CN1218539A - 内燃机 - Google Patents

Abstract

一内燃机包括一个或更多的活塞(4),每个活塞都安装成在各自的气缸(2)中往复并与长形杆状构件的一端(11)摆动地连接,该杆状构件在其两端之间的位置与相配的曲柄(10)相连。杆状构件(14)构成一杆(18),它与第一可移动的支架构件(20)如此结合,以使它们之间的相对移动只可能沿杆(18)的长度方向。第一可移动的构件(20)如此与第二可移动的支架构件(26)相连,以致它们之间的相对移动只可能是绕轴线(21)的旋转。第二可移动的支架构件(26)被导向成直线地相对于固定的支架构件(24)沿垂直于杆(18)的长度方向移动,执行装置(31、40)与第二可移动的支架构件(26)配合并被布置成直线地移动支架构件(26)。支架(20、26、24)与杆状构件(14)要做成这样的尺寸并如此布置,以使活塞的速度在点火时或在其附近减慢,从而促进火焰前沿穿过气缸中的空气/燃料混合物快速传播,并延长活塞在下死点位置的停留时间。

Description

内燃机

本发明涉及往复活塞式内燃机，特别是，虽然不仅仅是涉及在EP-A-0591153中公开的普通型的内燃机。

原有文件公开了一种内燃机，其中，使活塞或每个活塞在至少一部分循环中以这样一种速度移动，以使位移对时间的曲线与在传统的内燃机中先天产生的正弦形不同，在该传统的内燃机中，每个活塞都用各自的连杆连至曲轴的各自的曲柄上。在这样一种传统的内燃机中，企图使燃料/空气混合物的燃烧与活塞的运动匹配，但是作为原有文件的结构的基础的基本原理为，使燃烧以最佳的状态进行，并使活塞以一种“跟随”燃烧的方式移动并与燃烧过程的性质和进程有关。

更具体一些，原有文件公开了一种内燃机，其中，在燃料/空气混合物在循环中点火的位置或在其附近使活塞减速，从而使活塞移动得比传统的内燃机慢，然后在达到上死点(TDC)位置之前再次加速。这是基于这样的认识，即在传统的内燃机中，在点火的位置，活塞基本以其最大的速度移动，压缩比基本按最大的速率变化，因而阻止了火焰前沿穿过燃料/空气混合物的传播率，从而损害了燃烧过程的性质和完全性。不过，在发火点附近使活塞变慢意味着在火焰前沿开始传播时，燃料/空气的压力增加率大大地小于平常的，这样就造成火焰前沿穿过燃料/空气混合物的传播比平常的快得多。

原有文件还公开了，在TDC以后在0°至40°之间的某个位置，而不是像在传统的内燃机中那样在TDC以后在90°使活塞达到最大的加速度和最大速度，并在以后在到达下死点(BDC)位置之前在工作冲程的后面部分移动得比在传统的内燃机中慢。这样就导致排气温度降低从而导致NO_x的排放减少和排气口和排气阀的冲蚀减少。

曾经在按照EP-A-0591153构造的内燃机中进行了广泛的试验，试验表明，与传统的内燃机相比，该内燃机真正大大地提高了效率并且显著地减少了未燃烧的碳氢化合物CO和NO_x的排放。这些试验确实表明，在按照原有文件的内燃机中的燃烧过程是按一个根本不同于在传统的内燃机中的方式进行的，这可用这样的事实证明，即例如在燃烧时，气缸中的压力升高率约为6.5bar每度输出轴的回转，与之相比，在传统的内燃机中则为2.2bar，同时，在TDC以后，燃烧在输出轴回转约22°以内就完成，与之相比，在传统的发动机中，则在回转约60°以内完成。

