CN1561428A - 改进的往复式内燃机 - Google Patents

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Abstract

一改进的往复式内燃机包括至少一个中空的气缸(1)，气缸内有一用于工作液体的腔室(2a)，腔室具有被一头部(2)关闭的一端，以及一被活塞(5)关闭的相对端，所述活塞在腔室(2a)内在一下死点和一上死点之间作往复的直线运动，以及一用来将往复直线运动转换为驱动轴(12)的旋转运动的装置。转换装置包括至少一个推杆(6)，推杆大致地垂直于轴(12)并具有一与活塞连接的第一端(6a)和一设置有推杆元件(8、9)的第二端(6b)，以及至少一个键合在轴(12)上的偏心外形的元件(11)，其上设置有一环行元件(10)，环行元件与推杆元件(8、9)相交，以及一用来调整推杆元件沿环行元件(10)滑动的调整元件(13)，以此将杆(6)和活塞(5)保持在一基本上静止的状态，以便可预调整驱动轴(12)的转动角。

Description

改进的往复式内燃机
技术领域
本发明涉及一改进的往复式内燃机。
背景技术
已知火花点火或压缩点火型的往复式内燃机可允许将工作液体转换为有用的能。
这些发动机具有一循环的操作，其包括吸气、压缩、膨胀作功，以及排气四个冲程。
已知类型内燃机的工作循环可用理想沙巴特热力循环来近似，其用两种变换方式：第一种等容变换和第二种等压变换，来重复燃烧冲程。
还已知其它两种理想热力循环，它们是沙巴特循环的简化形式：奥托循环，其中，燃烧表现为一等容变换，以及狄塞尔循环，其中，燃烧表现为一等压变换。
就一等压缩比来说，已知理想奥托循环的热力效率高于理想狄塞尔循环或沙巴特循环的热力效率。
发动机实际工作循环的热力效率相对于理想热力循环的热力效率的损失部分，毫无疑问在于燃烧过程发生的方式，以及活塞和驱动轴之间的连接。
已知类型发动机的连接机构由连杆和曲柄系统构成，其允许将活塞的往复直线运动转换为驱动轴的旋转运动。
活塞借助于连杆连接到驱动轴，其中，小端用销子连接到活塞销上，而大端连接到驱动轴的曲柄销上。
连杆小端连同对应的活塞作往复直线运动，而连杆大端循迹一圆周，其半径等于活塞冲程的一半，即曲柄的半径。
这些已知类型的往复式内燃机不是没有缺点，其中，包括其热力效率远低于理想的热力效率，它们不能允许等容燃烧，且它们要求高的消耗率。
发明内容
本发明的目标是通过提供一改进的往复式内燃机，其允许提高工作循环的热力效率，获得的燃烧接近由奥托循环提供的燃烧，减小消耗率和增加对于相同的排量和rpm转速可获得的功率，以此来消除已知类型发动机的上述的诸多缺点。
本发明的其它的目的是提高输出功率和发动机重量之间的比，以及输出功率和发动机尺寸之间的比，以此，减少运动传输过程中的复杂的活络连接，简化用来从燃烧室传输功率到驱动轴输出的元件，以及减弱交变质量的不平衡和振动。
在此技术目标内，本发明的另一目的是达到上述的目标和具有下列特点的结构的目的，结构简单，实践中相对容易提供，使用中安全，操作中有效，以及成本相对便宜。
该目标和该目的通过本改进的往复式内燃机得以实现，这种类型发动机包括至少一个中空的气缸，气缸内有一用于工作液体演变的腔室，所述腔室具有被一头部关闭的一端，以及被活塞关闭的一相对端，所述活塞随着往复的直线运动可在所述腔室内在一下死点和一上死点之间滑动，下死点确定离所述头部的最大距离，上死点确定离所述头部的最小距离，以及一用来将所述往复直线运动转换为驱动轴的旋转运动的装置，其包括至少一个推杆，推杆大致地垂直于所述轴并具有一与活塞连接的第一端和一设置有推杆元件的第二端，以及至少一个键合在所述轴上的偏心外形的元件，其上有一环行元件，环行元件可被机械地连接在其上的所述推杆元件随动，在腔室内的流体的动作或演变，赋予活塞一推力，该推力致动杆作往复直线运动，随着推杆元件沿着环行元件的滑动，以将所述推力传输到偏心元件上，从而致动驱动轴的转动，其中，它包括用来调整推杆元件沿着环行元件的所述滑动的装置，当活塞至少接近其中一个所述死点时，该装置适于将杆和活塞保持在一基本上静止的状态，以便可预调整驱动轴的转动角。
