CN101072934B - 旋转机械场组件 - Google Patents

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Abstract

一种具有旋转部件和第一线性部件的发动机，其包括旋转部件所围绕旋转的第一轴线，和将该旋转部件连接至偏置旋转元件的第二轴线。第一线性部件通过第一连接连接至偏置旋转元件。第二线性部件在一端通过第一连接连接至偏置旋转元件，并在相对端连接至壳体。第一线性部件以横向方式从第一位置至第二位置来回运动。第一线性部件的横向运动导致旋转部件在一个方向中的连续旋转运动。

Description

旋转机械场组件
技术领域
本发明一般涉及内燃机。更具体地，本发明涉及一种旋转机械场组件，其中线性力被转化成旋转能量。
背景技术
本部分用来为权利要求中所述的发明提供背景。这里的说明可以包括可遵循的构思，但未必是以前已经设想或者遵循的构思。从而，除非另外指出，本部分中所说明的不是本申请中权利要求的现有技术，且也不因包含在该部分中就认为是现有技术。
内燃机通过燃烧燃料和空气产生力。通常，内燃机或“发动机”具有两个组件-发动机缸盖和发动机缸体。传统发动机的缸盖通常包括用来开启和关闭进气孔的进气门以及用来开启和关闭排气孔的排气门。传统发动机的缸体通常包括曲轴，当活塞在连接发动机缸盖和缸体的气缸中上下运动时，曲轴由活塞旋转。在运转中，进气门开启以允许燃料与空气的混合物进入缸中的燃烧室，其中活塞形成该室的底部。燃料与空气的燃烧通过火花塞产生的火花而产生。这种燃烧使燃烧室中的活塞向下运动，从而使曲轴在发动机缸体中旋转。排气门开启，并随着活塞返回其在燃烧前在该室中的位置，允许燃烧产生的废气排出，活塞的返回有助于推动废气通过排气门。
发动机缸体和曲轴壳体通常组装在一个铸件中。用来操作气门的凸轮轴可以位于缸盖或缸体中。在水冷发动机中，发动机缸体和缸盖具有冷却水管。通常，活塞通过活塞杆与旋转的曲轴相连。曲轴具有固定的位置以确保发动机旋转的均匀性。曲轴壳体下端处的发动机底部用于放置润滑油。
已经提出了很多不同类型的燃烧发动机。例如，采用四冲程方法的Otto发动机(也称Otto循环，以Nikolaus Otto命名，Nikolaus Otto于1867年发明该发动机)。Otto发动机采用化油器来混合合适数量的燃料和空气，以备燃料和空气在气缸外燃烧，。另一种类型的发动机是狄塞尔发动机(也以其发明人Rudolf Diesel命名)。狄塞尔发动机没有火花塞，而是压缩空气并将燃料喷射至压缩空气中。压缩空气的热量自发地点燃燃料。第三种类型的发动机是Wankel发动机或Wankel旋转发动机(以Felix Wankel的名字命名)。Wankel发动机是旋转三角形转子，而不是使活塞上下运动。使转子运动的力来自于容纳在一个腔室中的燃料和空气的燃烧，该腔室由壳体的一部分和三角形转子的一个面形成。
现代发动机也可以通过如何提供燃料和空气以及如何去除废气而分类。“四冲程发动机”的每个缸具有两个气门-进气门和排气门。在第一冲程中，活塞从气缸上部朝底部运动。气缸中增大的空间(源自活塞的运动)产生将燃料和空气混合物推出化油器外部并推入燃烧室的力。在第二冲程中，活塞从气缸底部朝顶部运动。由于气门关闭，活塞压缩气缸内的燃料和空气混合物。在第三冲程中，混合物被火花塞中的火花点燃。混合物燃烧，从而提高了温度和压力。源自燃烧过程的压力将活塞从气缸上部推至下部，从而施加使曲轴旋转的力。在第四冲程中，燃烧后的气体通过开启的排气门排出。活塞从底部向气缸的上部运动，将燃烧气体的残留从气缸中推出。然后重复进行这一过程。
