CN103541819A - 大型往复活塞式燃烧发动机及其控制设备和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大型往复活塞式燃烧发动机及其控制设备和控制方法。所述往复活塞式燃烧发动机（1）包括：配备有缸套（4）的至少一个缸体；至少一个活塞（6），所述活塞以可动的方式布置在所述缸套内；以及曲轴（2），所述曲轴以可旋转的方式布置在曲轴壳体中，其中每个活塞都经由活塞杆（7）连接到十字头（8），并且所述十字头经由连杆（9）连接到所述曲轴（2）以驱动所述曲轴，其中，每个十字头（8）都设置有用于控制所述往复活塞式燃烧发动机的压缩比的控制设备（10）。

Description

大型往复活塞式燃烧发动机及其控制设备和控制方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的大型往复活塞式燃烧发动机，并涉及分别根据权利要求12和14的前序部分所述的控制设备和用于控制大型往复活塞式燃烧发动机的压缩比的方法。
背景技术
在往复活塞式燃烧发动机中，对于燃烧、热效率并且对于废气排放而言，压缩比是一个重要的参数。压缩比通常被选择以产生最佳发动机性能。该选择通常与高负载发动机性能最相关。为了使整个操作范围内的性能最佳，期望具有可变压缩比，但由于这种系统的复杂性，因此通常进行折衷而限定恒定压缩比。
对于能够在具有不同点火性能的不同燃料量的条件下运行的往复活塞式燃烧发动机能够而言，或者对于能够根据狄塞尔循环以液体柴油来运行和根据奥图循环以汽油来运行的所谓的双燃料发动机而言，该问题变得甚至更关键，这是由于既可以借助柴油进行狄塞尔循环也可以借助汽油进行奥图循环的共用压缩比的范围非常窄。在这种情况下，必须对狄塞尔循环性能和奥图循环性能进行折衷。这在一些情况下可能是可行的，但为了使发动机性能最佳，需要可变压缩比。
已知存在不同的方案来改变小型往复活塞式内燃机中的压缩比，诸如围绕活塞销或围绕主轴承的偏心套筒，或者用于调节缸体盖和曲轴中心线之间的距离的偏心轴和机构。这些方案通常相当复杂，并且在不对发动机进行重大的重新设计的情况下不容易适用于大型往复活塞式燃烧发动机。另外，这些方案将需要大量的钢和铁以确保大型发动机中的刚性发动机结构。
而且，已知的大型往复活塞式燃烧发动机并且特别是例如在船舶和电站中使用的柴油类型的大型二冲程往复活塞式燃烧发动机的构造不同于小型往复活塞式燃烧发动机的构造。已知的大型往复活塞式燃烧发动机包括：分别配备有缸套的一个或多个缸体；以可动的方式布置在相应的缸套内的一个或多个活塞；以及以可旋转的方式布置在曲轴壳体中的曲轴，其中每个活塞均经由活塞杆连接到相应的十字头，并且每个十字头均经由连杆连接到曲轴以驱动该曲轴。活塞杆通常被沿着它们的纵向轴线被线性地引导，并且相应的十字头将活塞杆的线性运动转换为连杆的非线性运动。
在JP61-197731A中描述了一种大型可变压缩比柴油发动机。所述的柴油发动机包括用于改变压缩比的可移位的出口阀座。该方案被认为太笨重并且为了实施该方案需要相当大量的钢。
发明内容
本发明的目的是提供一种其中压缩比能够被改变并且可变压缩比的控制需要较小的额外空间或不需要额外空间的大型往复活塞式燃烧发动机、和控制设备以及用于控制大型往复活塞式燃烧发动机的压缩比的方法，其中所述控制设备能够被集成在十字头中或集成在活塞中。
该目的根据本发明由权利要求1限定的大型往复活塞式燃烧发动机以及分别由权利要求12和15限定的控制设备和方法来满足。
根据本发明的大型往复活塞式燃烧发动机包括：配备有缸套的至少一个缸体；至少一个活塞，所述活塞以可动的方式布置在所述缸套内；以及曲轴，所述曲轴以可旋转的方式布置和/或轴颈连接在曲轴壳体中，其中所述活塞在各种情况下都经由活塞杆连接到十字头，并且所述十字头在各种情况下都经由连杆连接到所述曲轴以驱动所述曲轴。另外，所述十字头或所述活塞中的一者或者所述十字头和所述活塞这二者在各种情况下都设置有用于控制所述往复活塞式燃烧发动机的压缩比的控制设备。所述十字头通常将所述活塞杆的线性运动转换为所述连杆的非线性运动。
在所述大型往复活塞式燃烧发动机的有利实施方式中，所述控制设备包括驱动机构，所述驱动机构设置在所述十字头中或该十字头处，或者设置在所述活塞中或该活塞处，以使所述活塞杆和/或所述活塞相对于所述十字头移位。
所述控制设备例如能包括下列一个或多个部件：能够旋转的偏心十字头销；与十字头销相配合的偏心衬套，其中所述衬套能够旋转；转动机构，所述转动机构用于使所述十字头销或所述衬套中的一者转动或者使所述十字头销和所述衬套这二者转动；和锁定机构，所述锁定机构用于锁定所述十字头销或所述衬套中的一者或者锁定所述十字头销和所述衬套这二者。
