用于内燃发动机的活塞和用于操作具有这种活塞的内燃发动机的方法与流程

本发明涉及一种用于实现可变压缩比ε的内燃发动机的活塞，活塞具有带有凹部的活塞顶部，其中活塞：

连同汽缸套和汽缸盖形成相关汽缸的燃烧室，

可以使用活塞销以铰接方式连接到连杆的一端，其中，为了将活塞耦接到曲轴，可以在另一端将连杆以铰接方式连接到内燃发动机的曲轴，并且

随着曲轴回转而沿活塞纵向轴线振荡。

本发明还涉及一种用于操作具有这种活塞的内燃发动机的方法。

背景技术：

例如，所述类型的内燃发动机用作机动车辆的驱动装置。在本发明的上下文中，术语内燃发动机尤其涉及柴油发动机，但也涉及火花点火发动机和混合内燃发动机，即通过混合燃烧方法和混合动力驱动装置操作的内燃发动机，除了内燃发动机之外，混合动力驱动装置还包括用于驱动机动车辆的至少一个另外的扭矩源，例如，可驱动连接或驱动连接到内燃发动机的电机，其代替内燃发动机或附加于内燃发动机输出动力。

内燃发动机具有汽缸体和至少一个汽缸盖，它们彼此连接以形成汽缸，即燃烧室。汽缸体通常用作上曲轴箱半部，用于支撑曲轴并用于容纳每个汽缸的活塞和汽缸套。汽缸盖通常用于容纳充气交换所需的阀机构。

在充气交换过程中，燃烧气体借助于排气系统经由至少一个出口端口排出，并且燃烧空气借助于进气系统经由汽缸的至少一个入口端口供给。根据现有技术，几乎完全使用提升阀来控制四冲程发动机中的充气交换。包括相关阀的致动机构称为阀机构。

支撑在曲轴箱中的曲轴吸收连杆力并将活塞的振荡冲程运动转换成曲轴的旋转运动。由汽缸体形成的上曲轴箱半部通常由油底壳完成，该油底壳可以安装在汽缸体上并用作下曲轴箱半部。油底壳用于收集和储存发动机油，并且通常是油路的一部分。在曲轴箱中设置至少两个轴承以接受和支撑曲轴。

根据现有技术，连杆在一端设有小连杆孔，并且在另一端设有大连杆孔，其中连杆通过布置在小连杆孔中的活塞销以铰接方式连接到活塞。通过大连杆孔，连杆可旋转地安装在曲轴的曲柄销上。

这里，活塞用于将燃烧产生的气体力传递给曲轴。活塞所承受的气体力以这种方式通过活塞销传递到连杆，并从后者传递到曲轴。

通过所描述的活塞、活塞销、连杆和曲轴的布置，活塞的振荡运动转换成曲轴的旋转运动。除了轻微的旋转分量之外，连杆在该过程期间主要以振荡的方式在汽缸套纵向轴线的方向上移动。

气体力在汽缸纵向轴线的方向上向下推动活塞，其中，从上止点开始，气体力在活塞上施加加速运动。试图通过其向下运动逃离气体力的活塞必须携带以铰接方式连接到其上的连杆向下运动。为此目的，活塞通过活塞销将作用在其上的气体力传递到连杆，并试图使其向下加速。当活塞接近下止点时，它与连杆一起减速，并且然后在下止点处反转其运动。在上止点和下止点之间的路径上活塞在汽缸套中行进的距离称为活塞冲程s。

汽缸的扫气容积vh是活塞面积ak和活塞冲程s的乘积：vh＝ak·s。活塞位于上止点处的汽缸容积称为压缩容积vc。活塞的下止点处的汽缸容积是扫气容积vh和压缩容积vc之和。

