CN108495984A - 可变压缩比发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可变压缩比发动机，所述可变压缩比发动机包括固定的发动机缸体，在所述固定的发动机缸体中，包括燃烧活塞、杆和曲柄的可移动构件相互作用从而允许活塞在发动机缸体的燃烧汽缸中平移，发动机缸体限定燃烧活塞从上止点至下止点的冲程，其中通过源自汽缸中的混合物燃烧的力和曲轴的惯性力造成平移。所述发动机的特征在于，包括独立设备用以调节燃烧活塞的上止点的位置，所述独立设备连接至或安置在至少一个可移动构件中并且具有：下止点处的高压液压室，用以抵抗燃烧力和惯性力；上止点处的低压液压室，从而抵抗惯性力；至少一个校准管道，用以允许液压流体在高压液压室与低压液压室之间流动；以及复位装置，用以使所述设备返回至标称位置。校准管道和复位装置被其构造成使得独立设备形成被极大减振的振荡系统。

Description

可变压缩比发动机

技术领域

本发明涉及发动机和可变压缩比发动机的元件。

背景技术

作为前言，应记住内燃机发动机的连杆在其底部一侧与燃烧活塞的联接部分相联，并且在其顶部一侧与曲轴的联接部分相联。这两个联接部分通常具有平行的轴线。如图1A和1B分别所示，杆的功能是随着曲柄的旋转而传递活塞从“上止点”至“下止点”的平移运动。所述杆还根据活塞的平移轴线帮助维持活塞的角位置。

现有技术中已知多种用于调节内燃机发动机的压缩比和/或位移的方案。

还应记住内燃机发动机的压缩比(通常称为压缩率)对应于当活塞处于下止点时燃烧室的体积与当活塞处于其上止点时燃烧室的体积之比。在其它条件一样的情况下，杆的长度决定发动机的压缩比。

人们普遍认为，使发动机的压缩率适应其负载情况能够大大增加发动机的燃料效率。例如，设计者有时试图使压缩比在无负载时的12与满负载时的8之间变化。

对于四冲程发动机，应记住一个完整的发动机循环包括新鲜气体进气循环，然后是压缩循环、燃烧膨胀循环，最后是排气循环。这些循环具有合理的相等延伸度，其分布在720°的曲轴旋转上。

发动机负载因此可以定义为在发动机循环的燃烧膨胀部分中施加在活塞头上的恒定虚拟压力(在该循环的互补部分的过程中作用在活塞头上的压力被视为零)，其所对应的转矩等于发动机在一个完整循环中建立的转矩。对于目前的自然进气式发动机来说，该压力达到10bar的最大值，而对于增压式发动机则该压力可以共同地升高至20或30bar。

排量本身对应于主汽缸中活塞从上止点移动至下止点所产生的体积。通过改变汽缸中活塞的冲程实现可变排量。所述排量不受连杆长度的影响。排量变化必须在具有较高幅度时才能对燃料效率产生显著的影响，这在技术上是一项挑战。

因此文献US4111164旨在基于施加至发动机的负载改变发动机的排量。该文献公开了一种由弹簧组成的杆，所述弹簧与液压室关联使得在发动机未受到负载时活塞刚性地联接至发动机的曲轴，而在发动机经受巨大负载时将活塞弹性地联接至曲轴。对于负载巨大的第二种情况，连杆充当减震器，其根据发动机循环中的各种情况的压力进行压缩和展开。该文献因此公开了进气循环中随着负载的恒定排量，而在负载增加时在燃烧循环中排量增加。然而，在杆的液压室中部分吸收的燃烧力未被恢复，使得该方案特别低效。

该方案因此不能根据一个发动机循环或一系列发动机循环中施加的负载来调节压缩比。该杆的特性对发动机转速特别敏感。该文献中提出的方案还造成在发动机的操作过程中连杆的机械部件(弹簧、液压室)剧烈操作，这加速了发动机的磨损并且降低了系统的可靠性。

此外，该文献中提出的方案的液压室对液压流体的温度变化特别敏感，连同对发动机转速的敏感性，使得非常难以预测杆的特性。

文献R0111863描述了一种内燃机发动机，所述内燃机发动机由可移动上方缸体和固定至车辆底盘的下方缸体组成。上方缸体在联接上方缸体和下方缸体的横向轴线上自由枢转。当发动机负载增加时，汽缸中的有效平均压力增加并且造成上方缸体围绕横向轴线移动。因此汽缸体积被添加至燃烧室体积，从而使得压缩比降低。

该文献中提供的方案需要设计和制造铰接的发动机缸体，所述铰接的发动机缸体与均具有固定发动机缸体的标准内燃机发动机设计完全不同。这需要完全重新设计大多数车辆的发动机-底盘界面部件。因此，连接至发动机上部的任何部件(空气或燃料的进入管路、排出管路、分配设备等)必须适合容忍发动机上部的可移动性。

其它文献(例如WO2013092364)描述了长度受控的连杆，所述连杆能够实现内燃机发动机中的固定压缩比(而不影响排量)。这些方案需要通过外部控制系统(液压活塞、电机等)进行控制的杆长度的主动控制系统。除了可靠性不佳外，所述外部控制系统通常还比较复杂并且造成能量损失。此外，压缩比控制是不连续的并且可以实现的数值范围通常过于有限。上述引用的文献中提出的仅提供两种不同杆的长度的方案尤其是这种情况。

发明内容

发明目的

本发明旨在消除至少一些现有技术中的上述缺点。

发明详细说明

为了实现该效果，本发明提出一种可变压缩比发动机，所述可变压缩比发动机包括固定的发动机缸体，在所述固定的发动机缸体中可移动构件(包括燃烧活塞、杆和曲柄)相互作用从而允许活塞在发动机缸体的燃烧汽缸中平移，发动机缸体限定燃烧活塞从上止点至下止点的冲程，其中通过源自汽缸中的混合物燃烧所产生的力和曲轴的惯性力造成平移。

