專利名稱：具有可變壓縮的二沖程發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及內燃機領域，尤其涉及實現可控壓縮比的技術。本發(fā)明還解 決有關這種內燃機的振動問題。
背景技術：
內燃機通常是汽車、摩托艇和便攜式電源裝置中發(fā)動機的首選。 人們正在付出大量努力以減小排放和增大發(fā)動機功率。
高功率的價格隨著越來越稀缺的發(fā)動機燃料和較高的燃料成本而增長。
努力提高功率的另一原因在于不斷增加的溫室效應，而提高發(fā)動機效率可在 一定程度上減緩溫室效應。而且，能夠代替礦物燃料的生物燃料將始終是稀 缺資源。
由于成功的催化劑技術，奧托發(fā)動機的廢氣排放很低，盡管其效率也很 低，尤其在部分負載時。該效率低下的原因在于，由于需要防止自點火(爆 震)而必需限制壓縮比。節(jié)流損失發(fā)生在部分負載時，由于與由發(fā)動機產生 的平均功率相比發(fā)動機一般相對較大，所以這些損失一般伴隨高比率的摩擦 損失。
盡管柴油發(fā)動機具有較為滿意的功率，但是其也具有顆粒和NOx排放 的問題。
盡管可以減小這些排放，所包含的成本和有關發(fā)動機運轉中的可靠性的 繼起問題使得柴油發(fā)動機對人們的吸引性變小。
因此，研究科學家變得均勻壓縮點火燃燒(HCCI)的使用非常感興趣， HCCI是一種通過使用簡單的氧化催化劑來處理NOx和無顆粒燃燒、CO和 HC排放的方法。那么，其壓縮比適于例如使點火點接近于在使用柴油發(fā)動機的情況下的壓縮比所得到的點火點，從而獲得高效的內燃機。燃燒也是快 速的，而和取決于速度的紊亂無關。盡管這種快速燃燒對于功率是有利的， 但是會產生有關噪音和有關每次燃燒循環(huán)所容許的最大燃料消耗的問題。因此，HCCI發(fā)動機的最大功率輸出一般低于傳統(tǒng)發(fā)動機。HCCI燃燒過程可通過可變壓縮比或者可變閥次數來控制。如果將所采 取的方法增加到已有的發(fā)動機概念中，兩種方法均會產生相當可觀的費用。振動是活塞發(fā)動機引起的另一問題。對于這些干擾振動，原理上有兩種 不同的原因，最熟知的原因是活塞和曲軸的相應部分的加速。消除這種振動 (該振動包括力幅值，而力幅值是發(fā)動機速度的二次方)的方法是在包括 少于六個汽缸的發(fā)動機中包含多個汽缸或者平衡軸。原理上，帶有雙倍數量 的反轉平衡軸的四汽缸發(fā)動機會相對于這種振動完全平衡。另一類型的振動與速度幅值無關。這是由于需要減緩飛輪曲軸，以獲得 給予發(fā)動機主體轉矩幅值的壓縮功。燃燒之后，曲軸將在通過燃燒氣體的擴 張獲得的有用功的影響下加速，同時在發(fā)動機主體上引起另一轉矩脈沖。在 這種情況中，通過包括多個汽缸也可減輕以上問題。不同于通過活塞加速產 生的振動，不論設置在共用曲軸上的汽缸數目有多少，都不可能消除這些振 動。這些轉矩振動會危害在低發(fā)動機速度下高轉矩時的發(fā)動機運轉。然而， 這種發(fā)動機性能的降低在低功率輸出時是能量最有效的。專利說明書WO88/05862教導一種包括反作用汽缸的內燃機，該汽缸的 曲軸通過固定的齒輪系統(tǒng)同步，該齒輪系統(tǒng)包括兩個齒輪和兩個在固定的支 承軸上的中間齒輪。其上安裝了齒輪系統(tǒng)的齒輪的 一 個曲軸被設置允許其角 度相對于其曲軸改變，以通過單獨的操縱裝置的方法來改變其相位，該操縱 裝置設置為諧波齒輪或者為可變齒槽聯(lián)軸節(jié)，或者為另外的操縱裝置，以改 變兩個傘齒輪之間的兩個軸的相對角位置。發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于能夠經濟地控制壓縮比，同時使以上所述的兩種振動模式能夠僅通過單獨的 一個汽缸被基本消除。該發(fā)動機配置可用作增壓或未增壓的奧托發(fā)動機，以始終使效率最大化 和避免由壓縮調節(jié)導致的爆震。該發(fā)動機配置可用作增壓或未增壓的奧托發(fā)動機，從而通過所述對適于 不同的十六烷數量和有限壓力的發(fā)動機的壓縮調節(jié)，發(fā)動機能夠一直起動， 并一直實現效率最大化的運轉。十六烷數量可在運轉的發(fā)動機上通過測量點 火延遲而測量。