对于内燃发动机的几何压缩比ε，方程式如下：

ε＝1+vh/vc

然而，由于所涉及的原理，柴油发动机以非常高的压缩比操作以确保燃料-空气混合物的自点火，在火花点火发动机的情况下最大允许压缩比εmax必须限于相对低的压缩比，例如在自然吸气式发动机的情况下，ε≈10。

在变得越来越重要的增压式发动机的情况下，几何压缩比必须进一步降低以进行无爆震燃烧，例如限于ε≈8...9。

火花点火发动机的相对低的压缩比是不利的，特别是在燃料消耗方面，即在效率方面。随着压缩比ε减小，效率η同样降低。也就是说，在燃烧过程的最大效率方面，新的汽缸充气应该尽可能高度压缩，但由于上述原因，尤其是火花点火发动机接近满负载时的爆震的倾向，这也不能以不受限制的方式实施。

解决这种冲突的一种设计方法在于为内燃发动机提供可变压缩比ε，更具体地说，压缩比ε随着负载的减小(即在从满负载开始到部分负载的方向上)而增加。以这种方式，可以至少部分地补偿火花点火发动机相对于柴油发动机的基本缺点，所述缺点特定于部分负载。

由于内燃发动机主要在部分负载范围内操作，因此这在可实现的燃料节省方面提供了巨大的潜力。针对相应操作点对压缩比与的效率优化改变(即适应)允许压缩比ε≈14...15，并且因此即使在火花点火发动机的情况下，部分负载范围内的消耗也显着降低。

图1使用自然吸气式发动机的示例来示出效率的提高，这可以通过可变压缩比ε来实现。在这种情况下，针对负载(基于满负载)绘制热效率ηth，其中曲线a基于恒定压缩比ε＝9并且曲线b基于可变压缩比ε。

如果内燃发动机在部分负载范围内操作，例如，在满负载的20％时，通过使压缩比适应，例如，ε≈14，可以提高效率约12％。随着负载变高，该潜力连续降低，结果是，当以满负载的80％操作内燃发动机时，通过可变压缩可以实现约3％的效率提高。

对于在内燃发动机操作时实现可变压缩比ε的解决方案，现有技术包括许多方法，并且将通过示例仅简要地呈现其中的三个。

实现可变压缩比ε的一种方式是将连杆实施为两件式连杆。这里，连杆包括上杆和下杆，上杆以铰接方式连接到活塞，下杆铰接在曲轴上，其中上杆和下杆同样以铰接方式彼此连接，以使它们以这种方式相对于彼此枢转。因此，这是一种沿着将连杆的两个端彼此连接的假想线l具有可变长度的连杆。这里，假想线l一方面延伸通过其中上杆可旋转地连接到活塞的轴承，即通过小连杆孔，并且另一方面延伸通过其中下杆安装在曲轴上的轴承，即通过大连杆孔。如果这两个轴承之间沿着它们之间的连接线l的距离被理解为连杆的长度，则可以通过使上杆和下杆相对于彼此枢转，即通过将两件式连杆弯曲到更大或更小的程度来改变该长度。

这里，压缩比ε的设定借助于铰接杆来执行，该铰接杆以铰接方式连接到上杆并且可旋转地安装在支撑在发动机壳体中的偏心轴上。通过偏心轴的旋转和由此产生的活塞止点位置的变化，压缩比可以在宽范围内变化，例如，介于εmin≈8和εmax≈15之间。

由于该机械调节装置的相当大部分(特别是铰接杆)参与振荡和曲柄机构的旋转运动，因此该调节装置同时也是用于实现可变压缩比的解决方案的所述方法的最大缺点。

活塞和连杆与调节装置的部件一起的振荡运动导致高的加速度和减速度，其随着曲轴速度的平方而增加并因此引起高动态惯性力。这些动态惯性力对曲柄机构施加相当大的负载，并且在部件的设计方面对其强度起着重要作用。

因此，从根本上说，设计者的目的是最小化振荡质量并以节省材料的方式设计部件，然而部件所需的强度对该过程施加了限制。因此，使用参与振荡运动的机械调节装置与减小振荡质量的目的背道而驰。

