CN102985638B - 改进的燃烧发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及内燃机并且特别涉及利用苏格兰轭将直线移动转变为旋转运动的往复活塞发动机。特别的，为了有效点火和燃烧指定的燃料负载的该空气/燃料混合物，本发明的该活塞和/或该些活塞能够在它们的最高位置放置一个时间段，因此通过在该活塞和/或驱动该曲柄的动力轴之间更有效的耦合，提供该活塞发动机的效率增加。

Description

改进的燃烧发动机
技术领域
本发明涉及内燃机并且特别涉及利用苏格兰轭将直线移动转变为旋转运动的往复活塞发动机。
背景技术
熟知本领域的技术人员可以理解，内燃机现在已经伴随我们几十年并且变成最熟悉的设计，其中，往复活塞使用连杆连接活塞至曲柄轴的曲柄销以转变活塞的直线往复运动成为该曲柄轴的旋转运动。
通常，连杆在其两端连接至活塞和曲柄销的地方是可连接的。这一活塞通过穿过该活塞和连杆的肘销连接至该连杆。通常，对于如此的内燃机的这些种设计称之为滑块曲柄发动机。然而，时间已经证明这些类型的内燃机具有显著的缺点和限制。
已经存在推动，尤其是现在矿物燃料变得缺乏，并且存在较大的通过来自传统内部燃烧能量的废气来改进传统的滑块曲柄发动机以保护环境的社会重点。
苏格兰轭已经用于寻求在滑块曲柄发动机上应用循环动力学的特定的发动机设计中。
通常，传统的苏格兰轭发动机通过非可连接的连杆连接两水平相对的活塞至具有容纳曲柄轴的曲柄销的槽的梭子。导向设施限制该梭子的运动至直线路径并且当该曲柄轴旋转通过其范围时该曲柄销在该槽内滑动，转换该直线往复活塞移动成为旋转曲柄轴运动。
由于熟知本领域的技术人员可以认识到，该梭子内的该槽必须至少与该曲柄销直径一样宽并且至少与该曲柄销行程的直径一样长。
进一步，由于该活塞杆为限制为直线往复运动的活塞板或类似物的一部分，该曲柄轴的任何移动将自动引起该活塞延伸或缩回离开任何可预设的瞬时位置，包括点火位置。
发动机设计中的当前趋势是使用传统的具有苏格兰轭结构的活塞杆增加发动机每分钟转数。传统苏格兰轭的使用通常并不总是可行的，因为该活塞行程短并且可用于吸入空气进入燃烧室的时间非常短。对于燃料来说这使得燃烧处于少于理想的15比1空气/燃料配给，转而，留下未燃尽的燃料作为污染物排放进入大气。
排放的未燃尽的燃料浪费了本应当转换为驱动活塞的动力的能量。
在当前可得到的滑块曲柄发动机以及苏格兰轭两者的基础设计中实际上出现的是，在该活塞杆和曲柄轴之间存在低效的耦合，并且迄今为止，为克服这一问题所有人曾做过的是试图通过包括额外的昂贵的进气阀放置于每个汽缸内，以便于起因于该空气/燃料混合物的不完全燃烧的额外的空气吸入。
因此，克服活塞杆/曲柄轴耦合中的低效率的最好方式其中之一是创造一种活塞杆借以处于其完全延伸位置一时间段而不是一时间点的机构，其中，在火室内该活塞的全部的力将会以完全垂直的位置定位在其最上面的位置，从而然后提供确保该空气/燃料混合物有效燃烧的点火。
因此，本发明的目的在于克服上述问题中至少一部分，或者提供一种有用的选择。
本发明的进一步目的在于提供一种基于使用苏格兰轭配置的原理的内燃机，其中，为了指定的燃料负载的该空气/燃料混合物的有效点火和燃烧，该活塞和/或这些活塞能够在它们的最高位置放置一个时间段，因此通过在该活塞和/或驱动该曲柄的动力轴之间更有效的耦合，可论证的提供该活塞发动机的效率增加。
本发明的进一步目的和益处将通过完整阅读下面的说明而明白。
发明内容
因此，在本发明的一种形式中，虽然这不必是本发明的唯一形式也不必是最广泛形式，提供了一种内燃机，所述发动机特征在于：至少一活塞，其关联于苏格兰轭结构以转换该至少一活塞的大体上直线的运动为曲柄轴的可旋转运动；以及
其中所述苏格兰轭结构配置为使它的运转模式在当该曲柄轴处于第一角度范围内时的曲柄模式以及当该曲柄轴处于第二角度范围内时的凸轮模式之间为可互换的，所述凸轮模式为当该曲柄轴处于该第二角度范围内时使得该至少一活塞停留。
