CN114320590A - 用于内燃发动机的带有组合式偏心轴和凸轮轴驱动系统的多连杆曲轴机构 - Google Patents

用于内燃发动机的带有组合式偏心轴和凸轮轴驱动系统的多连杆曲轴机构 Download PDF

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Abstract

提出可变压缩比以及独立压缩和膨胀发动机、用于制成/操作此类发动机的方法以及配备有此类发动机的车辆。发动机组件包括：具有气缸孔的发动机缸体，其限定燃烧室；以及活塞，所述活塞可在所述气缸孔内移动。流体地耦接到所述燃烧室的阀组件选择性地从所述燃烧室引入/排出流体。曲轴由所述发动机缸体支撑，并且可在第一轴线上旋转。使所述活塞驱动地接合到所述曲轴的多点联接装置在偏离所述第一轴线的第二轴线上旋转。控制轴由所述发动机缸体支撑并且在偏离所述第一和第二轴线的第三轴线上旋转。所述控制轴可操作成选择性地使所述多点联接装置在所述第二轴线上旋转，并且可操作成选择性地使所述阀组件脱开。

Description

用于内燃发动机的带有组合式偏心轴和凸轮轴驱动系统的多 连杆曲轴机构
技术领域
本公开一般来说涉及发动机组件。更具体来说，本公开的方面涉及用于可变压缩比以及独立压缩和膨胀的带有多连杆曲轴机构的内燃发动机。
背景技术
现行生产机动车辆（例如现代汽车）最初配备有操作成推进所述车辆并且为车辆的车载电子器件供电的动力传动系。例如，在汽车应用中，车辆动力传动系通常以原动机为代表，原动机通过自动或手动换挡的动力变速器将驱动转矩递送到车辆的最终驱动系统（例如，差速器、车轴、车轮等等）。由于汽车容易获得并且具有相对便宜的成本、轻重量和整体效率，因此其在历史上一直由往复活塞式内燃发动机组件提供动力。作为一些非限制性示例，此类发动机包括压缩点燃(CI)柴油发动机、火花点燃(SI)汽油发动机、二行程、四行程和六行程架构以及旋转发动机。另一方面，混合动力车辆(HEV)和全电动车辆(FEV)利用替代动力源来推进车辆，并且因此，针对牵引动力最小化或消除对基于化石燃料的发动机的依赖。
普通“顶阀”内燃发动机包括带有一系列内部气缸孔的发动机缸体，所述内部气缸孔中的每一者具有可在其中往复移动的活塞。气缸盖耦接到发动机缸体的顶部表面，所述气缸盖与活塞和气缸孔配合以形成可变容积燃烧室。这些往复式活塞用于将通过点燃燃烧室内部的燃料和空气混合物而产生的压力转换成驱动发动机的曲轴的旋转力。所述气缸盖限定进气端口，由进气歧管提供的空气通过所述进气端口选择性地引入到每一燃烧室中。排气端口也限定在气缸盖中，排气和燃烧副产物通过所述排气端口从燃烧室选择性地排出到排气歧管。所述排气歧管继而收集和组合排气以供计量再循环到进气歧管中，递送到涡轮机驱动的涡轮增压器，或者经由排气系统从车辆排出。
常规气缸盖容纳发动机的阀机构，其可以包括入口阀、排气阀、摇杆臂、推杆，并且在某些情况下，包括一个或多个凸轮轴。对于顶阀(OHV)设计，气缸盖还可以容纳发动机的火花塞和燃料喷射器。阀机构是动力传动系子系统的负责控制在任何给定时间点进入发动机的燃烧室的燃料夹带空气的量和离开发动机的燃烧室的燃烧相关排气的部分。通过调整阀升程和正时来改变发动机转矩和功率输出，这通过由旋转凸轮轴上的凸轮凸角直接或间接驱动入口阀和排气阀来实现。不同发动机速度通常需要不同阀正时和升程以实现最佳性能。通常，低发动机速度需要阀打开相对小的量达较短持续时间，而高发动机速度需要阀打开相对较大的量达较长持续时间以实现最佳性能。
顾名思义，四行程燃烧发动机通常按四个不同阶段或“行程”操作成驱动发动机的曲轴。在一个此（第一）操作阶段（称为“进气行程”），当对应活塞沿着气缸孔的长度从上到下直线地行进时，将燃料和空气的计量混合物引入到每一气缸中。打开发动机进气阀，使得由向下行进的活塞产生的真空压力将空气吸入到燃烧室中。在此循环结束时，经由燃料喷射器将经计量数量的细雾化燃料引入到所述室中。在标记为“压缩行程”的后续（第二）阶段期间，进气阀和排气阀在活塞从下到上行进时关闭并随之压缩燃料空气混合物。在压缩行程完成时，另一（第三）阶段或“动力行程”开始，并且火花塞点燃经压缩的燃料和空气，其中所产生的爆炸性气体膨胀将活塞推回到下死点(BDC)。在随后阶段（更通常称为“排气行程”）期间，在排气阀打开的情况下，活塞再次返回到上死点(TDC)；行进的活塞将废空气燃料混合物从燃烧室排出。为完成单个工作（奥托）循环的四个行程，需要曲轴的两次回转。
发明内容
