CN104685187B - 用于内燃机的可变冲程机构 - Google Patents

Abstract

用于在运行的每个循环的期间使内燃机的冲程长度改变的机构包括齿轮组，齿轮组具有：第一齿轮，其不可旋转地安装于发动机机体；和第二齿轮，其具有形成在其内表面上的齿，该第二齿轮与第一齿轮啮合，以实现统一的机械曲柄臂和用于贯穿发动机的总冲程循环而产生活塞往复的改变的长度的可变凸轮臂。选择曲柄臂和凸轮臂相对于活塞往复的轴线的定向，用于使曲柄臂和凸轮臂协作地在活塞的上死点位置处产生曲柄轴上的正转矩。齿轮组也选择性地配置并制定尺寸，以实现凸轮臂的长度与曲柄臂的长度的预定比率。

Description

用于内燃机的可变冲程机构

背景技术

本发明广泛地涉及内燃机，更具体地，涉及所谓的“可变冲程”发动机，其中，在发动机的总运行循环的期间，往复活塞与发动机曲柄轴之间的机械连接布置使活塞移动的程度改变。通常，这样的机构其目的为，通过实现在膨胀冲程的期间有效地更大的机械曲柄臂和在进气冲程的期间有效地更短的机械曲柄臂，从而提高内燃机的效率。

常规内燃机根据典型地被称为进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程的重复的一系列移动而运行。从这个意义上讲，“冲程”将驱动活塞的往复移动描述为，驱动活塞来回地经过发动机壳或“机体”中的圆柱形燃烧室。术语“循环”有时也可以与术语“冲程”可互换地使用。因此，根据上述的方式而运行的发动机一般地被称为四循环或四冲程发动机，指示为了完成全功率循环，活塞必须在汽缸中往复四次。“循环”还用于描述发动机的完整的功率循环。术语的该用法在本领域技术人员范围内一致，对本领域技术人员而言很好理解。

如所指示的，各种设计已发展到，使发动机活塞在进气、压缩、膨胀或排气冲程的期间或在这些冲程的任何组合的期间行进更长的或更短的距离，并且，在其行进的某个部分修改活塞速度。例如，每绕转一次或每绕转两次，就使活塞的所谓的顶部或底部死点位置上移或下移。所有这些状况是不同的版本的可变冲程发动机。查德伯恩(Chadbourne)的美国专利No.1326129和克拉克(Clarke)的美国专利No.4044629描述经扩展的膨胀冲程。经扩展的膨胀冲程的实际应用是由马自达制造的米莱尼亚(Millenia)型号汽车，该车利用由美国工程师拉尔夫米勒(Ralph Miller)在1947年设计的类型的所谓的米勒循环发动机。米勒的发动机已在船舶和固定式发电站使用了一段时间。工程目标是，不干扰发电膨胀冲程，就降低发动机的压缩比。在米勒循环发动机中，在空气进气阀关闭之前，活塞上升其冲程的五分之一。在冲程的顶部发生燃烧之后，膨胀的气体将活塞沿路下推至冲程的底部，所以膨胀比不受影响。

在二十世纪前半世纪的期间，内燃机领域技术人员通常认可，在继每个膨胀冲程之后且在随后的进气冲程之前的排气冲程的期间，必须将发动机汽缸内侧的燃烧产物尽可能完全地移除。许多不同的专利提出了获得更大的排气冲程的不同的方式。参见例如赫尔斯(Hulse)的美国专利No.1326733、什韦特(Svete)的美国专利No.2394269、卡迪(Cady)的美国专利No.1786423、塔克(Tucker)的美国专利No.1964096以及奥斯丁(Austin)的美国专利No.1278563。查德伯恩的美国专利No.1326129和克拉克的美国专利No.4044629也涉及更大的排气和膨胀冲程。然而，由于在二十世纪后期实现的排放法规，新的发动机设计已取得进展，其中，使一部分废气再循环或保持于燃烧室中，以作为减少由燃烧室中的氧化氮引起的NOx(氮氧化物)的大气排放的手段。这通过允许进气歧管真空将废气通过EGR(废气再循环)阀而抽吸至进气歧管中来完成。

其他人已使用可变冲程设计来修改发动机压缩比。已完成许多工作，尤其是在欧洲和日本，以借助于使活塞相对于汽缸盖的位置改变的布置来实现所谓的可变压缩比。

压缩比是汽缸的容量与燃烧室的容量之间之比；换句话说，在进气冲程的期间进入汽缸中的空气燃料混合物于是被压缩多达压缩比值的次数。通常，压缩比越高，发动机效率就越高。存在某些限制，诸如混合物预点火、爆震、发动机温度乃至发动机构造。由于压缩比是影响发动机效率的主要因素之一，因而期望针对不同的运行条件(速率、负荷、加速度等)而优化压缩比。谢克特(Schechter)的美国专利No.5165368描述这样的发动机的代表性的示例。