在“两冲程发动机”中，气缸的充满和排空在曲轴旋转的一部分时发生。代替进气门和排气门，两冲程发动机在缸衬上具有开口，这些开口通过活塞的运动关闭和开启。典型地，排气口比进气口更靠近气缸顶部。当活塞向上运动时，其产生压力以将废气推出排气口。在活塞在气缸中到达其运动顶端以前，其盖住排气口，以在燃烧室中产生用于发生燃烧的压力。当活塞向下运动时，其露出进气口并像泵一样作用，以使燃料和空气混合物进入燃烧室。
发动机也可以根据气缸的位置分类。气缸位于不同位置的发动机 的例子有顺列式或“直列”式发动机、V型发动机、旋转发动机和水平对置式发动机。直列式发动机气缸一个接一个地排成一行。结果，工作冲程重叠，确保曲轴驱动的均匀性。V型发动机气缸布置在彼此成一定角度的两条直线上。从而，用于V型发动机的曲轴比用于直列式发动机的那些短。如上所述，旋转发动机，例如Wankel发动机，没有以上下方式运动的活塞；代替活塞的是形成为三角形的转子。在旋转发动机的第一冲程中，转子旋转以开启进气口，其允许燃料和空气混合物进入一个腔室。随着转子在第二冲程中旋转，该腔室的容积减小而混合物被压缩。在第三冲程中，源于火花塞的火花点燃混合物。燃烧后的气体扩散并使转子运转。该腔室的容积再次增大。在第四冲程中，该腔室的第一衬垫沿着排气孔向前滑动，使排气孔开启用于燃烧后的气体排出。
水平对置式发动机气缸是平的，它们布置成彼此成180度。曲轴可以比直列式发动机的曲轴短，且在四缸发动机中，水平对置式发动机仅需要三个固定轴承。在具有四个气缸的水平对置式发动机中，在曲轴的每半次旋转时点火。水平对置式发动机的特征在于均匀的旋转动量流，允许安静的工作流，这是由于发动机一侧上的运动与另一侧上的运动相平衡。
虽然迄今为止在发动机技术中已经实现了多种改进，但期望的是改进传统发动机，例如上述发动机。例如，期望降低发动机产生的音量，并减小所需的燃料消耗。而且，期望制造使用范围较宽的高功率发动机。另外，期望增大发动机的功率和力矩。
发明内容
总的来说，这里说明的实施例涉及一种旋转机械场组件，其中线性力被转化为旋转能量。一个实施例涉及具有旋转部件和第一线性部件的发动机。该旋转部件包括旋转部件围绕其旋转的第一轴线和将该旋转部件连接至一个偏置旋转元件的第二轴线。第一线性部件通过第一连接连接至偏置旋转元件。第二线性部件在一端通过第一连接连接 至偏置旋转元件，并在相对端连接至壳体。第一线性部件以横向方式从第一位置至第二位置来回运动。第一线性部件的横向运动导致旋转部件在一个方向中的连续旋转运动。
另一个实施例涉及将线性运动物体连接至圆周运动物体的连接。该连接包括在距离圆周运动物体轴线第一距离处将第一线性运动物体连接至圆周运动物体的第一连杆，和将圆周运动物体连接至壳体的第二连杆。第二连杆和第一连杆在圆周运动物体上的共同位置上连接至圆周运动物体。
另一个实施例涉及将线性运动转化成旋转运动的组件。该组件包括当在第一力的作用下在第一线性方向中运动的第一线性部件，当第一线性部件线性运动时在旋转方向中运动的旋转部件。该旋转部件包括可旋转地连接至旋转部件的偏置旋转元件。该偏置旋转元件通过轴线点连接至第一线性部件从而使得尽管第一线性部件的方向改变，但旋转部件仍在连续的旋转方向中运动。该组件还包括在所述轴线点连接至偏置旋转部件的平衡部件。该平衡部件不在线性方向中运动，而是当偏置旋转部件运动时围绕壳体上的点旋转。
另一个实施例涉及一种用于将线性运动转化成旋转运动的***。该***包括线性运动的活塞和轮，轮具有可旋转地连接至轮一侧的转盘。转盘通过距离转盘中心点第一距离的轴线点连接至活塞，使得转盘随着活塞运动而运动，且转盘的运动导致轮旋转。
附图说明
图1是根据一个代表实施例的发动机的总透视图。
图2是图1发动机的总顶视图。
图3是用在图1发动机中的活塞的侧视图。
图4是图3活塞的顶视图。
图5是图1发动机旋转部件的侧视图。
