改进的可变行程恒定压缩比发动机

摘要

披露了一种连续可变排量发动机，该连续可变排量发动机具有接纳在汽缸体(14)中并且连接到章动器(42)的多个活塞(24)。具有旋转轴线(11)的曲轴(10)承载在曲轴箱中并且包含相对于该轴线具有第一角度的上轴颈(20b)和相对于该轴线具有第二角度的下轴颈(20a)。第一滑球(44b)接合在该上轴颈上，第二滑球(44a)接合在该下轴颈上。载架组件(30)捕获该第一滑球和第二滑球，并且包含致动缸(32)。致动活塞组件(34)可平移地承载在致动缸中，并且连接到该上轴颈与该下轴颈中间的该曲轴上。该致动活塞在第一高偏心度位置与第二低偏心度位置之间可控地平移。抗旋转组件(82，94)将该章动器连接到该汽缸体上。平衡机构(83)适于改变该章动器的衡重的量以及与该章动器的偏心度一致的衡重的轴向位置。

权利要求

1.一种连续可变排量发动机，包括：多个活塞，该多个活塞接纳在气缸体 中并且连接到章动器；

曲轴，该曲轴承载在曲轴箱中并具有旋转轴线、以及相对于该轴线具有第一角度的上轴颈和相对于该轴线具有第二角度的下轴颈；

接合在该上轴颈上的第一滑球和接合在该下轴颈上的第二滑球；

载架组件，该载架组件捕获该第一滑球和第二滑球并且包含致动缸；

可平移地承载在该致动缸中并且连接到该上轴颈和下轴颈中间的该曲轴上的致动活塞组件，所述致动活塞组件在第一高偏心度位置与第二低偏心度位置之间可控地平移；

将该章动器连接到该气缸体或该曲轴箱上的抗旋转组件；以及，平衡机构，该平衡机构适于轴向地和径向地改变该章动器的衡重的量以及与该章动器的偏心度一致的该衡重的轴向位置，该平衡机构包括：平衡配重，该平衡配重具有定位在该曲轴的相反侧上的延伸臂；和放置在这些延伸臂与该曲轴之间的楔形件，所述楔形件有效地作为凸轮以在该载架组件与该章动器改变位置时对该平衡配重进行轴向地和径向地定位。

2.如权利要求1所述的连续可变排量发动机，其中，该载架组件包括：接合该第二滑球的分离式下U形夹以及接合该第一滑球的分离式上U形夹，所述分离式下U形夹接纳在该致动缸的下终止部中，并且该分离式上U形夹接纳在该致动缸的上终止部中。

3.如权利要求2所述的连续可变排量发动机，其中，通过该致动活塞组件在该致动缸中产生下腔和上腔，并且接合在该致动活塞组件中的枢转板组件一体地连接到该曲轴上，从而提供双作用液压回路。

4.如权利要求3所述的连续可变排量发动机，其中，反应组件接合该枢转板组件，该枢转板组件具有枢转板，该枢转板具有接纳在该反应组件的凸台中的轴，该反应组件固定到该下轴颈和上轴颈上，从而将该枢转板组件销接到该曲轴上。

5.如权利要求4所述的连续可变排量发动机，其中，该枢转板包括两个叠置的分离式半部，每个半部具有接纳该轴的轴支撑端。

6.如权利要求5所述的连续可变排量发动机，其中，该致动活塞组件进一步包括上半部和下半部，所述上半部和下半部固定以接合该枢转板，并且每个上半部和下半部具有切口以接纳该反应组件的凸台。

7.如权利要求1所述的连续可变排量发动机，其中，该楔形件在附接凸台处附接到该载架组件上。

8.如权利要求7所述的连续可变排量发动机，其中，该楔形件被夹在可旋转地接合在这些延伸臂(88)的终端中的平衡配重止动辊与可旋转地接合在该曲轴的下终止部上的接纳器中的负荷辊之间。

