CN101749122A - 活塞式变压缩比变排量发动机 - Google Patents

Abstract

活塞式变压缩比变排量发动机，它是在传统的活塞式发动机的基础上，将曲轴箱与汽缸体分为上下两个独立部件。转动设在缸体与曲轴箱之间的螺旋丝杠，使燃烧室的容积随之改变，使压缩比可随发动机功率的大小而变化。它弥补了汽油机小功率时工作压缩比小，热效率低的缺点。通过控制柴油机汽缸的充气量，及调整燃烧室的方法，使之具备变排量、恒压缩比的目的。能有效地改善柴油机启动困难，震动大噪音大，怠速高油耗高污染大的缺点。本发明是对传统发动机最实质最彻底的改革，其蕴含着极大的社会效益与经济效益。

Description

活塞式变压缩比变排量发动机

所属领域

本发明涉及，通过改变燃烧室的容积、气门的正时及升程，使压缩比及排气量都发生变化的活塞式汽油机或柴油机。

背景技术

传统的汽油发动机及柴油发动机，其构造的特点而决定了活塞行程和燃烧室的容积都是不可变化的。因此，它们都存在着难以克服的技术缺陷。其理由如下：

一.传统的汽油机：当发动机在大功率输出时有充足的进气量，汽缸实际压缩比可达到较高值，发动机的热效率就较高。在中小负荷时进气量较少，实际压缩比较低，热效率也很低。低压缩比还影响汽油完全燃烧，必然造成排放污染。尤其是现代汽车的发动机的功率储备都很大，却多数是在中小工况下工作的。由此而浪费的燃油和环境污染很严重，这是传统汽油机存在的难以克服的固有缺陷。

采用调整发动机曲轴与汽缸盖之间有效距离的方法，使传统汽油机燃烧室的容积大小随之改变，就达到了变压缩比的目的。通过调整气门正时及气门升程，控制汽缸的充气量就达到了变排量的目的，这是对传统汽油机最具实质意义的改革。其优点是：

1.能大幅提高发动机在中小工况下的热效率，有效地降低油耗、减少污染。

2.发动机适用于任何海拔高度地区，可使用任何标号汽油。尤其适用于带有涡轮增压器的发动机，可弥补涡轮滞后的缺点。

二.传统柴油机：因为柴油机有较高的固定压缩比，不论大小工况都必须有足够的充气量才能正常工作，其调整负荷大小是靠改变喷油量的多少来实现的。大负荷时喷油量大，发动机达到最佳工作状态。小负荷时喷油量很少，大量多余的空气也要陪同进行高压缩比压缩，因此而浪费的功耗是不可忽视的。传统柴油机为了克服很高的压缩气体功耗，必须有较高怠速转数，要装配大质量的飞轮维持匀速运转。因此，增加了发动机的重量、产生较大震动，增加了油耗和噪声污染，这是传统柴油机无法克服的固有缺陷。

采用调整燃烧室的容积大小，及调整气门正时的正常或滞后，控制进气量达到变压缩比变排量的目的，这是对传统柴油机最具实质意义的改革。其理由如下：当柴油机在中小负荷时，由可调气门正时滞后一定角度，同时协同附加的节气门共同控制，使充入汽缸的空气量随工况按比例减少。同时按比例调小燃烧室容积，使压缩比始终保持在设定范围内，以保证发动机正常工作。其实质是保持固定的工作压缩比，在变排量模式下工作。这种变压缩比、变排量柴油机的优点是：

1.小负荷时压缩气体功耗小，可以减小飞轮的转动惯量而降低发动机的重量。

2.减小启动时的空气量和喷油量，因而降低了启动负荷、使冷车启动较容易。

3.能大幅地减小低转数时的震动，可以降低怠速的转数、减少油耗及噪音污染。国内外相关研究机构，一致认为变压缩比发动机技术，能高效地节能减排。已纳入重点研究课题，已有多篇相关的专利技术公布。因所公开的技术中还存在许多缺点，目前还没有相关的产品成功地投产运用。其中，已公开的专利《ZL200610135021.X变压缩比变排量活塞式发动机》。该专利中还存在4点不足之处：1.螺旋丝杠的位置设置不合理，不符合紧凑有效的设计原则。改进方案是：采用将螺旋丝杠平行对称地设置在汽缸的两侧，可最大限度地减小发动机的长度。

2.汽缸体与曲轴箱之间靠螺旋丝杠联结，使螺旋丝杠承受较大的轴向力和侧向力，影响了机件的使用寿命。改进方案是：采用在汽缸体与曲轴箱之间，增设仅可上下滑动的键槽结构，使之承受侧向力。螺旋丝杠只承受轴向力，这样可增加发动机的整体强度和使用寿命。还可由其传导热量，用以减小上下机件间的温差变形。

