名称：内燃机同心圆气门组配气机构及气缸盖总成
专利号：202322000221.6
专利权人：王刚
技术领域
本实用新型涉及内燃发动机技术领域，具体涉及一种四冲程发动机新型配气机构总成及具有该配气机构的发动机设备和相关车辆载体。
背景技术
四冲程发动机运行工作过程中，配气机构的整体工效直接影响到发动机的动力性、经济性、可靠性等综合性能。发动机配气机构零部件安装在缸盖上，包括气门、凸轮轴、气门挺柱/摇臂、气门弹簧、气门导管等组件。进气、排气过程连续顺畅是内燃机实现准确、高效、稳定工作的前提和基础。传统发动机配气机构均为凸轮轴直接或间接驱动气门挺柱或摇臂压缩释放气门弹簧，同步带动气门直线往复开闭完成气缸进排气工作。无论凸轮轴直接/间接驱动气门，都只做到了单向开启气门，气门关闭功能需借助气门弹簧压缩后舒张释放的反作用力而得以回位落座密封，这其中包含了大量摩擦副传动机构及运动损耗。
现行的发动机配气机构，从燃烧室上的进排气门组布置排列方式来看，以典型单缸四气门DOHC二进二出布局为例，为了尽可能增加进排气流量面积，就要加大气门头部直径，唯一适行的办法就是把进排气门倾斜对称布置。倾斜布置气门之后也使燃烧室由热效率最高的半球形衍变成了屋脊三角形，这就是所谓蓬屋顶形燃烧室。这类设计即使采取较小气门夹角的浅蓬形燃烧室，为了提高气门尺寸增加进排气总流量，在非常有限的燃烧室表面积上，尽管多气门布置有优势，但是仍不可避免地增加了燃烧室内外轮廓的凸凹表面形状，这些不规则不平整的燃烧室内外轮廓形状使火花塞点火到燃烧室内各位置的火焰传播距离不均，不利于混合气同步燃烧，影响了缸内点火后火焰的顺利传播与热功效率，且在高压缩比配置下容易产生边际死角区并引起爆震现象。此外仅根据平面几何原理,多气门分布受排列形式及位置的影响，仍然不可避免地存在过多浪费了非常有限的燃烧室表面积,利用转换效率低的问题。
同时，由于蓬屋顶形燃烧室上四个进排气门布置相邻很近，在进排气过程中，燃烧室上的气门座总开口流通面积内会有一些无效的气动抵消死区。单缸四气门发动机上，同侧相邻的两个进/排气门，其临近区域同时开启的气流场效应也会发生相互“对冲”干涉，特别是进气环节。这些结构都造成气门喉口及燃烧室内外的进/排气的流速流量易于紊乱，导致气缸充换气效率下降与不足。
再从进排气门由凸轮轴、气门弹簧等组件的气门开闭驱动模式看：
现有技术中，发动机曲轴与凸轮轴之间采用齿带相连传动，使凸轮轴的旋转与曲轴正时同步；再由凸轮轴和挺柱，摇臂等驱动组件配合，通过偏置凸轮的轮廓线转动偏心距位移来压缩气门弹簧并推动气门，使气门下移而实现气门打开。这样的传动设置导致发动机的配气组件结构非常复杂，而且为了保证气门及时回位关闭，防止气门与喉口，气门座接合不严密而漏气，必须事先用较大的弹簧预紧力使气门头部与气门座圈相互紧密接触；这就必然导致凸轮轴驱动气门打开过程中需要耗费很多的转矩以继续压缩弹簧收紧并进而推动气门开启。
传统气门弹簧设置预紧力普遍较大，这样与之配合使用的凸轮/气门挺柱/摇臂等驱动部件就会同样尺寸较大且偏重，从而使整个配气系统组件的重量偏高。部件质量的转动惯量越大，所产生的摩擦阻力就越大，这些摩擦功及响应性迟滞都会导致配气相位出现偏差，影响发动机性能，对发动机功效及油耗有很大影响。在多气门多缸发动机中，各缸气门顺序开启和闭合而压缩气门弹簧驱动气门高速直线往复运动消耗的曲轴机械能是相当可观的，总体而言会消耗曲轴输出功率的10％左右。配气机构较多的零部件产生较大摩擦,振动与动力消耗，减小了发动机输出功率且增加油耗。气门开闭过程中弹簧动力响应性随发动机工况,振动频率,机构惯性力不同也难以准确进行调节，灵敏度较低。
配气机构作为内燃机重要的振动噪声源之一，其工作性能好坏直接影响内燃机的稳定性、可靠性及其寿命。配气机构传动件摩擦副传动之间必须预留存一定的气门间隙，在气门开闭过程中，各传动件的接触处会产生刚性冲击，冲击负荷一方面会使刚性部件受激荡产生振动，另一方面也直接产生撞击噪声；气门落座关闭时气门敲击气门座，产生落座冲击噪声，这些都是配气机构振动与噪声产生的原因，乃至对缸盖，整机正常运转使用都产生了潜在的抗共振，抗疲劳性影响。
高功效低能耗和节能减排是发动机技术领域重要的发展方向之一；零部件轻量化及系统简洁优化设计是实现节能减排的一个重要途径。但是，传统内燃机配气机构组成零部件多，构型复杂导致了发动机整体重量体积增加，不利于实现整机轻量化简约化的需求。
传统的配气系统驱动气门开闭实现进气、排气的机构过程，无论从燃烧室气门布局排列方式上，还是从开闭传动驱动结构上，都仍存在较多不足之处可以继续深化改进以持续挖掘内燃机潜力。基于以上原因，如果能够精简内燃机配气机构组件，降低振动与运动组件间的摩擦损耗，同时有效增加气门进排气流量，则能够改善发动机性能，大幅提升发动机功率密度，最大输出功率及减少能耗。
综上所述,通过重点改进内燃机配气机构进而提高发动机的进排气循环气动效率是改善车辆经济性与动力性的有效、基本途径。对于发动机如何实现高效、可靠、平稳的进排气流通过程，节能减排、环境友好并升级换代是本领域科技人员亟待解决的问题与任务。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有发动机多气门配气机构中燃烧室及气门组造型排列分布的缺陷，且气门开闭驱动所产生和带来的零部件多、结构复杂、进排气面积小效率低、发动机额外能量消耗高乃至浪费的系列结构性问题，在保持动力系统中大部分零部件不变且通用的前提下，提出的一种能够改进完善燃烧室形状、大幅增加气门进排气流量、功耗低、结构简单的四冲程内燃机配气机构、气缸盖及发动机。
本实用新型提供的一个技术方案，一种内燃机同心圆气门组配气机构，包括发动机燃烧室、设置在燃烧室上的进排气门及控制气门开闭的驱动组件；所述燃烧室为平顶圆锥体基本等值轮廓形线，所述进排气门位于圆锥体平顶面呈气门夹角为0°的内外同心圆式垂直分布；进排气门开闭驱动能够兼容SOHC单顶置凸轮轴直驱形式，或者为无凸轮轴的齿轮齿条啮合直接驱动气门方式。
本实用新型提供的另一个技术方案，燃烧室上的1+1平面同心圆进排气门可以兼容适配单顶置凸轮轴模组驱动，并简化取消了摇臂/轴。最大限度地保持动力系统大部分零部件通用与延续性，在大幅提高进排气效率的同时仍显著简化了传统配气机构并降低了运行功耗。
