CN1418285A - 活塞式机械 - Google Patents

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Abstract

一种具有一个外壳(25)的活塞式机械，其具有至少二个带有进气孔和排气孔的气缸(3，4；5，6)，这些进、排气孔借助于可控阀门可以打开和关闭，在该机械的气缸里(3，4，5，6)各设有一个可以直线往复运动的活塞(7，8，9，10)；该机械还具有至少一个可旋转地支承在外壳(25)里的轴(17)，该机械包括有一个传动装置，用此装置可以使活塞(7，8，9，10)的直线往复运动转变成轴(17)的旋转运动或者可以使轴(17)的旋转运动转变成活塞(7，8，9，10)的直线往复运动。该传动装置包括有一个摇杆(13；18)，该摇杆可以围绕一根中心布置的、支承在外壳(25)里的摆动轴(14；20)摆动，而且在摇杆(13；18)上在其二个端部处各设置了一个可转动的滚轮(15；19)，其转动轴线各自垂直于摆动轴线(14；20)，其滚轮(15；19)在一个轨道(16)上滚动，轴(17)的布置要使其位于二个滚轮(15；19)之间，该轨道(16)与轴(17)牢固连接，而且设有凸部和凹部，这些凸起和凹部相互之间的尺寸关系的确定要使相互对置布置在摇杆(13；18)上的滚轮(15；19)都与轨道相接触，而且还在摇杆(13；18)的二个端部处各铰接一个与对应的活塞(7，8，9，10)相连接的连杆(12)。

Description

活塞式机械
本发明涉及一种按权利要求1的前序部分所述的活塞式机械。
这类活塞式机械是众所周知的。尤其是按奥托循环或柴油机循环的活塞式发动机更是众所周知的，其中活塞的直线往复运动经过与一个曲轴共同作用的连杆转变成一种旋转运动。活塞的运动因而呈正弦形，活塞的运动过程不能受到影响，因而例如对于少有害物燃烧的内燃发动机来说就不可能达到燃烧过程的最优化。
在EP-A-0702128里表示了一种机构，用该机构可以将活塞的往复运动经过一个凸轮盘转变成一根轴的旋转运动。由于应用了凸轮盘就能使活塞的运动特性适应于所要求的过程并实现最佳化，但是通过此处所示的装置在活塞壁上作用有交变力，尤其是横向力，这对于摩擦性能的影响是不利的，而且因此加大了相应摩擦面的磨损。另外该凸轮盘在最大半径和最小半径之间有很大的差别，因而如果轴具有基本上恒定的角速度，则在轴旋转时在凸轮上滚动的滚轮就从一个最大速度降到一个最小速度并又加速到一个最大速度。当发动机快速运转时此处由于滚轮质量惯性就会造成在滚轮表面和凸轮盘表面之间的滑动运动，因而此处的磨损也就相对较大。
由公开出版物Nr.WO 88/05858可以获知一种内燃机，其中活塞都是成对相互作用地布置，而且其直线的往复运动是经过固定在活塞上的滚轮而传递到一个凸轮上的，该凸轮形状为环面，其具有凸起和凹部，并与轴固定相连接。通过凸轮表面的选择可以使滚轮的转速波动变化大大减小，而在使用上述凸轮盘时这种波动变化则是很大的。由于使用了波形的滚柱，这就使惯性力大大降低，而且因而可以避免在用滚柱时可能出现的钻动，但在凸轮盘的上升阶段滚轮仍有轴向移动，因而不能阻止相对较大的磨损。另外在此实施例中还有一个反作用力经过活塞作用在汽缸壁上，因而这也会产生大的磨损。
在出版物WO 98/04820中同样公开了一种具有与上述内容基本相同结构的内燃机，其中不是用一个作为弯曲表面而进入一个中空气缸的弯道，而是采用一个环绕在一个气缸体上的筋。但是这种结构恰好与上述实施形式具有相同的缺点。
