专利名称：对置活塞及其它内燃机的可变压缩比系统及制造使用方法
技术领域：
本发明公开通常涉及内燃机领域，并且更具体地，涉及用于改变对置活塞及其它内燃机的压缩比和/或其它运行参数的方法和系统。
背景技术：
如今在使用的内燃机有许多种。往复活塞内燃机常见为双或四冲程配置。这种发动机可以包括一个或多个在独立的气缸中往复运动的活塞，这些气缸以各种各样的不同配置来布置，包括“V”、内联、或水平对置配置。这些活塞通常耦合到机轴，在向下冲程中将燃料/空气混合物的充量(charge)吸入气缸，并在向上冲程中压缩燃料/空气混合物。燃料/空气混合物在活塞冲程顶部附近被火花塞或其它装置点燃，产生的燃烧和膨胀驱动活塞向下，由此将燃料的化学能转化为机轴的机械作业。众所周知，常规的往复活塞内燃机有诸多限制-不仅仅是燃料的大量化学能以热和摩擦的形式被浪费掉。结果，一般的轿车或摩托车发动机中的燃料能量仅有约25%真正转化成了机轴作业来移动车子、为配件产生电力等。对置活塞(opposing-piston或opposed-piston)内燃机可以克服常规的往复内燃机的一些限制。这种发动机通常包括在同一个气缸中的对置活塞对，其往复地朝向彼此或远离彼此运动来减小和增大其间形成的燃烧室的容积。给定对中的每个活塞耦合到不同的机轴，这些机轴由轴承或其它装置耦合在一起以提供公共的动力传导系统并控制发动机正时。每一对活塞确定了公共燃烧容积或气缸，而发动机可以包括许多这样的气缸，机轴连接到多于一个活塞，这取决于发动机的配置。这种发动机在例如申请号为12/624，276的美 国专利申请中有公开，该申请的整体通过引用并入本申请。不同于常规的往复发动机通常使用往复运动的提升阀来将新鲜的燃料和/或空气送入燃烧室并将废气燃烧产物送出燃烧室，包括一些对置活塞发动机在内的有些发动机使用套筒阀来实现此目的。套筒阀通常形成气缸壁的部分或全部。在一些实施例中，套筒阀沿轴来回地往复运动从而在适当时间打开和关闭进气口与排气口，从而将空气或燃料/空气混合物导入燃烧室，并将废气燃烧产物排出该室。在其它实施例中，套筒阀可以绕轴旋转来打开和关闭进气和排气口。内燃机一般要求在较宽的运行条件范围内工作。但是，在多数情况下，燃烧室中的最佳的几何压缩比并非对每个运行条件都相同。相反，最佳的压缩比往往取决于发动机负荷、阀正时、及其它因素。可变的阀正时为基于负荷、燃料、温度、湿度、高度和其它运行条件来优化或至少提高发动机性能提供了灵活度。但是，将可变的阀正时与可变压缩比(VCR)合并，可以通过降低进气节流和优化膨胀冲程来进一步减少抽吸效应损失以在已知的发动机运行条件下提高功率和效率。一些用于改变阀正式的系统可以克服复杂度的问题，以常规内燃机为例，其中的用于改变压缩比的系统往往非常复杂，而且，作为结果，并未被广泛应用。在对置活塞发动机的情形中，它们中的很多为可能不能从可变压缩比实现可观收益的柴油发动机。
图I为适于与本技术不同实施例联用的内燃机的部分剖面等距视图。图2为图I中内燃机的部分图解正视图，显示了影响基于本技术的一个实施例的发动机的定相(phasing)和压缩比的各种部件之间的关系。图3为具有彼此同相的对置机轴的对置活塞发动机的部分图解切面正视图。图4A-4F为根据本技术的一个实施例的具有机轴定相的对置活塞发动机的一组部分图解切面正视图。图5A- 显示了根据本技术的几个方面的机轴定相与气缸移位之间关系的一组图。
图6A显不了根据本技术的另一实施例的气缸容积与机轴角度之间关系的图，而图6B为图6A中的图的放大部分。图7A-7C为根据本技术的几个实施例配置的移相器(phaser)的一组侧截面图。图8显示另一移相器系统的部分示意图。详细说明以下的公开介绍了用于改变对置活塞和其它内燃机中的压缩比的系统和方法的几个实施例。可以在内燃机中使用可变压缩比来为所需的运行条件最优化或至少改进热力循环。在火花点火式发动机中，例如，并入可变压缩比能力使得发动机可以在轻负荷时工作得更有效率而在相对高的负荷时工作得更强劲。通常，发动机性能与通过燃烧系统的气流相关。进入燃烧室的气流依赖于各个传 送通道的流动特性和相应的阀开度，以及阀打开与关闭动作的正时。现代的发动机可以使用可变阀正时来将发动机的运行特性调节到特定的运行环境和性能要求。但是，在常规的内燃机(例如，常规的往复活塞内燃机)中，燃烧室的内部容积与机轴角度之间是一个固定关系。因此，设计与这种发动机联用的可变压缩比系统通常非常复杂，从而没有得到广泛应用。但是，改变基本的发动机架构可以克服可变压缩比系统的一些基本复杂性。例如，常规发动机包括在带有相应气缸盖的单个气缸内的单个活塞，对置活塞发动机使用运行在公共气缸内的两个对置活塞。虽然最初被开发来通过完全消除气缸盖来消除或减少经气缸盖的热能散失，对置活塞发动机本身比常规内燃机更有利于可变压缩比系统。一般地，使用可变机轴定相来改变压缩比的对置活塞发动机为使用孔驱气(portscavenging)的二冲程发动机,其消除与机轴相关的机轴正时问题。相反，功能性四冲程对置活塞发动机的出现需要新的用于可变机轴定相的系统来在这种发动机中改变压缩t匕。对置活塞发动机，包括四冲程对置活塞发动机，所用的可变机轴定相系统的实施例已公开，例如，2009年11月23日提交的申请号为12/624，276且题为“具有优化的缸径行程比的内燃机”的美国非临时专利申请中，该申请的整体通过引用并入本申请。当两个机轴用在例如对置活塞发动机中，且一个机轴的相被改变而另一个相对于发动机(例如，阀)定时保持不变时，机轴的最小容积位置相对于其原来的最小容积位置发生改变。如果，例如，第一机轴的相相对于对面的第二机轴超前20度，第一机轴的最小气缸容积的位置将出现在上止点(TDC)之后10度而第二机轴的最小气缸容积的位置将出现在TDC之前10度。