还已利用可变活塞冲程应用来优化作用于活塞的压力。出于该目的，在上死点附近，相对于常规活塞的速度，减小活塞速度，以使燃烧过程和作用于活塞的合力最大化。史卡尔(Schaal)等人的美国专利No.5158047、威廉姆斯(Williams)的美国专利No.5060603以及麦克沃特(McWhorter)的美国专利No.3686972、3861239和4152955代表本构思。

最近，美国专利No.5927236公开内燃机设计，其中，利用齿轮组布置来经由偏移支承表面而将发动机的曲柄轴与活塞连接杆连接，以实现完整的发动机功率循环期间的活塞冲程的长度的改变。具体地，该设计试图在功率循环的膨胀部分的期间经由增大有效的曲柄臂长度而增大活塞冲程，以增大转矩输出，并且，试图在循环的进气或进入部分和排气部分的期间减小冲程和活塞速度，以增大容积效率，全部从而提高发动机的热效率。

发明内容

从根本上说，本发明的目标是进一步推进上述的美国专利No.5927236的发明。

更具体地，本发明的目标是利用美国专利No.5927236的设计的可变冲程机构的改进来实现内燃机中的转矩输出、马力输出、燃料效率、容积效率以及排放物减少的进一步提高。

为了那些目的，本发明提供可根据四冲程循环而运行的经改进的内燃机，其中，活塞通过沿第一方向移动的进气冲程、沿第二方向移动的压缩冲程、沿第一方向移动的膨胀冲程以及沿第二方向移动的排气冲程而在燃烧室内往复。压缩冲程结束时和膨胀冲程开始时的活塞的位置限定为上死点。基本上，本发明的发动机包括：发动机机体，限定至少一个燃烧室；曲柄轴，可旋转地安装于发动机机体；活塞，布置于燃烧室内，用于沿着室轴线往复；以及连接杆，可枢转地安装于活塞。

根据本发明，内燃机中的用于产生可变冲程长度的机构利用机械啮合组件来将连接杆可旋转地连接至曲柄轴，用于将活塞的往复运动转化成曲柄轴的旋转运动。基本上，机械组件包括齿轮组，齿轮组至少包括不可旋转地安装于发动机机体的第一齿轮构件和与第一齿轮构件啮合式地接合的第二齿轮构件。第二齿轮构件具有：第一支承表面，连接杆安装于该第一支承表面；和第二支承表面，安装于曲柄轴，用于使第二齿轮构件与曲柄轴旋转。第二支承表面从曲柄轴轴线偏移，以在围绕曲柄轴轴线的圆形路径中移动，用于贯穿发动机的四冲程循环而将统一的机械曲柄臂施加于曲柄轴上。第一支承表面和第二支承表面以偏移距离彼此隔开，引起第一支承表面交替地在围绕曲柄轴的内椭圆路径和外椭圆路径中移动，用于将可变凸轮臂施加于曲柄轴上。因而，曲柄臂和凸轮臂之和引起活塞往复的长度贯穿发动机的四冲程循环而改变。

根据本发明的一个方面，第一支承表面的内椭圆路径和外椭圆路径相交于位于燃烧室轴线或紧邻燃烧室轴线的点，用于使曲柄臂和凸轮臂协作地在活塞的上死点位置处产生曲柄轴上的正转矩。例如，在本发明的一个实施例中，第一支承表面的内椭圆路径和外椭圆路径相交于与燃烧室轴线重合的点处。备选地，第一支承表面的内椭圆路径和外椭圆路径可以相交于沿曲柄轴的旋转的方向隔开燃烧室轴线之前预定的度数，优选地小于或等于近似二十五度(25°)的点处，用于使排气冲程结束时和进气冲程开始时的活塞的位置以预定的间隔位于上死点位置下面，因而许可燃烧室在开始随后的进气冲程时保持预定的体积的排气。

根据本发明的另一个方面，第二齿轮构件的第一支承表面和第二支承表面选择性地配置并制定尺寸，以实现凸轮臂的长度与曲柄臂的长度的预定比率。优选地，凸轮臂长度是曲柄臂长度的至少近似20%，并且，可以多达曲柄臂长度的近似100%。

