CN105556095A - 用于往复式引擎的功率递送装置以及相关系统和方法 - Google Patents

Abstract

在一些方面，经配置以耦合到往复式引擎的往复式元件的功率递送装置经配置以经由实质上稳定、不变(例如，恒定)力矩臂耦合到功率输出元件以产生增加的扭矩和功率。

Description

用于往复式引擎的功率递送装置以及相关系统和方法

技术领域

本发明大体上涉及往复式引擎，且更特定来说，涉及用于往复式引擎的功率递送装置以及相关系统和方法。

背景技术

往复式引擎一般使用机轴来将在汽缸内平移的一或多个活塞的线性往复运动转换成机轴的旋转运动，反之亦然。例如，内燃机(IC引擎)为最常见类型的往复式引擎。往复式引擎一般用于将在各种燃料(例如，汽油)的燃烧期间释放的化学能或热能(例如，源于蒸汽的能量)转换成动能(例如，机械旋转运动)，其可更容易地用于移动事物(例如，推动物体)。往复式引擎的机轴通常为连接到用于移动各种装置或车辆(例如，机动车、发电机、货车、飞机、焊机、轮船、压路机、摩托车、船只等等)的输出装置的引擎元件。

发明内容

在一些方面，从工作往复式引擎提取机械功的方法可包含使用最大长度转矩臂将转矩施加到往复式引擎的输出轴，所述最大长度转矩臂在引擎的往复式元件往复运动且输出轴旋转时保持实质上恒定长度。

实施例可包含以下特征中的一或多者。

所述实质上恒定长度可与往复式引擎的机轴的机轴半径实质上相同。使用最大长度转矩臂可包含使用实质上恒定长度力矩臂将引擎的往复式元件耦合到输出轴。提取机械功可进一步包含通过使用最大长度转矩臂施加转矩来增加往复式引擎的输出功率。最大长度转矩臂可包含在输出轴的旋转期间始终保持其最大长度的力矩臂。例如，将引擎的往复式元件耦合到输出轴可包含将输出轴耦合到界定实质上恒定转矩臂的旋转扭矩递送装置，所述旋转扭矩递送装置经配置以与引擎的往复式元件介接。所述引擎可为内燃机。

使用保持实质上恒定长度的最大长度转矩臂将转矩施加到往复式引擎的输出轴可包含：将平移构件耦合到往复式引擎的往复式元件；以及使用最大长度转矩臂将所述平移构件耦合到输出轴。例如，转矩臂可实质上垂直于平移构件的往复轴以将扭矩施加到可旋转功率输出构件。保持实质上恒定长度的转矩臂可包含耦合到功率输出构件的可旋转齿轮装置和耦合到平移构件的齿条。

在一些方面，往复式引擎可包含至少一个实质上不变长度转矩臂，其在往复式元件的往复运动和引擎的输出轴的旋转期间保持实质上恒定。

实施例可包含以下特征中的一或多者。

所述实质上不变长度转矩臂可具有等于引擎的机轴的机轴半径的长度。引擎还可包含用于使用实质上不变长度转矩臂将引擎的往复式元件的往复运动转换成输出轴的旋转运动的装置。所述引擎还可包含安置在汽缸内的至少一个往复式活塞，所述活塞在一端通过连接杆连接到引擎的机轴且还另外通过实质上不变长度转矩臂连接到输出轴。例如，实质上不变长度转矩臂可至少部分由耦合到输出轴的旋转装置和耦合到往复式活塞的平移元件的组合形成，其中所述旋转装置界定所述实质上不变长度转矩臂。所述旋转装置可包含滑轮、齿轮或链齿轮中的至少一者。平移元件可包含缆线、链条、皮带、拉杆或齿条中的至少一者。引擎还可包含安置在往复式活塞与输出轴之间的离合器装置。所述引擎还可包含用于暂时存储由引擎的往复式元件产生的能量且随后在往复式元件在引擎内行进时将所述能量释放到输出轴的能量存储装置。

所述实质上不变长度转矩臂可包含产生扭矩的转矩臂，所述转矩臂：i)界定在输出轴的旋转轴与平移构件和可旋转构件之间的接触点之间；ii)大体上垂直于平移构件的运动；以及iii)在引擎的往复式元件的往复运动期间保持实质上恒定长度。

在一些方面，用于耦合到往复式引擎的往复式元件的功率递送装置可包含：轴向平移张紧构件，其用于耦合到往复式元件且与其一起平移；以及可旋转构件，其耦合到功率输出元件且与平移张紧构件介接，所述平移张紧构件将轴向力提供到可旋转构件，所述轴向力在平移张紧构件的轴向运动期间使用实质上恒定长度转矩臂将扭矩施加到功率输出元件。

实施例可包含以下特征中的一或多者。

产生扭矩的转矩臂可：i)界定在功率输出元件的旋转轴与平移张紧构件和可旋转构件之间的接触点之间；ii)大体上垂直于平移张紧构件的运动；以及iii)在往复式元件的往复运动期间保持实质上恒定长度。可旋转构件可使用离合器装置耦合到输出元件，所述离合器装置经配置以允许可旋转构件在第二方向上相对于输出元件自由旋转。所述可旋转构件可包含齿轮装置，并且所述平移张紧构件可包含与齿轮装置介接的齿条。

在一些实施例中，往复式元件可为往复式活塞；功率输出元件可为不同于引擎的机轴的旋转功率输出轴；平移张紧构件可为连接到往复式活塞的拉杆装置且基于活塞的往复运动而平移；引擎可包含耦合到拉杆以与拉杆一起平移的线性齿轮装置；引擎可包含耦合到输出轴且经配置以与线性齿轮装置介接的可旋转小齿轮；并且所述引擎可包含单向离合器装置，所述单向离合器装置安置在输出轴与小齿轮之间，以在小齿轮在朝向活塞通过其旋转的机轴的活塞运动的第一方向上旋转时啮合输出轴，其中输出轴的旋转轴与线性齿轮装置和小齿轮之间的接触区之间的距离在活塞在引擎内往复运动时保持实质上恒定。

在一些方面，往复式引擎可包含至少一个活塞和汽缸，所述至少一个活塞在一端经由连接杆连接到机轴且在另外经由实质上不变长度转矩臂连接到输出轴，所述引擎包含：轴向平移元件，其耦合到往复式活塞并与其一起平移；以及可旋转构件，其耦合到输出轴且与平移元件介接，所述平移元件将轴向力提供到可旋转构件，所述轴向力在平移元件的轴向运动期间将扭矩施加到输出轴，实质上不变长度转矩臂：i)界定在输出轴的旋转轴与平移元件和可旋转构件之间的界面区之间；及ii)大体上垂直于平移元件的运动。

实施例可包含以下特征中的一或多者。

所述实质上不变长度转矩臂可在所述活塞朝向所述机轴的向内运动和所述活塞远离所述机轴的向外运动期间保持实质上不变。所述可旋转构件可包含齿轮装置，并且所述轴向平移元件可包含张紧装置以啮合所述齿轮装置。所述引擎还可包含离合器装置以基于所述平移元件的运动方向选择性地啮合所述输出轴。至少一个活塞和汽缸包括四个直列式活塞和汽缸，所述活塞中的每一者经配置以经由实质上不变长度转矩臂啮合输出轴并使其旋转。

在一些方面，经配置以耦合到往复式引擎的往复式元件的功率递送装置可包含：轴向平移张紧构件，其耦合到往复式元件并与其一起平移；以及可旋转构件，其耦合到功率输出元件且与平移张紧构件介接，所述平移张紧构件将轴向力提供到可旋转构件，所述轴向力在平移张紧构件的轴向运动期间将扭矩施加到功率输出元件，其中产生扭矩的转矩臂：i)界定在功率输出元件的旋转轴与平移张紧构件和可旋转构件之间的接触点之间；ii)大体上垂直于所述平移张紧构件的运动；以及iii)在往复式元件的往复运动期间保持实质上恒定长度。

