專利名稱：可變壓縮比發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機領(lǐng)域，尤其涉及壓縮比可變的發(fā)動機。
背景技術(shù)：
嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)加上提高燃料經(jīng)濟性的需要，已迫使機動車輛動力系統(tǒng)的設(shè)計方 式產(chǎn)生了顯著的變化。ICE的主要缺點是由固定設(shè)計特征引起的。ICE性能的突破性改進 的關(guān)鍵在于適應(yīng)性發(fā)動機幾何結(jié)構(gòu)的成功實現(xiàn)，其能夠在整個負荷/速度范圍內(nèi)動態(tài)地優(yōu) 化關(guān)鍵的發(fā)動機參數(shù)。目前，設(shè)計制約因素由峰值功率條件確定，但是大部分駕駛是發(fā)生在 部分負荷的發(fā)動機工作中。這允許通過連續(xù)優(yōu)化設(shè)計要素來顯著提高整體效率和可駕駛性 的可能性。雖然該方法無例外地適用于火花點火(Si)和柴油(CIDI)發(fā)動機，但其特別涉 及HCCI?？刂迫紵辔坏墓逃须y題是該技術(shù)成功采用的最關(guān)鍵的障礙。目前的實驗發(fā)動機 只能在嚴(yán)格控制的實驗室條件及非常窄的負荷范圍內(nèi)達到穩(wěn)定的SOC(燃燒起動)。特別 地，HCCI工作由于早期SOC變得在較高負荷下不可接受。雖然自動點火點可以被多個因素 影響，但是更受點火前壓力的直接影響。這表示了可響應(yīng)受控HCCI發(fā)動機中負荷的可變的 燃燒室的需求。SI發(fā)動機也獲得同樣的優(yōu)點。固定間隙空間(clearance space)的主要缺點，除 了對燃料經(jīng)濟性施加無益的限制，還排斥貧燃料混合物(lean mixture)的使用。在部分負 荷工作中，壓縮比可成比例地提高。當(dāng)電荷密度提高，火焰密度上升迅速，增加了可燃性。不能經(jīng)受這些考慮，適應(yīng)性發(fā)動機幾何結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)。運動學(xué)結(jié)構(gòu)的動態(tài)控制是 主要問題。特別地，難以達到的是，在受限于最小化寄生負荷及無級過渡的制約時，實現(xiàn)整 個負荷范圍內(nèi)的工作點(operating point)穩(wěn)定性。
現(xiàn)有技術(shù)壓縮比對燃燒特性、經(jīng)濟性和多燃料能力具有極大的影響。最終VCR的大規(guī)模采 用是不可避免的。由VCR引起的問題是值得考慮的。間隙空間的動態(tài)調(diào)整已提出最艱難的 挑戰(zhàn)。該關(guān)鍵參數(shù)的成功控制依賴于可經(jīng)受非常的要求和壓力的獨有控制系統(tǒng)的發(fā)展。就 此而言，其必須能夠在最小化功率施加于發(fā)動機時的壓縮限制間平滑過渡，并同時提供非 常高的抵抗爆炸的強大壓力所致的反沖力的可回復(fù)性。在過渡中特別容易受到這些壓力的 影響。另外，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)ω摵勺兓餮杆俚姆磻?yīng)。最近，出現(xiàn)了 VCR系統(tǒng)研發(fā)的熱潮。流行的策略包括移動氣缸蓋/套筒、活塞到氣 缸頂面高度的變化、連接桿幾何結(jié)構(gòu)的改變、移動曲柄銷，以及除此之外的移動曲軸軸線?；钊綒飧醉斆娓叨瓤勺兊牡幕钊写嬖谝恍﹩栴}，如在美國專利5，191，862和 Hirano的美國專利申請2006/0102115中公開的，或是缺乏完全控制，或是壓縮比的分級控 制。美國專利5，329，893教導(dǎo)了另一種通過傾斜的氣缸蓋變化壓縮比的方法。