CN102364076B

CN102364076B - 内燃机可变压缩比活塞

Info

Publication number: CN102364076B
Application number: CN 201110357358
Authority: CN
Inventors: 董健; 李格升; 欧阳林; 周越; 潘晴川
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2031-11-11
Also published as: CN102364076A

Abstract

本发明公开了一种内燃机可变压缩比活塞，是针对公开号为CN101900056A的内燃机可变压缩比活塞的再改进。其压缩比调节机构主要由通过锥面配合的中央限位盘和外围支撑盘、设置在中央限位盘与外围支撑盘构成的V型环槽内的钢珠、以及设置在钢珠与活塞顶内腔之间的弹性复位部件组成。它不仅取消了弹簧座盘，而且采用外围支撑盘和中央限位盘替代了原有的调节装置壳体，其预紧力调节不改变钢珠与弹性复位部件、外围支撑盘和中央限位盘之间的预紧接触点位置和接触角，也不改变活塞的预紧总高度，具有结构更加简化，质量更为减少、动态响应更加快捷、预紧位置更容易确定等特点，从而使其压缩比能够随高转速发动机工况作快速适应性变化。

Description

内燃机可变压缩比活塞

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进一步研究改进，具体地指一种改良的内燃机可变压缩比活塞。

背景技术

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能够根据发动机的工况控制发动机的压缩比的技术。

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，安装在活塞顶和活塞裙之间的压缩比调节机构根据缸内压力变化控制活塞顶相对于活塞裙的位移，其位移包括有碟形弹簧产生的弹性变形和周向分布的钢珠沿径向斜面或曲面滚动产生的机械位移。其技术要点在于采用钢珠沿径向斜面或曲面滚动产生的机械位移改善了弹性元件的载荷/变形特性，从而使其压缩比能够随发动机工况作快速适应性变化。

然而，上述专利申请的压缩比调节机构仍存在结构较复杂、重量较大、动态响应稍慢的问题。申请人在研究过程中试图通过取消弹簧座盘、让钢球与弹性元件直接接触等手段，使压缩比调节机构在预紧状态时具有较大的刚度，而在活塞顶相对于活塞裙发生相对位移时具有较小的刚度，但如何使其动态响应更加快捷和准确一直是困扰申请人的难题。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种结构更加简化、动态响应更加快捷、预紧位置更容易确定、从而使其压缩比能够随高转速发动机工况作快速适应性变化的内燃机可变压缩比活塞。

为实现上述目的，本发明所设计的内燃机可变压缩比活塞，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机构，所述压缩比调节机构具有通过锥面配合的中央限位盘和外围支撑盘，所述中央限位盘与活塞顶刚性连接，所述外围支撑盘与活塞裙刚性连接，所述中央限位盘的环形限位面与外围支撑盘的环形支撑面围构成的V型环槽内均匀分布有钢珠，所述钢珠与活塞顶的环形内腔顶部之间设置有弹性复位部件；所述弹性复位部件、中央限位盘和外围支撑盘共同限制钢珠的径向滚动或滑动，所述弹性复位部件的预紧力保持中央限位盘和外围支撑盘之间的锥面紧密贴合、且保持活塞顶的底端与外围支撑盘之间形成伸缩间隙δ。这样，压缩比调节机构能够根据缸内压力变化控制活塞顶相对于活塞裙的位移，通过燃烧室容积的变化调节缸内压力。

进一步地，所述活塞裙上，与活塞销铰接的连杆小端的上部设置有回复凸轮，所述回复凸轮用于在发动机排气行程时上推中央限位盘，辅助压缩比调节机构及时复位。

进一步地，所述活塞顶的环形内腔顶部与弹性复位部件之间设置有调整垫片。通过调整垫片的增减，可以方便地实现压缩比和初始预紧力的调节。

进一步地，所述环形限位面和环形支撑面与钢珠接触的表面为变角度斜面或曲面。这种变角度斜面或曲面可使钢珠作用在外围支撑盘上的分力减小，作用在中央限位盘上的分力增大，从而增加其向下的机械位移量。

