用于内燃机的可变冲程机构的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明广泛地涉及内燃机，更具体地，涉及所谓的“可变冲程”发动机，其中，在发动机的总运行循环的期间，往复活塞与发动机曲柄轴之间的机械连接布置使活塞移动的程度改变。通常，这样的机构其目的为，通过实现在膨胀冲程的期间有效地更大的机械曲柄臂和在进气冲程的期间有效地更短的机械曲柄臂，从而提高内燃机的效率。
[0002]常规内燃机根据典型地被称为进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程的重复的一系列移动而运行。从这个意义上讲，“冲程”将驱动活塞的往复移动描述为，驱动活塞来回地经过发动机壳或“机体”中的圆柱形燃烧室。术语“循环”有时也可以与术语“冲程”可互换地使用。因此，根据上述的方式而运行的发动机一般地被称为四循环或四冲程发动机，指示为了完成全功率循环，活塞必须在汽缸中往复四次。“循环”还用于描述发动机的完整的功率循环。术语的该用法在本领域技术人员范围内一致，对本领域技术人员而言很好理解。
[0003]如所指示的，各种设计已发展到，使发动机活塞在进气、压缩、膨胀或排气冲程的期间或在这些冲程的任何组合的期间行进更长的或更短的距离，并且，在其行进的某个部分修改活塞速度。例如，每绕转一次或每绕转两次，就使活塞的所谓的顶部或底部死点位置上移或下移。所有这些状况是不同的版本的可变冲程发动机。查德伯恩(Chadbourne)的美国专利N0.1326129和克拉克(Clarke)的美国专利N0.4044629描述经扩展的膨胀冲程。经扩展的膨胀冲程的实际应用是由马自达制造的米莱尼亚(Millenia)型号汽车，该车利用由美国工程师拉尔夫米勒(Ralph Miller)在1947年设计的类型的所谓的米勒循环发动机。米勒的发动机已在船舶和固定式发电站使用了一段时间。工程目标是，不干扰发电膨胀冲程，就降低发动机的压缩比。在米勒循环发动机中，在空气进气阀关闭之前，活塞上升其冲程的五分之一。在冲程的顶部发生燃烧之后，膨胀的气体将活塞沿路下推至冲程的底部，所以膨胀比不受影响。
[0004]在二十世纪前半世纪的期间，内燃机领域技术人员通常认可，在继每个膨胀冲程之后且在随后的进气冲程之前的排气冲程的期间，必须将发动机汽缸内侧的燃烧产物尽可能完全地移除。许多不同的专利提出了获得更大的排气冲程的不同的方式。参见例如赫尔斯(Hulse)的美国专利N0.1326733、什韦特(Svete)的美国专利N0.2394269、卡迪(Cady)的美国专利N0.1786423、塔克(Tucker)的美国专利N0.1964096以及奥斯丁 (Austin)的美国专利N0.1278563。查德伯恩的美国专利N0.1326129和克拉克的美国专利N0.4044629也涉及更大的排气和膨胀冲程。然而，由于在二十世纪后期实现的排放法规，新的发动机设计已取得进展，其中，使一部分废气再循环或保持于燃烧室中，以作为减少由燃烧室中的氧化氮引起的NOx (氮氧化物)的大气排放的手段。这通过允许进气歧管真空将废气通过EGR(废气再循环)阀而抽吸至进气歧管中来完成。
[0005]其他人已使用可变冲程设计来修改发动机压缩比。已完成许多工作，尤其是在欧洲和日本，以借助于使活塞相对于汽缸盖的位置改变的布置来实现所谓的可变压缩比。
[0006]压缩比是汽缸的容量与燃烧室的容量之间之比；换句话说，在进气冲程的期间进入汽缸中的空气燃料混合物于是被压缩多达压缩比值的次数。通常，压缩比越高，发动机效率就越高。存在某些限制，诸如混合物预点火、爆震、发动机温度乃至发动机构造。由于压缩比是影响发动机效率的主要因素之一，因而期望针对不同的运行条件(速率、负荷、加速度等)而优化压缩比。谢克特(Schechter)的美国专利N0.5165368描述这样的发动机的代表性的示例。
[0007]还已利用可变活塞冲程应用来优化作用于活塞的压力。出于该目的，在上死点附近，相对于常规活塞的速度，减小活塞速度，以使燃烧过程和作用于活塞的合力最大化。史卡尔(Schaal)等人的美国专利N0.5158047、威廉姆斯(Williams)的美国专利N0.5060603以及麦克沃特(McWhorter)的美国专利N0.3686972,3861239和4152955代表本构思。
