CN103122793A - 一种可变压缩比对置活塞均质压燃发动机 - Google Patents

Abstract

本发明为一种可变压缩比对置活塞均质压燃发动机，其特征是一个汽缸中相对布置两个活塞，主、副曲轴布置在汽缸的两边通过连杆与各自的活塞相连，副曲轴通过转角器与相位曲轴相连，相位曲轴通过相位连杆与主曲轴相连，主、副曲轴的转速和转动方向相同，通过转角器内部的两个油缸来调整转角器的转角，使相位曲轴相对于副曲轴有一个提前角，相位曲轴通过相位连杆推动主曲轴转动一个提前角，最终主曲轴比副曲轴有一个提前角即主、副曲轴相位角，通过调整主、副曲轴的相位角大小来改变发动机的压缩比大小，通过调整发动机的压缩比可以使发动机全过程采用均质压燃方式工作。

Description

一种可变压缩比对置活塞均质压燃发动机

技术领域

本发明为一种可变压缩比对置活塞均质压燃发动机，其特征是一个汽缸中相对布置两个活塞，主、副曲轴布置在汽缸的两边通过连杆与各自的活塞相连，副曲轴通过转角器与相位曲轴相连，相位曲轴通过相位连杆与主曲轴相连，主、副曲轴的转速和转动方向相同，通过转角器内部的两个油缸来调整转角器的转角，使相位曲轴相对于副曲轴有一个提前角，相位曲轴通过相位连杆推动主曲轴转动一个提前角，最终主曲轴比副曲轴有一个提前角即主、副曲轴相位角，通过调整主、副曲轴的相位角大小来改变发动机的压缩比大小，通过调整发动机的压缩比可以使发动机全过程采用均质压燃方式工作。

背景技术

均质压燃发动机(简称HCCI发动机)的概念已经提出几十年了，它吸取了汽油机和柴油机的共同的优点，采用高压缩比压燃点火、没有节气门，在汽缸内形成均质混合气，没有火花塞，采用高压缩比直接压燃混合气，它的优点是没有明显的火焰传播，燃烧速度快，因而热效率高，降低氮氧化物和固体颗粒舞排放，因而获得世界各国的广泛重视，但它的缺点也很明显，HCCI的工况范围比较窄，功率负荷低，高负荷时易产生爆震，低负荷时发动机易失火，针对此问题，GM等国际汽车大公司采用控制燃烧过程的办法来解决，采用缸内直喷、可变正时、智能燃油控制和废气再循环等方法来控制HCCI发动机的燃烧过程，明显拓宽了HCCI工况范围，但高负荷和低负荷时仍然要采用传统的火花塞点火方式，HCCI发动机的最大的挑战在于精确控制燃烧过程，控制系统极其复杂，增加了发动机的成本，所以此发动机至今没有量产。

发明目的及优点

本发明的可变压缩比对置活塞均质压燃发动机，其特征是在一个汽缸中相对布置两个活塞，主、副曲轴布置在汽缸的两边通过连杆与各自的活塞相连，副曲轴通过转角器与相位曲轴相连，相位曲轴通过相位连杆与主曲轴相连使主副曲轴的转速相同，通过转角器内部的两个油缸来调整转角器的转角，使相位曲轴相对于副曲轴有一个提前角，相位曲轴通过相位连杆推动主曲轴转动一个提前角，最终主曲轴比副曲轴有一个转动提前角，通过调整主、副曲轴的提前角大小来改变发动机的压缩比大小，通过调整发动机的压缩比可以使发动机全过程采用均质压燃方式工作；在发动机怠速阶段和低负荷阶段混合气很稀薄，采用高压缩比可以保证发动机不失火，高负荷时混合气很浓，采用低压缩比使发动机的点火时间推迟避免发动机爆震，发动机的压缩比根据具体的工况来调整，一定的负荷采用一定的压缩比使发动机全过程采用HCCI方式工作，发动机的零件数量减少40％左右，重量降低30％左右，可靠性同柴油机一样可靠，热效率远远高于普通的汽油机甚至可以超过柴油机。