本实用新型内燃机配气机构，其中所述燃烧室的内部空间为对称的扁平空心圆锥台结构，燃烧室的顶面为环形网格状的格栅梁架，顶面的格栅梁架对应环状同心圆进排气门形成进排气道。
本实用新型内燃机配气机构，其中所述进排气门呈平面同心圆内外嵌套工装布局，内圆排气门与外周环状进气门的上方分别设置有内圆排气道与外环进气道，排气道从外环进气道腔室顶部预设的凹槽中延伸导出连通外部排气歧管；进排气门杆的端部连接固定有啮合驱动齿条，齿条为普通型齿条或销轴型齿条。
本实用新型内燃机配气机构，其中同心圆进排气门组开闭兼容单顶置凸轮轴形式并同时简化取消了摇臂而由凸轮直驱气门挺柱。
本实用新型四冲程内燃机配气机构，其中火花塞为对称双火花塞布局，安装在燃烧室外壁面上；火花塞点火类型为采用激光、预燃室喷射、电晕电火花放电或等离子体点火中的一种。
本实用新型内燃机配气机构，发展创新为齿轮齿条啮合直接驱动气门方式，由发动机曲轴带动正时齿轮，正时齿轮传动至进排气门两侧对称布置的开闭齿轮轴；开闭齿轮轴上的气门开启与气门关闭驱动齿轮分别按1/2rpm曲轴转速及涵盖45°齿轮啮合相位与发动机曲轴转角对应；驱动齿轮啮合传动气门杆上连接固定的齿条进行配气相位周期性直线往复运动。
本实用新型四冲程内燃机配气机构，其中所述驱动齿轮上设置有与齿条啮合的扇形键齿，还设置有柔性弹簧膜片，弹簧膜片能够在气门齿条处于停顿静止状态时以超越啮合传动。
本实用新型内燃机配气机构，其中所述驱动齿轮的弹簧膜片为钢丝刷头刷辊，钢丝刷头刷辊按曲轴相位啮合驱动销轴齿条。
本实用新型内燃机配气机构，其中所述进排气门上设置有电液伺服驱动可变气门升程装置；电液伺服驱动可变气门升程装置包括在进排气道腔室的顶面设置安装的液压缸和液压管路，液压缸的活塞杆上连接有气门行程限位基座，进排气门杆从活塞杆的中心部穿过，液压缸活塞杆的中空孔径直接作为气门导管。
本实用新型提供的另一个技术方案，一种无凸轮轴，气门弹簧驱动型的内燃机气缸盖总成，包括上述的内燃机同心圆气门组配气机构。
本实用新型提供的另一个技术方案，一种发动机，包括上述的内燃机同心圆气门组配气机构。
本实用新型目的是针对现有发动机多气门配气机构中燃烧室造型及因气门排列分布，气门驱动所产生带来的零部件多结构复杂，进排气面积小效率低，发动机能耗高的结构性问题；革新实用新型一种新型配气机构总成；采用平面同心圆进排气门创新型布局，且同心圆气门组兼容匹配简化了摇臂的SOHC系统；进而创新采用无凸轮轴无气门弹簧的齿轮齿条啮合直接驱动负责进排气门正时配气开闭予以替代升级。
本实用新型旨在着眼并基于现有内燃机主体结构，保持动力系统大部分零部件不变且通用的前提下，改进完善燃烧室形状，采用了新型进排气门同心圆式包络线方案；除兼容单顶置凸轮轴结构外，彻底革新配气机构，将气门开闭驱动的凸轮轴，挺柱/摇臂及气门弹簧组件予以完全取消替代。形成一个简练紧凑，全新的气门开阖驱动循环系统。
第一，燃烧室方面:针对四行程汽/柴油发动机的核心部位燃烧室形状进行完善创新，提供一种面容比小，燃烧效率高，均匀规整，具有更好的等值轮廓边缘效应的内燃机气缸燃烧室。将燃烧室轮廓部分修改为平顶圆锥体/漏斗状半球体等效形线；同时圆形平顶燃烧室也为后续新型气门组的布局安装提供了基础。
第二，气门组的构型与布置方面：在燃烧室平顶表面排列布置重新设计的，呈同心圆内外环形嵌套式安装的两个进排气门；该气门组件结构将气缸顶部燃烧室的平顶表面整体作为气动开口采样基准，沿圆心同轴垂直设置了一个外环进气门与一个内圆排气门(气门夹角为0°)，分别开闭完成气缸进排气过程。
第三，气门开闭传动驱动结构方面：在兼容SOHC单顶置凸轮轴技术并改进优化的基础上，创新设计了由两根齿轮轴组成的气门开闭驱动齿轮组；通过气门两侧对称布置的两根齿轮轴及驱动齿轮，分别直接啮合驱动安装在进排气门杆上的销轴型齿条来顺序完成进排气门的开启与闭合循环。齿轮轴上沿曲轴平行方向依次分布有对应于各缸上面进排气门的动力齿轮。同时啮合齿轮的齿廓采用了差异化轮齿传动及弹性超越离合设计的多功能配置。
在第一方面,本实用新型内燃机同心圆气门组配气机构首先将气缸顶部的燃烧室部分修改完善为正圆锥体平顶形线轮廓；平顶圆锥体轮廓已经具备了半球形燃烧室理想造型的所有基本特征。进一步地，可以结合外环进气门的具体厚度在其底面加工出一定深度的圆环凹槽，从而在圆锥体燃烧室平顶面的外径外周推导塑造出具有凸起拱脊的拱梁造型，该轮廓造型有利于燃气冲压理论实践。扁平圆锥体的燃烧室外环拱脊形面，可以使燃烧室内混合气流动产生良好的气旋涡流，使燃料和空气充分地混合，达到点火后热功效率接近于最高。
同时，进气门背部内凹环槽在燃烧室顶面外周形成的凸起拱型提高了结构强度，有利于梁架整体轻量化且加速气动流通。进排气门关闭密封后，使得燃烧室内形成了外缘环拱与中心区平顶面的盆地形轮廓；点火后燃烧室内火焰向各方面无死角扩展传播速度均匀，燃气在涡旋基础上产生进一步的滚流性燃烧扰动。燃气点火速度快且有效抑制爆震现象产生；完全能够适用于更高压缩比大功率内燃机设计。
在第二方面，进排气门组本体构型与排列设计为在燃烧室的平顶表面，沿缸体轴心分别设置同心圆式外周圆环状进气门与内圆排气门。进排气门与同样呈同心圆分布的套装组合式外环进气道，内圆排气道沿中心排气门座内外对应。燃烧室的上顶面呈开放式平面格栅梁架构造，顶面网格状镂空梁架的中心孔即排气门孔座。排气门座连通中心排气道。顶面箱梁式圆环镂空梁架开放结构，由六至八根径向纵梁均匀分布连接燃烧室顶面外周与排气门座，中心排气门座与燃烧室外径之间纵梁格栅的中空部分即构成了环形进气口通道。
排气门座底面上，设有五至六个圆形分布的内锥度安装孔，将一个横截面为倒梯形的圆环座固定，此双锥面圆环座即为气门座圈；在燃烧室内部从排气门座底面沿圆周安装孔位置，将圆环座上表面的五至六个锥形柱塞/柱销相互以过盈配合方式穿插压装入排气门座的锥形孔内而联接定位。此圆环座梯形锥面内侧内径与排气门盘面周缘嵌合，形成排气门座密封。其外侧锥面与进气门盘面的内侧翼内圆面嵌合，形成进气门座与进气道内环壁面密封；环状进气门盘面的外周外圆环面另外与单独安装于燃烧室顶面外廓的气门座圈嵌合，共同形成进气道/腔室的密封。如此在发动机四冲程工作循环中，外周环状进气门与内圆排气门在燃烧室顶面格栅环架的气门座圈内外径圆周面上可以平行同步嵌合以形成落座密封而完整关闭进排气道环状口径，形成燃烧室顶面在同一平面内的完整燃烧室密封状态。