9.如权利要求8所述的连续可变排量发动机，其中，该平衡配重由该曲轴的下终止部上的线性轴承支撑并且随其改变位置，所述线性轴承包括垂直于该曲轴的偏心度平面从该曲轴的每一侧延伸的线性凸台、以及在该延伸臂(88)上接纳每个线性凸台的配对狭槽。

10.如权利要求1所述的连续可变排量发动机，进一步地包括从该曲轴延伸的固定衡重配重。

11.一种连续可变排量发动机，所述连续可变排量发动机包括：多个活塞，该多个活塞接纳在气缸体 中并且连接到章动器；

曲轴，该曲轴承载在曲轴箱中并具有旋转轴线，以及相对于该轴线具有第一角度的上轴颈，和相对于该轴线具有第二角度的下轴颈；

接合在该上轴颈上的第一滑球和接合在该下轴颈上的第二滑球；

载架组件，该载架组件捕获该第一滑球和第二滑球并且包含致动缸；

可平移地承载在该致动缸中并且连接到该上轴颈和下轴颈中间的该曲轴上的致动活塞组件，所述致动活塞组件在第一高偏心度位置与第二低偏心度位置之间可控地平移；

将该章动器连接到该气缸体或该曲轴箱上的抗旋转组件；

平衡机构，该平衡机构适于轴向地和径向地改变该章动器的衡重的量以及与该章动器的偏心度一致的该衡重的轴向位置；以及与该载架组件成一体或附接到该载架组件上的偏心载架平衡配重。

12.如权利要求11所述的连续可变排量发动机，其中，该偏心载架平衡配重与该致动缸成一体。

13.如权利要求11所述的连续可变排量发动机，其中，该章动器包括：截头圆锥上壳体，该截头圆锥上壳体轴向地接纳在该载架组件上的上轴承上并且接合在上座圈容纳凸缘中；

截头圆锥下壳体，该截头圆锥下壳体轴向地接纳在该载架组件上的下轴承上并且接合在下座圈容纳凸缘中；以及，

从该截头圆锥上壳体和该截头圆锥下壳体的接口中径向地延伸的裙部，所述裙部对与从这些活塞延伸的汽缸杆相连接的杆轴承进行支撑。

14.如权利要求13所述的连续可变排量发动机，其中，该上轴承承载在所述载架组件的分离式上U形夹上，该下轴承承载在所述载架组件的分离式下U形夹上。

15.如权利要求13所述的连续可变排量发动机，其中，该抗旋转组件包括：接近该气缸体 和该曲轴箱的接口而连接的固定齿轮；以及，安装到从该裙部延伸的凸缘上的多个齿轮球，所述齿轮球接合该固定齿轮。

16.如权利要求15所述的连续可变排量发动机，其中，该多个齿轮球是球形的。

17.如权利要求15所述的连续可变排量发动机，其中，这些齿轮球不与这些杆轴承对准。

说明书

改进的可变行程恒定压缩比发动机

[0001] 背景

[0002] 相关申请的引用

[0003] 本申请要求美国临时申请序列号62/467,662的优先权，该临时申请的申请日为3017年3月6日，其名称为改进的可变行程恒定压缩比发动机[IMPROVED VARIABLE STROKE 
CONSTANT COMPRESSION RATIO ENGINE]，该临时申请的披露内容通过引用结合在此。

技术领域

[0004] 所披露的实施方式总体上涉及内燃发动机领域，并且更具体地涉及一种多缸内燃发动机，该多缸内燃发动机具有章动器，该章动器连接到活塞并且可定位在用于行程改变
的双角度曲轴上，同时保持恒定压缩比以产生连续可变排量(CVD)发动机。

背景技术

[0005] 本文所披露的实施方式是对于在2013年8月20日公布的美国专利号8511265中披露的可变行程恒定压缩比发动机[the variable stroke constant compression ratio 
engine]的改进，该专利具有与本申请共同的发明人。

