CN104379904B - 活塞系导引设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有发动机轴及经配置以在汽缸室内往复运动的活塞的差动冲程往复式内燃发动机，其包含：内活塞部分；活塞杆，其在第一端处耦合到所述内活塞部分；外活塞部分，其用作所述内活塞部分的载架且连接到所述发动机轴，其中所述内活塞部分经配置以按不同于所述外活塞部分的循环的循环操作；及控制及连杆总成，其在锚定点处耦合到所述发动机，且所述控制及连杆总成以可枢转方式耦合于所述活塞杆的界定复制点的第二端处，其中所述控制及连杆总成将所述复制点的移动导引且界定为与所述汽缸室的轴线实质上对准。

Description

活塞系导引设备及方法

技术领域

本文中所揭示的实施例涉及内燃发动机，且特定来说涉及活塞内燃发动机。更特定来说，本文中所揭示的实施例涉及一种用于差动冲程内燃发动机的活塞系导引设备。

背景技术

以其全文引用方式并入本文中的第5,243,938号美国专利中揭示一种差动冲程内燃发动机。在差动冲程发动机中，活塞在一个曲轴旋转期间完成四个单独冲程(吸气、压缩、做功及排气)。内活塞部分在由活塞冠在室一端处导引时沿着相应汽缸内膛壁滑动。内活塞部分耦合到沿着活塞销穿透滑动的活塞杆，当活塞杠杆摆动以进行内活塞部分的冲程时所述活塞杆沿着汽缸轴线进行纵向线性运动。此诱发对组件的不合意应力且可导致过早磨损及耗损，举例来说在活塞环岸上、在活塞杆上及在汽缸壁上。于是需要组合活塞的四个冲程的优点与曲轴每循环的一个旋转的优点而不诱发过早磨损及耗损及对活塞系组件的不合意应力的差动冲程内燃发动机。

发明内容

在一个方面中，本文中所揭示的实施例涉及一种具有发动机轴及经配置以在汽缸室内往复运动的活塞的差动冲程往复式内燃发动机，其包括：内活塞部分；活塞杆，其在第一端处耦合到所述内活塞部分；外活塞部分，其用作所述内活塞部分的载架且连接到所述发动机轴，其中所述内活塞部分经配置以按不同于所述外活塞部分的循环的循环操作；及控制及连杆总成，其在锚定点处耦合到所述发动机，且所述控制及连杆总成以可枢转方式耦合于所述活塞杆界定复制点的第二端处，其中所述控制及连杆总成将所述复制点的移动导引且界定为与所述汽缸室的轴线实质上对准。

在其它方面中，本文中所揭示的实施例涉及一种供与具有安置于内燃发动机的汽缸内的活塞杆的活塞一起使用的控制及导引设备，所述控制及导引设备界定包括活塞杠杆联杆、支轴联杆、推进联杆及摇臂联杆的四连杆机构，其中通过以下各项界定及定位所述四连杆机构：所述支轴联杆的第一端与所述摇臂联杆的第一端的第一铰链接头；所述支轴联杆的第二端与所述活塞杠杆联杆的第二铰链接头；所述摇臂联杆的第二端与所述推进联杆的第一端的第三铰链接头；及所述推进联杆的第二端与所述活塞杠杆联杆的第四铰链接头，其中所述活塞杠杆联杆在一端处以可枢转方式耦合到所述活塞杆以界定所述活塞杆沿着所述汽缸轴线的线性纵向运动。

在又其它方面中，本文中所揭示的实施例涉及一种使用包含具有活塞杆且在所述活塞杆的引导下在汽缸内移动的内活塞部分的内燃发动机的活塞系控制及导引设备的方法，所述方法包括：提供活塞系控制及导引设备，所述活塞系控制及导引设备包括在第一位置处以铰接方式耦合到所述活塞杆的界定复制点的一端的活塞杠杆联杆及在所述活塞杠杆的第二位置处耦合到所述活塞杠杆的连杆总成，且所述连杆总成在界定锚定点的位置处进一步以铰接方式耦合到所述发动机；及致动所述连杆总成且使所述复制点实质上在所述汽缸内沿着汽缸轴线以线性平行运动移动。

