可變沖程與壓縮比的內(nèi)燃機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種新型可變沖程和壓縮比的內(nèi)燃機(jī)，通過沖程和壓縮比調(diào)節(jié)的技術(shù)達(dá)到提尚發(fā)動(dòng)機(jī)性能的目的。
【背景技術(shù)】
[0002]在內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的100多年歷史中，研究者們一直試圖提高其熱效率并降低其排放。其中一種使一般火花點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)在低負(fù)荷時(shí)達(dá)到高熱效率和低排放的方式就是減小內(nèi)燃機(jī)排量，這樣在低負(fù)荷時(shí)，小排量的內(nèi)燃機(jī)節(jié)氣門必須開大，栗氣損失就降低，內(nèi)燃機(jī)熱效率增高，但是內(nèi)燃機(jī)在高負(fù)荷的時(shí)候又需要更大的排量以提供足夠的功率。內(nèi)燃機(jī)的這些不同工況下對排量的要求給內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)帶來了許多的挑戰(zhàn)。
[0003]—種實(shí)現(xiàn)可變排量的方式是在部分負(fù)荷時(shí)有選擇地關(guān)閉一個(gè)或數(shù)個(gè)氣缸。這就意味著通過在不同工況下關(guān)閉不同數(shù)量的氣缸來達(dá)到改變排量的目的，而不是在小負(fù)荷時(shí)關(guān)閉部分節(jié)氣門來減少進(jìn)入氣缸的油和空氣混合氣的量。在高負(fù)荷工況時(shí)，有更多的氣缸進(jìn)行工作以提供需要的功率。低負(fù)荷工況下關(guān)閉氣缸是通過對選定氣缸停止供油的方式來達(dá)到的。但這就導(dǎo)致了在排氣系統(tǒng)中的非當(dāng)量空燃比排氣，因此傳統(tǒng)三元催化反應(yīng)器就無法滿足排放要求，也就需要其他更加昂貴的后處理裝置來滿足排放要求，例如Ν0Χ捕捉器或者SCR裝置。另一種實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷小排量的方式是渦輪增壓汽油內(nèi)燃機(jī)。這種內(nèi)燃機(jī)可以在低負(fù)荷的工況下有效地提高內(nèi)燃機(jī)效率，這是因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)排量小，節(jié)氣門就需要比大排量內(nèi)燃機(jī)開的更大，這樣的話栗氣損失就會(huì)降低。在高負(fù)荷的工況時(shí)，通過渦輪增壓系統(tǒng)提高進(jìn)氣壓力來增加進(jìn)入氣缸的混合氣量，從而提高內(nèi)燃機(jī)功率。這種渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本也高。
[0004]可變沖程是另一種達(dá)到改變排量的方式。其中一種可變沖程的概念稱之Atkinson循環(huán)，既加長膨脹和排氣沖程，同時(shí)縮短進(jìn)氣和壓縮沖程。這種循環(huán)可以通過米勒循環(huán)來實(shí)現(xiàn)，米勒循環(huán)推遲了進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)間從而降低有效壓縮沖程，使得壓縮沖程比膨脹沖程短。Chadboume U.S.PAT.N0.1326129 和 CLARKE, U.S.PAT.N0.4044629 介紹了一種增長膨脹沖程的內(nèi)燃機(jī)專利。馬自達(dá)做過這種米勒循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)。本田公司開發(fā)過一種多連桿系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的可變沖程內(nèi)燃機(jī)，并且申請了一系列的發(fā)明專利。NAKAMURA，ETAL.U.S.PAT.N0.6575128HIY0SHI ET AL, U.S.PAT.N0.6595186 Α0ΥΑΜΑ.ET AL.US.PAT.N0.6647935N0HARA.ET AL.US.PAT.N0.723424N0HARA.ET AL.U.S.PAT.N0.6550436 和 YOSHIKAWA.ET ALU.S.PAT.N0.8261703 介紹了這些發(fā)明。Luis Marino Gonazlez.U.S.PAT.N0.5927236 和U.S.PAT.N0.2012/0291755中介紹了一種內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)，通過齒輪結(jié)構(gòu)鏈接曲軸并通過偏心軸承表面與活塞連桿鏈接。這些可變沖程發(fā)明的最終目的都是為了達(dá)到活塞沖程在一個(gè)內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)中可以變動(dòng)的目的。其實(shí)都是通過增長膨脹沖程來達(dá)到增加扭矩輸出，在進(jìn)氣過程中縮短沖程和降低活塞速度來降低栗氣損失。