实现可变压缩比ε的另一种可能方式是由多个连杆件构成连杆，所述连杆件以一个在另一个内部可伸缩地移动的方式布置。通过将连杆件推到一起或将它们拉开来改变杆长度。为此目的，还需要一种机械调节装置，该机械调节装置借助于所涉及的原理，与上述调节装置一样，必须机械地耦接到连杆，由此该调节装置的该部分再次参与振荡和曲柄机构的旋转运动。缺点是上面已经提到的那些。

此外，与常规连杆相比，现有技术中已知的可变长度的连杆本身已经导致振荡和旋转质量的增加，这进一步加剧了所述的不利影响。

现有技术还包括用于解决方案的以下方法，其中在小连杆孔或大连杆孔中提供偏心轴衬作为轴承组装件的中间元件。偏心轴衬可旋转，例如在不同的工作位置之间可逐步切换，其中不同的压缩比ε由偏心轴衬的各种工作位置中的不同的止点位置产生。

德国初步公开申请de19944669a1描述了一种连杆，其中偏心轴衬布置在大连杆孔中。为了能够锁定和释放偏心轴衬，提供了锁定装置的锁定元件，该锁定元件可以与轴衬接合。包括汽缸和在所述汽缸中可移动的活塞的机械锁定装置的控制(即致动)可以通过来自发动机润滑油路的加压油或通过压缩空气液压地执行。de19944669a1没有公开这样一种装置，通过该装置使解锁的偏心轴衬旋转或者可以使其选择性地旋转到可预先确定的位置。这是用于实现可变压缩比ε的现有技术中描述的概念的基本缺陷。

对于在现有技术中存在对区别在于使用偏心轴衬的解决方案的方法的描述，所提出的概念通常不会延伸超出用于锁定和释放轴衬的装置和方法。一旦释放，就不能控制偏心轴衬，即不会对轴衬本身的旋转过程施加影响。

尽管柴油发动机在比火花点火发动机高的压缩比下操作，但是对柴油发动机也需要可变压缩比。因此，在冷启动的情况下，高压缩比ε通常应该是目标，以便在柴油发动机仍然冷时确保燃料-空气混合物的自点火，而就当柴油发动机已经升温至操作温度时的排放而言，较低的压缩比可能具有优势。

技术实现要素：

鉴于这种背景，本发明的目的是提供一种根据权利要求1的前序部分所述的活塞，通过该活塞可以克服现有技术中已知的缺点并且通过该活塞可以以简单的方式实现压缩比ε的变化。

本发明的另一个部分目的是指示一种用于操作具有这种活塞的内燃发动机的方法。

第一部分目的是通过用于实现可变压缩比ε的内燃发动机的活塞实现的，活塞具有带凹部的活塞顶部，其中活塞：

连同汽缸套和汽缸盖形成相关汽缸的燃烧室，

可以使用活塞销以铰接方式连接到连杆的一端，其中，为了将活塞耦接到曲轴，可以在另一端将连杆以铰接方式连接到内燃发动机的曲轴，并且

随着曲轴回转而沿活塞纵向轴线振荡。

其中，

活塞以模块化方式由至少两个节段构成，其中包括凹部的第一活塞节段以在下止动件和上止动件之间沿活塞纵向轴线可移动的方式安装在第二活塞载体节段中，并且

活塞配备有液压调节装置，用于沿着活塞纵向轴线移动第一活塞节段。

根据本发明的活塞具有多个零件并且包括可以相对于彼此移动的至少两个节段，其中这些节段也可以再次具有模块化构造；例如，以便允许或简化组装。

根据本发明的活塞的至少两个节段沿着活塞纵向轴线在下止动件和上止动件之间相对于彼此可移动，其中包括活塞凹部的第一活塞节段安装在第二活塞载体节段中。

第一活塞节段可以与活塞凹部一起在汽缸盖的方向上(即在燃烧室顶部的方向上)移动到燃烧室中，以便增加压缩比ε。在该方向上的移动行程受到上止动件的限制，第一节段抵靠该上止动件停止。如果第一活塞节段在相反方向上移动，即在活塞销或连杆的方向上移动，则压缩比ε可以降低。在该方向上的移动行程受到下部止动件的限制，第一节段抵靠该下止动件再次停止。