所述控制设备任选地能够包括：第一螺纹部，所述第一螺纹部设置成与所述活塞杆连接，例如设置在所述活塞杆的端部处；第二螺纹部，所述第二螺纹部与所述第一螺纹部相配合；以及转动机构，所述转动机构设置在所述十字头中或该十字头处，或者设置在所述活塞中或该活塞处，以使所述第一螺纹部或所述第二螺纹部转动。
有利地或者另外，所述控制设备能够包括：至少一个楔形部；与所述楔形部和所述活塞杆操作连接的配对部，例如为楔形配对部；以及驱动机构，所述驱动机构用于移动所述楔形部或所述配对部中的一者或者移动所述楔形部和所述配对部这二者。
在所述大型往复活塞式燃烧发动机的另一有利实施方式中，所述控制设备包括引导件，所述引导件用于相对于所述活塞杆并平行于该活塞杆移动所述活塞，或者所述控制设备包括活塞头，所述活塞头能够运动或者包含可动嵌件，并且所述控制设备还包括驱动机构，所述驱动机构用于相对于所述活塞杆移动所述活塞，或者用于相对于所述活塞或所述活塞杆移动所述活塞头，或者用于相对于所述活塞头或所述活塞移动所述嵌件。
在上述实施方式中提及的所述转动机构或者所述驱动机构有利地被以液压的方式驱动。
在另一有利实施方式中，所述控制设备包括液压摆动泵，所述液压摆动泵布置在所述十字头中或该十字头处，以产生液压压力，其中所述摆动泵包括：中空空间，例如为具有环形节段的形式的中空空间；以及摆动活塞，所述摆动活塞例如以密封的方式装配在所述中空空间中，所述中空空间或所述摆动活塞连接到连杆的端部处，从而当所述连杆在操作中移动时，所述摆动活塞在所述中空空间中摆动。
本发明还包括一种用于控制大型往复活塞式燃烧发动机的压缩比的控制设备，其中，所述往复活塞式燃烧发动机包括：配备有缸套的至少一个缸体；至少一个活塞，所述活塞以可动的方式布置在所述缸套内；以及曲轴，所述曲轴以可旋转的方式布置和/或轴颈连接在曲轴壳体中，其中每个活塞都经由活塞杆连接到相应的十字头，并且每个十字头都经由连杆连接到所述曲轴以驱动所述曲轴，其中，根据本发明的所述控制设备在各种情况下都设计成所述十字头的一部分或者集成在所述十字头中或集成在所述十字头销中。
在有利的实施方式中，所述控制设备包括驱动机构，所述驱动机构用于相对于所述十字头并且沿与所述活塞相同的方向使所述活塞杆移位。
本发明还包括一种用于控制大型往复活塞式燃烧发动机的压缩比的方法，其中，所述方法包括提供大型往复活塞式燃烧发动机，所述往复活塞式燃烧发动机包括：配备有缸套的至少一个缸体；至少一个活塞，所述活塞以可动的方式布置在所述缸套内；以及曲轴，所述曲轴以可旋转的方式布置和/或轴颈连接在曲轴壳体中，其中所述活塞在各种情况下都经由活塞杆连接到十字头，并且所述十字头在各种情况下都经由连杆连接到所述曲轴以驱动所述曲轴。所述方法还包括：为各十字头和/或各活塞设置控制设备，所述控制设备用于控制所述往复活塞式燃烧发动机的压缩比；并且当供应具有不同点火特性的不同燃料量时或者当燃料供应从柴油改变到汽油或者从汽油改变到柴油时，来改变压缩比。
根据本发明的大型往复活塞式燃烧发动机能够被实施成二冲程或四冲程发动机，例如实施成具有大于160mm或大于200mm的缸膛的四冲程发动机，或者实施成具有大于270mm或大于300mm直径的缸膛的二冲程发动机。而且，大型往复活塞式燃烧发动机能够被实施成柴油类型的大型往复活塞式燃烧发动机。
根据本发明的大型往复活塞式燃烧发动机和控制设备以及用于控制大往复活塞式燃烧发动机的压缩比的方法的优点在于，所述控制设备能够被集成到大型往复活塞式燃烧发动机的十字头中或活塞中，并且仅需要微小的额外空间或不需要额外空间来实施，因此甚至允许利用可变压缩比控制来改型现有的大型往复活塞式燃烧发动机。
这些实施方式和变形的上述说明仅作为示例。从从属权利要求和附图能看出其它有利的实施方式。而且，在本发明的上下文中，来自所描述或所示出的实施方式和来自所描述或所示出的变形中的单独特征能够彼此结合以形成新的实施方式。
附图说明
将参照特定实施方式并参照附图在下文中更加详细地说明本发明。
图1是根据本发明的大型往复活塞式燃烧发动机的实施方式；
图2A和图2B是贯穿根据本发明的控制设备的实施方式的剖视图；
图2C是用于图2A和2B中所示的实施方式的锁定机构的实施方式；
图2D、图2E和图2F是贯穿用于图2A和2B中所示的实施方式的转动机构的实施方式的剖视图；
图3是根据本发明的控制设备的第二实施方式的剖视图；
图4A和图4B是根据本发明的控制设备的第三实施方式的剖视图；
