CN1085782C - 内燃机 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机包括一个或几个活塞(4)，每个活塞安装成在相关气缸(2)内作往复运动，并且绕枢轴转动地连接到一个连杆(6)上，连杆(6)连接到曲柄轴(7)的相关曲柄(10)上。连杆(6)绕枢轴转动地连接到一个细长连接件(14)的一端(11)，该连接件(14)在其两端的中间点绕枢轴转动地连接到相应的曲柄(10)上，而其另一端构成了一个杆(18)，杆(18)受到一个配件(20，26)的约束，使得它可以绕着平行于曲柄轴(7)轴线(8)的枢轴轴线(21)作转动。配件包括一个与第二活动配件(26)连接的第一活动配件(20)，它相对于第二活动配件(26)绕枢轴轴线(21)作转动。第一活动配件(20)与杆(18)连接，其连接仅容许沿着杆(18)的方向作相对滑动。一个致动装置(30，32)与配件连接，并设置成有选择地使配件沿着垂直于曲柄轴(7)轴线(8)的第一方向和沿着横切第一方向的第二方向运动。

Description

内燃机
本发明涉及了往复活塞式内燃机，并且与以下这种内燃机有关：它包括一个或几个活塞，每个活塞安装成在相关气缸内作往复运动，并且绕枢轴转动地连接到一个连杆上，连杆连接到曲柄轴的相关曲柄上，连杆绕枢轴转动地连接到一个细长连接件的一端，该连接件在其两端的中间点绕枢轴转动地连接到相应的曲柄上，而其另一端构成了一个杆，杆受到一个配件的约束，使得它可以绕着平行于曲柄轴轴线的枢轴轴线作转动。本发明也还特别(虽然不是唯一的)与EP-A-0591153中公布的一般内燃机形式有关。
该先前文件公布了一种内燃机，其中，至少在循环的一部分中，使得一个或每个活塞以这样的速率运动：该速率使得位移与时间关系的图形与正弦形状不同，而在常规内燃机中本来就产生正弦形状，其中由相关的连杆把每个活塞连接到曲柄轴的相关曲柄上。在这种常规内燃机中，设法使燃料/空气混合物的燃烧与活塞的运动相配合，但先前文件中构造的基本原理是：容许燃烧在最佳状态下进行，使得活塞按照这样的状态来运动：它“跟随”着燃烧，并且与燃烧过程的性质和进展有关。
更具体地说，先前文件公布了一种内燃机，其中，在发生燃料/空气混合物点火的循环中的点上或其附近使活塞减速，因而运动得比常规内燃机情形更慢，然后在达到顶部死点(TDC)位置之前再加速。这是基于这样的共识：在常规内燃机中，在发生点火的点上，活塞基本上以其最大速度进行运动，并且在基本上最大速率下压缩比改变，因此阻碍了通过燃料/空气混合物的焰锋传播速率，从而有害于燃烧过程的性质和完全。但是，在燃烧点附近减慢活塞意味着：在焰锋传播开始的时刻，燃料/空气混合物中压力增加速率比常规小得多，由此造成通过燃料/空气混合物的焰锋传播比常规要快得多。
先前文件还公布了：在TDC之后0°到40°之间的某个值上，使活塞达到其最大加速度和最大速度，而不是常规内燃机中在TDC之后的90°，此后，在达到底部死点(BDC)位置之前，在其工作行程的后面部分中，比常规内燃机运动得更慢。这造成了排气温度的降低，因而减少了NOx的辐射和减少了排气口和阀门的腐蚀。
对于按照EP-A-0591153制造的内燃机已经进行了广泛的试验，这些试验表明：与常规内燃机相比，该内燃机确实显著地提高了效率，并且也大大减少了未燃烧的碳氢化合物CO和NOx的辐射。实际上，这些试验已表明：在按照先前文件的内燃机中，燃烧过程是在与常规内燃机基本不同的状态下进行，例如从以下事实可以得到证明：在燃烧期间气缸内的压力升高速率当输出轴每转一度时约为6.5巴，相比之下在常规内燃机中约为2.5巴，以及在TDC之后输出轴转动约22°之内完成燃烧，而相比之下在常规内燃机中需要60°左右。
