CN101970831A - 可变压缩比发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可变压缩比机构，用于在最小化功率要求和提供间隔的夹具以将调节机构从反应中分离到燃烧负荷的同时，连续地变化内燃机的压缩比。所述机构包括通过创新的作用于燃烧室盖中的辅助活塞(203)的扭矩存储装置驱动的调节凸轮(1501)。所述机构在不使用液压控制的条件下提供非常快和精确的瞬时响应。本发明如期望地简化了控制系统，并为此目的提供优良和紧凑的解决方案。

Description

可变压缩比发动机
技术领域
本发明涉及内燃机领域，尤其涉及压缩比可变的发动机。
背景技术
严格的排放标准加上提高燃料经济性的需要，已迫使机动车辆动力系统的设计方式产生了显著的变化。ICE的主要缺点是由固定设计特征引起的。ICE性能的突破性改进的关键在于适应性发动机几何结构的成功实现，其能够在整个负荷/速度范围内动态地优化关键的发动机参数。目前，设计制约因素由峰值功率条件确定，但是大部分驾驶是发生在部分负荷的发动机工作中。这允许通过连续优化设计要素来显著提高整体效率和可驾驶性的可能性。虽然该方法无例外地适用于火花点火(SI)和柴油(CIDI)发动机，但其特别涉及HCCI。控制燃烧相位的固有难题是该技术成功采用的最关键的障碍。目前的实验发动机只能在严格控制的实验室条件及非常窄的负荷范围内达到稳定的SOC(燃烧起动)。特别地，HCCI工作由于早期SOC变得在较高负荷下不可接受。虽然自动点火点可以被多个因素影响，但是更受点火前压力的直接影响。这表示了可响应受控HCCI发动机中负荷的可变的燃烧室的需求。
SI发动机也获得同样的优点。固定间隙空间(clearance space)的主要缺点，除了对燃料经济性施加无益的限制，还排斥贫燃料混合物(lean mixture)的使用。在部分负荷工作中，压缩比可成比例地提高。当电荷密度提高，火焰密度上升迅速，增加了可燃性。
不能经受这些考虑，适应性发动机几何结构难以实现。运动学结构的动态控制是主要问题。特别地，难以达到的是，在受限于最小化寄生负荷及无级过渡的制约时，实现整个负荷范围内的工作点(operating point)稳定性。
现有技术
压缩比对燃烧特性、经济性和多燃料能力具有极大的影响。最终VCR的大规模采用是不可避免的。由VCR引起的问题是值得考虑的。间隙空间的动态调整已提出最艰难的挑战。该关键参数的成功控制依赖于可经受非常的要求和压力的独有控制系统的发展。就此而言，其必须能够在最小化功率施加于发动机时的压缩限制间平滑过渡，并同时提供非常高的抵抗爆炸的强大压力所致的反冲力的可回复性。在过渡中特别容易受到这些压力的影响。另外，系统应当能够对负荷变化作迅速的反应。
最近，出现了VCR系统研发的热潮。流行的策略包括：移动气缸盖/套筒、活塞到气缸顶面高度的变化、连接杆几何结构的改变、移动曲柄销，以及除此之外的移动曲轴轴线。
活塞到气缸顶面高度可变的的活塞中存在一些问题，如在美国专利5,191,862和Hirano的美国专利申请2006/0102115中公开的，或是缺乏完全控制，或是压缩比的分级控制。美国专利5,329,893教导了另一种通过倾斜的气缸盖变化压缩比的方法。除了密封问题，调节机构受到气缸盖和连接的附属物的组合惯性的影响。可选的方法试图相对偏心轴承上的气缸盖移动曲轴轴线。该方法具有临界的可靠性，这是由精确调准轴承的困难所致的轴承的快速磨损引起的。其它设计也已进行不同尝试，以克服轴承磨损的问题，例如Lawrence的美国专利申请2006/0112911中公开的通过将曲轴放置在摇篮形装置或部件中。其方法可能与V形块发动机不兼容，且连接曲轴到飞轮/变速箱是复杂的。承受燃烧气体的完全压力工作的问题仍然存在。
在另一方法中，其例子在美国专利6,772,717和公布的美国专利申请2006/0137632中给出，改进连接杆以变化冲程，借此影响压缩比。迅速往复运动部件的惯性施加过度的应力到调节机构上。MCE-5公司和其他人等也提出了更复杂的方案。
所有上述方案同样具有固有缺陷，即较高的压缩比可造成异常的燃烧室几何结构，该结构引起过多的热量损失和熄火。除了特殊的缺陷外，这些方法需要对发动机进行大量的和花费高的改进。
