CN103443399A - 发动机曲轴及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种发动机，包括一个或多个汽缸，每个汽缸包括一个活塞、一个连杆、一个曲轴、和一个曲柄销，其中该曲柄销进一步包括一个主曲柄销和一个曲柄销延伸部，其中该连杆一端被附连到该活塞上并且另一端被附连到该曲柄销延伸部的第一末端上，并且其中该主曲柄销的一个第二末端被附连到该曲轴上，从而当该活塞处于做功冲程的上止点时，该曲轴处的转矩实质上大于零。

Description

发动机曲轴及使用方法

技术领域

在此描述的系统的领域是将在通过给定量的燃料功率密度的动力产生方面提供显著改善的内燃发动机的曲轴设计。将线性能量转换成转动能量的许多装置将受益于在此描述的本系统的申请。

相关技术的相关说明

为了演示目的将使用四缸内燃发动机而对应用具有少于或多于四缸的发动机产生限制。

为了更好的说明相关技术，在百科全书以及其他权威性原始资料中所包含的多种记录被包含在此并且出现在引号中。

内燃发动机

本系统是对于众所周知的四冲程、或四冲程循环内燃发动机的一种改进。这种发动机包括汽缸活塞，该汽缸活塞被包含在圆柱形汽缸中。燃料被注射到活塞的上方，并且被引起燃烧或爆炸，从而向下驱动活塞。提供了手段来将活塞的线性行程转换成圆形运动。

用于运行这种发动机的物理模型在发动机的重复运行中包括四个不同的冲程。这个周期开始于上止点（TDC），此时这些活塞与曲轴的轴线相距最远。活塞在TDC处最接近该汽缸的顶部。第一冲程是在活塞被向下驱动至与汽缸的顶部相距最远的一个点时终止，这个点称作下止点（BDC）。每个冲程被限定为在TDC与BDC之间的行程。

活塞的线性行程被转换成圆形行程，这是通过包含连杆的一种联动装置将活塞的底部连接到曲轴上实现的，该连杆在一端连接到汽缸的底部上而在另一端连接到曲柄销或曲柄的一端上。曲柄销的另一端被连接到曲轴上，从而使曲轴随着活塞的上升或下降而转动。

这四个冲程被定义为进气冲程、压缩冲程、做功冲程、以及排气冲程。

在进气或吸气冲程，活塞从汽缸的顶部如图3C所示下降至汽缸的底部如图3A所示，从而经过进气口将燃料与空气的混合物抽吸到汽缸中。进气气门在进气冲程开始时打开，并且在这个冲程结束时关闭。

然后活塞上升，从而压缩该汽缸中的燃料空气混合物，如图3B所示。这个运行阶段被称作压缩冲程。

在活塞达到或接近其行程的顶点时，引燃这种燃料空气混合物，从而导致一种爆炸来驱动该活塞向下朝着底部返回。这个冲程被称作做功冲程。当连杆被迫向下时，它引起曲轴转动，从而在连杆上产生转矩，并且引起该连杆转动。在任何时间点上经过活塞的中心以及经过曲轴的截面中心的转矩的量值都是经过该连杆施加的力、在连杆的纵向轴线与曲柄销的纵向轴线之间的角度、以及连杆的纵向轴线与活塞的中心线之间的角度的函数。

在活塞达到BDC之后，再次使活塞上升，这时排气气门打开。用过的燃料空气混合物经过这个排气气门而被迫使离开汽缸。这个排气冲程完成了发动机的四个冲程，然后只要发动力继续运转，就将重复这四个冲程。

这种如当前实施的四冲程发动机包含了多个缺乏效率之处。所产生的这些力不是在任何时间瞬时都是在使得所产生的转矩最大化所要求的方向上。例如，在做功冲程开始时，活塞被直接朝向该曲轴向下驱动，这不会导致曲轴转动，而是试图朝着发动机的底部来推动曲轴。

曲轴被构造和支撑为使它不会在这个方向上平移。因此，在这个部分的做功冲程所产生的能量被转换成热量而不是运动。

物理学相关技术

以下表格示出了转矩在典型的四冲程发动机的做功冲程过程中随着曲轴角度的变化（见C.Johnson at http://mb-soft.com/public2/engine05.txt）。

