CN1059486C - 具有高增压比的四冲程变压缩比内燃机 - Google Patents

Abstract

一种内燃机，包括两个工作容积不同的气缸构成的气缸组及两个曲轴。两个气缸始终保持连通而与活塞的位置无关，两个曲轴分别与气缸组中一个气缸内的活塞相联接，并且两个曲轴由齿轮组以及有三个同心的组件的可变提前角传送装置耦接后具有相同的速度。可以根据工况通过可变提前角传送装置改变两个曲轴之间的相对角度位置，从而改变内燃机的压缩比，获得最高的工作效率。

Description

具有高增压比的四冲程变压缩比内燃机

本发明涉及变压缩比内燃机，该装置能够使燃烧室的容积随吸入空气的密度和温度以及内燃机的温度和旋转速度而变化。这样就可以通过使用中冷的单重或双重增压而使内燃机实现高增压。

专利号为WO89/03476的文献介绍了一种变压缩比压缩点火的内燃机，它作为一个例子，提供了该发明所采用的一种相对于那种二冲程循环压缩点火内燃机更佳的实施方案，二冲程循环内燃机是由两个气缸并排在轴上组合而成，两个曲轴集中在气缸体内，这两个曲轴在传统系统中以相同的速度旋转，内燃机以等流方式扫气(冷气进气和排气在较大气缸相反的两端进行)。该内燃机还装有一个能够使预燃室的活塞位置在压缩结束时周期性地同步的耦接装置，为的是能让压缩比随内燃机的工况不同而改变。然而上述方式都无法使二冲程内燃机在良好的条件下进行工作，因为，在较小的那个气缸里，燃烧后的气体在各个排气周期中只有一部分被排出气缸，这样由于只有冷空气的吸入为等流方式，所以会损失一部分效率。根据该发明的另一种实施方案，这在该专利中讲得也很明确，即四冲程内燃机也可考虑用一个传动系统，在该传动系统中小曲轴以大曲轴的半速旋转，但这会使四冲程内燃机的运行不能进行，小气缸中的活塞相对于内燃机的相位不同步，例如在吸气阶段，小气缸中的燃烧过的气体排到大气缸中，而在排气阶段，小气缸吸入来自大气缸的燃烧过的气体。

本发明描述的是一种燃烧室容积可变的四冲程内燃机的新的组合装置。内燃机包括一个传动系统，在该传动系统中，两个曲轴通过可变提前角传送装置耦接后具有相同的旋转速度。两个曲轴在可变提前角传送装置的行程开始和结束之间所形成的角位移大小由成组的两个气缸的气缸工作容积及这两个气缸之间的体积和余隙空间之间的配比求得，这样就可以改变内燃机的压缩比，而不使小气缸的活塞相对于内燃机的相位不同步。

从专利号为DE-A-3616234的文献中还了解了一种使传动联结的两根轴改变相对角度位置的装置，特别是装在机器箱体中的一个曲轴和一根凸轮轴之间的相对角度位置的变化，该装置的主件由一个凸轮轴构成，所有机械零件以可旋转的方式安装在该凸轮轴上，这些零件中的一个具有平动和转动的零件决定了凸轮轴和曲轴间产生的传动联结的角偏移。所述平动和转动零件的运动是通过与凸轮轴分隔的双重作用的活塞和液压气缸的组件完成的。应该指出，由于凸轮轴所承受的力矩而使活塞移动产生的轴向阻力与装置的角位移成正比(阻力来自凸轮与阀杆的摩擦)，这就形成凸轮轴上的轴向力，凸轮轴是通过一个装有止推轴瓦的轴承来进行轴向制动的。凸轮轴只产生仅相当于曲轴力矩1％到3％的很微弱的阻力力矩，它把轴向很弱的力引向凸轮轴上，从力学的观点来看，对此只需使用一个支撑力很弱的止推轴承，因此用一个小型止推轴承就可以了。有关从内燃机上拆卸角度改变装置的问题，需要把该内燃机上构成该角度改变装置的由凸轮轴支承的大批机械零件拆下来，凸轮轴也同样可以看作该角度改变装置的部件。

本发明还描述了一种适于控制四冲程变容燃烧室内燃机的可变提前角传送装置的新的组合装置。这种新的可变提前角装置的组合系统与内燃机两个曲轴的两根轴耦联，其好处在于可以改变这两根轴之间的角度位置，而不论任何加在可变提前角传送装置上的联结力均不会给轴上施加轴向负荷。根据新的装置，这种可变提前角传送装置可以从内燃机单元从拆下，并且可以与两个曲轴分开，就象一个互换件那样，可以从内燃机单元拆下来和再安装上去，为了在两个曲轴连接器和可变提前角传送装置之间进行正确的角度调节，还要为该可变提前角传送装置提供一些其他设备。

根据定义，活塞式内燃机的增压原理在于增加空气量而不是增加气缸的工作容积。因此对于固定压缩比的内燃机来说会导致燃烧压力增高，使比功率更大(每升气缸工作容积的功率)。然而当增压压力增加时，内燃机各部件上的机械应力和热应力也增加。问题的主要原因在于燃烧室和活塞行程造成的压缩比不变，这不能适应于进气压力和温度的变化，也不适应于内燃机速度和温度的变化。

