專利名稱：外旋輪線式曲軸機(jī)構(gòu)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過利用產(chǎn)生外旋輪線式路徑的曲軸用于增強(qiáng)往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)、泵、以及壓縮機(jī)的性能的機(jī)構(gòu)和方法?；钊麑⒈粫和Ｔ谄湫谐痰南掳氩浚ㄟ^更好地利用可得到的壓力增強(qiáng)了內(nèi)燃機(jī)、泵或壓縮機(jī)的氣缸輸出。
背景技術(shù)：
自從1860年代由Otto和Langen研制出第一款在商業(yè)上獲得成功的內(nèi)燃機(jī)以來，人們就不懈地嘗試來改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)。那些嘗試的結(jié)果隨處可見，且內(nèi)燃機(jī)在全世界都非常普遍，其用在包括(但不局限于)運(yùn)輸、發(fā)電、建筑、農(nóng)業(yè)、旅行車、園藝設(shè)備(僅舉幾個(gè)例子)等各種應(yīng)用中。除多種用途以外，內(nèi)燃機(jī)可使用各種燃料，包括柴油、汽油和天然氣。
盡管存在幾種其它類型的內(nèi)燃機(jī)，諸如燃?xì)廨啓C(jī)和旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)，但是最普遍的類型是往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)在具有四個(gè)階段進(jìn)氣(吸氣)、壓縮、動(dòng)力(膨脹)、以及排氣的循環(huán)中運(yùn)轉(zhuǎn)?；钊诒硎酒湫谐套罡唿c(diǎn)的上止點(diǎn)位置(在下文中縮寫為“TDC”)與表示其行程最低點(diǎn)的下止點(diǎn)位置(在下文中縮寫為“BDC”)之間行進(jìn)?；钊赥DC與BDC之間行進(jìn)的距離是固定距離，且通常被稱作活塞的沖程。這種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)是二沖程循環(huán)式或四沖程循環(huán)式。二沖程循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)需要兩個(gè)活塞沖程(或者曲軸的一個(gè)完整旋轉(zhuǎn))來完成運(yùn)轉(zhuǎn)的所有階段，而四沖程循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)需要四個(gè)活塞沖程(或者曲軸的兩個(gè)完整旋轉(zhuǎn))來完成其運(yùn)轉(zhuǎn)的所有階段。每個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)階段的分離沒有明顯地與其它階段劃分開。從每個(gè)階段“借來”曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)角形式的時(shí)間，從而通過使階段重疊或(在二沖程循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下)組合而將每個(gè)階段過渡到下一個(gè)階段。
在典型的往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞在TDC與BDC之間的缸膛或圓柱形外殼中行進(jìn)，并且連桿將活塞連接至曲軸上的曲柄銷。曲柄銷設(shè)置在離曲軸中心線的規(guī)定距離處。在該典型結(jié)構(gòu)中，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)曲柄銷的路徑是圓形，并且該圓的直徑等于沖程值。該結(jié)構(gòu)中的各種參數(shù)，諸如活塞直徑和沖程(由曲柄銷位置確定)，都可以改變，但是基本連桿機(jī)構(gòu)(basic linkage)保持相同。對于在該結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)增強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)的嘗試已在一定程度上受限于用于構(gòu)成所述內(nèi)燃機(jī)的材料的物理和機(jī)械特性，以及燃料及其輸送到氣缸中的熱力學(xué)性質(zhì)。
已嘗試通過改變曲軸動(dòng)作、改變沖程、或改變壓縮比(在下文中縮寫為“CR”)來修改上述基本連接。例如，Moore US 6,453,869通過延長TDC處的活塞暫停點(diǎn)以及通過設(shè)置有偏心件的曲軸改進(jìn)連桿的杠桿作用而設(shè)法提高效率。Shaw US 6,526,935通過使軌道運(yùn)動(dòng)的曲軸軌跡具有心形圖案并且提供用于在運(yùn)轉(zhuǎn)期間調(diào)節(jié)CR的裝置而設(shè)法提高燃料效率和扭矩。在Gonzales US 5,927,236中，主張通過改變沖程長度并利用較大的膨脹沖程和較短的進(jìn)氣沖程而提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率。Schaal US 5,158,047主張(通過允許增加更多的用于氣缸壓力的時(shí)間)降低上半個(gè)動(dòng)力沖程中的活塞速度而提高凈發(fā)動(dòng)機(jī)效率。
與先前嘗試相關(guān)的這些未能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)已由本發(fā)明克服。與先前通過延長TDC處的活塞暫停點(diǎn)而改變曲軸動(dòng)作的嘗試相反，本發(fā)明使得活塞在BDC處的暫停最大化。盡管已存在多種嘗試以使活塞在TDC處或在其附近暫停，或者使用于轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸的杠桿作用最大化，但是看來好像在可用容積較小時(shí)這樣一種暫停會(huì)使得燃燒室內(nèi)截留(trapped)的燃料混合物更完全地燃燒并達(dá)到更高的初始壓力。由于發(fā)動(dòng)機(jī)部件的幾何結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的并與該增加的壓力相組合的增大的杠桿作用或力矩臂會(huì)導(dǎo)致更大的作用力來轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，并導(dǎo)致從發(fā)動(dòng)機(jī)中輸出增加的扭矩。然而，還存在不能實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)的若干原因。
在由于火花或燃料的介入而啟動(dòng)點(diǎn)火階段之前，暫停在TDC處或其附近的活塞使得燃料混合物(或者柴油機(jī)中的空氣)預(yù)熱。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的所有表面都被來自于先前動(dòng)力沖程的燃料混合物的燃燒所加熱，并且新引入的燃料混合物除了吸收壓縮循環(huán)期間產(chǎn)生的熱量以外還吸收了該熱量中的一些。在燃料混合物于氣缸內(nèi)被截留之前加熱該燃料混合物降低了其密度，這意味著最終截留了更少的用于壓縮和能量產(chǎn)生的燃料混合物。在該暫停期間燃料混合物非常容易爆燃并迫使CR降低到會(huì)損害發(fā)動(dòng)機(jī)效率的點(diǎn)。為了在曲軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)并建立杠桿作用的同時(shí)(尤其是在已啟動(dòng)燃燒程序之后)將活塞保持在其TDC位置處或其附近，必須向活塞施加相當(dāng)大的力。升高的氣缸壓力與可用的杠桿作用相組合會(huì)趨向于迫使活塞在缸膛內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)，這將向曲軸施加作用力，該作用力會(huì)使曲軸出乎意料地沿相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。直到活塞在缸膛內(nèi)向下行進(jìn)，用于將活塞保持在其TDC處或附近的所有努力都是逆著預(yù)期的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的。該負(fù)面努力的最終結(jié)果是發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的減少。
活塞在TDC處或其附近暫停需要相當(dāng)大的曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)量，以用于該努力，并且由于時(shí)間的流逝，越來越少的時(shí)間和曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)可用于完成發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的其它階段。在TDC處或其附近耗費(fèi)的時(shí)間導(dǎo)致較少的時(shí)間可用于將活塞推到缸膛下面、從氣缸中排出廢氣、和/或?yàn)闅飧字匦绿畛湎乱淮蔚娜剂匣旌衔铩Ｔ跊]有充足的時(shí)間來完全分離并完成這些獨(dú)立活動(dòng)的情況下，由于所需活動(dòng)的重疊將導(dǎo)致?lián)p害發(fā)動(dòng)機(jī)效率，并將產(chǎn)生廢氣殘余物與新鮮燃料混合物的一些混合。
在曲軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)將活塞保持在TDC處或其附近導(dǎo)致曲軸上杠桿臂的增加。直觀地，在施加相同量作用力的情況下，增加的杠桿臂看來可將更多的扭矩或轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞到曲軸。然而，這不是所提及嘗試中的情況。
理想地認(rèn)為，在一個(gè)動(dòng)力階段期間內(nèi)燃機(jī)的輸出僅取決于影響活塞比面積的兩個(gè)變量1)源自于燃燒的燃料混合物在氣缸內(nèi)產(chǎn)生的壓力的作用力，和2)在被排出之前壓力將活塞推到缸膛下面的距離。一旦氣缸內(nèi)的壓力被釋放，動(dòng)力階段就結(jié)束了，盡管活塞繼續(xù)在缸膛中向下行進(jìn)到BDC。如果作用力和距離變量保持不變，則動(dòng)力階段的總扭矩輸出將總是相同的，而與所采用的曲軸設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)無關(guān)。當(dāng)主張從增加活塞在TDC處或其附近的暫停中而獲得優(yōu)點(diǎn)時(shí)，并未提及發(fā)動(dòng)機(jī)在使接下來的燃料混合物進(jìn)入氣缸中所經(jīng)歷的時(shí)間流失。以相似的方式，基于每一度而增加杠桿作用或力矩臂的主張也未提及，活塞頂部上方的壓力會(huì)以更迅速的速度下降，破壞了任何潛在的扭矩增益。增加的杠桿作用致使對于曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的每一度，活塞都移動(dòng)更大的距離，這增加了氣缸內(nèi)的截留容積。這降低了氣缸內(nèi)的壓力，并導(dǎo)致作用在增加的力矩臂上的力的損失。在整個(gè)動(dòng)力階段期間作用于曲軸上的扭矩總量將不大于傳統(tǒng)類型曲軸所產(chǎn)生的扭矩量。因此，通過增加在活塞上所作的功必能獲得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出上的任何增加，而改變曲軸運(yùn)動(dòng)的先前嘗試不能獲得該結(jié)果。
使用用于功的公式計(jì)算在活塞上所作的功，該公式如下功＝力×距離本發(fā)明的曲軸能夠通過增加氣缸力(壓力×活塞面積)和行程(距離)而增加在活塞上所作的功。
在活塞驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的范圍內(nèi)使用該公式，在一個(gè)活塞上所作的功是作用在活塞頂部上的從燃料燃燒熱量中產(chǎn)生的壓力所提供的作用力與該壓力作用在活塞上時(shí)活塞在缸膛中行進(jìn)的距離的乘積。雖然該公式和概念相當(dāng)簡單易懂，但是所產(chǎn)生的功的精確表述還涉及一些詳細(xì)的分析。例如，在燃燒室和缸膛內(nèi)所產(chǎn)生的壓力隨著該氣缸空間的容積而直接改變。如果在動(dòng)力階段開始時(shí)活塞處于遠(yuǎn)離TDC的其行程的起始點(diǎn)處，由于其上方的燃燒空間最小而使得壓力較高。當(dāng)壓力作用在活塞頂部并使其在膛內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞的位移導(dǎo)致燃燒空間和氣缸內(nèi)的容積增加。這又顯著地降低了燃燒空間內(nèi)的壓力。在活塞行程中的某點(diǎn)處，或者通過使活塞不遮蓋排氣口或者通過使排氣閥打開，而啟動(dòng)排氣階段。通過任何一種機(jī)構(gòu)，提供了用于截留壓力的溢出路徑。排氣口或閥一打開，驅(qū)動(dòng)活塞在缸膛內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)的力就轉(zhuǎn)到氣缸之外并且在活塞上所作的功就停止。必須銘記的是，在沒有用于將其在缸膛內(nèi)進(jìn)一步向下推動(dòng)的作用力的情況下，活塞繼續(xù)移動(dòng)至其全部行程的端部(移動(dòng)至BDC)。不再執(zhí)行在活塞上作功。
由于氣缸內(nèi)的壓力隨活塞移動(dòng)而改變，所以作用在活塞頂部上的力也改變。因此，用于作用力的單一值不能直接記入到功的公式中。然而，可基于沿活塞行程的各個(gè)點(diǎn)處的氣缸容積和初始起動(dòng)壓力，計(jì)算出那些點(diǎn)處的氣缸內(nèi)的作用力。之后合計(jì)在每一點(diǎn)處氣缸壓力作用在活塞上時(shí)活塞行進(jìn)的總距離(也可通過積分獲得)。換句話說，可利用簡單的幾何學(xué)并已知?dú)飧字谢钊奈恢茫_地計(jì)算活塞頂部上方的容積，并且通過應(yīng)用波義耳定律而得到所產(chǎn)生的壓力。該簡化的觀點(diǎn)不符合熱力學(xué)考慮，但是該實(shí)例在本申請中是中肯的。
延長活塞在BDC處的暫停具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。與具有相似沖程并在相似速率下運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，活塞更快地到達(dá)TDC，使得所截留的燃料混合物有更短的時(shí)間從周圍表面吸收熱量和預(yù)熱。這有助于避免不合需要的爆燃情況，并可提高CR以獲得更高的效率。
通常在壓縮沖程期間當(dāng)活塞仍接近TDC時(shí)將點(diǎn)火定時(shí)器設(shè)定在某一點(diǎn)處。通常，在TDC之前曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的一點(diǎn)處在氣缸中引入火花，可通過幾何學(xué)將該點(diǎn)換算成活塞離開其TDC位置的距離。這樣做能夠在氣缸壓力由于壓縮而升高的同時(shí)，使火花點(diǎn)燃燃料混合物。需要時(shí)間來實(shí)現(xiàn)完全燃燒，但是燃燒速率也受氣缸內(nèi)壓力升高速率的影響。如果活塞在BDC處暫停，則在升高到缸膛頂部期間曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的每一度將使活塞移動(dòng)更大的距離。如果火花出現(xiàn)在如同標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中一樣與TDC相同距離處，通過幾何學(xué)可看出，在活塞到達(dá)TDC之前曲軸的度數(shù)將更小。壓力升高的速率將大于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中的，因此可在TDC之前曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的更小角度下進(jìn)行點(diǎn)火階段。這將減少在活塞上所作的負(fù)功(該負(fù)功趨向于使發(fā)動(dòng)機(jī)出乎意料地沿相反方向轉(zhuǎn)動(dòng))，最終結(jié)果將是更大的功率輸出。
通過使活塞快速地后退遠(yuǎn)離TDC，使得來自于燃料混合物燃燒的熱量滲入到周圍表面內(nèi)的時(shí)間顯著減少。保留在燃燒氣體內(nèi)的熱量更完全地用于產(chǎn)生作用在活塞頂部上的壓力。由于較少熱量沉積在周圍氣缸表面內(nèi)，因此接著引入的燃料混合物供送將進(jìn)入更冷的環(huán)境，從而導(dǎo)致更密集的燃料供送，促進(jìn)有效燃燒和更大的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出。