实施例可包含以下特征中的一或多者。

平移张紧构件可包含拉杆。可旋转构件可经配置以与平移张紧构件介接以在平移张紧构件在第一方向上移动时啮合输出元件并使其旋转，并且在平移张紧构件在与第一方向相反的第二方向上移动时脱离输出元件以相对于输出元件自由旋转。可旋转构件可使用离合器装置耦合到输出元件，所述离合器装置经配置以允许可旋转构件在第二方向上相对于输出元件自由旋转。例如，所述离合器装置可为斜撑离合器。所述可旋转构件可为齿轮装置，并且所述平移张紧构件可为与齿轮装置介接的齿条。可旋转构件可包含链齿轮或滑轮，并且平移张紧构件可包含可与链齿轮或滑轮啮合的链条或缆线元件。功率输出元件可包含旋转输出轴。功率递送装置可包含密封构件以限制往复式引擎通过功率递送装置经由其耦合到往复式引擎的开口的汽缸压力损失。所述密封构件可包含迷宫式密封构件。功率递送装置可包含用于暂时存储由往复式元件产生的能量且随后在往复式元件在引擎内行进时将所述能量释放到功率递送装置的能量存储装置。例如，能量存储装置可包含耦合在耦合到往复式元件的平移张紧构件与运动传递装置之间的弹簧元件。往复式元件可为经配置以在往复式引擎的汽缸内往复运动的活塞。

在一些方面中，往复式引擎可包含在汽缸内的至少一个往复式活塞，所述至少一个往复式活塞在一端经由连接杆连接到机轴且在另一端经由实质上不变长度转矩臂连接到输出轴，其中所述引擎包含耦合到往复式活塞并与其一起平移的轴向平移元件；并且可旋转构件耦合到输出轴且与平移元件介接，平移元件向可旋转构件提供轴向力，所述轴向力在平移元件的轴向运动期间将扭矩施加到输出轴，实质上不变长度转矩臂：i)界定在输出轴的旋转轴与平移元件和可旋转元件之间的界面区之间；及ii)大体上垂直于平移元件的运动。

实施例可包含以下特征中的一或多者。

轴向平移元件可包含固定到活塞的拉杆。轴向平移元件可包含线性齿轮装置。所述线性齿轮装置可包含齿条。可旋转构件可包含用于啮合线性齿轮装置的齿轮。所述引擎可包含耦合在输出轴与轴向平移元件之间的离合器装置。所述离合器装置可包含单向离合器。所述单向离合器可包含空转离合器装置。轴向平移元件可包含耦合到拉杆的齿条，并且可旋转构件可包含经由离合器装置耦合到输出轴的小齿轮(其用于啮合齿条)，其中经由拉杆的平移运动，齿条使输出轴旋转。离合器装置可实质上仅在活塞朝向机轴的下行程期间啮合输出轴。离合器装置可在活塞向内朝向机轴行进时啮合输出轴，并且可在活塞向外远离机轴行进时脱离输出轴。实质上不变长度转矩臂可界定在输出轴的旋转轴与平移元件和可旋转构件之间的界面区之间，并且在活塞朝向机轴的向内运动和活塞远离机轴的向外运动期间保持实质上不变。所述引擎还可包含定位在轴向平移元件与输出轴之间的能量存储装置。至少一个往复式活塞和汽缸可包含四个直列式活塞和汽缸，所述活塞中的每一者经配置以经由实质上不变长度转矩臂啮合输出轴并使其旋转。

在一些方面，从往复式引擎提取可旋转功率的方法可包含将平移构件耦合到往复式引擎的往复式构件；以及使用垂直于平移构件的往复轴的实质上一致长度力矩臂将平移构件耦合到可旋转功率输出构件以将转矩施加到所述可旋转功率输出构件。

实施例可包含以下特征中的一或多者。

实质上一致长度力矩臂可包含耦合到功率输出构件的可旋转齿轮装置和耦合到平移构件的齿条。所述引擎可为内燃机。平移构件可在其由于往复式构件的向外运动而行进时脱离可旋转输出构件。可旋转功率输出构件(例如，输出轴)可包含不同于引擎的机轴的旋转轴。

在一些方面，经配置以耦合到往复式引擎的往复式活塞的功率递送装置可包含：旋转功率输出轴，其不同于引擎的机轴；拉杆装置，其用于连接到往复式活塞且基于活塞的往复运动而平移；线性齿轮装置，其耦合到拉杆以与拉杆一起平移；可旋转小齿轮，其耦合到输出轴且经配置以与线性齿轮装置介接；及单向离合器装置，其安置在输出轴与小齿轮之间，以在小齿轮在朝向活塞通过其旋转的机轴的活塞运动的第一方向上旋转时啮合输出轴，其中输出轴的旋转轴与线性齿轮装置和小齿轮之间的接触区之间的距离在活塞在引擎中往复运动时保持实质上恒定。

实施例可包含以下特征中的一或多者。

能量存储元件可耦合在拉杆与线性齿轮装置之间。输出轴的旋转轴与线性齿轮装置和小齿轮之间的接触区之间的距离可大体上垂直于线性装置的平移轴。线性齿轮装置可包含齿条。线性齿轮装置可为链条。

在一些方面，从往复式引擎提取可旋转功率的方法可包含：将平移齿条耦合到往复式引擎的往复式活塞；将旋转小齿轮耦合到不同于引擎的机轴的旋转输出轴，所述小齿轮与齿条介接以响应于活塞和齿条的平移运动使小齿轮旋转；以及使用离合器装置选择性地将输出轴与小齿轮啮合，以仅在活塞朝向其所耦合到的机轴行进时使输出轴旋转，其中输出轴的旋转轴与齿条和小齿轮之间的接触区之间的转矩臂距离在活塞在引擎中往复运动时保持实质上恒定。

在一些方面，本文中的方法可通过维持驱动往复式引擎的输出轴的实质上恒定长度转矩臂来增加工作往复式引擎的输出扭矩(例如，平均输出转矩)。所述引擎可为内燃机。所述引擎可为外燃机。

在一些方面，往复式引擎可包含至少一个活塞和汽缸，所述活塞在一端经由连接杆连接到机轴，所述活塞另外经由实质上不变长度转矩臂连接到输出轴。力矩臂可包含拉杆/齿条/小齿轮/离合器布置。所述齿条可安置在拉杆上，所述小齿轮经由离合器耦合到输出轴，并且齿条可啮合到小齿轮以使输出轴旋转。所述离合器可包含空转离合器。所述离合器可包含斜撑离合器。

在一些方面，能量存储装置可定位在拉杆与输出轴之间，所述拉杆经配置以耦合到往复式引擎的往复式构件。能量存储装置可包含弹簧(例如，盘形弹簧)。

在一些方面，可实施拉杆压力密封装置以限制往复式引擎汽缸通过拉杆经由其进入汽缸的开口的压力损失。压力密封装置可包含迷宫式密封装置。

在一些方面，机动车可包含包括至少一个活塞和汽缸的往复式引擎，所述活塞在一端上经由连接杆连接到机轴，所述活塞另外经由实质上不变长度转矩臂连接到输出轴。所述机动车可包含轻型货车、运货车、消防车、长途货车、摩托车以及客车中的一或多者。

在一些方面，越野设备可包含包括至少一个活塞和汽缸的往复式引擎，所述活塞在一端上经由连接杆连接到机轴，所述活塞另外经由实质上不变长度转矩臂连接到输出轴。越野设备可包含农用拖拉机、施工设备、货车、平土机、起重机、压路机、焊机以及泵中的一或多者。

在一些方面，发电机组(例如，起电机组)可包含具有至少一个活塞和汽缸的往复式引擎，所述活塞在一端上经由连接杆连接到机轴，所述活塞另外经由实质上不变长度转矩臂连接到输出轴。

