铁产生相斥的磁场，使线圈由于排斥作用推动双直齿齿条连杆向上运动，当双直齿齿条连杆的速度与部分齿齿轮的线速度相匹配时，部分齿齿轮与双直齿齿条连杆的齿条啮合传出动力并压缩混合气体准备点火；

在做功冲程，燃烧室气体被点燃，迅速膨胀，推动活塞和双直齿齿条连杆向下运动，双直齿齿条连杆的齿条与部分齿齿轮啮合输出动力，在双直齿齿条连杆即将到达底部时，双直齿齿条连杆的齿条与部分齿齿轮脱离，双直齿齿条连杆下方的电磁铁通电，线圈中产生较大感应电流，电磁阻尼作用使得线圈上受到的安培力与双直齿齿条连杆的速度方向相反从而减缓双直齿齿条连杆的下落速度；

在排气冲程，由ECU控制汽车电瓶提供能量使线圈和电磁铁产生相斥的磁场，使线圈由于排斥作用推动双直齿齿条连杆向上运动，在双直齿齿条连杆的速度与部分齿齿轮的线速度相匹配时，部分齿齿轮与双直齿齿条连杆的齿条啮合传出动力并排出废气。

进一步地，在进气冲程和做功冲程，线圈切割磁感线产生的电能被回收至能量回收系统。更进一步地，在压缩冲程和排气冲程，除了由ECU控制汽车电瓶提供能量使线圈和电磁铁产生相斥的磁场外，所述ECU还控制能量回收系统一并提供能量。

本发明还提供了一种车辆，包括上述所述的发动机。

本发明的有益效果是：

本发明基于电磁阻尼原理，通过对双直齿齿条连杆上的线圈及位于其下部的电磁铁中的电流进行控制，使得双直齿齿条连杆实现减速并反向加速，使其与部分齿齿轮的相对速度达到一个安全范围，不仅解决了一般发动机活塞在上止点的转矩为零的问题，还达到保护双直齿齿条连杆与部分齿齿轮不会在极限情况下由于相对运动速度过大而造成的崩齿和损坏气缸体的现象从而实现提高发动机性能的目的，延长了发动机的使用寿命。另外，附加的能量回收系统可从双直齿齿条连杆中回收电流，储存能量，也可以向线圈中通电流，使其达到加速目的，不浪费，充分利用能量，一举两得，大大提高了燃烧产生的能量的利用效率。

附图说明；

图1为本发明实施例所述的双直齿连杆齿轮式发动机的活塞连杆向下运动时的结构示意图。

图2为本发明实施例所述的双直齿连杆齿轮式发动机的活塞连杆向上运动时的结构示意图。

图中，1、活塞，2、双直齿齿条连杆，3、部分齿齿轮，4、线圈，5、电磁铁。

具体实施方式

为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。

如图1和2所示，本实施例所述的一种双直齿连杆齿轮式发动机，至少包括双直齿齿条连杆2、活塞1、与输出轴连接的部分齿齿轮3、线圈4以及设置于双直齿齿条连杆2正下方的电磁铁5，另外还包括一些常规的其他发动机零部件，在此不再赘述。所述双直齿齿条连杆2的内部相对的两侧分别设有一段齿条；所述活塞1与双直齿齿条连杆2的上端固定连接，受到来自燃烧室气体的作用力而带动双直齿齿条连杆2上下往复运动；所述部分齿齿轮3设置于双直齿齿条连杆2中间且在同一时间只与双直齿齿条连杆2其中的一侧齿条相啮合；所述线圈4固定缠绕于双直齿齿条连杆2的下端，所述线圈4为漆包线线圈；所述电磁铁5上缠绕线圈且与ECU连接，其用于双直齿齿条连杆2上下运动时与线圈4产生电磁阻尼和电磁驱动作用，进一步地，所述电磁铁5的宽度小于双直齿齿条连杆2上两条杆的内壁之间的距离。

