可变压缩比发动机及其运行方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及内燃发动机，更为具体地涉及一种活塞组件，该活塞组件通过转动而改变长度以改变发动机的压缩比。
【背景技术】
[0002]发动机制造商正设想通过主要使用天然气或主要使用馏出柴油燃料或使用两者运行的发动机来适应新的丰富的天然气资源。总体而言，天然气发动机已有利地构造为相比于它们对应的柴油发动机具有较低的压缩比。具有固定压缩比的双燃料发动机对于气体或液体燃料中的至少一种可能固有地不是最优地运行。美国专利US 3，417，739是值得关注的，因为其教示了一种可变压缩比活塞组件，在所述组件中在活塞销载体和活塞之间限定了可变容积流体腔。可变容积流体腔内流体的体积改变改变了活塞销的中心线和活塞的燃烧表面之间的距离，从而改变发动机的压缩比。
[0003]本发明旨在解决上述的一个或多个问题。
【发明内容】
[0004]一方面，内燃发动机包括限定出多个气缸的壳体。一活塞组件设置成沿着气缸轴线在各气缸内往复运动以限定压缩比，该活塞组件包括转动地连接至活塞销载体(Pincarrier)以绕气缸轴线转动的活塞。所述活塞具有多个第一楔形部，所述多个第一楔形部在液压腔中分别与活塞销载体的多个第二楔形部接触。每一第一楔形部具有暴露于液压腔中的流体压力的液压表面。响应于液压腔中的主动流体压力，活塞相对于活塞载体从低压缩比取向(orientat1n)转动至高压缩比取向。响应于液压腔中的被动流体压力，活塞从高压缩比取向转动至低压缩比取向，所述被动流体压力小于所述主动流体压力。在高压缩比取向的压缩比大于在低压缩比取向的压缩比。
[0005]另一方面，运行所述发动机的方法包括当所述活塞组件处在低压缩比取向时在气缸中主要燃烧第一燃料。将处在主动流体压力下的液压流体供应至液压腔，以使活塞从低压缩比取向向高压缩比取向转动。当所述活塞组件处在高压缩比取向时在气缸中主要燃烧第二燃料。
【附图说明】
[0006]图1是根据本发明的内燃发动机的局部示意图；
[0007]图2是图1的发动机的内部透视图；
[0008]图3是根据本发明的活塞组件的示意图；
[0009]图4是根据本发明的另一方面的活塞销载体的透视图；
[0010]图5是用于图1和3的活塞组件的活塞的仰视图；
[0011]图6是图1和3的活塞组件的液压腔的侧面展开视图。
【具体实施方式】
[0012]首先参照图1和2，内燃发动机10包括限定出多个气缸13的壳体12。活塞组件14设置成在各气缸13中沿气缸轴线15在上止点和下止点之间往复运动，以限定发动机10的压缩比。活塞组件14包括活塞20，该活塞20可转动地连接至活塞销载体30以绕着气缸轴线15转动。发动机10包括流体连接至每一气缸13的第一燃料供应系统40，和也流体连接至每一气缸13的第二燃料供应系统41。第一燃料供应系统40可为用于以常规方式向气缸13中以直喷方式喷射液体柴油燃料的液体燃料供应系统44。第二燃料供应系统41可为气体燃料供应系统43，其可配置成用于以常规方式向气缸13中以进气口喷射方式喷射天然气。因此，发动机10可被认为是能够燃烧天然气和柴油燃料的双燃料发动机。总体上，活塞组件14配置成在提供低压缩比的构型和与较高压缩比关联的构型之间转换，所述低压缩比可小于15:1并且更多地与天然气燃烧关联，所述较高压缩比可大于15:1并且更多地与在纯柴油模式中的发动机的运行关联。
[0013]现在另外参照附图3-6，可变压缩比通过活塞20实现，该活塞20具有多个第一楔形部21，所述多个第一楔形部在液压腔33中分别与活塞销载体30的多个第二楔形部31接触。每一第一楔形部31包括暴露于液压腔33中流体压力的液压表面22。响应于液压腔33中的主动流体压力，活塞20从图1中示出的低压缩比取向18相对于活塞载体30转动至图3中示出的高压缩比取向19。响应于小于主动的流体压力的被动的流体压力，活塞20从高压缩比取向19转动至低压缩比取向18。如所希望的，在高压缩比取向19的压缩比大于在低压缩比取向18的压缩比。图6是值得关注的，示出了液压腔33的180°侧面展开视图，其中低压缩比取向18用虚线示出，高压缩比取向19用实线示出。如在该视图中示出的，在从低压缩比取向18向高压缩比取向19的转动过程中，当使用主动流体压力作用于液压表面22时，液压表面22引起第一楔形部21沿着第二楔形部31的表面滑动。在图示的实施例中，活塞20和活塞销载体30示出为分别包括四个楔形部21、31。然而，本领域技术人员会认识到，任何数目的楔形部均落入到本发明的保护范围。
[0014]尽管不是必要的，发动机10可使用压缩比控制流体回路55来控制液压腔33中的流体压力，并且可使用发动机润滑油作为液压介质。在图示的实施例中，压缩比控制流体回路55和发动机润滑流体回路60流体并联。压缩比控制流体回路55可包括流体设置在润滑油油池50和通向液压腔33的供应通道53之间的电控栗57。电控栗57可由操作者使用简单开关激活或可由电控模块56直接控制，所述电控模块以本领域公知的方式从操作者接收开/关指令。电控栗57可具有等于或大于引起活塞20相对于活塞销载体30转动所必需的主动流体压力的输出流体压力。液压腔33可经排出孔口 51流体连接至处于被动流体压力的润滑油油池50，而不论活塞是处于低压缩比取向18还是处于高压缩比取向19。因此，当电控栗57关闭或者不工作时，作用在活塞20的上燃烧表面25上的燃烧压力会引起液压腔33中的液压流体经排出孔口 51排出，直到活塞20被动地恢复至低压缩比取向18。当液压腔33流体连接至处于主动压力的润滑油源52时，当电控栗57打开或工作时，自供应通道进入液压腔33内的流体的流量会超过经限制性的排出孔口 51离开液压腔33的流量，导致只要电控栗57继续运转，活塞20就从其低压缩比取向18转动至其高压缩比取向19。在供应通道53中可设置止回阀54以阻止自液压腔33向电控栗57的流体回流，例如在燃烧过程中当出现作用在活塞20的上燃烧表面25上的高燃烧压力时会发生这种流体回流。当活塞20处在其低压缩比取向18时，液压腔33与主动流体压力源52的流体连接会中断。
[0015]如前述，压缩比控制流体回路55可与发动机润滑流体回路60流体并联。因此，不论活塞20是处在其低压缩比取向18还是处在其高压缩比取向19，润滑流体回路60可包括活塞冷却喷嘴61，该活塞冷却喷嘴61设置为以本领域内公知的方式持续供应润滑油来冷却活塞20。
[0016]如示出的，活塞20可包括至少三个楔形部21，示出的为四个。低压缩比取向18和高压缩比取向19之间的转动角度70必须小于360°除以活塞的楔形部的个数所得的角度。在活塞20包括四个楔形部21的图示实施例中，转动角度必须小于90°，并且取决于楔形部21和31的倾斜角度可以显著地小于90°。在一个具体示例中，楔形部21和31的尺寸可以为，当活塞20从低压缩比取向18转动至高压缩比取向19时，活塞燃烧表面25至设置为穿过活塞销载体30的活塞销35的距离71增加0.2英寸。在一个具体示例中，该