CN102269076B - 内燃机改进型可变压缩比活塞 - Google Patents

Abstract

一种内燃机改进型可变压缩比活塞，是针对公开号为CN101900056A的可变压缩比活塞的优化设计。其压缩比调节装置中的机械弹性变形机构包括设置在中心处的圆形斜面驱动盘和设置在圆形斜面驱动盘外侧的环形斜面支撑圈，环形斜面支撑圈的支撑斜面与圆形斜面驱动盘的驱动斜面围构成的V型环槽内均匀分布有钢珠，钢珠的上面设置有弹性复位元件，弹性复位元件的底面与钢珠抵接。与优化前的机械弹性变形机构相比，取消了弹簧座盘，可使弹性复位元件在钢球移动时处于力臂变化状态，从而能够更好地满足机械弹性变形机构预紧力之前刚度大、预紧力之后刚度变小的要求。其结构更加简单、成本更为低廉、工作更是可靠、且其压缩比同样能够随发动机工况作快速适应性变化。

Description

内燃机改进型可变压缩比活塞

技术领域

本发明涉及对公开号为CN101900056A、发明名称为内燃机可变压缩比活塞的优化设计，具体地指一种内燃机改进型可变压缩比活塞。

背景技术

气缸压缩比对内燃发动机的性能有较大影响。可变压缩比技术是指发动机在低负荷工况时具有较高的压缩比，而在高负荷工况时又能够通过调节压缩比控制过高的缸内气体压力。目前，按照压缩比随发动机工况变化的响应速度划分，可变压缩比技术主要有以下两类：

一、压缩比随发动机工况缓慢变化的状况

压缩比随发动机工况较缓慢变化的典型例子包括：1、萨博(SAAB)公司在2000年开发的一款可变压缩比发动机，其压缩比能在8～14之间连续调节。这种发动机分离了气缸盖与机体，通过改变气缸头与引擎本体的相对倾斜角度，使活塞位于上止点时燃烧室容积发生变化，从而改变发动机的压缩比。2、法国MCE-5发动机和德国FEV公司的VCR发动机，其采用曲轴偏心机构，使曲轴中心与气缸盖的相对位置发生改变，从而抬高或降低活塞上止点的位置，达到改变压缩比的目的。3、Gomecsys公司提出的一种移动曲柄销以改变上止点位置时活塞冲程的可变压缩比技术，这种技术的核心是改变曲柄销位置的偏心机构，它用环形齿轮驱动偏心机构来实现压缩比的改变，其工作原理与FEV公司的VCR发动机相似。4、Ford汽车公司提出了一种通过第二气门机构实现压缩比改变的设想，这种设想是在气缸盖上另外增加一个气门用于调节余隙容积，该气门用液压或者其他方式控制，配合电控单元以实现发动机压缩比随负荷的改变。5、瑞典Lurd学院提出的第二活塞机构与Ford汽车公司的第二气门机构有异曲同工之意，只是将气门换作一个活塞，以改变缸内的余隙容积。6、日产公司设计了一种四连杆机构以实现气缸压缩比的改变，此外美国专利申请US6705255提出了一种可以改变内燃机压缩比的曲轴、US6679203提出了一种可以改变内燃机压缩比的液压装置、US6668768提出了一种可以改变内燃机压缩比的连杆装置、US6510821提出了一种内燃机可变压缩比装置，这类装置大多设有一个偏心连接部位，可以反馈活塞对连杆的不同冲击力，并通过控制活塞行程来改变气缸压缩比。但是，以上这些可变压缩比技术通常需要采用复杂的电子控制技术和复杂的机械或者液压装置，其制作难度较大，生产成本高昂。并且，由于其压缩比随发动机工况变化较为缓慢，一般仅能用于船舶等大型发动机，并不适用于汽车等发动机工况变化较快的场合。