在一些方面，船只或船舶可包含具有至少一个活塞和汽缸的往复式引擎，所述活塞在一端上经由连接杆连接到机轴，所述活塞另外经由实质上不变长度转矩臂连接到输出轴。

在一些方面，飞机或直升机可包含具有至少一个活塞和汽缸的往复式引擎，所述活塞在一端上经由连接杆连接到机轴，所述活塞另外经由实质上不变长度转矩臂连接到输出轴。

在一些方面，功率递送装置可经配置以耦合到往复式引擎的往复式元件，并且经配置以经由实质上一致长度力矩臂耦合到功率输出元件。

实施例可包含以下特征中的一或多者。

功率递送装置可包含耦合到往复式元件的拉杆。功率递送装置可包含可与拉杆啮合的可旋转构件，所述可旋转构件经配置以使所述功率输出元件旋转。可旋转构件可经配置以实质上仅在第一方向上啮合拉杆并使其旋转，并且允许可旋转构件在与第一方向相反的第二方向上相对于输出元件自由旋转。可旋转构件可使用离合器装置耦合到输出元件，所述离合器装置经配置以允许可旋转构件在第二方向上相对于输出元件自由旋转。所述离合器装置可包含斜撑离合器。所述可旋转构件可包含齿轮装置，并且所述拉杆可包含可与齿轮装置啮合的齿条。功率输出元件可包含输出轴。功率递送装置可包含密封构件以限制往复式引擎通过功率递送装置经由其耦合到往复式元件的开口的汽缸压力损失。所述密封构件可包含迷宫式密封构件。功率递送装置可包含用于暂时存储由往复式元件产生的能量且随后在往复式元件在引擎内行进时将所述能量释放到功率递送装置的能量存储装置。能量存储装置可包含耦合在拉杆与运动传递装置之间的弹簧元件。所述弹簧元件可包含一或多个盘形弹簧，并且所述运动传递装置可包含可与耦合到输出元件的可旋转齿轮啮合的齿条。往复式元件为经配置以在汽缸内往复运动的活塞。在一些方面，往复式引擎可包含功率递送装置。在一些方面，用于增加往复式引擎的功率输出的往复式引擎的套件可包含功率递送装置。

在一些方面，从往复式引擎提取可旋转功率的方法可包含将平移构件耦合到往复式引擎的往复式构件；以及使用实质上恒定最大长度力矩臂将平移构件耦合到可旋转功率输出构件。

实施例可包含以下特征中的一或多者。

实质上恒定长度力矩臂可包含耦合到功率输出构件的可旋转齿轮装置和耦合到平移构件的齿条。力矩臂可包含拉杆/链条/链齿轮/离合器布置。力矩臂可包含拉杆/缆线/滑轮/离合器布置。

在一些方面，增加工作往复式引擎的输出功率(例如，平均输出功率)的方法包含维持驱动往复式引擎的输出轴的实质上恒定长度转矩臂。

在一些方面，增大工作往复式引擎的热效率的方法可包含维持驱动往复式引擎的输出轴的实质上恒定长度转矩臂。

在一些方面，本文描述的功率递送装置可用作混合能量存储系统，其中所存储的旋转能用于由于在引擎的活塞下行程期间耦合到往复式引擎的机轴的旋转的输出轴的旋转而产生有用功率(例如，机械(旋转)功率)，并且通过利用旋转输出轴的所存储的能量产生有用功率，所述旋转输出轴经配置以脱离活塞(例如，使用单向离合器)，使得其即使在往复式引擎的机轴已减速(例如，或停止)的情况下也可继续旋转。也就是说，如下文论述，输出轴可以某种方式耦合到往复式引擎(例如，耦合到引擎的活塞)，使得输出轴仅在活塞的下行程期间耦合到活塞，但能够在活塞的上行程期间继续自由旋转。一旦脱离机轴，自由旋转的功率输出轴的所存储能量就可用于在引擎减速或停止时产生有用的功率来驱动所附接的负载。

如本文中论述，在一些情况下，输出轴在使用期间可具有潜在地与引擎机轴不同的旋转速度。因此，输出轴与活塞和离合器装置之间的连接点(例如，在耦合到离合器装置的外部分的滑轮或链齿轮(或离合器装置不直接耦合到输出轴的任何一个部分))之间的旋转速度差异也可在使用期间存在。由于活塞的往复式运动(即，以及离合器装置的外部分的相关联脉冲)，基于来自离合器装置的外部分的输入的输出轴的所得运动可包含脉冲旋转，所述脉冲旋转在往复式活塞在其整个行程中移动时在速度和扭矩上变化。因此，在一些实施例中，功率递送装置可包含连接在功率递送装置与功率递送装置向其提供功率的系统之间的联轴器(例如，流体联轴器(例如，扭矩转换器))，所述联轴器可帮助减少(例如，最小化)此脉冲运动的负效应并且还可充当扭矩倍增装置(例如，扭矩倍增扭矩转换器)。例如，所述联轴器可连接到功率递送装置输出轴、机动车传动系统的轴、发电机输入轴或其它类似系统输入的一端。

定义

以下定义一般用于工程工业中且可在许多教科书和因特网源中找到。所述定义在此处仅出于实例目的而提供且并非旨在限于本发明。

扭矩为施加到物体(例如，轮或机轴)的扭力。需注意，不需要运动来使扭矩存在。例如，如果你站在附接到冻结的扁尾螺栓的单向扳手上，即使可能不存在移动你也在向所述螺栓施加扭矩。为简单起见，本文中的扭矩以磅力英尺(lbf-ft)(其表示相等的给定力(以磅为单位)作用于以英尺为单位的杠杆长度的一端)为单位进行测量和描述。例如，以180磅的体重站在具有1英尺长的力矩臂的单向扳手上产生180lbf-ft的所得扭矩。此外，站在2英尺的单向扳手上的90磅的儿童施加相同的所得扭矩。

功为力在某一距离上的施加。需注意，用于描述功的单位与扭矩相同(例如，磅乘以英尺)，但功单位可写为ft-lb以与扭矩值区分。扭矩与功之间的实际差别在于：在此情况或功情况中，距离单位(例如，“英尺”部分)描述移动的长度(例如，英尺)，而对于扭矩来说，距离描述力矩臂的长度。如果以100磅的力将汽车推动30英尺，那么所做的功为3000ft-lb的功。更简单的实例为将某个重物(以磅为单位)举起给定距离(以英尺为单位)。如果你使用某种机械利益(例如，扳手)，你将做同样数量的功，这是因为通过使所要的作用力减半，你将必须使你施加力的距离加倍以实现相同目的。

功率为功在有限时间上的施加。1秒钟内的550ft-lb的功等于1马力(HP)。

所以，以下描述和计算用于解释从扭矩变为马力的转换。以87.5的磅(力)在我们的1英尺力矩臂单向扳手的端部上推动施加87.5lfb-ft的扭矩。因为还没有运动，所以未产生功或功率。然而，考虑扁尾螺栓略微松动并开始转动，但需要相同87.5磅的力来保持扳手转动。对于扳手的每一个绕转，在(2*π*1英尺)或6.28英尺(其为推动扳手的手正在画出的圆的周长)的距离上施加87.5磅的力。因此，产生总共550ft-lb的功来使扳手旋转。仅当此系统实际运动时执行功。根据计算功，可快速地得出以下结论：如果足够快地做功以使扳手每秒转动一个绕转，那么每秒执行550ft-lb的功，这意味着正在施加1马力的功率。

根据定义，可见HP与扭矩和RPM成正比。“成正比”表示可能涉及到乘数。使用以上实例数字，记住，每秒钟1个绕转为60RPM，HP、扭矩和RPM之间的关系可如下展示那样确定：

扭矩*RPM*常数＝hp

87.5lbf-ft*60rev/min*X＝1hp

X＝1/(60*87.5)＝1/5250

扭矩*RPM*1/5250＝hp

hp＝(扭矩*RPM)/5250

对于内燃机，扭矩通常在某个RPM下给出，这是因为引擎在未旋转时无法产生扭矩。一旦引擎足够快地运行以维持其自身操作，就可测量向负载施加的力，并且可测量引擎的转动速度。因此，可确定扭矩(和因此功率)值。

在一些实施例中，术语离合器装置(其可包含单向空转离合器、轴承离合器，例如斜撑离合器(例如，CSK模型单向轴承)或其它类似地合适的单向离合器装置)用于描述在从动轴(即，本文中描述的功率递送装置的输出轴)比传动轴(即，根据本文中的描述的往复式引擎的机轴)更快地旋转时(例如，当往复式引擎减速且机轴降低速度时)使传动轴与从动轴脱离的装置，如下文论述。

所识别的常规往复式引擎设计问题

在连续操作中，机轴类型的往复式引擎将活塞的往复式运动转换成连接负载的机轴的旋转运动。往复式内燃(IC)机使用机轴机构将在燃烧室(例如，汽缸)内经由化石燃料的燃烧释放的爆炸能转换成用于推动物体的旋转机械能。外燃(EC)机(例如，蒸汽机)也使用机轴机构。无论内燃机是2冲程还是4(或更多)冲程及/或无论其为汽油、丙烷、天然气还是柴油(或其它类型的燃料或热循环)，大多数往复式引擎均使用机轴来将活塞的往复式运动(功率)转换成旋转机械运动(功率)。

