外旋轮线式曲轴机构和方法

专利名称：外旋轮线式曲轴机构和方法
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。
活塞在TDC处或其附近暂停需要相当大的曲轴转动量，以用于该努力，并且由于时间的流逝，越来越少的时间和曲轴转动可用于完成发动机运转的其它阶段。在TDC处或其附近耗费的时间导致较少的时间可用于将活塞推到缸膛下面、从气缸中排出废气、和/或为气缸重新填充下一次的燃料混合物。在没有充足的时间来完全分离并完成这些独立活动的情况下，由于所需活动的重叠将导致损害发动机效率，并将产生废气残余物与新鲜燃料混合物的一些混合。
在曲轴继续转动的同时将活塞保持在TDC处或其附近导致曲轴上杠杆臂的增加。直观地，在施加相同量作用力的情况下，增加的杠杆臂看来可将更多的扭矩或转动力传递到曲轴。然而，这不是所提及尝试中的情况。
理想地认为，在一个动力阶段期间内燃机的输出仅取决于影响活塞比面积的两个变量1)源自于燃烧的燃料混合物在气缸内产生的压力的作用力，和2)在被排出之前压力将活塞推到缸膛下面的距离。一旦气缸内的压力被释放，动力阶段就结束了，尽管活塞继续在缸膛中向下行进到BDC。如果作用力和距离变量保持不变，则动力阶段的总扭矩输出将总是相同的，而与所采用的曲轴设计或结构无关。当主张从增加活塞在TDC处或其附近的暂停中而获得优点时，并未提及发动机在使接下来的燃料混合物进入气缸中所经历的时间流失。以相似的方式，基于每一度而增加杠杆作用或力矩臂的主张也未提及，活塞顶部上方的压力会以更迅速的速度下降，破坏了任何潜在的扭矩增益。增加的杠杆作用致使对于曲轴转动的每一度，活塞都移动更大的距离，这增加了气缸内的截留容积。这降低了气缸内的压力，并导致作用在增加的力矩臂上的力的损失。在整个动力阶段期间作用于曲轴上的扭矩总量将不大于传统类型曲轴所产生的扭矩量。因此，通过增加在活塞上所作的功必能获得发动机输出上的任何增加，而改变曲轴运动的先前尝试不能获得该结果。
使用用于功的公式计算在活塞上所作的功，该公式如下功＝力×距离本发明的曲轴能够通过增加气缸力(压力×活塞面积)和行程(距离)而增加在活塞上所作的功。
在活塞驱动发动机的范围内使用该公式，在一个活塞上所作的功是作用在活塞顶部上的从燃料燃烧热量中产生的压力所提供的作用力与该压力作用在活塞上时活塞在缸膛中行进的距离的乘积。虽然该公式和概念相当简单易懂，但是所产生的功的精确表述还涉及一些详细的分析。例如，在燃烧室和缸膛内所产生的压力随着该气缸空间的容积而直接改变。如果在动力阶段开始时活塞处于远离TDC的其行程的起始点处，由于其上方的燃烧空间最小而使得压力较高。当压力作用在活塞顶部并使其在膛内向下运动时，活塞的位移导致燃烧空间和气缸内的容积增加。这又显著地降低了燃烧空间内的压力。在活塞行程中的某点处，或者通过使活塞不遮盖排气口或者通过使排气阀打开，而启动排气阶段。通过任何一种机构，提供了用于截留压力的溢出路径。排气口或阀一打开，驱动活塞在缸膛内向下运动的力就转到气缸之外并且在活塞上所作的功就停止。必须铭记的是，在没有用于将其在缸膛内进一步向下推动的作用力的情况下，活塞继续移动至其全部行程的端部(移动至BDC)。不再执行在活塞上作功。
由于气缸内的压力随活塞移动而改变，所以作用在活塞顶部上的力也改变。因此，用于作用力的单一值不能直接记入到功的公式中。然而，可基于沿活塞行程的各个点处的气缸容积和初始起动压力，计算出那些点处的气缸内的作用力。之后合计在每一点处气缸压力作用在活塞上时活塞行进的总距离(也可通过积分获得)。换句话说，可利用简单的几何学并已知气缸中活塞的位置，精确地计算活塞顶部上方的容积，并且通过应用波义耳定律而得到所产生的压力。该简化的观点不符合热力学考虑，但是该实例在本申请中是中肯的。
延长活塞在BDC处的暂停具有几个优点。与具有相似冲程并在相似速率下运转的发动机相比，活塞更快地到达TDC，使得所截留的燃料混合物有更短的时间从周围表面吸收热量和预热。这有助于避免不合需要的爆燃情况，并可提高CR以获得更高的效率。
通常在压缩冲程期间当活塞仍接近TDC时将点火定时器设定在某一点处。通常，在TDC之前曲轴转动的一点处在气缸中引入火花，可通过几何学将该点换算成活塞离开其TDC位置的距离。这样做能够在气缸压力由于压缩而升高的同时，使火花点燃燃料混合物。需要时间来实现完全燃烧，但是燃烧速率也受气缸内压力升高速率的影响。如果活塞在BDC处暂停，则在升高到缸膛顶部期间曲轴转动的每一度将使活塞移动更大的距离。如果火花出现在如同标准发动机中一样与TDC相同距离处，通过几何学可看出，在活塞到达TDC之前曲轴的度数将更小。压力升高的速率将大于标准发动机中的，因此可在TDC之前曲轴转动的更小角度下进行点火阶段。这将减少在活塞上所作的负功(该负功趋向于使发动机出乎意料地沿相反方向转动)，最终结果将是更大的功率输出。
通过使活塞快速地后退远离TDC，使得来自于燃料混合物燃烧的热量渗入到周围表面内的时间显著减少。保留在燃烧气体内的热量更完全地用于产生作用在活塞顶部上的压力。由于较少热量沉积在周围气缸表面内，因此接着引入的燃料混合物供送将进入更冷的环境，从而导致更密集的燃料供送，促进有效燃烧和更大的发动机输出。
通过使活塞在BDC处或其附近的暂停最大化，与传统发动机或可实现其活塞暂停在BDC处或其附近的发动机相比，活塞将在更短的时间内行进到缸膛的底部区域。当所有发动机设计都是在相同的速率下转动并产生相同的转数/分(在下文中缩写为“RPM”)时会发生这种情况。在其活塞暂停在BDC处或其附近的发动机中，将出现活塞处于活塞冲程底部的时间量增加的情况。因此，在其上方压力的作用下活塞可在缸膛中向下移动更大的距离，并仍具有适当的时间量来清除气缸并重新填充新鲜的燃料混合物。另外，在压缩阶段期间活塞移动的距离也可增加。这意味着可在每次压缩阶段开始时截留更大容积的燃料混合物。如果实际CR保持在与标准发动机相同的数值，则必须也增加燃烧室的容积，从而导致比正常发生的情况更大的截留容积。由于发动机的输出紧紧依赖于每个进气阶段期间引入到气缸内的燃料混合物的容积，因此在动力阶段期间，额外截留的容积将在气缸内产生更多的热量和压力，并将导致发动机输出的增加。
由于目前增强了进气容积，因此在整个动力阶段期间压力下降的速率将更缓慢。从TDC到动力阶段的结束，在相同排量的情况下，起始和终止气缸压力将与传统发动机中的相同，但是在此过程中活塞将行进更大的距离。由于活塞位置的改变对包含压力的总容积的影响较小，因此用于活塞移动的每个增量的实际气缸压力将使气缸具有更大的初始燃料混合物容积。
在本发明中，在活塞暂停在BDC处或其附近期间，气缸压力将处于其最低值，允许靠着活塞顶部发生燃烧气体的最大膨胀。在排气阶段期间，现在可有充足的时间允许废气在其自身的压差下离开气缸，而无需通过活塞将其抽空。这将使得在排气阶段结束时活塞在残留于气缸中的废气上作更少的功。由于只需很少或不需来自于动力冲程的能量投入到从气缸中抽出加压废气的行动中，因此将导致增加发动机功率输出的最终结果。

发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种用于改进内燃机、泵或压缩机性能的机构和方法，以增加动力输出并提高效率。
本发明的另一个目的在于，提供一种用于更改往复式内燃机、泵或压缩机的曲轴的机构和方法，以产生用于连杆下端行进的外旋轮线式路径，从而导致活塞在BDC处或其附近的暂停延长。该路径是通过偏心地安装在连杆的下端内的部件产生的，其中偏心距离(或偏心率)与活塞冲程以及连杆长度相配，以使活塞暂停最大化，并使连杆角度最小化。
本发明的另一个目的在于，在机器中提供一种改进的机构，该机器具有至少一个圆柱形外壳，圆柱形外壳具有中心轴线，所述机器具有至少一个往复活塞、曲轴以及连杆，活塞在圆柱形外壳中沿中心轴线在上止点位置与下止点位置之间行进，曲轴可转动地安装在所述机器中的曲轴箱中，以围绕曲轴轴线转动，至少一个曲柄销径向设置在所述曲轴上，并具有与曲轴轴线平行的曲柄销轴线，该连杆的上端以上端轴颈(轴枢部，journal)枢转地连接于所述活塞，下端以下端轴颈枢转地连接于所述曲柄销的下端，所述上端围绕与所述曲轴轴线平行的上端轴颈轴线枢转，所述下端围绕与所述曲轴轴线平行的下端轴颈轴线枢转；其中，所述改进机构包括偏心轴承，该偏心轴承具有轴向偏心轴颈，该轴向偏心轴颈具有平行于下端轴颈轴线并偏离于曲柄销轴线的偏心轴颈轴线，所述偏心轴承置于下端与曲柄销之间，以在曲轴在曲轴箱中转动期间使下端产生非圆形路径。还期望所述非圆形路径为外旋轮线式的，并且在曲轴在曲轴箱中旋转期间，所述外旋轮线式路径延长活塞暂停在圆柱形外壳中的下止点位置处或其附近所花费的时间，并且本发明同样可应用于在四冲程或二冲程循环上运转的机器。
本发明的另一个目的是，上端轴颈轴线与下端轴颈轴线之间的距离，是曲轴在曲轴箱中旋转期间活塞暂停在圆柱形外壳中的下止点位置处或其附近所花费的时间期间与外旋轮线式路径的下部相配的弧的半径。
本发明的另一个目的是，改进机构的一个实施例还将包括至少一个行星齿轮组，其包括至少一个固定地连接于曲轴箱的固定太阳齿轮，所述太阳齿轮具有与曲轴轴线成一直线的太阳齿轮轴线；旋转行星齿轮，具有平行于太阳齿轮轴线的行星齿轮轴线，并与太阳齿轮相啮合，其节径等于太阳齿轮的节径；安装于行星齿轮的偏心轴承，具有平行于行星齿轮轴线并偏离于行星齿轮轴线的偏心轴颈轴线，所述偏心轴承可转动地安装在下端轴颈中，并且曲柄销可转动地安装在偏心轴颈中。
