CN105392978A - 可变冲程与压缩比的内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可变冲程与压缩比的内燃机，所述内燃机至少包括：一个传统曲轴，一个水平连杆，一个摆轴装置，这些构成一个典型的摆轴滑动曲柄机构；一个活塞，一个竖直连杆，一个用于连接水平连杆的销，组成了典型的滑动曲柄机构。摆轴的支点可以根据一定的控制策略进行移动，实现改变内燃机冲程和压缩比的目的。

Description

可变冲程与压缩比的内燃机

技术领域

本发明是一种新型可变冲程和压缩比的内燃机，通过冲程和压缩比调节的技术达到提高发动机性能的目的。

背景技术

在内燃机发展的100多年历史中，研究者们一直试图提高其热效率并降低其排放。其中一种使一般火花点火内燃机在低负荷时达到高热效率和低排放的方式就是减小内燃机排量，这样在低负荷时，小排量的内燃机节气门必须开大，泵气损失就降低，内燃机热效率增高，但是内燃机在高负荷的时候又需要更大的排量以提供足够的功率。内燃机的这些不同工况下对排量的要求给内燃机设计带来了许多的挑战。

一种实现可变排量的方式是在部分负荷时有选择地关闭一个或数个气缸。这就意味着通过在不同工况下关闭不同数量的气缸来达到改变排量的目的，而不是在小负荷时关闭部分节气门来减少进入气缸的油和空气混合气的量。在高负荷工况时，有更多的气缸进行工作以提供需要的功率。低负荷工况下关闭气缸是通过对选定气缸停止供油的方式来达到的。但这就导致了在排气系统中的非当量空燃比排气，因此传统三元催化反应器就无法满足排放要求，也就需要其他更加昂贵的后处理装置来满足排放要求，例如NOX捕捉器或者SCR装置。另一种实现低负荷小排量的方式是涡轮增压汽油内燃机。这种内燃机可以在低负荷的工况下有效地提高内燃机效率，这是因为内燃机排量小，节气门就需要比大排量内燃机开的更大，这样的话泵气损失就会降低。在高负荷的工况时，通过涡轮增压系统提高进气压力来增加进入气缸的混合气量，从而提高内燃机功率。这种涡轮增压内燃机的结构和控制系统比较复杂，成本也高。

可变冲程是另一种达到改变排量的方式。其中一种可变冲程的概念称之Atkinson循环，既加长膨胀和排气冲程，同时缩短进气和压缩冲程。这种循环可以通过米勒循环来实现，米勒循环推迟了进气门关闭时间从而降低有效压缩冲程，使得压缩冲程比膨胀冲程短。ChadboumeU.S.PAT.No.1326129和CLARKE,U.S.PAT.NO.4044629介绍了一种增长膨胀冲程的内燃机专利。马自达做过这种米勒循环的内燃机。本田公司开发过一种多连杆系统来实现的可变冲程内燃机，并且申请了一系列的发明专利。NAKAMURA,ETAL.U.S.PAT.NO.6575128HIYOSHIETAL,U.S.PAT.NO.6595186AOYAMA.ETAL.US.PAT.NO.6647935NOHARA.ETAL.US.PAT.NO.723424NOHARA.ETAL.U.S.PAT.NO.6550436和YOSHIKAWA.ETALU.S.PAT.NO.8261703介绍了这些发明。LuisMarinoGonazlez.U.S.PAT.NO.5927236和U.S.PAT.NO.2012/0291755中介绍了一种内燃机设计，通过齿轮结构链接曲轴并通过偏心轴承表面与活塞连杆链接。这些可变冲程发明的最终目的都是为了达到活塞冲程在一个内燃机工作循环中可以变动的目的。其实都是通过增长膨胀冲程来达到增加扭矩输出，在进气过程中缩短冲程和降低活塞速度来降低泵气损失。

除了上述这些通过在内燃机一个工作循环中改变冲程的机械结构之外还有其他发明，例如CARLDHEFKEV.U.S.PAT.NO.727092和U.S.PAT.NO.5335632就介绍了一种通过偏心曲轴的方式在不同工况下改变冲程的机械装置。这种装置可以实现低负荷时低排量，高负荷时高排量的目的。

汽油机的压缩比应该在无爆震的情况下越高越好，柴油机的压缩比也是在其气缸峰值压力许可范围内，越高越好。因此也就需要在内燃机整个运行范围内，根据不同负荷和转速调节压缩比来提高内燃机的效率。另外，如果一个内燃机用不同的燃料，那么压缩比就应该随着燃料的不同而改变。一般来说，高辛烷值的燃油可以用高一些的压缩比以提高热效率。