除了密封 問題，調(diào)節(jié)機構(gòu)受到氣缸蓋和連接的附屬物的組合慣性的影響?？蛇x的方法試圖相對偏心 軸承上的氣缸蓋移動曲軸軸線。該方法具有臨界的可靠性，這是由精確調(diào)準(zhǔn)軸承的困難所致的軸承的快速磨損引起的。其它設(shè)計也已進行不同嘗試，以克服軸承磨損的問題，例如 Lawrence的美國專利申請2006/0112911中公開的通過將曲軸放置在搖籃形裝置或部件 中。其方法可能與V形塊發(fā)動機不兼容，且連接曲軸到飛輪/變速箱是復(fù)雜的。承受燃燒 氣體的完全壓力工作的問題仍然存在。在另一方法中，其例子在美國專利6，772，717和公布的美國專利申請 2006/0137632中給出，改進連接桿以變化沖程，借此影響壓縮比。迅速往復(fù)運動部件的慣性 施加過度的應(yīng)力到調(diào)節(jié)機構(gòu)上。MCE-5公司和其他人等也提出了更復(fù)雜的方案。所有上述方案同樣具有固有缺陷，即較高的壓縮比可造成異常的燃燒室?guī)缀谓Y(jié) 構(gòu)，該結(jié)構(gòu)引起過多的熱量損失和熄火。除了特殊的缺陷外，這些方法需要對發(fā)動機進行大 量的和花費高的改進。在另一方法中，輔助活塞設(shè)置在燃燒室頂內(nèi)。大多數(shù)此類設(shè)計依賴液壓控制以定 位輔助活塞。這使氣缸蓋中的復(fù)雜管道成為必需。在經(jīng)常被引用的Nakahara的美國專利 4,516, 537 (‘ 537)中描述了許多現(xiàn)有辦法的固有問題，即在燃燒和空氣的爆炸的強大壓力 下，液壓液體的回流迫使活塞處在稍微后方的位置?！?537致力于討論從燃燒負荷分離調(diào)節(jié) 機構(gòu)以避免調(diào)節(jié)錯誤的主要問題。其他克服回流問題的嘗試回歸到壓縮比的分級控制，而 這種分級控制會引起爆震和不穩(wěn)定的性能?，F(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)未按預(yù)期工作，因為壓縮比的 調(diào)節(jié)伴隨著大量錯誤。另一美國專利5，195，469(’469)公開了能夠利用純機械系統(tǒng)分離前 述調(diào)整和燃燒負荷的設(shè)計。盡管致密、標(biāo)準(zhǔn)且非常有效，套筒設(shè)置限制了支撐軸承在中間點 的供應(yīng)，這對于嚴(yán)密性是必需的，且沿其長度易受前進扭矩和調(diào)節(jié)錯誤的影響。對于HCCI發(fā)動機，人們已提出多種方案以控制燃燒過程，例如在美國專利 6，953，020,7, 101，964和7，100，567等中公開的。盡管這些方案可有一定程度的可變性， 但是這些設(shè)計包含限制它們的實用/商用價值的水平的復(fù)雜性。在美國專利6，708，655、 6，450，154和6，250，520中公開了其它有效方法。當(dāng)動力活塞通過輔助活塞位于TDC附近 時，自動點火通過迅速升高氣缸壓力來引發(fā)。然而為了在整個負荷范圍內(nèi)有效，需要通過維 持升壓前壓力在窄限內(nèi)以補充方法。在上述設(shè)計中，升壓程度不可以用凸輪驅(qū)動系統(tǒng)隨意 變化，且液壓驅(qū)動活塞會碰到’ 537中列出的問題。

發(fā)明內(nèi)容
