Узел направляющего кулачка для двигателей с дифференциальным и регулируемым ходом поршня

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Двигатель включает в себя вал двигателя и поршень, выполненный с возможностью выполнять возвратно-поступательное движение в камере цилиндра, имеющей ось, каждый поршень имеет первую часть поршня и шток поршня, чтобы двигаться синхронно с или отдельно от второй части поршня, чтобы задавать ходы поршня для различных тепловых функций двигателя. Двигатель дополнительно включает в себя узел рычажного механизма, имеющий первый конец, соединенный с двигателем, и второй конец, соединенный со штоком поршня, задающим копирующую точку, актуатор, который взаимодействует с узлом рычажного механизма, и направляющий кулачок, который взаимодействует со следящим элементом направляющего кулачка на узле рычажного механизма. Актуатор и направляющий кулачок выполнены с возможностью управлять движением узла рычажного механизма, чтобы тем самым задавать, по существу, линейное перемещение копирующей точки вдоль оси камеры цилиндра. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся к двигателям внутреннего сгорания и, в частности, к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Более конкретно, варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся к узлу направляющего кулачка для направления компонентов состоящих из двух частей поршней в двигателях внутреннего сгорания с дифференциальным и регулируемым ходом поршня.

Уровень техники и сущность

Двигатель внутреннего сгорания является двигателем, где сгорание топлива происходит с помощью окислителя в камере сгорания, которая является неотъемлемой частью циркуляционного контура для рабочей текучей среды. В двигателе внутреннего сгорания расширение имеющих высокую температуру и высокое давление газов, создаваемое сгоранием, прикладывает непосредственное усилие к некоторому компоненту двигателя, типично поршню. Это усилие двигает компонент на расстояние, преобразуя химическую энергию в полезную механическую энергию.

В одном аспекте, варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся к двигателю, имеющему вал двигателя и поршень, выполненный с возможностью выполнять возвратно-поступательное движение в камере цилиндра, имеющей ось, каждый поршень имеет первую часть поршня и шток поршня, чтобы двигаться синхронно с или отдельно от второй части поршня, чтобы задавать ходы поршня для различных тепловых функций двигателя. Двигатель дополнительно включает в себя узел рычажного механизма, имеющий первый конец, соединенный с двигателем, и второй конец, соединенный со штоком поршня, задающим копирующую точку, актуатор, который взаимодействует с узлом рычажного механизма, и направляющий кулачок, который взаимодействует со следящим элементом направляющего кулачка на узле рычажного механизма. Актуатор и направляющий кулачок выполнен с возможностью управлять движением узла рычажного механизма, чтобы, тем самым, задавать по существу линейное перемещение копирующей точки вдоль оси камеры цилиндра.

US 1220 095 касается двигателя внутреннего сгорания.

Краткое описание чертежей

Изобретение иллюстрируется на сопровождающих чертежах, на которых

Фиг. 1 иллюстрирует схематичный вид одного варианта осуществления узла направляющего кулачка.

Фиг. 2 иллюстрирует вид сверху варианта осуществления соосного актуатора и направляющих кулачков узла направляющего кулачка.

Фиг. 3 иллюстрирует схематичный вид альтернативного варианта осуществления узла направляющего кулачка, включающего в себя пантографический узел рычажного механизма.

Фиг. 4 иллюстрирует схематичный вид альтернативного варианта осуществления узла направляющего кулачка, включающего в себя подвижный центр вращения.

Фиг. 5 иллюстрирует схематичный вид альтернативного варианта осуществления узла направляющего кулачка.

Подробное описание изобретения

Варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся к узлу направляющего кулачка для направления компонентов состоящих из двух частей поршней в двигателях внутреннего сгорания с дифференциальным и регулируемым ходом поршня. Двигатель типично включает в себя блок двигателя, имеющий одно или более отверстий цилиндров и состоящие из двух частей поршни в них. Каждый состоящий из двух частей поршень включает в себя верхнюю или первую часть поршня и нижнюю или вторую часть поршня, которые являются отделяемыми друг от друга. Верхняя часть поршня находится в скользящем контактном (или примыкающем) взаимодействии с соответствующей стенкой отверстия цилиндра и конфигурируется, чтобы в некоторые моменты времени взаимодействовать с нижней частью поршня. Шток поршня соединяется на первом конце с верхней частью поршня и шарнирно (или поворотно) соединяется на втором конце с узлом рычажного механизма. Шарнирное соединение (поворотное соединение) может задавать «копирующую» точку.