根据本发明，发动机包括用于调节燃烧活塞的上止点的位置的独立设备，所述独立设备连接至或安置在至少一个可移动构件中并且具有：

-下止点处的高压液压室，从而抵抗燃烧力和惯性力；

-上止点处的低压液压室，从而抵抗惯性力；

-至少一个校准管道，其允许液压流体在高压液压室和低压液压室之间流动；

-以及机械复位装置，其用以使设备返回至标称位置；

校准管道和机械复位装置的特征被构造成使得独立设备形成被极大减振的振荡系统。

根据本发明的其它有利的非穷尽特征(这些特征单独考虑或组合考虑)，并且根据任何技术可行的组合：

-机械复位装置和校准管道的特征同样地被构造成能够按照预定方程来调节杆的长度以对应于平均拉伸力和压缩力。

-当活塞在筒状部件中移动时，通过活塞任一侧形成的空间限定高压液压室和低压液压室。

-通过在筒状部件的一部分中旋转的活塞任一侧上形成的空间来限定高压液压室和低压液压室。

-通过第一筒状部件和第一活塞来限定高压液压室并且通过第二筒状部件和第二活塞来限定低压液压室。

-低压液压室和/或高压液压室设置有用于注入液压流体的装置。

-高压液压室和/或低压液压室设置有排出过量液压流体的装置，从而控制所述室内形成的压力。

-高压液压室和低压液压室具有等同横截面。

-独立调节设备被构造成调节连杆的长度。

-独立调节设备被构造成调节发动机压缩比控制构件的长度。

-独立调节设备被构造成调节发动机压缩比控制构件的位置。

-独立调节设备设置在至少一个可移动构件中。

-压缩比发动机具有用于确定压缩比的机构。

-独立调节设备包括：

a.至少一个校准“拉伸”管道，所述校准“拉伸”管道只允许从低压液压室流动至高压液压室；

b.至少一个校准“压缩”管道，所述校准“压缩”管道只允许从高压液压室流动至低压液压室。

-只有当确定高压液压室中的压力比低压液压室中的压力高出给定值时，压缩校准管道才允许流动。

-独立调节机构具有至少两个校准压缩管道。

-管道被构造成允许湍流。

-复位装置包括弹簧。

附图说明

通过参考附图来描述本发明的非穷尽实施方案和实施例，将更好地理解本发明，在附图中：

-图1A和1B显示了常规内燃机发动机活塞的上止点和下止点；

-图2显示了对于两种不同的发动机转速，在最大负载下在发动机循环中施加至连杆的力；

-图3显示了发动机循环中随负载变化的压缩力的最大幅度；

-图4显示了对于相同发动机的不同转速，发动机循环中的惯性力的演变；

-图5a和5b显示了根据本发明的独立调节设备的两种理论构造；

-图6显示了根据本发明的一个实施方案的密封装置；

-图7a至7c显示了三种构造，所述三种构造均涉及相同横截面的情况；

-图8显示了发动机负载特性与发动机目标压缩比的定律；

-图8a针对本发明的应用于三种不同连杆的三种构造显示了阻尼定律，所述阻尼定律对应于根据施加至连杆的恒定力的幅度而变化的连杆的最大伸长速度；

-图9和9a显示了本发明的第一个实施方案。

-图10显示了本发明的第一个实施方案的情况。

-图11显示了本发明的第二个实施方案的情况。

-图12显示了本发明的第三个实施方案的情况。

-图13显示了本发明的第四个实施方案的情况。

-图14和15显示了本发明的第五个实施方案。

具体实施方式

内燃机发动机的连杆和其它可移动构件在发动机的工作循环中受到拉伸力和压缩力。这些力具有双重来源：源自燃烧汽缸中的混合物燃烧的力以及由于发动机转速由曲轴造成的惯性力。图2显示了在两种不同的发动机转速下，对于最大负载，在发动机循环中施加在常规内燃机发动机的杆上的力的示例。

燃烧力全部转化成作用在杆上的压缩力。这些力的最大幅度与发动机负载合理地成比例，例如如图3所示。

在发动机循环中，惯性力在杆上转化成连续的拉伸力和压缩力。惯性力的最大幅度基本上与发动机转速(即旋转速度)的平方成比例。这例如在图4中显示。

在一个发动机循环或多个循环的过程中，如果认为摩擦可忽略，则由惯性力施加至杆的力为零，尽管在其最大幅度和不同转速下，拉伸力和压缩力能够彼此抵消。

因此，在一个或多个发动机循环中，施加至杆上的组合力的功合理地对应于燃烧力的功，燃烧力的功代表如上所述的发动机负载，如图3所示。

本发明使用这些观察作为基础，提出一种可变压缩比发动机，所述可变压缩比发动机包括根据平均燃烧力(或换言之，根据发动机负载)调节内燃机的上止点位置的独立设备。调节燃烧活塞的上止点使得能够针对发动机的负载自主地(即不必施用主动控制系统)调节发动机的压缩比。

“平均力”表示在发动机循环或一组循环中施加的平均力。

如图5a图解显示的根据本发明的独立调节设备包括筒状部件2和筒状部件2中的(平移式或旋转式)可移动活塞3。在本申请的范围内，“筒状部件”和“活塞”涉及在其之间限定至少一个室的整组部件，当活塞移动时调节所述室的体积。因此，圆形截面的活塞在圆筒形凹部中滑动；但是本发明不限于该构造。正如下文本发明的具体实施方案所示，筒状部件可以由圆盘部分中的单个孔和活塞组成，所述活塞由径向可移动部件形成，所述径向可移动部件沿行产生孔的圆盘的轴线而在孔内旋转。

无论筒状部件2还是活塞3所选择的是何种构造，两者都可以整合并对齐至任何可移动构件和/或发动机缸体，正如本发明的各个实施方案展示中将要描述的，原因是能够允许控制活塞的上止点位置。

对应于本发明的发动机包括固定发动机汽缸(即燃烧汽缸和汽缸盖的位置相对于曲轴固定)并且被构造成将施加至燃烧活塞的压缩和/或拉伸传递至独立调节设备1的活塞3。作为回应，该设备被设计成调节燃烧活塞的上止点位置从而改变或调节发动机压缩比。换言之，活塞3在筒状部件2中的位移有助于根据燃烧力的平均幅度在第一止挡部(活塞3在筒状部件2中的最小位置)与第二止挡部(活塞3在筒状部件2中的标称位置)之间调节燃烧活塞的上止点。