图5A和图5B是贯穿用于图2A至图4B中所示的其中一个实施方式的转动机构的实施方式的剖视图；
图6A和图6B分别是根据本发明的控制设备的第四和第五实施方式的剖视图；
图7是根据本发明的控制设备的第六实施方式的剖视图；
图8是根据本发明的控制设备的第七实施方式的剖视图；
图9A和图9B是根据本发明的控制设备的第八实施方式的剖视图；
图10A和图10B是根据本发明的控制设备的第九实施方式的剖视图；
图11A、图11B和图11C是根据本发明的控制设备的第十实施方式的剖视图；
图12A、图12B和图12C是根据本发明的控制设备的第十一实施方式的剖视图；
图13是根据本发明的控制设备的第十二实施方式的剖视图；
图14A、图14B和图14C是根据本发明的控制设备的第十三实施方式的剖视图；
图15是根据本发明的控制设备的第十四实施方式的剖视图；以及
图16是用于根据本发明的控制设备的摆动泵的实施方式。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的大型往复活塞式燃烧发动机1的实施方式。所示的发动机1包含：配备有缸套4的至少一个缸体；以可动的方式布置在缸套内的至少一个活塞6；以及以可动的方式布置和/轴颈连接在曲轴壳体中的曲轴2，其中活塞6在各种情况下均经由活塞杆7连接到十字头8，并且该十字头在各种情况下均经由连杆9连接到曲轴2以驱动该曲轴。另外，各十字头或各活塞或者各十字头和各活塞这两者都设置有用于控制往复活塞式燃烧发动机的压缩比的控制设备。用于控制压缩比的控制设备的典型实施方式在下文结合下列附图来描述。
十字头通常将活塞杆的线性运动转换为连杆的非线性运动。缸套4通常在上方由缸体盖封闭，从而在缸体中在活塞和缸体盖之间分别形成燃烧空间3。
另外，大型往复活塞式燃烧发动机1能够任选地包含下列部件中的一个或多个部件：位于缸套4的下部以使净化空气进入的一个或多个净化开口5；布置在缸体盖处以喷射燃料的一个或多个喷嘴12；用于控制废气的排出的至少一个出口阀13；以及电子控制单元25，该电子控制单元用于控制排气阀的致动和/或控制用于控制相对于曲轴位置的压缩比的控制设备的正时。
在大型往复活塞式燃烧发动机的有利实施方式中，控制设备包括用于使活塞杆7相对于十字头并沿与活塞相同的方向运动的驱动机构，该驱动机构设置在十字头8中或该十字头处、或者设置在十字头销中或该十字头销处、或者设置在活塞6中或该活塞处。
图2A和2B示出了贯穿根据本发明的控制设备的实施方式的剖视图。在该实施方式中，控制设备10形成为十字头8的一部分并且包括能够旋转的十字头销14。图2A和图2B还示出了该大型往复活塞式燃烧发动机的含有控制设备10的部分。以上结合图1的说明描述了大型往复活塞式燃烧发动机。
控制设备10有利地包括锁定机构，该锁定机构用于锁定十字头销并防止该十字头销旋转。图2C示出了用于图2A和图2B的实施方式的锁定机构16的实施方式。该锁定机构包含锁定销16a，该锁定销当被致动时能够与十字头销14接合。锁定销16a例如能够由液压阀致动。
在下文中，术语“气体力”是指由于气体压缩和/或由于燃烧空间中的燃烧而作用在活塞6上的力，术语“质量力”是指由诸如活塞6和活塞杆7之类的移动部件施加的惯性力。
当锁定机构被释放时，偏心十字头销14在限定角度内自由旋转。借助活塞6和活塞杆7作用在偏心十字头销上的气体力和质量力将使十字头销旋转到位于如图2B所示的活塞下死点（BDC）处的低压缩比位置。因此在每个回转期间在燃烧的情况下，从一个循环至下一个循环可以进行从高压缩比到低压缩比的切换。
靠近活塞上死点（TDC）可以进行从低压缩比向高压缩比的切换。在各个循环期间在切换时缸体中不发生燃烧，并且在一个完整的发动机回转期间排气阀优选是打开的。在没有气体力作用在活塞上的情况下，质量力将是位于TDC处的主导力，并且将使十字头销旋转至高压缩比位置。
如果偏心十字头销位于其上死点或下死点处，则可能难以借助气体力或质量力使十字头销转动。因此能够有利地将十字头销的旋转角的范围限制成小于180°或略小于180°。
有利的是，锁定机构快速地作用以允许压缩比在发动机的一个回转内改变。压缩比优选地在不同缸体中连续地切换，以允许在高负载下连续地操作。从高压缩比向低压缩比的切换能够在不显著损失发动机功率的情况下来进行，这是因为燃烧能够在发动机每个回转期间进行，同时从低压缩比向高压缩比的改变将导致功率损失，这是因为必需省去（skip）一次点火以允许切换压缩比。
该系统通常需要电控发动机以也允许单独的排气阀控制和锁定机构相对于曲轴位置的控制的正时。