燃烧室顶面上，沿排气门座梁架与顶面外周外径继续布置内外套筒，内外套管间隔形成了内孔排气道与外环进气道；且外环进气道为环形腔室密封构造；排气道套筒的外环面同样可以安装湿式缸套以形成燃烧室水冷循环通道。该水冷缸套的外周壁面又可以形成对应于外环进气门，进气道的内径环型壁面。水冷缸套的存在具有多重功效：既可以通过燃烧室顶面梁架对进排气门进行有效的降温散热，同时还能有效缓解进排气门关闭，复位落座时对燃烧室顶面的冲击力；对改善配气机构工作及促进整机稳定运行都有着良好助益。
燃烧室顶面格栅梁架的环形进气口上层，即环型进气道部分。进气道扩展为沿环形进气格栅梁架而安装形成的进气正压蓄能室；该腔室对进气冲程起到了辅助增压,充足蓄能且加速进气流动的促进作用。
燃烧室顶面的中心排气道与排气门孔座直接相连，排气道与外环进气正压蓄能室等高且沿进气道腔室上表面的定向凹型槽延伸出缸体外围并进而与排气歧管相连接。
气门组件中的环状进气门头部主体上安装连接有三根气门支杆，或者说是三根进气门杆，三根进气门杆在环状进气门头部呈120°等间隔同心圆轨迹分布。三根进气门杆各自垂直穿过燃烧室顶面格栅环架及上方进气正压蓄能室顶面安装的气门导管，其各自气门杆端部进而与一个圆环型共轨保持架一体化集成相连，形成气门支杆联动状态。
圆环形的气门支杆集成环架/保持架在汇总连接且联动三根进气门杆的同时,另外单独与两个呈180°对称布置的气门齿条的框架垂直联接。两个进气门驱动齿条与在内圆排气门杆上安装的排气门驱动齿条呈三点一线布局且与曲轴平行排列。进排气门杆上安装的齿条首选为销轴型，与两侧对应的驱动齿轮轴上的开闭驱动齿轮双向配位工装啮合。集成环架亦可连接气门挺柱与单顶置凸轮轴相互配位开闭气门。
排气门杆经排气道顶面固定安装的气门导管中心孔穿过后，其气门杆端部与气门驱动齿条的框架固定连接安装，连接方式与进气门杆与集成环架之间连接安装方式相同，可以使用一个或多个紧固件固定至齿条的框架/壳体，紧固件例如螺钉、夹具、摩擦接片配合件、卡扣配合件等。采用螺纹丝扣紧固方式连接，便于拆装及调配。排气门杆上的齿条首选销轴型，与两侧齿轮轴上的气门开闭驱动齿轮分别啮合传动。排气门杆端部亦可连接气门挺柱与单顶置凸轮轴机构配位。
在第三方面，本实用新型因为同心圆进排气门组形状布局的优化气动优势，兼容采用SOHC单顶置凸轮轴模组已经大幅简化了传统配气机构并减少了零部件，降低了功耗。进一步地可取消重量大耗能高的凸轮轴、挺柱/摇臂及气门弹簧等驱动组件，采用全新发动机气门主动驱动系统。通过齿轮齿条传动，保持整机基本结构前提下，传动路径：曲轴→传动链带→正时齿轮→气门开启/关闭齿轮轴→啮合驱动齿轮→气门齿条开启端/气门齿条关闭端→气门，以顺序完成气门往复循环开闭动作。
在气门开闭系统的齿轮啮合驱动方面，采用曲轴带动气门开启与关闭正时齿轮进行2:1减速驱动，再由正时齿轮带动气门开闭齿轮轴及动力齿轮与进/排气门杆上安装的齿条进行正时啮合；如此输出所需要的转动角度、扭矩及相应的气门开闭相位、升程变化；控制进/排气门具有正反向直线往复运动的开闭功能，完成进排气管道的开启和闭合。气门开闭驱动齿轮轴以1/2曲轴转速且各自旋转一圈360°，气门完成开闭循环一次，刚好对应于气缸完成一个四冲程工作周期，此时曲轴转了两圈720°，从而实现气缸工作进排气的同步配气相位顺序循环。
进一步地，对气门开闭驱动齿轮做出创新型设计，气门开启与气门关闭驱动齿轮在各自齿廓上分布有对应于气门齿条的扇形齿，扇形齿为固定轮齿且与齿条销轴进行啮合传动。标准齿形啮合传动的根本目的在于使齿条即气门杆,气门整体获得最大加速度。有效保证保持初始加速度下的稳定运动状态。齿轮啮合动力充足，气门直线加速性好。
气门开启与气门关闭驱动齿轮都具有扇形齿轮间歇性啮合驱动的时效性运动特征。在气门开启驱动齿轮的齿廓上布置了45°角弧度范围的键齿与齿条啮合驱动以准确对应气门开启的曲轴转角相位。同理，在气门关闭驱动齿轮的齿廓上同样布置了45°角弧度范围的轮齿以完成气门关闭周期。如此相互配合，交替完成气门的进排气开关过程。
考虑到气门落座关闭后，即进气或排气的一个开闭完整冲程完成后，气门在发动机四冲程中另外三个冲程周期需要保证持续关闭密封状态，同样需要保持密封状态的动力保证。而此时齿轮上的扇形啮合齿已经脱离了与齿条啮合传动相位，所以除扇形固定齿牙之外，气门关闭驱动齿轮齿廓上还安装,分布有若干棘爪式弹簧膜片；典型结构为反S形或反6形。弹簧膜片的底部与齿轮上的安装基座相连接固定并卡设在齿轮外径上。弹簧膜片随齿轮旋转且在离心力共同作用下，与气门杆上齿条销轴相互接抵，形成等效于键齿啮合的助推驱动形式。在弹簧膜片与齿条上销轴的弹/塑性啮合传动过程中，弹簧膜片可以进行自身连接作用下一定角度的扭矩偏转，同时自身型面亦可以发生弹性伸缩变形，很好地保持了弹簧膜片与气门齿条的面接触弹性应力及啮合传动的力位关系。
这种在齿轮上布置了固定啮合齿与弹簧膜片的差异化啮合，综合应用安装方式，可以由齿轮对齿条进行直接转动啮合与柔性驱动。在齿轮齿条啮合开始瞬间,齿轮的固定齿牙对气门杆上齿条销轴施加以最大驱动力，气门获得最大动力加速度；当气门运动达到最大开度限位或已经落座关闭，即被气门座圈限制，齿条不能继续直线移动时，齿轮轴及相应的驱动齿轮仍可凭借弹簧膜片自身柔性偏转形成的超越离合传动特质而保持照常转动。单向超越传动功能同时可以使得气门在最大开度及落座关闭状态下持续获得稳定的动力以继续保持配气相位要求的应具有的存续状态。充分保证并完成了发动机四冲程循环中气门开闭所必须对应的周期相位。能够减轻齿轮齿条组件的应力负担，防止齿轮齿条相互卡顿停滞现象的出现，柔性保护了齿轮组及整机运转。
气门开启和气门关闭驱动齿轮各自与气门齿条的啮合驱动周期必须与活塞冲程相对应而顺序开闭气门。因此，在气门开启驱动齿轮上，除了按配气相位布置的扇形啮合齿外，根据配气相位灵活增加布置若干弹簧膜片以对应气门柔性驱动等因素。在气门开启齿轮上的扇形齿驱动气门加速开启时段，气门关闭驱动齿轮上相对应(≈45～50°)旋转弧度相位区域，为空白缺省形式。保证了气门开启动作的准确唯一性。同理，气门开启驱动齿轮上除扇形啮合齿安装位置外，约有310～315°的齿廓区域亦为空白缺省形态。保证了气门关闭阶段，气门关闭齿轮与气门齿条啮合的单独驱动，不会出现齿轮驱动配气相位错乱的现象。