本发明的另一个目的是，改进机构的可替换实施例还将包括至少一个内部有齿齿轮，固定地安装于曲轴箱，其中所述内部有齿齿轮具有与曲轴轴线成一直线的轴线；至少一个第一正齿轮，具有与内部有齿齿轮的轴线平行的第一正齿轮轴线，并与内部有齿齿轮相啮合；至少一个第二正齿轮，具有与第一正齿轮的轴线平行的第二正齿轮轴线，并与第一正齿轮相啮合；安装于第二正齿轮的偏心轴承，具有平行于第二正齿轮轴线并偏离于第二正齿轮轴线的偏心轴颈轴线，所述偏心轴承可转动地安装在下端轴颈中，并且曲柄销可转动地安装在偏心轴颈中。
本发明的另一个目的是，提供一种增强机器性能的方法，所述机器具有至少一个圆柱形外壳，圆柱形外壳具有中心轴线，所述机器具有至少一个往复活塞、曲轴以及连杆，所述活塞在圆柱形外壳中沿中心轴线在上止点位置与下止点位置之间行进，曲轴可转动地安装在所述机器中的曲轴箱中，以围绕曲轴轴线转动，至少一个曲柄销径向设置在所述曲轴上，并具有与曲轴轴线平行的曲柄销轴线，该连杆的上端以具上端轴颈枢转地连接于所述活塞，下端以下端轴颈枢转地连接于所述曲柄销的下端，所述上端围绕与所述曲轴轴线平行的上端轴颈轴线枢转，所述下端围绕与所述曲轴轴线平行的下端轴颈轴线枢转；所述方法包括以下步骤提供偏心轴承，其具有轴向偏心轴颈和平行于下端轴颈轴线的偏心轴颈轴线；将所述偏心轴承设置于下端轴颈中；将曲柄销设置于偏心轴颈中，其中，偏心轴承轴颈轴线平行并偏离于曲柄销轴线；以及在曲轴在曲轴箱中转动期间，使下端遵循非圆形路径。还期望所述非圆形路径为外旋轮线式的，并且在曲轴在曲轴箱中旋转期间，所述外旋轮线式路径延长活塞暂停在圆柱形外壳中的下止点位置处或其附近所花费的时间，因此本发明的该方法同样可应用于在四冲程或二冲程循环而运转的机器。
本发明方法的另一个目的是，使上端轴颈轴线与下端轴颈轴线之间的距离，是曲轴在曲轴箱中的旋转期间活塞暂停在圆柱形外壳中的下止点位置处或其附近所花费的时间期间与外旋轮线式路径的下部相配的弧的半径。
本发明方法的另一个目的是，一个实施例还包括以下步骤提供至少一个行星齿轮组，其包括至少一个固定地连接于曲轴箱的固定太阳齿轮，该太阳齿轮具有与曲轴轴线成一直线的太阳齿轮轴线；提供旋转行星齿轮，具有平行于太阳齿轮轴线的行星齿轮轴线，并与太阳齿轮相啮合，其节径等于太阳齿轮的节径；将偏心轴承安装于行星齿轮，具有平行于行星齿轮轴线并偏离于行星齿轮轴线的偏心轴颈轴线，并将所述偏心轴承可转动地安装在下端轴颈中；以及将曲柄销可转动地安装在偏心轴颈中。
本发明方法的另一个目的是，可替换实施例还包括以下步骤提供至少一个内部有齿齿轮，固定地安装于曲轴箱，其中所述内部有齿齿轮具有与曲轴轴线成一直线的轴线；提供至少一个第一正齿轮，具有与内部有齿齿轮的轴线平行的第一正齿轮轴线，并与内部有齿齿轮相啮合；提供至少一个第二正齿轮，具有与第一正齿轮的轴线平行的第二正齿轮轴线，并与第一正齿轮相啮合；将偏心轴承安装于第二正齿轮，其中，偏心轴颈轴线平行于第二正齿轮轴线并偏离于第二正齿轮轴线；将所述偏心轴承可转动地安装在下端轴颈中；以及将曲柄销可转动地安装在偏心轴颈中。
本发明方法的另一个目的是它可应用于在圆柱形外壳中具有至少一个固定的排气口的机器，所述方法还包括调整排气口的大小并沿圆柱形外壳的轴线重新定位排气口的步骤。同样地，本发明方法还可应用于在圆柱形外壳中具有至少一个固定的进气口的机器，所述方法还包括调整进气口的大小并沿圆柱形外壳的轴线重新定位进气口的步骤。
以最简单的术语表达，曲轴无非是杠杆臂。杠杆臂传输的转动力的量是臂有效长度、作用在其上的作用力以及所述作用力被施加的方向的函数。传统活塞驱动内燃机都利用曲轴将它们的活塞的往复运动转换为转动。这种布置伴随的问题是，当在每次动力阶段期间实际有效力矩臂的长度最大时，作用在杠杆臂上的大部分作用力未被施加。当曲轴转动时，有效力矩臂延长，但是作用力减少了。在每次动力阶段，可用的作用力和有效力矩臂长度的组合乘以动力脉冲的频率。其结果为测得的发动机的输出(忽略摩擦)。本发明外旋轮线式路径曲轴以这样一种方式组合大部分可用作用力与修正的力矩臂，所述方式即，使得所得到的使用该曲轴的发动机输出大于具有传统型相等冲程的曲轴的发动机。然而，增加的动力输出不是仅由于增加的力矩臂而导致的。可用杠杆作用的增加使得在压力施加于其上的情况下活塞可进一步在缸膛中行进，并且实现动力增加。在每次动力阶段，动力阶段增加的长度与截留的燃烧气体的更好利用相组合以在活塞上产生更多的功。与适当连杆长度相组合的外旋轮线式图案底部处的力矩臂的减少，使得活塞在较长的时间内都处于实际上静止不动的状态，如在转动的曲轴角中测得。该时间用于清空气缸的废气并在无需从动力阶段借取时间的情况下为气缸重新装填新鲜燃料。伴随活塞暂停在BDC处或BDC附近的增加的动力阶段的结果是更有力且更有效的发动机。
具有标准型曲轴的发动机的曲柄销固定在离曲轴的中心特定距离处。在曲轴的转动期间，曲柄销将沿圆形行进。该圆的直径是被称为发动机冲程的距离，并且因为活塞通过连杆与曲柄销相连，因此活塞在缸膛中行进相同的距离。在装有外旋轮线式曲轴的发动机中，曲柄销也沿圆形行进。然而，连杆未直接连接于曲柄销。取而代之，连杆的下端安放在偏心轴承上，该偏心轴承又安放在曲柄销上并通过传动装置引入其位置中。轴承的偏心率、连杆的长度、曲轴的冲程、以及传动装置的指引的组合都确定连杆下端的路径。然而，与该不同的曲轴布置无关，活塞在其缸膛中行进的距离仍为发动机的冲程。在标准发动机中，连杆的底部遵循曲柄销所产生的圆形，而在本发明发动机中，连杆的底部沿外旋轮线式路径行进。偏心轴承和其相关传动装置使得所述路径在曲轴的每次转动时都是完全重复的，并且基于传动装置的初始指引，该路径可指向任何方向。由于曲柄销位于曲轴中心的特定距离处，因此标准发动机中曲轴路径是固定半径的。外旋轮线式路径由于偏心轴承的转动而连续改变其半径。另外，当叠加在标准曲轴产生的圆形路径上时，外旋轮线式路径在该路径的一些部分中远离中心而在其它部分中靠近中心，所有部分都共用一个公共转动中心。从曲轴的中心到施力点测得的所产生的力矩臂的长度也不断改变。因此，改变的半径和增加的力矩臂两者有助于本发明设计可产生的增加的动力输出。力矩臂上的增加是增加活塞速度远离TDC的直接原因，因此其可更快到达其冲程的底部，这有助于活塞在压力作用在其上时行进更长的距离。由于由连杆的中心线上长度摆动的弧最优化以便于与外旋轮线式路径紧密相配，因此在所产生的图案底部的半径上的增加允许活塞暂停在BDC处或其附近。连杆长度、期望冲程和偏心轴承的偏移等变量必须都是匹配的以产生最大活塞暂停和最小连杆角度。
通过使用外旋轮线式曲轴，在一个动力阶段产生的扭矩曲线将产生比相似冲程的标准型曲轴更高的峰值扭矩值。这是通过适当的传动装置和偏心轴承的定向与作用在活塞顶上的气缸中的压力相组合可产生的更长力矩臂实现的。由于功取决于活塞行程和作用力，因此必须理解的是，在压力下，以及初始气缸压力下，任何曲轴对于给定的活塞区域、行程都将产生相同的总扭矩力。例如，如果燃烧室具有固定容积并且其中的初始压力总是相同的情况下，功输出将是相同的，而与装在发动机中的曲轴类型无关，所述发动机装有活塞，在压力作用于其上时活塞行进相同的距离。如果所使用的曲轴具有极长的冲程的话，由于较长的力矩臂，导致总活塞移动将更大。然而，在没有气缸压力的帮助下在排气阶段开始之后将出现活塞移动的距离。这意味着为了在动力阶段期间获得更多的功，在压力作用于其上时给定活塞必须行进更大的距离或者初始燃烧室压力必须更大。这两个变量(即，作用力和距离)的乘积一定更大。
标准曲轴的曲柄销的圆形路径上的任意点都可换算为曲轴的旋转度数，该旋转度数又可用来确定活塞位置。同样地，装有外旋轮线式曲轴的发动机所产生的路径上的任意点也可换算为曲轴定向和活塞位置。然而，当在这两种类型的曲轴之间比较相同的曲轴旋转角时，除在TDC和BDC处以外，活塞位置是不同的。当比较这两种曲轴设计时，这两个活塞在其各自的缸膛中移动的速度是不同的。
当在相同的RPM下转动时，与装在具有相似冲程的标准型曲轴的发动机中的活塞相比，装有外旋轮线式曲轴的发动机将使得活塞更快地移动得远离缸膛的顶部。这是由于偏心轴承产生的增加力矩臂和连杆下端所遵循的路径导致的。越长的力矩臂使得活塞越快地加速远离TDC。然而，当该发动机中的活塞接近其行程的底部时，移动的速度比装有标准型曲轴的发动机中的活塞慢。这是由于较短的力矩臂导致的，其影响连杆下端的路径。另外，是期望冲程长度、偏心轴承中的偏移和连杆的长度的组合确定了本发明发动机设计的旋转中任意给定点下的实际力矩臂的长度。装有外旋轮线式曲轴的发动机与装有标准型曲轴的发动机之间的重要差异是，当整个活塞行程保持恒定时，装有外旋轮线式曲轴的发动机的力矩臂在曲轴旋转的某些点中较大而在另一些点中较小。装有标准型曲轴的发动机的缸膛中活塞移动是由曲轴冲程确定的。所述冲程也是曲轴遵循的圆形的直径的测量值。作为恒定值的直径确定了活塞和连杆可作用于其上的最大力矩臂。由于装有外旋轮线式曲轴的发动机使得连杆的下端沿非圆形路径行进，因此当活塞顶上的压力可更有利地作用在曲轴上时，可使得动力冲程阶段期间力矩臂更大。由于气缸的冲程保持恒定，因此非圆形路径将连杆的下端拉动得更靠近于曲轴的中心，由于路径具有与连杆的中心线上长度相配的半径，因此活塞将暂停在BDC处或其附近。将使得气缸中的压力作用在更大的力矩臂上并且推动活塞更大的距离。这些特征都有助于更大的发动机输出，同时暂停在缸膛底部允许有充足的时间进行排气阶段。
