CN102597457A - 一种用于可变压缩比发动机的补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种用于可变压缩比发动机的补偿装置，该补偿装置包括可往复运动在导向套(2)内的活塞(1)，该导向套具有与发动机的燃烧气缸连通的开口端(24)、和封闭端(11，30)，其中该装置进一步包括形成在导向套(2)的封闭端(11，30)和活塞(1)内表面之间的第一气动缓冲装置(20)，以此来限制活塞(1)向导向套(2)的封闭端(11，30)的运动，形成在导向套(2)与活塞(1)外表面之间的第二气动缓冲装置(19)，以此来限制活塞(1)向导向套(2)的开口端(24)的运动，和止回阀(18)，其配置为在活塞(1)向导向套(2)的封闭端(11，30)移动的过程中，根据活塞(1)的位移的量提供气动介质到所述第二气动缓冲装置(19)。

Description

一种用于可变压缩比发动机的补偿装置

技术领域

本发明涉及到用于可变压缩比发动机的装置。

背景技术

可变压缩比发动机通常由对着主活塞设置的附加可调活塞可以实现高压缩比。

这种配置的一个例子体现在美国专利US6708655中，它描述了内燃机，其包括燃烧气缸、在燃烧气缸端上的气缸盖和往复地设置在燃烧气缸内的主活塞。气缸盖包括二级气缸和在二级气缸内的往复设置的二级活塞。致动器连接到二级活塞，用于根据主活塞的位置控制二级活塞的位置，并且连通口在燃烧气缸与二级气缸之间建立流体流动连通。致动器可以是液压致动器或凸轮致动器。该装置的构造是比较复杂的。

本发明的目的是提供用于可变压缩比发动机的补偿装置，其具有简单构造和较高效率。

发明内容

本发明的对象是一种用于可变压缩比发动机的补偿装置，该补偿装置包括可往复运动在导向套内的活塞，该导向套具有与发动机的燃烧气缸连通的开口端、和封闭端，其中所述活塞具有空心圆柱管形状，包括第一部分和第二部分，第一部分带有封闭端，且可运动在所述导向套第一部分内，第二部分具有比所述第一部分的直径大的直径和开口端，第二部分可运动在所述导向套第二部分内，并且其中所述补偿装置还包括在活塞的第一部分和导向套第一部分之间的第一密封件，在活塞的第二部分和导向套的第二部分之间的第二密封件，形成在导向套的封闭端和活塞内表面之间的第一气动缓冲装置，以此来限制活塞向导向套的封闭端的运动，形成在导向套与由第一密封件和第二密封件所限制的活塞外表面之间的第二气动缓冲装置，以此来限制活塞向导向套的开口端的运动，止回阀，其配置为在活塞向导向套的封闭端的移动过程中，依据活塞的位移的量提供气动介质到所述第二气动缓冲装置。