附图说明

在附图中图解说明本发明，其中，

图1图解说明根据本发明的一或多个实施例的活塞系导引总成的示意图。

图2图解说明正交于其中并入有图1的活塞系导引总成的差动冲程发动机的曲轴的旋转轴线的剖面图。

具体实施方式

参考图式更详细地描述本文中所提及的一或多个实施例的方面、特征及优点，其中相似参考编号表示相似元件。本文中所揭示的实施例提供并入于差动冲程内燃发动机中的活塞系内的活塞系导引设备(或总成)。

参考图1，展示根据本发明的一或多个实施例的活塞系导引总成的示意图。活塞系导引设备100(或总成)可并入于图2中所图解说明的差动冲程内燃发动机中的活塞系内。如本文中所使用，“活塞系”可包含作为总成耦合在一起且可在发动机内操作的活塞、活塞杠杆联杆及导引总成。所述导引总成还可在本文中称为控制及导引设备或者控制及连杆总成。

差动冲程内燃发动机通常包含具有一或多个汽缸内膛212的发动机本体210及位于一或多个汽缸内膛212中的每一者内的内活塞部分220。内活塞部分220可与相应汽缸内膛壁213滑动接触(或邻接)啮合。活塞杆230在第一端232处耦合到内活塞部分220，且在第二端234处以铰接方式(或以枢转方式)耦合到活塞杠杆联杆110。铰接耦合(枢转接头)可界定下文更详细地描述的“复制”点102。

导引设备100界定且包含连杆总成(例如，四连杆机构)，所述连杆总成包含活塞杠杆联杆110的部分111、支轴联杆112、推进联杆114及摇臂联杆118。在界定及定位四连杆机构中，导引设备100可在支轴联杆112的第一端与摇臂联杆118的第一端的第一铰链接头120处以铰接方式耦合到发动机本体210。铰接耦合(枢转接头)界定下文更详细地描述的“锚定”(或附接)点104。所述四连杆机构进一步包含支轴联杆112的第二端与活塞杠杆联杆110的部分111的第一端的第二铰链接头122、摇臂联杆118的第二端与推进联杆114的第一端的第三铰链接头124及推进联杆114的第二端与活塞杠杆联杆110的部分111的第二端的第四铰链接头126。

导引元件或导引辊130在“原”点(或轴线)106处耦合(举例来说以可旋转方式或以可枢转方式)到推进联杆114。“原”点106位于推进联杆114与界定于“复制”点102与“锚定”点104之间的虚线(由线108所指示)之间的交叉点处。导引辊130可与导引设备240滑动或滚动接触。在特定实施例中，导引设备240可作为发动机本体210内的结构整体地形成且由发动机本体210界定。举例来说，导引设备可作为发动机内的通道、沟槽或其它结构形成。在其它实施例中，导引设备240可牢牢地附接或紧固到发动机本体210。如所展示，在特定实施例中，导引设备240可为线性或实质上线性的。导引辊130在导引设备240内移动，以使得导引辊130及“原”点106沿着导引设备240的平行于汽缸212的汽缸轴线250的导引轴线150移动。在特定实施例中，导引元件可包含耦合到所述连杆总成的任何类型的弹簧元件(未展示)，以便向中心偏置所述复制点且实质上沿着所述汽缸室轴线控制所述复制点。

导引设备100的四连杆机构可经配置以形成伸缩式总成或设备。所属领域的技术人员将理解，伸缩式总成可由以基于平行四边形的方式连接的机械连杆形成，以使得总成的一个点(举例来说，“原”点106)的移动引起总成的第二点(举例来说，“复制”点102)的相应(且可能经按比例缩放)移动。

