專利名稱：變偏置內燃機的制作方法
內燃機工業一直試圖在二沖程和四沖程內燃機中實現更大的功率、轉矩和效率。在普通內燃機中，活塞通常放置在一條與曲柄軸中心相交的直線(活塞軸線)上，因而將活塞行程和曲柄軸直徑之比限制為1∶1(等距)。在這種內燃機中，理論動力沖程不能超過轉動的180°。在普通內燃機中可以使軸線有很小的偏置從而稍許超過180°，但是這樣做的代價是嚴重地增加了作用在活塞上的側向力，其結果是在缸壁上形成橢圓形磨損。
內燃機的吸氣也一直存在問題。在二沖程內燃機中，由于進氣孔和排氣孔都位于缸的下端，因而其封閉的上部在兩沖程操作中難于掃氣。另外，這種內燃機往往使未燃燒的燃料泄出排氣孔，增大了污染，且減小了效率。在四沖程內燃機中，掃氣較為有效，這是由于四沖程操作中有兩個用于換氣。然而，吸氣卻受到進、排氣閥尺寸和數目的限制，進、排氣閥爭占了氣缸頂端的空間。因此，有些內燃機為了增加吸氣每個氣缸多于兩個閥，這樣卻增加了成本和使結構變得復雜。采用外部裝置，例如使用壓縮空氣、增加向缸輸送的氣流的超級和透平充氣器(super and turbo charger)，也可以克服吸氣問題，然而這也增加了內燃機的成本、重量和復雜度。
在普通內燃機中，由于漏氣造成的對潤滑油的污染也是一個問題。由于氣缸通向曲柄軸箱，無法完全使曲柄軸箱隔絕于燃燒過程。為了減少四沖程內燃機的污染，常常采用曲柄軸箱正向閥以便將漏氣導回到進氣歧管中，從而再次通過燃燒過程。但是，潤滑劑會很快被污染，特別是在高壓的內燃機中，必須進行定期更換，這樣就增加了花費，也加劇了環境污染。
本發明的目的是提供一種內燃機，它能夠以有效的方式燃燒可燃混合氣來產生高轉矩和高馬力。
本發明的某些優點是(1)使曲柄軸箱隔絕于活塞、氣缸和燃燒過程，從而防止弄臟潤滑劑并減少污染；(2)消除了通常作用在活塞上的側向力，將側向力傳至缸外的與位于曲柄軸箱內的空心套接合的活塞桿上；(3)在缸的頂端采用大的排氣閥，從而產生更有效的掃氣作用；(4)通過活塞朝向封閉缸底的向下運動產生被充注的進氣；(5)及時釋放充注在活塞上高區域中的進氣，從而將廢氣從缸頂端的敞開的排氣閥驅出，這樣就改善了掃氣作用。
本發明的其它優點是(6)活塞向著封閉的缸底部運動，將進氣壓在活塞的背面，這有助于減小活塞、活塞桿和連桿組件在返回點(下死點)的動量，從而有助于抵銷該組件的質量，因而使內燃機以較高的轉速運轉；(7)因為進氣是在較小的封閉缸底被壓縮，而不是象普通二沖程內燃機中那樣，在較大的曲柄軸箱中被壓縮，所以充氣壓力可更大且更易于控制；(8)假定對于任意一轉來說曲柄軸速度恒定，動力沖程慢于返回沖程，因而形成隨著曲柄軸偏置量而變化的轉矩的相對增加；(9)通過改變曲柄軸的偏置量可以改變由沖程長度決定的內燃機排量；(10)動力沖程所形成的曲柄軸弧變化相當大地超過了180°，因而取決于曲柄軸偏置量相應地增大了轉矩；(11)直接相應于曲柄軸偏置量延長了持續轉矩，所述轉矩的延長了的時間是由于連桿和曲柄軸行程以最佳的結構(其范圍接近90°)維持了較長時間的緣故；(12)由于排氣閥和活塞總是同向運動，因而內燃機的較高的壓縮極限不是象普通四沖程內燃機中那樣受到活塞和閥重迭的限制；(13)活塞和排氣閥的同向大大地減少了閥浮動的可能性，這是因為在壓縮沖程(活塞和閥都向上運動)期間，空氣的運動有助于閥的閉合；(14)活塞和排氣閥的同步運動可使內燃機完全不用凸輪軸而工作，而是采用推桿結構，使用在曲柄軸本身上的一凸輪狀的凸起部來驅動推桿/閥門組件；(15)由于閥門式兩沖程結構，以及燃料噴射的定時和部位，使燃料空氣混合物與廢氣完全分離，并獲得超級的掃氣—這是某些四沖程內燃機的特點而二沖程結構中不能獲得的特點；(16)本發明結構的效率、簡單和整體性保證于生產的簡便和耐久性。