本文中提出可变压缩比(VCR)以及独立压缩和膨胀(ICE)发动机、用于制成此类发动机的方法和用于操作此类发动机的方法，以及带有内燃发动机的机动车辆，所述内燃发动机具有带有组合式偏心轴和凸轮轴驱动系统的多连杆曲轴机构。举例来说，VCR/ICE发动机组件包括多连杆曲轴机构，所述多连杆曲轴机构将VCR偏心轴和阀机构凸轮轴两者组合成单个曲轴机构控制轴。所述曲轴机构控制轴驱动地接合串联对齐的多点联接装置组件，所述串联对齐的多点联接装置组件使活塞和活塞杆与曲轴耦接以实现可变长度的四行程阿特金森循环（Atkinson cycle）。可选的VCR/ICE定相设备选择性地改变曲轴机构控制轴相对于发动机的曲轴的旋转位移或定相，并且以此改变活塞上方燃烧室内的间隙容积。除促进VCR和ICE以外，所述曲轴机构控制轴还通过接合顶阀机构的推杆和液压从动件来提供进气/排气阀正时和控制。此发动机架构将曲轴机构控制轴水平地相邻气缸孔封装在发动机缸体内，而非将专用的VCR偏心轴封装在曲轴下方的曲轴箱中并将专用的凸轮轴单独封装在发动机缸体上方的气缸盖中。
将阀机构驱动系统和VCR/ICE驱动系统集成到公共的控制轴中减少了发动机零件计数并简化制造，从而导致显著的时间和成本节省。另外，具有可变压缩比以及独立压缩和膨胀能力的内燃发动机实现四行程阿特金森循环，其中在高负载高速发动机操作条件和低负载低速发动机操作条件期间，压缩行程长度可以从膨胀行程长度选择性地变化以实现增加的燃料经济益处。此外，并入推杆式阀机构组件导致更安静的发动机操作、更长的发动机寿命，并且消除对周期性调节阀间隙的需要。其它附带益处可能包括降低的系统复杂性和减轻的内部摩擦损失，以及发动机大小和质量的减小，以及封装空间和总车重(GVW)的对应减小。
本公开的方面涉及具有VCR和ICE能力的往复活塞式内燃发动机组件。例如，发动机组件包括发动机缸体，所述发动机缸体单独（例如，按整体式设计）或与气缸盖一起共同（例如，缸体和缸盖式设计）限定各自带有气缸孔的一个或多个内部燃烧室。活塞可滑动地安装在每一气缸孔内，可沿着所述孔的直线中心线往复移动。阀组件（其可以包括带有对应摇杆、推杆和液压从动件的一个或多个排气和/或入口阀）流体地耦接到每一燃烧室。每一进气/排气阀可操作成密封地坐置并选择性地脱开，从而从燃烧室引入或排出流体。
继续对以上示例的论述，发动机曲轴例如通过主轴承由发动机缸体可旋转地支撑，并且可在第一（曲柄）轴线上旋转以输出由发动机产生的转矩。所述发动机组件还包括一个或多个多点联接装置，所述多点联接装置中的每一者在曲轴上旋转，并且将相应活塞驱动地接合到曲轴。所述多点联接装置可在径向偏离所述曲轴的旋转轴线并且大致平行于所述曲轴的旋转轴线的第二（连杆）轴线上旋转。控制轴（或者对于“双凸轮”构造来说，多个控制轴）例如通过简单轴承由发动机缸体可旋转地支撑，并且可在水平地并且竖直地偏离第一和第二轴线并且大致平行于第一和第二轴线的第三（控制）轴线上旋转。此控制轴例如经由系联杆驱动地耦接到多点联接装置，并且可操作成选择性地使所述联接装置在曲轴上旋转。所述控制轴还例如经由滚子凸轮耦接到阀组件，并且可操作成选择性地使进气/排气阀脱开。
本公开的额外方面涉及带有内燃发动机的机动车辆，所述内燃发动机具有带有组合式偏心轴和凸轮轴驱动系统的多连杆曲轴机构。如本文中所使用的，术语“车辆”和“机动车辆”可以互换且同义地使用以包括任何相关车辆平台，例如客车（ICE、HEV、燃料电池、全部和部分自主等等）、商用车辆、工业车辆、履带式车辆、越野和全地形车辆(ATV)、摩托车、农用装备、火车、船只、飞机等等。所公开的构思同样适用于汽车和非汽车应用，包括固定式发电机和泵送装备。在示例中，机动车辆包括带有乘客舱的车身、多个车轮以及其它标准原始装备。车辆动力传动系包括内燃发动机组件，所述内燃发动机组件安装到车身（例如，安装在发动机舱内部），并且例如经由多速变速器输出转矩以选择车轮来推进车辆。
继续对以上示例的论述，所述发动机组件包括发动机缸体，所述发动机缸体至少部分在其中限定具有气缸孔的燃烧室；活塞可在所述气缸孔内往复移动。阀组件流体地耦接到所述燃烧室，并且可操作成选择性地脱开，从而从所述燃烧室引入和/或排出流体。所述发动机还包括曲轴，所述曲轴由所述发动机缸体可旋转地支撑，并且可在第一轴线上旋转。可在偏离所述第一轴线的第二轴线上旋转的多点联接装置使所述活塞驱动地接合到所述曲轴。所述发动机进一步包括控制轴，所述控制轴由所述发动机缸体可旋转地支撑，并且可在偏离所述第一和第二轴线两者的第三轴线上旋转。此控制轴耦接到所述多点联接装置，并且可操作成选择性地使所述多点联接装置在所述第二轴线上旋转。所述控制轴还操作地耦接到所述阀组件，并且可操作成选择性地使所述阀组件脱开。