根据本发明的相关方面，选择凸轮臂的长度与曲柄臂的长度之比，以实现进气冲程结束时的燃烧室中的预定的容积容量。

第一齿轮构件可以优选地是小齿轮，第二齿轮构件可以优选地包括冠状齿轮部分，该冠状齿轮部分围绕环形主体的径向向内的表面形成有齿轮齿，以与小齿轮啮合，从而以行星齿轮的方式围绕小齿轮移动。第二齿轮构件还优选地包括支承部分，该支承部分从冠状齿轮部分向外伸出，具有形成于支承部分的外表面上的第一支承表面和形成于支承部分的内表面上的第二支承表面。以该方式，连接杆可以在第一支承表面上旋转，并且，第二支承表面可以在曲柄轴上旋转。

本发明可适应于大体上任何内燃机，并且，可以优选地合并于具有多个燃烧室和数量与小于或等于燃烧室的数量相对应的多个齿轮组的多汽缸发动机中。

附图说明

图1是根据本发明的优选的实施例的装备有用于产生可变长度的活塞冲程的机械组件的经改进的内燃机的透视图；

图2是根据图1的实施例的可变冲程机构的透视图；

图3是图1和图2的内燃机和可变冲程机构的剖视图解截面图；

图4是在图3中说明的可变冲程机构的第二剖视图；

图5是根据本发明的优选的实施例的装备有可变冲程机构的内燃机的膨胀冲程的图解视图；

图6是根据图5的实施例的内燃机的排气冲程的图解视图；

图7是根据图5的实施例的内燃机的进气冲程的图解视图；

图8是根据图5的实施例的内燃机的压缩冲程的图解视图；

图9是将图5-8中所示的本发明的实施例与美国专利No.5927236的发明相比较的图解视图；

图10是描绘根据本发明的内燃机的可变冲程机构的备选的实施例的类似于图5-8的图解视图；

图11是描绘根据本发明的装备有可变冲程机构的内燃机和常规四冲程内燃机的比较性的转矩曲线的曲线图；

图12利用凸轮臂的长度与曲柄臂的长度之比的相应地不同的选择性的改变来示意性地描绘本发明的可变冲程机构的不同的实施例中的凸轮臂和曲柄臂所追踪的不同的路径；以及

图13是编辑本发明的实施例中的凸轮臂的长度与曲柄臂的长度之比的不同的选择性的改变的比较数据的图表。

具体实施方式

现在翻到附图，首先翻到图1-4，根据本发明的优选的实施例的经改进的内燃机通常以10进行说明，包括常规发动机机体12。应当注意到，发动机机体12仅部分地图解式地示出为用于根据本发明的机械组件的支架。而且，出于说明性的目的，发动机仅示出为两汽缸发动机。不过，本领域技术人员将容易地意识到，本发明的机构可以适应于几乎任何多汽缸发动机的各式各样的配置中。

通常常规曲柄轴16在曲柄轴16与发动机机体12的接合部处设有曲柄轴支承表面17。形成为具有形成于其中的两个螺栓开口和形成为其下侧的弯曲的支承表面21的形状配合的拱门的支承盖19安装于发动机机体12，在发动机机体中预先形成开口，支承盖19配准，以接纳常规螺栓，用于使支承盖19贴附于发动机机体12，从而将曲柄轴16保持在合适的位置。

发动机机体形成有两个圆柱形孔14(图3和图4)，两个常规活塞22布置于圆柱形孔14内，用于往复移动。两个完全相同的常规连接杆24可枢转地安装于活塞22，依次以在下文中更详细地描述的方式经由本发明的机械组件而安装于曲柄轴16。常规端盖26附接于连接杆24，用于以可与曲柄轴16相关联地旋转的方式保持连接杆24。如将在下文中更细致地观察到的，连接杆24未直接地安装于曲柄轴16，而是安装于本发明的机构的支承表面。

本发明的机械组件包括与每个活塞相关联地安装于曲柄轴16的齿轮组30和连接杆组件，以致于齿轮组30形成本发明的主驱动部分。每个齿轮组30包括第一齿轮构件32，第一齿轮构件32优选地采取小齿轮的形式，与第二齿轮构件36运行啮合式接合，第二齿轮构件36优选地采取冠状齿轮的形式。如在两汽缸发动机中所常见的，为了平衡，将偏心配重20安装于曲柄轴。齿轮组30配置为本质上将发动机10分成两个镜像的两等份的彼此的镜像，齿轮组30位于中心。

