具有可变压缩比的独立压缩膨胀比发动机的制作方法

本公开总体涉及一种内燃机。

背景技术：

内燃机包括可以在发动机缸体的缸膛内滑动的活塞。活塞往复运动，经过至少具有压缩冲程长度的压缩冲程和具有膨胀冲程长度的膨胀冲程。标准奥托循环内燃机中，连杆相对于曲柄轴线偏心连接到曲轴。连杆使活塞和曲轴互连。曲轴的旋转使活塞移动通过其压缩和膨胀冲程，压缩冲程长度等于膨胀冲程长度。

阿特金森循环内燃机使用联杆系统，使活塞、曲轴与平行控制轴互连。阿特金森循环发动机的独特联杆系统使压缩冲程长度小于膨胀冲程长度。通过减少压缩冲程相对于膨胀冲程的长度，使压缩比小于膨胀比。这增加了发动机在某些操作条件下的燃油经济性。

压缩比是内燃机基本技术规格之一。内燃机的压缩比值，表示发动机燃烧室最大容积与最小容积之比。往复式内燃机中，压缩比通常被定义为活塞位于其压缩冲程底部时气缸和燃烧室的容积与活塞位于其压缩冲程顶部时燃烧室的容积之比。

阿特金森循环内燃机的现代变型就是米勒循环内燃机。米勒循环内燃机使用气门正时来达到阿特金森循环内燃机的联杆系统所能提供的效果，即压缩冲程长度小于膨胀冲程长度。米勒循环内燃机使用气门正时在压缩冲程的初始阶段保持进气门打开，从而有效地缩短了有效压缩冲程长度。米勒循环内燃机因其潜在的燃油经济性增益被越来越广泛地使用。在低负载和低发动机转速下，米勒循环内燃机提供了显著的燃油经济性节省，特别是结合高压缩比以利用热效率增益时更是如此。然而，在高负载和高发动机转速下，具有高压缩比的米勒循环内燃机就变得非常受限，无法实现发动机的最大功率潜力。

技术实现要素：

本发明提供了一种内燃机。该内燃机包括限定缸膛的发动机缸体。活塞可滑动地支撑在缸膛内。曲轴由发动机缸体可旋转地支撑，且可围绕曲柄轴线旋转。控制轴由发动机缸体可旋转地支撑，且可围绕控制轴线旋转。控制轴线平行于曲柄轴线，且横向偏离曲柄轴线。联杆可旋转地连接到曲轴。下连杆包括可旋转地连接到联杆的第一端，以及可旋转地连接到控制轴的第二端。上连杆包括可旋转地连接到联杆的第一端，以及可旋转地连接到活塞的第二端。下连杆的第二端与控制轴可旋转地连接在一个偏离控制轴线的位置上，以限定下连杆和控制轴之间相对于控制轴线的偏心连接。

下连杆的第二端可以相对于曲轴移动，以便在活塞的压缩冲程内调整活塞在缸膛内的压缩冲程长度。更具体地说，控制轴围绕控制轴线的旋转运动使下连杆的第二端围绕控制轴线旋转，以调节活塞在压缩冲程中在缸膛内的压缩冲程长度。

因此，通过移动下连杆的第二端，可以改变压缩冲程长度。改变压缩冲程长度就改变了压缩比。因此，移动下连杆的第二端，就改变了内燃机的压缩比，从而提供了具有可变压缩比的内燃机。本文所述的内燃机具有小于膨胀冲程长度的压缩冲程长度，能够改变或调整压缩冲程长度而改变压缩比。这使内燃机能够高效运行，使用米勒循环在低负载和低发动机转速下具有高压缩比，然后缩短压缩冲程长度以减小压缩比，使内燃机可以在高负载和高发动机转速下高效运行。

从以下结合附图对本发明的优选实施例的详细说明中，可以容易地了解本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点。

附图说明

图1是示出了控制轴位于第一旋转位置的内燃机的示意性部分截面图。

图2是示出了控制轴位于第二旋转位置的内燃机的示意性部分截面图。

图3是示出了一个发动机循环中活塞冲程的示例图。

具体实施方式

本领域普通技术人员应该认识到，“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”等术语的使用是为了描述附图，并不表示对本发明范围的限制，其范围是由所附权利要求所限定的。而且，在此可以用功能和/或逻辑块组件和/或各种过程步骤描述本发明。应该意识到，这些块组件可以包括被配置为执行特定功能的任何数量的硬件、软件和/或固件组件。