通過使活塞在BDC處或其附近的暫停最大化，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)或可實(shí)現(xiàn)其活塞暫停在BDC處或其附近的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，活塞將在更短的時(shí)間內(nèi)行進(jìn)到缸膛的底部區(qū)域。當(dāng)所有發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)都是在相同的速率下轉(zhuǎn)動(dòng)并產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)數(shù)/分(在下文中縮寫為“RPM”)時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況。在其活塞暫停在BDC處或其附近的發(fā)動(dòng)機(jī)中，將出現(xiàn)活塞處于活塞沖程底部的時(shí)間量增加的情況。因此，在其上方壓力的作用下活塞可在缸膛中向下移動(dòng)更大的距離，并仍具有適當(dāng)?shù)臅r(shí)間量來清除氣缸并重新填充新鮮的燃料混合物。另外，在壓縮階段期間活塞移動(dòng)的距離也可增加。這意味著可在每次壓縮階段開始時(shí)截留更大容積的燃料混合物。如果實(shí)際CR保持在與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)相同的數(shù)值，則必須也增加燃燒室的容積，從而導(dǎo)致比正常發(fā)生的情況更大的截留容積。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出緊緊依賴于每個(gè)進(jìn)氣階段期間引入到氣缸內(nèi)的燃料混合物的容積，因此在動(dòng)力階段期間，額外截留的容積將在氣缸內(nèi)產(chǎn)生更多的熱量和壓力，并將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的增加。
由于目前增強(qiáng)了進(jìn)氣容積，因此在整個(gè)動(dòng)力階段期間壓力下降的速率將更緩慢。從TDC到動(dòng)力階段的結(jié)束，在相同排量的情況下，起始和終止氣缸壓力將與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中的相同，但是在此過程中活塞將行進(jìn)更大的距離。由于活塞位置的改變對包含壓力的總?cè)莘e的影響較小，因此用于活塞移動(dòng)的每個(gè)增量的實(shí)際氣缸壓力將使氣缸具有更大的初始燃料混合物容積。
在本發(fā)明中，在活塞暫停在BDC處或其附近期間，氣缸壓力將處于其最低值，允許靠著活塞頂部發(fā)生燃燒氣體的最大膨脹。在排氣階段期間，現(xiàn)在可有充足的時(shí)間允許廢氣在其自身的壓差下離開氣缸，而無需通過活塞將其抽空。這將使得在排氣階段結(jié)束時(shí)活塞在殘留于氣缸中的廢氣上作更少的功。由于只需很少或不需來自于動(dòng)力沖程的能量投入到從氣缸中抽出加壓廢氣的行動(dòng)中，因此將導(dǎo)致增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出的最終結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種用于改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)、泵或壓縮機(jī)性能的機(jī)構(gòu)和方法，以增加動(dòng)力輸出并提高效率。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種用于更改往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)、泵或壓縮機(jī)的曲軸的機(jī)構(gòu)和方法，以產(chǎn)生用于連桿下端行進(jìn)的外旋輪線式路徑，從而導(dǎo)致活塞在BDC處或其附近的暫停延長。該路徑是通過偏心地安裝在連桿的下端內(nèi)的部件產(chǎn)生的，其中偏心距離(或偏心率)與活塞沖程以及連桿長度相配，以使活塞暫停最大化，并使連桿角度最小化。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，在機(jī)器中提供一種改進(jìn)的機(jī)構(gòu)，該機(jī)器具有至少一個(gè)圓柱形外殼，圓柱形外殼具有中心軸線，所述機(jī)器具有至少一個(gè)往復(fù)活塞、曲軸以及連桿，活塞在圓柱形外殼中沿中心軸線在上止點(diǎn)位置與下止點(diǎn)位置之間行進(jìn)，曲軸可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述機(jī)器中的曲軸箱中，以圍繞曲軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，至少一個(gè)曲柄銷徑向設(shè)置在所述曲軸上，并具有與曲軸軸線平行的曲柄銷軸線，該連桿的上端以上端軸頸(軸樞部，journal)樞轉(zhuǎn)地連接于所述活塞，下端以下端軸頸樞轉(zhuǎn)地連接于所述曲柄銷的下端，所述上端圍繞與所述曲軸軸線平行的上端軸頸軸線樞轉(zhuǎn)，所述下端圍繞與所述曲軸軸線平行的下端軸頸軸線樞轉(zhuǎn)；其中，所述改進(jìn)機(jī)構(gòu)包括偏心軸承，該偏心軸承具有軸向偏心軸頸，該軸向偏心軸頸具有平行于下端軸頸軸線并偏離于曲柄銷軸線的偏心軸頸軸線，所述偏心軸承置于下端與曲柄銷之間，以在曲軸在曲軸箱中轉(zhuǎn)動(dòng)期間使下端產(chǎn)生非圓形路徑。還期望所述非圓形路徑為外旋輪線式的，并且在曲軸在曲軸箱中旋轉(zhuǎn)期間，所述外旋輪線式路徑延長活塞暫停在圓柱形外殼中的下止點(diǎn)位置處或其附近所花費(fèi)的時(shí)間，并且本發(fā)明同樣可應(yīng)用于在四沖程或二沖程循環(huán)上運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是，上端軸頸軸線與下端軸頸軸線之間的距離，是曲軸在曲軸箱中旋轉(zhuǎn)期間活塞暫停在圓柱形外殼中的下止點(diǎn)位置處或其附近所花費(fèi)的時(shí)間期間與外旋輪線式路徑的下部相配的弧的半徑。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是，改進(jìn)機(jī)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例還將包括至少一個(gè)行星齒輪組，其包括至少一個(gè)固定地連接于曲軸箱的固定太陽齒輪，所述太陽齒輪具有與曲軸軸線成一直線的太陽齒輪軸線；旋轉(zhuǎn)行星齒輪，具有平行于太陽齒輪軸線的行星齒輪軸線，并與太陽齒輪相嚙合，其節(jié)徑等于太陽齒輪的節(jié)徑；安裝于行星齒輪的偏心軸承，具有平行于行星齒輪軸線并偏離于行星齒輪軸線的偏心軸頸軸線，所述偏心軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在下端軸頸中，并且曲柄銷可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在偏心軸頸中。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是，改進(jìn)機(jī)構(gòu)的可替換實(shí)施例還將包括至少一個(gè)內(nèi)部有齒齒輪，固定地安裝于曲軸箱，其中所述內(nèi)部有齒齒輪具有與曲軸軸線成一直線的軸線；至少一個(gè)第一正齒輪，具有與內(nèi)部有齒齒輪的軸線平行的第一正齒輪軸線，并與內(nèi)部有齒齒輪相嚙合；至少一個(gè)第二正齒輪，具有與第一正齒輪的軸線平行的第二正齒輪軸線，并與第一正齒輪相嚙合；安裝于第二正齒輪的偏心軸承，具有平行于第二正齒輪軸線并偏離于第二正齒輪軸線的偏心軸頸軸線，所述偏心軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在下端軸頸中，并且曲柄銷可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在偏心軸頸中。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是，提供一種增強(qiáng)機(jī)器性能的方法，所述機(jī)器具有至少一個(gè)圓柱形外殼，圓柱形外殼具有中心軸線，所述機(jī)器具有至少一個(gè)往復(fù)活塞、曲軸以及連桿，所述活塞在圓柱形外殼中沿中心軸線在上止點(diǎn)位置與下止點(diǎn)位置之間行進(jìn)，曲軸可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述機(jī)器中的曲軸箱中，以圍繞曲軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，至少一個(gè)曲柄銷徑向設(shè)置在所述曲軸上，并具有與曲軸軸線平行的曲柄銷軸線，該連桿的上端以具上端軸頸樞轉(zhuǎn)地連接于所述活塞，下端以下端軸頸樞轉(zhuǎn)地連接于所述曲柄銷的下端，所述上端圍繞與所述曲軸軸線平行的上端軸頸軸線樞轉(zhuǎn)，所述下端圍繞與所述曲軸軸線平行的下端軸頸軸線樞轉(zhuǎn)；所述方法包括以下步驟提供偏心軸承，其具有軸向偏心軸頸和平行于下端軸頸軸線的偏心軸頸軸線；將所述偏心軸承設(shè)置于下端軸頸中；將曲柄銷設(shè)置于偏心軸頸中，其中，偏心軸承軸頸軸線平行并偏離于曲柄銷軸線；以及在曲軸在曲軸箱中轉(zhuǎn)動(dòng)期間，使下端遵循非圓形路徑。還期望所述非圓形路徑為外旋輪線式的，并且在曲軸在曲軸箱中旋轉(zhuǎn)期間，所述外旋輪線式路徑延長活塞暫停在圓柱形外殼中的下止點(diǎn)位置處或其附近所花費(fèi)的時(shí)間，因此本發(fā)明的該方法同樣可應(yīng)用于在四沖程或二沖程循環(huán)而運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器。
本發(fā)明方法的另一個(gè)目的是，使上端軸頸軸線與下端軸頸軸線之間的距離，是曲軸在曲軸箱中的旋轉(zhuǎn)期間活塞暫停在圓柱形外殼中的下止點(diǎn)位置處或其附近所花費(fèi)的時(shí)間期間與外旋輪線式路徑的下部相配的弧的半徑。
本發(fā)明方法的另一個(gè)目的是，一個(gè)實(shí)施例還包括以下步驟提供至少一個(gè)行星齒輪組，其包括至少一個(gè)固定地連接于曲軸箱的固定太陽齒輪，該太陽齒輪具有與曲軸軸線成一直線的太陽齒輪軸線；提供旋轉(zhuǎn)行星齒輪，具有平行于太陽齒輪軸線的行星齒輪軸線，并與太陽齒輪相嚙合，其節(jié)徑等于太陽齒輪的節(jié)徑；將偏心軸承安裝于行星齒輪，具有平行于行星齒輪軸線并偏離于行星齒輪軸線的偏心軸頸軸線，并將所述偏心軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在下端軸頸中；以及將曲柄銷可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在偏心軸頸中。
本發(fā)明方法的另一個(gè)目的是，可替換實(shí)施例還包括以下步驟提供至少一個(gè)內(nèi)部有齒齒輪，固定地安裝于曲軸箱，其中所述內(nèi)部有齒齒輪具有與曲軸軸線成一直線的軸線；提供至少一個(gè)第一正齒輪，具有與內(nèi)部有齒齒輪的軸線平行的第一正齒輪軸線，并與內(nèi)部有齒齒輪相嚙合；提供至少一個(gè)第二正齒輪，具有與第一正齒輪的軸線平行的第二正齒輪軸線，并與第一正齒輪相嚙合；將偏心軸承安裝于第二正齒輪，其中，偏心軸頸軸線平行于第二正齒輪軸線并偏離于第二正齒輪軸線；將所述偏心軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在下端軸頸中；以及將曲柄銷可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在偏心軸頸中。
本發(fā)明方法的另一個(gè)目的是它可應(yīng)用于在圓柱形外殼中具有至少一個(gè)固定的排氣口的機(jī)器，所述方法還包括調(diào)整排氣口的大小并沿圓柱形外殼的軸線重新定位排氣口的步驟。同樣地，本發(fā)明方法還可應(yīng)用于在圓柱形外殼中具有至少一個(gè)固定的進(jìn)氣口的機(jī)器，所述方法還包括調(diào)整進(jìn)氣口的大小并沿圓柱形外殼的軸線重新定位進(jìn)氣口的步驟。
以最簡單的術(shù)語表達(dá)，曲軸無非是杠桿臂。杠桿臂傳輸?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)力的量是臂有效長度、作用在其上的作用力以及所述作用力被施加的方向的函數(shù)。傳統(tǒng)活塞驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)都利用曲軸將它們的活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)。這種布置伴隨的問題是，當(dāng)在每次動(dòng)力階段期間實(shí)際有效力矩臂的長度最大時(shí)，作用在杠桿臂上的大部分作用力未被施加。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，有效力矩臂延長，但是作用力減少了。在每次動(dòng)力階段，可用的作用力和有效力矩臂長度的組合乘以動(dòng)力脈沖的頻率。其結(jié)果為測得的發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出(忽略摩擦)。本發(fā)明外旋輪線式路徑曲軸以這樣一種方式組合大部分可用作用力與修正的力矩臂，所述方式即，使得所得到的使用該曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出大于具有傳統(tǒng)型相等沖程的曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，增加的動(dòng)力輸出不是僅由于增加的力矩臂而導(dǎo)致的?？捎酶軛U作用的增加使得在壓力施加于其上的情況下活塞可進(jìn)一步在缸膛中行進(jìn)，并且實(shí)現(xiàn)動(dòng)力增加。在每次動(dòng)力階段，動(dòng)力階段增加的長度與截留的燃燒氣體的更好利用相組合以在活塞上產(chǎn)生更多的功。與適當(dāng)連桿長度相組合的外旋輪線式圖案底部處的力矩臂的減少，使得活塞在較長的時(shí)間內(nèi)都處于實(shí)際上靜止不動(dòng)的狀態(tài)，如在轉(zhuǎn)動(dòng)的曲軸角中測得。該時(shí)間用于清空氣缸的廢氣并在無需從動(dòng)力階段借取時(shí)間的情況下為氣缸重新裝填新鮮燃料。伴隨活塞暫停在BDC處或BDC附近的增加的動(dòng)力階段的結(jié)果是更有力且更有效的發(fā)動(dòng)機(jī)。
具有標(biāo)準(zhǔn)型曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄銷固定在離曲軸的中心特定距離處。在曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)期間，曲柄銷將沿圓形行進(jìn)。該圓的直徑是被稱為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程的距離，并且因?yàn)榛钊ㄟ^連桿與曲柄銷相連，因此活塞在缸膛中行進(jìn)相同的距離。在裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中，曲柄銷也沿圓形行進(jìn)。然而，連桿未直接連接于曲柄銷。取而代之，連桿的下端安放在偏心軸承上，該偏心軸承又安放在曲柄銷上并通過傳動(dòng)裝置引入其位置中。軸承的偏心率、連桿的長度、曲軸的沖程、以及傳動(dòng)裝置的指引的組合都確定連桿下端的路徑。然而，與該不同的曲軸布置無關(guān)，活塞在其缸膛中行進(jìn)的距離仍為發(fā)動(dòng)機(jī)的沖程。在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中，連桿的底部遵循曲柄銷所產(chǎn)生的圓形，而在本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)中，連桿的底部沿外旋輪線式路徑行進(jìn)。偏心軸承和其相關(guān)傳動(dòng)裝置使得所述路徑在曲軸的每次轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)都是完全重復(fù)的，并且基于傳動(dòng)裝置的初始指引，該路徑可指向任何方向。由于曲柄銷位于曲軸中心的特定距離處，因此標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中曲軸路徑是固定半徑的。外旋輪線式路徑由于偏心軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)而連續(xù)改變其半徑。另外，當(dāng)疊加在標(biāo)準(zhǔn)曲軸產(chǎn)生的圓形路徑上時(shí)，外旋輪線式路徑在該路徑的一些部分中遠(yuǎn)離中心而在其它部分中靠近中心，所有部分都共用一個(gè)公共轉(zhuǎn)動(dòng)中心。從曲軸的中心到施力點(diǎn)測得的所產(chǎn)生的力矩臂的長度也不斷改變。因此，改變的半徑和增加的力矩臂兩者有助于本發(fā)明設(shè)計(jì)可產(chǎn)生的增加的動(dòng)力輸出。力矩臂上的增加是增加活塞速度遠(yuǎn)離TDC的直接原因，因此其可更快到達(dá)其沖程的底部，這有助于活塞在壓力作用在其上時(shí)行進(jìn)更長的距離。由于由連桿的中心線上長度擺動(dòng)的弧最優(yōu)化以便于與外旋輪線式路徑緊密相配，因此在所產(chǎn)生的圖案底部的半徑上的增加允許活塞暫停在BDC處或其附近。連桿長度、期望沖程和偏心軸承的偏移等變量必須都是匹配的以產(chǎn)生最大活塞暫停和最小連桿角度。
