CN101109321A - 自适应可变压缩比发动机 - Google Patents

Abstract

一种简单可靠成本低的可变压缩比发动机，在怠速时压缩比最大，在最大节气门位置时压缩比最小，在任意节气门位置状态下能连续自动改变压缩比，使发动机的压缩比接近暴振的最大允许值，这样的发动机有极高的效率，相当完全的燃烧，非常低的废气排放，是目前世界汽车业追求的目标。本发明的原理是采用了可变长度连杆，而且连杆的长度取决于燃烧室在点火燃烧前的可燃混合汽压力，当压力临近超过暴振压力值时，连杆会自动缩短，压缩比下降，使压力不再增加，避免暴振发生。本发明的核心技术是连杆采用了柱塞式液压缸结构，缸内油液由曲轴上的连杆连接颈部供油和封闭，使连杆的长度在压缩期间可变，点火做功期间不可变。

Description

自适应可变压缩比发动机

所属技术领域

本发明涉及一种能自动调节压缩比的发动机新装置，尤其能在不同的节气门开度条件下自动调节压缩比，使压缩比迫近临界爆振最高许可值，实现高效燃烧、低排放的目的，是一种环保节能型的发动机。

背景技术

1、高压缩比有利于充分燃烧和提高发动机功率。在发动机燃烧室内，混合汽的压力越高越容易燃烧，效率越高、排放越低，是发动机制造中所追求的。

2、受暴振现象限制，不能采用太高的压缩比。当压缩比过高时，会产生自燃，引起暴振，严重损伤发动机和造成功率快速下降，必需避免。

3、暴振临界压缩比随着节气门的开度增加而减少，在最大节气门开度时允许的压缩比最小，在怠速时允许的压缩比最大。

4、固定压缩比的发动机，只能按最大节气门开度确定压缩比，导致在小节气门状态下压缩比太小，燃烧不完全，效率低，功率小。

5、采用蜗轮增压的发动机，为了防止爆振，增压状态下压缩比要减小，固定压缩比的发动机在不增压时压缩比更低，效率更低，燃烧更不完全，更应该采用可变压缩比发动机。

6、目前汽车发动机大量时间工作在小节气门状态下，即采用固定压缩比发动机的汽车，多数情况下燃烧不完全，效率低，功率小。

7、怠速时采用高压缩比，节气门开度增大时压缩比会自动减少的可变压缩比发动机，可以大幅度提高燃烧效率，从而减少不良排放，并可以大幅度提高功率。

8、目前虽然有各式各样的可变压缩比发动机设计样本和专利，但机械结构和电控过于复杂，制造困难，均没有进入实用化的批量生产。

综上所述，固定压缩比的发动机，压缩比的确定受到最大节气门开度时引起的暴振限制，往往较低，而汽车多数时间处于较小节气门状态，特别是市区和怠速状态下，按照最大节气门开度确定压缩比的发动机在这一状态下偏离理想压缩比甚远，导致燃烧不完全，效率低，功率小。因此迫切需要研制可变压缩比的发动机。

发明内容

为了让发动机能在整个节气门开度范围内均可以高效率工作和充分燃烧，减少环境污染，实现节能和提高功率目的，同时为了可靠工作，并要结构简单，制造容易，成本低廉，能批量生产。本发明提供了一种可行的，压缩比能自动改变的可变压缩比发动机装置。

本发明的基本原理：

是通过改变连杆的长度，改变活塞上止点的位置，从而改变燃烧室的容积，实现压缩比的改变。为此，连杆设计成柱塞式液压缸，由曲轴向连杆供油。利用曲轴和连杆的滑动轴承接触面相对位置周期性变化的特点，将曲轴向连杆的供油设计成供油和密封两种状态，使连杆长度相应具有可变和不可变两种状态，在点火做功期间不可变，每个压缩行程期间可变，实现压缩比在每周都可以改变的动态调节。