优选的，所述第二曲柄轴角度范围在0°和45°之间。
优选的，所述第一曲柄轴角度范围在45°和360°之间。
优选的，所述苏格兰轭结构包括能够由关联于该曲柄轴的轮构件衔接的内周边缘，以使所述轮沿其旋转导向。
优选的，所述内周边缘包括沿该苏格兰轭结构的所述内周边缘的肩部，所述肩部沿所述内周边缘成形并且定位以使当该轮构件衔接该肩部时，该活塞处于并保持在它的最上面的位置，其中所述活塞将保持于所述最上面的位置直至该轮构件已经旋转导向超过该苏格兰轭结构的该内周边缘的该肩部。
优选的，所述内周边缘形成与该至少一活塞相同的结构的一部分，所述结构包括导向工具以便利其直线运动。
优选的，所述导向工具包括沿大体上平行于该活塞的运动延伸的外壳可移动的一系列滚轮，所述滚轮旋转支撑于它们各自的外壳内。
优选的，所述苏格兰轭结构包括在其两侧的两组导向工具。
优选的，该至少一活塞包括活塞头和可移动的内部滑动装置作为当该活塞在它的室内延伸和缩回时对该活塞提供无摩擦的气密的支持的工具。
优选的，每个苏格兰轭结构包括与其关联的两个活塞。
在本发明的一进一步形式中提出了一种内燃机，所述发动机特征在于：
至少一活塞，其与苏格兰轭结构结合以转换该延伸和缩回的活塞的大体上直线的运动为曲柄轴的可旋转运动，所述沟通包括具有曲柄模式和凸轮模式的轮构件，所述苏格兰轭结构以所述轮适合于在那附近旋转导向的内周边缘为特征，该苏格兰轭的所述内周边缘包括沿所述内周边缘长度的适合于衔接该轮构件的肩部以使该轮构件的运转模式起凸轮的作用，从而维持该活塞的位置于相同的经延伸或经缩回的位置直至该轮构件旋转超过该苏格兰轭的该内周边缘的该肩部，从而改变该轮构件的该运转模式回到曲柄模式中，该轮构件随后的旋转转换该延伸和缩回的活塞的直线的运动为对着该曲柄轴的旋转运动。
优选的，该苏格兰轭的该内周边缘配置为当该轮构件衔接沿该内周边缘的长度的该肩部并且该轮构件进入该凸轮模式时，处于该肩部衔接，在该活塞的汽缸室内该活塞处于并保持在它的最上面的位置，其中所述活塞将保持于所述最上面的位置直至该轮构件已经旋转导向超过该苏格兰轭结构的该内周边缘的该肩部。
优点是，该内周边缘引入沿它的长度的该肩部，使得该轮构件绕该边缘的旋转使该轮构件保持在该肩部上，并且因此当该活塞处于该最高的经延伸的位置时，在该凸轮模式中其引起曲柄轴旋转在0°到45°之间的一段时期的导向。
优选的，在点火该空气/燃料混合物的时刻当该活塞处于该最高的位置时，该曲柄轴继续在0°到45°之间的旋转并且没有任何这样的旋转运动转换在该活塞的直线运动上。
这样的布置的优点是，使用引入沿该苏格兰轭配置的该内周边缘的肩部长度，意味着一旦该轮构件衔接该肩部，引起直线运动转换为旋转运动的在该活塞和该曲柄轴之间的不间断的直线运动短暂的中断，该轮构件开始从曲柄到凸轮的功能性改变。
由于当接触该肩部时该轮构件不是凸轮，因此该活塞自它的最高的位置的定位没有变化。优点是，由于通过从曲柄至凸轮切换或改变该轮构件的模式有效的分离该活塞杆和曲柄轴，意味着该活塞能够具有确定的停留时间保持在该最高的位置，使该碳氢化合物燃料完全燃烧。
优点是，没有未燃尽的燃料作为污染物排放进入大气。
优点还有，由于没有排放的未燃尽的燃料，不浪费能量，并且实际上，由于该燃料在极大程度上全面的点火，这样转化为额外的动力以驱动在该曲柄轴上的该活塞等等。
优点是，在该苏格兰轭上引进该肩部的这种独特的重新设计的苏格兰轭，允许该轮构件从曲柄变化为凸轮以使该活塞和曲柄轴脱离。这种分离产生固定长度的时间段使该活塞处于该最上面的位置，所以点火该燃料将引起该活塞的整个力量被应用，因为一旦该轮构件再次变为作为曲柄直接衔接，全部的燃料燃尽并且这样在输出轴转换为到该曲柄轴的较高的转矩动力。
熟知本领域的技术人员可以理解，与活塞杆和曲柄轴之间传统耦合的可能相比，这种布置应用更多的该活塞的动力至该输出轴并且遍及该动力行程的较大部分。