因此，操作人员在遵守某些程式规则的同时，一方面要测定进气压力变化范围的极限值，另一方面还要求出空气吸气压力和增压压力间的平均压缩比。由于测定平均压缩比是协调内燃机各种工况的一种折中，所以空气吸气工况所处的压力和温度很低，而增压压力工况所处的压力和温度很高。

本发明的目的是提供一种变压缩比内燃机，该内燃机根据进气的密度和温度以及内燃机的转速和温度使燃烧室的体积发生变化，这样就可以通过使用中冷的单重或双重增压而使内燃机实现高增压。

本发明提出这样一种包括进气行程、压缩行程、膨胀行程和排气行程的四冲程内燃机，该内燃机包括：

利用自点火或火花点火进行往复运动的活塞；其中，

所述内燃机还包括：

两根曲轴，第一根曲轴具有大行程曲柄，第二根曲轴具有其行程比第一曲轴的曲柄行程小的曲柄，由齿轮组和可变提前角传送装置将这两个曲轴耦接在一起，使它们具有相同的旋转速度；

一个气缸系统，每个气缸都设置在两根曲轴中一个曲轴的上方，该气缸系统包括气缸工作容积比大气缸的工作容积小的小气缸，每个大气缸通过余隙空间与小气缸相连通，从而形成彼此间相连通的由两个气缸构成的汽缸组，使气体从一个气缸流到另一个气缸，而与在所述气缸中移动的活塞的位置无关，每个活塞都与一个连杆相连，连杆与曲轴曲柄相连，第二曲轴的曲柄与在小气缸中移动的活塞的连杆相连，而第一曲轴的曲柄与在大气缸中移动的活塞的连杆相连；

一个与第一曲轴相连的凸轮轴，其以第一曲轴一半的速度运动，保证使各组的两个气缸通过进气阀和排气阀按照四冲程循环的预定时间与进气管和排气管周期性地相连通；

可变提前角传送装置包括一个控制机构，利用一个具有作用于该传送装置上的伺服动力缸的液压增力装置，该控制机构使第二曲轴的曲柄相对于第一曲轴的曲柄的提前角角度变化，在大气缸的活塞的压缩行程结束时，所述传送装置可以使发动机的压缩比在最小值压缩比和最大值压缩比之间进行变化，所述最小和最大压缩压缩比由下面的比值决定：

a)大气缸的气缸工作容积和小气缸的气缸工作容积之间的比值，以及

b)一方面是小气缸和大气缸的总容积，另一方面是余隙空间的体积和大气缸的活塞的压缩结束时在小气缸中形成的附加体积之和，之间的比值，可变提前角传送装置调节第二曲轴的曲柄相对于第一曲轴的曲柄的提前角，以便获得所述的压缩比，所述提前角在最大提前角和最小提前角之间变化，在大气缸的活塞压缩行程结束时，一个至少为90°的角形成于小气缸活塞的连杆和第二曲轴的曲柄之间，从而确定最小压缩比，而最小提前角对应于大气缸活塞的压缩行程结束时活塞在小气缸中的位置，以便形成为获得最大压缩比所需要的附加体积，而且这时第二曲轴的曲柄与小气缸活塞的连杆形成一个角度。

根据本发明，新内燃机包括两根曲轴，一根具有大行程曲柄，另一根具有小行程曲柄。由齿轮组和可变提前角传送装置将这两个曲轴耦联，使它们具有相同的转速，可变提前角传送装置的耦联小齿轮为齿轮组的部件，它相对于小行程曲轴进行角位移，这样就在这两个曲轴之间形成无数个提前角，而不需要在这两个曲轴之间中断联接。

根据本发明，所设计可变提前角传送装置可从内燃机单元上拆下，而不会涉及小行程曲轴，其好处在于能够快速方便地更换不合规格的部件或用标准件替换次品部件。工作容积不同的气缸每个都设置在两个曲轴的一根轴的上方。小行程曲轴曲柄随较小气缸的活塞连杆运行，而大行程曲轴曲柄随较大气缸的活塞连杆运行。并排的两个气缸通过气缸盖口的气口孔彼此连通，这样使两个相互联通的气缸构成一个组，以便使气体从一个气缸流到另一个气缸，而与各气缸活塞的位置无关。

根据本发明，对于使用压缩点火的内燃机来讲，内燃机的余隙空间中至少有一个碳氢燃料喷嘴对碳氢燃料进行喷射。

根据本发明，对于使用火花火花点火的内燃机来讲，内燃机的余隙空间中至少有一个点火火花塞通过公知的方法进行点火。

按照本发明，至少通过一个与大行程曲轴配合的、以大行程曲轴运动速度的一半的速度运动的凸轮轴来保证配气，同时在四冲程循环的精确时刻，利用进排气阀使一组的两个汽缸周期地与进排气管道相连通。使两个膨胀周期同时进行，从而使两根曲轴共同施力。让大行程曲轴直接与内燃机外部的传送机构相连，使可变提前角的传送装置只将小行程曲轴的扭矩传送到大行程曲轴上，所以可变提前角的传送装置上的力矩取决于成组的两个气缸中的较小气缸的工作容积。