本实施中，还包括两个与ECU连接的速度传感器（未在图中标识），其中一个设置于双直齿齿条连杆上用于测量双直齿齿条连杆的速度，另一个设置于部分齿齿轮上用于测量部分齿齿轮的速度。

进一步地，本实施例还包括与线圈4连接的能量回收系统（未在图中标识），所述能量回收系统还与ECU连接并受ECU控制。所述能量回收系统可以回收电流，存储能量，也可以向线圈4中通入电流，使其达到加速目的，充分利用能量，一举两得。

本实施例中，所述部分齿齿轮3的角度θ小于180°且部分齿齿轮3齿条弧长与双直齿齿条连杆2任一侧的齿条长度相同。更进一步地，所述双直齿齿条连杆2上两侧的齿条长度相同且其中一侧齿条与另一侧齿条的高度相错开使得部分齿齿轮3与其中一侧齿条分离时恰好与另一侧齿条啮合。

本实施例所述的双直齿连杆齿轮式发动机的工作方法如下：

在进气冲程，进气口打开，双直齿齿条连杆2处于高位置的一段齿条与部分齿齿轮3啮合，加上自重作用使双直齿齿条连杆2向下运动，燃烧室吸入混合气体，此时电磁铁5通电，在线圈4和电磁铁5的相对运动下，线圈4中产生感应电动势，进一步地，为了充分利用能量，所述线圈4切割磁感线产生的电能被回收至能量回收系统；

在压缩冲程，当双直齿齿条连杆2从底部上升带动活塞1压缩燃烧室内气体时，由ECU控制控制能量回收系统和汽车电瓶一并提供能量使线圈4和电磁铁5产生相斥的磁场，使线圈4由于排斥作用推动双直齿齿条连杆2向上运动，当双直齿齿条连杆2的速度与部分齿齿轮3的线速度相匹配时，这里所述的相匹配是指双直齿齿条连杆2的速度接近部分齿齿轮3的线速度，部分齿齿轮3与双直齿齿条连杆2的齿条啮合传出动力，从而减小双直齿齿条连杆2速度变化时对部分齿齿轮3的冲击力，并压缩混合气体准备点火；

在做功冲程，燃烧室气体被点燃，迅速膨胀，推动活塞1和双直齿齿条连杆2向下运动，双直齿齿条连杆2的齿条与部分齿齿轮3啮合输出动力，在双直齿齿条连杆2即将到达底部时，双直齿齿条连杆2的齿条与部分齿齿轮3脱离，双直齿齿条连杆2下方的电磁铁5通电，线圈4中产生较大感应电流，由于电磁阻尼作用，线圈4上受到的安培力与双直齿齿条连杆2的速度方向相反，从而减缓双直齿齿条连杆2的下落速度，进一步地，为了充分利用能量，将线圈4切割磁感线产生的电能存储至能量回收系统；

在排气冲程，与压缩冲程类似，由ECU控制能量回收系统和汽车电瓶一并提供能量使线圈4和电磁铁5产生相斥的磁场，使线圈4由于排斥作用推动双直齿齿条连杆2向上运动，在双直齿齿条连杆2的速度与部分齿齿轮3的线速度相匹配时，这里所述的相匹配亦是指双直齿齿条连杆2的速度接近部分齿齿轮3的线速度，部分齿齿轮3与双直齿齿条连杆2的齿条啮合传出动力并排出废气。