本公开的方面涉及用于组装所公开的发动机、动力传动系和车辆的方法以及用于操作所公开的发动机、动力传动系和车辆的方法。在示例中，提出一种用于制造内燃发动机的方法。此代表性方法按任何次序并且按与上文和下文公开的选项和特征中的任一者的任何组合包括：接收发动机缸体，所述发动机缸体在其中限定具有气缸孔的燃烧室；将阀组件附接到所述发动机缸体，所述阀组件流体地耦接到所述燃烧室，并且可操作成选择性地脱开，从而从燃烧室引入和/或排出流体；将活塞附接到所述发动机缸体以在所述气缸孔内往复移动；将曲轴附接到所述发动机缸体以在第一轴线上旋转；将多点联接装置附接到所述发动机缸体，所述多点联接装置使所述活塞与所述曲轴驱动地接合并且在偏离所述第一轴线的第二轴线上旋转；将控制轴附接到所述发动机缸体，所述控制轴在偏离所述第一和第二轴线的第三轴线上旋转；将所述控制轴耦接到所述多点联接装置，所述控制轴可操作成选择性地使所述多点联接装置在所述第二轴线上旋转；以及将所述控制轴耦接到所述阀组件，所述控制轴可操作成选择性地使所述阀组件脱开。
以上发明内容并不代表本公开的每一个实施例或每一个方面。相反，结合附图和所附权利要求书，根据用于执行本公开的说明性示例和模式的以下具体实施方式，本公开的以上特征和优点以及其它特征和附带优点将容易显而易见。此外，本公开明确包括上文和下文呈现的元件和特征的任何和所有组合和子组合。
本公开还包括如下技术方案。
技术方案1. 一种发动机组件，其包括：
发动机缸体，所述发动机缸体在其中限定具有气缸孔的燃烧室；
阀组件，所述阀组件流体地耦接到所述燃烧室，并且能够操作成选择性地脱开，从而从所述燃烧室引入或排出流体；
活塞，所述活塞能够在所述气缸孔内往复移动；
曲轴，所述曲轴能够由所述发动机缸体旋转地支撑，并且能够在第一轴线上旋转；
多点联接装置，所述多点联接装置使所述活塞驱动地接合到所述曲轴，并且能够在偏离所述第一轴线的第二轴线上旋转；以及
控制轴，所述控制轴能够由所述发动机缸体旋转地支撑，并且能够在偏离所述第一和第二轴线的第三轴线上旋转，其中，所述控制轴耦接到所述多点联接装置并且能够操作成选择性地使所述多点联接装置在所述第二轴线上旋转，并且所述控制轴耦接到所述阀组件并且能够操作成选择性地使所述阀组件脱开。
技术方案2. 根据技术方案1所述的发动机组件，其进一步包括附接到所述发动机缸体的气缸盖，所述气缸盖与所述气缸孔配合地限定所述燃烧室，其中，所述第一、第二和第三轴线相互平行，并且所述第三轴线最靠近于所述气缸盖定位。
技术方案3. 根据技术方案1所述的发动机组件，其中，所述多点联接装置包括带有第一、第二和第三旋转接头的联接装置主体，所述第一旋转接头能够旋转地耦接到所述活塞，所述第二旋转接头能够旋转地耦接到所述曲轴，并且所述第三旋转接头能够旋转地耦接到所述控制轴。
技术方案4. 根据技术方案3所述的发动机组件，其中，所述第一旋转接头能够经由连接杆旋转地耦接到所述活塞，所述第二旋转接头能够经由杆轴承旋转地耦接到所述曲轴的曲柄销，并且所述第三旋转接头能够经由系联杆旋转地耦接到所述控制轴。
技术方案5. 根据技术方案4所述的发动机组件，其中，所述控制轴包括从主轴主体径向向外突出的偏心凸角，并且其中，所述系联杆的第一端部能够旋转地耦接到所述多点联接装置的所述第三旋转接头，以在第四轴线上旋转，并且所述系联杆的第二端部能够旋转地耦接到所述偏心凸角，以在偏离所述第一、第二和第三轴线的第五轴线上旋转。
技术方案6. 根据技术方案4所述的发动机组件，其中，所述连接杆的第一端部能够旋转地耦接到所述多点联接装置的所述第一旋转接头，以在第六轴线上旋转，并且所述连接杆的第二端部能够旋转地耦接到所述活塞，以在偏离所述第一、第二和第三轴线的第七轴线上旋转。
技术方案7. 根据技术方案4所述的发动机组件，其中，所述第一轴线被限定成通过所述曲轴的中心，所述第二轴线被限定成通过所述第二旋转接头和所述曲柄销的中心，并且所述第三轴线被限定成通过所述控制轴的中心。
技术方案8. 根据技术方案1所述的发动机组件，其中，所述控制轴包括从主轴主体径向向外突出的滚子凸轮，并且其中，所述阀组件包括流体地耦接到所述燃烧室的弹簧偏置的阀和耦接到所述滚子凸轮的推杆。
技术方案9. 根据技术方案8所述的发动机组件，其中，所述阀组件进一步包括能够枢转的摇杆组件和液压挺杆，所述能够枢转的摇杆组件具有邻接所述弹簧偏置的阀的阀杆的第一摇杆臂和邻接所述推杆的第一端部的第二摇杆臂，并且所述液压挺杆附接到所述推杆的第二端部并坐置成抵靠所述滚子凸轮。
技术方案10. 根据技术方案1所述的发动机组件，其中，所述活塞沿着所述气缸孔的中心轴线直线地往复运动，所述中心轴线偏离所述第一和第三轴线并且不与所述第一和第三轴线相交。
技术方案11. 根据技术方案1所述的发动机组件，其进一步包括安装在所述发动机缸体内并且连接到所述控制轴的定相设备，所述定相设备能够操作成选择性地改变所述控制轴相对于所述曲轴的旋转速度，从而改变所述活塞的压缩行程的行程长度。