独立调节设备1被构造成随着燃烧力的幅度的增加而增加燃烧室的体积。

活塞3限定筒状部件2中的被称为“高压”室的初始液压室4和第二液压室5。该初始液压室4能够沿着由活塞3限定的纵向轴线传递施加至设备1的压缩力Fcomp，而被称为“低压”室的第二液压室能够沿行其纵向轴线传递施加至设备1的拉伸Ftrac。这两个“高压”室4和“低压”室5通过至少一个校准通道6流体相通。

通过施加传递至设备1的拉伸和压缩从而引发活塞3的移动，并且(在止挡部允许的极限内)通过来自一个室的流体流动经过校准管道6到达另一个室从而允许活塞3的移动。在不存在任何流动的情况下，设备1充当刚性本体，因为活塞3在筒状部件2中的移动受到由于拉伸力/压缩力而受压的液压流体的可压缩性的限制。

图5b显示了独立调节设备1的替代性构造。在该构造中，高压液压室4由第一筒状部件2a和第一活塞3a(压缩施加至所述第一活塞3a)限定。低压液压室5由第二筒状部件2b和第二活塞3b(拉伸力施加至所述第二活塞3b)限定。活塞3a和3b以机械和运动学方式联接，如图5b的虚线所示。

如同图5a的主要构造，两个高压室4和低压室5通过校准管道6流体相通。

无论选择何种构造，流体在两个室4、5之间的动力学根据施加的瞬时力决定了设备1的调节速度。活塞3(或活塞3a和3b)的移动允许调节可变压缩比发动机的燃烧活塞的上止点。

根据本发明，(特别通过校准管道的测定)选择该构造从而根据瞬时惯性力或燃烧力避免反作用或仅允许受控和有限的反作用。

以特别有利的方式，校准管道6被构造成有助于提升湍流。事实上，在湍流条件下，与层流条件相反，流速与压力相关联的方程对流体温度的敏感性低得多。形成各种贡献，例如建立明显的恒定设备1，而不考虑液压流体温度(可以为从冷却时的-20℃到发动机运转时发动机内部150℃的极端温度)产生的变化。

正如公知的，通过减小通道的长度/直径比并且使液压流体进入管道的入口而不利于产生在所述室与所考虑的通道之间的猛烈过渡，从而有助于提升湍流(例如，在室4、5和通道6之间不能形成会聚型的入口锥管)。

根据第一种构造，杆的筒状部件2和/或活塞3(或筒状部件2a、2b和活塞3a、3b)设置有密封件从而避免液压流体从一个室4、5流动至另一个室(除非通过所提供的校准通道6)(或者在设备1的替代性构造中，避免室4、5外部的液压流体的流动)。

在设备1的主体构造的具体实施方案中，如图6所示，密封装置包括位于活塞滑动面水平处的密封装置，并且从高压室4朝向低压室5依次包括：

-一个或多个金属部段61，所述金属部段61帮助保持高压室4中的流体的前方压力；

-中间液压流体储存部62；

-以及接合部63(例如复合的或O形环)，所述接合部63保证整个组件的密封。

在设备1的替代性构造中，也可以在活塞3a、3b上设置相似的密封件，如图5b所示。

低压室5与高压室4之间的校准管道6优选在活塞3和/或筒状部件2中形成。有利地，为了简化制造，低压室5与高压室4之间的该校准通道6或校准通道6中的一个在活塞3中形成。替代性地，该通道或全部的校准通道6可以在筒状部件2的本体中形成。

根据设备1的主体构造的第二个实施方案，筒状部件2和活塞3不设置任何密封件。在该情况下，活塞3和筒状部件2之间的相互作用被选择成允许流体在两个室之间流动，并且从本质上构成低压室5与高压室4之间的校准通道6。在该构造中，同样可以在活塞3和/或筒状部件2中设置至少一个额外的校准通道6。

此外，关于图5a和5b的描述，根据本发明的设备1包括机械复位装置7，所述机械复位装置7被构造成在没有任何外部拉伸或压缩的情况下使活塞3(或活塞3a、3b中的至少一个)达到其标称位置。

独立调节设备1因此为振荡系统。

校准通道6和机械复位装置7被构造成和/或被选择成在一个或多个发动机循环的过程中根据施加至设备1的平均拉伸力和压缩力调节活塞3(或活塞3a、3b)的位置。换言之，机械复位装置的特征(刚度、预负载等)和校准通道的特征(数目、直径、长度、流动性质等)被选择成使得杆形成为类似于高阻尼振荡系统或充当高阻尼振荡系统。应记住高阻尼振荡系统是阻尼因数大于1的振荡系统。

下文描述根据本发明的设备当在发动机中操作时的功能。

当发动机启动时，活塞3(或活塞3a、3b)处于标称位置，机械复位装置7帮助将活塞3/筒状部件2放置于第一机械止动部。启动时的发动机因此具有由活塞3(或活塞3a、3b)的标称位置所限定的压缩比。

当负载不足时，施加至设备1的动力学拉伸力和压缩力(基本上对应于惯性力)以比高压液压室4与低压液压室5之间的校准通道6中的流动更快的速度发展。同样地，尽管可能出现低幅度振荡，筒状部件2中的活塞3的位置(或筒状部件2a和2b中的活塞3a和3b的位置)基本上不受这些力的影响。

当发动机负载增加时，平均压缩力变得足以将液压流体从高压室4有效传递至低压室5。该流动造成活塞3在筒状部件2中(或活塞3a、3b在筒状部件2a、2b中)位移，并从燃烧活塞的上止点开始位移。根据该位置，以完全自发的方式调节发动机的压缩比。

有利地，机械复位装置7包括弹簧(例如压缩弹簧)，所述弹簧设置成使施加的力倾向于使活塞3(或活塞3a、3b)复位至标称位置。所述弹簧可以设置在液压高压室4中，或者在设备1上设置在该室4的外部。

弹簧可以是刚性的从而随着设备1的收缩而施加增加的复位力。通常地，当复位力仅由弹簧施加而不受止挡部的影响或瞬时影响时，当对应于发动机负载的平均燃烧力与复位装置7施加的力平衡时，设备1的长度或位置基本上稳定在稳态长度或稳态位置附近，尽管这可能会感觉到低幅度振荡。