在这两个曲轴之间的可变提前角传送装置的各个角位移的功效在于：在压缩行程结束时(较大气缸的活塞在上死点)，使较小气缸中形成的附加空间得以改变。该附加空间由余隙空间确定，从而改变在可变提前角传送装置的行程开始时内燃机所具有的最大压缩比和在可变提前角传送装置的行程结束时内燃机所具有的最小压缩比。

按照本发明，伺服动力缸作用于可变提前角传送装置的液压增力装置，改变与增压压力成正比的较小气缸中的附加容积，从而使内燃机保持在最佳工作条件，并可使污染减到最小。

根据本发明，对原型内燃机预设的程序可以消除由压力和温度引起的过大应力。把内燃机各工况的情形一一贮存在一起，以便汇总所有内燃机功率。所贮存的各种情况是由四个探测器测量结果构成的组合成果：进气压力，进气温度，内燃机速度和内燃机温度。将各组合结果与可变提前角传送装置的调节起动装置的位置同时记录下来。和对试验台上的内燃机的调节一样，该程序可以对系列内燃机进行自动调节。碳氢燃料的规格也应当相同，以便通过对四个探测器测量值的高频探测在标准类型的内燃机上正确地再现相同的工况。

下面将结合附图对本发明非限定性的实施例进行详细描述，其中：

图1为成组的两个气缸间的比值为5的四冲程变容燃烧室的内燃机的纵向局部剖视图，所示的位置是压缩结束时可变提前角传送装置的行程为起始时的位置。可以看到在同心的第一和第三组件之间进行配合的斜花键，这些斜花键都是与同心的第二和第三组件之间进行配合的斜花键的柱面螺旋线成反向的柱面螺旋线；

图2为图1内燃机的分解图，表示从两个曲轴拆下的可变提前角传送装置；

图3表示根据本发明另一实施例的图1的内燃机，它详细示出了同心的第一和第三组件之间进行配合的直键和同心的第二和第三组件之间配合的斜花键；

图4为本发明的成组的两个气缸间的比值为5的四冲程变容燃烧室的内燃机的横剖示意图，所示的位置是燃烧结束时可变提前角传送装置的行程为起始时的位置，此时小行程曲轴的曲柄相对于大行程曲轴的曲柄的提前角为36°；

图5为和图4内燃机相同的内燃机的横剖示意图，所示的位置是燃烧结束后可变提前角传送装置的行程为结束时的位置，此时小行程曲轴的曲柄相对于大行程曲轴的曲柄的提前角为69°；

图6为与图4和5所示内燃机相同的内燃机的成组的两个气缸的气缸盖的底视平面图；

图7为本发明的成组的两个气缸间的比为2.5的四冲程变容燃烧室内燃机的内燃机的横剖示意图，所示的位置是燃烧结束后可变提前角传送装置的行程为起始时的位置，此时小行程曲轴的曲柄相对于大行程曲轴的曲柄的提前角为30°；

图8为和图7内燃机相同的内燃机的横剖示意图，所示的位置是燃烧结束后可变提前角传送装置的行程为结束时的位置，此时小行程曲轴的曲柄相对于大曲轴的曲柄的提前角为70°；

图9为与图7和图8所示的内燃机相同的内燃机的成组的两个气缸的缸盖的底视平面图；

图10为成组的两个气缸的两个气缸工作容积的比值为5的内燃机的叠置曲线图，它表示在可变提前角传送装置的行程开始或结束时无点火的压缩和膨胀状况下，大行程曲轴(5)的旋转角度和压缩比的关系；

图11为成组的两个气缸的工作容积的比值为2.5的内燃机的叠加曲线图，它表示在可变提前角传送装置的行程开始或结束时无点火的压缩和膨胀状况下，大行程曲轴(5)的旋转角度和压缩比之间的关系。

参照图1至图9，缸体组(1)包括两个平行设置的曲轴(4和5)，其中一个具有大行程曲柄，另一个具有小行程曲柄，分别装有活塞(6和8)以及连杆(7和9)的两个气缸(2和3)均设置在两个曲轴(4和5)的上方，小行程曲轴(5)的曲柄随较小气缸(3)的活塞(8)的连杆(9)运动，而大行程曲轴(4)的曲柄随较大气缸(2)的活塞(6)的连杆(7)运动。并排的两个气缸(2和3)通过气缸盖(10)上的气口孔彼此连通，这样使两个相互连通的气缸(2，3)构成一个气缸组。