简单地说，本文中论述的系统和方法针对使往复式引擎的输出扭矩(功率)与机轴分离以及通过交替功率递送装置(例如，传动系统)路径递送所述扭矩(功率)，所述交替功率递送装置(例如，传动系统)路径具有产生用于输出轴的扭矩的相对不变(例如，一致或恒定)最大长度力矩臂。

由于至少以下原因而期望此类系统和方法是有利的。

典型往复式引擎中的机轴，作为其主要功能，在引擎的各个冲程期间将引擎的一或多个活塞中的每一者返回到在其相应汽缸中的先前位置。此外，机轴其次用于将旋转能递送到引擎所耦合到的任何负载。机轴在将活塞返回到其先前位置(例如，上死点)时高效地执行，但在将潜在扭矩和功率递送到引擎的施加负载时通常效率低下。此低效率的主要原因是转矩臂长度在机轴旋转时的根本改变。在机轴的每半个旋转期间，所述长度从零变到最大。因此，期望一种用于往复式引擎的功率递送装置来相对于利用常规机轴作为功率输出轴的类似尺寸的引擎产生更大(例如，显著更大)的扭矩和功率，所述往复式引擎使用实质上恒定最大长度力矩臂来产生所述引擎的功率输出轴的扭矩和功率。

因此，本文中描述的系统和方法可用于产生能量效率更高的引擎，所述引擎可以减小的尺寸来设计和制造，从而使用更少的组件且仍产生所要的功率水平。在一些情况下，期望这些效率和功率输出方面的改进还对燃料消耗和效率具有直接影响，这可导致燃料效率更高的引擎。例如，对于机动车应用，期望此类燃料效率提高会影响操作具有带有恒定力矩臂的功率递送装置的机动车的拥有成本，如本文中描述。

附图说明

图1a为常规往复式引擎的示意图。

图1b为图1a的往复式引擎的放大示意图，其说明随着机轴旋转而变化的力矩臂。

图2为做功行程期间的内燃机的实例汽缸压力曲线和用于将压力传递到驱动扭矩中的对应力矩臂长度(例如，常规力矩臂和恒定力矩臂)的曲线图。

图3为做功行程期间的内燃机的另一实例汽缸压力曲线的曲线图。

图4为用于估计在做功行程期间在各个曲柄角下在常规内燃机中产生的扭矩的计算表格。

图5为用于估计利用恒定力矩臂在做功行程期间在各个曲柄角下产生扭矩而在内燃机中产生的扭矩的计算表格。

图6为做功行程期间在若干不同引擎负载下内燃机内的多个实例汽缸压力曲线的曲线图。

图7到14为说明使用具有恒定力矩臂的功率递送装置的理论增加功率和扭矩输出的曲线图。

图15为具有功率递送装置的实例往复式引擎的示意图，所述功率递送装置具有恒定力矩臂来产生输出扭矩。

图16为具有功率递送装置的另一实例往复式引擎的横截面侧视图，所述功率递送装置具有连接到活塞以产生功率的柔性张紧装置(例如，缆线)。

图17为图16的功率输出递送装置的前视图。

图18为具有耦合到功率输出轴的链条和链齿轮系统的功率递送装置的侧视图。

图19为功率递送装置的另一实例的透视图，所述功率递送装置使用安装到往复式活塞引擎的恒定力矩臂产生输出扭矩。

图20为图19的功率递送装置和往复式活塞引擎的横截面前视图。

图21为图19的功率递送装置和往复式活塞引擎的横截面侧视图，其说明用于限制从引擎汽缸的气压损失的密封组合件以及耦合在功率递送装置的拉杆与齿条之间的能量存储装置。

图22为图19的引擎的放大横截面图，其说明耦合到往复式活塞的功率递送装置的拉杆。

图23为可用于限制从燃烧室的气压损失的密封装置的横截面图。

具体实施方式

图1a和1b说明具有固定汽缸102、活塞104、连接杆106和机轴108的往复式引擎100的示意图。如所说明，活塞104在做功行程期间在汽缸102内向下移动且机轴108顺时针旋转。内燃机中的典型做功行程从0°上死点后(ATDC)的曲柄角(θ)继续到旋转的180°ATDC处的活塞的最底部位置。

活塞在内燃机的机轴上所施加的垂直力(由于汽缸内的燃烧压力)可写为：

垂直力＝P(θ)cosαA等式1

其中P(θ)为燃烧压力，其为曲柄角(θ)(相对于上死点)的函数，A为大体上垂直于行进轴110的活塞的顶部的总投射表面积，并且α为连接杆角(相对于汽缸的中心线)。需注意，在一些引擎设计中，连接杆可经由活塞销(例如，肘销)与活塞的中心线轴偏移地连接到活塞，这通常影响连接杆角。活塞销偏移可为制造商减少往复式零件上的应力的方式，这是因为活塞销偏移允许这些零件较轻，这可导致效率更高的制造和引擎中的更少的功率损失以及更高的rpm能力。活塞销偏移的互补结果可为归因于引擎操作期间从大推力到小推力的更逐渐转变而产生的减少的活塞敲击。

在机轴上产生扭力的力矩臂(或扭矩臂)(例如，在图1b中提供为“m”)随着机轴旋转而变化。力矩臂(m)为机轴主轴颈的旋转轴(3)(其通常定位在活塞和/或汽缸的中心线110处)与曲柄销轴颈的旋转轴(2)之间的水平距离，其中连接杆连接到机轴。因此，力矩臂的变化长度可依据机轴的旋转位置(例如，曲柄角θ)写为：

力矩臂＝rsinθ等式2

其中r为从机轴主轴颈的中心线(例如，旋转轴)(3)到用于连接杆(即，其中连接杆连接到机轴)挥臂(throwarm)或曲柄销的中心线(例如，旋转轴)(2)的径向距离，因此rsin(θ)为垂直力扭矩臂的长度。需注意，变化的转矩臂的最大长度在90度的曲柄角下出现且等于曲柄半径。

使用各种连接件的以上定义，可书写以下等式来将机轴扭矩(扭力)(T)表示为曲柄角θ的函数：

T(θ)＝垂直力(θ)·力矩臂(θ)等式3

在组合以上等式之后，往复式引擎在做功行程期间产生的扭矩可表示为：

等式4

如所展示，此扭矩等式高度取决于曲柄角(θ)。对于固定引擎设计，A和r是常数，并且α为力矩臂(即，rsinθ)和连接杆长度(l)的函数。连接杆长度(l)等于肘销(其将连接杆连接到活塞)的旋转轴(1)与曲柄销的旋转轴(2)之间的距离。活塞压力P(θ)也为曲柄角(θ)的非常强的函数且针对许多燃烧相关因素(例如，燃料与空气比、燃烧率、燃料类型以及其它因素)而不同。压力P(θ)也可针对内燃机与外燃机而不同。活塞压力也可随着引擎旋转速度(其通常以每分钟转速(RPM)表示)的变化而变化。

在典型的内燃机中，在汽缸中作用于活塞的顶部的压力(例如，活塞压力)略微在机轴的上死点(TDC)位置(取决于特定引擎设计在约9°到18°ATDC处)之后达到峰值，并且可随着引擎旋转速度变化。例如，图2描绘根据曲柄角(θ)变化的实例内燃机的实例活塞压力52和力矩臂长度54。如所展示，活塞压力52在TDC之后的若干度达到最大值并接着随着活塞朝向其在180°ATDC下的底部位置移动而相当快速地衰减。力矩臂长度54函数(rsinθ)在TDC处在零处以0°开始(因为连接杆到机轴连接点在机轴主轴颈旋转轴(例如，中心线)正上方)，在90°达到最大值(因为曲柄销旋转轴通常直接在机轴主轴颈旋转轴旁边)，在180°下再次移动到0°(因为连接杆到机轴连接点返回到机轴中心线正上方)。如图2的此曲线图中可见，当活塞上的垂直力在行程的顶部附近处在最大值时，发挥作用以使机轴旋转的力矩臂非常短。这种变化的力矩臂显著影响且限制所产生的扭矩。

在图2中还说明实例恒定长度力矩臂56，所述恒定长度力矩臂将在输出传动系统具有恒定长度力矩臂(其如本文中描述具有大致为变化的力矩臂在整个做功行程期间的最大长度的长度)的情况下可见。如所展示和下文论述，具有此恒定长度力矩臂来产生扭矩(即，具体来说，在汽缸内的最大压力期间)实现从内燃机提取更多输出转矩和功率。