发明内容

可变压缩比对置活塞均质压燃发动机(见图1)，其特征是由副曲轴(1)、副连杆I(2)、副活塞I(3)、进气道(4)、汽缸I(5)、喷油嘴I(6)、排气道(7)、主活塞I(8)、主连杆I(9)、主曲轴(10)、副连杆II(11)、副活塞II(12)、喷油嘴II(13)、主活塞II(14)、主连杆II(15)、汽缸II(16)、转角器(17)、相位曲轴(18)和相位连杆(19)组成，喷油嘴I和喷油嘴II置于汽缸I和汽缸II的中间位置将燃油直接喷入汽缸，主曲轴(10)和副曲轴(1)布置在汽缸I(5)和汽缸II(16)的两边，副曲轴(1)通过转角器(17)与相位曲轴(18)相连，相位曲轴(18)通过相位连杆(19)与主曲轴(10)相连，主、副曲轴的转速和转动方向相同，相位曲轴(18)的结构相当于一个单缸发动机的曲轴，通过转角器(17)调整主、副曲轴的相位角大小来调整发动机的压缩比大小，如图4所示，其中图4-1为主、副曲轴没有转动提前角的情况，两活塞间的最小距离为a，图4-2所示主、副曲轴之间有了一个角度为X的转动提前角，两活塞的最小距离为b，提前角X叫做主、副曲轴相位角，当主、副曲轴相位角X发生变化时，同一个汽缸中的一对活塞不会同时到达上止点，活塞间的最小距离b大于a，因而压缩比会变小，主、副曲轴相位角X为零时压缩比最大，随着主、副曲轴相位角X加大，压缩比降低，当达到最大相位角时压缩比最小，汽缸I和汽缸II的活塞相位角相差180度，是一款两缸两冲程发动机，当一对活塞相向运动到汽缸中间位置时，将混合气压燃，推动活塞作功下行，排气道一侧的活塞首先打开排气道(7)，汽缸中的废气从排气道(7)排出，随着活塞继续下行进气道(4)一侧的活塞打开进气道(4)，从空气泵过来的压缩气体冲入汽缸将汽缸中的剩余废气从汽缸中扫出完成换气，此时进气道(4)和排气道(7)同时处于打开状态，在排气完成前一刻即活塞封闭住排气道(7)的前一刻，喷油嘴往汽缸内喷入燃油，然后活塞返回进入压缩冲程，汽缸中的紊流使燃油与空气形成均质混合气，在活塞到达上止点附近时混合气被压缩燃烧，然后再进入作功冲程周而复始。

排气道(7)在相位角被提前的曲轴一侧的汽缸上，因为有主、副曲轴相位角X的存在，总是相位被提前的曲轴先到达下止点，因此总是此侧的活塞先打开排气道(7)而此时进气道是封闭的，如果排气道(7)设计在汽缸的另外一侧，活塞会提前将进气道(4)打开导致发动机废气串入发动机进气道使发动机不能工作。

转角器(17)(见图2)由主压力油道(20)、主转角活塞(21)、主油缸(22)、楔形滑块I(23)、主转角盘(24)、楔形滑块II(25)、副油缸(26)、副转角活塞(27)、副转角盘(28)、副压力油道(29)、楔形滑块III(31)、楔形滑块IV(32)和8块半圆柱体(30)组成，主转角盘(24)与副曲轴(1)螺栓连接，副转角盘(28)与相位曲轴(18)螺栓连接，主转角盘的一三象限位置有扇形凸台，副转角盘二四象限位置有扇形凸台，主、副转角盘的扇形凸台相互插在一起(见图3-1)，在每个扇形凸台的两侧加工有圆弧面凹槽，圆弧面凹槽内装配有半圆柱体(30)，半圆柱体(30)可以沿圆弧面凹槽转动但受主、副转角盘的限制不能沿轴向滑动，每对扇形凸台相对的两个接合面上装配一对半圆柱体(30)，每两个半圆柱体(30)之间插入一个楔形滑块，楔形滑块上的两个斜面与两个半圆柱体(30)的平面配合，楔形滑块可以沿主、副转角盘的径向滑动但不能沿轴向滑动，其中楔形滑块I、楔形滑块II为一组受主转角活塞(21)驱动，向外移动会使转主、副角盘角度变小，向内移动会使转主、副角盘角度变大，楔形滑块III、楔形滑块IV为另外一组受副转角活塞(27)驱动，向外移动会使主、副转角盘角度变大，向内移动会使主、副转角盘角度变小，随着主、副转角盘角度变化，半圆柱体(30)会沿扇形凸台上的圆弧面凹槽转动，主、副转角盘的扇形凸台、半圆柱体(30)和楔形滑块始终为面接触，面接触可以承受更大的冲击力和更久的使用寿命。