活塞可进一步包括中间部分，其具有锥形扩大的形状并且位于活塞的第一部分和第二部分之间。

导向套可进一步包括具有基本对应于活塞的中间部分内部轮廓的形状的缓冲件，配置为限制活塞向导向套的封闭端的运动。

导向套可进一步包括具有基本对应于活塞的中间部分外部轮廓的形状的缓冲件，配置为限制活塞向导向套的开口端的运动。

该装置可进一步包括形成在导向套内的出口管道，其与第二气动缓冲装置连通使得在活塞向导向套的开口端运动过程中允许排除气动介质。

出口管道的活动横截面可通过针阀来调节。

活塞的第一部分的外壁可包括凹槽，导向套的第一部分包括管道，凹槽和管道配置为在活塞运动过程中流体连通。

导向套的封闭端可以是固定的。

导向套的封闭端可以通过可移动的隔板形成。

可移动的隔板可以包括带有止回阀的进口管道，用于提供气动介质到所述第一气动缓冲装置。

附图说明

本发明的目的以典型实施例方式显示在附图中，附图中：

图1显示补偿装置第一实施例的结构。

图2示意性地显示出通过气动缓冲装置对补偿装置第一实施例的活塞的支撑。

图3显示补偿装置第二实施例的结构。

图4示意性地显示出通过气动缓冲装置对补偿装置第二实施例的活塞的支撑。

图5A-5D显示出在不同发动机工作阶段中补偿装置的结构。

图6示意性地显示出用于标准奥托循环与具有根据本发明的补偿装置的发动机循环的理论压力-容积曲线图的比较。

图7示意性地显示出用于标准发动机与具有根据本发明的补偿装置的发动机的压力按照时间的变化的比较。

具体实施方式

实施例1-用于实施本发明的最佳方式

图1显示了根据本发明的补偿装置第一实施例的结构，具有可变化量的气动介质的被动缓冲装置，它可以在运行过程中被调整到发动机的转速和负载。它包括同轴地设置在导向套2中并且可在导向套2中往复移动的成形活塞1，导向套2具有与燃烧气缸连通的开口端24，在该燃烧气缸内主活塞可往复运动(未显示)。活塞1具有空心圆柱管的形状，其具有底部部分25，所述底部部分具有在导向套2的开口端24处的封闭端31，并且具有顶部部分26，所述顶部部分26具有比底部部分25直径大的直径和开口端32。具有锥形延伸形状的中间部分27连接活塞1的底部部分25和顶部部分26。中间部分27的锥形形状最适合于由轻金属制成的活塞1，所述轻金属例如为镁或铝合金。在活塞1由复合材料制成的情况下，中间部分27的形状可根据所使用的复合材料的属性设置。导向套2具有底部部分28和顶部部分29，所述底部部分28的直径相应于活塞的底部部分25，所述顶部部分29的直径相应于活塞的顶部部分26。凹槽3形成在活塞1的底部部分25的外壁上，而底部密封件5和顶部密封件4在活塞1的外壁和导向套2之间分别低于和高于所述凹槽。进口管道6和出口管道7形成在导向套2中来提供与凹槽3的流体连通。在一个实施例中，润滑和冷却混合物可以通过管道6、7输送，以在活塞1的凹槽3周围强烈流动，来润滑和冷却活塞1。在另一个实施例中，一小部分油可以通过管道6、7输送，以仅润滑活塞1，而活塞通过底部密封件5和对导向套2的冷却来冷却。顶部气动密封件8安装到活塞1上在顶部部分26的外周和导向套2之间。活塞1的顶部部分26在导向套2的顶部部分29内在安装到导向套2的顶部缓冲件9和安装到导向套2的底部缓冲件10之间移动。顶部缓冲件9进一步包括用于气动介质的出口管道23。顶部缓冲件9的外表面限制活塞1向导向套2的封闭端11的移动，当活塞施加压力到顶部缓冲件9上时，该顶部缓冲件9的外表面基本上对应于活塞1的中间部分27的内部轮廓。底部缓冲件10的外表面，其限制活塞1向导向套2的开口端24的移动，当活塞施加压力到底部缓冲件10上时，该外表面基本上对应于活塞1的中间部分27的外部轮廓。优选地，所述缓冲件在活塞1压到缓冲件9、10的情况下可弹性形变为活塞的外形。所述缓冲件9、10可以由抗高温的弹性材料制成。

导向套2的顶部部分29(优选地在上述顶部缓冲件9上方)包括可移动的隔板11，其安装在导向件12上，通过在导向套2的顶壁中的开口可移动，在导向套的顶壁中形成用于气动介质的进口管道13。可移动的隔板11具有在其外围和导向套2之间安装的密封件14。可移动的隔板11在其中间部分还包括用于气动介质的进口管道15，其通过止回阀16(如翻板阀或通道阀)关闭。底部缓冲件10包括用于气动介质的进口管道17，其由止回阀18关闭，所述止回阀例如为翻板阀或通道阀。此外，用于气动介质的出口管道21和用来调节出口管道21的活动截面的可调节针阀22被放置在底部缓冲件10内临近导向套。