柱塞式液压缸连杆在四个行程中的长度变化原理：

在压缩行程中：连杆长度随节气门开度的增加而减少。因为当节气门不断增大时，进气量不断增加，燃烧室的可燃压缩混合汽压力跟随增大，到了临近点火最早位置时达到最大值，此时混合汽压力大于液压缸的压力，引起液压缸的液体压力升高，液体通过进油口退出，并经溢流阀释放恒压，连杆的长度缩短，燃烧室的容积增加，压缩比下降，防止爆振产生。

进入做功行程中：连杆长度不变。因为当曲轴转动到最大点火提前角位置时，液压缸的进油口被封闭，液压缸的液体不可压缩，连杆长度不可变。

进入排气行程中：连杆长度可变，但处于最长状态。因为当活塞到了近下止点，排气门打开，燃烧室内压力开始下降。当活塞到了下止点时，燃烧室内压力已经下降，液压缸的进油口解封，液压缸的液体压力大于燃烧室压力，柱塞伸出，液体通过进油口进入，连杆处于最长状态，便于排气更彻底。

进入吸气行程中：连杆长度不变。因为曲轴转动到做功行程相同的位置，此时连杆长度同样不可变，而且处于最长状态。

柱塞式液压缸连杆的结构：

如附图1。柱塞2连接活塞，缸体6连接曲轴，缸体6与柱塞2之间的容积内可以设有压缩弹簧7，活塞和缸体间充满发动机润滑油，相当于液压系统的工作介质油，缸体6最下端进油，进油口穿过固定在缸体6上的滑动轴承8，对着曲轴上开的供油槽11。在点火做功和吸气冲程位置，供油槽11已经转离供油口9，缸内油液被密封，连杆长度不变。在排气和压缩冲程位置，供油槽11对着缸体6的进油口9，连杆长度可以被燃烧室混合汽压力改变。压缩比的大小取决于压缩弹簧7、液压油的压力的合力与燃烧室可燃混合汽压力的平衡，前者合力基本不变，后者取决于进气量，即节气门大小，无需电控。

解决防止柱塞相对于液压缸体转动的技术方案：

是将缸体6的开口部位均匀开4个花键槽，将柱塞2的连接活塞一头设有4个滑块，滑块3可以作加强筋用。2和3可以焊接为一体，也可以一体加工而成，如图1所示。滑块可以在花键槽中进出滑动，不能旋转。

调节连杆的可变长度即解决限制柱塞相对于液压缸体伸出的最大长度的技术方案：

由于滑块3的径向是阶梯形，柱塞2装入缸体6后，在花键末端安装卡簧或旋入螺母4，滑块3的径向凸出部分被卡簧或螺母卡住，只能在花键槽内有限的行程中滑动。卡簧或螺母4旋入越多，行程越短，相当于连杆的可变长度减少。

柱塞式液压缸连杆长度可变和不可变的转换时刻即供油槽的长度和位置设计：

如图2所示是柱塞式液压缸连杆和曲轴颈部相对运动断面图，工作时曲轴颈10顺时针方向旋转，15是曲轴使活塞达到上止点的最高点标志位置，14是最早点火提前角位置，即15对准14是最早点火位置，15对准正上方是最迟点火位置，具体点火时刻由ECU根据曲轴转速、节气门开度确定。

曲轴上的连杆连接颈10外圆周开一个供油槽11，由活动的供油槽11向连杆供油口9供油，油槽11对着连杆供油口9时连杆长度可变。油槽11沿曲轴颈外圆周的起始位置对应活塞的下止点时正好对准供油口9，到最早点火提前角位置前面时刚好结束，进入最早点火提前角位置时，油槽11刚好离开连杆供油口9，供油口9正好被密封。图2(a)是最早提前点火的位置，油槽11离开了供油口9，连杆长度开始不可变。图2(b)是活塞到达上止点的位置，图2(c)是活塞到达下止点的位置，此时，油槽11重新开始对着供油口9，连杆长度开始可变。

