НАПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОРШНЕВОГО МЕХАНИЗМА И СПОСОБ
GUIDE DEVICE FOR PISTON MECHANISM  AND METHOD

Область техники
Настоящее изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, и в частности поршневым двигателям внутреннего сгорания. Более конкретно, настоящее изобретение относится к направляющему устройству для поршневого механизма двигателей внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня.
Уровень техники
Двигатель внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня раскрыт в патенте США US5243938, который включен сюда полностью путем ссылки. В двигателе с дифференциальным ходом поршня поршень совершает четыре отдельных хода - впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск, за один оборот коленчатого вала. Внутренняя часть поршня скользит вдоль соответствующей стенки отверстия цилиндра, направляемая на конце камеры головкой поршня. Внутренняя часть поршня соединена со штоком поршня, скользящим вдоль отверстия поршневого пальца, который совершает линейное перемещение в продольном направлении вдоль оси цилиндра, когда рычаг поршня совершает качательные движения, чтобы совершать ходы внутренней части поршня. Это вызывает нежелательные напряжения на компонентах и может привести к преждевременному износу и разрушению, например на поршневых кольцах, на штоке поршня и на стенке цилиндра. Поэтому имеется потребность в двигателе внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня, который сочетает в себе преимущества четырех ходов поршня с преимуществом одного оборота коленчатого вала на цикл, не вызывая при этом преждевременного износа и разрушения и нежелательных напряжений на компонентах поршневого механизма.
Сущность изобретения
Согласно одному аспекту, раскрытые здесь варианты воплощения относятся к двигателю внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня, имеющему вал двигателя и поршень, выполненный с возможностью возвратно-поступательно перемещения в камере цилиндра, который содержит внутреннюю часть поршня, шток поршня, соединенный на первом конце с упомянутой внутренней частью поршня, наружную часть поршня, служащую в качестве носителя для упомянутой внутренней части поршня и соединенную с упомянутым валом двигателя, причем упомянутая внутренняя часть поршня выполнена с возможностью работать по циклу, отличному от цикла упомянутой наружной части поршня, и управляющий рычажный механизм, соединенный с упомянутым двигателем в точке крепления, и упомянутый управляющий рычажный механизм шарнирно соединен со вторым концом упомянутого штока поршня, определяя точку копирования, причем упомянутый управляющий рычажный механизм направляет и определяет перемещение упомянутой точки копирования таким образом, что оно по существу выровнено с осью упомянутой камеры цилиндра.
Согласно другим аспектам, раскрытые здесь варианты воплощения относятся к управляющему и направляющему устройству для использования с поршнем, имеющим шток поршня, расположенный в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, упомянутое управляющее и направляющее устройство включает в себя шарнирный четырехзвенник, содержащий звено рычага поршня, шарнирное звено, силовое звено и звено коромысла, в котором положение упомянутого шарнирного четырехзвенника определяют первое шарнирное соединение первого конца упомянутого шарнирного звена и первого конца упомянутого звена коромысла, второе шарнирное соединение второго конца упомянутого шарнирного звена и упомянутого звена рычага поршня, третье шарнирное соединение второго конца упомянутого звена коромысла и первого конца упомянутого силового звена, и четвертое шарнирное соединение второго конца упомянутого силового звена и упомянутого звена рычага поршня, в котором упомянутое звено рычага поршня шарнирно соединено на одном конце с упомянутым штоком поршня, чтобы определять линейное перемещение упомянутого штока поршня в продольном направлении вдоль упомянутой оси цилиндра.
Согласно другим аспектам, раскрытые здесь варианты воплощения относятся к способу работы управляющего и направляющего устройства для поршневого механизма двигателя внутреннего сгорания, включающего в себя внутреннюю часть поршня, имеющую шток поршня и перемещающуюся в цилиндре, направляемую упомянутым штоком поршня, способ включает в себя обеспечение управляющего и направляющего устройства для поршневого механизма, содержащего звено рычага поршня, шарнирно соединенное в первом месте с концом упомянутого штока поршня, определяя точку копирования, и рычажный механизм, соединенный с упомянутым рычагом поршня во втором месте упомянутого рычага поршня, и упомянутый рычажный механизм дополнительно шарнирно соединен с упомянутым двигателем в некотором месте, определяя точку крепления, и приведение в действие упомянутого рычажного механизма и перемещение упомянутой точки копирования линейно и параллельно в упомянутом цилиндре по существу вдоль оси цилиндра.
Краткое описание чертежей
Изобретение иллюстрируется на прилагаемых чертежах.
