專利名稱：改變缸內(nèi)活塞運動的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改變活塞運動，尤其是涉及在后面定義的一“對開循環(huán)”曲柄機械的缸內(nèi)活塞運動的工作循環(huán)期間，改變缸內(nèi)活塞運動的沖程和／或正時的裝置和方法。
現(xiàn)有技術(shù)背景本發(fā)明可以應用到一旋轉(zhuǎn)機械的缸內(nèi)活塞運動，其中活塞在一旋轉(zhuǎn)機械的氣缸中作線性運動，該旋轉(zhuǎn)機械具有我們的美國專利US 5146880和5279209中所述的通用結(jié)構(gòu)形式，但并不僅限于這些說明書中所述的實施例的具體表現(xiàn)形式。
具體地，一種具有一主軸的機械，其包括一組沿所述主軸徑向布置的徑向往復活塞；及各個沿環(huán)形布置的凸輪軸，各凸輪軸被限制繞所述主軸進行軌跡運動，每個凸輪軸繞平行于該主軸的相應副軸旋轉(zhuǎn)，各凸輪軸由驅(qū)動裝置驅(qū)動，以一個與其軌跡運動速率成預定比例的速率旋轉(zhuǎn)，并且各凸輪的各平面大致處于各活塞的徑向平面內(nèi)，其中在各凸輪軸作旋轉(zhuǎn)和軌跡運動且各活塞作往復運動期間，每個活塞與至少一個凸輪相連，以便凸輪軸的旋轉(zhuǎn)運動和軌跡運動與活塞的往復運動一致。
或者，作為一種替換方案是；一種具有一主軸的機械，其包括一組沿所述主軸徑向布置的徑向往復活塞；及各個沿環(huán)形布置的凸輪軸，各凸輪軸被限制繞所述主軸進行軌跡運動，每個凸輪軸繞平行于該主軸的相應副軸以一個與其軌跡運動速率成預定比例的速率旋轉(zhuǎn)，并且各凸輪的各平面大致處于各活塞的徑向平面內(nèi)，其中在各凸輪軸作旋轉(zhuǎn)和軌跡運動且各活塞作往復運動期間，每個活塞實際上在其每個循環(huán)的往復運動的整個過程中都與至少一個凸輪保持接觸，并且更進一步地，在每個活塞的往復運動的每個連續(xù)循環(huán)之間具有一個不存在明顯的遲燃期的過渡期，該期限由各相應的凸輪與所述活塞的接觸和分離之間的時期確定，并且所述各活塞是對布置的，所述每一對活塞利用活塞的往復運動從一個到另一個地泵送流體，從而使每一對活塞的往復運動都保持實質(zhì)上是不同步的。
這樣的機械在下文中稱之為“對開循環(huán)”機械。
美國專利說明書5146880和5279209的內(nèi)容一并在本文中作為參考。在本發(fā)明中，對該旋轉(zhuǎn)機械的輸出或輸入都是通過該對開循環(huán)機械的中心旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)的。
本發(fā)明公開的內(nèi)容本發(fā)明將按照一種對開循環(huán)內(nèi)燃機來進行討論，但應該懂得本發(fā)明也可以用來控制一種如WO 96／33343中所述的自由活塞發(fā)動機的運行，或用來控制活塞與一個被驅(qū)動的對開循環(huán)曲柄相互作用產(chǎn)生的泵壓輸出。
在下文中，如在一對開循環(huán)機械中使用的那樣，布置在凸輪軸上的各凸輪稱之為“十字輪”，并且如美國專利US 5146880中所考慮的那樣，具體如其中圖5舉例說明的那樣，其形狀和型線可改變。
