CN111520237B - 可变压缩比发动机 - Google Patents

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Abstract

一种内燃发动机，包括限定气缸孔的发动机缸体和可滑动地支撑在气缸孔内的活塞。活塞在整个发动机循环中在气缸孔内往复滑动。曲轴由发动机缸体可旋转地支撑并且可绕曲轴轴线旋转。控制轴由发动机缸体可旋转地支撑并且可绕平行于并远离曲轴轴线的控制轴线旋转。连杆可旋转地连接到曲轴，并且可相对于曲轴绕平行于并远离曲轴轴线的轴线旋转。下连接杆具有可旋转地连接到连杆的第一端，以及可旋转地连接到控制轴的第二端，上连接杆具有可旋转地连接到连杆的第一端和可旋转地连接到活塞的第二端。定相装置由发动机缸体支撑在曲轴和控制轴之间并将曲轴和控制轴互连，且适于选择性地改变控制轴相对于曲轴的转速并改变余隙容积。

Description

可变压缩比发动机
技术领域
本公开涉及一种内燃发动机，其具有利用阿特金森循环的优点运行的能力，并且还具有改变发动机的压缩比的能力。
背景技术
以阿特金森循环运行的内燃发动机是众所周知的。在高负载和高发动机速度以及低负载和低发动机速度条件期间，以阿特金森循环运行的发动机的压缩冲程长度小于膨胀冲程长度。这点可带来燃油经济性的益处。
除了以阿特金森循环运行之外，另外的益处是其能够改变内燃发动机的压缩比。尽管具有这种能力，但相应的技术会增加车辆的成本和重量，并增加对发动机的包装要求。
因此，虽然当前技术达到了其预期目的，但仍需要一种具有以阿特金森循环运行的益处，并且可以选择性地改变发动机的压缩比的新型且改进的内燃发动机。
发明内容
根据本公开的若干方面，一种内燃发动机，包括：发动机缸体，限定汽缸孔；活塞，可滑动地支撑在汽缸孔内；曲轴，由发动机缸体可旋转地支撑并且可绕曲轴轴线旋转；控制轴，由发动机缸体可旋转地支撑并且可绕控制轴线旋转，其中控制轴线平行于并远离曲轴轴线；连杆，可旋转地连接到曲轴并且可相对于曲轴绕平行于并远离曲轴轴线的轴线旋转；下连接杆，具有可旋转地连接到连杆的第一端以及可旋转地连接到控制轴并且可相对控制轴围绕平行于并远离控制轴线的轴线旋转的第二端；上连接杆，具有可旋转地连接到连杆的第一端以及可旋转地连接到活塞的第二端；以及定相装置(phasing device)，由发动机缸体支撑在曲轴和控制轴之间并将曲轴和控制轴互连，并且相对于曲轴转速以一定转速旋转控制轴，并且能选择性地改变控制轴转速与曲轴转速之比。
根据本公开的若干方面，一种内燃发动机，包括限定汽缸孔的发动机缸体、可滑动地支撑在汽缸孔内的活塞，其中，在整个发动机循环中，活塞在汽缸孔内往复滑动，发动机循环包括具有压缩冲程长度的活塞压缩冲程和具有膨胀冲程长度的活塞膨胀冲程。曲轴由发动机缸体可旋转地支撑并且可绕曲轴轴线旋转，并且控制轴由发动机缸体可旋转地支撑并且可绕控制轴线旋转。控制轴线平行并且远离曲轴轴线。连杆可旋转地连接到曲轴，并且可相对于曲轴绕平行于并远离曲轴轴线的轴线旋转。下连接杆具有可旋转地连接到连杆的第一端和可旋转地连接到控制轴的第二端。下连接杆可相对于控制轴绕平行于并远离控制轴线的轴线旋转。上连接杆具有可旋转地连接到连杆的第一端和可旋转地连接到活塞的第二端。定相装置由发动机缸体支撑在曲轴和控制轴之间并将曲轴和控制轴互连，并且可选择性地改变控制轴相对于曲轴的转速，从而改变活塞压缩冲程的压缩冲程长度。
