CN101258304B - 具有可变压缩的二冲程发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明由二冲程对置汽缸发动机组成，该发动机包括长度冲洗系统和两个曲轴(1，3)和允许在运转中调节压缩比的新型相设置机构。两个中间齿轮(15)和(16)使曲轴(1，3)同步旋转。通过设置装置(21)移动两个齿轮(15，16)的中心位置，以改变曲轴(1，3)之间的相位及其压缩。通过两个中间齿轮(15，16)，曲轴将沿相反方向旋转，并随之消除与转矩相关的振动。

Description

具有可变压缩的二冲程发动机
技术领域
本发明涉及内燃机领域，尤其涉及实现可控压缩比的技术。本发明还解决有关这种内燃机的振动问题。
背景技术
内燃机通常是汽车、摩托艇和便携式电源装置中发动机的首选。
人们正在付出大量努力以减小排放和增大发动机功率。
高功率的价格随着越来越稀缺的发动机燃料和较高的燃料成本而增长。努力提高功率的另一原因在于不断增加的温室效应，而提高发动机效率可在一定程度上减缓温室效应。而且，能够代替矿物燃料的生物燃料将始终是稀缺资源。
由于成功的催化剂技术，奥托发动机的废气排放很低，尽管其效率也很低，尤其在部分负载时。该效率低下的原因在于，由于需要防止自点火(爆震)而必需限制压缩比。节流损失发生在部分负载时，由于与由发动机产生的平均功率相比发动机一般相对较大，所以这些损失一般伴随高比率的摩擦损失。
尽管柴油发动机具有较为满意的功率，但是其也具有颗粒和NOx排放的问题。
尽管可以减小这些排放，所包含的成本和有关发动机运转中的可靠性的继起问题使得柴油发动机对人们的吸引性变小。
因此，研究科学家变得均匀压缩点火燃烧(HCCI)的使用非常感兴趣，HCCI是一种通过使用简单的氧化催化剂来处理NOx和无颗粒燃烧、CO和HC排放的方法。那么，其压缩比适于例如使点火点接近于在使用柴油发动机的情况下的压缩比所得到的点火点，从而获得高效的内燃机。燃烧也是快速的，而和取决于速度的紊乱无关。尽管这种快速燃烧对于功率是有利的，但是会产生有关噪音和有关每次燃烧循环所容许的最大燃料消耗的问题。因此，HCCI发动机的最大功率输出一般低于传统发动机。
HCCI燃烧过程可通过可变压缩比或者可变阀次数来控制。如果将所采取的方法增加到已有的发动机概念中，两种方法均会产生相当可观的费用。
振动是活塞发动机引起的另一问题。对于这些干扰振动，原理上有两种不同的原因，最熟知的原因是活塞和曲轴的相应部分的加速。消除这种振动(该振动包括力幅值，而力幅值是发动机速度的二次方)的方法是：在包括少于六个汽缸的发动机中包含多个汽缸或者平衡轴。原理上，带有双倍数量的反转平衡轴的四汽缸发动机会相对于这种振动完全平衡。
另一类型的振动与速度幅值无关。这是由于需要减缓飞轮曲轴，以获得给予发动机主体转矩幅值的压缩功。燃烧之后，曲轴将在通过燃烧气体的扩张获得的有用功的影响下加速，同时在发动机主体上引起另一转矩脉冲。在这种情况中，通过包括多个汽缸也可减轻以上问题。不同于通过活塞加速产生的振动，不论设置在共用曲轴上的汽缸数目有多少，都不可能消除这些振动。这些转矩振动会危害在低发动机速度下高转矩时的发动机运转。然而，这种发动机性能的降低在低功率输出时是能量最有效的。
专利说明书WO88/05862教导一种包括反作用汽缸的内燃机，该汽缸的曲轴通过固定的齿轮系统同步，该齿轮系统包括两个齿轮和两个在固定的支承轴上的中间齿轮。其上安装了齿轮系统的齿轮的一个曲轴被设置允许其角度相对于其曲轴改变，以通过单独的操纵装置的方法来改变其相位，该操纵装置设置为谐波齿轮或者为可变齿槽联轴节，或者为另外的操纵装置，以改变两个伞齿轮之间的两个轴的相对角位置。
发明内容
本发明的目的在于能够经济地控制压缩比，同时使以上所述的两种振动模式能够仅通过单独的一个汽缸被基本消除。
该发动机配置可用作增压或未增压的奥托发动机，以始终使效率最大化和避免由压缩调节导致的爆震。
