CN102953806A

CN102953806A - X-可变压缩比发动机

Info

Publication number: CN102953806A
Application number: CN2012104945824A
Authority: CN
Inventors: 黎澄生
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2013-03-06

Abstract

本发明X-可变压缩比发动机采用一种蝶形活塞与气缸组合，弧形摇摆作用于圆周运动的原理；本发明的可变压缩比控制机构，采用偏心活塞销支座，所述偏心活塞销支座的旋转由扇形齿轮调节，所述的扇形齿轮由电机驱动，改变动力摇臂的上下止点的位置，从而改变发动机的压缩比。X-可变压缩发动新型的构造可以大幅度降低发动机的摩擦耗损和减小发动机的体积，同时控制发动机的压缩比。

Description

X-可变压缩比发动机

技术领域

本发明涉及一种发动机领域，尤其是可变压缩比装置，根据发动机的工作状况改变发动机的压缩比，同时X-可变压缩比发动机新型的构造可以大幅度降低发动机的摩擦耗损和减小发动机的体积。

背景技术

通常，发动机的热效率随着其压缩比的增大而提高，可变压缩比装置在ECU根据发动机的行驶条件下调节而改变空气-燃料混合物的压缩比。可变压缩比的装置在发动机的低负荷的条件下提高空气-燃料混合物的压缩比，以便提高燃料里程。相反的，可变压缩比装置在发动机高负荷条件下降低空气-燃料混合物的压缩比，从而控制爆震的发生，并改进发动机的动力输出。

通常可变压缩比装置是在传统发动机的结构下进行改进，控制机构比较复杂或者控制机构数量比较多，在具体的控制情形中的灵活度、可靠性上比较差，同时体积也有不同程度的增加。

在传统汽车发动机中，机组的摩擦耗能占了机械损失较大的比例，其中活塞和活塞环的摩擦占总摩擦比例最大约为45％～60％，而摩擦损失就占指示功率的8％～20％，可以说是非常大的损失。活塞在高速运动过程中，活塞与气缸之间的侧压力作用于气缸壁上，加速了气缸与活塞的磨损，增大漏气，降低了发动机的寿命。同时，曲轴颈与连杆大头之间的摩擦也比较大约占总摩擦的15％～20％。(数据摘自《现代汽车发动机原理》北京大学出版社)

它们之间的摩擦与机件的数量成正比，增加了能量的损耗。发动机在工作过程中，连杆和曲轴飞轮做功时的惯量(往复惯性质量和转动惯量)与数量成正比，不利于能量的高效利用。随着人们对小型车和经济性汽车的需求，同时也使得对发动机的体积的大小提出更高的要求，以降低自重与体积。

所以在当前石油资源消耗巨大的情况下，能源的高效利用成为人们的关注，而与人们日常生活一起的汽车，能否高效利用燃料更引人关注。

发明内容

为了解决上述传统发动机的构造缺陷，本发明提供一种蝶形活塞与气缸组合，弧形摇摆作用于圆周运动的原理，把燃料燃烧作用于活塞的运动，通过动力轴间接转化成弧形摇摆的运动，再转化为曲轴圆周运动，即连杆曲柄摇杆机构。