排量是用于表示内燃机尺寸的术语。排量是从单个气缸的横截面积、活塞从TDC到BDC行进的距离、以及发动机中气缸数量的乘积中得出的。其基于活塞移动导致的容积变化表示发动机可吸收的空气容积。在排量的计算中，未提及相关的几个发动机因素，诸如燃烧室的容积、CR、或者发动机是在二冲程还是在四冲程下操作。另外，引入方法(通常为吸入或压迫引入)或在压力作用在其上表面时活塞行进的距离不会影响排量计算。当气缸的最后溢出路径被关闭时通过测量气缸中的容积确定所截留的燃料混合物的容积。当活塞已开始其在缸膛中的向上行进时，在通常表示为压缩阶段的曲轴转动中的某处可进行所述测量。在标准发动机中，刚好在超过BDC的一点处关闭最后溢出路径。燃料的实际容积和质量略低于气缸盖的容积加上气缸排量。已行进到缸膛上部并使得气缸中的总容积小于其最大值的活塞将趋向于使得气缸外的一部分燃料回流直到其被截留，尤其是在低发动机速度下。标准发动机会面对这样一个事实，即，由于活塞在到达缸膛底部的情况下会立即调转其方向并开始在气缸中上升，因此导致其燃料供送的动量会立即遭遇它们致力于进入其中的气缸中的压力升高的问题。在进气阀关闭之前气缸中增加的压力和减少的容积导致进入的燃料混合物停止。最终结果是上升的活塞在每次进气阶段排出了一部分燃料供送，并且所截留的燃料混合物容积总是低于总气缸排量。当燃料供送的动量能够避免排出到气缸外的混合物移动时，只有在升高的发动机速度下发动机才设法截留最大容积的燃料混合物。在装有外旋轮线式曲轴的发动机中，活塞将暂停在缸膛的底部处并且可获得燃料供送可进入的最大容积。之后可在容积较大时关闭溢出气缸的最后溢出路径，并且可将更大容积的燃料混合物截留在气缸中。在压缩冲程期间，增加的容积将压缩到气缸盖处可用的容积中。如果装有外旋轮线式曲轴的发动机将最初截留的CR保持在与标准发动机相配的数值下的话，气缸盖处的容积将不得不增加。另外，实际CR将过高，并且易于发生爆燃和过热。增加气缸盖容积会在压缩冲程开始时使得截留在气缸中的燃料混合物的总容积增加得更大。由于发动机的排量取决于活塞在其冲程期间在缸膛中行进的总距离，因此装有外旋轮线式曲轴的发动机可被设计得具有等于装有标准曲轴的发动机冲程的活塞冲程，这将不会影响发动机的排量。然而，装有外旋轮线式曲轴的发动机将在每次动力冲程吸入更多的燃料混合物，并且由于动力输出直接与气缸中截留的燃料混合物的容积相关，因此对于给定排量来说发动机将产生更多的动力。
从本发明中可得到的优点可分类为增加给定排量的动力或处于燃料经济性原因增加效率。可在二冲程或四冲程发动机中实现动力和效率的增加。在有限量的燃料中具有有限量的能量，所述的本发明可在排出废气之前从其燃料供送的燃烧中提取更多可用压力。所有发动机都必须从其气缸中排出废气以便于具有充足的时间来重新装填其气缸以备下一次动力冲程之用。当活塞仍在气缸中向下移动时进行所述重新装填，并有效地终止在活塞上所作的功的量。在只在其气缸中装有气口的二冲程发动机中，由于气口是气缸壁中的简单的孔，因此气口高度和宽度是固定的，尽管某些高度发展的赛车用发动机具有可根据发动机的RPM改变高度的排气口。术语Time-Area(在下文中缩写为“TA”)表示这样一种数值，该数值表示为了使得气体流过而暴露面积的时间量。气缸气口的阀不能在瞬间打开，这允许它们在给定的时间量下使得最大容积的气体穿过。相反，这些阀逐渐打开和关闭。利用孔的二冲程发动机使得它们的面积仅在TDC和BDC处最大，这是因为在活塞位置的所有其它点处都会出现一定程度的活塞遮蔽。装有提升阀的四冲程发动机(以及一些二冲程发动机)必须允许阀离开其位置，升高到某一最大高度，之后返回到其位置。TA值确定气口或管道在其中最有效的RPM范围。与发动机速度无关，气口或管道的暴露面积总是相同的。然而，当发动机的RPM升高时，每次操作循环之间的时间缩短了，影响了使得有效发动机操作所需的适当容积的气体流过气口的能力。由于时间分量上的改变，因此气口或管道不能具有固定的TA值。必须在具体的发动机速度下确定所述数值。
当发动机速度增加时，每个操作阶段之间的时间(无论是二冲程还是四冲程)减少了。在由发动机制造商制定的进入口或阀时限所决定的某些发动机速度下，获得了峰值扭矩输出，该峰值扭矩输出是出现最高容积效率的点。容积效率是发动机将最大量的燃料混合物吸入到每个气缸中的能力的量度标准。当发动机运行时，发动机操作的每个阶段都需要一定的时间标准以使得一定容积的气体穿过气口或阀。当发动机速度增加时，在气体的容积增加并且气口或阀的面积保持恒定时，完成这些阶段的时间变短了。在一些RPM下，由于气口或阀变成了气体流动的阻碍，因此用于那些气体通过的时间量不足以使得阶段完全完成。
在装有外旋轮线式曲轴的二冲程原型发动机(在下文中，称作“本发明原型”或“本发明原型发动机”)中，在缸膛中上下的活塞速度不同于在相同RPM下操作的标准发动机中的活塞速度。在原始标准发动机中，制造商将气缸中气口的尺寸选择得可提供平稳的空转、易于启动、以及一些RPM潜力。在本发明原型发动机中，气口尺寸实际上不同于标准发动机中的气口尺寸，但是气口TA值与标准发动机的数值是一致的。在原型发动机的气缸中根据所计算的TA值复制Time-Area值而不是简单地拷贝标准气口的实际尺寸。利用电子制表软件，使用连杆长度、活塞冲程和气口高度的库存值数学地复制标准发动机的几何结构。由于气口相对于气缸轴线是对称的，因此它们在TDC或BDC的任意侧上打开或关闭相等的时间量。电子制表软件能够为曲轴转动的每一度计算活塞所暴露的口视窗的面积。合计打开点和关闭点之间暴露的气口部分的面积提供了在包括气口暴露的曲轴转动间隔期间暴露的总面积。在标准发动机中，排气口仅在曲轴转动的一个位置处完全打开，该位置为BDC。同样地，进气口仅在TDC处完全打开。本发明原型发动机以其为基础的标准发动机被称为“活塞通道”发动机。进气和排气持续时间仅由缸膛中的活塞位置控制，而不是如同装有簧片阀的发动机在进气阶段中将发生的那样由压差控制(另一种类型的引入装置是其中具有孔的圆盘，在气口的前面旋转，其顾及了不对称进气口的时限，并被称作圆盘阀)。
使用近似的方法和类似的电子制表软件以进行直接对比，相对于曲轴转动任何角度，确定本发明原型发动机中的活塞位置(标准发动机与原型发动机之间的比较假定这两个曲轴在相同RPM下转动)。如果以与标准发动机的口相同的尺寸留出本发明原型发动机的气缸中的气口的话，排气口会比标准发动机的气口更早地被露出。由于本发明原型发动机中的活塞在曲轴转动43度下暂停在缸膛的底部处，因此排气口没有被活塞遮蔽并且在曲轴转动的整个部分期间保持完全打开。在比较中，标准发动机的排气口仅在曲轴转动9度下完全打开。由于活塞暂停在完全打开位置，因此时间和面积的乘积组合以产生超过标准发动机气口的原始计算值的TA值。在原型发动机中，气口的宽度不变并且仅调节其高度。发动机的原制造商结合考虑活塞环支撑和磨损选择气口宽度，这些在原型发动机中保留下来。由于TA值太大，因此降低气口的高度，这会同时导致两种情况发生由于气口将在较低的活塞位置以及较小的曲轴转动角度下打开，因此TA值的时间部分将降低，并且由于气口实际上降低了，因此TA值的面积部分也会降低。使用用于活塞位置的计算值，可确定气口高度和曲轴度数的组合，其将复制标准发动机中所设计的相同的TA值。
通过降低标准发动机中的气口高度，燃料燃烧提供的更多压力和热量可用于向下驱动活塞，这增加了每个动力阶段在活塞上所作的功。折衷方法是，由于现在缩短了用于清除气缸废气并以新鲜燃料混合物更换它们的气口的可用TA值，因此降低有效操作RPM范围。低RPM意味着在给定时间周期内发动机可对于活塞施加的动力阶段的数量减少了，因此减少了动力输出。另一方面，较高的气口高度意味着更多的时间可用于清空气缸，但是气口高度限制了进入气缸的燃料混合物的截留容积和质量，这又限制了可在活塞上作的功的量。每个动力脉冲都较弱，但是气口可支持更大的流量，这意味着发动机可获得更高的RPM。更多的动力脉冲被输送到曲轴，虽然每个单独的动力脉冲都较弱，但是它们的绝对数量提供了更高马力的输出。
在本发明中如上述的添加外旋轮线式曲轴不会由所述曲轴本身增加动力。可行的是如果气口高度保持不变的话增加了清空气缸的时间，这将在与未修改的标准发动机一致的发动机速度下增加气口的TA值。这是通过允许活塞在比同等冲程的标准发动机中更快速度下行进到其行程的下部并在相同的RPM下操作而实现的。由于发动机在升高的RPM下仍能充分地清空发动机气缸，因此这将使得装有外旋轮线式曲轴的发动机能够达到更高的RPM。如果期望的RPM保持在与未修改的标准发动机相同的范围内的话，外旋轮线式曲轴将使得未修改的气口具有过大的TA值。最简单的修改是降低气口，这将减小气口的TA值，并将那些值带回到标准发动机的原始操作RPM范围。然而，降低气口允许活塞在压力作用在其上的情况下行进得更远，这增加了每个动力阶段期间在活塞上所作的功量。在普通发动机最初设定的RPM范围内将有充足的时间清空发动机的气缸，并且由于在活塞上所作的增加的功导致增加动力输出。由于气口的高度是固定的并且现在在缸膛中降低了，因此升高的活塞将覆盖气口视窗并截留比标准发动机所能截留的更大量的燃料混合物。如在该公开中更早描述，标准发动机中的原始实际CR是基于燃料混合物的总截留容积与燃料混合物的压缩容积的比率的。如果装有外旋轮线式曲轴的发动机中的CR保持为标准发动机的值的话，必须为装有外旋轮线式曲轴的发动机的燃烧室增加辅助容积。否则，更大容积的截留燃料混合物将被压缩于原始燃烧室容积中，将实际CR升高到超过标准发动机的数值。增加的燃烧室容积将实际CR减小到等于标准发动机的数值但是还将增加截留的容积。另外，发动机的动力输出等于动力阶段期间截留的燃料混合物的容积，因此在与标准发动机的RPM相等的发动机速度下将产生更多的动力。
