内燃机和构造内燃机的方法与流程

本发明的主题是内燃机，所述内燃机包括一个或多个汽缸，活塞以可变冲程在所述汽缸中的每一个内滑动，从而以两个曲轴的360°旋转实现进气、压缩、燃烧和排气冲程。

本发明属于旨在用于汽车应用的发动机以及旨在用于例如发马达等固定设施的发动机领域。

背景技术：

已将若干系统用于内燃机的可变冲程活塞的机构。

这些机构中的一个在US5927236A中进行了说明，所述机构本质上使用同心齿轮来在不同的冲程中获得可变冲程。然而，所述机构具有在已实现齿轮后不可修改的缺点，且还难以组装。

技术实现要素：

本发明具有以下主要目的：获得用于具有可变活塞冲程的内燃机的机构，所述机构具有杆，所述杆的长度可在设计阶段中或在发动机的装配阶段中修改，从而允许冲程的较小变化。

本发明的主要目的是提供一种内燃机，所述内燃机包括一个或多个汽缸，活塞和两个曲轴在所述汽缸中的每一个内滑动，所述曲轴设有与固定在发动机曲轴箱上的直径相等的两个齿轮成一体的曲柄并自由旋转，所述内燃机的特征在于：每个活塞通过第一连接杆、杆和第二连接杆连接到第一曲轴的与第一齿轮成一体的第一曲柄；所述杆的末端连接到臂的一个末端，所述臂在所述末端处围绕固定在发动机曲轴箱上的销自由旋转；两个齿轮彼此啮合；第二曲轴的第二曲柄借助于第三连接杆连接到臂。

另一特征由以下事实给出：设有与两个齿轮成一体的配重的两个曲轴、第一连接杆、杆、第二连接杆、臂以及第三连接杆通过允许旋转的销连接到彼此。另一特征由以下事实给出：第一连接杆连接到杆的一个末端，第二连接杆连接到杆的中间点，臂连接到杆的另一个末端。另一特征为以下事实：第一连接杆、第二连接杆以及臂借助于允许旋转的销连接到杆。另一特征为以下事实：第一连接杆和第二连接杆连接到杆的同一末端。另一特征为以下事实：第一连接杆和第二连接杆借助于允许旋转的销连接到杆的同一末端。

另一特征为以下事实：第三连接杆在一个末端处安装到曲轴的曲柄，且在另一末端处安装到臂的中间点。

另一特征为以下事实：第三连接杆在两端处借助于允许旋转的销连接到曲轴并连接到臂。另一主要目标是提供一种用以构造内燃机的方法，其特征在于：所述杆的连接到第一连接杆的末端的坐标是以下元素的函数：曲轴的曲柄的旋转中心的坐标；臂的旋转中心的坐标；齿轮的直径，所述直径对应于曲柄的旋转中心之间的距离、曲轴的旋转中心与臂的旋转中心之间的距离、曲轴的旋转中心与臂的旋转中心之间的距离；曲轴的曲柄半径；通过连接臂的旋转中心与销的中心的线以及连接臂的旋转中心与销的中心的线形成的角度；曲轴与连接轴的旋转中心的线形成的角度；曲轴与连接轴的旋转中心的线形成的角度；臂上的距离；臂上的距离；连接杆的距离；连接杆的距离；杆的距离。

曲轴的曲柄的旋转中心的坐标；臂的旋转中心的坐标；齿轮的直径，所述直径对应于曲柄的旋转中心间的距离、曲轴的旋转中心与臂的旋转中心之间的距离；曲轴的曲柄半径；通过连接臂的旋转中心与销的中心的线以及连接臂的旋转中心与销的中心的线形成的角度；每一曲轴与连接轴的旋转中心的线形成的角度；臂上的距离；连接杆的距离；杆的距离这些元素的尺寸的适当改变使得可以设计在燃烧循环中的两个上止点和下止点的位置，从而使所述位置适于所要求的特征。通过此方法，有可能通过改变形成本发明的发动机的元件的几何结构来制造具有可变冲程的发动机。另一特征为以下事实：曲轴的旋转点的坐标、围绕销旋转的两个臂的坐标、曲轴的曲柄的半径、第一连接杆和第二连接杆的长度、杆的长度、第一和第二曲轴的曲柄以横坐标轴为参考的初始角度、在连接销的中心的线与连接销的中心的线之间的角度、连接销的中心的线以及连接销的中心的线中属于臂的长度这些元素可经修改，以使得连接上止点的线不垂直于活塞(12)在其内滑动的汽缸(11)的轴线，从而实现与排气室容积不同的燃烧室容积。

本发明的其它特征和优点将通过以下借助图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13和14中的非限制性实例给出的对实施方案的描述而变得清楚。