Узел направляющего кулачка может включать в себя актуатор, который взаимодействует с узлом рычажного механизма и, таким образом, выполняет или управляет вертикальным перемещением штока поршня. В одном варианте осуществления актуатор может быть кулачком актуатора, выполненным с возможностью взаимодействовать со следящим элементом кулачка актуатора на узле рычажного механизма и, тем самым, выполнять или управлять вертикальным перемещением штока поршня. В свою очередь, шток поршня выполняет или управляет вертикальным перемещением верхней части поршня, которое также ограничивается стенкой отверстия цилиндра. Альтернативно, электронный актуатор может быть использован, чтобы выполнять или управлять вертикальным перемещением первой части поршня. Также могут быть использованы другие механизмы приведения в действие, включающие в себя, но не только, электромеханический актуатор, функционирующий независимо от вала двигателя, или гидравлический актуатор. Еще одни механизмы приведения в действия могут включать в себя средство, управляемое электронным образом во время работы двигателя, такое как электромеханическое, электромагнитное, гидравлическое, пневматическое или устройства, управляемые через электронную схему или соленоид.

Узел направляющего кулачка дополнительно, в целом, включает в себя направляющий кулачок, выполненный с возможностью взаимодействовать со следящим элементом направляющего кулачка в различном местоположении на узле рычажного механизма и, тем самым, управлять поперечным перемещением штока поршня. В свою очередь, шток поршня управляет поперечным перемещением верхней части поршня, которое также ограничивается стенкой отверстия цилиндра. Один или более возвратных механизмов могут быть расположены в местоположениях на узле рычажного механизма, чтобы смещать узел рычажного механизма в направлении, по существу противоположном сопряженному взаимодействию между соответствующими кулачками и следящими элементами кулачков. Возвратный механизм может включать в себя пружину, кулачок, электромеханический актуатор, гидравлический актуатор, пневматический актуатор или электромагнитный актуатор. В некоторых вариантах осуществления множество актуаторов и направляющих кулачков являются соосными, но это не является обязательным, и другие варианты осуществления многочисленных кулачков не являются соосными. Выступы кулачков или профили выступов какого-либо из кулачков могут быть оптимизированы, чтобы предусматривать различные перемещения узла рычажного механизма, чтобы, в свою очередь, управлять перемещением копирующей точки и штока поршня и, тем самым, первой части поршня.

Фиг. 1 иллюстрирует схематичный вид одного варианта осуществления узла направляющего кулачка. Двигатель внутреннего сгорания с регулируемым ходом поршня типично включает в себя блок 210 двигателя, имеющий одно или более отверстий 212 цилиндров, и верхнюю или первую часть 220 поршня, расположенную в каждом из одного или более отверстий 212 цилиндров. Верхняя часть 220 поршня может находиться в скользящем соприкасающемся (или примыкающем) взаимодействии с соответствующей стенкой 213 отверстия цилиндра. Верхняя часть 220 поршня конфигурируется, чтобы в некоторые моменты времени взаимодействовать с нижней или второй частью 222 поршня. Шток 230 поршня соединяется на первом конце 232 с верхней частью 220 поршня и шарнирно (или поворотно) соединяется на втором конце 234 со звеном 110 рычага поршня. Шарнирное соединение (поворотное соединение) может задавать «копирующую» точку 102.

Узел направляющего кулачка включает в себя узел рычажного механизма, содержащий звено 110 рычага и звено 112 центра вращения, соединенные вместе на общих концах 120. На противоположном конце от этого соединения 120 звено 110 рычага соединяется со штоком 230 поршня в копирующей точке 102, и звено 112 центра вращения шарнирно соединяется с блоком 210 двигателя в первом шарнирном соединении 104. Шарнирное соединение (поворотное соединение) задает «якорную» точку (или точку присоединения) 104. Узел направляющего кулачка дополнительно включает в себя 1) кулачок 250 актуатора, выполненный с возможностью взаимодействовать со следящим элементом 252 кулачка актуатора на звене 110 рычага и, таким образом, управлять вертикальным перемещением штока 230 поршня, который, в свою очередь, управляет вертикальным перемещением первой части 220 поршня; и 2) направляющий кулачок 260, выполненный с возможностью взаимодействовать со следящим элементом 262 направляющего кулачка на звене 112 центра вращения и, таким образом, управлять поперечным перемещением штока 230 поршня, который, в свою очередь, управляет поперечным перемещением первой части 220 поршня. Один или более возвратных механизмов 254, 264 могут быть расположены в местоположения на звене 110 рычага и звене 112 центра вращения, соответственно, чтобы смещать каждое звено в направлении, по существу противоположном сопрягающему взаимодействию между соответствующими кулачками и следящими элементами кулачков. Фиг. 2 иллюстрирует вид сверху соосных актуатора и направляющих кулачков узла направляющего кулачка, размещенных на общем валу.

