具共轭凸轮组的内燃机构造

摘要

本发明公开一种具共轭凸轮组的内燃机构造，其具有一活塞可通过一连杆、一滚子摇臂及二滚子来推动一凸轮轴上的一共轭凸轮组或被其拉动，所述共轭凸轮组的二凸轮的形状及排列角度可依需求改变设计，以改变进气/排气冲程的比例以及压缩/动力冲程的比例，因而有利于提升燃烧效率及提高废气排净效率。当所述凸轮轴完成一工作循环周期的四个冲程时，所述凸轮轴仅需旋转一周，故亦有利于降低所述凸轮轴的转速。

说明书

【技术领域】

本发明是有关于一种具共轭凸轮组的内燃机构造，特别是有关于一种使凸轮轴旋转一周即可完成四个冲程且能调整进气/排气冲程比例的具共轭凸轮组的内燃机构造。

【背景技术】

内燃机(engine，又称为引擎)是用以将燃油和空气混合成可燃混合气，然后进入汽缸及利用火星塞点燃混合气造成燃烧来推动活塞运动，活塞并通过连杆带动曲轴(crankshaft)，以利用曲轴驱动外部机构。内燃机常应用于汽车、机车等交通工具或发电机等各种工业用途，常见的内燃机可概分为二冲程及四冲程两种，其中现有四冲程内燃机的每一工作循环周期均历经下列四个冲程：

(1)、进气冲程：如图1A所示，在此冲程中，首先使四冲程内燃机的一进气阀门101开启，同时使一排气阀门102关闭，且所述汽缸100内的一活塞103是由一上止点U逐渐往一下止点L移动，使所述活塞103上方的容积增大，造成所述汽缸100内产生一定的真空度，以便将可燃混合气导入一汽缸100内。在所述活塞103行进至下止点L后，所述活塞103已通过一连杆104带动一曲轴箱105内的一曲轴106转动半周(也就是180度)，此时将造成所述进气阀门101关闭，而结束进气冲程。

(2)、压缩冲程：如图1B所示，在进气冲程结束后，所述进气阀门101、排气阀门102同时关闭。所述曲轴106继续旋转，使所述活塞103由下止点L往上止点U移动，造成所述活塞103上方的容积缩小，因而逐渐压缩所述汽缸100中的混合气，使其温度、压力升高。当所述曲轴106再转动半周且转动满一周(也就是360度)及所述活塞103到达上止点U时，压缩冲程结束。

(3)、动力冲程：如图1C所示，当压缩冲程即将结束时，由一火星塞107通电产生火花，以点燃混合气。由于混合气迅速爆炸燃烧造成空气膨胀，因此在极短时间内压力及温度骤升。高温、高压的燃气将推动所述活塞103迅速向下移动，并通过所述连杆104使所述曲轴106旋转而带动外部机构。在动力冲程中，所述活塞103由上止点U移至下止点L，所述曲轴106再转动半周且总共转动一周半(也就是540度)。随着所述活塞103下移，所述活塞103上方的容积增大，燃气温度、压力将逐渐降低。

(4)、排气冲程：如图1D所示，混合气燃烧后产生废气，为了进行下一个工作循环周期，废气必需及时排出至所述汽缸100外。因此，在动力冲程结束时，所述排气阀门102将会开启，顺着所述活塞103向上移动，废气便通过所述排气阀门102排出。当所述活塞103到达上止点U时，所述排气阀门102将会关闭，此时所述曲轴106再转动半周且总共转动两周(也就是720度)，因而完成一个工作循环周期。