图2示意性地显示出通过气动缓冲装置对补偿装置第一实施例的活塞的支撑。在操作过程中，活塞1在导向套2内可往复运动，而其运动由被动气动缓冲装置20和主动气动缓冲装置19弹性限制。根据本发明，主动气动缓冲装置在内部恢复过程中最佳地降低活塞运动，在补偿装置的内部能量积累过程中促进其运动。主动气动缓冲装置19在导向套和活塞1低于其顶部部分26的外表面之间包括气动介质。主动气动缓冲装置19由顶部气动密封件8和活塞1的顶部密封件4所密封。其优选地通过嵌入在导向件2中且通过止回阀18封闭的进口管道17提供气动介质，所述气动介质具有可被调节的或恒定的压力。止回阀18配置为在活塞1朝向导向套2的封闭端11运动的过程中根据活塞1的位移的量提供气动介质到主动气动缓冲装置19。主动缓冲装置19通过具有恒定或调整过的横截面的出口管道21的泄漏，或在发动机低转速时通过可调节阀而缩小，并且自动调节。此外，底部缓冲件10保护活塞1在主动缓冲装置19内的气动介质量不足或缺乏时免受损害。主动缓冲装置19同时作为弹簧和阻尼器。气动主动缓冲装置19限制活塞1向导向套2的开口端24的运动。气动被动缓冲装置20包括封闭在活塞1内部和导向套2的封闭端之间的气动介质，导向套的封闭端在图1的实施例中是由可移动隔板11形成。所述气动缓冲装置是由活塞顶部部分26的气动密封件8和可移动隔板11的密封件14所密封。顶部缓冲件9保护活塞1在被动缓冲装置20中的气动介质量不足的情况下免受损害。被动缓冲装置20通过进口管道15穿过止回阀16被提供有恒压的气动介质。在自动调节的情况下，可控阀可以用来代替止回阀16，以便允许通过可调压的气动介质来膨胀和缩小气动被动缓冲装置20。被动缓冲装置起到弹簧作用。气动被动缓冲装置20限制活塞1向导向套的封闭端11的运动。活塞1的质量和几何结构相对于它所运行的热机配置。被动缓冲装置20的进口气动介质压力和体积、主动缓冲装置19的进口气动介质压力和出口管道21的横截面可相对于运行过程中热机给定的旋转速度和负载被调节。

实施例2

图3显示了根据本发明的补偿装置的第二实施例构造，其具有的被动缓冲装置具有可变量的气动介质，其特别是可用于相对恒定的负载和转速的发动机。该实施例中的导向套2具有固定的封闭端30。与图1中构件类似的构件使用相同的数字表示。它包括同轴设置在导向套中且可往复移动在导向套2中的成形活塞1，导向套2具有与燃烧气缸连通的开口端24，在该燃烧气缸内主活塞可往复运动(未显示)。活塞1具有中空圆柱管的形状，其具有的底部部分25在导向套2的开口端24处具有封闭端31，并且其具有的顶部部分26具有比底部部分25直径大的直径和开口端32。具有锥形延伸形状的中间部分27连接活塞1的底部部分25和顶部部分26。中间部分27的圆锥形状是最适合于由轻金属制成的活塞1，所述轻金属例如为镁或铝合金。在活塞1由复合材料制成的情况下，中间部分27的形状可以根据所使用的复合材料的属性设置。导向套2具有底部部分28和顶部部分29，所述底部部分28的直径相应于活塞的底部部分25，所述顶部部分29的直径相应于活塞的顶部部分26。凹槽3形成在活塞1的底部部分25的外壁中，而底部密封件5和顶部密封件4在活塞1的外壁和导向套2之间分别低于和高于所述凹槽。进口管道6和出口管道7形成在导向套2中来提供与凹槽3的流体连通。在一个实施例中，润滑和冷却混合物可以通过管道6、7输送，以在活塞1的凹槽3周围强烈流动来润滑和冷却活塞1。在另一个实施例中，一小部分油可以通过管道6、7输送，来仅润滑活塞1，而活塞通过底部密封件5和对导向套2的冷却来冷却。顶部气动密封件8安装到活塞1上在顶部部分26的外周和导向套2之间。活塞1的顶部部分26在导向套2的顶部部分29内，在安装到导向套2的顶部缓冲件9和安装到导向套2的底部缓冲件10之间运动。顶部缓冲件9进一步包括用于气动介质的出口管道23。当活塞施加压力到顶部缓冲件9上时，顶部缓冲件9的外表面对应于活塞1的顶部部分26的内部轮廓。当活塞施加压力到底部缓冲件10上时，底部缓冲件10的外表面对应于活塞1的中间部分27的外部轮廓。优选地，所述缓冲件在活塞1压到缓冲件9、10的情况下可弹性形变为活塞的外形。所述缓冲件9、10可以由可抗高温的弹性材料制成。