技术方案12. 根据技术方案1所述的发动机组件，其进一步包括齿轮传动链系统或带驱动系统，所述齿轮传动链系统或带驱动系统使所述曲轴与所述控制轴驱动地连接，使得所述曲轴的旋转引起所述控制轴的异相旋转。
技术方案13. 一种机动车辆，其包括：
车身；
多个车轮，所述多个车轮安装到所述车身；以及
内燃发动机(ICE)组件，所述内燃发动机(ICE)组件安装到所述车身，并且能够操作成驱动所述车轮中的一者或多者，从而推进所述机动车辆，所述ICE组件包括：
发动机缸体，所述发动机缸体在其中限定具有气缸孔的燃烧室；
阀组件，所述阀组件流体地耦接到所述燃烧室，并且能够操作成选择性地脱开，从而从所述燃烧室引入或排出流体；
活塞，所述活塞能够在所述气缸孔内往复移动；
曲轴，所述曲轴能够由所述发动机缸体旋转地支撑，并且能够在第一轴线上旋转；
多点联接装置，所述多点联接装置使所述活塞驱动地接合到所述曲轴，并且能够在偏离所述第一轴线的第二轴线上旋转；以及
控制轴，所述控制轴能够由所述发动机缸体旋转地支撑，并且能够在偏离所述第一和第二轴线的第三轴线上旋转，其中，所述控制轴耦接到所述多点联接装置并且能够操作成选择性地使所述多点联接装置在所述第二轴线上旋转，并且所述控制轴耦接到所述阀组件并且能够操作成选择性地使所述阀组件脱开。
技术方案14. 一种制造发动机组件的方法，所述方法包括：
接收发动机缸体，所述发动机缸体在其中限定具有气缸孔的燃烧室；
将阀组件附接到所述发动机缸体，所述阀组件流体地耦接到所述燃烧室，并且能够操作成选择性地脱开，从而从所述燃烧室引入或排出流体；
将活塞附接到所述发动机缸体，以便在所述气缸孔内往复移动；
将曲轴附接到所述发动机缸体，以便在第一轴线上旋转；
将多点联接装置附接到所述发动机缸体，所述多点联接装置使所述活塞与所述曲轴驱动地接合并且在偏离所述第一轴线的第二轴线上旋转；
将控制轴附接到所述发动机缸体，所述控制轴在偏离所述第一和第二轴线的第三轴线上旋转；
将所述控制轴耦接到所述多点联接装置，所述控制轴能够操作成选择性地使所述多点联接装置在所述第二轴线上旋转；以及
将所述控制轴耦接到所述阀组件，所述控制轴能够操作成选择性地使所述阀组件脱开。
技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，其进一步包括将气缸盖附接到所述发动机缸体，所述气缸盖与所述气缸孔配合地限定所述燃烧室，其中，所述第一、第二和第三轴线相互平行，并且所述第三轴线最靠近于所述气缸盖定位。
技术方案16. 根据技术方案14所述的方法，其中，所述多点联接装置包括带有第一、第二和第三旋转接头的联接装置主体，所述第一旋转接头能够旋转地耦接到所述活塞，所述第二旋转接头能够旋转地耦接到所述曲轴，并且所述第三旋转接头能够旋转地耦接到所述控制轴。
技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其中，所述第一旋转接头能够经由连接杆旋转地耦接到所述活塞，所述第二旋转接头能够经由杆轴承旋转地耦接到所述曲轴的曲柄销，并且所述第三旋转接头能够经由系联杆旋转地耦接到所述控制轴。
技术方案18. 根据技术方案17所述的方法，其中，所述控制轴包括从主轴主体径向向外突出的偏心凸角，并且其中，所述系联杆的第一端部能够旋转地耦接到所述多点联接装置的所述第三旋转接头，以便在第四轴线上旋转，并且所述系联杆的第二端部能够旋转地耦接到所述偏心凸角，以便在偏离所述第一、第二和第三轴线的第五轴线上旋转。
技术方案19. 根据技术方案14所述的方法，其中，所述控制轴包括从主轴主体径向向外突出的滚子凸轮，并且其中，所述阀组件包括流体地耦接到所述燃烧室的弹簧偏置的阀和耦接到所述滚子凸轮的推杆。
技术方案20. 根据技术方案14所述的方法，其进一步包括将齿轮传动链系统或带驱动系统附接到所述发动机缸体，所述齿轮传动链系统或带驱动系统使所述曲轴与所述控制轴驱动地连接，使得所述曲轴的旋转引起所述控制轴的异相旋转。
附图说明
图1是根据本公开的方面的代表性机动车辆的前部透视图图示，其具有带有可变压缩比以及独立压缩和膨胀能力的代表性直喷往复活塞式内燃发动机组件的插图示意性图示。
图2是根据所公开构思的方面的图1的VCR/ICE内燃发动机组件的选定部分的局部示意性图示，其示出带有用于组合式偏心系统和阀机构系统控制的曲轴机构控制轴的多连杆曲轴机构系统。
本公开的代表性实施例在附图中通过非限制性示例示出，并且在下文另外详细描述。然而，应理解，本公开的新颖方面并不限于上文枚举的附图中示出的特定形式。相反，本公开将涵盖落入如例如由所附权利要求书包括的本公开的范围内的所有修改、等效方案、组合、子组合、排列、分组和替代方案。
具体实施方式