这个表格示出了针对多个不同曲轴角度的曲柄转角、瞬时压缩比、瞬时压力、瞬时力以及瞬时转矩之间的关系。

这个数据是针对具有9:1压缩比的350HP V-8汽缸发动机确定的。将其包括在内是用来演示转矩是如何随曲轴角度而变化，以及这些不同分量产生力矩是如何作用于整体。具体地说，该表格演示了最大转矩是在由空气燃料混合物点燃所导致的这种瞬时力已消耗到一定程度时产生的。

相关技术的发动机分析

从这些数据可以看出，燃料爆炸所产生的最大力出现在该冲程的顶点，这时该连杆是竖直的，并且所有这些力都指向下。其结果是在这个位置处没有转矩产生，因为转矩是在竖向与连杆（该“力矩臂”）之间的角度的余弦与在垂直于曲柄销轴线的方向上由爆炸所产生的力的乘积的函数。

当这个角度为90度时，该角度的余弦最大。而此时爆炸力被减弱到1256.6，与TDC处的6283.1相比，或者是其最大值的19%。

这样，矛盾的是在曲柄销处于35度与39度之间时转矩被最大化，而在曲柄销达到90度时转矩被减小到其最大值的19%。对于做功冲程的其余180度而言，转矩朝着零值快速降低。

在活塞与曲轴之间的连接的这种当前构形使燃料爆炸所产生的力得到更加有效使用，这是通过对这种联动装置的几何形状进行改变从而使得在引起曲轴转动的力之间的力矩臂为较高值（也就是说高于零）时使爆炸产生的力最大。这是通过在曲柄销与连杆之间引入另一个联动装置实现的。这个另外的联动装置称作“曲柄销延伸部”。在本系统中，曲柄销延伸部以大约90度的角度被永久且刚性地附连到该曲柄销上。

说明书中使用的术语

术语“曲轴”或“曲柄”用来指发动机的一个部分，该部分的运动是转动性的。

术语“曲柄肘”或“曲柄销”用来描述曲柄的多个偏置部分。曲柄销的轴线平行于转动轴线。该曲柄销被用来附接连杆的剖分轴承。

术语“TDC”（上止点）用来描述当活塞连杆以及相关联的曲柄销位于同一平面时活塞行进的最高位置。

术语“BDC”（下止点）用来描述当活塞连杆以及相关联的曲柄销位于同一平面时活塞行进的最低位置。

术语“发动机缸体”或“缸体”表示实体发动机本体。

术语“轴承”用来描述剖分轴承，该剖分轴承被用来附接多个连杆以便控制曲柄销并且加载曲柄销。

术语“飞轮”用来描述用来提供用于存储转动能量的手段的曲轴的任何附接件。由于惯性而存储的转动能量被用来使得曲柄的每次转动时的动力传送变得平滑。

术语“主曲柄销”用来描述本系统的主实施例中所使用的一个结合的曲柄销的第一部分。

术语“曲柄销延伸部”用来描述在本系统中连接在主曲柄销与连杆之间的连接构件。

在此描述的系统的目的是提供藉以在汽缸中使得一种给定的燃料与空气混合物的功率密度由于燃烧而提供的动力通过使用新的曲轴设计而被更有效地利用的手段和方法。

在此描述的实例使用了四缸四冲程发动机，如果应用于其他构形的内燃发动机以及应用于将转动动力转换成如电力和或动能形式的某种其他形式的机构的话不会削弱在此描述的系统的目的。

附图说明

在此描述的本系统的这些以及另外的特征可以通过参照所附说明书以及通过对在此描述的这些实施例进行描绘的附图而得到更好地理解，在附图中：

图1描绘了一种现有技术的典型四缸四冲程发动机。

图2描绘了奥托循环的压力容积曲线图。

图3A描绘了一种用于压缩汽油空气混合气的现有技术典型活塞运动，示出了活塞位于点BDC（下止点）处

图3B描绘了一种用于压缩汽油空气混合气的现有技术典型活塞运动，示出了活塞位于TDC（上止点）之前90度的点处。

图3C描绘了一种用于压缩汽油空气混合气的现有技术典型活塞运动。该图示出了活塞位于点TDC（上止点）处。

图4以该安排的正视图和侧视图描绘了相关技术的四缸发动机的带有多个曲柄销或多个曲柄的曲轴。

图5以该安排的正视图和侧视图描绘了当前实施例的四缸发动机的带有多个曲柄销或多个曲柄的曲轴。

图5A以一种叠加安排对相关技术以及当前实施例的曲轴两者进行了描绘。

图6通过叠加相关技术的曲轴与当前实施例的曲轴而描绘了一种四缸安排。

图7描绘了相关技术的以及当前实施例的这些曲轴与曲柄销的角度关系。

具体实施方式

在此描述的系统的目的是提供藉以使得在汽缸中的一种给定的汽油及空气混合物的功率密度会在燃烧周期过中被更有效地使用的手段和方法。

在此描述的实例使用的是四缸四冲程发动机，如果应用于其他构形的内燃发动机以及应用于将转动动力转换成如电力和或动能形式的某种其他形式的机构的话也不会削弱在此描述的系统的目的。