参考图2，第一齿轮构件32以圆周地围绕圆柱形主体形成有一排齿34的小齿轮的优选的形式说明。第二齿轮构件36以在杯状的通常圆柱形的齿轮主体37的径向向内的环形表面周围形成有连续的齿阵列38的冠状齿轮的优选的形式说明。两个第一齿轮构件32由圆柱形支撑构件35分开并安装于圆柱形支撑构件35，如在图1中所观察到的，圆柱形支撑构件35通过夹紧构件33而固定于发动机机体。从而，每个第一齿轮构件32固定于发动机机体内的位置，以防旋转。第二齿轮构件36的齿与第一齿轮构件32的齿啮合式地接合，用于使第二齿轮构件36以行星的方式围绕第一齿轮构件32旋转。

现在翻到图3和图4，提供根据本发明的机构的更具图解性的表示。在此，再者，发动机机体仅部分地示意性地说明，如通常以12指示，以描绘一个汽缸14，活塞22通过汽缸14而移动。

第二齿轮构件36包括支承构件48，支承构件48采取从在内齿轮齿38对面且从内齿轮齿38线性地移位的杯状齿轮主体37的外侧沿轴向向外伸出的环形轮毂的形式。支承构件48具有：第一外环形支承表面40，在支承构件48的外表面周围圆周地形成，连接杆24围绕第一外环形支承表面40旋转地安装；和第二内支承表面42，围绕支承构件48的径向向内的表面形成。内支承表面42是围绕与杯状圆柱形齿轮主体37共同的中心轴线的圆柱形。外支承表面40也是圆柱形，但相对于内支承表面42和齿轮主体37的轴线而偏心，据此，支承构件48的主体具有支承表面40、42之间的径向扩大的偏移部分44，偏移部分44限定最大偏移距离46，在下文中更详细地解释最大偏移距离46。限定支承表面40、42的支承构件48可以与齿轮构件36整体地形成，但这不是具体要求。唯一的要求是，支承构件48必须与齿轮构件36统一地旋转，整体形成是实现该结果的最简单的方式。

如因而将参考图3和图4而理解的，从而由当前的机械组件限定三个旋转轴线。曲柄轴16围绕曲柄轴轴线70旋转，如在图3和图4中所观察到的，曲柄轴轴线70与第一齿轮构件32的几何轴线，即在齿轮构件32于发动机机体的安装许可自由旋转的情况下，齿轮构件32所围绕旋转的轴线重合。第一齿轮构件32的布置是可调整的，以许可围绕曲柄轴轴线70的几度旋转调整。第二齿轮构件36，包括其整体支承构件48，围绕轴线72旋转，轴线72平行于曲柄轴轴线70，但以预定的偏移距离50从曲柄轴轴线70偏移。该曲柄轴偏移50存在于每个曲柄受驱的内燃机中，产生作用于曲柄轴16的不变的机械曲柄臂，通过该机械曲柄臂来将活塞的抽吸往复转化成曲柄轴16的旋转。由于支承表面40的偏心定向，导致连接杆24围绕单独的轴线74旋转，轴线74也平行于曲柄轴轴线70和偏移轴线72而延伸。偏移轴线72与连接杆轴线74之间的距离限定施加作用于曲柄轴16的可变凸轮臂的最大偏移距离46。以该方式，最大偏移距离46与曲柄轴偏移50结合，以限定总有效曲柄长度，如将在下文中更详细地解释的，总有效曲柄长度贯穿发动机运行循环而根据改变的凸轮臂来改变。

本领域技术人员将意识到，发动机未被描述为具有任何阀系统、冷却系统、点火系统以及附属结构部件以提供全运行内燃机。发动机将必要地包括这些系统和部件，但这样的系统和部件无需不同于标准内燃机中的常规部件和系统。因此，这样的部件在对本发明的描述和理解的范围之外且不必要，并因此省略，用于可以更清楚地描述本发明。利用本发明，任何合适的装阀系统、冷却系统、点火系统以及相关联的结构部件都将令人满意地运行，并且，应当注意到，本发明可适应于几乎任何标准的曲柄受驱的内燃机。

如在常规内燃机中，活塞22上面的汽缸14的燃烧室部分中的空气燃料混合物的爆炸向下地驱动活塞22并引起曲柄轴16的旋转。多汽缸发动机提供多个活塞/汽缸布置，多个活塞/汽缸布置为使燃料空气混合物按预定的序列进行序列爆炸，用于使发动机顺利地运行作准备。通常，汽缸的数量越大，发动机就将越顺利地运行。虽然本发明示出为两汽缸发动机，但是本发明完全地可适应于具有几乎任何数量的汽缸的发动机。本发明同样地可适应于火花点火式发动机、柴油机和其他压缩点火式发动机以及星型发动机。

