專利名稱：內燃機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及具有用于往復移動活塞的活塞曲柄機構的內燃機，更具體來說，涉及具有這種活塞曲柄機構的柴油發(fā)動機或內缸直接噴油式汽油發(fā)動機。
背景技術：
日本專利申請公開文本第2001-22736號公開了一種使用多連桿(multilink)活塞曲柄機構的內燃機的可變壓縮比機構，這是本申請的申請人以前提出的。這種機構借助一個上連桿和一個下連桿使活塞和曲柄彼此連接起來。上連桿的一端通過活塞銷與活塞相連接。上連桿的另一端通過一個第一連接銷與下連桿相連接。下連桿可轉動地安裝在曲軸的曲柄銷上。這種機構借助一控制連桿限制下連桿的運動，控制連桿的一端借助一個第二連接銷與下連桿相連接?？刂七B桿的另一端例如借助一凸輪機構支承在氣缸體的下部上?？刂七B桿的所述另一端的擺動中心可借助凸輪機構移動，以便改變活塞的上死點，從而改變發(fā)動機的壓縮比。

發(fā)明內容
內缸噴油式發(fā)動機如柴油發(fā)動機或內缸直接噴油式汽油發(fā)動機的性能基本上取決于燃燒室的形狀和燃氣流的特性。對于柴油發(fā)動機來說，燃燒室形狀和燃氣流特性是重要因素，不僅決定排放性能，而且決定輸出性能，這是由于燃燒室形狀和燃氣流特性顯著影響滿載操作中的空氣利用率。擴大發(fā)動機排量及增加這種內燃機的發(fā)動機輸出的措施之一是延長活塞行程。但是，采用一般的單連桿活塞曲柄機構時，將活塞行程延長為一長行程，從而每缸的排量大于一定值，這可能會引起一種導致在低速操作時燃燒不佳的傾向。在汽油發(fā)動機中，當每缸排量變大時，火焰?zhèn)鞑バ枰鄬^長的時間，因而在燃氣流小的低速操作時使燃燒不穩(wěn)定。如果為了改善這種燃燒不佳的情形而將發(fā)動機設置高壓縮比或提早點火定時，那么，發(fā)動機就變得易于敲缸，這對于實際用作內燃機來說是不適宜的。另外，在直列四缸內燃機中，延長活塞行程可能引起活塞二次慣性力振動的急劇增加，從而使噪音振動特性惡化。此外，延長活塞行程必然引起內燃機尺寸的增加。
本發(fā)明的目的是提供一種內燃機，該內燃機具有增大的發(fā)動機排量而不增加內燃機的尺寸或使噪音振動特性惡化。
按照本發(fā)明的一個方面，提供一種內燃機，它包括一個在氣缸內往復移動的活塞；一根包括配重的曲軸，其具有一個最外部分，當活塞位于下死點附近時，該最外部分橫過從活塞銷沿活塞銷軸向延伸的一假想延長線；以及一個使活塞連接于曲軸的活塞曲柄連桿機構。
通過對照附圖的下述說明，可以理解本發(fā)明的其它目的和特征。


圖1是一垂向剖視圖，表示在按照本發(fā)明一實施例的內燃機中使用的一個可變壓縮比機構。
圖2A，2B，2C和2D的示意圖用于說明在可變壓縮比機構中使用的多連桿活塞曲柄機構的基本操作。
圖3是圖1的多連桿活塞曲柄機構中使用的活塞的沿垂直于曲軸軸線的平面截取的垂向剖視圖。
圖4是圖3的活塞的沿平行于曲軸軸線的平面截取的側剖圖。
圖5是圖3的活塞的剖開的立體圖。
圖6是圖3的活塞的側視圖。
圖7的側視圖表示在下死點的活塞與在圖1的內燃機中使用的配重的位置關系。
圖8的示意圖用于說明早先技術的普通單連桿活塞曲柄機構的活塞行程。
圖9的示意圖用于說明圖1的多連桿活塞曲柄機構的活塞行程。
圖10的曲線圖表示圖1的多連桿活塞曲柄機構的活塞行程特性。
圖11的曲線圖表示圖1的多連桿活塞曲柄機構的活塞加速度特性。
具體實施例方式
圖1的垂向剖視圖表示在按照本發(fā)明的一個實施例的內燃機中使用的可變壓縮比機構。在這個實例中，該實例的內燃機是內缸直接噴油式汽油機?？勺儔嚎s比機構由一個多連桿活塞曲柄機構或活塞曲柄連桿機構或包括一個下連桿4、一個上連桿5和一個控制連桿10的連桿機構構成。