这类系统的优点在于压缩比能够被快速地切换以及系统允许从一个循环向另一个循环改变。另一个优势在于用于切换所需的油量被限制，这是因为仅锁定机构必需被控制。另一方面，该系统需要一定的发动机速度来操作，这是因为质量力取决于发动机速度。
如果需要的话，控制设备10能够包括转动机构，该转动机构用于使十字头销14转动并且帮助改变压缩比。图2D、图2E和图2F示出了用于图2A和图2B的实施方式的转动机构11的实施方式。所示的转动机构包含：与十字头销14连接的齿轮或扇形齿轮14a；与所述齿轮啮合的齿条11a；以及用于驱动所述齿条的活塞18。另外，转动机构能任选地包含旋转限制销14c和与该旋转限制销接合的切口部（cutout）14b，并且所述切口部设置在十字头销14处以限制十字头销的旋转。
这样的转动机构的优点在于当发动机不运行时也能改变压缩比。
图3示出了贯穿根据本发明的控制设备的第二实施方式的剖视图。在该实施方式中，控制设备10形成十字头8的一部分，并且包括能够旋转的偏心十字头销14，以及轴承外壳15。图3还示出了活塞杆7和连杆9的通常供连接所述控制设备的部分。
图3中所示的控制设备10的功能与上述的图2A至2F中所示的控制设备的功能类似。
图3中所示的控制设备10的优点在于轴承外壳在轴承的高加载部中被封闭，因此轴承的磨损和维护与常规轴承构造中的相同。
图4A和图4B示出了贯穿根据本发明的控制设备的第三实施方式的剖视图。在该实施方式中，控制设备10形成十字头8的一部分，并且包括：能够旋转的偏心十字头销14；能够旋转并且围绕十字头销的偏心部的衬套15.2；以及不能旋转的轴承外壳15.1。图4A和图4B还示出了活塞杆7的通常供连接控制设备的部分。
为了例如从低压缩比切换到高压缩比，偏心十字头销14例如如图4A所示顺时针转动，但衬套15.2逆时针转动。控制设备因此移动到图4B所示的高压缩比位置。在从低压缩比向高压缩比的改变期间，在十字头销和衬套同步转动时活塞杆7向上移动而不发生角位移。
图4A和图4B中所示的控制设备10的优点在于，当从低压缩比向高压缩比变化时（反之亦然），活塞杆能够保持与缸套平行。
该控制设备有利地包括用于使十字头销14和衬套15.2转动的一个或两个转动机构。图5A和图5B示出了适用于图4A和图4B的实施方式的转动机构11的实施方式。该转动机构包含：柱形或扇形空间11b，该柱形或扇形空间能够由分隔壁11d分成两半；以可旋转的方式布置在柱形或扇形空间11b中的一个或多个叶片11c；以及图5A和5B中未示出的位于每侧的侧壁，该侧壁沿轴向方向密封柱形或扇形空间11b和叶片。
在图5A中，叶片靠近分隔壁11d的一侧定位，并且在图5B中，叶片靠近分隔壁的另一侧定位。当施加在分隔壁11d和叶片之间的压力p1比柱形或扇形空间11b的其余部分中的压力p2高时，叶片从图5A中所示的位置转动到图5B中所示的位置。
图6A中示出了根据本发明的控制设备的第四优选实施方式。所示的控制设备10包括：至少一个楔形部17.1，该楔形部通常能够运动；与楔形部和活塞杆7二者操作连接的配对部17.2（例如楔形配对部）；以及驱动机构18a至18d，所述驱动机构用于移动楔形部或配对部中的一者或者移动楔形部和配对部这二者。所述控制设备还能够包括活塞7a，该活塞布置在活塞杆的下端并且发动机油压能够被施加到该活塞以保持活塞杆7始终与配对部17.2操作连接。通常，控制设备10被设置在十字头8中或该十字头处，所述十字头能够将活塞杆7和连杆9相连接。
图6A中所示的控制设备还包括导轨18b和导块18a，所述导块以可动的方式布置在导轨上并且连接至楔形部17.1，从而允许该楔形部与十字头8一起移动。导轨例如能够经由平行臂18d并经由液压活塞18c连接到静止表面，以在活塞杆7和十字头销14之间推动楔形部17.1，从而增大十字头和活塞之间的距离，并且因此提高压缩比。
图6B中示出了根据本发明的控制设备的第五有利实施方式。所示的控制设备10包括：至少一个楔形部17.1，该楔形部通常能够运动；与楔形部和活塞杆7二者操作连接的配对部17.2（例如楔形配对部）；以及驱动机构（诸如液压活塞18c），该驱动机构布置在十字头8处、该十字头中或该十字头上，以移动楔形部或配对部中的一者或移动楔形部和配对部这二者。所述控制设备还能够包括活塞7a，该活塞布置在活塞杆的下端处并且发动机油压能够被施加到该活塞，以使活塞杆7始终保持与配对部17.2操作连接。
图6B中所示的控制设备还包括曲杆18e，该曲杆承载图中未示出的管道和用于向液压活塞18c供应油的控制阀21。在控制阀致动时，油压被施加到液压活塞18c并且楔形部17.1在活塞杆7和十字头销14之间被推动，从而增大十字头和活塞之间的距离，并且因此提高压缩比。