对于使用压缩点火的内燃机来讲，内燃机的余隙空间中至少有一个碳氢燃料的喷嘴(未示出)对碳氢燃料进行喷射。

对于使用火花点火的内燃机来讲，内燃机的余隙空间中至少有一个点火火花塞(未示出)对碳氢燃料进行点火。

至少通过一个与大行程曲轴(4)配合的凸轮轴(未示出)，以相对于大行程曲轴运动速度的一半的速度来保证配气。汽缸盖(10)伸到较大气缸(2)的那部分分别包括进气和排气阀(13和14)，这两个阀周期性地使成组的两个汽缸(2和3)在四冲程循环的精确时刻与进排气管道(11和12)相连通。

对于气缸工作容量很大的内燃机来讲，在汽缸盖(10)伸到较小气缸(3)的那部分装有随大行程曲轴(4)以大行程曲轴(4)的速度一半的度速运行的第二凸轮轴(未示出)，以便在较大气缸(2)的进排气阀完成四冲程循环的开启和关闭的同时周期性地进行另外一组进排气阀的开启和关闭。成组的两个气缸(2和3)的气缸工作容积之间的比值至少为2.5-5，该值可以使内燃机适合于1至7的增压压缩比。

可变提前角传送装置由三个同心叠装组件构成：第一个组件由位于内部的传送轴(17)构成，第二个组件由具有外部齿轮(20)的套管(28)构成，而第三个部件由位于上述两个组件之间的中部位置中的滑管(32)构成。用在外加轴承板(15)和套管(28)之间进行配合的双排斜轴承(16)使所述套管(28)固定在外加轴承板(15)中。将所述外加轴承板(15)固定在内燃机单元(1)上，以便可变提前角传送装置能够构成一个与小行程曲轴(5)的轴(18)可以分开的整体设备。为此，所制成的可变提前角传送装置和小行程曲轴(5)均有它们各自的轴(17和18)。可变提前角传送装置的轴(17)和小行程曲轴(5)的轴(18)之间的连接端加工有相对应的直键或者称阳直键和直键槽或者称阴直键，这样，在内燃机单元(1)上开的孔内装上外加轴承板(15)后，利用轴向滑动就可利用这两个阴阳直键将上述两根轴耦接在内燃机单元(1)中。外加轴承板(15)以小行程曲轴(5)的轴(18)为中心对中，从而使轴(17)和轴(18)自动对齐，当在内燃机单元(1)上安装外加轴承板(15)时，轴(18)可用作轴(17)的自由轴承。通过这种安装方式，不必拆卸小行程曲轴(5)，就可以从内燃机单元上直接拆下可变提前角传送装置。

最好用一个与轴(17)刚性联接的轴承座(22)将传送轴(17)和套管(28)彼此间保持同心同轴。轴承座(22)配有能使轴(17)独立于套筒(28)作自由旋转的轴向和径向推力轴承(23)。轴承座(22)的使轴(17)和小行程轴(5)的轴(18)进行耦接的连接端的花键是轴(17)的整体的一部分。轴承座(22)和套管(28)都位于内燃机单元(1)内。使轴承座(22)做成可以同时代替飞轮的盘的形状，该飞轮的周边上等间距地开有能对支承环(25)进行螺栓装配的孔(24)，支承环(25)装在与上述直键所处一侧相反的那一侧的面上。采用把支承环(25)装到轴承座(22)上的措施是为了形成一个固定轴向和径向推力轴承(23)的外轴瓦(26)的支座。轴承(23)的内轴瓦(27)固定到靠着隔套(29)的套管(28)上，隔套(29)为围着套管(28)的轴瓦形的隔套，隔套(29)用来填充轴承(23)的内轴瓦(27)和斜轴承(16)的内轴瓦之间的空间，通过单一的螺母(30)将所需各部件固定到套管(28)上以后，斜轴承(16)的内轴瓦在轴向上紧靠套管(28)的台肩。

套管(28)的齿轮(20)装在内燃机单元(1)的外部，它通过中间齿轮(21)及与大行程曲轴(4)相联结的齿轮(19)，与大行程曲轴(4)耦接，并且具有与大行程曲轴(4)相同的旋转速度，中间齿轮(21)位于上述两个齿轮(19和20)之间。

在轴承座(22)朝向外加轴承板(15)的那一侧，传送轴(17)包括与滑管(32)相配合的斜花键(31)。该滑管(32)的内周面上有与斜花键(31)相配合的键(33)，因而滑管(32)可以在传送轴(17)上沿键滑动，故所述第一和第三组件之间可产生角位移。

滑管(32)的外周面上也开有斜花键(34)，其螺线方向与滑管(32)内表面上开的斜花键(33)的方向相反。套管(28)的内周面上有与滑管(32)外周面上的斜花键(34)相配合的斜花键(35)，从而使滑管(32)能在套筒(28)中沿键滑动，从而在上述第一组件(17)和第三组件(32)之间沿键的移动导致在所述第二组件(28)和第三组件(32)之间可以产生角位移，当滑管(32)没有轴向移动时，套筒(28)与轴(17)一起旋转。