本发明的改进用于贯穿完整的发动机运行功率循环的四个冲程而使有效冲程长度，即活塞行进的程度改变。根据本发明的发动机根据经修改的阿特金森(Atkinson)循环而运行，其中，发动机运行的全循环由四个单独的冲程限定：进气或进入冲程；压缩冲程；膨胀或功率冲程；以及排放或排气冲程。在给定的汽缸中的进气冲程的期间，将汽缸的相关联的进气阀打开，同时，通过曲柄轴的旋转而将活塞向下地抽吸，从而将燃料空气混合物接纳至燃烧室中。在压缩冲程的期间，将进气阀关闭，同时，活塞向上地往复，以将燃烧室中的燃料空气混合物压缩至预定的程度，并且，在预定的时间，将经压缩的燃料空气混合物引爆，例如，将与汽缸相关联的火花塞点燃，因而通过随着由于燃烧而产生的气体膨胀，再次向下地驱动活塞通过汽缸，从而开始膨胀冲程。在膨胀冲程完成时，随着活塞在汽缸中沿向上的方向再次开始往复，将汽缸的排气阀打开，以实行排气或排放冲程，在排气或排放冲程的期间，活塞驱动废弃的燃烧气体从燃烧室通过排气阀，以准备重复四循环发动机的四个冲程或循环。所谓的冲程长度限定为在运行循环的四个冲程中的每个冲程的期间，活塞在燃烧室内行进的距离。在常规内燃机中，冲程长度是固定的，贯穿发动机运行功率循环的四个运行冲程而不改变。

相比之下，本发明用于提供可变冲程长度。由于第二齿轮构件36的齿形成于其内表面，因而第二齿轮构件36沿与曲柄轴16旋转相同的方向围绕第一齿轮构件32行星式地旋转。第一齿轮构件32与第二齿轮构件36之间的啮合选择为提供1:2的齿轮比，据此，曲柄轴16每旋转单次，支承构件48以及从而其偏移部分44和最大偏移间隔46就旋转通过半绕转。在图5-8中描绘该机械作用的影响，图5-8中的每个说明发动机的运行功率循环的单个冲程。

现在翻到图5-8，通过膨胀或功率冲程、排气冲程、进气冲程以及压缩冲程而按序列示意性地描绘活塞22和经由连接杆24而将活塞22连接至曲柄轴16的本发明的相关联的啮合的机械组件的前进。在图5-8中的每个图中，相应的冲程以初始开始位置、中间位置以及最终位置描绘，按序列由字母标示，一个冲程的最终位置也构成相同的字母标示下的下一个随后的冲程的初始位置。因而，在图5中示意性地描绘组件的膨胀或功率冲程，活塞22的初始位置(一般地被称为“上死点”位置)以A说明，中间驱动位置以B说明，最终位置以C说明。图6以C、D和E描绘继膨胀/功率冲程之后的排气冲程中的组件的初始位置、中间位置和最终位置。图7以E、F和G描绘继排气冲程之后的进气冲程中的组件的初始位置、中间位置和最终位置。图8以G、H和A描绘继进气冲程之后的压缩冲程中的活塞22的初始位置、中间位置和最终位置。

在图5-8中，发动机机体12的汽缸14的纵向中心线轴线以102指示，活塞22沿着该纵向中心线轴线往复，并且，曲柄轴16的旋转轴线以70表示。与轴线74重合的表示支承构件48与连接杆24之间的连接的接合点以52示意性地指示，与轴线72重合的表示支承构件48与曲柄轴16之间的连接的间隔开的接合点以54指示，相应的接合部52、54之间的间隔表示最大偏移间隔46。借助于曲柄轴偏移而作用于曲柄轴16的机械曲柄臂以50表示为在曲柄轴轴线70和支承构件48与曲柄轴16之间的接合部54之间延伸，由最大偏移距离产生的可变凸轮臂以46表示为在连接杆24与支承构件48之间的接合部52和支承构件48与曲柄轴16之间的接合部54之间延伸。在曲柄轴16围绕其轴线70旋转的期间，随着组件旋转，支承构件/曲柄轴接合部54追踪围绕曲柄轴轴线70同心的圆形路径56。由于偏移46所导致的轴线72、74的间隔，使得连接杆/偏移接合部52追踪在外椭圆路径58与内椭圆路径60之间交替的两条分开的椭圆路径。