Фиг. 3 иллюстрирует схематичный вид другого варианта осуществления узла направляющего кулачка. Устройство направляющего кулачка включает в себя узел рычажного механизма (например, четырехзвенный рычажный механизм), включающий в себя фрагмент 111 звена 110 рычага поршня, звено 112 центра вращения, звено 114 передачи усилия и звено-коромысло 118. При образовании и расположении четырехзвенного рычажного механизма узел рычажного механизма может быть шарнирно соединен с блоком 210 двигателя в первом шарнирном соединении 104 первого конца звена 112 центра вращения и первого конца звена-коромысла 118. Шарнирное соединение (поворотное соединение) задает «якорную» точку (или точку присоединения) 104. Четырехзвенный рычажный механизм дополнительно включает в себя второе шарнирное соединение 122 второго конца звена 112 центра вращения и первого конца фрагмента 111 звена 110 рычага поршня, третье шарнирное соединение 124 второго конца звена-коромысла 118 и первого конца звена 114 передачи усилия и четвертое шарнирное соединение 126 второго конца звена 114 передачи усилия и второго конца фрагмента 111 звена 110 рычага поршня.

Узел направляющего кулачка дополнительно включает в себя 1) кулачок 250 актуатора, выполненный с возможностью взаимодействовать со следящим элементом 252 кулачка актуатора на звене 110 рычага и, таким образом, управлять вертикальным перемещением штока 230 поршня, который, в свою очередь, управляет вертикальным перемещением первой части 220 поршня; и 2) направляющий кулачок 260, выполненный с возможностью взаимодействовать со следящим элементом 262 направляющего кулачка на звене 114 передачи усилия и, таким образом, управлять поперечным перемещением штока 230 поршня, который, в свою очередь, управляет поперечным перемещением первой части 220 поршня. Следящий элемент 262 направляющего кулачка соединяется (например, вращательно или поворотно) со звеном 114 передачи усилия в «исходной» точке (или оси) 106. «Исходная» точка 106 располагается на пересечении между звеном 114 передачи усилия и воображаемой линией, указанной линией 108, образованной между «копирующей» точкой 102 и «якорной» точкой 104. Один или более возвратных механизмов 254, 264 могут быть расположены в местоположениях на звене 110 рычага и звене 114 передачи усилия, соответственно, чтобы смещать каждое звено в направлении, по существу противоположном сопрягающему взаимодействию между соответствующими кулачками и следящими элементами кулачков.

Четырехзвенный рычажный механизм направляющего устройства 100 может быть выполнен с возможностью формировать пантографический узел или устройство. Специалистам в области техники будет понятно, что пантографический узел может быть сформирован из рычажных механизмов, соединенных способом, основанном на параллелограммах, так что перемещение одной точки узла (например, «исходной» точки 106) создает соответствующие (и возможно масштабированные) перемещения во второй точке узла (например, «копирующей» точке 102).

Фиг. 4 иллюстрирует схематичный вид еще одного варианта осуществления узла направляющего кулачка. Узел направляющего кулачка включает в себя подвижный центр вращения на одном конце звена рычага. Звено 110 рычага соединяется на первом конце со следящим элементом 262 кулачка, выполненным в виде подвижного центра вращения, и на втором конце с первой частью 220 поршня посредством штока 230 поршня в копирующей точке 102. Подвижный следящий элемент 262 кулачка может быть выполнен с возможностью двигаться в любом направлении. Предпочтительно, подвижный следящий элемент 262 кулачка может двигаться в направлении, по существу перпендикулярном оси 201 цилиндра. Узел направляющего кулачка дополнительно включает в себя 1) кулачок 250 актуатора, выполненный с возможностью взаимодействовать со следящим элементом 252 кулачка актуатора на звене 110 рычага и, таким образом, управлять вертикальным перемещением штока 230 поршня, который, в свою очередь, управляет вертикальным перемещением первой части 220 поршня; и 2) направляющий кулачок 260, выполненный с возможностью взаимодействовать с подвижным следящим элементом 262 кулачка и, таким образом, управлять поперечным перемещением штока 230 поршня, который, в свою очередь, управляет поперечным перемещением первой части 220 поршня. Возвратный механизм 254 может быть расположен в местоположении на звене 110 рычага, чтобы смещать звено 110 рычага в направлении, по существу противоположном сопрягающему взаимодействию между кулачком 250 актуатора и следящим элементом 252 кулачка.