当所述滑管(32)的一端位于由轴承座(22)的阻挡所限定的停止极限位置，而该滑管(32)的处于套管(28)外部的另一端通过齿轮(20)从内燃机单元(1)中伸出时，使滑管(32)的一部分长度处于套管(28)内，这样，就可以利用适当的工具将双排斜轴承(36)的内轴瓦固定在滑管(32)上。无旋转运动的轴承(36)的外轴瓦与连接件(37)固定连接，轴承(36)的内轴瓦与滑管(32)相连并随其作旋转运动。

压缩比程序判定存储器通过液压控制系统，移动连结件(37)和滑管(32)，用以改变两个曲轴(4和5)间的提前角。

可变提前角传送装置行程的起点是这样设定的：使滑管(32)处于套管(28)的向外的止动位置(小力矩)(未示出)，该位置对应于小行程曲轴曲柄(5)相对于大行程曲轴曲柄(4)的最小提前角。

可变提前角传送装置行程的终点是这样设定的：使滑管(32)处于套管(28)的向内的止动位置(大力矩)(未示出)，该位置对应于小行程曲轴曲柄(5)相对于大行程曲轴曲柄(4)的最大提前角。

根据本发明，为了使两个曲轴(4和5)在可变提前角传送装置之间的提前角的调节精确方便，使齿轮(20)的齿数为双数，而同时滑管(32)和套管(28)各自的配合键(34和35)、轴(17)和滑管(32)各自的配合键(31和33)以及两轴(17和18)间的连结键的齿数均为单数，反之亦然。

见图3，根据本发明的另一实施例，在轴承座(22)的面向外加轴承板(15)的那一侧，可变提前角传送装置的轴(17)有直键(38)而不是斜花键(31)，该键与滑管(32)相配合，而滑管的内周面也有直键(39)而不是斜花键(33)，直键(39)与轴(17)的直键(38)相配合。

根据本发明，对于所设计的内燃机型号，按照内燃机各部件的尺寸，即一方面按照成组的两个气缸(2和3)的气缸工作容积的比值，另一方面按照这两个气缸(2和3)的两个气缸的总工作容积和余隙空间(40)的容积之比值来选择最小和最大压缩比，对这两个比值的确定要使得：小行程曲轴(5)的曲柄和大行程曲轴(4)的曲柄之间的最大提前角，在压缩行程结束时(活塞6在上死点)，根据余隙空间(40)所需的附加空间决定活塞(8)的位置，从而决定所述最小压缩比，此时，连杆(9)和小行程曲轴(5)的曲柄之间的角度至少为90°

在可变提前角传送装置行程结束位置处，根据内燃机各组件的尺寸对两个曲轴间的角度偏移进行调节，以使内燃机能够做到：

——在膨胀行程中，至少根据作用到小行程曲轴(5)的曲柄上的瞬时最大扭矩，向活塞(8)上施加相配的燃烧气体。

——在膨胀行程中，通过限制活塞(8)在排气阀(14)打开之前的上升，使得有一燃烧气体的背压作用在所述活塞(8)上。

——在进气行程结束时，通过限制活塞(8)的行程，使得气缸(3)有一充气量损失。

这些运行的好处在于可以保证在满负荷工况下使内燃机保持最佳效率。

根据与为最小压缩比所设计的尺寸数据库相同的数据库来选择最大压缩比，这样由可变提前角传送装置的行程开始时的位置所限定的小行程曲轴(5)的曲柄相对于大行程曲轴(4)的曲柄的最小提前角在压缩结束时(活塞6在上死点)相应于余隙空间(40)所要求的附加空间限定活塞(8)的位置，以此来限定小行程曲轴曲柄(5)的连杆(9)在离开上死点时内燃机的最大压缩比，并使所述连杆(9)与小行程曲轴(5)的曲柄形成一个角度。

在可变提前角传送装置行程起始位置处，根据内燃机各组件的尺寸对两个曲轴间的角度偏移进行调节，以使内燃机能够做到：

—在压缩行程结束时，相应于曲轴(4，5)的曲柄的之间的角位移的每单位度，使活塞(8)具有更大的直线运动。

这种运行的好处在于加速低负荷内燃机压缩比的改变过程。

所用符号的含义：

P＝压缩比。

V1＝成组的两个气缸的较大气缸的工作容积。

V2＝成组的两个气缸的较小气缸的工作容积。

V1/V2＝成组的两个气缸的两个气缸工作容积的比值。

α＝小行程曲轴的曲柄的提前角。

ve＝成组的两个气缸在没有过份层流的气体传送时，所需要的余隙空间体积。

(αminimum)＝可变提前角传送装置的行程开始时小行程曲轴曲柄的提前角。

(αmaximum)＝可变提前角传送装置的行程结束时小行程曲轴曲柄的提前角。

Va(αminimum)＝可变提前角传送装置的行程开始时添加给余隙空间体积的附加体积，在压缩最后阶段当大行程曲轴曲柄位于上死点时，该附加体积由小行程曲轴曲柄的提前角的最小角度确定。

Va(αmaximum)＝可变提前角传送装置的行程结束时添加给余隙空体积的附加体积，在压缩最后阶段当大行程曲轴曲柄位于上死点时，该附加体积由小行程曲轴曲柄的提前角的最大角度确定。

