CN109098844A - 可变压缩比发动机 - Google Patents

Abstract

具有压缩冲程和膨胀冲程的可变压缩比(VCR)内燃机包括限定气缸的发动机组和安装到发动机组并限定燃烧室的至少一部分的气缸盖。VCR发动机还包括布置在气缸内并配置成压缩空气和燃料的混合物并接收燃烧力的往复式活塞，其中活塞的压缩冲程限定发动机的压缩比。VCR发动机附加地包括六连杆机构，该六连杆机构配置成将活塞可操作地连接到发动机组、铰接在七个不同的平行轴线上、将压缩冲程与膨胀冲程分离，并且连续地且选择性地改变活塞的压缩冲程和发动机的压缩比。

Description

可变压缩比发动机

引言

本公开涉及一种具有可变压缩比的内燃机。

内燃机是一种热力发动机，在该热力发动机中燃料与作为发动机的组成部分的燃烧室中的氧化剂(通常为空气)一同进行燃烧。内燃机通常用于为车辆提供动力，既可以作为主动力源，也可以作为混合动力传动系统的一部分。在往复式内燃机中，由燃烧产生的在气缸顶部处的燃烧室空间中的高温和高压气体的膨胀对发动机的活塞施加直接的力。施加在活塞上的燃烧力随后通过发动机的连杆作用以转动发动机的曲轴。

压缩比是内燃机的基本设计规范之一。内燃机的压缩比是表示发动机的燃烧室的容积的最大容量与其最小容量之比的值。在往复式内燃机中，压缩比通常定义为当活塞处于其冲程的底部时气缸和燃烧室的容积与当活塞位于其冲程的顶部时燃烧室的容积之间的比率。内燃机的压缩比对目标发动机的扭矩输出及其燃料效率有很大影响。

发明内容

本公开的一个实施例针对配置为使用压缩和膨胀冲程来运行可变压缩比(VCR)内燃机。VCR发动机包括限定气缸的发动机组和安装到发动机组并限定燃烧室的至少一部分的气缸盖。VCR发动机还包括往复式活塞，其布置在气缸内部并配置成压缩空气和燃料的混合物并接收燃烧力，其中活塞的压缩冲程限定发动机的压缩比。VCR发动机还包括六连杆机构，该六连杆机构配置成将活塞可操作地连接到发动机组并且铰接在七个不同的平行轴线上。六连杆机构还配置成将压缩冲程与膨胀冲程分离，并且连续地且选择性地改变活塞的压缩冲程和发动机的压缩比。

六连杆机构可以包括主曲轴，该主曲轴配置成通过由活塞接收的燃烧力围绕第一轴线旋转。六连杆机构还可以包括在第二轴线处可枢转地连接到活塞的连杆。六连杆机构可以附加地包括多杆连杆，该多杆连杆在第三轴线处可旋转地连接到连杆并且在第四轴线处连接至主曲轴，并且控制连杆在第五轴线处可枢转地连接到多杆连杆。六连杆机构还可以包括布置在发动机组中的控制曲轴，该控制曲轴在第六轴线处连接到控制连杆并且配置成绕第七轴线旋转。控制曲轴可以进一步配置成使得控制曲轴的旋转调节活塞的冲程并由此连续地改变发动机的压缩比。

VCR发动机还可以包括调相装置，该调相装置配置成调节控制曲轴相对于发动机组和主曲轴中的每一个的位置并由此调节第五轴线相对于第七轴线的以及第三轴线相对于第一轴线的位置。

调相装置可以配置为步进马达。

发动机还可以包括扭矩传递机构，该扭矩传递机构配置成将控制曲轴可操作地连接至主曲轴，以在其间进行同步的运行。

扭矩传递机构可以为控制曲轴限定相对于主曲轴的2:1的速度比。

扭矩传递机构可以配置为齿轮系和链条中的一个。

扭矩传递机构可以配置为齿轮系并且导致主曲轴配置成沿相对于控制曲轴相反的方向旋转。

扭矩传递机构可以配置为链条。在这样的实施例中，主曲轴可以配置成沿与控制曲轴相同的方向旋转。

六连杆机构可以附加地配置为相对于压缩冲程延长膨胀冲程，使得膨胀冲程大于压缩冲程。

本公开的另一实施例涉及采用这种VCR内燃机的车辆。

当结合附图和所附权利要求，根据下面对用于执行所描述的公开内容的实施例和最佳模式的以下详细描述，本公开的以上特征和优点以及其它特征和优点将容易显而易见。

附图说明

图1是根据本公开的具有可变压缩比(VCR)发动机的车辆的示意图。

图2是图1中所示的发动机的示意性横截面图，VCR发动机具有往复式活塞和包括主曲轴和控制曲轴的六连杆机构，并且描绘被配置为调节控制曲轴的位置的调相装置，其中该六连杆机构被配置为连续地改变活塞的冲程和发动机的压缩比。