附图的简要说明
借助于附图中的非限制性实例，仅为了说明目的，从对改进的往复式内燃机的一优选的但不排外的实施例的详细描述中，其它的特征和优点将会变得更加明白，在诸附图中：
图1是根据本发明的一改进的往复式内燃机在吸气冲程开始时的示意的局部剖视图；
图2是图1的内燃机在压缩冲程开始时的局部剖视图；
图3是图1的内燃机在膨胀作功冲程开始时的局部剖视图；
图4是图1的内燃机在排气冲程开始时的局部剖视图；
图5是根据本发明的扁平双型内燃机的示意的立体图；
图6是用来将图5的双缸内燃机的活塞的往复直线运动转换为驱动轴的旋转运动的装置的示意的剖视图；
图7是根据本发明内燃机的偏心元件的一可能改变的实施例的示意图。
具体实施方式
特别参照附图，标号1表示根据本发明的一改进的往复式内燃机M的气缸。
气缸1具有一由头部2关闭的端部，其设置有一由一入口阀3控制的工作流体F的入口端口，以及一由排气阀4控制的流体F的排出端口；气缸1的相对端由活塞5关闭，活塞可随往复直线运动在所述气缸1内滑动。
工作流体F进入由气缸1的内壁、活塞顶5以及头部2的底表面形成的腔室2a，当所述腔室变化其容积时，工作流体在腔室2a内进行热力上的演变。
活塞5借助于一销7刚性地连接到推杆6或其它相当的连接元件的第一端6a，而推杆6第二端6b设置有推杆元件，它们由第一销8或滚子或轮子或诸如此类的零件，以及第二销9或滚子或轮子或诸如此类的零件组成，并实施机械连接以便沿形成在偏心轮廓的元件11上的环行元件10滑动。
偏心元件11由一键接在驱动轴12上的盘形本体构成，在本体的一个面上有突起的环行元件10。
第一销8和第二销9分别沿环行元件10的外形和沿环行元件10的内形滑动。
借助于移动活塞5的流体F的能量转换，直线性的且垂直于推杆6的轴12成为一驱动轴。
环行元件10由两个圆形突起构成，它们互相融合并彼此偏离180°，每个圆形突起有两个部分，这样，腔室2a内的工作流体F在轴12转动的360°内发生演变。
参考字母A、B、C和D表示四个理论点，在它们之间沿着环行元件10的对应的部分AB、BC、CD和DA发生四个冲程。
借助于推杆6的端部6b、活塞5将运动传递到轴12，推杆6借助于第一销8和第二销9实施机械连接，这样，循着与轴12相同的转速转动的偏心元件11的环行元件10。
轴12的运动基本上不变，而活塞5具有周期性运动，其速度可在两个零值之间变化：如图1和3所示，对应于环行元件10的点A和C的上死点(TDC)，如图2和4所示，对应于环行元件10的点B和D的下死点(BDC)。
在从TDC到BDC的运动过程或反之亦然的过程中，活塞5形成一体积(排量)，其由活塞5顶的表面与所述活塞行程的乘积计算求得。
工作流体F的流进和流出，分别由入口阀3和排气阀4控制。
根据本发明的内燃机还包括用来调整第一销8和第二销9沿环行元件10滑动的装置13，当活塞5接近TDC和/或BDC时，该装置将推杆6和活塞5保持在基本上静止的状态中，以便预调整轴12的转动角。
当活塞5接近对应于燃烧冲程(点C)的TDC时，在所述的燃烧过程中，腔室2a的容积基本上保持不变，这允许提供一接近于具有等容燃烧的理想奥托循环的工作循环。
同样地，当活塞5接近对应于吸气冲程(点A)的TDC和/或接近对应于排气冲程(点D)的BDC时，在这些冲程过程中，腔室2a的容积基本上保持不变，这允许提供一具有等容燃烧的吸气和/或排气的工作循环。