但是，在先前文件中公布的内燃机引入了与活塞和非常规曲柄轴配合的仿形凸轮，尽管这种凸轮在功能和技术上完全满足，但最好要为内燃机引入一个大致为常规形式的曲柄轴，因为对于曲柄轴已经有了大量的生产设施，并且与凸轮式内燃机相比，制造曲柄轴式内燃机更加熟悉和经过了充分的试验证明。
因此，本发明的目的是提出一种往复活塞式的内燃机，其中，一个或某个活塞的时间/位移图形与常规曲柄轴式内燃机的正弦形状不同，例如为相似于EP-A-0591153中公布的情形，并且在内燃机工作时它也可以改变，但内燃机包括了一个大致为常规形式的曲柄轴。
与本发明有关的一种特定形式内燃机公布在US-A-2506088中。在该先前文件公布的内燃机中，细长连接件的另一端，即离活塞最远的一端，绕枢轴转动地连接到一个短臂的一端，短臂的另一端安装在绕着它转动的固定枢轴上。当活塞往复运动和相应曲柄绕着曲柄轴轴线转动时，连接件的另一端为短臂所约束，以与曲柄轴相同的速度随着短臂绕固定枢轴转动。
在该内燃机中活塞的运动模式与真正的正弦形状不同，但而是按照预先确定和不可改变的方式。然而，为了优化空气/燃料混合物的燃烧，以达到效率最大和辐射最小的目的，希望提供一种装置可根据速度、负载或其它参数来改变活塞的运动模式。
因此本发明的另一个目的是提供一种内燃机，最好是按照EP-A-0591153的说明原则来工作的一种内燃机，其中内燃机运动模式可根据内燃机工作参数作改变，最好是自动作改变。
按照本发明，属于上述形式的内燃机的特征在于：配件包括一个与第二活动配件连接的第一活动配件，它相对于第二活动配件绕枢轴轴线作转动，第一活动配件与杆连接，其连接仅容许沿着杆的方向作相对滑动，以及一个致动装置与配件连接，并设置成有选择地使配件沿着垂直于曲柄轴轴线的第一方向和沿着横切第一方向的第二方向运动。
因此在本发明的内燃机中，连杆不是直接绕枢轴转动地连接在相关的曲柄上，而是通过连接件的一端作间接连接，连接件同时绕枢轴转动地连接到曲柄和连杆上。
连接件的另一端被安装成可绕着平行于另外两条轴线的第三枢轴轴线作转动，并且可平行于其长度方向作直线运动。因此活塞的运动与正弦形状不同，并且依靠改变连接件的三条枢轴轴线的间隔和相对位置，可随意变化活塞的运动，这三条轴线一般不在一个平面内。但最好是，把三条枢轴轴线定位成使得活塞运动与EP-A-0591153中公布的内燃机活塞运动非常相似，尤其是使得活塞在燃烧点附近的运动比常规内燃机慢得多。
本发明可同时用于火花点燃式和狄塞尔式的两冲程和四冲程内燃机。可以理解到，致动装置容许第三枢轴轴线(也就是杆相对于配件作转动的轴线)随意运动，从而改变了活塞的运动。这可以希望使得内燃机在不同速度和/或负载上最佳地运行，实际上可用于改变一个或每个气缸的活塞排量和内燃机的压缩比，以下将作更详细的讨论。在内燃机为四冲程式的情形，这可以希望在压缩和排气冲程之间，甚至也可能在进气和工作冲程之间，活塞的运动不一样。这可以在许多情形下达到，例如使配件与相应活塞同步地作直线往复运动。致动装置不仅可用于改变活塞运动与正弦不同的状态，而且也可用于，至少可部分地用于产生变动，由此可在活塞冲程期间起动致动器，例如在燃烧点或其附近，产生该点上所希望的活塞减速。还有，最好是把细长连接件和配件的尺寸和位置作成这样：当内燃机工作时，连杆相对于细长连接件转动的枢轴轴线描绘出大致为卵形或椭圆形路线，椭圆的主轴大致平行于气缸轴线作延伸。
配件可以运动的第一方向最好是基本上平行于气缸的轴线，第二方向最好是基本上垂直于气缸的轴线。
最好是，致动装置包括第一致动器和第二致动器，第一致动器与配件连接并被设置成沿着两个方向之一运动，第二致动器与第一致动器连接并被设置成使第一致动器和配件沿着两个方向中的另一个方向运动。两个致动器可以是各种不同的已知致动器类型，但最好它们是液压式。
致动器最好是在控制装置的控制下，控制装置被设置成可有选择地控制致动器。控制装置通常是内燃机控制系统，目前已设在装在最现代的自动内燃机中。