本公开的另一方面，内燃发动机还包括同轴地安装在曲轴上的驱动齿轮和同轴地安装在控制轴上的从动齿轮，并且定相装置包括可绕相位轴线旋转的惰轮轴、同轴地安装在惰轮轴上的变速箱、支撑在变速箱上且与惰轮轴同轴的曲轴齿轮，以及同轴地安装在惰轮轴上且远离曲轴齿轮的控制轴齿轮，其中驱动齿轮与曲轴齿轮啮合并将曲轴的旋转传递至惰轮轴，从动齿轮与控制轴齿轮啮合并将惰轮轴的旋转传递至控制轴。
本公开的另一方面，定相装置包括电动机，该电动机连接至惰轮轴并适于旋转惰轮轴。
本公开的另一方面，变速箱适于当电动机旋转惰轮轴时，允许惰轮轴的转速相对于曲轴齿轮的转速发生改变。
本发明的另一方面，电动机适于引起惰轮轴沿第一方向旋转，其中惰轮轴的转速相对于曲轴齿轮的转速增加，或沿第二方向旋转，其中惰轮轴的转速相对于曲轴齿轮的转速减小。
本公开的另一方面，除非电动机使惰轮轴旋转，否则曲轴齿轮、变速箱、惰轮轴和控制轴齿轮一体地旋转。
本公开的另一方面，驱动齿轮与曲轴齿轮之间的传动比为2：1，并且控制轴齿轮与从动齿轮之间的传动比为1：1，其中，当没有来自电动机的输入时，控制轴以曲轴转速的一半旋转。
本公开的另一方面，驱动齿轮与曲轴齿轮之间的传动比为2：1，控制轴齿轮与从动齿轮之间的传动比为1：1，并且变速箱的传动比为1：1，并且其中，在没有来自电动机的输入的情况下，控制轴以曲轴转速的一半旋转。
本公开的另一方面，驱动齿轮与曲轴齿轮之间的传动比为1：1，控制轴齿轮与从动齿轮之间的传动比为1：1，并且变速箱的传动比为2：1，并且其中，在没有来自电动机的输入的情况下，控制轴以曲轴转速的一半旋转。
根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。应当理解，描述和特定示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文所述的附图仅用于说明目的，无意以任何方式限制本公开的范围。
图1是根据示例性实施例的内燃发动机的透视图，示出了发动机缸体局部剖开；
图2是沿2-2线从图1截取的剖视图；
图3是根据示例性实施例的用于内燃发动机的定相装置；以及
图4是根据示例性实施例的内燃发动机的发动机循环的图形表示。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并且无意于限制本公开、应用或用途。
参照图1和图2，根据本公开的示例性实施例的内燃发动机总体上以10示出。内燃发动机10包括发动机缸体12。发动机缸体12限定形成在其上的至少一个气缸孔14。活塞16可滑动地支撑在汽缸孔14内。虽然图1示出了内燃发动机10具有四个汽缸孔14和四个活塞16，但是应当理解，发动机缸体12可以构造成包括成不同倍数的汽缸孔14。例如，发动机缸体12可以构造成具有2、4、6、8或10个气缸孔14的V型发动机，或者构造成具有一个或多个气缸孔14的直列式发动机。应当理解，发动机缸体12可以以不同于上述示例性V型或直列式发动机的方式构造，并且可以包括除了本文所述的示例性数量之外的任何数量的气缸孔14。在整个发动机循环18中，活塞16在气缸孔14内往复地滑动，发动机循环18包括具有压缩冲程长度22的活塞压缩冲程20和具有膨胀冲程长度26的活塞膨胀冲程24。
曲轴28由发动机缸体12可旋转地支撑，并且绕曲轴轴线30旋转。曲轴28包括同轴地安装在其上的驱动齿轮32。控制轴34由发动机缸体12可旋转地支撑，并且绕平行于并远离曲轴轴线30的控制轴轴线36旋转。控制轴34包括同轴地安装在其上的从动齿轮38。连杆40可旋转地支撑在曲轴28上，并且可相对于曲轴28绕平行于并远离曲轴轴线30的连杆轴线42旋转。下连接杆44具有可旋转地连接到连杆40的第一端46，以及可旋转地连接到控制轴34的第二端48。下连接杆44可相对于控制轴34绕平行于并远离控制轴轴线36的下连接杆轴线50旋转。上连接杆52具有可旋转地连接到连杆40的第一端54和可旋转地连接到活塞16的第二端56。
