CN1050249A - 往复活塞式内燃机及其类似机器的改进 - Google Patents

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Abstract

一种往复活塞式内燃机，其汽缸装备了活塞、连 接臂、轴承件和锁定装置，连接臂直接或间接联接到 活塞上，轴承件装配在曲轴销周围并连到连接臂上。 机器的特征是：在一种运行方式中，提供了利用锁定 装置消除或大大限制轴承件和连接臂之间的相对运 动的装置；在第二种运行方式中，提供了在轴承件和 连接臂之间能自由地相对运动的机构；同时提供了当 活塞和曲轴销靠近其顶部或底部中心位置时在上述 两种运行方式中进行变换的机构。

Description

本发明涉及在一或多个汽缸中具有往复活塞的机器，特别涉及内燃机（后面称作引擎），更加特别涉及那些其构造能产生较好的燃料经济效益、较好的运行控制和稳定性、较小的磨损以及较少的有害废气排放的引擎。
现有技术已知，许多类型的机器具有一或多个在汽缸内往复运动的活塞，汽缸中的这种运动通过连接杆的中介引起曲轴的旋转运动，或者是由曲轴的旋转运动引起的。此种一类机器是内燃机，它有一或多个以不同构型配置的汽缸，其运行使用不同种类的燃料、不同体系的燃料注入或汽化作用，使用火花点火或压缩点火系统，工作采用二冲程或四冲程周期。本发明的新特点可以在现有技术中包含一或多个连接杆或类似装置的一切种类的机器中实现。
任何机器，特别是通常设计成在其最大额定负载的条件下运行的引擎，不得不常常在部分负载条件下长期运行。在这些条件下必须提供较大的功率余量;但是，这始终会伴随着较大的内耗，造成机器效率的降低。
本发明的主要目的是，通过降低机器的内耗而同时保持其功率余量，来提高机器的部分负载效率。在引擎的情况下，产生较少和较干净的废气，也是本发明的一个目的。本发明的另一个目的是，简化任何引擎的燃料传送和汽化要求，从而通过使用较简单的装置，使得在机器的全部速度和负载范围内，能够产生较平衡和较稳定的引擎运行，并增加多种燃料运行的可能性。
通过下面的说明书和附图可以了解本发明的其它目的和优点。
虽然任何引擎的机械功率输出在实际上都是从汽缸内活塞的运动推导出来的，但是这一运动和随后的气体运动中造成的摩擦损失，是引擎的内部机械损耗的主要来源。在已知技术中，活塞通过一根刚性的连接杆与曲轴的曲柄销相联结。曲轴的转动必然引起连接的活塞的相应的往复冲程，反之亦然。本发明用三个组件的一种新的结合体取连接杆，这三种组件是：a）轴承件，b）连接臂，c）锁定装置。由于本发明采用了这些组件，有可能使引擎的曲轴转动而不引起在部分负载条件下的引擎的任何一个、一些或全部活塞的运动，在那里（没有或）数目较少的活塞冲程仍然可以使引擎以稳定的方式产生所需的功率。按照本发明，通过将活塞停止在汽缸中正常冲程的一端，即使引擎正在运行中，任何汽缸中的活塞的往复运动也可以在任何周期中中止。所需的部分功率是从少数几个效率较高的热动力周期中得到的，这些热动力周期的机械摩擦较小，较少需要节流或加入过量空气。在没有负载或部分负载的条件下，改进的引擎因此比现有的引擎具有更高运行效率;同时这种引擎在一切速度和负载下保持像常规引擎一样的功率余量，因为当任何时候需要时，这种引擎可以几乎立即地使它的所有汽缸对所有周期起动。这对其它机器的情况显然是同样的。
在改进的引擎的一种实施例中，对节流或保持高的过量空气比的要求完全取消了，引擎的功率输出通过调节要停止的汽缸的数目来有效地控制。这个数目按照运行要求经常重新计算。平衡地起动汽缸而后在其各自的峰值功率输出邻近处以那样的速度运行。在每一个起动的汽缸中，对于汽缸的每一个起动周期和预定的燃料量来说，空气是允许自由进入的，给出由对功率或经济的相对强调所决定的想要的过量空气系数，通常为0.8至1.3的范围;空气是在这些周期的压缩冲程期间注入的。闭合环路中的一个反馈控制系统感知引擎的速度，并将它与想要的速度相比较。它自动地增加或减少起动冲程的数目，与引擎上的负载或想要的加速或减速成正比。