由两个致动器使配件沿着垂直于曲柄轴轴线的任何所希望方向上运动的能力使得活塞运动模式可以被随意改变，尤其是可以根据内燃机的工作参数来改变，从而在所有时间上优化了内燃机的性能。已经表明，沿着第一方向，也就是沿着基本上平行于气缸轴线的方向，配件运动主要造成活塞顶部死点位置的运动，从而造成内燃机压缩比的改变。这种运动也造成活塞冲程和活塞排量的改变，虽然这种改变的程度较小。已经表明，沿着第二方向，也就是沿着基本上垂直于气缸轴线的方向，配件运动主要造成活塞底部死点位置的运动，从而主要造成了冲程的改变，因此造成了活塞排量的改变。所以本发明开辟了这样的可能性：在各部件设定的几何尺寸限制范围内，可随意改变内燃机的压缩比和活塞排量，来使内燃机与瞬时工作参数相匹配。
最好是，内燃机包括一个第一传感器，它被设置成产生一个指示内燃机爆击已开始或将开始的信号，控制装置被设置成控制着致动器，使配件沿第一方向运动来减小压缩比，由此使爆击停止。这种爆击传感器已为人熟知，包括位于气缸体内和气缸体上的噪声或振动传感器，在发生爆击时使得内燃机的压缩比临时减小，从而达到最大的效率。
内燃机最好还包括一个第二传感器，它被设置成产生一个指示内燃机负载的信号，控制装置被设置成使配件沿第一方向运动，随着负载的改变来改变内燃机的压缩比，例如当负载增加时降低压缩比。这种负载传感器本身也为人熟知，它可以暴露在内燃机入口管道内的压力(当内燃机负载增加时该压力上升)下，或者机械连接到内燃机的节流阀上。
配件沿第一方向的运动可引起内燃机压缩比的改变，也会引起活塞排量和活塞冲程的轻微改变。这将改变点火的定时，这是不希望有的，并且活塞排量的改变也可能是不容许的，例如在空转内燃机情形。如果把控制装置设置成使配件沿第二方向运动，由此改变了活塞的底部死点位置，补偿了配件沿第一方向运动引起的改变，则上述两个改变均可得到补偿。
内燃机的最佳压缩比随着其所承受的负载而变化，当负载降低时该最佳压缩比增加。所以可借助本发明来保证压缩比永远处于最佳值，而不发生内燃机的爆击。因此，如果内燃机在低的速度和负载下工作并且负载突然增加，则存在发生爆击或提前点火的瞬时倾向。使配件沿第一方向运动来临时减小压缩比，以及供选择方式是也使配件沿第二方向运动来对此作出补偿，就可以抵消上述倾向。当内燃机速度增加时，希望控制装置按程序控制压缩比也逐步增加，达到正好低于会发生爆击值的最佳值。
作为替代方式，控制装置可被设置成保证如果内燃机上的负载突然增加，使配件沿第二方向运动来造成活塞排量的明显增加。因此如果需要内燃机突然增加功率，则可以增加内燃机的工作容量，例如10％，由此造成输出功率瞬时上的明显增加。所以本发明可相似于涡轮增压器或增压器，用于产生功率增加效应，并且可以用于替代昂贵的常规增压器，或者简单地使一种工作容量的内燃机改变成不同工作容量的内燃机。
尽管在连接件绕枢轴转动连接的曲柄的相对两侧，连接件的两个部分可以在一条直线上，但如果它们实际上相互有某些倾斜，例如在5°到45°之间，则已经表明是更可取。
在气缸中火焰传播速度和燃烧效率的增加会造成非常大的内燃机效率增加，也就是单位质量燃料的功率输出的增加。由于当活塞位于顶部死点位置(TDC)时连杆本来就与气缸轴线倾斜，还可进一步增加效率。在TDC或其附近产生了气缸内最大的压力，但在常规的内燃机中，在TDC时连杆和曲柄确定了一条平行于气缸轴线的直线，这意味着在该位置上没有扭矩传到曲柄轴上，气缸内的高压被“浪费”，而仅造成附加热量的产生。但是，在本发明的内燃机中，在TDC时连杆与气缸轴线倾斜，这意味着在TDC时把扭矩传到了曲柄轴上，由此把在TDC时占优势的高压转换成有用的输出而不被浪费。
从以下一个具体实施例的描述，本发明的其它特性和细节将很明显，该实施例以举例方式给出，并参照了高度示意的附图，该附图是多气缸四冲程内燃机一部分的部分截面的零碎视图，仅表示了一个气缸和相应的活塞和活塞连接机构。