圖1是處于上死點時發動機的橫剖圖；圖2是排氣開始時發動機的橫剖圖3是處于下死點時發動機的橫剖圖；圖4是排氣結束，壓縮開始時發動機的橫剖圖。
現對照圖1至4描述帶有完全偏心曲柄軸的發動機(曲柄軸圓周不與垂向活塞軸線相交)，使閱讀者更清楚地理解本發明。
圖1表示動力循環(循環1)開始時的發動機。當點火發生時，排氣閥1閉合，活塞2在最大壓縮下處于其最高點。活塞2裝在活塞桿4上，活塞桿4在空心套(open faced bushing)7中滑動并將力傳至連桿11，連桿11又連接于單偏心曲柄軸8。一曲柄銷6將活塞桿連接于連桿，一軸頸套或軸頸軸承9將連桿連接于曲柄軸行程(throw)。點6，8，9構成一直線，這表明活塞位于上死點，即轉動0度。進氣閥13閉合，活塞因其上方的燃燒而被迫向下以壓縮活塞和封閉的缸底5之間的進氣。
圖2表示在排氣循環(循環2)開始時的發動機，此時排氣閥1剛剛打開，使加壓廢氣可通過排氣孔16排走。當活塞2稍向下進一步移動，從而打開孔15時，受壓的進氣沖入缸3，產生充氣效果并驅走廢氣。排氣閥1的打開定時稍在活塞打開進氣孔15之前，這保證有效的排氣并標志著排氣循環的開始。
圖3表示發動機處于下死點，活塞2只是從圖2所示位置稍許向下。這標志著進氣循環(循環3)的開始。以前在活塞2后面的進氣已由活塞的向下運動而排開，并已在活塞上方通過側氣路被推入缸3的燃燒區。此時，點6，8，9再次形成一直線，指示活塞處于下死點，下死點大大地超過了在曲柄軸上的180度標記。從上死點至下死點的這種運動完成了兩個沖程中的第一個沖程。從下死點至上死點的返回完成了第二個沖程。
圖4表示發動機處于壓縮循環(循環4)的開始。這是排氣閥1剛剛閉合而完成排氣循環且燃料噴射器已在活塞2上方噴射汽油或類似燃料而為壓縮循環的開始作好準備的一點。排氣閥閉合的定時結合在孔15完成噴射燃料的定時使燃料空氣混合物可完全處于氣缸3內而不會通過排氣閥1進入排氣孔16。活塞向上運動而在其后形成的真空使進氣閥13，針閥或其它裝置打開，從而使新的進氣可通過孔12進入，以便被吸入活塞2之后的空間。當活塞上移且達到圖1所示的上死點時，第二沖程(包括壓縮循環)完成。
如果使用汽化器替代燃油噴射孔14，那么燃料(如汽油)空氣混合物的進入將在圖3所示的下死點開始，汽化器此時正與進氣孔12連通。這種應用場合可導致溢漏，在排氣循環中燃料空氣混合物通過排氣閥1溢入排氣孔16。但是，如使用噴射孔14，在空氣已經部分向上移入缸3以便排走廢氣之后再將燃料噴入進氣就可以實現燃油空氣混合物與廢氣的完全分離。當使用柴油或類似燃料時，象普通的柴油發動機結構一樣，借助位于缸上端附近的燃料噴射器。當活塞處于或接近上死點時將燃料直接噴入氣缸中。
權利要求
1.一種內燃機，它包括a.一個具有第一和第二端的缸；b.一個曲柄軸箱；c.一個可滑動地裝在所述曲柄箱內的活塞，所述活塞包括一整體式活塞桿，所述活塞桿具有一縱軸線，所述縱軸線平行于所述活塞相對于所述缸的運動方向；d.一可轉動地由所述曲柄軸箱支承的曲柄軸，所述曲柄軸具有帶一轉動軸線的行程，曲柄軸圓周與所述轉動軸線偏心，所述轉動軸線與所述活塞桿的所述縱軸線偏置、所述偏置處于至少所述縱軸線與所述曲柄軸的圓周相交的一個位置和至少所述縱軸線不與所述曲柄軸相交的一個位置之間的范圍內；以及e.一條將所述活塞桿連接于所述曲柄軸的連桿。