图7示出了贯穿根据本发明的控制设备的第六实施方式的剖视图。在该实施方式中，控制设备10形成十字头8的一部分，并且包括：至少一个楔形部17.1，该楔形部通常能够运动；与楔形部和活塞杆7操作连接的配对部17.2（例如楔形配对部）；以及驱动机构18.1、18.2，该驱动机构用于移动楔形部或配对部中的一者或移动楔形部和配对部这二者。控制设备还能够包括图中未示出的液压活塞，该液压活塞布置在活塞杆的下端处并且发动机油压能够被施加到该液压活塞，以使活塞杆7始终保持与配对部17.2操作连接。通常，控制设备10设置在十字头8中或该十字头处，并且优选地设置在十字头销14中或该十字头销处，例如设置在中空十字头销中。
图7中所示的驱动机构包含两个液压活塞18.1、18.2，这两个液压活塞例如能够分别连接到楔形部17.1的相对两侧，以在活塞杆7和十字头销14之间推动所述楔形部从而增大十字头和活塞之间的距离并且因此提高压缩比，或者使所述楔形部从高压缩比位置缩回从而减小十字头和活塞之间的距离并且因此降低压缩比。
压力施加到液压活塞18.1、18.2中的任一个。能够使用伺服油，并且由于楔的力强化，因此较低的油压（小于200bar）就足够。标准的旋转接头（union）能应用于曲杆。所述楔形部被压向位于任一侧的止动部，从而不受来自活塞的力的影响，即，不存在循环压缩因此不发生油的加热，从而不发生损耗并且不需要油循环。然而压缩比不能连续调整。
图8示出了贯穿根据本发明的控制设备的第七实施方式的剖视图。在该实施方式中，控制设备10形成十字头8的一部分，并且包括：至少一个楔形部17.1、17.1’，该楔形部通常能够运动；例如设置在活塞杆7处的配对部17.2（例如楔形配对部）；以及驱动机构18.3，该驱动机构用于移动楔形部或配对部中的一者或移动楔形部和配对部这二者。所述控制设备还能够包括图中未示出的液压活塞，该液压活塞布置在活塞杆的下端处以保持活塞杆7始终与一个楔形部或两个楔形部17.1、17.1’和配对部17.2操作连接。通常，控制设备10设置在十字头8中或该十字头处，并且优选地设置在十字头销14中或该十字头销处，例如设置在中空十字头销中，如图8所示。
图8中所示的控制设备包含布置在配对部17.2的两侧的两个楔形部17.1、17.1’，并且驱动机构包含螺栓18.3，所述螺栓横穿楔形部并且具有两部分，第一部分设置有右旋螺纹，该右旋螺纹与第一楔形部中的螺孔接合，第二部分设置有左旋螺纹，该左旋螺纹与第二楔形部中的螺孔接合。通过转动螺栓18.3，能够增大十字头和活塞之间的距离，并因此能够提高压缩比，从而楔形部17.1、17.2朝向彼此移动，然而通过沿相反方向转动螺栓，能够减小十字头和活塞之间的距离，并因此能够降低压缩比，从而楔形部远离彼此移动。
图8中所示的控制设备10的优点在于压缩比能够被连续地调整。
图9A和图9B示出了根据本发明的控制设备的第八实施方式的剖视图。在该实施方式中，控制设备10形成十字头8的一部分，并且包括：至少一个楔形部17.1，该楔形部通常能够运动；与活塞杆7操作连接的处的配对部17.2，例如楔形配对部，如图9B所示；以及驱动机构18.1、18.2，该驱动机构用于移动楔形部或配对部中的一者或移动楔形部和配对部这二者。楔形部17.1和楔形配对部17.2能够双重作用并且能够分别由液压活塞18.1、18.2驱动，如图9A和9B所示。控制设备还能够包括液压活塞7a，该液压活塞布置在活塞杆7的下端处以使活塞杆始终保持与楔形部17.1和配对部17.2操作连接。通常，控制设备10设置在十字头8中或该十字头处，并且优选地设置在十字头销14中或该十字头销处，例如设置在中空十字头销中，如图9A和9B所示。
图10A和图10B示出了根据本发明的控制设备的第九实施方式的剖视图。在该实施方式中，控制设备包含多个楔形部17.1和多个楔形配对部17.2，这些楔形部和楔形配对部双重作用、彼此接合并且分别由液压活塞18.1、18.2驱动。在图10A中，这些楔形部和多个楔形配对部借助液压活塞18.1、18.2而抵靠彼此被挤压，因此将活塞杆7移动到与高压缩比位置对应的顶部位置，并且在图10B中，这些楔形部和多个楔形配对部彼此远离，因此将活塞杆7移动到与低压缩比位置对应的底部位置。
图10A和图10B中所示的实施方式是图9A和9B中所示的实施方式的变形。因此从以上对图9A和图9B的说明能够得出附加的特征和可行变形。
