CN103486251B - 活塞连杆组和内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活塞连杆组和包括该活塞连杆组的内燃机，所述活塞连杆组包括活塞（10）、活塞销（20）和连杆（30），所述连杆的连杆小头安装在所述活塞销上，所述连杆的连杆大头安装在曲轴（40）上，其中，在所述活塞的内表面上固定安装有储能组件（50），所述活塞销安装在该储能组件上。由于本发明提供的活塞连杆组在做功行程中，储能组件可以在曲轴转过上止点后的一定角度范围内将部分能量暂存，并且随着活塞进一步地向下移动，可以通过储能组件延迟释放能量，从而使燃料燃烧产生的气体压力更多的用于推动曲轴旋转，提高了曲轴的输出扭矩。相应地，包括该活塞连杆组的内燃机提高了做功效率。

Description

活塞连杆组和内燃机

技术领域

本发明涉及往复活塞式内燃机领域，具体地，涉及一种用于发动机中的活塞连杆组和包括该活塞连杆组的内燃机。

背景技术

众所周知，在发动机中广泛应用的曲柄连杆机构为刚性的铰链连接。活塞的往复式运动通过连杆转化为曲轴的转动，从而输出动力。

如图1所示，活塞销20固定安装在活塞10上，连杆30的连杆小头固定在活塞销20上，连杆30的连杆大头固定在曲轴40上。这种结构虽然简单轻便，但存在一个问题。在往复活塞式内燃机的做功行程中，发动机的最大爆发压力出现在上止点之后的一个较小的曲轴转角范围（通常介于5°-15°）内，在该曲轴转角范围内，连杆的摆角也很小。通过内燃机动力学公式（其中，F表示燃料燃烧产生的气体压力，表示曲轴转动的角度，β表示连杆摆动的角度，Ft表示驱动曲轴转动的切向分力）可知，曲轴转角和连杆摆角β都很小的时候，切向分力Ft占气体压力的比例很小，或者说气体压力只有很小一部分被分配到曲轴的切向方向。

当曲轴转过上止点较大的角度后，虽然曲轴转角和连杆的摆角β增加，但此时燃料燃烧产生的气体压力F已经远小于最大爆发压力点时的压力，即通过连杆提供给曲轴的力减小了很多，因而即使曲轴转角和连杆的摆角β增加，使切向分力Ft占气体力的比例提高，但是由于总的气体力已经减小了很多，能够推动曲轴旋转的切向分力Ft的提高受到限制，因而不能很好的利用燃料燃烧产生的气体压力F，换言之，曲轴扭矩的提升受到明显地限制。

因此，在上述的曲柄连杆机构中，不能将燃料燃烧产生的气体压力充分地作用在曲轴上，使得往复活塞式内燃机的做功效率不够高。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种活塞连杆组，该活塞连杆组可以提高曲轴的输出动力。

为了实现上述目的，本发明提供一种活塞连杆组，该活塞连杆组包括活塞、活塞销和连杆，所述连杆的连杆小头安装在所述活塞销上，所述连杆的连杆大头安装在曲轴上，其中，在所述活塞的内表面上固定安装有储能组件，所述活塞销安装在该储能组件上。

具体地，所述活塞连杆组在做功行程中，所述储能组件包括储能阶段和释能阶段，在所述储能阶段和所述释能阶段中，所述活塞销相对于所述活塞销的初始位置具有位移。

优选地，在所述曲轴从上止点开始转动到0°~20°之间时，所述活塞销相对于所述活塞销的初始位置具有位移。

优选地，所述曲轴从上止点开始转动5°~15°之间时，所述位移达到最大。

具体地，所述储能组件包括至少两个平行的钢板弹簧，所述钢板弹簧的两端安装在所述活塞的内表面上，并且在两个所述钢板弹簧上分别固定有安装座，所述活塞销的两端安装在该安装座上。

优选地，所述活塞销的中心轴线与所述活塞的中心线垂直，所述钢板弹簧的长度方向与所述活塞销的轴线垂直。

进一步地，所述活塞连杆组包括导向杆，该导向杆的一端铰接在所述活塞的内表面上，另一端铰接在所述活塞销上。

优选地，所述活塞连杆组在做功行程中，所述导向杆位于所述活塞销的一侧，所述连杆位于所述活塞销的另一侧。

此外，本发明的另一个目的是提供一种可以提高做功效率的内燃机。

为了实现上述另一个目的，本发明提供的内燃机包括根据以上所述的活塞连杆组。

由于本发明提供的活塞连杆组在做功行程中，储能组件可以在曲轴转过上止点后的一定角度范围内将部分能量暂存，并且随着活塞进一步地向下移动，可以通过储能组件释放能量，从而将燃料燃烧产生的气体压力充分地作用在曲轴上，提高了曲轴的输出动力。相应地，包括该活塞连杆组的内燃机提高了做功效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术中活塞连杆组的结构示意图；

图2是本发明的活塞连杆组的第一实施方式的结构示意图；

图3是本发明的活塞连杆组的第一实施方式中曲轴的受力分析示意图；

图4是本发明的活塞连杆组的第一实施方式的不包括曲轴的仰视图；

图5是本发明的活塞连杆组的第二实施方式的结构示意图；

图6本发明的活塞连杆组的第二实施方式曲轴的受力分析示意图；

图7是本发明的活塞连杆组的第二实施方式的结构的俯视示意图；

图8是本发明的活塞连杆组的第二实施方式中扭杆弹簧的结构示意图。

附图标记说明

10活塞20活塞销

30连杆40曲轴

50储能组件51钢板弹簧

52安装座53导向杆

60扭杆弹簧61第一扭杆弹簧

61a第一固定部61b第一安装部

61c第一连接部62第二扭杆弹簧

62a第二固定部62b第二安装部

62c第二连接部63固定板

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指附图中的上、下、左、右，“内、外”是指相对于各部件轮廓的内、外。