Фиг. 5 иллюстрирует схематичный вид еще одного варианта осуществления узла направляющего кулачка. Узел направляющего кулачка включает в себя узел рычажного механизма, содержащий звено 110 рычага и звено 112 центра вращения, соединенные вместе на общих концах 120. На противоположном конце от этого соединения 120 звено 110 рычага соединяется со штоком 230 поршня в копирующей точке 102, и звено 112 центра вращения шарнирно соединяется с блоком 210 двигателя в первом шарнирном соединении 104. Шарнирное соединение (поворотное соединение) задает «якорную» точку (или точку присоединения) 104. Узел направляющего кулачка дополнительно включает в себя актуатор 250, выполненный с возможностью взаимодействовать со звеном 110 рычага и, таким образом, управлять вертикальным перемещением штока 230 поршня, который, в свою очередь управляет вертикальным перемещением первой части 220 поршня. Актуатор 250 может быть любым типом актуатора, включающим в себя, но не только, электронный актуатор, электромеханический актуатор, функционирующий независимо от вала двигателя, гидравлический актуатор, пневматический актуатор, электромеханический актуатор, электромагнитный актуатор, актуатор, управляемый через электронную схему или соленоид, или любым другим типом, приспособленным для выполнения перемещения узла рычажного механизма. Узел направляющего кулачка дополнительно включает в себя направляющий кулачок 260, выполненный с возможностью взаимодействовать со следящим элементом 262 направляющего кулачка, на звене 112 центра вращения и, таким образом, управлять поперечным перемещением штока 230 поршня, который, в свою очередь, управляет поперечным перемещением первой части 220 поршня. Следящий элемент 262 направляющего кулачка может быть жестко соединен со звеном 112 центра вращения посредством звена 263. Возвратный механизм 254 может быть расположен в местоположении на звене 110 рычага, чтобы смещать звено рычага в направлении, по существу противоположном перемещению актуатора 250. Возвратный механизм 264 может быть расположен в местоположении на звене 112 центра вращения, чтобы смещать звено 112 центра вращения в направлении, по существу противоположном сопрягающемуся взаимодействию между направляющим кулачком 260 и следящим элементом 262 направляющего кулачка.

Способ работы двигателя внутреннего сгорания с дифференциальным ходом или регулируемым ходом выполняющего возвратно-поступательное движение поршня, двигатель имеет вал двигателя и поршень, выполненный с возможностью выполнять возвратно-поступательное движение в камере цилиндра, имеющей ось, каждый поршень имеет первую часть поршня и шток поршня, выполненные с возможностью двигаться синхронно с или отдельно от второй части поршня, чтобы задавать ходы поршня для различных тепловых функций двигателя, включает в себя предоставление узла рычажного механизма, имеющего первый конец, соединенный с двигателем, и второй конец, соединенный со штоком поршня, задающим копирующую точку, актуатор, который взаимодействует с узлом рычажного механизма, и направляющий кулачок, выполненный с возможностью взаимодействовать со следящим элементом направляющего кулачка на узле рычажного механизма, при этом актуатор и направляющий кулачок выполнены с возможностью управлять движением узла рычажного механизма, чтобы, таким образом, задавать по существу линейное перемещение копирующей точки вдоль оси камеры цилиндра.

Ссылка по всей этой спецификации на ʺодин вариант осуществленияʺ или ʺвариант осуществленияʺ или «некоторые варианты осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанная в связи с вариантом осуществления, включена, по меньшей мере, в один вариант осуществления настоящего изобретения. Следовательно, появления фраз «в одном варианте осуществления» или «в варианте осуществления» или «в некоторых вариантах осуществления» в различных местах на всем протяжении этой спецификации необязательно все ссылаются на один и тот же вариант осуществления, но могут. Кроме того, отдельные признаки, структуры или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом, как будет понятно обычному специалисту в области техники из этого описания, в одном или более вариантах осуществления.

В формуле изобретения ниже и описании в данном документе любое из выражений «содержащий», «состоящий из» или «который содержит» является открытым выражением, которое обозначает включение в себя, по меньшей мере, элементов/признаков, которые следуют, но не исключают другие. Следовательно, выражение «содержащий», когда используется в формуле изобретения, не должно интерпретироваться как ограничивающее средством или элементами или этапами, перечисленными после него. Любое из выражений «включающий в себя» или «который включает в себя» или «которое включает в себя», когда используется в данном документе, также является открытым выражением, которое также означает включение в себя, по меньшей мере, элементов/признаков, которые следуют за выражением, но не исключают другие. Соответственно, «включающий в себя» является синонимичным с и означающим «содержащий».