图6是图1发动机活塞和旋转部件处于第一位置的剖视侧视图。
图7是图1发动机活塞和旋转部件处于第二位置的剖视侧视图。
图8是图1发动机活塞和旋转部件处于第三位置的剖视侧视图。
图9是图1发动机活塞和旋转部件处于第四位置的剖视侧视图。
图10是图1发动机旋转部件的分解侧视图。
图11是图1发动机旋转部件的剖视侧视图。
图12是图1发动机旋转部件的侧视图。
图13是根据一个代表实施例的V型双缸发动机的总透视图。
图14是图13发动机活塞和旋转部件处于第一位置的剖视侧视图。
图15是图13发动机活塞和旋转部件处于第二位置的剖视侧视图。
图16是图13发动机活塞和旋转部件处于第三位置的剖视侧视图。
图17是图13发动机活塞和旋转部件处于第四位置的剖视侧视图。
图18是图13发动机旋转部件的侧视图。
具体实施方式
图1表示发动机的一部分10，具有旋转部件12、活塞14和气缸盖16。活塞14位于旋转部件12之间。气缸盖16位于活塞14的末端。气缸盖16可以包括发动机缸盖部件，例如化油器、进气门、排气门和在上文相关技术讨论中所述的其它部件。如图2中所示，旋转部件12通过连杆18和连杆20连接至活塞14。
在运转中，燃料和空气的燃烧发生在气缸盖16之一中。该燃烧在活塞14上产生力以使其横向地朝着气缸盖16中的另一个运动。燃料和空气的燃烧在气缸盖16中的另一个中发生，并使活塞14朝着气缸盖16中的一开始的那个向回运动。在活塞14任一端燃烧的定时可以由正时电路调整。作为气缸盖16中正时点火的结果，活塞14横向地来回运动。活塞14的这种横向运动通过连杆18和20转化成活塞14所连接的旋转部件12的旋转运动。
图3表示活塞14，包括圆形孔23和矩形孔25。连接活塞14和旋转部件12的连杆18位于圆形孔23中的固定位置。同样连接活塞14和旋转部件12的连杆20位于矩形孔25中。连杆20位于矩形孔25中的部分不是在固定位置。如图4中所示，在一个实施例中，活塞14 具有平坦部分26和圆柱形部分28。圆柱形部分28构造成安装在参考图1和2所述的气缸盖16中。也可以采用活塞14的其它构造。
图5表示旋转部件组件，提供了根据一个实施例的旋转部件12构造的细节。该旋转部件组件包括主盘31、第一轴线32和偏离第一轴线32的***盘34。***盘34位于主盘31的切口部分中并围绕第二轴线36旋转。在一个替代实施例中，***盘34不位于主盘31的切口中而是连接至主盘31的表面。具有***盘34的实施例通常优选地用于实现组件中的质量平衡。图1和2中所示将活塞14连接至旋转部件12上的连杆18在距离***盘34的轴线(第二轴线36)一定距离处连接至***盘34。图1和2中表示的连杆20穿过活塞14的孔25并在第二轴线36处连接至***盘34。连杆20包括参考图10-12所述的横杆41。横杆41与主盘31的轴线处于相同平面中。
图6-9表示随着活塞14运动，旋转部件组件的运动。在图6中，活塞14处于其最左侧位置，在该位置时通过火花在左侧气缸中产生燃料和空气的爆燃，使活塞14朝右侧运动。***盘34相对于活塞14在主盘31的左侧。在图7中，活塞14位于中间点。主盘31在顺时针方向中运动，而***盘34在逆时针方向中运动。***盘34相对于活塞14在主盘31的顶部。在图8中，活塞14位于其最右侧位置，在该位置时通过火花在右侧气缸中产生燃料和空气的爆燃，使活塞14朝左侧运动。***盘34相对于活塞14在主盘31的右侧。在图9中，活塞14位于中间点。主盘31在顺时针方向中运动，而***盘34继续在逆时针方向中运动。***盘34相对于活塞14在主盘31的底部。随着活塞14在两个气缸盖16之间横向来回运动，旋转部件组件继续以这种方式运动。
