[发明专利]变压缩比的往复活塞发动机式内燃机

说明书

本发明涉及一种变压缩比往复活塞发动机式内燃机。目前使用的内燃机绝大部分是往复活塞发动机式的。这种往复活塞发动机的压缩比是指当活塞位于上止点时的燃烧室容积与活塞位于下止点时整个汽缸的容积之比。这种往复活塞发动机或者普通内燃机的燃烧过程非常复杂，受多个参数影响。对汽油发动机和柴油发动机或一些用其它燃料的发动机来说都是这样。原则上，发动机燃料的最佳燃烧从而内燃机的最高效率受吸入或装入的空气量及其温度，湿度和密度，喷入燃料的形式和质量，以及燃料与空气混合的形式和方法，混合气体点火的形式和方法等影响。因此燃料-空气混合气体的紧密性和活塞运动过程中精确的点火时刻和点火形式方法一样起重要作用。在燃烧过程中压缩过程与燃烧过程本身一样也起重要作用。

如果发动机在较高负荷下运转，燃烧压力比空转时高；发动运转快时，则供燃烧用的时间明显比在较低转数下的短。除了取决于发动机运转状态的变量外，还有外部气候条件影响发动机运转和燃烧效率。因此发动机是在海平面上还是在空气稀薄的高地上运转是不一样的。外部温度和空气湿度同样起作用。

过去几年里在发动机燃烧过程优化方面取得了很大进展，这主要归功于，一方面微处理器控制越来越可引入使用，另一方面即材料科学所取得的成就。所以现在许多发动机都由微处理器控制预先进行气体混合。比如，测量吸入空气量，温度和湿度，根据这些特征参数对每次燃料喷射计算并优化应喷入的燃料量。另外，计算机每次都重新计算点火时间和喷射持续时间，同时也考虑发动机转数。改良后的材料也使四气门技术可以引入日常用发动机，而早先这种昂贵的技术只限用于大功率发动机。改良后的燃料，主要是改良后的汽油类型和较好的原材料使现代发动机的燃烧温度和压力变高并由此使压缩比比过去要高。而压缩比对燃料混合气的燃烧从而对发动机的效率起决定性作用。压缩比越高，通常燃烧的效率越高。压缩比的最高极限取决于燃料的抗爆性，因为燃料混合气在压缩比太高时会自燃，从而导致燃烧不可控，点火时间错误。继而发动机爆震，引起危害。

所有上述参数进行复杂的共同作用。汽车发动机的转数不断变化，运转负荷不尽相同。另外还要考虑各种外部条件，尤其是波动的空气温度，空气压力和空气温度。因此压缩比固定的传统发动机运转不会理想或最佳。最多在某一个固定工作点燃烧可能有一定程度的优化。而变压缩比情况下，燃烧过程在发动机整个工作范围都可达到最佳。

本发明基于以下知识，在燃烧过程优化中，虽然优化选择压缩比在一固定比例，但优化过程却不考虑与工况的各种变化匹配。这种选择固定的压缩比在目前的发动机技术中通常做成可通过发动机工况频宽微调。压缩比越高，发动机的功率密度或升功率越高，但抗爆性及零件要求乃至发动机寿命也越成问题。

目前为止已提出许多建议实现内燃机的变压缩比。例如令曲轴相对汽缸升降，或者汽缸长度可变。还公开了一种系统，即活塞长度可变。在德国专业杂志＂汽车工业4/85＂上发表了大众的一项试验，一辆VW Golf装备了1.6升变压缩比喷射发动机。变压缩比是通过在汽缸头部备有一副室来实现的。副室的容积从而压缩比借助在副室内运动的活塞改变，这样压缩比可根据发动机负荷状况在ε=9.5和ε=15.5之间变化。在部分负荷区(ECE-城市循环)测得比优化的同系列发动机节省燃料达12.7％.1∶3混合区至少节省9.6％。变压缩比有很明显的节省燃料的潜能。但对大批量转换来说，变压缩比的费用至今仍太大。上述借助副室的方案有一缺点，即燃烧室在较低压缩比下不太紧凑，这影响到燃烧过程和废气状态。另外一个实现变压缩比的建议是由巴黎的Louis Damblanc在德国国家专利Nr.488’059,1929,12,5提出的。一个置于曲柄销上的偏心连杆轴承衬套借助一差动传动装置可调距离曲轴的远近。该一差动传动装置包括一个与曲轴同心并在内部旋转的轴。一内齿轮由曲轴驱动并驱动三个分布在其内周边并以销支承在用作齿扇的盘上的行星齿轮，这些行星齿轮直径大约为内齿轮的三分之一，并都与该中心齿轮相啮合，该中心齿轮位于上述穿过曲轴的轴上。齿扇通过另外一个在其周边作用的齿轮可调。一差动传动装置主要因为位于曲轴内的轴而成本较高。这种调节压缩比的结构无论如何没能流行起来。

本发明旨在设计一种内燃机，该内燃机借助一偏心曲轴销而具有可变压缩比，这样来适应发动机的实际工况，可根据发动机工况的频宽进行优化，因而实现发动机效率及运转平稳性的整体提高。