附图说明

图1示出本发明的内燃机的等距视图，其中汽缸被拆下，以示出燃烧阶段中的活塞；

图2是本发明的内燃机的顶视图，其中活塞处于上止点、排气阶段结束且开始进气；

图3表示本发明的内燃机的垂直于曲轴的截面，其中活塞处于上止点、排气阶段结束且开始进气；

图4是本发明的内燃机的顶视图，其中活塞处于第一下止点，进气阶段结束；

图5是本发明的内燃机的垂直于曲轴的截面，其中活塞处于第一下止点，进气阶段结束；

图6是本发明的内燃机的顶视图，其中活塞处于上止点，压缩阶段结束；

图7是本发明的内燃机的垂直于曲轴的截面，其中活塞处于上止点，压缩阶段结束；

图8是本发明的内燃机的顶视图，其中活塞处于第二下止点，燃烧阶段结束；

图9是本发明的内燃机的垂直于曲轴的截面，其中活塞处于第二下止点，燃烧阶段结束；

图10是本发明的内燃机的杆在处于第一上止点时的示意性视图，排气阶段结束；

图11是本发明的内燃机的杆在处于第一下止点时的示意性视图，进气阶段结束；

图12是本发明的内燃机的杆在处于第二上止点时的示意性视图，压缩阶段结束；

图13是本发明的内燃机的杆在处于第二下止点时的示意性视图，燃烧阶段结束；

图14是在笛卡尔参考系具有在马达的固定点处的原点的情况下的内燃机的示意图，其中以数学表示法使用相同的符号。

具体实施方式

参考图1，本发明的内燃机包括汽缸(11)，所述汽缸可配备有冷却套(15)，活塞(12)在汽缸(11)中滑动，所述活塞用销(13)连接到：第一连接杆(10)；第一曲轴(21)和第二曲轴(2)，所述第一曲轴和第二曲轴在发动机的固定底座上自由旋转；相同直径的两个齿轮(30)和(23)，所述齿轮与其所耦合的曲轴(2)和(21)成一体；臂(24)，所述臂围绕销(27)旋转，固定到曲轴箱并用连接杆(29)的支脚连接到活塞销(25)和在轴(2)的销上闭合的头部；在同一臂(24)上，杆(7)连接到销(6)。杆(7)经由销(8)连接到连接杆(18)的在轴(21)的销上闭合的头部，并借助于销(16)连接到连接杆(10)，随后经由销(13)连接到活塞。如图10的本发明的内燃机，点H和I(这两点也可以为重合的)通过以曲轴的一转(360°的旋转)描绘闭合的心形路径来将杆(7)连接到连接杆(10)，其中两个上止点在P1和P3处，且两个下止点对应于P2和P4。

在活动阶段，即燃烧阶段中，参见图8和9，在汽缸(11)中从第一上止点向下移动的活塞(12)将通过未描述的燃烧室产生的能量传输到连接杆(10)，所述连接杆的头部连接到销(13)，继而用销(16)并用销(8)将所述能量传递到杆(7)并传递到连接杆(18)；连接杆(18)使曲轴(21)旋转，与曲轴(21)成一体的齿轮(23)将搭上与曲轴(2)成一体的齿轮(30)。杆(7)将经由销(6)将移动传输到臂(24)，所述传输通过借助于与曲轴箱成一体的销(27)来使所述臂旋转而实现；在同一臂(24)上，连接连接杆(29)的铰链(25)使轴(2)在与轴(21)相反的方向上旋转，在所述阶段结束时，活塞将到达止点P4，在杆(7)与连接杆(18)之间的角度(GHD)(图13)达到最大值。

在排气阶段中，参见图2和图3，通过配重(1)和(22)储存的能量将使轴的旋转继续，已将旋转方向改变成相反方向的臂(24)将推动杆(7)，所述杆连同连接杆(18)经由连接杆(10)来向上移动活塞(12)以到达止点P1，参见图2和图3，其中将结束烟气出口的排气阶段，点E、G、H、I(图10)将对准。

从止点P1起，仍旋转的轴开始进气阶段，参见图4和图5，杆(7)将通过减小与连接杆(18)之间的角度来使活塞下降，所述活塞将达到点P2，该点为第一下止点，该第一下止点是进气的结束(图4和图5以及图11)。