图3是图1所示的VCR发动机的示意性横截面图并且描绘了根据本公开的一个实施例的被配置为将控制曲轴可操作地连接到主曲轴的扭矩传递机构。

图4是图1中所示的VCR发动机的示意性横截面图并且描绘了根据本公开的另一个实施例的被配置为将控制曲轴可操作地连接到主曲轴的扭矩传递机构。

图5是通过用于图2所示的VCR发动机的六连杆机构所实现的活塞的位移相对于主曲轴的旋转角度的变化的图解说明。

图6是通过用于图3-4所示的VCR发动机的六连杆机构实现的活塞的位移相对于主曲轴的旋转角度的变化的图解说明。

图7是通过六连杆机构实现的根据控制轴位置的压缩比和膨胀比变化的图解说明。

具体实施方式

参考附图，其中相同的附图标记在多个附图中对应于相同或相似的组件，图1示出采用动力传动系12的车辆10，该动力传动系用于通过从动车轮14相对于路面16将其推进。车辆10可以包括但不限于商用车辆、工业车辆、乘用车、飞机、船只、火车等。还可以设想的是，为了实现本公开的目的，车辆10可以是移动的平台，诸如飞机、全地形车辆(ATV)、船只、个人移动设备、机器人等。如图1所示，动力传动系12包括传动组件18，其可操作地连接到内燃机20，其中发动机产生输出扭矩T，并且传动装置将发动机扭矩传递到从动车轮14。

如本领域所理解的那样，内燃机20可配置为点火式或压燃式。发动机20可以配置为四冲程发动机。因此，发动机20的运行可以定义单独的并且分开的进气冲程、膨胀冲程、压缩冲程和排气冲程。在这种四冲程运行期间，发动机20通常需要720度或两个完整的旋转来完成单个燃烧循环。如图2-4所示，发动机20包括发动机组22。发动机组限定气缸24，每个气缸沿着相应的气缸中心线C_L布置。气缸盖26安装到发动机组22上，例如固定在该发动机组22上。在替代方案中，气缸盖26可以与发动机组22(未示出)集成或铸造在一起。气缸盖26接收空气和燃料作为在气缸24内用于随后的燃烧的预燃烧充气。

如可以在图2-4中看到的那样，每个气缸24包括配置成在其中往复运动的相应的动力产生活塞28。附加地，燃烧室30形成在气缸盖26的底面与活塞28的顶部之间的气缸24内。因此，气缸盖26限定燃烧室30的至少一部分。活塞28的冲程S限定发动机20的压缩比CR。换句话说，发动机20的压缩比CR是当活塞28处于其冲程S的底部时气缸24和燃烧室30的体积与当该活塞位于其冲程的顶部时燃烧室30的体积之间的比率。

来自环境的空气流被引导通过进气歧管32到燃烧室30的每一个。环境空气或者在进气歧管32中或者在燃烧室30内与适当计量的量的燃料结合以形成燃料-空气混合物，从而用于随后在目标燃烧室内燃烧。而且，可采用诸如涡轮增压器或增压器(未示出)的进气压缩机装置来增加环境空气充气的压力以增强输出发动机扭矩T。尽管在图1-2中示出了直列四缸发动机，没有任何阻止将本公开应用于具有不同数量的和/或气缸的布置的发动机。

如图2-4所示，发动机20还包括一个或多个进气门36，该进气门可操作地连接到气缸盖26并且配置成控制向每个气缸24的进气的供应以与其中的燃料一起燃烧。进气凸轮轴38可用于在发动机20的运行期间调节相应的进气门36的打开和关闭。发动机20附加地包括一个或多个排气门40，该排气门可操作地连接到气缸盖26并且配置成控制从每个气缸24中去除燃烧后气体。排气凸轮轴42可用于在发动机20的运行期间调节相应的排气门40的打开和关闭。