转角器(17)的主油缸(22)在副曲轴(1)的轴心内，副油缸(26)在相位曲轴(18)的轴心内(见图2)，主、副油缸的外侧的曲轴轴颈安装轴瓦与机体连接，好处是可以缩短发动机轴向长度，主转角活塞(21)安装在主油缸(22)上，副转角活塞(27)安装在副油缸(26)上，主转角活塞(21)和副转角活塞(27)的外端连接一个矩形块，矩形块的两个端面有斜面导向槽，两个导向槽的底面成等腰梯形，两个矩形块成十字交叉布置，主转角活塞(21)的矩形块中部是矩形凹槽，副转角活塞(27)的矩形块中部是矩形凸台，矩形凸台插在矩形槽内且在轴向有一定间隙，主、副转角活塞彼此之间可以沿活塞轴向微小滑动但不能相互转动，以确保两个油缸从相反的两个方向加压可以将转角器卡死，矩形块的导向槽底面与楔形滑块I、楔形滑块II、楔形滑块III、楔形滑块IV的下面的斜面面接触，通过副曲轴(1)中心的主压力油道(20)和相位曲轴(18)中心的副压力油道(29)给主、副油缸提供压力油，主、副油缸加压推动主、副转角活塞前进楔形滑块被顶出，主、副油缸减压主、副转角活塞收回楔形滑块缩回，楔形滑块装配在主、副转角活塞前端的矩形块导向槽内可以沿曲轴轴向滑动。

主曲轴(10)比副曲轴(1)相位角提前时，主曲轴(10)直接连接离合器，由于主曲轴相位角提前，在燃油燃烧产生最大压力时主曲轴已经转过上止点，燃油燃烧产生的动力会有更多从主曲轴(10)输出给离合器，更少的动力经由副曲轴(1)→转角器(17)→相位曲轴(18)→相位连杆(19)→主曲轴(10)传递给离合器，从副曲轴传递过来的动力流传递级数比较多，能量损失较多，所以离合器直接与主曲轴(10)连接会有更高的效率。

主曲轴(10)比副曲轴(1)相位角落后时，即相位角为负，动力由主、副曲轴共同输出给变速器，此种情况只适用于双轴输入式变速器，动力分别由主曲轴(10)和副曲轴(1)输入给变速器，动力流的路线对传递效率没有影响。

附图说明

图1为可变压缩比对置活塞均质压燃发动机结构原理图。

图2为调角器放大图。

图3为放大的调角器工作原理图，其中图3-1为调角器的截面图，此时转角为0度，图3-2为调角器最大转角状态，转角为X度。

图4为可变压缩比发动机的工作原理图，其中图4-1为相位角为0度的原理图，图4-2为相位角为X度的原理图，图4-3为X度相位角的发动机达到最大压力时的原理图。

具体实施方式

发动机压缩比调整：调角器的主油缸减压副油缸加压，使主转角活塞后移副转角活塞前移，推动楔形滑块I、II内移，楔形滑块III、IV外移使主副转角盘夹角变大，转角器通过相位曲轴、相位连杆和主曲轴连接，转角器的角度增大使主、副曲轴的相位夹角X增大，导致主副活塞不能同时达到上止点，使发动机的压缩比降低，且相位角越大压缩比越低，当主、副曲轴达到最大相位角时压缩比最低。反之，主油缸加压副油缸减压，转角器转角变小，发动机压缩比增加。当转角器角度调整完成后主、副油缸同时增加压力将转角器从正反两个方向夹紧卡死，使转角器保持在一个固定的角度不变，以抵抗曲轴转动的冲击。