圖1的內燃機包括一曲軸1和一個氣缸體18的殼狀氣缸19，還包括每個氣缸19的多連桿活塞曲柄機構和活塞18。曲軸1包括每個氣缸的一個軸頸部分2和一個曲柄銷3。軸頸部分2可轉動地支承在氣缸體18的一個主軸承上。曲柄銷3與軸頸部分2偏心一個預定的距離。下連桿4可轉動地連接于曲柄銷3。曲軸1也包括配重15和曲柄臂16。每個頂置(oh)曲柄臂16連接軸頸部分2和曲柄銷3。每個配重15從曲柄臂16沿背離曲柄銷3的方向延伸，并包括一個圍繞軸頸部分2的弧形形成的圓周部分。在曲柄銷3的軸向上，配重15橫過曲柄銷3彼此相對。活塞8借助燃燒壓力在氣缸19內往復移動。
下連桿4分成右部和左部，并包括由右部和左部圍繞的一個連接孔。曲柄銷3裝配在該連接孔內。
上連桿5包括一個借助第一連接銷6與下連桿4的一端可轉動地相連的下端，以及一個借助活塞銷7與活塞8可轉動地相連的上端。
圖1的內燃機也包括一控制軸12?？刂七B桿10包括一個借助第二連接銷11與下連桿4的另一端可轉動地相連的上端，以及一個通過控制軸12與氣缸體18的下部可轉動地相連的下端。因此，控制連桿10限制下連桿4的運動。氣缸體18的下部構成發(fā)動機本體的一部分?？刂戚S12可轉動地支承在發(fā)動機本體上，并包括一個偏心凸輪12a，與控制軸12的轉動軸線偏心。控制連桿10的下端可轉動地裝在偏心凸輪12a上。
控制軸12的轉動位置是借助一個按照來自發(fā)動機控制單元的控制信號工作的壓縮比控制致動器而被控制的。
借助使用多連桿活塞曲柄機構的上述的可變壓縮比機構，當控制軸12被壓縮比控制致動器轉動時，偏心凸輪12a的中心位置相對于發(fā)動機本體變化。這改變了控制連桿10的下端的位置，控制連桿10借助偏心凸輪12a和控制軸12相對于發(fā)動機本體可移動地被支承?？刂七B桿10的支承位置的變化可改變活塞8的行程及活塞8在上死點(TDC)的垂向位置。因此，可變壓縮比機構可以改變發(fā)動機的壓縮比。在這個實例中，至少控制軸12構成一個支承位置改變部分，以便改變控制連桿10的下端相對于發(fā)動機本體的位置。
圖2A，2B，2C和2D的示意圖用于說明多連桿活塞曲柄機構的基本操作。圖2A至2D表示在曲軸進一轉(360°曲柄角)的過程中該機構各構件在每個90°曲柄角(CA)上的循環(huán)操作。圖2B表示活塞8的上死點(TDC)。如圖2B所示，改變控制連桿10的下端的位置使活塞8沿氣缸的垂向移動，從而改變壓縮比。
圖10的曲線圖表示多連桿活塞曲柄機構的活塞行程特性。圖11的曲線圖表示多連桿活塞曲柄機構的活塞加速度特性。采用多連桿活塞曲柄機構的上述多連桿可變壓縮比機構可以通過設定由下連桿4、上連桿5和控制連桿10確定的連桿尺寸而提供一種接近于簡諧振蕩的活塞行程特性。特別是如圖10所示，多連桿可變壓縮比機構可呈現(xiàn)出比普通單連桿活塞曲柄機構更接近于簡諧振蕩的活塞行程特性。然后，如圖11所示，多連桿可變壓縮比機構的活塞8的活塞加速度被調平(Levelled)，在上死點(TDC)附近，最大慣性力被顯著減小。當多連桿可變壓縮比機構表現(xiàn)出上述接近于簡諧振蕩的活塞行程特性時，在上死點附近活塞8的活塞速度比單連桿活塞曲柄機構的活塞速度慢大約20％。
圖3是沿垂直于曲軸1的軸線的平面截取的活塞8的垂向剖視圖。圖4是沿平行于曲軸1的軸線的平面截取的活塞8的側剖圖。圖5是活塞8的剖開的立體圖。圖6是活塞8的側視圖。這個實例的活塞8是用鋁合金整體鑄造的，包括一個活塞冠部或活塞頭部21、活塞環(huán)槽部22和第一及第二裙部23?；钊^部21具有一個相對較粗的圓形形狀，該形狀包括一個圍繞活塞頭部21的周向形成的圓周部分?；钊h(huán)槽部22是沿周向在活塞頭部21的圓周部分中形成的。在圖3至6中，活塞8包括三個活塞環(huán)槽部22。第一和第二裙部23分別在活塞8的周向的推力和反推力側形成的，并沿氣缸19的內周從圓周部分向下延伸。從垂直于活塞銷7的方向看去，每個裙部23的投影形狀基本是矩形的，如圖6所示、如圖7所示，每個裙部23具有在平行于活塞銷7的軸線的方向上比較時基本等于或短于活塞銷7的總長度的寬度。也就是說，每個裙部23在周向上設置在一個相當小的范圍內。