不过，在原有文件中所公开的内燃机包含与活塞配合的成形凸轮而不是传统的曲轴，同时，虽然，这种凸轮是完全起作用并且在技术上令人满意的，但是对于内燃机则最好还是包含一般是传统型的曲轴，这是因为，用于曲轴的大量生产的设备是现成的，而且用于制造曲轴型内燃机的技术比用于凸轮型发动机的熟悉，尝试和试验得更多。

因此，本发明的目的为生产一种往复活塞式内燃机，其中，活塞或每个活塞的时间位移曲线不同于传统的曲轴式内燃机的正弦形，例如其方式与在EP-A-0591153中所公开的相似，而且它可以在内燃机运行时改变，不过它包括一般是传统型的曲轴。

按照本发明，提供一种包括一个或更多的活塞的内燃机，每个活塞都安装成能在各自的气缸中往复并摆动地与一连杆相连，该连杆与曲轴上的各自的曲柄相连，其特征为，连杆摆动地与长形杆状构件的一端相连，该构件在其两个端部之间的位置上与相配的曲柄摆动地相连，而构件的另一端则构成一个杆，该杆受到一支架的约束，以致它可以绕一平行于曲轴轴线的枢轴摆动并可沿平行于其长度的方向移动。

这样，在本发明的内燃机中，连杆并不直接摆动地与各自的曲柄相连，而是间接地通过杆状构件的一端相连，该杆状构件则摆动地同时与曲柄和连杆相连。杆状构件的另一端要如此支承，以便能绕一平行于其它两个轴线的第三摆动轴线摆动并能直接地平行于其长度移动。这样，活塞的运动就与正弦运动不同而且可以通过改变杆状构件的三个摆动轴线的间距和相对位置而任意改变，而该三个摆动轴线通常不在一个平面中。不过，都优先使三个摆动轴线如此放置，以使活塞的运动与在EP-A-0591153中所公开的内燃机的活塞非常相似，特别是在发火点附近使活塞移动得比在传统的内燃机中更要慢许多。

支承可以采取各种形式，同时杆状构件的相对的纵向可移动性可以很容易地通过滑动连接达到。不过，最好是支承包括一与一固定的支架构件相连，并可相对于它绕摆动轴摆动的第一可移动的支架构件，第一可移动的支架构件用一接头与杆相连，该接头允许沿杆的方向作相对滑动。第一可移动的支架构件与杆的相对可滑动性可以由在其中具有孔的可移动的支架构件提供，杆状构件在孔中可纵向滑动地被接纳，或是可移动的支架构件有一可滑动地被接纳在杆状构件的孔中的插销。

本发明可同时用于火花点燃型和柴油机型的两冲程和四冲程内燃机。不过，最好还是例如在重载与轻载状况之间改变活塞的运动，从而使即使是可移动的支架构件因而还有杆状构件的摆动轴线可以受到约束，不会直接地垂直于杆状构件的长度移动，但是，还是优先使支承包括一第二可移动的支架构件，和一致动装置，第二可移动的支架构件受到导向，以便相对于固定的支架构件沿垂直于杆的长度的方向直线地移动，而致动装置则与第二可移动的支架构件配合并被布置成将其直线地移动，第一可移动的支架构件与第二可移动的支架构件相连，以相对于它绕摆动轴线摆动。致动装置可包括相对的液压缸或气动缸或一个或更多的凸轮或一个与第二可移动的支架构件配合的偏心轴销。如果采用凸轮，则最好有两个与第二可移动的支架构件相反地配合的同样的凸轮，这两个凸轮例如用与带齿的带轮啮合的齿形带结合，以同步旋转，该带齿的带轮装在同一个装有凸轮的轴上。致动装置可以由内燃机管理系统控制，从而可使之非常迅速地移动第二可移动的支架构件因而是第三摆动轴线。

在内燃机为四冲程式的情况下，最好使活塞的运动在压缩冲程与排气冲程之间有区别，甚至在吸气冲程和工作冲击之间也有区别。这可以用不同的方式达到，并且在一个优选的实施例中，将致动装置与曲轴如此结合，以致当内燃机在运行时，第二可移动的支架构件连续直线地往复。这种往复可以与相配的活塞的运动同相，由此使活塞的运动在每个压缩冲程中都是相同的，但是却与排气冲程中的不同。