本公开容许许多不同形式的实施例。本公开的代表性实施例示出在附图中，并且在本文中以如下理解详细描述：这些实施例提供为所公开原理的例证，而非本公开的广泛方面的限制。为此目的，例如在说明书摘要、引言、发明内容、附图说明和具体实施方式章节中描述、但未在权利要求书中明确阐述的元件和限制不应该通过暗示、推断或以其它方式单独或共同并入到权利要求书中。此外，本文中论述的附图可能未按比例绘制，并且仅出于指导目的而提供。因此，附图中所示的特定和相对尺寸不应解释为限制性的。
出于本具体实施方式的目的，除非特别否认，否则单数包括复数并且反之亦然；词语“和”以及“或”应该是连接词和反意连接词；词语“任何”和“所有”应该都意指“任何和所有”；并且词语“包括有”、“包含”、“包括”、“具有”等等应该意指“包括但不限于”。此外，近似词语（例如“约”、“几乎”、“基本上”、“大致”、“大约”等等）可以各自在本文中按例如“在、接近或几乎在”、或“在0-5%内”或“在可接受制造公差内”或其任何逻辑组合的意义使用。最后，方向性形容词和副词（例如前、后、内侧、外侧、右侧、左侧、竖直、水平、向上、向下、前部、后部、左、右等等）可以是相对于机动车辆而言的，例如当车辆在水平驾驶表面上可操作地取向时，是机动车辆的向前驾驶方向。
现在参考附图，其中贯穿数个视图，相似附图标记指代相似特征，在图1中示出代表性汽车的透视图图示，其通常以10表示，并且在本文中出于论述目的描绘为发动机推进的轿车型客车。所示出的汽车10（在本文中还简称为“机动车辆”或“车辆”）仅是借助其可以实践本公开的新颖方面的示例性应用。同样地，本构思到火花点燃直喷式(SIDI)汽油发动机的实现还应该理解为本文中公开的新颖构思的示例性应用。照此，将理解，本公开的特征可以应用于由替代动力传动系架构实现并且用于任何逻辑相关类型的机动车辆的其它发动机配置。最后，仅示出汽车和内燃发动机的选定部件，并且本文中将对其进行另外详细描述。然而，下文论述的车辆和发动机可以包括许多额外和替代特征，以及用于执行本公开的各种方法和功能的其它可用外围部件。
图1示出安装在车身的发动机舱14内部的双凸轮V型发动机组件12的示例。所示出的发动机组件12是四行程往复活塞式发动机配置，其例如充当直喷式(DI)汽油发动机以推动车辆10，包括灵活燃料车辆(FFV)和混合动力车辆(HEV)的变体。发动机组件12可以可选地按各种可选燃烧模式中的任一者操作，包括均质压缩点燃(HCCI)燃烧模式和可调升程火花点燃(SI)燃烧模式。另外，发动机组件12可以以化学计量空燃比和/或以主要依靠化学计量学的空燃比操作。虽然在图1中未明确描绘，但是应该了解，车辆的传动系统可以采用任何可用配置，包括前轮驱动(FWD)布局、后轮驱动(RWD)布局、全轮驱动(AWD)布局、四轮驱动(4WD)布局、六乘四(6X4)布局等等。
发动机组件12配备有可在发动机缸体13的气缸孔15内可滑动地移动的一系列往复活塞16（通常为4、6、8等等偶数），所述活塞按V型或I型构造布置。每一活塞16的顶部表面与其对应气缸15的内周和气缸盖25的相应室表面19配合，以限定可变容积燃烧室17。每一活塞16通过相应活塞杆21和联接装置（例如，图2的多点联接装置102）连接到旋转曲轴11的曲柄销。曲轴11继而将活塞16的线性往复运动转换为旋转运动，所述旋转运动例如作为每分钟转数(RPM)输出到动力传动装置（未示出）以驱动一个或多个车轮22。示出曲轴11封装在安装在发动机缸体13下方的曲轴箱23内。虽然示出为三个分立部件，但是发动机缸体13、曲轴箱23和/或气缸盖25可以一体地形成为单件单个“整体”构造。
进气系统通过进气歧管29将进气空气传输到气缸15，进气歧管29经由气缸盖25的进气流道将空气引导并分配到燃烧室17中。发动机的进气系统具有气流管道系统和各种电子设备来监测和调节进入的气流。作为第一非限制性示例，进气设备可以包括质量气流传感器32用于监测质量气流(MAF) 53和进气温度(IAT) 55。节流阀34响应于来自可编程发动机控制单元(ECU) 5的控制信号(ETC) 57控制到达发动机组件12的气流。进气歧管29中的压力传感器36例如监测歧管绝对压力(MAP) 59和大气压力。
可选的外部流动通道（未示出）使来自发动机的排气再循环到进气歧管29，从而采用排气再循环(EGR)阀38来计量引入回到气缸15中的再循环排气的量。可编程发动机控制单元5通过经由EGR命令61控制EGR阀38的打开/关闭来控制到达进气歧管29的排气的质量流。在图1中，将ECU 5与发动机组件12的各种部件连接的箭头象征电子信号或其它通信交换，通过所述其它通信交换，数据和/或控制命令从一个部件传输到另一部件。
