用于內(nèi)燃機的可變沖程機構的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]本發(fā)明廣泛地涉及內(nèi)燃機，更具體地，涉及所謂的“可變沖程”發(fā)動機，其中，在發(fā)動機的總運行循環(huán)的期間，往復活塞與發(fā)動機曲柄軸之間的機械連接布置使活塞移動的程度改變。通常，這樣的機構其目的為，通過實現(xiàn)在膨脹沖程的期間有效地更大的機械曲柄臂和在進氣沖程的期間有效地更短的機械曲柄臂，從而提高內(nèi)燃機的效率。
[0002]常規(guī)內(nèi)燃機根據(jù)典型地被稱為進氣沖程、壓縮沖程、膨脹沖程以及排氣沖程的重復的一系列移動而運行。從這個意義上講，“沖程”將驅(qū)動活塞的往復移動描述為，驅(qū)動活塞來回地經(jīng)過發(fā)動機殼或“機體”中的圓柱形燃燒室。術語“循環(huán)”有時也可以與術語“沖程”可互換地使用。因此，根據(jù)上述的方式而運行的發(fā)動機一般地被稱為四循環(huán)或四沖程發(fā)動機，指示為了完成全功率循環(huán)，活塞必須在汽缸中往復四次?！把h(huán)”還用于描述發(fā)動機的完整的功率循環(huán)。術語的該用法在本領域技術人員范圍內(nèi)一致，對本領域技術人員而言很好理解。
[0003]如所指示的，各種設計已發(fā)展到，使發(fā)動機活塞在進氣、壓縮、膨脹或排氣沖程的期間或在這些沖程的任何組合的期間行進更長的或更短的距離，并且，在其行進的某個部分修改活塞速度。例如，每繞轉(zhuǎn)一次或每繞轉(zhuǎn)兩次，就使活塞的所謂的頂部或底部死點位置上移或下移。所有這些狀況是不同的版本的可變沖程發(fā)動機。查德伯恩(Chadbourne)的美國專利N0.1326129和克拉克(Clarke)的美國專利N0.4044629描述經(jīng)擴展的膨脹沖程。經(jīng)擴展的膨脹沖程的實際應用是由馬自達制造的米萊尼亞(Millenia)型號汽車，該車利用由美國工程師拉爾夫米勒(Ralph Miller)在1947年設計的類型的所謂的米勒循環(huán)發(fā)動機。米勒的發(fā)動機已在船舶和固定式發(fā)電站使用了一段時間。工程目標是，不干擾發(fā)電膨脹沖程，就降低發(fā)動機的壓縮比。在米勒循環(huán)發(fā)動機中，在空氣進氣閥關閉之前，活塞上升其沖程的五分之一。在沖程的頂部發(fā)生燃燒之后，膨脹的氣體將活塞沿路下推至沖程的底部，所以膨脹比不受影響。
[0004]在二十世紀前半世紀的期間，內(nèi)燃機領域技術人員通常認可，在繼每個膨脹沖程之后且在隨后的進氣沖程之前的排氣沖程的期間，必須將發(fā)動機汽缸內(nèi)側的燃燒產(chǎn)物盡可能完全地移除。許多不同的專利提出了獲得更大的排氣沖程的不同的方式。參見例如赫爾斯(Hulse)的美國專利N0.1326733、什韋特(Svete)的美國專利N0.2394269、卡迪(Cady)的美國專利N0.1786423、塔克(Tucker)的美國專利N0.1964096以及奧斯丁 (Austin)的美國專利N0.1278563。查德伯恩的美國專利N0.1326129和克拉克的美國專利N0.4044629也涉及更大的排氣和膨脹沖程。然而，由于在二十世紀后期實現(xiàn)的排放法規(guī)，新的發(fā)動機設計已取得進展，其中，使一部分廢氣再循環(huán)或保持于燃燒室中，以作為減少由燃燒室中的氧化氮引起的NOx (氮氧化物)的大氣排放的手段。這通過允許進氣歧管真空將廢氣通過EGR(廢氣再循環(huán))閥而抽吸至進氣歧管中來完成。
[0005]其他人已使用可變沖程設計來修改發(fā)動機壓縮比。已完成許多工作，尤其是在歐洲和日本，以借助于使活塞相對于汽缸蓋的位置改變的布置來實現(xiàn)所謂的可變壓縮比。
[0006]壓縮比是汽缸的容量與燃燒室的容量之間之比；換句話說，在進氣沖程的期間進入汽缸中的空氣燃料混合物于是被壓縮多達壓縮比值的次數(shù)。通常，壓縮比越高，發(fā)動機效率就越高。存在某些限制，諸如混合物預點火、爆震、發(fā)動機溫度乃至發(fā)動機構造。由于壓縮比是影響發(fā)動機效率的主要因素之一，因而期望針對不同的運行條件(速率、負荷、加速度等)而優(yōu)化壓縮比。謝克特(Schechter)的美國專利N0.5165368描述這樣的發(fā)動機的代表性的示例。
[0007]還已利用可變活塞沖程應用來優(yōu)化作用于活塞的壓力。出于該目的，在上死點附近，相對于常規(guī)活塞的速度，減小活塞速度，以使燃燒過程和作用于活塞的合力最大化。史卡爾(Schaal)等人的美國專利N0.5158047、威廉姆斯(Williams)的美國專利N0.5060603以及麥克沃特(McWhorter)的美國專利N0.3686972,3861239和4152955代表本構思。