再进一步地，所述弹性复位部件由上碟形弹簧组件和下碟形弹簧组件相对叠加而成，所述上碟形弹簧组件和下碟形弹簧组件各包括一片或多片碟形弹簧，其中下碟形弹簧组件的各片碟形弹簧之间设置有径向间隙，且该径向间隙愈靠近碟形弹簧的中心愈大。这样，与钢珠接触的下蝶形弹簧组件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，所述下碟形弹簧组件与钢球相接触的底面设置有适合钢球径向滚动或滑动的槽道。这样，可以有效降低碟形弹簧组件与钢球相接触的比压，还可以减少碟形弹簧组件与钢球之间的摩擦阻力。

更进一步地，所述活塞顶还可以由可拆分式的活塞顶主体部分和活塞顶中心部分组合而成，所述中央限位盘通过中心螺栓与活塞顶中心部分刚性连接，且所述中央限位盘的上部沉孔与活塞顶中心部分的下部外壁之间还通过螺纹结构锁紧连接。将活塞顶设计成剖分式结构，一方面可以大幅改善活塞顶剖分处的应力集中，另一方面可使用普通活塞加工可变压缩比活塞，而不用重新铸造新结构的活塞，节省研发和加工成本。

本发明的内燃机可变压缩比活塞的工作原理分为三个状态描述：

一、预紧状态。发动机不工作或者发动机工作时气缸内的压力小于预先设定的压力，可变压缩比活塞处于预紧状态，发动机具有较高的压缩比，改变调整垫片的厚度可以方便调节预紧力。压缩比调节机构的预紧力保持外围支撑盘和中央限位盘之间的锥面紧密贴合，并确定了钢珠与弹性复位部件、外围支撑盘和中央限位盘之间的预紧接触点位置和预紧接触角。连杆小端上的回复凸轮与中央限位盘之间保持间隙不接触。

二、压缩状态。发动机工作时气缸内的压力大于预先设定的压力，安装在活塞顶和活塞裙之间的压缩比调节机构根据缸内压力变化控制活塞顶相对于活塞裙产生向下位移，通过气缸容积变化控制调节缸内压力。活塞顶相对于活塞裙产生的向下位移具体描述为：弹性复位部件在气体力的作用下产生弹性变形，与活塞顶刚性连接的中央限位盘向下位移，导致周向分布的钢珠在弹性复位部件和外围支撑盘之间向心滚动或滑动，钢珠与弹性复位部件、外围支撑盘和中央限位盘之间的接触点位置和接触角均发生变化，进而使得钢珠作用在外围支撑盘上的分力减小，作用在中央限位盘上的分力增大，钢珠向下的机械位移量增加。

三、回复状态。在发动机的排气行程时，气缸内的压力急剧减小时，活塞顶在弹性复位部件回复力的作用下相对于活塞裙产生向上位移，中央限位盘也随之发生轴向上移。由于摩擦和系统阻尼的作用，可能存在回复滞后现象，此时连杆小端上的回复凸轮向上顶推中央限位盘，确保压缩比调节机构在每个工作循环内复位。

与公开号为CN101900056A的发明专利申请相比，本发明的区别特征在于：所设计可变压缩比活塞同时取消了调节装置壳体和弹簧座盘，钢珠顶端直接与弹性复位部件底部接触，钢珠底端两侧直接与中央限位盘的环形限位面与外围支撑盘的环形支撑面围构成的V型环槽接触。这样，其有益效果体现在如下几方面：

其一，压缩比调节机构的结构更加简单、质量大为减少，成本更为低廉。

其二，压缩比调节机构的钢珠沿V型环槽径向运动时与弹性复位部件之间的接触点不断变化，在中、低负荷时由于预紧力的作用易保持机构具有较大的刚度，即维持活塞高度、内燃机的压缩比较高；而在高负荷时通过钢珠的径向运动能够迅速产生一定的变形，使机构的刚度变小，即快速降低活塞高度，使内燃机的压缩比随之减小。

其三，压缩比调节机构的预紧力调节更加方便准确，这种预紧力调节不改变钢珠与弹性复位部件、外围支撑盘和中央限位盘之间的预紧接触点位置和接触角，也不改变活塞的预紧总高度，从而使其动态响应更加快捷精确。