由一个或多个进气发动机阀20控制从进气歧管29进入到燃烧室17中的气流。由一个或多个排气发动机阀18控制排气从燃烧室17中出来并到达排气歧管39的排出。这些发动机阀18、20在本文中示出为弹簧偏置的提升阀；然而，可以采用其它已知类型的发动机阀。配备代表性发动机组件12的阀机构系统以控制和调节排气和进气发动机阀18、20的打开和关闭。虽然示出为具有单对发动机阀，但是应该了解，每一气缸15可以配备有多对进气/排气发动机阀。
根据一个示例，可以通过控制排气和进气可变凸轮定相/可变升程控制(VCP/VLC)设备来分别调整排气和进气发动机阀18、20的激活。以电子方式调整这些VCP/VLC设备以控制进气凸轮轴和排气凸轮轴（下文参考图2描述）。进气和排气凸轮轴的旋转与曲轴的旋转相关联并指引到其，因此使进气和排气阀20、18的打开和关闭与曲轴11和活塞16的位置相关联。进气VCP/VLC设备可以响应于控制信号(iVLC) 63可变地切换和控制入口阀20的阀升程，并且响应于控制信号(iVCP) 65可变地调节和控制每一气缸15的进气凸轮轴的定相。同样地，排气VCP/VLC设备可以响应于控制信号(eVLC) 67可变地切换和控制排气阀18的阀升程，并且响应于控制信号(eVCP) 69可变地调节和控制每一气缸15的排气凸轮轴的定相。可以响应于相应控制信号eVLC、eVCP、iVLC和iVCP使用电动液压、液压、机电和电动控制力中的任一者致动所述VCP/VLC设备。
继续参考图1的代表性构造，发动机组件12采用带有多个高压电子燃料喷射器28的直喷式燃料喷射子系统，高压电子燃料喷射器28将燃料脉冲直接喷射到燃烧室17中。如图所示，每一气缸15设置有一个或多个燃料喷射器28，其响应于来自ECU 5的喷射器脉冲宽度命令(INJ_PW) 75而激活。这些燃料喷射器28通过燃料分配系统被供应加压燃料。一个或多个或所有燃料喷射器28可以在激活时操作成每一工作燃烧循环将多个燃料脉冲（一系列第一、第二、第三等等燃料质量注入）喷射到发动机气缸15中的对应一者中。发动机组件12采用压缩点燃程序（对于柴油发动机架构）或火花点燃程序（对于汽油发动机架构），借此，燃料燃烧起始的能量（例如由压缩空气提供的升高的室内温度或响应于火花命令(IGN) 71经由火花塞26提供的突然放电）点燃燃烧室17中的每一者中的气缸充气。对于某些应用，燃料喷射器28可以采用电子控制式共轨燃料喷射器架构的形式，其例如以常闭螺线管驱动操作模式在2000 bar燃料轨道压力下操作。
发动机组件12配备有用于监测发动机操作的各种感测设备，包括曲柄传感器42，曲柄传感器42具有指示曲轴旋转位置（例如，曲柄角和/或速度(RPM)信号43）的输出。温度传感器44例如监测一个或多个发动机相关的温度（例如，冷却剂温度、燃料温度等等），并且输出指示其的信号45。缸内燃烧传感器30监测燃烧相关的变量（例如缸内燃烧压力、充气温度、燃料质量、空燃比等等），并且输出指示其的信号31。排气传感器40监测一个或多个排气相关的变量（例如，实际空燃比(AFR)、燃烧气体分数等等），并且输出指示其的信号73。
ECU 5可以监测燃烧压力和曲轴速度例如以确定燃烧正时，即，针对每一工作燃烧循环针对每一气缸15燃烧压力相对于曲轴11的曲柄角的正时。应了解，可以通过其它方法确定燃烧正时。ECU 5可以监测燃烧压力以针对每一工作燃烧循环针对每一气缸15确定指示平均有效压力(IMEP)。发动机组件12和ECU 5配合地监测和确定每一气缸点燃事件期间发动机气缸15中的每一者的IMEP的状态。可替代地，可以使用其它感测系统来监测本公开的范围内的其它燃烧参数的状态，例如，离子感测点燃系统、EGR分数和非侵入式气缸压力传感器。
接下来转向图2，示出代表性多连杆曲轴机构系统100，其具有用于组合式偏心系统和阀机构系统控制的共享控制轴，以实现发动机组件12的VCR/ICE操作。多连杆曲轴机构系统100在图2中由多点联接装置组件102和曲轴机构控制轴104表示。每一多点联接装置组件102将活塞16中的相应一者驱动地接合到曲轴11。多点联接装置组件102包括三角形联接装置主体106，其可以机加工、铸造或模制为单件单个构造。封装在发动机缸体13和/或曲轴箱23内部的联接装置主体106可旋转地安装到曲轴11的相应曲柄销110上。
借助此布置，曲轴11可在纵向延伸穿过曲轴11的径向中心的第一（曲柄）轴线A1上旋转。相反，联接装置主体106可在第二（连杆）轴线A2上旋转，第二（连杆）轴线A2延伸穿过曲柄销110的中心，并且与第一轴线A1径向偏移/间隔开，但仍大致平行于第一轴线A1。曲轴机构控制轴104横向相邻气缸孔15位于发动机缸体13内部，曲轴机构控制轴104在纵向延伸穿过控制轴104的主体105的径向中心的第三（控制）轴线A3上旋转。控制轴104的第三轴线A3与曲轴11和联接装置主体106的第一和第二轴线A1、A2水平地和竖直地偏移/间隔开，但仍大致平行于曲轴11和联接装置主体106的第一和第二轴线A1、A2。