气缸盖26还配置成例如通过排气歧管44排出来自燃烧室30的燃烧后气体。如图2-4所示，发动机20可采用火花塞46，即，每个火花塞的至少一部分可布置在相应的燃烧室30内并配置成点燃空气和燃料的混合物以引发其燃烧。具体而言，每个相应的燃烧室30可采用多个(例如两个)火花塞46。如果发动机20配置成压燃式，则由于燃料-空气混合物的燃烧可以仅通过其压缩来引发，所以气缸24可以没有这种火花塞。

发动机20还包括六连杆机构48，该六连杆机构配置成将活塞28可操作地连接到发动机组22并铰接在将在下面详细描述的七个不同的平行轴线上。六连杆机构48也可用于将发动机20的压缩冲程与其膨胀冲程分离，即，使得压缩冲程的长度不会或不必等于膨胀冲程的长度。因此，并且如下面将详细描述的那样，发动机20的每个膨胀和压缩冲程可以被单独地调节并且不会影响另一个的持续时间。六连杆机构48还配置成连续地且选择性地改变活塞28的压缩冲程和膨胀冲程，从而改变燃烧室20的容积和发动机20的压缩比CR。

如图所示，六连杆机构48可以包括可旋转地安装到发动机组22的主曲轴50。主曲轴50配置成通过活塞28接收的燃烧力围绕第一轴线X1在发动机组22内旋转并将发动机扭矩T例如输出到传动装置18。六连杆机构48还可以包括在第二轴线X2处可枢转地连接到活塞28的连杆52。六连杆机构48可以附加地包括多杆连杆54，该多杆连杆在第三轴线X3处可旋转地连接到连杆52并且在第四轴线X4处可旋转地连接到主曲轴50。具体地，多杆连杆54被示出为限定统一的双连杆构件的大致三角形结构，使得两个连杆的运动完全同步。在所示的实施例中，三角形多杆连杆54的夹角θ被配置成限定第一、第三和第五轴线X1、X3、X5之间的空间关系并且部分地限定用于活塞28的冲程S的可用的调整范围。

六连杆机构48还可以包括在第五轴线X5处可枢转地连接到多杆连杆54的控制连杆56。六连杆机构48可以进一步包括布置在发动机组22中的控制曲轴58，该控制曲轴在第六轴线X6处连接到控制连杆56并且配置成绕第七轴线X7旋转。控制连杆56和控制曲轴58的长度是影响活塞28的冲程S的可用的调整范围的附加因素。因此，控制曲轴58可以配置成使得通过旋转或重新定位而调整控制曲轴相对于发动机组22来调节活塞28的冲程S。

实际上，六连杆机构48能够实现对活塞28沿其冲程S的上死点和下死点位置中的一个或两个的调整。因此，可以使用控制曲轴58的位置的连续调整来连续地改变发动机20的压缩冲程和压缩比CR。此外，旋转或重新定位控制曲轴58也可用于控制或改变或保持活塞28的膨胀冲程。因此，六连杆机构48可以配置成相对于活塞28的压缩冲程延长膨胀冲程，使得膨胀冲程变得大于压缩冲程。与压缩冲程相比，这种相对较大的膨胀冲程旨在通过在阿特金森循环上运行发动机来提高发动机20的效率。

与膨胀比和压缩比相等的传统的奥托和柴油循环相比，在传统的阿特金森循环中，有效的压缩比相对于膨胀比被减小。随着气体膨胀到接近大气压力，更大的膨胀比允许从气体为中提取更多功。与膨胀冲程相比，缩短的压缩冲程允许燃烧气体膨胀到大气压力，由此潜在地提高了发动机的运行效率。因此，通常阿特金森循环的更高的效率可以促进其在内燃机中的使用。此外，在压缩点火式发动机中，阿特金森循环可能有助于减少氮氧化物(NOx)的排放并提高发动机效率，特别是在发动机负荷较高时。

虽然阿特金森循环中的进气和压缩比之间的差异导致在低发动机速度和负荷下的热效率增加，但是相同的差异通常会在发动机高负荷下损害功率密度。一些采用阿特金森循环的发动机专门配备了涡轮增压器以抵消对功率密度的损害。此外，具有VCR的阿特金森循环启用的发动机能够克服这种动力限制。VCR使得火花点火式发动机能够在低发动机速度和负荷期间使用升高的压缩比运行以使热效率最大化，同时可以在高发动机速度和负荷下使用降低的压缩比以实现增加的动力和可接受的燃料效率。