定相装置58由发动机缸体12支撑在曲轴28和控制轴34之间并且将曲轴28和控制轴34互连。定相装置58适于选择性地改变控制轴34相对于曲轴28的转速并改变在活塞16上方的气缸孔14内的余隙容积。
参照图3，定相装置58包括惰轮轴60，惰轮轴60可绕惰轮轴线62旋转，惰轮轴线62平行于曲轴轴线30和控制轴轴线36并与曲轴轴线30和控制轴轴线36间隔开。电动机64连接到惰轮轴60，并且有选择地使惰轮轴60绕惰轮轴线62旋转。变速箱66同轴地安装在惰轮轴60上。曲轴齿轮68支撑在变速箱66上，与惰轮轴60同轴。控制轴齿轮70同轴地安装在惰轮轴60上，远离曲轴齿轮68。
驱动齿轮32固定地安装在曲轴28上，并与曲轴28一起旋转。驱动齿轮32与曲轴齿轮68啮合，并将曲轴28的旋转传递到惰轮轴60。从动齿轮38固定地安装在控制轴34上，控制轴齿轮70固定地安装在惰轮轴60上。当曲轴28旋转时，旋转运动从曲轴28通过驱动齿轮32、曲轴齿轮68和变速箱66传递，以旋转惰轮轴60。当惰轮轴60旋转时，旋转运动从惰轮轴60通过控制轴齿轮70和从动齿轮38传递，以旋转控制轴34。如此，控制轴34相对于曲轴28旋转。
变速箱66适于当电动机64作用在惰轮轴60上时，允许惰轮轴60的转速相对于曲轴齿轮68的转速发生改变。应该理解，变速箱66可以是适于将曲轴齿轮68和惰轮轴60互连的任何高传动比装置。例如，变速箱可以是谐波传动装置、行星齿轮组或滚轮减速器。这些示例本质上是示例性的，并且无意于限制本公开的范围。
电动机64可引起惰轮轴60沿第一(或者说顺时针)方向或第二(或者说逆时针)方向旋转。由于来自曲轴齿轮68的输入，惰轮轴60以给定的转速旋转。如果电动机64使惰轮轴60沿与惰轮轴60已经旋转的方向相同的方向旋转，则来自电动机64的附加旋转输入将使惰轮齿轮60加速。可替代地，如果电动机64使惰轮轴60沿相反方向旋转，则电动机64的力将抵抗惰轮轴60的旋转，并导致惰轮轴60减速。因此，电动机64可选择性地使惰轮轴60的转速并且因此使控制轴34的转速相对于曲轴28的转速加速或减速。
连杆40可旋转地支撑在曲轴28上，并且可相对于曲轴28绕连杆轴线42旋转。连杆40和曲轴28之间的偏心连接使连杆40随着曲轴28的旋转而移动。下连接杆44的第一端46可旋转地连接到连杆40，第二端48可旋转地连接到控制轴34。下连接杆44可相对于控制轴34绕下连接杆轴线42旋转。由于下连接杆48的第二端48和控制轴34的偏心连接，控制轴34围绕控制轴轴线36的旋转导致下连接杆44作用在连杆40上，并影响连杆40的模式或路径。
由于曲轴28的旋转以及控制轴34的旋转输入，连杆40产生的运动控制活塞16在气缸孔14内的往复运动。参考图4，示出了内燃发动机10的发动机循环18。活塞16的位置总体上沿垂直轴线72示出，循环阶段或持续时间总体上沿水平轴线74示出。上止点位置76是活塞16在排气冲程78结束和进气冲程80开始的位置。图4是活塞16的完整循环的图示。活塞16在排气冲程78结束和进气冲程80开始的上止点位置76出现在发动机循环18的最左端和最右端。
在发动机循环18的最左侧，从活塞16的上止点位置76开始，活塞16在气缸孔14内向下移动并开始进气冲程80。在进气冲程期间，气缸盖中的进气门打开以允许燃料和燃烧空气进入气缸孔14。进气冲程80在点82处结束。在进气冲程80期间，活塞16在上止点位置76和进气冲程82结束之间行进的距离是进气冲程长度84。在进气冲程82结束时，进气门关闭，活塞16改变方向，并开始在气缸孔14内向上移动，开始活塞压缩冲程20。活塞压缩冲程20在点86处结束。活塞16在压缩冲程20期间行进的距离为压缩冲程长度22。