該發(fā)動機配置可用作增壓或未增壓的HCCI發(fā)動機，以通過壓縮調節(jié)控制點火時間。該發(fā)動機配置可用作增壓或未增壓的部分HCCI發(fā)動機，以通過壓縮調 節(jié)來控制點火時間，和使發(fā)動機模式在較高負載時能夠易于轉換到奧托模式 或者柴油機模式。在高功率輸出的HCCI運轉情況中，由于其有效的抗平衡，沒有閥系統(tǒng) 和設置有利的沖洗系統(tǒng)，發(fā)動機應該適于高速。在該操作模式中，低剩余氣 體的快速HCCI燃燒只能夠是有益的。這樣，發(fā)動機能夠提供無與倫比的高效的大運轉范圍。這意味著在混合 車輛情況中，與傳統(tǒng)發(fā)動4幾情況相比，應該可以將關于電池的充電和》文電的 轉變損失保持在較低水平，從而本發(fā)明的發(fā)動機概念極大的提高了燃料的經 濟性。
圖1示出汽缸的截面和詳細顯示排氣口與沖洗口。圖2示出用于壓縮控制的同步齒輪和設置裝置。圖3示出針對不同于圖2中所示設置的用于壓縮的同步齒輪。
具體實施方式
根據本發(fā)明，發(fā)動機為對置汽缸類型；見圖1。該發(fā)動機包括兩個曲軸1和3和與其相連的活塞2和4。曲軸1和2的旋轉通過圖2和3中所示的 傳動裝置來同步。由于設置了兩個中間齒輪15和16,曲軸1和3將沿相反 方向旋轉。如果可以保證曲軸1和3上的旋轉轉矩(包括固定連接的載荷， 舉例而言例如發(fā)電機)相一致，那么發(fā)動機將完全沒有任何力矩振動，這對 于大部分裝置是極其有益的，并且在發(fā)動機運動致使能量損失時會產生較小 的損失。由于活塞2和4向對方加速，所以可以忽略由質量力產生的振動，該振 動在高發(fā)動機轉數時最大。然而，當存在有很小的用于調節(jié)壓縮比的相差時， 該振動將作出很小的貢獻。在圖2和3中分別示出的傳動裝置的情況中，通過調節(jié)曲軸1與3之間 的相位，可在運轉過程中平滑和連續(xù)地實現壓縮比的調節(jié)。根據圖2,曲軸1和3中的每一個各自包括尺寸相一致的齒輪14和17。 齒輪14與齒輪15恒定嚙合，齒輪15懸掛在可繞齒輪14的中心運動的連桿 臂18上。類似地，齒輪17與齒輪16嚙合，齒輪15懸掛在可繞齒輪17的 中心運動的連桿20中。由于連桿19將該對齒輪15和16保持在一起，所以 該對齒輪15和16相互恒定嚙合。曲軸之間的相位可通過使用設置裝置21 移動齒輪15和16的中心點來設置。設置裝置21經由支架23連接在發(fā)動機 主體中，且經由連桿22緊固在該對齒輪15和16中。圖2和3示出兩個相 位的不同設置。盡管由于齒輪15和16的圓周速度與齒輪14和17的圓周速 度相同，曲軸還可通過包括相互不同尺寸的齒輪15和16的傳動裝置來同步。 從內置結構角度來講，這種設置可以非常有益。相調節(jié)機構可用于除設置曲軸之間的相位之外的目的。例如，相調節(jié)機發(fā)動機原理可為使用火花塞點火的奧托發(fā)動機，其中，圖1中的附圖標記13表示火花塞。發(fā)動機原理可為使用直接噴射的柴油發(fā)動機，其中，圖1中的附圖標記13表示噴射器。發(fā)動機原理可為HCCI發(fā)動機，其中，圖1中的附圖標記13對應于用 于指示點火狀態(tài)的傳感器。傳感器可為，例如壓力傳感器，加速計，或者測 力計或應變計。將在下文中參考示意出一般發(fā)動機結構的假想設計或者預想設計，詳細 描述HCCI的變型。在這種情況中，相調節(jié)用于將點火點設置在希望的曲柄角，而與發(fā)動機 速度、載荷、發(fā)動機溫度、燃料類型、吸氣溫度或者壓力無關。點火點適于 通過所測量點火點的反饋來控制。該示例發(fā)動機還設置有在排氣口 9中的快速運動的節(jié)流閥10,以能夠 快速控制剩余氣體量，當為了比設置馬達21所能達到的速度更為快速地改 變點火點，或者為了其它原因來控制剩余氣體量時，這變得必要。該發(fā)動機為長度沖洗的二沖程型發(fā)動機。在有效速率致使排氣口 9打開 之后，汽缸中的壓力將快速下降，其可下降一個或多個數量級。溢流口在到 達設定曲柄角之后打開。在這種情況中，盡管溢流口數量多于所示出的，溢 流口由附圖標記7和8表示。在這種壓力下降之后，殘留的廢氣通過經由溢 流口傳送的新鮮氣體排出。通過溢流口驅動流體進入的壓力可來源于可用作 典型沖洗泵的曲柄殼體5和6，或者來源于單獨的沖洗泵。