CN101375042A - 拉杆发动机 - Google Patents

Abstract

一种往复式内燃发动机包括具有活塞的气缸，该活塞通过连杆连接到曲柄轴，而曲柄轴设置在活塞销与燃烧室之间。这样，燃烧转移到慢死点，使得柴油机能够以更高的转速运行，改进了火花点火发动机的效率并使得HCCI燃烧更容易。尽管曲柄轴是整体的，但是可将更多的连杆用于活塞。如果实现为对置活塞发动机，则发动机进一步组合了高比功率、高热效率、内置式排气泵和紧凑性。

Description

拉杆发动机

技术领域

在最接近现有技术的US 6062187、US 6763796和US 6786189专利中，目的是通过提高燃烧时燃料空气混合物的恒定容积程度来增加热效率。

背景技术

图21将传统的发动机与最接近的现有技术以及与本发明相比较。在US 6062187中，燃烧室设置在活塞销和活塞之间。US 6763796专利要求保护一种设置在曲柄轴和活塞之间的‘燃烧室/气缸盖’。US6786189专利破坏了曲柄轴的整体性，并折衷成设置在活塞滑动路径的外部的同步‘曲柄轴半体’。在拉杆发动机(Pulling Rod Engine)或PRE中，曲柄轴设置在燃烧室和活塞销之间。

图6从左到右显示了从所提出的布置到传统布置的过渡。在左边发动机是组装的，然后气缸套被拆下，然后活塞绕其活塞销旋转180度，最后活塞长度收缩从而产生传统的机构，如最右边所示。这样，燃烧从快‘死点’转换成慢‘死点’。

如在传统中那样，在一端，PRE的连杆附接到曲柄轴的曲柄销，而在其另一端，它通过活塞销附接到往复构件或活塞。与传统的相比，PRE的曲柄轴设置在燃烧室和活塞销之间。

发明内容

本发明的目的是通过提高燃烧时燃料空气混合物的恒定容积程度，即通过为混合物提供在良好的条件下的更多时间进行准备和燃烧来改进燃烧。

另一目的是将传统发动机的简单性与最接近的现有技术中所提出的机构的效率结合。

另一目的是提出一些适合于特定应用的PRE布置。

尽管简单，但本发明所提出的方案并不是显而易见的。看到在最接近的现有技术的专利中提出的方案，这变得明显，在这些方案中，对于每个活塞而言，彼此相连的一对曲柄轴半体、一对较长长度的连杆、长活塞销等是必需的。

附图说明

在图1至图12中，(1)是曲柄轴，(2)是气缸，(3)是活塞，(4)是活塞顶，(5)是连杆，(6)是活塞销，(7)是曲柄销，(8)是曲柄轴的旋转轴线，(9)用于推力载荷的滑块装置，以及(10)是曲柄轴的平衡板。

图13至图20显示了‘对置活塞’的形式和一些应用。

图1和图2显示了简化的概念。

图3至图6显示了所述概念在单气缸发动机和四气缸发动机中的应用。活塞由两部分组成，为了装配的原因，所述两部分在(15)和(16)处彼此锁定。活塞体具有狭长切口(17)以允许连杆的运动。在活塞销侧，活塞具有类似于传统的活塞裙的滑块装置(9)。位于曲柄销(7)和平衡板(10)之间的曲柄轴的断面收缩(11)实现了活塞的合理尺寸、惯性和强度。

图7和图8显示了可应用于短冲程发动机(如赛车)中的另一实现。图11显示了基于相同部件的双气缸V90，而图12显示了八气缸V90发动机的活动部件。

具体实施方式

对于更长的冲程，可将图7的活塞修改为图9中所示的活塞，此处三角形形状提供了刚性和轻便。在图9中，推力载荷通过滚轮(9)来承载。

根据活塞靠近上死点停留的附加时间，连杆长度的重要性通过图10中的表变得明显。使用短连杆并在大约5500rpm下运行拉杆发动机，根据时间-容积状态，工作介质感觉就像是在4000rpm(5600＝1.4*4000)下旋转的长杆传统发动机内部燃烧。基于此，特别是柴油和天然气发动机的动力集中明显升高。

