用于液流机械的可变几何形状功率转化的制作方法
【专利说明】用于液流机械的可变几何形状功率转化
[0001]本申请要求2013年5月20日提交的、题为 “Efficient Variable Geometry PowerTransfer For Combust1n Engines” 的美国临时申请N0.61/825，362;以及2013年 10月29日提交的、题为 “Efficient Variable Geometry Power Transfer For Combust1nEngines”的美国临时申请N0.61/897,011的优先权，上述两份申请的全文通过引用并入本文中。
【背景技术】
[0002]燃油引擎是一种燃料和空气的燃烧在燃烧室内进行的引擎。燃料过程燃烧掉燃料和空气混合物以产生高温气体。高温气体产生高压，高压又用于对活塞施加力以做功。由于燃烧过程产生气体，理想气体定律可以用于确定温度、压强和气体的体积之间的关系。
[0003]理想气体定律为PV = nRT，其中:
[0004]P =压强
[0005]V =气体的体积
[0006]T =温度
[0007]η =气体的摩尔数
[0008]R =理想气体常数
[0009]给定恒定量的气体，气体的压强与其温度正相关，并且与其体积负相关。
[0010]现今使用的大多数燃油引擎利用曲柄滑块机构(CSM)来将动力从活塞的线性运动转换成圆周运动。CSM包括通过连接杆连接到曲柄轴(曲柄)的活塞，如图1所示。在图1中，Fw是垂直于曲柄的力，并且在曲柄上产生力矩IFp是由燃料过程导致的作用在活塞上的力。T、Fw和Fp之间的关系如下所示:
[0011]T=FW* (冲程/2)
[0012]Fw通过下式与Fp相关:
[0013]Fw=Fp*sin( ΙδΟ-β-a)
[0014]图2是示出了随着曲柄从曲柄滑块的上死点(TDC)处的0度旋转到下止点(BDC)处的180度，作为力Fp的百分比的力FW的图表，该曲柄滑块具有4英寸的冲程，并且其连接杆6的长度为6英寸。从该图表中可以看出，FW在TDC处等于0，并且不断增加，直到FW在曲柄运动的65度时等于Fp，并且随后降低，直到在180时FW再次为0。
[0015]根据理想气体定律，活塞上的力(Fp)随着气体的体积的倒数变化。图3(现有技术)是示出了气体压强和典型燃油引擎的曲柄角之间的关系的图表。在该表中，在TDC之前为负的度数，在TDC之后为正的度数，并且在TDC处时为0度。压强在TDC之前上升，因此燃料混合物被压缩到较小的体积。此外，对于真实的系统而言，燃料混合物在有限的时间内燃烧，这需要燃料混合物在TDC之前被点火。在图表，这可以被视为曲线斜率在燃料混合物在TDC之前-20度被点火时的变化。图3(现有技术)示出了压强峰值出现在TDC之后的5度处，但可以通过在燃烧过程中更早或更晚地点火燃料而移动该峰值。在峰值之后，随着曲柄的旋转，压强下降的斜率受到燃烧室中的额外体积的量的影响。
[0016]图4(现有技术)是示出了压强-曲柄角度的两条曲线的图表。第一条曲线(实线)具有TDC之后5度处的压强峰值，而第二条曲线(虚线)具有TDC之后20度处的压强峰值。该图表示出了出现功率峰值的曲柄角度可以被改变，但这种改变是有代价的，随着气体体积的增加，燃料混合物被点火的时间越晚，导致较低的整体峰值。
[0017]图5(现有技术)是比较燃烧过程的可用压强与转换为做功的压强的图表。“可用压强”曲线源于理想气体定律，其中，温度恒定，并且100是在TDC处可用的力。随着曲柄旋转并且燃烧室的体积膨胀，可用压强下降。“CSM”曲线源于将转化成功的力的CSM百分比乘以可用的力。图5示出了在TDC附近具有最大压强，但是几乎没有压强转化成功，这被示为在较小曲柄角度时两条曲线之间的大间隙。这种比较示出了在压强峰值处，0%的力被用于做功，并且在100%压强被转化成功时，压强为其峰值的大约25%。因此，传统的曲柄滑块机构仅将大约二分之一的可用压强转化为功。
[0018]已经在下述文献中提出了不具有传统曲柄滑块机构的引擎:Ushijima的US6，684，828;YaguchU9US7，213，563;KobayashU9US7，992，529;KobayashU9US8，011，343;Takahashi的US8，100，098;Watanabe的US8,161,922;Watanabe的US8,171,899;Gurler的US8，281，764 以及 Voegeli 的 US8，327,819。
【发明内容】
[0019]—种液流机械包括外壳，该外壳包括气缸和曲柄轴支撑件。活塞可滑动地布置在气缸中以沿着气缸的轴往复。曲柄轴包括旋转支撑在曲柄轴支撑件中的主轴承轴颈、与主轴承轴颈的轴径向偏移的曲柄销以及连接主轴承轴颈和曲柄销的曲柄臂。多联杆连接杆机构连接在活塞和曲柄销之间，并且包括彼此枢转连接的连接杆、第一铰接联接件和曲柄销联接件。力传递机构将多联杆连接杆机构连接到外壳，从而将垂直活塞力转换成水平曲柄销力。
[0020]在权利要求中书更具体地指出了表征本发明的各种新颖的特征，权利要求书随附在本公开中，并且形成本公开的一部分。为了更好地理解本发明、其运行优势和通过其使用而获得的具体目的，应该参考附图和说明书，其中示出和描述了本发明的优选实施方式。
【附图说明】
[0021]从本发明的下述详细说明并结合附图，本发明的进一步目的和优势将变得更加显而易见，并且更易于理解，附图中:
[0022]图1(现有技术)示出了常规活塞燃油引擎的受力图；
