CN1291254A - 改变缸内活塞运动的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种具有一主轴线的对开循环机械,其包括:一组沿所述主轴线径向布置并作径向往复运动的活塞(60);各个沿环形布置的凸轮轴(62),各凸轮轴被限制绕所述主轴进行轨迹运动,每个凸轮轴绕平行于该主轴的相应副轴旋转,各凸轮轴由驱动装置驱动,以一个与其轨迹运动速率成预定比例的速率旋转,并且各凸轮的各平面大致处于各活塞的径向平面内,其中在各凸轮轴作旋转和轨迹运动且各活塞作往复运动期间,每个活塞与至少一个凸轮相连,以便凸轮轴的旋转运动和轨迹运动与活塞的往复运动一致;其中十字轮组(20,30,40)的各轴线的不等角布置使该机械的工作循环的至少一个冲程的时间增加和/或减少了。利用不对称的凸轮进行成对地不等角布置在各十字轮上可在很宽的范围内对循环特性产生影响。

Description

改变缸内活塞运动 的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种改变活塞运动，尤其是涉及在后面定义的一“对开循环”曲柄机械的缸内活塞运动的工作循环期间，改变缸内活塞运动的冲程和／或正时的装置和方法。

现有技术背景

本发明可以应用到一旋转机械的缸内活塞运动，其中活塞在一旋转机械的气缸中作线性运动，该旋转机械具有我们的美国专利US 5146880和5279209中所述的通用结构形式，但并不仅限于这些说明书中所述的实施例的具体表现形式。

具体地，一种具有一主轴的机械，其包括：

一组沿所述主轴径向布置的径向往复活塞；及

各个沿环形布置的凸轮轴，各凸轮轴被限制绕所述主轴进行轨迹运动，每个凸轮轴绕平行于该主轴的相应副轴旋转，各凸轮轴由驱动装置驱动，以一个与其轨迹运动速率成预定比例的速率旋转，并且各凸轮的各平面大致处于各活塞的径向平面内，其中在各凸轮轴作旋转和轨迹运动且各活塞作往复运动期间，每个活塞与至少一个凸轮相连，以便凸轮轴的旋转运动和轨迹运动与活塞的往复运动一致。

或者，作为一种替换方案是；

一种具有一主轴的机械，其包括：

一组沿所述主轴径向布置的径向往复活塞；及

各个沿环形布置的凸轮轴，各凸轮轴被限制绕所述主轴进行轨迹运动，每个凸轮轴绕平行于该主轴的相应副轴以一个与其轨迹运动速率成预定比例的速率旋转，并且各凸轮的各平面大致处于各活塞的径向平面内，其中在各凸轮轴作旋转和轨迹运动且各活塞作往复运动期间，每个活塞实际上在其每个循环的往复运动的整个过程中都与至少一个凸轮保持接触，并且更进一步地，在每个活塞的往复运动的每个连续循环之间具有一个不存在明显的迟燃期的过渡期，该期限由各相应的凸轮与所述活塞的接触和分离之间的时期确定，并且所述各活塞是对布置的，所述每一对活塞利用活塞的往复运动从一个到另一个地泵送流体，从而使每一对活塞的往复运动都保持实质上是不同步的。

这样的机械在下文中称之为“对开循环”机械。

美国专利说明书5146880和5279209的内容一并在本文中作为参考。在本发明中，对该旋转机械的输出或输入都是通过该对开循环机械的中心旋转轴实现的。

本发明公开的内容

本发明将按照一种对开循环内燃机来进行讨论，但应该懂得：本发明也可以用来控制一种如WO 96／33343中所述的自由活塞发动机的运行，或用来控制活塞与一个被驱动的对开循环曲柄相互作用产生的泵压输出。

在下文中，如在一对开循环机械中使用的那样，布置在凸轮轴上的各凸轮称之为“十字轮”，并且如美国专利US 5146880中所考虑的那样，具体如其中图5举例说明的那样，其形状和型线可改变。