[0005]除了上述這些通過在內(nèi)燃機(jī)一個(gè)工作循環(huán)中改變沖程的機(jī)械結(jié)構(gòu)之外還有其他發(fā)明，例如 CARL D HEFKEV.U.S.PAT.N0.727092 和 U.S.PAT.N0.5335632 就介紹了一種通過偏心曲軸的方式在不同工況下改變沖程的機(jī)械裝置。這種裝置可以實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷時(shí)低排量，高負(fù)荷時(shí)高排量的目的。
[0006]汽油機(jī)的壓縮比應(yīng)該在無爆震的情況下越高越好，柴油機(jī)的壓縮比也是在其氣缸峰值壓力許可范圍內(nèi)，越高越好。因此也就需要在內(nèi)燃機(jī)整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，根據(jù)不同負(fù)荷和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)壓縮比來提高內(nèi)燃機(jī)的效率。另外，如果一個(gè)內(nèi)燃機(jī)用不同的燃料，那么壓縮比就應(yīng)該隨著燃料的不同而改變。一般來說，高辛烷值的燃油可以用高一些的壓縮比以提高熱效率。
[0007]綜上所述，最佳的內(nèi)燃機(jī)排量和壓縮比都應(yīng)該是能根據(jù)不同的工況和燃料而改變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]鑒于以上所述內(nèi)燃機(jī)的性能要求和以前發(fā)明所面臨的問題，本發(fā)明的第一個(gè)目標(biāo)是提供一個(gè)擁有高熱效率低排放的可變沖程內(nèi)燃機(jī)。沖程的改變是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)功率要求而定的。也就是說內(nèi)燃機(jī)沖程在高負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速的情況下增長，提供更大的排量，在低速低負(fù)荷時(shí)沖程縮短，減小排量以提高熱效率。
[0009]本發(fā)明的第二個(gè)目標(biāo)是提供一種方法來改變內(nèi)燃機(jī)的壓縮比。壓縮比的要求是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)工況和燃料的不同所確定的，是使內(nèi)燃機(jī)在此工況下具有最高的熱效率。
[0010]本發(fā)明的第三個(gè)目標(biāo)是提供一種內(nèi)燃機(jī)沖程和壓縮比的控制策略。對汽油機(jī)而言，當(dāng)工況改變時(shí)，則控制系統(tǒng)可把沖程和壓縮比調(diào)節(jié)到它們的最佳值，從而達(dá)到最優(yōu)。在高速和高負(fù)荷范圍內(nèi)，節(jié)氣門通常保持在全開或者近乎全開的狀態(tài)，并且壓縮比基本保持恒定。沖程根據(jù)內(nèi)燃機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)速的要求而改變。在低負(fù)載和低轉(zhuǎn)速時(shí)，沖程通常調(diào)節(jié)到最小值并保持不變，節(jié)氣門配合轉(zhuǎn)速和負(fù)載要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，壓縮比相應(yīng)調(diào)節(jié)為內(nèi)燃機(jī)提供高的熱效率。
[0011 ] 這些目標(biāo)都可通過本發(fā)明的可變沖程與壓縮比內(nèi)燃機(jī)來實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)包括了:至少一個(gè)在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞，一個(gè)安裝在缸體上并可旋轉(zhuǎn)的曲軸，每個(gè)氣缸都對應(yīng)有一個(gè)水平連桿，該連桿一端連接曲柄銷并可隨曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端連接一個(gè)擺軸；一個(gè)豎直連桿一端利用活塞銷和活塞連接，另一端(通常稱為連桿大頭)在位于水平連桿的中間某個(gè)位置通過一個(gè)銷連接水平連桿；一個(gè)裝載在內(nèi)燃機(jī)機(jī)體上的裝置用于控制擺軸在水平與豎直方向上的位移以達(dá)到改變沖程與壓縮比的目的。