在装有外旋轮线式曲轴的发动机中，迅速下降的活塞将在进入的燃料混合物中产生大量的动量，这有助于气缸填充和燃料雾化。在进入气缸的情况下，燃料混合物不会从移动的活塞处面临即刻的压力升高。另外，在进气阀关闭的情况下活塞将保持在缸膛底部或其附近。其结果是，更大容积的燃料混合物将被截留在气缸中，导致每个动力阶段在活塞上作更多的功。胜于仅在上升的发动机速度期间使得气缸填充其容量，静止不动的活塞允许更大的发动机速度范围，在该范围下气缸将充满最大效率。由于通过燃料测量系统的更大气流速度，因此将增强燃料混合物质量，并且将导致更好的燃料雾化。截留的混合物将会以更好的效率在燃烧室中燃烧，其结果是减少了最终溢出到大气环境中的废气中未燃烧燃料的散发。
由于活塞移动和位置不控制阀打开和关闭点的时限，因此使用气口阀和提升阀两者的二冲程发动机可更具有燃料效率。另外，凸轮轴操纵所述阀。然而，在增加外旋轮线式曲轴的情况下，由于活塞在缸膛中的快速下降，又使得活塞暂停在其冲程的底部。另外，在没有减小预期速度范围内操作所需的气口的TA值的情况下可降低原始气口高度，并且阀时限将被修改以补足气口的TA值。降低气口和延迟阀动作的组合意味着可在与原始发动机相同的RPM下在活塞上作更多的功。燃料燃烧所产生的更多热量和压力可用于在每个动力阶段推动活塞顶部同时保持充足的时间以清空气缸。
使用外旋轮线式曲轴的四冲程发动机可具有更高的燃料效率以及更大的功率。在该类型发动机中，在气缸壁上没有切割气口。进气和排气功能都是由布置在气缸盖(在顶阀式发动机中)或发动机组(如平坦盖或L型盖设计中)中的提升阀控制的。这些阀改为靠在凸轮轴凸起上以打开和关闭它们，阀运动与活塞位置和移动无关。如果连杆的下端遵循与前面所述的二冲程型发动机中相似的外旋轮线式路径的话，活塞将比普通发动机中更快地在缸膛中下降并且将在缸膛底部附近暂停一些时间。装有外旋轮线式曲轴的发动机可吸收与标准发动机中相同量(或者更多，取决于凸轮轴选择、燃烧室容积、以及期望的发动机用途)的燃料混合物，这将产生相同的初始气缸压力，但是将增加压力加在其上(动力阶段)时活塞移动的距离。如果这样的话，由于阀打开和关闭活动的不对称时限而导致可在活塞上作更多的功，因此将增加发动机的效率。外旋轮线式曲轴所形成的独特几何形状使得活塞在比其它形式可能达到的更快的速度下被推到缸膛下面并被推动更长的距离。由于在相同的初始启动压力下活塞行进得更远，将在活塞上作更多的功，并且在排气阀打开时气缸中剩余的压力可更少。气缸中溢出更低的压力意味着产生的噪音将更低，因此本发明发动机的排气音不会太大。虽然不是性能上的增益，但是更低的噪音水平有助于减少噪音污染。由于声音是一种形式的能量，并且该能量基本上来源于燃料的燃烧，因此较低的排气音将显示出更高效的发动机。由于活塞不会移动得更远，因此在动力阶段结束时标准气缸中的压力将更大，并且打开的排气阀允许可用的气缸压力在无需帮助动力输出的情况下溢出。
在装有外旋轮线式曲轴的发动机的四冲程的实例中，由于标准发动机阀运动在抽空气缸上的时间限制导致通常会流失的排气压力将作功，将活塞进一步压迫到缸膛下面。在发动机操作中很少提及的是克服气缸压力打开排气阀所需的作用力。凸轮凸起必须首先克服在阀移动之前将其保持在其位置中的弹簧压力。也就是说，当阀关闭期间弹簧解压缩时，压缩弹簧所需的功被还给系统。然而，阀的表面面积与气缸中的压力相组合，在阀被提离其位置之前也必须被克服。当计算阀头的面积之后乘以气缸压力时可发现该增加的作用力。作为实例，仅为1.00英寸直径的排气阀具有0.785平方英寸的表面积。如果阀打开时气缸中的压力为100psi的话，打开阀所需的作用力超出克服弹簧压力所需的作用力78.5磅。由于废气在其自身的压力下离开气缸，因此没有能量返回到系统中以补偿克服作用在阀头上所需的力。将该所需力从发动机的净动力输出中减去，并且可用的气缸压力流失到排气区域以外。通过将气缸压力控制在气缸内并允许其进一步膨胀，如本发明发动机可行的，净动力损失将较低，并可更充分地利用气缸压力。一旦压力在暂停周期期间自己回落，活塞将在气缸中升高以便于仅清除残余气体，而不是必须作用在加压的废气上。这很少在活塞上作负功，因此净增益将更大。
由于装有外旋轮线式曲轴的发动机允许为每个动力阶段吸收更大容积的燃料混合物，因此发动机的输出将更大。在所有发动机速度下都发生增强的气缸填充，因此从测功器试验中获得的马力和扭矩曲线都将表示在整个RPM范围上的提高。作为实例，本发明二冲程原型发动机在每次压缩阶段多截留约15％的燃料混合物。该增加的容积是由于排气口的降低和气缸盖中用于保持标准发动机的原始截留CR而增加的容积导致的。由于在该发动机中排气口首先打开最后关闭，因此作用力和活塞行进的距离都增加了，因此在活塞上产生了更多的功。将装有外旋轮线式曲轴的发动机的马力和扭矩曲线与标准发动机产生曲线相比将显示出，本发明发动机的曲线的旋转与标准发动机的曲线相似，但是在所有点处升高15％。在标准发动机的马力曲线的峰值点处，装有外旋轮线式曲轴的发动机将产生多出15％的动力。马力曲线通常为“钟”形的，曲轴峰值马力值出现在钟形的顶部处。如果标准发动机可产生的最大量的马力是所要求的全部的话，将要求具有相似但却升高的动力曲线的本发明发动机在更低RPM下旋转以实现所述动力输出。在较低的发动机速度下，在保持原始动力水平的同时减少了燃料耗量。


图1是悬吊(overhung)结构的一个曲轴轮中的外旋轮线式曲轴的分解图；
图2用图表表示了传统发动机中曲柄销的中心行进的圆形路径；图3是安装在连杆下端内的偏心轴承的几何形状的视图；图4用图表表示了具有外旋轮线式曲轴的发动机中偏心轴承的中心行进的路径；图5是由连杆的中心线上长度限定的曲线的视图；图6用图表表示了在具有外旋轮线式曲轴的原型发动机(prototype engine)中具有零偏移的偏心轴承的中心行进的路径；图7用图表表示了在具有外旋轮线式曲轴和0.1334英寸偏移的原型发动机中偏心轴承的中心行进的路径；图8用图表表示了在具有外旋轮线式曲轴和过度偏移的原型发动机中偏心轴承的中心行进的路径；图9是由原型发动机上的连杆的中心线上长度限定的曲线与由具有过度偏移距离的偏心轴承的中心行进的路径的差异的视图；图10是由原型发动机上的连杆的中心线上长度限定的曲线以及由具有恰当偏移距离的偏心轴承的中心行进的路径的视图；图11用图表表示了在可替换外旋轮线式曲轴中在曲轴转动360度期间两个齿轮的相对位置；图12用图表表示了在可替换外旋轮线式曲轴中在曲轴转动360度期间所有元件的相对位置；
图13是可替换外旋轮线式曲轴的横截面；图14是可替换外旋轮线式曲轴的分解图；图15是活塞在BDC处的二冲程循环发动机的横截面，示出了可替换孔位置；图16是活塞在TDC处的二冲程循环发动机的横截面，示出了可替换孔位置。
具体实施例方式
如图1的分解图中所示，本发明外旋轮线式曲轴组件的一个实施例是使用相等节径的固定太阳齿轮2和旋转行星齿轮3的简化的行星齿轮系统1。两个齿轮通过曲轴4保持恒定啮合，该曲轴也可用作飞轮。太阳齿轮2固定地连接于发动机的曲轴箱(未示出)，太阳齿轮的轴线5与曲轴4的轴线处于相同的旋转轴线上。通过轴衬或轴承使得行星齿轮3以曲柄销6为中心。这两个齿轮每个都具有等于曲轴4的轴线5与曲柄销6的轴线之间距离的节径，或等于曲轴4一半冲程的节径。由于齿轮恒定地啮合，因此两个齿轮中心之间的距离永远不会改变；因而，如果当行星齿轮围绕固定太阳齿轮2旋转时绘制行星齿轮3的轴线11的路径，则所得到的路径将为圆形的，并与曲柄销6的轴线的路径重叠。具有偏心轴颈7a的偏心轴承7安装于行星齿轮3，并且偏心轴颈7a的中心与行星齿轮3的轴线11和曲柄销的轴线都轴向偏移特定距离8。具有下端轴颈10a的连杆9的下端10套在偏心轴承7上。偏心轴承7和下端10两者以及具有下端轴颈中心线10b的连杆9的下端轴颈10a共用一个公共中心，该公共中心与曲柄销6偏移特定距离8。在曲轴4转动期间，固定太阳齿轮2将使行星齿轮3在其轴线11上转动，该轴线11是与曲柄销6的轴线相同的轴线。牢固地连接于行星齿轮3的偏心轴承7将在曲柄销6的轴线上转动。由于曲柄销6本身随着曲轴4转动，因此当曲柄销随着曲轴4行进时，行星齿轮3和偏心轴承7都将围绕曲柄销6转动。由于曲轴4与固定太阳齿轮2的结合，对于曲轴4的每一次转动，行星齿轮3和偏心轴承7将转动两次。偏心轴承7的中心将不遵循曲柄销6的圆形路径，而将描绘出外旋轮线式路径。连杆9下端10的下端轴颈10a的轴线10b也沿着该路径跟随偏心轴承7的中心。当偏心轴承7的中心与行星齿轮3的轴线11偏移少量时，外旋轮线式形状将近似于圆形，并且当偏心轴承7的中心偏移远离行星齿轮3的轴线11时，外旋轮线式形状将呈现为明显的肾脏形状。由冲程长度和偏移距离8产生的外旋轮线式路径产生将随着曲轴4的每次转动再现其本身的图案。通过将偏心轴承7的偏移距离8同绘制于曲轴4的轴线5与曲柄销6的轴线之间的直线对齐而实现图案的定位。偏移量8将直接指示离曲轴轴线5的距离，从而偏心轴承7的中心是离曲轴4的轴线5的最大距离。当曲轴4处于零度转动时，该位置与活塞的TDC相互关联。这种布置将使得外旋轮线式图案在该图案的上部中具有长力矩臂，而沿该图案的底部具有较短力矩臂。该图案的下部将具有较大半径。具有上端轴颈12a(其具有上端轴颈中心线12b)的连杆9的上端12可枢转地连接至活塞(未示出)。连杆9的中心距长度(其为上端轴颈中心线12b与下端轴颈中心线10b之间的距离)必须选择成与该较大半径相配，使得当曲轴4转动时，连杆9的下端10将遵循外旋轮线式路径，而连杆9的上端12保持沿气缸中心线受约束。对于较大量的曲轴转动，连接于连杆9上端12处的活塞将暂停在其冲程底部。由于本发明的曲轴涉及外旋轮线式图案，因此其被称为外旋轮线式曲轴。