该发动机配置可用作增压或未增压的奥托发动机，从而通过所述对适于不同的十六烷数量和有限压力的发动机的压缩调节，发动机能够一直起动，并一直实现效率最大化的运转。十六烷数量可在运转的发动机上通过测量点火延迟而测量。
该发动机配置可用作增压或未增压的HCCI发动机，以通过压缩调节控制点火时间。
该发动机配置可用作增压或未增压的部分HCCI发动机，以通过压缩调节来控制点火时间，和使发动机模式在较高负载时能够易于转换到奥托模式或者柴油机模式。
在HCCI运转情况中，可以采用关于功率的有效方式来保存剩余气体。
在高功率输出的HCCI运转情况中，由于其有效的抗平衡，没有阀系统和设置有利的冲洗系统，发动机应该适于高速。在该操作模式中，低剩余气体的快速HCCI燃烧只能够是有益的。
这样，发动机能够提供无与伦比的高效的大运转范围。这意味着在混合车辆情况中，与传统发动机情况相比，应该可以将关于电池的充电和放电的转变损失保持在较低水平，从而本发明的发动机概念极大的提高了燃料的经济性。
附图说明
图1示出汽缸的截面和详细显示排气口与冲洗口。
图2示出用于压缩控制的同步齿轮和设置装置。
图3示出针对不同于图2中所示设置的用于压缩的同步齿轮。
具体实施方式
根据本发明，发动机为对置汽缸类型；见图1。该发动机包括两个曲轴1和3和与其相连的活塞2和4。曲轴1和2的旋转通过图2和3中所示的传动装置来同步。由于设置了两个中间齿轮15和16，曲轴1和3将沿相反方向旋转。如果可以保证曲轴1和3上的旋转转矩(包括固定连接的载荷，举例而言例如发电机)相一致，那么发动机将完全没有任何力矩振动，这对于大部分装置是极其有益的，并且在发动机运动致使能量损失时会产生较小的损失。
由于活塞2和4向对方加速，所以可以忽略由质量力产生的振动，该振动在高发动机转数时最大。然而，当存在有很小的用于调节压缩比的相差时，该振动将作出很小的贡献。
在图2和3中分别示出的传动装置的情况中，通过调节曲轴1与3之间的相位，可在运转过程中平滑和连续地实现压缩比的调节。
根据图2，曲轴1和3中的每一个各自包括尺寸相一致的齿轮14和17。齿轮14与齿轮15恒定啮合，齿轮15悬挂在可绕齿轮14的中心运动的连杆臂18上。类似地，齿轮17与齿轮16啮合，齿轮15悬挂在可绕齿轮17的中心运动的连杆20中。由于连杆19将该对齿轮15和16保持在一起，所以该对齿轮15和16相互恒定啮合。曲轴之间的相位可通过使用设置装置21移动齿轮15和16的中心点来设置。设置装置21经由支架23连接在发动机主体中，且经由连杆22紧固在该对齿轮15和16中。图2和3示出两个相位的不同设置。尽管由于齿轮15和16的圆周速度与齿轮14和17的圆周速度相同，曲轴还可通过包括相互不同尺寸的齿轮15和16的传动装置来同步。从内置结构角度来讲，这种设置可以非常有益。
相调节机构可用于除设置曲轴之间的相位之外的目的。例如，相调节机构可用于调节内燃机的凸轮轴或者关于常规的机器结构。
发动机原理可为使用火花塞点火的奥托发动机，其中，图1中的附图标记13表示火花塞。
发动机原理可为使用直接喷射的柴油发动机，其中，图1中的附图标记13表示喷射器。
发动机原理可为HCCI发动机，其中，图1中的附图标记13对应于用于指示点火状态的传感器。传感器可为，例如压力传感器，加速计，或者测力计或应变计。
将在下文中参考示意出一般发动机结构的假想设计或者预想设计，详细描述HCCI的变型。
在这种情况中，相调节用于将点火点设置在希望的曲柄角，而与发动机速度、载荷、发动机温度、燃料类型、吸气温度或者压力无关。点火点适于通过所测量点火点的反馈来控制。
该示例发动机还设置有在排气口9中的快速运动的节流阀10，以能够快速控制剩余气体量，当为了比设置马达21所能达到的速度更为快速地改变点火点，或者为了其它原因来控制剩余气体量时，这变得必要。
