CN101550875B - 可变压缩率装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可变压缩率装置。上连杆的一端可旋转地连接到活塞使活塞往复运动。下连杆的一端可旋转地连接到上连杆的另一端。曲轴可旋转地安装在下连杆的偏心位置。控制杆的一端可旋转地连接到下连杆的另一端，以控制下连杆的那一端的位置。控制轴连接到控制杆的另一端以对控制杆的那一端的位置加以控制。

Description

可变压缩率装置
相关申请的交互参考
本申请要求于2008年3月31日提交的第10-2008-0029944号韩国专利申请的优先权，该申请的所有内容结合于此用于通过该参考的所有目的。
技术领域
本发明涉及可变压缩率装置，具体地说，本发明涉及能够根据发动机的驱动状态而改变燃烧腔室中的空气-燃料混合物的压缩率的可变压缩率装置。
背景技术
一般而言，当内燃发动机的压缩率提高时，其热效率也提高，而如果点火时刻有某种程度的提前，则火花点火式发动机的热效率升高，然而，如果火花点火式发动机在高压缩率时提前，则会发生不正常的燃烧并且会损坏发动机。因而，点火时刻不能过于提前，这使发动机的输出受到不良影响。
可变压缩率(Variable Compression Ratio，缩写为VCR)装置根据发动机的驱动状态来改变空气-燃料混合物的压缩率。可变压缩率装置在发动机的低负载条件下提高空气-燃料混合物的压缩率以提高燃料里程。反之，可变压缩率装置在发动机的高负载条件下降低空气-燃料混合物的压缩率以防止发生爆震(knocking)并提高发动机输出。
常规的可变压缩率装置能够根据发动机的驱动状态来实现预设定的空气-燃料混合物压缩率，但是它不能实现分别对应于进气/压缩/膨胀/排气冲程的不同冲程。具体地说，如果膨胀冲程的冲程比压缩冲程的冲程更长，则会进一步提高热效率。然而，根据常规的可变压缩率装置，让膨胀冲程比压缩冲程更长是难以实现的。
而且，为了实现低燃料消耗和高动力输出，在低负载条件下的高压缩率/低排量以及在高负载条件下的低压缩率/高排量可以是优选的。
在本发明的背景技术部分所揭示的信息仅仅用于增进对本发明的一般背景的理解，而不应被视为该信息业已构成为本领域技术人员所知的现有技术的明示或者任何形式的暗示。
发明内容
本发明的各个方面可以提供可变压缩率装置，该装置具有的优点是，由于根据发动机的驱动条件而改变空气-燃料混合物压缩率，燃料里程和输出得以提高。
本发明的各个方面可以提供可变压缩率装置，该装置具有的优点是，通过实现分别对应于进气/压缩/膨胀/排气冲程的不同冲程，使得燃料里程进一步得到提高。
根据本发明的各个实施方式的可变压缩率装置可以结合到发动机中，该发动机从活塞接收空气-燃料混合物的燃烧力以驱动车辆，并且可以改变空气-燃料混合物的压缩率。
本发明的一个方面涉及一种发动机的可变压缩率装置，该装置接收在活塞腔室中的空气-燃料混合物的燃烧力从而驱动车辆，其中该装置构造为改变在活塞腔室中的空气-燃料混合物的压缩率。该装置可以包括：上连杆，该上连杆的一端可旋转地连接到活塞从而接收空气-燃料混合物的燃烧力；下连杆，该下连杆的一端可旋转地连接到上连杆的第二端并且通过从上连杆所接收的空气-燃料混合物的燃烧力而旋转；曲轴，该曲轴偏心地安装到下连杆从而被其旋转；控制杆，该控制杆的一端可旋转地连接到下连杆的第二端从而改变下连杆的运动路径；及/或控制轴，该控制轴偏心地且可旋转地连接到控制杆的第二端并改变控制杆的另一端的位置。