在轴仍旋转的压缩阶段中，臂(24)改变旋转方向，当点E、G、H、I将再次对准时(图12)，活塞将处于上止点P3，轴将已完成360°的旋转且循环将再次开始。

参考图10、图11、图12、图13和图14，可确定正交的笛卡尔轴的固定系：A即曲轴(2)的曲柄的旋转中心的坐标，B即曲轴(21)的曲柄的旋转中心的坐标，E即臂(24)的旋转中心的坐标，对应于齿轮(23、30)的直径的AB距离，在曲轴(2)的旋转中心与臂(24)的旋转中心之间的AE距离，在曲轴(21)的旋转中心与臂(24)的旋转中心之间的BE距离，曲轴(2)的AC曲柄半径，曲轴(21)的BD曲柄半径，通过连接臂(24)的销(27)和(25)的中心的线EF与连接臂(24)的销(27)和(6)的中心的线EG形成的角度(GEF)，曲柄AC与线AB形成的角度(ACB)，曲柄DB与连接点AB的线形成的角度(ABD)，在臂(24)上的(27)、(25)之间的距离EF，在臂(24)上的(27)、(6)之间的距离EG，连接杆(29)、(3)、(25)之间的距离CF，连接杆(18)、(20)、(8)之间的距离DH，杆(7)、(6)、(8)之间的距离GH。

在点C围绕A旋转的情况下，具有与曲柄BD的角速度相等且相反的角速度的曲柄CA将描绘朝向点H的周期性闭合曲线，所述闭合曲线将在具有中心E和半径(EG+GH)的圆周的内部，与所述圆周在两个点P1和P3处相切。经过连接点P1和P3的区段的中点以及点E的线确定汽缸的轴线，所述轴线将允许活塞用连接杆(10)连接到H点，当H点将与P1和P3重合时，在两种情况下都到达上止点。应用参考系(图14)，其中原点O在区段P1至P3的中点处，且坐标轴与汽缸的轴线和连接原点与点E的线重合，OE是正方向，参照于此，通过点H描绘的参考曲线将具有：面朝上的两个凹处，在所述凹处内将确定两个最小点P1和P3；以及两个向下凹处，在所述凹处内将确定两个最大点P2和P4。活塞用连接杆(10)连接到点H，当点H将与P1和P3重合时将到达上止点，当与P2重合时已完成进气，当点H将与P4重合时，燃烧将结束。通过使汽缸的轴线且随后使所描绘的参考系相对于P1或P3旋转，有可能将止点间隔开所需的量，从而获得不同的燃烧室容积。

当距离HI不为零时，所述曲线不再是通过点H描绘的曲线，而是通过点I描绘的曲线。

参考图10、图11、图12、图13、图14，在固定的笛卡尔参考系中，有可能通过建立两个方程来确定第一连接杆(10)与杆(7)之间的连接点的坐标H(xa(x),ya(x))，所述方程作为变量x的函数来计算点的横坐标和纵坐标，所述变量x为通过曲柄AC与参考系的横坐标轴形成的角度。

如果假设：A的坐标为(x1,y1)；B的坐标为(x2,y2)；E的坐标为(x3,y3)；AC＝m1；BD＝m2；角度(GEF)＝a4；角度(ACB)＝a2；角度(ABD)＝3；EF＝brl；EG＝br2；CF＝bi1；DH＝bi2；GH＝as。

则将得到：

xa(x)＝x3-br2*cos(a4-atan(abs(y1-y3+m1*sin(a2+x))/abs(x1-x3+m1*cos(a2+x)))-acos(((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2-bi1^2+br1^2)/(2*br1*((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2)^(1/2))))+as*cos(acos(((x2-x3+br2*cos(a4-atan(abs(y1-y3+m1*sin(a2+x))/abs(x1-x3+m1*cos(a2+x)))-acos(((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2-bi1^2+br1^2)/(2*br1*((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2)^(1/2))))+m2*cos(a3-x))^2+(y2-y3+br2*sin(a4-atan(abs(y1-y3+m1*sin(a2+x))/abs(x1-x3+m1*cos(a2+x)))-acos(((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2-bi1^2+br1^2)/(2*br1*((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2)^(1/2))))+m2*sin(a3-x))^2+as^2-bi2^2)/(2*as*((x2-x3+br2*cos(a4-atan(abs(y1-y3+m1*sin(a2+x))/abs(x1-x3+m1*cos(a2+x)))-acos(((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2-bi1^2+br1^2)/(2*br1*((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2)^(1/2))))+m2*cos(a3-x))^2+(y2-y3+br2*sin(a4-atan(abs(y1-y3+m1*sin(a2+x))/abs(x1-x3+m1*cos(a2+x)))-acos(((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2-bi1^2+br1^2)/(2*br1*((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2)^(1/2))))+m2*sin(a3-x))^2)^(1/2)))+atan((y2-y3+br2*sin(a4-atan(abs(y1-y3+m1*sin(a2+x))/abs(x1-x3+m1*cos(a2+x)))-acos(((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2-bi1^2+br1^2)/(2*br1*((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2)^(1/2))))+m2*sin(a3-x))/(x2-x3+br2*cos(a4-atan(abs(y1-y3+m1*sin(a2+x))/abs(x1-x3+m1*cos(a2+x)))-acos(((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2-bi1^2+br1^2)/(2*br1*((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2)^(1/2))))+m2*cos(a3-x))))；