发明内容

[0006] 本文所披露的实施方式提供了一种连续可变排量发动机，该连续可变排量发动机具有被接纳在汽缸体中并且被连接到章动器的多个活塞。具有旋转轴线的曲轴承载在曲轴
箱中并且包含相对于该轴线具有第一角度的上轴颈和相对于该轴线具有第二角度的下轴
颈。第一滑球接合在该上轴颈上，第二滑球接合在该下轴颈上。载架组件捕获该第一滑球和
第二滑球，并且包含致动缸。致动活塞组件可平移地承载在致动缸中，并且连接到该上轴颈
与该下轴颈中间的该曲轴上。该致动活塞在第一高偏心度位置与第二低偏心度位置之间可
控地平移。抗旋转组件将章动器连接到活塞箱上。平衡机构适于改变章动器的衡重的量以
及与该章动器的偏心度一致的衡重的轴向位置。

附图说明

[0007] 在结合附图考虑时，本发明的这些以及其他的特征和优点将通过参考以下详细描述而得到更好的理解，在附图中：

[0008] 图1是连续可变排量(CVD)发动机的示例性实施方式的图形表示；

[0009] 图2A是图1的实施方式的截面图示图；

[0010] 图2B是如图2A所示的实施方式处于最大行程位置的截面侧视图；

[0011] 图2C是如图2A所示的实施方式处于最小行程位置的截面侧视图；

[0012] 图3是示出载架组件和章动器的详细视图；

[0013] 图4是致动活塞组件和枢转板组件的详细视图；

[0014] 图5是枢转板组件的详细描述；

[0015] 图6是曲轴的的侧视图；

[0016] 图7是载架组件的截面图示描述；

[0017] 图8是章动器的部分截面图示描述；

[0018] 图9是示出平衡器的实施方式的侧视图；

[0019] 图10是配重位置控制楔形件的详细视图；

[0020] 图11是抗旋转机构处于最大行程位置的第一详细视图；

[0021] 图12是抗旋转机构处于最小行程位置的第二详细视图；并且，

[0022] 图13是液压系统的示意性表示。

具体实施方式

[0023] 本文所披露的可变行程恒定压缩比发动机的示例性实施方式总体上在图1、图2和图3中示出。发动机8包含汽缸体14和曲轴箱16。如在图2和图3中可见，曲轴10分别在两个轴
承12a、12b中、在汽缸体14中、和在曲轴箱上的发动机机座18中旋转，并具有下轴颈20a和上
轴颈20b。曲轴的旋转中心线基本上与汽缸22以及与通过连接杆26承载的活塞24的运动方
向平行。对于该示例性实施方式，使用了7个缸的发动机。然而，本文的披露同样适用于具有
3个缸、5个缸、或9个缸、或其他配置的发动机。选择奇数个缸，这允许发动机在被设计为具
有720度旋转的重复周期的4循环发动机时均匀点火。每个轴颈20a、20b具有被安装用于沿
轴颈滑动运动的滑球28a、28b。滑球28a、28b被捕获在载架组件30中。载架组件30包括致动
缸32，该致动缸承载致动活塞组件34，该致动活塞组件接纳有连接在下轴颈20a和上轴颈
20b中间的枢转板组件36。包含致动缸32的载架组件30、以及滑球28a、28b都作为控制组件
随曲轴10旋转。载架组件30在轴颈上滑动并且响应于通过液压回路38(在图13中示意性地
示出)的控制，该液压回路具有控制器38a和液压管道38b、38c。通过活塞组件34和枢转板组
件36在致动缸32中产生下腔40a和上腔40b，并且该枢转板组件一体地连接到曲轴10上，从
而提供双作用液压回路。然而，本文的披露同样适用于单作用液压回路。为延长活塞24的行
程，油在压力下被接纳在腔40b中并且从腔40a中释放，这将载架组件30推向较高的偏心度。
为缩短行程，油在压力下被接纳在腔40a中并且从腔40b中释放，以将载架组件30推向较低
的偏心度。通过曲轴上的支架随上轴颈和下轴颈20a、20b上的滑球28a、28b的运动，行程改
变和压缩比调整同时完成。通过控制体积而不是发动机汽缸22中的压力，曲轴上的双角度
轴颈有效地允许基本上固定的空气/燃料比。图2B示出了处于最大行程位置的载架组件，而
图2C示出了处于最小行程位置的载架组件。