另外，在活塞裙上连杆小端上部回复凸轮的设计，能够在发动机排气行程时上推中央限位盘，从而确保压缩比调节机构在发动机工作循环内及时复位。

附图说明

图1为实施例1所述内燃机可变压缩比活塞的主剖视结构示意图。

图2为图1中压缩比调节机构的详细标示结构示意图。

图3为图1中钢珠与弹性复位部件、外围支撑盘和中央限位盘之间接触点位置和接触角变化示意图。

图4为图1中连杆小端设计的回复凸轮的放大结构示意图。

图5为图1中弹性复位部件的放大结构示意图。

图6为图5中弹性复位部件的仰视结构示意图。

图7为实施例2所述内燃机可变压缩比活塞的主剖视结构示意图。

图8为图7中压缩比调节机构的详细标示结构示意图。

图9为图7中活塞顶与中央限位盘的连接结构示意图。

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。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例1介绍了一种内燃机可变压缩比活塞，它包括活塞顶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机构3。当缸内压力小于压缩比调节机构3设定的预紧力时，活塞顶1相对于活塞裙2没有轴向位移，此时的可变压缩比活塞与常规活塞基本相同。当缸内压力大于压缩比调节机构3设定的预紧力时，压缩比调节机构3根据作用在活塞顶1表面的缸内压力变化控制活塞顶1相对于活塞裙2作轴向位移。

如图2~6所示，实施例1中的压缩比调节机构3具有通过锥面配合的中央限位盘3.4和外围支撑盘3.3，中央限位盘3.4通过中心螺栓3.6与活塞顶1刚性连接，外围支撑盘3.3通过锁紧螺栓2.2与活塞裙2上的活塞销座2.1刚性连接。具有结构简单、连接稳定、工作可靠的特点。

在中央限位盘3.4的环形限位面3.4.1与外围支撑盘3.3的环形支撑面3.3.1围构成的V型环槽内均匀分布有钢珠3.2，环形限位面3.4.1和环形支撑面3.3.1与钢珠3.2接触的表面最好设计为变角度斜面或曲面，以在高负荷时确保钢珠3.2具有快捷向下的机械位移量。钢珠3.2与活塞顶1的环形内腔顶部之间安装有弹性复位部件3.1，由中央限位盘3.4的轴向位移控制周向分布的钢珠3.2在弹性复位部件3.1、外围支撑盘3.3和中央限位盘3.4之间的径向滚动或滑动。弹性复位部件3.1的预紧力一方面可以保持中央限位盘3.4和外围支撑盘3.3之间的锥面紧密贴合，另一方面可以确定钢珠3.2与弹性复位部件3.1、外围支撑盘3.3和中央限位盘3.4之间的预紧接触点位置和预紧接触角，同时还可以保持活塞顶1的底端与外围支撑盘3.3之间形成设计的伸缩间隙δ。

在上述活塞顶1的环形内腔顶部与弹性复位部件3.1之间还布置有调整垫片3.5。改变调整垫片3.5的厚度可以调节压缩比调节机构3的预紧力，这种预紧力调节方式不改变钢珠3.2与弹性复位部件3.1、外围支撑盘3.3和中央限位盘3.4之间的预紧接触点位置和预紧接触角，也不改变活塞顶1的预紧总高度。

上述弹性复位部件3.1由上碟形弹簧组件3.1.1和下碟形弹簧组件3.1.2相对叠加而成。上碟形弹簧组件3.1.1和下碟形弹簧组件3.1.2各包括两片碟形弹簧。其中，下碟形弹簧组件3.1.2的两片碟形弹簧之间设置有径向间隙3.1.2.1，且该径向间隙3.1.2.1愈靠近碟形弹簧的中心愈大。具体设计时，将下碟形弹簧组件3.1.2的两片碟形弹簧向其径向中心削薄成变截面结构即可。这样，下蝶形弹簧组件3.1.2易于形变，在高负荷时可以迅速降低刚度，增加位移，达到快速调节活塞压缩比的效果。另外，在下碟形弹簧组件3.1.2与钢球相接触的底面上设置有适合钢球3.2径向滚动或滑动的槽道3.1.2.2。在槽道3.1.2.2的导向作用下，下碟形弹簧组件3.1.2与钢球3.2的接触比压大幅降低，摩擦阻力大幅下降，更有利于达到高负荷时快速调节活塞压缩比的效果。