根据本发明，提供了一种液压调节装置，其用于沿着活塞纵向轴线移动第一活塞节段，所述装置相对于现有技术中已知的种类的机械调节装置具有许多优点，特别是在空间要求、重量和复杂性方面。特别是，很大程度上避免了旋转的不希望的增加，以及振荡、曲柄机构的质量的不希望的增加。

此外，液压调节装置可以受益于任何内燃发动机通常具有的油路。

根据本发明的活塞实现了本发明下的第一个目的，即提供一种根据权利要求1的前序部分的活塞，通过该活塞可以克服从现有技术中已知的缺点，并且通过该活塞可以以简单的方式实现压缩比ε的变化。

结合从属权利要求讨论了根据本发明的活塞的其他有利实施例。

活塞的以下实施例是有利的，其中液压调节装置：

包括第一腔室，该第一腔室可以形成在第一活塞节段和第二活塞载体节段的下止动件之间，并且可以通过进给管线供应油，并且

包括第二腔室，该第二腔室可以形成在第一活塞节段和第二活塞载体节段的上止动件之间，并且至少通过返回管线可连接到油路。

根据本发明，第一腔室和第二腔室这样一种腔室，即仅在第一活塞节段的移动过程中部分或完全形成，并且还可以根据第一活塞节段的位置(例如当第一活塞节段停在下止动件或上止动件中时)而完全消失。

第一腔室通过进给管线供油。第二腔室通过返回管线至少可连接到油路，以使油能够从第二腔室排出。术语“至少可连接”表示该连接是永久连接，或者可替代地是可以(例如，使用节流元件)至少暂时中断的连接。

油的主要流动方向(即通过腔室和连接管线的油流动或油输送)优选地从进给管线，通过腔室，并且经由返回管线返回到油路中。

在这种情况下，活塞的以下实施例是有利的，其中第一腔室和第二腔室通过传输管线彼此液压连接。第一腔室通过传输管线将来自第一腔室的油供应到第二腔室。

在这种情况下，活塞的以下实施例是有利的，其中传输管线被设计为在第一活塞节段和第二活塞载体节段之间沿活塞纵向轴线延伸的环形间隙。环形间隙优选被设计为限制器，使传输流更加困难或延迟传输流。

活塞的以下实施例是有利的，其中止回阀被布置在进给管线中，所述阀允许油流入第一腔室并抵消第一腔室的油流出。该实施例确保如上所述的油的主流动方向从第一腔室经由传输管线被导引或引导到第二腔室中并且从第二腔室经由返回管线引导到油路。

活塞的以下实施例是有利的，其中进给管线在活塞和/或活塞销和/或连杆中延伸。在当前情况下，第一腔室的供油可以从曲轴的主油道或通过曲轴本身进行，其中输送油(特别是打开所提供的止回阀)所需的油压可以使用油路中提供的油泵建立或提供。

活塞的以下实施例是有利的，其中另外的腔室布置在返回管线中。另外的腔室用于提供最小的油量，以确保在活塞的轻微泵送的情况下，第二腔室总是充满油并且没有空气进入第二腔室。

另外的腔室和第二腔室之间的返回管线的区段优选地被设计为限制器。活塞凹部的移动速度受所供应的油压的影响，但也通过腔室和单个连接管线的尺寸决定性地限定或结构性地设定。