与相同冲程的传动发动机相比，尽管活塞更长，但是发动机可更短，并且气缸盖与曲柄轴之间的距离可明显更小。

因为所计算的不是燃烧期间的标称压缩比，而是平均压缩比，所以特别对于柴油机，可以使用较低的压缩比来降低部件的应力，而不会降低效率。

可以改进赛车用发动机的鲁棒性、紧致性和动力输出。

更短的连杆更轻、更坚硬，适合于更高的转速，并且为燃烧提供更多的时间。活塞顶上的气体压力和最大惯性力仅以张力对连杆加载。

推力载荷通过传统的滑块装置或滚动装置等不是在靠近燃烧室的热气缸壁处，而是在活塞的另一端处传递到外壳。在活塞此区域中的间隙和润滑更易于控制并且更可靠，提供对源于燃烧的冲击载荷和惯性力的更多抑制。在使用短和很短连杆的情况下，与源于改进燃烧的收益相比，在机械摩擦和振动方面，附加推力载荷的代价是小的。

图13至图20的PRE的‘对置活塞’由于更轻的重量和更小的体积实现了自给自足和有效的操作。通过提高燃烧时工作介质的恒定容积程度而增加热效率。处于高压力的附加时间可将有效的燃烧转速限制变得更高，特别是对于压缩点火发动机，从而增加动力集中。活塞在两端上具有顶。距发动机中心的远端顶与单向阀协作在发动机的边缘形成排气泵或压缩机，而另外的顶在中心处形成燃烧室，从而实现直通排气。两个短冲程的对置活塞形成长的中心汽缸并由此形成紧凑而有效的燃烧室。每个曲柄轴设置在其配合的活塞销与燃烧室之间。显然，活塞销可设置在活塞的另一侧，即燃烧顶一侧，但这缩短了可用于有效燃烧的时间。

在图15和图16中，两个同步相对旋转的曲柄轴的每一个驱动具有倾斜叶片的转子/耳轮，以形成轻便的飞行器。具有倾斜叶片的转子仍是非传统的。

在图17和图18中，对置的活塞PRE驱动两个传统的转子。每个转子以恒定的速度或万向节式连接连接到其配合的曲柄轴，并且可以相对于其配合的曲柄轴轴线的小的倾斜转动安装在发动机的外壳上。这样，两个平行并彼此靠近的曲柄轴驱动两个‘倾斜’的大直径传统转子，而不会发生碰撞。这种布置对于轻便的飞行器而言似乎是理想的。

在图15至图18的飞行器中，飞行员/驾驶员通过改变发动机的转速/负载并通过相对于发动机/转子组移动他的身体来保持控制。运动可从完全的悬停到如同飞行器的飞行。没有来自转子的补偿扭矩，既没有惯性也没有燃烧振动，并且由于叶片仅仅一个在另一个之上逐渐扫过，所以抑制了噪声。动画可在www.pattakon.com网站上找到。

轻便飞行器的关键一直是原动机的重量，由此导致的反作用扭矩、振动和消耗。为实现在更高高度的飞行，或仅对对置活塞PRE增压，压缩机顶的直径可增加，如图14中所示，以补偿空气密度的下降。不存在凸轮轴、同步齿形带、提升阀等使得发动机可靠和轻便。由于两个转子在旋转时具有相似的阻力，由图13中的虚线圆所示的四个同步齿轮保持几乎无负载。

图15至图18中所示的系统还可用作飞机和直升机的推进系统，其减缓了飞机本体的振动和反作用扭矩。显而易见地是，活塞顶不需要具有相同的尺寸，一个活塞可以是传统的或者仅仅套阀是传统的，并且直通排气只是一个选择。

用两个发电机代替图15至图18的两个转子，可形成无惯性振动和无燃烧振动的发电站，如图19中所示，用于混合动力汽车、振动敏感的应用、固定的应用等。

图20显示了可应用在自行车、汽车、卡车等上的另一对置活塞PRE布置。两个曲柄轴沿相同的方向通过中心正齿轮同步旋转。动力从两个曲柄轴流向中心正齿轮，然后通过离合器到达变速箱或负载。