從前述來看顯而易見的是，現(xiàn)有設(shè)計在成本/復(fù)雜度或性能方面有嚴(yán)重的缺陷。 不實用的設(shè)計、低可靠性和制造難度是排除它們作為可變設(shè)計產(chǎn)品的強力竟?fàn)幷叩拿黠@障 礙。因此，迫切需要改進的裝置以實現(xiàn)適應(yīng)性發(fā)動機幾何結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地，本發(fā)明利用簡單、優(yōu)良的解決方法來實現(xiàn)目的，該方法在低成本下具有高 功能性、可靠性和長時間的耐久度。本發(fā)明的目的在于，實現(xiàn)高級控制機構(gòu)，其符合穩(wěn)定、無錯運行、高耐受力、低寄生 負荷和快速瞬時響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明的另一目的在于，提供能夠從燃燒負荷分離調(diào)整機構(gòu)的VCR控制裝置。本發(fā)明的目的還還于，提供能夠在不同工作模式和燃料間平滑地切換的發(fā)動機。本發(fā)明的又一目的在于，提供適于大量生產(chǎn)的發(fā)動機。本發(fā)明的這些和其它目的 依據(jù)本發(fā)明的較佳實施例來實現(xiàn)，以實現(xiàn)改進的系統(tǒng)來控制間隙體積。
可變間隙體積通過可移動的輔助活塞的定位而確定，該輔助活塞安裝在間隙空 間上開設(shè)的凹穴中。輔助活塞的定位受到調(diào)節(jié)凸輪的旋轉(zhuǎn)位置的影響，調(diào)節(jié)凸輪擺脫了 早前系統(tǒng)成問題的液壓技術(shù)。代表性設(shè)計的特征在于，在空擋間隔(排氣-充氣沖程， exhaust-intake strokes)中凸輪能夠被起動以用于體積調(diào)節(jié)部件的向前運動，借此最小 化功率需求。在另一創(chuàng)新步驟中，鎖扣機構(gòu)防止凸輪在氣缸壓力突然上升情況下倒退。在 整個負荷范圍內(nèi)實現(xiàn)了壓縮比的無級調(diào)節(jié)。設(shè)計具有的另一優(yōu)點是，在兩個方向上均有非 ?？斓乃矔r響應(yīng)。裝置具有超出’469的重要改進。通過分離控制軸和調(diào)節(jié)軸，本發(fā)明提供更耐用的 結(jié)構(gòu)。通過沿系統(tǒng)的長度方向在中間點提供支撐軸承，減少了調(diào)節(jié)錯誤，增強了嚴(yán)密性。同 時，考慮到在氣缸蓋的有限范圍內(nèi)組成部分的設(shè)置和與氣門裝置一起的容納，提高了靈活 性。


結(jié)合接下來的詳細說明以及附圖，本發(fā)明的實施方式可被更徹底地理解，本發(fā)明 的其它目的和優(yōu)點也會變得更加明顯，附圖中同一標(biāo)號自始至終指示同一部件。圖1是基于本發(fā)明原理之發(fā)動機的橫截面圖，其示出了由調(diào)節(jié)凸輪和軸定位的副 氣缸；圖2是帶棘輪的調(diào)節(jié)軸和帶鎖扣機構(gòu)的凸輪的示意圖；圖3是調(diào)節(jié)凸輪和驅(qū)動齒輪的詳細示意圖；圖4是帶有設(shè)置在控制軸和齒輪間的扭矩存儲裝置的替代實施方式的剖面圖；圖5是說明本發(fā)明的帶配件的局部裝配裝置的透視圖。
具體實施例方式現(xiàn)在參考附圖，在圖1中是說明整體標(biāo)記為10的內(nèi)燃機中的氣缸的剖面圖。發(fā)動 機具有主氣缸101、氣缸蓋102和主活塞103。副氣缸201形成于氣缸蓋102中，其定位以 使副氣缸201的開口與選定部分的體積相通，該選定部分的體積包括在TDC處的間隙體積。 副活塞203安裝在副氣缸201中。在計算壓縮比過程中，位于活塞203下面的空間被添加 到間隙體積。隨著副活塞沿氣缸201下降，減少了間隙體積，提高了壓縮比。副氣缸的開口 可制作成狹口(narroworifice)。在圖1所示的實施方式中，火花塞可以安裝到副活塞中或根據(jù)喜好的其它位置。 副活塞包含用于密封和潤滑的環(huán)形物等，由于它們在行業(yè)中是熟知的，故本發(fā)明沒有示出 和講授其細節(jié)。圖2描畫了調(diào)節(jié)軸1301，棘輪1302與活塞相對應(yīng)地間隔形成于其上。凸輪1501 的一側(cè)共軸安裝有齒輪裝置1503。齒輪與控制軸1401上的相應(yīng)齒輪1402接合。