解决发动机压缩比动态自适应改变的技术方案：

怠速时压缩比最高，压缩比随节气门的开度增加自动减少，以便于抑制开大节气门状态下的暴振。因为当节气门开大时，进气量增加，点火前被压缩的混合气压力升高，克服连杆内弹簧压力和油压，液压油通过进油口排放，连杆缩短，压缩比下降；节气门开度越大，进气越多，点火前被压缩的混合气压力越高，克服连杆内弹簧压力的力越大，连杆缩短越多，压缩比下降越多。调节液压油的压力，可以同时改变所以汽缸压缩比，油压升高，压缩比增大。

解决不同燃油造成爆振的技术方案：

为了适应不同的燃油，进入最佳压缩比工作状态，压缩比的整体变化范围可以在发动机体外微小调节，通过调节溢流阀的压力改变液压油的工作压力，从而整体改变所有汽缸的压缩比变化范围，使压缩比达到最大许可值。如图6所示。

解决旋转中的曲轴颈供油的技术方案是：

柱塞式液压缸连杆的液压油由曲轴上的连杆连接颈的油槽供给，油槽的油则由曲轴轴承座环形油槽供给，如图3，是直列四缸曲轴油路图。16、17、19、21、23是轴承颈，10、18、20、22分别是1、2、3、4缸的连杆轴颈。第1缸连杆和2缸连杆由轴承座17供油，3缸连杆和4缸连杆由轴承座21供油。

解决曲轴内部供油回路的技术方案：

如图3。曲轴轴承座有一个供油口，位置对着与轴承座接触的轴颈外圆周的供油槽27，轴颈旋转，轴颈外圆周的供油槽27始终有压力油供应。曲轴的轴承颈17和曲轴连杆颈10的内部有一个油路25连接，油路25的端口有工艺封头24，油路25和轴承颈外圆周的供油槽27之间通过孔28连通油路，油路25和连杆颈外圆周的供油槽11之间通过孔26连通油路，如图4。

向曲轴轴承座供油的技术方案：

如图5，是通过汽缸体供油，32是滑动轴承座压环，29是缸体，30是连通二个轴承座的横向总油路，经滤清器连接到溢流阀和油泵，31是轴承座的支油路，向轴承座供油，如图6。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是柱塞式连杆结构示意图。1是活塞销，2是柱塞，柱形，中心开有小孔放气并可以微量供油给活塞销润滑，3是四条加强筋滑块。4是卡簧或者螺母，5是花键滑槽，宽度和滑块3相配，6是液压缸体，7是压缩弹簧，8是滑动轴承片，9是液压缸油路入口，10是曲轴上的连杆颈部，11是向液压缸供油的油槽，油液来源于与曲轴轴承座相通的油道，曲轴轴承座的油由汽缸体上连通的油泵供给。12是和缸体6连接的压环，通过螺丝13连接。

图2是连杆长度改变示意图，曲轴上的油槽11对着连杆缸体的进油孔9时，油液可以进出，连杆长度可变，对应是压缩行程点火前部分，其他时间即点火做功行程，连杆长度不可变，图2(a)表示最早点火时刻开始连杆长度不可变，此时最早点火位置标记14和曲轴上止点位置标记15对准，图2(b)表示活塞达到上止点位置时的曲轴位置，标记15在正上方，图2(c)表示活塞达到下止点位置时的曲轴位置，标记15在正下方，此时油槽11开始恢复对着进油孔9，连杆长度可变。

图3是曲轴的油路布置图，表达四个曲轴连杆颈部的供油是通过轴承座供给的，曲轴连杆颈部10和18由曲轴轴承颈部17供油，曲轴连杆颈部20和22由曲轴轴承颈部21供油，16、19、23是另外三个轴承颈部。

图4是曲轴的油路结构工艺图，24是为了加工方便的工艺孔封头。25是连通曲轴轴承颈部和曲轴连杆颈部的油孔，是钻出来的直孔，26连通25和曲轴连杆颈部油槽11，28连通25和曲轴轴承颈部环形油槽27。