在另一方法中，辅助活塞设置在燃烧室顶内。大多数此类设计依赖液压控制以定位辅助活塞。这使气缸盖中的复杂管道成为必需。在经常被引用的Nakahara的美国专利4,516,537(’537)中描述了许多现有办法的固有问题，即在燃烧和空气的爆炸的强大压力下，液压液体的回流迫使活塞处在稍微后方的位置。’537致力于讨论从燃烧负荷分离调节机构以避免调节错误的主要问题。其他克服回流问题的尝试回归到压缩比的分级控制，而这种分级控制会引起爆震和不稳定的性能。现有技术的系统未按预期工作，因为压缩比的调节伴随着大量错误。另一美国专利5,195,469(’469)公开了能够利用纯机械系统分离前述调整和燃烧负荷的设计。尽管致密、标准且非常有效，套筒设置限制了支撑轴承在中间点的供应，这对于严密性是必需的，且沿其长度易受前进扭矩和调节错误的影响。
对于HCCI发动机，人们已提出多种方案以控制燃烧过程，例如在美国专利6,953,020、7,101,964和7,100,567等中公开的。尽管这些方案可有一定程度的可变性，但是这些设计包含限制它们的实用/商用价值的水平的复杂性。在美国专利6,708,655、6,450,154和6,250,520中公开了其它有效方法。当动力活塞通过辅助活塞位于TDC附近时，自动点火通过迅速升高气缸压力来引发。然而为了在整个负荷范围内有效，需要通过维持升压前压力在窄限内以补充方法。在上述设计中，升压程度不可以用凸轮驱动系统随意变化，且液压驱动活塞会碰到’537中列出的问题。
发明内容
从前述来看显而易见的是，现有设计在成本/复杂度或性能方面有严重的缺陷。不实用的设计、低可靠性和制造难度是排除它们作为可变设计产品的强力竟争者的明显障碍。因此，迫切需要改进的装置以实现适应性发动机几何结构。
相应地，本发明利用简单、优良的解决方法来实现目的，该方法在低成本下具有高功能性、可靠性和长时间的耐久度。
本发明的目的在于，实现高级控制机构，其符合稳定、无错运行、高耐受力、低寄生负荷和快速瞬时响应的标准。
本发明的另一目的在于，提供能够从燃烧负荷分离调整机构的VCR控制装置。
本发明的目的还还于，提供能够在不同工作模式和燃料间平滑地切换的发动机。
本发明的又一目的在于，提供适于大量生产的发动机。本发明的这些和其它目的依据本发明的较佳实施例来实现，以实现改进的系统来控制间隙体积。
可变间隙体积通过可移动的辅助活塞的定位而确定，该辅助活塞安装在间隙空间上开设的凹穴中。辅助活塞的定位受到调节凸轮的旋转位置的影响，调节凸轮摆脱了早前系统成问题的液压技术。代表性设计的特征在于，在空挡间隔(排气-充气冲程，exhaust-intake strokes)中凸轮能够被起动以用于体积调节部件的向前运动，借此最小化功率需求。在另一创新步骤中，锁扣机构防止凸轮在气缸压力突然上升情况下倒退。在整个负荷范围内实现了压缩比的无级调节。设计具有的另一优点是，在两个方向上均有非常快的瞬时响应。
装置具有超出’469的重要改进。通过分离控制轴和调节轴，本发明提供更耐用的结构。通过沿系统的长度方向在中间点提供支撑轴承，减少了调节错误，增强了严密性。同时，考虑到在气缸盖的有限范围内组成部分的设置和与气门装置一起的容纳，提高了灵活性。
附图说明
结合接下来的详细说明以及附图，本发明的实施方式可被更彻底地理解，本发明的其它目的和优点也会变得更加明显，附图中同一标号自始至终指示同一部件。
图1是基于本发明原理之发动机的横截面图，其示出了由调节凸轮和轴定位的副气缸；
图2是带棘轮的调节轴和带锁扣机构的凸轮的示意图；
图3是调节凸轮和驱动齿轮的详细示意图；
图4是带有设置在控制轴和齿轮间的扭矩存储装置的替代实施方式的剖面图；
图5是说明本发明的带配件的局部装配装置的透视图。
具体实施方式
现在参考附图，在图1中是说明整体标记为10的内燃机中的气缸的剖面图。发动机具有主气缸101、气缸盖102和主活塞103。副气缸201形成于气缸盖102中，其定位以使副气缸201的开口与选定部分的体积相通，该选定部分的体积包括在TDC处的间隙体积。副活塞203安装在副气缸201中。在计算压缩比过程中，位于活塞203下面的空间被添加到间隙体积。随着副活塞沿气缸201下降，减少了间隙体积，提高了压缩比。副气缸的开口可制作成狭口(narroworifice)。