上述超越传动柔性驱动方式除弹簧膜片形式外，同样可以采取更简洁便利的弹性钢丝轮/刷辊式配置。即在齿轮外径轮廓上对应于气门开闭周期相位安装环形弹簧钢丝刷毛；钢丝刷毛根部垂直安装于环形基座上，末端呈自由伸长形式。刷毛个体与整体团簇都能形成良好的软组织弹性伸缩随动传动功效。且扭矩弹力调节完全可以通过所述钢丝刷毛采用不同直径的不锈钢丝(0.1～0.45mm等)及疏密排列以具体确定。
进一步地，气门开闭驱动齿轮的扇形轮齿都可以整体采用钢丝刷毛，刷辊传动配置以替代确定。钢丝辊刷是指利用弹簧钢丝作为刷毛/刷头以传递动力的圆形滚刷；钢丝刷(辊)一般包括位于中轴部的环形主体/刷板和围绕着外刷环座设置的钢丝簇，钢丝簇是穿接植入在环形主体线匝，刷板座上固定的；当使用弹簧钢丝，刷头刷毛时，驱动效果会很强，这是由于当刷毛/钢丝簇接触抵靠从动齿条时的旋转惯性，其产生出了达到驱动设计要求的接触扭转应力。
对应于气门开闭相位的角弧度而在齿轮齿廓上完全采用，安装分布钢丝刷毛与齿条销轴啮合以准时完成气门开闭驱动工作。传动副间的接触弹性应力及啮合驱动性十分均匀，这一点非常重要；特别是该方法用于气门开闭驱动时，因为通过刷头钢丝与齿条间的啮合驱动、横向扭转弯曲应力，旋转角弧度与直线位移等组合运动来传送驱动力矩，对气门进行驱动，实现了十分平稳的加速度启停过程。且刷毛插板，基座整体可沿齿轮基圆拆装，更换调节与维修保养等非常方便。
本实用新型内燃机同心圆气门组配气机构与现有技术区别之处在于，本实用新型同心圆进排气门组结构既可以简化兼容SOHC单顶置凸轮轴配置，或采取创新型齿轮齿条啮合主动驱动气门组。配气机构具有以下突出的有益功效成果；
从燃烧室轮廓型线优化改进与气门组构造及分布排列形式上看：
(1)改进修正优化了燃烧室形状轮廓，以平顶圆锥体造型为核心基础，功能性整体性地使燃烧室表面积为进排气门分布安装可利用的效率最大化。为新型进排气门布局提供了良好基础的同时，减小了燃烧室面容比，大幅提升了结构强度与活塞做功热效率。
(2)继之,将燃烧室平顶面作为气门整体开阖安装工位，采用内外环同心圆形气门合理布局，将两个进排气门内外有机组合紧密排列在一起。最大限度全要素满负荷且无缝衔接地利用了燃烧室表面积作为进排气通道/路径，实现了燃烧室表面全覆盖式气门组安装利用优化；气动效率倍增，大幅提升了进排气门开口面积与缸体气动流动性。
(3)同心圆环状进气门与排气门分布具有0°气门夹角；进气门和排气门的开闭运动方向与活塞运动方向是平行的，利于最大化的降低进排气阻力及提高气动效率。完全消除了普通多气门结构进排气道内由于气门杆倾斜穿过而对进排气流通过程中的流向流量的阻挡阻力影响。
(4)环状进气门上方垂直连通的外环进气道形成了正压进气共轨蓄能腔室，环状腔室布局更有利于外界进气大量流入环形进气道得以自然惯性进气增压(supercharging)蓄积贮存，在气门打开的进气过程中能够向气缸内注入充足的混合气，且在气体流动过程中通过环形进气门外翼与内缘通孔的气流产生了规律性涡流/滚流并进而在缸内相互交汇，非常有利于混合气充分混合，大为提高了燃烧效率。
(5)进气过程中，环状进气门开启，进气流向同时具备沿气门外环外缘面与内径内翼面中心孔双向流通路径；特别是在进气门回退关闭而惯性进气效率达到最大的过程中，减小了气动阻力同时倍增了气门开口面积参数。同时在相应缸内进气流量下可以等效大幅减小气门开度并减小惯性力；具有卓越的气动流体力学特征与结构优势。
(6)参照典型实施例计算结果，进气门面积/缸径面积即气缸充气系数＞51％且排气门面积/缸径面积＞28％。同时，在进排气过程中，外环进气门与内圆排气门构造都在缸内形成了良好的风洞/烟囱效应，有力增强了缸内气动涡旋流场与油气混合比，整体换气效率更高。
(7)将平顶圆锥体燃烧室环型进气门横截面适当加厚修型，在底面加工出环形凹槽，发展为燃烧室封闭状态的外周微曲拱环轮廓，如此在燃烧室内的外周凸起拱环通道更有利于新鲜气体加速气旋与环流性，提升了缸内混合气密度与汽化特性，混合气更顺利地集中分布于双火花塞周围，燃气点火后热功效大幅提高，高压缩比抗爆震性能强。
(8)燃烧室侧壁面对称布置双火花塞；形成均匀的点火源使火焰传播距离短且使混合气可快速燃烧做功，同时由于点火源位于燃烧室外径，火焰自周边向圆心扩散传播并汇集，完善的顶面拱环轮廓构型亦有效避免了燃烧时燃烧室死角区域爆燃现象的产生，能够提供更高的燃烧压力并提高活塞做功输出扭矩及功率。
(9)内圆排气门的居中设计，更有利于排气自缸内外围向中心排气道汇聚并加速排出；且排气门周围没有任何排气阻力，排气效率的大幅提升同样对发动机综合运转工况的改进与完善有着重要意义。
从气门组开闭驱动系统部件组成方面看，本实用新型有益成果在于：
(1)本着技术优化适配，继承发扬的精神，本实用新型同心圆气门组可由现行单顶置凸轮轴模式驱动开阖。因为SOHC组件的减少与配位优化，在保证进排气效率大幅提高的同时已经明显降低了气门开闭驱动功耗，提高了配气机构刚度并减小了系统惯性质量。且对现行发动机生产装配的兼容性可最大化整合利用。
(2)齿轮齿条直驱系统省却了凸轮轴驱动气门弹簧的压缩与回弹力位调节过程，消除了凸轮偏转运动中的形面接触偏转力矩与摩擦力损失；齿轮啮合齿条使气门线性加速度好，运动敏捷稳定；开闭动作快及进排气门开启时效长流量大，明显增加了气门进排气的换气质量。
(3)齿轮主动啮合驱动气门杆齿条开闭结构与常规使用凸轮轴/气门弹簧组件驱动气门模式相比，具有显著较少的运动副构件数量和系统摩擦损耗。齿轮轴啮合气门杆齿条直驱系统还具有更加快速可靠的配气相位准确性。因为它完全取消了凸轮轴及气门弹簧等部件，不需要凸轮偏转运动以驱动气门弹簧组件；同样不依靠预紧力很高的气门弹簧来完成发动机高转速下的气门回位关闭。避免了传统配气系统零部件多,整体重量大，运动惯性力大，潜在的机构共振，动力衰减及迟滞等故障现象。因此随动性和响应性更好，更具有整机轻量化简洁性优势。
(4)气门开闭齿轮啮合直驱模式中，首选采用气门杆部齿条销轴啮合传动驱动方式，传动机构开闭驱动齿轮可以双面双向地交叉间隔啮合齿条销轴，力位衔接传递平稳，在同等工作载荷条件下需要动力功率更小；配合度大幅简化，保证了气门上下开闭运动冲程的圆滑过渡，换向启停平稳，冲击振动小。
(5)啮合齿轮上的柔性弹簧膜片或钢丝刷辊驱动设置，可以对气门开闭运动在止停限位时的冲击力形成缓冲辅助校正功能；即弹簧膜片/钢丝刷毛随齿轮旋转，超越脱离齿条时仍然能够持续对气门施加驱动力以主动吸收缓冲并抵消气门与气门座之间冲击力对气门造成的任何振动,乃至飞脱/反跳等异常震荡现象。