导向套2的顶部部分29优选地在顶部缓冲件9的上方包括用于气动介质的进口管道13。底部缓冲件10包括通过止回阀18关闭的用于气动介质的进口管道17，所述止回阀例如为翻板阀或通道阀。此外，气动介质的出口管道21和可调节针阀22形成在底部缓冲件10内临近导向套。

图4示意性地显示出通过气动缓冲装置对补偿装置第二实施例的活塞的支撑，类似于图2中第一实施例的活塞的支撑，具有以下的区别。被动缓冲装置20的最大容积是固定的，这使得该实施例特别适合于具有基本恒定转速和基本恒定负载运行的发动机。

上述描述中使用的术语“顶部”和“底部”是指在图中的特定构件的位置，在附图中以垂直方式示出，但不有意限制根据本发明的补偿装置的配置位置。

图5A-5D显示出在不同发动机工作阶段中补偿装置的结构，其将与图6和7所展示的曲线图关联地进行说明。图6示意性地显示出用于标准奥托循环(虚线)与具有根据本发明的补偿装置的发动机循环(连续线)的理论压力-容积曲线图的比较。图7示意地显示出用于标准发动机(虚线)与具有根据本发明的补偿装置的发动机(实线)压力根据时间的变化的比较。图6和7中的标记A-D对应于图5A-5D显示的活塞位置。

图5A对应这样的阶段：在该阶段主活塞40到达上死点位置，并且启动点火。图5B对应这样的阶段：在该阶段主活塞40处于上死点中。增加的气体压力使活塞1急剧加速，由于其质量小于主活塞40的质量，因而其移动地比主活塞40快。活塞1向上移动增加了燃烧室41的容积，因而补偿了压力的增加。其在B和C点之间的峰值处达到其最大加速度，如图7所示。在该峰值处，燃烧室41的容积的增加如此高以致于导致压力的下降。当燃烧室41中的压力降低到被动缓冲装置20的压力之下时(考虑到与活塞1的顶部和底部直径之间的差有关的气动比率)，图5C中所示的，活塞1开始减速并达到其最高位置。在这一点上，通过开启止回阀18提供给主动气动缓冲装置19的气动介质的量被限定。接下来，活塞1向下移动，返回其机械能，降低燃烧室41内的压力下降的速度，并同时挤压主动气动缓冲装置19内的气动介质，直至其达到其最低位置，如图5D所示，该位置比图5A所示的位置略高。由于在图5C和5D的位置之间燃烧室的体积基本恒定，燃烧室41中的气体没有实质上做功，并且能量主要是由被动缓冲装置20提供。活塞1的动能消耗在主动气动缓冲装置19上。基于以下事实，即主动缓冲装置19中的气动介质的量依赖于活塞的最大位移，所以所述能量损失最低。在位置D之后，该循环的进一步的阶段像典型的发动机中那样继续进行。由于较高的压缩比，即使考虑到主动气动缓冲装置19的最佳、最小的能量损失，发动机也能达到比标准的发动机更高的效率。

根据本发明的补偿装置可用于具有可变燃烧室的热机中。它允许在工作周期中压缩比的连续变化。压力的增加与活塞质量和支撑其的气动缓冲装置(弹簧)的参数的结合有关。因此，该补偿装置可以用在具有高转速范围的发动机(牵引发动机)中。活塞的减速会影响其耐用性，因此它必须在给定的距离并且以相对较小的背压运行，并具有迅速衰减振荡的特征，这是通过气动主动缓冲装置来保证实现的。弹性气动密封件允许将热部分从活塞的气动部分分离，因此气动介质的损失受限制。通过采用直接冷却，活塞可用在较高的热负荷和涡轮增压发动机中。通过出口管道对冷却和润滑系统的清扫(其始终存在于热侧和气动侧)保护活塞避免出现局部过热。通过改变导向套的直径，气动介质的压力最小化。一个简单的活塞结构会使其容易制造并且容易与发动机整合。活塞的形状在均质材料的情况下会增加其耐磨性能。在主动缓冲装置中使用翻板阀或通道止回阀减少其死容积，并提高了充装速度以及提供了适当的耐用性。这样的装置即使在小负荷时也是自动调节的。本发明的对象可以在低过量空气系数时与均质充量压燃(HCCI)发动机一同使用，并且允许减少废气。