活塞8也包括一對在活塞8的中央部分形成且彼此間隔開來的銷的凸臺部分24。每個銷的凸臺部分24在活塞頭部21的下側的中央部分突出，并包括一個在活塞銷7的軸向上穿過銷的凸臺部分24的銷孔25?；钊N7的端部可轉動地裝配在銷孔25中。每個銷孔25包括一對在銷孔25的內側面上形成且在活塞銷7的軸向上延伸的油槽26。
圖7的側剖圖表示上連桿5、配重15和在下死點上的活塞8。圖9的示意圖用于說明活塞8的行程。這具實例的上連桿5是鋼制的。上連桿5的上端穿過銷的凸臺部分24之間的間隙?；钊N7在間隙處壓入上連桿5的上端，從而使上連桿5的上端連接于活塞8，如圖7所示。上連桿5的下端分支成支承第一連接銷6的兩端的兩個部分，從而與下連桿4相連，如圖9所示。
在上連桿5的上、下端，活塞銷7和第一連接銷6具有相等的軸向長度。此外，活塞銷7和第一連接銷6接受基本相同的負載。因此，活塞銷7和第一連接銷6具有相同的直徑或截面尺寸。
銷的凸臺部分24和活塞銷7構成將活塞8連接于上連桿5的一個活塞連接結構。沿活塞銷7的軸向測量時，該活塞連接結構的尺寸顯著小于每個活塞8和氣缸19的直徑，如圖7和9所示。
活塞8位于下死點附近時，配重15的最外部分橫過從活塞銷7沿軸向延伸的一根假想延伸線，如圖7所示。也就是說，活塞8位于下死點附近時，配重15的最外部分經(jīng)過銷的凸臺部分24和活塞銷7側面而不與銷的凸臺部分24和活塞銷7發(fā)生抵觸。因此，在下死點，活塞8位于離開曲軸1的軸線相當小的距離上。圖7的活塞8的位置比圖2D和圖11-IV的活塞更靠近曲軸1的軸線。圖2D和圖11-IV的示意圖用于說明多連桿活塞曲柄機構的基本操作，因而表示出在垂向上與活塞銷7間隔開來的配重15。
圖8表示與早先技術的普通的單連桿活塞曲柄機構101相組合的活塞102的活塞行程。圖9表示本實施例的多連桿活塞曲柄機構的活塞行程?；钊谐谭謩e是由上死點和下死點之間的箭頭表示的。與圖8的活塞行程比較，圖9的活塞行程被顯著延長。因此，本實施例的多連桿活塞曲柄機構可增加內燃機的發(fā)動機排量而不增加發(fā)動機的尺寸。作為一個實例，本實施例的多連桿活塞曲柄機構可延長活塞行程大約20％。
如上所述，本實施例的活塞8包括小的裙部23。因此，當配重15經(jīng)過銷的凸臺部分24的側面時，配重15并不與裙部23發(fā)生抵觸，如圖7和9所示。在本發(fā)明中，裙部23無需構制成具有高的強度和剛性，但可形成得具有極小的尺寸，這是由于本發(fā)明的多連桿活塞曲柄機構比普通的單連桿活塞曲柄機構承受使活塞8傾斜的較小的側向推力負載量。具體來說，活塞8在膨脹沖程的早期承受最大的燃燒壓力，因而在圖2C的階段附近，活塞頭部21承受最大負載。在這個階段中，上連桿5基本呈豎直姿態(tài)，相對于氣缸19的軸線的傾斜度相當小，如圖2C和圖9所示。特別是上連桿5相對于氣缸19的軸線的傾斜度可小于圖8的單連桿活塞曲柄機構的連桿的傾斜度。因此，本發(fā)明的活塞8承受較小的側向推力負載，并可以包括小的裙部23。
如上所述，當本實施例的多連桿活塞曲柄機構提供接近于簡諧振蕩的活塞行程特性時，活塞8的活塞加速度被調平，在上死點附近，最大慣性力被顯著減小。因此，如上所述，可使接納活塞銷7的銷的凸臺部分24較小。