综上所述，所述四冲程内燃机经过进气、压缩、动力及排气四个冲程，完成一个工作循环周期。在这段期间，所述活塞103在其上、下止点U、L间往复移动二回，所述曲轴106也相对的旋转两周。然而，上述现有四冲程内燃机的技术问题在于：在排气阶段中，上一循环周期完成后通常残留一部分废气于所述汽缸100内，这些废气将会影响下一循环周期在进气及动力冲程的效率。然而，若所述活塞103在进气、压缩、动力及排气四个冲程中的位移距离皆维持相同，则进气量及排气量的比例将无法被调整，因而使得上述残留废气问题无法获得解决。再者，由于所述曲轴106在进气及压缩冲程时必需旋转一周，但此时所述曲轴106并无法输出有效动力来驱动外部机构，即所述曲轴106只有在动力及排气冲程才能输出有效动力。结果，由于所述曲轴106在旋转第一周及第二周时具有加速不连续的情况，且会使所述曲轴106的转速过快，因而容易造成外部机构零件受力突增、大幅增加零件磨耗及降低零件使用寿命的问题，且不适用于高速运转场合。为了解决此问题，必需并排设置二组或以上的四冲程内燃机组，来以相互弥补其动力输出的空窗期来增大动力输出，但此设置方式却也将增大内燃机的整个体积，而不利于降低内燃机的占用空间。

故，有必要提供一种四冲程内燃机构造，以解决现有技术所存在的问题。

【发明内容】

本发明的主要目的在于提供一种具共轭凸轮组的内燃机构造，其活塞通过连杆、滚子摇臂及二滚子来推动凸轮轴上的共轭凸轮组或被其拉动，共轭凸轮组的二凸轮形状及排列角度可依需求进行更换，以改变进气/排气冲程的比例以及压缩/动力冲程的比例，进而有利于提升燃烧效率、提高废气排净效率及增加动力输出马力。

本发明的次要目的在于提供一种具共轭凸轮组的内燃机构造，其活塞通过连杆、滚子摇臂及二滚子来推动凸轮轴上的共轭凸轮组或被其拉动，当完成一工作循环周期的四个冲程时，凸轮轴仅需旋转一周(即360度)，进而有利于降低凸轮轴转速变动范围、降低凸轮轴工作负载、减少零件磨损及缩减内燃机体积。

为达成本发明的前述目的，本发明提供一种具共轭凸轮组的内燃机构造，其特征在于：所述具共轭凸轮组的内燃机构造包含：一活塞，容置在一汽缸内，并可相对所述汽缸的轴向进行往复直线运动；一连杆，具有一第一端及一第二端，所述第一端枢接于所述活塞，使所述连杆与所述活塞同步移动；一滚子摇臂，具有一动力来源端、一第一滚子接点、一第二滚子接点及一支点，其中所述连杆的第二端枢接于所述动力来源端，以驱动所述第一及第二滚子接点相对所述支点转动；一推力滚子，枢接于所述滚子摇臂的第一滚子接点；一拉力滚子，枢接于所述滚子摇臂的第二滚子接点；以及，一共轭凸轮组(conjugate cam assembly)，固定于一凸轮轴(camshaft，power shaft orcrankshaft)上，并具有相互结合的一推力凸轮及一拉力凸轮，其中所述推力凸轮及拉力凸轮具有不同的非正圆凸轮外廓，所述推力凸轮的外廓与所述推力滚子相接触，及所述拉力凸轮的外廓与所述拉力滚子相接触。

在本发明的一实施例中，所述共轭凸轮组及凸轮轴转动一周等于所述活塞的动力、排气、进气及压缩四个冲程。

在本发明的一实施例中，所述进气/排气冲程的比例等于所述推力凸轮及拉力凸轮对应所述进气/排气冲程的外廓形状的比例。

在本发明的一实施例中，所述压缩/动力冲程的比例等于所述推力凸轮及拉力凸轮对应所述压缩/动力冲程的外廓形状的比例。

在本发明的一实施例中，所述活塞的动力、排气、进气及压缩四个冲程依序对应于所述汽缸内的一第一高点、一第一低点、一第二高点、一第二低点及所述第一高点所定义的四个位移量区间，其中所述第一高点高于或等于所述第二高点，所述第一低点低于或等于所述第二低点。