图11A、图11B和图11C示出了贯穿根据本发明的控制设备的第十实施方式的剖视图。在该实施方式中，控制设备10形成十字头8的一部分，并且包括至少一个液压活塞7a，该液压活塞设置成与活塞杆7连接，从而用于相对于十字头上下移动活塞杆。如果需要，在十字头8中设置第二液压活塞18，以挤压径向布置的楔17.1、17.1’使之抵靠活塞杆7的锥形部，从而用于将活塞杆固定在分别与高压缩比对应的顶部位置和与低压缩比对应的底部位置。通常，控制设备10设置在十字头销14中或该十字头销处。
在图12A、图12B和图12C中所示的根据本发明的控制设备的第十一实施方式中，控制设备10包括：第一螺纹部19.1，该第一螺纹部设置成例如在活塞杆7的端部处与该活塞杆连接；第二螺纹部19.2，该第二螺纹部与第一螺纹部啮合；以及转动机构11，该转动机构设置在十字头8中或该十字头处或者设置在活塞中或该活塞处，以转动第一螺纹部和第二螺纹部。所述控制设备还能够包括液压活塞7a，该液压活塞布置在活塞杆7的下端处以保持活塞杆始终与第一螺纹部和/或第二螺纹部操作连接。通常，控制设备10设置在十字头8中或该十字头处，并且优选地设置在十字头销中或该十字头销处。
图12C中所示的转动机构11例如能够包含齿条11a，该齿条与和第一螺纹部19.1或第二螺纹部19.2联接的小齿轮19a啮合。所述齿条分别在两端处有利地设置有双重作用活塞或活塞18.1、18.2，以移动所述齿条。在图12A和图12C中，位于左侧的第一活塞18.1被致动并且齿条11a向相反侧移动，因此使第一螺纹部19.1转动，从而活塞杆7位于其与高压缩比位置对应的顶部位置。在图12B中，位于相对侧的第二活塞18.2被致动并且所述齿条向左侧移动，因此使第一螺纹部转动，从而活塞杆7位于其与低压缩比位置对应的底部位置。
图13示出了根据本发明的控制设备的第十二实施方式的剖视图。在该实施方式中，控制设备10包含以可动的方式布置在活塞杆7上的活塞6。所述控制设备通常包含：一个或多个引导件6b，所述引导件用于沿轴向方向引导活塞；以及例如液压缸18，该液压缸用于相对于活塞杆7移动活塞6。该活塞能够任选地具有环形支撑件6a，该环形支撑件与活塞一起移动或者相对于活塞杆固定。
图14A、图14B和图14C示出了根据本发明的控制设备的第十三实施方式的剖视图。在该实施方式中，控制设备10包含配备有内部6c的活塞头，该活塞头能够沿轴向方向移动。该活塞还能够具有环形支撑件6b和/或引导件或引导表面，所述引导件或引导表面用于沿轴向方向引导活塞头的所述内部。活塞头的内部和外部之间的密封例如能够借助位于燃烧侧的气密活塞环6d和位于冷却侧的液压密封件来进行，如图14C所示。这两个密封件之间的空间有利地经由通风连接件6e通向活塞下侧。通常，控制设备10形成活塞6的一部分或者设置在活塞中或该活塞处。
活塞头的内部的移位例如能够以液压的方式执行，从而活塞头和活塞杆之间的油腔室被直接加载。在这种情况下需要沿着活塞杆的管路或钻孔。
另一个可能性是将用于冷却油出口的管作为与液压活塞18连接的连接件18a，所述液压活塞例如放置在十字头8中或该十字头处或者放置在十字头销中或该十字头销处。借助该驱动机构，仅在活塞6上具有低轴向力的情况下的期间进行向上运动（在TDC之前大约90°）。来自活塞冷却的油在向上运动期间通过非回流阀被引导至位于活塞头和活塞杆之间的腔室。因此气体力和质量力有利地由该油容积而不是由驱动机构吸收。
该液压系统的优点在于：仅少量的油（在必要压力下）必需由供应系统输送；进入活塞头下方的腔室的大量的油通过该腔室和冷却油供应源之间的压差保持流动。该腔室的大液压表面确保在发动机循环期间活塞头的内部和外部之间的油压和相对运动仅是适度的。
代替上述的液压系统，能够使用前述或后面的实施方式中的一个实施方式的驱动机构来升起活塞头的内部。而且在该情况下，有利的是使用位于活塞头处的油腔室来吸收气体力和质量力，以保持系统小型化并且通过系统的固有弹性来提供过载保护。
图15示出了根据本发明的控制设备的第十四实施方式的剖视图。在该实施方式中，控制设备10包含位于液压缸18’中的活塞18，该活塞例如布置在活塞杆7的下端处以使该活塞杆上下移动。通常，控制设备10设置在十字头8中或该十字头处，并且优选地设置在十字头销中或该十字头销处。如果需要，能够设置控制阀21来控制液压活塞18的上下运动。
在负载下，向上移动活塞杆所需要的力相当高。因此建议仅在TDC之前的大约90°的小期间内进行该运动，在该期间，质量力和气体力的量达到最小。
在另一有利实施方式中，根据本发明的控制设备包括用于产生液压压力的摆动泵，所述摆动泵例如能够用于致动控制设备的驱动机构中的液压活塞。然而，下述的摆动泵也能够被当作可独立于本申请使用的自主主体（own subject），以借助在接头中的旋转运动产生压力。