怠速阶段：发动机采用最大压缩比，主转角活塞前移到最大位置，副转角活塞全部收回，主副曲轴有最小相位角，然后主副油缸同时加到最大压力使转角器卡死，喷油嘴往汽缸内喷入极少的燃油，形成非常稀薄的混合气，最大的压缩比可以保证怠速阶段发动机可以正常压燃混合气使发动机维持最低转速不失火。

高负荷阶段：当汽车低档加速速行驶时，发动机的负荷很高，喷油嘴往发动机汽缸中喷入很多燃油，形成很浓的混合气，此时要求采用较小的压缩比，主、副转角活塞伸出到适当位置，调角器转过适当的转角，汽缸的压缩比较小，在压缩冲程低压缩比可以使点火时间推迟，避免发动机产生爆震并使发动机有较高负荷，但是低压缩比会使发动机效率变低。

高负荷到低负荷阶段：当汽车由低速向高速过渡阶段，发动机的负荷由高到低变化，主转角活塞逐渐伸长，副转角活塞逐渐缩回，转角器的转角逐渐减小，主、副曲轴的相位角逐渐减小，发动机的压缩比逐渐变大，发动机喷油嘴的喷油量逐渐减小，混合气的浓度逐渐降低，适当的混合气浓度匹配合适的压缩比，使发动机有最佳的点火时刻，发动机发挥最佳的效率。

低负荷到高负荷阶段：发动机压缩比从高调整到低，可以避免过浓的混合气产生爆震又可以提高发动机负荷。

从高速到极高速阶段：如速度从120Km/h到180Km/h时，往汽缸内的喷油量逐渐加大，混合气越来越浓，这时逐渐减小压缩比使发动机避免产生爆震，直到发动机的压缩比调整到最小，此时发动机的转速达到额定转速。

发动机点火提前角调整：由于主、副曲轴有相位角的存在，主、副活塞不同步转动，当发动机的两个活塞达到最小距离时，一个活塞已经转过了上止点，另一个活塞还没有到达上止点，若是此时混合气燃烧刚好达到最大压力，会导致发动机敲缸的产生，严重时会损坏零件，所以需要发动机提前点火，这个提前量就是发动机的点火提前角，就是在发动机压缩冲程到达最高压力之前已经将混合气压燃，当混合气完全燃烧完成之后，滞后的活塞刚好处于上止点处，这样可以避免发动机产生爆震又可以使发动机有最高效率，发动机的爆震传感器检测到有爆震发生后，通过发动机的控制器ECU稍稍减少一点发动机的压缩比，爆震就会消除。当发动机从低负荷向高负荷变化时，发动机控制器ECU会缓慢减小发动机的压缩比，直到发动机爆震传感器检测到有爆震发生，然后快速减小压缩比以消除爆震，当发动机从高负荷向低负荷变化时，发动机控制器ECU会缓慢加大压缩比，直到爆震传感器检测到有爆震的发生，然后将压缩比减小一点以消除爆震，这样，发动机始终在稍稍低于爆震临界值的情况下工作，发动机会有更高的效率。

Claims (6)

1.一种可变压缩比对置活塞均质压燃发动机，其特征是由副曲轴(1)、副连杆I(2)、副活塞I(3)、进气道(4)、汽缸I(5)、喷油嘴I(6)、排气道(7)、主活塞I(8)、主连杆I(9)、主曲轴(10)、副连杆II(11)、副活塞II(12)、喷油嘴II(13)、主活塞II(14)、主连杆II(15)、汽缸II(16)、转角器(17)、相位曲轴(18)、相位连杆(19)、组成，喷油嘴在汽缸的中间位置，主曲轴(10)、副曲轴(1)布置在汽缸I(5)汽缸II(16)的两边，副曲轴(1)通过转角器(17)与相位曲轴(18)相连，相位曲轴(18)通过相位连杆(19)与主曲轴(10)相连，主、副曲轴的转速和转动方向相同，通过转角器(17)调整主、副曲轴的相位角大小来调整发动机的压缩比大小。