可变压缩率装置可以进一步包括行星齿轮组，该行星齿轮组从驱动单元接收扭矩并改变曲轴和控制轴的相位角。行星齿轮组可以包括：第一操作元件，该第一操作元件连接到控制轴并与控制杆一同旋转；第二操作元件，该第二操作元件连接到曲轴并使曲轴旋转；及/或第三操作元件，该第三操作元件连接到驱动单元并且接收扭矩以改变控制轴的相位角。曲轴上可以固定地安装有曲柄齿轮，并且在第二操作元件处可以固定地安装有与曲柄齿轮相啮合的控制齿轮。
驱动单元可以包括驱动轴。在驱动轴处可以安装有动力传递单元，该动力传递单元用于连接到第三操作元件并将扭矩传递到第三操作元件。驱动单元可以构造为使得曲轴的旋转速度与控制轴的旋转速度的比率为大约1:1或者1:2。行星齿轮组可以具有中心齿轮、齿圈和行星架，第一操作元件可以是行星架，第二操作元件可以是齿圈，而第三操作元件可以是中心齿轮。
下连杆可以为扇形，并且下连杆的两端设置在扇形弧的两端。
本发明的另一方面涉及一种可变压缩率装置，包括：上连杆，该上连杆包括第一和第二端，第一端可旋转地连接到活塞从而使活塞往复运动；下连杆，该下连杆包括第一和第二端，第一端可旋转地连接到上连杆的第二端；曲轴，该曲轴可旋转地安装在下连杆的偏心位置；控制杆，该控制杆包括第一和第二端，第一端可旋转地连接到下连杆的第二端从而控制下连杆的第二端的位置；及/或控制轴，该控制轴连接到控制杆的第二端从而对控制杆的第二端的位置加以控制。
行星齿轮组可以构造为控制曲轴和控制轴的相位角。行星齿轮组可以包括：第一操作元件，该第一操作元件连接到控制轴以与控制杆一同旋转；第二操作元件，该第二操作元件连接到曲轴以使曲轴旋转；及/或第三操作元件，该第三操作元件连接到驱动单元以对控制轴的相位角进行控制。
可变压缩率装置可以进一步包括安装到曲轴上的曲柄齿轮，以及安装到第二操作元件处并与曲柄齿轮相啮合的控制齿轮。驱动单元可以包括驱动轴，并且该装置还可以包括安装在驱动轴处、用于操作第三操作元件的动力传递单元。驱动单元可以构造为使得曲轴的旋转速度与控制轴的旋转速度的比率为大约1:1或者1:2。第一操作元件可以是行星架，第二操作元件可以是齿圈，而第三操作元件可以是中心齿轮。下连杆包括卵形(oblong)形状。
一种发动机可以包括活塞气缸和任何上述可变压缩率装置。
在纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体实施方式中，将显现或更为具体地阐明本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点。
附图说明
图1是根据本发明的一个例示性可变压缩率装置的示意图。
图2是根据本发明的一个例示性可变压缩率装置的截面视图。
图3是示出了在根据本发明的一个例示性可变压缩率装置中使用的例示性行星齿轮组和控制轴的结合结构的侧视图。
图4是示出了在根据本发明的一个例示性可变压缩率装置中使用的例示性行星齿轮组和驱动单元的结合结构的侧视图。
图5是示出了根据本发明的一个例示性可变压缩率装置的运行的示意图。
图6是示出了使用根据本发明的一个例示性可变压缩率装置的一个例示性发动机中的活塞速度和加速度以及冲程的图表。
具体实施方式
现在对本发明的各个实施方式作详细说明，各个实施方式的示例在附图中示出并在下文中加以说明。虽然结合例示性的实施方式来描述本发明，应当理解的是，该说明并非用于将本发明局限于那些例示性实施方式。相反，本发明不但应覆盖所述例示性实施方式，还应覆盖如在所附的权利要求书中限定的精神和范围中所能包括的各种替代、修改、等效方式以及其它实施方式。