Vr(αminimum)＝可变提前角传送装置的行程开始时压送空气的体积，在压缩最后阶段当大行程曲轴曲柄位于下死点时由小行程曲轴曲柄的提前角的最小角度确定该压送空气体积。

Vr(αmaximum)＝可变提前角传送装置的行程结束时压送空气的体积，在压缩最后阶段，当大行程曲轴曲柄位于下死点时由小行程曲轴曲柄的提前角的最大角度确定该压送空气体积。

变容燃烧室内燃机的压缩比的特性和公式：

(V1+V2)×两缸组数＝内燃机气缸工作容积。

[V1+(V2-Vr(α))]×两缸组数

＝由可变提前角传送装置的提前角确定的内燃机气缸工作容积。

上式表述的是具有由可变提前角传送装置的提前角导出的压缩比的内燃机的理论压缩比值。 $\frac{V1+\[V2-\mathrm{Vr}\left(\mathrm{\α}\min \mathrm{imum}\right)\]+\mathrm{ve}}{\mathrm{ve}+\mathrm{Va}\left(\mathrm{\α}\min \mathrm{imum}\right)}=P\max \mathrm{imum}$

这里限定的是在可变提前角传送装置的行程开始时的最大压缩比。实际上因为Vr(αminimum)完全可以忽略，所以不必从V2中减去Vr(αminimum)。 $\frac{V1+\[V2-\mathrm{Vr}\left(\mathrm{\α}\max \mathrm{imum}\right)\]+\mathrm{ve}}{\mathrm{ve}+\mathrm{Va}\left(\mathrm{\α}\max \mathrm{imum}\right)}=P\min \mathrm{imum}$

这里限定的是在可变提前角传送装置的行程结束时的最小压缩比。实际上由于进入V1和V2的空气的允许值，取决于被贮存的最大增压压力中的标准值，所以可不必从V2中减去Vr(αminimum)。

不论Va(α)处在可变提前角传送装置行程的开始和结束阶段之间的什么角度位置，都可以使压缩比的方程简化为： $\frac{V1+V2+\mathrm{ve}}{\mathrm{ve}+\mathrm{Va}\left(\mathrm{\α}\right)}=P$

根据本发明，可以在可变提前角传送装置行程结束时的两个极限值之间选择最小压缩比。用小行程曲轴(5)的曲柄相对于大行程曲轴(4)的曲柄的最大提前角求得第一极限值，最大提前角确定压缩行程结束时(活塞6在上死点)相应于余隙空间(40)所要求的附加空间的活塞(8)的位置，从而定义出小行程曲轴(5)的连杆和曲柄间的角度至少为90°时的最小压缩比，用小行程曲轴(5)的曲柄相对于大行程曲轴(4)的曲柄的一较小的提前角求得第二极限值，它和两个气缸(2)和(3)的两个气缸工作容积之比的减小量成比例，直至两个曲轴(4和5)的工作区所准许的极限值为止，该极限值根据下面的最小压缩比公式由成组的两个气缸的相互位置确定： $\frac{V1+\[V2-\mathrm{Vr}\left(\mathrm{\α}\max \mathrm{imum}\right)\]+\mathrm{ve}}{\mathrm{ve}+\mathrm{Va}\left(\mathrm{\α}\max \mathrm{imum}\right)}=P\min \mathrm{imum}$

可以给成组的两个气缸的两个气缸工作容积规定一较大比值，以便减小作用在较小气缸工作容积内燃机的可变提前角传送装置上的应力，反之，也可以给成组的两个气缸(2和3)的两个气缸工作容积规定一较小比值，以便增加具有较大气缸工作容积的内燃机的速度。

实际上，由于允许进入V1和V2的空气值取决于被贮存的压缩比和增压压力两者的标准值，所以不必从V2中减去Vr(αmaximum)。

根据为最小压缩比所限定的尺寸数据来选择最大压缩比，以便在可变提前角传送装置行程开始时，由小行程曲轴(5)的曲柄相对于大行程曲轴(4)曲柄的最小提前角来确定压缩结束时(活塞6在上死点)活塞(8)相应于余隙空间(40)所要求的附加空间相符的的位置，从而定义出小行程曲轴(5)曲柄的连杆(9)在远离其上死点时的最大压缩比，因而所述连杆(9)与小行程曲轴(5)曲柄之间形成一个角度。因此用下面的公式可以定义出最大压缩比， $\frac{V1+\[V2-\mathrm{Vr}\left(\mathrm{\α}\min \mathrm{imum}\right)\]+\mathrm{ve}}{\mathrm{ve}+\mathrm{Va}\left(\mathrm{\α}\min \mathrm{imum}\right)}P\max \mathrm{imum}$

