用于液流機械的可變幾何形狀功率轉化的制作方法
【專利說明】用于液流機械的可變幾何形狀功率轉化
[0001]本申請要求2013年5月20日提交的、題為 “Efficient Variable Geometry PowerTransfer For Combust1n Engines” 的美國臨時申請N0.61/825，362;以及2013年 10月29日提交的、題為 “Efficient Variable Geometry Power Transfer For Combust1nEngines”的美國臨時申請N0.61/897,011的優先權，上述兩份申請的全文通過引用并入本文中。
【背景技術】
[0002]燃油引擎是一種燃料和空氣的燃燒在燃燒室內進行的引擎。燃料過程燃燒掉燃料和空氣混合物以產生高溫氣體。高溫氣體產生高壓，高壓又用于對活塞施加力以做功。由于燃燒過程產生氣體，理想氣體定律可以用于確定溫度、壓強和氣體的體積之間的關系。
[0003]理想氣體定律為PV = nRT，其中:
[0004]P =壓強
[0005]V =氣體的體積
[0006]T =溫度
[0007]η =氣體的摩爾數
[0008]R =理想氣體常數
[0009]給定恒定量的氣體，氣體的壓強與其溫度正相關，并且與其體積負相關。
[0010]現今使用的大多數燃油引擎利用曲柄滑塊機構(CSM)來將動力從活塞的線性運動轉換成圓周運動。CSM包括通過連接桿連接到曲柄軸(曲柄)的活塞，如圖1所示。在圖1中，Fw是垂直于曲柄的力，并且在曲柄上產生力矩IFp是由燃料過程導致的作用在活塞上的力。T、Fw和Fp之間的關系如下所示:
[0011]T=FW* (沖程/2)
[0012]Fw通過下式與Fp相關:
[0013]Fw=Fp*sin( ΙδΟ-β-a)
[0014]圖2是示出了隨著曲柄從曲柄滑塊的上死點(TDC)處的0度旋轉到下止點(BDC)處的180度，作為力Fp的百分比的力FW的圖表，該曲柄滑塊具有4英寸的沖程，并且其連接桿6的長度為6英寸。從該圖表中可以看出，FW在TDC處等于0，并且不斷增加，直到FW在曲柄運動的65度時等于Fp，并且隨后降低，直到在180時FW再次為0。
[0015]根據理想氣體定律，活塞上的力(Fp)隨著氣體的體積的倒數變化。圖3(現有技術)是示出了氣體壓強和典型燃油引擎的曲柄角之間的關系的圖表。在該表中，在TDC之前為負的度數，在TDC之后為正的度數，并且在TDC處時為0度。壓強在TDC之前上升，因此燃料混合物被壓縮到較小的體積。此外，對于真實的系統而言，燃料混合物在有限的時間內燃燒，這需要燃料混合物在TDC之前被點火。在圖表，這可以被視為曲線斜率在燃料混合物在TDC之前-20度被點火時的變化。圖3(現有技術)示出了壓強峰值出現在TDC之后的5度處，但可以通過在燃燒過程中更早或更晚地點火燃料而移動該峰值。在峰值之后，隨著曲柄的旋轉，壓強下降的斜率受到燃燒室中的額外體積的量的影響。
[0016]圖4(現有技術)是示出了壓強-曲柄角度的兩條曲線的圖表。第一條曲線(實線)具有TDC之后5度處的壓強峰值，而第二條曲線(虛線)具有TDC之后20度處的壓強峰值。該圖表示出了出現功率峰值的曲柄角度可以被改變，但這種改變是有代價的，隨著氣體體積的增加，燃料混合物被點火的時間越晚，導致較低的整體峰值。