襯套1504 安裝有鎖扣機構(gòu)1502，其與調(diào)節(jié)軸上的棘輪接合以迫使凸輪相對調(diào)節(jié)軸單向旋轉(zhuǎn)。一帶鎖 扣機構(gòu)1502的凸輪1501通過各棘輪1302安裝到調(diào)節(jié)軸1301上?，F(xiàn)在參考附圖3，齒輪1503以允許其相對凸輪有限程度的自由旋轉(zhuǎn)的方式與凸 輪共轉(zhuǎn)。在代表性實施方式中，自由旋轉(zhuǎn)受到終點止動裝置(end stop)的限制，終點止動 裝置通過齒輪鄰接的突出部B插入凸輪上的凹口 A形成。齒輪的自由旋轉(zhuǎn)受到設(shè)置在齒
6輪和凸輪間的彈簧或扭矩裝置的限制，該彈簧或扭矩裝置使齒輪在逆時針方向上偏向逆著 圖3所示的止動裝置Ll的方向。彈簧裝置1403通過由2個終點止動裝置界定的負荷間 隙(loading gap)的封閉是可壓縮的，以便在增加壓縮比的方向上從驅(qū)動齒輪1402傳遞扭 矩。控制軸的轉(zhuǎn)動受伺服馬達的控制。在優(yōu)選實施方式中，齒輪1404在控制軸的選定部分 上形成，以允許通過直接耦合的齒輪傳動裝置與馬達驅(qū)動器接合。一旦控制軸在預(yù)期方向上旋轉(zhuǎn)和彈簧1403負載，裝置被起動以使凸輪根據(jù)燃燒 室中產(chǎn)生的壓力在預(yù)期方向上移動，燃燒室通過上面講到的低于共同作用的彈簧1403的 副活塞與調(diào)節(jié)齒輪1501相聯(lián)。該凸輪1501的移動減輕允許凸輪齒輪1503再次靠近終點 止動裝置Ll的彈簧中的應(yīng)力。通過安裝在凸輪襯套中與棘輪1302接合的單向鎖扣機構(gòu)， 防止了調(diào)節(jié)凸輪在相反方向上的旋轉(zhuǎn)。在代表性實施方式中示出了棘輪，但可以是現(xiàn)有技 術(shù)中可施加單向旋轉(zhuǎn)影響的任何已知機構(gòu)。在圖4所示的替代結(jié)構(gòu)中，負荷間隙由兩終點止動裝置間的驅(qū)動齒輪1402和控制 軸1401之間的自由移動所限定。偏心彈簧設(shè)置在二者之間以服務(wù)于相同的目的。驅(qū)動齒 輪也可以形成為齒條，該情況下控制軸將作為柱塞與力存儲裝置一起作用，力存儲裝置例 如設(shè)置在齒條和柱塞之間的彈簧。伺服馬達和驅(qū)動機構(gòu)可分別在凸輪軸蓋外面覆蓋起來。伺服馬達的旋轉(zhuǎn)和定位受 發(fā)動機管理電腦的控制。圖5表示在中間點用緊固裝置裝配的實施方式，其中描畫了步進馬達1702，其具 有與控制軸1401的驅(qū)動齒輪1404接合的傳動齒輪1703。調(diào)節(jié)凸輪在連接到步進馬達的控 制器情況下旋轉(zhuǎn)到預(yù)期的正向位置(forward position)。為了反向改變凸輪1501的位置， 調(diào)節(jié)軸1301 —端的離合機構(gòu)(clutch mechanism) 1701被釋放，以允許調(diào)節(jié)軸和隨之一起 的整個裝置在較低壓縮比的方向上旋轉(zhuǎn)。凸輪1501可借此連續(xù)重新定位(微調(diào))以平衡負 荷的改變和氣缸溫度梯度的漸變?；貜?fù)運動可通過伺服馬達的逆向旋轉(zhuǎn)輔助，借以實現(xiàn)向 低壓縮比的非?？斓倪^渡(< 100毫秒)。為了進一步便利凸輪的定位，可在凸輪1501和 副活塞203之間設(shè)置控制桿，例如圍繞一端或中間的固定點樞轉(zhuǎn)的控制桿。驅(qū)動齒輪1402 也可以通過鏈或帶與凸輪齒輪1503接合。相比之前的系統(tǒng)，成問題的液壓控制裝置和管道系統(tǒng)被排除，在減少調(diào)節(jié)錯誤的 同時，允許成本的減少、更好的可靠性和穩(wěn)定性。在代表性實施方式中，離合盤1701通過在E⑶指導(dǎo)下自由地釋放的螺線管固定地 接合。