图5是表达轴承座的供油，是通过汽缸体油道提供。29是汽缸体，30是横向主油道，连通油泵和溢流阀，如图6，31是轴承座到横向主油道的支油道，32是滑动轴承压片。

图6是液压管道示意图，33是汽缸体横向主油道，34是泵后过滤，36是泵前过滤，35是泵，37是溢流阀，调节供给汽缸体横向主油道油压，38是调节螺丝，伸出发动机体外面，用于调试压缩比。

具体实施方式

1、按图1画图并加工柱塞式连杆各零件。

2、按图1装配连杆，先放入弹簧7，插入柱塞2，再安装卡簧或螺母4。

3、曲轴增加油路，如图3、4，钻孔获得油路25，车床切削加工曲轴的二个轴承颈部环形油槽27，铣床加工曲轴的四个连杆颈部供油槽11，钻孔获得油路25到油槽11的连通孔26，钻孔获得油路25到油槽27的连通孔28，清洗干净油路后封工艺孔24。

4、滑动轴承上半片钻孔。

5、按图5加工汽缸体油路。钻横向主油路，纵向支油路，纵向总油路，清洗干净，封工艺孔。

6、溢流阀在汽缸体的适当位置安装，连接油路和过滤器。

7、曲轴装配到汽缸体上。

8、安装活塞和连杆。

9、调试，外接压力油，慢慢转动曲轴，在压缩行程时检查活塞连杆的可压缩性，在做功行程时检查活塞连杆的不可压缩性。

10、安装油泵和过滤器。

11、安装汽缸体座。

Claims (11)

1.一种发动机，称为“自适应可变压缩比发动机”。

2.根据权利1所述的发动机，其特征1是：连接曲轴和活塞的连杆是柱塞式液压缸。

3.根据权利1和权利2所述的发动机，其特征2是：柱塞式液压缸内可以安装有预先压缩的压簧，其预压力小于怠速状态下的燃烧室的可燃混合汽在点火前临近暴振压力的最大许可值。

4.根据权利1和权利2所述的发动机，其特征3是：柱塞式液压缸内油压力是由压力可微调的减压溢流阀控制，减压溢流阀的压力可以在安装好的发动机体外面人工微调。

5.根据权利1和权利2所述的发动机，其特征4是：柱塞中心有一个小孔连通液压缸内液压油和活塞销孔。

6.根据权利1和权利2所述的发动机，其特征5是：柱塞式液压缸的进出油口穿过滑动轴瓦孔，对着曲轴上的连杆连接颈部外圆周表面。

7.根据权利1和权利6所述的发动机，其特征6是：曲轴上的连杆连接颈部表面相对滑动轴瓦孔的圆周位置方向设有供油槽，供油槽在颈部的圆周方向布置，长度小于二分之一圆周长度。

8.根据权利1和权利7所述的发动机，其特征7是：曲轴上的连杆连接颈部旋转时，颈表面的供油槽位置和长度设置在压缩行程时对着滑动轴瓦孔即液压缸供油口，在点火做功行程中，供油槽滑动离开，不再对着滑动轴瓦孔，即供油口被轴颈部的外圆周表面封闭。

9.根据权利1和权利8所述的发动机，其特征8是：曲轴上的连杆连接颈部液压油是由曲轴滑动轴承座提供。在曲轴上的轴承颈部相对轴承座的外圆周设有油槽，油槽设有供油孔连通曲轴上的连杆连接颈部供油槽。

10.根据权利1和权利9所述的发动机，其特征9是：汽缸体有供油孔连通到曲轴的多个轴承座，每个轴承座的油孔正对着滑动轴瓦的油孔，该孔正对着旋转的轴承颈环形油槽。

11.根据权利1和权利10所述的发动机，其特征10是：曲轴箱体油孔的供油端连接压力可以微调的减压溢流阀，溢流阀则连接滤清器，滤清器连接油泵，油泵由曲轴驱动。

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