在本发明的进展中，两个发动机被数学模型化。一个是市场上可买到的传统类型的发动机，一个是装有本发明外旋轮线式曲轴的发动机。这两个发动机具有相同的缸膛和冲程尺寸，因此具有相同的排量。结果表明在相似的曲轴速度下，装有外旋轮线式曲轴的发动机比传统发动机产生更大的动力。由于马力是在活塞上执行的功和其发生的频率(发动机的RPM)的函数，因此在相同发动机速度下在动力阶段期间，在活塞上所作的功的增加致使装有外旋轮线式曲轴的发动机产生更大的马力。这使得装有本发明外旋轮线式曲轴的模型发动机在每次动力阶段期间产生比从标准发动机中获得的多出15％的总动力、以及多出41％的峰值扭矩。基于具有以下尺寸(英寸、立方英寸、厘米和立方厘米分别缩写为“in”、“ci”、“cm”和“cc”)的普通(stock)Homelite二冲程循环活塞气门线修草机发动机，包含外旋轮线式曲轴的本发明原型发动机已形成并投入运行，所述尺寸如下缸膛1.3125in或3.334cm冲程1.125in或2.858cm排量1.52立方英寸或24.95cc越过TDC 102度时排气口打开距离TDC 0.749in或1.902cm越过TDC 128度时传输口打开距离TDC 0.954in或2.423cm越过TDC 60度时进气口关闭距离TDC 0.563in或1.430cmTDC前28度时发生火花点火距离TDC 0.082in或0.208cm燃烧室容积0.1745立方英寸或2.86ccCR(全冲程下测得)9.72∶1CR(在排气口关闭时测得)6.8∶1连杆长度2.200in或5.588cm图2是示出了在完整的360度转动期间标准传统发动机中曲柄销的中心所行进的圆形路径13的示图。其还示出了装有外旋轮线式曲轴的发动机中曲柄销的中心行进的相同圆形路径。在用以模型化本发明原型的传统发动机中，该圆的直径等于1.125英寸的冲程长度。差异在于，在传统发动机中，曲柄销中心的圆形路径也是连杆下端中心的路径。在装有外旋轮线式曲轴的发动机中，曲柄销中心的圆形路径与连杆下端中心的路径不同。连杆下端的中心被设置在远离曲柄销中心的一距离处，该距离等于偏心轴承提供的偏移距离。图2是用传统发动机和本发明发动机的曲柄销中心的X、Y坐标绘成的，其中X＝冲程长度×sin(曲轴角)，而Y＝冲程长度×cos(曲轴角)在图2中，曲柄销路径正是通过上述公式产生的圆形。
在示出了曲柄销位置的所有图中，X轴被认为是水平轴，而Y轴被认为是竖直轴。假定气缸中心线沿着Y轴，在模型化曲轴上方。此外，假定所有模型化曲轴的转动都是顺时针方向的，而TDC沿着Y轴在曲轴转动的零度角下。BDC位于远离TDC 180度处，也沿着Y轴。X、Y坐标系的原点被认为是模型化曲轴的转动中心。
图3示出了偏心轴承的几何形状。偏心轴承的定义是装在连杆下端内的轴承。其外径14等于连杆下端轴颈的内径减去用于轴承和/或润滑油楔的小间隙。偏心轴承内部中的孔的内径15等于曲柄销的外径加上用于轴承和/或润滑油楔的小运行间隙。轴承外径的中心偏离偏心轴承内部孔的中心一预定量16。这是用于外旋轮线式图案的公式中所称的偏移，并在图1中表示为特定距离8。图4示出了在装有外旋轮线式曲轴的发动机中连杆下端的中心的路径17。曲柄销的中心与曲轴的中心是固定距离，并绘出了圆形路径。在原型发动机的情况中，曲柄销圆具有0.5625英寸的半径，因此具有1.125英寸的直径。因此，这是发动机的测定冲程，或活塞在气缸中行进的竖直距离。本发明原型发动机的结构中使用普通曲轴。作为图3中所示的偏心轴承的偏移16的结果产生了图4中所示的图。偏移16是由连杆的长度和原型本发明发动机中期望的冲程长度产生的计算量。该所计算的偏移产生图案的较大半径部分18(靠近于普通冲程圆内运行的路径的底部)和延长区域(普通冲程圆外运行的路径的顶部处)。对于装有本发明外旋轮线式曲轴的模型化发动机中，对于总共43度的曲轴转动角，通过计算精确的偏移距离16，使得活塞暂停在下止点(BDC)，或暂停在BDC的0.001英寸范围内。
参照图5，连杆9的中心线上长度19描绘出弧20，该弧与图4中所示的图案的较大半径部分18紧密相配并大致等于该较大半径部分。用于连接连杆9与连杆9上端12处的活塞的肘节销也是允许连杆9偏转到气缸中心线任一侧的枢转轴承。如果活塞保持固定，而允许连杆9前后摆动，则连杆9下端10的中心将沿半径等于连杆9的中心线上长度19的弧20摆动。在图5中示出了这种情况。
该弧20在偏心轴承和其偏移距离16所产生的图案的下部18中被复制。图4中的图形是使用偏心轴承中心的X、Y坐标绘成的。这也是连杆9的下端10将遵循的路径。这不是曲柄销的路径(曲柄销的路径为圆形)。X、Y坐标如下表示X＝[1/2冲程×sin(曲轴角)]-[偏移×sin(2×曲轴角)]，Y＝[1/2冲程×cos(曲轴角)]-[偏移×cos(2×曲轴角)]，其中(在该实例中)冲程＝1.125英寸、偏移＝0.1334英寸、曲轴角＝曲轴转动的度数。
这是本发明设计所称的用于外旋轮线的公式的简化形式。
用于X、Y坐标的外旋轮线公式为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＝圆的半径c＝偏移距离θ＝转动的角度本发明原型发动机是基于具有1.125英寸的冲程和1.3125英寸的缸膛的传统发动机。普通连杆的中心线上长度为2.200英寸。该连杆长度使其摆动到距离气缸中心线的最大偏转处，这将把活塞侧压在缸膛上。为了适当地比较本发明原型发动机和传统型发动机，将原型发动机构造成具有与原始发动机相同的冲程和缸膛尺寸。使用普通的活塞和气缸，以使缸膛保持为相同的，并且当与普通冲程长度相组合时，将使得本发明原型发动机具有相同的排量。为了使本发明原型发动机具有相同的连杆偏转，本发明原型发动机需要3.000英寸(从中心到中心测得的)的连杆。
通过参照图1并假定偏心轴承7偏离曲柄销6轴线的偏移距离8为0英寸，可以解释用于确定连杆长度和偏心轴承偏移的步骤。在曲轴转动期间，当行星齿轮3围绕太阳齿轮2旋转时，偏心轴承7的中心将正好在曲柄销6产生的路径的顶部上绘出圆形路径。由于没有偏心轴承7的偏移，连杆9的下端10将绘出相同的圆形图案，并且活塞位置和运动将不会相对于普通值发生变化。沿气缸中心线的圆形路径的竖直距离将等于曲轴4的冲程。假定行星齿轮3位于太阳齿轮2顶部上，并且它们的中心与气缸中心线成一直线，另外假定偏心轴承7的中心线也在气缸中心线上，如果偏心轴承7的偏移8向上移动，远离曲轴4的轴线5有0.001英寸，则所形成的偏心轴承7中心的路径将不再为圆形。在TDC处，该路径将在曲柄销6圆形路径的上方0.001英寸，并且远离曲轴4的轴线5有0.001英寸。在BDC处，该路径将在圆形曲柄销路径内0.001英寸，并且靠近曲轴4的轴线5有0.001英寸。沿气缸中心线新产生的路径的竖直距离仍将等于曲轴4的冲程，并且活塞将仍行进1.125英寸，与原型发动机的情况一样。当偏心轴承7的偏移8进一步向上移动时，所形成的偏心轴承7中心的路径将随着该区域中图案的曲率半径的增加而继续沿图案的下半部增大半径。活塞行程将继续保持不变为1.125英寸。目标是继续向上移动偏移距离8，直到发现产生了图案底部的偏心轴承偏移距离，该底部与等于连杆9的中心线上长度19的半径所绘的弧相配并紧密接近该弧，如图5中所示。图6、图7和图8图解了当赋予曲轴4期望的1.125英寸冲程时的各种偏移距离8。由于连杆的偏转量选择成等于普通发动机测定值，因此，最佳连杆长度为3.000英寸。
图6示出了偏移8等于0时的路径21。所形成的路径是等于曲柄销6的路径13的圆形，如用于传统发动机的图2中所示。
图7示出了偏移8为0.1334英寸校正量时的路径22。所形成路径的下部18是由与曲线20的半径相配的半径绘出的弧形，曲线20的半径等于连杆9的中心线上长度19，如图5中所示。对于43度的曲轴转动，活塞将趋向于在BDC位置的0.001英寸范围内暂停。
图8示出了存在过量偏移8时的路径23。