如美國專利US 5146880中圖5所示，在凸輪軸上形成十字輪的各凸輪的型線可設計得使其可給各活塞提供一種不對稱的往復運動，但不改變每個活塞運動的上死點(TDC)和下死點(BDC)之間的正時。相對于此，本發(fā)明提出了一種十字輪布置，其中上下死點之間的正時可借助于改變各十字輪凸輪之間的角位移來改變，從而促進每個發(fā)動機沖程(不管是進／排氣沖程還是壓縮／膨脹沖程)的正時時間的改變，以便使一對開循環(huán)機械的工作循環(huán)的每個部分都可進行最佳的優(yōu)化。根據(jù)本發(fā)明，可以設置不等角布置的凸輪，同時與各凸輪的凸蜂和凹谷的徑向尺寸的變化相結(jié)合，這種變化是相對一十字輪的軸線進行的，該十字輪如US 5146880中公開的那樣具有不對稱的型線，從而可為該發(fā)動機的循環(huán)的每個沖程的正時和形狀提供一個更寬的選擇范圍。
可看出本發(fā)明既可用于四沖程發(fā)動機也可用于二沖程發(fā)動機。
在本發(fā)明的一個實施例中，膨脹沖程既可在長度上也可在時間上增加，從而使發(fā)動機的效率比具有恒定沖程的常規(guī)曲柄內(nèi)燃機的效率增加了。
重要地，相同的對開循環(huán)曲柄布置可借助于合適設計的不同十字輪組件的各附件來按規(guī)格制成，這可以改變發(fā)動機與各使用范圍相匹配的輸出特性。
各附圖的簡要說明現(xiàn)在參照所附的各附圖對本發(fā)明進行示范性地說明，其中

圖1是一常規(guī)的對開循環(huán)發(fā)動機的一氣口正時示意圖；圖2是在一常規(guī)對開循環(huán)發(fā)動機中一活塞運動的一曲線圖；圖3是類似于圖2(虛線所示)的曲線圖，但其中實線表示一理想的最佳的四沖程循環(huán)；圖4是表示兩套十字輪的相互關(guān)系的示意圖；圖5是類似于圖3的曲線圖，但表示本發(fā)明的一個實施例；圖6是一常規(guī)內(nèi)燃機循環(huán)的壓力-容積的曲線圖；圖7是圖5所示實施例的壓力-容積的曲線圖；圖8是類似于圖3所示曲線圖，但表示本發(fā)明的另一個實施例；圖9是表示圖1和2所示布置的輸出軸／十字輪的關(guān)系的示意圖；圖10是類似于圖9的示意圖，但表示本發(fā)明的一個實施例；圖11是如圖10那樣一個六叉十字輪發(fā)動機的示意圖；圖12是一個結(jié)合有本發(fā)明的一個實施例的對開循環(huán)發(fā)動機的一局部剖視圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明一實施例所述一進氣／排氣十字輪的剖視圖；圖14是對圖13所示的進行補充的一壓縮／膨脹十字輪的剖視圖；圖15(a)至(b)表示一個母的或排氣／進氣十字輪，并且其初始方向在期間可改變；圖16是一個表示如圖15(a)所述十字輪和(b)所述十字輪之間那樣一活塞的運動效果的曲線圖；圖17是本發(fā)明的一對開循環(huán)機械的一活塞布置的一實施例的軸側(cè)圖。
在一公知的對開循環(huán)發(fā)動機的十字輪的一第一實施例中，以US 5279209中圖2和3所示的方式設置的十字輪形成為公輪10和母輪11，它們根據(jù)圖1所示的氣口正時關(guān)系用于排氣／進氣和壓縮／膨脹。這就產(chǎn)生了用于每個十字輪族的具體形狀和尺寸。
本發(fā)明的目的是為了改善一對開循環(huán)發(fā)動機的至少部分循環(huán)的效率。