此外，如果圖8的單連桿活塞曲柄機構101包括一個與曲軸中心偏置更大的曲柄銷，因而將活塞102的活塞行程延長成一個長的行程，那么，活塞102就承受較大的側向推力負載量。在這種情形中，活塞102不僅不能包括一個小的裙部，而且不能適當運轉而用作一個實用的發(fā)動機。對比而言，本發(fā)明的多連桿活塞曲柄機構可以延長活塞行程而不使活塞8承受大的側向推力負載量，因而活塞8能夠適當?shù)匕ㄐ〉娜共?3。
本發(fā)明的多連桿活塞曲柄機構優(yōu)選地用于直列四缸發(fā)動機中。一般來說，在這種直列四缸發(fā)動機中，延長活塞行程可引起活塞二次慣性力振動的急劇增加，從而使噪音振動特性惡化。對比而言，本發(fā)明的多連桿活塞曲柄機構可提供接近于簡諧振蕩的活塞行程特性，因而可以通過延長活塞行程增加發(fā)動機排量而不使噪音振動特性惡化。
另外，當本發(fā)明的多連桿活塞曲柄機構呈現(xiàn)接近于簡諧振蕩的活塞行程特性時，活塞8在上死點的活塞速度變得慢于單連桿活塞曲柄機構。因此，與單連桿活塞曲柄機構比較本發(fā)明的多連桿活塞曲柄機構可保證在相同的燃燒率時有充足的燃燒時間，從而能夠在具有每缸大的排量的燃燒室中有極好的燃燒情形。
圖3至6的活塞8包括在三個活塞環(huán)槽部22間的兩個活塞環(huán)或壓縮環(huán)27。圖7的活塞8包括在兩個活塞環(huán)槽部22間的一個壓縮環(huán)27。本發(fā)明的活塞8包括小的銷凸臺部分24和活塞銷7，因而具有輕的下部。因此，包括一個壓縮環(huán)27的活塞8不僅在穩(wěn)定圍繞活塞銷7的活塞8的性能方面，而且在延長活塞行程方面都是有利的。
如上所述，本發(fā)明的內燃機可以是一種直列四缸發(fā)動機，其包括沿直線排列的第一、第二、第三和第四氣缸19；分別在第一、第二、第三和第四氣缸內往復移動的第一、第二、第三和第四活塞8；一根包括第一、第二、第三和第四配重15的曲軸1，每個配重具有一個最外部分，該最外部分在第一、第二、第三和第四活塞8中的一個位于下死點附近時橫過從第一、第二、第三和第四活塞銷7中的一個活塞銷沿活塞銷7的軸向延伸的一假想延伸線；以及分別使第一、第二、第三和第四活塞8與曲軸1連接的第一、第二、第三和第四活塞曲柄機構。
本發(fā)明是以2003年11月19日提交的在先的日本專利申請第2003-388641號為基礎的。該日本專利申請第2003-388641號的全部內容在本說明書中用作參考。
雖然已經(jīng)針對本發(fā)明的某些實施例對本發(fā)明作了描述，但是，本發(fā)明并不局限于上述實施例。本專業(yè)技術人員根據(jù)上述技術內容可對上述實施例進行修改和變化。本發(fā)明的范圍是由權利要求書限定的。
權利要求
1.一種內燃機，它包括一個在氣缸(19)內往復移動的活塞(8)；一根包括配重(15)的曲軸(1)，其具有一個最外部分，當活塞(8)位于下死點附近時，該最外部分橫過從活塞銷(7)沿活塞銷(7)軸向延伸的一假想延長線；以及一個使活塞(8)連接于曲軸(1)的活塞曲柄連桿機構(4，5，10)。
2.如權利要求1所述的內燃機，其特征在于活塞曲柄連桿機構(4，5，10)是多連桿活塞曲柄連桿機構，包括一個上連桿(5)，該上連桿具有借助活塞銷(7)與活塞(8)相連接的第一端；一個下連桿(4)，該下連桿具有借助第一連接銷(6)與上連桿(5)的第二端相連接且可轉動地安裝在曲軸(1)的曲柄銷(3)上的第一端；以及一個控制連桿(10)，該控制連桿具有一個借助第二連接銷(11)與下連桿(4)的第二端相連接的第一端和一個可相對于內燃機本體移動地被支承的第二端。
3.如權利要求2所述的內燃機，其特征在于活塞銷(7)和第一連接銷(6)軸向長度彼此相同。
4.如權利要求2或3所述的內燃機，其特征在于活塞(8)包括分別接納活塞銷(7)的第一和第二端的第一和第二銷凸臺部分(24)；上連桿(5)的第一端穿過第一和第二銷凸臺部分(24)之間的間隙，并裝配在活塞銷(7)上。