在本发明的一实施例中，所述进气/排气冲程的比例等于所述活塞在所述第二高点至第二低点的位移量与所述第一低点至第二高点的位移量的比例。

在本发明的一实施例中，所述压缩/动力冲程的比例等于所述活塞在所述第二低点至第一高点的位移量与所述第一高点至第一低点的位移量的比例。

在本发明的一实施例中，所述滚子摇臂的支点利用一枢接元件枢接于一凸轮轴箱的内壁的一固定基座上。

在本发明的一实施例中，所述滚子摇臂的支点枢接于一固定杆上。

在本发明的一实施例中，所述动力来源端及支点的连线与所述第一滚子接点及支点的连线之间夹有一夹角小于90度。

在本发明的一实施例中，所述动力来源端及支点的连线与所述第二滚子接点及支点的连线之间夹有一夹角大于90度。

在本发明的一实施例中，所述推力滚子的尺寸大于所述拉力滚子的尺寸，且所述推力凸轮的尺寸大于所述拉力凸轮的尺寸。

在本发明的一实施例中，所述推力凸轮的长度方向与所述拉力凸轮的长度方向之间夹有一夹角小于90度。

在本发明的一实施例中，所述拉力凸轮的外廓大致位于所述推力凸轮的外廓的范围内。

在本发明的一实施例中，所述拉力凸轮的外廓的一部分突出至所述推力凸轮的外廓的范围外。

【附图说明】

图1A、1B、1C及1D是现有四冲程内燃机构造的进气、压缩、动力及排气四个冲程的示意图。

图2是本发明第一实施例具共轭凸轮组的内燃机构造的组合示意图。

图3是本发明第一实施例具共轭凸轮组的内燃机构造的简要示意图。

图4是本发明第一实施例具共轭凸轮组的内燃机构造的动力、排气、进气及压缩四个冲程的示意图以及凸轮轴角度与活塞运动位置的曲线图。

图5A及5B是本发明第二实施例具共轭凸轮组的内燃机构造的简要示意图以及凸轮轴角度与活塞运动位置的曲线图。

图6是本发明第三实施例具共轭凸轮组的内燃机构造的分解示意图。

【具体实施方式】

为让本发明上述目的、特征及优点更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

请参照图2及3所示，本发明第一实施例的具共轭凸轮组的内燃机构造是属于一种四冲程内燃机，其主要应用于汽车、机车等交通工具或发电机等各种工业用途，但并不限于此。本发明的内燃机构造主要是包含：一活塞1、一汽缸2、一连杆3、一滚子摇臂4、一推力滚子5、一拉力滚子6、一共轭凸轮组7及一凸轮轴8，上述构件基本上皆是由金属、合金或陶瓷所制成，例如铝、铝合金、不锈钢或氧化铝陶瓷材料等，但并不限于此。本发明于下文提及的上、下、左、右、内、外、纵向、横向等方位用语是以图面所示内燃机构造的方位为参考基准，上述方位用语其仅是用来辅助说明相关构件的组装关系，并非用来限制本发明，于此合先叙明。

请参照图2及3所示，本发明第一实施例的活塞1、汽缸2及连杆3是属于现有内燃机的构造，其中所述活塞1是一金属圆柱状体，所述汽缸2是一中空金属壳，及所述连杆3是一长条状金属杆体。所述活塞1是容置在所述汽缸2内，并可相对所述汽缸2的轴向(即纵向)进行往复纵向直线运动。所述连杆3具有一第一端31及一第二端32，所述第一端31伸入所述汽缸2内并利用销或栓枢接于所述活塞1，使所述连杆3能与所述活塞1同步进行往复纵向移动，其中所述连杆3的第二端32可相对所述第一端31小角度的进行枢转。