二、压缩比随发动机工况快速变化的状况

压缩比随发动机工况较快速变化一般是通过改变气缸内活塞高度实现的。密歇根大学提出了一种缸内压力激励活塞，该活塞结构允许活塞头部根据缸内压力而自行偏转，随着活塞头部的偏转，缸内的余隙容积也随之增大，这样缸内的有效压缩比就会下降，缸内的爆发压力也就随之下降。公告号为CN2718232Y的中国实用新型专利说明书提出了一种内燃机弹性活塞，其将活塞分为活塞顶和活塞体两部分，在活塞顶和活塞体之间的空腔内布置弹性元件，通过活塞顶感受缸内的压力，当压力大于弹性元件的预紧力时，弹性元件变形使活塞高度减少，从而实现缸内压缩比的改变。此外，英国内燃机研究协会(BICERA)和中国奇瑞汽车股份有限公司提出的可变压缩比活塞都是将活塞分为上、下两部分，在上、下两部分之间的空腔内充入高压油，通过液压补偿或者液压与弹簧的组合方式来改变压缩比。以上可变压缩比技术的关键在于液压变形机构和/或弹性变形元件的结构设计，该结构应满足在气缸内压力未达到预紧力时其刚度较大，而在气缸内压力超过预紧力之后其刚度能够迅速下降，即具有较快的弹性变形能力。针对液压变形机构而言，由于发动机实际燃烧时的压力很高，这给液压机构及其控制系统提出了很高的要求，现有液压机构存在结构复杂、高温密封性能较差、使用寿命较短、响应速度较慢等缺陷，导致活塞变形后的快速复位较为困难。针对弹性变形元件而言，现有的弹性变形元件往往采用普通的压簧，而普通压簧的刚度是无法随气缸内负荷状况而迅速发生较大变化的，并且在活塞上、下两部分之间的狭小空间内布置一个承受巨大气体压力的压簧，对其性能要求是非常高的，目前也未见能够满足上述要求的压簧，可见弹性变形元件的选取同样也很困难。

本申请人在公开号为CN101900056A的中国发明专利申请公开说明书中介绍了一种内燃机可变压缩比活塞，其较好地解决了现有可变压缩比活塞中弹性变形元件所存在的缺陷，其压缩比能够随发动机工况作快速适应性变化，但它仍然有继续优化设计的必要。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种结构更加简单、成本更为低廉、工作更是可靠、且其压缩比同样能够随发动机工况作快速适应性变化的内燃机改进型可变压缩比活塞。

为实现上述目的，本发明所设计的内燃机改进型可变压缩比活塞，包括活塞顶和活塞裙，所述活塞顶和活塞裙之间设置有压缩比调节装置，所述压缩比调节装置具有一个调节装置壳体，所述调节装置壳体由固定连接在活塞顶底面上的圆形压盘、位于圆形压盘下方且固定连接在活塞裙顶面上的内圆筒、以及与内圆筒螺纹连接的外圆筒构成，所述外圆筒的筒口处设置有内止环，所述圆形压盘可轴向位移地嵌置在内圆筒的筒口端面和外圆筒的内止环之间。

所述调节装置壳体内设置有控制圆形压盘轴向位移的机械弹性变形机构，所述机械弹性变形机构的初始预紧力保持圆形压盘的外缘上面与外圆筒的内止环紧密贴合、且保持圆形压盘的外缘下面与内圆筒的筒口端面之间形成伸缩间隙δ。

具体地，所述机械弹性变形机构具有一个圆形斜面驱动盘，所述圆形斜面驱动盘通过其中心孔处的调节螺栓和锁紧螺母固定安装在圆形压盘的下方，所述圆形斜面驱动盘的外侧设置有环形斜面支撑圈，所述环形斜面支撑圈的支撑斜面与圆形斜面驱动盘的驱动斜面围构成的V型环槽内均匀分布有钢珠，所述钢珠的上面设置有弹性复位元件，所述弹性复位元件的底面与钢珠抵接。这样，弹性复位元件的底面与V型环槽共同构成对钢珠的径向约束。

本发明通过内、外圆筒的螺纹结构设定调节装置壳体的初始伸缩间隙δ，并采用机械弹性变形机构来维持该伸缩间隙δ，由于机械弹性变形机构可以按内燃机的设计需要保持较高的预紧力，故当内燃机在中、低负荷工况运行时，调节装置壳体的伸缩间隙δ能够维持稳定不变；而当内燃机变为高负荷工况运行时，机械弹性变形机构又能够通过其自身变形使调节装置壳体的伸缩间隙δ迅速减小，从而使气缸内的压缩比能够随内燃机工况的变化而快速改变。具体地，当内燃机气缸内的负荷增高到超过机械弹性变形机构的初始预紧力时，弹性复位元件被圆形压盘压缩，与此同时钢珠在弹性复位元件、环形斜面支撑圈和圆形斜面驱动盘的三重挤压引导下作向心移动，进一步增大并锁定弹性复位元件的变形，从而可迅速减小调节装置壳体的伸缩间隙δ。

进一步地，在所述圆形压盘与圆形斜面驱动盘之间，和/或在所述内圆筒与环形斜面支持圈之间，设置有调节垫片。通过调节垫片的增减，可以方便地实现压缩比和初始预紧力的调节。

