专利名称：控制机械活塞运动的方法实现该方法的装置和所述装置的平衡的制作方法
技术领域：
本发明涉及活塞发动机、往复压缩机或任何具有活塞的机械的连杆/曲轴系统的工作动力学，特别涉及具有独立燃烧和/或膨胀室的无污染或污染小的发动机。
两冲程或四冲程内燃机主要采用公知的连杆/曲柄系统驱动一在汽缸内滑动的活塞(和被其驱动)来进行工作。该活塞在其下行冲程吸入空气/燃油混合物，然后在其上行冲程将该空气/燃油混合物向汽缸顶部的燃烧室压缩，在压缩到最小容积时将其点燃，则其温度和压力上升。这样升高到很高压力的气体进行膨胀，推动活塞返回，其压力下降，通过连杆驱动曲轴旋转，因而完成已知的动力冲程。
由一基本呈正弦波形曲线表示的活塞行程形成活塞恒定运动，尽管活塞的运动在靠近上死点时减慢，但是活塞一直是在运动中的。这种情况给发动机制造者带来最大的难题，尤其是当到达上死点之前经点燃而引起燃烧的时候。燃烧开始，因而引起压力升高，它作负功，损失一部分发动机出力，同时活塞开始其下行冲程，燃烧室容积增大使压力下降，使得当燃料没有完全燃烧时燃烧趋于增强。同样，在排气口关闭进气口打开时，在气口早开和早闭的运动期间，压力下降作负功。
在本发明人已公开的专利申请WO96/27737中已描述了对具有独立外燃烧室的发动机去污染的方法，采用两种能源以两种工作原理进行工作，如采用普通汽油或柴油型燃料，在公路(单形式空气/燃油驱动)上或在低速时特别是在城市或近郊，排除任何其它燃油，加入压缩空气或任何其它非污染气体(单形式空气驱动，即具有补充压缩空气)。在本发明人的专利申请96/07714中描述了在这种具有补充压缩空气单形式工作中的用于服务业机动车如城市公共汽车的发动机类型的装备。
在这类发动机中，在空气/燃油模式，将该空气/燃油混合物吸入一独立入口和压缩室并被压缩。该混合物然后在压力作用下传递给一独立的恒容积燃烧室点燃，从而使所述混合物温度和压力升高。经过将所述燃烧或膨胀室连接一降压膨胀排气室的传递口后，该混合物在降压膨胀排气室中膨胀以作功。该膨胀的气体然后通过排气管排入大气中。
当靠空气工作时，在低功率下，不再进行燃油喷射；在这种情况下，稍稍在来自吸入口和压缩室的无燃油压缩空气进入后者之后，来自外部储气罐小量补充压缩空气被引入燃烧室，该储气罐中贮存具有环境温度的高压空气，如200bar。加热该具有环境温度的小量压缩空气，碰到燃烧或膨胀室内的高温空气，该压缩空气膨胀和提高该室中的压力，使得发动机在膨胀中进行作功。
在已知一种无污染或去污染的发动机的这类发动机中，气体或空气由燃烧室传递给降压膨胀室还必须开始于上死点并作负功之前，当活塞开始其下行冲程前需要在降压膨胀室形成该压力时，负功有损于发动机的正确工作。
普通连杆/曲柄系统的主要问题在于点燃、燃烧、喷射、传递排气结束和/或开始吸气过程中的出力损失和污染。为解决这个问题，已经表明这些作用发生于总是发生改变的容积，特别是活塞总是在运动的并且容积因此永远不是恒定的。
尤其是，本发明的目的在于提供一种控制机器如发动机或压缩机的活塞运动的方法，其特征在于所述实现方法，特别是，活塞在上死点停止运动，并且活塞保持在上死点一段时间，使得以恒定容积下完成下述操作对于普通发动机来说，点燃和燃烧的操作，对于柴油发动机来说，喷射燃油的操作，对于具有独立燃烧和/或膨胀室的发动机来说，传递气体和/或压缩空气的操作，对于所有发动机和其它压缩机来说，排气结束和进气开始的操作。
因此对于传统的两冲程或四冲程发动机来说，有可能当活塞保持在上死点并且燃烧室保持其恒定的最小容积时点燃燃料，在开始活塞下行冲程之前等待燃料完全燃烧，这可取得在早点火时(像在现有发动机那样)降低反压力的效果，并且依靠更完全的燃烧可实现只产生少量污染的废气排放。
对于一柴油发动机来说，有可能在活塞处于上死点时喷射燃油，这样就避免由于在上死点之前开始燃烧而产生反压力和由此进行的作负功。
因此，对于具有独立燃烧室和/或膨胀室的发动机来说，有可能将气体和/或压缩空气的压力传递进降压膨胀室而不会在活塞到达上死点前产生任何反压力，并且在活塞开始其增大降压膨胀室容积的下行冲程前等待传递发生，这会避免反压力造成的压力损失并因此损失功率。
在所有情况下，有可能在活塞到达上死点之时或稍稍之前不久关闭排气口，这样避免了由于在活塞开始其下行冲程之前早关闭和打开进气口造成的压力降低。
可以采用本领域技术人员已知的任何方法如凸轮、小齿轮等使活塞停止并使其保持在上死点。
