活塞布置和內(nèi)燃機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種活塞布置、包括該活塞布置的活塞系統(tǒng)、以及包括該活塞布置的內(nèi)燃機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]常規(guī)曲軸和連桿布置通常用于將活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，反之亦然。在這些活塞布置中，活塞頭以扭曲的簡諧運(yùn)動(dòng)在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該扭曲是因具有角位移的連桿的有效變長和縮短而產(chǎn)生的。因?yàn)榛钊^僅僅能夠以扭曲的簡諧運(yùn)動(dòng)移動(dòng)，所以這些活塞布置的性能和應(yīng)用是有限的。本發(fā)明涉及一種克服了標(biāo)準(zhǔn)曲軸和連桿型活塞布置的限制的活塞布置以及其在內(nèi)燃機(jī)和其他系統(tǒng)中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的第一方面提供了一種活塞布置，該活塞布置包括氣缸、可在該氣缸內(nèi)沿活塞軸線移動(dòng)的活塞頭、連桿、以及具有路徑的軌道;其中，連桿具有聯(lián)接至活塞頭的第一端和聯(lián)接至軌道的第二端；其中，軌道適合于相對(duì)于氣缸移動(dòng)，并且軌道被形成為，在軌道相對(duì)于氣缸移動(dòng)時(shí)，使活塞頭依照軌道的路徑沿活塞軸線以往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方式移動(dòng);其中，軌道的路徑被形成為，活塞頭位移關(guān)于軌道相對(duì)于氣缸的位移是非簡諧的。
[0004]連桿定義為伸長構(gòu)件，該伸長構(gòu)件聯(lián)接至活塞并且適合于驅(qū)動(dòng)活塞并且/或由活塞驅(qū)動(dòng)作為用于活塞的動(dòng)力輸送機(jī)構(gòu)的部分。軌道定義為組件或者系統(tǒng)，該組件或者系統(tǒng)提供了具有特殊形狀的路徑，該路徑適合于依照路徑的形狀來引導(dǎo)或者約束一個(gè)或者多個(gè)其他組件或者系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。
[0005]非簡諧運(yùn)動(dòng)定義為根據(jù)數(shù)學(xué)正弦波不完全是簡諧的運(yùn)動(dòng)，例如，如果針對(duì)軌道相對(duì)于氣缸的位移對(duì)活塞頭位移進(jìn)行了計(jì)劃，那么其位移關(guān)系不會(huì)遵循完全正弦波。根據(jù)其中提供了軌道的形式，軌道相對(duì)于氣缸的位移可以是角位移或者直線位移，這在以下概要和描述中將變得顯而易見。
[0006]因?yàn)榛钊^不會(huì)關(guān)于相對(duì)于氣缸的軌道的運(yùn)動(dòng)以簡諧運(yùn)動(dòng)的方式移動(dòng)，所以如果軌道曾以恒定速度相對(duì)于氣缸移動(dòng)，那么活塞頭不會(huì)遵循簡諧運(yùn)動(dòng)。應(yīng)該注意，本發(fā)明不需要軌道在活塞布置的正常使用中以恒定速度相對(duì)于氣缸實(shí)際移動(dòng)。
[0007]活塞頭相對(duì)于軌道位置的位移輪廓可能與簡諧運(yùn)動(dòng)大體上不同。例如，當(dāng)活塞頭以往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方式移動(dòng)時(shí)，相比其運(yùn)動(dòng)周期的至少一部分，其位移相對(duì)于軌道位移偏離完全數(shù)學(xué)簡諧運(yùn)動(dòng)至少1 %或者至少2%或者至少3%或者至少5%或者至少10%或者15%或者至少20%或者至少25%?？商娲兀壍赖穆窂奖恍纬蔀?，活塞頭的位移輪廓與簡諧運(yùn)動(dòng)更顯著不同。例如，活塞頭位移輪廓可以包括以下中的至少一個(gè):a)多個(gè)不同的上止點(diǎn)位置和/或下止點(diǎn)位置;b)降低的活塞頭速度的中間沖程周期；c)處于或者接近上止點(diǎn)位置和/或下止點(diǎn)位置處的增加的停留時(shí)間；以及d)比活塞沖程的上半部分相對(duì)更快或者更低的平均速度，如下面所述。因此，活塞并不限于簡諧運(yùn)動(dòng)或者扭曲的簡諧運(yùn)動(dòng)(因?yàn)槭蔷哂谐Ｒ?guī)曲軸和連桿型活塞布置的情況)，并且因此，可以按照需要調(diào)整位移和加速度并且針對(duì)活塞配置的具體應(yīng)用來優(yōu)化該位移和加速度。