再进一步地，所述环形斜面支撑圈的支撑斜面的水平倾角为10～15°，所述圆形斜面驱动盘的驱动斜面的水平倾角为40～50°。采用水平倾角内高外低的两段斜面构成V型槽来支承钢珠，可以使钢珠在向心移动的过程中产生简单的陡变，此时弹性复位元件向上的分力大幅减少，弹性复位元件的变形迅速增加，从而可降低机械弹性变形机构的整体刚性，提高活塞顶向活塞裙移动的速度，达到及时调节压缩比以控制气缸内高压的目的。

再进一步地，所述弹性复位元件由一片以上的蝶形弹簧叠加组合而成。可以通过增减蝶形弹簧的片数来灵活调节气缸压缩比和机械弹性变形机构的初始预紧力。

再进一步地，所述各片蝶形弹簧对应于钢珠抵接处的底面内侧设计为环形水平面。这样，各片蝶形弹簧在该处形成一定的游离间隙，具有良好的形变空间，在活塞压缩比的调节过程中，可以迅速降低刚度，增加位移。

再进一步地，所述环形斜面支撑圈采用弹性斜面支撑圈。这样，在活塞压缩比的调节过程中，弹性斜面支撑圈的外侧可以与弹性复位元件的外侧相接触，从而能分担钢球的一部分压力，确保可变压缩比活塞工作稳定可靠。

本发明的工作原理是这样的：所设计在活塞顶与活塞裙之间的压缩比调节装置由调节装置壳体和机械弹性变形机构组成，机械弹性变形机构较高的预紧力可以通过调节装置壳体在活塞顶与活塞裙之间形成稳定的初始伸缩间隙δ，从而预先提高活塞的压缩比，使得内燃机在中、低负荷工况时以较高的压缩比运行，有效改善内燃机的中、低负荷工况特性，提高内燃机运行的经济性，减少未燃HC的排放。而当内燃机转向高负荷工况、气缸内的压力达到或超过上述预紧力时，机械弹性变形机构能够随之产生快速变形，通过伸缩间隙δ的减小而改变活塞高度，从而自动调节内燃机的压缩容积，控制高负荷工况时气缸内的最高压力和温度，提高内燃机的工作可靠性。

本发明的优点在于：采用机械弹性变形机构和可伸缩式调节装置壳体协同控制活塞的高度，一方面在中、低负荷时易于保持机械弹性变形机构具有较大刚度，即维持活塞高度、内燃机的压缩比较高；另一方面在高负荷时机械弹性变形机构能够迅速产生一定的变形，即快速降低活塞高度、内燃机的压缩比随之减小。这样，既克服了现有液压变形机构对负荷变化响应速度慢、活塞变形后无法快速复位的难题，又解决了单一普通压簧的刚度无法随负荷状况变化的不足。

本发明与公开号为CN101900056A的内燃机可变压缩比活塞相比，其机械弹性变形机构取消了弹簧座盘，弹性复位元件的底面与钢珠直接接触。这样，钢球在径向滚动时会改变弹性复位元件弹簧的受力力臂：向心滚动时力臂变大，离心滚动时力臂变小。机构受气缸压力大于预紧力时，钢球是向心运动的，弹性复位元件的力臂会变大，变形也相应增大，从而能够更好地满足机械弹性变形机构变刚度的要求(即预紧力之前刚度大，预紧力之后刚度变小)。

上述改进的机械弹性变形机构在工作时，其较高的预紧力由弹性复位元件保证，一旦负荷超过预紧力时，不仅弹性复位元件会快速形变，而且在弹性复位元件的直接压迫下钢珠也会径向移动，进而带动整个机械部分下移，从而增加了在预紧之后的形变量，确保了活塞能够在负荷超过预紧力时更快更准地改变压缩比。而当负荷降低到预紧力之下时，弹性复位元件的固有特性可以确保活塞高度快速还原。

另外，由于弹性复位元件利用到了边力臂的好处，在达到刚度变化的同时，结构更简单，工作更是可靠，更适合在工况变化较快的发动机中应用。

附图说明

图1为一种内燃机改进型可变压缩比活塞的主剖视结构示意图。

图2为图1中压缩比调节装置的详细标示结构示意图。

图3为图1中弹性复位元件为碟形弹簧组合的放大结构示意图。

图4为图1中环形斜面支持圈为弹性斜面支撑圈的放大结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

图中所示的内燃机改进型可变压缩比活塞，包括活塞顶1和活塞裙2，活塞顶1和活塞裙2之间设置有压缩比调节装置3。压缩比调节装置3包括调节装置壳体4和机械弹性变形机构5。