如美国专利US 5146880中图5所示，在凸轮轴上形成十字轮的各凸轮的型线可设计得使其可给各活塞提供一种不对称的往复运动，但不改变每个活塞运动的上死点(TDC)和下死点(BDC)之间的正时。相对于此，本发明提出了一种十字轮布置，其中上下死点之间的正时可借助于改变各十字轮凸轮之间的角位移来改变，从而促进每个发动机冲程(不管是进／排气冲程还是压缩／膨胀冲程)的正时时间的改变，以便使一对开循环机械的工作循环的每个部分都可进行最佳的优化。根据本发明，可以设置不等角布置的凸轮，同时与各凸轮的凸蜂和凹谷的径向尺寸的变化相结合，这种变化是相对一十字轮的轴线进行的，该十字轮如US 5146880中公开的那样具有不对称的型线，从而可为该发动机的循环的每个冲程的正时和形状提供一个更宽的选择范围。

可看出本发明既可用于四冲程发动机也可用于二冲程发动机。

在本发明的一个实施例中，膨胀冲程既可在长度上也可在时间上增加，从而使发动机的效率比具有恒定冲程的常规曲柄内燃机的效率增加了。

重要地，相同的对开循环曲柄布置可借助于合适设计的不同十字轮组件的各附件来按规格制成，这可以改变发动机与各使用范围相匹配的输出特性。

各附图的简要说明

现在参照所附的各附图对本发明进行示范性地说明，其中：

图1是一常规的对开循环发动机的一气口正时示意图；

图2是在一常规对开循环发动机中一活塞运动的一曲线图；

图3是类似于图2(虚线所示)的曲线图，但其中实线表示一理想的最佳的四冲程循环；

图4是表示两套十字轮的相互关系的示意图；

图5是类似于图3的曲线图，但表示本发明的一个实施例；

图6是一常规内燃机循环的压力-容积的曲线图；

图7是图5所示实施例的压力-容积的曲线图；

图8是类似于图3所示曲线图，但表示本发明的另一个实施例；

图9是表示图1和2所示布置的输出轴／十字轮的关系的示意图；

图10是类似于图9的示意图，但表示本发明的一个实施例；

图11是如图10那样一个六叉十字轮发动机的示意图；

图12是一个结合有本发明的一个实施例的对开循环发动机的一局部剖视图；

图13是根据本发明一实施例所述一进气／排气十字轮的剖视图；

图14是对图13所示的进行补充的一压缩／膨胀十字轮的剖视图；

图15(a)至(b)表示一个母的或排气／进气十字轮，并且其初始方向在期间可改变；

图16是一个表示如图15(a)所述十字轮和(b)所述十字轮之间那样一活塞的运动效果的曲线图；

图17是本发明的一对开循环机械的一活塞布置的一实施例的轴侧图。

在一公知的对开循环发动机的十字轮的一第一实施例中，以US 5279209中图2和3所示的方式设置的十字轮形成为公轮10和母轮11，它们根据图1所示的气口正时关系用于排气／进气和压缩／膨胀。这就产生了用于每个十字轮族的具体形状和尺寸。

本发明的目的是为了改善一对开循环发动机的至少部分循环的效率。

一常规的对开循环发动机的每个活塞的运动如图2所示，根据本发明的实施例，该发动机循环的每个部分都可进行优化。图2表示一个具有用于进气，压缩，膨胀及排气的四个相等冲程的循环，这四个冲程都由完全相同的各十字轮产生。为了优化发动机效率需要对图2所示循环进行改进。例如，由于燃油的燃烧不是瞬间完成的，因此最好膨胀冲程的活塞运动在起始时期是比较低的。考虑到四冲程循环的每个冲程的理想性能，这将导致获得最佳发动机性能的最优化结果。