根據經由沖洗口 抽進的和受汽缸中的混合現象影響的流體量級， 一 定量的熱剩余氣體將殘留 在汽缸中直到下 一 個燃燒相位。殘留的剩余氣體量將影響燃燒相位以及燃燒 速度。大量剩余氣體會導致較為平穩(wěn)的燃燒過程，這對低rpm的HCCI發(fā)動 機是有益的。在例如混合車輛應用的低載荷情況中，來自曲柄殼體6的流體可通過閥 11減小或者完全切斷。當溢流通道8被全部切斷時，通過抽吸曲柄殼體6 產生的泵損失將非常小。然后在曲柄殼體6中發(fā)生壓縮，隨之而來的膨脹相位一直到接近起動壓力。這種運轉模式能夠在低載荷下實現高效率。根據二沖程發(fā)動機已知的傳統(tǒng)方法可用于使用新鮮氣體再填充曲柄殼體。這種方法包括柱塞控制口、簧片閥和滑閥的使用。燃料適于通過噴射器12的噴射供應?？商鎿Q地，通過例如通道噴射或 者經由汽化器，燃料混合可在迫使燃燒氣體進入汽缸之前完成。然后，自然 選擇將只對一個曲柄殼體提供燃料混合，同時，來自另一曲柄殼體的溢流通道將只包含空氣。這可為偏置來自兩個曲柄殼體的溢流口的曲柄角提供基 礎。該沖洗方法使廢氣和新鮮氣體能夠在汽缸中分層。另外，還可以使兩種沖洗介質分層。沖洗介質可為純空氣、燃料-空氣混合氣、混合有冷卻的EGR 氣體的空氣、純EGR氣體或者用于不同曲柄殼體的相互不同溫度的混合氣。 在HCCI環(huán)境中分層極為有益。舉例而言，過多的稀薄混合氣具有低燃燒效 率。非均勻條件能夠產生較為緩慢和平穩(wěn)的燃燒。調節(jié)曲軸1和3之間的相位以將壓縮比設置為希望的水平?？梢詫崿F名 義上的相移，從而使控制排氣口打開的曲軸位于控制溢流口打開的曲軸之 前。其原因可在于，比對稱情況中更早的關閉一個排氣口或者多個排氣口， 多半在溢流口之前。在增壓發(fā)動機的情況中，排氣口的較早關閉使汽缸的填 充更加有效。為了設置壓縮比，與溢流口的定時選擇相比，曲軸的相變將影響排氣口 的定時選擇。因此，有必要尋求覆蓋所有運轉區(qū)域的組合。
權利要求
1、一種二沖程對置汽缸發(fā)動機，其包括兩個曲軸(1，3)，該曲軸(1，3)的每一個均連接到相應的曲軸齒輪(14，17)，該曲軸齒輪(14，17)的每一個均與中間齒輪(15，16)嚙合，該中間齒輪(15，16)接著相互嚙合以使曲軸(1，3)的運動同步，其特征在于，所述兩個中間齒輪(15，16)的中心位置適于共同移置，以通過所述兩個曲軸(1，3)之間的可調相位的手段實現可調壓縮比。
2、 根據權利要求1所述的發(fā)動機，其特征在于，所述兩個中間齒輪(15, 16)的中心位置位于將所述中間齒輪保持在一起的連桿(19)上。
3、 根據權利要求2所述的發(fā)動機，其特征在于，設置裝置(21)連接 到連桿(19)以用于移置所述連桿。
4、 根據權利要求1至3中任意一項所述的發(fā)動機，其特征在于，所述 曲軸(1， 3)適于沿彼此相反的方向旋轉。
5、 根據權利要求1至4中任意一項所述的發(fā)動機，其特征在于，曲柄 殼體沖洗系統(tǒng)適于被打開以用于沖洗的目的，或者適于通過設置在所述曲柄 殼體與進出口開孔之間的閥裝置(11)來關閉。
6、 根據權利要求1至5中任意一項所述的發(fā)動機，其特征在于，所述 曲軸(1， 3)之間的名義相位被設置以使排氣口 (9)相對于對稱口時間更 早地關閉。
7、 根據權利要求1至6中任意一項所述的發(fā)動機，其特征在于，曲軸 (1, 3)之間的名義相位使排氣口 (9)比溢流口 (7， 8)更早關閉。
全文摘要
本發(fā)明由二沖程對置汽缸發(fā)動機組成，該發(fā)動機包括長度沖洗系統(tǒng)和兩個曲軸(1，3)和允許在運轉中調節(jié)壓縮比的新型相設置機構。兩個中間齒輪(15)和(16)使曲軸(1，3)同步旋轉。通過設置裝置(21)移動兩個齒輪(15，16)的中心位置，以改變曲軸(1，3)之間的相位及其壓縮。通過兩個中間齒輪(15，16)，曲軸將沿相反方向旋轉，并隨之消除與轉矩相關的振動。
文檔編號F02D15/02GK101258304SQ200680032571
公開日2008年9月3日 申請日期2006年9月4日 優(yōu)先權日2005年9月6日
發(fā)明者漢斯-埃里克·安格斯特倫, 湯姆·惠特洛克 申請人:Hcci技術公司