如将理解到的，如在常规发动机中，要不是存在本发明的机械齿轮组组件，连接杆24就会另外在54处联结至曲柄轴16。作为替代，如在图5中所描绘的，当前的机械齿轮组组件中的由最大偏移46产生的凸轮臂和由曲柄轴偏移50产生的曲柄臂一起有效地增大随着膨胀/功率冲程通过B处的活塞22的中间位置而前进至C处的最终位置而爆炸之后的活塞22的冲程长度。具体地，在膨胀冲程的期间，支承构件48与连接杆24之间的接合部52追随其外偏心路径58，据此，随着组件通过位置B而然后前进至图5中的位置C，通过半绕转而使曲柄轴16旋转，在半绕转的期间，由最大偏移46产生的凸轮臂用于加到曲柄轴偏移50，以增大有效的冲程长度，以致于完成膨胀冲程，其中，有效的总曲柄长度处于其最大值。该有效冲程长度增大用于增大膨胀冲程中发动机10所做的功。此时，排气冲程开始。

如在图6中由活塞位置C、D和E说明的，在随后的排气冲程的期间，随着接合部52、54在其相应的路径前进，曲柄轴/偏移接合部54经过偏移/连接杆接合部52，以致于当排气冲程结束时，接合部52、54本质上其相对位置与图5A中的膨胀冲程开始时反向，据此，排气冲程的期间的活塞冲程的总长度大体上与膨胀冲程的活塞冲程长度相同。结果，活塞将燃烧气体和副产品从燃烧室完全地排空。

图7说明从图6的排气冲程的最终位置E开始的用于通过活塞22而在燃料/空气混合物中抽吸的进气冲程。在该部分的运行循环的期间，偏移/连接杆接合部52追踪其内路径60，导致随着组件前进至位置F并通过位置F，有效的冲程长度渐进地减小，直到在进气冲程结束时的位置G处，有效的冲程长度已以等于曲柄轴偏移50减去最大偏移46的量减小至其最小长度为止。在图7中，从初始位置E至最终位置G，曲柄轴通过半绕转而旋转。由于进气冲程的期间的有效的冲程长度的减小，因而在使活塞缩回以准许燃料/空气混合物进入燃烧室14中的过程中发动机必须做的功的量相应地减小，从而实现燃料使用的相应的减小。在进气冲程的期间活塞22向下地移动的速度相应地比先前的膨胀冲程和排气冲程的期间更慢。

图8描绘从进气冲程结束时的位置G开始的随后的压缩冲程。随着组件通过中间位置H而前进，以返回至开始位置A，从而开始另一膨胀冲程，偏移/连接杆接合部52完成其通过其内路径60的移动并再一次移动至其外路径58。

本发明提供优于美国专利No.5927236的发明的若干进步。根据本发明的一个方面，如此布置齿轮组30，以致于第二齿轮构件36的支承构件48与连接杆24之间的连接将接合点52(即，连接杆24的轴线74)所追踪的外椭圆路径58和内椭圆路径60定向确定为相交于位于燃烧室轴线102或紧邻燃烧室轴线102的点，从而引起机械曲柄臂和凸轮臂协作地产生活塞的上死点位置处的曲柄轴上的正转矩。更具体地，图5-8描绘本发明的实施例，其中，椭圆外路径58和椭圆内路径60的交点与汽缸/燃烧室的轴线102重合。相比之下，如在图9中所描绘的，在美国专利No.5927236中所说明并描述的优选的实施例中，如关于曲柄轴的旋转方向而观察的，外路径58和内路径60的交点定向确定为在汽缸轴线102之前九十度(90°)。

有利地，如在图9中比较地观察到的，本发明中的机械布置的该经修改的定向产生优于美国专利No.5927236的优选的实施例的在活塞的上死点位置处作用于活塞的扩大的机械曲柄臂，并且，相应地在发动机的四个循环的全范围内改进机械曲柄臂和伴随的曲柄轴转矩。如在图11的曲线图中所说明的，如与不具有任何可变冲程布置的常规发动机相比，曲柄臂的提高特别地显著。在图11中，曲线104与发动机在其四个循环或冲程期间的曲柄角对比而绘制体现本发明的1000cc位移四汽缸发动机中所产生的以毫米为计量单位测量的机械曲柄臂，曲线106比较地绘制在常规1000cc位移四汽缸发动机中产生的机械曲柄臂，其中，活塞连接杆不利用任何机械或其他布置就直接地连接至曲柄轴，以使活塞冲程改变。