偏移和连杆距离的最终测试是为了不仅在TDC和BDC处而且还在完整的曲轴旋转期间观察活塞冲程。如果偏移距离8太大，则路径的下部18的半径将大于连杆长度19所产生的半径。这将导致活塞在BDC之前和之后到达其最大下部行进处，如在曲轴处测得的。即使沿气缸中心线的竖直距离保持1.125英寸，活塞要行进的总距离也将大于所允许的1.125英寸。如果通过活塞行程来测得，则用于活塞的BDC将出现在最大活塞行程的两点处，并且活塞的冲程将超过1.125英寸。如由曲轴测得，由于活塞将到达其最下行进点、向上行进到曲轴BDC、向下退回到第二最下行进点，之后返回行进到缸膛顶部到TDC，因此这些点将出现在BDC之前和之后。如果考虑到活塞行进的总距离，则发动机将具有超出预期的排量。
图9示出了由具有过大偏移距离8的偏心轴承7产生的路径23，叠加在图5的绘图上，示出了连杆9的顶端12与底端10之间的中心线上长度19以及以中心线上长度19为半径所产生的弧20。图10示出了由恰当偏移距离8产生的路径，同样叠加在图5的绘图上。当偏移距离8恰当地与连杆长度19相配时，BDC不再如同普通发动机中那样是最大活塞行程的单一点，而是变成为点的范围，在此期间活塞实际上保持静止不动。活塞在BDC处或其附近的暂停增加，这是所期望的效果。
再一次，图案的方向在本发明原型发动机中被模型化。用于本发明原型发动机的该方法产生的数值在1.125英寸冲程的情况下产生0.1334英寸的偏移距离和3.000英寸的连杆长度，如在曲轴和活塞移动下测得的。为了产生连杆的最佳图案以满足原型发动机的要求，使用以下尺寸(英寸、立方英寸、厘米和立方厘米分别缩写为“in”、“ci”、“cm”和“cc”)缸膛1.3125in或3.334cm冲程1.125in或2.858cm排量1.52立方英寸或24.95cc齿轮尺寸(对于固定和移动齿轮)0.56285in或1.4288cm节径偏心轴承偏移0.1334in或0.3388cm连杆长度3.000in或7.620cm越过TDC 87度时排气口打开距离TDC 0.855in或2.172cm越过TDC 109度时传输口打开距离TDC 1.018in或2.586cm
越过TDC 50度时进气口关闭距离TDC 0.4107in或1.043cmTDC前20.5度时发生火花点火距离TDC 0.082in或0.208cm燃烧室容积0.1992立方英寸或3.264ccCR(全冲程下测得)8.6∶1CR(排气口关闭时测得)6.8∶1参照图4中所绘的路径17，可基于活塞位置选择点火点，而无需考虑实际的曲轴转动。普通发动机中用于火花定时器的活塞位置被设为出现在28度BTDC处，其中活塞位于远离TDC位置的0.082英寸处。在曲轴转动中那个点处的活塞位置等于20.5度BTDC处的本发明原型的活塞位置。
由于本发明设计与标准发动机相比，将活塞设置成更远离TDC处的曲轴中心线，因此力矩臂增大了相当于偏心轴承偏移的量，即，0.1334英寸。较长的力矩臂导致增加的活塞速度，这使得活塞更快地朝向缸膛底部下降。用于原型发动机模型化的扭矩曲线显示出增加的力矩臂不会在曲轴上产生更大的扭矩，同时朝向动力冲程的端部返回更少的扭矩。
当将装有外旋轮线式曲轴的发动机中活塞的运动与装有标准曲轴的发动机中活塞的运动相比时，对更小的曲轴转动角来说，装有外旋轮线式曲轴的发动机中的活塞在其上方具有气缸压力。应看出的是，装有外旋轮线式曲轴的发动机不能产生与标准类型发动机类似量的动力。然而，在动力阶段，装有外旋轮线式曲轴的发动机中曲轴转动每一度活塞移动的实际距离将大于普通发动机中的。将装有外旋轮线式曲轴的发动机中的活塞移动与装有标准曲轴的发动机中的活塞移动(这两种活塞具有相同的冲程和相同的曲轴转动速率(RPM))相比，装有外旋轮线式曲轴的发动机中的活塞在相同的时间量下将比装有标准曲轴的发动机中的活塞行进得更远。这是由于增加的力矩臂长度所导致的。同样地，当力矩臂较短时，在曲轴的部分转动期间，活塞不会行进得那么远。在动力阶段期间，快速的活塞移动使得活塞比传统发动机活塞更快地到达缸膛底部。在其行程的底部或接近于该底部，装有外旋轮线式曲轴的发动机的曲轴仍然以与传统发动机相同的转动速率转动，但是装有外旋轮线式曲轴的发动机中的活塞停止。在本发明原型发动机的情况下，从曲轴转动159度、越过BDC、直到曲轴转动201度，活塞都在其BDC位置的0.001英寸范围内。由于活塞行程在BDC的任一侧都是对称的，因此活塞处于BDC处或其附近的曲轴转动的总度数为43度。相反，对于总共9度的曲轴转动来说，标准发动机的活塞处于BDC的0.001英寸范围内。
一种作为替换提出的本发明原型发动机是基于农用拖拉机和草坪拖拉机所共有的四冲程循环Briggs&Stratton5马力水平轴发动机的。由于其结构的简单性和实用性，选择这种发动机来转换为装有外旋轮线式曲轴的发动机。然而，本发明的设计使其可适用于所有四冲程循环发动机，并且该原型发动机用作外旋轮线式曲轴概念的进一步验证。
如果要独立于活塞运动来控制发动机操作阶段的时间，则通常使用凸轮轴来操纵进气阀和排气阀。四冲程循环发动机中的凸轮轴适合于曲轴的转动，通常在曲轴速度的一半速度下被驱动。尽管是阀本身在控制气体流过进气或排气管道，但凸轮凸起被设计成迫使进气阀和排气阀打开，并且可将其制造成可产生任何期望的阀运动。在下面的实例中，标准发动机凸轮轴的凸起形状和阀活动的时间都不变，并且可应用于标准发动机设计和本发明原型发动机设计。因此，在任一种发动机中，阀活动的时间和周期都没有什么不同。实际上，由于阀关闭期间在标准发动机设计和本发明原型发动机中阀的位置是相同的，因此凸轮轴在进气和排气管道中产生的TA值都不变。标准发动机的凸轮轴可能不是用于本发明原型发动机的最佳凸轮设计。然而，普通凸轮轴在装有外旋轮线式曲轴的发动机中产生可观的动力。普通发动机的尺寸如下(英寸、立方英寸、厘米和立方厘米分别缩写为“in”、“ci”、“cm”和“cc”)缸膛2.562in或6.507cm冲程2.438in或6.193cm排量12.57ci或206ccTDC后130度时排气阀打开TDC前75度时进气阀打开TDC前28度时发生火花点火(距离TDC 0.1852in处的活塞位置)燃烧室容积2.285ci或37.4ccCR(全冲程下测得)6.5∶1实际CR(通过截留的进气容积测得)3.45∶1连杆长度3.875in或9.843cm如前面在本发明原型二冲程循环发动机的描述中所述，标准发动机制造商选择的CR(6.5∶1)是基于两个因素-气缸的实际排量和燃烧室的实际排量。未提及在压缩阶段中截留在气缸中的燃料混合物的实际容积。由进气阀关闭时活塞的位置来确定所述容积。基于以上列出的阀时间，由进气阀关闭(其为曲轴转动BTDC的75度)时活塞的位置来确定截留在气缸中的容积。当时的活塞位置为气缸中下面的1.0867英寸。为了在本发明原型发动机中保持相同的CR，除必须计算将气缸盖容积，以使实际CR与原始发动机CR的相同值相匹配以外，以相似的方式估计本发明原型发动机中截留的气缸容积。由于使用了普通凸轮轴以及其产生的阀运动，因此在进气阀关闭时本发明原型发动机中的活塞在气缸中下面的1.634英寸。因此，为了保持本发明原型发动机中的CR，必须增加本发明原型发动机中的气缸盖容积。由于获得了额外的缸膛量，使得实际截留容积增加了，这意味着在每个进气阶段本发明原型发动机截留了更多的燃料混合物，同时仍然保持相同的实际CR。因此，在原始发动机的预期RPM范围内的所有点处，本发明原型发动机将摄入更多的燃料混合物。如前面在本发明原型二冲程循环发动机的描述中所述，额外的燃料混合物将导致竖直地升高原始扭矩和马力曲线，同时仍然保持原始形状。
由于普通发动机中的CR是由总的活塞冲程和燃烧室容积确定的，因此如果以相同方式估计，本发明原型发动机实际上具有比普通发动机低的CR。虽然看起来好像本发明原型发动机在这样一种低CR下会不良地运行，但是必须记得的是，基于整个冲程排量而不是基于实际截留的容积来估计CR可令人误解。如果在本发明原型发动机中气缸盖未被改变，则CR在数学上可与普通发动机数值一致，因为它们都是基于总冲程计算的。然而，由于更大容积的混合物将被迫进入原始燃烧室容积中，因此实际CR会显著地攀升。由于初始气缸压力将更大，并且所获得的压力曲线将增加，因此该新CR肯定将增加本发明原型发动机的输出(如果不发生爆燃的话)，但是这将在比较中引入不合需要的优势。通过保持相同的初始气缸压力，可进行更合理的比较，突出了通过附加外旋轮线式曲轴所产生的优势。
应用与二冲程循环本发明原型发动机的研发中相同的逻辑，四冲程循环本发明原型发动机将具有以下尺寸(英寸、立方英寸、厘米和立方厘米分别缩写为“in”、“ci”、“cm”和“cc”)缸膛2.562in或6.507cm冲程2.438in或6.193cm排量12.57ci或206cc
偏心轴承偏移0.2781in或0.7064cmTDC后130度时排气阀打开TDC前75度时进气阀关闭TDC前20.2度时发生火花点火(缸膛中下面0.1852in或0.4704cm处的活塞位置)燃烧室容积3.43ci或56.21ccCR(全冲程下测得)4.66∶1连杆长度4.2096in或10.69cm实际CR(通过截留的进气容积测得)3.45∶1将这些尺寸应用于产生的图案，并结合考虑增加的进气容积，现在本发明原型发动机具有比原始普通发动机输出大35.8％的总扭矩输出。