使活塞停止在上死点，作为优选例，根据本发明的另一种情况，活塞由一由连杆/曲柄系统控制的压力杆(pressure lever)装置控制。术语“压力杆”用于说明一具有两铰接臂的系统，其中一臂具有固定端或支点，其另一臂可沿一轴线移动。如果当两臂在两臂之间的铰节上成一直线时，施加一大约垂直于两臂轴线的作用力，则可推动其自由端。该自由端可连接于活塞并控制其运动。当两铰接杆形成一个杆为另一杆延长的部分(大约成180°)时，活塞大约到达其上死点。
曲轴由一控制连杆连接到两臂的铰接销。各组件的空间位置和其尺寸使该总成的动力学特性改变。固定端的位置决定活塞的移动轴线和两臂成一直线时的轴线之间的夹角。曲轴的位置决定控制连杆与两臂成一直线时的轴线之间的夹角。这些角度值的变化以及连杆和臂的长度变化有可能决定活塞为此停止在上死点的曲轴旋转角。这对应于活塞为此而停止的持续时间。
根据一特别实施例，该整个装置(活塞和压力杆)通过使下臂伸出超过其固定端或支点进行平衡，采用方向相反、对称的并具有相同惯性矩镜像(mirror-image)压力杆，一具有相同惯性矩的、方向与所述活塞相反的质块与其相连，该质块可沿平行于活塞位移轴线的一轴线移动。惯性矩表示其质量乘以其重心到参考点的距离之积。在多缸发动机的情况下，对置质块可为一与所述活塞同样工作的平衡活塞。
本发明适用于所有类型的普通燃烧发动机，特别适用于具有恒定容积的独立燃烧或膨胀室的无污染和去污染发动机，也应用于压缩机或其它包括活塞的机器。活塞的数量(sic)、连杆的形状和尺寸可以改变，而不会使上述的本发明有任何改变。
通过阅读参照附图给出的几个实施例的说明，其它目的、优点和特点会更显而易见，该说明并不是暗指的限定。其中
图1为根据本发明控制活塞动态的实施例的横剖面视图；图2为根据本发明的活塞冲程曲线和传统活塞冲程曲线比较图；图3为根据本发明采用具有相同惯性矩的质块设置平衡的装置视图；图4为根据本发明采用反向工作活塞设置平衡的装置视图。
图1为一根据本发明的装置的横剖面视图，为实现该装置，其中在汽缸2内滑动的活塞1(图中所示其处于上死点)由一压力杆控制。活塞1通过其销轴与包括臂3的压力杆自由端1A相连，臂3绕与另一臂4共有的销轴5转动，臂4固定于固定销轴6上并绕其转动。控制连杆7固定于臂3和臂4的共有销轴5上，该控制连杆7与曲轴9的肘销8相连，曲轴9绕其销轴10转动。当曲轴转动时，控制连杆7向压力杆的两臂3和4的共有销轴5施加作用力，这样使活塞1沿汽缸2的轴线运动，反过来在作功冲程则将施加在活塞1上的作用力传递给曲轴9，因而使其旋转。固定销轴6位于活塞1的移动轴线的一侧，并使活塞的移动轴线与两臂3和4成一直线时的对准线X’X之间形成一夹角A。曲轴位于汽缸和/或压力杆的轴线的一侧，其位置使一控制连杆7与两臂3和4成一直线时的对准线X’X之间形成一夹角B。通过改变角度A和B以及不同连杆和臂的长度，以改变该总成的动态特性，从而获得活塞1的冲程曲线，该冲程曲线是非对称的并决定曲轴的旋转角，使活塞1保持静止在上死点。
通过对根据本发明装置的一实施例的非限制性例子，活塞的移动形成如图2所示的曲线，具有下述尺寸和位置曲轴行程 32.8mm控制连杆7的长度99.76mm活塞杆3的长度 124mm活塞杆4的长度 128mm角度A21.4°角度B29.6°可以由图2中看到，在这种布置中，在曲线11上活塞保持在上死点超过一70°角，而具有普通连杆/曲柄系统的相同冲程的活塞移动曲线12显示活塞只停止在一点(上死点)。
这样本领域的技术人员可选择活塞静止在上死点的合适时间以满足理想的工作参数燃烧周期、传递持续时间等，而不因此改变本发明原理。
见图3该动态总成根据本发明进行平衡，由包括两臂3A和4A的镜像压力杆延伸下臂4超过其静止端或枢轴6，两臂3A和4A铰接于一共同销轴5A，在其自由端1B固定一沿平行于活塞1移动轴线的轴移动的质块15。由下臂4伸出的臂4A实际是相同部分。对于枢点6，臂4和4A的惯性矩是相同的，并且臂3和3A的惯性矩和活塞1与其平衡块15的惯性矩的情况也是一样的。压力杆系统是这样妥善平衡的，而控制连杆7和曲轴总成以普通方式进行平衡。当平衡单汽缸发动机或非对称多汽缸总成时，这种布置特别有利。
在对称的多汽缸总成的情况下，如图4所示，平衡块是一沿平行于活塞1的轴移动的对置活塞1C，并且上述活塞彼此平衡。臂3A和4A与臂3和4是彼此对称的。