在这种情况下，活塞的以下实施例因此也是有利的，其中在另外的腔室和第二腔室之间的返回管线的一个区段被设计为限制器元件。

活塞的以下实施例是有利的，其中活塞配备有油冷却系统。

在这种情况下，活塞的以下实施例是有利的，其中油冷却系统包括至少一个冷却管道，该冷却管道在第二活塞载体节段中延伸并且至少在某个或某些区段中周向地围绕第一活塞节段。

然后，返回管线可以有利地通向油冷却系统，从而简化(特别是缩短)液压调节装置的管线系统。

在这种情况下，活塞的以下实施例也是有利的，其中返回管线通向油冷却系统的至少一个冷却管道。

本发明下的第二部分目的，即指示用于操作具有上述类型的活塞的内燃发动机的方法，通过一种方法实现，该方法的特征在于，使用液压调节装置使第一活塞节段沿活塞纵向轴线移动，以改变压缩比ε。

关于根据本发明的活塞已经陈述的内容也适用于根据本发明的方法。

为了操作自点火内燃发动机，方法的以下实施例是有利的，其中在冷启动和/或预热阶段中增加压缩比ε。该程序确保燃料-空气混合物的自点火，即使内燃发动机仍然是冷的或没有升温到操作温度。

在这种情况下，方法以下的实施例是有利的，其中在冷启动之后和/或在预热阶段之后减小压缩比ε以便改善内燃发动机的排放特性。

方法的以下实施例也可以是有利的，其中火花点火式内燃发动机的压缩比ε随负载减小而增加。

方法的以下实施例同样是有利的，其中火花点火式内燃发动机的压缩比ε随负载增加而减小。

上述两种方法变型考虑到这样两种事实：通过限制或降低压缩比ε可以在高负载范围内可靠地防止爆震，以及通过部分负载范围中较高的压缩比ε可以提高效率，而没有燃料-空气混合物自点火(即爆震)的风险。

附图说明

下面借助于说明性实施例并根据图1、图2a和图2b更详细地描述本发明。在附图中：

图1一方面示出了针对不可变压缩比ε的对于相对负载的自然吸气式发动机的热效率ηth(曲线a)并且另一方面示出了针对可变压缩比ε的热效率ηth(曲线b)，以及

图2a在侧视且局部截面图中示意性地示出了活塞的第一实施例，该活塞具有的第一活塞节段处于上止动件，以及

图2b在侧视且局部截面图中示意性地示出了图2a中所示的活塞，该活塞具有的第一活塞节段处于下止动件。

具体实施方式

在说明书的引言中已经详细讨论了图1，因此注意这些解释。

图2a在侧视且局部截面(即沿着活塞纵向轴线6并且垂直于曲轴的截面)图中示意性地示出了活塞1的第一实施例，活塞1具有的第一活塞节段1a处于上止动件7b。曲轴的旋转轴线垂直于附图的平面。可旋转地安装在曲轴上的连杆5通过活塞销4可移动地连接到活塞1。随着曲轴回转，活塞沿活塞纵向轴线6振荡。

图2b在侧视且局部截面图中示意性地示出了图2a中所示的活塞1，该活塞1具有的第一活塞节段1a处于下止动件7a。

横向布置的活塞裙部用于引导汽缸套中的活塞1并容纳活塞环以相对于曲轴箱密封燃烧室10，反之亦然。活塞1的活塞顶部2具有ω形活塞凹部3。

活塞1以模块化方式由至少两个节段1a、1b构成，其中包括凹部3的第一活塞节段1a以可移动的方式安装在第二活塞载体节段1b中。在这种情况下，第一活塞节段1a以在下止动件7a(见图2b)和上止动件7b(见图2a)之间沿着活塞纵向轴线6可移动的方式安装在第二活塞载体节段1b中。