请再参照图2及3所示，本发明第一实施例的滚子摇臂4是一类似闪电形状或N形的多段弯折金属板体，但并不限于此形状，其亦可能是菱形、平行四边形或三叉状的金属板体。所述滚子摇臂4具有一动力来源端41、一第一滚子接点42、一第二滚子接点43及一支点44，其分别位于所述滚子摇臂4的四个角隅位置。如图3的简要示意图所示，所述动力来源端41及支点44的假想连线与所述第一滚子接点42及支点44的假想连线之间夹有一夹角小于90度，同时所述动力来源端41及支点44的假想连线与所述第二滚子接点43及支点44的假想连线之间夹有另一夹角大于90度。再者，所述支点44利用一枢接元件40(例如销或栓)枢接于一凸轮轴箱9的内壁的一固定基座91上。所述连杆3的第二端32是利用销或栓枢接于所述动力来源端41，所述连杆3可通过所述动力来源端41传递动力驱动所述第一及第二滚子接点42、43相对所述支点44同时顺时针或逆时针转动。另外，所述推力滚子5及拉力滚子6是二短圆柱或短圆桶状体，所述推力滚子5是利用销或栓枢接于所述滚子摇臂4的第一滚子接点42；同时，所述拉力滚子6利用销或栓枢接于所述滚子摇臂4的第二滚子接点43，且所述推力滚子5的尺寸优选设计成大于所述拉力滚子6的尺寸。

请再参照图2及3所示，本发明第一实施例的共轭凸轮组7是固定结合于所述凸轮轴8上，并能带动所述凸轮轴8同步转动。所述共轭凸轮组7具有一推力凸轮71及一拉力凸轮72，其中所述推力凸轮71及拉力凸轮72利用至少二固定元件73彼此固定结合成一体，所述固定元件73可选自定位螺絲，但亦可能直接利用焊接结合所述推力凸轮71及拉力凸轮72而省略使用所述固定元件73。所述推力凸轮71及拉力凸轮72具有彼此不同的非正圆凸轮外廓(即外周面)，且所述推力凸轮71的尺寸优选设计成大于所述拉力凸轮72的尺寸，以对应于所述推力滚子5及拉力滚子6的相对尺寸。另外，如图3的虚线所示，所述推力凸轮71的最大长度方向与所述拉力凸轮72的最大长度方向之间优选夹有一夹角小于90度，且所述拉力凸轮72的外廓大致上位于所述推力凸轮71的外廓的范围内，上述所指位于范围内的定义亦包含二者的外廓互为相切的接触情况。在本发明中，通过将所述滚子摇臂4冲压成非平面状，或通过使所述推力滚子5的柱体直径大于所述拉力滚子6的柱体直径，可以顺利使所述推力滚子5及拉力滚子6分别以线段接触所述推力凸轮71及拉力凸轮72的外廓。再者，所述推力滚子5及动力来源端41之间的距离优选设计成小于所述拉力滚子6及动力来源端41之间的距离，如此可使所述推力凸轮71的外廓与所述推力滚子5能相接触并在动力、排气及压缩冲程期间可相互推动，同时使所述拉力凸轮72的外廓与所述拉力滚子6能相接触并在进气冲程期间可受所述拉力滚子6拉动。

请再参照图3及4所示，本发明第一实施例的共轭凸轮组7及凸轮轴8转动一周(360度)等于所述活塞1能完成进气、压缩、动力及排气四个冲程，其中如图4的实曲线及虚曲线所示，所述活塞1的动力、排气、进气及压缩四个冲程依序对应于所述汽缸2内的一第一高点U₁、一第一低点L₁、一第二高点U₂、一第二低点L₂及所述第一高点U₁所定义出的四个位移量区间，其中所述第一高点U₁可设计成高于或等于所述第二高点U₂，同时所述第一低点L₁则可选择设计成低于或等于所述第二低点L₂，本实施例中为所述第一高点U₁高于所述第二高点U₂。再者，所述进气/排气冲程的比例等于所述推力凸轮71(及拉力凸轮72)对应所述进气/排气冲程的外廓形状的比例，亦即所述活塞1在所述第二高点U₂至第二低点L₂的位移量与所述第一低点L₁至第二高点U₂的位移量的比例。再者，所述压缩/动力冲程的比例等于所述推力凸轮71(及拉力凸轮72)对应所述压缩/动力冲程的外廓形状的比例，亦即所述活塞1在所述第二低点L₂至第一高点U₁的位移量与所述第一高点U₁至第一低点L₁的位移量的比例。通过所述推力凸轮71(及拉力凸轮72)对应四个冲程的外廓的形状及冲程长度设计，将可控制所述活塞1向上或向下移动的位移量大小。上述推力凸轮71及拉力凸轮72的外廓形状及排列角度皆可依内燃机使用需求加以改变设计，以调整四个冲程之间的位移量比例，因此本发明并不加以限制其外廓形状及排列角度。