3.所设的丝扛及蜗轮等构件，设置在汽缸体与曲轴箱之间，增加了发动机高度。改进的方案是：利用汽缸体下部至曲轴箱顶面的空间，设置丝杠与蜗轮等机件。同时，在汽缸体下平面的每个汽缸套处，增设环绕汽缸套的凸台结构。使凸台插入到曲轴箱上与之对应的圆孔内，形成可上下滑动的键槽结构。这样结构可以承受由活塞产生的侧向力，可增加汽缸体与曲轴箱的连接强度，而且能使螺旋丝杠只承受垂直的轴向力，因此能提高发动机的使用寿命。也可以在汽缸体与曲轴箱之间的平面上，另行设置可上下滑动的键槽结构。经改进后的新型发动机，与传统发动机的高度及长度相近，局部宽度有所增加，但是仍可顺利替换同机型的传统发动机。

4.封闭汽缸体与曲轴箱之间缝隙的不锈钢波纹套筒，改进为采用焊接到上下机体上，可增加密封的可靠性。

发明内容

针对上述专利技术中存在的缺点和不足，本发明提供一种《活塞式变压缩比变排量发动机》。其工作原理是：在传统活塞式发动机的基础上，保留传统柴油机及汽油机的工作原理。大部分利用原有机件，重点对汽缸体及曲轴箱做彻底改革。采用调整缸盖与曲轴之间距离的方法，改变燃烧室容积，以达到改变压缩比的目的。采用调整气门正时及升程的方法，协同节气门控制汽缸充气量，达到变排量的目的。

具体方法如下：将汽缸体1与曲轴箱5截然分开，成为上下两个独立的构件。其间留一个可调整的水平缝隙。在上下相邻的两个端面之间、汽缸的两侧，对称设置3-4对可调整缝隙大小的螺旋丝杠2。螺旋丝杠2的上端旋进汽缸体1内，下端轴向定位、固定在曲轴箱5的顶部旋转。当统一转动螺旋丝杠2时，汽缸体与曲轴箱之间的缝隙的大小即发生改变，因而可改变燃烧室的容积，达到改变压缩比的目的。

为了使每只汽缸两侧的螺旋丝杠2同步转动，在每只丝扛的中部固定一个蜗轮4。多个蜗轮4均与曲轴箱内的两只纵向蜗杆7啮合，统一传动。两只纵向蜗杆7的两端固定在曲轴箱内的轴承座内，其中一端的轴颈经轴封引出到曲轴箱外。两只纵向蜗杆7的轴颈上均安装着大伞形齿轮8，与之啮合的两只小伞形齿轮9，安装在同一只横向设置的变压缩比控制轴10上，横轴10连接到控制电机11上。为了减小发动机长度，也可以在两只纵轴的轴颈上安装两只链轮，改用链传动到控制电机上。

当汽车电脑，根据发动机的转速及扭矩而测得当前功率值时，即可确定对应的排量及对应的压缩比，输出调控信号控制电机转动，此为自动调整。还可以根据汽车行驶情况，灵活地采用手动调控压缩比。两种调控模式，都是在发动机连续工作中完成的。正常情况下，发动机减小功率时汽缸压力减小，燃烧室减小，螺旋丝杠虽处于收紧状态，但受力不大。而在加大功率时燃烧室加大，螺旋丝杠趋于放松状态，螺旋丝杠受力仍然不大。因此，控制电机可在发动机运行中随机动作。缸体与曲轴箱之间可调缝隙，可按1/10活塞行程长度内确定。因为汽缸体是整体构造，缸体的刚度及强度都很大，因此不必要在每只汽缸的两侧都设置丝杠。可根据发动机的工作级别，设置螺旋丝杠的位置和数量。对于常用的轻量级的四缸汽油发动机，可采用四只或六只螺旋丝杠，分别设置在汽缸体的四角及中间。柴油机工作强度大，需要依设计而确定丝杠的设置数量及位置。对于V形多缸发动机，螺旋丝杠仍可对称设置在曲轴箱的上部、汽缸组的两侧。

本发明活塞式变压缩比变排量发动机，在进行压缩比调整时，气门凸轮轴与曲轴的轴心距离也随之变化。利用其间位移变化，可通过相关的联动机构，控制气门相位对应调整。因此，当发动机大负荷工作时燃烧室容积最大，进气门提前开启。当发动机在小负荷时燃烧室容积缩小，进气门滞后打开。再配合节气门的作用，使汽缸充气量按比例减少，因而达到变排量的目的。汽缸体的升降位移，还可带动相关的联动机构，消除因凸轮轴与曲轴之间的位移，而产生的正时链的张驰变化。同样，还可由此上下的位移，联动到气门升程组件对凸轮轴的轴承座进行高低微调，以满足发动机在不同功率时对气门升程的要求。