图3示出了一个从图2所示循环(其在图3中用虚线表示)改变而来的优化循环。

参见图3所示优化循环，可以注意到：合适的是可以获得尽快充满的燃烧室。对压缩冲程来说，理想的是使活塞的上升延迟，从而使负扭矩最小。

图3所示优化循环的增加输出受下列各因素影响：即，首先受燃烧和膨胀冲程的时间的增加的影响，其次受使燃烧期间的曲线变平滑并且在一定程度上使排气冲程的顶部变平滑的影响。不幸的是，当图3所示平滑的膨胀和排气曲线使膨胀和排气冲程变得减小时，这两个方面是对立的。

本发明的各实施例利用本发明上述各凸轮的不等角布置或定位，同时可在这些限制下进行工作，最好与各个不对称的十字轮凸轮结合，从而改善一对开循环发动机的输出特性。

此外，借助于使每个活塞的底端设计成具体的形状，可进一步改善循环效率。不同的具体形状一方面可用于排气／进气冲程，另一方面也可用于压缩／膨胀冲程。

对二冲程和四冲程来说，每个凸轮的形状可在非常宽的范围内进行选择。利用该发明，借助于改变各凸轮的形状和相应的角度位置可选取唯一的“循环”。

之前，相互分离成一个如图4所示的恒定为60°的半角的各个半公十字轮10和半母十字轮11已经得到使用。

一个具体的实施例使用两组分离角可改变的三叉十字轮(对一个六叉十字轮发动机来说)。

初始的常规分离角等于60°。根据本发明这个角可改变成50°，40°或更小。实际上，这个循环可以改变，以便改善发动机的性能。图2示出了一个常规的对称循环。

现在利用本发明可形成一个图5所示循环。图5所示具有长的膨胀冲程和膨胀时间的该循环可使一常规循环效率得到改善。在进气／压缩和膨胀／排气循环之间的冲程长度的变化12可容易地借助于使各个母十字轮(进气／排气)和公十字轮(压缩／膨胀)具有不同的型线而获得。冲程时间的变化也可利用本发明而获得。

一常规的内燃机具有一个图6所示公知形式的循环，此时余隙容积为“v”，而气缸容积为“V”。进气冲程13，压缩冲程14，膨胀冲程15和排气冲程16构成该循环。则压缩比∑定义为：∑=(v+V)／v。

对于常规的燃油来说，∑等于11，这样就得出一个理论上的热力学效率“ρ”，ρ定义为：ρ=1-∑^-0．4=62％

图5所示新循环由图7的P-V曲线图表示。

在图5的示例中使用60°的分离角，此时理论效率等于62％。

分离角为50°，则ρ=70％；分离角为40°，则ρ=77％；分离角为30°，则ρ=83％。这样的理想效率对曲柄连杆系统的发动机来说，或对常规设计的对开循环发动机来说都是不可能得到的。

现在，由于可以选择理想的循环，则点火提前如进气和排气开启之间的重叠下降那样可下降。

图8表示这种布置的示例，其中：①是点火提前；②是进气提前；③是排气迟后。有可能提供各种对开循环发动机；例如一种带有四叉，六叉，八叉等十字轮的发动机。

现在对利用改变膨胀冲程的长度和该冲程的时间来对该循环进行优化的相关方法的细节进行描述。

存在两种方法来增加冲程长度和冲程时间。

第一，借助于改变十字轮形状，这时，冲程长度和时间的增加是有限的。

第二，借助于改变一套十字轮绕其轴线相对其他套十字轮的初始角度位置，这样做可能产生更大的增加。可利用具体形状的凸轮来对一特定循环进行优化，此时初始角度位置已经变化。输出轴的一种公知实施例表示于图9中。

根据本发明的一个实施例，对一个六叉十字轮发动机来说轮①和轮③之间的角度保持在120°。如果希望增加效率同时增加冲程长度，那么合适的是降低轮①和轮②之间角度，如图10所示，以致于轮②和轮③之间的角度β由α+β=120°控制，并且α≠β；α∠β。最终，一六叉十字轮发动机的几何形状看起来如图11所示，其中：①+③+⑤是排气／进气轮，而②+④+⑥是压缩／膨胀轮。