更详细来说，如图4所示，当本发明第一实施例具共轭凸轮组的内燃机构造运转时，在所述活塞1进行动力冲程期间，所述汽缸2内的可燃混合气受火星塞(未绘示)点火引发燃烧爆炸，造成所述汽缸2内的空气膨胀，使所述活塞1是由所述汽缸2内的一第一高点U₁往一第一低点L₁移动，并产生向下动力通过所述连杆3推动所述滚子摇臂4，所述滚子摇臂4再通过所述推力滚子5推动所述共轭凸轮组7的推力凸轮71，所述推力滚子5可将推力转换成所述共轭凸轮组7的旋转转矩，造成所述共轭凸轮组7带动所述凸轮轴8同步顺时针转动，如此所述凸轮轴8即可用以驱动外部机构(未绘示)，例如引擎的V型皮带变速器或扭力转换器等。上述动力冲程原理可参照图1C所示，且在上述动力传递过程中，所述共轭凸轮组7在转速下具有转动惯量，故可避免停滞在死点位置(即第一高点U₁或第一低点L₁)。依内燃机使用需求，所述共轭凸轮组7亦可能设计成带动所述凸轮轴8选择同步顺时针或逆时针转动。

再者，如图4所示，在所述活塞1进行排气冲程期间，所述共轭凸轮组7的推力凸轮71因转动惯量而推动所述推力滚子5，并带动所述滚子摇臂4，再通过所述连杆3带动所述活塞1由所述汽缸2内的第一低点L₁往一第二高点U₂向上移动，以将所述汽缸2内的废气排出。所述第二高点U₂设计成低于或等于所述第一高点U₁，以便使排气冲程明显长于后续进气冲程，而有利于提高废气排净效率。上述排气冲程原理可参照图1D所示。

接着，如图4所示，在所述活塞1进行进气冲程期间，所述共轭凸轮组7的拉力凸轮72因转动惯量而推动所述拉力滚子6，并带动所述滚子摇臂4，再通过所述连杆3带动所述活塞1由所述汽缸2内的第二高点U₂往一第二低点L₂向下移动，以增加所述汽缸2内的容积，而引入可燃混合气。所述第二低点L₂是可依实际内燃机需求来设计成高于或等于所述第一低点L₁，以便在确保有引入足够混合气的前题下，缩减进气冲程的长度。上述进气冲程原理可参照图1A所示。

随后，如图4所示，在所述活塞1进行压缩冲程期间，所述共轭凸轮组7的推力凸轮71因转动惯量而推动所述推力滚子5，并带动所述滚子摇臂4，再通过所述连杆3带动所述活塞1由所述汽缸2内的第二低点L₂往第一高点U₁向上移动，以压缩所述汽缸2内的混合气，以便准备进行后续动力冲程的燃烧爆炸动作。上述排气冲程原理可参照图1B所示。所述活塞1及所述共轭凸轮组7可再次往复循环上述四个冲程，而达到使内燃机持续运转的目的。