另外，当气缸容积最小时，超前的第一机轴将从其物理上的TDC位置移开而滞后的第二机轴则朝着其TDC位置移动。但是，如果需要进气和排气阀继续工作在其相对于最小燃烧室容积(也即，“有效TDC”)的初始正时，则凸轮轴(或“凸轮”)正时必须改变来适应机轴相角的变化。更具体地，在以上例子中，凸轮轴需要相对于超前的第一机轴滞后10度来保持相同的阀正时，所述阀正时在超前的第一机轴的相角改变前就已存在。如以上的例子所述，如果对置活塞发动机中的一个机轴的相被改变(例如，超前)而另一个相对于发动机正时保持不变，贝1J需要改变相关凸轮轴相对于机轴的正时以维持相对于最大与最小燃烧室容积之间常见关系的恒定凸轮正时。否则，单纯将相变引入到单机轴很可能导致不充分优化的阀正时。但是，在本技术的一个方面中，每个机轴与自己的变相装置关联，使得一个机轴可以超前而另一个可以滞后(例如，超前与滞后量相同)，由此消除要相对于机轴的凸轮正时来维持恒定凸轮正时的需要。在本技术的一个实施例中，可以用两个定相装置(“移相器”)来改变对置活塞之间的最小距离以改变对置活塞发动机中的压缩比-每一个定相装置与一个机轴相关联。在这个实施例中，第一移相器可以改变(例如，超前)第一机轴，第二移相器可以改变(例如，“滞后”)第二机轴 。在轻负荷时，例如，机轴可以同相或接近同相于是活塞间的最小距离将会相对小(带来较高的压缩比)。作为结果，发动机在轻负荷时的基本平衡会相对较好。相反，在高负荷时，机轴可以更多地以异相移动来以增大活塞之间的最小距离，由此减小压缩t匕。但是，增大相角的一个结果是，会在一定程度上牺牲基本平衡。但由于较高负荷运行没有低负荷运行那么常用，相应的发动机振动的增大也许在短时间内是可以接受的。在一些实施例中，由于点火前相对较低的工作温度和低空气/燃料混合物密度，上述例子中的发动机可以在高负荷下以较高的压缩比工作。在这些情况下对撞击和自燃的耐受性也相对较高。另外，由较高的压缩比产生的相对高的膨胀比与和较低压缩比关联的较低膨胀比相比，能够从扩张中的热燃烧产物中提取出更多的功。相反，在较高的功率水平时，压缩比可以被降低以避免或至少减小发动机撞击。尽管这也会减小膨胀比，在膨胀冲程最初的较高的燃烧压力并未消散得很快且可以用来在膨胀冲程中提供较高的扭矩。在本技术的一个方面中，从发动机取出功率的机轴称为“主机轴”且其领先对置活塞发动机中的“从机轴”。这类固定相的发动机可以由主机轴来领先从机轴以获得气缸壁的侧面的气流孔的适当正时(例如，在二冲程设置先打开排气孔)，并最小化或至少降低由从机轴向主机轴的扭矩传递。在以上的例子中，例如，当从机轴活塞在气缸内处于其最顶部位置(也即，TDC)时，主机轴可以领先从机轴20度。在这个点上，从机轴活塞顶部上的压力可以与连接棒相一致，因此对从机轴无法产生或无法产生显著的扭矩。相反，对面活塞上的压力对抗具有相对于主机轴多得多的角度和杠杆作用的连接棒，作为结果，可以对主机轴产生明显的扭矩。通过这种方式，在机轴间传递的平均扭矩被显著地降低，其可以最小化传动机构部件中的损耗和摩擦。在本发明公开和通过引用并入本申请的专利申请中所描述的对置活塞发动机中，气缸壁(例如，套筒阀)以与传统四冲程往复内燃机中的提升阀运动相同或至少非常类似的方式移动。更具体地，进气套筒阀从发动机的中心部分缩回将进气口暴露于内部气缸容积而两个活塞则往回朝它们的底部位置移动。当活塞位于或靠近其底部位置时，活塞开始朝着彼此运动压缩进气充量，进气套筒阀被朝着其座推回。阀座不允许高压进气充量漏出气缸，因此允许柴油或火花点火燃烧，而后是燃烧产物的膨胀。当膨胀接近结束，活塞再次靠近其行程的底部，排气套筒阀被打开。排气套筒阀保持打开或至少接近打开，此时活塞朝向彼此返回并减小燃烧室的内部容积来驱动废气通过相应的排气孔排出燃烧室。然后，排气套筒阀在燃烧室达到其最小容积时关闭，重复循环。改变上述的对置活塞型发动机来包括本文所述的双机轴定相的实施例为最优化或至少改善领先机轴与进气套筒阀位置之间的关系提供了可能性。例如，对于某些发动机配置，由于进气侧的活塞头(crown)有可能在活塞靠近其顶部TDC位置时阻止部分气流通过进气套筒阀，需要进气套筒阀处于对置活塞发动机的主或领先机轴侧。通过这种方式，活塞带动进气阀打开并避免阻塞进气孔。相反，还需要将排气套筒阀置于从或滞后机轴侧，因为在燃烧室处于最小容积且排气阀关闭后，排气侧活塞将由此达到其最大扩张(即，其TDC位置)。这可以由在阀关闭动作中靠近排气孔的排气侧活塞头来提供最小化的或至少降低了的排气流干扰。本文所述的对置活塞套筒阀发动机可以构造为具有用于操作进气和排气套筒阀的单个凸轮，或具有双凸轮(每个阀一个)。这种双凸轮设置可以使得凸轮轴彼此之间保持固定的关系，或者，凸轮轴相对于彼此调相。因此，可能的多种不同的机轴/凸轮轴配置包括，例如(I) 一个凸轮轴，两个机轴，以及两个移相器；其中一个移相器位于一个或另一个机轴上且另一移相器位于凸轮轴上。(2) —个凸轮轴，两个机轴，以及两个移相器；其中每个机轴上有一个移相器于是它们均可以被相对于凸轮轴调相(例如，一个超前，一个滞后)。(3)两个凸轮轴，两个机轴，以及两个移相器；其中每个机轴上有一个移相器以使得它们两个可以被相对于两个凸轮轴适当地调相(例如，一个超前，一个滞后)。(4)两个凸轮轴，两个机轴，以及三个移相器；其中机轴中的一个上面有一个移相器，其余两个移相器在两个凸轮轴上分别有一个。一种将进气阀正时与本文所述的对置活塞发动机联用的方式称为晚进气阀关闭 (Late Intake Valve Closing)或“LIVC”。如果进气阀在气缸容积在压缩冲程上开始减小时保留稍稍地打开，进气充量中的一部分会被推回进入进气总管。