Claims (10)

1.一种用于可变压缩比发动机的补偿装置，该补偿装置包括在导向套(2)内可往复运动的活塞(1)，该导向套(2)具有与发动机的燃烧气缸连通的开口端(24)和封闭端(11，30)，其特征在于：

-所述活塞(1)具有中空圆柱管的形状，具有第一部分(25)和第二部分(26)，所述第一部分(25)具有封闭端(31)且在所述导向套(2)的第一部分(28)内可运动，所述第二部分(26)具有比所述第一部分(25)的直径大的直径和开口端(32)，并且在所述导向套(2)的第二部分(29)内可运动，

并且，其中，所述补偿装置还包括：

-第一密封件(4)，其在所述活塞(1)的所述第一部分(25)和所述导向套(2)的所述第一部分(28)之间，

-第二密封件(8)，其在所述活塞(1)的所述第二部分(26)和所述导向套的所述第二部分(29)之间，

-第一气动缓冲装置(20)，其形成在所述导向套(2)的封闭端(11，30)和所述活塞(1)内表面之间，以此来限制所述活塞(1)朝向所述导向套(2)的所述封闭端(11，30)的运动，

-第二气动缓冲装置(19)，其形成在所述导向套(2)与所述活塞(1)的由所述第一密封件(4)和所述第二密封件(8)所限制的外表面之间，以此来限制所述活塞(1)朝向所述导向套(2)的开口端(24)的运动，

-止回阀(18)，其构成为在活塞(1)朝向所述导向套(2)的封闭端(11，30)运动的过程中，向所述第二气动缓冲装置(19)提供供应量依所述活塞(1)的位移而定的气动介质。

2.如权利要求1所述的补偿装置，其中所述活塞(1)进一步包括中间部分(27)，其具有锥形扩展形状并且位于活塞(1)的所述第一部分(25)和所述第二部分(26)之间。

3.如权利要求2所述的补偿装置，其中，所述导向套(2)进一步包括缓冲件(9)，其具有基本对应于活塞(1)的所述中间部分(27)的内部轮廓的形状，配置为限制活塞(1)朝向所述导向套(2)的封闭端(11，30)的运动。

4.如权利要求2所述的补偿装置，其中所述导向套(2)进一步包括缓冲件(10)，其具有基本对应于活塞(1)的所述中间部分(27)外部轮廓的形状，配置为限制活塞(1)朝向所述导向套(2)的开口端(24)的运动。

5.如前述权利要求中任一项所述的补偿装置，进一步包括形成在所述导向套(2)内的出口管道(21)，其与所述第二气动缓冲装置(19)连通，以在活塞(1)朝向所述导向套(2)的开口端(24)运动的过程中允许清除气动介质。

6.如权利要求5所述的补偿装置，其中所述出口管道(21)的活动横截面可通过针阀(22)来调节。

7.如前述权利要求中任一项所述的补偿装置，其中所述活塞(1)的第一部分(25)的外壁包括凹槽(3)，并且，所述导向套(2)的第一部分(28)包括管道(6，7)，所述凹槽(3)和所述管道(6，7)构成为在活塞(1)运动时流体连通。

8.如前述权利要求中任一项所述的补偿装置，其中所述导向套(2)的封闭端是固定的(30)。

9.如前述权利要求1-7中任一项所述的补偿装置，其中所述导向套(2)的封闭端通过可移动隔板(11)形成。

10.如权利要求9所述的补偿装置，其中所述可移动隔板(11)包括带有止回阀(16)的进口管道(15)，用于提供气动介质到所述第一气动缓冲装置(20)。

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