在另一个实施例中，通过在所有汽缸中均等地分布起动冲程，可以在部分负载的运行下在所有的汽缸中使磨耗和热的产生相等。在又一个实施例中，汽缸的进气阀和排气阀在其停止周期中保持关闭，并省去了电火花，以减少引擎上的附加内部负载。
在又一个实施例中，当使活塞从其停止状态起动时，存在一个机构，通过具有不止一个的将轴承件锁定在连接臂上的不同位置，可以在引擎的汽缸中具有不同的压缩比。在另一个实施例中，还有即使在起动周期中引起或抑制电火花的机构，和允许在汽缸中采用不同类型燃料的机构。这样改型的引擎，其运行能够在同一或不同汽缸的同一或不同周期内使用种类广泛的燃料-汽油、煤油、柴油等等。在改型引擎的一个实施例中，引擎中的一些或全部活塞对一个可变数目（比如说是“X”）的周期是停止的，而对另一个可变数目（比如说是“Y”）的周期是起动的。这行周期或比值Y/（X+Y）是可控的，以便给出在对应于（X+Y）周期的一段时间内获得的平均功率。这种“开关式运行”方法也被用于控制本发明的改进的单汽缸引擎。在本发明的另一个实施例中，当引擎上的负载大于一定的参考数值时，引擎的每个活塞成为起动;反之则成为停止。结果，任何给定时刻的起动汽缸数目大致正比于引擎上的瞬时负载。在这个实施例中，不同的汽缸按照它们在驱动顺序中的排列到最好具有不同的结构;例如，在最轻的负载下起动的汽缸，具有最小的直径和更强的耐磨性，被连接在较小的汽化器上，具有较低的压缩比，在周期中均等地隔开。另一方面，在最重的负载下起动的“最后救助”的汽缸，具有最大的直径，被连接在较大的汽化器上，属于最短工作寿命的等级，具有较多的阀门和较多的冷却设备，并可以进行涡轮增压。
在本发明的又一个实施例中，引擎装有吹风器或类似装置，它们在引擎的排气管道中引入附加空气，以便当引擎在运行中有一或多个汽缸停止时可以部分地、全部地或过量地补偿体积减小的排气，改善净化，并减小排气中污染物的百分率浓度。
为了更好地理解本发明，并显示本发明可以怎样实施，现在作为例子来参考附图，附图表示一种火花点火的、直列式四汽缸的、注入燃料的、自由通气和不汽化的、四冲程汽油发动的汽车引擎。
图1是改进的引擎的一个汽缸的大体示意的侧视截面图，具有沿中心线的连接臂、轴承件、针形轴承和曲轴和曲柄销的部分截面，图示了本发明的一个实施例中改型引擎部件的几何配置。如图所示，活塞停止在顶部静止中心位置，虽然曲柄销位于中间位置。轴承件在连接臂内部的半中间，可以在其内部自由滑动。轴承件中的轴孔从曲柄销进油，用于这种运动中的润滑。
图2表示在起动的活塞的情况下对曲柄销的同一角度位置的相同视图。
图3是沿上述图2中A-A截面图，表示在汽缸筒和螺管装置上具有垂直减压槽的活塞、锁定框架和汽缸体。在这个槽的顶部，从汽缸体向外开出一个交叉孔，使得当螺管线圈激励时螺管的铁芯可以进入这个槽。铁芯的画交叉阴影线部分是用磁性材料制成的，而其余部分在构造上是非磁性的。
图4表示连接臂、轴承件、包括锁定杆和锁定销及锁定板的锁定机构、带延长臂的活塞的部件分解图。
图5表示电子电路图。
现在参考附图，各种部件的标示如下：汽缸体1，活塞2，轴头销3，连接臂4，针形轴承5，曲轴6，轴承件7，锁定杆8，锁定销9，锁定板10，弹簧11和12，枢轴销13和14，双金属封套15，簧环16，螺管线圈17，铁芯18，摇臂19，推杆20，阀门21，移动装置22，加速电位器23，频率一电压转换器24，加法放大器25，模拟一数字转换器26，十二级二进制计数器27，四位寄存器28，D型触发器29，制动开关30，四通道调制器31。