在图1所示的实施方式中，火花塞可以安装到副活塞中或根据喜好的其它位置。副活塞包含用于密封和润滑的环形物等，由于它们在行业中是熟知的，故本发明没有示出和讲授其细节。
图2描画了调节轴1301，棘轮1302与活塞相对应地间隔形成于其上。凸轮1501的一侧共轴安装有齿轮装置1503。齿轮与控制轴1401上的相应齿轮1402接合。衬套1504安装有锁扣机构1502，其与调节轴上的棘轮接合以迫使凸轮相对调节轴单向旋转。一带锁扣机构1502的凸轮1501通过各棘轮1302安装到调节轴1301上。
现在参考附图3，齿轮1503以允许其相对凸轮有限程度的自由旋转的方式与凸轮共转。在代表性实施方式中，自由旋转受到终点止动装置(end stop)的限制，终点止动装置通过齿轮邻接的突出部B插入凸轮上的凹口A形成。齿轮的自由旋转受到设置在齿轮和凸轮间的弹簧或扭矩装置的限制，该弹簧或扭矩装置使齿轮在逆时针方向上偏向逆着图3所示的止动装置L1的方向。弹簧装置1403通过由2个终点止动装置界定的负荷间隙(loading gap)的封闭是可压缩的，以便在增加压缩比的方向上从驱动齿轮1402传递扭矩。控制轴的转动受伺服马达的控制。在优选实施方式中，齿轮1404在控制轴的选定部分上形成，以允许通过直接耦合的齿轮传动装置与马达驱动器接合。
一旦控制轴在预期方向上旋转和弹簧1403负载，装置被起动以使凸轮根据燃烧室中产生的压力在预期方向上移动，燃烧室通过上面讲到的低于共同作用的弹簧1403的副活塞与调节齿轮1501相联。该凸轮1501的移动减轻允许凸轮齿轮1503再次靠近终点止动装置L1的弹簧中的应力。通过安装在凸轮衬套中与棘轮1302接合的单向锁扣机构，防止了调节凸轮在相反方向上的旋转。在代表性实施方式中示出了棘轮，但可以是现有技术中可施加单向旋转影响的任何已知机构。
在图4所示的替代结构中，负荷间隙由两终点止动装置间的驱动齿轮1402和控制轴1401之间的自由移动所限定。偏心弹簧设置在二者之间以服务于相同的目的。驱动齿轮也可以形成为齿条，该情况下控制轴将作为柱塞与力存储装置一起作用，力存储装置例如设置在齿条和柱塞之间的弹簧。
伺服马达和驱动机构可分别在凸轮轴盖外面覆盖起来。伺服马达的旋转和定位受发动机管理电脑的控制。
图5表示在中间点用紧固装置装配的实施方式，其中描画了步进马达1702，其具有与控制轴1401的驱动齿轮1404接合的传动齿轮1703。调节凸轮在连接到步进马达的控制器情况下旋转到预期的正向位置(forward position)。为了反向改变凸轮1501的位置，调节轴1301一端的离合机构(clutch mechanism)1701被释放，以允许调节轴和随之一起的整个装置在较低压缩比的方向上旋转。凸轮1501可借此连续重新定位(微调)以平衡负荷的改变和气缸温度梯度的渐变。回复运动可通过伺服马达的逆向旋转辅助，借以实现向低压缩比的非常快的过渡(＜100毫秒)。为了进一步便利凸轮的定位，可在凸轮1501和副活塞203之间设置控制杆，例如围绕一端或中间的固定点枢转的控制杆。驱动齿轮1402也可以通过链或带与凸轮齿轮1503接合。
相比之前的系统，成问题的液压控制装置和管道系统被排除，在减少调节错误的同时，允许成本的减少、更好的可靠性和稳定性。
在代表性实施方式中，离合盘1701通过在ECU指导下自由地释放的螺线管固定地接合。系统设计为安全模式下失效，安全模式是指导致系统靠惯性滑行并回到安全的低压缩比状态下的功率或控制信号的丢失或螺线管故障。作为选择，离合盘和伺服马达可以用类似用于相对其驱动链轮旋转凸轮轴类型的液压驱动的驱动器替换。
在本发明的有利特征中，凸轮相对终点止动装置的自定位(self-alignment)确保了在所有气缸中精确和统一的压缩比。
在本发明的另一有利特征中，代表性实施方式允许多个气缸被单个驱动器控制，结果得到致密、低成本的模块化设计。
另外，当通过装置间隔提供的夹具实现相对反冲力和燃烧负荷的分离的严密性时，最小化发动机上的工作效能和寄生负荷。
由于在不偏离此处包含的本发明的精神和范围的前提下可对上述装置作出一些改变，上述说明中包含的全部内容，如在附图中所示，意指应当理解为说明性而非限制性意义。