本发明不局限于描述和图示的实施例。角度A和B可以彼此或分别是正角或负角或不同时为零。汽缸数可为偶数或奇数，可采用其它方式如凸轮或小齿轮或其它方法获得活塞停止和保持其静止在上死点的方法，而不会因此改变上述的本发明。
权利要求
1.一种控制发动机或压缩机的或无污染或降低污染发动机的活塞运动的方法，其特征在于活塞在上死点停止其运动，并且活塞保持在上死点一段时间，使得在恒定容积下完成下述操作对于普通发动机来说，进行点燃和燃烧的操作，对于柴油发动机来说，进行喷射燃油的操作，对于具有独立燃烧和/或膨胀室的发动机来说，进行传递气体和/或压缩空气的操作，对于所有发动机和其它压缩机来说，排气结束和开始进气的操作。
2.如权利要求1所述的控制活塞运动的方法，其特征在于在具有独立燃烧和/或膨胀室的发动机中，当活塞静止在上死点时将气体由燃烧和/或膨胀室传递到降压膨胀室，可在活塞开始下行冲程之前在降压膨胀室内形成一定压力，下行冲程会使容积增大而不利于保持压力。
3.如权利要求1所述的控制活塞运动的方法，其特征在于在普通内燃机中，当活塞静止在上死点时进行点燃和燃烧气体混合物的操作，一方面可避免由于上死点之前的早点火而产生反压力，另一方面可长一点时间燃烧所述混合物，因此可改善燃烧。
4.如权利要求1所述的控制活塞运动的方法，其特征在于在柴油型发动机中，当活塞静止在上死点时进行引起燃烧的燃油喷射，可避免由于在上死点之前点燃喷射柴油使压力升高而产生反压力。
5.如权利要求1至3之一所述的控制活塞运动的方法，其特征在于至少在活塞静止在上死点的部分时间内进行关闭排气口和/或打开进气口的操作
6.实现如权利要求1至5之一所述的控制活塞运动的方法的装置，其特征在于活塞(1)的位移由包括铰接在一起的两臂(3、4)的压力杆控制，其中一臂具有固定端(6)，另一臂(3)具有一自由端与活塞(1)的活塞销相连，当作用力施加在两臂(3、4)共有的销轴(5)时，活塞(1)沿汽缸的轴线移动，所述作用力由一控制连杆(7)传递，控制连杆(7)将压力杆的两臂(3、4)的共有销轴(5)与曲轴(9)的肘销(8)相连，曲轴(9)关于活塞(1)的移动轴线一侧设置，在动力冲程当作用力施加在活塞(1)上时所述控制连杆(7)驱动曲轴旋转，例如其特征在于当压力杆的两臂(3、4)沿直线轴(X’X)排列成直线时，固定端(6)的位置决定一夹角(A)，并且曲轴(9)的侧面定位决定控制连杆(7)与压力杆的两臂(3、4)成直线的轴线(X’X)之间的另一夹角(B)，所决定的这些夹角可为正角负角或不同时为零。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于压力杆的两臂(3、4)成直线的轴线(X’X)与活塞(1)的位移轴线之间形成的夹角(A)值的变化以及成直线的轴线(X’X)与控制连杆(7)之间的夹角(B)值的变化、控制连杆(7)和压力杆的两臂(3、4)的长度值变化形成装置的总体动力学并决定活塞静止在上死点的曲轴旋转角。
8.如权利要求6和7之一所述的装置，其特征在于，为了平衡目的，使下臂(4)由铰接于共同销轴(5A)的两臂(4A、3A)构成的镜像(mirror-image)活塞杆使延伸超过其固定端或支点(6)，而销轴(5A)在自由端1B连接一沿平行于活塞(1)移动轴线的轴线运动的质块(15)，这样关于固定端或支点(6)，连接到铰接销(5、5A)的固定端(4、4A)的臂的惯性矩、连接活塞的和连接质块(3、3A)的臂的惯性矩以及活塞(1)和平衡块(15)的惯性矩是彼此相同的。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于所述平衡块是一对置的活塞(1C)，其重量、惯性矩和运转与主活塞(1)的重量、惯性矩和运转相同。
全文摘要
本发明涉及一种控制机械活塞运动的方法,以在通过使活塞停止和保持在其上死点位置一段时间内在恒定容积下实现在具有独立燃烧室的发动机内传递气体或在标准发动机内点燃和燃烧的过程。本发明还涉及一种实现该方法的装置,其中活塞(1)由一本身由曲轴(9)和连杆(7)控制的压力杆(3、4)控制。
文档编号F01B17/00GK1272162SQ9880958
公开日2000年11月1日 申请日期1998年10月16日 优先权日1997年10月17日
发明者居伊·内格尔 申请人:居伊·内格尔