如曲线106所说明的，在接近膨胀/功率冲程时，在压缩冲程的期间，常规发动机遭受曲柄轴上的相当大的量的负转矩，典型地要求在上死点位置之前多达三十五度(35°)将燃烧火花点燃。在这样的发动机中，活塞必须做负功来克服负转矩，负转矩持续占优势，直到在上死点(TDC)处达到转矩值零为止，并且，不产生相当大的量的正转矩，直到在上死点位置(ATDC)之后大约十六度(16°)为止。主要原因是，常规发动机通常不能以低于大约800RPM的发动机速度怠速。相比之下，在将接合点52(即，连接杆24的轴线74)所追踪的外椭圆路径58与内椭圆路径60的交点定向确定为位于燃烧室轴线102或紧邻燃烧室轴线102的本发明的布置的情况下，增大的曲柄臂产生从上死点位置之前三十五度(35°)增大至上死点位置的正转矩，并且，在上死点位置之后十六度(16°)，当前的发动机中所产生的转矩多于常规发动机的转矩的两倍。

如在图10中所描绘的，本发明的备选的实施例是可能的，其中，椭圆外路径58与椭圆内路径60的交点位于燃烧室轴线的大约二十五度(25°)内。具体地，图10描绘备选的实施例，其中，如沿曲柄轴的旋转的方向观察到的，本发明的机械布置配置成将椭圆外路径58与椭圆内路径60的交点定向确定于隔开在燃烧室轴线之前小于或等于近似二十五度(25°)的预定的度数的点处。图10中的位置A’描绘膨胀冲程的初始开端，即，上死点位置处的本发明的活塞及其他相关联的机械部件，并且，能够观察到，与美国专利No.5927236相比，布置仍然产生在这样的位置处作用于活塞的显著地扩大的机械曲柄臂。而且，通过该布置而实现的另外的优点是，如在图10中由位置E’表示的，使排气冲程结束时和进气冲程开始时的活塞的位置以预定的间隔位于上死点位置下面。按照该方式的机械布置的选择性的定向许可燃烧室在开始进气冲程时保持预定的体积的废气，这转而有助于减少来自发动机的有害排放。

还发现，凸轮臂46的长度与曲柄臂50的长度之比的选择性的改变使进气冲程结束时燃烧室中的容积容量和压缩膨胀比的相关函数变量能够选择性地改变。例如，预期凸轮臂长度可以从至少近似20%的曲柄臂长度改变至多达近似100%的曲柄臂长度。通过使支承构件48的外支承表面40和内支承表面42的尺寸和偏心关系改变，以实现不同选择的曲柄臂50和不同选择的凸轮臂46，从而可以完成这样的改变。图12示意性地描绘在选择性地使凸轮臂与曲柄臂之比以百分之二十(20%)的增量改变时由接合点52(即，连接杆24的轴线74)追踪的外椭圆路径58和内椭圆路径60中的配置(大小和形状)中所产生的相对改变和相对差异。图13的图表编辑受到这样的改变影响的伴随的变量的比较数据。具体地，在该图表中编辑的数据假定1000cc位移发动机，即，具有固定的1000cc进入循环，并且，对于采用火花点火式燃烧的发动机，具有固定压缩比10:1，或者，对于采用压缩来点火燃烧的发动机，具有固定的15:1的压缩比。总的说来，图表说明凸轮臂与曲柄臂之比的增大实现在燃料消耗(每加仑行进的英里)和转矩方面优于另外的可比较的1000cc位移常规发动机的实质的优点。例如，在这样的1000cc发动机中凸轮臂与曲柄臂之比为70%的情况下，发动机实现膨胀容量1739cc，并且，以压缩比10:1实现膨胀比16.7:1。实际上，根据本发明的1000cc发动机的该配置将产生转矩，但1739cc发动机的马力输出将仅消耗与常规1000cc发动机相同的量的燃料。

因此，本领域技术人员将容易地理解，本发明容许广泛的效用和应用。在不背离本发明的实质或范围的情况下，除了在本文中描述的实施例和改编以外的本发明的许多实施例和改编，以及许多改变、修改和等效的布置将从本发明及其前面的描述显而易见或通过本发明及其前面的描述而合理地提出。因此，虽然已在本文中关于本发明的优选的实施例而详细地描述本发明，但要理解，本公开仅是本发明的说明性的且示范性的示例，只不过出于提供本发明的详尽的授权的公开的目的而作出。前面的公开不旨在或被解释为限制本发明或另外排除任何这样的其他实施例、改编、改变、修改以及等效的布置，本发明仅受本发明所附的权利要求及其等效物限制。

Claims (1)