调整装置13包括混合区域14a和14b，它们形状如圆弧，对应于轴12的所述预调整的转动角，并分别连接两个部分BC和CD，它们在点C处构成两个圆形突起中的一个，以及连接两个部分AB和DA，它们在点A处构成另一个圆形突起。
调整装置13还包括混合区域15，它门形状如圆弧，对应于轴12的所述预调整的转动角，分别地连接在点D处的两个部分CD和DA，以及在点B处的两个部分AB和BC。
混合区域14a和14b和15的圆弧的幅宽在5和60度(60进制)之间。
图1示出吸气冲程，其中，流体F通过入口端口进入腔室2a，入口阀3处于打开，而排气阀4处于关闭。
吸气冲程在轴12的90°转动中执行：当活塞5位于TDC时，冲程开始，第一销8和第二销9位于环行元件10的点A，当活塞5达到BDC时，冲程结束，第一销8和第二销9位于环行元件10的点B。
形成在点A(TDC)的混合区域14b允许将推杆6和活塞5保持静止，以达到一对应于吸气冲程的轴12的转动角。
图2示出压缩冲程，其在活塞5位于BDC时开始，入口阀3处于关闭步骤，排气阀4完全关闭，在活塞5位于TDC(点C)时结束。
压缩冲程对应于被第一销8和第二销9跟踪的环行元件10的部分BC，并在轴12的下一个90°转动中执行。
图3示出燃烧和膨胀的有用的步骤，其在活塞5位于TDC(点C)时开始，阀3和4关闭，在活塞5到达BDC(点D)时结束。
有用的冲程对应于环行元件10的部分CD，并在轴12的90°转动中执行。
形成在点C(TDC)的混合区域14a允许将推杆6和活塞5保持静止，以达到在发生燃烧步骤的过程中的轴12的某一转动角；燃烧-膨胀沿着弧CD完成。
最后，图4示出排气冲程，其在活塞5位于BDC(点D)时开始，排气阀4打开，入口阀3关闭，在活塞5到达BDC(点A)时结束。
排气冲程对应于环行元件10的部分DA，并在轴12的90°转动中执行。
在此情形中，形成在点D(BDC)的混合区域15允许将推杆6和活塞5保持静止，以达到一对应于排气冲程的轴12的转动角。
因此，在所示实施例中的改进的内燃机是一四冲程内燃机，其中，在驱动轴的一单一的转动(360°)过程中，各种步骤的循环串接地一个跟着一个，而在一已知类型的内燃机中，它们在两个转动过程中一个跟着一个。
因此，每个循环的有用冲程数翻倍：对于同样的排量和rpm转速来说，相对于从一相当的传统的四冲程内燃机的轴输出的功率，从驱动轴输出的功率翻倍。
有利地，通过修改偏心元件11或环行元件10的外形，可增加在驱动轴12的每个转动中可获得的有用冲程数；例如，对于每一个转动，可以具有三个、四个或更多个有用的冲程。
事实上，环行元件10可由三个圆形突起构成，它们互相混合且彼此偏移120°，每个圆形突起具有两个部分，这样，在轴12的240°转动中，工作流体在腔室2a内发生演变。
作为另一种变化，可具有四个圆形突起，它们互相混合且彼此偏移90°，每个圆形突起具有两个部分，这样，在轴12的180°转动中，工作流体在腔室2a内发生演变。
图7示出偏心元件11的一可能的变化实施例，其环行元件10是这样的类型：两个互相相对的圆形突起排列成180°，各个圆形突起分成两个部分，分别为AB和AD和BC和CD。
两个圆形突起中一个(由部分AB和AD形成)具有一相对于偏心元件11的中心的平均曲率半径，其小于另一圆形突起(由部分BC和CD形成)的平均曲率半径，构成一个圆形突起(点A)的介于两个部分之间的混合区域，是对应于吸气TDC的那个区域，而构成另一个圆形突起(点C)的介于两个部分之间的混合区域，是对应于燃烧TDC的那个区域。
因此，环行元件10关于中心轴线不对称，中心轴线的迹线用参考字母E表示。
图5和6示出根据本发明的内燃机M的一可能的实施例，这种类型内燃机具有两个气缸1a和1b，它们在直径上互相相对，其活塞5借助于对应的推杆6及第一和第二销8和9连接到一键接在轴12上的中心偏心元件11，在该偏心元件上有一环行元件10，其带有两个以180°布置的彼此相对的圆形突起。