在活塞压缩冲程20结束时，燃料空气混合物被点燃，活塞16开始向下移动并开始活塞膨胀冲程24。在活塞膨胀冲程24期间，点燃的燃料空气混合物迅速膨胀并迫使燃料活塞16在气缸孔14内向下移动。活塞膨胀冲程24在点88处结束。膨胀冲程长度26是在活塞膨胀冲程24期间活塞16在气缸孔14内行进的距离。在接近活塞膨胀冲程24结束88时，气缸盖上的排气阀打开，活塞16开始在气缸孔14中向上移动，以迫使燃烧后的气体通过排气阀排出。这使得排气冲程78开始。排气冲程在活塞16的上止点位置76处结束，如发动机循环18的最右端所示。在排气冲程78期间，活塞16在气缸孔14内行进的距离为排气冲程长度90。
在稳态条件下，控制轴34的转速相对于曲轴28的转速是恒定的，并且下连接杆44的第二端48的位置相对于发动机循环18中的任何给定点总是处于相同的位置。定相装置58的电动机64可用于相对于曲轴28的转速暂时加快或减慢控制轴34的转速。此后，当电动机64关闭时，控制轴34的转速相对于曲轴28的转速再次保持恒定。然而，在相对于曲轴转速暂时改变控制轴的转速之后，下连接杆44的第二端48的位置被旋转地移位或“定相”。这意味着，连接杆44的第二端48在定相之后在发动机循环18期间的任何给定点处相对于曲轴28的位置绕控制轴轴线36的旋转位置不同于连接杆44的第二端48在定相之前在发动机循环18期间的同一点处相对于曲轴28的位置绕控制轴轴线36的旋转位置。
压缩冲程长度22小于膨胀冲程长度26。通过改变下连接杆44的位置，连杆40的运动或所遵循的路径改变，从而改变了压缩冲程长度22，但更重要的是，改变了活塞16上方的气缸孔14内的余隙容积。通过改变活塞16的压缩冲程长度22，改变了内燃发动机的压缩比。通过改变余隙容积，减小了内燃发动机10在压缩冲程20期间的压缩比。余隙容积的小变化导致压缩比发生大变化。因此，通过控制下连接杆44的位置，可以控制内燃发动机10的压缩比在某些发动机运行状态下的高压缩比和其他发动机运行状态下的低压缩比之间改变。本文描述的内燃发动机10可提供可变压缩比发动机，使得能够在高负荷和高发动机转速条件下以及低负荷和低发动机转速条件下使用压缩冲程长度22小于膨胀冲程长度26的阿特金森循环，以在内燃发动机10的所有运行条件下获得阿特金森循环可带来的燃料经济性益处。
在稳态条件下，曲轴28的转速与控制轴34的转速之间的最佳比率可能不是1：1。在示例性实施例中，除非有来自电动机64的输入，否则变速箱66不允许惰轮轴60和曲轴齿轮68之间相对旋转。曲轴齿轮68、变速箱66、惰轮轴60和控制轴齿轮70一体地旋转，除非电动机64介入并且使惰轮轴60相对于曲轴齿轮68加速或减速。驱动齿轮32与曲轴齿轮之间的传动比为2：1，并且控制轴齿轮70和从动齿轮38之间的传动比为1：1。在没有来自电动机64的输入的情况下，控制轴34以曲轴28的转速的一半旋转。
在另一个示例性实施例中，除非有来自电动机64的输入，否则变速箱66不允许在惰轮轴60和曲轴齿轮68之间发生相对旋转。曲轴齿轮68、变速箱66和惰轮轴60不一体地旋转，但是变速箱66的传动比是1：1，除非电动机64介入并且使惰轮轴60相对于曲轴齿轮68加速或减速。驱动齿轮32与曲轴齿轮的传动比为2∶1，控制轴齿轮70与从动齿轮38之间的传动比为1∶1。在没有来自电动机64的输入的情况下，控制轴34以曲轴28的转速的一半旋转。