设置液压调节装置8以移动第一活塞节段1a。液压调节装置8包括两个腔室8a、8b，其中用油填充第一腔室8a使第一活塞节段1a在燃烧室10的方向上移动以增加压缩比ε，并且用油填充第二腔室8b使第一活塞节段1a在相反方向上(即在活塞销4的方向上)移动以减小压缩比ε。

当供油时，在第一活塞节段1a和第二活塞载体节段1b的下止动件7a之间形成第一腔室8a，并通过进给管线9a向第一腔室8a供应油。止回阀11布置在进给管线9a中，所述阀允许油流入第一腔室8a并抵消第一腔室8a的油流出。在这种情况下，进给管线9a穿过连杆5和活塞销4进入活塞1并到达第一腔室8a。

当供油时，在第一活塞节段1a和第二活塞载体节段1b的上止动件7b之间形成第二腔室8b，并且通过传输管线9c将第二腔室8b液压地连接到第一腔室8a。也就是说，通过传输管线9c将来自第一腔室8a的油供应到第二腔室8b。

传输管线9c被设计为在第一活塞节段1a和第二活塞载体节段1b之间沿活塞纵向轴线6延伸的环形间隙9c'。

此外，第二腔室8b经由返回管线9b连接到油路9。返回管线9b通向油冷却系统14的冷却管道14a，所述管道在第二活塞载体节段1b中延伸并且周向地围绕第一活塞节段1a。

另外的腔室12和第二腔室8b之间的返回管线9b的区段9b'被设计为限制器元件13，以便限制油从第二腔室8b流到另外的腔室12，更具体地，以下列方式设计，即相比可以从第一腔室8a经由传输管线9c流入第二腔室8b的油，较少的油可以流出第二腔室8b。另外的腔室12用于提供最小的油量，以确保在活塞1的轻微泵送的情况下，第二腔室8b总是充满油并且没有空气进入第二腔室8b。

为了伸出第一活塞节段1a，优选地当活塞1向下移动时，即在下止点方向上移动时，使用油泵使进给管道9a经受例如5巴(bar)的油压，并且惯性力与移动方向相反向上作用。如果没有由于燃烧而在第一活塞节段1a上作用高压力，则施加的压力足以打开止回阀11，结果油流入第一腔室8a。在这种情况下，第一活塞节段1a向上移动直到达到上止动件7b或者第一活塞节段1a上的向下作用力增加到第一腔室8a中的压力上升并且止回阀11关闭的程度。油被防止移位回到进给管道9a中。仅有少量油通过受限制的环形间隙9c'流入第二腔室8b。此外，第二腔室8b经由限制连接9b'连接到油路9，并且经由返回管线9b连接到另外的腔室12。该移动通常可以进行几次曲轴回转并且可以分步进行。

为了缩回第一活塞节段，进给管线9a中的油压降低到没有油或仅很少油被输送或流到第一腔室8a中的程度。在每个燃烧循环中，作用在活塞顶部2和第一活塞节段1a上的气体力通过传输管线9c将油从第一腔室8a移位到第二腔室8b中。在所有情况下，这比可以流入第一腔室8a以更换它的油更多。由于总是存在从第一腔室8a流出的油比第二腔室8b需要或可以吸收的油更多的情况，所以第二腔室8b总是充满油，并且存在经由另外的腔室12到活塞冷却管道14a中的油流出。

附图标记

1活塞

1a包括凹部的第一活塞节段

1b第二活塞载体节段

2活塞顶部

3凹部

4活塞销

5连杆

5a连杆的一端，小连杆孔

6活塞纵向轴线

7a下止动件

7b上止动件

8液压调节装置

8a第一腔室

8b第二腔室

9油路

9a进给管线

9b返回管线

9b'返回管线的区段

9c传输管线

9c'环形间隙

10燃烧室

11止回阀

12另外的腔室

13限制器元件

14油冷却系统

14a冷却管道

ε压缩比

εmax最大允许压缩比

η效率

ηth热效率

s冲程

vc压缩容积

vh汽缸的扫气容积