在特定实施例中，“复制”点102沿着汽缸轴线250的按比例缩放移动受到“原”点106沿着导引轴线150的移动的限制。以受控制方式有效地转化运动的四连杆机构的此伸缩式总成用作“复制”点102的运动导引件。因此，在特定实施例中，四连杆机构界定伸缩式装置，所述伸缩式装置导引活塞杠杆联杆110以使其在与活塞杆230的枢转接头(也就是，“复制”点102)处沿着汽缸轴线250纵向地以直线运动移动。换句话说，当原点106沿着线性导引件240的导引轴线150行进时，复制点102沿着汽缸212的汽缸轴线250以纵向线性运动行进。

将了解，其它导引元件或装置还可在具有与复制点102的线性运动的功能关系的位置处与导引设备100的四连杆机构并在一起。作为一个实例，导引元件或导引辊可位于活塞杠杆联杆110上在与推进联杆114的接头126处。在此实例中，弯曲或非线性导引通道可导引活塞杠杆联杆110的横向运动，以使得当使活塞杠杆联杆110振荡以致动且击打内活塞部分220时活塞杠杆联杆110与活塞杆230之间的枢转接头102进行与汽缸轴线250对准的线性纵向运动。

在特定实施例中，功能关系存在于连杆总成上的特定位置与复制点102之间。举例来说，所述功能关系可包括使连杆总成上的特定位置移动，且因此相应地使复制点102移动。更进一步来说，所述功能关系可包括使连杆总成上的特定位置以线性或非线性方式移动，且因此使复制点102以线性方式移动。在特定实施例中，连杆总成上的特定位置可包括原点106。因此，导引元件或导引辊130可在特定位置处与四连杆机构并在一起以提供复制点102的线性运动，如所属领域的技术人员将理解。

在特定实施例中，可包含位于或附接于活塞系上的任何位置处的弹簧装置(未展示)。举例来说，弹簧装置可在(支轴联杆112的第二端与活塞杠杆联杆110的部分111的第一端的)铰链接头122的近端，可限制或导引活塞杠杆联杆110的横向移动。横向移动定义为与汽缸轴线250实质上不对准的移动。所述弹簧可为如所属领域的技术人员将理解的任何类型的弹簧装置。进一步来说，所述弹簧可在一端处锚定到发动机本体且在另一端处锚定到活塞系。或者，所述弹簧可仅锚定到发动机本体。可使所述弹簧偏置以限制或减小支轴联杆112的横向移动以使得活塞杆230保持在公差极限内与汽缸轴线250实质上对准。

参考图2，展示根据本发明的一或多个实施例正交于其中并入有控制及导引设备100的差动冲程发动机的曲轴的旋转轴线的剖面图。参考图2中所展示的发动机的定向，差动冲程活塞在固定汽缸212内在固定汽缸头部16上方与旋转曲轴18下方之间移动。分别由吸气阀17a及排气阀17b控制充气及排气汽缸212。由汽缸头部16中的火花塞20(不在柴油机应用中使用)启动燃烧。发动机210可操作以每发动机旋转完成一个完整燃烧循环。

差动冲程活塞具有关闭及密封燃烧室的内活塞部分220，及通过连接棒22连接到曲轴18且在其循环的部分期间还用作内活塞部分220的载架的外活塞部分231。本文中所揭示的实施例提供每循环按四个冲程操作的内活塞部分220及每循环按两个冲程操作的外活塞部分231。在循环的排气及吸气部分期间，内活塞部分220与外活塞部分231分离。在分离期间，由图1中所描述的控制及导引设备100致动及驱动内活塞部分220。如所展示，在特定实施例中，导引设备100可位于汽缸及汽缸内膛212外侧且位置远离活塞部分及发动机轴的移动。同时，外活塞部分231继续在曲柄臂24及连接棒22的控制下移动。

有利地，本文中所揭示的实施例提供一种控制及导引设备，其中内活塞部分的运动在室内端处由沿着汽缸壁滑动的活塞冠导引且在活塞杆外端处由导引设备导引，以实质上沿着汽缸轴线移动。由于导引设备且特定来说导引元件可在导引通道内且沿着所述导引通道的轴线移动，因此内活塞部分可在活塞杆实质上不发生横向移动且活塞杠杆联杆对活塞杆的横向推挤实质上极小的情况下向上及向下移动。因此，可减小由活塞的侧向运动诱发的内活塞部分和汽缸壁上的应力及磨损。导引设备还可减小内活塞部分在汽缸壁上的滑动摩擦力及内活塞部分对汽缸壁的“拍击”。