尽管这会限制来自发动机的功率，其具有的积极效果是降低了将空气(或空气/燃料混合物)吸动穿过进气孔上游的风门主体所需的功。这一特性对于有助于轻负荷时提升发动机效率。这种阀正时设置还会带来更低的有效压缩比和更高的相对压缩比。另外，这些效果可以与上述的机轴定相压缩比控制系统和方法合并。晚排气阀关闭(Late Exhaust Valve Closing, " LEVC")可以用于在进气冲程的开始时从排气孔将一部分废气吸回进入燃烧室。这种技术可以提供简化的废气回收系统来提升排放控制和燃料效率。根据本技术的机轴/凸轮轴定相配置的另一个例子包括一个或两个凸轮轴，两个机轴，以及一个移相器。在这个例子中，单个的移相器可以安装在主机轴上来使得其在低压缩比时领先从机轴。在这些压缩比时，可以为常规的打开和关闭正时来配置凸轮轴。在高压缩比时，相对于主机轴的阀定时将带来LIVC进气动作和类似的晚排气阀关闭(LEVC)。作为结果，晚排气阀关闭将有效地降低压缩比，同时为发动机效率保持相对较长的膨胀比。另外，晚排气阀正时可以保证长的膨胀比且在进气阀开始打开之前部分废气被拉回到燃烧室中。在以下的说明和图1-8中阐述了具体细节，以提供对本技术几个实施例的透彻了解。以下公开中未阐述介绍通常与内燃机、对置活塞发动机等相关联的公知结构和系统的其它细节，以免不必要地妨碍对本技术各实施例的说明。在图中所示的许多细节、相对尺寸、角度和其它特征仅为本技术的具体实施例的图释。因此，其它实施例可以具有其它细节、尺寸、角度和特征而不脱离本发明的精神或范围。另外，本领域普通技术人员会理解，本发明进一步的实施例可以无需下述的若干细节而得以应用。在图中，相同的参考数字指代相同或至少基本相近的元素。为了便于讨论任意具体的元素，任一参考数字的最显著的一个或多个数位指将该元素第一次引入的图片。例如，元素130是参照图I来首次引入并讨论的。
图I为具有一对对置活塞102和104的内燃机100的部分剖面等距视图。为了便于参照，可以在此将活塞102、104称为第一或左活塞102及第二或右活塞104。活塞102、104中的每个可运行地分别由相应的连接棒106、108分别耦合到相应的凸轮轴122、124。机轴122、124中的每个分别可操作地耦合到相应的机轴齿轮140a、140b并绕固定的轴旋转。在运行中，活塞102和104在由相应的套筒阀构成的同轴对齐的气缸内彼此靠近和远离进行往复运动。更具体地，左活塞102在左或排气套筒阀114中来回地往复运动，右活塞104在相应的右或进气套筒阀116中来回地往复运动。如将在下面更具体介绍的，套筒阀114、116还可以来回地往复运动从而在发动机循环内的适当时候分别打开和关闭相应的进气口 130和相应的排气口 132。在图释的实施例中，左机轴122可操作地被一组同步或控制活塞运动的齿轮耦合(例如，同步地耦合)到右机轴124。更具体地，在这个实施例中，左机轴122被第一凸轮轴齿轮142a可操作地耦合到右机轴124，其中第一凸轮轴齿轮142a可操作地与第二凸轮轴齿轮142b上的齿接合。凸轮轴齿轮142可以固定地耦合到相应的中央轴150a、b来驱动一个 或多个凸轮轴(未示出)以运行套筒阀114、116。包括在2011年6月17日提交的申请号为61/498，481且题为“用于内燃机的刚性控制(连控轨道)阀系统”的美国临时专利申请中公开的一个或多个刚性控制系统在内的各类凸轮轴和/或阀驱动系统可以与发动机100联用，其中该美国临时专利申请的整体通过引用并入本申请。凸轮轴齿轮142可以包括相应机轴齿轮140的两倍数量的轮齿，于是凸轮轴以一半的发动机速度转动，这对于四冲程发动机运行而言是常见的。图2为内燃机100的部分图解正视图，其显示了根据本技术一个实施例的控制发动机正时的各部件之间的关系。多个部件和/或系统(例如，套筒阀、进气和排气通道，等)为了清楚性而从图2中省去。如这一视图所显示的，每个连接棒106和108分别枢转地耦合到相应机轴122、124上的连杆轴颈(rod journal) 242 (单独标识为第一连杆轴颈242a和第二连杆轴颈242b)。正如常规的机轴，连杆轴颈242从与机轴的中心轴对齐的主轴承轴颈246 (标识为第一主轴承轴颈246a和第二主轴承轴颈246b)偏离。在图释的实施例中，机轴122和124被定相以使得活塞102和104同时到达它们的上止点(TDC)位置。另外，机轴齿轮140中的每个与相应的机轴齿轮142适当地啮合以在发动机运行中提供适当的套筒阀正时。但是，如在下文中更详细介绍的，机轴122和124中的一个或两个和/或凸轮轴150中的一个或两个的定相可以被改变以调整发动机100的不同的运行参数。例如，机轴定相和/或阀定相可以适当地改变来将发动机100的压缩比作为负荷和/或其它运行条件的函数来加以调整。图3为具有同相的(即，两个机轴的两个周期性循环之间的相角为零度，或至少非常接近零度)对置机轴的发动机300的部分图解正截面图。发动机300的许多部件或特征在结构和功能上与上文参照图I和2详述的发动机100至少基本类似。例如，发动机300为对置活塞发动机，其具有可操作地耦合到第一机轴322上的第一连杆轴颈342a的左或第一活塞302，以及可操作地耦合到第二机轴324上的第二连杆轴颈342b的右或第二活塞304。在图释的实施例中，活塞302、304位于它们在排气冲程上的TDC位置或“最高”位置，且排气套筒阀314靠近关闭位置以封闭相应的排气孔332。相反，进气套筒阀326已经关闭并在排气冲程的大部分中封闭与燃烧室之间流体连通的进气通道或孔330。在这个实施例中，机轴322、324基本上“同相”，意味着活塞302和304同时或至少大致同时到达它们各自的TDC位置。如下文中更详细介绍的，在本技术的一些实施例中，可以通过改变机轴322、324相对于彼此的相来改变压缩比。