相反地，当发动机负载降低时，液压负载倾向于通过校准通道6从低压室5朝向高压室4传递，并且活塞3(或活塞3a、3b)倾向于复位至对应于标称位置的第一机械止动部。因此发动机的压缩比得到相应地调节。

对于选定的一组负载，弹簧的刚性选择成使得与活塞3(或活塞3a、3b)在两个止动部之间的最大移动一致。

弹簧可以重新受压，即当设备1在其标称位置下静止时，弹簧以高于零的阈值施加复位力。因此，只要平均燃烧力(压缩力)保持低于阈值复位力，则活塞3的位置保持固定并且处于其标称位置。正如下文可见，可以通过设备1的液压部件来贡献一部分阈值复位力。在所述情况下，由弹簧施加的一部分阈值力可以减小，并且弹簧的尺寸也可以减小。

根据本发明的具体实施方案，弹簧预加载至高于零的阈值复位力，并且其选择的刚性设定成大约为零，使得例如从一个止动部至另一个止动部的力的变化不超过预负载力的70％。同样地，无论活塞的位置如何，在活塞3(或活塞3a、3b)上施加的复位力基本上恒定。因此设备1能够在其止动部处实现两种稳定构造：

-在第一构造中，只要施加的平均燃烧力保持低于阈值复位力，则设备1处在初始标称位置上；

-在第二构造中，当平均燃烧力高于阈值复位力时，设备处在第二标称位置上。

对于自发“双速率”可变压缩比发动机的实施方案，该实施方法特别适合于实施设备1，简单并且低成本。当负载不足时，发动机具有由处在其第一构造下的设备的标称位置施加的第一压缩比；并且对于高于阈值负载的负载而言具有由处在其第二构造下的最小位置施加的第二压缩比。

筒状部件2和活塞3(或筒状部件2a、2b和活塞3a、3b)可以具有圆形截面或非圆形截面，例如椭圆形截面，这避免了这两个筒状部件在纵向轴线上旋转的风险。

通常地，筒状部件2和活塞3(或筒状部件2a、2b和活塞3a、3b)的尺寸选择为使得设备1的拥挤程度达到最小化并且能够将其安置在常规设计的内燃机发动机中。然而，设备1的最小尺寸受到能够在液压室4、5中建立的最大的液压流体压力的限制。就此而言，椭圆形筒状部件2截面和活塞3有时能够适应拥挤程度和压力局限。无论情况如何，在低压室5和高压室4中经受液压流体压力的表面被选择成当活塞3(或活塞3a、3b)经受最大力时，任一个室内的压力例如相比于密封件的抵抗力不会过大。

筒状部件2和/或活塞3可以在高压室4或低压室5的水平处设置有液压流体填充装置8。这些液压流体填充装置帮助维持所述室被该流体填充，因此补偿任何可能的泄漏。液压流体填充装置可以是一个端部通往筒状部件2(或筒状部件2a、2b的至少一个)而第二端部通往液压流体源的通道。

优选地，通道的第一端部通往低压室5，这是因为这能够利用当在活塞3上施加压缩力时出现的泵送效果，因此促进将液压流体再填充至筒状部件2。通道可以设置有单向阀从而避免通过所述通道流动至筒状部件的外部，如图5a和5b图解所示。

为了限制筒状部件2中的压力，筒状部件2可以设置有排出装置9。这些排出装置可以包括如下或由如下组成：从高压室4引出从而形成恒定泄漏的简单通道，或具有压力控制器的通道，例如为阈值压力等于该室内希望的最大压力的差动阀的形式。

特别有利地，低压室5和高压室4具有等同截面。“等同截面”表示活塞3(或活塞3a、3b)在一个室4、5中的移动所扫过的体积与活塞3(或活塞3a和3b)在另一个室中的移动所扫过的体积相同。

当通过至少一个活塞3平移进入至少一个筒状部件2中来限定高压室和低压室4、5时，当投影在垂直于活塞移动方向的平面上的表面经受来自活塞(或活塞3a、3b)每个表面的压力基本相同时，满足“等同截面”条件。

对于给定的发动机操作点，当活塞3(或活塞3a、3b)达到其平衡位置时，两个室4、5之间的压差保持恒定，无论液压流体的温度如何。

通常地，假设满足等同截面的条件，通过来自活塞3(或活塞3a、3b)任一侧的压力在控制构件上产生的力的平衡为恒定的，而无论液压流体的温度如何。

特别地，所述室4、5的内部压力根据液压流体随温度(可以为极端寒冷气候的-20°至发动机运转时的150℃)的膨胀而变化。当未实现截面等同时，内部压力的可变性可能造成施加至活塞3(或活塞3a、3b)上的力的可变性。因此，设备1具有随温度变化而变化的特性(取决于发动机负载的活塞3位置)，这通常是不希望的。

换言之，在不具有单向差动阀6的情况下，设备1在操作时倾向于平衡高压室4与低压室5中的压力。当截面不等同时，通过活塞3(或活塞3a和3b)上的压力产生的平均力不再为零。其与所述室4、5之间的截面差成比例，并且与室4、5中的平均环境压力成比例。然而，液压流体经受剧烈的热膨胀，其结果是所述室4、5中的压力可能在发动机温度升高的过程中变化。出于该原因，通过复位装置7施加的力、燃烧力和施加至活塞3(或活塞3a、3b)的液压力之间的平衡被温度打破，这种情况是不希望的。等同截面条件的优点在于，尽管存在温度变化，仍然有助于维持设备1中的合理恒定特性(压缩比/负载函数)。

液压室4、5的各种构造帮助满足等同截面条件，并且防止不受温度变化的影响，如图7a至7c为了说明目的所示。

根据图7a所示的第一个实施例，在两级活塞3中满足该条件。在该图中，筒状部件2具有圆形肩部3c使得低压室5具有比高压室4更大的直径。通过低压室5中的活塞3的杆柄9的截面补偿该直径的差别，使得由活塞3在该室中的移动所产生的最终体积与活塞3在另一个室中的相同移动所产生的体积相同。