致动装置不仅可用来改变活塞从正弦运动改变的方式，而且还可用于至少部分地作出改变，从而可在活塞冲程的过程中例如在发火点附近被致动，以产生活塞在该点所要求的减速。

最好使第一可移动的支架构件绕其相对于第二可移动的支架构件摆动的摆动轴线在轴线位于其直线往复行程的中间位置时与曲轴的旋转轴线都位于基本垂直于气缸轴线延伸的平面中。

最好还将长形杆件与支承做成这样的尺寸和如此布置，以使当内燃机在运行时，连杆绕其相对于长形杆状构件摆动的摆动轴线描绘出大体是卵圆或椭圆形的路径，椭圆的长轴大体平行于气缸的轴线延伸。

虽然杆状构件在其与之摆动地连接的曲柄的两相反侧的部分可以是共直线的，但是也发现，最好它们在实际上彼此多少有些倾斜，例如以5°～45°倾斜。

本发明的其它特点与细节将从下面四个特殊的实施例的描述而更清楚，这些实施例是参考附图作为例子给出的，其中，图1至4分别是四个多缸四冲程内燃机的一部分的非常示意的局部剖视图，只示出了内燃机的一个气缸和相连的活塞以及活塞连接机构。

在所有四个实施例中，内燃机都有四个气缸，虽然可以比这个多或少，甚至只有一个气缸，但是只示出了一个气缸2。可往复地安装在气缸中的是活塞4。活塞按常有的方式绕轴线5连接至连杆6上。在气缸或每个气缸2下方延伸的是曲轴7，它在图1中只是示意地示出并被安装成绕轴线8旋转，而在图2和3中则为了清楚起见而一点也未示出。曲轴上装有用于各个活塞的各自的曲柄或曲柄弯程10。不过连杆6并不直接与相配的曲柄10相连，而是绕一轴线12摆动地与各自的长形杆件14的一端11相连。杆件还在其两个端部之间的位置上绕轴线16摆动地与相配的曲柄10相连，中间介以合适的轴承15。杆件14的其形状为实心或空心杆的另一端18则可沿纵向滑动地被接纳在一支承中，支承的结构在各个实施例中是不同的。

在图1所示的第一实施例中，支承包括一可移动的由套筒构成的支架构件20，该套筒穿过由通常与曲轴(未示出)相连的空心管或套筒24构成的固定的支架构件中的径向孔22，并穿过另一实心的第二可移动的支架构件26中的孔23，该构件26被容纳在固定的支架构件24的内部并在其中被导向。在套筒20的两端之间的位置上，从其内部突出两个相对的支承耳轴25，它们可旋转地被接纳在各自的相对的孔27中，以绕另一摆动轴线21摆动，而孔27则在可沿纵向在固定的支架构件24中滑动的第二可移动的支架构件26的侧壁上形成，由此，套筒20可绕耳轴相对于支架构件24摆动或旋转至一有限的程度，并还可沿支架构件24的长度方向直接地移至一有限的程度。

可移动的支架构件26对着套筒20的外部的径向相对的区域。可移动的支架构件26可经由在支架构件24的每一端形成的口28通过向其后表面施加液压或气压而在支架构件24内沿纵向移动。另一种方案为，支架构件26可通过用各自的液压或气动活塞向其后表面施加致动力而间接地移动。