本发明的任务就是设计出一种活塞式发动机，它能使活塞的直线往复运动转换成轴的旋转运动以及相反地转换，而使磨擦与磨损能够保持尽可能小。另外这里所要求的机构的构造应该是简单和经济的。
按照本发明该项任务是通过在权利要求1中所述的特征来解决完成的。
通过摇杆的应用，反作用力可以以最佳方式由外壳来承受，因而实际上就没有侧向指向的力作用在活塞上。
本发明的一种有利的技术方案在于：滚轮在其上面滚动的轨道布置在一个空心球形套里，该球形套的中心位于摇杆的转动轴线和轴的旋转轴线的交点处，该轨道的表面在径向方向上指向该中心；而且这二个滚轮为截锥状，其中由该截锥体所限定的截锥的顶尖同样也位于上面所限定的中心上。因而滚轮在轨道上达到了一种最佳的滚动过程，没有钻动，也避免了滚轮的轴向滑移，由在滚轨和轨道之间为线性接触，惯性力大，磨损就最小。
本发明的另一种有利的结构在于：各自的连杆牢固地与对应的活塞相连接，而且在其铰接在摇杆上的部位处在一个直线导向件里导向，该导向件平行于气缸轴线。因而使活塞在气缸里达到了最佳的导向，活塞和气缸之间的摩擦很小，因而磨损和效率也相应地改善了。
摇杆和连杆之间的铰接以有利的方式构成，从而使摇杆上的铰接点可以基本上向着其铰接轴线和离开此铰接轴线而可移动地支承住。因而摇杆的弧形运动和连杆的直线运动没有附加的中间件就能够补偿。
本发明的另外一种有利的结构在于：该摇杆由一个框架构成，该轴布置在框架的二个平行的边股里，而且这二个边股各设有一个支承轴颈，由该轴颈形成了摆动轴线，而且该支承轴颈分别支承在一个轴承里，其轴承各自固定在一个夹板里，其夹板与外壳牢固连接。由于这种结构实现了对来自作用在摇杆上的转矩的力的最佳接受，摩擦可以保持最小。
该轴承在与外壳牢固连接的夹板里以有利的方式构成为可以调节的，因而摇杆就可以调整，而且这二个滚轮可以以最佳的方式与轨道共同作用。
该轴以有利的方式设置用于将旋转运动传递到其它的传递元件的机构，例如用于控制阀门和用于驱动其它部件的机构。
本发明的另一个任务就是提出一种用于开启和关闭一种活塞式机械、尤其是上文所述类活塞式机械中的一个汽缸的进气孔和排气孔的阀门装置，这种阀门装置构造简单，且磨损小。
按照本发明该项任务由权利要求8所述的特征来解决完成。平板阀座铰接在一个可摆动的杠杆上而且在关闭状态时盖住气缸上各自的孔，由于使用了这种平板阀座实现了最佳的密封，而不必对这些复杂的表面相互进行研磨。
该平板阀座的密封面按有利的方式构成为平的，气缸表面的围绕各个孔的对应面也可以构成为平的，这些面可以用简单的方式获得。
这种阀门装置的另外一种有利的结构方案在于：平板阀座相对于可摆动的杠杆的摆动轴线是这样可移动地保持的，从而使平板阀座的密封面相对于围绕各自孔的面自动地形成。因而达到了最佳的密封。
这种阀门装置的另外一种有利的结构在于：在平板阀座上装有一个配重，其如此布置，从而使在平板阀座开启运动和关闭运动时该平板阀座相对于摇杆基本上停止了。由于在平板阀座和摇杆之间实际上没有发生运动，因此就不必要考虑润滑，这样构造就大为简化了。
本发明的另外一种有利的结构在于：至少该平板阀座是由一种陶瓷材料制成的。对此就获得了必要的耐高温性，而无需冷却，由冷却而可能引起的在平板阀座里的变形的热应力因而也就排除了。
以下按附图为例对于按本发明的装置的实施形式进行详细的叙述。附图所示为：
图1：简图表示了一种为热力发动机结构的按本发明的活塞式机械；
图2：按图1所示热力发动机的局部剖视图，表示了一组气缸部件的结构情况；
图3：沿着图2中III-III线通过摇杆的剖切图；
图4：沿着图3中IV-IV线通过摇杆的剖切图；
图5：阀门装置的第一种实施形式的一个视图；