在图2所示的发动机20的特定的实施例中，主曲轴50和控制曲轴58的旋转可以不同步，从而允许主曲轴和控制曲轴的定位之间的运行上的变化或相位调整。如图2所示，在这样的实施例中，发动机20可以包括调相装置60，该调相装置配置成移动控制曲轴58相对于发动机组22和主曲轴50的位置，并且由此调节第五轴线X5相对于第七轴线X7的位置以及第三轴线X3相对于第一轴线X1的位置。通过调相装置60，控制曲轴58的位置的目标调节可用于在发动机20的一个完整发动机旋转或360度运行内实现四冲程运行。因此，采用如图2所示的调相装置60允许四冲程发动机20实现二冲程循环的功率密度。具体而言，调相装置60可配置成步进马达以调节控制曲轴58相对于主曲轴50的位置。调相装置60可以安装到发动机组22上、主曲轴50的一侧(如图2所示)上或主曲轴(未示出)的下方，例如发动机20的曲轴箱内。

在图3-4所示的发动机20的单独实施例中，主曲轴50和控制曲轴58的旋转可以是同步的。在这样的实施例中，发动机20可以包括扭矩传递机构62，该扭矩传递机构配置成将控制曲轴58可操作地连接到主曲轴50以在其间进行同步运行。扭矩传递机构62可以配置成齿轮系(图3所示)或链条，其与主曲轴50和控制曲轴58(图4所示)上的相应链轮啮合。在图3的实施例中，主曲轴50配置成沿相对于控制曲轴58相反的方向旋转。在图4的替代性的实施例中，主曲轴50和控制曲轴58配置成沿相同方向旋转。如图3和4中的每个所示，扭矩传递机构62限定控制曲轴58相对于主曲轴50的2:1的速度比。通过扭矩传递机构62，控制曲轴58的位置的目标调节实现了发动机20运行的超过720度的传统的四冲程发动机的功率密度。

如图1和图2所示，车辆10可以附加地包括电子控制器64。控制器64可以是电子控制模块(ECM)或动力传动系控制器，其例如配置为调节动力传动系12的、并且尤其发动机20的运行。控制器64包括存储器，其中至少一些是有形且非暂时的。存储器可以是参与提供计算机可读数据或处理指令的可记录介质。这样的介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。用于控制器64的非易失性介质可以包括例如光盘或磁盘以及其他持久性存储器。易失性介质可以包括例如动态随机存取存储器(DRAM)，其可以构成主存储器。这样的指令可以由一个或多个传输介质传输，该传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括包含耦合到计算机的处理器的系统总线的导线。

控制器64的存储器还可以包括软盘或硬盘、磁带、其他磁性介质、CD-ROM、DVD、其他光学介质等。控制器64可以配置或配备有其他所需的计算机硬件，例如内部高速时钟、必需的模拟-数字(A/D)和/或数字-模拟(D/A)电路、输入/输出电路和装置(I/O)，以及适当的信号调节和/或缓冲电路。控制器64所需或者可由其访问的算法由此可被存储在存储器中并自动地被执行以提供所需的功能。具体而言，控制器64可以被编程用于调节调相装置60以调整控制曲轴58的位置并因此调整第五轴线X5相对于第七轴线X7的位置以及第三轴线X3相对于第一轴线X1的位置。因此，控制器64可以被编程为相对于活塞28的压缩冲程主动地控制膨胀冲程。

如上所述，通常，在低发动机速度下的高发动机负荷导致燃烧室30内的升高的压力，由此增加由于不受控制的燃烧而引起爆震或自燃的可能性。因此，在较低的发动机速度下，通过经由六连杆机构48减小冲程S来增加燃烧室30的容积减小了特定的气缸24内的预燃压力，并降低了爆震的可能性。另一方面，在更高的发动机速度下，通过经由六连杆机构48增加冲程S来减小燃烧室30的容积增加了特定的气缸24的压缩比并且允许气缸生成更高的峰值气缸压力和产生增加的动力。