一常規(guī)的對開循環(huán)發(fā)動機的每個活塞的運動如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的實施例，該發(fā)動機循環(huán)的每個部分都可進行優(yōu)化。圖2表示一個具有用于進氣，壓縮，膨脹及排氣的四個相等沖程的循環(huán)，這四個沖程都由完全相同的各十字輪產(chǎn)生。為了優(yōu)化發(fā)動機效率需要對圖2所示循環(huán)進行改進。例如，由于燃油的燃燒不是瞬間完成的，因此最好膨脹沖程的活塞運動在起始時期是比較低的?？紤]到四沖程循環(huán)的每個沖程的理想性能，這將導致獲得最佳發(fā)動機性能的最優(yōu)化結(jié)果。
圖3示出了一個從圖2所示循環(huán)(其在圖3中用虛線表示)改變而來的優(yōu)化循環(huán)。
參見圖3所示優(yōu)化循環(huán)，可以注意到合適的是可以獲得盡快充滿的燃燒室。對壓縮沖程來說，理想的是使活塞的上升延遲，從而使負扭矩最小。
圖3所示優(yōu)化循環(huán)的增加輸出受下列各因素影響即，首先受燃燒和膨脹沖程的時間的增加的影響，其次受使燃燒期間的曲線變平滑并且在一定程度上使排氣沖程的頂部變平滑的影響。不幸的是，當圖3所示平滑的膨脹和排氣曲線使膨脹和排氣沖程變得減小時，這兩個方面是對立的。
本發(fā)明的各實施例利用本發(fā)明上述各凸輪的不等角布置或定位，同時可在這些限制下進行工作，最好與各個不對稱的十字輪凸輪結(jié)合，從而改善一對開循環(huán)發(fā)動機的輸出特性。
此外，借助于使每個活塞的底端設計成具體的形狀，可進一步改善循環(huán)效率。不同的具體形狀一方面可用于排氣／進氣沖程，另一方面也可用于壓縮／膨脹沖程。
對二沖程和四沖程來說，每個凸輪的形狀可在非常寬的范圍內(nèi)進行選擇。利用該發(fā)明，借助于改變各凸輪的形狀和相應的角度位置可選取唯一的“循環(huán)”。
之前，相互分離成一個如圖4所示的恒定為60°的半角的各個半公十字輪10和半母十字輪11已經(jīng)得到使用。
一個具體的實施例使用兩組分離角可改變的三叉十字輪(對一個六叉十字輪發(fā)動機來說)。
初始的常規(guī)分離角等于60°。根據(jù)本發(fā)明這個角可改變成50°，40°或更小。實際上，這個循環(huán)可以改變，以便改善發(fā)動機的性能。圖2示出了一個常規(guī)的對稱循環(huán)。
現(xiàn)在利用本發(fā)明可形成一個圖5所示循環(huán)。圖5所示具有長的膨脹沖程和膨脹時間的該循環(huán)可使一常規(guī)循環(huán)效率得到改善。在進氣／壓縮和膨脹／排氣循環(huán)之間的沖程長度的變化12可容易地借助于使各個母十字輪(進氣／排氣)和公十字輪(壓縮／膨脹)具有不同的型線而獲得。沖程時間的變化也可利用本發(fā)明而獲得。
一常規(guī)的內(nèi)燃機具有一個圖6所示公知形式的循環(huán)，此時余隙容積為“v”，而氣缸容積為“V”。進氣沖程13，壓縮沖程14，膨脹沖程15和排氣沖程16構(gòu)成該循環(huán)。則壓縮比∑定義為∑=(v+V)／v。
對于常規(guī)的燃油來說，∑等于11，這樣就得出一個理論上的熱力學效率“ρ”，ρ定義為ρ=1-∑-0．4=62％圖5所示新循環(huán)由圖7的P-V曲線圖表示。
在圖5的示例中使用60°的分離角，此時理論效率等于62％。
分離角為50°，則ρ=70％；分離角為40°，則ρ=77％；分離角為30°，則ρ=83％。這樣的理想效率對曲柄連桿系統(tǒng)的發(fā)動機來說，或?qū)ΤＲ?guī)設計的對開循環(huán)發(fā)動機來說都是不可能得到的。
現(xiàn)在，由于可以選擇理想的循環(huán)，則點火提前如進氣和排氣開啟之間的重疊下降那樣可下降。