1.一种内燃机，包括：

发动机机体，其限定多个圆柱形燃烧室，所述多个圆柱形燃烧室各自限定室轴线，

曲柄轴，其安装于所述发动机机体，用于围绕曲柄轴轴线旋转，所述曲柄轴轴线相对于燃烧室横向地延伸；

活塞，其布置于各燃烧室内，用于沿着其室轴线往复，

所述内燃机能够根据四冲程循环而运行，其中，所述活塞通过沿第一方向移动的进气冲程、沿第二方向移动的压缩冲程、沿所述第一方向移动的膨胀冲程和沿所述第二方向移动的排气冲程而在所述燃烧室内往复，其中，所述压缩冲程结束时和所述膨胀冲程开始时的所述活塞的位置限定为上死点，且所述膨胀冲程结束时和所述排气冲程开始时的所述活塞的位置限定为底部死点，

连接杆，其可枢转地安装于各活塞，

机械组件，其将各连接杆可旋转地连接至所述曲柄轴，用于将所述活塞的往复运动转化成所述曲柄轴的旋转运动，所述机械组件包括：

第一齿轮构件，其不可旋转地安装于所述发动机机体，所述第一齿轮构件包括：

圆柱形主体，其具有小齿轮部分，所述小齿轮部分具有围绕所述圆柱形主体的径向向外的表面形成的齿轮齿，和

第二齿轮构件，其与所述第一齿轮构件啮合式地接合，所述第二齿轮构件包括：

环形主体，其具有冠状齿轮部分，所述冠状齿轮部分具有围绕所述环形主体的径向向内的表面形成的齿轮齿，所述第一齿轮构件的圆柱形主体延伸到所述环形主体中，其中所述小齿轮部分的齿轮齿与所述冠状齿轮部分的齿轮齿啮合式地接合，和

支承部分，该支承部分从所述冠状齿轮部分向外伸出，且具有形成在所述支承部分的外表面上的第一支承表面和形成在所述支承部分的内表面上的第二支承表面，所述连接杆围绕所述第一支承表面安装，且所述曲柄轴安装在所述第二支承表面内，以用于所述第二齿轮构件与所述曲柄轴的旋转，其中所述连接杆在所述第一支承表面上旋转且所述第二支承表面在所述曲柄轴上旋转，

所述第一齿轮构件的小齿轮部分和所述第二齿轮构件的冠状齿轮部分具有2：1的齿轮比，以用于引起所述第二齿轮构件对于所述曲柄轴的每两转而言旋转一次，

所述第二支承表面从所述曲柄轴轴线偏移，以在围绕所述曲柄轴轴线的圆形路径中移动，用于在所述曲柄轴上施加贯穿发动机的所述四冲程循环统一的机械曲柄臂，

所述第一支承表面和所述第二支承表面以偏移距离彼此隔开，引起所述第一支承表面交替地在围绕所述曲柄轴的内椭圆路径和外椭圆路径中移动，用于在所述曲柄轴上施加在所述发动机的所述四冲程循环期间改变的机械凸轮臂，

所述第二齿轮构件与所述曲柄轴的旋转在所述曲柄轴上施加结合的有效曲柄臂，所述有效曲柄臂等同于所述曲柄臂与所述凸轮臂的矢量和，其在所述发动机的所述四冲程循环期间改变，引起所述活塞的往复的长度贯穿所述发动机的所述四冲程循环而改变，

改进，其中：

所述第二齿轮构件的所述第一支承表面和所述第二支承表面选择性地配置且制定尺寸，使得：

所述凸轮臂具有大于所述曲柄臂的长度的20%且直到100%的长度，

在上死点处，所述凸轮臂相对于所述曲柄臂定向确定在大体90度处，

在上死点处，所述曲柄臂定向确定为在所述室轴线之前一定角度处，

所述曲柄臂和所述凸轮臂作用为协作地在所述曲柄轴上产生正转矩，这在所述压缩冲程结束之前开始直到在之前大约二十(20°)，且通过所述活塞的上死点位置继续到所述膨胀冲程中且在所述膨胀冲程期间，

在所述膨胀冲程完成时，所述曲柄臂和所述凸轮臂中的各个与所述室轴线线性对齐地延伸，其中所述凸轮臂从所述曲柄臂向外延伸，从而形成在所述发动机的所述四冲程循环期间的最长结合有效曲柄臂，

在所述进气冲程完成时，所述曲柄臂和所述凸轮臂中的各个与所述室轴线线性对齐地延伸，其中所述凸轮臂以相对于所述曲柄臂重叠的方式向内延伸，从而形成在所述发动机的所述四冲程循环期间的最短有效曲柄臂，

所述内燃机的所述四冲程循环中的所述进气冲程和所述压缩冲程比所述膨胀冲程和所述排气冲程短，且

贯穿所述内燃机的所述四冲程循环维持基本上统一的压缩比。