本发明采用对称式蝶形活塞，对称式蝶形气缸体，四气缸组组成一个完整的蝶形气缸活塞组合单元。

所述的一个完整的蝶形气缸组合单元共用一个动力输出轴、动力摇臂、连杆、对应的部分曲轴。

所述的动力输出轴在八气缸组发动机中是同轴分开的，并用轴瓦连接，它们是反向转动的。

所述的对称式蝶形活塞采用花键与动力输出轴连接。

所述的动力摇臂与动力输出轴是一个整体。

所述的八气缸曲轴只有两个对称式曲柄，所述曲柄中间是直轴，两端与现有曲轴相近。

本发明的可变压缩比控制机构，采用偏心活塞销支座，所述偏心活塞销支座的旋转调节动力摇臂的上下止点的位置。

所述的活塞销偏心支座有齿轮构造，所述的偏心活塞销齿轮与扇形齿轮连接。

所述的扇形齿轮套在动力轴上，并与螺旋杆连接，所述的螺旋杆由电机控制。

所述的活塞销偏心支座在动力摇臂是对称分布的，都是处于动力摇臂的外侧。所述扇形齿轮也是对称分布的，分布在动力摇臂的外侧，所述的扇形齿轮用弧形板连接。

所述的偏心活塞销支座齿轮半径与扇形齿轮半径具有的一定的比值，所述的比值根据发动机的具体设计要求来确定。

本发明的有益新型构造在于：

1、很大程度上能有效减小活塞、活塞环与汽缸壁之间的摩擦，降低活塞的磨损，提高发动机的寿命；

2、四汽缸组共用一组连杆曲轴组，能大大减小发动机工作时的轴运动之间的摩擦耗损，同时大大减小了发动机的惯性质量、体积、发动机自重，提高能量的利用率；

3、八气缸组采用一个连杆曲轴组，曲轴结构简单，质量大大减小，从而降低曲轴的转动惯量，同时大大降低制造难度、最终降低制造成本；

4、连杆组和活塞腔之间是隔开的，降低对机油的不利燃烧，提高机油的润滑效果，减少机油热解成碳氢化合物，降低有害气体的排放；

5、对称式蝶形活塞无燃烧作用产生的侧向压力，使活塞环可以逼近安装于活塞的侧面，有助于减小缝隙体积，从而减少在气体压缩过程中进入到活塞与气缸的缝隙中的气体量，减少积碳和碳氢化合物的生成；

6、传统发动机除了做功冲程作用带动曲轴，其它三个环节都由曲轴带动，且压缩环节的摩擦比其它两个要大许多；由于点火提前角，因此蝶形活塞在做功(同时压缩)终点时，蝶形气缸的一侧压力已经达到一定值了，所以连杆和提前点火的活塞可以共同作用降低蝶形活塞的速度，这样共同作用有利于减小摩擦，更有助于过渡到下一个环节，从而不至于使活塞连杆承受力的巨大突变。本实用型区别于传统连杆组的间接作用，有利于加快转速，同时也有助于减少摩擦降低耗损.

7、对于所述的新型结构发动机的可变压缩比装置，采用齿轮调节，结构简单，调节机构数量少，对装置的装配空间要求低，对发动机的体积几乎不影响。

8、可变压缩比装置大部分机件不与动力摇臂同步运动，只有偏心活塞销支座同步于动力臂运动，所以对发动机的转动影响并不大。

9、可变压缩比装置采用螺杆机构调节，调节灵活精确，可靠性高。

10、可变压缩比装置，一个调节机构可以同时控制四缸的压缩比，可以较大范围内调节发动机的压缩比，调节效率高。

11、可变压缩比装置的调节的应力很小，调节的动力要求比较低。

附图说明：

图1：本发明X-可变压缩比发动机整体轴向剖面结构图。

图2：本发明X-可变压缩比发动机整体剖面图。

图3：本发明X-可变压缩比发动机轴向A-A剖面图。

图4：本发明X-可变压缩比发动机轴向B-B剖面图。

图5：本发明X-可变压缩比发动机弧形摇摆作用于圆周运动的原理图。

图6：本发明X-可变压缩比发动机可变压缩比装置整体示意图

图7：本发明X-可变压缩比发动机可变压缩比装置装配图

图8：本发明X-可变压缩比发动机可变压缩比装置横向剖面图

图9：本发明X-可变压缩比发动机可变压缩比装置高压缩比运动原理图

图10：本发明X-可变压缩比发动机可变压缩比装置低压缩比运动原理图

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进一步详细描述。以下以八气缸发动机为实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例假设以下数据方便说明实施例。以动力臂摆角为60度，即∠CO₁O₂＝60度，动力臂长为80mm，冲程为80mm，发动机在压缩止点等效为活塞与汽缸盖的夹角为4.3度，偏心活塞销支撑的偏心距为3mm。