在使用时，摆动轴线21通常保持不动，并且在曲轴10旋转和活塞4在气缸2内往复时，曲柄10的轴线16描述一圆形路径29，而杆18则在套筒20中滑进滑出，该套筒20绕其耳轴25来回摆动。套筒20约束杆18，使其不垂直于其长度直线地移动。摆动轴线12受到系统的运动学的制约而沿图1所示的多少有些不规则的路径30移动，该路径有一多少有些变形的卵圆形或基本为一椭圆形。在曲轴回转一圈时，轴线12所占据的四个特殊位置分别用12、12’、12”、12代表，而轴线5的相应的位置则分别用5、5’、5”、5代表。此机构导致活塞的位置/时间曲线不同于传统的正弦形，但是它的变化的精确方式则取决于轴线12、16和21的相对位置。此位置是预先确定的，以产生活塞的所要求的运动曲线，例如与在EP-A-0591153中所公开的内燃机的曲线近似的曲线。

活塞的运动曲线可以通过改变摆动轴线21的位置而改变。通过移动可移动的支架构件26，从而沿固定的支架构件24的长度方向移动套筒20就可以做到这一点。轴线21的位置的移动可以在每个循环中在一个或更多的活塞冲程的终点进行，以便在例如压缩和排气冲程中产生不同的运动曲线。另一种方案为，也可以进行轴线21的位置的移动，以使燃烧最佳地适应各种载荷情况。作为另一种方案，轴线21也可以在一个或更多的活塞冲程的过程中被移动，以在与正弦形不同的活塞运动曲线中产生所要求的变化。在任何情况下，用可移动的支架构件26移动套筒20都可以例如在内燃机管理系统的控制下极快地进行，而这种管理系统现在在多数近代的汽车发动机中都是具备的。

在图2所示的第二实施例中，由杆18构成的杆件14的第二端为了减轻重量的目的而做成空心的并穿过第一可移动的支架构件20上的孔而可滑动地被保持在其中，该构件20由一球或一圆柱体构成。可移动的支架构件20借助它的圆形段外表面的由支架构件26所提供的相对的互补表面的结合而被保持在一穿过第二可移动的支架构件26延伸的孔中。这样，支架构件20就可绕轴线21相对于支架构件26旋转但是不能相对于它直线地移动。这样，杆18只能转动并相对于支架构件26平行于其长度直线地移动。

支架构件26有两个相对的弧形端30，它们同彼此错开180°的两个相同的凸轮31接合，凸轮31装在各自的还装有各自的带齿的带轮33的轴32上。齿形带34绕过两个带轮33，这意味着它们因而是凸轮31都如此受到约束，以便沿同一方向同步旋转。轴32的一根或两根与一致动器(未示出)相连，该致动器用例如车辆内燃机的管理系统控制，以便按需要间歇地或连续地旋转，以便产生所要求的活塞运动曲线。

可移动的支架构件26通过在其中设置两个长形槽35而受到约束，以直线地平行于其长度移动，穿过该槽伸出的是各自的导向销轴36。销轴36与固定的支架构件相连，该构件为了清晰起见而未示出并且通常都与曲轴的一部分相连或由其构成。

图3中所示的实施例与图2中所示的非常相似，但是在此情况下，轴32的一根上装有另一有齿的带轮37，同时曲轴7上也装有有齿的带轮38或是它的周边的一部分做成带齿的并构成这种带轮。齿形带37、38绕过两个带轮37、38并将它们旋转地连起来。带轮37、38的尺寸要做成使曲轴7的一转产生带轮37的半转。这将意味着，第二可移动的支架构件26的直线性往复是与内燃机的工作循环同相的。因此，活塞的运动在例如每个压缩冲程中都是相同的，但是这一运动将与每个排气冲程中的运动不同。可移动的支架构件26在TDC即在其最靠近活塞的位置处示出，而活塞则在BDC而且活塞准备进行其压缩冲程处示出。已经发现，这可导致活塞在发火点附近有更明显的延迟，从而导致活塞的运动更接近EP-A-0591153中的活塞的运动。