根据图7b所示的另一个实施例，通过具有外突杆的活塞3满足该条件。活塞3的杆柄9在活塞3的两侧延伸并且进入每个室4、5的体积中。通过该方式，同样满足等同截面条件。

根据图7c所示的第三个实施例，通过具有内突杆的活塞获得该条件。在该图中，高压室4具有突出构件，所述突出构件的截面与活塞3的杆柄9的截面相同。该突出构件10插入在活塞3中形成的孔11中，使其可以在孔11中滑动。通过该方式，同样满足等同截面条件。

为了能够更灵活地调节流动动力学，设备1可以包括：

-至少一个校准“拉伸”管道6a，所述校准“拉伸”管道6a只允许从低压液压室5流动至高压液压室4；

-至少一个校准“压缩”管道6b，所述校准“压缩”管道6b只允许从高压液压室4流动至低压液压室5。

每个通道6a、6b可以设置有阀从而允许单向流动。

每个通道还可以彼此独立地调节(例如在其校准过程中)从而能够在设备1中根据施加的拉伸力或压缩力来调节差动动力学。

在一个优选的变体形式中，只有当确定高压液压室4中的压力比低压液压室5中的压力高预定的给定值时，压缩校准管道6b才允许流动。这可以通过为通道6b设置具有预定压差的差动单向阀而实现。

通过由此在预定压差之下时阻止任何的流动，只要不超过该压力就可以避免活塞3在连杆的筒状部件2中的所有的压缩移动。因此，获得与复位装置7的预负载相似的效果，因此为了实现相同效果，这些装置可以更小。

在一个变体形式中，设备1可以具有两个压缩校准通道6b，一个压缩校准通道简单并且一旦施加压缩力就允许校准流动，而另一个压缩校准通道设置有差动止回阀并且一旦施加足够的压缩力就允许补充流动(通过在两个室之间引发足够的压差)。

这因此提供了一种根据施加的瞬时力来调节流动动力学并因此调节速度的额外装置，并且更宽泛地来说用以控制压缩比与发动机负载之间的关系。

阀通常包括可移动部分(例如阀球)，所述可移动部分可以在给定方向上移动并且与阀座和/或弹簧合作。这种公知机构允许根据通道上游或下游存在的压力的差别选择性地打开或关闭流动通道。

有利地，阀与设备1中的通道6；6a、6b和/或再填充装置8和/或排出装置9相联并且被设置成使其可移动部件的移动方向平行于连杆的大端轴线和小端轴线。在该构造中，当可移动部件在发动机中操作时，可移动部件在其移动方向上不经受任何由设备1造成的加速度(如果设备1设置在可移动发动机构件内，例如设置在连杆内)。通过该方式，阀的打开和关闭特性在操作过程中独立于发动机的转速。

根据另一个有利方面，阀具有控制可移动部件的机械止动部，从而限制打开并且允许控制流速，因此当存在阀弹簧时避免阀弹簧的过度使用。

在一些情况下，通道6；6a、6b还可以设置有“泄漏”阀，对于所述“泄漏”阀，平行于该阀本身设置有旁通通道。正如本身已知的，“泄漏”阀允许上升流动和下降流动分离，并且允许调节流动。

高压室4与低压室5之间的通道6a、6b的构造和校准的确定当然取决于发动机的构造(设备1必须在所述发动机中发挥功能)和发动机的额定性能或预期性能。

总体目标是保证设备1的功能(也就是说，当发动机受到负载时，根据平均拉伸力和压缩力来调节燃烧活塞的上止点)遵守基于发动机的目标特性而建立的预定方程，从而例如赋予发动机与图8的曲线相同的转速。这意味着需要在选择的流动构造的复杂度(通道数目等)与其性能之间进行决断。通常地，选择机械复位装置7和校准通道的特征从而允许按照预定的方程根据平均拉伸力和压缩力来调节燃烧活塞的上止点。

本领域技术人员可以使用通常的方法实施该设计阶段和/或生效阶段。特别地，可以使用数字模拟和优化装置或试验台，这允许根据所选择的轮廓通过拉伸和压缩进行设备1的规范，从而表征特性。

例如，当对应于本发明的独立设备1安置在长度可变的连杆中从而根据平均燃烧力来调节燃烧活塞在燃烧汽缸中的上止点时，本领域技术人员会寻求再现对应于图8a的等式的阻尼。该图显示了连杆的伸长速度(y-轴线)随施加至连杆的恒定力的幅度(x-轴线)的变化。该幅度是通过对应于峰值燃烧的施加至杆的最大力而标准化的。在图8a中，出于说明的目的，针对根据本发明的杆的三种不同构造显示了三条曲线：

(a)具有单个校准通道的杆；

(b)具有两个校准通道的杆，所述两个校准通道分别用于拉伸和

压缩，其中压缩通道设置有差动止回阀；

(c)具有三个校准通道的杆，一个校准通道用于拉伸并且两个校准通道用于压缩，其中每个压缩通道设置有差动止回阀；

特别地，当施加的力达到杆上的最大可见力的50％时，这些阻尼功能的特征在于介于30至200mm/s之间的位移速度。

在发动机的循环过程中，30mm/s的速度帮助保证系统的杆在其平衡位置附近具有最小的纵长振荡，但是当发动机负载变化时具有使得压缩比变化减慢的效果。相反，200mm/s的速度在负载变化时帮助保证压缩比的迅速变化，但却可能造成杆在其平衡位置周围的纵长振荡。存在一个或多个差动止回阀帮助建立一种特性规律，其中在连杆的纵长振荡与对压缩比变化的响应性之间存在最佳折中。

可变压缩比发动机可以同样地任选包括用于确定操作过程中的有效压缩比的装置。所述装置可以例如是设置在燃烧杆上的(磁性结构)并且能够检测其是否经过设置在发动机中或整合在曲轴箱中的检测器(例如霍尔效应传感器)的前方。文献DE102009013323中的方案也是适用的。通过该方式，形成用于确定燃烧活塞的上止点或下止点的位置的系统。

通常地，可变压缩比发动机的优点在于设置有用于确定压缩比的设备，因为该信息可以用于控制发动机部件。为了实现该效果，根据本发明的发动机或设备具有的优点在于设置有必要的传感器、允许确定所述压缩比的经计算和相关联的程序，并且考虑其控制其它发动机部件。其也可以例如是上述文献或目的的已知方案和构成用于确定燃烧活塞的上止点或下止点的位置的系统的检测器。