通過使用外旋輪線式曲軸，在一個(gè)動(dòng)力階段產(chǎn)生的扭矩曲線將產(chǎn)生比相似沖程的標(biāo)準(zhǔn)型曲軸更高的峰值扭矩值。這是通過適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)裝置和偏心軸承的定向與作用在活塞頂上的氣缸中的壓力相組合可產(chǎn)生的更長力矩臂實(shí)現(xiàn)的。由于功取決于活塞行程和作用力，因此必須理解的是，在壓力下，以及初始?xì)飧讐毫ο?，任何曲軸對于給定的活塞區(qū)域、行程都將產(chǎn)生相同的總扭矩力。例如，如果燃燒室具有固定容積并且其中的初始壓力總是相同的情況下，功輸出將是相同的，而與裝在發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲軸類型無關(guān)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)裝有活塞，在壓力作用于其上時(shí)活塞行進(jìn)相同的距離。如果所使用的曲軸具有極長的沖程的話，由于較長的力矩臂，導(dǎo)致總活塞移動(dòng)將更大。然而，在沒有氣缸壓力的幫助下在排氣階段開始之后將出現(xiàn)活塞移動(dòng)的距離。這意味著為了在動(dòng)力階段期間獲得更多的功，在壓力作用于其上時(shí)給定活塞必須行進(jìn)更大的距離或者初始燃燒室壓力必須更大。這兩個(gè)變量(即，作用力和距離)的乘積一定更大。
標(biāo)準(zhǔn)曲軸的曲柄銷的圓形路徑上的任意點(diǎn)都可換算為曲軸的旋轉(zhuǎn)度數(shù)，該旋轉(zhuǎn)度數(shù)又可用來確定活塞位置。同樣地，裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的路徑上的任意點(diǎn)也可換算為曲軸定向和活塞位置。然而，當(dāng)在這兩種類型的曲軸之間比較相同的曲軸旋轉(zhuǎn)角時(shí)，除在TDC和BDC處以外，活塞位置是不同的。當(dāng)比較這兩種曲軸設(shè)計(jì)時(shí)，這兩個(gè)活塞在其各自的缸膛中移動(dòng)的速度是不同的。
當(dāng)在相同的RPM下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與裝在具有相似沖程的標(biāo)準(zhǔn)型曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞相比，裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)將使得活塞更快地移動(dòng)得遠(yuǎn)離缸膛的頂部。這是由于偏心軸承產(chǎn)生的增加力矩臂和連桿下端所遵循的路徑導(dǎo)致的。越長的力矩臂使得活塞越快地加速遠(yuǎn)離TDC。然而，當(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞接近其行程的底部時(shí)，移動(dòng)的速度比裝有標(biāo)準(zhǔn)型曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞慢。這是由于較短的力矩臂導(dǎo)致的，其影響連桿下端的路徑。另外，是期望沖程長度、偏心軸承中的偏移和連桿的長度的組合確定了本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)中任意給定點(diǎn)下的實(shí)際力矩臂的長度。裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)與裝有標(biāo)準(zhǔn)型曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)之間的重要差異是，當(dāng)整個(gè)活塞行程保持恒定時(shí)，裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)的力矩臂在曲軸旋轉(zhuǎn)的某些點(diǎn)中較大而在另一些點(diǎn)中較小。裝有標(biāo)準(zhǔn)型曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)的缸膛中活塞移動(dòng)是由曲軸沖程確定的。所述沖程也是曲軸遵循的圓形的直徑的測量值。作為恒定值的直徑確定了活塞和連桿可作用于其上的最大力矩臂。由于裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)使得連桿的下端沿非圓形路徑行進(jìn)，因此當(dāng)活塞頂上的壓力可更有利地作用在曲軸上時(shí)，可使得動(dòng)力沖程階段期間力矩臂更大。由于氣缸的沖程保持恒定，因此非圓形路徑將連桿的下端拉動(dòng)得更靠近于曲軸的中心，由于路徑具有與連桿的中心線上長度相配的半徑，因此活塞將暫停在BDC處或其附近。將使得氣缸中的壓力作用在更大的力矩臂上并且推動(dòng)活塞更大的距離。這些特征都有助于更大的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，同時(shí)暫停在缸膛底部允許有充足的時(shí)間進(jìn)行排氣階段。
排量是用于表示內(nèi)燃機(jī)尺寸的術(shù)語。排量是從單個(gè)氣缸的橫截面積、活塞從TDC到BDC行進(jìn)的距離、以及發(fā)動(dòng)機(jī)中氣缸數(shù)量的乘積中得出的。其基于活塞移動(dòng)導(dǎo)致的容積變化表示發(fā)動(dòng)機(jī)可吸收的空氣容積。在排量的計(jì)算中，未提及相關(guān)的幾個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)因素，諸如燃燒室的容積、CR、或者發(fā)動(dòng)機(jī)是在二沖程還是在四沖程下操作。另外，引入方法(通常為吸入或壓迫引入)或在壓力作用在其上表面時(shí)活塞行進(jìn)的距離不會(huì)影響排量計(jì)算。當(dāng)氣缸的最后溢出路徑被關(guān)閉時(shí)通過測量氣缸中的容積確定所截留的燃料混合物的容積。當(dāng)活塞已開始其在缸膛中的向上行進(jìn)時(shí)，在通常表示為壓縮階段的曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)中的某處可進(jìn)行所述測量。在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中，剛好在超過BDC的一點(diǎn)處關(guān)閉最后溢出路徑。燃料的實(shí)際容積和質(zhì)量略低于氣缸蓋的容積加上氣缸排量。已行進(jìn)到缸膛上部并使得氣缸中的總?cè)莘e小于其最大值的活塞將趨向于使得氣缸外的一部分燃料回流直到其被截留，尤其是在低發(fā)動(dòng)機(jī)速度下。標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)面對這樣一個(gè)事實(shí)，即，由于活塞在到達(dá)缸膛底部的情況下會(huì)立即調(diào)轉(zhuǎn)其方向并開始在氣缸中上升，因此導(dǎo)致其燃料供送的動(dòng)量會(huì)立即遭遇它們致力于進(jìn)入其中的氣缸中的壓力升高的問題。在進(jìn)氣閥關(guān)閉之前氣缸中增加的壓力和減少的容積導(dǎo)致進(jìn)入的燃料混合物停止。最終結(jié)果是上升的活塞在每次進(jìn)氣階段排出了一部分燃料供送，并且所截留的燃料混合物容積總是低于總氣缸排量。當(dāng)燃料供送的動(dòng)量能夠避免排出到氣缸外的混合物移動(dòng)時(shí)，只有在升高的發(fā)動(dòng)機(jī)速度下發(fā)動(dòng)機(jī)才設(shè)法截留最大容積的燃料混合物。在裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞將暫停在缸膛的底部處并且可獲得燃料供送可進(jìn)入的最大容積。之后可在容積較大時(shí)關(guān)閉溢出氣缸的最后溢出路徑，并且可將更大容積的燃料混合物截留在氣缸中。在壓縮沖程期間，增加的容積將壓縮到氣缸蓋處可用的容積中。如果裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)將最初截留的CR保持在與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)相配的數(shù)值下的話，氣缸蓋處的容積將不得不增加。另外，實(shí)際CR將過高，并且易于發(fā)生爆燃和過熱。增加氣缸蓋容積會(huì)在壓縮沖程開始時(shí)使得截留在氣缸中的燃料混合物的總?cè)莘e增加得更大。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的排量取決于活塞在其沖程期間在缸膛中行進(jìn)的總距離，因此裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)可被設(shè)計(jì)得具有等于裝有標(biāo)準(zhǔn)曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)沖程的活塞沖程，這將不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的排量。然而，裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)將在每次動(dòng)力沖程吸入更多的燃料混合物，并且由于動(dòng)力輸出直接與氣缸中截留的燃料混合物的容積相關(guān)，因此對于給定排量來說發(fā)動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生更多的動(dòng)力。
從本發(fā)明中可得到的優(yōu)點(diǎn)可分類為增加給定排量的動(dòng)力或處于燃料經(jīng)濟(jì)性原因增加效率?？稍诙_程或四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)力和效率的增加。在有限量的燃料中具有有限量的能量，所述的本發(fā)明可在排出廢氣之前從其燃料供送的燃燒中提取更多可用壓力。所有發(fā)動(dòng)機(jī)都必須從其氣缸中排出廢氣以便于具有充足的時(shí)間來重新裝填其氣缸以備下一次動(dòng)力沖程之用。當(dāng)活塞仍在氣缸中向下移動(dòng)時(shí)進(jìn)行所述重新裝填，并有效地終止在活塞上所作的功的量。在只在其氣缸中裝有氣口的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于氣口是氣缸壁中的簡單的孔，因此氣口高度和寬度是固定的，盡管某些高度發(fā)展的賽車用發(fā)動(dòng)機(jī)具有可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的RPM改變高度的排氣口。術(shù)語Time-Area(在下文中縮寫為“TA”)表示這樣一種數(shù)值，該數(shù)值表示為了使得氣體流過而暴露面積的時(shí)間量。氣缸氣口的閥不能在瞬間打開，這允許它們在給定的時(shí)間量下使得最大容積的氣體穿過。相反，這些閥逐漸打開和關(guān)閉。利用孔的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)使得它們的面積僅在TDC和BDC處最大，這是因?yàn)樵诨钊恢玫乃衅渌c(diǎn)處都會(huì)出現(xiàn)一定程度的活塞遮蔽。裝有提升閥的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)(以及一些二沖程發(fā)動(dòng)機(jī))必須允許閥離開其位置，升高到某一最大高度，之后返回到其位置。TA值確定氣口或管道在其中最有效的RPM范圍。與發(fā)動(dòng)機(jī)速度無關(guān)，氣口或管道的暴露面積總是相同的。然而，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的RPM升高時(shí)，每次操作循環(huán)之間的時(shí)間縮短了，影響了使得有效發(fā)動(dòng)機(jī)操作所需的適當(dāng)容積的氣體流過氣口的能力。由于時(shí)間分量上的改變，因此氣口或管道不能具有固定的TA值。必須在具體的發(fā)動(dòng)機(jī)速度下確定所述數(shù)值。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)速度增加時(shí)，每個(gè)操作階段之間的時(shí)間(無論是二沖程還是四沖程)減少了。在由發(fā)動(dòng)機(jī)制造商制定的進(jìn)入口或閥時(shí)限所決定的某些發(fā)動(dòng)機(jī)速度下，獲得了峰值扭矩輸出，該峰值扭矩輸出是出現(xiàn)最高容積效率的點(diǎn)。容積效率是發(fā)動(dòng)機(jī)將最大量的燃料混合物吸入到每個(gè)氣缸中的能力的量度標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)操作的每個(gè)階段都需要一定的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)以使得一定容積的氣體穿過氣口或閥。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)速度增加時(shí)，在氣體的容積增加并且氣口或閥的面積保持恒定時(shí)，完成這些階段的時(shí)間變短了。在一些RPM下，由于氣口或閥變成了氣體流動(dòng)的阻礙，因此用于那些氣體通過的時(shí)間量不足以使得階段完全完成。
在裝有外旋輪線式曲軸的二沖程原型發(fā)動(dòng)機(jī)(在下文中，稱作“本發(fā)明原型”或“本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)”)中，在缸膛中上下的活塞速度不同于在相同RPM下操作的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞速度。在原始標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中，制造商將氣缸中氣口的尺寸選擇得可提供平穩(wěn)的空轉(zhuǎn)、易于啟動(dòng)、以及一些RPM潛力。在本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)中，氣口尺寸實(shí)際上不同于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣口尺寸，但是氣口TA值與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值是一致的。在原型發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸中根據(jù)所計(jì)算的TA值復(fù)制Time-Area值而不是簡單地拷貝標(biāo)準(zhǔn)氣口的實(shí)際尺寸。利用電子制表軟件，使用連桿長度、活塞沖程和氣口高度的庫存值數(shù)學(xué)地復(fù)制標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)。由于氣口相對于氣缸軸線是對稱的，因此它們在TDC或BDC的任意側(cè)上打開或關(guān)閉相等的時(shí)間量。電子制表軟件能夠?yàn)榍S轉(zhuǎn)動(dòng)的每一度計(jì)算活塞所暴露的口視窗的面積。合計(jì)打開點(diǎn)和關(guān)閉點(diǎn)之間暴露的氣口部分的面積提供了在包括氣口暴露的曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)間隔期間暴露的總面積。在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中，排氣口僅在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)位置處完全打開，該位置為BDC。同樣地，進(jìn)氣口僅在TDC處完全打開。本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)以其為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為“活塞通道”發(fā)動(dòng)機(jī)。進(jìn)氣和排氣持續(xù)時(shí)間僅由缸膛中的活塞位置控制，而不是如同裝有簧片閥的發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣階段中將發(fā)生的那樣由壓差控制(另一種類型的引入裝置是其中具有孔的圓盤，在氣口的前面旋轉(zhuǎn)，其顧及了不對稱進(jìn)氣口的時(shí)限，并被稱作圓盤閥)。