5.如權利要求2或3所述的內燃機，其特征在于活塞(8)包括分別在活塞(8)的周向的推力和反推力側上形成的第一和第二裙部(23)；第一和第二裙部(23)中的每一個在活塞銷(7)的軸向上的寬度基本等于活塞銷(7)的寬度。
6.如權利要求2或3所述的內燃機，其特征在于活塞(8)包括分別在活塞(8)的推力和反推力側上形成的第一和第二裙部(23)；第一和第二裙部(23)中的每一個在活塞銷(7)的軸向上的寬度小于活塞銷(7)的寬度。
7.如權利要求2或3所述的內燃機，其特征在于還包括一個支承位置改變部分(12)，以便改變控制連桿(10)的第二端相對于內燃機本體的位置，從而改變內燃機的壓縮比。
8.如權利要求7所述的內燃機，其特征在于所述支承位置改變部分包括一根控制軸(12)，該控制軸可轉動地支承在內燃機本體上，并包括一個可轉動地裝配在控制連桿(10)的第二端中的偏心凸輪(12a)。
9.如權利要求2或3所述的內燃機，其特征在于上連桿(5)被設置成當活塞(8)位于活塞(8)承受最大燃燒壓力的位置上時相對于氣缸(19)的軸線具有小的傾斜度。
10.如權利要求2或3所述的內燃機，其特征在于所述活塞曲柄連桿機構(4，5，10)將活塞(8)連接于曲軸(1)，從而活塞(8)按照曲軸(1)的轉動在氣缸(19)內往復移動，使活塞行程具有接近于簡諧振蕩的特性。
11.如權利要求1至3中任一項所述的內燃機，其特征在于所述內燃機被構制成直列四缸發(fā)動機。
12.如權利要求1至3中任一項所述的內燃機，其特征在于配重(15)在活塞銷(7)的軸向上超過活塞(8)的活塞頭部(21)向外突出。
13.如權利要求1至3中任一項所述的內燃機，其特征在于曲軸(1)包括在曲柄銷(3)相對兩側的兩個配重(15)。
14.如權利要求1至3中任一項所述的內燃機，其特征在于活塞(8)包括在活塞環(huán)槽部(22)中的壓縮環(huán)(27)。
15.一種內燃機，它包括一根曲軸(1)，該曲軸包括第一和第二配重(15)，每個配重具有一個最外部分；一個活塞曲柄連桿機構(4，5，10)；以及借助活塞曲柄連桿機構(4，5，10)與曲軸(1)相連接的活塞(8)，該活塞(8)包括一個頭部(21)、第一及第二裙部(23)和分別支承使活塞(8)與活塞曲柄連桿機構(4，5，10)連接的活塞銷(7)的兩端的第一及第二銷凸臺部分(24)，所述活塞形成有第一和第二凹槽，所述第一及第二銷凸臺部分(24)和第一和第二裙部(23)形成在所述第一和第二凹槽之間，第一和第二凹槽的形狀使得第一和第二配重(15)的最外部分可分別穿過活塞(8)的第一和第二凹槽并達到一種狀態(tài)，在該狀態(tài)中活塞(8)的第一和第二銷凸臺部分(24)降入第一和第二配重(15)的最外部分之間形成的間隙中。
16.如權利要求15所述的內燃機，其特征在于所述活塞曲柄連桿機構(4，5，10)是多連桿機構，其布置成使活塞(8)在上死點和下死點之間往復移動，在下死點活塞(8)的第一和第二銷凸臺部分(24)降入第一和第二配重(15)的最外部分之間的間隙中。
全文摘要
在一種內燃機中，活塞(8)在氣缸(19)中往復移動的活塞(8)和曲軸(1)借助活塞曲柄連桿機構(4，15，10)彼此連接。曲軸(1)包括配重(15)。當活塞(8)位于下死點附近時，配重(15)的最外部分橫過從活塞銷(7)沿活塞銷(7)的軸向延伸的一假想延伸線。
文檔編號F16C7/00GK1619107SQ20041009499
公開日2005年5月25日 申請日期2004年11月18日 優(yōu)先權日2003年11月19日
發(fā)明者青山俊一, 茂木克也, 牛島研史, 高橋直樹 申請人:日產自動車株式會社