该发动机为长度冲洗的二冲程型发动机。在有效速率致使排气口9打开之后，汽缸中的压力将快速下降，其可下降一个或多个数量级。溢流口在到达设定曲柄角之后打开。在这种情况中，尽管溢流口数量多于所示出的，溢流口由附图标记7和8表示。在这种压力下降之后，残留的废气通过经由溢流口传送的新鲜气体排出。通过溢流口驱动流体进入的压力可来源于可用作典型冲洗泵的曲柄壳体5和6，或者来源于单独的冲洗泵。根据经由冲洗口抽进的和受汽缸中的混合现象影响的流体量级，一定量的热剩余气体将残留在汽缸中直到下一个燃烧相位。残留的剩余气体量将影响燃烧相位以及燃烧速度。大量剩余气体会导致较为平稳的燃烧过程，这对低rpm的HCCI发动机是有益的。
在例如混合车辆应用的低载荷情况中，来自曲柄壳体6的流体可通过阀11减小或者完全切断。当溢流通道8被全部切断时，通过抽吸曲柄壳体6产生的泵损失将非常小。然后在曲柄壳体6中发生压缩，随之而来的膨胀相位一直到接近起动压力。这种运转模式能够在低载荷下实现高效率。
根据二冲程发动机已知的传统方法可用于使用新鲜气体再填充曲柄壳体。这种方法包括柱塞控制口、簧片阀和滑阀的使用。
燃料适于通过喷射器12的喷射供应。可替换地，通过例如通道喷射或者经由汽化器，燃料混合可在迫使燃烧气体进入汽缸之前完成。然后，自然选择将只对一个曲柄壳体提供燃料混合，同时，来自另一曲柄壳体的溢流通道将只包含空气。这可为偏置来自两个曲柄壳体的溢流口的曲柄角提供基础。该冲洗方法使废气和新鲜气体能够在汽缸中分层。另外，还可以使两种冲洗介质分层。冲洗介质可为纯空气、燃料-空气混合气、混合有冷却的EGR气体的空气、纯EGR气体或者用于不同曲柄壳体的相互不同温度的混合气。在HCCI环境中分层极为有益。举例而言，过多的稀薄混合气具有低燃烧效率。非均匀条件能够产生较为缓慢和平稳的燃烧。
调节曲轴1和3之间的相位以将压缩比设置为希望的水平。可以实现名义上的相移，从而使控制排气口打开的曲轴位于控制溢流口打开的曲轴之前。其原因可在于，比对称情况中更早的关闭一个排气口或者多个排气口，多半在溢流口之前。在增压发动机的情况中，排气口的较早关闭使汽缸的填充更加有效。
为了设置压缩比，与溢流口的定时选择相比，曲轴的相变将影响排气口的定时选择。因此，有必要寻求覆盖所有运转区域的组合。

Claims (6)

1.一种二冲程对置汽缸发动机，其包括两个曲轴(1，3)，该曲轴(1，3)的每一个均连接到相应的曲轴齿轮(14，17)，该曲轴齿轮(14，17)的每一个均与相应的中间齿轮(15，16)啮合，该中间齿轮(15，16)接着相互啮合以使曲轴(1，3)的运动同步，
其特征在于，所述两个中间齿轮(15，16)的中心位置适于通过设置装置(21)共同移置，以通过所述两个曲轴(1，3)之间的可调相位的手段实现可调压缩比。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述两个中间齿轮(15，16)的中心位置位于将所述中间齿轮保持在一起的连杆(19)上。
3.根据权利要求2所述的发动机，其特征在于，设置装置(21)连接到连杆(19)以用于移置所述连杆。
4.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述曲轴(1，3)适于沿彼此相反的方向旋转。
5.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，曲柄壳体冲洗系统适于被打开以用于冲洗的目的，或者适于通过设置在所述曲柄壳体与进出口开孔之间的阀装置(11)来关闭。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的发动机，其特征在于，曲轴(1，3)之间的名义相位使排气口(9)比溢流口(7，8)更早关闭。 
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