Фиг. 1 иллюстрирует схематический вид направляющего устройства для поршневого механизма согласно одному или более вариантам воплощения настоящего изобретения.
Фиг. 2 иллюстрирует вид в поперечном разрезе, перпендикулярно оси вращения коленчатого вала двигателя с дифференциальным ходом поршня, имеющего встроенное в него направляющее устройство для поршневого механизма, показанное на фиг. 1.
Подробное описание
Аспекты, признаки и преимущества приведенных здесь одного или более вариантов воплощения описываются более подробно с помощью чертежей, на которых подобные ссылочные позиции обозначают подобные элементы. Описанные здесь варианты воплощения обеспечивают направляющее устройство (или механизм) для поршневого механизма, встроенное в поршневой механизм в двигателе внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня.
На фиг. 1 показан схематический вид направляющего устройства для поршневого механизма согласно одному или более вариантам воплощения настоящего изобретения. Направляющее устройство (или механизм) 100 для поршневого механизма может быть встроено в поршневой механизм в двигателе внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня, иллюстрируемом на фиг. 2. Здесь «поршневой механизм» может включать в себя поршень, звено рычага поршня и направляющее устройство, которые соединены вместе в один механизм и выполнены с возможностью работать в двигателе. Направляющее устройство также может быть названо здесь как «управляющее и направляющее устройство» или «управляющий рычажный механизм».
Двигатель внутреннего сгорания с дифференциальным ходом поршня типично включает в себя блок 210 цилиндров, имеющий одно или более отверстий 212 цилиндра, и внутреннюю часть 220 поршня, расположенную внутри каждого из одного или более отверстий 212 цилиндра. Внутренняя часть 220 поршня может находиться в скользящем контакте со стенкой 213 соответствующего отверстия цилиндра. Шток 230 поршня соединен на первом конце 232 с внутренней частью 220 поршня и шарнирно соединен на втором конце 234 с звеном 110 рычага поршня. Шарнирное соединение может определять точку 102 «копирования», описываемую более подробно ниже.
Направляющее устройство 100 включает в себя рычажный механизм (например, шарнирный четырехзвенник), содержащий часть 111 звена 110 рычага поршня, шарнирное звено 112, силовое звено 114 и звено 118 коромысла. В отношении определения положения шарнирного четырехзвенника, направляющее устройство 100 может быть шарнирно соединено с блоком 210 цилиндров в первом шарнирном соединении 120 первого конца шарнирного звена 112 и первого конца звена 118 коромысла. Шарнирное соединение определяет точку 104 «крепления», описываемую более подробно ниже. Шарнирный четырехзвенник далее включает в себя второе шарнирное соединение 122 второго конца шарнирного звена 112 и первого конца части 111 звена 110 рычага поршня, третье шарнирное соединение 124 второго конца звена 118 коромысла и первого конца силового звена 114, и четвертое шарнирное соединение 126 второго конца силового звена 114 и второго конца части 111 звена 110 рычага поршня.
Направляющий элемент или направляющий ролик 130 соединен (например, с возможность вращения) с силовым звеном 114 в «исходной» точке (или оси) 106. «Исходная» точка 106 располагается на пересечении между силовым звеном 114 и воображаемой линией (обозначенной как линия 108), образованной между точкой 102 «копирования» и точкой 104 «крепления». Направляющий ролик 130 может находиться в скользящем контакте или контакте качения с направляющим средством 240. В некоторых вариантах воплощения направляющее средство 240 может быть образовано за одно целое с блоком 210 цилиндров в виде структуры в этом блоке. Например, направляющее средство может быть образовано в виде канала, углубления или другой структуры в двигателе. В других вариантах воплощения направляющее средство 240 может быть жестко прикреплено к блоку 210 цилиндров. Как показано на чертежах, в некоторых вариантах воплощения направляющее средство 240 может быть линейным или по существу линейным. Направляющий ролик 130 перемещается внутри направляющего средства 240 таким образом, что направляющий ролик 130 и «исходная» точка 106 перемещаются вдоль направляющей оси 150 направляющего средства 240, которая параллельна оси 250 цилиндра 212. В некоторых вариантах воплощения направляющее средство может включать в себя пружинный элемент (не показан) любого типа, соединенный с упомянутым рычажным механизмом, действующий таким образом, чтобы центрировать и направлять упомянутую точку «копирования» по существу вдоль упомянутой оси камеры цилиндра.