如果角度低于50-55°，根据可获得的间隙，可能很难使用公十字轮和母十字轮。在这种情况下，对于图11所示布置可采用两个如图12所示并排布置的三叉十字轮20。在图12中，一活塞60由十字轮20控制，这些十字轮因与行星齿轮链61接触的取向而保持一定的正时关系。十字轮轴62安装在连接到输出轴64上的轴承支承63中。

本发明的一实施例所述进气／排气十字轮30的一种典型型线如图13所示，而图14示出了一个互补的压缩／膨胀十字轮40。

在图15(a)中示出了一个排气／进气母轮形式的十字轮50的初始取向，此时一凸轮51的顶点处于一垂直极限位置。图15(b)中的凸轮51的初始取向的变化是在顺时针方向绕轮50的轴线使该凸轮相对图15(a)所示初始取向偏离一λ角。图15(a)和图15(b)之间的初始取向角度变化的结果是使排气和进气循环相对一常规曲柄的等效旋转角产生偏离。该偏离的大小直接对应于λ的大小。

该偏离角λ可使轮50的半径R改变为R′，从而补偿做功或膨胀冲程的长度损失，此时如图16所示，为图15(a)所示的实施例已经在膨胀／排气冲程和进气／压缩冲程之间设置了长度差。

图17所示的活塞结构70包括活塞71，该活塞71由活塞杆72连接到提升器73上。该提升器73上的一接触表面74的形状和位置便于与母十字轮(未示出)接触，而表面75的形状和位置便于与公十字轮(未示出)接触。

本技术领域的普通技术人员应该注意到：在不脱离本发明广义上描述的范围或精神的情况下，可对具体各实施例所述的本发明进行许多变形或改进。因此，本发明的各实施例无论如何都只能认为是为了说明本发明，而不能认为是用来限制本发明。

Claims (13)

1．在一个前面定义的对开循环机械中，其中控制一十字轮结构的凸轮的每个活塞的径向轴线，相对于在该对开循环机械运行期间控制凸轮的每个后续的和前面的活塞，有不等角的移位。

2．在如权利要求1所述的对开循环机械中，其中在每个十字轮上的每个凸轮的形状相对每个相应的径向轴线是对称的。

3．在如权利要求1所述的对开循环机械中，其中在每个十字轮上的每个凸轮的形状相对每个相应的径向轴线是不对称的。

4．在如权利要求1所述的对开循环机械中，其中一些十字轮凸轮的形状相对它们相应的径向轴线是对称的，而剩余的十字轮凸轮的形状相对于它们相应的径向轴线是不对称的。

5．一种如前述任一权利要求所述并适合作为一内燃机运行的对开循环机械。

6．一种如权利要求1-4之一所述并适合作为连接到一自由活塞发动机上且将一直线运动转换为旋转运动的转换器的对开循环机械。

7．一种如前述任一权利要求所述的对开循环机械，其中各十字轮形成为一套公十字轮和一套母十字轮，该套公十字轮控制至少一个活塞的膨胀和压缩循环，而该套母十字轮控制至少一个活塞的进气和排气循环。

8．一种带有权利要求5或6所述对开循环机械的发动机，其中该发动机的膨胀和排气冲程比进气和压缩冲程长。

9．如权利要求8所述发动机，其中膨胀冲程的时间段长于排气冲程的时间段。

10．如权利要求9所述发动机，其中膨胀或排气冲程的长度大于进气或压缩冲程的长度。

11．一种控制一种前面定义的对开循环机械中缸内活塞运动的方法，其包括：改变一十字轮结构上的各凸轮的角度布置，以适合于控制该活塞的运动，所以每个连续的控制凸轮的活塞对之间的角度分离是不相等的。

12．如权利要求11所述方法，还包括改变每个十字轮凸轮的型线，使之相对每个相应凸轮的径向轴线不对称。

13．用于前面定义的对开循环机械的一十字轮组件，所述组件包括安装在该机械上的公十字轮和母十字轮，以致于后续凸轮和前面的凸轮的各径向轴线如该公十字轮和母十字轮之间的那样是不等角分离布置的。

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