实际上，由于允许进入V1和V2的空气值取决于被贮存的压缩比和进气管中的大气压差两者的标准值，所以不必从V2中减去Vr(αminimum)。

图10和11中的曲线根据下面的公式求得：

a＝小汽缸(3)的上死点

b＝小活塞(8)的顶

s＝小活塞(8)的面积

l＝小连杆(9)的长度

r＝小曲轴(15)的长度

A＝大汽缸(2)的上死点

B＝大活塞(6)的顶

S＝大活塞(6)的面积

L＝大连杆(7)的长度

R＝大曲轴(4)的长度

Vm＝余隙体积

α＝旋转角(在上死点为0°)(逆时针方向)

＝小曲轴(5)相对于大曲轴(4)的提前角

根据若干应用中的一种应用来制造工作性能良好的内燃机的例子。

上述储存在计算机计算表中的公式可以管理和选择内燃机各组件的尺寸值，即成组的两个气缸(2，3)的两个气缸工作容积之间的比值和由这两个气缸(2，3)的两个气缸的总工作容积与余隙空间(40)的容积之比，进行这种计算的目的是使为内燃机最大和最小压缩比规定的规格与分别在可变提前角传送装置的行程开始和结束时的小行程曲轴曲柄相对于大行程曲轴曲柄的最小和最大提前角的角度相吻合。图10和11的曲线表示大行程曲轴(4)曲柄旋转360°，成组的两个气缸(2，3)的压缩比和容积效率的变化曲线实例。

根据本发明的具体实施例，对于大容量的发电机组(并不排除其它机组)来讲，将这两个曲轴(4和5)每个都与一个发电机进行机械连接，两个发电机的电路进行并联。根据内燃机正常运转状态下各个曲轴的实际功率来确定每个发电机的容量，因此，可变提前角传送装置和两个曲轴(4和5)之间对应的联接器受力矩补偿负荷的限制。

压缩点火的四冲程内燃机的优点在于：

—提高容积效率；

—增加比功率；

—减少机械摩擦的损失；

—内燃机与十六烷值匹配；

—精确地对理想压缩结束时的温度进行测量，以实现在所有可行情况下(从冷起动到高增压)，碳氢燃料的自点火；

—内燃机在高海拔处的性能得到提高；

—使碳氢化合物和氮氧化物的排放量最小。

火花点火的四冲程内燃机的优点在于：

—提高容积效率；

—增加比功率；

—减少机械摩擦的损失；

—由于与进气管中的压差成正比的压缩比的增加，使部分负载的内燃机的效率提高(关闭节气门)；

—内燃机与辛烷值匹配；

—内燃机在高海拔处的性能得到提高；

—混合的均匀性得到提高；

—使一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物的排放量最小。

这些就是牵引车辆上安装的具有高增压比和压缩点火装置的四冲程内燃机的优点和状况。

根据活塞的平均速度减少每个气缸的气缸工作容积可以增加内燃机转速，稳定地减少低频。整个减速箱输出轴的减速比更大，直至达到驱动的第二减速比。由于机械摩擦力正比于气缸工作容积，而且对负载不太敏感，所以效率得到提高。当内燃机功率增加时，可以保持由车辆的限速装置支持的内燃机的制动。

Claims (10)

1.一种包括进气行程、压缩行程、膨胀行程和排气行程的四冲程内燃机，该内燃机包括：

利用自点火或火花点火进行往复运动的活塞(6，8)；其特征在于，

所述内燃机还包括：

两根曲轴，第一根曲轴(4)具有大行程曲柄，第二根曲轴(5)具有其行程比第一曲轴的曲柄行程小的曲柄，由齿轮组(19，20，21)和可变提前角传送装置将这两个曲轴(4，5)耦接在一起，使它们具有相同的旋转速度；

一个气缸系统(2，3)，每个气缸都设置在两根曲轴(4，5)中一个曲轴的上方，该气缸系统包括气缸工作容积比大气缸(2)的工作容积小的小气缸(3)，每个大气缸(2)通过余隙空间(40)与小气缸(3)相连通，从而形成彼此间相连通的由两个气缸(2，3)构成的汽缸组，使气体从一个气缸流到另一个气缸，而与在所述气缸(2，3)中移动的活塞(6，8)的位置无关，每个活塞都与一个连杆(7，9)相连，连杆与曲轴曲柄相连，第二曲轴(5)的曲柄与在小气缸(3)中移动的活塞(8)的连杆(9)相连，而第一曲轴的曲柄(4)与在大气缸(2)中移动的活塞(6)的连杆(7)相连；

一个与第一曲轴(4)相连的凸轮轴，其以第一曲轴(4)一半的速度运动，保证使各组的两个气缸(2，3)通过进气阀(13)和排气阀(14)按照四冲程循环的预定时间与进气管(11)和排气管(12)周期性地相连通；