在普通和本发明原型发动机的动力冲程期间，在排气阀打开点处的活塞位置进行了有趣的对比。在普通发动机中，活塞位于缸膛中下面2.117英寸，而本发明原型发动机的活塞位于缸膛中下面2.381英寸。这两种发动机实例的总冲程距离为2.438英寸。在普通发动机中，排气阀打开之前，在气缸压力作用于其上的情况下，活塞行程相当于总冲程的86.8％。而在本发明原型发动机中，排气阀打开之前，在压力作用于其顶部上的情况下，活塞行程相当于总冲程距离的97.6％。
通常图1中所示的本发明第一实施例要求使用两个齿轮。采用这种布置迫使曲轴采用单曲轴轮结构，该单曲轴轮结构用于某些小发动机。在具有悬吊载荷的该结构中，支撑轴承位于曲轴的同一侧上。然而，这种类型的曲轴不利于采用单个曲轴的多活塞布置。本发明原型发动机中的移动齿轮必须能够在曲柄销上自由转动，并能够与固定齿轮啮合。这妨碍了在曲柄销的两侧上具有双曲轴轮，从而允许曲轴任一端的驱退(drive off)或在相同曲轴上具有多个曲柄销。活塞以及经由连杆通过活塞作用的燃烧压力规定，曲柄销必须具有足够的直径和强度以耐受那些作用力。同时，移动齿轮必须保持足够强度，以传输作用在其上的转动力，但是由于其被钻孔以容纳曲柄销，因此减少了保持在曲柄销与齿轮齿根部之间的材料量，尤其是当采用滚动元件类型的轴承时。由于齿轮被钻孔以装配曲柄销时会损及齿轮齿强度，因此不能形成大直径的曲柄销。
然而，存在产生外旋轮线式路径的替换方法，所述方法允许连杆的下端以与原始原型二齿轮设计相同的方式移动。图13中示出了可替换第二实施例的横截面，而图14示出了该第二实施例的分解透视图。尽管机械齿轮系(train)不同，但是产生了相同的外旋轮线式图案，并且外旋轮线式图案后面的原理保持相同。该第二实施例使用三个齿轮。两个为传统正齿轮，而另一个为固定地安装于曲轴箱的内部有齿齿轮。为了使齿轮产生期望的图案，齿轮节径之间的比率必须保持3∶1∶3的比率。固定齿轮为内部有齿齿轮24，并被安装成使其几何轴线25与曲轴29的轴线相同-它们分享相同的中心线。内部有齿齿轮24必须具有为齿轮系中邻接齿轮(即，较小正齿轮26)三倍的节径。使用来源于本发明原型发动机的尺寸作为实例，内部有齿齿轮24具有1.6875英寸的直径。第二齿轮26为传统正齿轮，其具有的节径为内部齿轮24的三分之一，因此其必须具有0.5625英寸的节径。其节径等于曲轴冲程的二分之一，因此在该实例中，曲轴冲程将为1.125英寸，与本发明原型发动机相同。第二齿轮26安装成使其齿与内部有齿齿轮24相啮合。它将沿圆形路径在内部齿轮24中行进。其中心围绕内部有齿齿轮24的中心轴线进行的每次旋转都将使其在自身的轴线上旋转两次。
图11示出了两个齿轮内部有齿齿轮24和较小正齿轮26，以及当小齿轮26转动并在内部有齿齿轮24中旋转时它们的关系。为了清楚起见，没有示出齿轮齿。另外，示出了节径。此外，较小正齿轮26上的参照点示出了在转动的各个点处齿轮26的位置。在该视图中，较小正齿轮26起始于内部有齿齿轮24的底部处，并且其参照点开始于较小正齿轮26的顶部上。齿轮的中心将沿顺时针方向行进，这使得较小正齿轮26在内部有齿齿轮24内在其轴线上以逆时针方向的方式转动。参照点的该运动还示出了在内部有齿齿轮24内的一次旋转期间较小正齿轮26的两次转动。
第三较大正齿轮27必须具有3倍于较小正齿轮26尺寸的节径，因此其必须具有1.6875英寸的节径。较大正齿轮27是其齿位于外圆周上的传统齿轮设计。其几何中心将与曲柄销31的轴线相同。由于内部有齿齿轮24和较大正齿轮27具有相同的节径，物理尺寸要求这两个齿轮安装在两个平行的平面中，较小正齿轮26与它们两者都相啮合。由于这些绘图都画在一个平面上，因此图12中的内部有齿齿轮24以更深的颜色示出，以表示其位于较小正齿轮26和较大正齿轮27两者的平面的下方。为了确保齿轮系保持完整，前述0.5625英寸的较小齿轮26实际上是两个齿轮一个齿轮26a在下面的平面中与内部有齿齿轮24相啮合，第二齿轮26b在上面的平面中与较大正齿轮27相啮合。这两个较小正齿轮26a和26b通过公共轴26c相连接。通过一个曲轴轮28将公共轴安装在轴承中，而将公共轴26c固定在其位置中。这样一种布置将保持小齿轮总是与内部有齿齿轮24和较大正齿轮27两者都相啮合。当较大正齿轮27的中心围绕曲轴29沿顺时针方向转动时，与之啮合的较小正齿轮26将使较大正齿轮27沿与其行进的相同方向旋转，该方向被示为顺时针方向。应该注意的是，当其中心围绕曲轴的中心25行进一次时，较大正齿轮27在其轴线上转动两次。该运动与图1中所示的原型本发明发动机的第一实施例中移动的行星齿轮3的运动相同。较大正齿轮27以与第一实施例相似的方式连接于偏心轴承30。由于齿轮的直径远大于第一实施例中的，因此曲柄销31可为较大直径的，这可增加轴承的承重面积。该直径不会导致曲柄销31的尺寸处于临界值，也不会使齿轮27在齿轮齿根部下面具有边缘材料。齿轮27将仍以与第一实施例中相同的方式转动，并且与偏心轴承30相关的偏移距离8将与原始计算值相同。
在图12中，示出了需要产生外旋轮线式图案的所有部件。位于轴承中齿轮中心的曲轴轮28未示出，因此在它们相互作用时可看出产生外旋轮线式图案的部件的关系。
图15示出了具有圆柱形外壳39的二冲程循环发动机33，在活塞34处于BDC处时圆柱形外壳39具有固定进出口，图16示出了在活塞34处于TDC处时具有固定进出口的二冲程循环发动机33。这些图示出了标准发动机排气口35、进气口36和传输口37中的差异。如图中所示，标准发动机中排气口35的高度35a和传输口37的高度37a在本发明原型发动机中减小为高度35b和37b，以将适当的TA值保持在其各自区域中，并且标准发动机中进气口36的高度36a在本发明原型发动机中升高至高度36b。高度上的这些差异是由于活塞34在气缸中行进期间的不同速度以及增加的暂停周期引起的。由于上部中的活塞更快地移动到达气缸，所以减少了进气口36的有效时间，因此需要更多区域获得适当的TA图。另一方面，由于活塞34暂停在BDC处或其附近，因此排气口35和传输口37可降低。需要为进出口的TA值保持较低的进出口窗，但是该方面还在接下来的压缩和动力阶段期间提供了将被截留在气缸中的更大的燃料混合物容积。由于更多的燃料混合物被截留，因此气缸盖容积必须增加，以保持原始CR。气缸盖38必须从标准发动机的腔室轮廓线38a增大到原型发动机的轮廓线38b，以获得所需的增加容积，这也增加了所截留的混合物装料的总容积。
权利要求
1.在具有至少一个圆柱形外壳的机器中，所述圆柱形外壳具有中心轴线，所述机器具有至少一个往复活塞、曲轴以及连杆，所述活塞在所述圆柱形外壳中沿所述中心轴线在上止点位置与下止点位置之间行进，所述曲轴可转动地安装在所述机器中的曲轴箱中，以围绕曲轴轴线转动，至少一个曲柄销径向设置在所述曲轴上，并具有与所述曲轴轴线平行的曲柄销轴线，所述连杆的上端以上端轴颈枢转地连接于所述活塞，下端以下端轴颈枢转地连接于所述曲柄销，所述上端围绕与所述曲轴轴线平行的上端轴颈轴线枢转，所述下端围绕与所述曲轴轴线平行的下端轴颈轴线枢转；其中，改进机构包括偏心轴承，所述偏心轴承具有轴向偏心轴颈，该轴向偏心轴颈具有平行于所述下端轴颈轴线并偏离于所述曲柄销轴线的偏心轴颈轴线，所述偏心轴承置于所述下端与曲柄销之间，以在所述曲轴在所述曲轴箱中转动期间使所述下端产生非圆形路径。
2.根据权利要求1所述的改进机器，其中，所述连杆下端的所述非圆形路径为外旋轮线式的。
3.根据权利要求2所述的改进机器，其中，在所述曲轴在所述曲轴箱中旋转期间，所述外旋轮线式路径延长所述活塞暂停在所述圆柱形外壳中的下止点位置处所花费的时间。
4.根据权利要求3所述的改进机器，其中，所述上端轴颈轴线与所述下端轴颈轴线之间的距离，是所述曲轴在所述曲轴箱中旋转期间所述活塞暂停在所述圆柱形外壳中的下止点位置处所花费的时间期间与所述外旋轮线式路径的下部相配的弧的半径。
5.根据权利要求3所述的改进机器，还包括至少一个行星齿轮组，其包括至少一个固定地连接于所述曲轴箱的固定太阳齿轮，所述太阳齿轮具有与所述曲轴轴线成一直线的太阳齿轮轴线；旋转行星齿轮，具有平行于所述太阳齿轮轴线的行星齿轮轴线，并与所述太阳齿轮相啮合，其节径等于所述太阳齿轮的节径；安装于所述行星齿轮的偏心轴承，具有平行于所述行星齿轮轴线并偏离于所述行星齿轮轴线的偏心轴颈轴线；所述偏心轴承可转动地安装在所述下端轴颈中，并且所述曲柄销可转动地安装在所述偏心轴颈中。
6.根据权利要求3所述的改进机器，还包括至少一个内部有齿齿轮，固定地安装于所述曲轴箱，其中所述内部有齿齿轮具有与所述曲轴轴线成一直线的轴线；至少一个第一正齿轮，具有与所述内部有齿齿轮的轴线平行的第一正齿轮轴线，并与所述内部有齿齿轮相啮合；至少一个第二正齿轮，具有与所述第一正齿轮的轴线平行的第二正齿轮轴线，并与所述第一正齿轮相啮合；安装于所述第二正齿轮的偏心轴承，具有平行于所述第二正齿轮轴线并偏离于所述第二正齿轮轴线的偏心轴颈轴线，所述偏心轴承可转动地安装在所述下端轴颈中，并且所述曲柄销可转动地安装在偏心轴颈中。
7.根据权利要求3所述的改进机器，其中，所述机器根据二冲程循环而操作。
8.根据权利要求5所述的改进机器，其中，所述机器根据二冲程循环而操作。
9.根据权利要求6所述的改进机器，其中，所述机器根据二冲程循环而操作。