在该实施例中，内燃机有四个气缸，虽然它可以比四个多或少，或甚至只有单个气缸，但图中仅表示了一个气缸2。在气缸内可往复运动地安装了一个活塞4。按常规方式把活塞绕枢轴轴线5转动连接到连杆6上。在这个或每个气缸2之下延伸的是一个曲柄轴7，它在图1中仅示意地表示，并且安装成可绕轴线8转动。曲柄轴对每个活塞带着一个相关的曲柄或曲拐10。但是，连杆6不是直接与相应的曲柄10连接，而是绕着枢轴轴线12与相关细长连接件14的一端11转动连接。连接件还在其两端的中间点上，绕着枢轴轴线16与相应的曲柄10转动连接，它们之间插入一个适当的轴承15。连接件14的另一端18成为一根空心杆形式，沿纵向滑动地容纳在配件中。
配件包括第一活动配件20，它作成球形或柱形并提供一个孔，杆18通过这个孔并滑动地卡在其中。由于活动配件20圆截面的外表面被配件26提供的对着的相补表面所配合，把活动配件20卡在第二活动配件20内的孔或凹口中。因此配件20可绕着其中心轴线21相对于配件26作转动，但不可相对于它作直线运动。由此杆18只可相对于配件26作转动和平行于其长度方向作直线运动。
配件20、26连接到两个液压致动器30、32上，它们被设置成沿着两个方向作直线运动，这两个方向相互垂直并且均垂直于曲柄轴的轴线8。第一致动器30带着配件，并被设置成使配件基本上平行于气缸轴线作运动，而第二致动器32再带着第一致动器，第二致动器被设置成可沿着基本上垂直于曲柄轴7和气缸2的轴线方向，使第一致动器运动，因而也使配件运动。第二致动器32刚性地装在内燃机的某个固定部件31上，因而是不动的。
与第二配件26刚性连接的是活塞34，它容纳在第一致动器的气缸36内。还与第二配件26连接的是细长的导向件38，它以活塞方式滑动地容纳在第一致动器的开口空腔40中，保证配件相对于第一致动器作平稳和直线的运动。相似地，与第一致动器30刚性连接的是活塞42，它容纳在第二致动器32的气缸44内。还与第二致动器连接的是细长的导向件46，它以活塞方式滑动地容纳在第二致动器的开口空腔48中，保证第一致动器相对于第二致动器作平稳和直线的运动。
在使用时，在电磁阀之类的控制下，在活塞34、42的一侧或另一侧，有选择地从压力液体源把压力液体导入气缸36和44，以产生所希望的配件运动，电磁阀之类再受到电子控制器的控制、电子控制器通常是装载内燃机的车上的内燃机控制系统。
在使用时，配件20、26以及枢轴轴线21可保持不动，当曲柄轴7转动和活塞4在气缸2内往复运动时，曲柄10的轴线16描绘出一个圆形路线29，杆18在第一配件20中滑进滑出，第一配件20绕着其轴线21前后摇摆。配件20约束了杆18垂直于其长度方向的直线运动。由于系统的运动学，限制枢轴直线12沿着某个不规则路线50运动，如图所示，它呈现一个有些变形的卵形或基本椭圆形。在曲柄轴一转中占有的四个特定位置分别表示为12，12′，12″，12，相应的轴线5的位置分别表示为5，5′，5″，52。机构造成的活塞位置/时间图形与常规的正弦形状不同，但其变化的精确状态与轴线12，16和21的相对位置有关。预先确定这些位置来产生所需的活塞运动模式，例如，一个近似于EP-A-0591153中公布的内燃机的活塞运动模式。
改变配件20、26的位置，因而改变枢轴轴线21的位置，可以改变活塞运动的模式。有选择地起动致动器30和/或致动器32来使轴线21移到任何所希望的位置，就可做到这点。可以在每个循环中一个或几个活塞冲程终了时造成轴线21位置的运动，以便例如在压缩和排气冲程中产生不同的运动模式。作为替代方式是，可以造成轴线21位置的运动来使燃烧最佳地适应不同的速度和/或负载条件。作为另一个替代方式，可在一个或几个活塞冲程期间使轴线21运动，来产生一个所希望的偏离正弦形状的活塞运动模式。在任何情形中，在目前大多数现代自动内燃机中已设有的内燃机控制系统的控制下，可以非常迅速地造成配件的运动。