内燃机M基本上包括一块体16，其中有两个套筒17，它们相对于轴12的轴线在直径上相对布置；所述套筒容纳气缸1a和1b的外套18，它们被对应的头部2关闭，各个头部设置有对应的入口和排气阀(未示出)。
入口和排气阀的打开和关闭由一机构致动，这种类型的机构具有控制杆或挺杆19，它们活络连接到对应的摇杆20上，摇杆包含在由盖22闭合的箱盒21内。
此外，在头部2处，有一用来将燃料喷射到腔室2a和排气管24内的喷射器23。
此外，在块体16中，有一用来循环冷却气缸1a和1b的冷却水的空隙，它的标号25表示用来连接到对应回路的连接器。
飞轮26键接在轴12上，并设置有一用来连接起动电机的周向齿环27。
一节流体28和一板29插入在飞轮26和偏心元件11之间。
包括一从油箱32抽取润滑油的泵31和一过滤器33的润滑单元30布置在块体16的下方。
带有两个彼此相对的气缸1a和1b和带有两个圆形突起的偏心元件11的内燃机M，提供一阶和二阶惯性矩的平衡，而惯性扭矩不存在，获得一定长度的平衡，其相等于传统的直线排列的六气缸发动机的平衡。
在实践中，业已发现上述的本发明已达到所提出的目标和目的。
对于相同的排量和rpm转速，相对于相当的传统的内燃机，从驱动轴输出的功率增加，这是因为对驱动轴的每个转动能够获得的有用冲程数增加。
推杆的运动类型是沿单一方向往复运动，因此，曲柄系统的动力特性对应于在带有一无限长度连杆的传统的内燃机中发生的动力特性。
因此，所述运动的规律是纯粹的简谐运动，产生一完全余弦的加速度分布，消除大于第一阶的所有高阶分量。
最后，采用在TDC处的圆弧形混合区域，根据奥托型式的理想等容循环，发生燃烧冲程：事实上，推杆和活塞接近于TDC的静止状态，以便在此燃烧发生的过程中，预调整驱动轴的转动角。
由此可见，具有等容燃烧(奥托循环)的内燃机的循环是这样一种循环，其特征在于，相对于其它提出的循环它达到最高的热力效率，其它提出的循环有狄塞尔循环或沙巴特循环，火花点火和压缩点火的内燃机目前采用的循环均可追溯到这两种循环。
因此，根据本发明的改进的发动机可提高工作流体变换循环的热力效率，以及提高驱动轴输出的功率。
通过修改环行元件的外形，可变化活塞运动的规律，尤其是在燃烧冲程。
因此，本发明易于作出许多改型和变体，所有这些改型和变体均在本发明理念的范围内。
所有的细节还可用其它技术上等价物来替代。
在实践中，所采用的材料，以及形状和尺寸根据要求可以任意选择，由此，不舍弃附后权利要求书所提出的保护范围。
本文援引意大利专利申请No.MO2001A000174中所阐述的公开内容，本申请要求对上述专利申请的优先权。

Claims (14)

1.一改进的往复式内燃机，这种类型发动机包括至少一个中空的气缸(1)，气缸内有一用于工作液体的腔室(2a)，所述腔室(2a)具有被一头部(2)关闭的一端，以及被活塞(5)关闭的一相对端，所述活塞随着往复的直线运动可在所述腔室(2a)内在一下死点和一上死点之间滑动，下死点确定离所述头部(2)的最大距离，上死点确定离所述头部(2)的最小距离，以及一用来将所述往复直线运动转换为驱动轴(12)的旋转运动的装置，其包括至少一个推杆(6)，推杆大致地垂直于所述轴(12)并具有一与活塞(5)连接的第一端(6a)和一设置有推杆元件(8、9)的第二端(6b)，以及至少一个键合在所述轴(12)上的偏心外形的元件(11)，其上有一环行元件(10)，环行元件可被机械地连接在其上的所述推杆元件(8、9)随动，在腔室(2a)内的流体的动作，赋予活塞(5)一推力，该推力致动杆(6)作往复直线运动，随着推杆元件(8、9)沿着环行元件(10)的滑动，以将所述推力传输到偏心元件(11)上，从而致动驱动轴(12)的转动，其特征在于，它包括用来调整推杆元件(8、9)沿着环行元件(10)的所述滑动的调整装置(13)，当活塞(5)至少接近其中一个所述死点时，该装置适于将杆(6)和活塞(5)保持在一基本上静止的状态，以便可预调整驱动轴(12)的转动角。