2.如权利要求1所述的可变压缩比对置活塞均质压燃发动机，其特征是排气道(7)在靠近相位角被提前的曲轴一侧的汽缸上。

3.如权利要求1所述的可变压缩比对置活塞均质压燃发动机，其特征是转角器(17)由主压力油道(20)、主转角活塞(21)、主油缸(22)、楔形滑块I(23)、主转角盘(24)、楔形滑块II(25)、副油缸(26)、副转角活塞(27)、副转角盘(28)、副压力油道(29)、楔形滑块III(31)、楔形滑块IV(32)和8块半圆柱体(30)组成，主转角盘(24)与副曲轴(1)螺栓连接，副转角盘(28)与相位曲轴(18)螺栓连接，主、副转角盘的扇形凸台相互插在一起，在每个扇形凸台的两侧加工有圆弧面凹槽，圆弧面凹槽内装配有半圆柱体(30)，半圆柱体(30)可以沿圆弧面凹槽转动但受主、副转角盘的限制不能沿轴向滑动，每对扇形凸台相对的两个接合面上装配一对半圆柱体(30)，每两个半圆柱体(30)之间插入一个楔形滑块，楔形滑块上的两个斜面与两个半圆柱体(30)的平面配合，楔形滑块可以沿主、副转角盘的径向滑动但不能沿轴向滑动，其中楔形滑块I、楔形滑块II为一组受主转角活塞(21)驱动向外移动会使转主、副角盘角度变小，楔形滑块III、楔形滑块IV为另外一组受副转角活塞(27)驱动向外移动会使主、副转角盘角度变大，随着主、副转角盘角度变化，半圆柱体(30)会沿扇形凸台上的圆弧面凹槽转动，主、副转角盘的扇形凸台、半圆柱体和楔形滑块始终为面接触。

4.如权利要求3所述的可变压缩比对置活塞均质压燃发动机，其特征是转角器(17)的主油缸(22)在副曲轴(1)的轴心内，副油缸(26)在相位曲轴(18)的轴心内，主转角活塞(21)安装在主油缸(22)上，副转角活塞(27)安装在副油缸(26)上，主转角活塞(21)和副转角活塞(27)的外端连接一个矩形块，矩形块的两个端面有斜面导向槽，两个导向槽的底面成等腰梯形，主、副转角活塞外端的矩形块成十字交叉布置，主转角活塞(21)的矩形块中部是矩形凹槽，副转角活塞(27)的矩形块中部是矩形凸台，矩形凸台插在矩形槽内且相互之间有一定间隙，主、副转角活塞彼此之间可以沿活塞轴向微小滑动但不能相互转动，主、副转角活塞外端矩形块的导向槽底面与楔形滑块I、楔形滑块II、楔形滑块III、楔形滑块IV的下面的斜面面接触，通过副曲轴(1)中心的主压力油道(20)和相位曲轴(18)中心的副压力油道(29)给主、副油缸提供压力油，主、副油缸加压推动主、副转角活塞前进楔形滑块被顶出，主、副油缸减压主、副转角活塞收回楔形滑块缩回，楔形滑块装配在矩形块导向槽内可以沿曲轴轴向滑动。

5.如权利要求1所述的可变压缩比对置活塞均质压燃发动机，其特征是主曲轴(10)比副曲轴(1)相位角提前时，主曲轴(10)直接连接离合器。

6.如权利要求1所述的可变压缩比对置活塞均质压燃发动机，其特征是主曲轴(10)比副曲轴(1)相位角落后时，动力由主、副曲轴共同输出给变速器。

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