10.根据权利要求3所述的改进机器，其中，所述机器根据四冲程循环而操作。
11.根据权利要求5所述的改进机器，其中，所述机器根据四冲程循环而操作。
12.根据权利要求6所述的改进机器，其中，所述机器根据四冲程循环而操作。
13.根据权利要求4所述的改进机器，还包括至少一个行星齿轮组，其包括至少一个固定地连接于所述曲轴箱的固定太阳齿轮，所述太阳齿轮具有与所述曲轴轴线成一直线的太阳齿轮轴线；旋转行星齿轮，具有平行于所述太阳齿轮轴线的行星齿轮轴线，并与所述太阳齿轮相啮合，其节径等于所述太阳齿轮的节径；安装于所述行星齿轮的偏心轴承，具有平行于所述行星齿轮轴线并偏离于所述行星齿轮轴线的偏心轴颈轴线；所述偏心轴承可转动地安装在所述下端轴颈中，并且所述曲柄销可转动地安装在所述偏心轴颈中。
14.根据权利要求4所述的改进机器，还包括至少一个内部有齿齿轮，固定地安装于所述曲轴箱，其中所述内部有齿齿轮具有与所述曲轴轴线成一直线的轴线；至少一个第一正齿轮，具有与所述内部有齿齿轮的轴线平行的第一正齿轮轴线，并与所述内部有齿齿轮相啮合；至少一个第二正齿轮，具有与所述第一正齿轮的轴线平行的第二正齿轮轴线，并与所述第一正齿轮相啮合；安装于所述第二正齿轮的偏心轴承，具有平行于所述第二正齿轮轴线并偏离于所述第二正齿轮轴线的偏心轴颈轴线，所述偏心轴承可转动地安装在所述下端轴颈中，并且所述曲柄销可转动地安装在偏心轴颈中。
15.根据权利要求4所述的改进机器，其中，所述机器根据二冲程循环而操作。
16.根据权利要求13所述的改进机器，其中，所述机器根据二冲程循环而操作。
17.根据权利要求14所述的改进机器，其中，所述机器根据二冲程循环而操作。
18.根据权利要求4所述的改进机器，其中，所述机器根据四冲程循环而操作。
19.根据权利要求13所述的改进机器，其中，所述机器根据四冲程循环而操作。
20.根据权利要求14所述的改进机器，其中，所述机器根据四冲程循环而操作。
21.一种增强机器性能的方法，所述机器具有至少一个圆柱形外壳，所述圆柱形外壳具有中心轴线，所述机器具有至少一个往复活塞、曲轴以及连杆，所述活塞在所述圆柱形外壳中沿中心轴线在上止点位置与下止点位置之间行进，所述曲轴可转动地安装在所述机器中的曲轴箱中，以围绕曲轴轴线转动，至少一个曲柄销径向设置在所述曲轴上，并具有与所述曲轴轴线平行曲柄销轴线，所述连杆的上端以上端轴颈枢转地连接于所述活塞，下端以下端轴颈枢转地连接于所述曲柄销，所述上端围绕与所述曲轴轴线平行的上端轴颈轴线枢转，所述下端围绕与所述曲轴轴线平行的下端轴颈轴线枢转；所述方法包括以下步骤提供偏心轴承，其具有轴向偏心轴颈，和平行于所述下端轴颈轴线的偏心轴颈轴线；将所述偏心轴承设置于所述下端轴颈中；将所述曲柄销设置于所述偏心轴颈中，其中，所述偏心轴承轴颈轴线平行并偏离于所述曲柄销轴线；以及在所述曲轴在所述曲轴箱中转动期间，使所述下端遵循非圆形路径。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括使所述连杆的下端遵循非圆形路径，其中，所述非圆形路径为外旋轮线式的。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，在所述曲轴在所述曲轴箱中的旋转期间，所述外旋轮线式路径延长所述活塞暂停在圆柱形外壳中的下止点位置处所花费的时间。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述上端轴颈轴线与所述下端轴颈轴线之间的距离，是所述曲轴在所述曲轴箱中旋转期间活塞暂停在所述圆柱形外壳中的下止点位置处所花费的时间期间与所述外旋轮线式路径的下部相配的弧的半径。
25.根据权利要求23所述的方法，还包括以下步骤提供至少一个行星齿轮组，其包括至少一个固定地连接于所述曲轴箱的固定太阳齿轮，所述太阳齿轮具有与所述曲轴轴线成一直线的太阳齿轮轴线；提供旋转行星齿轮，具有平行于所述太阳齿轮轴线的行星齿轮轴线，并与所述太阳齿轮相啮合，其节径等于所述太阳齿轮的节径；将偏心轴承安装于所述行星齿轮，所述偏心轴承具有平行于所述行星齿轮轴线并偏离于所述行星齿轮轴线的偏心轴颈轴线；以及将所述偏心轴承可转动地安装在所述下端轴颈中，并将所述曲柄销可转动地安装在所述偏心轴颈中。
26.根据权利要求23所述的方法，还包括以下步骤提供至少一个内部有齿齿轮，固定地安装于曲轴箱，其中所述内部有齿齿轮具有与所述曲轴轴线成一直线的轴线；提供至少一个第一正齿轮，具有与所述内部有齿齿轮的轴线平行的第一正齿轮轴线，并与所述内部有齿齿轮相啮合；提供至少一个第二正齿轮，具有与所述第一正齿轮的轴线平行的第二正齿轮轴线，并与所述第一正齿轮相啮合；将所述偏心轴承安装于第二正齿轮，其中，所述偏心轴颈轴线平行于所述第二正齿轮轴线并偏离于所述第二正齿轮轴线；将所述偏心轴承可转动地安装在所述下端轴颈中；以及将所述曲柄销可转动地安装在所述偏心轴颈中。
27.根据权利要求24所述的方法，还包括以下步骤提供至少一个行星齿轮组，其包括至少一个固定地连接于所述曲轴箱的固定太阳齿轮，所述太阳齿轮具有与所述曲轴轴线成一直线的太阳齿轮轴线；提供旋转行星齿轮，具有平行于所述太阳齿轮轴线的行星齿轮轴线，并与所述太阳齿轮相啮合，其节径等于所述太阳齿轮的节径；将偏心轴承安装于所述行星齿轮，具有平行于所述行星齿轮轴线并偏离于所述行星齿轮轴线的偏心轴颈轴线；以及将偏心轴承可转动地安装在所述下端轴颈中，并且将所述曲柄销可转动地安装在所述偏心轴颈中。
28.根据权利要求24所述的方法，还包括以下步骤提供至少一个内部有齿齿轮，固定地安装于曲轴箱，其中所述内部有齿齿轮具有与所述曲轴轴线成一直线的轴线；提供至少一个第一正齿轮，具有与所述内部有齿齿轮的轴线平行的第一正齿轮轴线，并与所述内部有齿齿轮相啮合；提供至少一个第二正齿轮，具有与所述第一正齿轮的轴线平行的第二正齿轮轴线，并与所述第一正齿轮相啮合；将所述偏心轴承安装于第二正齿轮，其中所述偏心轴颈轴线平行于所述第二正齿轮轴线并偏离于所述第二正齿轮轴线；将所述偏心轴承可转动地安装在所述下端轴颈中；以及将所述曲柄销可转动地安装在所述偏心轴颈中。
29.根据权利要求23所述的方法，其中，所述机器根据二冲程循环而操作。
30.根据权利要求25所述的方法，其中，所述机器根据二冲程循环而操作。
31.根据权利要求26所述的方法，其中，所述机器根据二冲程循环而操作。
32.根据权利要求23所述的方法，其中，所述机器根据四冲程循环而操作。
33.根据权利要求25所述的方法，其中，所述机器根据四冲程循环而操作。
34.根据权利要求26所述的方法，其中，所述机器根据四冲程循环而操作。
35.根据权利要求24所述的方法，其中，所述机器根据二冲程循环而操作。
36.根据权利要求27所述的方法，其中，所述机器根据二冲程循环而操作。
37.根据权利要求28所述的方法，其中，所述机器根据二冲程循环而操作。
38.根据权利要求24所述的方法，其中，所述机器根据四冲程循环而操作。
39.根据权利要求27所述的方法，其中，所述机器根据四冲程循环而操作。
40.根据权利要求28所述的方法，其中，所述机器根据四冲程循环而操作。
41.根据权利要求23所述的方法，其中，所述机器在所述圆柱形外壳中具有至少一个固定的排气口，所述方法还包括调整所述排气口的大小并沿所述圆柱形外壳的轴线重新定位所述排气口的步骤。
42.根据权利要求23所述的方法，其中，所述机器在所述圆柱形外壳中具有至少一个固定的进气口，所述方法还包括调整所述进气口的大小并沿所述圆柱形外壳的轴线重新定位所述进气口的步骤。
43.根据权利要求24所述的方法，其中，所述机器在所述圆柱形外壳中具有至少一个固定的排气口，所述方法还包括调整所述排气口的大小并沿所述圆柱形外壳的轴线重新定位所述排气口的步骤。
44.根据权利要求24所述的方法，其中，所述机器在所述圆柱形外壳中具有至少一个固定的进气口，所述方法还包括调整所述进气口的大小并沿所述圆柱形外壳的轴线重新定位所述进气口的步骤。
45.根据权利要求41所述的方法，其中，所述机器根据二冲程循环而操作。
46.根据权利要求41所述的方法，其中，所述机器根据四冲程循环而操作。
47.根据权利要求42所述的方法，其中，所述机器根据二冲程循环而操作。
48.根据权利要求42所述的方法，其中，所述机器根据四冲程循环而操作。
49.根据权利要求43所述的方法，其中，所述机器根据二冲程循环而操作。
50.根据权利要求43所述的方法，其中，所述机器根据四冲程循环而操作。
51.根据权利要求44所述的方法，其中，所述机器根据二冲程循环而操作。
52.根据权利要求44所述的方法，其中，所述机器根据四冲程循环而操作。
全文摘要
本发明涉及一种用于通过产生活塞连杆下端行进的外旋轮线式路径而增强二冲程和四冲程往复式活塞内燃机、往复式活塞泵、以及压缩机的性能的机构和方法。通过更好地利用可得到的汽缸压力，连接于连杆上端的活塞暂将停在其行程的下部，增强了内燃机、泵、或压缩机的输出。
文档编号F16H55/18GK101076682SQ200580022034
公开日2007年11月21日 申请日期2005年6月27日 优先权日2004年6月29日
发明者托马斯·马克·韦内托茨 申请人:托马斯·马克·韦内托茨