综上所述，最佳的内燃机排量和压缩比都应该是能根据不同的工况和燃料而改变。

发明内容

鉴于以上所述内燃机的性能要求和以前发明所面临的问题，本发明的第一个目标是提供一个拥有高热效率低排放的可变冲程内燃机。冲程的改变是根据内燃机功率要求而定的。也就是说内燃机冲程在高负荷和高转速的情况下增长，提供更大的排量，在低速低负荷时冲程缩短，减小排量以提高热效率。

本发明的第二个目标是提供一种方法来改变内燃机的压缩比。压缩比的要求是根据内燃机工况和燃料的不同所确定的，是使内燃机在此工况下具有最高的热效率。

本发明的第三个目标是提供一种内燃机冲程和压缩比的控制策略。对汽油机而言，当工况改变时，则控制系统可把冲程和压缩比调节到它们的最佳值，从而达到最优。在高速和高负荷范围内，节气门通常保持在全开或者近乎全开的状态，并且压缩比基本保持恒定。冲程根据内燃机负载和转速的要求而改变。在低负载和低转速时，冲程通常调节到最小值并保持不变，节气门配合转速和负载要求进行调节。同时，压缩比相应调节为内燃机提供高的热效率。

这些目标都可通过本发明的可变冲程与压缩比内燃机来实现，本发明的内燃机包括了：至少一个在气缸内往复运动的活塞，一个安装在缸体上并可旋转的曲轴，每个气缸都对应有一个水平连杆，该连杆一端连接曲柄销并可随曲轴转动，另一端连接一个摆轴；一个竖直连杆一端利用活塞销和活塞连接，另一端(通常称为连杆大头)在位于水平连杆的中间某个位置通过一个销连接水平连杆；一个装载在内燃机机体上的装置用于控制摆轴在水平与竖直方向上的位移以达到改变冲程与压缩比的目的。

这个用于移动和水平连杆连接的摆轴支点的装置，可以是液压控制装置，也可以是电力控制装置。该装置可以控制摆轴在水平和竖直方向分别移动或者按照一个特定的路径在水平和竖直方向同时移动。该装置可以是对每个气缸分别控制其摆轴的位移，也可以为多缸内燃机同时控制和移动所有气缸所对应的摆轴。

本发明所述内燃机的冲程是由曲轴半径，竖直连杆大头位置，以及连接水平连杆的摆轴的位置所确定的。当摆轴朝曲轴方向移动时，冲程降低，反之则冲程变大。冲程的变化范围根据摆轴可移动的最大位移来确定。更大的冲程变化要求更大的摆轴位移范围。所以冲程变化范围受制于内燃机尺寸的大小。

摆轴通过竖直移动控制压缩比。压缩比不仅与内燃机工况有关还与燃料类型息息相关。根据不同的情况需要进行详细的个案分析来确定压缩比要求。理论上来说，低负荷下的节气门关闭多的工况，应该应用更高的压缩比。

后面，有关本发明的实施例将会通过图纸和描述的方式具体解释说明。

附图说明

图1本发明一个实施例3D例图；

图2根据图1中实施例所给出的剖面图；

图3为图1中的可变冲程可变压缩比实施例机械结构原理图；

图4为图1实施例中所述当冲程位于最小位置时销6的轨迹图；

图5为与图4在相同情况下的活塞运动位置和曲轴转角关系的曲线图；

图6为图1实施例中所述当冲程位于最大位置时销6的轨迹图；

图7为与图6在相同情况下的活塞运动位置和曲轴转角关系的曲线图；

图8为图1实施例所示最小冲程时气缸容积的变化与最大冲程相当排量的传统内燃机气缸容积变化曲线的对比图；

图9为图1实施例所示的控制冲程和压缩比的策略说明；

图10为本发明的另一实施例示意图，其中用滑块和滑槽代替了图1实施例中的摆轴；

图11为本发明和图1实施例有所不同的另一个实施例示意图，其中竖直连杆在水平连杆的远端以销钉与其连接，而曲柄销位于水平连杆中间和其连接；

图12为图3中所示用于移动摆轴支点在X与Y方向运动的位移控制台装置示意图。

具体实施的详细描述

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述。

图1是一个本发明可变冲程可变压缩比内燃机的实施例3D图形。

图2是本发明实施例的剖面图。如图2所示，一个活塞1可在气缸2内做往复运动，并与一个竖直连杆3通过活塞销4连接，竖直连杆3的另一端与水平连杆5通过一个销6在水平连杆中间某处进行连接。水平连杆5的一端与一个传统曲轴8的曲柄销7连接，另一端与摆轴9相连。装置10可控制摆轴9在水平与竖直方向上进行移动。装置10类似于固定在机体上的位移台(机体在图中没有表示)。不论是步进电机还是液压装置都可运用到该装置上来达到让摆轴9在水平和竖直方向上移动的目的。本发明实施例所述内燃机的其他部件，例如进排气系统等因与传统内燃机相似所以并未进行阐述说明。