[0017]圖5(現有技術)是比較燃燒過程的可用壓強與轉換為做功的壓強的圖表。“可用壓強”曲線源于理想氣體定律，其中，溫度恒定，并且100是在TDC處可用的力。隨著曲柄旋轉并且燃燒室的體積膨脹，可用壓強下降。“CSM”曲線源于將轉化成功的力的CSM百分比乘以可用的力。圖5示出了在TDC附近具有最大壓強，但是幾乎沒有壓強轉化成功，這被示為在較小曲柄角度時兩條曲線之間的大間隙。這種比較示出了在壓強峰值處，0%的力被用于做功，并且在100%壓強被轉化成功時，壓強為其峰值的大約25%。因此，傳統的曲柄滑塊機構僅將大約二分之一的可用壓強轉化為功。
[0018]已經在下述文獻中提出了不具有傳統曲柄滑塊機構的引擎: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。
【發明內容】
[0019]—種液流機械包括外殼，該外殼包括氣缸和曲柄軸支撐件。活塞可滑動地布置在氣缸中以沿著氣缸的軸往復。曲柄軸包括旋轉支撐在曲柄軸支撐件中的主軸承軸頸、與主軸承軸頸的軸徑向偏移的曲柄銷以及連接主軸承軸頸和曲柄銷的曲柄臂。多聯桿連接桿機構連接在活塞和曲柄銷之間，并且包括彼此樞轉連接的連接桿、第一鉸接聯接件和曲柄銷聯接件。力傳遞機構將多聯桿連接桿機構連接到外殼，從而將垂直活塞力轉換成水平曲柄銷力。
[0020]在權利要求中書更具體地指出了表征本發明的各種新穎的特征，權利要求書隨附在本公開中，并且形成本公開的一部分。為了更好地理解本發明、其運行優勢和通過其使用而獲得的具體目的，應該參考附圖和說明書，其中示出和描述了本發明的優選實施方式。
【附圖說明】
[0021]從本發明的下述詳細說明并結合附圖，本發明的進一步目的和優勢將變得更加顯而易見，并且更易于理解，附圖中:
[0022]圖1(現有技術)示出了常規活塞燃油引擎的受力圖；
[0023]圖2(現有技術)是示出了活塞力與做功的百分比隨曲柄角度的圖表；
[0024]圖3(現有技術)是示出了氣體壓強和典型燃油引擎的曲柄角之間的關系的圖表；
[0025]圖4(現有技術)是示出了壓強-曲柄角度的兩條曲線的圖表；
[0026]圖5(現有技術)是比較燃燒過程的可用壓強與轉換為做功的壓強的圖表；
[0027]圖6示出了本發明的機械的實施方式的受力圖；
[0028]圖7示出了非圓形齒輪力傳遞機構的受力圖；
[0029]圖8是本發明的實施方式的示意性橫截面；
[0030]圖9是圖8的實施方式的多聯桿連接桿機構的示意性詳細示圖；
[0031]圖10A-10F示出了在引擎旋轉一圈時圖8的引擎的六個位置的順序順序；
[0032]圖11是本發明的實施方式的示意性橫截面；
[0033]圖12是圖11的實施方式的多聯桿連接桿機構的示意性詳細示圖；
[0034]圖13是圖11的實施方式的力傳遞機構的示意性詳細示圖；
[0035]圖14A-14F示出了在引擎旋轉一圈時圖11的引擎的六個位置的順序順序；
[0036]圖15是本發明的實施方式的示意性橫截面；
[0037]圖16是圖15的實施方式的可移動底座的立體圖；
[0038]圖17是圖15的實施方式的示意性橫截面圖；
[0039]圖18是圖15的實施方式的示意性詳細橫截面圖；
[0040]圖19是圖15的實施方式的凸輪隨動件的立體圖；
[0041]圖20是圖15的實施方式的鎖定銷的立體圖；
[0042]圖21是處于不同位置的圖15的實施方式的示意性詳細橫截面圖；
[0043]圖22A-22F示出了在引擎旋轉一圈時圖15的引擎的六個位置的順序順序；
[0044]圖23是本發明的實施方式的示意性橫截面；
[0045]圖24是圖23的實施方式的多聯桿連接桿機構的立體圖；
[0046]圖25A-25F示出了在引擎旋轉一圈時圖23的引擎的六個位置的順序；