使用近似的方法和類似的電子制表軟件以進(jìn)行直接對比，相對于曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)任何角度，確定本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞位置(標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)與原型發(fā)動(dòng)機(jī)之間的比較假定這兩個(gè)曲軸在相同RPM下轉(zhuǎn)動(dòng))。如果以與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的口相同的尺寸留出本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸中的氣口的話，排氣口會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣口更早地被露出。由于本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)43度下暫停在缸膛的底部處，因此排氣口沒有被活塞遮蔽并且在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的整個(gè)部分期間保持完全打開。在比較中，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口僅在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)9度下完全打開。由于活塞暫停在完全打開位置，因此時(shí)間和面積的乘積組合以產(chǎn)生超過標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣口的原始計(jì)算值的TA值。在原型發(fā)動(dòng)機(jī)中，氣口的寬度不變并且僅調(diào)節(jié)其高度。發(fā)動(dòng)機(jī)的原制造商結(jié)合考慮活塞環(huán)支撐和磨損選擇氣口寬度，這些在原型發(fā)動(dòng)機(jī)中保留下來。由于TA值太大，因此降低氣口的高度，這會(huì)同時(shí)導(dǎo)致兩種情況發(fā)生由于氣口將在較低的活塞位置以及較小的曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度下打開，因此TA值的時(shí)間部分將降低，并且由于氣口實(shí)際上降低了，因此TA值的面積部分也會(huì)降低。使用用于活塞位置的計(jì)算值，可確定氣口高度和曲軸度數(shù)的組合，其將復(fù)制標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中所設(shè)計(jì)的相同的TA值。
通過降低標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣口高度，燃料燃燒提供的更多壓力和熱量可用于向下驅(qū)動(dòng)活塞，這增加了每個(gè)動(dòng)力階段在活塞上所作的功。折衷方法是，由于現(xiàn)在縮短了用于清除氣缸廢氣并以新鮮燃料混合物更換它們的氣口的可用TA值，因此降低有效操作RPM范圍。低RPM意味著在給定時(shí)間周期內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)可對于活塞施加的動(dòng)力階段的數(shù)量減少了，因此減少了動(dòng)力輸出。另一方面，較高的氣口高度意味著更多的時(shí)間可用于清空氣缸，但是氣口高度限制了進(jìn)入氣缸的燃料混合物的截留容積和質(zhì)量，這又限制了可在活塞上作的功的量。每個(gè)動(dòng)力脈沖都較弱，但是氣口可支持更大的流量，這意味著發(fā)動(dòng)機(jī)可獲得更高的RPM。更多的動(dòng)力脈沖被輸送到曲軸，雖然每個(gè)單獨(dú)的動(dòng)力脈沖都較弱，但是它們的絕對數(shù)量提供了更高馬力的輸出。
在本發(fā)明中如上述的添加外旋輪線式曲軸不會(huì)由所述曲軸本身增加動(dòng)力?？尚械氖侨绻麣饪诟叨缺３植蛔兊脑捲黾恿饲蹇諝飧椎臅r(shí)間，這將在與未修改的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)一致的發(fā)動(dòng)機(jī)速度下增加氣口的TA值。這是通過允許活塞在比同等沖程的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中更快速度下行進(jìn)到其行程的下部并在相同的RPM下操作而實(shí)現(xiàn)的。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在升高的RPM下仍能充分地清空發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，因此這將使得裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠達(dá)到更高的RPM。如果期望的RPM保持在與未修改的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)相同的范圍內(nèi)的話，外旋輪線式曲軸將使得未修改的氣口具有過大的TA值。最簡單的修改是降低氣口，這將減小氣口的TA值，并將那些值帶回到標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的原始操作RPM范圍。然而，降低氣口允許活塞在壓力作用在其上的情況下行進(jìn)得更遠(yuǎn)，這增加了每個(gè)動(dòng)力階段期間在活塞上所作的功量。在普通發(fā)動(dòng)機(jī)最初設(shè)定的RPM范圍內(nèi)將有充足的時(shí)間清空發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸，并且由于在活塞上所作的增加的功導(dǎo)致增加動(dòng)力輸出。由于氣口的高度是固定的并且現(xiàn)在在缸膛中降低了，因此升高的活塞將覆蓋氣口視窗并截留比標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)所能截留的更大量的燃料混合物。如在該公開中更早描述，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中的原始實(shí)際CR是基于燃料混合物的總截留容積與燃料混合物的壓縮容積的比率的。如果裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中的CR保持為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的值的話，必須為裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室增加輔助容積。否則，更大容積的截留燃料混合物將被壓縮于原始燃燒室容積中，將實(shí)際CR升高到超過標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值。增加的燃燒室容積將實(shí)際CR減小到等于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值但是還將增加截留的容積。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出等于動(dòng)力階段期間截留的燃料混合物的容積，因此在與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的RPM相等的發(fā)動(dòng)機(jī)速度下將產(chǎn)生更多的動(dòng)力。
在裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中，迅速下降的活塞將在進(jìn)入的燃料混合物中產(chǎn)生大量的動(dòng)量，這有助于氣缸填充和燃料霧化。在進(jìn)入氣缸的情況下，燃料混合物不會(huì)從移動(dòng)的活塞處面臨即刻的壓力升高。另外，在進(jìn)氣閥關(guān)閉的情況下活塞將保持在缸膛底部或其附近。其結(jié)果是，更大容積的燃料混合物將被截留在氣缸中，導(dǎo)致每個(gè)動(dòng)力階段在活塞上作更多的功。勝于僅在上升的發(fā)動(dòng)機(jī)速度期間使得氣缸填充其容量，靜止不動(dòng)的活塞允許更大的發(fā)動(dòng)機(jī)速度范圍，在該范圍下氣缸將充滿最大效率。由于通過燃料測量系統(tǒng)的更大氣流速度，因此將增強(qiáng)燃料混合物質(zhì)量，并且將導(dǎo)致更好的燃料霧化。截留的混合物將會(huì)以更好的效率在燃燒室中燃燒，其結(jié)果是減少了最終溢出到大氣環(huán)境中的廢氣中未燃燒燃料的散發(fā)。
由于活塞移動(dòng)和位置不控制閥打開和關(guān)閉點(diǎn)的時(shí)限，因此使用氣口閥和提升閥兩者的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)可更具有燃料效率。另外，凸輪軸操縱所述閥。然而，在增加外旋輪線式曲軸的情況下，由于活塞在缸膛中的快速下降，又使得活塞暫停在其沖程的底部。另外，在沒有減小預(yù)期速度范圍內(nèi)操作所需的氣口的TA值的情況下可降低原始?xì)饪诟叨龋⑶议y時(shí)限將被修改以補(bǔ)足氣口的TA值。降低氣口和延遲閥動(dòng)作的組合意味著可在與原始發(fā)動(dòng)機(jī)相同的RPM下在活塞上作更多的功。燃料燃燒所產(chǎn)生的更多熱量和壓力可用于在每個(gè)動(dòng)力階段推動(dòng)活塞頂部同時(shí)保持充足的時(shí)間以清空氣缸。
使用外旋輪線式曲軸的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)可具有更高的燃料效率以及更大的功率。在該類型發(fā)動(dòng)機(jī)中，在氣缸壁上沒有切割氣口。進(jìn)氣和排氣功能都是由布置在氣缸蓋(在頂閥式發(fā)動(dòng)機(jī)中)或發(fā)動(dòng)機(jī)組(如平坦蓋或L型蓋設(shè)計(jì)中)中的提升閥控制的。這些閥改為靠在凸輪軸凸起上以打開和關(guān)閉它們，閥運(yùn)動(dòng)與活塞位置和移動(dòng)無關(guān)。如果連桿的下端遵循與前面所述的二沖程型發(fā)動(dòng)機(jī)中相似的外旋輪線式路徑的話，活塞將比普通發(fā)動(dòng)機(jī)中更快地在缸膛中下降并且將在缸膛底部附近暫停一些時(shí)間。裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)可吸收與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中相同量(或者更多，取決于凸輪軸選擇、燃燒室容積、以及期望的發(fā)動(dòng)機(jī)用途)的燃料混合物，這將產(chǎn)生相同的初始?xì)飧讐毫Γ菍⒃黾訅毫釉谄渖?動(dòng)力階段)時(shí)活塞移動(dòng)的距離。如果這樣的話，由于閥打開和關(guān)閉活動(dòng)的不對稱時(shí)限而導(dǎo)致可在活塞上作更多的功，因此將增加發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。外旋輪線式曲軸所形成的獨(dú)特幾何形狀使得活塞在比其它形式可能達(dá)到的更快的速度下被推到缸膛下面并被推動(dòng)更長的距離。由于在相同的初始啟動(dòng)壓力下活塞行進(jìn)得更遠(yuǎn)，將在活塞上作更多的功，并且在排氣閥打開時(shí)氣缸中剩余的壓力可更少。氣缸中溢出更低的壓力意味著產(chǎn)生的噪音將更低，因此本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣音不會(huì)太大。雖然不是性能上的增益，但是更低的噪音水平有助于減少噪音污染。由于聲音是一種形式的能量，并且該能量基本上來源于燃料的燃燒，因此較低的排氣音將顯示出更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)。由于活塞不會(huì)移動(dòng)得更遠(yuǎn)，因此在動(dòng)力階段結(jié)束時(shí)標(biāo)準(zhǔn)氣缸中的壓力將更大，并且打開的排氣閥允許可用的氣缸壓力在無需幫助動(dòng)力輸出的情況下溢出。
在裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)的四沖程的實(shí)例中，由于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)閥運(yùn)動(dòng)在抽空氣缸上的時(shí)間限制導(dǎo)致通常會(huì)流失的排氣壓力將作功，將活塞進(jìn)一步壓迫到缸膛下面。在發(fā)動(dòng)機(jī)操作中很少提及的是克服氣缸壓力打開排氣閥所需的作用力。凸輪凸起必須首先克服在閥移動(dòng)之前將其保持在其位置中的彈簧壓力。也就是說，當(dāng)閥關(guān)閉期間彈簧解壓縮時(shí)，壓縮彈簧所需的功被還給系統(tǒng)。然而，閥的表面面積與氣缸中的壓力相組合，在閥被提離其位置之前也必須被克服。當(dāng)計(jì)算閥頭的面積之后乘以氣缸壓力時(shí)可發(fā)現(xiàn)該增加的作用力。作為實(shí)例，僅為1.00英寸直徑的排氣閥具有0.785平方英寸的表面積。如果閥打開時(shí)氣缸中的壓力為100psi的話，打開閥所需的作用力超出克服彈簧壓力所需的作用力78.5磅。由于廢氣在其自身的壓力下離開氣缸，因此沒有能量返回到系統(tǒng)中以補(bǔ)償克服作用在閥頭上所需的力。將該所需力從發(fā)動(dòng)機(jī)的凈動(dòng)力輸出中減去，并且可用的氣缸壓力流失到排氣區(qū)域以外。通過將氣缸壓力控制在氣缸內(nèi)并允許其進(jìn)一步膨脹，如本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)可行的，凈動(dòng)力損失將較低，并可更充分地利用氣缸壓力。一旦壓力在暫停周期期間自己回落，活塞將在氣缸中升高以便于僅清除殘余氣體，而不是必須作用在加壓的廢氣上。這很少在活塞上作負(fù)功，因此凈增益將更大。