图6：图5所示阀门装置的俯视图，并局部进行了剖切；
图7：阀门装置的另外一种实施形式的一个视图；和
图8：图7所示阀门装置的一个俯视图，并局部进行了剖切。
如图1所示，设计成热力发动机的活塞式机械包括二个组1和2，其各有四个气缸3，4，5和6。在每个气缸3，4，5和6里分别布置有一个活塞7，8，9或10，它们可以直线地运动。每个气缸3至6设有一个阀门装置11，用此装置就能够开启和关闭各个气缸3至6的进气孔或排气孔，这些阀门装置11在下文还要详细叙述。
在活塞7，8，9和10上各固定连接有一个连杆12。该与在气缸3里运动的活塞7连接的连杆12铰接在摇杆13的一个端部。在气缸4里活动的活塞8的连杆12铰接在摇杆13的另一端部上。摇杆13可以中心围绕着摆动轴14而摆动，该摆动轴固定在活塞机械的外壳上，如下文还要详细叙述的那样。
同样在摇杆13的两端部各布置有一个滚轮15，其转动轴线分别垂直于摇杆13的摆动轴14。滚轮15在一个轨道16上滚动，该轨道16与一个中心布置的轴17固定连接并设置了凸起和凹部，如下文还要叙述的那样。
在气缸5里可以往复运动的活塞9的连杆12以相同方式铰接在另一个摇杆18的一个端部上，而在气缸6里可以往复运动的活塞10的连杆12则铰接在这另一个摇杆18的另一个端部上。这另一个摇杆18也以如摇杆13相同的方式设置了滚轮19。这另一个摇杆18可以围绕摆动轴线20摆动，滚轮19的旋转轴线同样也垂直于同样也固定在外壳上的摆动轴线20。
滚轮19同样也在一个与轴17固定连接的轨道24上滚动。
以下说明这种热力发动机的作用原理。通过轴17的旋转就交替地通过经连杆12和摇杆13可以在气缸3或4里往复运动的活塞7或8经过一个进气道21抽吸并压缩一种气体状的介质，其中阀门装置11有控制地开启和关闭该进气孔或排气孔。该压缩气体被推入一个高压腔22。通过四个气缸3和4的这种布置(每个组1或组2各二个)和对应布置和设计的轨道16每个活塞7或者8各有大约超过轴17的四分之一转用于压缩气体的推出，因而推出的气体速度可以较小，而且流动损失相应就较小。轨道16上凸起的凹处的变化匹配于阀门装置11的特性以及对应的流动特性，因而从气缸3和4里流到高压腔22里的实际上是一个连续不断的且几乎均匀的气流。
在高压腔22里向压缩气体输送热量，这例如可以通过在高压腔22里燃烧一种相应的燃料来进行，这由附图标记23表示。但是供热也可以通过一个热交换器来进行，该热交换器例如可通过一个外部热源来操纵。该外部热源实际上可以任意地运行。通过该供热使燃烧气体膨胀并经过阀门装置11流入气缸5和6里。该气体膨胀，活塞9和10交替地退回并经过连杆12、经过这另一个摇杆18、滚轮19和轨道24而驱动轴17。该膨胀气体经过由阀门装置11控制的排气孔离开气缸5和6。在气缸5和6里又充进燃烧气体，它是慢慢地溢流，因而能量损失小。阀门装置11按已知的方式经过轴17用相应的驱动机构来控制。
对于这类热力发动机来说，例如在高压腔内的气体在大约15至20巴时可以加热到大约1500K的温度。容纳已加热气体的气缸的工作容积大约为抽吸和压缩气体的气缸的工作容积的大约2.5倍那样大。流出气体的温度则达到了大约470K。
在进气道21里在阀门装置11部位装入了本身已被公知的节气门56(图2)。相应的节气门也使用在气缸5和6的阀门装置11的部位里。因而就影响到抽吸和压缩气体的气缸3和4的充气。若没有完全充气则压缩压力就变小，这就导致燃烧室内较小的压力。在燃烧室内输入如此多的热量，从而在与加热气体的排出相结合就使在气缸5和6里出现一个恒定的压力。这种压力可以进行测量并通过输入热量来调节。采用相应的节气门就可以避免气体会回流到汽缸5和6里。
