外旋轮线式曲轴机构和方法技术

本发明专利技术涉及一种用于通过产生活塞连杆下端行进的外旋轮线式路径而增强二冲程和四冲程往复式活塞内燃机、往复式活塞泵、以及压缩机的性能的机构和方法。通过更好地利用可得到的汽缸压力，连接于连杆上端的活塞暂将停在其行程的下部，增强了内燃机、泵、或压缩机的输出。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种通过利用产生外旋轮线式路径的曲轴用于增强往复式活塞内燃机、泵、以及压缩机的性能的机构和方法。活塞将被暂停在其行程的下半部，通过更好地利用可得到的压力增强了内燃机、泵或压缩机的气缸输出。
技术介绍
自从1860年代由Otto和Langen研制出第一款在商业上获得成功的内燃机以来，人们就不懈地尝试来改进内燃机。那些尝试的结果随处可见，且内燃机在全世界都非常普遍，其用在包括(但不局限于)运输、发电、建筑、农业、旅行车、园艺设备(仅举几个例子)等各种应用中。除多种用途以外，内燃机可使用各种燃料，包括柴油、汽油和天然气。尽管存在几种其它类型的内燃机，诸如燃气轮机和旋转式发动机，但是最普遍的类型是往复式活塞发动机。该发动机在具有四个阶段进气(吸气)、压缩、动力(膨胀)、以及排气的循环中运转。活塞在表示其行程最高点的上止点位置(在下文中缩写为“TDC”)与表示其行程最低点的下止点位置(在下文中缩写为“BDC”)之间行进。活塞在TDC与BDC之间行进的距离是固定距离，且通常被称作活塞的冲程。这种类型的发动机是二冲程循环式或四冲程循环式。二冲程循环发动机需要两个活塞冲程(或者曲轴的一个完整旋转)来完成运转的所有阶段，而四冲程循环发动机需要四个活塞冲程(或者曲轴的两个完整旋转)来完成其运转的所有阶段。每个运转阶段的分离没有明显地与其它阶段划分开。从每个阶段“借来”曲轴转动角形式的时间，从而通过使阶段重叠或(在二冲程循环发动机的情况下)组合而将每个阶段过渡到下一个阶段。在典型的往复式活塞发动机中，活塞在TDC与BDC之间的缸膛或圆柱形外壳中行进，并且连杆将活塞连接至曲轴上的曲柄销。曲柄销设置在离曲轴中心线的规定距离处。在该典型结构中，当曲轴转动时曲柄销的路径是圆形，并且该圆的直径等于冲程值。该结构中的各种参数，诸如活塞直径和冲程(由曲柄销位置确定)，都可以改变，但是基本连杆机构(basic linkage)保持相同。对于在该结构范围内增强内燃机的尝试已在一定程度上受限于用于构成所述内燃机的材料的物理和机械特性，以及燃料及其输送到气缸中的热力学性质。已尝试通过改变曲轴动作、改变冲程、或改变压缩比(在下文中缩写为“CR”)来修改上述基本连接。例如，Moore US 6,453,869通过延长TDC处的活塞暂停点以及通过设置有偏心件的曲轴改进连杆的杠杆作用而设法提高效率。Shaw US 6,526,935通过使轨道运动的曲轴轨迹具有心形图案并且提供用于在运转期间调节CR的装置而设法提高燃料效率和扭矩。在Gonzales US 5,927,236中，主张通过改变冲程长度并利用较大的膨胀冲程和较短的进气冲程而提高内燃机的热效率。Schaal US 5,158,047主张(通过允许增加更多的用于气缸压力的时间)降低上半个动力冲程中的活塞速度而提高净发动机效率。与先前尝试相关的这些未能实现的优点已由本专利技术克服。与先前通过延长TDC处的活塞暂停点而改变曲轴动作的尝试相反，本专利技术使得活塞在BDC处的暂停最大化。尽管已存在多种尝试以使活塞在TDC处或在其附近暂停，或者使用于转动曲轴的杠杆作用最大化，但是看来好像在可用容积较小时这样一种暂停会使得燃烧室内截留(trapped)的燃料混合物更完全地燃烧并达到更高的初始压力。由于发动机部件的几何结构所导致的并与该增加的压力相组合的增大的杠杆作用或力矩臂会导致更大的作用力来转动曲轴，并导致从发动机中输出增加的扭矩。然而，还存在不能实现这些优点的若干原因。在由于火花或燃料的介入而启动点火阶段之前，暂停在TDC处或其附近的活塞使得燃料混合物(或者柴油机中的空气)预热。发动机内的所有表面都被来自于先前动力冲程的燃料混合物的燃烧所加热，并且新引入的燃料混合物除了吸收压缩循环期间产生的热量以外还吸收了该热量中的一些。在燃料混合物于气缸内被截留之前加热该燃料混合物降低了其密度，这意味着最终截留了更少的用于压缩和能量产生的燃料混合物。