由于裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)允許為每個(gè)動(dòng)力階段吸收更大容積的燃料混合物，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出將更大。在所有發(fā)動(dòng)機(jī)速度下都發(fā)生增強(qiáng)的氣缸填充，因此從測功器試驗(yàn)中獲得的馬力和扭矩曲線都將表示在整個(gè)RPM范圍上的提高。作為實(shí)例，本發(fā)明二沖程原型發(fā)動(dòng)機(jī)在每次壓縮階段多截留約15％的燃料混合物。該增加的容積是由于排氣口的降低和氣缸蓋中用于保持標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的原始截留CR而增加的容積導(dǎo)致的。由于在該發(fā)動(dòng)機(jī)中排氣口首先打開最后關(guān)閉，因此作用力和活塞行進(jìn)的距離都增加了，因此在活塞上產(chǎn)生了更多的功。將裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)的馬力和扭矩曲線與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生曲線相比將顯示出，本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)的曲線的旋轉(zhuǎn)與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲線相似，但是在所有點(diǎn)處升高15％。在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的馬力曲線的峰值點(diǎn)處，裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生多出15％的動(dòng)力。馬力曲線通常為“鐘”形的，曲軸峰值馬力值出現(xiàn)在鐘形的頂部處。如果標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)可產(chǎn)生的最大量的馬力是所要求的全部的話，將要求具有相似但卻升高的動(dòng)力曲線的本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)在更低RPM下旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)所述動(dòng)力輸出。在較低的發(fā)動(dòng)機(jī)速度下，在保持原始動(dòng)力水平的同時(shí)減少了燃料耗量。


圖1是懸吊(overhung)結(jié)構(gòu)的一個(gè)曲軸輪中的外旋輪線式曲軸的分解圖；
圖2用圖表表示了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中曲柄銷的中心行進(jìn)的圓形路徑；圖3是安裝在連桿下端內(nèi)的偏心軸承的幾何形狀的視圖；圖4用圖表表示了具有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中偏心軸承的中心行進(jìn)的路徑；圖5是由連桿的中心線上長度限定的曲線的視圖；圖6用圖表表示了在具有外旋輪線式曲軸的原型發(fā)動(dòng)機(jī)(prototype engine)中具有零偏移的偏心軸承的中心行進(jìn)的路徑；圖7用圖表表示了在具有外旋輪線式曲軸和0.1334英寸偏移的原型發(fā)動(dòng)機(jī)中偏心軸承的中心行進(jìn)的路徑；圖8用圖表表示了在具有外旋輪線式曲軸和過度偏移的原型發(fā)動(dòng)機(jī)中偏心軸承的中心行進(jìn)的路徑；圖9是由原型發(fā)動(dòng)機(jī)上的連桿的中心線上長度限定的曲線與由具有過度偏移距離的偏心軸承的中心行進(jìn)的路徑的差異的視圖；圖10是由原型發(fā)動(dòng)機(jī)上的連桿的中心線上長度限定的曲線以及由具有恰當(dāng)偏移距離的偏心軸承的中心行進(jìn)的路徑的視圖；圖11用圖表表示了在可替換外旋輪線式曲軸中在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)360度期間兩個(gè)齒輪的相對位置；圖12用圖表表示了在可替換外旋輪線式曲軸中在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)360度期間所有元件的相對位置；
圖13是可替換外旋輪線式曲軸的橫截面；圖14是可替換外旋輪線式曲軸的分解圖；圖15是活塞在BDC處的二沖程循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的橫截面，示出了可替換孔位置；圖16是活塞在TDC處的二沖程循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的橫截面，示出了可替換孔位置。
具體實(shí)施例方式
如圖1的分解圖中所示，本發(fā)明外旋輪線式曲軸組件的一個(gè)實(shí)施例是使用相等節(jié)徑的固定太陽齒輪2和旋轉(zhuǎn)行星齒輪3的簡化的行星齒輪系統(tǒng)1。兩個(gè)齒輪通過曲軸4保持恒定嚙合，該曲軸也可用作飛輪。太陽齒輪2固定地連接于發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱(未示出)，太陽齒輪的軸線5與曲軸4的軸線處于相同的旋轉(zhuǎn)軸線上。通過軸襯或軸承使得行星齒輪3以曲柄銷6為中心。這兩個(gè)齒輪每個(gè)都具有等于曲軸4的軸線5與曲柄銷6的軸線之間距離的節(jié)徑，或等于曲軸4一半沖程的節(jié)徑。由于齒輪恒定地嚙合，因此兩個(gè)齒輪中心之間的距離永遠(yuǎn)不會(huì)改變；因而，如果當(dāng)行星齒輪圍繞固定太陽齒輪2旋轉(zhuǎn)時(shí)繪制行星齒輪3的軸線11的路徑，則所得到的路徑將為圓形的，并與曲柄銷6的軸線的路徑重疊。具有偏心軸頸7a的偏心軸承7安裝于行星齒輪3，并且偏心軸頸7a的中心與行星齒輪3的軸線11和曲柄銷的軸線都軸向偏移特定距離8。具有下端軸頸10a的連桿9的下端10套在偏心軸承7上。偏心軸承7和下端10兩者以及具有下端軸頸中心線10b的連桿9的下端軸頸10a共用一個(gè)公共中心，該公共中心與曲柄銷6偏移特定距離8。在曲軸4轉(zhuǎn)動(dòng)期間，固定太陽齒輪2將使行星齒輪3在其軸線11上轉(zhuǎn)動(dòng)，該軸線11是與曲柄銷6的軸線相同的軸線。牢固地連接于行星齒輪3的偏心軸承7將在曲柄銷6的軸線上轉(zhuǎn)動(dòng)。由于曲柄銷6本身隨著曲軸4轉(zhuǎn)動(dòng)，因此當(dāng)曲柄銷隨著曲軸4行進(jìn)時(shí)，行星齒輪3和偏心軸承7都將圍繞曲柄銷6轉(zhuǎn)動(dòng)。由于曲軸4與固定太陽齒輪2的結(jié)合，對于曲軸4的每一次轉(zhuǎn)動(dòng)，行星齒輪3和偏心軸承7將轉(zhuǎn)動(dòng)兩次。偏心軸承7的中心將不遵循曲柄銷6的圓形路徑，而將描繪出外旋輪線式路徑。連桿9下端10的下端軸頸10a的軸線10b也沿著該路徑跟隨偏心軸承7的中心。當(dāng)偏心軸承7的中心與行星齒輪3的軸線11偏移少量時(shí)，外旋輪線式形狀將近似于圓形，并且當(dāng)偏心軸承7的中心偏移遠(yuǎn)離行星齒輪3的軸線11時(shí)，外旋輪線式形狀將呈現(xiàn)為明顯的腎臟形狀。由沖程長度和偏移距離8產(chǎn)生的外旋輪線式路徑產(chǎn)生將隨著曲軸4的每次轉(zhuǎn)動(dòng)再現(xiàn)其本身的圖案。通過將偏心軸承7的偏移距離8同繪制于曲軸4的軸線5與曲柄銷6的軸線之間的直線對齊而實(shí)現(xiàn)圖案的定位。偏移量8將直接指示離曲軸軸線5的距離，從而偏心軸承7的中心是離曲軸4的軸線5的最大距離。當(dāng)曲軸4處于零度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，該位置與活塞的TDC相互關(guān)聯(lián)。這種布置將使得外旋輪線式圖案在該圖案的上部中具有長力矩臂，而沿該圖案的底部具有較短力矩臂。該圖案的下部將具有較大半徑。具有上端軸頸12a(其具有上端軸頸中心線12b)的連桿9的上端12可樞轉(zhuǎn)地連接至活塞(未示出)。連桿9的中心距長度(其為上端軸頸中心線12b與下端軸頸中心線10b之間的距離)必須選擇成與該較大半徑相配，使得當(dāng)曲軸4轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，連桿9的下端10將遵循外旋輪線式路徑，而連桿9的上端12保持沿氣缸中心線受約束。對于較大量的曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，連接于連桿9上端12處的活塞將暫停在其沖程底部。由于本發(fā)明的曲軸涉及外旋輪線式圖案，因此其被稱為外旋輪線式曲軸。
在本發(fā)明的進(jìn)展中，兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)被數(shù)學(xué)模型化。一個(gè)是市場上可買到的傳統(tǒng)類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，一個(gè)是裝有本發(fā)明外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)。這兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)具有相同的缸膛和沖程尺寸，因此具有相同的排量。結(jié)果表明在相似的曲軸速度下，裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生更大的動(dòng)力。由于馬力是在活塞上執(zhí)行的功和其發(fā)生的頻率(發(fā)動(dòng)機(jī)的RPM)的函數(shù)，因此在相同發(fā)動(dòng)機(jī)速度下在動(dòng)力階段期間，在活塞上所作的功的增加致使裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生更大的馬力。這使得裝有本發(fā)明外旋輪線式曲軸的模型發(fā)動(dòng)機(jī)在每次動(dòng)力階段期間產(chǎn)生比從標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中獲得的多出15％的總動(dòng)力、以及多出41％的峰值扭矩?；诰哂幸韵鲁叽?英寸、立方英寸、厘米和立方厘米分別縮寫為“in”、“ci”、“cm”和“cc”)的普通(stock)Homelite二沖程循環(huán)活塞氣門線修草機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，包含外旋輪線式曲軸的本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)已形成并投入運(yùn)行，所述尺寸如下缸膛1.3125in或3.334cm沖程1.125in或2.858cm排量1.52立方英寸或24.95cc越過TDC 102度時(shí)排氣口打開距離TDC 0.749in或1.902cm越過TDC 128度時(shí)傳輸口打開距離TDC 0.954in或2.423cm越過TDC 60度時(shí)進(jìn)氣口關(guān)閉距離TDC 0.563in或1.430cmTDC前28度時(shí)發(fā)生火花點(diǎn)火距離TDC 0.082in或0.208cm燃燒室容積0.1745立方英寸或2.86ccCR(全沖程下測得)9.72∶1CR(在排氣口關(guān)閉時(shí)測得)6.8∶1連桿長度2.200in或5.588cm圖2是示出了在完整的360度轉(zhuǎn)動(dòng)期間標(biāo)準(zhǔn)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中曲柄銷的中心所行進(jìn)的圓形路徑13的示圖。其還示出了裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中曲柄銷的中心行進(jìn)的相同圓形路徑。在用以模型化本發(fā)明原型的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中，該圓的直徑等于1.125英寸的沖程長度。差異在于，在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中，曲柄銷中心的圓形路徑也是連桿下端中心的路徑。在裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中，曲柄銷中心的圓形路徑與連桿下端中心的路徑不同。連桿下端的中心被設(shè)置在遠(yuǎn)離曲柄銷中心的一距離處，該距離等于偏心軸承提供的偏移距離。圖2是用傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄銷中心的X、Y坐標(biāo)繪成的，其中X＝?jīng)_程長度×sin(曲軸角)，而Y＝?jīng)_程長度×cos(曲軸角)在圖2中，曲柄銷路徑正是通過上述公式產(chǎn)生的圓形。
在示出了曲柄銷位置的所有圖中，X軸被認(rèn)為是水平軸，而Y軸被認(rèn)為是豎直軸。假定氣缸中心線沿著Y軸，在模型化曲軸上方。此外，假定所有模型化曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)都是順時(shí)針方向的，而TDC沿著Y軸在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的零度角下。BDC位于遠(yuǎn)離TDC 180度處，也沿著Y軸。X、Y坐標(biāo)系的原點(diǎn)被認(rèn)為是模型化曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)中心。
圖3示出了偏心軸承的幾何形狀。偏心軸承的定義是裝在連桿下端內(nèi)的軸承。其外徑14等于連桿下端軸頸的內(nèi)徑減去用于軸承和/或潤滑油楔的小間隙。偏心軸承內(nèi)部中的孔的內(nèi)徑15等于曲柄銷的外徑加上用于軸承和/或潤滑油楔的小運(yùn)行間隙。軸承外徑的中心偏離偏心軸承內(nèi)部孔的中心一預(yù)定量16。這是用于外旋輪線式圖案的公式中所稱的偏移，并在圖1中表示為特定距離8。圖4示出了在裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中連桿下端的中心的路徑17。曲柄銷的中心與曲軸的中心是固定距離，并繪出了圓形路徑。在原型發(fā)動(dòng)機(jī)的情況中，曲柄銷圓具有0.5625英寸的半徑，因此具有1.125英寸的直徑。因此，這是發(fā)動(dòng)機(jī)的測定沖程，或活塞在氣缸中行進(jìn)的豎直距離。本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)中使用普通曲軸。作為圖3中所示的偏心軸承的偏移16的結(jié)果產(chǎn)生了圖4中所示的圖。偏移16是由連桿的長度和原型本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)中期望的沖程長度產(chǎn)生的計(jì)算量。該所計(jì)算的偏移產(chǎn)生圖案的較大半徑部分18(靠近于普通沖程圓內(nèi)運(yùn)行的路徑的底部)和延長區(qū)域(普通沖程圓外運(yùn)行的路徑的頂部處)。對于裝有本發(fā)明外旋輪線式曲軸的模型化發(fā)動(dòng)機(jī)中，對于總共43度的曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)角，通過計(jì)算精確的偏移距離16，使得活塞暫停在下止點(diǎn)(BDC)，或暫停在BDC的0.001英寸范圍內(nèi)。
參照圖5，連桿9的中心線上長度19描繪出弧20，該弧與圖4中所示的圖案的較大半徑部分18緊密相配并大致等于該較大半徑部分。用于連接連桿9與連桿9上端12處的活塞的肘節(jié)銷也是允許連桿9偏轉(zhuǎn)到氣缸中心線任一側(cè)的樞轉(zhuǎn)軸承。如果活塞保持固定，而允許連桿9前后擺動(dòng)，則連桿9下端10的中心將沿半徑等于連桿9的中心線上長度19的弧20擺動(dòng)。在圖5中示出了這種情況。
該弧20在偏心軸承和其偏移距離16所產(chǎn)生的圖案的下部18中被復(fù)制。圖4中的圖形是使用偏心軸承中心的X、Y坐標(biāo)繪成的。這也是連桿9的下端10將遵循的路徑。這不是曲柄銷的路徑(曲柄銷的路徑為圓形)。X、Y坐標(biāo)如下表示X＝[1/2沖程×sin(曲軸角)]-[偏移×sin(2×曲軸角)]，Y＝[1/2沖程×cos(曲軸角)]-[偏移×cos(2×曲軸角)]，其中(在該實(shí)例中)沖程＝1.125英寸、偏移＝0.1334英寸、曲軸角＝曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的度數(shù)。
這是本發(fā)明設(shè)計(jì)所稱的用于外旋輪線的公式的簡化形式。
用于X、Y坐標(biāo)的外旋輪線公式為X=(a+b)sinθ-(c)sin(a+b)θb]]>以及
Y=(a+b)cosθ-(c)cos(a+b)θb]]>其中a和b＝圓的半徑c＝偏移距離θ＝轉(zhuǎn)動(dòng)的角度本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)是基于具有1.125英寸的沖程和1.3125英寸的缸膛的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)。普通連桿的中心線上長度為2.200英寸。該連桿長度使其擺動(dòng)到距離氣缸中心線的最大偏轉(zhuǎn)處，這將把活塞側(cè)壓在缸膛上。為了適當(dāng)?shù)乇容^本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)型發(fā)動(dòng)機(jī)，將原型發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造成具有與原始發(fā)動(dòng)機(jī)相同的沖程和缸膛尺寸。使用普通的活塞和氣缸，以使缸膛保持為相同的，并且當(dāng)與普通沖程長度相組合時(shí)，將使得本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)具有相同的排量。為了使本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)具有相同的連桿偏轉(zhuǎn)，本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)需要3.000英寸(從中心到中心測得的)的連桿。