在此描述的系统不改变燃料的燃烧，而是该系统利用了一种曲轴，该曲轴被设计成与常规曲轴相比来应用以这些转动的曲柄销的更大的角度、使用最高燃烧压力来在这些曲柄销的末端产生更大的切向力。转动曲柄销的角度是相对于TDC平面并且在旋转方向上测量的。

本实施例的与现有技术的四冲程发动机之间最显著的区别是在此描述的新系统不使用典型奥托发动机的常规曲柄销。而是，常规的曲轴被本实施例重新设计的曲轴和曲柄销所替代。

该系统在此描述的用来实现产生更多转矩和动力的这些说明在本系统的说明中被更详细地解释。

由于奥托发动机的这些常规曲柄销的安排，当活塞行进到上止点（TDC）时在汽缸内产生的高的燃烧力不会在曲柄销轴线处产生大的切向力。燃烧的最大的力试图将该曲柄销推动过发动机的底部。

当活塞开始下降时，该曲柄销相对于TDC参考线的角度开始增大。随着该角度增大，在曲柄销的轴线处的切向力也开始增大。

随着活塞的下降，活塞顶部上的压力开始减小。在曲柄销与该连杆的角度达到对于产生转矩最佳的90度时，来自这些气体的压力已经下降并且产生的转矩正处于减小。通过检查该容积/压力曲线图这将变得明显。

第一实施例

在本系统的第一实施例中，重新设计了该曲柄销的形状。常规曲柄销其端侧及轴线在同一个平面上。这个重新设计的曲柄销使到该曲轴轴线的这两个支撑端侧在同一个平面上并且这两个支撑端侧从该主曲轴延伸某一距离。

在这些支撑端侧的末端，存在引到该曲柄销轴线的多个支撑端侧并且这些支撑端侧属于不同平面。在引到该曲柄销轴线的每组支撑端侧之间形成一个角度，如以下讨论的。

在本系统的第二方面，该曲柄销轴线的每个支撑端侧的每段的长度被设计用于使得在整个做功冲程上整体转矩的产生最大化。

根据本系统的另一个方面，重新设计的曲柄销轴线被设计成在具有与常规曲柄销的半径相等的半径的一个圆上行进。该曲柄销轴线的半径是针对每个发动机的最佳性能而设计的，如通过在整个做功冲程上对整体转矩进行计算而得出。

在本系统的又另一个方面中，曲柄销的轴线到与该曲轴相连的这些支撑端侧的距离被设计成用来在到曲轴的与到TDC参考线的这些支撑曲柄销端侧之间产生希望的角度。

在本发明的再另一个方面中，传统的曲柄被一个主曲柄和一个曲柄销延伸部所替代，该主曲柄销以及该曲柄销延伸部在垂直于该曲轴的平面中以0度与90度之间的一个角度彼此刚性地附连。

四冲程发动机相关技术的机械说明

许多往复运动的内燃发动机都将活塞的线性运动转化成转动运动。这典型地是通过使用曲轴来实现的。

参见图1，以简化的形式示出了四冲程内燃发动机100的这些主要部分。活塞116、117、118、102将这些汽缸（A，B，C，D）101内部的线性往复运动转换成曲轴105的转动运动。为了将这种往复运动转换成转动，曲轴具有多个“曲柄臂”或者多个“曲柄销”106、107、108、109。这些曲柄销具有多个支承表面，这些支撑表面的轴线与曲柄105的轴线偏移一个预先计算出的距离115。来自每个汽缸的连杆103附连到这些支承表面上。

曲轴105具有多个直列式支承表面，这些支承表面在多个剖分轴承110内旋转，这些剖分轴承进而是主发动机缸体111的一部分。曲轴通常在末端处连接到一个飞轮112上，该飞轮使得由多个汽缸产生的转矩变化、以及由在每个汽缸的做功冲程的不同部分处的不同的转矩值所引起的转动运动变得平顺。飞轮在高转矩产出时存储转动能量，并且将在其他情况下会出现的四冲程循环的波动特性减小。有时有一个扭转阻尼器或振动阻尼器113连接在该轴的相反的末端处以用来进一步减小沿该曲轴的长度通常呈现在不同点处的扭振。