可以按照一个决定，例如按照增加内燃机活塞排量的决定，根据使用者手动操纵控制装置来造成由控制装置产生的配件运动。但是，控制装置最好是根据一个或几个传感器来自动起动，这些传感器被设置成产生指示内燃机工作参数的信号。因此在该优选实施例中，内燃机包括一个相邻于气缸的爆击传感器，它按已知的方式工作，来指示何时爆击或提前点火已经开始或将要开始。当传感器产生这种信号时，控制装置被设置成起动致动器30，使配件沿着减小内燃机压缩比的方向运动，从而防止了爆击的发生。内燃机还包括一个负载传感器，例如响应入口管道压力或节流阀位置的传感器，它被设置成可起动致动器30，当负载增加时降低压缩比。如上所述，内燃机的压缩比随着活塞顶部死点位置的改变而变化，并且起动致动器32使配件沿着垂直于气缸轴线的方向运动，来移到活塞的底部死点位置，由此可补偿点火定时和/或活塞排量的变化。
特定实施例的内燃机包括四个气缸，尽管每个气缸可与其自己的第一和第二活动配件和致动器连接，但没有这个必要。因此在该实施例中，只有一个对所有气缸公用的第二配件26。也最好只有一个作成细长柱形的第一配件20，在它上面形成四个孔，用于容纳四个杆18。

Claims (9)

1.一种内燃机，它包括一个或几个活塞(4)，每个活塞安装成在相关气缸(2)内作往复运动，并且绕枢轴转动地连接到一个连杆(6)上，连杆(6)连接到曲柄轴(7)的相关曲柄(10)上，连杆(6)绕枢轴转动地连接到一个细长连接件(14)的一端(11)，该连接件(14)在其两端的中间点绕枢轴转动地连接到相应的曲柄(10)上，而其另一端构成了一个杆(18)，杆(18)受到一个配件(20，26)的约束，使得它可以绕着平行于曲柄轴(7)轴线(8)的枢轴轴线(21)作转动，内燃机的特征在于：配件包括一个与第二活动配件(26)连接的第一活动配件(20)，它相对于第二活动配件(26)绕枢轴轴线(21)作转动，第一活动配件(20)与杆(18)连接，其连接仅容许沿着杆(18)的方向作相对滑动，一个第一致动器(30)与配件(20，26)连接，并被设置成有选择地使配件(20，26)沿着垂直于曲柄轴(7)轴线(8)的第一方向运动，以及一个第二致动器(32)与第一致动器(30)连接，并被设置成使第一致动器(30)和配件(20，26)沿着横切第一方向的第二方向运动。
2.按照权利要求1的一种内燃机，其中，第一方向平行于气缸(2)的轴线，第二方向垂直于气缸(2)的轴线。
3.按照权利要求1或2的一种内燃机，其中，致动器(30，32)是液压式。
4.按照权利要求1的一种内燃机，包括一个控制器，它被设置成可有选择地控制第一和第二致动器(30，32)。
5.按照权利要求4的一种内燃机，包括一个第一传感器，它被设置成产生一个指示内燃机的爆击正在开始的信号，控制装置被设置成操作着致动器(30，32)，使配件(20，26)沿第一方向运动来降低内燃机的压缩比，由此使爆击停止。
6.按照权利要求4的一种内燃机，包括一个第二传感器，它被设置成产生一个指示内燃机负载的信号，控制装置被设置成使配件(20，26)沿第一方向运动，随着负载的变化来改变内燃机的压缩比。
7.按照权利要求5的一种内燃机，其中，控制装置被设置成使配件(20，26)沿第二方向运动，来补偿由配件沿第一方向运动引起的冲程改变。
8.按照权利要求4的一种内燃机包括一个第二传感器，它被设置成产生一个指示内燃机负载的信号，控制装置被设置成使配件(20，26)沿第二方向运动，当负载增加时使活塞排量增加。
9.按照权利要求1的一种内燃机，其中，当活塞处于顶部死点位置时，连杆与气缸轴线倾斜。
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