通過參照圖1并假定偏心軸承7偏離曲柄銷6軸線的偏移距離8為0英寸，可以解釋用于確定連桿長度和偏心軸承偏移的步驟。在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)期間，當(dāng)行星齒輪3圍繞太陽齒輪2旋轉(zhuǎn)時(shí)，偏心軸承7的中心將正好在曲柄銷6產(chǎn)生的路徑的頂部上繪出圓形路徑。由于沒有偏心軸承7的偏移，連桿9的下端10將繪出相同的圓形圖案，并且活塞位置和運(yùn)動(dòng)將不會(huì)相對于普通值發(fā)生變化。沿氣缸中心線的圓形路徑的豎直距離將等于曲軸4的沖程。假定行星齒輪3位于太陽齒輪2頂部上，并且它們的中心與氣缸中心線成一直線，另外假定偏心軸承7的中心線也在氣缸中心線上，如果偏心軸承7的偏移8向上移動(dòng)，遠(yuǎn)離曲軸4的軸線5有0.001英寸，則所形成的偏心軸承7中心的路徑將不再為圓形。在TDC處，該路徑將在曲柄銷6圓形路徑的上方0.001英寸，并且遠(yuǎn)離曲軸4的軸線5有0.001英寸。在BDC處，該路徑將在圓形曲柄銷路徑內(nèi)0.001英寸，并且靠近曲軸4的軸線5有0.001英寸。沿氣缸中心線新產(chǎn)生的路徑的豎直距離仍將等于曲軸4的沖程，并且活塞將仍行進(jìn)1.125英寸，與原型發(fā)動(dòng)機(jī)的情況一樣。當(dāng)偏心軸承7的偏移8進(jìn)一步向上移動(dòng)時(shí)，所形成的偏心軸承7中心的路徑將隨著該區(qū)域中圖案的曲率半徑的增加而繼續(xù)沿圖案的下半部增大半徑?；钊谐虒⒗^續(xù)保持不變?yōu)?.125英寸。目標(biāo)是繼續(xù)向上移動(dòng)偏移距離8，直到發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了圖案底部的偏心軸承偏移距離，該底部與等于連桿9的中心線上長度19的半徑所繪的弧相配并緊密接近該弧，如圖5中所示。圖6、圖7和圖8圖解了當(dāng)賦予曲軸4期望的1.125英寸沖程時(shí)的各種偏移距離8。由于連桿的偏轉(zhuǎn)量選擇成等于普通發(fā)動(dòng)機(jī)測定值，因此，最佳連桿長度為3.000英寸。
圖6示出了偏移8等于0時(shí)的路徑21。所形成的路徑是等于曲柄銷6的路徑13的圓形，如用于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的圖2中所示。
圖7示出了偏移8為0.1334英寸校正量時(shí)的路徑22。所形成路徑的下部18是由與曲線20的半徑相配的半徑繪出的弧形，曲線20的半徑等于連桿9的中心線上長度19，如圖5中所示。對于43度的曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞將趨向于在BDC位置的0.001英寸范圍內(nèi)暫停。
圖8示出了存在過量偏移8時(shí)的路徑23。
偏移和連桿距離的最終測試是為了不僅在TDC和BDC處而且還在完整的曲軸旋轉(zhuǎn)期間觀察活塞沖程。如果偏移距離8太大，則路徑的下部18的半徑將大于連桿長度19所產(chǎn)生的半徑。這將導(dǎo)致活塞在BDC之前和之后到達(dá)其最大下部行進(jìn)處，如在曲軸處測得的。即使沿氣缸中心線的豎直距離保持1.125英寸，活塞要行進(jìn)的總距離也將大于所允許的1.125英寸。如果通過活塞行程來測得，則用于活塞的BDC將出現(xiàn)在最大活塞行程的兩點(diǎn)處，并且活塞的沖程將超過1.125英寸。如由曲軸測得，由于活塞將到達(dá)其最下行進(jìn)點(diǎn)、向上行進(jìn)到曲軸BDC、向下退回到第二最下行進(jìn)點(diǎn)，之后返回行進(jìn)到缸膛頂部到TDC，因此這些點(diǎn)將出現(xiàn)在BDC之前和之后。如果考慮到活塞行進(jìn)的總距離，則發(fā)動(dòng)機(jī)將具有超出預(yù)期的排量。
圖9示出了由具有過大偏移距離8的偏心軸承7產(chǎn)生的路徑23，疊加在圖5的繪圖上，示出了連桿9的頂端12與底端10之間的中心線上長度19以及以中心線上長度19為半徑所產(chǎn)生的弧20。圖10示出了由恰當(dāng)偏移距離8產(chǎn)生的路徑，同樣疊加在圖5的繪圖上。當(dāng)偏移距離8恰當(dāng)?shù)嘏c連桿長度19相配時(shí)，BDC不再如同普通發(fā)動(dòng)機(jī)中那樣是最大活塞行程的單一點(diǎn)，而是變成為點(diǎn)的范圍，在此期間活塞實(shí)際上保持靜止不動(dòng)?；钊贐DC處或其附近的暫停增加，這是所期望的效果。
再一次，圖案的方向在本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)中被模型化。用于本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)的該方法產(chǎn)生的數(shù)值在1.125英寸沖程的情況下產(chǎn)生0.1334英寸的偏移距離和3.000英寸的連桿長度，如在曲軸和活塞移動(dòng)下測得的。為了產(chǎn)生連桿的最佳圖案以滿足原型發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，使用以下尺寸(英寸、立方英寸、厘米和立方厘米分別縮寫為“in”、“ci”、“cm”和“cc”)缸膛1.3125in或3.334cm沖程1.125in或2.858cm排量1.52立方英寸或24.95cc齒輪尺寸(對于固定和移動(dòng)齒輪)0.56285in或1.4288cm節(jié)徑偏心軸承偏移0.1334in或0.3388cm連桿長度3.000in或7.620cm越過TDC 87度時(shí)排氣口打開距離TDC 0.855in或2.172cm越過TDC 109度時(shí)傳輸口打開距離TDC 1.018in或2.586cm
越過TDC 50度時(shí)進(jìn)氣口關(guān)閉距離TDC 0.4107in或1.043cmTDC前20.5度時(shí)發(fā)生火花點(diǎn)火距離TDC 0.082in或0.208cm燃燒室容積0.1992立方英寸或3.264ccCR(全沖程下測得)8.6∶1CR(排氣口關(guān)閉時(shí)測得)6.8∶1參照圖4中所繪的路徑17，可基于活塞位置選擇點(diǎn)火點(diǎn)，而無需考慮實(shí)際的曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。普通發(fā)動(dòng)機(jī)中用于火花定時(shí)器的活塞位置被設(shè)為出現(xiàn)在28度BTDC處，其中活塞位于遠(yuǎn)離TDC位置的0.082英寸處。在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)中那個(gè)點(diǎn)處的活塞位置等于20.5度BTDC處的本發(fā)明原型的活塞位置。
由于本發(fā)明設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，將活塞設(shè)置成更遠(yuǎn)離TDC處的曲軸中心線，因此力矩臂增大了相當(dāng)于偏心軸承偏移的量，即，0.1334英寸。較長的力矩臂導(dǎo)致增加的活塞速度，這使得活塞更快地朝向缸膛底部下降。用于原型發(fā)動(dòng)機(jī)模型化的扭矩曲線顯示出增加的力矩臂不會(huì)在曲軸上產(chǎn)生更大的扭矩，同時(shí)朝向動(dòng)力沖程的端部返回更少的扭矩。
當(dāng)將裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中活塞的運(yùn)動(dòng)與裝有標(biāo)準(zhǔn)曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中活塞的運(yùn)動(dòng)相比時(shí)，對更小的曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)角來說，裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞在其上方具有氣缸壓力。應(yīng)看出的是，裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)不能產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)類型發(fā)動(dòng)機(jī)類似量的動(dòng)力。然而，在動(dòng)力階段，裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)每一度活塞移動(dòng)的實(shí)際距離將大于普通發(fā)動(dòng)機(jī)中的。將裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞移動(dòng)與裝有標(biāo)準(zhǔn)曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞移動(dòng)(這兩種活塞具有相同的沖程和相同的曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)速率(RPM))相比，裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞在相同的時(shí)間量下將比裝有標(biāo)準(zhǔn)曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞行進(jìn)得更遠(yuǎn)。這是由于增加的力矩臂長度所導(dǎo)致的。同樣地，當(dāng)力矩臂較短時(shí)，在曲軸的部分轉(zhuǎn)動(dòng)期間，活塞不會(huì)行進(jìn)得那么遠(yuǎn)。在動(dòng)力階段期間，快速的活塞移動(dòng)使得活塞比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞更快地到達(dá)缸膛底部。在其行程的底部或接近于該底部，裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸仍然以與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相同的轉(zhuǎn)動(dòng)速率轉(zhuǎn)動(dòng)，但是裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞停止。在本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，從曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)159度、越過BDC、直到曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)201度，活塞都在其BDC位置的0.001英寸范圍內(nèi)。由于活塞行程在BDC的任一側(cè)都是對稱的，因此活塞處于BDC處或其附近的曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的總度數(shù)為43度。相反，對于總共9度的曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)來說，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞處于BDC的0.001英寸范圍內(nèi)。
一種作為替換提出的本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)是基于農(nóng)用拖拉機(jī)和草坪拖拉機(jī)所共有的四沖程循環(huán)Briggs&Stratton5馬力水平軸發(fā)動(dòng)機(jī)的。由于其結(jié)構(gòu)的簡單性和實(shí)用性，選擇這種發(fā)動(dòng)機(jī)來轉(zhuǎn)換為裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，本發(fā)明的設(shè)計(jì)使其可適用于所有四沖程循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，并且該原型發(fā)動(dòng)機(jī)用作外旋輪線式曲軸概念的進(jìn)一步驗(yàn)證。
如果要獨(dú)立于活塞運(yùn)動(dòng)來控制發(fā)動(dòng)機(jī)操作階段的時(shí)間，則通常使用凸輪軸來操縱進(jìn)氣閥和排氣閥。四沖程循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中的凸輪軸適合于曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，通常在曲軸速度的一半速度下被驅(qū)動(dòng)。盡管是閥本身在控制氣體流過進(jìn)氣或排氣管道，但凸輪凸起被設(shè)計(jì)成迫使進(jìn)氣閥和排氣閥打開，并且可將其制造成可產(chǎn)生任何期望的閥運(yùn)動(dòng)。在下面的實(shí)例中，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的凸起形狀和閥活動(dòng)的時(shí)間都不變，并且可應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。因此，在任一種發(fā)動(dòng)機(jī)中，閥活動(dòng)的時(shí)間和周期都沒有什么不同。實(shí)際上，由于閥關(guān)閉期間在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)中閥的位置是相同的，因此凸輪軸在進(jìn)氣和排氣管道中產(chǎn)生的TA值都不變。標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸可能不是用于本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳凸輪設(shè)計(jì)。然而，普通凸輪軸在裝有外旋輪線式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生可觀的動(dòng)力。普通發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸如下(英寸、立方英寸、厘米和立方厘米分別縮寫為“in”、“ci”、“cm”和“cc”)缸膛2.562in或6.507cm沖程2.438in或6.193cm排量12.57ci或206ccTDC后130度時(shí)排氣閥打開TDC前75度時(shí)進(jìn)氣閥打開TDC前28度時(shí)發(fā)生火花點(diǎn)火(距離TDC 0.1852in處的活塞位置)燃燒室容積2.285ci或37.4ccCR(全沖程下測得)6.5∶1實(shí)際CR(通過截留的進(jìn)氣容積測得)3.45∶1連桿長度3.875in或9.843cm如前面在本發(fā)明原型二沖程循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的描述中所述，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商選擇的CR(6.5∶1)是基于兩個(gè)因素-氣缸的實(shí)際排量和燃燒室的實(shí)際排量。未提及在壓縮階段中截留在氣缸中的燃料混合物的實(shí)際容積。由進(jìn)氣閥關(guān)閉時(shí)活塞的位置來確定所述容積。基于以上列出的閥時(shí)間，由進(jìn)氣閥關(guān)閉(其為曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)BTDC的75度)時(shí)活塞的位置來確定截留在氣缸中的容積。當(dāng)時(shí)的活塞位置為氣缸中下面的1.0867英寸。為了在本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)中保持相同的CR，除必須計(jì)算將氣缸蓋容積，以使實(shí)際CR與原始發(fā)動(dòng)機(jī)CR的相同值相匹配以外，以相似的方式估計(jì)本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)中截留的氣缸容積。由于使用了普通凸輪軸以及其產(chǎn)生的閥運(yùn)動(dòng)，因此在進(jìn)氣閥關(guān)閉時(shí)本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞在氣缸中下面的1.634英寸。因此，為了保持本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)中的CR，必須增加本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣缸蓋容積。由于獲得了額外的缸膛量，使得實(shí)際截留容積增加了，這意味著在每個(gè)進(jìn)氣階段本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)截留了更多的燃料混合物，同時(shí)仍然保持相同的實(shí)際CR。因此，在原始發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)期RPM范圍內(nèi)的所有點(diǎn)處，本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)將攝入更多的燃料混合物。如前面在本發(fā)明原型二沖程循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的描述中所述，額外的燃料混合物將導(dǎo)致豎直地升高原始扭矩和馬力曲線，同時(shí)仍然保持原始形狀。