2.如權利要求1所述的內燃機，其特征在于；所述曲柄軸箱包括一個空心套(open faced bushing)，所述活塞桿包括一個表面，該表面可滑動地接合所述空心套，從而垂直地作用在所述活塞上的曲柄軸箱側面力至少基本地被傳遞至所述空心套。
3.如權利要求1所述的內燃機，其特征在于還包括用于封閉所述缸第一端的第一裝置和用于封閉所述缸第二端的第二裝置，所述第一裝置包括一排氣閥，所述第二裝置包括一個所述活塞桿穿過的套，所述缸還包括一個鄰近于所述缸第二端的進氣閥，以及一個鄰近于所述缸第二端的燃料噴射器。
4.如權利要求3所述的內燃機，其特征在于所述活塞具有第一和第二表面，所述第一表面而對所述排氣閥，所述第二表面而對所述缸的第二端，所述進氣閥當所述活塞位于其下死點位置時位于所述第二表面和所述缸的第二端之間。
5.如權利要求4所述的內燃機，其特征在于所述缸包括至少一條具有第一和第二孔的氣路，所述第二孔當所述活塞處于其下死點位置時通向所述缸的在所述第二表面和所述缸的第二端之間的部分，所述第一孔當所述活塞處于其下死點位置時通向所述缸的鄰近于所述活塞的第一表面的部分，因而氣流，燃料空氣混合物流和廢氣的方向是從所述活塞的第二端至所述第一端。
6.如權利要求5所述的內燃機，其特征在于所述活塞和所述排氣閥的運動方向總是相同的，因而消除了活塞和排氣閥重迭的可能性。
7.如權利要求5所述的內燃機，其特征在于所述燃料噴射器位于所述第一孔中，燃料的噴射與所述活塞的壓縮沖程的開始重合。
8.如權利要求6所述的內燃機，其特征在于活塞和排氣閥的所述同步運動，使內燃機可不用凸輪軸工作，而利用設在曲柄軸的主軸承軸線上的凸輪式凸起部來驅動推桿/閥門組件。
9.如權利要求1所述的內燃機，其特征在于所述活塞的沖程長度大于所述曲柄軸的直徑，所述沖程長度與所述曲柄軸的所述偏置量成正比地變化，因而所述內燃機的排量隨著所述偏置的增加而增加。
10.如權利要求9所述的內燃機，其特征在于膨脹和壓縮的比總是大于1，因而膨脹沖程“充注”(charge)所述缸。
11.如權利要求9所述的內燃機，其特征在于與所述活塞的動力中程的全長重合的所述曲柄軸的轉動量)超過180°，所述曲柄軸的超過180°的轉動量與所述曲柄軸的偏置量成正比地變化。
12.如權利要求11所述的內燃機，其特征在于所述曲柄軸的所述偏置的增加，產生較長時間的持續轉矩，使連桿在較長時間內保持在最佳角度上，這是由于所述曲柄軸的行程結構，使連桿與曲柄軸相互間在較長時間內保持于最佳角度，大約在90°范圍內。
全文摘要
本發明涉及一種可使用多種燃料、高效率、高功率和高轉矩的兩沖程內燃機，它包括位于缸內的往復式活塞，帶有分別設于缸的下端和上端的進、排氣閥，所述活塞連接在偏心曲柄軸上，側向力不是傳至活塞而是傳入曲柄軸箱內，活塞推力通過偏心曲柄軸轉換成超過180°的轉動。這種設計高效、簡單、整體性好，具有生產成本低、耐用、易于生產和減少污染的優點。
文檔編號F02B75/32GK1127325SQ9510140
公開日1996年7月24日 申請日期1995年1月17日 優先權日1995年1月17日
發明者蓋里斯·L·迪里斯爾 申請人:蓋里斯·L·迪里斯爾