[0023]图2(现有技术)是示出了活塞力与做功的百分比随曲柄角度的图表；
[0024]图3(现有技术)是示出了气体压强和典型燃油引擎的曲柄角之间的关系的图表；
[0025]图4(现有技术)是示出了压强-曲柄角度的两条曲线的图表；
[0026]图5(现有技术)是比较燃烧过程的可用压强与转换为做功的压强的图表；
[0027]图6示出了本发明的机械的实施方式的受力图；
[0028]图7示出了非圆形齿轮力传递机构的受力图；
[0029]图8是本发明的实施方式的示意性横截面；
[0030]图9是图8的实施方式的多联杆连接杆机构的示意性详细示图；
[0031]图10A-10F示出了在引擎旋转一圈时图8的引擎的六个位置的顺序顺序；
[0032]图11是本发明的实施方式的示意性横截面；
[0033]图12是图11的实施方式的多联杆连接杆机构的示意性详细示图；
[0034]图13是图11的实施方式的力传递机构的示意性详细示图；
[0035]图14A-14F示出了在引擎旋转一圈时图11的引擎的六个位置的顺序顺序；
[0036]图15是本发明的实施方式的示意性横截面；
[0037]图16是图15的实施方式的可移动底座的立体图；
[0038]图17是图15的实施方式的示意性横截面图；
[0039]图18是图15的实施方式的示意性详细横截面图；
[0040]图19是图15的实施方式的凸轮随动件的立体图；
[0041]图20是图15的实施方式的锁定销的立体图；
[0042]图21是处于不同位置的图15的实施方式的示意性详细横截面图；
[0043]图22A-22F示出了在引擎旋转一圈时图15的引擎的六个位置的顺序顺序；
[0044]图23是本发明的实施方式的示意性横截面；
[0045]图24是图23的实施方式的多联杆连接杆机构的立体图；
[0046]图25A-25F示出了在引擎旋转一圈时图23的引擎的六个位置的顺序；
[0047]图26是本发明的实施方式的示意性横截面；
[0048]图27是图26的实施方式的示意性详细横截面图；
[0049]图28是图26的实施方式的可移动底座的立体图；
[0050]图29是图28的可移动底座的侧部和边缘示图；
[0051 ]图30是图26的实施方式的移动枢转点壳体的第二侧的立体图；
[0052]图31是图30的移动枢转点壳体的第一侧的立体图；
[0053]图32是图26的实施方式的锁定销的立体图；
[0054]图33是图26的实施方式的第二凸轮随动件的立体图；
[0055]图34是图26的实施方式的示意性详细横截面图；
[0056]图35A-35F示出了在引擎旋转一圈时图26的引擎的六个位置的顺序；
[0057]图36是本发明的实施方式的示意性横截面；
[0058]图37从相反侧观察的图36的实施方式的示意性横截面立体图；
[0059]图38是本发明的实施方式的示意性立体横截面；
[0060]图39是图38的实施方式的示意性横截面图；
[0061 ]图40是沿图39中的线DD的横截面图；及
[0062]图41是示出了活塞力和转化成功的力之间的比较的图表。
【具体实施方式】
[0063]在下述说明书中，类似的附图标记在若干附图中表示相似或相应的部分。同样在下述说明书中，应该理解诸如“向前”、“向后”、“左”、“右”、“向上地”、“向下地”的术语以及类似术语是出于方便的目的而使用的词，并不应该被解释为限制性术语。
[0064]—个目的是通过改变控制活塞力以做功的方式来增加燃油引擎的燃油经济性。这可以通过在动力冲程期间完成下述各项而实现:
[0065]-通过有效地转化靠近TDC(其中，压强处于其最大值，参见图5)的活塞力，而使用大部分可用活塞力来做功。
[0066]-通过点火燃料混合物而最大化力的峰值，从而压强峰值在接近TDC时出现。
[0067]-在旋转曲柄时，利用几何结构更长地维持活塞力峰值。
[0068]-由于扭矩等于力乘以曲柄半径，使用较大的曲柄以从可用活塞力产生更大的扭矩。
[0069]图6示出了本发明的机械的实施方式的受力图。该实施方式使用曲柄和连接杆，如图1中的曲柄滑块机构那样，但是该实施方式引入了多联杆连接杆机构以及力传递机构，其用于在曲柄角度小于45度时，在压力最大时以及常规曲柄滑块机构最低效时有效地传递力。力传递机构可以具有不同的配置，包括非圆形齿轮机构和联杆机构。图6示出了具有联杆机构的受力图。为了在本文中进行分析，由于椭圆形齿轮的形状易于被限定，因此其被用作非圆形齿轮机构。
[0070]多联杆连接杆机构(MLCR)在连接杆和曲柄轴之间包括额外的铰接联接。这种改变允许主连接杆相对于曲柄下降。对此的需要可以通过观察图6而具体化。如果铰接联接不存在并且α = β = 0，则曲柄将不会允许连接杆将力传递给力传递机构，阻止用于旋转曲柄的力的传递。
[0071 ]此外，与传统曲柄滑块机构相比，活塞不再与曲柄处于同一中心线上。偏置中心线为铰接提供了额外的空间。尽管偏置的中心线提供了优势，但如果特定应用需要的话，本发明的机械也可以在活塞和曲柄处于同一中心线的情况下工作。不同的方法可以用于重置多联杆连接杆机构和力传递机构的几何结构，如下文更详细地讨论的那样。
[0072]将首先分析图6的简单联杆力传递机构。通过利用静态力分析并且对水平和垂直力求和，对于该实施方式可以确定活塞力和用来旋转曲柄的力之间的关系。
[0073]FC=FP*Cos(0)
[0074 ] FC*Co s (β) = Fw*Co s (90 - a) +F