假设R为动力臂半径，Ф为动力臂的转角，r为偏心活塞销支座的偏心半径，t为扇形齿轮调节的转角，η为扇形齿轮与偏心活塞销支座偏心半径的比值，ξ为气缸盖等不规则空间与活塞在最高压缩比时等效为与与活塞是夹角。

运动方程为：

大圆弧的坐标方程：4R＾₂＝(x-√3·R)＾₂+y＾₂ ①

小圆弧的坐标方程：R＾₂＝(x-√3·R)＾₂+y＾₂ ②

偏心活塞销支座的偏心圆心的坐标方程：

x＝Rcos[α-Φ]-rcos[(η+1)·Φ-β-α] ③

y＝Rsin[α-Ф]+rsin[(η+1)·Ф-β-α] ④

其中：α＝90+δ-t ⑤

β＝90+η·t ⑥

联立方程①②③④⑤⑥，可以求出解Ф1，Φ2；

Ψ＝Φ1-90，

Ω＝30-Ф2，

上压缩比ε₁＝(60+ξ+Ψ+Ω)/(ξ+Φ)；

下压缩比ε₂＝(60+ξ+Ψ+Ω)/(ξ+Ω)。

结合上诉先对X-可变压缩比发动机的进行具体说明，如图1至图5。所述活塞采用中空肋板结构101，以降低活塞的质量和转动惯量；在活塞的弧形102近表面处和侧壁103上安装活塞环，由于很小的侧向摩擦，活塞环可以安装在距活塞表面很近处。

所述对称蝶形活塞1、对称蝶形气缸5、动力输出轴201为共轴。

所述对称蝶形活塞101的外弧是圆上的一段圆弧，对称蝶形气缸5的内气缸壁为圆上的圆弧。

活塞轴部104采用花键和动力输出轴201连接。

两动力输出轴201之间用轴瓦601连接，减小动力输出轴反向运动的摩擦。

动力输出轴201与动力摇臂202是同一整体，动力摇臂间的末端安装有活塞销203，轴销203作用于连杆的小头301.

连杆3的强度要求能够承受动力摇臂的巨大的压力与拉力，从而连杆的尺寸比传统连杆较大。

连杆的大头连接曲轴4的曲柄，本实施例中曲轴对称分布的两个曲柄构造，曲轴的中间轴部分401并不与缸体接触。

动力摇臂的弧形运动转化为曲轴圆周运动原理如图5所示，O₁为动力输出轴的轴心，O₂为曲轴的轴心。AB、CD、EF为连杆，曲轴的的轴心在CE的延长线上，几何关系满足CD＝EF，曲柄的圆直径等于CE。图示为动力摇臂臂转过角α，曲轴转过角β，连杆运动到AB的位置。所述动力摇臂的轴销轴心从C转动到E，曲柄的轴心从D转动到F；所述动力摇臂从E转动到C，所述曲柄的轴心从F动到D，所述曲轴完成一周的转动。

可变压缩比装置如图6至图10。活塞销203插入活塞销偏心支座中204，所述活塞销偏心支座204的外侧有齿轮结构，并与扇形齿轮8连接，扇形齿轮的角度由发动机的具体设计的要求所定。

所述的扇形齿轮套在动力轴201上，末端801有齿轮结构，所述的齿轮结构801与螺杆齿轮9连接。

所述的扇形齿轮的背部802用螺栓803与右侧的扇形齿轮机件804连接。

所述的图右侧的扇形齿轮804与活塞销偏心支座205连接，控制偏心活塞销支座的旋转角度。

所述的螺杆齿轮9连接电机10，电机由ECU控制，调节扇形齿轮的旋转角度，进而控制动力臂上下止点的位置，进而调节发动机的压缩比。

如图8所示，动力旋臂从位置AP旋转到位置AQ。本实例设计为动力臂从位置AP运动到位置AQ(即上下止点的位置)，发动机在最高压缩比为16时偏心活塞销支座的偏心相位是相同的。相位相差180度，所以本例扇形齿轮的半径与偏心活塞销支座的齿轮半径比值为2.8。