非限制性实施例的具体说明

实施例1：安置在常规发动机的杆中的独立设备。

根据第一个实施方案，独立设备安置在如图1A和1B所示的常规发动机的杆中，具有如下特征：

-燃烧活塞直径：75mm；

-冲程：84mm；

-三缸容量：1113cm³；

-最大负载：对于130b的最大燃烧压力为25bar MEP(平均有效压力)；

对应于该第一实施例的杆在图9中显示。

在该实施例中，杆的较大端处成型为从而形成筒状部件2，附接至杆的活塞3通过杆柄9在所述筒状部件2中行进。通过盖13封闭筒状部件2的开口，所述盖13可以旋拧至筒状部件2。活塞3因此在筒状部件2中限定高压室4和低压室5。当杆处于标称位置时，杆的止点至止点的间隔为150mm，当压缩并且被止动时该间隔为146mm。

与图7a所示相似，杆具有通过肩部3c形成的双极活塞。高压室4具有26.5mm的直径，因此对于活塞3的流体代表552mm²的“有用”表面(即投影在垂直于活塞移动轴线的平面上的表面)。低压室5具有30mm的内径，并且杆柄9具有直径为14mm的圆形截面。因此，对于活塞3，该室中的流体的有用表面为553mm²，因此与高压液压室4的有用表面几乎相同。同样满足等同截面的条件。

在活塞3中，横穿椭圆形筒状部件2开口设置拉销12形式的指示装置(相对于杆的纵向方向纵长地延伸)从而防止活塞3的旋转同时允许活塞3行进。

弹簧7设置在杆的大端与小端之间，从而在杆上施加复位力。在该具体实施例中，弹簧具有454N/mm的刚度，并且施加1266N的预负载力。

图9所示的杆特别简单，并且具有内径为0.44mm的单个校准通道6，从而在施加至杆的拉伸效果和压缩效果下保证将液压流体从一个室传递至另一个室。在该图所示的实施例中，如图9a更详细所示，通道6包括两个端部部段6i和6i'和一个中心部段6j，所述端部部段6i和6i'的截面直径为4mm，所述中心部段6j的长度为1mm并且横向尺寸为0.54mm。该构造形成具有精确校准的通道，在发动机运行条件下所述通道的流函数可以确定为“湍流”类型。

当发动机运转时，施加至燃烧活塞的燃烧力和由曲轴传递的惯性力直接传递至杆的边缘并且通过高压室4和低压室5继续传递。在这些力的作用下，如上文所解释的，活塞3在筒状部件2中自发移动，因此导致对所述杆的止点至止点所间隔的长度进行调节。筒状部件2和活塞3各自的尺寸允许杆在其机械止动部(所述机械止动部由筒状部件2的底部和盖13形成)之间的4mm的游隙。这种恒定冲程连杆的构造帮助调节燃烧活塞在燃烧汽缸中的上止点，并且当设置在如上所述的发动机中时帮助实现最小10.3且最大17.6的相应的压缩比。

“恒定冲程”表示当发动机处于任何给定的操作点时，间隔至燃烧活塞的上止点的距离在1％误差内保持恒定，而无论发动机的操作条件(转速、负载等)如何。

图10显示了连杆在具有上述特征的发动机中操作时的特性。可以观察到在低的发动机转速下，能够监控预期的特性功能。在更高的发动机转速下，尽管一般特性完全可接受并且具有功能，但功能偏离了目标特性。对于发动机的所有转速范围，第二校准管道6的形成帮助将杆的特性调节为预期特性。无论情况如何，可以通过图10的曲线推知，杆的长度因而及其上止点根据施加的平均力而得到良好调节，具有恒定冲程。此外，该实施例中的液压室4、5和活塞3被构造成具有等同截面，并且在发动机的操作条件下通道6的构造允许“湍流”，因此特性基本上独立于流体温度。

实施例2a：安置在可变压缩比发动机的控制构件中的独立设备。

图11显示了可变压缩比发动机的整体图解截面。通过EP1407125已知构成所述发动机的某些可移动构件：

-内燃机的活塞，其能够在发动机的汽缸中移动并且附接至传动机构；

-辊子，所述辊子沿着发动机曲轴箱移动，并引导传动构件的平移移动。

-链轮，所述链轮与传动构件的第一齿条和小齿轮相互作用并且保证在燃烧活塞与发动机曲轴之间传递移动。

-连杆，所述连杆的第一端与链轮相互作用而第二端与曲轴相互作用；

同样与轮合作的控制元件允许改变轮在发动机中的竖直位置，并且在恒定冲程下调节汽缸中的活塞冲程的上止点。因此形成能够改变压缩比的发动机。

图11的发动机与现有技术的不同之处在于，控制构件不受控制单元(所述控制单元致动所述控制构件的移动从而调节燃烧活塞的上止点位置)的控制，而是结合至本发明的独立设备，根据施加的平均燃烧力，在恒定冲程下由控制构件本身确保调节燃烧活塞的上止点。

因此，在图11的实施例中，控制构件结合至活塞3，所述活塞3在发动机曲轴箱内形成的筒状部件中行进。在该实施例中，高压室4和低压室5继续传递施加至控制构件的拉伸和压缩。复位弹簧7一方面被由控制构件形成的轴环支撑，另一方面被发动机曲轴箱的相对的表面支撑。

与图7b所述相似，连杆具有包括外突杆的活塞。这确保满足等同截面条件，并且使发动机的功能独立于任何流体温度局限。

发动机曲轴箱设置有用液压流体填充低压液压室5的装置8，和排出高压室4中形成的过大压力的装置9。

发动机曲轴箱还设置有第一压缩通道6b，所述第一压缩通道6b具有设定于给定打开压力阈值的差动阀。正如上文所述，该差动阀的存在帮助限制弹簧7的尺寸和刚性。

发动机曲轴箱还具有第二拉伸通道6a，所述第二拉伸通道6a包括另一个具有同样确定的压力阈值的差动阀。

当发动机运转时，燃烧活塞上的燃烧力和通过曲轴传递的拉伸力均通过控制构件轮传递并且通过低压室4和高压室5继续传递。在这些力的影响下，正如上文所解释的，活塞3在筒状部件2中自发移动，帮助调节控制构件的平移位置，因此调节燃烧活塞的上止点位置。根据施加的平均燃烧力调节控制构件的自发移动和燃烧活塞的上止点。