[0024] 使用轴承44a、44b，章程器42被连接到载架组件30，并且通过抗旋转机构(随后有待更详细地描述)该章程器被连接到发动机曲轴箱或汽缸体。本文实施例中披露的用于发
动机的机座和曲轴箱仅出于示例性目的。机座的实际形状和构型可以根据需要改变，以适
应发动机安装和其他接口应用。载架组件30与相关联的控制元件的旋转、以及约束用抗旋
转特征使章动器42在其到连接杆26的每个连接处产生正弦运动。连接杆26通过球和套筒大
端杆轴承46而连接到章动器42，以适应章动器运动所需的自由度。在替代性示例性实施例
中，可以使用流体动力轴承、或滚动元件抗摩擦轴承。

[0025] 连接杆26由活塞24驱动并通过小端轴承48连接，这些小端轴承也是球和套筒轴承。对于所示的实施方式，发动机的结构使用了曲轴箱16和机座18、以及汽缸体14。本领域
技术人员应注意，发动机可以配置为具有一体的汽缸孔或具有湿衬或干衬，曲轴箱和汽缸
体的形状和附件可以修改以用于发动机的各种应用。

[0026] 对于所示的实施例，曲轴10延伸分别穿过发动机汽缸体14和承载在轴承12a和12b中的机座16，可以安装齿轮来驱动入口和排气阀系(未示出)，以用于燃烧空气以及排气与
汽缸连通。常规IC发动机实践可以以多种构型来设计汽缸盖和阀系。在替代性实施例中，可
以使用通过轴向凸轮或电子阀致动的螺旋齿轮阀系驱动式或推杆阀系驱动式。

[0027] 致动活塞以及反应接头

[0028] 必须适应曲轴10和致动活塞组件34附接之间的运动。致动活塞组件和相关联的枢转板组件36在载架组件30内部做上下滑动，并且是液压致动器。枢转板组件36的中心必须
保持处于载架组件30的中心线上，但载架组件在两个滑球(28a和28b)上做上下移动，滑球
中的每一个与曲轴中心线11成一定角度。因此，附接机构必须将所有不同的线性运动和旋
转运动考虑在内。除了运动挑战，装置必须克服所有的惯性力和燃烧力，以固持在位并且将
负荷转移到曲轴。如在图4和图5中可见，反应组件49接合枢转板组件36，该枢转板组件具有
枢转板50，该枢转板带有接纳在凸台54中的大轴52。反应组件49被固定到底轴颈20a和顶轴
颈20b上并且销接该枢转板组件36，并因此将致动活塞组件34销接到曲轴16上。这是稳健的
接头并且尺寸可以确定用于承受极限负荷。板50由两个叠置的分离式半部50a、50b制成，这
两个半部各自具有轴支撑端53a、53b。

[0029] 对于图4中示出的实施方式，致动活塞组件34也具有下半部34a和上半部34b，并用螺栓和垫片组装以固定该枢转板50。下半部和上半部每个都具有切口35，以接纳反应组件
凸台54。如图4和图6示出的曲轴16上的轴颈20a、20b具有与轴颈轴线58a、58b平行的花键
56a和通道56b，轴颈被接纳在滑球28a、28b中的配对的花键和通道中，以进一步地促进运动
控制。曲轴10具有成角度地接合下轴颈20a的下终止部10a、以及接合上轴颈20b的上终止部
10b。对于示出的实施例，附接可以使用在轴颈的轴线58a、58b上插入的螺栓。