当所述活塞1完成进气、压缩、动力及排气四个冲程，所述共轭凸轮组7及凸轮轴8仅转动一周(即360度)，因此有利于降低所述凸轮轴8在每一工作循环周期所需转动的圈数，以减少所述凸轮轴8转速范围，并可降低所述凸轮轴8工作负载。再者，由于所述凸轮轴8旋转时不会具有加速度不连续的情况，因此不容易造成外部机构零件受力突增，故可大幅降低零件磨耗及提高零件使用寿命，且适用于高速运转场合。同时，本发明的四冲程内燃机也可单独使用，不需并排设置二组或以上的四冲程内燃机，故亦有利于缩减内燃机体积。另外，当改变所述推力凸轮71及拉力凸轮72的外廓形状及初始排列角度时，即可调整所述第一高点U₁、第二高点U₂、第一低点L₁、第二低点L₂的位置比例及对应调整所述凸轮轴8于各旋转角度下的所述活塞1运动位置，也就是改变所述进气/排气冲程的比例及所述压缩/动力冲程的比例，以及对应改变所述凸轮轴8于各旋转角度下的所述活塞1上方容积(如图4的原始曲线与变更后曲线所示)。通过提高所述活塞1在所述汽缸2内的动力/排气冲程的位移量，使其相对大于进气/压缩冲程的位移量，以及增加所述活塞1于所述第二低点L₂时所对应的所述凸轮轴8旋转角度(即在进气至压缩阶段对应所述凸轮轴8的角度范围变宽)，如此将可提升燃烧效率、提高废气排净效率及增加动力输出马力。

请参照图5A及5B所示，本发明第二实施例的具共轭凸轮组的内燃机构造是相似于本发明第一实施例并沿用相同图号，但两者间差异的特征在于：所述第一实施例的拉力凸轮6的外廓大致位于所述推力凸轮5的外廓的范围内，或仅些微突出至所述推力凸轮5的外廓的范围外；而所述第二实施例的拉力凸轮6的外廓的一部分(例如二端或一端)则明显突出至所述推力凸轮5的外廓的范围外，同时所述推力凸轮71及拉力凸轮72的外廓形状可以调整，且所述推力凸轮71的长度方向与所述拉力凸轮72的长度方向之间的夹角亦可选择变大或变小，如此即可改变所述第一高点U₁、第二高点U₂、第一低点L₁、第二低点L₂的位置比例，也就是改变所述进气/排气冲程的比例及所述压缩/动力冲程的比例。例如，调整后，使所述第一低点L₁的位置等于所述第二低点L₂的位置，以适度增加所述活塞1在进气冲程的位移量，进而适度增加所述汽缸2内可引入可燃混合气的容积。

请参照图6所示，本发明第三实施例的具共轭凸轮组的内燃机构造是相似于本发明第一实施例并沿用相同图号，但两者间差异的特征在于：所述第一实施例的滚子摇臂4的支点44利用所述枢接元件40(例如销或栓)枢接于所述凸轮轴箱9的内壁的固定基座91上，此时所述内燃机构造可以单组独立设置。然而，所述第三实施例的滚子摇臂4的支点44则是枢接于一固定杆40’上，此时所述内燃机构造可以多组并排设置，也就是由同一固定杆40’及同一凸轮轴8来分别串接多组内燃机构造的滚子摇臂4及共轭凸轮组7。藉此，将可提高所述凸轮轴8的动力输出马力总量。

如上所述，相较于现有四冲程内燃机的所述活塞103在四个冲程中的位移距离皆为相同及所述曲轴106也需旋转两周才能完成四个冲程，因而导致无法调整冲程比例及残留废气等缺点，图2至6的本发明的活塞1通过所述连杆3、滚子摇臂4及二滚子5、6来推动所述凸轮轴8上的共轭凸轮组7或被其拉动，且所述共轭凸轮组7的二凸轮71、72形状及排列角度可依需求改变设计进行更换，以改变进气/排气冲程的比例以及压缩/动力冲程的比例，因此确实有利于提升燃烧效率、提高废气排净效率及增加动力输出马力。再者，当完成一工作循环周期的四个冲程时，所述凸轮轴8仅需旋转一周(即360度)，因此亦有利于减少所述凸轮轴8转速的变动范围、降低所述凸轮轴8工作负载、减少零件磨损及缩减内燃机体积。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反地，包含于权利要求书的精神及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。