(6)驱动齿轮对气门齿条具备弹性超越离合传动功能，是保证配气机构正常工作的前提条件。本实用新型中提供以钢丝辊刷，膜簧片构造更为典型通用。气门开闭过程中，凭借啮合驱动齿轮上的弹性膜片或钢丝刷毛的自身超越，弹性离合功能，在气门最大开度位置或气门复位落座关闭时形成持续稳定传动状态，保证气门开闭相位准确性的同时，有效增加了发动机进排气工况的稳定可靠性。
(7)本实用新型仍保留了曲轴通过链/带与正时齿轮及气门开闭齿轮轴传动配合的基本机械结构；保证了结构简单可靠，正时相位顺序衔接准确，且曲轴传动结构配气相位调整方便。曲轴采用链带或齿轮传动减速方式，正时齿轮重心位置降低，齿轮轴传动可以与气门齿条准确对接配位工装。可降低整机高度，减小了整机体积。
(8)因为气门齿轮齿条直接驱动没有凸轮轴气门弹簧等组件，同时也自然消除了气门间隙调整的必要。气门杆端部得到完全解放净空。阔展了缸盖内部空间且更有利于气门开闭运动的灵活性。齿轮轴转速设置为1/2rpm,齿轮啮合驱动转矩大，与气门杆齿条销轴啮合时间快，配气相位准确，气门开闭往复运行平稳。
(9)充分利用齿轮齿条啮合驱动气门的形态特征及传动优势，通过在进排气道顶面的气门行程限位处增设液压微动油缸等基本附件，以电控液压伺服油缸驱动活塞杆连接的外部限位块/支承基座升降方式简便形成了由气门行程可变限位为基础的可变气门升程调节功能。同时直接以液压活塞杆内孔管径作为气门导管，技术创新简化了缸盖部件结构，更有利于气门开闭高速往复直线运动的定位稳定性。此外液压系统也可以明显增强气门，气缸散热冷却效果；并大幅提升了气门行程制动及落座时的缸体缓冲稳定性。
综上所述,本实用新型内燃机同心圆气门组配气机构及气缸盖总成，着眼并基于现有内燃机的主体结构，保持动力传动系中大部分零部件不变，同时彻底革新配气机构总成，创新优化了燃烧室构型及同心圆进排气门组合方式，兼容精简现行SOHC单顶置凸轮轴驱动模组的基础上，或予以完全取消替代；从而大幅提高了气门运动力学特性与进排气效率，大幅降低了配气机构复杂程度，避免了传统气门驱动机构零部件多，缸盖结构复杂，加工难度大成本高且体积偏大的缺点。本实用新型内燃机同心圆气门组配气机构及气缸盖总成结构简单，生产加工方便，适合应用于各种四冲程的发动机上，只需改装为结构更简明的缸盖，气门组件与驱动系统，完全保持保证了整机的基本机械动力特性，具有更高效可靠的实用适配发展潜力。
下面结合附图对本实用新型的内燃机同心圆气门组配气机构及气缸盖总成作进一步说明。
附图说明
图1为本实用新型中平顶圆锥体燃烧室与顶面格栅梁架的结构示意图；
图2为本实用新型中燃烧室与垂直进排气道的工装结构示意图；
图3为本实用新型中外圆环状进气门及气门杆齿条装配结构示意图；
图4为本实用新型中内圆排气门及气门杆齿条的装配结构示意图；
图5为本实用新型中燃烧室，进排气道，进排气门齿条齿轮直接驱动的装配剖视图；
图6为本实用新型进排气门齿条与气门开闭齿轮轴工装驱动结构示意图；
图7本实用新型为同心圆外周环状进气门打开，进气冲程结构示意图；
图8为本实用新型配气机构中内圆排气门打开，排气冲程结构示意图；
图9为本实用新型配气机构中排气门行程可变限位油缸，可变气门升程的结构原理示意图；
图10为配气机构中扇形驱动齿轮凸齿轮廓相位的结构示意图；
图11为气门驱动齿轮替代为钢丝刷毛刷辊形态的结构示意图；
图12为本实用新型同心圆进排气门组兼容SOHC单顶置凸轮轴构造，凸轮直驱挺柱/无摇臂结构示意图；
图13为本实用新型进气门集成环架，气门挺柱与凸轮驱动滑靴结构图；
图中标记示意为：1-燃烧室；2-格栅梁架；3-排气门座；4-外周进气口；5-环状进气门；51-进气门杆；6-内圆排气门；61-排气门杆；7-进气道；8-排气道；9-液压缸活塞杆嵌套型进气门导管；10-进气门杆集成环架；11-进气门齿条；12-进气门行程可变限位油缸；13-排气门行程可变限位油缸；131-活塞杆；14-排气门齿条；15-内气门座圈；16-气门支撑定位弹簧；17-限位基座；18-进气门开启驱动齿轮；19-进气门关闭驱动齿轮；20-排气门开启驱动齿轮；21-排气门关闭驱动齿轮；22-气门杆支承弹簧基座；23-水冷缸套；24-液压缸活塞回位弹簧；25-弹簧膜片；251-钢丝刷毛；26-气门开闭齿轮轴；261-凸轮轴；262-凸轮；263-进气门环架凸轮驱动滑靴；27-火花塞；28-气缸；29-排气歧管；30-扇形齿；31-齿条销轴。
具体实施方式
以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的内涵范围。
实施例1
如图1、图2和图5所示，本实用新型内燃机同心圆气门组配气机构包括气缸28上部的发动机气缸燃烧室1，本实施例中，燃烧室1为平顶圆锥体燃烧室；包括燃烧室顶面的格栅梁架2，格栅梁架2平面是经排气门座3上的中心通孔连接的径向梁构造开放框架。格栅梁架2包括六至八根梁辐，梁辐连接平顶面外周及中心排气门座3环面。燃烧室1顶面的外周外径与格栅梁架2形成了内外环形进排气口。排气门座3垂直连接内腔排气道8与内气门座圈15，以及与格栅梁架2内外同心圆布局对应的外周进气口4，环状进气门5、内圆排气门6和外周环状进气道7正压腔室。内圆排气道8从外周环状进气道7顶部预设的凹槽中导出与外部排气歧管29连通。气门座圈15位于排气门座3下方内侧，内气门座圈15的双向内外锥面分别与环状进气门5内缘及排气门6形成嵌合密封。进排气门位于燃烧室圆锥体平顶面内侧且呈内外同心圆式垂直分布，内外平面嵌套式工装布局。火花塞27安装在燃烧室1的外周壁上，为对称双火花塞布局，火花塞点火类型可以采用激光、预燃室喷射、电晕电火花放电或等离子体点火等形式中的一种。
如图2所示，在本实用新型的一个实施方式中，排气道8外径壁面可以继续安装水冷缸套23以进行燃烧室/进排气门的适时散热冷却。同时水冷缸套23的外径环壁面形成了外环进气道腔室的内侧/内层壁面；环状进气道腔室的外侧壁与顶面另行加工安装即可。
外周环状进气门5外缘与安装在燃烧室1顶面外径上的外气门座圈嵌合密封，这样环状进气门5内外环面分别与内外径不同气门座圈形成平行同步的进气道7嵌合密封。