为展示恒定长度力矩臂相对于变化力矩臂对引擎输出扭矩和马力的影响，可计算典型内燃机针对两种情况的预测功率计算。第一种情况针对变化的力矩臂(力矩臂＝rsinθ)且第二种情况针对恒定长度的力矩臂(力矩臂＝m)。

可通过针对两种情况使用相等的对应值来比较本文中描述的各种等式而估计变化的力矩臂配置与恒定力矩臂配置之间的简单比较。

一起使用以上等式4与图3中说明的实例压力曲线(摘录自拉克鲍罗斯,C.,(Rakopoulos,C.,)、米克斯,C.,(Michos,C.,)和吉亚库米斯,E,(Giakoumis,E,)所著的使用多区燃烧模型的合成气体燃料火花点燃引擎的可获性分析(Availabilityanalysisofasyngasfueledsparkignitionengineusingamulti-zonecombustionmodel)，《能量(Energy)》，第33卷，第9期(2008年9月)，第1378-1398页，其内容特此以全文引用方式并入本文中)，可在整个做功行程期间的各个机轴角度下计算变化力矩臂引擎的实例扭矩值。为简化扭矩值的比较，使用若干无单位值正规化各个参数和量纲。具体来说，2的引擎行程(S)；3.14159的活塞面积(A)；2的引擎孔(B)；1的机轴半径(r＝S/2)；2.924的连接杆长度(L)均用于简化计算。在图4的表格中呈现这些实例计算的结果。如所指示，使用这些示范性值，发现典型内燃机产生约0.122076的平均扭矩。

对于恒定长度力矩臂内燃机，如上文论述，扭矩等式可简化为T(θ)＝P(θ)A·m，其中P(θ)为基于曲柄角的汽缸压力(如图3中描绘)，并且m为恒定力矩臂的长度(例如，力矩臂(m)＝力矩的半径(r)＝S/2)。类似于上文论述的具有变化力矩臂的典型内燃机，可使用与上文相同的正规化量纲在整个做功行程的各个机轴角下计算所估计的扭矩值。在图5的表格中呈现这些实例计算的结果。如所指示，使用这些示范性值，发现具有恒定力矩臂的经理论修改的内燃机产生约0.290584的平均扭矩。因此，具有恒定力矩臂的内燃机的平均输出为典型变化力矩臂内燃机的平均输出的约2.38倍。

还完成额外的计算，其估计恒定力矩臂内燃机的增加的功率和扭矩性能。出于实例目的，用于两种情况(例如，变化力矩臂情况和恒定力矩臂情况)中的计算的内燃机为双顶置凸轮轴(DOHC)16阀4冲程汽油引擎。为计算两种情况的预测功率和扭矩输出，取得并使用若干个不同引擎负载的预定汽缸压力曲线(如图6中说明)，以便使用与用于制作图4和5的扭矩表格的计算类似的计算来比较变化力矩臂和恒定力矩臂配置。图6的压力曲线摘录自马蒂琴卡,A.,(Martychenko,A.,)、帕克,J.,(Park,J.,)、高,Y.,(Ko,Y.,)、巴林,A.(Balin,A.)等人所著的借由火花隙击穿电压的测量估计汽缸中压力的可能性研究(AStudyonthePossibilityofEstimationofIn-CylinderPressurebyMeansofMeasurementofSparkGapBreakdownVoltage)，SAE技术论文1999-01-1115(1999)，其内容特此以全文引用方式并入本文中。如马蒂琴卡(Martychenko)等人详述，压力曲线对于典型的DOHC16阀4汽缸燃气引擎而言是示范性的，所以用于准备不同引擎负载的扭矩和功率估计的计算是使用3.1693英寸的活塞孔(B)和3.1693英寸的活塞行程(S)(其为马蒂琴卡等人详述的DOHC16阀4汽缸燃气引擎类型(例如，4汽缸2300ccOHC现代索纳塔引擎(HyundaiSonataEngine))的典型实例)来计算的。还跨越一系列引擎速度(即，机轴的旋转速度)针对设定引擎负载(例如，59lbf-ft)计算扭矩和功率输出估计。

为确定这种情况(其中力矩臂(m)＝曲柄半径(r)＝1/2行程(S/2))的恒定最大长度力矩臂引擎的功率输出，将活塞的往复式运动转换成输出轴的旋转运动。在图15中描绘可采用的一个示范性一般概念(例如，实施方案)。对于机轴的每个旋转(在其期间，连接杆与机轴连接点(2)(例如，曲柄销)行进π*S)，输出轴耦合点(5)(即，拉杆、张紧装置或类似组件将活塞耦合到离合器装置(且因此也耦合到输出轴)的点)仅移动2*S，这是因为活塞向下移动行程S的距离且返回向上移动行程S的距离。虽然本文中的实例出于简化目的一般描述为仅为一个汽缸，但应认识到，当不同活塞中的每一者向下行进以产生输出轴的运动时，具有一个以上汽缸的实例引擎将导致输出轴连续旋转。因此，输出轴的旋转速度成比例地低于机轴的旋转速度。因此，为确定输出轴针对机轴的一致旋转速度的稳态旋转速度，将机轴的旋转速度乘以(2/π)。需注意，在机轴的旋转期间，活塞在行程的顶部(在上死点(TDC)处)以及在行程的底部(在下死点(BDC)处)暂时停止在垂直方向上移动，并且当机轴旋转时，活塞在TDC与BDC之间迅速加速和减速。因此，输出轴的估计速度可等于(即，如受到力矩臂的长度影响(例如，从输出轴的中心到拉杆、张紧装置或类似组件耦合到离合器装置的位置的距离))当活塞在TDC处从0开始加速到最大速度且接着在BDC处减速到0时的平均速度。如上文论述，当活塞从BDC到TDC向上移动时输出轴通常可继续旋转。因此，当活塞向上移动(在输出轴的相反旋转方向上)时，输出轴可(例如)以可使用活塞在从BDC向上行进到TDC时的平均速度来估计的速度继续旋转。也就是说，虽然活塞可在两个相反方向上往复运动，但输出轴的速度可基于活塞在BDC与TDC之间移动时的绝对平均速度来估计。

此外，在仅具有一个汽缸的引擎中，期望装置(例如，飞轮装置)可用于在活塞向上移动(即，并且活塞的移动不直接将旋转力施加到输出轴)时维持输出轴的旋转速度的一部分。

在图7到14的曲线图中说明这些计算的结果。如所说明，针对恒定最大长度力矩臂观察到的所估计转矩和功率增加针对所有所计算值大体上成比例地较大。如上文论述，输出轴和机轴的旋转速度一般不同，并且图7到14中列出的旋转速度(例如，2400RPM)为机轴的旋转速度(即，不一定是输出轴的旋转速度)。

除上文论述的转矩和功率的潜在增加之外，期望本文中描述的具有恒定最大长度力矩臂的功率递送装置还可用于存储将在引擎减速时使用的能量(例如，功率)。例如，如本文中详述，功率递送装置可包含通过离合器装置(例如，单向离合器)耦合到往复式引擎(即，引擎的往复式活塞)的输出轴，所述离合器装置允许输出轴在一个方向上自由旋转。也就是说，离合器装置可仅在活塞处在向下运动中时啮合输出轴。如上文提及，此配置帮助允许输出轴在不同于功率递送装置所耦合到的往复式引擎的机轴的速度下旋转。

在一些方面，使输出转轴在不同于机轴的速度下旋转的能力使得功率递送装置能够充当功率存储装置。例如，在使用期间，用户可(例如，由于引擎减速)而减小机轴的旋转速度，这通常将导致基于减小的旋转速度的功率的减小。然而，因为输出轴通常能够独立于机轴在一个方向上旋转，所以当机轴减速时输出轴无需减速。因此，当机轴减速时(例如，当用户在使用期间使引擎减速时)，可允许输出轴以较高的旋转速度继续旋转以继续产生功率。如下文论述，输出轴可包含飞轮，所述飞轮可用于产生并维持输出轴的旋转势头和运动。