Шарнирный четырехзвенник направляющего устройства 100 может быть сконфигурирован таким образом, чтобы образовать пантографический механизм или устройство. Специалистам в этой области техники понятно, что пантографический механизм может быть образован из механических звеньев, соединенных в виде параллелограмма, так что перемещение одной точки механизма (например, «исходная» точка 106) ведет к соответствующим (и, возможно, в масштабе) перемещениям во второй точке механизма (например, точка 102 «копирования»).
В некоторых вариантах воплощения масштабированное перемещение точки 102 «копирования» ограничивается вдоль оси 250 цилиндра перемещением «исходной» точки 106 вдоль направляющей оси 150. Пантографический механизм, образованный шарнирным четырехзвенником, который эффективно передает движение управляемым образом, используется для направления перемещения точки 102 «копирования». Соответственно, в некоторых вариантах воплощения шарнирный четырехзвенник содержит пантографический механизм, который направляет звено 110 рычага поршня таким образом, что оно перемещается в шарнирном соединении со штоком 230 поршня (т.е. в точке 102 «копирования») прямолинейно в продольном направлении вдоль оси 250 цилиндра. Другими словами, когда «исходная» точка 106 перемещается вдоль направляющей оси 150 линейной направляющей 240, точка 102 «копирования» перемещается линейно в продольном направлении вдоль оси 250 цилиндра 212.
Следует понимать, что другие направляющие элементы или средства могут также использоваться с шарнирным четырехзвенником направляющего устройства 100 в местах, имеющих функциональную связь с линейным перемещением точки 102 «копирования». В качестве примера, направляющий элемент или направляющий ролик могут располагаться на звене 110 рычага поршня в соединении 126 с силовым звеном 114. В этом примере, изогнутый или нелинейный направляющий канал может направлять боковое перемещение звена 110 рычага поршня таким образом, что шарнирное соединение 102 между звеном 110 рычага поршня и штоком 230 поршня совершает линейные перемещения в продольном направлении, выровненные с осью 250 цилиндра, когда звено 110 рычага поршня совершает качательные движения, чтобы приводить в действие и совершать ход внутренней части 220 поршня.
В некоторых вариантах воплощения функциональная связь существует между конкретным местом в рычажном механизме и точкой 102 «копирования». Например, функциональная связь может включать в себя перемещение конкретного места на рычажном механизме и в результате этого соответствующее перемещение точки 102 «копирования». Далее, функциональная связь может включать в себя перемещение конкретной точки в рычажном механизме, линейное или нелинейное, и в результате этого линейное перемещение точки 102 «копирования». В некоторых вариантах воплощения, конкретное место в рычажном механизме может включать в себя «исходную» точку 106. Соответственно, направляющий элемент или направляющий ролик 130 могут использоваться с шарнирным четырехзвенником в определенных местах, чтобы обеспечить линейное перемещение точки 102 «копирования», что будет понятно специалистам в этой области техники.
В некоторых вариантах воплощения, может использоваться пружинное средство (не показано), расположенное или прикрепленное в любом месте в поршневом механизме. Например, пружинное средство может располагаться проксимально относительно шарнирного соединения 122 (второго конца шарнирного звена 112 и первого конца части 111 звена 110 рычага поршня) и может ограничивать или направлять боковое перемещение звена 110 рычага поршня. Под боковым перемещением понимается перемещение, которое по существу не выровнено с осью 250 цилиндра. Возможно использовать пружинное средство любого типа, что будет понятно специалистам в этой области техники. Далее, пружина может быть прикреплена на одном конце к блоку цилиндров, а на другом конце к поршневому механизму. В качестве альтернативы, пружина может быть прикреплена только к блоку цилиндров. Пружина может действовать таким образом, чтобы ограничивать или уменьшать боковое перемещение шарнирного звена 112 таким образом, что шток 230 поршня остается в допустимых пределах, по существу, выровнен с осью 250 цилиндра.
На фиг. 2 показан вид в поперечном разрезе, нормальном оси вращения коленчатого вала двигателя с дифференциальным ходом поршня, имеющего встроенное в него управляющее и направляющее устройство 100 согласно одному или более вариантам воплощения настоящего изобретения.
Поршень с дифференциальным ходом перемещается внутри неподвижного цилиндра 212 между неподвижной головкой 16 цилиндра наверху и вращающимся коленчатым валом 18 внизу, обращаясь к ориентации двигателя, показанной на фиг. 2. Наполнением и освобождением цилиндра 212 управляют с помощью впускного клапана 17а и выпускного клапана 17b, соответственно. Горение инициируется с помощью свечи 20 зажигания (не используется в дизельных двигателях) в головке 16 цилиндра. Двигатель может работать таким образом, чтобы выполнять один полный цикл сгорания за один оборот двигателя.