在上述活塞裙2上，与活塞销5铰接的连杆小端4的上部设计有回复凸轮4.1。发动机工作时，连杆小端4绕活塞销5的中心摆动。当中央限位盘3.4和外围支撑盘3.3之间的锥面紧密贴合时，回复凸轮4.1与中央限位盘3.4底部（或中心螺栓3.6）之间存在间隙不会接触。在发动机排气行程时，当中央限位盘3.4在缸内压力的作用下发生轴向位移时，若压缩比调节机构3回复滞后，此时回复凸轮4.1与中央限位盘3.4底部（或中心螺栓3.6）接触，回复凸轮4.1保证压缩比调节机构3及时复位。

上述实施例1的工作过程分为三个状态叙述。

一、预紧状态。发动机不工作时或者发动机工作时气缸内的压力小于预先设定的压力，可变压缩比活塞处于预紧状态，发动机具有较高的压缩比，改变调整垫片3.5的厚度可以方便调节机构的预紧力。压缩比调节机构3的预紧力保持外围支撑盘3.3和中央限位盘3.4之间的锥面紧密贴合，并确定了钢珠3.2与弹性复位部件3.1、外围支撑盘3.3和中央限位盘3.4之间的预紧接触点位置和预紧接触角，此时连杆小端4上的回复凸轮4.1与中央限位盘3.4之间保持间隙不接触。

二、压缩状态。发动机工作时气缸内的压力大于预先设定的压力，安装在活塞顶1和活塞裙2之间的压缩比调节机构3根据缸内压力变化控制活塞顶1相对于活塞裙2产生向下位移，通过气缸容积变化控制调节缸内压力。活塞顶1相对于活塞裙2产生的向下位移具体描述为：弹性复位部件3.1在气体力的作用下产生弹性变形，与活塞顶1刚性连接的中央限位盘3.4向下位移，导致周向分布的钢珠3.2在弹性复位部件3.1和外围支撑盘3.3之间向心滚动或滑动，钢珠3.2与弹性复位部件3.1、外围支撑盘3.3和中央限位盘3.4之间的接触点位置和接触角均发生变化。钢珠3.2与弹性复位部件3.1接触点位置的变化使得弹性复位部件3.1变形力矩增加，刚度降低。钢珠3.2与弹性复位部件3.1接触角的变化使得钢珠3.2作用在外围支撑盘3.3上的分力减小，作用在中央限位盘3.4上的分力增大，钢珠3.2向下的机械位移量增加。

三、回复状态。在发动机的排气行程时，气缸内的压力急剧减小，活塞顶1在弹性复位部件3.1回复力的作用下相对于活塞裙2产生向上位移。由于摩擦和系统阻尼，存在回复滞后现象，此时连杆小端4上的回复凸轮4.1能够确保压缩比调节机构3在每个工作循环内复位。

实施例2：

如图7~9所示，本发明实施例2介绍了另一种内燃机可变压缩比活塞，它与实施例1的结构基本相同，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机构3。压缩比调节机构3主要由弹性复位部件3.1、钢珠3.2、外围支撑盘3.3、中央限位盘3.4、调整垫片3.5等部件组成。弹性复位部件3.1由上碟形弹簧组件3.1.1和下碟形弹簧组件3.1.2相对叠加而成。其不同之处在于：活塞顶1由可拆分式的活塞顶主体部分1.1和活塞顶中心部分1.2组合而成，中央限位盘3.4通过中心螺栓3.6与活塞顶中心部分1.2刚性连接，且中央限位盘3.4的上部沉孔与活塞顶中心部分1.2的下部外壁之间还通过螺纹结构1.2.1锁紧连接。