尽管已详细描述和示出了本发明，但是应清楚理解的是所述描述和图示仅作为说明和示例，而不应当作限定。本发明的精神和范围仅通过附带的权利要求限定。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种往复式内燃发动机，至少包括：

燃烧室；

第一曲柄轴；

第一活塞，其可滑动地安装到气缸中；

第一连杆，所述第一连杆在曲柄销处附接到所述第一曲柄轴，所述第一连杆在所述第一活塞的活塞销处附接到所述第一活塞；

第二曲柄轴，所述第二曲柄轴与所述第一曲柄轴同步旋转；

第二活塞，其可滑动地安装到气缸中；

第二连杆，所述第二连杆在曲柄销处附接到所述第二曲柄轴，所述第二连杆在所述第二活塞的活塞销处附接到所述第二活塞；

所述第一活塞和所述第二活塞密封所述燃烧室的两侧；

其特征在于：

所述第一曲柄轴设置在所述燃烧室和所述第一活塞的活塞销之间，以将燃烧转移到慢死点，

所述第二曲柄轴设置在所述燃烧室和所述第二活塞的活塞销之间，以将燃烧转移到慢死点。

2.根据权利要求1所述的往复式内燃发动机，其中，所述两个活塞的至少一个的与燃烧室相对的一侧密封泵或压缩机或排气泵的压缩室的一侧。

3.根据权利要求1所述的往复式内燃发动机，其中，所述发动机具有对置活塞布置。

4.根据权利要求1所述的往复式内燃发动机，其中，所述发动机具有对置活塞布置，并且所述两个活塞的至少一个的与燃烧室相对的一侧密封排气泵的压缩室，

从而由于内置式排气泵，形成自给自足的对置活塞发动机，所述发动机由于增加的燃烧的恒定容积部分，所以具有增加的热效率；由于更高的转速，所以具有增加的动力集中；由于燃烧时的附加活塞停留时间，所以燃料可有效地燃烧；由于两个曲柄轴的短距离，所以具有紧凑和轻便的同步传动装置；因为推力载荷远离活塞的燃烧侧并远离气缸的热区域而承载，所以具有更小的摩擦和改进的润滑。

5.一种往复式内燃发动机，至少包括：

曲柄轴(1)；

气缸(2)；

活塞(3)，其可滑动地安装到所述气缸(2)中，所述活塞(3)具有活塞顶(4)，所述活塞顶(4)密封燃烧室的一侧；

连杆(5)，所述连杆(5)在活塞销(6)处附接到所述活塞(3)，所述连杆(5)在曲柄梢(7)处附接到所述曲柄轴(1)，

其特征在于：

燃烧专门在所述活塞的仅仅一侧处发生；

所述曲柄轴设置在燃烧室和活塞销之间，以将燃烧从快死点转移到慢死点；

所述活塞通过至少一个连杆附接到仅专门一个曲柄轴；

推力载荷通过传统的滑块装置或者通过与活塞一起往复运动的滚轮而承载，

从而它形成这样的发动机，所述发动机将传统发动机的简单性与改进的热效率结合，所述热效率的改进归功于增加的燃烧的恒定容积部分，摆脱了现有技术的复杂性，没有同步的曲柄轴半体，没有不成比例的长连杆，没有服务于相同活塞的双曲柄轴，没有不同时间容积扩张特性的不同燃烧室，没有承载推力载荷的固定轮，没有十字头，具有通过燃烧压力仅加载张力的连杆，具有在活塞的冷却侧和气缸的冷却侧施加的推力载荷。

6.根据权利要求5所述的往复式内燃发动机，其中，所述曲柄轴穿过所述活塞。

7.根据权利要求5所述的往复式内燃发动机，其中，第二曲柄轴与曲柄轴(1)同步旋转，第二活塞通过第二连杆附接到第二曲柄轴，活塞(3)和第二活塞密封燃烧室的两侧，以形成对置活塞的拉杆发动机。

8.根据权利要求5所述的往复式内燃发动机，其中，第二曲柄轴与曲柄轴(1)同步旋转，第二活塞通过第二连杆附接到第二曲柄轴，活塞(3)和第二活塞密封燃烧室的两侧，以形成对置活塞的拉杆发动机，活塞(3)和第二活塞具有形成发动机的排气泵的第二活塞顶。