由于使用六连杆机构48调节冲程S，燃烧室30内的燃烧压力可以在某些发动机运行模式期间通过VCR有效地管理。如图5所示，通过如图2所示的六连杆机构的实施例，采用六连杆机构48运行的冲程S可以被控制成通过六连杆机构48实现的活塞28的位移相对于主曲轴50的旋转角度的改变。如图6所示，通过如图3-4所示的六连杆机构的实施例，采用六连杆机构48运行的冲程S可以被控制成通过六连杆机构48实现的活塞28的位移相对于主曲轴50的旋转角度的改变。在图5和6的每个中，活塞28的各种位移通过活塞冲程S的多个重叠的正弦曲线图来图示说明。

图7图示说明了在压缩冲程期间活塞28的位移的变化以及由此对压缩比CR的影响以及在发动机20的膨胀冲程期间活塞28的位移的变化。如图所示，活塞28的位移相对于主曲轴50的旋转角度66的变化可以用于生成增加的压缩比68以及阿特金森循环运行的增加的膨胀比70以用于增强发动机20在较低的发动机速度处的燃料效率。附加地，六连杆机构48可以由控制器64调节，从而在较高的发动机速度下降低压缩比CR并且由此增强发动机的动力输出。

详细描述和附图或附图是对本公开的支持和描述，但是本公开的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于执行所要求保护的公开内容的一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实践所附权利要求中限定的公开内容的各种替代设计和实施例。此外，附图中示出的实施例或本说明书中提及的各种实施例的特性不必被理解为彼此独立的实施例。相反，可能的是，在实施例的一个示例中描述的每个特征可以与来自其他实施例的一个或多个其他期望特征组合，从而导致其他实施例没有在文字中或通过参考附图描述。因此，这样的其他实施例落入所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种具有压缩冲程和膨胀冲程的可变压缩比(VCR)内燃机，所述发动机包括：

限定气缸的发动机组；

气缸盖，所述气缸盖安装到所述发动机组并限定燃烧室的至少一部分；

往复式活塞，所述往复式活塞设置在所述气缸内并且配置成压缩空气和燃料的混合物并接收燃烧力，其中所述活塞的所述压缩冲程限定所述发动机的压缩比；以及

六连杆机构，所述六连杆机构配置成将所述活塞可操作地连接到所述发动机组、铰接在七个不同的平行轴线上、将所述压缩冲程与所述膨胀冲程分离，并且连续地且选择性地改变所述活塞的所述压缩冲程和所述发动机的所述压缩比。

2.根据权利要求1所述的发动机，其中所述六连杆机构包括：

主曲轴，所述主曲轴配置成通过所述活塞接收的所述燃烧力围绕第一轴线旋转；

连杆，所述连杆在第二轴线处可枢转地连接到所述活塞；

多杆连杆，所述多杆连杆在第三轴线处可旋转地连接至所述连杆并且在第四轴线处连接至所述主曲轴；

控制连杆，所述控制连杆在第五轴线处可枢转地连接到所述多杆连杆；以及

布置在所述发动机组中的控制曲轴，所述控制曲轴在第六轴线处连接到所述控制连杆并且配置成绕第七轴线旋转，使得所述控制曲轴的旋转调节所述活塞的所述冲程并且由此连续地改变所述发动机的所述压缩比。

3.根据权利要求2所述的发动机，还包括调相装置，所述调相装置配置成调节所述控制曲轴相对于所述发动机组和所述主曲轴中的每一个的位置，并由此调节所述第五轴线相对于所述第七轴线的以及第三轴线相对于第一轴线的位置。

4.根据权利要求3所述的发动机，其中所述调相装置被配置为步进马达。

5.根据权利要求2所述的发动机，所述发动机还包括扭矩传递机构，所述扭矩传递机构配置成将所述控制曲轴可操作地连接至所述主曲轴以在其间进行同步的运行。

6.根据权利要求5所述的发动机，其中所述扭矩传递机构限定所述控制曲轴相对于所述主曲轴的2:1速度比。

7.根据权利要求5所述的发动机，其中，所述扭矩传递机构配置为齿轮系和链条中的一个。

8.根据权利要求7所述的发动机，其中，所述扭矩传递机构配置为所述齿轮系，并且所述主曲轴配置成相对于所述控制曲轴沿相反方向旋转。

9.根据权利要求7所述的发动机，其中所述扭矩传递机构配置为所述链条，并且所述主曲轴和所述控制曲轴配置成沿相同方向旋转。

10.根据权利要求1所述的发动机，其中所述六连杆机构附加地配置为相对于所述压缩冲程延长所述膨胀冲程，使得所述膨胀冲程大于所述压缩冲程。