如图1和图2所示，根据本发明的一个例示性实施方式的可变压缩率装置10安装在接收来自活塞30的空气-燃料混合物的燃烧力并驱动车辆的发动机上，并且改变空气-燃料混合物的压缩率。
活塞30在气缸20中上下移动，而燃烧腔室在活塞30和气缸20之间限定。而且，用于吸入空气-燃料混合物的进气气门和用于排出燃烧后的空气-燃料混合物的排气气门以其它常规方式安装在气缸20的顶部。当空气-燃料混合物在燃烧腔室中燃烧后，燃烧力被传送到活塞30并驱动车辆。
可变压缩率装置10包括上连杆40，下连杆50，曲轴65，控制杆80，控制轴90，以及行星齿轮组110。
上连杆40将来自活塞30的燃烧力传递到下连杆50。上连杆40的一端借助于第一连接件35而可旋转地连接到活塞30，第一连接件35例如销轴(a pin and a shaft)。在上连杆40的下端的第一接收槽42形成叉形件，该叉形件将上连杆40可操作地连接到下连杆50。可旋转地连接两个元件的销轴可以被用作第一连接件35。
下连杆50接收来自上连杆40的燃烧力并使曲轴65旋转。下连杆50的一端设置在上连杆40的第一接收槽42中并且借助于第二连接件45可旋转地连接到上连杆40。可旋转地连接两个元件的销轴可以被用作第二连接件45。
在所示出的例示性实施方式中，下连杆50是扇形的，亦即，薄而平的，有些类似卵形并具有大致弧形的侧面，但是所要保护的发明不应当被认为受限于此。可以理解的是，根据本发明，其它的几何形状和构造也是可以采用的。在所示出的例示性实施方式中，下连杆50的两端设置在一个扇形弧的两端。
曲轴65借助于曲轴销85而可旋转地安装在下连杆50上。由于曲轴65偏心地安装在下连杆50上，当下连杆50旋转时，下连杆50围绕曲轴65使曲柄臂旋转。因此，曲轴65接收来自活塞30的燃烧力，将燃烧力转换为扭矩，并将扭矩传送到变速器。而且，曲柄齿轮70同轴并且固定地安装到曲轴65上。轴承170可以介于曲轴65和发动机之间从而减小摩擦力。
控制杆80包括两端并且通过改变下连杆50的旋转轨迹或路径来改变空气-燃料混合物的压缩率。第二接收槽82形成在控制杆80的一端以形成叉形件，下连杆50设置在其中，而下连杆50的另一端插入第二接收槽82中。下连杆50的另一端借助于第三连接件85而可旋转地连接到控制杆80。可旋转地连接两个构件的销轴可以被用于第三连接件85。
控制轴90偏心地并且可旋转地连接到控制杆80。从而，当控制轴90旋转时，控制杆80的另一端的位置被改变。附加的轴承170可以介于控制轴90与发动机之间以便减小摩擦力。
行星齿轮组110是简单行星齿轮组，其具有作为其操作元件的中心齿轮130，行星架120，以及齿圈105。与中心齿轮130以及齿圈105啮合的多个小齿轮140连接到行星架120，而行星架120被小齿轮140旋转。而且，行星齿轮组110的一个操作元件150连接到驱动单元165并从该单元接收动力。
驱动单元165具有驱动轴160，其包括动力传递单元，例如在其外表面的蜗轮(worm gear)。如图4所示，蜗轮与中心齿轮130啮合，以便将驱动单元165的动力(亦即，旋转)传递到中心齿轮130。可以认识到的是，可以根据需要而使用其它适当的装置以旋转中心齿轮。驱动单元165可以是直流马达，步进马达，或者其它用于向驱动轴160传递动力的适当装置。驱动单元165以其它常规方式电接合到发动机控制单元，并根据发动机控制单元的信号而操作。