系統(tǒng)設(shè)計為安全模式下失效，安全模式是指導(dǎo)致系統(tǒng)靠慣性滑行并回到安全的低壓 縮比狀態(tài)下的功率或控制信號的丟失或螺線管故障。作為選擇，離合盤和伺服馬達可以用 類似用于相對其驅(qū)動鏈輪旋轉(zhuǎn)凸輪軸類型的液壓驅(qū)動的驅(qū)動器替換。在本發(fā)明的有利特征中，凸輪相對終點止動裝置的自定位(self-alignment)確 保了在所有氣缸中精確和統(tǒng)一的壓縮比。在本發(fā)明的另一有利特征中，代表性實施方式允許多個氣缸被單個驅(qū)動器控制， 結(jié)果得到致密、低成本的模塊化設(shè)計。另外，當(dāng)通過裝置間隔提供的夾具實現(xiàn)相對反沖力和燃燒負荷的分離的嚴(yán)密性 時，最小化發(fā)動機上的工作效能和寄生負荷。由于在不偏離此處包含的本發(fā)明的精神和范圍的前提下可對上述裝置作出一些
7改變，上述說明中包含的全部內(nèi)容，如在附圖中所示，意指應(yīng)當(dāng)理解為說明性而非限制性意 義。
權(quán)利要求
一種內(nèi)燃機，其特征在于，包括在其中界定燃燒氣缸的氣缸體；設(shè)置在所述燃燒氣缸中的主活塞；界定所述燃燒氣缸末端的氣缸蓋；所述氣缸蓋界定與所述燃燒氣缸具有流動傳遞的副氣缸；可往復(fù)運動地設(shè)置在所述副氣缸中的副活塞；所述副活塞的往復(fù)運動通過凸輪的旋轉(zhuǎn)被控制；所述凸輪具有可通過安裝在分離的控制軸上的相應(yīng)驅(qū)動部件(1402)接合的驅(qū)動裝置(1503)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，其特征在于，所述凸輪位于所述副活塞上面并與所 述副活塞相互作用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，其特征在于，借助插入所述凸輪和所述副活塞之間 的控制桿，所述凸輪可以定位為遠離所述副活塞，或與所述副活塞不共軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機，其特征在于，所述凸輪相對其安裝軸是可旋轉(zhuǎn)的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)動機，其特征在于，所述凸輪是可鎖定的，以便與其安裝軸 共旋轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)動機，其特征在于，所述驅(qū)動裝置具有相對所述凸輪的受 限旋轉(zhuǎn)，位于所述驅(qū)動裝置和所述凸輪間的扭矩存儲裝置通過所述驅(qū)動裝置的旋轉(zhuǎn)傳遞扭 矩到所述凸輪，所述控制軸由電力傳動馬達或液壓傳動馬達驅(qū)動。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)動機，其特征在于，所述相應(yīng)驅(qū)動部件具有相對所述控制 軸的受限移動，借助位于所述相應(yīng)驅(qū)動部件和所述控制軸間的力存儲裝置，通過所述控制 軸的移動傳遞力到所述相應(yīng)驅(qū)動部件；所述控制軸的移動受到電力傳傳動馬達或液壓傳動 馬達的影響。
8.一種內(nèi)燃機，其特征在于，包括在其中界定燃燒氣缸的氣缸體；設(shè)置在所述燃燒氣缸中的主活塞；界定所述燃燒氣 缸末端的氣缸蓋；所述氣缸蓋界定與所述燃燒氣缸具有流動傳遞的副氣缸；可往復(fù)運動地 設(shè)置在所述副氣缸中的副活塞；所述副活塞的往復(fù)運動通過凸輪的旋轉(zhuǎn)被控制；所述凸輪 相對其安裝軸(1301)是可旋轉(zhuǎn)的，并具有可通過安裝在分離的控制軸上的相應(yīng)驅(qū)動部件 (1402)接合的驅(qū)動裝置(1503)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)動機，其特征在于，所述凸輪是可鎖定的，以便與其安裝軸 共旋轉(zhuǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)動機，其特征在于，所述凸輪位于所述副活塞上面并與所 述副活塞相互作用。