[0008]例如，活塞布置可以用于內(nèi)燃機(jī)或者栗，或者用于其他任何系統(tǒng)，在該其他任何系統(tǒng)中，將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為另一組件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者往復(fù)運(yùn)動(dòng)，反之亦然。
[0009]軌道可以具有并非是正弦的路徑形狀。軌道大體上可以具有生成期望活塞位移和加速度輪廓所需的任何路徑形狀。路徑可以是大體上非正弦的。路徑還可以是彎曲的(除了具有生成期望活塞頭位移輪廓的特殊形狀的路徑之外)，但是，例如，如果軌道是作為大體上圓形的連續(xù)環(huán)而提供的，那么軌道中的曲率并不會(huì)對(duì)路徑的形狀產(chǎn)生影響。
[0010]軌道可以具有第一局部最小值和與該第一局部最小值不同的第二局部最小值，從而在活塞頭沿活塞軸線以往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方式移動(dòng)時(shí)，使該活塞頭通過與軌道的第一局部最小值對(duì)應(yīng)的第一下止點(diǎn)位置，并且隨后通過與軌道的第二局部最小值對(duì)應(yīng)的第二下止點(diǎn)位置，其中，當(dāng)活塞在第二下止點(diǎn)位置中時(shí)到當(dāng)活塞在所述第一下止點(diǎn)位置中時(shí)，活塞相對(duì)于氣缸處于不同的位移處?？商娲兀蛘叱酥?，軌道可以包括與兩個(gè)不同的上止點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的兩個(gè)不同的局部極大值。軌道大體上可以包括任何數(shù)量的局部極大值，該任何數(shù)量的局部極大值與任何數(shù)量的相同的相應(yīng)上止點(diǎn)位置或者任何數(shù)量的不同的活塞位移對(duì)應(yīng)。軌道還可以包括任何數(shù)量的局部極小值，該任何數(shù)量的局部極小值與任何數(shù)量的相同的相應(yīng)下止點(diǎn)位置或者任何數(shù)量的不同的活塞位移對(duì)應(yīng)。因此，活塞頭可以運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)循環(huán)，該循環(huán)包括針對(duì)不同階段的操作循環(huán)的不同的沖程長度，例如，在內(nèi)燃機(jī)的情況下由短蒸汽動(dòng)力沖程跟隨的長燃燒動(dòng)力沖程。
[0011]軌道可以包括在軌道的局部最小值與軌道的相鄰的局部最大值之間位置處的至少一部分既約梯度，從而當(dāng)活塞頭在與局部最小值對(duì)應(yīng)的下止點(diǎn)位置和與局部最大值對(duì)應(yīng)的上止點(diǎn)位置之間移動(dòng)時(shí)，使該活塞頭經(jīng)歷至少一個(gè)速度降低的周期。速度降低的周期可以包括在相對(duì)較高的活塞速度的周期之間的活塞速度降低的延長周期，并且按照需要可以在活塞沖程期間的任何點(diǎn)處發(fā)生，例如，接近下止點(diǎn)位置、接近上止點(diǎn)位置或者在任何位置之間?；钊俣冉档偷闹芷诳梢园ɑ钊^大體上靜止的周期。軌道在梯度減小的部分的任何一側(cè)的梯度比在梯度減小的部分處的梯度大。