当活塞102在汽缸壁101中线性地进行上下移动114时，这些连杆103将这些活塞连接到这些曲柄销上以便将来自这些活塞的平移运动的能量转化成曲轴的转动。

这样，通过这些连杆103将曲轴的这些曲柄销106、107、108、109连接到对应的活塞上以便于将往复运动转化成转动运动。

仍参见图1，在四冲程发动机中，这些曲柄销是成对安排的。对于此实例，106是与107配对的，而108是与109配对的。这些曲柄销106和107是与该对108和109曲柄销180度相对的；也就是说，它们是在曲轴的相反侧上。对于带有四个以上汽缸的发动机的曲柄销对之间的分隔度数围绕该曲轴线是小于180度的。当该对汽缸中的一个汽缸处于压缩周期时，该对汽缸中的另一个汽缸是处于排气周期从而在燃烧周期之后排出这些气体。

相关技术的曲轴设计

接下来参见图4，四缸发动机的曲轴400具有四个曲柄销401、402、403和404。曲柄销全部位于同一平面上。曲柄销401和403在同一方向上并且曲柄销402、404它们在相同的方向上并且与曲柄销401、403是180度相反的。图4A中示出的这个侧视图进一步说明了这种几何形状。

当前实施例的说明

在此为了说明本系统，将使用典型构形的四缸发动机而不排除其他构形的内燃发动机以及提供转动能量的其他机构。

参见图5，示出了根据本实施例的曲轴。曲轴500用于四缸发动机。曲柄销501的说明适用于其他的曲柄销507、508、509。

曲柄销501由构件502（该“主曲柄销”）构成，该构件的第一端连接到该曲轴的轴线上，其中该第二端连接到构件503（该“曲柄销延伸部”）的第一端上。503的第二端连接到曲柄销轴线504的第一端上。曲柄销轴线504的第二端连接到构件505（该“曲柄销延伸部”）的第一端上。构件505的第二端连接到构件506（该“主曲柄销”）的第一端上。构件506的第二端连接到该曲轴上。该曲轴不是连续的。该曲轴在到曲柄销构件502的曲轴连接件与到曲柄销构件506的曲轴连接件之间是有间距的，以允许活塞连杆随该曲柄销而转动。曲柄销501和508它们所有对应的构件具有相同的定向并且在所有方面具有相同的尺寸。

曲柄销507和509它们对应的所有构件具有相同的定向并且在所有方面是具有相同的尺寸。它们与曲柄销501和508在所有对应的构件方面是相位离开180度的。所有的曲柄销轴线具有相同长度的转动半径。角511对于每个曲柄销的两个端侧而言是相同的并且对于该曲轴的所有曲柄销而言也是相同的。对该角进行选择以用于最佳的设计和性能。本实施例的曲轴的侧视图示出了这些曲柄销的轴线504、513、510、512以及曲轴500的轴线在气体燃烧压力为最高时是在TDC平面处。而构件502形成了一个角514，该角允许燃烧力在曲柄销构件502的远端处产生高的切向力。角514被设计用于最佳性能。

接下来参见图5A，示出了一段曲柄销508和509连同一段曲轴500。叠加了一段相关技术的曲柄销和曲轴设计以用来示出相似之处和不同之处。这些虚线515示出了现有技术的曲柄销设计。被围在508和509中的这些实线表示本实施例的曲柄销设计。这些曲柄销的相似之处是曲柄销轴线以及到曲轴的这些连接件。角516示出了构件512比现有技术曲柄销构件515超前一个角度516。这个角的大小是由设计确定的并且用于最佳转矩产生。转动方向被示出为518。构件502的长度可以等于、短于或者长于515的长度，如由设计确定的。角516将由为构件503选择的长度来确定。

参见图6，通过叠加的现有技术的以及当前实施例的这些曲轴600示出了一种四汽缸安排。这些虚线601用于现有技术的曲轴而这些实线602用于如在此描述用于该系统的本实施例的曲轴设计。

接下来参见图2，示出了用于奥托循环的相关技术的压力/容积曲线图。汽缸顶部从BDC行进至TDC，这是由曲柄销的长度来确定的。压力通过燃烧而在TDC或者在TDC附近积聚至最高点205，这取决于火花正时以及气体燃烧速度以及发动机转数以及如活塞环和气门的加热和泄漏的其他参数。显而易见的是，通过活塞的少量向下运动压力会急剧减小。这就是为何在向下运动的活塞的顶部产生大的切向力是重要的。这通过图7的说明将变得明显。