如图3和图5所示，环状进气门5的气门盘头部连接有三根进气门杆51，进气门杆51垂直穿过燃烧室1顶面的格栅梁架2和进气道腔室内部的液压缸活塞杆嵌套型进气门导管9后，进气门杆51的末端与进气门杆集成环架10通过气门杆支承弹簧基座22相互工装连接。液压缸活塞杆嵌套型进气门导管9可以由伺服动力油缸的双向活塞杆的中空套管直接承担。进气门杆集成环架10上还对称安装连接有两个进气门销轴齿条11，进气门齿条11两侧对称分布有进气门开启驱动齿轮18和进气门关闭驱动齿轮19，进气门齿条11与两侧控制气门开闭的驱动齿轮对应啮合形成进气门开闭传动。在进气道7顶面上相应设有对应于气门杆的进气门行程可变限位油缸12，以实现气门可变升程的液压伺服随动控制。
如图4和图5所示，排气门杆61沿内孔穿过排气道8内的排气门导管，即排气门行程可变限位油缸13的活塞杆中空套管,排气门杆61的端部通过基座连接有排气门齿条14，排气门齿条14两侧对称分布有排气门开启驱动齿轮20和排气门关闭驱动齿轮21，排气门齿条14能够与两侧的驱动齿轮对应啮合形成传动配合。两个进气门齿条11与排气门齿条14呈三点一线分布，并与曲轴/缸心线平行。
如图12所示，若进排气门杆端部连接的齿条更换为挺柱，啮合齿轮更改为凸轮262，则同心圆气门兼容单顶置凸轮轴SOHC驱动。
如图5所示，在本实用新型一个实施方式中，燃烧室1顶面格栅梁架2的排气门孔座3，内气门座圈15通过柱销过盈配合压装入排气门座3下底面的安装锥孔内。内气门座圈15的横截面为倒梯形，整体为环形凸台。气门座圈15的上表面与格栅梁架排气门座3的底面紧密贴合。凸台状的环形气门座圈为双侧双向双锥面结构，其内侧锥面与排气门盘面配合形成排气道8密封，外侧锥面与环状进气门5的内环面嵌合形成进气道7内环壁面密封。如此与进排气门盘端面分别嵌合，同时形成了燃烧室1顶面梁架进排气道完整的密封部分。
本实施方式中，进气门的进气门杆51与排气门的排气门杆61上都增设有气门支撑定位弹簧16。弹簧整体采用合金钢制成，具有良好的韧性和刚性，耐磨耐腐蚀性好且结构稳固等优点，可以延长气门弹簧本体使用寿命；其组件的弹性刚度远小于常规负责气门回位关闭功用的气门弹簧，对气门关闭复位过程中的动力仅起到较小辅助作用。各支承定位弹簧可以有效缓冲进排气门开启至最大升程时对固定限位装置的冲击力，减小进排气道外部振动负荷，提高气门开启运动过程稳定性，还具有停机时保持气门相位的支承辅助性能。
本实施例中，气门支撑定位弹簧16与气门杆支承弹簧基座22配合。气门杆支承弹簧基座22分别固定在进气门杆51与进气门杆集成环架10的连接部，或排气门杆61与排气门齿条14底边的接连框上，基座本身具有气门行程制动限位功能。弹簧的一端与设置有环行槽的气门杆支承弹簧基座22连接，另一端嵌合在燃烧室1上方，进排气道腔室顶面的气门行程制动/限位块的端面定位槽中。
进排气门开启过程中的止停限位结构安装在进气道7与排气道8表面端。限位座与进排气道腔室顶面形成密接的台阶端面，限位座中心孔安装气门导管。限位结构的台阶顶面为气门开度限位端面。气门开启过程中，进气门杆51与进气门杆集成环架10的连接基座与进气道腔室顶面气门导管外周的台阶端面接触，缓冲撞击并制动气门行程；同理排气门齿条14边框的底边凸缘，即齿条边框与排气门杆61端部的螺纹连接部，气门杆支承弹簧基座22与排气道顶面的限位台阶端面相接触并缓冲制动。气门支撑定位弹簧16外套于限位结构台阶端面外侧，小刚度支承弹簧减小气门开启阻力并具有良好的柔性限位缓冲作用。
在上述实施例的结构基础上，可以通过增加液压伺服驱动附件而简便实现气门可变升程功能，即在进排气门的气门开度限位制动台阶端面处，改装为伺服微动液压油缸；通过油缸的液压油动力交替作用，实现油缸内双向活塞杆往复伸缩并带动相连接的进排气门升程限位基座17同步升降完成进排气门升程控制。油缸油路经过油缸外设接连的电磁阀管路与进排气道顶面对应固定安装的液压缸相连接形成液压回路。通过外部连接油路的通断与正反向流通以控制油缸活塞杆的升降，即通过气门行程可变限位的功能而实现气门升程/开度的变化调节。
如图9所示，油缸可以只有一个油腔，通过该油腔的进油和回油，即单作用油缸以实现驱动油缸活塞杆伸长和缩短；进油管上接通外部动力油泵用于进油，回油管为回油，回油管上设置泄压电磁阀；也可以考虑选装双作用油缸。图9以调节排气门行程的单作用油缸举例，液压油自油缸下部进入活塞杆腔室内，油腔内体积增大活塞上移，活塞另一端有杆腔中液压杠活塞回位弹簧24被压缩蓄能，活塞杆带动限位基座17上升即增大了气门行程限位高度，气门开度/升程减小；若油缸泄压，腔内油量减少油位降低，活塞受弹簧反作用压力下移，活塞带动限位基座17下移缩短了气门行程限位，气门开度/行程增大伸长，如此完成了可变气门升程的自动调节。
实施过程中，发动机ECU程序对相关传感器数据分析和处理后，将需要的进排气门开启角度及升程等信号传送给电磁阀,电磁阀具体调节液压缸流量大小，驱动油缸活塞杆的伸长和缩短进而改变气门升程运动。通过电信号和程序控制,精确控制和调整气门的进排气时间和进排气量。在齿轮啮合驱动气门开闭前提下，实现配气相位和进排气门升程的柔性控制，简化了机构，对改善发动机排放和燃油经济性具有重要意义。
进一步地,本实用新型为了充分利用液压缸驱动气门行程挡块/限位可变功能而实现气门可变升程，采用了活塞杆中空套管式构造。即气门杆从油缸活塞杆中穿过，以油缸双向活塞杆直接作为气门导管。如图9所示，排气门杆从排气门可变行程限位的油缸活塞杆131的内孔套管中穿过，这样充分保证了排气门杆61沿气门导管开闭运动的导向稳定性；同时由于液压装置连接了液压油循环系统，液压装置和液压油循环系统既可以对进排气门及燃烧室主动散热降温，又可以在气门开闭过程到达行程限位，止停及落座时起到良好液压缓冲稳定作用。
进排气门杆上的进排气门齿条和气门开闭的驱动齿轮均可由工程塑料等材料制成。齿条与气门杆端部的安装基座外框的材质为金属材料，齿条销轴31可外套旋转耐磨套，如此不仅满足了机构轻量化的使用要求功效，且耐高温，韧性好。齿条、驱动齿轮等部件可通过注塑一体成型，大幅降低了制造使用成本。在一个实施例中，气门组装置还可以包括安装在进气门杆集成环架10和排气门杆61上齿条金属边框上分布安装的小型散热翅，能够对气门提供良好的空气散热能力。
如图6所示；气门开闭驱动组件设有曲轴动力输出齿轮、正时齿轮、气门开闭驱动齿轮轴、复合齿廓扇形齿轮、进排气门齿条框架、进排气门齿条和进排气门。图7和图8为进排气门开闭驱动示例:曲轴动力输出端通过齿形链-带与正时齿轮/齿轮轴传动。气门开闭驱动齿轮包括进气门开启与关闭的驱动齿轮和排气门开启与关闭的驱动齿轮，各自设于进排气门齿条的两侧对称布置安装的气门开闭驱动齿轮轴上，各齿轮分别与进排气门杆端部的进排气门齿条(11/14)相互啮合。