在另一个示例性实施例中，除非有来自电动机64的输入，否则变速箱66的传动比为2：1。驱动齿轮32和曲轴齿轮68之间的传动比为1：1，并且控制轴齿轮70和从动齿轮38之间的传动比为1：1。在没有来自电动机64的输入的情况下，控制轴34以曲轴28的转速的一半旋转。
本公开的描述在本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本公开的要旨的变型意在本公开的范围内。这样的变型不应被视为背离本公开的精神和范围。

Claims (9)

1.一种内燃发动机，包括：
发动机缸体，限定气缸孔；
活塞，可滑动地支撑在所述气缸孔内，其中，所述活塞在整个发动机循环中在所述气缸孔内往复滑动，所述发动机循环包括具有压缩冲程长度的活塞压缩冲程和具有膨胀冲程长度的活塞膨胀冲程；
曲轴，由所述发动机缸体可旋转地支撑并且能够绕曲轴轴线旋转；
控制轴，可旋转地支撑在所述发动机内并且能够绕控制轴线旋转，其中所述控制轴线平行并远离所述曲轴轴线；
连杆，可旋转且偏心地连接到所述曲轴；
下连接杆，具有可旋转地连接到所述连杆的第一端，以及可旋转地且偏心地连接到所述控制轴的第二端；
上连接杆，具有可旋转地连接到所述连杆的第一端，以及可旋转地连接到所述活塞的第二端；和
定相装置，在所述发动机内支撑在所述曲轴和所述控制轴之间并将所述曲轴和控制轴互连；
其中，所述定相装置选择性地改变控制轴相对于曲轴的转速，并改变活塞压缩冲程的压缩冲程长度；
还包括同轴地安装在所述曲轴上的驱动齿轮和同轴地安装在所述控制轴上的从动齿轮，其中，所述定相装置包括能够绕轴线旋转的惰轮轴、同轴地安装在所述惰轮轴上的变速箱、与所述惰轮轴同轴地支撑在所述变速箱上的曲轴齿轮、以及同轴地安装在所述惰轮轴上且远离所述曲轴齿轮的控制轴齿轮，并且其中，所述驱动齿轮啮合所述曲轴齿轮并将所述曲轴的旋转传递到所述惰轮轴，并且所述从动齿轮啮合所述控制轴齿轮并将所述惰轮轴的旋转传递到所述控制轴。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述连杆能够相对于所述曲轴绕平行于并远离所述曲轴轴线的轴线旋转。
3.根据权利要求2所述的内燃发动机，其中，所述下连接杆能够相对于所述控制轴绕平行于并远离所述控制轴线的轴线旋转。
4.根据权利要求3所述的内燃发动机，其中，所述定相装置包括电动机，所述电动机连接到所述惰轮轴并适于旋转所述惰轮轴。
5.根据权利要求4所述的内燃发动机，其中，所述变速箱适于当所述电动机使所述惰轮轴旋转时允许所述惰轮轴的转速相对于所述曲轴齿轮的转速改变。
6.根据权利要求5所述的内燃发动机，其中，所述电动机适于引导所述惰轮轴沿第一方向旋转，其中所述惰轮轴的转速相对于所述曲轴齿轮的转速增加，或沿第二方向旋转，其中所述惰轮轴的转速相对于所述曲轴齿轮的转速减小。
7.根据权利要求6所述的内燃发动机，其中，在没有来自所述电动机的输入的情况下，所述曲轴齿轮、所述变速箱、所述惰轮轴和所述控制轴齿轮一体地旋转。
8.根据权利要求7所述的内燃发动机，其中，所述驱动齿轮与所述曲轴齿轮之间的传动比为2：1，并且所述控制轴齿轮与所述从动齿轮之间的传动比为1：1，并且其中，在没有来自所述电动机的输入的情况下，所述控制轴以所述曲轴转速的一半旋转。
9.根据权利要求6所述的内燃发动机，其中，所述驱动齿轮与所述曲轴齿轮之间的传动比为2：1，所述控制轴齿轮与所述从动齿轮之间的传动比为1：1，并且所述变速箱的传动比为1：1，并且其中，在没有来自所述电动机的输入的情况下，所述控制轴以所述曲轴转速的一半旋转。
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