例如，主机轴(即，给予发动机输出轴更大扭矩负荷的机轴)的相可以被改变以使其领先从机轴(即，向输出轴传递较小扭矩的机轴)，由此，降低在发动机运行时从一个机轴传递到另一机轴的扭矩。以这种方式降低扭矩传递可以最小化或至少降低功率传输损耗以及最大扭矩，其中最大扭矩可能需要被抑制以防止机轴连接的共振。图4A-4F为用于显不上述的一些定相技术的发动机400的一组图解正截面图。正如上文参照图3介绍的发动机300，发动机400包括分别由相应的连杆轴颈442a和442b分别可操作地耦合到相应机轴422和424的对置的活塞402和404。第一活塞402在排气套筒阀414的膛内来回往复运动，套筒阀414继而来回运动以在发动机运行中打开和关闭 排气通道或口 432。类似地，第二活塞404在进气套筒阀416的膛内来回地往复运动，进气套筒阀416在发动机运行中打开和关闭相应的进气口 430。但是，在图释的实施例中，发动机400包括与第一机轴422关联的第一移相器(未示出)和与第二机轴424关联的第二移相器(未示出)来调整各个机轴的定相(例如，通过分别滞后和超前)。例如，第二机轴424可以定义为主机轴并从其TDC位置超前角度A。第二机轴422可以定义为从机轴422并由其TDC位置滞后一个等于或至少基本等于角度A的量。作为结果，主机轴424领先从机轴422达总相角2xA (例如，如果A为30度，则主机轴424领先从机轴422达60度)。在上述的例子中，从机轴422与排气阀414关联，主机轴424与进气套筒阀416关联。但是，在本技术的其它实施例中，从机轴422可以与进气阀416关联而主机轴424可以与排气阀414关联。此外，在许多实施例中，阀414和416 (或者，跟具体地，相关联的一个或多个凸轮轴)可以被独立于机轴422和424定相和/或具有不同的定相。图4A显示了紧密靠近其在排气冲程上的TDC位置的第一活塞402，第二活塞404刚刚开始移动远离其TDC位置。作为结果，进气/主侧活塞404在进气阀开始打开之前沿着其膛“向下(down) ”启动，这带来活塞404的头与靠近进气口 430的进气阀416的领先边缘之间较小的潜在冲突。另外，从左向右移动的活塞404的摩擦互补(compliment)进气阀416的打开动作。排气/从侧活塞402滞后于排气阀414，于是在排气阀414继续关闭时，活塞402仍沿着膛向下走了一部分路程并朝着TDC位置移动。这使得在排气阀414关闭时，活塞402的头远离排气阀414的领先边缘，在移动中的活塞402的摩擦力有助于排气阀414的从右向左的关闭动作的同时，降低了冲突的可能性。因此，发动机400包括与第一机轴422关联的第一移相器和与第二机轴424关联的第二移相器来独立地调节两个机轴的定相。相反，如果只包括一个用于调节单个机轴的相的移相器，而另一机轴的相保持不变，则还必须调节阀定时以保持恒定的阀定时。例如，如果仅主机轴被调节，例如，相对于从机轴领先20度以减小压缩比，则最小燃烧室容积(例如，发动机循环的“有效TDC”)将会出现在从机轴处于其冲程顶部之前10度而主机轴处于其冲程顶部之后10度时。因此，如果进气阀被希望在有效TDC开始打开，那么进气阀的正时就必须相对于两个机轴改变。更具体地，进气阀(并且，就此而言，排气阀)的正时必须领先10度以保持在使主机轴领先20度前就出现的同样的阀正时。与其中仅一个机轴的相被改变的系统不同，通过如本文所述的将移相器与每个机轴联用，与主机轴联用的移相器可以使主机轴领先进气凸轮10度，且与从机轴关联的移相器可以对从机轴定相以使其落后排气凸轮达10度。作为结果，进气凸轮和排气凸轮的正时相对于彼此和最小室体积将保持固定关系。举例来说，参照上文结合图2介绍的发动机100，与左机轴122关联的第一移相器可以使左机轴122滞后，与第二机轴124关联的第二移相器可以使右机轴领先一个相同的量。这样做不会改变由相应凸轮齿轮142驱动的凸轮轴150的正时。因此，使用两个移相器可以为对置活塞内燃机简化可变压缩比系统。尽管上述的多移相器系统在相应机轴与凸轮轴之间为齿轮连接的环境中描述，该系统在相应机轴与凸轮轴之间为链条、皮带传动、和/或其它适当的连接时同样运行良好。
接着参照图4B，当机轴422、424继续转动，第一活塞402达到其物理最高为位置(即，其TDC位置)并在那里暂时停住，而第二活塞404则以较快的速度沿气缸以向下移动。此时，进气套筒阀416接近完全打开位置来将空气或空气/燃料混合物吸入燃烧室。如前所述，以这种方式使进气阀领先使得活塞404给予进气阀416 —个有助于阀打开的摩擦负荷，并排除活塞头与进气孔430之间的干扰。在图4C中，主机轴424位于下止点(“BDC”)位置而第二活塞404暂时停止。在此时，进气套筒阀416从右向左朝着关闭位置移动。但是，第一活塞402仍在从右向左朝着其BDC位置移动并继续通过部分打开的进气孔430将空气或空气/燃料混合物吸入燃烧室。如图4D所示，当主机轴424靠近TDC位置，第二活塞404再次暂时停止，进气阀416完全关闭，排气套筒阀414也如此。相反，第一活塞402继续从左向右移动并压缩燃烧室中的进气充量。如图4E所示，第一活塞402和第二活塞404当从机轴422处于TDC之前角度A且主机轴424处于TDC之后角度A时彼此最为靠近。这一位置还对应于进气充量的最大膨胀。通过比较图3和图4E会很清楚，通过定相机轴使得燃烧室的总容积增大，作为结果，被定相的机轴带来更低的压缩比。尽管图4E所示的活塞位置对应于进气充量的最大压缩，在此时或附近点燃该充量会导致效率低下，因为第一活塞402会驱动对抗从机轴422的反向移动。因此，在本技术的一个实施例中，可以阻止进气充量点燃直到定相的机轴422和424处于图4F所示的后续位置。