将活塞顶1设计成剖分式结构，可以用普通活塞加工改造成可变压缩比活塞，而不用重新铸造新结构的活塞，这样可以大幅节省研发和加工成本。而且，活塞顶1在应力最大的地方剖分成活塞顶主体部分1.1和活塞顶中心部分1.2，可有效改善活塞顶1的应力集中现象，延长使用寿命。另外，中央限位盘3.4与活塞顶中心部分1.2既通过中心螺栓3.6连接，又通过螺纹结构1.2.1锁紧，可以有效互锁防松，确保可变压缩比活塞工作的稳定性。

Claims

1.一种内燃机可变压缩比活塞，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机构（3），其特征在于：所述压缩比调节机构（3）具有通过锥面配合的中央限位盘（3.4）和外围支撑盘（3.3），所述中央限位盘（3.4）与活塞顶（1）刚性连接，所述外围支撑盘（3.3）与活塞裙（2）刚性连接，所述中央限位盘（3.4）的环形限位面（3.4.1）与外围支撑盘（3.3）的环形支撑面（3.3.1）围构成的V型环槽内均匀分布有钢珠（3.2），所述钢珠（3.2）与活塞顶（1）的环形内腔顶部之间设置有弹性复位部件（3.1）；所述弹性复位部件（3.1）、中央限位盘（3.4）和外围支撑盘（3.3）共同限制钢珠（3.2）的径向滚动或滑动，所述弹性复位部件（3.1）的预紧力保持中央限位盘（3.4）和外围支撑盘（3.3）之间的锥面紧密贴合、且保持活塞顶（1）的底端与外围支撑盘（3.3）之间形成伸缩间隙δ；

所述活塞裙（2）上，与活塞销（5）铰接的连杆小端（4）的上部设置有回复凸轮（4.1），所述回复凸轮（4.1）用于在发动机排气行程时上推中央限位盘（3.4），辅助压缩比调节机构（3）及时复位。

2.根据权利要求1所述的内燃机可变压缩比活塞，其特征在于：所述活塞顶（1）的环形内腔顶部与弹性复位部件（3.1）之间设置有调整垫片（3.5）。

3.根据权利要求1或2所述的内燃机可变压缩比活塞，其特征在于：所述环形限位面（3.4.1）和环形支撑面（3.3.1）与钢珠（3.2）接触的表面为变角度斜面或曲面。

4.根据权利要求1或2所述的内燃机可变压缩比活塞，其特征在于：所述中央限位盘（3.4）通过中心螺栓（3.6）与活塞顶（1）刚性连接。

5.根据权利要求1或2所述的内燃机可变压缩比活塞，其特征在于：所述外围支撑盘（3.3）通过锁紧螺栓（2.2）与活塞裙（2）上的活塞销座（2.1）刚性连接。

6.根据权利要求1或2所述的内燃机可变压缩比活塞，其特征在于：所述弹性复位部件（3.1）由上碟形弹簧组件（3.1.1）和下碟形弹簧组件（3.1.2）相对叠加而成，所述上碟形弹簧组件（3.1.1）和下碟形弹簧组件（3.1.2）各包括一片或多片碟形弹簧，其中下碟形弹簧组件（3.1.2）的各片碟形弹簧之间设置有径向间隙（3.1.2.1），且该径向间隙（3.1.2.1）愈靠近碟形弹簧的中心愈大。

7.根据权利要求6所述的内燃机可变压缩比活塞，其特征在于：所述下碟形弹簧组件（3.1.2）与钢球相接触的底面设置有适合钢球（3.2）径向滚动或滑动的槽道（3.1.2.2）。

8.根据权利要求1或2所述的内燃机可变压缩比活塞，其特征在于：所述活塞顶（1）由可拆分式的活塞顶主体部分（1.1）和活塞顶中心部分（1.2）组合而成，所述中央限位盘（3.4）通过中心螺栓（3.6）与活塞顶中心部分（1.2）刚性连接，且所述中央限位盘（3.4）的上部沉孔与活塞顶中心部分（1.2）的下部外壁之间还通过螺纹结构（1.2.1）锁紧连接。