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)動機，其特征在于，借助插入所述凸輪和所述副活塞之間 的控制桿，所述凸輪可以定位為遠離所述副活塞，或與所述副活塞不共軸。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)動機，其特征在于，所述驅(qū)動裝置具有相對所述凸輪的受 限旋轉(zhuǎn)，位于所述驅(qū)動裝置和所述凸輪間的扭矩存儲裝置通過所述驅(qū)動裝置的旋轉(zhuǎn)傳遞扭 矩到所述凸輪，所述控制軸由電力傳動馬達或液壓傳動馬達驅(qū)動。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)動機，其特征在于，所述相應(yīng)驅(qū)動部件具有相對所述控制 軸的受限移動，借助位于所述相應(yīng)驅(qū)動部件和所述控制軸間的力存儲裝置，通過所述控制 軸的移動傳遞力到所述相應(yīng)驅(qū)動部件；所述控制軸的移動受到電力傳傳動馬達或液壓傳動 馬達的影響。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)動機，其特征在于，所述燃燒氣缸和所述副氣缸間的所述流動傳遞是通過狹口。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)動機，其特征在于，所述驅(qū)動裝置是與相應(yīng)齒輪驅(qū)動裝 置接合的齒輪驅(qū)動裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)動機，其特征在于，所述扭矩存儲裝置是彈簧。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)動機，其特征在于，所述力存儲裝置是彈簧。
18.—種運行發(fā)動機的方法，其特征在于，包括提供在其末端具有氣缸蓋的燃燒氣缸和可往復(fù)運動地設(shè)置在界定燃燒室的燃燒氣缸 中的主活塞；提供與所述燃燒室具有流動傳遞的副氣缸和可往復(fù)運動地設(shè)置在所述副氣缸 中的副活塞；以及，在所述副氣缸中往復(fù)運動所述副活塞，以便維持不同發(fā)動機負荷條件下 的最佳壓縮比。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，其中所述壓縮比對于不同的燃料輸入 或不同運行模式是進一步可選的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可變壓縮比機構(gòu)，用于在最小化功率要求和提供間隔的夾具以將調(diào)節(jié)機構(gòu)從反應(yīng)中分離到燃燒負荷的同時，連續(xù)地變化內(nèi)燃機的壓縮比。所述機構(gòu)包括通過創(chuàng)新的作用于燃燒室蓋中的輔助活塞(203)的扭矩存儲裝置驅(qū)動的調(diào)節(jié)凸輪(1501)。所述機構(gòu)在不使用液壓控制的條件下提供非?？旌途_的瞬時響應(yīng)。本發(fā)明如期望地簡化了控制系統(tǒng)，并為此目的提供優(yōu)良和緊湊的解決方案。
文檔編號F02B75/04GK101970831SQ200980108371
公開日2011年2月9日 申請日期2009年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者阿德勒·達, 阿默德·塞伊德 申請人:阿默德·塞伊德;阿德勒·達