由于普通發(fā)動(dòng)機(jī)中的CR是由總的活塞沖程和燃燒室容積確定的，因此如果以相同方式估計(jì)，本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上具有比普通發(fā)動(dòng)機(jī)低的CR。雖然看起來好像本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)在這樣一種低CR下會(huì)不良地運(yùn)行，但是必須記得的是，基于整個(gè)沖程排量而不是基于實(shí)際截留的容積來估計(jì)CR可令人誤解。如果在本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)中氣缸蓋未被改變，則CR在數(shù)學(xué)上可與普通發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值一致，因?yàn)樗鼈兌际腔诳倹_程計(jì)算的。然而，由于更大容積的混合物將被迫進(jìn)入原始燃燒室容積中，因此實(shí)際CR會(huì)顯著地攀升。由于初始?xì)飧讐毫⒏?，并且所獲得的壓力曲線將增加，因此該新CR肯定將增加本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出(如果不發(fā)生爆燃的話)，但是這將在比較中引入不合需要的優(yōu)勢。通過保持相同的初始?xì)飧讐毫?，可進(jìn)行更合理的比較，突出了通過附加外旋輪線式曲軸所產(chǎn)生的優(yōu)勢。
應(yīng)用與二沖程循環(huán)本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)中相同的邏輯，四沖程循環(huán)本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)將具有以下尺寸(英寸、立方英寸、厘米和立方厘米分別縮寫為“in”、“ci”、“cm”和“cc”)缸膛2.562in或6.507cm沖程2.438in或6.193cm排量12.57ci或206cc
偏心軸承偏移0.2781in或0.7064cmTDC后130度時(shí)排氣閥打開TDC前75度時(shí)進(jìn)氣閥關(guān)閉TDC前20.2度時(shí)發(fā)生火花點(diǎn)火(缸膛中下面0.1852in或0.4704cm處的活塞位置)燃燒室容積3.43ci或56.21ccCR(全沖程下測得)4.66∶1連桿長度4.2096in或10.69cm實(shí)際CR(通過截留的進(jìn)氣容積測得)3.45∶1將這些尺寸應(yīng)用于產(chǎn)生的圖案，并結(jié)合考慮增加的進(jìn)氣容積，現(xiàn)在本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)具有比原始普通發(fā)動(dòng)機(jī)輸出大35.8％的總扭矩輸出。
在普通和本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力沖程期間，在排氣閥打開點(diǎn)處的活塞位置進(jìn)行了有趣的對比。在普通發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞位于缸膛中下面2.117英寸，而本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞位于缸膛中下面2.381英寸。這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)例的總沖程距離為2.438英寸。在普通發(fā)動(dòng)機(jī)中，排氣閥打開之前，在氣缸壓力作用于其上的情況下，活塞行程相當(dāng)于總沖程的86.8％。而在本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)中，排氣閥打開之前，在壓力作用于其頂部上的情況下，活塞行程相當(dāng)于總沖程距離的97.6％。
通常圖1中所示的本發(fā)明第一實(shí)施例要求使用兩個(gè)齒輪。采用這種布置迫使曲軸采用單曲軸輪結(jié)構(gòu)，該單曲軸輪結(jié)構(gòu)用于某些小發(fā)動(dòng)機(jī)。在具有懸吊載荷的該結(jié)構(gòu)中，支撐軸承位于曲軸的同一側(cè)上。然而，這種類型的曲軸不利于采用單個(gè)曲軸的多活塞布置。本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)中的移動(dòng)齒輪必須能夠在曲柄銷上自由轉(zhuǎn)動(dòng)，并能夠與固定齒輪嚙合。這妨礙了在曲柄銷的兩側(cè)上具有雙曲軸輪，從而允許曲軸任一端的驅(qū)退(drive off)或在相同曲軸上具有多個(gè)曲柄銷?；钊约敖?jīng)由連桿通過活塞作用的燃燒壓力規(guī)定，曲柄銷必須具有足夠的直徑和強(qiáng)度以耐受那些作用力。同時(shí)，移動(dòng)齒輪必須保持足夠強(qiáng)度，以傳輸作用在其上的轉(zhuǎn)動(dòng)力，但是由于其被鉆孔以容納曲柄銷，因此減少了保持在曲柄銷與齒輪齒根部之間的材料量，尤其是當(dāng)采用滾動(dòng)元件類型的軸承時(shí)。由于齒輪被鉆孔以裝配曲柄銷時(shí)會(huì)損及齒輪齒強(qiáng)度，因此不能形成大直徑的曲柄銷。
然而，存在產(chǎn)生外旋輪線式路徑的替換方法，所述方法允許連桿的下端以與原始原型二齒輪設(shè)計(jì)相同的方式移動(dòng)。圖13中示出了可替換第二實(shí)施例的橫截面，而圖14示出了該第二實(shí)施例的分解透視圖。盡管機(jī)械齒輪系(train)不同，但是產(chǎn)生了相同的外旋輪線式圖案，并且外旋輪線式圖案后面的原理保持相同。該第二實(shí)施例使用三個(gè)齒輪。兩個(gè)為傳統(tǒng)正齒輪，而另一個(gè)為固定地安裝于曲軸箱的內(nèi)部有齒齒輪。為了使齒輪產(chǎn)生期望的圖案，齒輪節(jié)徑之間的比率必須保持3∶1∶3的比率。固定齒輪為內(nèi)部有齒齒輪24，并被安裝成使其幾何軸線25與曲軸29的軸線相同-它們分享相同的中心線。內(nèi)部有齒齒輪24必須具有為齒輪系中鄰接齒輪(即，較小正齒輪26)三倍的節(jié)徑。使用來源于本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸作為實(shí)例，內(nèi)部有齒齒輪24具有1.6875英寸的直徑。第二齒輪26為傳統(tǒng)正齒輪，其具有的節(jié)徑為內(nèi)部齒輪24的三分之一，因此其必須具有0.5625英寸的節(jié)徑。其節(jié)徑等于曲軸沖程的二分之一，因此在該實(shí)例中，曲軸沖程將為1.125英寸，與本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)相同。第二齒輪26安裝成使其齒與內(nèi)部有齒齒輪24相嚙合。它將沿圓形路徑在內(nèi)部齒輪24中行進(jìn)。其中心圍繞內(nèi)部有齒齒輪24的中心軸線進(jìn)行的每次旋轉(zhuǎn)都將使其在自身的軸線上旋轉(zhuǎn)兩次。
圖11示出了兩個(gè)齒輪內(nèi)部有齒齒輪24和較小正齒輪26，以及當(dāng)小齒輪26轉(zhuǎn)動(dòng)并在內(nèi)部有齒齒輪24中旋轉(zhuǎn)時(shí)它們的關(guān)系。為了清楚起見，沒有示出齒輪齒。另外，示出了節(jié)徑。此外，較小正齒輪26上的參照點(diǎn)示出了在轉(zhuǎn)動(dòng)的各個(gè)點(diǎn)處齒輪26的位置。在該視圖中，較小正齒輪26起始于內(nèi)部有齒齒輪24的底部處，并且其參照點(diǎn)開始于較小正齒輪26的頂部上。齒輪的中心將沿順時(shí)針方向行進(jìn)，這使得較小正齒輪26在內(nèi)部有齒齒輪24內(nèi)在其軸線上以逆時(shí)針方向的方式轉(zhuǎn)動(dòng)。參照點(diǎn)的該運(yùn)動(dòng)還示出了在內(nèi)部有齒齒輪24內(nèi)的一次旋轉(zhuǎn)期間較小正齒輪26的兩次轉(zhuǎn)動(dòng)。
第三較大正齒輪27必須具有3倍于較小正齒輪26尺寸的節(jié)徑，因此其必須具有1.6875英寸的節(jié)徑。較大正齒輪27是其齒位于外圓周上的傳統(tǒng)齒輪設(shè)計(jì)。其幾何中心將與曲柄銷31的軸線相同。由于內(nèi)部有齒齒輪24和較大正齒輪27具有相同的節(jié)徑，物理尺寸要求這兩個(gè)齒輪安裝在兩個(gè)平行的平面中，較小正齒輪26與它們兩者都相嚙合。由于這些繪圖都畫在一個(gè)平面上，因此圖12中的內(nèi)部有齒齒輪24以更深的顏色示出，以表示其位于較小正齒輪26和較大正齒輪27兩者的平面的下方。為了確保齒輪系保持完整，前述0.5625英寸的較小齒輪26實(shí)際上是兩個(gè)齒輪一個(gè)齒輪26a在下面的平面中與內(nèi)部有齒齒輪24相嚙合，第二齒輪26b在上面的平面中與較大正齒輪27相嚙合。這兩個(gè)較小正齒輪26a和26b通過公共軸26c相連接。通過一個(gè)曲軸輪28將公共軸安裝在軸承中，而將公共軸26c固定在其位置中。這樣一種布置將保持小齒輪總是與內(nèi)部有齒齒輪24和較大正齒輪27兩者都相嚙合。當(dāng)較大正齒輪27的中心圍繞曲軸29沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與之嚙合的較小正齒輪26將使較大正齒輪27沿與其行進(jìn)的相同方向旋轉(zhuǎn)，該方向被示為順時(shí)針方向。應(yīng)該注意的是，當(dāng)其中心圍繞曲軸的中心25行進(jìn)一次時(shí)，較大正齒輪27在其軸線上轉(zhuǎn)動(dòng)兩次。該運(yùn)動(dòng)與圖1中所示的原型本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)的第一實(shí)施例中移動(dòng)的行星齒輪3的運(yùn)動(dòng)相同。較大正齒輪27以與第一實(shí)施例相似的方式連接于偏心軸承30。由于齒輪的直徑遠(yuǎn)大于第一實(shí)施例中的，因此曲柄銷31可為較大直徑的，這可增加軸承的承重面積。該直徑不會(huì)導(dǎo)致曲柄銷31的尺寸處于臨界值，也不會(huì)使齒輪27在齒輪齒根部下面具有邊緣材料。齒輪27將仍以與第一實(shí)施例中相同的方式轉(zhuǎn)動(dòng)，并且與偏心軸承30相關(guān)的偏移距離8將與原始計(jì)算值相同。
在圖12中，示出了需要產(chǎn)生外旋輪線式圖案的所有部件。位于軸承中齒輪中心的曲軸輪28未示出，因此在它們相互作用時(shí)可看出產(chǎn)生外旋輪線式圖案的部件的關(guān)系。
圖15示出了具有圓柱形外殼39的二沖程循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)33，在活塞34處于BDC處時(shí)圓柱形外殼39具有固定進(jìn)出口，圖16示出了在活塞34處于TDC處時(shí)具有固定進(jìn)出口的二沖程循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)33。這些圖示出了標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口35、進(jìn)氣口36和傳輸口37中的差異。如圖中所示，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中排氣口35的高度35a和傳輸口37的高度37a在本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)中減小為高度35b和37b，以將適當(dāng)?shù)腡A值保持在其各自區(qū)域中，并且標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)氣口36的高度36a在本發(fā)明原型發(fā)動(dòng)機(jī)中升高至高度36b。高度上的這些差異是由于活塞34在氣缸中行進(jìn)期間的不同速度以及增加的暫停周期引起的。由于上部中的活塞更快地移動(dòng)到達(dá)氣缸，所以減少了進(jìn)氣口36的有效時(shí)間，因此需要更多區(qū)域獲得適當(dāng)?shù)腡A圖。另一方面，由于活塞34暫停在BDC處或其附近，因此排氣口35和傳輸口37可降低。需要為進(jìn)出口的TA值保持較低的進(jìn)出口窗，但是該方面還在接下來的壓縮和動(dòng)力階段期間提供了將被截留在氣缸中的更大的燃料混合物容積。由于更多的燃料混合物被截留，因此氣缸蓋容積必須增加，以保持原始CR。氣缸蓋38必須從標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的腔室輪廓線38a增大到原型發(fā)動(dòng)機(jī)的輪廓線38b，以獲得所需的增加容積，這也增加了所截留的混合物裝料的總?cè)莘e。
權(quán)利要求