分立球头联节（即，三个旋转接头108A、108B和108C）位于三角形联接装置主体106的三个拐角处，用于与曲轴11、活塞16和控制轴104互连。如图2中最佳所示，第一旋转接头108A经由活塞连接杆21将联接装置主体106可旋转地耦接到活塞16。活塞连接杆21到联接装置主体106和活塞16的可旋转耦接可以通过任何合适方式实现，包括轴头销、平轴承、滚子轴承、衬套等等。同样地，第二旋转接头108B例如经由杆端轴承（“钩接”）将联接装置主体106可旋转地耦接到曲轴11的曲柄销110上。最后，第三旋转接头108C经由系联连接杆112将联接装置主体106可旋转地耦接到曲轴机构控制轴104。系联连接杆112到联接装置主体106和控制轴104的可旋转耦接可以例如通过上文关于活塞杆21描述的任何技术实现。
类似于曲轴11，图2的曲轴机构控制轴104由发动机缸体13可旋转地支撑；然而，控制轴104在曲轴11和曲轴箱23上方位于缸体13的气缸壳区段内部。根据所示出的示例，第一和第二轴线A1、A2两者都位于气缸孔15和活塞16下方，而第三轴线A3横向偏离气缸孔15，在三个轴线A1-A3中最靠近于气缸盖25定位。曲轴机构控制轴104通常由带有一系列纵向间隔开的偏心凸角107（例如，每一活塞一个凸角）的细长圆柱形主轴主体105组成，偏心凸角107从主体105径向向外突出。另外，一系列纵向间隔开的滚子凸轮109（例如，每一阀或阀对一个凸轮）从主体105径向向外突出。圆形凸角107和长方形凸轮109与主轴主体105一体地形成或刚性地附接到主轴主体105以随其一致地旋转。
在发动机操作期间，曲轴机构控制轴104选择性地使多点联接装置组件102的联接装置主体106在曲轴11上旋转，并且同时，与旋转的曲轴11一致地使发动机阀18、20从燃烧室内脱开和复位。继续参考图2，每一系联连接杆112的第一（底）端可旋转地耦接到联接装置主体106中的一者的第三旋转接头108C，使得系联杆112在第四（底拉）轴线A4上旋转。另一方面，每一系联连接杆112的第二（顶）端可旋转地耦接到偏心凸角107中的相应一者以在与第三轴线A3径向向外间隔开的第五（顶拉）轴线A5上旋转。第四和第五轴线A4、A5两者偏离曲轴11、联接装置主体106和控制轴104的旋转轴线A1-A3。
类似于系联连接杆112，每一活塞连接杆21的第一（底）端可旋转地耦接到联接装置主体106中的一者的第一旋转接头108A，使得活塞杆21在第六（底杆）轴线A6上旋转。另一方面，每一活塞连接杆21的第二（顶）端可旋转地耦接到相应活塞16以在第七（顶杆）轴线A7上旋转。第六和第七轴线A6、A7两者都偏离曲轴11、联接装置主体106和控制轴104的旋转轴线A1-A3。如图2中最佳所见，活塞16沿着气缸孔16的中心轴线A8上下直线地往复运动；此中心轴线A8横向偏离，并且因此，并不与第一和第三轴线A1、A3相交。
借助此布置，控制轴104沿第一方向（例如，图2中的顺时针方向）的旋转将使偏心凸角107旋转，从而引起系联连接杆112的往复（上下）线性运动。系联连接杆112的往复移动致使联接装置主体106在曲轴11的曲柄销110上来回旋转。使联接装置主体106在曲轴11上旋转随之改变活塞16与曲柄销110之间的径向距离。改变活塞16与曲柄销110之间的距离同时改变曲轴11的旋转期间活塞16的行程长度。
与活塞行程长度的选择性控制合作，曲轴机构控制轴104还管控一个或多个阀组件114的操作，从而控制燃烧室的流体进入和/或排出。“推杆式”阀组件114的非限制性示例在图2中由弹簧偏置的提升阀18、20、推杆116、凸轮从动件118和摇杆组件120表示。摇杆组件120可枢转地安装在发动机缸体13或气缸盖25内，并且可以采用任何合适形式，包括导板式摇杆臂、螺柱安装式摇杆臂、滑块式摇杆臂等等。可枢转地安装的摇杆120的第一（左侧）摇杆臂121位于阀18、20的阀杆的远侧末端上。凸轮从动件118（其可以具有液压间隙调节器、机械提升器或滚轮挺杆的性质）固定到推杆116的第一（底）端，并且坐置成抵靠控制轴104的滚子凸轮109中的一者。推杆116的第二（顶）端邻接抵靠第二（右侧）摇杆臂123，并且可选地，固定地附接到第二（右侧）摇杆臂123。
曲轴机构控制轴104围绕中心控制轴线A3的旋转致使滚子凸轮109与凸轮中心A9一起旋转，凸轮中心A9从主体105径向位移并围绕主体105旋转。滚子凸轮109的旋转将控制轴104的旋转运动转换成推杆116的往复（上下）线性运动。每次推杆116平移离开控制轴104（在图2中，向上）时，推杆116推动抵靠摇杆臂123。这致使摇杆组件120枢转，直到摇杆臂121下压在阀18、20上，从而致使阀18、20脱开，并且从而允许空气/排气进入/离开燃烧室。