如图4F所示，一个或多个火花塞420或其它点火源可以用来在从机轴422处于TDC位置，第一活塞402暂时停止，且第二活塞404沿气缸向下移动一部分并在朝着其BDC位置移动时点燃进气充量。通过这种方式，由于连接棒408和相应连杆轴颈442b之间的偏置角及杠杆作用，燃烧力对主机轴424施加更大的扭矩。这一机轴定相配置减小了从从机轴422到主机轴424的扭矩传递，还有助于减小功率传输损失和最大扭矩，其中最大扭矩可能会在动力传导系统中引起共振。上述的讨论描述了用于改变对置活塞发动机中的压缩比而不必改变阀正时的机轴定相的一个实施例。但是，在其它实施例中，也可以将阀正时与压缩比一起改变来通过应用一个或多个移相器来控制一个或多个凸轮轴的运行来提供所需的特性。此外，尽管图4A-4F及以上的相关说明介绍了四冲程对置活塞发动机(即，一种发动机，其中活塞在每个发动机周期内完成四个冲程进气、压缩、动力、和排气)，本文中公开的方法和系统的其它实施例可以与二冲程发动机(也即，一种发动机，其活塞在每个发动机周期内完成两个冲程进气/压缩和燃烧/排气)联用。图5A- 分别包括一组图500a_d，为上文详述的定相的机轴，对置活塞发动机的各实施例图释了活塞位置及作为机轴角度的函数的有效气缸移位。首先参照图5A，第一图500a沿纵轴502以立方厘米(cc)为单位来衡量气缸移位，沿横轴504以度为单位衡量机轴角度。第一曲线510描绘了第一活塞例如图4A-4F中的活塞402的路径或周期性循环，而第二曲线502描绘了对面的第二活塞例如活塞404的路径或周期性循环。如图500a显示 的，在图5A的实施例中，第一活塞的正时与第二活塞的正时是相同的。另外，两个活塞的周期性循环具有相同的周期。第三曲线506描绘了作为机轴角度的函数改变的总的室容积。在图5A中，两个机轴同相(也即，机轴之间的定相或相角为零度)，这带来了，例如，最大有效压缩比15 I时的250立方厘米的气缸移位，且最小燃烧室容积出现在180度(也即，两个机轴都处于TDC)。接着转到图5B，在第二图500b中，两个活塞(以及，相应地，两个机轴)的周期性循环保持相同，但是第一活塞和第二活塞的正时(也即，两个活塞在任何已知时间的相对位置)发生了改变。更具体地，在这个实施例中，如第二曲线508所示的第二活塞领先第一曲线510所示的第一活塞达30度相角。尽管每个单独活塞的移位并不改变，总的气缸移位降低到如第三曲线506所示的241立方厘米。更具体地，第三曲线506的峰与谷之间的距离表现为241立方厘米，不同于第一图500a中的第三曲线506的峰谷距离所呈现的250立方厘米。此外，由于降低的气缸移位和增加的活塞间“最近”距离，对如第二图500b所示的机轴(以及，相应地，相应活塞)进行30度的定相带来12. 5 I的有效压缩比。另外，最小燃烧室容积不再出现在180度，而是改为出现在165度(即，在例如第一活塞的TDC之前15度)。换句话说，在这个实施例中，最小燃烧室容积相对于主机轴(例如，耦合到线508所示的第二活塞的机轴)“落后”的角度为从机轴落后主机轴的角度的一半(例如，30度的一半，或15度)。增大机轴之间的相角会相应地减小有效压缩比，如图5C中的第三图500c所示。在这里，各个机轴间有45度的定相，其进一步将有效压缩比减小到10. 2 1，而相应的气缸移位减小到231立方厘米。如图所示，将机轴间的定相进一步增大到60度进一步减小气缸移位到216立方厘米，有效压缩比相应减小为8 I。如图5A- 显示的，对于这些例子中使用的特定发动机配置，将两个机轴之间的相角从O度增大到60度将相应的压缩比从15 I减小到8 I。但是，可变压缩比的范围可以通过改变发动机的初始建立条件来调整。例如，在另一发动机配置中，同样的60度相变会导致压缩比从20 I降低到9. 3 1，对每个配置，最小燃烧室容积发生在同一位置。因此，可以通过改变特定发动机的初始运行条件(例如，初始压缩比)来调整压缩比范围。图6A为将总的气缸容积不为对置活塞发动机的机轴相角的函数的图600,而图6B为图600的一部分的放大视图。如上文参照图5A- 所介绍的，当机轴之间的相角增大时，总的气缸移位减小。这由第一曲线606a不出，第一曲线606a表不O度滞后的从机轴的总移位具有最大的移位(例如，250立方厘米)和相应的最大压缩比15 I。当从机轴落后主机轴达30度时，如第二曲线606b所示，气缸移位和压缩比逐渐地减小(例如，分别为241立方厘米和12.5 I)。在这个例子中，最大相滞后为60度，如第四曲线606d所示，这带来8 I的最小压缩比和相应的216立方厘米的最小移位。如前面的讨论所描述的，本文所述的主动相变系统可以用于有效地减小(或增加)对置活塞发动机的压缩比以最佳地配合发动机的特定运行条件(例如，低负荷、高负荷、燃料，等)。有许多不同的定相装置可以用于以上述方式主动地改变机轴(和/或凸轮轴)的相角。图7A为根据本技术的一个实施例配置的相变机构或“移相器”700a的部分图解侧截面图。移相器700a可以可操作地耦合到主机轴和从机轴(每个机轴一个移相器)来提供上文详述的双机轴定相特征。移相器700a还可以耦合到单个机轴以用于单定相，和/或耦合到一个或多个凸轮轴。在图释的实施例中，移相器700a包括可操作地耦合到机轴(例如，上文参照图3介绍的第一或从机轴322)的远端的定相头762a。更具体地，在图释的实施例中，机轴322 的端部包括在其外表面上的多个(例如)左手螺旋键槽或轮齿724，所述左手螺旋键槽或轮齿724接合互补或匹配定相头762a的中央部分的内表面上的左手螺旋键槽或轮齿780。另夕卜，可以在定相头762a的相邻外表面上提供右手螺旋轮齿782来接合匹配机轴驱动机构例如机轴齿轮740a上的右手螺旋轮齿784。