气门开闭的传动路径为:曲轴齿轮通过链条带动正时齿轮减速50％转动，正时齿轮分别带动气门开闭齿轮轴转动，气门开闭驱动齿轮以1/2rpm转速顺序与进排气门齿条啮合；当气门开闭齿轮轴带动开/闭驱动齿轮对进排气门齿条施加周期性啮合推动力时，驱动齿轮与进排气门齿条顺序啮合依次驱动进排气门上升或下降，齿条上升或下降联动进排气门上升或下降，从而实现气门的开闭往复运动。
亦即，气门开闭驱动齿轮与进排气门齿条的啮合转角为45°，等同于90°曲轴转角，即半个曲轴冲程单位。气门开启驱动齿轮相位与气门关闭驱动齿轮啮合相位相互对应兼容。如图10所示，气门开启驱动齿轮上除了按照360°圆周对称分布的啮合转角为45°的扇形键齿30外，后续可加装/接续对应于≈5°齿轮转角周期的柔性驱动弹簧膜片25；其余齿廓为空白缺省空转部分；气门关闭驱动齿轮齿廓上安装的啮合齿对应气门开启驱动齿轮啮合相位的45°～50°角弧度部分同样为空白/缺省以保证顺利完成气门开闭周期内的开闭齿轮单独啮合的交替驱动作用。
优选地，如图10所示，针对四冲程发动机进排气门的开闭相位周期持续特征，气门开启/关闭驱动齿轮为复合型啮合齿设计。在各齿轮基圆上分布有对应于气门齿条的扇形齿30，与齿条销轴31进行标准啮合传动以对气门施加最大驱动加速度。扇形轮齿之外，在齿廓上还安装分布有若干棘爪式弹簧膜片25，典型实施例为形或反S形。弹簧膜片25的底部与齿轮上的安装基座相连并卡设在齿廓外径上，与气门杆上气门齿条相互接抵挤压形成等效于啮合的驱动。在与气门齿条传动过程中，弹簧膜片25可以在自身扭转连接作用下进行一定角度的偏转，同时弹簧膜片25自身型面亦可以发生弹性伸缩变形，很好地保持了驱动齿轮与齿条间的扭矩张紧传动啮合力位关系。
进一步地，当驱动齿轮对气门齿条施加推动力且气门达到最大开度/升程或落座关闭时，此时固定扇形齿牙已经按相位周期与齿条脱离啮合，驱动齿轮上单独设置的柔性弹簧膜片25可继续对齿条提供常态啮合驱动力的同时，对已经到达极限位置，止停状态的齿条及气门，形成单向超越离合器式转动。弹簧膜片25或钢丝刷毛与气门齿条销轴31之间的作用力逐渐增大，弹簧膜片25或钢丝刷毛间的形变亦逐渐增大，直至弹性形变与扭转可以脱离与气门齿条的啮合面。如此在气门位于最大开度或落座关闭时的稳定持续性主要由弹簧膜片25或钢丝刷毛的柔性随动啮合弹力提供，且啮合弹力的持续并不影响驱动齿轮轴正常运转。
气门开闭驱动齿轮上设置的弹簧膜片25或钢丝刷毛的弹性力具有超越离合传动式的配气相位稳定功能，可实现齿轮轴的恒定转动及在气门开闭行程结束后，后续啮合驱动中始终保持紧密随动的力位调节。特别是当气门齿条被限定不能继续运动位移时，齿轮及齿轮轴仍可正常恒速转动，防止齿轮齿条运动副卡顿阻滞的出现，有效保护了传动系统；能够减轻齿轮组整体的负担并防止断齿,堵塞现象出现；为齿轮传动提供柔性缓冲，从而保证系统的工作稳定性和时效性。
如图11所示，气门开闭驱动齿轮在气门开闭过程中具有柔性超越离合传动功能，气门开闭驱动齿轮上的扇形键齿亦可以考虑完全采用钢丝辊刷替代，如气门开启驱动及关闭驱动刷辊。刷辊可为塑料成型件，刷毛为直径0.1～0.4mm的细钢丝，安装于同轴环形线匝上。刷毛251排列的具体相位布置与曲轴转角同步，通过气门开闭刷辊上钢丝刷毛与气门齿条的弹性接触及扭转力矩以等效齿轮啮合驱动齿条完成气门开闭运动。共同之处是，用于物体弹性力啮合传动的钢丝刷毛/刷头这样自由端的设置，使其在物体接触传动过程中可以适当柔性倾转摆动，因此物体相互接触时它可以扭转偏摆一个角度。这意味着，依靠钢丝刷毛所产生的自身弯曲扭转应力和刷头本身刷毛团簇的弹性，在传动副中齿条一侧会形成均匀的形变扭矩驱动力。
钢丝刷毛具有良好的韧性和强度，齿轮完全代之以扭转刚性较大，弹性模量/线径较大的钢丝刷毛251。考虑到钢丝刷轮/齿条45°正常啮合角度相位周期条件下气门的驱动行程，气门齿条与钢丝刷毛完全可以正常脱离啮合，钢丝刷头啮合时与气门齿条接触整齐同步，贴合作用时间长，确保对齿条的驱动力更加均匀；气门关闭驱动刷辊按此为基准，线匝上空置缺省出足够相位的刷毛齿廓以便与气门开启驱动刷辊上的刷毛工装相互规避配合，同时满足气门开闭相位交替。如此气门驱动改型为钢丝辊刷模式，安装调整更换维护保养都很方便。
除兼容SOHC模式外，本实用新型中内燃机同心圆气门组配气机构的气门直接驱动：曲轴通过链带减速带动正时齿轮，齿轮轴以1/2曲轴转速按对应的气门相位由齿轮依次与气门杆齿条啮合，推动齿条及气门打开或关闭以完成气缸进排气过程。通过齿轮啮合气门齿条设计，使气门组开闭驱动比常规凸轮/气门弹簧形式的动力消耗大幅减小；在齿条与齿轮啮合驱动气门开闭过程中，气门杆齿条与齿轮啮合为线性加速关系，气门沿直线往复运动，运动速度迅速增大；气门开闭的起始执行速度更加迅速，减小了气门的开闭功耗与时间过程，有效增加了进排气周期。
为了更有助于正确理解本实用新型的技术特点与创新优越性，以直列四缸L4-1.6升四冲程发动机举例说明，具体构造参数为:缸径/冲程B-S80×79.5mm，单缸容积-实计排量399.61×4＝1598.442cc。本实施例设定燃烧室压缩比为10:1；顶面直径为75mm，下底面即缸径为80mm。
根据平顶截面圆锥体的体积计算公式V＝{π×h×(R2+R×r+r2)/3}，其中h为即燃烧室上下底面间垂直高度，R为下底面半径40mm，r为上顶面半径37.5mm。燃烧室(1)容积Vchamber＝399.61/9＝44.4cc/cm3，燃烧室(1)高度h＝0.9409cm＝9.41mm。
外周环状进气门5与内圆排气门6在燃烧室(1)顶面呈同心圆布局。此处设定内圆排气门直径42mm；以燃烧室中心孔圆心，即气缸28中轴线为燃烧室平顶面垂直基准，燃烧室顶面环状进气格栅梁架的排气门座3底面上安装的倒梯形横截面状的圆环气门座圈，按下底面宽3mm,上底面宽5～6mm计,以燃烧室垂直轴线为基准，外环进气门5的内缘面半径24mm，外环面半径37.5mm；求得气门/气缸充气面积比率系数：
环形进气门表面积即燃烧室进气流通面积:π(3.75)2-π(2.4)2＝8.3025π；外环进气门实际气动流通面积与缸径面积比率＝8.3025π/16π＝0.5189；排气门气动流通面积比率π(2.1)2÷16π＝0.275625。