图4的实施例与图3的非常相似，但是在此情况下，用于实现支架构件20、26的往复运动的凸轮驱动用一偏心驱动代替。这样，凸轮31被省去。带轮33中的一个和齿形带34也被省去。剩下的带轮33上设置一偏心销轴40，它可摆动地被接纳在具有同样直径的、在长形杆件42的一端上形成的孔41中。杆件42的另一端上做有穿过它的孔，另一摆动销43穿过可移动的支架构件26的相配端的对应的孔。因此，曲轴7的旋转导致销轴40绕带轮33的轴线的旋转，而带轮33本身又导致可移动的支架构件26的平行于其长度的往复直线运动，运动的幅度由销轴40的偏心确定。

在所有上面提到的实施例中，活塞的运动非常接近于在EP-A-0591153中所公开的内燃机的活塞的运动。这样，活塞在点火的地方或在其附近大大地减速，然后在到达TDC之前再次加速。活塞还在TDC之后在0°～40°的某个地方，而不是像在传统的内燃机中那样在TDC之后在90°左右处达到它的最大加速度和最大速度，以后在到达BDC之前在其工作冲程的后面部分移动得略比在传统的内燃机中慢。与传统的内燃机相比，在BDC处的停留时间也延长了。如果要求进一步在BDC处延长停留时间，则可以在图3和4的实施例中改变可移动的支架构件26和活塞的相对定时，而这将进一步提高容积效率。

Claims (9)

1．一种包括一个或更多的活塞(4)的内燃机，每个活塞都安装成能在各自的气缸(2)中往复并摆动地与一连杆(6)相连，该连杆与曲轴(7)上的各自的曲柄(10)相连，其特征为，连杆(6)摆动地与长形杆状构件(14)的一端相连，该构件在其两个端部之间的位置上与相配的曲柄(10)摆动地相连，而构件的另一端则构成一个杆(18)，该杆受到一支架(20、26、24)的约束，以致它可以绕一平行于曲轴(7)轴线(8)的枢轴(21)摆动并可沿平行于其长度的方向移动。

2．如权利要求1的内燃机，其特征为，支承包括一与一固定的支架构件(24)相连并可相对于它绕摆动的第一可移动的支架构件(20)，第一可移动的支架构件(20)用一接头与杆(18)相连，该接头允许沿杆(18)的方向作相对滑动。

3．如权利要求1的内燃机，其特征为，支承包括一第二可移动的支架构件(26)和一致动装置(31、40)，第二可移动的支架构件受到导向，以便相对于固定的支架构件(24)沿垂直于杆(18)的长度的方向直线地移动，而致动装置则与第二移动的支架构件(26)配合并被布置成将其直线地移动，第一可移动的支架构件(20)与第二可移动的支架构件(26)相连，以相对于它绕摆动轴线(21)摆动。

4．如权利要求3的内燃机，其特征为，致动装置包括至少一个与第二可移动的支架构件(26)配合的凸轮(31)。

5．如权利要求4的内燃机，其特征为，致动装置包括两个与第二可移动的支架构件(26)相反地配合的同样的凸轮(31)，两个凸轮(31)被结合成同步旋转。

6．如权利要求3的内燃机，其特征为，致动装置包括一与第二可移动的支架构件(26)配合的偏心轴销(40)。

7．如权利要求3至6的任一项的内燃机，其特征为，致动装置(31,40)与曲轴(4)如此结合，以致当内燃机在运行时，第二可移动的支架构件(26)连续直接地往复。

8．如权利要求3至7的任一项的内燃机，其特征为，摆动轴线(21)在位于其直线行程的中间位置时与曲轴(7)的旋转轴线(8)都位于基本垂直于气缸(2)的轴线延伸的平面中。

9．如前述权利要求的任一项的内燃机，其特征为，连杆(6)与长形杆状构件(14)相连，以绕摆动轴线(12)摆动，长形杆件(14)与支架(20、26、24)做成这样的尺寸和如此布置，以使当内燃机在运行时，摆动轴线(12)描绘出大体是椭圆形的路径(30)，椭圆的长轴基本平行于气缸(2)的轴线延伸。

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