在上文所述的实例中描述了一种开式气体循环。不言而喻也可以考虑设计具有闭式循环的热力发动机。此处供热可以由一个热交换器来实现，该交换器例如通过太阳能来加热。从气缸5和6里推出的气体可以输送至一个低压腔，在该低压腔内该气体排出热量，然后该气体又可输给气缸3和4。
图2表示了在图1中所说明的活塞式机械的一个组1，由图中清楚可见，气缸3，4，5和6与轴17是如何布置在外壳25里的。同样在外壳25上支承了未示出的摆动轴线，这在下文还要详细说明，摇杆13可以围绕上述摆动轴摆动。如上所述，滚轮15分别可旋转地支承在摇杆13的一个端部，并在轨道16上滚动。该轨道16设计为一种环形表面，该环形表面是由一个空心球形套26形成的。该空心球形套26具有一个削平部分27，在该部分上例如固定有一个齿轮28，而且该削平部分与轴17固定连接。空心球形套26的中心位于摇杆13的摆动轴14和轴17的转动轴29的交点处。因而布置在空心球形套26里的具有突起和凹部的轨道16总是与上述中心有相同的间距。
具有削平部分的空心球形套26和其它装在轴17上的齿轮28等构件同时用作为飞轮质量，因而保证了活塞式压缩机的均匀运行。
轨道16的表面在径向方向上总是对准中心。在轨道16上滚动的滚轮15具有截锥形，其中由此截锥所限定的锥体的顶尖同样也位于中心处。
通过这种在轨道16的整个长度上的布置对滚轮15来说总是得到最佳的滚动条件，因而滚轮相对于轨道就不产生钻动，就避免了滚轮的轴向移动，因而磨损很小。由于在滚轮15和轨道15之间总是线接触，因而惯性力也大。
固定在另外的摇杆18上的滚轮19以同样的方式在一个相应形状的轨道24上滚动，因而活塞9和10(图1)在气缸5和6里往复运动，这样就可以不必再详细说明了。因而同样此处滚轮19就在相应的轨道24上达到了一种最佳的滚动过程。
如图2所示，连杆12与活塞7和8牢固相连接。连杆12也以同样方式与活塞9或10牢固相连，这些活塞在气缸5和6里往复运动。因此在各个摇杆13或18的部位里连杆12分别在一个直线导向件30里导向。连杆12和摇杆13或18之间的连接是如此构成的：使铰接点基本上可以向着摇杆13或18的摆动轴线14或20和离开该旋转轴线而可移动地支承住，从而使摇杆13或18的弧形运动和连杆12的直线运动可以不用附加的中间件就实现补偿。因而活塞7，8，9和10就在各自气缸3，4，5和6里实现了最佳的运行。
由图2也可见到：轴17还可驱动另外的设备，如在图2的下部所示，例如阀门装置11的控制。
另外由图2可见，活塞7，8，9和10的活塞表面可以设有一个绝热层57。相应地高压腔22(图1)也可以加衬绝热材料。
由图3可见，摇杆13或者另外一个摇杆18具有一种框架31的形状。该框架31由二个边股32和33构成，轴17就布置在这二个边股之间。在这二个边股32和33上分别固定有一个支承轴颈34，它作用于一个分别保持在夹板36里的轴承35中，该夹板36固定在外壳上。通过这二个支承轴颈34因而就形成了摆动轴线14或20。
由于使用了一个摇杆就只需二个滚轮用于在二个活塞和轨道之间的运动传递，因而使构造简化了。为使滚轮相对于轨道能够达到最佳的位置，其中支承有摇杆的支承轴颈的轴承35可以按已知方式例如借助于调节螺栓，设计成可调节的。
二个边股32和33在端部与一个横挡37相互连接起来。在该横挡37里固定了一个支承螺栓38，滚轮15或19可旋转地支承在该支承螺栓上并阻止了轴向的滑移。在支承螺栓38上固定有二个筋板39和40，它们各自设有一个纵向槽41。在该纵向槽41里装入了一个轴套42，其可沿纵向滑移，在该轴套里固定了一个轴件43。该轴件43以其端部在直线导向件30里导向。连杆12的各自对应的端部就固定在该轴套42上。通过这种支承就可以使摇杆13或18的弧形摆动运动与连杆12的直线运动实现补偿协调。