定相头762a可以相对于具有前侧容积774和后侧容积778的液压流体(例如，油)室内的圆柱形阀主体765前后自由移动。定相头762a包括由外表面通向前侧容积774的第一油路770，以及由外表面通向后侧容积778的第二油路772。阀主体765可以使油从供油处766通过供应通道767进入定相头室。阀主体765还包括第一外流通道776a和第二外流通道776d。为了运行定相器700a，致动器764被在需要的方向上(例如，向前的方向F)移动来在同一方向上移动阀主体765。当阀主体765朝着方向F移动足够的量后，供油通道767对齐第一油路770。来自供油处766的油接着流过第一油路770并流入前侧容积774，在方向F上驱动定相头762a。当定相头762a从右向左移动时，在后侧容积778中的油从第二油路772离开，第二油路772不再被阀主体765阻塞而是与第一外流通道776a之间流体连通。在图释的实施例中，曲轴箱768与阀主体765的相邻部分不随机轴322旋转。但是，定相头762a和机轴齿轮740a随机轴322旋转。当定相头762a在方向F上从右向左移动，定相头762的内膛上的左手螺旋轮齿780与机轴322上的接合齿734之间的相对运动使得机轴322相对于定相头762a转动。另外，定相头762a外表面上的右手螺旋轮齿782与机轴齿轮740a的内膛上的接合齿784之间的相对运动使得机轴齿轮740a相对于定相头762a以及相应地相对于机轴322以相反的方向旋转。作为结果，定相头762a的移动使得机轴齿轮740a与机轴322之间的操作角正比于定相头762a的移动而改变。为了减小本例中的相角，致动器764可以在与方向F相反的方向上移动来使阀主体765相对于定相头762a从左向右滑动。这样一来将供油通道767与定相头762中的第二油路772对齐，将加压后的油导入后侧容积778。流入这一容积的加压的油在与方向F相反的方向上从左向右驱动定相头762，由此减小机轴齿轮740a与机轴322之间的相角。当定相头762a从左向右移动时，前侧容积774中的油通过定相头762a经正与第二外流通道776b对齐的第一通道770离开。在参照图7A介绍的实施例中，机轴齿轮740a(也可以是滑轮、链轮齿，等等)被保持在相对于曲轴箱768固定的水平位置，并且，因此，在水平方向上相对于其接合以驱动相应凸轮轴(和/或其它装置例如点火装置、油/水泵，等)的齿轮(或者带，链，等；未标出)保持固定。图7B显示了移相器700b，其具有许多在结构和功能上与上述的移相器700a基本类似的特征和部件。例如，在此实施例中，定相头762b可以如上文参照图7A所述地从左向右移动，反之亦然。另外，定相头762b可以包括，例如，与机轴322上的互补螺旋轮齿724接合的左手螺旋轮齿780。但是，在图释的实施例中，机轴驱动机构，例如锯齿状滑轮740b由一个或多个紧固件(例如，螺栓)786固定地附加到定相头762b的远端。因此，当定相头762b相对于曲轴箱768来回水平移动时，滑轮740b随定相头762b移动。另外，在这个实施例中，滑轮740b通过锯齿状带788可操作地耦合到，例如，相应的凸轮轴(未示出)。为了适应滑轮740b的水平移动，带导件790a和790b处于带788的相对侧来在滑轮740b水平移动时限制带的侧向移动。通过上述方式，定相头762b在方向F上的移动可以起作用地增大(或减小)机 轴322与相应的阀/凸轮轴设置之间的相角，而定相头762b在相反方向上的移动可以减小(或增大)机轴322与凸轮轴/阀之间的相角。图7C显示了根据本技术配置的移相器700c的又一实施例。移相器700c的许多特征在结构和功能上与上文参照图7B详细介绍的移相器700b至少基本类似。例如，在图释的实施例中，机轴齿轮740c固定地附加到定相头762b的远端。但是，在这个实施例中，机轴齿轮740c可操作地接合动力传导齿轮742 (例如，将机轴322耦合到相应凸轮轴的齿轮)。齿轮742可以包括或直或螺旋型的轮齿，轮齿接合机轴齿轮740c的外周上的相应轮齿792。当定相头762b将机轴齿轮740c从，例如，右向左移动时，机轴齿轮740c与机轴322之间的角度关系如上所述地变化，机轴齿轮740c上的齿792相对于齿轮742上的相应齿滑动以保持两个齿轮可操作地接合。如上所述，机轴齿轮740c和动力传导齿轮742可以包括螺旋轮齿和直线切削轮齿。如果轮齿792为所成角度与螺旋轮齿724方向相反的螺旋轮齿，则机轴齿轮740c的移动会因两组轮齿的相反方向而导致额外的相变角。如上所述，上述的用于改变对置活塞发动机中的压缩比和/或阀正时的各种系统和方法可以用很多种不同的移相器来实现。举例而言，图8可以与本技术的各实施例联用的移相器组件800的示意图。在图释的实施例中，移相器组件800可以在结构和功能上与Delphi Automotive LLP提供的市场上可以买到的各种凸轮移相器至少基本类似。在图释的实施例中，移相器组件800包括耦合到定相头890的凸轮轴822，其中定相头890具有第一凸部892a、第二凸部892b、第三凸部892c和第四凸部892d。在运行中，控制阀865控制油通过供应通道870a和870b流入或流出处于凸部892相对侧上的室。增大例如每个凸部892的左侧的油压，导致定相头890在从图8看来顺时针旋转。相反地，增大每个凸部892右侧的油压将在油通过返回线路870b流出对面的室时使定相头890逆时针转动。通过上述方式，凸轮轴822 (或机轴)相对于相应驱动机构例如齿轮、滑轮或链轮齿840的角位置被改变。如参照图7A-8所做的以上介绍所描述的，有许多不同的移相器和移相器组件可以与本技术的各实施例联用来改变相应的主和从机轴之间的相角，从而，例如，改变根据本发明公开的实施例的对置活塞发动机中的压缩比。