图10表示参考图5所述的旋转部件组件的分解视图，表示主盘31、***盘34、连杆18和20以及第二轴线36。连杆20包括围绕第二轴线36旋转但处于参考图3和4所述的活塞14的矩形孔25中的横杆41。图11表示旋转部件组件的剖视图，而图12表示包括连杆18和20的旋转部件组件的侧视图。
一些优点源于参考图1-12说明的设计和操作。例如，该设计提供了不同直径旋转元件的平衡运动和均一速度。而且，与传统旋转传动相比，该设计使构成部件主动运动的时间增加。另一优点是，活塞14线性运动的速度与在相反方向中的运动相等，使得能够制造高功率、高转速的发动机，而与它们的工作容积无关。
与传统发动机相比，本文中所述发动机的优点是：简化了的活塞组件，减小了扭矩和振动的平衡旋转运动，活塞-气缸组件中的摩擦降低，和热负担减小。而且，由于活塞组件近似恒定的速度，该发动机的优点是具有更好的燃烧条件。来自结构和设计的其它优点转化为更高的效率和改善的性能。
所述发动机可用于很多用途。例如，该发动机设计可以用在各种汽车、压缩机、水轮机、气轮机、喷气发动机、推进器、液压装置和传动***中。例如，参考附图所述的设计可以用在自行车的传动***中。该设计也可以用于减小车辆碰撞造成的伤害，因为该设计提供反力从而比传统设计更容易地使车辆减速。
可以对本申请中所述的设计进行范围很宽的改变。例如，一种变化可以包括两个彼此成一定角度布置的活塞。这种应用要有四个气缸提供动力，但其比传统四缸发动机提供显著的改进。根据该设计用途的需要，也可以实现其它结构和变化。
在由发明人进行的性能测试中，该设计已经提供了比传统***大很多倍的力矩。本领域技术人员可以用公式表示所产生的力，使得这里所述设计的性能优点可以在数学上与已知***进行比较。
图13表示根据一个实施例的双气缸V型构造发动机的一部分100。在替代实施例中，该发动机具有不同数量的气缸，例如一个或三个。在图13中所示的部分100中，气缸盖102和气缸盖104在发动机缸体106上彼此成一定角度地布置。气缸盖102和104的位置形成V型构造。当容纳在气缸盖102和104中的活塞在发动机运转的过程中运动时，传动轴108旋转。气缸盖102和104可以包括发动机缸盖部件，例如化油器、进气门、排气门和其它部件。
如图14中所示，活塞112位于气缸盖102中，而活塞114位于气缸盖104中。活塞112和114在气缸盖102和104中来回(或上下)运动。连杆或连接件116和118将活塞112和114连接至可旋转横杆120上。可旋转横杆120将连杆116和118连接至位于主盘124中的***盘122。***盘122和主盘124是旋转部件组件的组成部分，其由于活塞112和114的运动而旋转。优选地，可旋转横杆120相对于***盘122固定，并可相对于连杆116和118旋转。连接的连杆116和118也在可旋转横杆120处连接至平衡杆126。平衡杆126在发动机缸体106上的点128处连接至发动机缸体106。
图14-17表示当活塞112和114移动时，部分100的旋转部件组件的运动。在图14中，活塞112和114处于气缸盖102和104中最低的位置。***盘122位于主盘124的底端或与气缸盖102和104相对的主盘124的端部。当***盘122处于该位置时，平衡杆126位于相对于发动机缸体106上的点128而言的水平方向下方一定角度。
在图15中，活塞112和114处于比图14中更高的位置，大致在气缸盖102和104的中间。***盘122位于主盘124右侧。当***盘122处于该位置时，平衡杆126位于相对于发动机缸体106上的点128而言的水平位置上。