可变提前角传送装置包括一个控制机构，利用一个具有作用于该传送装置上的伺服动力缸的液压增力装置，该控制机构使第二曲轴(5)的曲柄相对于第一曲轴(4)的曲柄的提前角角度变化，在大气缸(2)的活塞(6)的压缩行程结束时，所述传送装置可以使发动机的压缩比在最小值压缩比和最大值压缩比之间进行变化，所述最小和最大压缩压缩比由下面的比值决定：

a)大气缸(2)的气缸工作容积和小气缸(3)的气缸工作容积之间的比值，以及

b)一方面是小气缸和大气缸的总容积，另一方面是余隙空间(40)的体积和大气缸(2)的活塞(6)的压缩结束时在小气缸(3)中形成的附加体积之和，之间的比值，可变提前角传送装置调节第二曲轴(5)的曲柄相对于第一曲轴(4)的曲柄的提前角，以便获得所述的压缩比，所述提前角在最大提前角和最小提前角之间变化，在大气缸(2)的活塞(6)压缩行程结束时，一个至少为90°的角形成于小气缸(3)活塞(8)的连杆(9)和第二曲轴(5)的曲柄之间，从而确定最小压缩比，而最小提前角对应于大气缸(2)活塞(6)的压缩行程结束时活塞(8)在小气缸中的位置，以便形成为获得最大压缩比所需要的附加体积，而且这时第二曲轴(5)的曲柄与小气缸(3)活塞(8)的连杆形成一个角度。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，使至少一个气缸组中大气缸(2)的气缸工作容积和小气缸(3)的气缸工作容积之间的比值减少到由两个曲轴(4，5)的工作区形成的空间所限定的允许极限值，两个曲轴工作区由它们相对于两个气缸的位置决定，以便减小第二曲轴(5)的曲柄的提前角，从而获得可变提前角传送装置行程结束时的一最小压缩比，提前角的减少与大气缸(2)的气缸工作容积和小气缸(3)的气缸工作容积之间的比值的减少量成比例。

3.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，可变提前角传送装置包括三个同心叠装组件，即一个由传动轴(17)构成的内部组件，一个由具有齿轮(20)的套管(28)构成的外部组件，齿轮(20)用于与两个曲轴(4，5)进行耦接，以及一个位于上述内部组件和外部组件之间并可相对于上述内外组件滑动的滑管(32)组成的中间组件，通过双排斜轴承(16)将套管(28)保持在外加轴承板(15)中；

第二曲轴(5)的一端具有与传动轴(17)的一端相连接的轴(18)，所述这两个端部有相应的直键和直键槽，这两个直键使轴(17)和轴(18)相耦接，并当外加轴承板(15)固定到发动机组的孔中时，使上述三个组件相对于第二曲轴(5)的轴(18)自动对中，上述直键和直键槽结构用于在不拆卸第二曲轴(5)的情况下拆下传送装置；

轴承座(22)具有构成安装轴承(23)外轴瓦(26)支座的支承环(25)，轴承(23)的内轴瓦(27)固定在套管(28)上，以便保持住传动轴(17)；

一个在轴承(23)的内轴瓦(27)和斜轴承(16)的内轴瓦之间延伸的隔套(29)，该隔套填充于所述轴瓦之间的区域，并沿轴的方向保持斜轴承(16)的轴瓦紧靠套管(28)的台肩；

单一的螺母(30)保证将轴承(23)和斜轴承(16)的内轴瓦以及隔套(29)固定到套管(28)上；

在朝向支承环(25)的那一侧，传动轴(17)具有斜花键或直键(31)，滑管(32)套装在这些键上，滑管(32)的内表面上也有斜花键或直键(33)，以便滑管在传动轴(17)上沿螺线或沿直线滑动；

套管(28)的内表面上有斜花键(35)，该斜花键的螺线与传动轴上的斜花键的螺线方向相反；

滑管(32)的一端位于套管(28)的外面，所述这一端与双排斜轴承(36)的内轴瓦相连，斜轴承(36)的外轴瓦与动力缸的连接件(37)相连；和

设置这些斜花键是为了当主滑管(32)在套管上向外移动时，使第二曲轴(5)相对于第一曲轴(4)的提前角减小。

4.根据权利要求1或2所述的四冲程内燃机，其特征在于，当点火方式是火花点火时，则在余隙空间(40)至少有一个点火火花塞，第一曲轴(4)旋转两周，火花塞点火一次。

5.根据权利要求3所述的四冲程内燃机，其特征在于，当点火方式是火花点火时，则在余隙空间(40)至少有一个点火火花塞，第一曲轴(4)旋转两周，火花塞点火一次。

6.根据权利要求3所述的四冲程内燃机，其特征在于，对应于传动轴(17)和滑管(32)之间的键的齿数和传动轴(17)与第二曲轴(5)的连接端上的键的齿数分别为单数或双数，套管(28)的齿轮(20)的齿数分别为双数或单数。

7.根据权利要求1或2所述的四冲程内燃机，其特征在于，成组的两个气缸(2，3)的气缸工作容积之比为2.5-5。

8.根据权利要求3所述的四冲程内燃机，其特征在于，成组的两个气缸(2，3)的气缸工作容积之比为2.5-5。

9.根据权利要求4所述的四冲程内燃机，其特征在于，成组的两个气缸(2，3)的气缸工作容积之比为2.5-5。

10.根据权利要求5所述的四冲程内燃机，其特征在于，成组的两个气缸(2，3)的气缸工作容积之比为2.5-5。

Images