通过控制构件的位置信息可以获得压缩比有效变化的信息(例如用以帮助控制发动机构件)。为了实现该效果，图11的发动机可以设置有用于确定控制结构的位置的装置。

实施例2b：安置在可变压缩比发动机的控制构件中的独立设备。

图12显示了可变压缩比发动机的整体截面图。通过文献DE102010019756已知所述发动机的部件。其在曲轴箱中包括如下：

-燃烧活塞，所述燃烧活塞能够在汽缸中移动并且附接至连杆；

-传动结构，所述传动结构附接至杆并且确保在燃烧活塞与发动机的一个曲轴之间传递移动；

-控制结构，所述控制结构也与传动机构相互作用并且允许调节汽缸中的活塞冲程的上止点。因此形成能够改变压缩比的发动机。

在这种类型的发动机中，施加至燃烧活塞的燃烧力和通过曲轴传递的拉伸力均通过传动构件传递至控制构件。

图12的发动机与现有技术的不同之处在于，控制构件不受控制中心(所述控制中心致动控制构件的移动从而调节燃烧活塞的上止点位置)的控制，而是包括本发明的独立设备1，根据施加的平均燃烧力，由独立设备1本身确保对燃烧活塞的上止点的调节。

因此，在图12的实施例中，控制构件的固定端附接至在筒状部件2中行进的活塞3并且连接至该结构的与传动结构合作的第二端。在该实施例中，高压室4和低压室5继续传递施加至控制构件的拉伸和压缩。复位弹簧7部分地被控制结构的附接至活塞3的部分上形成的轴环支撑，并且部分地被控制结构的附接至筒状部件的另一部分支撑。

与图7a的所述相似，连杆具有通过肩部形成的双级活塞杆，所述肩部确保满足等同截面条件，并且发动机的功能独立于任何流体温度局限。

控制结构设置有用液压流体填充低压液压室5的装置8，和排出高压室4中形成的过大压力的装置9。

筒状部件3还设置有第一压缩通道6b，所述第一压缩通道6b具有设定了给定的打开压力阈值的差动阀。正如上文所述，该差动阀的存在帮助限制弹簧7的尺寸和刚性。

活塞3还具有第二拉伸通道6a，所述第二拉伸通道6a包括另一个具有同样确定的压力阈值的差动阀。

当发动机运转时，燃烧活塞上的燃烧力和通过曲轴传递的拉伸力均由通过传动构件通过控制构件传递并且通过低压室4和高压室5继续传递。在这些力的影响下，正如上文所解释的，活塞3在筒状部件2中自发移动，帮助调节控制构件的平移位置，因此调节燃烧活塞的上止点位置。根据平均燃烧力调节控制构件的止点至止点的距离和燃烧活塞的上止点。

通过控制构件的位置信息可以获得有效压缩比的信息(例如用以帮助指挥发动机构件)。为了实现该效果，图12的发动机可以设置有用于确定控制结构的位置的装置。

实施例3：安置在具有“偏心”杆的可变压缩比发动机中的独立设备。

根据该实施方案，独立设备1安置在可变压缩比发动机的偏心杆中。

由文献DE102011056298已知具有偏心杆的发动机的功能。可以通过使用两个活塞而使将杆偏心联接至活塞的装置旋转，因此在恒定冲程下允许调节杆的止点至止点的距离和燃烧活塞的上止点从而形成可变压缩比发动机。在所引用文献的方案中，活塞移动受到液压控制单元的控制。

图13的发动机与现有技术的不同之处在于，杆的偏心部分不受控制单元的控制也不受任何外部机械部件的控制(所述外部机械部件致动偏心部分的移动从而调节燃烧活塞的上止点位置)，而是结合至本发明的独立设备，从而根据施加的平均燃烧力，在恒定冲程下由其本身确保对燃烧活塞的上止点的调节。

图13显示了可变压缩比发动机的整体图解截面。两个活塞3b、3a分别在两个筒状部件2a、2b中滑动从而限定低压液压室5和高压液压室4。高压室还包括复位弹簧7，所述复位弹簧7一方面支承在活塞的主表面上而另一方面支承在室的底部，从而施加复位力。

归因于偏心部分形成的机械和动力学联系，高压室4和低压室5的截面选择成使得通过活塞3a、3b在相应筒状部件2a、2b中的移动产生的体积与通过另一个活塞3a、3b在其筒状部件中的移动产生的体积相同。保证了等同截面条件并且发动机的操作独立于流体温度局限。

连杆设置有用液压流体填充低压液压室5的装置8，和排出高压室4中形成的过大压力的装置9。

杆还设置有允许流体从高压室4流动至低压室5的压缩通道6b，所述通道包括具有额定的打开压力阈值的差动阀。正如上文所述，该差动阀的存在帮助限制弹簧7的尺寸和刚性。

所述杆还具有允许流体从低压室5流动至高压室4的第二拉伸通道6a，所述第二拉伸通道6a也设有具有打开压力阈值的差动阀。

与前述实施例相似，施加至燃烧活塞的燃烧压力和通过曲轴传递的拉伸力均施加至偏心杆并且通过低压室5和高压室4继续传递。在这些力的作用下，正如上文所解释的，活塞3a、3b在筒状部件2a、2b中自发移动，因此旋转地调节偏心连杆的角位置，并且因此调节杆的止点至止点的距离。在该实施例中，同样根据平均燃烧力调节杆的止点至止点的距离和燃烧活塞的上止点。

实施例4：安置在具有相位偏移杆的可变压缩比发动机中的独立设备。

通过文献EP2620614已知具有偏心杆的发动机的功能。在这种类型的发动机中，杆的小端通过偏心连杆结合至曲轴处联接部。齿轮系统帮助杆旋转移动通过偏心轴线，因此使燃烧活塞的上止点(下止点)转移。在上述引用文献所示的方案中，该移动受到引导电动驱动器的控制，所述引导电动驱动器旋转平行于曲轴轴线延伸的轴线并且能够致动齿轮系统。通过上述文献的图14可以特别清楚地看到该功能。