2.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，当活塞(5)接近对应于燃烧冲程的上死点时，所述调整装置设置成将推杆(6)和活塞(5)保持在所述静止的状态，在此过程中，腔室的容积基本上保持不变。
3.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，当活塞(5)接近对应于吸气冲程的上死点时，所述调整装置设置成将推杆(6)和活塞(5)保持在所述静止的状态，在此过程中，腔室(2a)的容积基本上保持不变。
4.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，当活塞(5)接近对应于排气冲程的下死点时，所述调整装置设置成将推杆(6)和活塞(5)保持在所述静止的状态，在此过程中，腔室(2a)的容积基本上保持不变。
5.如上述权利要求中一项或多项所述的内燃机，其特征在于，所述环行元件(10)的外形由两个圆形突起(BAD、BCD)构成，它们互相融合并彼此偏离180°，每个所述圆形突起有两个部分(15)，腔室(2a)内的工作流体在驱动轴(12)转动的360°过程内发生动作。
6.如上述权利要求中一项或多项所述的内燃机，其特征在于，所述环行元件(10)的外形由三个圆形突起构成，它们互相融合并彼此偏离120°，每个所述圆形突起有两个部分，腔室(2a)内的工作流体在驱动轴(12)转动的240°过程内发生动作。
7.如上述权利要求中一项或多项所述的内燃机，其特征在于，所述环行元件(10)的外形由四个圆形突起构成，它们互相融合并彼此偏离90°，每个所述圆形突起有两个部分，腔室(2a)内的工作流体在驱动轴(12)转动的180°过程内发生动作。
8.如上述权利要求中一项或多项所述的内燃机，其特征在于，所述环行元件(10)包括至少两个圆形突起，它们互相融合并彼此偏离180°，相对于所述偏心元件(11)的中心具有不同的平均曲率半径，环行元件(10)关于中心轴线(E)不对称。
9.如上述权利要求中一项或多项所述的内燃机，其特征在于，所述调整装置(13)包括基本上形状如圆弧的混合区域(14a、14b)，其用来混合所述圆形突起中的至少一个突起的两个部分。
10.如上述权利要求中一项或多项所述的内燃机，其特征在于，所述调整装置(13)包括基本上形状如圆弧的混合区域(15)，其用来混合至少两个连续的圆形突起的至少两个相邻的部分。
11.如权利要求9-10中一项或多项所述的内燃机，其特征在于，所述圆弧具有的幅宽在5和60度(60进制)之间。
12.如上述权利要求中一项或多项所述的内燃机，其特征在于，所述偏心元件(11)包括一键接在所述驱动轴(12)上的盘形本体，在本体的一个面上有突起的所述环行元件(10)，所述推杆元件由至少一个第一销(8)和一个第二销(9)构成，它们设置成围绕所述环行元件(10)并沿着对应的外形和内形滑动。
13.如上述权利要求中一项或多项所述的内燃机，其特征在于，所述驱动轴(12)是直线的。
14.如上述权利要求中一项或多项所述的内燃机，其特征在于，内燃机包括两个所述气缸(1)，它们相对于驱动轴(12)在直径上互相相对，其活塞(5)与对应的所述推杆(6)的第一端(6a)连接，其第二端(6b)设置有对应的所述推杆元件(8、9)，它们机械地刚性连接到一键接在所述驱动轴(12)上的成形的所述偏心元件(11)，在该偏心元件上有一环行元件(10)，其带有两个以180°偏离的圆形突起。
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