图16示出了用于根据本发明的控制设备的摆动泵的实施方式。在该实施方式中，摆动泵22包括：中空空间，该中空空间例如具有环形节段的形式；以及摆动活塞22a，该摆动活塞装配到中空空间中，例如以密封的方式装配在中空空间中，其中中空部或摆动活塞连接到连杆9的端部，从而当连杆在操作中移动时摆动活塞22在中空空间中摆动。
所述中空空间例如能够设置在十字头8中或该十字头处，或者设置在十字头销中或该十字头销处，如图16所示，并且摆动活塞22a能够设置在连杆9的上端处，例如设置在连杆的上部轴承的轴承盖处。摆动泵22有利地包括第二活塞22b，诸如线性移动活塞，该活塞具有弹簧，其中第二活塞充当压力储蓄器22c和/或控制阀，例如，充当非回流阀和/或充当用于活塞杆或发动机活塞的移位的正时控制部。
在根据本发明的大型往复活塞式燃烧发动机中，连杆的摆动运动在TDC之后的90°和270°的发动机角度处达到最大幅度，其中例如在TDC之后的270°处的一个最大幅度与由摆动泵产生的最大压力对应。这确切地是在活塞杆或发动机活塞的向上运动应当发生时的时间。因此能够使用摆动泵的高压力来在TDC之后的270°的发动机角度处提升发动机活塞。在TDC之后的180°后的90°处，摆动活塞打开油入口并且系统油压重新填充泵。在发动机的若干回转期间，发动机活塞将被提升到其与高压缩比位置对应的顶部位置。
为了降下发动机活塞，而将摆动泵的压力引导至位于图15中所示的活塞杆7处的液压活塞18的上侧。与主要向下作用的气体力和质量力一起，可以将发动机活塞向下移动至其底部位置，即，移动到在一个发动机周期中的低压缩比位置。
在下文中将参照图1至图16描述用于控制大型往复活塞式燃烧发动机的压缩比的根据本发明的方法的实施方式。在该实施方式中，所述方法包括提供大型往复活塞式燃烧发动机1，该往复活塞式燃烧发动机包括：配备有缸套4的至少一个缸体；以可动的方式布置在缸套内的至少一个活塞6；以及以可旋转的方式布置在曲轴壳体中的曲轴2，其中活塞6在各种情况下都经由活塞杆7连接到十字头8，并且所述十字头在各种情况下都经由连杆9连接到曲轴2以驱动该曲轴。该方法还包括：为每个十字头8和/或每个活塞6都设置有用于控制往复活塞式燃烧发动机1的压缩比的控制设备10；并且当供应具有不同点火特性的不同燃料量时或者当燃料供应改变时，例如从柴油改变到汽油或者从汽油改变到柴油时，来改变压缩比。
压缩比的改变有利地利用作用在移动部件上的质量力来进行。因此，当活塞朝上死点向上移动时进行从低压缩比向高压缩比的改变，并且当活塞朝下死点向下移动时进行从高压缩比向低压缩比的改变。
根据上述实施方式和实施方式变形的大型往复活塞式燃烧发动机和控制设备以及用于控制大型往复活塞式燃烧发动机的压缩比的方法具有的优点在于，控制设备能够被集成到十字头中或者大型往复活塞式燃烧发动机的活塞中，因此需要较小的额外空间或者不需要额外空间。

Claims (14)

1.一种大型往复活塞式燃烧发动机（1），该往复活塞式燃烧发动机具有：配备有缸套（4）的至少一个缸体；至少一个活塞（6），所述活塞以可动的方式布置在所述缸套内；以及曲轴（2），所述曲轴以可旋转的方式布置在曲轴壳体中，其中所述活塞（6）在各种情况下都经由活塞杆（7）连接到十字头（8），并且所述十字头在各种情况下都经由连杆（9）连接到所述曲轴（2）以驱动所述曲轴，其特征在于，所述十字头（8）在各种情况下都设置有用于控制所述往复活塞式燃烧发动机的压缩比的控制设备（10），并且/或者所述活塞（6）在各种情况下都设置有用于控制所述往复活塞式燃烧发动机的压缩比的控制设备（10）。
2.根据权利要求1所述的往复活塞式燃烧发动机，其中，所述十字头（8）将所述活塞杆（7）的线性运动转换为所述连杆（9）的非线性运动。
3.根据权利要求1或2所述的往复活塞式燃烧发动机，其中，所述控制设备（10）包括驱动机构（11，18），所述驱动机构设置在所述十字头（8）中或该十字头处，或者设置在十字头销（14）中或该十字头销处，以使所述活塞杆（7）和/或所述活塞（6）相对于所述十字头（8）移位。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的往复活塞式燃烧发动机，其中，所述控制设备（10）包括能够旋转的偏心十字头销（14）。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的往复活塞式燃烧发动机，其中，所述控制设备（10）包括与十字头销（14）相配合的偏心衬套（15.2），并且所述衬套能够旋转。