通过联动机构控制气门正时及升程的变化，能使发动机不论大小功率，始终能以最佳的工作状态工作。使本发明的新型发动机，具备了“可变气门正时、可变气门升程、可变压缩比、可变排量”的高性能发动机。这是对传统活塞式发动机的最具实际意义、最彻底的改革。尤其当今世界能源危机，迫使人们千方百计地研发环保节能型发动机。本发明的新型发动机，原理简单，是在成熟的发动机制造技术的基础上进行研发的，而且还能大部分地利用传统发动机的机件。因此，新型发动机的研发费用不高，制造容易发动机的造价不高。并且，在尽量不改变原车发动机仓的情况下替换传统发动机，有利于迅速地推广应用本项节能减排效果显著的新技术，也必然会产生极大的经济效益和社会效益。

附图说明

下面通过具体的实施例方式，并结合附图对本发明做进一步详细描述。

图1所示为活塞式变压缩比变排量发动机的结构示意图。

图2是螺旋丝杠平面设置示意图

图3是正时链传动及联动机构示意图

其中：1-汽缸体                 2-螺旋丝杠            3-丝杠蜗轮压盖

      4-丝扛蜗轮               5-曲轴箱              6-不锈钢波纹套筒

      7-纵向蜗杆               8-纵向蜗杆大伞齿轮    9-小伞齿轮

      10-小伞齿轮轴            11-压缩比控制电机     12-进气凸轮链轮

      13-排气凸轮链轮          14-气门正时链         15-气门正时联动机构

      16-气门正时调整导轮组    17-曲轴正时链轮

如附图3所示：当汽缸体1与曲轴箱5之间的距离增大时，由汽缸体1带动联动机构15，使正时调整导轮组16绕轴心A点顺时针转动一个角度。使左侧导轮向内缩进右侧导轮向外突出，右侧的正时链张紧，拉动气门凸轮链轮顺时针转动一个提前角度。如上，反之就滞后一个角度。提前或滞后角度的大小由A点的位置控制，也可通过水平微调A点的位置，附加调节气门正时。

具体实施方式

将丝杠蜗轮4固定到螺旋丝杠2的下端，再将丝杠蜗轮压盖3套到螺旋丝杠2上。将丝杠蜗轮压盖3连同丝杠及蜗轮，旋进曲轴箱5的上面的蜗轮压盖孔内紧固。将纵向蜗杆7安装到曲轴箱内的轴承座上，使之与所有丝杠蜗轮相啮合。将纵向蜗杆大伞齿轮8安装到两只纵向蜗杆7的轴颈上，再将带有两只小伞齿轮9的小伞齿轮轴10，安装到曲轴箱外面的轴承座上，与压缩比控制电机11连接。将汽缸体1置于曲轴箱5的上方，转动压缩比控制电机11使螺旋丝扛2同时转动，使丝杠2旋进汽缸体1的丝杠孔内。同时汽缸套连带的凸台结构，也插入曲轴箱上平面的孔中。继续转动丝杠2，使汽缸体1的下平面与曲轴箱5的上平面之间，留一可上下调整的缝隙，缝隙的宽度可按汽缸行程的1/10设置。将不锈钢波纹套筒6的上端焊接到汽缸体1上，下端焊接到曲轴箱5上。

Claims (5)

1.活塞式变压缩比变排量发动机，是由汽缸体、曲轴箱、汽缸、活塞、连杆、气门及燃油喷射点火系统等零件构成的，汽缸体(1)与曲轴箱(5)分为上下相邻的独立构件，设在汽缸两侧的螺旋丝杠(2)，上端旋进汽缸体(1)内，下端轴向固定在汽缸体(5)内，丝杠蜗轮(4)固定在丝杠(2)上与纵向蜗杆(7)啮合，纵向蜗杆大伞齿轮(8)固定在纵向蜗杆(7)的轴颈上，与小伞齿轮轴(10)上的两个小伞齿轮(9)相啮合，压缩比控制电机(11)连接在小伞齿轮轴(10)上，其特征在于汽缸体(1)的下平面，设有围绕每个汽缸套向下凸出的管状结构，将管状结构插入到曲轴箱(5)上平面所对应的园孔内。

2.根据权利要求1所述的活塞式变压缩比变排量发动机，其特征在于汽缸体(1)与曲轴箱(5)之间设置有气门正时联动机构(15)，及气门正时调整导轮组(16)。

3.根据权利要求2所述的气门正时联动机构(15)，其特征在于支点A能水平移动。

4.根据权利要求1所述的活塞式变压缩比变排量发动机，其特征在于用六只螺旋丝杠(2)分别对称地设置在汽缸体前后及中间的两侧。

5.不锈钢波纹套筒(6)的上端焊接在汽缸体(1)上，下端焊接在曲轴箱(5)上。

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