圖8表示這種布置的示例，其中①是點火提前；②是進氣提前；③是排氣遲后。有可能提供各種對開循環(huán)發(fā)動機；例如一種帶有四叉，六叉，八叉等十字輪的發(fā)動機。
現(xiàn)在對利用改變膨脹沖程的長度和該沖程的時間來對該循環(huán)進行優(yōu)化的相關(guān)方法的細節(jié)進行描述。
存在兩種方法來增加沖程長度和沖程時間。
第一，借助于改變十字輪形狀，這時，沖程長度和時間的增加是有限的。
第二，借助于改變一套十字輪繞其軸線相對其他套十字輪的初始角度位置，這樣做可能產(chǎn)生更大的增加。可利用具體形狀的凸輪來對一特定循環(huán)進行優(yōu)化，此時初始角度位置已經(jīng)變化。輸出軸的一種公知實施例表示于圖9中。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，對一個六叉十字輪發(fā)動機來說輪①和輪③之間的角度保持在120°。如果希望增加效率同時增加沖程長度，那么合適的是降低輪①和輪②之間角度，如圖10所示，以致于輪②和輪③之間的角度β由α+β=120°控制，并且α≠β；α∠β。最終，一六叉十字輪發(fā)動機的幾何形狀看起來如圖11所示，其中①+③+⑤是排氣／進氣輪，而②+④+⑥是壓縮／膨脹輪。
如果角度低于50-55°，根據(jù)可獲得的間隙，可能很難使用公十字輪和母十字輪。在這種情況下，對于圖11所示布置可采用兩個如圖12所示并排布置的三叉十字輪20。在圖12中，一活塞60由十字輪20控制，這些十字輪因與行星齒輪鏈61接觸的取向而保持一定的正時關(guān)系。十字輪軸62安裝在連接到輸出軸64上的軸承支承63中。
本發(fā)明的一實施例所述進氣／排氣十字輪30的一種典型型線如圖13所示，而圖14示出了一個互補的壓縮／膨脹十字輪40。
在圖15(a)中示出了一個排氣／進氣母輪形式的十字輪50的初始取向，此時一凸輪51的頂點處于一垂直極限位置。圖15(b)中的凸輪51的初始取向的變化是在順時針方向繞輪50的軸線使該凸輪相對圖15(a)所示初始取向偏離一λ角。圖15(a)和圖15(b)之間的初始取向角度變化的結(jié)果是使排氣和進氣循環(huán)相對一常規(guī)曲柄的等效旋轉(zhuǎn)角產(chǎn)生偏離。該偏離的大小直接對應于λ的大小。
該偏離角λ可使輪50的半徑R改變?yōu)镽′，從而補償做功或膨脹沖程的長度損失，此時如圖16所示，為圖15(a)所示的實施例已經(jīng)在膨脹／排氣沖程和進氣／壓縮沖程之間設置了長度差。
圖17所示的活塞結(jié)構(gòu)70包括活塞71，該活塞71由活塞桿72連接到提升器73上。該提升器73上的一接觸表面74的形狀和位置便于與母十字輪(未示出)接觸，而表面75的形狀和位置便于與公十字輪(未示出)接觸。
本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應該注意到在不脫離本發(fā)明廣義上描述的范圍或精神的情況下，可對具體各實施例所述的本發(fā)明進行許多變形或改進。因此，本發(fā)明的各實施例無論如何都只能認為是為了說明本發(fā)明，而不能認為是用來限制本發(fā)明。
權(quán)利要求
1．在一個前面定義的對開循環(huán)機械中，其中控制一十字輪結(jié)構(gòu)的凸輪的每個活塞的徑向軸線，相對于在該對開循環(huán)機械運行期間控制凸輪的每個后續(xù)的和前面的活塞，有不等角的移位。