图5和6表示了一种阀门装置44，用这种装置就可以开启和关闭在一个活塞式压缩机的一个汽缸里的进气孔或排气孔45。该阀门装置44包括有一个摆动轴46，杠杆47就固定在该摆动轴46上。摆动轴46相对于对应的气缸可以转动地和位置固定地支承住。可转动的杠杆47设有一个槽形缺口48，筋板49放在该缺口里，该筋板49固定在平板阀座50上。可转动的杠杆47和筋板49都设有一个通孔，在该孔里装有一个轴件51。在轴件51的中间部位有一个球形部，筋板49支承在该球形部上。通过在槽形缺口48和筋板49之间规定的间隙，该筋板既可以围绕由轴件51所形成的轴线也可以围绕一个与此横交的轴线旋转一小点。
在关闭状态会摩损进气孔或排气孔的平板阀座50用其平坦的密封面52支承在气缸表面的围绕住各自的孔45的表面53上。由于筋板49可以相对于轴件51转动，因而平板阀座50的密封表面52就匹配在表面53上。因而该密封就成为最佳的，该密封面的加工也相应地简单了。通过这种结构也可以补偿相应材料的热变形。
如上所述，开启和关闭是通过旋转摆动轴46来进行的。驱动机构可以具有一种已知的构造，也可以考虑应用一种带滚轮的摇杆，该滚轮在一个轨道上滚动，正如它用在上述的活塞式机械里使活塞运动那样。
对于快速运行的活塞式机械来说由于这些运动是很快速的，因而应该避免使平板阀座50相对于轴件51运动得太强烈。因此在筋板49上在位于平板阀座50对面的一边布置了一个配重54。该配重54的布置和设计应当使得在阀门装置产生开启运动和关闭运动时平板阀座50、筋板49和配重54因惯性而相对于轴件51实际上不运动。因此也就不必要设置一个润滑装置，用这种装置本是想要润滑平板阀座的轴承的。因而使这种阀门装置的构造简化了。
可以对平板阀座50的、筋板49的以及配重54的材料相应地进行选择，以便也能够取消冷却，例如有利的是由一种陶瓷材料来制造这些零件。
图7和8表示了一种阀门装置44的一种实施形式，这种形式基本上与上面所述的方案具有相同的构造，但其中轴螺栓51不再具有一球形的中间段，因而平板阀座50相对此轴件51只可以围绕一条轴线旋转，而且该围绕垂直于轴件51的轴线的可旋转性是通过另外一个螺栓55而实现的，围绕此螺栓可旋转的杠杆47可以围绕旋转轴线46略微转动。同样因此以最佳方式实现了使平板阀座50的平坦的密封面52适配于表面53。同样此处通过安设配重54实现了使平板阀座50、筋板49和配重54相对于转动轴线的运动尽可能地小，因而此处也可以不用润滑。
这种阀门装置44可应用于所有种类的活塞式机械，例如如上面所述的热力发动机、热力泵，但也可以是压缩机等等。

Claims (12)

1.具有一个外壳(25)的活塞式机械，其具有至少二个带进气孔和排气孔的气缸(3，4，5，6)，这些进、排气孔可以借助于可控阀门开启和关闭，在该机械的气缸(3，4，5，6)里各设有一个可以直线往复运动的活塞(7，8，9，10)；该机械还至少包括有一个可旋转地支承在外壳(25)里的轴(17)；而且该机械中的活塞(7，8，9，10)和轴(7)通过一个传动装置相互连接起来，借助其传动装置可以使活塞(7，8，9，10)的直线往复运动转换成轴(17)的旋转运动或者可以由轴(17)的旋转运动转换成活塞(7，8，9，10)的直线往复运动，其特征在于，该传动装置包括有一个摇杆(13；18)，该摇杆可以围绕一个中心布置的、支承在