[发明专利]外旋轮线式曲轴机构和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过利用产生外旋轮线式路径的曲轴用于增强往复式活塞内燃机、泵、以及压缩机的性能的机构和方法。活塞将被暂停在其行程的下半部，通过更好地利用可得到的压力增强了内燃机、泵或压缩机的气缸输出。

背景技术

自从1860年代由Otto和Langen研制出第一款在商业上获得成功的内燃机以来，人们就不懈地尝试来改进内燃机。那些尝试的结果随处可见，且内燃机在全世界都非常普遍，其用在包括(但不局限于)运输、发电、建筑、农业、旅行车、园艺设备(仅举几个例子)等各种应用中。除多种用途以外，内燃机可使用各种燃料，包括柴油、汽油和天然气。

尽管存在几种其它类型的内燃机，诸如燃气轮机和旋转式发动机，但是最普遍的类型是往复式活塞发动机。该发动机在具有四个阶段：进气(吸气)、压缩、动力(膨胀)、以及排气的循环中运转。活塞在表示其行程最高点的上止点位置(在下文中缩写为“TDC”)与表示其行程最低点的下止点位置(在下文中缩写为“BDC”)之间行进。活塞在TDC与BDC之间行进的距离是固定距离，且通常被称作活塞的冲程。这种类型的发动机是二冲程循环式或四冲程循环式。二冲程循环发动机需要两个活塞冲程(或者曲轴的一个完整旋转)来完成运转的所有阶段，而四冲程循环发动机需要四个活塞冲程(或者曲轴的两个完整旋转)来完成其运转的所有阶段。每个运转阶段的分离没有明显地与其它阶段划分开。从每个阶段“借来”曲轴转动角形式的时间，从而通过使阶段重叠或(在二冲程循环发动机的情况下)组合而将每个阶段过渡到下一个阶段。

在典型的往复式活塞发动机中，活塞在TDC与BDC之间的缸膛或圆柱形外壳中行进，并且连杆将活塞连接至曲轴上的曲柄销。曲柄销设置在离曲轴中心线的规定距离处。在该典型结构中，当曲轴转动时曲柄销的路径是圆形，并且该圆的直径等于冲程值。该结构中的各种参数，诸如活塞直径和冲程(由曲柄销位置确定)，都可以改变，但是基本连杆机构(basic linkage)保持相同。对于在该结构范围内增强内燃机的尝试已在一定程度上受限于用于构成所述内燃机的材料的物理和机械特性，以及燃料及其输送到气缸中的热力学性质。

已尝试通过改变曲轴动作、改变冲程、或改变压缩比(在下文中缩写为“CR”)来修改上述基本连接。例如，Moore US 6,453,869通过延长TDC处的活塞暂停点以及通过设置有偏心件的曲轴改进连杆的杠杆作用而设法提高效率。Shaw US 6,526,935通过使轨道运动的曲轴轨迹具有心形图案并且提供用于在运转期间调节CR的装置而设法提高燃料效率和扭矩。在Gonzales US 5,927,236中，主张通过改变冲程长度并利用较大的膨胀冲程和较短的进气冲程而提高内燃机的热效率。Schaal US 5,158,047主张(通过允许增加更多的用于气缸压力的时间)降低上半个动力冲程中的活塞速度而提高净发动机效率。

与先前尝试相关的这些未能实现的优点已由本发明克服。与先前通过延长TDC处的活塞暂停点而改变曲轴动作的尝试相反，本发明使得活塞在BDC处的暂停最大化。尽管已存在多种尝试以使活塞在TDC处或在其附近暂停，或者使用于转动曲轴的杠杆作用最大化，但是看来好像在可用容积较小时这样一种暂停会使得燃烧室内截留(trapped)的燃料混合物更完全地燃烧并达到更高的初始压力。由于发动机部件的几何结构所导致的并与该增加的压力相组合的增大的杠杆作用或力矩臂会导致更大的作用力来转动曲轴，并导致从发动机中输出增加的扭矩。然而，还存在不能实现这些优点的若干原因。

在由于火花或燃料的介入而启动点火阶段之前，暂停在TDC处或其附近的活塞使得燃料混合物(或者柴油机中的空气)预热。发动机内的所有表面都被来自于先前动力冲程的燃料混合物的燃烧所加热，并且新引入的燃料混合物除了吸收压缩循环期间产生的热量以外还吸收了该热量中的一些。在燃料混合物于气缸内被截留之前加热该燃料混合物降低了其密度，这意味着最终截留了更少的用于压缩和能量产生的燃料混合物。在该暂停期间燃料混合物非常容易爆燃并迫使CR降低到会损害发动机效率的点。为了在曲轴继续转动并建立杠杆作用的同时(尤其是在已启动燃烧程序之后)将活塞保持在其TDC位置处或其附近，必须向活塞施加相当大的力。升高的气缸压力与可用的杠杆作用相组合会趋向于迫使活塞在缸膛内向下运动，这将向曲轴施加作用力，该作用力会使曲轴出乎意料地沿相反方向转动。直到活塞在缸膛内向下行进，用于将活塞保持在其TDC处或附近的所有努力都是逆着预期的转动方向的。该负面努力的最终结果是发动机输出的减少。