图2和图3表示起动状态的活塞。螺管线圈处于去激励状态，铁芯由弹簧从汽缸中拉出。在这一位置，安装在铁芯上的移动装置带动所有摇臂的悬挂部件连同它们的各自的推杆，从而使阀门能正常移动。自由支承在活塞的延长臂中的锁定板也可以随活塞在其整个冲程内自由移动。在这种条件下，压缩弹簧11推动销子9，而锁定板的顶端被推动紧靠簧环的内表面。拉伸弹簧12将锁定杆8的顶部拉入轴承件的准方形孔中，直到锁定杆的顶部锥面棱形体顶住轴承件，而连接臂的底面与轴承体的肩部上的面相接触，给出轴承体和连接臂的结合体的外形和性能，与常规引擎的连接杆的外形和性能不同。
如图1所示，为了停止活塞，螺管线圈17被激励，导致铁芯18被拉入汽缸的减压槽中。接近锁定板向上运动的终点，锁定板的顶面现在位于枢轴销13的轴线的一水平面，锁定板在槽中的伸出受该铁芯的阻碍，导致它绕该枢轴线倾斜。这同时导致其下尖端穿入汽缸筒的凹口中，其上尖端推动锁定销，并由此推动锁定杆的底部。前一一动作导致活塞被保持在汽缸筒内，而后一动作导致锁定杆的转动，造成锁定杆从轴承件退回，从而使轴承件与连接臂解脱。在活塞的顶部静止中心位置之前，这个动作被完成，而曲柄销的进一步运动只与轴承件一起，并不与连接臂一起，将活塞留在最顶端位置，并引起连接臂像钟摆一样绕静止的轴头销作枢轴式的振荡，其轴线与曲柄销的中心符合。抗摩擦的针形轴承5减小连接臂和轴承件之间相对往复运动的摩擦。缩回的铁芯同时将摇臂的悬挂部件移出而不与推杆成一直线，从而在活塞停止期间消除阀门运动。活塞装置和汽缸之间的摩擦为连接臂和轴承件之间的较小摩擦所替代;主要轴颈和曲轴的曲柄销轴承的减小的摩擦力归因于由较小的往复质量产生的较小的惯性力、气体交换和阀门齿轮的机械损失减小了;这些导致具有一或多个停止的汽缸的改型引擎在运行中比常规引擎的效率更高。
在任何周期中在曲柄销顶部中心位置之前或在该位置上出现的螺管线圈的去激励使上述动作倒转，导致连接臂重新啮合到轴承件上，活塞在汽缸内是自由的。摇臂的悬挂部件也与推杆准直，最后导致恢复汽缸的一切起动功能，如常规引擎中一样。
在一台如上所述的四冲程引擎中，活塞在顶部静止中心位置受到停止，由于下面说明的原因，仅仅位于排气冲程和进气冲程之间。
图5说明控制引擎的电子电路。电位器24受加速踏板的机械驱动，产加一个正比于它的位移的电压信号。从这个输入电压中减去正比于引擎速度的反馈电压，并放大其结果。按下制动杆导致对放大器的另一个输入，产生放大器的最大正输出电压。
放大器来的模拟信号在A/D转换器中被转换为一个四位二进制代码，位数表示为L0，L1，L2，L3，按照增大的有效位数顺序。负值或零值输入给出输出0000，大于或等于某值的正值产生最大的二进制输出1111。中间的模拟值按照程序被转化为中间的二进制值。这个四位输出被保持在寄存器中，只有以后要说明的在输出Q4的下降边上的引擎的每16个周期之后，寄存器的输出处的数据才翻新。这个16周期的时间进一步划分为四个每四个周期为一组的分组时间。
在每个周期中引擎得到一个脉冲，送入一个十二级二进制除法器/计数器。在Q3和Q4上的二进制代码输出的四种可能组合每种确定一个四周期分组时间。利用这些输出与从寄存器得到的四位二进制输出一起，达到下列四个逻辑变数：
C1*=L1·LO+(L1+L0)·Q4+ LO·Q3· Q4
C2＊＝L2+L3
C3＊＝L3
C4＊＝L2·L3
这四个信号成为引擎的四个有效汽缸的控制信号。逻辑信号1表示汽缸应处于起动方式，逻辑信号0表示汽缸应处于停止方式。
具有四个在此基础上运行的有效汽缸的引擎的运行周期和指示功率，图示于下表中：