图14的发动机显示的实施例与现有技术的不同之处在于，杆的偏心部分不受引导电动驱动器的控制，而是受到本发明的独立设备1的控制，所述独立设备1本身确保根据施加的平均燃烧力在恒定冲程下调节燃烧活塞的上止点位置。

同样地，独立设备1附接至发动机缸体。活塞3结合至轴20，所述轴20通过围绕其偏心轴线旋转而使驱动杆22的齿轮系统21旋转，因此允许燃烧活塞的上止点(下止点)发生位移。施加至燃烧活塞的力通过该机构传递并且通过独立设备1继续传递。

如图15更详细显示，独立设备1包括筒状部件2，所述筒状部件2在高度较低的筒状部件本体24内的圆盘部分中具有孔并且附接至发动机缸体。活塞3由径向部分组成，所述径向部分可以在围绕筒状部件的主轴线形成的圆盘部分的孔内旋转，并且结合至比例变化机构的控制轴。因此在形成筒状部件2的圆盘部分的孔内，该活塞3在活塞3的任一侧上清楚地限定高压液压室4和低压液压室5。换言之，通过在所述筒状部件的一部分中旋转的活塞3的任一侧上形成的空间限定高压液压室4和低压液压室5。

在圆柱体本体24中的较小高度处在筒状部件2相对侧形成第二孔。如图15所示，弹簧7形式的复位装置设置在活塞3的轴向部分形成的该孔中。在图15的实施例中，活塞3中形成的校准管道6允许液压流体从一个室流动至另一个室。

与前述实施例相似，施加至燃烧活塞的燃烧压力和拉伸力均特别通过轴20施加至活塞3，并且通过低压室5和高压室4继续传递。在这些力的作用下，正如上文所解释的，活塞3在筒状部件2中自发移动，因此在每个杆的水平处旋转地调节偏心连杆的角位置，并且因此改变内燃机的上止点的高度。在该实施例中，同样根据平均燃烧力调节燃烧活塞的上止点。

Claims (18)

1.一种可变压缩比发动机，所述可变压缩比发动机包括固定的发动机缸体，在所述固定的发动机缸体中，包括有燃烧活塞、杆和曲柄的可移动构件相互作用从而允许活塞在发动机缸体的燃烧汽缸中平移，限定燃烧活塞从上止点至下止点的冲程，其中通过由汽缸中的混合物燃烧产生的力和曲轴的惯性力造成平移，所述发动机包括独立设备(1)从而调节燃烧活塞的上止点，并且所述调节设备连接至或安置在至少一个可移动构件中并且具有如下特征：

-下止点处的高压液压室(4)，从而抵抗燃烧力和惯性力；

-上止点处的低压液压室(5)，从而抵抗惯性力；

-至少一个校准管道(6)，从而允许液压流体在所述高压液压室与所述低压液压室之间流动；

-机械复位装置(7)，其用以使所述设备(1)返回至标称位置；

所述独立设备(1)的特征在于，选择所述机械复位装置(7)和所述校准通道(6)从而允许独立设备(1)形成被极大减振的振荡系统。

2.根据前述权利要求所述的可变压缩比发动机，其中所述机械复位装置(7)和校准通道(6；6a、6b)的平均特征还选择为从而能够按照预定方程根据平均拉伸力和压缩力来调节燃烧活塞的上止点。

3.根据前述权利要求任一项所述的可变压缩比发动机，其中当活塞(3)在筒状部件(2)中移动时，通过活塞(3)任一侧上形成的空间来限定高压液压室(4)和低压液压室(5)。

4.根据权利要求1或2所述的可变压缩比发动机，其中当所述活塞(3)在所述筒状部件(2)中移动时，通过活塞(3)任一侧上形成的空间限定高压液压室(4)和低压液压室(5)。

5.根据权利要求1或2所述的可变压缩比发动机，其中通过第一筒状部件(2a)和第一活塞(3a)来限定高压液压室(4)并且通过第二筒状部件(2b)和第二活塞(3b)来限定低压液压室(5)。

6.根据前述权利要求任一项所述的可变压缩比发动机，其中低压液压室(5)和/或高压液压室(4)设置有液压流体填充装置(8)。

7.根据前述权利要求任一项所述的可变压缩比发动机，其中高压液压室(4)和/或低压液压室(5)设置有用于积聚在所述室中的过量液压流体的排出装置(9)。

8.根据前述权利要求任一项所述的可变压缩比发动机，其中高压液压室(4)和低压液压室(5)具有等同截面。

9.根据前述权利要求任一项所述的可变压缩比发动机，其中所述独立调节设备(1)被构造成调节杆的长度。

10.根据权利要求1至7任一项所述的可变压缩比发动机，其中所述独立调节设备(1)被构造成调节控制结构的长度，所述控制结构控制发动机的压缩率。

11.根据权利要求1至7任一项所述的可变压缩比发动机，其中所述独立调节设备(1)被构造成调节控制结构的位置，所述控制结构控制发动机的压缩率。

12.根据前述权利要求任一项所述的可变压缩比发动机，其中所述独立调节设备(1)设置在至少一个可移动构件中。

13.根据前述权利要求任一项所述的可变压缩比发动机，其中存在用于确定压缩比的机构。

14.根据前述权利要求任一项所述的可变压缩比发动机，其中所述独立调节设备(1)包括：

-至少一个校准“拉伸”管道(6a)，所述校准“拉伸”管道(6a)只允许从低压液压室(5)流动至高压液压室(4)；

-至少一个校准“压缩”管道(6b)，所述校准“压缩”管道(6b)只允许从高压液压室(4)流动至低压液压室(5)。

15.根据前述权利要求任一项所述的可变压缩比发动机，其中只有当高压液压室(4)中的压力比低压液压室(5)中的压力高出预定量时，校准压缩通道(6b)才允许流动。

16.根据前两项权利要求任一项所述的可变压缩比发动机，其中存在至少两个校准压缩通道(6b)。

17.根据前述权利要求任一项所述的可变压缩比发动机，其中通道(6、6a、6b)被构造成允许湍流。

18.根据前述权利要求任一项所述的可变压缩比发动机，其中机械复位装置(7)包括弹簧。