如图9，最高压缩比时，C、E、D、O₂、F五个点在通一条直线上，如图低压缩比时C、D、O₂三点在同一条直线上，E、O₂、F三点在同一条直线上。

所述在最高压缩比(如图9)时，偏心活塞销支座在扇形齿轮上从上止点到下止点，所述的偏心活塞销支座刚好旋转180度，使动力臂下止点时也同样处于最高压缩比的状态。

如图7所示，活塞偏心销支座204的齿轮与扇形齿轮8连接，动力臂202在做顺时针运动时，所述的活塞偏心销支座204同步于动力臂202做顺时针运动。同理，在动力臂202做逆时针运动时，所述的活塞销偏心支座同步于动力臂做逆时针运动。

在发动机的压缩比不变时，所述的扇形齿轮8的在压缩比不变时，并不随动力臂做往复运动，此时的扇形齿轮由螺杆锁定住。

所述的在高压缩比时，螺杆控制扇形齿轮的旋转角度，以控制偏心活塞销支撑的相位。如图10要把高压缩比调节到低压缩比，圆A顺顺时旋转，O₁A、AC、弧HR为一个几何运动单元，点C向弧HR的右侧滑动，在点C向右侧滑动时，圆心A下降一定的高度，同时动力摇臂O₁A也顺时针旋转一定的角度。从而使活塞压缩止点与汽缸盖的夹角增大，减小压缩比。

所述的偏心活塞支座旋转一周可以调节动力臂的角度连续变化4.30度，可变压缩比装置可调节压缩比从16∶1连续调节到7.5∶1。

如图10所示，所述的弧HR是以O₂为圆心，以O₂C为半径的一段圆弧；所述的弧Hr是以O₂为圆心，以O₂E为半径的一段圆弧。

所述10为X-可变压缩比发动机的汽缸盖组。

Claims

1.一种X-可变压缩比发动机根据发动机的工作条件下调节而改变空气-燃料混合物的压缩比，即发动机的压缩比，所述的X-可变压缩比发动机如下：

新型发动机的运动原理，所述的新型的发动机运动原理是一种蝶形活塞与气缸组合，弧形摇摆作用于圆周运动的原理，把燃料燃烧作用于活塞的运动，通过动力轴间接转化成弧形摇摆的运动，再转化为曲轴圆周运动。

可变压缩比装置，所述的可变压缩比控制装置，针对于新型发动机新型结构采用偏心活塞销支座，所述偏心活塞销支座的旋转由扇形齿轮调节，从而调节动力摇臂的上下止点的位置以改变发动机的压缩比。

2.根据权利要求1，新型发动机结构采用对称式蝶形活塞，对称式蝶形气缸体，四气缸组组成一个完整的蝶形气缸活塞组合单元。所述的一个完整的蝶形气缸组合单元共用一个动力输出轴、动力摇臂、连杆、对应的部分曲轴。

3.根据权利要求2，所述的动力输出轴在八气缸组发动机中是同轴分开的，并用轴瓦连接，它们是反向转动的。

4.根据权利要求1，X-可变压缩比发动机装置中所述的活塞销偏心支座有齿轮构造，所述的偏心活塞销齿轮与扇形齿轮连接。所述的扇形齿轮套在动力轴上，并与螺旋杆连接，所述的螺旋杆由电机控制。

5.根据权利要求3，所述的活塞销偏心支座在动力摇臂是对称分布的，都是处于动力摇臂的外侧。所述扇形齿轮也是对称分布的，分布在动力摇臂的外侧，所述的扇形齿轮用弧形板连接。