[0012]軌道可以包括處于或者接近軌道的局部最大值或者局部最小值的低梯度或者零梯度的延長部分，從而當(dāng)活塞頭移動(dòng)通過與局部最大值對(duì)應(yīng)的上止點(diǎn)位置或者通過與局部最小值對(duì)應(yīng)的下止點(diǎn)位置時(shí)，使該活塞頭經(jīng)歷相當(dāng)長的停留時(shí)間周期。停留時(shí)間周期可以顯著大于通過使用曲軸和連桿機(jī)構(gòu)在氣缸內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)的活塞所經(jīng)歷的停留時(shí)間周期。例如，增加的停留時(shí)間可以用于提高將流體輸送到氣缸中或者輸送到氣缸外的效率。
[0013]在以簡諧運(yùn)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)(忽略連桿角的扭曲效果)的常規(guī)曲軸和連桿布置中，當(dāng)活塞遠(yuǎn)離上止點(diǎn)位置朝下一個(gè)下止點(diǎn)位置(或者遠(yuǎn)離下止點(diǎn)位置朝下一個(gè)上止點(diǎn)位置)移動(dòng)時(shí)，該活塞移動(dòng)通過其在曲軸旋轉(zhuǎn)約18度之后的沖程位移的第一個(gè)2.5%，相當(dāng)于上止點(diǎn)位置與下一個(gè)下止點(diǎn)位置之間所需要的曲軸旋轉(zhuǎn)的約10%。相似地，活塞移動(dòng)通過其在曲軸旋轉(zhuǎn)約26度之后的沖程位移的第一個(gè)5%，相當(dāng)于TDC(上止點(diǎn)位置)與BDC(下止點(diǎn)位置)之間的曲軸旋轉(zhuǎn)的約14%，并且通過其在曲軸旋轉(zhuǎn)約37度之后的沖程位移的第一個(gè)10%，相當(dāng)于TDC與BDC之間的曲軸旋轉(zhuǎn)的約20 %。
[0014]相比之下，如果本發(fā)明的軌道包括處于或者接近局部最大值(或者局部最小值)的低梯度或者零梯度的延長部分，那么該軌道可以將活塞頭保持在其遠(yuǎn)離相應(yīng)上止點(diǎn)位置(或者下止點(diǎn)位置)的位移的第一個(gè)2.5%之內(nèi)，直到從局部最大值朝下一個(gè)局部最小值(或者從局部最小值朝下一個(gè)局部最大值)的相對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)的至少15%或者至少20%或者至少25%或者至少30%。相似地，軌道可以將活塞頭保持在其沖程位移的第一個(gè)5 %之內(nèi)，直到相對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)的至少20%或者至少25%或者至少30%或者至少35%，并且軌道可以將活塞頭保持在其沖程位移的第一個(gè)10%之內(nèi)，直到相對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)的至少25%或者至少30%或者至少35%或者至少40 %。
[0015]軌道可以包括局部最大值、相鄰的局部最小值、以及在與軌道和氣缸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)齊的方向上處于在局部最大值與相鄰的局部最小值中間的位置處的中間點(diǎn)。如果軌道是大體上圓形的連續(xù)環(huán)的形式，那么中間點(diǎn)可以處于局部最大值與相鄰的局部最小值之間的角中點(diǎn)處。軌道在其從局部最大值延伸到中間點(diǎn)的長度的第一部分上可能具有比在其從中間點(diǎn)延伸到局部最小值的長度的第二部分上更陡峭的平均梯度。因此，活塞頭可以具有與局部最大值對(duì)應(yīng)的上止點(diǎn)位置、與局部最小值對(duì)應(yīng)的下止點(diǎn)位置、以及與局部最大值與相鄰的局部最小值之間的中間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的第一中間位置，其中，與上止點(diǎn)位置相比，第一中間位置更靠近下止點(diǎn)位置。例如，當(dāng)活塞頭在第一中間位置中時(shí)，該活塞頭可以在從上止點(diǎn)位置到下止點(diǎn)位置的路的至少52.5%或者至少55%或者至少57.5%或者至少60%或者至少65%或者至少70%或者至少75%處?？商娲?，軌道在中間點(diǎn)與局部最小值之間可能具有比在上止點(diǎn)位置與中間點(diǎn)之間更陡峭的平均梯度。因此，活塞速度和加速度可以按照需要在沖程內(nèi)變化。例如，當(dāng)應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)時(shí)，活塞速度在動(dòng)力沖程的上半部分上可能比在動(dòng)力沖程的第二部分中大，從而更加有效地提取功和降低活塞溫度。
