[发明专利]用于内燃机的可变冲程机构

说明书

背景技术

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。

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。

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No.1326129和克拉克(Clarke)的美国专利No.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。

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No.1326733、什韦特(Svete)的美国专利No.2394269、卡迪(Cady)的美国专利No.1786423、塔克(Tucker)的美国专利No.1964096以及奥斯丁(Austin)的美国专利No.1278563。查德伯恩的美国专利No.1326129和克拉克的美国专利No.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。

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。

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No.5165368描述这样的发动机的代表性的示例。

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No.5158047、威廉姆斯(Williams)的美国专利No.5060603以及麦克沃特(McWhorter)的美国专利No.3686972、3861239和4152955代表本构思。

最近，美国专利No.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。