Следует понимать, что выражение «соединенный», когда используется в формуле изобретения, не должно быть интерпретировано как ограниченное только непосредственными соединениями. «Соединенный» может означать, что два или более элементов либо находятся в прямом физическом соединении, либо что два или более элементов не находятся в непосредственном контакте друг с другом, но все еще кооперируются или взаимодействуют друг с другом. «Соединенный» может означать жесткое соединение, шарнирное соединение, поворотное соединение и другие.

Хотя один или более вариантов осуществления настоящего изобретения были описаны подробно, специалистам в области техники будет понятно, что многочисленные варианты осуществления, принимающие многообразие конкретных форм и отражающие изменения, замены и исправления, могут быть выполнены без отступления от рамок изобретения, которые установлены в формуле изобретения. Описанные варианты осуществления иллюстрируют рамки формулы изобретения, но не ограничивают рамки формулы изобретения.

1. Двигатель (210), имеющий вал двигателя и поршень (220, 222), выполненный с возможностью выполнять возвратно-поступательное движение в камере (212) цилиндра, имеющей ось (201), причем каждый поршень имеет первую часть (220) поршня и шток (230) поршня для перемещения синхронно со второй частью (222) поршня или отдельно от второй части (222) поршня, чтобы задавать ходы поршня для различных тепловых функций двигателя, при этом двигатель содержит:

узел (110, 112) рычажного механизма, имеющий первый конец (104), соединенный с двигателем, и второй конец (102), соединенный со штоком поршня, задающим копирующую точку;

актуатор (250), который взаимодействует с узлом рычажного механизма;

направляющий кулачок (260), который взаимодействует со следящим элементом (262) направляющего кулачка, соединенным с узлом рычажного механизма, и

возвратный механизм (254), выполненный с возможностью смещать перемещение узла рычажного механизма относительно одного из актуатора или направляющего кулачка (260),

при этом актуатор и направляющий кулачок выполнены с возможностью управлять движением узла рычажного механизма, чтобы, таким образом, задавать, по существу, линейное перемещение копирующей точке вдоль оси камеры цилиндра.

2. Двигатель по п. 1, в котором актуатор (250) содержит кулачок (250) актуатора, который взаимодействует со следящим элементом (252) кулачка актуатора, соединенным с узлом (110, 112) рычажного механизма.

3. Двигатель по п. 2, в котором кулачок (250) актуатора и направляющий кулачок (260) соосны.

4. Двигатель по п. 2 или 3, дополнительно содержащий возвратный механизм (254), выполненный с возможностью смещать узел рычажного механизма в направлении, по существу противоположном сопрягающемуся взаимодействию между кулачком (250) актуатора и следящим элементом (252) кулачка актуатора.

5. Двигатель по любому из пп. 2-4, в котором кулачок (250) актуатора выполнен с возможностью выполнять вертикальное перемещение штока (230) поршня, который, таким образом, выполняет вертикальное перемещение первой части (220) поршня.

6. Двигатель по любому предшествующему пункту, при этом следящий элемент (252) направляющего кулачка выполнен в виде точки центра вращения, подвижной в направлении, по существу перпендикулярном оси камеры цилиндра.

7. Двигатель по п. 6, в котором узел рычажного механизма дополнительно содержит четырехзвенный рычажный механизм, содержащий звено (110) рычага поршня, звено (112) центра вращения, звено (114) передачи усилия и звено-коромысло (118), при этом четырехзвенный рычажный механизм образован и расположен посредством:

первого шарнирного соединения (104), поворотно соединенного с двигателем и соединяющего первый конец звена центра вращения и первый конец звена-коромысла;

второго шарнирного соединения (122), соединяющего второй конец звена центра вращения и первый конец звена рычага поршня;

третьего шарнирного соединения (124), соединяющего второй конец звена-коромысла и первый конец звена передачи усилия; и

четвертого шарнирного соединения (126), соединяющего второй конец звена передачи усилия и местоположения на звене рычага поршня.

8. Двигатель по п. 7, в котором четырехзвенный рычажный механизм образует пантографический узел.

9. Двигатель по любому предшествующему пункту, в котором направляющий кулачок (260) выполнен с возможностью управлять поперечным перемещением штока (230) поршня, который, таким образом, управляет поперечным перемещением первой части (220) поршня.

10. Двигатель по любому из пп. 1-3 и 5-9, в котором возвратный механизм (254) содержит одно из пружины, кулачка, электромеханического актуатора, гидравлического актуатора, пневматического актуатора или электромагнитного актуатора.

11. Двигатель по п. 1, в котором актуатор содержит одно из электромеханического актуатора, гидравлического актуатора, пневматического актуатора или электромагнитного актуатора.