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技术

本发明专利技术涉及一种用于实现可变压缩比ε的内燃发动机的活塞(1)，活塞(1)具有带有凹部(3)的活塞顶部(2)，其中活塞(1)连同汽缸套和汽缸盖形成相关汽缸的燃烧室(10)，活塞(1)可以使用活塞销(4)以铰接方式连接到连杆(5)的一端(5a)，其中，为了将活塞(1)耦接到曲轴，可以在另一端处将连杆(5)以铰接方式连接到内燃发动机的曲轴，并且活塞(1)随着曲轴回转而沿活塞纵向轴线(6)振荡。本发明专利技术的目的是提供一种活塞(1)，通过该活塞可以实现压缩比ε的变化。这通过活塞(1)实现，其中活塞(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)以在下止动件(7a)和上止动件(7b)之间沿活塞纵向轴线(6)可移动的方式安装在第二活塞载体节段(1b)中；并且活塞(1)配备有液压调节装置(8)，用于沿着活塞纵向轴线(6)移动第一活塞节段(1a)。

Pistons for internal combustion engines and methods for operating internal combustion engines with such pistons

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。本专利技术还涉及一种用于操作具有这种活塞的内燃发动机的方法。
技术介绍
例如，所述类型的内燃发动机用作机动车辆的驱动装置。在本专利技术的上下文中，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于实现可变压缩比ε的内燃发动机的活塞(1)，所述活塞(1)具有带有凹部(3)的活塞顶部(2)，其中所述活塞(1)：/n连同汽缸套和汽缸盖形成相关汽缸的燃烧室(10)，/n可以使用活塞销(4)以铰接方式连接到连杆(5)的一端(5a)，其中，为了将所述活塞(1)耦接到曲轴，可以在另一端处将所述连杆(5)以铰接方式连接到所述内燃发动机的所述曲轴，并且/n随着所述曲轴回转而沿活塞纵向轴线(6)振荡，/n其中，/n所述活塞(1)以模块化方式由至少两个节段(1a、1b)构成，其中包括所述凹部(3)的第一活塞节段(1a)以在下止动件(7a)和上止动件(7b)之间沿所述活塞纵向轴线(6)可移动的方式安装在第二活塞载体节段(1b)中；并且/n所述活塞(1)配备有液压调节装置(8)，用于沿着所述活塞纵向轴线(6)移动所述第一活塞节段(1a)。/n

【技术特征摘要】
20180625 DE 102018210265.11.一种用于实现可变压缩比ε的内燃发动机的活塞(1)，所述活塞(1)具有带有凹部(3)的活塞顶部(2)，其中所述活塞(1)：
连同汽缸套和汽缸盖形成相关汽缸的燃烧室(10)，
可以使用活塞销(4)以铰接方式连接到连杆(5)的一端(5a)，其中，为了将所述活塞(1)耦接到曲轴，可以在另一端处将所述连杆(5)以铰接方式连接到所述内燃发动机的所述曲轴，并且
随着所述曲轴回转而沿活塞纵向轴线(6)振荡，
其中，
所述活塞(1)以模块化方式由至少两个节段(1a、1b)构成，其中包括所述凹部(3)的第一活塞节段(1a)以在下止动件(7a)和上止动件(7b)之间沿所述活塞纵向轴线(6)可移动的方式安装在第二活塞载体节段(1b)中；并且
所述活塞(1)配备有液压调节装置(8)，用于沿着所述活塞纵向轴线(6)移动所述第一活塞节段(1a)。


2.根据权利要求1所述的活塞(1)，其中所述液压调节装置(8)：
包括第一腔室(8a)，其可以形成在所述第一活塞节段(1a)和所述第二活塞载体节段(1b)的所述下止动件(7a)之间，并且可以通过进给管线(9a)供油，并且
包括第二腔室(8b)，其可以形成在所述第一活塞节段(1a)和所述第二活塞载体节段(1b)的所述上止动件(7b)之间，并且至少通过返回管线(9b)可连接到油路(9)。


3.根据权利要求2所述的活塞(1)，其中所述第一腔室(8a)和所述第二腔室(8b)通过传输管线(9c)彼此液压连接。


4.根据权利要求3所述的活塞(1)，其中所述传输管线(9c)被设计为在所述第一活塞节段(1a)和所述第二活塞载体节段(1b)之间沿着所述活塞纵向轴线(6)延伸的环形间隙(9')。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·G·奎科斯，D·范拜伯，A·法里纳，H·厄恩斯特，R·弗里切，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US