参照附图，其中在所有几个视图中相同的数字表示相同的部件，在图1和图2中内燃机总体上表示为20。参照图1和图2，内燃机20包括发动机缸体22，其限定至少一个缸膛24。虽然附图只显示发动机缸体22中缸膛24仅有一个，应该认识到，发动机缸体22可以被配置为包含多个缸膛24。例如，发动机缸体22可以被配置为具有2、4、6、8或10个缸膛24的v型发动机，或者为具有一个或多个缸膛24的直列型发动机。应该认识到，发动机缸体22可以用不同于上述示范性v型或直列型发动机的方式配置，而且可以包括除本文所述示范性数字之外的任何数量的缸膛24。

汽缸盖26附连至发动机缸体22，与缸膛24的上端相邻。汽缸盖26可以包括，但不仅限于，进气门、排气门、燃料喷射器、电热塞，或者适用于内燃机20特定预期运行的其他设备，正如本领域所公知的。

活塞28可滑动支撑在缸膛24内。应该认识到，发动机缸体22的每一个缸膛24都包括可滑动地设置在其相应缸膛24内的相应活塞28。活塞28可滑动支撑在缸膛24内，以便在缸膛24内往复运动。活塞28以往复运动通过至少具有压缩冲程长度的压缩冲程，以及具有膨胀冲程长度的膨胀冲程。膨胀冲程也可以称为燃烧冲程。汽缸盖26、缸膛24的膛壁以及活塞28一起协作限定其间的腔室30。下面将详细描述包括压缩冲程和膨胀冲程的内燃机20的循环，参见图3。

曲轴32由发动机缸体22可旋转地支撑。曲轴32可以以任何适当的方式联接到并可旋转地支撑在发动机缸体22上。例如，正如本领域已知的，曲轴32可以由多个轴承可旋转地支撑，并用多个曲轴帽固定在发动机缸体22上。曲轴32可以围绕曲柄轴线34旋转。曲柄轴线34是由曲轴32限定的，可被认为是曲轴32的中央纵向轴线。曲轴32包括至少一个曲臂36。曲臂36从曲柄轴线34处延伸至限定曲柄销的远端37。本领域技术人员应当理解，如果内燃机20包含多个缸膛24和活塞28，那么曲轴32将同样包含多个曲臂36和曲柄销。

控制轴38由发动机缸体22可旋转地支撑。控制轴38可以以任何合适的方式联接到并可旋转地支撑到发动机缸体22。例如，控制轴38可以用多个轴承可旋转地支撑，并用多个封盖或夹具固定在发动机缸体22上。控制轴38可以围绕控制轴线40旋转。控制轴线40平行于曲柄轴线34，并且横向偏离曲柄轴线34。控制轴线40由控制轴38限定，可被认为是控制轴38的中央纵向轴线。

内燃机20包括使活塞28、曲轴32和控制轴38互连的联杆系统42。联杆系统42包括接杆44、上连杆46和下连杆48。联杆系统42把活塞28在缸膛24内的线性运动转化成曲轴32的旋转运动。

联杆44可旋转地连接到曲轴32、上连杆46和下连杆48。联杆44包含长臂部分50，其沿长臂轴线52延伸，在第一端54和第二端56之间。在长臂部分50的第一端54，联杆44被连接到曲臂36。更具体地说，长臂部分50的第一端54被连接到曲臂36，与曲臂36的远端37相邻，在曲柄销处。联杆44可围绕第一轴线58相对于曲臂36旋转。第一轴线58由曲柄销限定。第一轴线58平行于曲柄轴线34，并且横向偏离曲柄轴线34。因此，长臂部分50的第一端54，在相对于曲柄轴线34的偏心位置处，被连接到曲柄销。