控制齿轮100固定到齿圈105，并且控制齿轮100与曲轴65的曲柄齿轮70相啮合。从而，曲轴65的旋转通过控制齿轮100而被输入到齿圈105。可选择地，齿圈105本身作为控制齿轮，并且其外表面可以具有齿轮齿。
如图3所示，行星架120同轴地结合到控制轴90并且使控制轴90旋转。根据行星齿轮组110的特征，行星架120的旋转速度由中心齿轮130和齿圈105的旋转速度而确定。从而，控制轴90的旋转速度由曲轴60的旋转速度以及驱动轴160的旋转速度所确定，并且相应地，曲轴60的旋转速度可以不同于控制轴90的旋转速度。因此，在曲轴60和控制轴90之间存在相位差，并且控制杆80顶端的位置根据曲轴60的相位而改变。因而，下连杆50的旋转轨迹以及相应的空气-燃料混合物的压缩率也发生改变。
曲轴60与控制轴90的旋转速度的比率可以被选择为任何适当的比率，例如1:1或者1:2。发动机控制单元基于驱动条件而控制驱动单元165，从而使得旋转速度比率为所需要的值。
如图5所示，对可变压缩率装置在高压缩率下运行的一种情况与可变压缩率装置在低压缩率下运行的另一种情况进行对比，活塞30的顶部死点中心(Top Dead Center，缩写为TDC)升高，而活塞30的底部死点中心(Bottom Dead Center，缩写为BDC)降低。
当使用根据本发明的各个实施方式的可变压缩率装置时，通过控制曲轴60与控制轴90的旋转速度比率，可以相对于膨胀冲程而改变压缩冲程。这样的例子在图6中示出。如图6所示，当根据本发明的各个实施方式的可变压缩率装置在低压缩率下运行时，压缩冲程为84.09mm而膨胀冲程为95.8mm。而且，当根据本发明的各个实施方式的可变压缩率装置在高压缩率下运行时，压缩冲程为82.63mm而膨胀冲程为106.9mm。从而，由于膨胀冲程的冲程比压缩冲程的冲程更长，热效率和燃料里程得以提升。
在此，只讨论了压缩和膨胀冲程，但是可以认识到的是，通过控制曲轴60与控制轴90的旋转速度的比率，可以改变进气、压缩、膨胀或排气冲程中的任何冲程。
可以认识到的是，上文所述的特定数值当然可以基于目标发动机性能而加以选择。
根据本发明的可变压缩率装置，因为在发动机运行时空气-燃料混合物的压缩率连续地改变，在低负载驱动状态下的燃料里程得以提升，并且在高负载驱动状态下的输出得以提升。
而且，可以通过设定曲轴与控制轴的旋转速度比率为1:1而实现可变压缩率，而且，可以通过设定曲轴与控制轴的旋转速度比率为1:2而实现阿特金森(Atkinson)循环和可变压缩率。
为了便于说明并在所附权利要求中作精确限定，术语“上”或者“下”等等，用于参考在附图中示出的例示性实施方式中的特征的各个位置来描述这些特征。
上文对本发明的特定例示性实施方式的描述的呈现是用以例示和说明。这些描述并非是排他性质的或者用于将本发明限定在所描述的精确形式中。根据上述教导显然可以做出很多修改和变化。各例示性实施方式的选择和说明是用以解释本发明的一些原理以及这些原理的实际应用，以使得本领域技术人员做出并应用本发明的例示性实施方式以及其各种替代方式和修改。本发明的范围应由所附的权利要求以及其等价方式来限定。

Claims (15)

1.一种发动机的可变压缩率装置，该装置接收在活塞腔室中的空气-燃料混合物的燃烧力从而驱动车辆，其中该装置构造为改变在活塞腔室中的空气-燃料混合物的压缩率，该装置包括：