图3是本发明实施例可变冲程可变压缩比内燃机的简易原理图。一个半径为r的曲轴8，一个水平连杆5和一个摆轴9组成了一个典型的摆轴滑动曲柄机构。一个活塞1，一个竖直连杆3，以及和连接在竖直连杆3大头并安装在水平连杆5上的销6组成了另一个典型的滑动曲柄机构，区别在于销6不是曲柄销。因此销6的轨迹并不像曲柄销7一样是一个圆。而是根据曲轴转角12、曲轴半径r、曲柄销7与销6之间的距离r1和摆轴支点11的位置来决定的。通过改变摆轴支点11的x和y座标的位置，内燃机冲程和压缩比都可以进行调节。当摆轴支点11的x坐标xp靠近曲柄销7的时候，内燃机冲程变短，反之变长，摆轴向正y坐标方向移动，既yp增大，可得到更高的压缩比，反之压缩比下降。

图4显示了当曲轴半径r为50mm，销6与曲柄销7的距离r1为50mm，摆轴支点坐标固定为xp＝110mm,yp＝40mm时，销6的轨迹13。图5中所示是活塞位置曲线14与曲轴转角的关系图。其中连杆3的长度为100mm，气缸中心和曲轴中心的偏心距xo为50mm。图5中的冲程为68mm。当摆轴支点11移到距曲轴最远的位置xp＝400mm，并且yp＝0时，所发明的内燃机冲程增加到88mm同时压缩比保持不变。因此，对于所例的内燃机布置，当从最小摆轴位置xp＝110mm移动到最大位置＝的过程中，内燃机排量提高了接近30％。图6显示的销6在最大xp时的轨迹曲线15。图7为其活塞位置对应曲轴转角的曲线。

以90mm活塞直径为例，当上述尺寸内燃机处于最小冲程时，单气缸容积为0.474L，最大冲程时为0.610L。对4缸机而言内燃机排量范围为1.9L到2.44L。因此本发明实施例可实现在低负荷时有更小的排量从而提高热效率，而高负荷时有更大的排量提供足够的功率。

图8对比了本发明内燃机实施例在最小冲程时的气缸容积与现有传统内燃机对应实施例最大排量的气缸容积随曲轴转角变化的情况。曲线17是本实施例内燃机在最小冲程下的汽缸容积对应曲轴转角的曲线。曲线18是传统的汽缸容积对应曲轴转角的曲线。在上止点之后曲轴转角大约60°的时候本发明实施例所示内燃机的汽缸容积要明显小于传统内燃机。更小的容积将会带来更高的缸内压力，意味着会带来更高的扭矩输出。因此本发明实施例内燃机可以提供相比传统内燃机更高的扭矩，这是本发明的另一个优势。

本实施例内燃机对冲程和压缩比的控制策略与传统汽油内燃机不同。传统汽油内燃机是用节气门位置调节来满足内燃机转速和扭矩要求的。这种方式的缺点是当气门部分关闭的时候泵气损失会增加，这会导致内燃机热效率的降低。而本发明实施例，节气门可在一定工况下保持全开状态(既高转速高负荷工况)，通过改变摆轴支点11的位置来改变冲程，而不是改变节气门位置来满足转速和扭矩输出要求。同时，在高负荷高转速工况下通过移动摆轴11来保持压缩比基本恒定。当内燃机负载持续降低时，冲程也将随之降低直到到达最小位置。如果内燃机负荷继续降低，这时候冲程保持最小状态而节气门开始关闭。这样部分关闭的节气门会导致进气压力与温度降低。因此，爆震倾向降低，内燃机可在更高压缩比下工作，以达到更高的热效率。图9是这种控制策略的示意图。图9中间的竖线19是最小冲程的位置。当内燃机负载从这个位置继续降低的时候，内燃机冲程曲线20一直在其最小值处保持不变，节气门开启曲线21开始降低，压缩比曲线22开始升高。当内燃机负载继续降低，气门也需要关闭更多同时压缩比也可以更高。如果所需内燃机负荷比内燃机最小冲程所示(线19)所能提供的高，那么冲程(曲线20)则必须要变的更长来增加内燃机排量，以满足内燃机输出要求。在这一过程当中节气门已经处于全开状态并且保持不变。在这种高负荷、高转速内燃机工况范围内，压缩比需要正确地控制以避免爆震的发生。

