[发明专利]可变冲程和压缩比的发动机

说明书

相关申请的引用

本申请依赖于2009年6月1日提交的标题为可变冲程恒定压缩比的发动机(Variable Stroke Constant Compression Ratio Engine)的临时申请第61183015系列号的优先权，该临时申请与本申请具有共同的发明者。

发明背景

发明领域

本发明大体上涉及内燃发动机领域，并且更具体地涉及这样一种多缸内燃发动机，其具有连接到活塞并可定位在双角度曲柄(dual angled crank)上以用于冲程的变化同时还维持恒定压缩比的摆轮(wobbler)。

相关技术描述

两种现有形式(火花点燃汽油和压缩点火柴油)的内燃发动机不太适合为个人运输有效率地提供动力。汽车和顾客的需要已经演变为使发动机的最大功率远远超过一般使用的功率，并且发动机在其寿命的大部分时间中都在5-25％的负载下运转。

柴油发动机在部分负载时比汽油发动机更有效；然而2000+巴的燃油喷射系统、可变几何形状的涡轮增压器系统以及排放物的后处理(emissionsafter-treatment)已经使现代客车柴油发动机非常昂贵。用于减小NOX的高水平的EGR、SCR催化剂以及柴油颗粒过滤器所有这些都负面地影响了发动机效率。除此之外，柴油燃料相对于汽油的价格经常使来自用于终端用户的发动机的固有高效率的任何成本节省无效。

汽油发动机相对地更廉价，并且由于3元催化剂，因而汽油发动机是非常洁净的发动机，且满载效率可以达到35％。不幸地，部分负载性能极其低，且在其大部分运转期间热效率落到一位数且很少达到20％或更高。在交通工具运行其空调、动力转向(power steering)和娱乐系统的情况下，空转汽油发动机具有显著的因节流(throttling)、发动机摩擦附件寄生损耗和冷却损耗引起的能量损耗，并且以非常高的速率使用燃料。

图1示出了用于汽油发动机的基本的压强/容积(PV)图。功率由将空气系统节流来控制。发动机在几乎恒定的空气/燃料比下运转，从而发动机的空气系统必须被限制以减小燃料流量并从而减小功率。在低负载操作时，发动机的进气歧管减小到非常低的压强，同时排气歧管保持高于大气压强(加上消音器、催化剂以及管道的限制)。这造成了严重的泵送损耗。由于节流而造成的从发动机的进气到排气的压强差是制动平均有效压强(BMEP)的直接损耗，且通常称为如图2所示的“负泵送循环功(negativepumping loop work)”。

可能存在比直接泵送功更大的影响，发动机系统的压缩比(CR)和膨胀比(ER)均减小。热力循环(例如奥托循环)通常用于描绘各种发动机类型的特征，然而这些循环与在PV图上所见的实际发动机的机械循环不同。实际发动机循环的PV图看上去和热力循环类似的这一事实增加了混淆。在热力循环中，压缩比和膨胀比基于X轴来描述特征，即容积比。这并不能解释进气和排气过程。如果能解释，那么那些过程将必须在上死点和下死点处瞬间发生且没有压强降低，并且连接蓄油器将必须是在同样的压强和温度下，即在入口上没有节流或者在排气口上没有背压。

当在压缩和膨胀过程期间进气阀和排气阀于各种时刻打开时，发动机的理论容积比不能表现出实际的效率；并且发动机能够在进气歧管中节流到0.1巴，同时排气歧管大于1巴。当考虑到节流汽油发动机的部分负载操作时，使用热力循环得出的关于实际发动机的结论的局限性特别严重。

在实际发动机中，功率由热气体的膨胀产生；冷空气的压缩是必须的寄生损耗。一正一负的这些功率是根据在Y轴(压强轴)上计算的压缩比和膨胀比的函数。

在封闭的热力循环中，在P和V之间有固定的关系，即PV＝mRT。在具有阀的开放式循环发动机中，这种关系不存在，因此热力循环不是实际工作循环的真正简化的表示。

表示此发动机的简化的热力循环(奥托循环)的效率是压缩比的函数。

η＝1-l/CR^(γ-1)，其中

η发动机效率

CR压缩比

γ空气的比热比