1.在具有至少一個(gè)圓柱形外殼的機(jī)器中，所述圓柱形外殼具有中心軸線，所述機(jī)器具有至少一個(gè)往復(fù)活塞、曲軸以及連桿，所述活塞在所述圓柱形外殼中沿所述中心軸線在上止點(diǎn)位置與下止點(diǎn)位置之間行進(jìn)，所述曲軸可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述機(jī)器中的曲軸箱中，以圍繞曲軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，至少一個(gè)曲柄銷徑向設(shè)置在所述曲軸上，并具有與所述曲軸軸線平行的曲柄銷軸線，所述連桿的上端以上端軸頸樞轉(zhuǎn)地連接于所述活塞，下端以下端軸頸樞轉(zhuǎn)地連接于所述曲柄銷，所述上端圍繞與所述曲軸軸線平行的上端軸頸軸線樞轉(zhuǎn)，所述下端圍繞與所述曲軸軸線平行的下端軸頸軸線樞轉(zhuǎn)；其中，改進(jìn)機(jī)構(gòu)包括偏心軸承，所述偏心軸承具有軸向偏心軸頸，該軸向偏心軸頸具有平行于所述下端軸頸軸線并偏離于所述曲柄銷軸線的偏心軸頸軸線，所述偏心軸承置于所述下端與曲柄銷之間，以在所述曲軸在所述曲軸箱中轉(zhuǎn)動(dòng)期間使所述下端產(chǎn)生非圓形路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)機(jī)器，其中，所述連桿下端的所述非圓形路徑為外旋輪線式的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改進(jìn)機(jī)器，其中，在所述曲軸在所述曲軸箱中旋轉(zhuǎn)期間，所述外旋輪線式路徑延長所述活塞暫停在所述圓柱形外殼中的下止點(diǎn)位置處所花費(fèi)的時(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進(jìn)機(jī)器，其中，所述上端軸頸軸線與所述下端軸頸軸線之間的距離，是所述曲軸在所述曲軸箱中旋轉(zhuǎn)期間所述活塞暫停在所述圓柱形外殼中的下止點(diǎn)位置處所花費(fèi)的時(shí)間期間與所述外旋輪線式路徑的下部相配的弧的半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進(jìn)機(jī)器，還包括至少一個(gè)行星齒輪組，其包括至少一個(gè)固定地連接于所述曲軸箱的固定太陽齒輪，所述太陽齒輪具有與所述曲軸軸線成一直線的太陽齒輪軸線；旋轉(zhuǎn)行星齒輪，具有平行于所述太陽齒輪軸線的行星齒輪軸線，并與所述太陽齒輪相嚙合，其節(jié)徑等于所述太陽齒輪的節(jié)徑；安裝于所述行星齒輪的偏心軸承，具有平行于所述行星齒輪軸線并偏離于所述行星齒輪軸線的偏心軸頸軸線；所述偏心軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述下端軸頸中，并且所述曲柄銷可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述偏心軸頸中。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進(jìn)機(jī)器，還包括至少一個(gè)內(nèi)部有齒齒輪，固定地安裝于所述曲軸箱，其中所述內(nèi)部有齒齒輪具有與所述曲軸軸線成一直線的軸線；至少一個(gè)第一正齒輪，具有與所述內(nèi)部有齒齒輪的軸線平行的第一正齒輪軸線，并與所述內(nèi)部有齒齒輪相嚙合；至少一個(gè)第二正齒輪，具有與所述第一正齒輪的軸線平行的第二正齒輪軸線，并與所述第一正齒輪相嚙合；安裝于所述第二正齒輪的偏心軸承，具有平行于所述第二正齒輪軸線并偏離于所述第二正齒輪軸線的偏心軸頸軸線，所述偏心軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述下端軸頸中，并且所述曲柄銷可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在偏心軸頸中。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進(jìn)機(jī)器，其中，所述機(jī)器根據(jù)二沖程循環(huán)而操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的改進(jìn)機(jī)器，其中，所述機(jī)器根據(jù)二沖程循環(huán)而操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的改進(jìn)機(jī)器，其中，所述機(jī)器根據(jù)二沖程循環(huán)而操作。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進(jìn)機(jī)器，其中，所述機(jī)器根據(jù)四沖程循環(huán)而操作。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的改進(jìn)機(jī)器，其中，所述機(jī)器根據(jù)四沖程循環(huán)而操作。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的改進(jìn)機(jī)器，其中，所述機(jī)器根據(jù)四沖程循環(huán)而操作。
13.根據(jù)權(quán)利要求4所述的改進(jìn)機(jī)器，還包括至少一個(gè)行星齒輪組，其包括至少一個(gè)固定地連接于所述曲軸箱的固定太陽齒輪，所述太陽齒輪具有與所述曲軸軸線成一直線的太陽齒輪軸線；旋轉(zhuǎn)行星齒輪，具有平行于所述太陽齒輪軸線的行星齒輪軸線，并與所述太陽齒輪相嚙合，其節(jié)徑等于所述太陽齒輪的節(jié)徑；安裝于所述行星齒輪的偏心軸承，具有平行于所述行星齒輪軸線并偏離于所述行星齒輪軸線的偏心軸頸軸線；所述偏心軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述下端軸頸中，并且所述曲柄銷可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述偏心軸頸中。
14.根據(jù)權(quán)利要求4所述的改進(jìn)機(jī)器，還包括至少一個(gè)內(nèi)部有齒齒輪，固定地安裝于所述曲軸箱，其中所述內(nèi)部有齒齒輪具有與所述曲軸軸線成一直線的軸線；至少一個(gè)第一正齒輪，具有與所述內(nèi)部有齒齒輪的軸線平行的第一正齒輪軸線，并與所述內(nèi)部有齒齒輪相嚙合；至少一個(gè)第二正齒輪，具有與所述第一正齒輪的軸線平行的第二正齒輪軸線，并與所述第一正齒輪相嚙合；安裝于所述第二正齒輪的偏心軸承，具有平行于所述第二正齒輪軸線并偏離于所述第二正齒輪軸線的偏心軸頸軸線，所述偏心軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述下端軸頸中，并且所述曲柄銷可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在偏心軸頸中。
15.根據(jù)權(quán)利要求4所述的改進(jìn)機(jī)器，其中，所述機(jī)器根據(jù)二沖程循環(huán)而操作。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的改進(jìn)機(jī)器，其中，所述機(jī)器根據(jù)二沖程循環(huán)而操作。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的改進(jìn)機(jī)器，其中，所述機(jī)器根據(jù)二沖程循環(huán)而操作。
18.根據(jù)權(quán)利要求4所述的改進(jìn)機(jī)器，其中，所述機(jī)器根據(jù)四沖程循環(huán)而操作。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的改進(jìn)機(jī)器，其中，所述機(jī)器根據(jù)四沖程循環(huán)而操作。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的改進(jìn)機(jī)器，其中，所述機(jī)器根據(jù)四沖程循環(huán)而操作。
21.一種增強(qiáng)機(jī)器性能的方法，所述機(jī)器具有至少一個(gè)圓柱形外殼，所述圓柱形外殼具有中心軸線，所述機(jī)器具有至少一個(gè)往復(fù)活塞、曲軸以及連桿，所述活塞在所述圓柱形外殼中沿中心軸線在上止點(diǎn)位置與下止點(diǎn)位置之間行進(jìn)，所述曲軸可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述機(jī)器中的曲軸箱中，以圍繞曲軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，至少一個(gè)曲柄銷徑向設(shè)置在所述曲軸上，并具有與所述曲軸軸線平行曲柄銷軸線，所述連桿的上端以上端軸頸樞轉(zhuǎn)地連接于所述活塞，下端以下端軸頸樞轉(zhuǎn)地連接于所述曲柄銷，所述上端圍繞與所述曲軸軸線平行的上端軸頸軸線樞轉(zhuǎn)，所述下端圍繞與所述曲軸軸線平行的下端軸頸軸線樞轉(zhuǎn)；所述方法包括以下步驟提供偏心軸承，其具有軸向偏心軸頸，和平行于所述下端軸頸軸線的偏心軸頸軸線；將所述偏心軸承設(shè)置于所述下端軸頸中；將所述曲柄銷設(shè)置于所述偏心軸頸中，其中，所述偏心軸承軸頸軸線平行并偏離于所述曲柄銷軸線；以及在所述曲軸在所述曲軸箱中轉(zhuǎn)動(dòng)期間，使所述下端遵循非圓形路徑。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，還包括使所述連桿的下端遵循非圓形路徑，其中，所述非圓形路徑為外旋輪線式的。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，在所述曲軸在所述曲軸箱中的旋轉(zhuǎn)期間，所述外旋輪線式路徑延長所述活塞暫停在圓柱形外殼中的下止點(diǎn)位置處所花費(fèi)的時(shí)間。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述上端軸頸軸線與所述下端軸頸軸線之間的距離，是所述曲軸在所述曲軸箱中旋轉(zhuǎn)期間活塞暫停在所述圓柱形外殼中的下止點(diǎn)位置處所花費(fèi)的時(shí)間期間與所述外旋輪線式路徑的下部相配的弧的半徑。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，還包括以下步驟提供至少一個(gè)行星齒輪組，其包括至少一個(gè)固定地連接于所述曲軸箱的固定太陽齒輪，所述太陽齒輪具有與所述曲軸軸線成一直線的太陽齒輪軸線；提供旋轉(zhuǎn)行星齒輪，具有平行于所述太陽齒輪軸線的行星齒輪軸線，并與所述太陽齒輪相嚙合，其節(jié)徑等于所述太陽齒輪的節(jié)徑；將偏心軸承安裝于所述行星齒輪，所述偏心軸承具有平行于所述行星齒輪軸線并偏離于所述行星齒輪軸線的偏心軸頸軸線；以及將所述偏心軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述下端軸頸中，并將所述曲柄銷可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述偏心軸頸中。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，還包括以下步驟提供至少一個(gè)內(nèi)部有齒齒輪，固定地安裝于曲軸箱，其中所述內(nèi)部有齒齒輪具有與所述曲軸軸線成一直線的軸線；提供至少一個(gè)第一正齒輪，具有與所述內(nèi)部有齒齒輪的軸線平行的第一正齒輪軸線，并與所述內(nèi)部有齒齒輪相嚙合；提供至少一個(gè)第二正齒輪，具有與所述第一正齒輪的軸線平行的第二正齒輪軸線，并與所述第一正齒輪相嚙合；將所述偏心軸承安裝于第二正齒輪，其中，所述偏心軸頸軸線平行于所述第二正齒輪軸線并偏離于所述第二正齒輪軸線；將所述偏心軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述下端軸頸中；以及將所述曲柄銷可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述偏心軸頸中。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括以下步驟提供至少一個(gè)行星齒輪組，其包括至少一個(gè)固定地連接于所述曲軸箱的固定太陽齒輪，所述太陽齒輪具有與所述曲軸軸線成一直線的太陽齒輪軸線；提供旋轉(zhuǎn)行星齒輪，具有平行于所述太陽齒輪軸線的行星齒輪軸線，并與所述太陽齒輪相嚙合，其節(jié)徑等于所述太陽齒輪的節(jié)徑；將偏心軸承安裝于所述行星齒輪，具有平行于所述行星齒輪軸線并偏離于所述行星齒輪軸線的偏心軸頸軸線；以及將偏心軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述下端軸頸中，并且將所述曲柄銷可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述偏心軸頸中。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括以下步驟提供至少一個(gè)內(nèi)部有齒齒輪，固定地安裝于曲軸箱，其中所述內(nèi)部有齒齒輪具有與所述曲軸軸線成一直線的軸線；提供至少一個(gè)第一正齒輪，具有與所述內(nèi)部有齒齒輪的軸線平行的第一正齒輪軸線，并與所述內(nèi)部有齒齒輪相嚙合；提供至少一個(gè)第二正齒輪，具有與所述第一正齒輪的軸線平行的第二正齒輪軸線，并與所述第一正齒輪相嚙合；將所述偏心軸承安裝于第二正齒輪，其中所述偏心軸頸軸線平行于所述第二正齒輪軸線并偏離于所述第二正齒輪軸線；將所述偏心軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述下端軸頸中；以及將所述曲柄銷可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述偏心軸頸中。
29.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)二沖程循環(huán)而操作。
30.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)二沖程循環(huán)而操作。
31.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)二沖程循環(huán)而操作。
32.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)四沖程循環(huán)而操作。
33.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)四沖程循環(huán)而操作。
34.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)四沖程循環(huán)而操作。
35.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)二沖程循環(huán)而操作。
36.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)二沖程循環(huán)而操作。
37.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)二沖程循環(huán)而操作。
38.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)四沖程循環(huán)而操作。
39.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)四沖程循環(huán)而操作。
40.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)四沖程循環(huán)而操作。
41.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述機(jī)器在所述圓柱形外殼中具有至少一個(gè)固定的排氣口，所述方法還包括調(diào)整所述排氣口的大小并沿所述圓柱形外殼的軸線重新定位所述排氣口的步驟。
42.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述機(jī)器在所述圓柱形外殼中具有至少一個(gè)固定的進(jìn)氣口，所述方法還包括調(diào)整所述進(jìn)氣口的大小并沿所述圓柱形外殼的軸線重新定位所述進(jìn)氣口的步驟。
43.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述機(jī)器在所述圓柱形外殼中具有至少一個(gè)固定的排氣口，所述方法還包括調(diào)整所述排氣口的大小并沿所述圓柱形外殼的軸線重新定位所述排氣口的步驟。
44.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述機(jī)器在所述圓柱形外殼中具有至少一個(gè)固定的進(jìn)氣口，所述方法還包括調(diào)整所述進(jìn)氣口的大小并沿所述圓柱形外殼的軸線重新定位所述進(jìn)氣口的步驟。
45.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)二沖程循環(huán)而操作。
46.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)四沖程循環(huán)而操作。
47.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)二沖程循環(huán)而操作。
48.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)四沖程循環(huán)而操作。
49.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)二沖程循環(huán)而操作。
50.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)四沖程循環(huán)而操作。
51.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)二沖程循環(huán)而操作。
52.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述機(jī)器根據(jù)四沖程循環(huán)而操作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于通過產(chǎn)生活塞連桿下端行進(jìn)的外旋輪線式路徑而增強(qiáng)二沖程和四沖程往復(fù)式活塞內(nèi)燃機(jī)、往復(fù)式活塞泵、以及壓縮機(jī)的性能的機(jī)構(gòu)和方法。通過更好地利用可得到的汽缸壓力，連接于連桿上端的活塞暫將停在其行程的下部，增強(qiáng)了內(nèi)燃機(jī)、泵、或壓縮機(jī)的輸出。
文檔編號F16H55/18GK101076682SQ200580022034
公開日2007年11月21日 申請日期2005年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月29日
發(fā)明者托馬斯·馬克·韋內(nèi)托茨 申請人:托馬斯·馬克·韋內(nèi)托茨