[发明专利]发动机曲轴及使用方法

说明书

技术领域

在此描述的系统的领域是将在通过给定量的燃料功率密度的动力产生方面提供显著改善的内燃发动机的曲轴设计。将线性能量转换成转动能量的许多装置将受益于在此描述的本系统的申请。

相关技术的相关说明

为了演示目的将使用四缸内燃发动机而对应用具有少于或多于四缸的发动机产生限制。

为了更好的说明相关技术，在百科全书以及其他权威性原始资料中所包含的多种记录被包含在此并且出现在引号中。

内燃发动机

本系统是对于众所周知的四冲程、或四冲程循环内燃发动机的一种改进。这种发动机包括汽缸活塞，该汽缸活塞被包含在圆柱形汽缸中。燃料被注射到活塞的上方，并且被引起燃烧或爆炸，从而向下驱动活塞。提供了手段来将活塞的线性行程转换成圆形运动。

用于运行这种发动机的物理模型在发动机的重复运行中包括四个不同的冲程。这个周期开始于上止点（TDC），此时这些活塞与曲轴的轴线相距最远。活塞在TDC处最接近该汽缸的顶部。第一冲程是在活塞被向下驱动至与汽缸的顶部相距最远的一个点时终止，这个点称作下止点（BDC）。每个冲程被限定为在TDC与BDC之间的行程。

活塞的线性行程被转换成圆形行程，这是通过包含连杆的一种联动装置将活塞的底部连接到曲轴上实现的，该连杆在一端连接到汽缸的底部上而在另一端连接到曲柄销或曲柄的一端上。曲柄销的另一端被连接到曲轴上，从而使曲轴随着活塞的上升或下降而转动。

这四个冲程被定义为进气冲程、压缩冲程、做功冲程、以及排气冲程。

在进气或吸气冲程，活塞从汽缸的顶部如图3C所示下降至汽缸的底部如图3A所示，从而经过进气口将燃料与空气的混合物抽吸到汽缸中。进气气门在进气冲程开始时打开，并且在这个冲程结束时关闭。

然后活塞上升，从而压缩该汽缸中的燃料空气混合物，如图3B所示。这个运行阶段被称作压缩冲程。

在活塞达到或接近其行程的顶点时，引燃这种燃料空气混合物，从而导致一种爆炸来驱动该活塞向下朝着底部返回。这个冲程被称作做功冲程。当连杆被迫向下时，它引起曲轴转动，从而在连杆上产生转矩，并且引起该连杆转动。在任何时间点上经过活塞的中心以及经过曲轴的截面中心的转矩的量值都是经过该连杆施加的力、在连杆的纵向轴线与曲柄销的纵向轴线之间的角度、以及连杆的纵向轴线与活塞的中心线之间的角度的函数。

在活塞达到BDC之后，再次使活塞上升，这时排气气门打开。用过的燃料空气混合物经过这个排气气门而被迫使离开汽缸。这个排气冲程完成了发动机的四个冲程，然后只要发动力继续运转，就将重复这四个冲程。

这种如当前实施的四冲程发动机包含了多个缺乏效率之处。所产生的这些力不是在任何时间瞬时都是在使得所产生的转矩最大化所要求的方向上。例如，在做功冲程开始时，活塞被直接朝向该曲轴向下驱动，这不会导致曲轴转动，而是试图朝着发动机的底部来推动曲轴。

曲轴被构造和支撑为使它不会在这个方向上平移。因此，在这个部分的做功冲程所产生的能量被转换成热量而不是运动。

物理学相关技术

以下表格示出了转矩在典型的四冲程发动机的做功冲程过程中随着曲轴角度的变化（见C.Johnson at http://mb-soft.com/public2/engine05.txt）。

这个表格示出了针对多个不同曲轴角度的曲柄转角、瞬时压缩比、瞬时压力、瞬时力以及瞬时转矩之间的关系。

这个数据是针对具有9:1压缩比的350HP V-8汽缸发动机确定的。将其包括在内是用来演示转矩是如何随曲轴角度而变化，以及这些不同分量产生力矩是如何作用于整体。具体地说，该表格演示了最大转矩是在由空气燃料混合物点燃所导致的这种瞬时力已消耗到一定程度时产生的。

相关技术的发动机分析

从这些数据可以看出，燃料爆炸所产生的最大力出现在该冲程的顶点，这时该连杆是竖直的，并且所有这些力都指向下。其结果是在这个位置处没有转矩产生，因为转矩是在竖向与连杆（该“力矩臂”）之间的角度的余弦与在垂直于曲柄销轴线的方向上由爆炸所产生的力的乘积的函数。

当这个角度为90度时，该角度的余弦最大。而此时爆炸力被减弱到1256.6，与TDC处的6283.1相比，或者是其最大值的19%。