可以通过控制轴104到曲轴11的指引耦接来实现曲轴机构控制轴104的旋转。在图2中，将代表性控制轴驱动系统描绘为带驱动系统122，带驱动系统122使曲轴11与控制轴104驱动地连接，使得曲轴11的旋转引起控制轴104的同相或异相旋转。对于至少一些应用，曲轴机构控制轴104可以按半曲轴速度运行以经由单个控制轴104实现偏心轴驱动和凸轮轴驱动操作。应了解，除了带驱动系统以外或者作为带驱动系统的替代方案，可以使用其它机械驱动系统，包括齿轮传动链系统、链传动系统、滚子机构系统等等。可选的定相设备124安装在发动机缸体13内并且连接到控制轴104。定相设备124选择性地改变控制轴104相对于曲轴11的旋转速度，从而改变活塞16的行程长度。定相设备124可以按任何逻辑合适的构造来构造，包括马达控制的齿轮箱移相器或液压控制的叶片移相器。
已经参考所示出的实施例详细描述了本公开的方面；然而，本领域的技术人员将认识到，可以对其作出许多修改、而不背离本公开的范围。本公开并不限于本文中公开的精确构造和组成；根据前述描述显而易见的任何和所有修改、改变和变化都在由所附权利要求书限定的本公开的范围内。此外，本构思明确包括前述元件和特征的任何和所有组合和子组合。

Claims (10)

1.一种发动机组件，其包括：
发动机缸体，所述发动机缸体在其中限定具有气缸孔的燃烧室；
阀组件，所述阀组件流体地耦接到所述燃烧室，并且能够操作成选择性地脱开，从而从所述燃烧室引入或排出流体；
活塞，所述活塞能够在所述气缸孔内往复移动；
曲轴，所述曲轴能够由所述发动机缸体旋转地支撑，并且能够在第一轴线上旋转；
多点联接装置，所述多点联接装置使所述活塞驱动地接合到所述曲轴，并且能够在偏离所述第一轴线的第二轴线上旋转；以及
控制轴，所述控制轴能够由所述发动机缸体旋转地支撑，并且能够在偏离所述第一和第二轴线的第三轴线上旋转，其中，所述控制轴耦接到所述多点联接装置并且能够操作成选择性地使所述多点联接装置在所述第二轴线上旋转，并且所述控制轴耦接到所述阀组件并且能够操作成选择性地使所述阀组件脱开。
2.根据权利要求1所述的发动机组件，其进一步包括附接到所述发动机缸体的气缸盖，所述气缸盖与所述气缸孔配合地限定所述燃烧室，其中，所述第一、第二和第三轴线相互平行，并且所述第三轴线最靠近于所述气缸盖定位。
3.根据权利要求1所述的发动机组件，其中，所述多点联接装置包括带有第一、第二和第三旋转接头的联接装置主体，所述第一旋转接头能够旋转地耦接到所述活塞，所述第二旋转接头能够旋转地耦接到所述曲轴，并且所述第三旋转接头能够旋转地耦接到所述控制轴。
4.根据权利要求3所述的发动机组件，其中，所述第一旋转接头能够经由连接杆旋转地耦接到所述活塞，所述第二旋转接头能够经由杆轴承旋转地耦接到所述曲轴的曲柄销，并且所述第三旋转接头能够经由系联杆旋转地耦接到所述控制轴。
5.根据权利要求4所述的发动机组件，其中，所述控制轴包括从主轴主体径向向外突出的偏心凸角，并且其中，所述系联杆的第一端部能够旋转地耦接到所述多点联接装置的所述第三旋转接头，以在第四轴线上旋转，并且所述系联杆的第二端部能够旋转地耦接到所述偏心凸角，以在偏离所述第一、第二和第三轴线的第五轴线上旋转。
6.根据权利要求4所述的发动机组件，其中，所述连接杆的第一端部能够旋转地耦接到所述多点联接装置的所述第一旋转接头，以在第六轴线上旋转，并且所述连接杆的第二端部能够旋转地耦接到所述活塞，以在偏离所述第一、第二和第三轴线的第七轴线上旋转。
7.根据权利要求4所述的发动机组件，其中，所述第一轴线被限定成通过所述曲轴的中心，所述第二轴线被限定成通过所述第二旋转接头和所述曲柄销的中心，并且所述第三轴线被限定成通过所述控制轴的中心。
8.根据权利要求1所述的发动机组件，其中，所述控制轴包括从主轴主体径向向外突出的滚子凸轮，并且其中，所述阀组件包括流体地耦接到所述燃烧室的弹簧偏置的阀和耦接到所述滚子凸轮的推杆。
9.根据权利要求8所述的发动机组件，其中，所述阀组件进一步包括能够枢转的摇杆组件和液压挺杆，所述能够枢转的摇杆组件具有邻接所述弹簧偏置的阀的阀杆的第一摇杆臂和邻接所述推杆的第一端部的第二摇杆臂，并且所述液压挺杆附接到所述推杆的第二端部并坐置成抵靠所述滚子凸轮。
10.根据权利要求1所述的发动机组件，其中，所述活塞沿着所述气缸孔的中心轴线直线地往复运动，所述中心轴线偏离所述第一和第三轴线并且不与所述第一和第三轴线相交。
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