通过这种独特的特征，人们能够有效的设计该苏格兰轭的该内周边缘，以使该轮构件绕该内周边缘的可旋转运动能够对于该曲柄轴旋转的确定的旋转角度度数，要么是经延伸的位置之间要么是经缩回的位置之间可以不引起该活塞行进的运动。
优选的，该内周边缘引入沿它的长度的该肩部，使得该轮构件绕该边缘的旋转使该轮构件保持在该肩部上，并且因此当该活塞处于该最高的经延伸的位置时，在该凸轮模式中其引起曲柄轴旋转在0°到45°之间的一段时期的导向。
因此，在点火该空气/燃料混合物的时刻当该活塞处于该最高的位置时，该曲柄轴能够继续在0°到45°之间的旋转并且没有任何这样的旋转运动转换在该活塞的直线运动上。
凸轮(压力)和曲柄(释放)的旋转优选遵照下面表1中的这些列表的结果；
表一
停留允许全部燃料有效率的燃尽并且在最有效的曲柄角度(转矩)有效的(降低发射物)释放全部压力。无摩擦设计增进马力和可靠性。轭设计能够变更为TDC之前或之后的任意运动角度。
情况相反时，通过使用在该曲柄轴和该活塞之间具有分离效果的该轮构件，从而使该活塞一旦处于该最上面的位置，确定的停留时间将引起该带有空气的燃料混合物的有效燃烧。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。附图中：
图1绘示本发明一实施例的示意图，其中提供了一四汽缸内燃机；
图2以分解配置绘示图1的分解图，绘示了具有两个活塞连接到那里的苏格兰轭的一个示例；
图3绘示了表示经过旋转一段时间在各个汽缸内的该曲柄轴和该活塞之间关联的运动转换的示意图；
图4a-4b绘示图3中所示的表示的进一步扩展的示意图，其中完整的曲柄轴旋转于0°到360°之间经确认与对相应的旋转的经转换的活塞行进相关；
图5绘示相似于图2中所示的处于未展开配置的实施例，包括了一些额外的特征和描述；以及
图6引入本发明的进一步的实施例，其中该曲柄轴用调制段构造。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明进行详细说明。尽管下面的说明中包括了代表性的实施例，但是并不排除其它实施例的存在，并且所描述的实施例可以作出不脱离本发明的精神和范围的改变。在整个实施例和下面的说明中，如果可能，相同的标号将用来指示相同或相近的部分。
现在参见更加详细的附图，其中，该内燃机10包括作为其布置的一部分的分为顶部28和底部26的苏格兰轭结构12。
该苏格兰轭结构12包括内周边缘13，其提供了适合于轮构件29在那附近关于其旋转的导向装置。
图1中，绘示了一种四活塞，或更精确来说，四汽缸内燃机。
为了简明，该各自的活塞16，18，20和22将在其中延伸和缩回的现行的汽缸室已经移除，从而能够更清楚的讨论本发明重要的和有创造性的方面。
活塞对16和18，以及20和22，形成该全部的苏格兰轭结构12的一部分。因此，当汽缸室内发生燃烧时，该些活塞以及因此该苏格兰轭结构12沿直线路径移动，并且这样的移动经由在该苏格兰轭结构12旁边延伸的曲柄臂33转化为对着曲柄轴的转动运动。在该绘示的实施例中，该曲柄轴包括在其末端的两圆盘31，在它们的外表面上为网状的以便于连接至外壳或其它发动机组件(未绘示)。
导向构件30已经包括在内，并且通过布置一般作为32绘示于图2中的滚珠轴承配置，包含旋转支撑于各自的外壳38，39内并且通过螺栓34连接在一起的一系列滚轮36。
该导向装置30和该轴承或滚轮布置32一起在极大程度上有助于该各自的活塞在汽缸室内自它们的延伸和缩回位置的无摩擦延伸。
如最佳参见于图2，该活塞头17和19能够容易的通过使用固定销43和45移除。
优点是，这意味着当该汽缸头或活塞头需要维修或更换时，工作简单，因为该相应的头能够从该苏格兰轭的上部结构脱离。
由于该轴承或滚轮布置32能够通过该滚轮机构上下导向装置30导向，意味着在该汽缸或活塞头之间当它们上下行进于该汽缸室时没有现行的摩擦衔接。