此外，四连杆机构总成需要在发动机自身内的相对小的空间(如图2中所展示)。更进一步来说，用作伸缩式总成的四连杆机构能够使活塞杆及内活塞部分移动的量比导引元件需要在导引通道内移动的量大得多。

本说明书通篇所提及的“一个实施例”或“一实施例”意指结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇中的各处出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”或“在特定实施例中”未必全部指代同一实施例，但可能。此外，在一或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以任何适合方式组合，如所属领域的技术人员依据本揭示内容将明了。

在下文的权利要求书及本文中的说明中，术语包括(comprising、comprised of或whichcomprises)中的任一者为意指包含至少跟随其后的元件/特征的开放式术语，但不排除其它。因此，术语包括(comprising)在用于权利要求书中时应被解释为限于其后所列出的手段或元件或步骤。如本文中所使用的术语包含(including或which includes或that includes)中的任一者也为也意指包含至少跟随所述术语的元件/特征的开放式术语，但不排除其它。因此，包含与包括同义且意指包括。

应理解，术语“经耦合”在用于权利要求书中时不应被解释为仅限于直接连接。“经耦合”可意指两个或两个以上元件彼此直接物理接触或两个或两个以上元件彼此不直接接触，但仍彼此合作或互动。

尽管已详细描述本发明的一或多个实施例，但所属领域的技术人员将明了，采取各种具体形式且反映可在不背离本发明的精神及范围的情况下进行改变、替代及更改的许多实施例。所描述实施例图解说明权利要求书的范围但不限制权利要求书的范围。

Claims (17)

1.一种具有发动机轴及经配置以在汽缸室内往复运动的活塞的差动冲程往复式内燃发动机，其包括：

内活塞部分；

活塞杆，其在第一端处耦合到所述内活塞部分；

外活塞部分，其用作所述内活塞部分的载架且连接到所述发动机轴，其中所述内活塞部分经配置以按不同于所述外活塞部分的循环的循环操作；

控制及连杆总成，其在锚定点处耦合到所述发动机，所述控制及连杆总成以可枢转方式耦合于所述活塞杆的界定复制点的第二端处，其中所述控制及连杆总成将所述复制点的移动导引且界定为与所述汽缸室的轴线实质上对准；以及

导引元件，其能够在界定于所述发动机内的导引设备内移动且在界定原点的位置处与所述控制及连杆总成耦合，其中所述导引元件导引所述复制点以使其沿着汽缸轴线纵向线性地移动。

2.根据权利要求1所述的发动机，其中所述控制及连杆总成界定包含活塞杠杆联杆、支轴联杆、推进联杆及摇臂联杆的四连杆机构。

3.根据权利要求2所述的发动机，其中通过以下各项界定及定位所述四连杆机构：

第一铰链接头，其以可枢转方式耦合到所述发动机且连接所述支轴联杆的第一端与所述摇臂联杆的第一端；

第二铰链接头，其连接所述支轴联杆的第二端与所述活塞杠杆联杆的第一端；

第三铰链接头，其连接所述摇臂联杆的第二端与所述推进联杆的第一端；以及

第四铰链接头，其连接所述推进联杆的第二端与所述活塞杠杆联杆上的位置。

4.根据权利要求1所述的发动机，其中所述导引元件包括弹簧元件，所述弹簧元件用以使所述原点在所述导引设备内向中心偏置，且借此控制所述复制点以使其实质上沿着所述汽缸室轴线移动。