6.根据权利要求4或5所述的往复活塞式燃烧发动机，其中，所述控制设备（10）包括转动机构（11），所述转动机构用于使所述十字头销（14）或所述衬套（15.2）中的一者转动或者使所述十字头销和所述衬套这二者转动，并且/或者所述控制设备包括锁定机构（16），所述锁定机构用于锁定所述十字头销或所述衬套中的一者或者锁定所述十字头销和所述衬套这二者。
7.根据权利要求中1至6中任一项所述的往复活塞式燃烧发动机，其中，所述控制设备（10）包括：第一螺纹部（19.1），所述第一螺纹部设置成与所述活塞杆（7）连接，具体地设置在所述活塞杆的端部处；第二螺纹部（19.2），所述第二螺纹部与所述第一螺纹部相配合；以及转动机构（11），所述转动机构设置在所述十字头（8）中或该十字头处，或者设置在所述活塞（6）中或该活塞处，以使所述第一螺纹部或所述第二螺纹部转动。
8.根据前述权利要求中任一项所述的往复活塞式燃烧发动机，其中，所述控制设备（10）包括：至少一个楔形部（17.1）；与所述楔形部和所述活塞杆（7）这二者操作连接的配对部（17.2），具体地为楔形配对部；以及驱动机构（18.1，18.2，18.3），所述驱动机构用于移动所述楔形部或所述配对部中的一者或者移动所述楔形部和所述配对部这二者。
9.根据前述权利要求中任一项所述的往复活塞式燃烧发动机，其中，所述控制设备（10）包括引导件（6b），所述引导件用于相对于所述活塞杆（7）并平行于该活塞杆移动所述活塞（6），或者所述控制设备包括活塞头，所述活塞头能够移动或者包含可动嵌件（6c），并且其中所述控制设备还包括驱动机构（18），所述驱动机构用于相对于所述活塞杆（7）移动所述活塞（6），或者用于相对于所述活塞或所述活塞杆移动所述活塞头，或者用于相对于所述活塞头或所述活塞移动所述嵌件（6c）。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的往复活塞式燃烧发动机，其中，所述转动机构（11）或者所述驱动机构（18，18.1，18.2，18.3）被以液压方式驱动。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的往复活塞式燃烧发动机，其中，所述控制设备（10）包括液压摆动泵（22），所述液压摆动泵布置在所述十字头（8）中或该十字头处，以产生液压压力；并且其中所述摆动泵（22）包括中空空间以及摆动活塞（22a），所述中空空间具体地为具有环形节段的形式的中空空间，所述摆动活塞装配在所述中空空间中，所述中空空间或所述摆动活塞连接到连杆（9）的端部处，从而当所述连杆在操作中移动时，所述摆动活塞（22a）在所述中空空间中摆动。
12.一种用于控制大型往复活塞式燃烧发动机的压缩比的控制设备（10），其中，所述往复活塞式燃烧发动机包括：配备有缸套（4）的至少一个缸体；至少一个活塞（6），所述活塞以可动的方式布置在所述缸套内；以及曲轴（2），所述曲轴以可旋转的方式布置在曲轴壳体中，其中每个活塞都经由活塞杆（7）连接到相应的十字头（8），并且每个十字头都经由连杆（9）连接到所述曲轴（2）以驱动所述曲轴，其特征在于，
所述控制设备（10）在各种情况下都设计成为所述十字头（8）的一部分或者集成在所述十字头中或集成在十字头销（14）中。
13.根据权利要求12所述的控制设备，其中，所述控制设备（10）包括驱动机构（11，18，18.1，18.2，18.3），所述驱动机构用于相对于所述十字头（8）并且沿与所述活塞（6）相同的方向使所述活塞杆（7）移位。
14.一种用于控制大型往复活塞式燃烧发动机的压缩比的方法，其中，所述方法包括提供大型往复活塞式燃烧发动机（1），所述往复活塞式燃烧发动机包括：配备有缸套（4）的至少一个缸体；至少一个活塞（6），所述活塞以可动的方式布置在所述缸套内；以及曲轴（2），所述曲轴以可旋转的方式布置在曲轴壳体中，其中所述活塞（6）在各种情况下都经由活塞杆（7）连接到十字头（8），并且所述十字头在各种情况下都经由连杆（9）连接到所述曲轴（2）以驱动所述曲轴，其特征在于，
所述方法还包括：为各十字头（8）和/或各活塞（6）设置用于控制所述往复活塞式燃烧发动机（1）的压缩比的控制设备（10）；以及当供应具有不同点火特性的不同燃料量时或者当燃料供应从柴油改变为汽油或者从汽油改变为柴油时，改变压缩比。
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