在我们着手对图7进行解释之前，着重回顾转矩的基本原理。

转矩是在与物体的转动轴线相距某一距离处施加在该物体上的力的结果。如果转矩在一段时间上起作用的话，这个结果被称为功率。在汽车发动机的情况中，所使用的功率单位称作马力。在四冲程发动机的情况中，点燃燃料的力量导致了转矩引起了连杆的线性运动并且这种线性运动被转换成曲轴的圆形运动。

参见图7，汽缸700的活塞在TDC点701。在这个点处，假设已经发生了点火和全部燃烧并且已经积聚了最大压力，在带有以虚线指示的曲柄销710的常规曲轴上，以箭头706并且以与曲柄销710成一条直线的连杆708指示的向下的这种压力将试图推动该曲柄销经过发动机的底部。参照以上指示的发动机分析表格。在0（零）度时，活塞的顶表面上的瞬时力被示出为6283.1磅。在经过TDC10度时，这个瞬时力被示出为5923.1磅。损失为362磅。如果我们假设，角718是经过TDC后10度的话，在曲柄销的末端处的切向力将基于5923.1磅进行计算。对于同一个10度的角度，本实施例的曲柄销将收到6283.1磅的TDC力。如果活塞的顶部在点701已经向下行进了距离704而到达点702的话，并且本实施例的曲柄销轴线已经转动了一个假设为30度的角度711，则在本实施例的曲柄销在点715处施加的力将为4090.8磅。因为本实施例的曲柄销的连杆707和构件714形成了一条至点712的近似直线，这个4090.8磅的力将近似对曲轴716轴线产生最大瞬时转矩。以下这些计算并不是完全精确的，而是用于说明目的的粗略近似值。

对于在位置715a的并且具有近似60度的角717的常规曲柄销而言，活塞的顶部将从TDC行进距离705而到达位置703。在点712处施加的力将为2094.4磅。对于长度为1.75英寸或者0.146英尺的曲柄销而言，产生的转矩将为转矩=2094.4×0.146=305英尺磅。对于这两个转矩的计算假设的是该连杆与曲柄销臂715a成90度。就同样的假设而言，本实施例的曲柄销在活塞顶部位于点702处且连杆707施加在本实施例曲柄销的点715时将以4090.8磅的力起作用。由本实施例的曲柄销在30度的角711产生的转矩将是转矩=4090.8×0.146=597英尺磅。这两种情况下计算出转矩是瞬态的。可以更详细地证实的是在运转转动的整个过程上本实施例的曲柄销产生的转矩将始终大于相关技术的对应的曲柄销产生的转矩。

对在做功循环的时间段上由本实施例产生的转矩进行整合，可以示出的是本实施例的发动机的马力将实质性地大于相关技术的四冲程发动机的马力。

虽然本系统已经被详细地并参照其多个特定实施例进行了说明，本领域技术人员应清楚的是在不脱离本系统的精神和范围的情况下能做出各种变化和修改。

Claims (6)

1.一种发动机，包括一个或多个汽缸，每个汽缸包括一个活塞、一个连杆、一个曲轴、以及一个曲柄销，其中该曲柄销进一步包括一个主曲柄销和一个曲柄销延伸部，其中该连杆一端被附连到该活塞上并且另一端被附连到该曲柄销延伸部的一个第一末端上，其中该曲柄销延伸部的一个第二末端被刚性地附连到该主曲柄销的一个第一末端上，并且其中该主曲柄销的一个第二末端被附连到该曲轴上。

2.根据权利要求1所述的发动机，其中在该曲柄销与该曲柄销延伸部之间的角度在该活塞处于上止点时约为90度。

3.根据权利要求1所述的发动机，其中在该主曲轴与该曲柄销延伸部之间的角度是这样的使得该整个做功冲程上的整体转矩最大化。

4.根据权利要求1所述的发动机，其中该邮件曲柄销与该曲柄销延伸部在一个垂直于该曲轴的平面中成一条直线。

5.根据权利要求2所述的发动机，其中该邮件曲柄销与该曲柄销延伸部在一个垂直于该曲轴的平面中成一条直线。

6.根据权利要求3所述的发动机，其中该邮件曲柄销与该曲柄销延伸部在一个垂直于该曲轴的平面中成一条直线。

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