在该暂停期间燃料混合物非常容易爆燃并迫使CR降低到会损害发动机效率的点。为了在曲轴继续转动并建立杠杆作用的同时(尤其是在已启动燃烧程序之后)将活塞保持在其TDC位置处或其附近，必须向活塞施加相当大的力。升高的气缸压力与可用的杠杆作用相组合会趋向于迫使活塞在缸膛内向下运动，这将向曲轴施加作用力，该作用力会使曲轴出乎意料地沿相反方向转动。直到活塞在缸膛内向下行进，用于将活塞保持在其TDC处或附近的所有努力都是逆着预期的转动方向的。该负面努力的最终结果是发动机输出的减少。活塞在TDC处或其附近暂停需要相当大的曲轴转动量，以用于该努力，并且由于时间的流逝，越来越少的时间和曲轴转动可用于完成发动机运转的其它阶段。在TDC处或其附近耗费的时间导致较少的时间可用于将活塞推到缸膛下面、从气缸中排出废气、和/或为气缸重新填充下一次的燃料混合物。在没有充足的时间来完全分离并完成这些独立活动的情况下，由于所需活动的重叠将导致损害发动机效率，并将产生废气残余物与新鲜燃料混合物的一些混合。在曲轴继续转动的同时将活塞保持在TDC处或其附近导致曲轴上杠杆臂的增加。直观地，在施加相同量作用力的情况下，增加的杠杆臂看来可将更多的扭矩或转动力传递到曲轴。然而，这不是所提及尝试中的情况。理想地认为，在一个动力阶段期间内燃机的输出仅取决于影响活塞比面积的两个变量1)源自于燃烧的燃料混合物在气缸内产生的压力的作用力，和2)在被排出之前压力将活塞推到缸膛下面的距离。一旦气缸内的压力被释放，动力阶段就结束了，尽管活塞继续在缸膛中向下行进到BDC。如果作用力和距离变量保持不变，则动力阶段的总扭矩输出将总是相同的，而与所采用的曲轴设计或结构无关。当主张从增加活塞在TDC处或其附近的暂停中而获得优点时，并未提及发动机在使接下来的燃料混合物进入气缸中所经历的时间流失。以相似的方式，基于每一度而增加杠杆作用或力矩臂的主张也未提及，活塞顶部上方的压力会以更迅速的速度下降，破坏了任何潜在的扭矩增益。增加的杠杆作用致使对于曲轴转动的每一度，活塞都移动更大的距离，这增加了气缸内的截留容积。这降低了气缸内的压力，并导致作用在增加的力矩臂上的力的损失。在整个动力阶段期间作用于曲轴上的扭矩总量将不大于传统类型曲轴所产生的扭矩量。因此，通过增加在活塞上所作的功必能获得发动机输出上的任何增加，而改变曲轴运动的先前尝试不能获得该结果。使用用于功的公式计算在活塞上所作的功，该公式如下功＝力×距离本专利技术的曲轴能够通过增加气缸力(压力×活塞面积)和行程(距离)而增加在活塞上所作的功。在活塞驱动发动机的范围内使用该公式，在一个活塞上所作的功是作用在活塞顶部上的从燃料燃烧热量中产生的压力所提供的作用力与该压力作用在活塞上时活塞在缸膛中行进的距离的乘积。虽然该公式和概念相当简单易懂，但是所产生的功的精确表述还涉及一些详细的分析。例如，在燃烧室和缸膛内所产生的压力随着该气缸空间的容积而直接改变。如果在动力阶段开始时活塞处于远离TDC的其行程的起始点处，由于其上方的燃烧空间最小而使得压力较高。当压力作用在活塞顶部并使其在膛内向下运动时，活塞的位移导致燃烧空间和气缸内的容积增加。这又显著地降低了燃烧空间内的压力。在活塞行程中的某点处，或者通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
在具有至少一个圆柱形外壳的机器中，所述圆柱形外壳具有中心轴线，所述机器具有至少一个往复活塞、曲轴以及连杆，所述活塞在所述圆柱形外壳中沿所述中心轴线在上止点位置与下止点位置之间行进，所述曲轴可转动地安装在所述机器中的曲轴箱中，以围绕曲轴轴线转动，至少一个曲柄销径向设置在所述曲轴上，并具有与所述曲轴轴线平行的曲柄销轴线，所述连杆的上端以上端轴颈枢转地连接于所述活塞，下端以下端轴颈枢转地连接于所述曲柄销，所述上端围绕与所述曲轴轴线平行的上端轴颈轴线枢转，所述下端围绕与所述曲轴轴线平行的下端轴颈轴线枢转；其中，改进机构包括偏心轴承，所述偏心轴承具有轴向偏心轴颈，该轴向偏心轴颈具有平行于所述下端轴颈轴线并偏离于所述曲柄销轴线的偏心轴颈轴线，所述偏心轴承置于所述下端与曲柄销之间，以在所述曲轴在所述曲轴箱中转动期间使所述下端产生非圆形路径。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯马克韦内托茨，
申请(专利权)人：托马斯马克韦内托茨，
类型：发明
国别省市：US[美国]