Figure 891071059_IMG3
有效汽缸的逻辑值在转动的基础上被分配给实际的汽缸。对于引擎的每个第512和第1024周期的从二进制除法器/计数器来的输出Q10和Q11，通过它们的不同组合，从四个多路调制器的每一个调制器从共同的输入选择不同的输出-C1＊，C2＊，C3＊和C4＊，它们成为单个汽缸的控制逻辑变量，如下表：
表Ⅱ
选择输入  多路调制输出
Q10  Q11  C1  C2  C3  C4
0 0 C1＊C2＊C3＊C4＊
0 1 C2＊C3＊C4＊C1＊
1 0 C3＊C4＊C1＊C2＊
1 1 C4＊C1＊C2＊C3＊
指定的螺管通过单个的D型触发器受到从多路调制器来的输出的激励。引擎凸轮轴上的一个轴式解码器，在排气冲程的结尾，在每个活塞的顶部静止中心位置之前10度处，在独立的线上产生计时脉冲。这些脉冲对相应的D型触发器计时，以保证触发器的状态变化，是与相应汽缸的单个工作周期同步的。
独立的螺管操纵的铁芯（附图中未图示）在汽缸的进气冲程和压缩冲程期间将燃料送入汽缸。在火花点火之前的燃料注入，只有在下述情况下才在汽缸内产生：（1）汽缸的活塞是起动的，（2）制动踏板没有压下。注入的燃料量受铁芯冲程的控制，后者是根据所需的混合物贫富程度来调节的。
因为可以应用本发明优点的机器种类很多，所以对不同机器实施本发明的方式方法也很多。本说明中单个部件的名称只是提示它们在机器中的功能，并不限制部件的结构、形状或大小。

Claims (9)

1、一种往复活塞式机器，其中，对机器的一或多个汽缸(1)装备了几个部件，包括活塞(2)、连接臂(4)、轴承件(7)和锁定装置，连接臂(4)直接或间接地联接到活塞上，轴承件(7)装配在曲轴的曲柄销的周围并连接到上述连接臂上；这种机器的特征是：它们在机器的一种运行方式中，提供了利用锁定装置消除或大大限制轴承件和连接臂之间的相对运动装置；在第二种运行方式中，提供了在轴承件和连接臂之间能够自由地相对运动的机构；提供了当活塞和曲柄销靠近它们的顶部或底部中心位置时在上述两种运行方式中变换的机构。
2、一种如权利要求1中所述的机器，其中，上述第二种运行方式中轴承件和连接臂之间的相对运动通常是一种直线的往复运动。
3、一种如上述权利要求中任何一项所述的机器，装备了第二运行方式中使汽缸中的活塞的位置定位、保持或限制在顶部或底部静止中心位置或其紧邻处的机构。
4、一种如上述权利要求中任何一项所述的机器，装备了评估、测定或预测机器上的负载的内部或外部机构;其中，该负载被用作第二运行方式中确定任何一个汽缸是否应当运行的唯一判据或判据之一。
5、一种如上述权利要求中任何一项所述的机器，其中，在第一运行方式中，利用一或多个轴头销或类似的转动接合将活塞连接到连接臂上，而且其中一部分轴承件伸入活塞的腔中或是在内沿连接臂或是围绕连接臂运动;而且其中至少一部分锁定装置被安置在或是在任何上述轴头销或转动结合内部围绕着它们，或是在它们的紧邻处。
6、一种如上述权利要求中任何一项所述的机器，装备了在任何一种方式中将轴承件锁定在连接臂上产生任选的压缩比的机构。
7、一种如上述权利要求中任何一项所述的机器，它是一种内燃引擎。
8、一种如上述权利要求中任何一项所述的机器，它是一种以四冲程周期运行的内燃机，其中，在上述两种运行方式间变换的机构，也是在周期中持定冲程的开始或接近结尾时在上述两种运行方式间变换的机构。
9、一种如上述权利要求中任何一项所述的机器，它是一种减少或消除部分或全部下述引擎运行步骤的内燃机，即如果引擎在第二方式运行的话，可以消除引擎任何汽缸中的燃料吸气或注入、阀门运动、电火花点燃和气体的流动。
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