[0008]最近，美國專利N0.5927236公開內(nèi)燃機設計，其中，利用齒輪組布置來經(jīng)由偏移支承表面而將發(fā)動機的曲柄軸與活塞連接桿連接，以實現(xiàn)完整的發(fā)動機功率循環(huán)期間的活塞沖程的長度的改變。具體地，該設計試圖在功率循環(huán)的膨脹部分的期間經(jīng)由增大有效的曲柄臂長度而增大活塞沖程，以增大轉(zhuǎn)矩輸出，并且，試圖在循環(huán)的進氣或進入部分和排氣部分的期間減小沖程和活塞速度，以增大容積效率，全部從而提高發(fā)動機的熱效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]從根本上說，本發(fā)明的目標是進一步推進上述的美國專利N0.5927236的發(fā)明。
[0010]更具體地，本發(fā)明的目標是利用美國專利N0.5927236的設計的可變沖程機構的改進來實現(xiàn)內(nèi)燃機中的轉(zhuǎn)矩輸出、馬力輸出、燃料效率、容積效率以及排放物減少的進一步
[0011]為了那些目的，本發(fā)明提供可根據(jù)四沖程循環(huán)而運行的經(jīng)改進的內(nèi)燃機，其中，活塞通過沿第一方向移動的進氣沖程、沿第二方向移動的壓縮沖程、沿第一方向移動的膨脹沖程以及沿第二方向移動的排氣沖程而在燃燒室內(nèi)往復。壓縮沖程結束時和膨脹沖程開始時的活塞的位置限定為上死點。基本上，本發(fā)明的發(fā)動機包括:發(fā)動機機體，限定至少一個燃燒室；曲柄軸，可旋轉(zhuǎn)地安裝于發(fā)動機機體；活塞，布置于燃燒室內(nèi)，用于沿著室軸線往復；以及連接桿，可樞轉(zhuǎn)地安裝于活塞。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，內(nèi)燃機中的用于產(chǎn)生可變沖程長度的機構利用機械嚙合組件來將連接桿可旋轉(zhuǎn)地連接至曲柄軸，用于將活塞的往復運動轉(zhuǎn)化成曲柄軸的旋轉(zhuǎn)運動。基本上，機械組件包括齒輪組，齒輪組至少包括不可旋轉(zhuǎn)地安裝于發(fā)動機機體的第一齒輪構件和與第一齒輪構件嚙合式地接合的第二齒輪構件。第二齒輪構件具有:第一支承表面，連接桿安裝于該第一支承表面；和第二支承表面，安裝于曲柄軸，用于使第二齒輪構件與曲柄軸旋轉(zhuǎn)。第二支承表面從曲柄軸軸線偏移，以在圍繞曲柄軸軸線的圓形路徑中移動，用于貫穿發(fā)動機的四沖程循環(huán)而將統(tǒng)一的機械曲柄臂施加于曲柄軸上。第一支承表面和第二支承表面以偏移距離彼此隔開，引起第一支承表面交替地在圍繞曲柄軸的內(nèi)橢圓路徑和外橢圓路徑中移動，用于將可變凸輪臂施加于曲柄軸上。因而，曲柄臂和凸輪臂之和引起活塞往復的長度貫穿發(fā)動機的四沖程循環(huán)而改變。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，第一支承表面的內(nèi)橢圓路徑和外橢圓路徑相交于位于燃燒室軸線或緊鄰燃燒室軸線的點，用于使曲柄臂和凸輪臂協(xié)作地在活塞的上死點位置處產(chǎn)生曲柄軸上的正轉(zhuǎn)矩。例如，在本發(fā)明的一個實施例中，第一支承表面的內(nèi)橢圓路徑和外橢圓路徑相交于與燃燒室軸線重合的點處。備選地，第一支承表面的內(nèi)橢圓路徑和外橢圓路徑可以相交于沿曲柄軸的旋轉(zhuǎn)的方向隔開燃燒室軸線之前預定的度數(shù)，優(yōu)選地小于或等于近似二十五度(25° )的點處，用于使排氣沖程結束時和進氣沖程開始時的活塞的位置以預定的間隔位于上死點位置下面，因而許可燃燒室在開始隨后的進氣沖程時保持預定的體積的排氣。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，第二齒輪構件的第一支承表面和第二支承表面選擇性地配置并制定尺寸，以實現(xiàn)凸輪臂的長度與曲柄臂的長度的預定比率。優(yōu)選地，凸輪臂長度是曲柄臂長度的至少近似20%，并且，可以多達曲柄臂長度的近似100%。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的相關方面，選擇凸輪臂的長度與曲柄臂的長度之比，以實現(xiàn)進氣沖程結束時的燃燒室中的預定的容積容量。
[0016]第一齒輪構件可以優(yōu)選地是小齒輪，第二齒輪構件可以優(yōu)選地包括冠狀齒輪部分，該冠狀齒輪部分圍繞環(huán)形主體的徑向向內(nèi)的表面形成有齒輪齒，以與小齒輪嚙合，從而以行星齒輪的方式圍繞小齒輪移動。第二齒輪構件還優(yōu)選地包括支承部分，該支承部分從冠狀齒輪部分向外伸出，具有形成于支承部分的外表面上的第一支承表面和形成于支承部分的內(nèi)表面上的第二支承表面。以該方式，連接桿可以在第一支承表面上旋轉(zhuǎn)，并且，第二支承表面可以在曲柄軸上旋轉(zhuǎn)。
[0017]本發(fā)明可適應于大體上任何內(nèi)燃機，并且，可以優(yōu)選地合并于具有多個燃燒室和數(shù)量與小于或等于燃燒室的數(shù)量相對應的多個齒輪組的多汽缸發(fā)動機中。
【附圖說明】
[0018]圖1是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的實施例的裝備有用于產(chǎn)生可變長度的活塞沖程的機械組件的經(jīng)改進的內(nèi)燃機的透視圖；
圖2是根據(jù)圖1的實施例的可變沖程機構的透視圖；
圖3是圖1和圖2的內(nèi)燃機和可變沖程