5.根据权利要求2所述的发动机，其中所述四连杆机构界定形成伸缩装置的平行四边形，且其中所述原点沿着界定于所述复制点与所述锚定点之间的线定位。

6.根据权利要求5所述的发动机，其中所述导引元件经配置以在所述导引设备内平行于所述汽缸室轴线线性地移动。

7.根据权利要求1所述的发动机，其进一步包括经配置以使所述复制点沿第一方向移动的驱动总成。

8.根据权利要求7所述的发动机，其中所述驱动总成包括耦合到所述控制及连杆总成且可通过耦合到所述发动机轴的一或多个凸轮操作的摇臂驱动总成。

9.一种用于与具有安置于内燃发动机的汽缸内的活塞杆的活塞一起使用的控制及导引设备，所述控制及导引设备界定包括以下各项的四连杆机构：

活塞杠杆联杆、支轴联杆、推进联杆及摇臂联杆，其中通过以下各项界定及定位所述四连杆机构：

所述支轴联杆的第一端与所述摇臂联杆的第一端的第一铰链接头，

所述支轴联杆的第二端与所述活塞杠杆联杆的第一端的第二铰链接头，

所述摇臂联杆的第二端与所述推进联杆的第一端的第三铰链接头，以及

所述推进联杆的第二端与所述活塞杠杆联杆的第二位置的第四铰链接头，

其中所述活塞杠杆联杆在一端处以可枢转方式耦合到所述活塞杆，以界定所述活塞杆沿着所述汽缸轴线的线性纵向运动；以及

导引元件，其能够沿着导引设备移动，其中所述导引元件的运动与所述活塞杆和所述活塞杠杆联杆之间的所述枢转耦合的运动有关。

10.根据权利要求9所述的控制及导引设备，其进一步包括由所述四连杆机构界定的伸缩式设备，且其进一步包括在所述伸缩式设备的原点处耦合到所述推进联杆且与界定于所述发动机内的导引设备可移动地啮合的导引元件。

11.根据权利要求10所述的控制及导引设备，其中所述原点位于所述推进联杆与线之间的交叉点处，所述线界定于所述第一铰链接头与在所述活塞杆与所述活塞杠杆联杆之间的所述枢转接头之间。

12.根据权利要求9所述的控制及导引设备，其进一步包括经配置以使所述活塞杆与所述活塞杠杆联杆之间的所述枢转耦合沿第一方向移动的驱动总成。

13.根据权利要求12所述的控制及导引设备，其中所述驱动总成包括耦合到所述四连杆机构且可通过耦合到所述发动机轴的一或多个凸轮操作的摇臂驱动总成。

14.一种使用内燃发动机的活塞系控制及导引设备的方法，所述方法包括：

提供两件式活塞，所述两件式活塞包括具有活塞杆的内活塞部分和用作所述内活塞部分的载架的外活塞部分，其中所述内活塞部分和所述外活塞部分经配置以在不同的循环运作；

提供活塞系控制及导引设备，所述活塞系控制及导引设备包括：

活塞杠杆联杆，其在第一位置处以铰接方式耦合到所述活塞杆的界定复制点的一端；以及

连杆总成，其在所述活塞杠杆联杆的第二位置处耦合到所述活塞杠杆联杆，且所述连杆总成进一步在界定锚定点的位置处以铰接方式耦合到所述发动机；

提供可在界定于所述发动机内的导引设备内移动且在与所述复制点具有功能关系的原点与所述连杆总成耦合的导引元件；以及

致动所述连杆总成，且使所述复制点在汽缸内实质上沿着汽缸轴线以线性平行运动移动。

15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括：

使所述导引元件的所述第一位置沿着所述导引设备移动；且因此，

使所述内活塞部分在所述汽缸内实质上沿着所述汽缸轴线以线性运动移动。

16.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括：

在所述连杆总成中界定伸缩式设备，其中所述伸缩式设备界定所述原点与所述复制点之间的一对一按比例缩放关系；

使所述原点移动第一线性距离，且使所述复制点移动第二线性距离，其中所述第二线性距离为相对于所述第一线性距离的按比例缩放量。

17.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括提供驱动设备且使所述导引元件在所述导引设备内移动，以界定所述复制点的沿着所述汽缸轴线的线性运动。