在一些情况下，可使用此配置来在引擎减速期间存储或重新捕获能量。例如，在其中在机动车中使用往复式引擎和功率递送装置的一些实施例中，在机轴的减速(例如，由于放开加速器踏板)期间，输出轴可继续旋转以产生功率(例如，电功率或机械功率)用于其它系统中。因此，在一些实施例中，包含本文中描述的功率递送装置中的一或多者的装置可用作混合装置，所述混合装置可利用由于往复式引擎在所述引擎的做功行程期间机械耦合输出轴并使其旋转而产生的功率，以及即使当引擎减速或停止也可通过输出轴的继续旋转来得到的所存储能量(例如，功率)。

此外，在一些实施例中，输出轴可连接到自动传动装置的联轴器或组件(例如，传动装置的扭矩转换器)，使得输出轴的继续和一致旋转(例如，在机轴已突然减速之后)可帮助向自动传动装置提供一致旋转速度和功率。如上文提及，此联轴器(例如，扭矩转换器)还可用于减少输出轴的脉冲运动的效应，所述效应可由驱动离合器装置的活塞的往复式运动引起。

具有恒定力矩臂的往复式引擎

如上文论述，在理论上可通过使用经由在整个做功行程期间具有实质上一致(例如，恒定)长度(例如，恒定最大长度)的转矩臂连接到往复式活塞的旋转传动系统(例如，功率递送装置)来从往复式活塞的做功行程提取更多(例如，显著更多)的旋转动能功率。在一些实施例中，实质上一致长度转矩臂可包含固定在设定长度的转矩臂，所述设定长度处在其最大长度处且被允许从固定最大值(例如，恒定或不变或一致)仅略微变化。在一些情况下，实质上一致长度力矩臂可由于接触区沿着介接齿轮移动或在介接链齿轮与链条之间移动而变化(例如，略微变化)。

例如，参考图15，实例往复式引擎100具有：往复式元件(例如，活塞104)，其经由连接杆106连接到可旋转机轴108且经配置以在汽缸102内向上和向下平移；以及阀门(例如，进气阀及排气阀)105，其控制气体进出汽缸102。引擎100可连接到具有单独功率输出元件(例如，功率输出轴202)的功率递送装置200，所述单独功率输出元件经由具有恒定长度力矩臂204的功率递送装置200可旋转地耦合到活塞104。功率输出轴202可耦合到可利用旋转功率的各种装置中的任何者，其包含机动车传动系统(例如，用于汽车、货车、摩托车、施工设备(例如，压路机)或其它运输装置，例如飞机或船只的传动系统)、发电机、焊机或利用旋转功率的其它装置。

如所说明，功率递送装置200可包含连接到活塞104的伸长平移张紧装置(例如，拉杆206)，使得当活塞104在汽缸内来回移动(例如，当汽缸垂直定向时上下移动，如图15的实例中所展示)时，拉杆206以与活塞104实质上相同的方式移动(例如，实质上相同的行进距离、速度、加速度，并且产生实质上相同的可用轴向力(例如，可用于做外功的力))。拉杆206可连接在活塞104上的任何所要位置处。也就是说，拉杆可固定到活塞的区域或连接到将活塞连接到连接杆的肘销。拉杆206通常经配置以与功率递送装置200的附接到功率输出轴202或集成在功率输出轴202内的其它组件介接。例如，在下文描述的一些实例中，拉杆206可包含齿条(例如，具有一或多行齿轮齿的伸长构件)，所述齿条经配置以与功率递送装置的耦合到输出轴202的可旋转构件208(例如，实质上圆形构件(例如，齿轮装置))介接和啮合(5)。引擎的界定拉杆206通过其进入汽缸(例如，汽缸盖)的开口210(例如，拉杆开口)的部分通常包含密封装置，以便限制(例如，防止)通过所述开口与拉杆之间的区域的气流和压力损失。

虽然将活塞的线性运动转变成功率递送装置的旋转运动的功率递送装置一般描述且说明为与耦合到输出轴的齿轮装置介接和啮合的单个齿条，但是其它配置是可行的。例如，在一些实施例中，功率递送装置可包含用于基于往复式活塞的线性速度和力增大或减小输出轴的旋转速度或扭矩的一或多个额外齿轮组。此外或替代地，功率递送装置可包含可将活塞的线性运动适当地转变成输出轴的旋转运动同时维持实质上一致(例如，恒定)长度力矩臂的各种装置或系统中的任何者。例如，在一些实施例中，功率递送装置(例如，功率递送装置的可旋转构件)可额外或替代地包含皮带系统、滑轮系统和/或链条传动系统。在一些情况下，参考图16到18，张紧装置(例如，皮带、缆线206a、链条206b或能够施加张力的其它装置)的一端可附接到活塞，并且张紧装置的另一端可使用滑轮208a或链齿轮208b连接到输出轴。还可包含弹簧返回机构212以帮助在活塞104移动到行程的顶部时向上返回张紧装置(例如，缆线206a、皮带或链条206b)。在一些实施例中，功率递送装置可包含包括各种装置中的任何者的其它类型的功率传递系统。

因为活塞104的运动来回交替但一般期望使输出轴202仅在一个方向上旋转，所以功率递送装置200(例如，在一些情况下为可旋转构件208)通常经配置以实质上在一个方向上啮合输出轴(例如，对于二冲程内燃机，仅在当活塞由于汽缸内的燃烧引起的压力增大而向下移动时的做功行程期间)，使得输出轴仅在一个方向上旋转。注意：对于四冲程引擎，离合器轴承功率递送装置将在进气向下行程和做功向下行程两者期间啮合但仍将仅允许一个一致方向上的旋转。

在一些实施例中，功率递送装置(例如，功率递送装置的可旋转构件)经配置以仅在张紧装置(例如，拉杆、缆线或链齿轮)被活塞牵引到汽缸中时夹持输出轴并在拉杆随着活塞返回到上死点而从汽缸移出时实质上释放输出轴。在一些实施例中，功率递送装置200包含离合器装置214(例如，单向离合器)，其经配置以仅在张紧装置移动到汽缸中时啮合输出轴并使其旋转，但在拉杆从汽缸移出时允许功率递送装置(例如，圆形齿轮装置)的旋转组件在相反方向上相对于输出轴自由旋转以，限制(例如，防止)输出轴在往复式活塞在汽缸内移动时意外地被以来回方式交替旋转。在一些实施例中，可旋转构件可包含链齿轮、齿轮、滑轮、轮、离合器装置或一或多个装置的任何合适组合。

在一些实例中，如下文进一步论述，离合器装置214包括单向空转轮离合器、轴承离合器(例如，斜撑离合器(例如，CSK型单向轴承))或其它类似地合适单向离合器装置。当在一个方向上旋转时，离合器轴承可充当简单的滚珠轴承或滚柱轴承，并且当在相反方向上转动时限制(例如，防止)旋转。这有时通过使用弹簧加载斜撑来实现，所述弹簧加载斜撑充当两个轴承座圈之间的楔子。离合器轴承以不同方式称为CSK轴承、单向轴承、单方向轴承以及斜撑轴承。单向离合器装置可经弹簧加载以限制啮合输出轴时的反冲。此外或替代地，离合器装置可包含棘轮机构(例如，棘轮离合器)，所述棘轮机构使得输出轴能够实质上仅在功率递送装置试图使输出轴在一个方向上旋转时被啮合。

如所说明，由于拉杆与功率递送装置之间的界面相对于往复式活塞的运动轴与输出轴的旋转轴相距大体上恒定距离(即，不同于连接杆与机轴之间的连接，如上文论述)，产生作用于输出轴上的扭矩的力的力矩臂实质上恒定、稳定或不变。

如上文论述，与原本通过从机轴提取功率可得到的扭矩和功率输出相比，此实质上一致(例如，实质上恒定)长度力矩臂允许经由通过拉杆驱动的输出轴提取增加(例如，实质上增加)的扭矩和功率输出。

由于所产生扭矩从往复式引擎的实质上恒定力矩臂提取，所以期望引擎将更容易地把燃烧的爆炸能转换成机械旋转运动并且引擎热损失将被减少以及引擎的总体热效率将被增加。

虽然所说明的往复式活塞引擎通常仍包含机轴和连接杆(其至少用于在做功行程之后将活塞返回到上死区)，但期望在一些情况下可减小机轴和连接杆的尺寸和结构完整性，这是因为这些组件不再用于从引擎传递可用的扭矩和功率。可期望此机轴和连接杆的尺寸减小帮助减少原本可由引擎中的额外旋转质量引起的寄生功率损失量。