调节装置壳体4由通过防松螺钉固定连接在活塞顶1底面上的圆形压盘4.1、位于圆形压盘4.1下方且通过防松螺钉固定连接在活塞裙2顶面上的内圆筒4.2、以及与内圆筒4.2螺纹连接的外圆筒4.3构成。外圆筒4.3的筒口处设置有内止环4.3.1，圆形压盘4.1可轴向位移地嵌置在内圆筒4.2的筒口端面和外圆筒4.3的内止环4.3.1之间。

机械弹性变形机构5设置在内圆筒4.2的空腔内。机械弹性变形机构5具有一个圆形斜面驱动盘5.3，圆形斜面驱动盘5.3通过其中心孔处的调节螺栓5.1和锁紧螺母5.2固定安装在圆形压盘4.1的下方。圆形斜面驱动盘5.3的外侧设置有环形斜面支撑圈5.4，环形斜面支撑圈5.4选用变形性能良好的弹性斜面支撑圈。环形斜面支撑圈5.4的支撑斜面5.4.1与圆形斜面驱动盘5.3的驱动斜面5.3.1围构成的V型环槽内均匀分布有钢珠5.5。其中，支撑斜面5.4.1的水平倾角为10～15°，驱动斜面5.3.1的水平倾角为40～50°。本实施例中，支撑斜面5.4.1的水平倾角为12.5°，驱动斜面5.3.1的水平倾角为42～43°。钢珠5.5的上面设置有弹性复位元件5.6，弹性复位元件5.6的底面与钢珠5.5抵接。本实施例中，弹性复位元件5.6由四片蝶形弹簧分上下两组相对叠加而成，各片蝶形弹簧对应于钢珠5.5抵接处的底面内侧加工成环形水平面5.6.1，最下面一块蝶形弹簧的环形水平面5.6.1与钢珠5.5压迫接触。本实施例中，在圆形压盘4.1与圆形斜面驱动盘5.3之间、以及在内圆筒4.2与环形斜面支持圈5.4之间，还安装有若干块调节垫片5.7，通过调节垫片5.7的增减实现压缩比和初始预紧力的调节。

上述机械弹性变形机构5用于控制调节装置壳体4中圆形压盘4.1的轴向位移。机械弹性变形机构5的初始预紧力可以保持圆形压盘4.1的外缘上面与外圆筒4.3的内止环4.3.1紧密贴合，并保持圆形压盘4.1的外缘下面与内圆筒4.2的筒口端面之间形成位移间隙δ。该位移间隙δ由内圆筒4.2和外圆筒4.3的螺纹结构调节设定，并通过机械弹性变形机构5维持，是活塞顶1与活塞裙2之间的最大相对位移。由于机械弹性变形机构5可以按内燃机的设计需要保持较高的预紧力，故当内燃机在中、低负荷工况运行时，调节装置壳体4的伸缩间隙δ能够维持稳定不变；而当内燃机变为高负荷工况运行时，机械弹性变形机构5又能够通过其自身变形使调节装置壳体4的伸缩间隙δ迅速减小，从而使气缸内的压缩比能够随内燃机工况的变化而快速改变。

本实施例中，弹性复位元件5.6(蝶形弹簧)的截面厚度是有微小变化的，越接近中心越薄。具体地，在环形平面5.6.1处较薄，而在环形平面5.6.1外侧稍厚。在预紧状态下，钢珠5.5离中心较远，弹性复位元件5.6的力臂较短，该结构能够提供较大的预紧力。当加载在活塞顶1上的压力正常时，调节装置壳体4的伸缩间隙δ保持不变。

当加载在活塞顶1上的压力超过由弹性复位元件5.6所提供的初始预紧力时，弹性复位元件5.6被圆形压盘4.1压缩变形，与此同时钢珠5.5在弹性复位元件5.6、圆形斜面驱动盘5.3和环形斜面支撑圈5.4的三重挤压引导下作向心滚动，弹性复位元件5.6被进一步压缩，圆形压盘4.1和内圆筒4.2之间发生垂直机械位移，调节装置壳体4的伸缩间隙δ变小，导致活塞顶1和活塞裙2也产生垂直位移，在钢珠5.5与圆形斜面驱动盘5.3的相互制约下，活塞整体高度降低。