Поршень с дифференциальным ходом имеет внутреннюю часть 220 поршня, которая закрывает и уплотняет камеру двигателя, и наружную часть 231 поршня, которая соединена с помощью шатуна 22 с коленчатым валом 18, а также служит в качестве носителя для внутренней части 220 поршня во время этапов этого цикла. Раскрытые здесь варианты воплощения обеспечивают, что внутренняя часть 220 поршня совершает четыре хода за цикл работы, а наружная часть 231 поршня совершает два хода за цикл работы. Во время этапов выпуска и впуска цикла работы внутренняя часть 220 поршня и наружная часть 231 поршня приводятся в действие и управляются с помощью управляющего и направляющего устройства 100, описанного на фиг. 1. Как показано на чертеже, в некоторых вариантах воплощения, направляющее устройство 100 может располагаться снаружи относительно цилиндра и отверстия 212 цилиндра и в стороне относительно перемещений частей поршня и вала двигателя. При этом наружная часть 231 поршня продолжает перемещаться под управлением щеки 24 коленчатого вала и шатуна 22.
Предпочтительно, раскрытые здесь варианты воплощения предлагают управляющее и направляющее устройство, в котором перемещение внутренней части поршня направляется на внутреннем торце камеры с помощью головки поршня, которая скользит вдоль стенки цилиндра, и на наружном конце штока поршня с помощью направляющего устройства, чтобы обеспечить перемещение по существу вдоль оси цилиндра. Благодаря направляющему устройству, и в частности направляющему элементу, который выполнен с возможностью перемещения внутри и вдоль оси направляющего канала, внутренняя часть поршня может перемещаться вверх и вниз по существу без бокового перемещения штока поршня и по существу с небольшим боковым давлением на шток поршня от звена рычага поршня. Соответственно, напряжения и износ внутренней части поршня и на стенке цилиндра, вызываемые боковыми перемещениями поршня, могут быть уменьшены. Направляющее устройство также может уменьшить трение при скольжении и «биение» внутренней части поршня относительно стенки цилиндра.
Кроме того, четырехзвенный рычажный механизм требует относительно небольшое пространство (как показано на фиг. 2) внутри самого двигателя. Далее, шарнирный четырехзвенник, действующий как пантографический механизм, способен обеспечить перемещение штока поршня и внутренней части поршня на величину, которая гораздо больше, чем требуется для перемещения направляющего элемента внутри направляющего канала.
Используемые в этом описании термины «один вариант воплощения» или «некоторые варианты воплощения» означают, что частный признак, структура или характеристика, описанные вместе с вариантом воплощения, включены по меньшей мере в один вариант воплощения настоящего изобретения. Поэтому фразы «в одном варианте воплощения», «в варианте воплощения» или «в некоторых вариантах воплощения» в различных местах этого описания не обязательно все относятся к одному и тому же варианту воплощения, хотя и могут. Кроме того, частные признаки, структуры или характеристики могут комбинироваться любым подходящим образом, что будет понятно специалистам в этой области техники из этого описания, в одном или более вариантах воплощения.
В описании и в формуле изобретения, любой из терминов «содержащий» или «содержит» являются неограничивающими терминами, которые означают включение в состав по меньшей мере следующих далее элементов/признаков, но не исключают других. Поэтому термины «содержащий» или «содержит», используемые в формуле изобретения, не должны пониматься в качестве ограничивающих средствами или элементами, или этапами, перечисленными далее. Любой из используемых здесь терминов «включающий в себя» или «включает в себя» также являются неограничивающими терминами, которые также означают включение в состав по меньшей мере следующих далее элементов/признаков, но не исключают других. Соответственно, термин «включает в себя» является синонимом термина «содержит».
Необходимо понимать, что термин «соединен» или «соединенный», используемый в формуле изобретения, не должен пониматься в качестве ограничивающего только непосредственным соединением. Термин «соединен» или «соединенный» может означать, что два или более элементов находятся в прямом физическом контакте друг с другом, или что два или более элементов не находятся в прямом контакте друг с другом, но при этом работают совместно или взаимодействуют друг с другом.
Хотя здесь были описаны один или более вариантов воплощения, специалистам в этой области техники понятно, что возможны множество вариантов воплощения, принимающие различные специфические формы, и соответствующие изменения и замены, не выходя за пределы сущности и объема настоящего изобретения. Описанные варианты воплощения иллюстрируют объем изобретения, изложенный в формуле изобретения, но не ограничивают его.