以及

ya(x)＝y3-br2*sin(a4-atan(abs(y1-y3+m1*sin(a2+x))/abs(x1-x3+m1*cos(a2+x)))-acos(((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2-bi1^2+br1^2)/(2*br1*((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2)^(1/2))))+as*sin(acos(((x2-x3+br2*cos(a4-atan(abs(y1-y3+m1*sin(a2+x))/abs(x1-x3+m1*cos(a2+x)))-acos(((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2-bi1^2+br1^2)/(2*br1*((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2)^(1/2))))+m2*cos(a3-x))^2+(y2-y3+br2*sin(a4-atan(abs(y1-y3+m1*sin(a2+x))/abs(x1-x3+m1*cos(a2+x)))-acos(((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2-bi1^2+br1^2)/(2*br1*((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2)^(1/2))))+m2*sin(a3-x))^2+as^2-bi2^2)/(2*as*((x2-x3+br2*cos(a4-atan(abs(y1-y3+m1*sin(a2+x))/abs(x1-x3+m1*cos(a2+x)))-acos(((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2-bi1^2+br1^2)/(2*br1*((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2)^(1/2))))+m2*cos(a3-x))^2+(y2-y3+br2*sin(a4-atan(abs(y1-y3+m1*sin(a2+x))/abs(x1-x3+m1*cos(a2+x)))-acos(((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2-bi1^2+br1^2)/(2*br1*((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2)^(1/2))))+m2*sin(a3-x))^2)^(1/2)))+atan((y2-y3+br2*sin(a4-atan(abs(y1-y3+m1*sin(a2+x))/abs(x1-x3+m1*cos(a2+x)))-acos(((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2-bi1^2+br1^2)/(2*br1*((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2)^(1/2))))+m2*sin(a3-x))/(x2-x3+br2*cos(a4-atan(abs(y1-y3+m1*sin(a2+x))/abs(x1-x3+m1*cos(a2+x)))-acos(((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2-bi1^2+br1^2)/(2*br1*((x1-x3+m1*cos(a2+x))^2+(y1-y3+m1*sin(a2+x))^2)^(1/2))))+m2*cos(a3-x))))；

一旦方程建立，就有可能确定通过点H描绘的曲线，还对令(HE)²(x)等于(EG+GH)²来构造的方程进行求解，将得到x的二次方程：[xa(x)²+ya(x)²^2-(br2+as)²＝0，该方程的根将允许对上止点P1和P3的坐标进行计算。获得这些坐标后，将有可能执行具有与区段P1至P3的中点重合的原点的参考轴的平移，横坐标轴经过P1和P3，且纵坐标轴朝向E定向并与汽缸的轴线重合；在此新参考系中，参考曲线将在点P1和P3处与横坐标轴相切，且将在正纵坐标的半平面中贯穿定位，将具有两个向下和两个向上的凹处，所述凹处还将重合，在此定向上，有可能确定将允许对P2和P4进行计算的最大点。计算确定活塞直径的四个止点P1、P2、P3、P4，将有可能确定进气的体积、膨胀的体积，并计算在每一阶段中活塞的速度和加速度以及可产生的功率。内燃机在曲轴的两次旋转中执行传统的四冲程阶段：进气、压缩、燃烧以及排气，本发明的发动机主题在双轴发动机的行程中执行冲程阶段进气、压缩、燃烧以及排气；通过传统的发动机抽吸的体积等于膨胀体积；在本发明的发动机中，进气体积可为所设计的膨胀体积的一部分。抽吸的膨胀体积允许从可在较低温度下排出的迅速扩张的气体较多地回收能量，这具有相当大的环境优势。在与抽吸相同体积的气体的传统马达的轴相同的rpm下，本发明的发动机执行双倍循环，且假设膨胀体积设计成大于进气体积，则可以说每一循环获得的能量大于传统发动机在每一循环获得的能量的两倍。与传统发动机的循环相比，本发明的发动机具有以下优点：针对迅速扩张的气体的更大膨胀回收能量，并允许执行双倍的有用循环。

必然因大量的活动件而产生的摩擦与所回收的能量相比占极低的百分比，而对于相同的有用能量，本发明的发动机主题每分钟可具有比传统发动机所执行的转数的一半更少的转数。

本发明可以克服当今市场上的系统无法解决的难题，且不限于通过附图给出的表述，而是可以在不脱离本专利的框架的情况下由技术人员做出改进和修改。