[0047]圖26是本發明的實施方式的示意性橫截面；
[0048]圖27是圖26的實施方式的示意性詳細橫截面圖；
[0049]圖28是圖26的實施方式的可移動底座的立體圖；
[0050]圖29是圖28的可移動底座的側部和邊緣示圖；
[0051 ]圖30是圖26的實施方式的移動樞轉點殼體的第二側的立體圖；
[0052]圖31是圖30的移動樞轉點殼體的第一側的立體圖；
[0053]圖32是圖26的實施方式的鎖定銷的立體圖；
[0054]圖33是圖26的實施方式的第二凸輪隨動件的立體圖；
[0055]圖34是圖26的實施方式的示意性詳細橫截面圖；
[0056]圖35A-35F示出了在引擎旋轉一圈時圖26的引擎的六個位置的順序；
[0057]圖36是本發明的實施方式的示意性橫截面；
[0058]圖37從相反側觀察的圖36的實施方式的示意性橫截面立體圖；
[0059]圖38是本發明的實施方式的示意性立體橫截面；
[0060]圖39是圖38的實施方式的示意性橫截面圖；
[0061 ]圖40是沿圖39中的線DD的橫截面圖；及
[0062]圖41是示出了活塞力和轉化成功的力之間的比較的圖表。
【具體實施方式】
[0063]在下述說明書中，類似的附圖標記在若干附圖中表示相似或相應的部分。同樣在下述說明書中，應該理解諸如“向前”、“向后”、“左”、“右”、“向上地”、“向下地”的術語以及類似術語是出于方便的目的而使用的詞，并不應該被解釋為限制性術語。
[0064]—個目的是通過改變控制活塞力以做功的方式來增加燃油引擎的燃油經濟性。這可以通過在動力沖程期間完成下述各項而實現:
[0065]-通過有效地轉化靠近TDC(其中，壓強處于其最大值，參見圖5)的活塞力，而使用大部分可用活塞力來做功。
[0066]-通過點火燃料混合物而最大化力的峰值，從而壓強峰值在接近TDC時出現。
[0067]-在旋轉曲柄時，利用幾何結構更長地維持活塞力峰值。
[0068]-由于扭矩等于力乘以曲柄半徑，使用較大的曲柄以從可用活塞力產生更大的扭矩。
[0069]圖6示出了本發明的機械的實施方式的受力圖。該實施方式使用曲柄和連接桿，如圖1中的曲柄滑塊機構那樣，但是該實施方式引入了多聯桿連接桿機構以及力傳遞機構，其用于在曲柄角度小于45度時，在壓力最大時以及常規曲柄滑塊機構最低效時有效地傳遞力。力傳遞機構可以具有不同的配置，包括非圓形齒輪機構和聯桿機構。圖6示出了具有聯桿機構的受力圖。為了在本文中進行分析，由于橢圓形齒輪的形狀易于被限定，因此其被用作非圓形齒輪機構。
[0070]多聯桿連接桿機構(MLCR)在連接桿和曲柄軸之間包括額外的鉸接聯接。這種改變允許主連接桿相對于曲柄下降。對此的需要可以通過觀察圖6而具體化。如果鉸接聯接不存在并且α = β = 0，則曲柄將不會允許連接桿將力傳遞給力傳遞機構，阻止用于旋轉曲柄的力的傳遞。
[0071 ]此外，與傳統曲柄滑塊機構相比，活塞不再與曲柄處于同一中心線上。偏置中心線為鉸接提供了額外的空間。盡管偏置的中心線提供了優勢，但如果特定應用需要的話，本發明的機械也可以在活塞和曲柄處于同一中心線的情況下工作。不同的方法可以用于重置多聯桿連接桿機構和力傳遞機構的幾何結構，如下文更詳細地討論的那樣。
[0072]將首先分析圖6的簡單聯桿力傳遞機構。通過利用靜態力分析并且對水平和垂直力求和，對于該實施方式可以確定活塞力和用來旋轉曲柄的力之間的關系。
[0073]FC=FP*Cos(0)
[0074 ] FC*Co s (β) = Fw*Co s (90 - a) +F