当钢珠5.5受环形平面5.6.1挤压作向心运动时，弹性复位元件5.6(蝶形弹簧)的力臂变长，活塞的整体刚度降低，同时由于弹性复位元件5.6截面的改变，进一步降低了整体刚度，从而迅速减小了调节装置壳体4的伸缩间隙δ，达到了及时调节压缩比以控制气缸内压力的目的。

当加载在活塞顶1上的压力减少到小于弹性复位元件5.6(蝶形弹簧)的预紧力时，弹性复位元件5.6开始恢复，并通过圆形压盘4.1和调节螺栓5.1带动圆形斜面驱动盘5.3上行，从而驱动钢珠5.5作径向离心运动，整个活塞恢复到初始状态。

Claims (10)

1.一种内燃机改进型可变压缩比活塞，包括活塞顶(1)和活塞裙(2)，所述活塞顶(1)和活塞裙(2)之间设置有压缩比调节装置(3)，所述压缩比调节装置(3)具有一个调节装置壳体(4)，所述调节装置壳体(4)由固定连接在活塞顶(1)底面上的圆形压盘(4.1)、位于圆形压盘(4.1)下方且固定连接在活塞裙(2)顶面上的内圆筒(4.2)、以及与内圆筒(4.2)螺纹连接的外圆筒(4.3)构成，所述外圆筒(4.3)的筒口处设置有内止环(4.3.1)，所述圆形压盘(4.1)可轴向位移地嵌置在内圆筒(4.2)的筒口端面和外圆筒(4.3)的内止环(4.3.1)之间；

所述调节装置壳体(4)内设置有控制圆形压盘(4.1)轴向位移的机械弹性变形机构(5)，所述机械弹性变形机构(5)的初始预紧力保持圆形压盘(4.1)的外缘上面与外圆筒(4.3)的内止环(4.3.1)紧密贴合、且保持圆形压盘(4.1)的外缘下面与内圆筒(4.2)的筒口端面之间形成伸缩间隙δ；

其特征在于：所述机械弹性变形机构(5)具有一个圆形斜面驱动盘(5.3)，所述圆形斜面驱动盘(5.3)通过其中心孔处的调节螺栓(5.1)和锁紧螺母(5.2)固定安装在圆形压盘(4.1)的下方，所述圆形斜面驱动盘(5.3)的外侧设置有环形斜面支撑圈(5.4)，所述环形斜面支撑圈(5.4)的支撑斜面(5.4.1)与圆形斜面驱动盘(5.3)的驱动斜面(5.3.1)围构成的V型环槽内均匀分布有钢珠(5.5)，所述钢珠(5.5)的上面设置有弹性复位元件(5.6)，所述弹性复位元件(5.6)的底面与钢珠(5.5)抵接。

2.根据权利要求1所述的内燃机改进型可变压缩比活塞，其特征在于：在所述圆形压盘(4.1)与圆形斜面驱动盘(5.3)之间，和/或在所述内圆筒(4.2)与环形斜面支持圈(5.4)之间，设置有调节垫片(5.7)。

3.根据权利要求1或2所述的内燃机改进型可变压缩比活塞，其特征在于：所述环形斜面支撑圈(5.4)的支撑斜面(5.4.1)的水平倾角为10～15°，所述圆形斜面驱动盘(5.3)的驱动斜面(5.3.1)的水平倾角为40～50°。

4.根据权利要求1或2所述的内燃机改进型可变压缩比活塞，其特征在于：所述弹性复位元件(5.6)由一片以上的蝶形弹簧叠加组合而成。

5.根据权利要求3所述的内燃机改进型可变压缩比活塞，其特征在于：所述弹性复位元件(5.6)由一片以上的蝶形弹簧叠加组合而成。

6.根据权利要求4所述的内燃机改进型可变压缩比活塞，其特征在于：所述各片蝶形弹簧对应于钢珠(5.5)抵接处的底面内侧设计为环形水平面(5.6.1)。

7.根据权利要求5所述的内燃机改进型可变压缩比活塞，其特征在于：所述各片蝶形弹簧对应于钢珠(5.5)抵接处的底面内侧设计为环形水平面(5.6.1)。

8.根据权利要求1或2所述的内燃机改进型可变压缩比活塞，其特征在于：所述环形斜面支撑圈(5.4)为弹性斜面支撑圈。

9.根据权利要求4所述的内燃机改进型可变压缩比活塞，其特征在于：所述环形斜面支撑圈(5.4)为弹性斜面支撑圈。

10.根据权利要求7所述的内燃机改进型可变压缩比活塞，其特征在于：所述环形斜面支撑圈(5.4)为弹性斜面支撑圈。

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