2．在如權(quán)利要求1所述的對開循環(huán)機械中，其中在每個十字輪上的每個凸輪的形狀相對每個相應的徑向軸線是對稱的。
3．在如權(quán)利要求1所述的對開循環(huán)機械中，其中在每個十字輪上的每個凸輪的形狀相對每個相應的徑向軸線是不對稱的。
4．在如權(quán)利要求1所述的對開循環(huán)機械中，其中一些十字輪凸輪的形狀相對它們相應的徑向軸線是對稱的，而剩余的十字輪凸輪的形狀相對于它們相應的徑向軸線是不對稱的。
5．一種如前述任一權(quán)利要求所述并適合作為一內(nèi)燃機運行的對開循環(huán)機械。
6．一種如權(quán)利要求1-4之一所述并適合作為連接到一自由活塞發(fā)動機上且將一直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)換器的對開循環(huán)機械。
7．一種如前述任一權(quán)利要求所述的對開循環(huán)機械，其中各十字輪形成為一套公十字輪和一套母十字輪，該套公十字輪控制至少一個活塞的膨脹和壓縮循環(huán)，而該套母十字輪控制至少一個活塞的進氣和排氣循環(huán)。
8．一種帶有權(quán)利要求5或6所述對開循環(huán)機械的發(fā)動機，其中該發(fā)動機的膨脹和排氣沖程比進氣和壓縮沖程長。
9．如權(quán)利要求8所述發(fā)動機，其中膨脹沖程的時間段長于排氣沖程的時間段。
10．如權(quán)利要求9所述發(fā)動機，其中膨脹或排氣沖程的長度大于進氣或壓縮沖程的長度。
11．一種控制一種前面定義的對開循環(huán)機械中缸內(nèi)活塞運動的方法，其包括改變一十字輪結(jié)構(gòu)上的各凸輪的角度布置，以適合于控制該活塞的運動，所以每個連續(xù)的控制凸輪的活塞對之間的角度分離是不相等的。
12．如權(quán)利要求11所述方法，還包括改變每個十字輪凸輪的型線，使之相對每個相應凸輪的徑向軸線不對稱。
13．用于前面定義的對開循環(huán)機械的一十字輪組件，所述組件包括安裝在該機械上的公十字輪和母十字輪，以致于后續(xù)凸輪和前面的凸輪的各徑向軸線如該公十字輪和母十字輪之間的那樣是不等角分離布置的。
全文摘要
一種具有一主軸線的對開循環(huán)機械,其包括:一組沿所述主軸線徑向布置并作徑向往復運動的活塞(60);各個沿環(huán)形布置的凸輪軸(62),各凸輪軸被限制繞所述主軸進行軌跡運動,每個凸輪軸繞平行于該主軸的相應副軸旋轉(zhuǎn),各凸輪軸由驅(qū)動裝置驅(qū)動,以一個與其軌跡運動速率成預定比例的速率旋轉(zhuǎn),并且各凸輪的各平面大致處于各活塞的徑向平面內(nèi),其中在各凸輪軸作旋轉(zhuǎn)和軌跡運動且各活塞作往復運動期間,每個活塞與至少一個凸輪相連,以便凸輪軸的旋轉(zhuǎn)運動和軌跡運動與活塞的往復運動一致;其中十字輪組(20,30,40)的各軸線的不等角布置使該機械的工作循環(huán)的至少一個沖程的時間增加和/或減少了。利用不對稱的凸輪進行成對地不等角布置在各十字輪上可在很寬的范圍內(nèi)對循環(huán)特性產(chǎn)生影響。
文檔編號F02B75/32GK1291254SQ99803114
公開日2001年4月11日 申請日期1999年11月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月4日
發(fā)明者克勞德·吉爾勞姆 申請人:斯普利特·賽科爾技術(shù)有限公司