[发明专利]对往复式活塞发动机的扭矩输出的增加

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联邦资助研究

不适用

程序序列表

不适用

背景领域

本申请涉及增加往复驱动式活塞发动机的扭矩输出。

背景-现有技术

很多当前使用的(现有技术)往复驱动活塞式发动机是对称配置的。

见图1，在对称式发动机中(现有技术)中，汽缸和活塞中心线通过曲轴的枢转中心。

当从活塞至曲轴的连杆与汽缸中心重合时，此类型发动机配置的扭矩输出在活塞的顶部位置是最小的。此位置被成为“上死点”且曲轴位置被称为“零”度。

在动力冲程的开始，活塞上方的汽缸容积是最小的，且气体被最大地压缩。由于接下来气体的引爆和压力的增加，活塞被向下驱动，使曲轴旋转经过180度至活塞下部位置，称为“下死点”。见图2，对称配置的发动机(现有技术)的曲轴的扭矩输出在“顶部和底部”位置为零，并且在具有最大活塞侧向力的动力冲程上，曲轴旋转接近于90度时最大。见图3的扭矩输出曲线(现有技术)。

见图4，以上活塞压力变化显示在压力曲线图中。底线显示曲轴旋转度数，竖线显示活塞上方的压力。活塞向下运行时，紧接活塞“上死点”之后燃气刚刚引爆后压力最大，然后由于空间的膨胀和来自持续暴露的汽缸壁区域的冷却，活塞上方的压力减小。此处所示曲线是由于引爆时间、不同燃料的使用和发动机配置设计的很多可能变化的一个示例。当活塞向下运行大约汽缸半程且曲轴转至最大扭矩输出位置时，活塞上方的压力为减小的值。活塞进一步沿汽缸向下运行至全部向下冲程且曲轴旋转1 80度(半程曲轴旋转)后，压力下降、排气阀打开并排出燃烧的气体。图5显示图3和图4的两条曲线关于曲轴旋转角度度数的叠加。

这显示由活塞上方燃料的引爆产生的全压力与最大的曲轴扭矩输出位置不同步，并因而降低了发动机扭矩输出的效率。

对称式发动机(现有技术)中扭矩输出的第二减小是由于活塞环与汽缸壁之间的摩擦。当活塞沿汽缸外壳向下移动时，至曲轴的活塞连杆向外移动，远离汽缸和活塞中心线。这对活塞产生了侧向力，推动活塞环抵靠汽缸壁，增加了摩擦损失。在动力循环中，当曲轴接近90度、在最大的杠杆臂输出位置时此力最大。见图2。这影响活塞环，在一侧上压缩其，并在从活塞中心相对的侧上膨胀。当活塞运行超过180度向上至曲轴完全360度旋转时，同样的情形以相反的方式发生。

因为磨损和减小的压力，这久而久之损坏活塞环的密封功能，因为活塞环和汽缸壁之间的间隙增加，降低了发动机扭矩的输出。

活塞和汽缸壁之间的润滑油也进入活塞上方的汽缸区域，与热气体一起燃烧，称作“活塞漏气”。“活塞漏气”在发动机的寿命期间内增加了排气污染，这是因为由于汽缸壁和活塞环直径的摩擦损耗增加的间隙容限。概述

(a)由于从汽缸中心线偏置定位的曲轴枢转中心，当活塞上方的汽缸容积在较低值时，曲轴位置的最大杠杆臂移动得更接近引爆时间。

(b)通过使用反旋转的曲轴抵消活塞的侧向力来减小活塞与汽缸壁的摩擦，反旋转的曲轴从汽缸和活塞中心线以彼此镜像的方式定位。

附图-图

图1显示在对称式发动机(现有技术)中，活塞和汽缸中心线通过曲轴的枢转中心。

图2显示对称式发动机(现有技术)的最大活塞侧向力。

图3显示在动力冲程中对称位置式发动机(现有技术)的扭矩输出曲线。

图4显示关于以度数标注的曲轴旋转，气体和柴油发动机的活塞上方压力的变化。

图5显示关于以度数标注的曲轴旋转角，图3和图4两条曲线的叠加。

图6显示关于曲轴旋转角，对称式发动机(现有技术)和本实施方式倍增曲轴发动机(multiplier crankshaft engine)的扭矩输出的差别。

图7a和7b以透视图显示本实施方式相对于对称式发动机(现有技术)在超过“上死点”十度的曲轴位置中的区别特征。

图8a和8b以透视图显示本实施方式相对于对称式发动机(现有技术)在超过“下死点”十度的曲轴位置中的区别特征。

图9a和9b显示具有类似曲轴、活塞、连杆和曲轴尺寸的对称式发动机(现有技术)和本实施方式的倍增曲轴发动机之间，在“上死点”处不同的活塞和曲轴角度位置。

图10a、10b、11a和11b显示具有相同曲轴旋转角、并具有类似曲轴、活塞、连杆和曲轴尺寸的对称式发动机(现有技术)和本实施方式的倍增曲轴发动机之间，活塞的不同位置。