[0030] 下轴颈轴线58a相对于曲轴的旋转轴线11具有第一角度α，而上轴颈轴线58b相对于旋转轴线11具有第二角度β。曲轴10上的下轴颈20a和上轴颈20b基于相关联的角度α和β
分别起作用，其中，上轴颈调整活塞处于上止点(TDC)的位置并且下轴颈调整活塞处于下止
点(BDC)的位置。最大排量是下轴颈角度β(到曲轴中心线的角度)的函数。压缩比(CR)与排
量的关系是上轴颈角度α的函数。虽然可以对这个角度进行选择以保持基本固定的CR，但也
可以对它进行选择以将CR作为发动机负荷的函数进行优化。因此，通过选择α和β来对发动
机与燃烧系统的压缩比进行定制以获得优化的解决方案是可能的。

[0031] 载架

[0032] 载架组件30在图7中详细示出。载架组件30的内部特征是必须机加工的，在没有将该部分分成左半部和右半部或通过3D打印制作该部分的情况下，这是困难的。分离式下U形
夹60接合下滑球28a，分离式上U形夹62接合上滑球28b。每个U形夹的这些半部通过定位销
64栓接在一起，以确保完全对准。通过将半部栓接在一起可以完成外部机加工。

[0033] 致动缸32是液压缸。将液压缸分成纵向的半部是不切实际的。载架组件30被分成中心液压致动缸32、以及由下U形夹60和上U形夹62组成的两个端部。每个U形夹组装在相应
的滑球上，致动缸32然后可以同中心地安装在U形夹上。对于示例性实施方式，致动缸32使
用了用来接合下U形夹60的捕获凸缘63，上U形夹62与接纳在该致动缸的上终端中的卡环槽
66中的卡环65接合。这允许液压缸的直径增大，直径增大对于降低控制可变行程机构的液
压压力需求而言是所希望的。

[0034] 对于示例性实施方式，致动缸32在外部被机加工成具有一体载架平衡配重67。

[0035] 下U形夹60包含用于将铰接式平衡机构连接到载架组件30上的附接凸台68。平衡配重被铰接以改变失衡的偏心度和轴向位置，与失衡要求一致。

[0036] 章动器(摇摆器)

[0037] 章动器42代表最大旋转质量，并需要最大衡重质量。因为衡重质量是在章动器轴承44b的“另一侧”上，质量加载在章动器轴承上，从而增加摩擦并对轴承产生不利影响。如
图8所示，使用多件式设计来使章动器同中心地组装在载架组件30上。截头圆锥上壳体70被
轴向地接纳在上轴承44b(该上轴承在上分离式U形夹62处接合在载架组件30上)上，其接合
在上座圈容纳凸缘72中。类似地，截头圆锥下壳体74被轴向地接纳在由下分离式U形夹60承
载的下轴承44a上，其接合在下座圈容纳凸缘76中。在示例性实施方式中，章动器42在上壳
体70与下壳体74之间的接口处具有径向延伸的裙部78。球和套筒大端杆轴承46的用于连接
到汽缸杆26上的球79从裙部78中延伸。球79可以由具有DLC涂层的硬化钢制造，而摇摆器的
壳体结构可以是铝铸件，因此减小了这部分的质量和惯性。裙部78包含端部凸缘80，该端部
凸缘上安装有作为抗旋转机构的元件(随后待描述的)的齿轮球82。杆球和/或齿轮球是导
向的以用于轴向负荷下的稳定性和刚性，因此上壳体和下壳体可以通过附接的螺栓而被夹
紧。