在图16中，活塞112和114位于气缸盖102和104中的最高位置。***盘122位于主盘124的顶端或者最靠近气缸盖102和104的主盘124端部。当***盘122处于该位置时，平衡杆126位于相对于发动机缸体106上的点128而言的水平方向上方的位置。
在图17中，活塞112和114处于比图14中更低的位置，大致在气缸盖102和104的中间。***盘122位于主盘124左侧。当***盘122处于该位置时，平衡杆126位于相对于发动机缸体106上的固定点128而言的水平位置上。
图18表示包括***盘122和主盘124的旋转部件组件。可以看到，图18的旋转部件组件可与参考图5中所述的旋转部件组件比较。***盘122布置在主盘124的切口部分中，并围绕第二轴线130旋转。主 盘124围绕第一轴线131旋转。在一个替代实施例中，***盘122不处于主盘124的切口中，而是连接至主盘124的表面上。具有***盘122的实施例通常优选地用于实现组件中质量的平衡。图14-17中所示的将活塞112和114连接至旋转部件的连杆116和118在距离***盘122的轴线(第二轴线130)一定距离处连接至***盘122。
在操作中，燃料和空气的燃烧发生在气缸盖102和104中的一个或两者中。当燃烧发生在气缸盖102和104两者中时，优选地使用正时电路或其它装置来使燃烧同步，以使燃烧同时发生。通常，当活塞112和114在气缸盖102和104中处于其最高点时发生该燃烧。此时，活塞112和114的顶部与气缸盖102和104之间的空气体积最小。这种燃烧在活塞112和114上产生力，以使它们朝着气缸盖102和104的相对端运动。活塞112和114的横向运动被转化成***盘122和主盘124的旋转运动。这种旋转运动使传动轴108旋转。
虽然已经说明了本发明的一些实施例，但应理解本领域技术人员可以对本发明进行适当的修改和变化。例如，虽然所述特定实施例和方案构想了特定构造和尺寸，但其它设计和尺寸也可以包括本文所述的功能性。而且，虽然以采用一个活塞为例来描述代表的实施例，但也可以采用多个活塞。本发明不限于特定实施例，而是扩展至落入后附权利要求的范围和精神中的各种修改、组合和置换。

Claims (29)

1. 一种发动机，包括：
旋转部件，该旋转部件包括旋转部件所围绕旋转的第一轴线，该旋转部件还包括用于将该旋转部件连接至偏置旋转元件的第二轴线；
第一线性部件，其通过第一连接而连接至偏置旋转元件；
第二线性部件，其在一端通过所述第一连接而连接至偏置旋转元件，并在相对端连接至固定壳体，其中第一线性部件以横向方式从第一位置至第二位置来回运动，第一线性部件的横向运动导致旋转部件在一个方向中的连续旋转运动。
2. 根据权利要求1所述的发动机，其中偏置旋转元件位于旋转部件的切口中。
3. 根据权利要求1所述的发动机，还包括第三线性部件，其连接至偏置旋转元件，并相对于第一线性部件布置成一定角度以形成V形。
4. 根据权利要求3所述的发动机，其中第一和第三线性部件是具有圆柱形端部的活塞，所述圆柱形端部布置在燃烧室中。
5. 根据权利要求4所述的发动机，其中燃烧室容纳燃料和空气，并提供火花以点燃燃料和空气。
6. 根据权利要求4所述的发动机，其中燃烧室容纳由活塞运动压缩的空气，并喷射燃料，以在压缩空气和喷射的燃料之间造成点燃。
7. 根据权利要求3所述的发动机，其中第一线性部件和第三线性部件以同步的方式在分别的圆柱形室中运动。
8. 根据权利要求1所述的发动机，还包括连接至偏置旋转元件并与第一线性部件布置成线性关系的第三线性部件。
9. 一种将线性运动物体连接至圆周运动物体的连接，该连接包括：
在距离圆周运动物体轴线第一距离处将第一线性运动物体连接至圆周运动物体的第一连杆；和
将圆周运动物体连接至壳体的第二连杆，其中第二连杆和第一连杆在圆周运动物体上的一个共同位置处连接至圆周运动物体。