图15的示意图中说明的实例往复式引擎可以各种合适配置和设计中的任何者实施。如上文提及，引擎(例如，内燃机)可经专门设计以包含可通过其提取由往复式活塞产生的功率的单独功率递送装置和功率输出轴。此类经专门设计的引擎可包含减少的机轴和连接杆以便限制可由旋转质量引起的功率损失。

实例实施方案

在一些实施例中，现有引擎(例如，现有内燃机)可经修改以包含可通过其提取由往复式活塞产生的功率的单独功率递送装置和功率输出轴。例如，图19到23说明经修改的四汽缸引擎300，其经修改以包含单独功率递送装置400和功率输出轴402。需注意，为清楚起见，从所述图省略引擎的机轴、连接杆、若干气封和其它部件。

如所说明，经修改内燃机为双顶置凸轮轴(DOHC)四汽缸四冲程直列式汽油动力引擎(例如，经修改丰田(Toyota)3RZ-FE型汽油引擎)。对于多汽缸往复式引擎(例如，内燃机)，一般可期望具有单个功率输出轴，因此简单的期望配置包含这样一个配置，其中活塞和汽缸彼此成直线使得每个活塞和汽缸的功率递送装置可配置到单个功率输出轴。对于四冲程内燃机，机轴的每两个绕转存在一个做功行程。因此，对于四汽缸四冲程内燃机，机轴的每180度旋转存在一个做功行程。对于六汽缸内燃机，每120度的机轴旋转存在一个做功行程，并且对于八汽缸内燃机，每90度的旋转存在一个做功行程。可期望上文描述的直列内燃机(无论是4汽缸、6汽缸还是8汽缸)的单个功率输出轴。虽然可期望具有单个功率输出轴，但本恒定扭矩臂发明的所有增加的扭矩和功率益处应用于所有功率冲程和所有机械配置(例如，V6、V8、V12、星形等等)的往复式引擎。在并非‘直列’的多汽缸引擎的机械配置中，可存在多个功率输出轴。此外，在一些实施例中，V型引擎配置可耦合到具有单个输出轴的功率递送装置。也就是说，即使在具有彼此不成直线的活塞和汽缸的引擎的情况下，连接到活塞的张紧装置可使用各种齿轮或滑轮配置中的任何者耦合到共用的输出轴以引起输出轴的一致旋转。

在DOHC直列式内燃机中，活塞和汽缸中心线上方的区域或多或少与各种引擎部件畅通，从而使添加附接到活塞且通过汽缸盖向上行进的功率递送装置更容易。如所说明，功率递送装置400可包含耦合到活塞(例如，经由用于将活塞耦合到连接杆的现有活塞销)的用于每一汽缸的两个拉杆406。在所展示的实例中，使用两个拉杆406(例如，在活塞的每个相对侧上的拉杆)来平衡活塞304上的负载且还可减少施加在每个拉杆406上的负载。在一些内燃机设计中，连接杆与活塞中心线略微轴偏移而连接到活塞。拉杆406通过开口410安置在引擎的组件(例如，汽缸盖302)上且经配置以通过开口410随着活塞的运动而上下移动。注意，在图19到22中展示的实例四汽缸四冲程往复式引擎中，活塞中的两者可经配置以始终在相同方向上(准确地说与另两个活塞间隔180度)移动。当一个汽缸在做功行程中点火，从而将所述活塞向下驱动到汽缸中时，一起移动的两个活塞的所有四个拉杆将共享做功行程的驱动负载。

在一些实施例中，拉杆406包含耦合到拉杆的上区的齿轮齿条407。在一些实施例中，齿条407可耦合到拉杆406，使得齿条407可沿着拉杆且独立于拉杆略微移动。在一些情况下，如所说明，齿条可使用一或多个弹簧元件(例如，盘形弹簧)409附接到拉杆，所述弹簧元件可帮助执行若干功能。例如，弹簧可充当用于功率递送装置的能量存储装置409。如上文论述和图2中说明，汽缸内的压力(或因此还作用在活塞上的力)在做功行程期间的极早期通常具有不同压力峰值且接着随着活塞行进到汽缸中而迅速衰减。因此，如图19到21中说明那样将齿条耦合到拉杆的弹簧可压缩以在压力达到峰值时吸收初始负载的一部分(这将致使拉杆相对于齿条略微向下移动)，从而将能量存储在弹簧的压缩中。接着，当活塞移动到汽缸中且压力衰减时，弹簧可扩张以迫使齿条返回向下抵着拉杆，从而释放所存储的能量。弹簧的此压缩和扩张可帮助分配活塞在上死点附近的经历的力峰值。象征性地，这可用于使压力曲线略微平滑且在整个活塞做功行程期间分配力中的一些。此外或替代地，弹簧还可帮助限制可在往复式活塞来回平移时产生的震动。

替代地，可将齿条永久固定到拉杆(例如，经由紧固件或通过整体形成到拉杆中)。齿条可经定尺寸和配置以啮合和耦合到旋转构件(例如，实质上圆形齿轮408)，其耦合到输出轴402以便使输出轴旋转。如上文论述，齿条408通常使用离合器(例如，单向离合器轴承414)耦合到输出轴402，以便将拉杆的往复线性运动转变成实质上仅单向旋转运动。

如所展示，在一些实施例中，输出轴使用安装装置(例如，承载构件416)耦合到引擎(例如，汽缸盖)，所述安装装置定位输出轴但允许其在由功率递送装置产生的扭矩下旋转。

具体参考图20到23，汽缸盖302包含密封构件(例如，密封件，例如迷宫式密封件)412，其能够限制通过拉杆406行进通过其的开口410的压力损失同时提供足够的空隙，使得拉杆406可自由移动通过密封构件412。如图23的放大视图中说明，迷宫式密封组合件412包含大体上圆柱形主体20，其容纳通过盘间隔件22彼此分离的一系列密封盘21。迷宫式密封组合件412还包含夹塞23以将密封盘21和盘间隔件22保持在主体20内。防松螺母24可用于将夹塞23耦合到主体20。汽缸垫圈25可定位在密封组合件412的一端处(例如，定位在经配置以插入到引擎汽缸中的一端处)以帮助密封汽缸。

密封盘21的内径可配置为仅略大于拉杆直径。盘间隔件22的内径可比密封盘21的内径大拉杆与密封盘内径好之间的间隙距离的若干倍以在密封盘之间产生腔。在密封盘21之间产生的所述系列的腔可产生对气流的较大阻力，其中所形成的更多腔可增大对流的阻力。可使盘间隔件22具有某种程度的顺应性以补偿密封件变松的趋势。替代地，可将单独顺应部件(例如，弹簧)添加到堆叠。

在一些实施例中，具有实质上稳定或恒定力矩臂以产生增加的扭矩和功率的功率递送装置可包含为可安装到引擎上以供使用的引擎修改套件(例如，引擎改装套件)的一部分。举例来说，在一些实施例中，可更换活塞和引擎的顶端(例如，引擎盖和汽门机构)以便将单独功率递送装置和功率输出轴安装到现有引擎。此修改套件可用作用于增加现有引擎的输出扭矩和功率的方法。

虽然功率递送装置已大体上描述为具有一致(例如，恒定或不变)长度扭矩臂(其具有在整个做功行程期间处在其最大、不变化长度的一致(例如，恒定或不变)长度)，但力矩臂长度的一些变化是可能的。例如，在一些实施例中，功率递送装置(例如，旋转构件或拉杆的介接部分)经配置，使得作用于输出轴上的力矩臂并非完全恒定地处在其最大值。在一些情况下，力矩臂长度随着张紧装置平移且与可旋转构件介接而略微变化。例如，力矩臂可随着齿条与旋转小齿轮介接或随着链条与旋转链齿轮介接而略微变化。

常规往复式引擎的典型最大力矩臂长度将为机轴半径或引擎行程的一半；然而，这可针对各种引擎设计而变化。因为常规往复式引擎通常具有从0长度(在0度的机轴角和180度的ATDC下)到其最大长度(在90度ATDC的机轴角下)的扭矩臂长度，所以期望变化幅度小于此范围(即，0到最大)的任何力矩臂长度为对扭矩产生的改进。例如，在一些情形中，当拉杆随着活塞一起往复运动时，本文描述的恒定长度力矩臂装置的长度的变化幅度可从约0％到约50％(例如，约0％到约40％、约0％到约30％、约0％到约20％、约0％到约15％、约0％到约10％、约0％到约5％、约0％到约2％、约0％到约1％、约0％到约0.5％、约0％到约0.1％、约0％到约0.0001％)，并且可实现并注意到改进。