如果取中心圆环型气门座圈下底面宽2.8mm,上底面宽≈5～6mm计；外环进气门参数不变，内孔座排气门直径为42.4mm；排气流通面积比率π(2.12)2÷16π＝28.09％。
继续计算进气门最大升程与对应于最大升程时的气门通道开口面积；气门开口面积的概念定义——气门位于最大升程位置时，气门盘外缘面为底面且行程开度为高度的等效圆柱体的侧向表面积，即气门流通流动性的有效开口开放面积，其中包含了两个动态参数。
因为本实用新型外周环状进气门5进气冲程开启后，进气流可以同时从进气门环型盘面的内环内翼与外周外缘面两侧分别通行流动进入燃烧室及气缸28，内圆孔径流动性更表现为虹吸效应，气动通行阻力小且导气性优异。计算进气门最大升程与对应于最大升程时的气门通道开口面积,必须充分考虑计入这个鲜明而独到的特征。
设外环进气门垂直开启升程为x；则{π(7.5)+π(4.8)}.X＝8.3025π×120％＝9.963π；X＝9.963/12.3＝0.81cm＝8.1mm。实际上考虑到环形进气门双侧双向进气流通效率倍增，气缸充气面积比率已达51.89％的外周环状进气门表面积增大120％的取值系数，已绰绰有余。
同理，内环排气门直径为42mm；排气口面积＝菌状排气门头部面积，设排气门开度/升程h1,π4.2×h1＝4.41π，即h1＝4.41/4.2＝1.05cm＝10.5mm；考虑到排气为高温高压状态，排气门口径已加大取优化值，亦可π4.2×h1＝4.41π×85％；h1＝0.8925cm＝9mm；根据实际工况情形，选取8～9mm气门最大升程亦同样可满足排气时效性。
通过上述计算值举例可知，同心圆1+1气门结构大幅提升扩展了进排气门的气动流通截面积；能达到进气充分，排气干净彻底，非凡提高充/换气效率的目的。以某知名型号L4-1.6l五气门机型参数作对比：
单缸B-S81×77.4气缸直径81mm，五气门(三进二出)进气门直径为27mm，排气门直径为30mm；3个进气门总面积与气缸面积之比为0.333，2个排气门总面积与气缸面积之比为0.274；压缩比＝9.3。
计算结果对比参照一目了然，本实用新型设计同心圆进排气门构造及气缸压缩比实用性具有压倒性的气动高效优势。
且本实用新型中的进排气门垂直开启，相互之间平行无干扰。其最大升程都能保持在燃烧室底面，即活塞TDC上方，完全提供了整机运行工况中气门开闭与活塞冲程之间必要的充足运动间隙，保证了安全,便利性。因为进入气缸内的可燃混合气越多且混合越均匀，燃烧热量越高，热工动力越强，使得发动机功效显著提升，具有确凿结构优势。
上述计算示例中，完全可以结合液压驱动可变升程，如进气门升程可变范围5.1～8.1(或5～9)；排气门升程如6～9mm；气门升程由气门行程可变限位伺服液压机构按0.5mm幅度持续自动变化，乃至趋近于无级变速型调节以灵活满足发动机工况进排气最佳相位匹配要求。
上述计算实施例中,结合燃烧室外环进气门拱环槽与内圆平顶复合造型；可以在平顶圆锥体型11.5:1压缩比参数下取值，以此标准取燃烧室上下平面垂直高度；因为燃烧室顶面外周环状进气门5上的拱环存在并调节具体拱环凹槽尺寸，使得压缩比整体降低为≈11:1；则Vchamber＝π×h×(R2+R×r+r2)/3}＝399.61/10.5＝38.058cc/cm3，即燃烧室上下平面高度H＝38.058/47.18933＝0.806cm＝8～8.1mm.此参数设置举例，进排气门开度亦适配满足高压缩比工况实际要求。
由上述内容可知，本实用新型的发动机配气系统，对于燃烧室轮廓、气门组形状和排列布局等方面都进行了重大改进革新，形成了单缸1+1同心圆进排气门形式，最大限度的将燃烧室表面积予以利用并转化为进排气门的有效开口气动流通面积。同时本实用新型对气门开闭驱动系统亦进行了全新配置，整体传动结构更加简化简练紧凑，动力加速性好且损耗小，可以使整机工况效率近于倍增提升。
特别是考虑到本实用新型配气机构发动机在自然吸气工况下可以采用(≥11:1)高压缩比结构单元；而废气涡轮增压形式中增压进气的压缩比要相对较低(≈8:1)；且本实用新型设计中气缸进气面积近于100％扩容，结构简便，进气充足进气温度低，空气密度大含氧量高。发动机自吸式功率性能已经接近于废气涡轮增压型号。如果再适当辅之以机械增压进气系统配合，则整机性能可以继续跃升增强并达到完全超越。
在其他实施例中，本实用新型还提供一种发动机，该发动机包括上述实施例中所述发动机同心圆气门组进排气配气系统。
在其他实施例中，本实用新型还提供一种成套机械设备，包括机架和机架上的动力舱，动力舱内设有发动机，为上述实施例中采用全新配气机构的发动机。其中，该机械设备可以为车辆，如乘用车、商用车、或为施工机械，还可以为铁路，发电机组及飞机/船舶等非道路设备。上述的机械设备具有本实用新型发动机配气机构全部技术效果，在此不再赘述。
综上，本实用新型配气机构，驱动组件通过曲轴、正时齿轮和齿轮轴传动实现控制进排气门的顺序开闭。气门开闭驱动齿轮安装在齿轮轴上,分别与气门齿条啮合传动，且驱动齿轮上的弹簧膜片或钢丝刷毛具有超越离合传动功能，保证了同心圆式气门组开闭相位正时的准确性。
本实用新型的同心圆式气门组一方面可兼容现有SOHC，另一方面进而彻底革新配气系统结构，取消凸轮轴及气门弹簧，凸轮摇臂等机械组件；利用齿轮齿条啮合及超越离合器柔性传动原理，大幅度改善了气门驱动零部件间的运动副力位形式，降低了系统运转阻力及功耗；操作便捷效果显著，且结构简单成本经济适用，便于大批量成套制造。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于：本方案是同心圆进排气门组兼容配套SOHC单顶置凸轮轴，且简化取消了气门摇臂/摇臂轴，以凸轮直驱进排气门开闭的发动机简化配气机构。如图12和13所示。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于：本方案是一种无凸轮轴无气门弹簧驱动型的内燃机气缸盖及发动机，汽缸盖与发动机上设置有实施例1中的配气机构。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可对之作相应修改及改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。