另外，本实施例还提供了一种车辆，包括上述所述的发动机。

以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双直齿连杆齿轮式发动机，其特征在于，至少包括：

双直齿齿条连杆（2），其内部相对的两侧分别设有一段齿条；

活塞（1），其与双直齿齿条连杆（2）的上端固定连接，受到来自燃烧室气体的作用力而带动双直齿齿条连杆（2）上下往复运动；

与输出轴连接的部分齿齿轮（3），其设置于双直齿齿条连杆（2）中间且在同一时间只与双直齿齿条连杆其中的一侧齿条相啮合；

线圈（4），其固定缠绕于双直齿齿条连杆（2）的下端；以及，

设置于双直齿齿条连杆（2）正下方的电磁铁（5），所述电磁铁（5）上缠绕线圈且与ECU连接，其用于双直齿齿条连杆（2）上下运动时与线圈（4）产生电磁阻尼和电磁驱动作用。

2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，还包括两个与ECU连接的速度传感器，分别设置于双直齿齿条连杆（2）上和部分齿齿轮（3）上。

3.根据权利要求1或2所述的发动机，其特征在于，还包括与线圈（4）连接的能量回收系统，所述能量回收系统还与ECU连接并受ECU控制。

4.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述部分齿齿轮（3）的角度小于180°且部分齿齿轮（3）的齿条弧长与双直齿齿条连杆（2）上任一侧的齿条长度相同。

5.根据权利要求4所述的发动机，其特征在于，所述双直齿齿条连杆（2）上两侧的齿条长度相同且其中一侧齿条与另一侧齿条的高度相错开使得部分齿齿轮（3）与其中一侧齿条分离时恰好与另一侧齿条啮合。

6.根据权利要求1或2或4或5所述的发动机，其特征在于，所述电磁铁（5）的宽度小于双直齿齿条连杆（2）上两条杆的内壁之间的距离。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述发动机的工作方法，其特征在于，包括：

在进气冲程，进气口打开，双直齿齿条连杆（2）与部分齿齿轮（3）啮合，加上自重作用使双直齿齿条连杆（2）向下运动，燃烧室吸入混合气体，电磁铁（5）通电，在线圈（4）和电磁铁（5）的相对运动下，线圈（4）中产生感应电动势；

在压缩冲程，当双直齿齿条连杆（2）从底部上升带动活塞（1）压缩燃烧室内气体时，由ECU控制汽车电瓶提供能量使线圈（4）和电磁铁（5）产生相斥的磁场，使线圈（4）由于排斥作用推动双直齿齿条连杆（2）向上运动，当双直齿齿条连杆（2）的速度与部分齿齿轮（3）的线速度相匹配时，部分齿齿轮（3）与双直齿齿条连杆（2）的齿条啮合传出动力并压缩混合气体准备点火；

在做功冲程，燃烧室气体被点燃，迅速膨胀，推动活塞（1）和双直齿齿条连杆（2）向下运动，双直齿齿条连杆（2）的齿条与部分齿齿轮（3）啮合输出动力，在双直齿齿条连杆（2）即将到达底部时，双直齿齿条连杆（2）的齿条与部分齿齿轮（3）脱离，双直齿齿条连杆（2）下方的电磁铁（5）通电，线圈（4）中产生较大感应电流，电磁阻尼作用使得线圈（4）上受到的安培力与双直齿齿条连杆（2）的速度方向相反从而减缓双直齿齿条连杆（2）的下落速度；

在排气冲程，由ECU控制汽车电瓶提供能量使线圈（4）和电磁铁（5）产生相斥的磁场，使线圈（4）由于排斥作用推动双直齿齿条连杆（2）向上运动，在双直齿齿条连杆（2）的速度与部分齿齿轮（3）的线速度相匹配时，部分齿齿轮（3）与双直齿齿条连杆（2）的齿条啮合传出动力并排出废气。

8.根据权利要求7所述的发动机的工作方法，其特征在于，在进气冲程和做功冲程，线圈（4）切割磁感线产生的电能被回收至能量回收系统。

9.根据权利要求8所述的发动机的工作方法，其特征在于，在压缩冲程和排气冲程，除了由ECU控制汽车电瓶提供能量使线圈（4）和电磁铁（5）产生相斥的磁场外，所述ECU还控制能量回收系统一并提供能量。

10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的发动机。