如可能最佳参见于图5，使用环和刮油刀102意味着当该活塞在该汽缸室内上下行进时没有不必要的加热或升温状态产生，当该轮构件绕该苏格兰轭结构的内周边缘移动时，该移动的活塞的大体上直线运动转换为对着该曲柄轴向上的旋转运动。
如最佳参见于图2和图5，该苏格兰轭结构的上部和底部在相应的点42a，42b和44a，44b处能够通过相应的螺栓61和63固定在一起。
还可以包括可移动的内部滑动装置104作为该布置的一部分，用该导向系统再次增强对在该汽缸室内处于完全无摩擦的气密的延伸和缩回的该活塞的支持，伴随通过该轮构件绕该苏格兰轭结构12的内周边缘旋转移动的效果该活塞上下移动。
优选的实施例呈现出具有倾斜表面的活塞，从而提供了衔接该活塞头与待点火燃料的椭圆表面面积。该椭圆表面提供了较大的表面面积。虽然使用这样的设计是有益的，但是对本发明来说它不是必不可少的。
考虑到图1-5，熟知本领域的技术人员可以15理解投入这种内燃机的系统如何工作，它的主要目的在于引起每个分别的汽缸在其最上面的位置处于燃烧点的一个时间段而不是仅仅一个时间点将具有活塞，以使活塞能够保持在那一最上面的位置，因此燃烧空气/燃料吸入量中的所有的碳氢化合物燃料而不是剩下任何待排出的未燃尽的燃料。
通过该轮构件29对着该苏格兰轭结构12的内周边缘13的肩部41向上旋转并且当这个发生时该轮构件的功能性从曲柄模式变化为凸轮模式的事实，实现了这种产生停留时间的能力以使该活塞在汽缸室内保持在最上面的位置。
因此，如最佳参见于图3，当该曲柄轴在0°-45°之间继续它的旋转时，该些活塞自身没有自它们的最上面的位置移动，这意味着因为该活塞允许停留在它的最上面位置一时间段，尽管该曲柄轴已经继续它的旋转，意味着这个额外的时间允许该碳氢化合物燃料完全燃烧。
优点是，不是在一个时间点而是在一个时间段实现了处于最佳曲柄角度的峰值压力。
当该轮构件29继续它的环绕该苏格兰轭12的内周边缘13的路线时，该肩部41具有确定的长度来保持该轮构件在凸轮模式中直至它离开肩部41以再次加入该苏格兰轭的传统配置，并且通过该轮构件29离开该苏格兰轭结构12的内周边缘13的肩部长度41的运动恢复该轮构件29的功能性为曲柄，这样使得该曲柄轴的任何随后的旋转以及反之亦然该活塞的任何直线运动引起从该活塞至该曲柄轴以及反之亦然在这样的运动之间的直接转换。
传统的苏格兰轭布置虽然难以容易的应用至那些绘示于图1至图5中那样的设计，但是熟知本领域的技术人员可以理解，通常该轮构件非常仔细的约束于该苏格兰轭结构内的连续旋转的导向边内。
该轮构件的任何旋转移动简单的转换为在该曲柄轴上的运动。
因此，只要该曲柄轴处于旋转中该活塞从不保持静止，并且因此该活塞没有机会保持在它的最上面的位置长于仅仅一个时间点而非一个时间段。
无论如何，本发明的优点是，本发明的优点是，引入关于该苏格兰轭的周边缘的该肩部提供了一种手段，使该活塞和曲柄轴通过该曲柄轴旋转确定的角度有效的变为分离。
优点是，由发动机的设计者决定何处及何时该活塞和曲柄轴之间的分离效果发生以及持续多久。
由本发明有效提供的如此的发动机意味着设计者能够决定他们自己的曲柄角度度数和汽缸压力，以实现该碳氢化合物燃料的最佳的火焰燃烧。
虽然这是本发明的必要方面，但是各种有益的10扩展可以包括在其上，至少具有两个汽缸作为一个单件连接至该苏格兰轭结构。
熟知本领域的技术人员可以理解，一个汽缸能够处于点火点，而邻近的活塞可以处于吸入空气的位置，等等。
优点是，通过能够在该苏格兰轭结构上方便的放置两个活塞，意味着该内燃机的尺寸能够大大减少。
同样如上所介绍，通过导向装置30和滚轮32一起引入导向机构，意味着相应活塞与该汽缸室的侧面没有任何摩擦或接触的保持在适当位置，从而再次保持该发动机的温度大体上较低。
图3和图4绘示相对于该曲柄轴旋转该活塞行进的相对距离，该曲柄轴旋转在47开始于0°，然后通过47至92工作，此时曲柄轴旋转延伸至345°。
在如列出的该曲柄轴旋转期间，该活塞行进确定的长度，然而该活塞仅当该轮构件处于曲柄模式时行进，而不是该轮构件开始衔接该苏格兰轭结构的周边缘上的肩部时提供功能性的凸轮模式时。