[0016]可替代地，軌道可能具有在具有低梯度或者零梯度中間點(diǎn)的軌道中的一部分的端部與相鄰的局部最小值之間的更陡峭或者有點(diǎn)陡峭的平均梯度，或者在具有低梯度或者零梯度中間點(diǎn)的軌道中的一部分的端部與相鄰的局部最大值之間的更陡峭或者有點(diǎn)陡峭的平均梯度。
[0017]軌道可以形成閉環(huán)并且提供在旋轉(zhuǎn)體上。可替代地，軌道可以形成弧并且提供在往復(fù)式旋轉(zhuǎn)體上，或者提供在不會(huì)旋轉(zhuǎn)的組件上，例如，直線軌道可以提供在直線往復(fù)式主體上。
[0018]軌道可以提供在相對(duì)于氣缸旋轉(zhuǎn)的圓筒或者圓盤上。軌道可以提供在圓筒的內(nèi)徑向表面或者外徑向表面上、或者在圓筒的端面上、或者在圓盤的外徑向表面上或者在圓盤的端面上。軌道的形狀可以改變，從而使連桿在與其上提供有軌道的表面大體上垂直的方向上移動(dòng)，或者可替代地，在與其上提供有軌道的表面大體上平行的方向上移動(dòng)。可替代地，軌道可以是固定的，并且氣缸可以相對(duì)于圓盤或圓筒旋轉(zhuǎn)。
[0019]軌道可以凹進(jìn)和/或突出于圓筒或者圓盤的表面。軌道可以一體成型作為圓筒或者圓盤的部分，或者軌道的至少一部分可以附接至圓筒或者圓盤作為一個(gè)或者多個(gè)單獨(dú)軌道組件。
[0020]連桿可以具有一個(gè)或者多個(gè)從動(dòng)件，該一個(gè)或者多個(gè)從動(dòng)件嚙合軌道以控制連桿的位移。例如，從動(dòng)件可以包括軸承、輥?zhàn)?、凸起等。從?dòng)件僅僅可以位于連桿的一側(cè)，但是優(yōu)選地，至少兩個(gè)從動(dòng)件位于連桿的相對(duì)側(cè)。
[0021]連桿可以具有至少兩個(gè)從動(dòng)件，該至少兩個(gè)從動(dòng)件在與氣缸軸線平行的方向上彼此間隔開。從動(dòng)件可以位于軌道的突出部分的交替?zhèn)?，從而使軌道的交替部分在從?dòng)件之間延伸。可替代地，從動(dòng)件都可以位于軌道的基部與軌道的突出部分之間。
[0022]連桿可以具有至少兩個(gè)從動(dòng)件，該至少兩個(gè)從動(dòng)件通過樞軸安裝至連桿的轉(zhuǎn)向架安裝至連桿。從動(dòng)件可以是與轉(zhuǎn)向架一體成型的圓凸，或者可替代地，經(jīng)由整體心軸或者分開的傳動(dòng)軸附接至轉(zhuǎn)向架的輪或者輥?zhàn)?。連桿可以經(jīng)由用于將一個(gè)或者多個(gè)從動(dòng)件安裝至轉(zhuǎn)向架的心軸或者軸安裝至轉(zhuǎn)向架，或者可替代地，在另一位置。
[0023]軌道可以包括:第一表面，該第一表面嚙合一個(gè)或者多個(gè)從動(dòng)件以使活塞頭沿活塞軸線在第一方向上移動(dòng)；以及與第一表面相對(duì)的第二表面，該第二表面嗤合一個(gè)或者多個(gè)從動(dòng)件以使活塞頭沿氣缸軸線在與第一方向相反的第二方向上移動(dòng)。第一表面可以是軌道的基部，并且第二表面可以是相對(duì)的壁。因此，可以通過活塞頭沿活塞軸線在任一方向上移動(dòng)來在第一方向上驅(qū)動(dòng)軌道，并且當(dāng)軌道在第一方向上移動(dòng)時(shí)，可以使活塞沿活塞軸線在任一方向上移動(dòng)。一個(gè)或者多個(gè)從動(dòng)件可以提供為嚙合第一表面，但是不嚙合第二表面，并且一個(gè)或者多個(gè)從動(dòng)件可以提供為嚙合第二表面，但是不嚙合第一表面。根據(jù)在每個(gè)方向上的載重要求，提供為嚙合第一表面和第二表面的從動(dòng)件的大小、形狀或者規(guī)格可以是不同的。
[0024]連桿可以在沒有相對(duì)于活塞頭旋轉(zhuǎn)的情況下被約束為大體上在氣缸軸線的方向上移動(dòng)。可以對(duì)連桿進(jìn)行約束，從而使其無法相對(duì)于活塞頭旋轉(zhuǎn)大于0.5度、或者大于1度、或者大于2度、或者大于3度、或者大于5度的角度。例如，連桿運(yùn)動(dòng)可