10. 根据权利要求9所述的连接，其中所述圆周运动物体可旋转地连接至第二圆周运动物体。
11. 根据权利要求9所述的连接，还包括用于将第二线性运动物体连接至所述圆周运动物体的第二连杆。
12. 一种将线性运动转化成旋转运动的组件，该组件包括：
当在第一力的作用下在第一线性方向中运动的第一线性部件；
当第一线性部件线性运动时在旋转方向中运动的旋转部件，该旋转部件包括可旋转地连接至旋转部件的偏置旋转元件，其中该偏置旋转元件通过轴线点连接至第一线性部件，从而使得旋转部件在连续的旋转方向中运动，而不管第一线性部件的方向改变；和
在所述轴线点处连接至所述偏置旋转部件的平衡部件，该平衡部件不在线性方向中运动，而是当所述偏置旋转部件运动时围绕壳体上的一点旋转。
13. 根据权利要求12所述的组件，其中所述偏置旋转元件位于所述旋转部件的凹陷区域中。
14. 根据权利要求12所述的组件，其中所述偏置旋转元件可旋转地连接至所述旋转部件的表面。
15. 根据权利要求12所述的组件，还包括当在第二力的作用下在第二线性方向中运动的第二线性部件，该第二线性部件通过所述轴线点连接至所述偏置旋转元件。
16. 一种用于将线性运动转化成旋转运动的***，该***包括：
线性运动的活塞；和
轮，其具有可旋转地连接至轮一侧的转盘，该转盘通过距离转盘中心点第一距离的轴线点连接至活塞，使得转盘随着活塞运动而运动，且转盘的运动导致轮旋转。
17. 根据权利要求16所述的***，其中转盘位于轮的凹陷切口中。
18. 根据权利要求16所述的***，还包括线性运动的第二活塞，该第二活塞在所述轴线点连接至转盘。
19. 根据权利要求18所述的***，其中所述活塞和第二活塞彼此成V形角布置。
20. 根据权利要求18所述的***，还包括平衡杆，其一端位于壳体上，而相对端位于所述轴线点上。
21. 根据权利要求20所述的***，还包括正时电路，其调节两个动力源从而以同步方式向所述活塞和第二活塞输出力。
22. 根据权利要求18所述的***，其中所述活塞和第二活塞位于同一个平面中。
23. 一种发动机，包括：
旋转部件，该旋转部件包括旋转部件所围绕旋转的第一轴线，该旋转部件还包括将该旋转部件连接至偏置旋转元件的第二轴线；和
线性部件，其通过相对于线性部件固定在适当位置的第一连接和在线性部件中的空间内运动的第二连接而连接至偏置旋转元件上，其中线性部件以横向方式从第一位置至第二位置来回运动，线性部件的横向运动导致旋转部件在一个方向中的连续旋转运动。
24. 根据权利要求23所述的发动机，其中所述偏置旋转元件位于所述旋转部件的切口中。
25. 根据权利要求23所述的发动机，其中所述线性部件是具有两个圆柱形端部的活塞，这两个圆柱形端部位于燃烧室内中。
26. 根据权利要求25所述的发动机，其中燃烧室容纳燃料和空气，并提供火花以点燃燃料和空气。
27. 根据权利要求25所述的发动机，其中燃烧室容纳由圆柱形室运动压缩的空气，并喷射燃料以在压缩空气和喷射的燃料之间造成点燃。
28. 根据权利要求23所述的发动机，其中所述第二连接包括在所述偏置旋转元件的中心可旋转地连接至偏置旋转元件的轴，和离开该轴布置并处于所述线性部件中的空间内的横杆。
29. 根据权利要求23所述的发动机，还包括燃烧室，所述线性部件的端部在燃烧室中运动，燃烧室提供使线性部件运动的力以及协调燃烧室的点燃与线性部件位置的正时装置。
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全文.
说明书第3栏第63行至第4栏第31行、附图1-3.

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