[0012]這個(gè)用于移動(dòng)和水平連桿連接的擺軸支點(diǎn)的裝置，可以是液壓控制裝置，也可以是電力控制裝置。該裝置可以控制擺軸在水平和豎直方向分別移動(dòng)或者按照一個(gè)特定的路徑在水平和豎直方向同時(shí)移動(dòng)。該裝置可以是對每個(gè)氣缸分別控制其擺軸的位移，也可以為多缸內(nèi)燃機(jī)同時(shí)控制和移動(dòng)所有氣缸所對應(yīng)的擺軸。
[0013]本發(fā)明所述內(nèi)燃機(jī)的沖程是由曲軸半徑，豎直連桿大頭位置，以及連接水平連桿的擺軸的位置所確定的。當(dāng)擺軸朝曲軸方向移動(dòng)時(shí)，沖程降低，反之則沖程變大。沖程的變化范圍根據(jù)擺軸可移動(dòng)的最大位移來確定。更大的沖程變化要求更大的擺軸位移范圍。所以沖程變化范圍受制于內(nèi)燃機(jī)尺寸的大小。
[0014]擺軸通過豎直移動(dòng)控制壓縮比。壓縮比不僅與內(nèi)燃機(jī)工況有關(guān)還與燃料類型息息相關(guān)。根據(jù)不同的情況需要進(jìn)行詳細(xì)的個(gè)案分析來確定壓縮比要求。理論上來說，低負(fù)荷下的節(jié)氣門關(guān)閉多的工況，應(yīng)該應(yīng)用更高的壓縮比。
[0015]后面，有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例將會(huì)通過圖紙和描述的方式具體解釋說明。
【附圖說明】
[0016]圖1本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例3D例圖；
[0017]圖2根據(jù)圖1中實(shí)施例所給出的剖面圖；
[0018]圖3為圖1中的可變沖程可變壓縮比實(shí)施例機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖；
[0019]圖4為圖1實(shí)施例中所述當(dāng)沖程位于最小位置時(shí)銷6的軌跡圖；
[0020]圖5為與圖4在相同情況下的活塞運(yùn)動(dòng)位置和曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系的曲線圖；
[0021]圖6為圖1實(shí)施例中所述當(dāng)沖程位于最大位置時(shí)銷6的軌跡圖；
[0022]圖7為與圖6在相同情況下的活塞運(yùn)動(dòng)位置和曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系的曲線圖；
[0023]圖8為圖1實(shí)施例所示最小沖程時(shí)氣缸容積的變化與最大沖程相當(dāng)排量的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)氣缸容積變化曲線的對比圖；
[0024]圖9為圖1實(shí)施例所示的控制沖程和壓縮比的策略說明；
[0025]圖10為本發(fā)明的另一實(shí)施例示意圖，其中用滑塊和滑槽代替了圖1實(shí)施例中的擺軸；
[0026]圖11為本發(fā)明和圖1實(shí)施例有所不同的另一個(gè)實(shí)施例示意圖，其中豎直連桿在水平連桿的遠(yuǎn)端以銷釘與其連接，而曲柄銷位于水平連桿中間和其連接；
[0027]圖12為圖3中所示用于移動(dòng)擺軸支點(diǎn)在X與Y方向運(yùn)動(dòng)的位移控制臺裝置示意圖。
[0028]具體實(shí)施的詳細(xì)描述
[0029]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述。
[0030]圖1是一個(gè)本發(fā)明可變沖程可變壓縮比內(nèi)燃機(jī)的實(shí)施例3D圖形。
[0031]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的剖面圖。如圖2所示，一個(gè)活塞1可在氣缸2內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并與一個(gè)豎直連桿3通過活塞銷4連接，豎直連桿3的另一端與水平連桿5通過一個(gè)銷6在水平連桿中間某處進(jìn)行連接。水平連桿5的一端與一個(gè)傳統(tǒng)曲軸8的曲柄銷7連接，另一端與擺軸9相連。裝置10可控制擺軸9在水平與豎直方向上進(jìn)行移動(dòng)。裝置10類似于固定在機(jī)體上的位移臺(機(jī)體在圖中沒有表示)。不論是步進(jìn)電機(jī)還是液壓裝置都可運(yùn)用到該裝置上來達(dá)到讓擺軸9在水平和豎直方向上移動(dòng)的目的。本發(fā)明實(shí)施例所述內(nèi)燃機(jī)的其他部件，例如進(jìn)排氣系統(tǒng)等因與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相似所以并未進(jìn)行闡述說明。
[0032]圖3是本發(fā)明實(shí)施例可變沖程可變壓縮比內(nèi)燃機(jī)的簡易原理圖。一個(gè)半徑為r的曲軸8，一個(gè)水平連桿5和一個(gè)擺軸9組成了一個(gè)典型的