外壳(25)里的摆动轴(14；20)摆动，而且在摇杆(13；18)上在其二个端部处各设置了一个可转动的滚轮(15；19)，其转动轴线各自垂直于摆动轴线(14；20)，其滚轮(15；19)在一个轨道(16；24)上滚动，轴(17)的布置要使其位于二个滚轮(15；19)之间，该轨道(16；24)与轴(17)牢固连接，而且设有凸起和凹部，且该凸起和凹部相互之间尺寸关系的确定要使相互对置布置在摇杆(13；18)上的滚轮(15；19)都与该轨道相接触，而且还在摇杆(13；18)的二个端部处各铰接一个与对应的活塞(7，8，9，10)相连接的连杆(12)。
2.按权利要求1所述的活塞式机械，其特征在于，该轨道布置在一个空心球形套(26)里，该球形套的中心位于摇杆(13；18)的摆动轴线(14；20)与轴(17)的旋转轴线的交点处；而且该轨道的表面在径向方向上指向该中心；而且这二个在轨道(16；24)上滚动的滚轮(15；19)为截锥形，其中由该截锥所限定的锥的顶尖位于中心。
3.按权利要求1或者2所述的活塞式机械，其特征在于，各个连杆(12)与对应的活塞(7，8，9，10)牢固连接并在其铰接于摇杆(13；18)上的部位里在一个直线导向件(30)里导向，该导向件平行于气缸轴线。
4.按权利要求3所述的活塞式机械，其特征在于，摇杆(13；18)和连杆(12)之间的铰接如此构成，从而使摇杆(13；18)的铰接点基本上可以向着其摆动轴线(14；20)和离开此轴线而移动地支承住。
5.按权利要求1至4中任意一项所述的活塞式机械，其特征在于，摇杆(13；18)由一个框架(31)构成，其二个边股(32，33)之间布置了轴(17)，而且这二个边股(32，33)各设置有一个支承轴颈(34)，由此轴颈形成该摆动轴线，而且支承轴颈(34)分别支承在一个轴承(35)里，其轴承(35)分别固定在一个连接板(36)里，它们的夹板(36)与外壳(25)牢固连接。
6.按权利要求5所述的活塞式机械，其特征在于，轴承(35)在与外壳(25)固定连接的夹板(36)里构成为可以调节的。
7.按权利要求1至6中任意一项所述的活塞式机械，其特征在于，在该轴上设有用于将该旋转运动传递到其它的传递元件上去的机构。
8.用于开启和关闭活塞式机械、尤其是在一种按权利要求1至7中任意一项所述的一种活塞式机械里的一个气缸里的进气孔和排气孔(45)的阀门装置，其特征在于，对于每个进气孔或者排气孔(45)都设有一个围绕摆动轴线(46)可以摆动的杠杆(47)，其摆动轴(46)相对于气缸来说是位置固定地支承住的，而且在其可摆动的杠杆(47)上铰接有一个平板阀座(50)，该阀座在关闭状态时盖住气缸里的各个孔。
9.按权利要求8所述的阀门装置，其特征在于，由平板阀座(50)构成的密封面(52)基本上是平的，而且在关闭状态时置于气缸表面的一个围绕各自孔的相应的表面(53)上。
10.按权利要求11所述的阀门装置，其特征在于，平板阀座(50)相对于可转动的杠杆(47)的摆动轴线(46)可运动的保持住，使平板阀座(50)的密封面(52)相对于围绕各自孔的表面(53)自动地形成。
11.按权利要求8至10中任意一项所述的阀门装置，其特征在于，在平板阀座(50)上装有一个配重(54)，其如此布置，从而在平板阀座(50)开启和关闭运动时使该平板阀座相对于摇杆(47)基本上是停止不动的。
12.按权利要求8至11中任意一项所述的阀门装置，其特征在于，至少该平板阀座(50)由一种陶瓷材料制成。
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