9.根据权利要求5所述的往复式内燃发动机，其中，所述发动机是多气缸发动机，它的气缸布置成一排或多排，并且所述多气缸发动机具有唯一的曲柄轴，所述曲柄轴保持它的整体性并用作单件曲柄轴，为多气缸发动机的所有气缸服务。

10.一种往复式内燃发动机，其由传统的“往复式构件到连杆到曲柄轴”的机构通过使往复式构件围绕它与连杆的枢轴接头旋转半圈并通过将曲柄轴设置于在一侧通过往复式构件密封的燃烧室和往复式构件与连杆的枢轴接头之间而产生，由此燃烧在发动机的慢‘死点’处以简单和实用的方式传递，为混合物或喷雾提供在更好条件下的更多时间以进行准备和燃烧。

Claims (10)

1.一种往复式内燃发动机，至少包括：

气缸；

曲柄轴；

活塞，其可滑动地安装到所述气缸中，所述活塞密封燃烧室的一侧；

连杆，所述连杆在活塞销处附接到所述活塞，所述连杆在曲柄梢处附接到所述曲柄轴，曲柄轴设置在活塞销和燃烧室之间，以将燃烧从快死点转移到慢死点，保持传统发动机的简单性，保持曲柄轴的整体性，而不将它分成曲柄轴半体。

2.如权利要求1所述的往复式内燃发动机，其中，所述曲柄轴穿过所述活塞。

3.一种往复式内燃发动机，至少包括：

曲柄轴(1)；

气缸(2)；

活塞(3)，其可滑动地安装到所述气缸(2)中，所述活塞(3)具有活塞顶(4)，所述活塞顶(4)密封燃烧室的一侧；

连杆(5)，所述连杆(5)在活塞销(6)处附接到所述活塞(3)，所述连杆(5)在曲柄梢(7)处附接到所述曲柄轴(1)，

其特征在于：所述曲柄轴设置在所述燃烧室和所述活塞销之间，以将燃烧从快死点转移到慢死点，保持曲柄轴的整体性。

4.如权利要求3所述的往复式内燃发动机，其中，所述活塞销(6)的中心专门在曲柄轴(1)的旋转轴线(8)的与燃烧室相对的一侧处移动。

5.如权利要求3所述的往复式内燃发动机，其中，所述曲柄轴(1)是单件曲柄轴，所述活塞(6)运动地连接到专门一个曲柄轴。

6.如权利要求3所述的往复式内燃发动机，其中，活塞(3)在其与其活塞顶(4)相对的一侧处具有第二活塞顶，所述第二活塞顶密封第二压缩或燃烧室。

7.如权利要求3所述的往复式内燃发动机，其中，第二曲柄轴与曲柄轴(1)同步旋转，第二活塞通过第二连杆附接到第二曲柄轴，活塞(3)和第二活塞密封燃烧室的两侧，以形成对置活塞的拉杆发动机。

8.如权利要求3所述的往复式内燃发动机，其中，第二曲柄轴与曲柄轴(1)同步旋转，第二活塞通过第二连杆附接到第二曲柄轴，活塞(3)和第二活塞密封燃烧室的两侧，以形成对置活塞的拉杆发动机，活塞(3)和第二活塞具有形成发动机排气泵的第二活塞顶。

9.如权利要求3所述的往复式内燃发动机，其中，所述曲柄轴(1)包括平衡板(10)和断面收缩(11)，所述断面收缩(11)设置在曲柄销(7)和平衡板(10)之间，以实现两个活塞端的刚性和紧凑的连接。

10.一种往复式内燃发动机，其由传统的“往复式构件到连杆到曲柄轴”的机构通过使往复式构件围绕它与连杆的枢轴接头旋转半圈并通过将曲柄轴设置于在一侧通过往复式构件密封的燃烧室和往复式构件与连杆的枢轴接头之间而产生，由此燃烧在发动机的慢‘死点’处以简单和实用的方式传递，为混合物或喷雾提供在更好的条件下更多的时间以进行准备和燃烧。

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