需注意，本文中针对布置在机轴的中心线(例如，轴线)上方的实质上垂直对准的汽缸大体上描述这些描述和几何关系。然而，还可使用经不同配置的往复式引擎来实施本文中描述的原理。也就是说，可基于特定引擎配置来调整或更新本文中呈现的用于描述从机轴提取功率与从具有恒定长度力矩臂的单独功率递送装置(例如，传动系统)提取功率之间的差异的等式，但期望在使用经不同配置的引擎的情况下观察到恒定力矩臂引擎的增加输出。

虽然已在本文中描述各种实施例，但应理解，这些实施例仅作为实例呈现及描述且不将所附权利要求书限于任何特定配置或结构组件。因此，优选实施例的广度和范围不应由上述示范性结构或实施例中的任何者限制，而应根据所附权利要求书和其等效物界定。

Claims (30)

1.一种从工作往复式引擎提取机械功的方法，所述方法包括：

使用最大长度转矩臂将转矩施加到所述往复式引擎的输出轴，所述最大长度转矩臂在所述引擎的往复式元件往复运动和所述输出轴旋转时保持实质上恒定长度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述实质上恒定长度与所述往复式引擎的机轴的机轴半径实质上相同。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述使用最大长度转矩臂包括使用实质上恒定长度力矩臂将所述引擎的所述往复式元件耦合到所述输出轴。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述提取机械功进一步包括通过使用所述最大长度转矩臂施加所述转矩增加所述往复式引擎的输出功率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述最大长度转矩臂包括在所述输出轴的整个旋转期间始终保持其最大长度的力矩臂。

6.根据权利要求3所述的方法，其中将所述引擎的所述往复式元件耦合到输出轴包括将所述输出轴耦合到界定实质上恒定转矩臂的旋转扭矩递送装置，所述旋转扭矩递送装置经配置以与所述引擎的所述往复式元件介接。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述引擎为内燃机。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述使用保持实质上恒定长度的所述最大长度转矩臂将所述转矩施加到所述往复式引擎的所述输出轴包括：

将平移构件耦合到所述往复式引擎的所述往复式元件；以及

使用所述最大长度转矩臂将所述平移构件耦合到所述输出轴。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述转矩臂实质上垂直于所述平移构件的往复轴以将扭矩施加到可旋转功率输出构件。

10.根据权利要求8所述的方法，其中保持实质上恒定长度的所述转矩臂包括耦合到所述功率输出构件的可旋转齿轮装置和耦合到所述平移构件的齿条。

11.一种往复式引擎，其包括至少一个实质上不变长度转矩臂，所述不变长度转矩臂在往复式元件的往复运动和所述引擎的输出轴的旋转期间保持实质上恒定。

12.根据权利要求11所述的往复式引擎，其中所述实质上不变长度转矩臂具有等于所述引擎的机轴的机轴半径的长度。

13.根据权利要求11所述的往复式引擎，其进一步包括用于使用所述实质上不变长度转矩臂将所述引擎的所述往复式元件的往复式运动转换成所述输出轴的旋转运动的装置。

14.根据权利要求11所述的往复式引擎，其进一步包括安置在汽缸内的至少一个往复式活塞，所述活塞在一端通过连接杆连接到所述引擎的机轴且还另外通过所述实质上不变长度转矩臂连接到所述输出轴。

15.根据权利要求14所述的往复式引擎，其中所述实质上不变长度转矩臂至少部分由耦合到所述输出轴的旋转装置和耦合到所述往复式活塞的平移元件的组合形成，其中所述旋转装置界定所述实质上不变长度转矩臂。

16.根据权利要求15所述的往复式引擎，其中所述旋转装置包括滑轮、齿轮或链齿轮中的至少一者。

17.根据权利要求15所述的往复式引擎，其中所述平移元件包括缆线、链条、皮带、拉杆或齿条中的至少一者。

18.根据权利要求14所述的往复式引擎，其进一步包括安置在所述往复式活塞与所述输出轴之间的离合器装置。

19.根据权利要求11所述的往复式引擎，其中所述实质上不变长度转矩臂包括产生扭矩的扭矩臂，所述转矩臂：i)界定在所述输出轴的旋转轴与平移构件和可旋转构件之间的接触点之间；ii)大体上垂直于所述平移构件的运动；以及iii)在所述引擎的往复式元件的往复运动期间保持实质上恒定长度。

20.根据权利要求11所述的往复式引擎，其进一步包括用于暂时存储由所述引擎的往复式元件产生的能量且随后在所述往复式元件在所述引擎内行进时将所述能量释放到所述输出轴的能量存储装置。

21.一种耦合到往复式引擎的往复式元件的功率递送装置，所述功率递送装置包括：

轴向平移张紧构件，其耦合到所述往复式元件且与所述往复式元件一起平移；以及

可旋转构件，其耦合到功率输出元件且与所述平移张紧构件介接，所述平移张紧构件将轴向力提供到所述可旋转构件，所述轴向力在所述平移张紧构件的轴向运动期间使用实质上恒定长度转矩臂将扭矩施加到所述功率输出元件。

22.根据权利要求21所述的功率递送装置，其中产生所述扭矩的所述转矩臂：i)界定在所述功率输出元件的旋转轴与所述平移张紧构件和所述可旋转构件之间的接触点之间；ii)大体上垂直于所述平移张紧构件的运动；以及iii)在所述往复式元件的往复运动期间保持实质上恒定长度。

23.根据权利要求21所述的功率递送装置，其中所述可旋转构件使用离合器装置耦合到所述输出元件，所述离合器装置经配置以允许所述可旋转构件在第二方向上相对于所述输出元件自由旋转。

24.根据权利要求21所述的功率递送装置，其中所述可旋转构件包括齿轮装置且所述平移张紧构件包括与所述齿轮装置介接的齿条。

25.根据权利要求21所述的功率递送装置，其中：

所述往复式元件包括往复式活塞；

所述功率输出元件包括不同于所述引擎的机轴的旋转功率输出轴；

所述平移张紧构件包括拉杆装置以连接到所述往复式活塞且基于所述活塞的往复式运动而平移；

线性齿轮装置耦合到所述拉杆以与所述拉杆一起平移；

可旋转小齿轮耦合到所述输出转轴且经配置以与所述线性齿轮装置介接；且

单向离合器装置安置在所述输出轴与所述小齿轮之间以在所述小齿轮在朝向活塞借以旋转的机轴的所述活塞运动的第一方向上旋转时啮合所述输出轴，

其中所述输出轴的旋转轴与所述线性齿轮装置和所述小齿轮之间的接触区之间的距离在所述活塞在所述引擎中往复运动时保持实质上恒定。

26.一种包括至少一个活塞和汽缸的往复式引擎，所述至少一个活塞在一端经由连接杆连接到机轴且另外经由实质上不变长度转矩臂连接到输出轴，所述引擎包括：

轴向平移元件，其耦合到所述往复式活塞且与所述往复式活塞一起平移；以及

可旋转构件，其耦合到所述输出轴且与所述平移元件介接，所述平移元件将轴向力提供到所述可旋转构件，所述轴向力在所述平移元件的轴向运动期间将扭矩施加到所述输出轴，

所述实质上不变长度转矩臂：i)界定在所述输出轴的旋转轴与所述平移元件和所述可旋转构件之间的界面区之间；以及ii)大体上垂直于所述平移元件的运动。

27.根据权利要求26所述的引擎，其中所述实质上不变长度转矩臂在所述活塞朝向所述机轴的向内运动和所述活塞远离所述机轴的向外运动期间保持实质上不变。

28.根据权利要求26所述的引擎，其中所述可旋转构件包括齿轮装置且所述轴向平移元件包括张紧装置以啮合所述齿轮装置。

29.根据权利要求26所述的引擎，其进一步包括离合器装置以基于所述平移元件的运动方向选择性地啮合所述输出轴。

30.根据权利要求26所述的引擎，其中所述至少一个活塞和汽缸包括四个直列式活塞和汽缸，所述活塞中的每一者经配置以经由实质上不变长度转矩臂啮合所述输出轴并使其旋转。