另一点需要指出的是压缩比应当根据不同的燃料进行调节。只要没有爆震发生，压缩比就可以高一些，这样会让内燃机有更好的热效率。

本发明实施例的一个优势是在高负荷工况下，使摆轴11移动所需的动力要求并非很高。因为摆轴11的位置距离负荷点(销6)的位置因为大的冲程所致而距离很远，所以移动所需的力并不是必须要增加。当需要小冲程的时候，摆轴11距离负荷点(销6)的位置会靠近，但是因为是低负荷工况，所需力也不会有明显增加。另外，由于负载施加在摆轴上的力在一个内燃机工作循环中是在0附近正负变动的，如果施加在摆轴上的力是个常量，这个力总会在负荷施加在摆轴上的力接近零时大于它，因此，较小的力也应该能在内燃机工作循环的某个时刻作用在摆轴上的负荷力很低时移动摆轴。所以这种机构的设计不需要很大的推动力去移动摆轴。

在这个领域的专家都会明白，这项发明具有很广泛的应用。可以派生出很多类似的实施例，包括一些改动和修改。图10所示为一个本发明的一个改动实例，该实施例用滑块轴承销12与槽13替代了图2中的摆轴11。图2和图10这两个本发明的实施例在工作原理上完全相同，只是有可能在摩擦和/或可靠性上有稍许不同。

另一个更改的本发明实施例如图11所示。在水平连杆14的一端与竖直连杆通过销15进行连接，而曲柄销在水平连杆14中间某个位置和水平连杆14进行连接。这种设计可能会降低内燃机尺寸。但是推动摆轴所需的力将会增加。这个用来推动摆轴9或者滑块12的装置可以是一个安装在内燃机机体上类似于水平竖直位移台的机械装置。其动力来源可以是步进电机也可以是液压系统。图12中所示的一个就是一种以步进电机为动力的简单实施例。该装置包括一个安装在竖直移动零件16上的摆轴9，安装在同样竖直移动零件16上的一个步进电机17。步进电机17可驱动螺杆18转动使摆轴9沿着竖直零件16竖直移动。而另一个电机19则安装在位移台基座20上用于转动螺杆21，驱动竖直位移零件的基座22在水平方向上移动。

本发明所述可变冲程可变压缩比内燃机可以是如实施例所述单缸内燃机也可以是多缸内燃机。以上所述的机构是应用于一个气缸的。多缸机可以对应每一个汽缸都有一个同样的机构。唯一不同的可以是用于移动摆轴9的装置。多缸机中摆轴移动可以用多个装置分别进行控制，也可以用一个装置使对应每个缸的所有摆轴同时移动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.可变冲程与压缩比的内燃机，至少包括：

一个水平连杆，水平连杆的一端和曲柄销连接，另一端和一个摆轴相连接，摆轴位置可以相对内燃机机体进行移动；

一个竖直连杆，其大头端和安装在水平连杆中间某处的一个销相连，其小头端通过活塞销和活塞相连；

一个安装在内燃机机体上的电动或液压控制装置，用于改变摆轴的支点位置，调节发动机的冲程和压缩比；

内燃机的其他零件和传统发动机相似。

2.根据权利要求1所述的可变冲程与压缩比的内燃机，其结构可变化为：所述水平连杆的一端与所述和活塞相连的竖直连杆的大头端相连接，所述曲柄销移动到水平连杆的中部，所述可移动的摆轴在水平连杆的另一端和水平连杆相连。

3.根据权利要求1和权利要求2所述的可变冲程与压缩比的内燃机，其特征在于，一个滑动轴承销和一个在水平连杆一端的槽被用来替代摆轴，实现冲程和压缩比的变动。

4.根据权利要求1,权利要求2和权利要求3所述的可变冲程与压缩比的内燃机，其特征在于，所述内燃机可以是单缸机，也可以是多缸机，变动冲程和压缩比的机理可分别用于每个气缸。

5.根据权利要求1,权利要求2和权利要求3所述的可变冲程与压缩比的内燃机，其特征在于，多缸机可在所有的气缸上作为一个整体应用变动冲程和压缩比的机理。

6.根据权利要求1,权利要求2和权利要求3所述的可变冲程与压缩比的内燃机，其特征在于，变动冲程和压缩比的控制方法包含有：在高负荷和发动机高速转动工况时，节气门保持全开或接近全开，压缩比控制不变，对冲程进行调节以满足发动机负荷和转速的需求；在低负荷和发动机低速转动工况时，冲程保持在其最小值处不变，调节节气门到部分关闭位置以满足负荷和转速的需求；同时，调节压缩比使其随着节气门的关闭而增加。

7.根据权利要求1,权利要求2和权利要求3所述的可变冲程与压缩比的内燃机，其特征在于，其移动摆轴或滑动轴承销支点的控制装置可以是安装在机体上的一个水平和垂直方向的位移台；一个步进电机调节位移台水平方向的位移，另一个步进电机调节位移台垂直方向的位移。