图6提供了本发明的进一步的实施例，其中，该曲柄轴110可以分为模块化部分112和114等等，以按照所需增进该发动机的额外的苏格兰轭机构以及由此的汽缸容量。
在不偏离本发明的范围的情况下，可以使本发明具有进一步的优点和改进。尽管本发明已经通过被认为是最实用和优选的实施例来显示和描述，但其并不是限制本发明为所揭露的细节，而是为了与权利要求的全部范围一致，从而包括任一和所有的等同装置和设备，可以理解，在不脱离本发明精神和范围的情况下可以作出各种改变。
在下面的任意权利要求中以及在本发明的发明内容中，除非上下文要求，否则由于明确的语言或必要的暗示，词语“包括”表示“包括但不仅限于”，也就是本发明各种实施例中所详细说明的特征可以与进一步的特征相联系。

Claims (8)

1.一种内燃机(10)，用于转换在上死点和下死点位置之间的直线移动构件(16,18)的大体上直线的运动为可旋转轴(110)的旋转运动，其特征在于，所述内燃机(10)包括：
轭结构(12)，其关联于该直线移动构件(16,18)，所述轭结构包括具有第一半径的内弧形周边缘(13)；
曲柄臂(29，33)，其关联于所述可旋转轴(110)并且可随所述可旋转轴(110)旋转，所述曲柄臂(29，33)包括具有第二半径的弧形接触表面，所述弧形接触表面适合于衔接该轭结构(12)的内弧形周边缘(13)，在至少第一轴旋转角度范围自始至终所述衔接为曲柄关联的，期间该直线移动构件(16,18)的延伸或缩回运动转换为该可旋转轴(110)的旋转运动，并且在至少第二轴旋转角度范围自始至终所述衔接为凸轮关联的，期间该直线移动构件(16,18)的位置停留在经延伸或经缩回的位置，以及
其中，所述弧形接触表面和所述轭结构(12)的内弧形周边缘(13)尺寸形成为使从每一轴旋转开始时至45度轴旋转所述衔接为凸轮关联的，以使所述直线移动构件(16,18)停留在上死点，并且，在45度和180度轴旋转之间为曲柄关联的，使得至少在45度和180度之间的角度范围内，所述轭结构(12)的内弧形周边缘(13)接触所述弧形接触表面。
2.如权利要求1所述的内燃机(10)，其特征在于，所述弧形接触表面和轭结构(12)的内弧形周边缘(13)尺寸形成为使在45度和360度旋转之间所述衔接为曲柄关联的，在此期间该可旋转轴(110)转换该直线移动构件(16,18)的直线运动为对着该可旋转轴(110)的旋转运动。
3.如权利要求2所述的内燃机(10)，其特征在于，所述轭结构(12)的内弧形周边缘(13)尺寸包括从所述内弧形周边缘(13)的一平行直线末端偏离的至少一肩部(41)，该肩部(41)包括接触所述弧形接触表面的所述内弧形周边缘(13)。
4.如权利要求3所述的内燃机(10)，其特征在于，所述曲柄臂包括轮构件(29)，其中所述轮构件(29)包括所述弧形接触表面，所述弧形接触表面成为外周边缘以及适合于接触所述轭结构(12)的内弧形周边缘(13)，并且所述轮构件(29)以第二半径旋转。
5.如权利要求4所述的内燃机(10)，其特征在于，所述轭结构(12)的内弧形周边缘(13)尺寸形成为使所述轮构件(29)的外周边缘在该可旋转轴的每一旋转自始至终大体上在两个接触点接触所述轭结构(12)的内弧形周边缘(13)，以使该轮构件(29)由该内弧形周边缘(13)旋转导向。
6.如上述任一权利要求所述的内燃机(10)，其特征在于，所述直线移动构件(16,18)包括导向工具(30)以便利所述直线移动构件的直线运动。
7.如上述权利要求1-5中任一所述的内燃机(10)，其特征在于，所述直线移动构件为至少一活塞(16,18)。
8.如上述权利要求1-5中任一所述的内燃机(10)，其特征在于，所述可旋转轴(110)为曲柄轴。
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