如上所述，联杆44包括长臂部分50。此外，联杆44包括上臂部分60和下臂部分62。上臂部分60从长臂部分50的长臂轴线52处，沿上臂轴线64延伸至远端65。下臂部分62从长臂部分50的长臂轴线52处，沿下臂轴线66延伸至远端67。上臂部分60和下臂部分62设置在长臂部分50的相对侧。因此，长臂部分50、上臂部分60和下臂部分62形成一个大致t形的结构。长臂部分50的长臂轴线52和上臂部分60的上臂轴线64之间形成一个上部角度68。上部角度68可以为30°到90°。然而，应该认识到，上部角度68可以不同于本文提供的示范性范围。长臂部分50的长臂轴线52和下臂部分62的下臂轴线66之间形成了下部角度70。下部角度70可以为90°到150°。然而，应该认识到，下部角度70可以不同于本文提供的示范性范围。在一些实施例中，上部角度68和下部角度70为互补角度。正如这里使用的，术语“互补角度”被定义为加起来等于180°的角度。然而，在其它实施例中，应该认识到，上部角度68和下部角度70可以不是互补角度。在一个示范实施例中，上部角度68约等于75°，下部角度70约等于105°。

上连杆46包括第一端72和第二端74。上连杆46的第一端72可旋转地连接到联杆44。更具体地说，上连杆46的第一端72连接到联杆44，与联杆44的上臂部分60的远端65相邻。上连杆46的第二端74可旋转地连接到活塞28，如本领域已知的那样。

下连杆48包括第一端76和第二端78。下连杆48的第一端76可旋转地连接到联杆44。更具体地说，下连杆48的第一端76连接到联杆44，与联杆44的下臂部分62的远端67相邻。下连杆48的第二端78可旋转地连接到控制轴38。下连杆48的第二端78与控制轴38彼此可旋转地相连，以便围绕第二轴线80彼此相对旋转。因此，下连杆48可以围绕第二轴线80相对于控制轴38旋转。第二轴线80平行于控制轴线40，并且横向偏离控制轴线40。正因为如此，下连杆48的第二端78与控制轴38彼此相连，以便围绕偏离控制轴线40的第二轴线80旋转，限定下连杆48和控制轴38之间相对于控制轴线40的偏心连接。

致动器82联接到控制轴38。致动器82可操作用于使控制轴38围绕控制轴线40旋转。控制轴38围绕控制轴线40的旋转运动，使得下连杆48的第二端78围绕控制轴线40旋转。图1显示了控制轴38处于相对于控制轴线40的第一旋转位置，图2显示了控制轴38已从图1所示的位置旋转到了相对于控制轴线40的第二旋转位置。下连杆48的第二端78围绕控制轴线40的旋转改变了下连杆48的第二端78相对于曲轴32和发动机缸体22的位置，从而改变了联杆系统42在曲轴32旋转周期中的相对位置和运动。因此，通过使控制轴38围绕控制轴线40旋转，可以使下连杆48的第二端78围绕控制轴线40旋转，来调节活塞28在缸膛24内压缩冲程时的压缩冲程长度。因此，致动器82可操作用于使下连杆48相对于曲轴32和/或发动机缸体22移动，来调节活塞28的压缩冲程长度。

致动器82可以包括任何类型和/或配置，包括能够使控制轴38围绕控制轴线40旋转的任何必要的传动或连接装置84。例如，致动器82可以包括线性致动器或旋转致动器。正如本领域技术人员所理解的，旋转致动器产生旋转输出。旋转致动器的例子包括，但不限于，步进电动机。然而，应该认识到，旋转致动器可以包括本文未说明的其他设备。旋转致动器可以通过蜗轮或其他类型齿轮传动系统联接到控制轴38。正如本领域技术人员所理解的，线性致动器产生线性输出，即线性运动。线性致动器的例子可以包括，但不限于，液压或气压致动滑阀。线性致动器也可以采用但不限于滚珠螺杆等机构，将旋转转化为线性运动。线性致动器可以在相对于控制轴线40的偏心位置联接到控制轴38，以便在控制轴38中生成扭矩，以响应线性运动使控制轴38旋转。

在此所示和所述的示范性实施例包括致动器82，其被联接到控制轴38，后者又连接到下连杆48的第二端78，应该认识到，致动器82也可以直接联接到下连杆48的第二端78。在这样的配置中，致动器82将直接控制下连杆48的第二端78的位置和运动，从而控制活塞28压缩冲程过程中的压缩冲程长度。这样的结构将消除对控制轴38的需要。