上述的本发明的各实施例和方面可以合并或利用或包括通过引用并入本申请的各参考文献所公开的系统、功能、部件、方法、概念和/或其它特征，以提供本发明更进一步的实现。本文中提供的本发明的教导可以被用于其它系统，而并不一定是上述的系统。上述的各例子的元素和功能可以被合并以提供本发明的进一步的实现。本发明的一些相互替代的实现包括的元素不仅可以比上述实现更多，还可以比上述实现更少。进一步地，本文中记录的任何特定数字都只是例子相互替代的实现可以使用不同的数值或区间。上文已经以示范为目的介绍了本发明的特定实施例，可以理解，不脱离本发明的各实施例的精神和范围即可做出各种变形。进一步地，本发明的特定实施例相关的各项优势已经在这些实施例的环境中在上文中做了介绍，其它实施例可以显现出这些优势，并非所有实施例都需要显现出这些优势才可以落入本发明的范围之内。因此，本发明不受随附 权利要求之外的限制。
权利要求
1.一种用于改变发动机中压缩比的方法，所述发动机具有第一活塞，所述第一活塞与第二活塞配合来确定其间的燃烧室，该方法包括 在第一循环内根据第一活塞正时在第一下止点(BDC)位置与第一上止点(TDC)位置之间来回移动所述第一活塞； 在第二循环内根据第二活塞正时在第二 BDC位置与第二 TDC位置之间来回移动所述第二活塞； 在根据所述第一活塞正时移动所述第一活塞和根据所述第二活塞正时移动所述第二活塞时，周期性地根据阀正时打开和关闭至少一个与所述燃烧室之间流体连通的通道； 保持所述阀正时，通过以下方式改变所述燃烧室的压缩比- 相对于所述阀正时改变所述第一活塞正时；以及 相对于所述阀正时改变所述第二活塞正时。
2.如权利要求I所述的方法，其中所述第一活塞可操作地耦合到第一机轴，所述第二活塞可操作地耦合到第二机轴，且其中改变所述燃烧室的压缩比包括 相对于所述阀正时改变所述第一机轴的第一相角； 相对于所述阀正时改变所述第二机轴的第二相角。
3.如权利要求I所述的方法，其中所述第一活塞可操作地耦合到第一机轴，所述第二活塞可操作地耦合到第二机轴，且其中改变所述燃烧室的压缩比包括 相对于所述阀正时滞后所述第一机轴；和 相对于所述阀正时提前所述第二机轴。
4.如权利要求I所述的方法 其中当所述第一活塞根据所述第一活塞正时来回移动且所述第二活塞根据所述第二活塞正时来回移动时，所述第一活塞和所述第二活塞周期性地确定最小燃烧室容积；和其中相对于所述阀正时改变所述第一活塞正时和所述第二活塞正时包括增大所述最小燃烧室容积。
5.如权利要求I所述的方法，其中当所述第一活塞根据所述第一活塞正时移动且所述第二活塞根据所述第二活塞正时移动时，所述第一活塞周期性地在所述第二活塞周期性到达所述第二 TDC位置的同时到达所述第一 TDC位置。
6.如权利要求I所述的方法 其中当所述第一活塞根据所述第一活塞正时移动且所述第二活塞根据所述第二活塞正时移动时，所述第一活塞周期性地与所述第二活塞分离第一最小距离；以及 其中在相对于所述阀正时改变所述第一活塞正时和所述第二活塞正时之后，所述第一活塞周期性地与所述第二活塞分离第二最小距离，其中所述第二最小距离大于所述第一最小距离。
7.如权利要求I所述的方法，其中周期性地打开和关闭所述至少一个通道包括根据进气阀正时周期性地打开和关闭进气通道，且其中所述方法进一步包括 根据排气阀正时来周期性地打开和关闭与所述燃烧室之间流体连通的排气通道；以及其中相对于所述阀正时改变所述第一活塞正时和所述第二活塞正时包括相对于所述进气阀正时和所述排气阀正时改变所述第一活塞正时和所述第二活塞正时。
8.如权利要求I所述的方法，其中所述第一活塞在第一套筒阀中来回往复运动，且所述第二活塞在第二套筒阀中来回往复运动，其中周期性地打开和关闭至少一个通道包括周期性地根据第一阀正时打开和关闭所述第一套筒阀，且其中该方法进一步包括 根据第二套筒阀正时周期性地打开和关闭所述第二套筒阀；以及 其中相对于所述阀正时改变所述第一活塞正时和所述第二活塞正时包括相对于所述第一套筒阀正时和所述第二套筒阀正时改变所述第一活塞正时和所述第二活塞正时。
9.如权利要求I所述的方法，其中所述发动机进一步包括第一机轴，其同步地耦合到第二机轴，其中所述第一活塞可操作地耦合到所述第一机轴，且所述第二活塞可操作地耦合到所述第二机轴，且其中相对于所述阀正时改变所述第一活塞正时和所述第二活塞正时包括旋转地滞后所述第一机轴和旋转地提前所述第二机轴。
10.如权利要求I所述的方法，其中所述发动机进一步包括同步地耦合到主机轴的从机轴，其中所述第一活塞可操作地耦合到所述从机轴而所述第二活塞可操作地耦合到所述 主机轴，且其中改变所述第一活塞正时和所述第二活塞正时包括旋转地滞后所述从机轴和旋转地提前所述主机轴。
11.一种用于组装内燃机的方法，该方法包括 将第一活塞膛与第二活塞膛同轴地对齐； 将第一活塞可操作地置于所述第一膛内，并将第二活塞可操作地置于所述第二膛内，以在所述第一和第二活塞之间确定燃烧室； 将所述第一活塞可操作地耦合到第一机轴，并将所述第二活塞可操作地耦合到第二机轴，其中当所述第一机轴与所述第二机轴同相时，所述第一活塞和所述第二活塞在其间确定第一燃烧室容积；以及 将第一移相器可操作地耦合到所述第一机轴，并将第二移相器可操作地耦合到所述第二机轴，其中所述第一移相器配置为选择性地改变所述第一机轴相对于所述第二机轴的操作相，且所述第二移相器配置为选择性地改变所述第二机轴相对于所述第一机轴的操作相，从而选择性地将所述燃烧室容积从所述第一燃烧室容积改变为大于所述第一燃烧室容积的第二燃烧室容积。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括将所述第一机轴可操作地耦合到所述第二机轴。