上连杆，该上连杆的一端可旋转地连接到活塞从而接收空气-燃料混合物的燃烧力；
下连杆，该下连杆的一端可旋转地连接到上连杆的第二端并且通过从上连杆所接收的空气-燃料混合物的燃烧力而旋转；
曲轴，该曲轴偏心地安装到下连杆从而被其旋转；
控制杆，该控制杆的一端可旋转地连接到下连杆的第二端从而改变下连杆的运动路径；
控制轴，该控制轴偏心地且可旋转地连接到控制杆的第二端并改变控制杆的另一端的位置；以及
行星齿轮组，该行星齿轮组从驱动单元接收扭矩并改变曲轴和控制轴的相位角。
2.如权利要求1所述的可变压缩率装置，其中行星齿轮组包括：
第一操作元件，该第一操作元件连接到控制轴并与控制杆一同旋转；
第二操作元件，该第二操作元件连接到曲轴并使曲轴旋转；以及
第三操作元件，该第三操作元件连接到驱动单元并且接收扭矩以改变控制轴的相位角。
3.如权利要求2所述的可变压缩率装置，其中在曲轴上固定地安装有曲柄齿轮，并且在第二操作元件处固定地安装有与曲柄齿轮相啮合的控制齿轮。
4.如权利要求2所述的可变压缩率装置，其中驱动单元包括驱动轴，并且
其中在驱动轴处安装有动力传递单元，该动力传递单元用于连接到第三操作元件并将扭矩传递到第三操作元件。
5.如权利要求2所述的可变压缩率装置，其中驱动单元构造为使得曲轴的旋转速度与控制轴的旋转速度的比率为大约1∶1或者1∶2。
6.如权利要求2所述的可变压缩率装置，其中行星齿轮组具有中心齿轮、齿圈和行星架，并且
其中第一操作元件是行星架，第二操作元件是齿圈，而第三操作元件是中心齿轮。
7.如权利要求1所述的可变压缩率装置，其中下连杆为扇形，并且下连杆的两端设置在扇形弧的两端。
8.一种可变压缩率装置，包括：
上连杆，该上连杆包括第一和第二端，第一端可旋转地连接到活塞从而使活塞往复运动；
下连杆，该下连杆包括第一和第二端，第一端可旋转地连接到上连杆的第二端；
曲轴，该曲轴可旋转地安装在下连杆的偏心位置；
控制杆，该控制杆包括第一和第二端，第一端可旋转地连接到下连杆的第二端从而控制下连杆的第二端的位置；
控制轴，该控制轴连接到控制杆的第二端从而对控制杆的第二端的位置加以控制；以及
行星齿轮组，该行星齿轮组构造为从驱动单元接收扭矩并且控制曲轴和控制轴的相位角。
9.如权利要求8所述的可变压缩率装置，其中行星齿轮组包括：
第一操作元件，该第一操作元件连接到控制轴以与控制杆一同旋转；
第二操作元件，该第二操作元件连接到曲轴以使曲轴旋转；以及
第三操作元件，该第三操作元件连接到驱动单元以对控制轴的相位角进行控制。
10.如权利要求9所述的可变压缩率装置，还包括安装到曲轴上的曲柄齿轮，以及安装到第二操作元件上并与曲柄齿轮相啮合的控制齿轮。
11.如权利要求9所述的可变压缩率装置，其中驱动单元包括驱动轴，并且该装置还包括安装在驱动轴处、用于操作第三操作元件的动力传递单元。
12.如权利要求9所述的可变压缩率装置，其中驱动单元构造为使得曲轴的旋转速度与控制轴的旋转速度的比率为大约1∶1或者1∶2。
13.如权利要求9所述的可变压缩率装置，其中第一操作元件是行星架，第二操作元件是齿圈，而第三操作元件是中心齿轮。
14.如权利要求8所述的可变压缩率装置，其中下连杆包括卵形形状。
15.一种发动机，包括活塞气缸和权利要求8所述的可变压缩率装置。
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