[0038] 平衡器设计

[0039] 不仅章动器42的偏心度随行程减小，而且剩余失衡的轴向位置随行程改变。提供了平衡机构83，该平衡机构不仅改变章动器42的衡重的量，而且改变与章动器的偏心度一
致的衡重的轴向位置。“基于凸轮”的设计包含在示例性实施方式中。平衡配重84受到径向
地向外推动该配重的向心力，该平衡配重具有定位在曲轴10的相反侧上的延伸臂88。有效
地放置在配重臂88与曲轴10之间的楔形件86用作凸轮，以便在载架组件30和章动器42改变
位置时使该配重定位。楔形件86在附接凸台68处被附接到载架组件30，并且被夹在平衡配
重止动辊88与负荷辊90之间，该平衡配重止动辊可旋转地接合在配重臂88的终端中，该负
荷辊可旋转地接合在如图9和图10中所示的曲轴的下终止部10a的角度范围的接纳器97中
(在图6中可见)。楔形件86的几何形状可以改变以调整平衡配重86的偏心度的减小，以便精
确地匹配该机构的变化的失衡要求。

[0040] 止动辊88和负荷辊90(其中一个提供用于该平衡配重的止动机构而另一个对曲轴提供负荷接口)是圆形的以在它们的支架中是可旋转的，但二者在圆形表面上都具有用于
与楔形件86接触的平坦部。圆形形状允许辊88、90在行程改变时轻微旋转。平坦表面降低了
与楔形件的接触应力。

[0041] 配重84由在曲轴10的下终止部10a上的线性轴承92(也在图6中可见)支撑并且随其改变位置，图2B示出的改变位置处于最大值且图2C示出的改变位置处于最小值。线性轴
承92由两个线性凸台91构成，这两个线性凸台垂直于曲轴的偏心度平面、从曲轴10的每一
侧延伸，被接纳在支撑臂88上的配对狭槽95中。支撑臂88的角度确定了失衡配重的偏心度
改变与轴向改变之间的关系。

[0042] 也可以使用从曲轴10(在图6中可见)延伸的固定衡重配重93，该固定衡重配重在示例性实施方式中)从上终止部10b延伸。

[0043] 图7中示出的载架平衡配重67可以与载架成一体或者可以附接到其上并且提供附加的平衡特征。载架组件30是旋转的部分(非章动)，从而其上增加的偏心配重起到的作用
非常接近地与可移动的较小的平衡配重起到的作用相同。随着行程的减小，平衡配重67结
合在章动器42内部在止点空间区域移动以减小偏心度但不需要联杆机构。在某些实施方式
中，载架平衡配重67可以优化以提供所需平衡的100％，并且可以消除移动的较小的平衡配
重。

[0044] 抗旋转系统

[0045] 如图11(最大行程)和图12(最小行程)所示，抗旋转系统使用固定齿轮94，该固定齿轮安装在汽缸体14与曲轴箱17之间的接口处的凹部上，接合从章动器裙部78的边缘凸缘
80延伸的齿轮球82。上截头圆锥壳体和下截头圆锥壳体70、74在以直径81径向延伸的裙部
78中终止，提供了用于重量减小和期望的刚度两者的最优结构，该直径被确定用于将齿轮
球放置在合适的轨道路径上以便与固定齿轮94在整个偏心操作的范围上接合。该示例性实
施方式使用35个齿轮球82。35个接合元件的选择是基于其是汽缸(7个)数量的倍数、并且基
于间隔，使得齿轮球82不与相关联的球和套筒大端杆轴承46的杆26和球79对齐。这样，放置
这些杆位于两个齿轮球之间并且杆的材料厚度将不会干扰固定齿轮94。

[0046] 齿轮94和齿轮球82(在示出的实施方式中是球形)提供了近似纯滚动相对运动的大体上的点接触。期望是具有纯滚动相对运动的渐开线形状。

[0047] 本文披露的实施方式仅仅是示例性的并且可能做出的修改和替换落入如在以下权利要求中限定的本发明的范围内。