Claims (19)

1.一种内燃机，其特征在于，包括：
在其中界定燃烧气缸的气缸体；设置在所述燃烧气缸中的主活塞；界定所述燃烧气缸末端的气缸盖；所述气缸盖界定与所述燃烧气缸具有流动传递的副气缸；可往复运动地设置在所述副气缸中的副活塞；所述副活塞的往复运动通过凸轮的旋转被控制；所述凸轮具有可通过安装在分离的控制轴上的相应驱动部件(1402)接合的驱动装置(1503)。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述凸轮位于所述副活塞上面并与所述副活塞相互作用。
3.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，借助插入所述凸轮和所述副活塞之间的控制杆，所述凸轮可以定位为远离所述副活塞，或与所述副活塞不共轴。
4.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述凸轮相对其安装轴是可旋转的。
5.根据权利要求4所述的发动机，其特征在于，所述凸轮是可锁定的，以便与其安装轴共旋转。
6.根据权利要求5所述的发动机，其特征在于，所述驱动装置具有相对所述凸轮的受限旋转，位于所述驱动装置和所述凸轮间的扭矩存储装置通过所述驱动装置的旋转传递扭矩到所述凸轮，所述控制轴由电力传动马达或液压传动马达驱动。
7.根据权利要求5所述的发动机，其特征在于，所述相应驱动部件具有相对所述控制轴的受限移动，借助位于所述相应驱动部件和所述控制轴间的力存储装置，通过所述控制轴的移动传递力到所述相应驱动部件；所述控制轴的移动受到电力传传动马达或液压传动马达的影响。
8.一种内燃机，其特征在于，包括：
在其中界定燃烧气缸的气缸体；设置在所述燃烧气缸中的主活塞；界定所述燃烧气缸末端的气缸盖；所述气缸盖界定与所述燃烧气缸具有流动传递的副气缸；可往复运动地设置在所述副气缸中的副活塞；所述副活塞的往复运动通过凸轮的旋转被控制；所述凸轮相对其安装轴(1301)是可旋转的，并具有可通过安装在分离的控制轴上的相应驱动部件(1402)接合的驱动装置(1503)。
9.根据权利要求8所述的发动机，其特征在于，所述凸轮是可锁定的，以便与其安装轴共旋转。
10.根据权利要求9所述的发动机，其特征在于，所述凸轮位于所述副活塞上面并与所述副活塞相互作用。
11.根据权利要求9所述的发动机，其特征在于，借助插入所述凸轮和所述副活塞之间的控制杆，所述凸轮可以定位为远离所述副活塞，或与所述副活塞不共轴。
12.根据权利要求9所述的发动机，其特征在于，所述驱动装置具有相对所述凸轮的受限旋转，位于所述驱动装置和所述凸轮间的扭矩存储装置通过所述驱动装置的旋转传递扭矩到所述凸轮，所述控制轴由电力传动马达或液压传动马达驱动。
13.根据权利要求9所述的发动机，其特征在于，所述相应驱动部件具有相对所述控制轴的受限移动，借助位于所述相应驱动部件和所述控制轴间的力存储装置，通过所述控制轴的移动传递力到所述相应驱动部件；所述控制轴的移动受到电力传传动马达或液压传动马达的影响。
14.根据权利要求9所述的发动机，其特征在于，所述燃烧气缸和所述副气缸间的所述流动传递是通过狭口。
15.根据权利要求12所述的发动机，其特征在于，所述驱动装置是与相应齿轮驱动装置接合的齿轮驱动装置。
16.根据权利要求12所述的发动机，其特征在于，所述扭矩存储装置是弹簧。
17.根据权利要求13所述的发动机，其特征在于，所述力存储装置是弹簧。
18.一种运行发动机的方法，其特征在于，包括：
提供在其末端具有气缸盖的燃烧气缸和可往复运动地设置在界定燃烧室的燃烧气缸中的主活塞；提供与所述燃烧室具有流动传递的副气缸和可往复运动地设置在所述副气缸中的副活塞；以及，在所述副气缸中往复运动所述副活塞，以便维持不同发动机负荷条件下的最佳压缩比。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，其中所述压缩比对于不同的燃料输入或不同运行模式是进一步可选的。
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