13.如权利要求11所述的方法，进一步包括 将所述第一机轴可操作地耦合到第一驱动机构，其中可操作地将第一移相器耦合到所述第一机轴包括可操作地将所述第一移相器耦合到所述第一驱动机构和所述第一机轴之间；以及 将所述第二机轴可操作地耦合到第二驱动机构，其中可操作地将第二移相器耦合到所述第二机轴包括可操作地将所述第二移相器耦合到所述第二驱动机构和所述第二机轴之间。
14.如权利要求11所述的方法，进一步包括 将第一齿轮可操作地耦合到所述第一机轴的第一端部，其中可操作地将第一移相器耦合到所述第一机轴包括可操作地将所述第一移相器耦合到所述第一驱动齿轮和所述第一机轴之间； 将第二齿轮可操作地耦合到所述第二机轴的第二端部，其中可操作地将第二移相器耦合到所述第二机轴包括可操作地将所述第二移相器耦合到所述第二驱动齿轮和所述第二机轴之间；以及 至少用可操作地置于所述第一和第二驱动齿轮之间的第三齿轮来将所述第一机轴可操作地耦合到所述第二机轴。
15.如权利要求11所述的方法，进一步包括 将第一阀可操作地置于靠近所述第一膛，将第二阀可操作地置于靠近所述第二膛-其中所述第一阀配置为根据第一阀正时周期性地打开和关闭与所述燃烧室之间液体连通的第一通道，以及 其中所述第二阀配置为根据第二阀正时周期性地打开和关闭与所述燃烧室之间液体连通的第二通道，以及 其中所述第一移相器配置为选择性地改变所述第一机轴的操作相，且所述第二移相器配置为选择性地改变所述第二机轴的操作相，并保持所述第一和第二阀正时。
16.如权利要求11所述的方法，进一步包括 将第一阀可操作地置于靠近所述第一膛，将第二阀可操作地置于靠近所述第二膛-其中所述第一阀配置为根据第一阀正时周期性地打开和关闭与所述燃烧室之间液体连通的第一通道，以及 其中所述第二阀配置为根据第二阀正时周期性地打开和关闭与所述燃烧室之间液体连通的第二通道，以及 其中所述第一移相器配置为选择性地改变所述第一机轴的操作相，且所述第二移相器配置为选择性地改变所述第二机轴的操作相，并保持所述第一和第二阀正时。
17.一种对置活塞发动机，包括 可移动地置于第一膛内的第一活塞； 可移动地置于第二膛内的第二活塞，其中所述第一活塞面朝所述第二活塞以确定其间的燃烧室； 可操作地耦合到所述第一活塞的第一机轴； 可操作地耦合到所述第二活塞的第二机轴； 第一移相器，其可操作地耦合到所述第一机轴，其中所述第一移相器的运行改变在所述发动机运行中所述第一机轴相对于所述第二机轴的相角；以及 第二移相器，其可操作地耦合到所述第二机轴，其中所述第二移相器的运行改变在所述发动机运行中所述第二机轴相对于所述第一机轴的相角。
18.如权利要求17所述的对置活塞发动机，其中所述第一膛和第二膛同轴地对齐。
19.如权利要求17所述的对置活塞发动机 其中所述第一机轴配置为绕第一固定轴旋转，且其中所述第一移相器的运行使所述第一机轴绕所述第一固定轴旋转；以及 其中所述第二机轴配置为绕与第一固定轴间隔的第二固定轴旋转，且其中所述第二移相器的运行使所述第二机轴绕所述第二固定轴旋转。
20.如权利要求17所述的对置活塞发动机 其中所述第一机轴可操作地耦合到第一驱动机构，且其中所述第一移相器的运行使所述第一机轴绕第一固定轴相对于所述第一驱动机构旋转；以及其中所述第二机轴可操作地耦合到第二驱动机构，且其中所述第二移相器的运行使所述第二机轴绕与第一固定轴间隔的第二固定轴相对于所述第二驱动机构旋转。
21.如权利要求17所述的对置活塞发动机，进一步包括 第一套筒阀，配置为在发动机运行中来回移动以打开和关闭与所述燃烧室之间流体连通的第一通道，其中所述第一膛置于所述第一套筒阀中；以及 第二套筒阀，配置为在发动机运行中来回移动以打开和关闭与所述燃烧室之间流体连通的第二通道，其中所述第二膛置于所述第二套筒阀中。
22.如权利要求17所述的对置活塞发动机，进一步包括 第一套筒阀，配置为在发动机运行中来回移动以打开和关闭与所述燃烧室之间流体连通的第一通道，其中所述第一膛置于所述第一套筒阀中； 第二套筒阀，配置为在发动机运行中来回移动以打开和关闭与所述燃烧室之间流体连通的第二通道，其中所述第二膛置于所述第二套筒阀中； 可操作地耦合到至少所述第一套筒阀的凸轮轴，其中所述凸轮轴配置为在所述发动机的运行中来回移动至少所述第一套筒阀来打开和关闭所述第一通道；以及 第三移相器，其可操作地耦合到所述凸轮轴，其中所述第三移相器的运行在所述发动机的运行中改变所述凸轮轴相对于至少所述第一机轴的相角。
23.如权利要求17所述的对置活塞发动机，进一步包括 进气套筒阀，配置为在发动机运行中来回移动以打开和关闭与所述燃烧室之间流体连通的进气通道，其中所述第一膛位于所述进气套筒阀内； 排气套筒阀，配置为在发动机运行中来回移动以打开和关闭与所述燃烧室之间流体连通的排气通道，其中所述第二膛位于所述排气套筒阀内； 可操作地耦合到至少所述进气套筒阀的凸轮轴，其中所述凸轮轴配置为在所述发动机的运行中来回移动所述进气套筒阀来打开和关闭与所述燃烧室之间流体连通的进气通道；以及 第三移相器，其可操作地耦合到所述凸轮轴，其中所述第三移相器的运行在所述发动机的运行中改变所述进气套筒阀相对于至少所述第一活塞的正时。
全文摘要
本文公开了用于改变对置活塞发动机中的压缩比的方法和系统的几个实施例。在一个实施例中，对置活塞发动机可以包括第一移相器，其可操作地耦合到第一机轴，以及第二移相器，其可操作地耦合到相应的第二机轴。机轴之间的相角可以被改变以减小或增大相应燃烧室内的压缩比，从而最优化或至少改善已知操作条件集合下的发动机性能。
文档编号F02D15/02GK102720593SQ20111030183
公开日2012年10月10日 申请日期2011年10月8日 优先权日2010年10月8日
发明者詹姆斯M·克利维斯 申请人:品纳科动力有限公司