如上所述，上述联杆系统42使活塞28移动经过发动机循环100。参照图3，内燃机20发动机循环100的示例图总体上表示为100。活塞28的位置总体上沿垂直轴102显示，循环的阶段或持续时间总体上沿水平轴104显示。排气冲程结束和进气冲程开始时活塞28的上死点总体上表示为点106。因此，由于图3示例图显示了活塞28的一个完整循环，在排气冲程结束和进气冲程开始时活塞28的上死点106，发生在发动机循环100的最左侧和最右侧，如图3的页面所示。

如图3所示，对发动机循环100的描述从发动机循环100最左侧的活塞28的上死点106开始，活塞28在缸膛24内向下移动并开始进气冲程，汽缸盖26中的进气门打开，以允许燃料和燃烧空气进入燃烧室30。进气冲程总体上表示为尺寸线108。进气冲程的结束发生在点110。活塞28的进气冲程包括由尺寸线112所示的进气冲程长度。在进气冲程108结束时，进气门关闭，活塞28开始在缸膛24内向汽缸盖26向上移动，并开始活塞28的压缩冲程。活塞28的压缩冲程总体上表示为尺寸线114。压缩冲程的结束发生在点116。压缩冲程长度总体上表示为尺寸线118。压缩冲程114结束时，燃料空气混合物被点燃，活塞28开始向下移动，离开汽缸盖26，燃烧或膨胀冲程开始，在此期间被点燃的燃料空气混合物快速膨胀并迫使活塞28在缸膛24内向下移动。活塞28的膨胀冲程总体上表示为尺寸线120。膨胀冲程的结束发生在点122。膨胀冲程长度总体上表示为尺寸线124。膨胀冲程120结束时，汽缸盖26中的排气门打开，活塞28开始在缸膛24内向着汽缸盖26向上移动，使燃烧后的气体排出排气门。排气冲程开始。排气冲程总体上表示为尺寸线126。排气冲程的结束发生在活塞28的上死点106，如图3发动机循环100的最右侧所示。排气冲程126包括总体上由尺寸线128所示的排气冲程长度。

图3所示发动机循环100的示例图显示，压缩冲程长度118小于膨胀冲程长度124。通过改变下连杆48的位置，比如旋转控制轴38去旋转下连杆48的第二端78，来改变联杆系统42的运动或路径，从而改变活塞28的压缩冲程长度118。通过改变活塞28的压缩冲程长度118，改变了内燃机的压缩比。压缩冲程长度缩短很小一点，例如1-2毫米，就会显著降低内燃机20压缩冲程114期间的压缩比。因此，通过控制下连杆48的位置，可以控制并改变内燃机20的压缩比，使其在一些发动机操作条件下具有高压缩比，在另一些发动机操作条件下具有低压缩比。本文所述内燃机20提供了一种可变压缩比发动机，其使用阿特金森循环，在高负载和高发动机转速条件以及低负载和低发动机转速条件下，压缩冲程长度118小于膨胀冲程长度124，使得内燃机20在所有操作条件下都能从阿特金森循环实现燃油经济性增益。

应该认识到，为了控制发动机循环100，可以专门设计联杆系统42的尺寸。例如，上部角度68和下部角度可以改变。联杆44的长度，即长臂部分50的第一端54与第二端56之间，可以改变。联杆44上臂部分60的长度，即长臂轴线52和上臂部分60的远端65之间，可以改变。联杆44下臂部分62的长度，即长臂轴线52和下臂部分62的远端67之间，可以改变。下连杆48的长度，即下连杆48的第一端76和第二端78之间，可以改变。内燃机20各个组件的具体长度和角度当然要取决于内燃机20的具体尺寸和配置。然而，应该认识到，可以改变联杆系统的各个组件，以控制发动机循环100，从而优化内燃机20的性能。

详细的描述和附图或图片是对本发明的支持和描述，本发明的范围仅由权利要求来限定。尽管用于执行本发明的一些最佳模式和其他实施例已经详细地描述，存在用于实施所附权利要求中限定的本发明的各种替代设计和实施例。