[0008]最近，美国专利N0.5927236公开内燃机设计，其中，利用齿轮组布置来经由偏移支承表面而将发动机的曲柄轴与活塞连接杆连接，以实现完整的发动机功率循环期间的活塞冲程的长度的改变。具体地，该设计试图在功率循环的膨胀部分的期间经由增大有效的曲柄臂长度而增大活塞冲程，以增大转矩输出，并且，试图在循环的进气或进入部分和排气部分的期间减小冲程和活塞速度，以增大容积效率，全部从而提高发动机的热效率。
【发明内容】
[0009]从根本上说，本发明的目标是进一步推进上述的美国专利N0.5927236的发明。
[0010]更具体地，本发明的目标是利用美国专利N0.5927236的设计的可变冲程机构的改进来实现内燃机中的转矩输出、马力输出、燃料效率、容积效率以及排放物减少的进一步
[0011]为了那些目的，本发明提供可根据四冲程循环而运行的经改进的内燃机，其中，活塞通过沿第一方向移动的进气冲程、沿第二方向移动的压缩冲程、沿第一方向移动的膨胀冲程以及沿第二方向移动的排气冲程而在燃烧室内往复。压缩冲程结束时和膨胀冲程开始时的活塞的位置限定为上死点。基本上，本发明的发动机包括:发动机机体，限定至少一个燃烧室；曲柄轴，可旋转地安装于发动机机体；活塞，布置于燃烧室内，用于沿着室轴线往复；以及连接杆，可枢转地安装于活塞。
[0012]根据本发明，内燃机中的用于产生可变冲程长度的机构利用机械啮合组件来将连接杆可旋转地连接至曲柄轴，用于将活塞的往复运动转化成曲柄轴的旋转运动。基本上，机械组件包括齿轮组，齿轮组至少包括不可旋转地安装于发动机机体的第一齿轮构件和与第一齿轮构件啮合式地接合的第二齿轮构件。第二齿轮构件具有:第一支承表面，连接杆安装于该第一支承表面；和第二支承表面，安装于曲柄轴，用于使第二齿轮构件与曲柄轴旋转。第二支承表面从曲柄轴轴线偏移，以在围绕曲柄轴轴线的圆形路径中移动，用于贯穿发动机的四冲程循环而将统一的机械曲柄臂施加于曲柄轴上。第一支承表面和第二支承表面以偏移距离彼此隔开，引起第一支承表面交替地在围绕曲柄轴的内椭圆路径和外椭圆路径中移动，用于将可变凸轮臂施加于曲柄轴上。因而，曲柄臂和凸轮臂之和引起活塞往复的长度贯穿发动机的四冲程循环而改变。
[0013]根据本发明的一个方面，第一支承表面的内椭圆路径和外椭圆路径相交于位于燃烧室轴线或紧邻燃烧室轴线的点，用于使曲柄臂和凸轮臂协作地在活塞的上死点位置处产生曲柄轴上的正转矩。例如，在本发明的一个实施例中，第一支承表面的内椭圆路径和外椭圆路径相交于与燃烧室轴线重合的点处。备选地，第一支承表面的内椭圆路径和外椭圆路径可以相交于沿曲柄轴的旋转的方向隔开燃烧室轴线之前预定的度数，优选地小于或等于近似二十五度(25° )的点处，用于使排气冲程结束时和进气冲程开始时的活塞的位置以预定的间隔位于上死点位置下面，因而许可燃烧室在开始随后的进气冲程时保持预定的体积的排气。
[0014]根据本发明的另一个方面，第二齿轮构件的第一支承表面和第二支承表面选择性地配置并制定尺寸，以实现凸轮臂的长度与曲柄臂的长度的预定比率。优选地，凸轮臂长度是曲柄臂长度的至少近似20%，并且，可以多达曲柄臂长度的近似100%。
[0015]根据本发明的相关方面，选择凸轮臂的长度与曲柄臂的长度之比，以实现进气冲程结束时的燃烧室中的预定的容积容量。
[0016]第一齿轮构件可以优选地是小齿轮，第二齿轮构件可以优选地包括冠状齿轮部分，该冠状齿轮部分围绕环形主体的径向向内的表面形成有齿轮齿，以与小齿轮啮合，从而以行星齿轮的方式围绕小齿轮移动。第二齿轮构件还优选地包括支承部分，该支承部分从冠状齿轮部分向外伸出，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内表面上的第二支承表面。以该方式，连接杆可以在第一支承表面上旋转，并且，第二支承表面可以在曲柄轴上旋转。
[0017]本发明可适应于大体上任何内燃机，并且，可以优选地合并于具有多个燃烧室和数量与小于或等于燃烧室的数量相对应的多个齿轮组的多汽缸发动机中。
【附图说明】
[0018]图1是根据本发明的优选的实施例的装备有用于产生可变长度的活塞冲程的机械组件的经改进的内燃机的透视图；
图2是根据图1的实施例的可变冲程机构的透视图；
图3是图1和图2的内燃机和可变冲程