此外，本发明的活塞连杆组适用于但是不限于各种往复活塞式内燃机。

如前所述，现有技术中的活塞与活塞销之间为刚性连接，在活塞连杆组的做功行程中不能将燃料燃烧产生的气体压力有效地转换为驱动曲轴转动的切向分力。

为此，本发明提供了一种可以提高燃料燃烧产生的气体压力的利用率的活塞连杆组。参见图2至图7，本发明的活塞连杆组主要包括活塞10、活塞销20和连杆30，连杆30的连杆小头安装在活塞销20上，连杆30的连杆大头安装在曲轴40上，其中，在活塞10的内表面上固定安装有储能组件50，活塞销20安装在该储能组件50上。

在本发明中，活塞销20不直接与活塞10连接，而是通过储能组件50间接地与活塞10连接。由于活塞连杆组在做功行程中，储能组件50可以在曲轴转过上止点后的一定角度范围内将部分能量暂存，并且随着活塞10进一步向下运动，可以通过储能组件50延迟释放能量，从而使燃料燃烧产生的气体压力更多的用于推动曲轴40旋转，提高了曲轴的输出动力。

参见图3和图6，活塞连杆组在做功行程中，储能组件50包括储能阶段和释能阶段，在储能阶段和释能阶段中，由于储能组件50的作用，活塞销20将相对于活塞销20自身的初始位置具有位移。在储能阶段中，所述位移逐渐增大，在释能阶段中，所述位移逐渐减小。其中，所述位移应当同时包括水平位移和垂直位移。

若活塞销20的中心轴线来描述活塞销20的位移，则当活塞销20因储能组件50的作用而产生位移时，在图中，活塞销20的中心轴线将相对于其中心轴线的初始位置向左且向上移动，即具有水平位移和垂直位移，在附图中表现为活塞销20的中心轴线具有弧形的运动路径。

当活塞连杆组中的曲轴40刚转过上止点位置时，燃料燃烧产生的气体压力作用在活塞10的上端面上，并且依次通过安装在活塞10内表面上的储能组件50和安装在储能组件50上的活塞销20传递至连接在活塞销20上的连杆30，根据牛顿第三定律的作用力与反作用力可知，连杆30通过活塞销20反作用于储能组件50上。由于此时，曲轴40的转角和连杆30的摆动角度β均较小，因而曲轴40通过连杆30提供给活塞销20较大的反作用力。在储能组件50具有弹性的情况下，储能组件50在相对较大的反作用力下将能量以弹性势能的形式储存，即储能组件50处于储能阶段。

当活塞10向下运动时，曲轴40的转角和连杆30的摆动角度β随着曲轴40的转动而增加，因而通过连杆30施加在活塞销20上的作用力逐渐减小，即作用在储能组件50上的反作用力也逐渐减小，直到该反作用力无法使储能组件50进一步储存能量，此时，储能组件50的储能阶段结束。

在上述储能阶段中，由于连杆30相对于活塞10的中心线具有一定的摆动角度β，因此，储能组件50受到倾斜向上的反作用力而向上倾斜。在这种情况下，活塞销20的中心轴线相对于同一时刻在现有技术结构中的活塞销20的中心轴线中具有向上且向左的位移（图中活塞销20中心轴线上方的弧形表示活塞销20的中心轴线的位移路径），使得摆动角度β相对于同一时刻在现有技术结构中的摆动角度β有所增加，根据内燃机动力学公式尽管该摆动角度β增加的幅度有限，但是对驱动曲轴转动的切向分力Ft的增加是有利的。

当活塞10继续向下运动时，储能组件50将进入释能阶段，即储能组件50向下作用的力使得作用于活塞销20和连杆30的力由原来的气体压力变成气体压力和储能组件50的弹性力，这两个力的合力远大于现有技术中同一时刻的气体压力，由于曲轴40在转过最大爆发压力点之后，作用于活塞10的气体压力逐渐变小，因此，本发明提供的活塞连杆组起到了将较大的气体压力暂存，然后通过储能组件50延迟释放到活塞销20和连杆30上。其中延迟释放是指，与最大爆发压力点相比，释能阶段的曲轴40的转角增大，在转角增大的时连杆30的摆动角度β也随之增大，根据内燃机动力学公式与现有技术相比，延迟释放的气体压力可以更多地用于切向方向，这样切向分力Ft增大，曲轴可以输出更大的扭矩。

可以理解，活塞连杆组在做功行程中，曲轴40从上止点开始转动到0°~20°之间时，活塞销20相对于活塞销20的初始位置具有位移。在此过程中，储能组件50依次经历储能阶段和释能阶段。

优选地，活塞连杆组在做功行程中，曲轴40从上止点开始转动5°~15°之间时，上述位移可以达到最大，此时，即位移最大时储能组件50的弹性势能最大。可以理解。在上述位移达到最大之前，储能组件50处于储能阶段，在上述位移达到最大之后，储能组件50开始处于释能阶段。

以下通过两个具体实施方式说明储能组件50的具体结构，但是本发明中的储能组件50不限于以下两个具体实施方式，其他适用的结构也应当属于本发明的保护范围。

参见图2至图4，储能组件50包括至少两个平行的钢板弹簧51，钢板弹簧51的两端安装在活塞10的内表面上，并且在两个钢板弹簧51上分别固定有安装座52，活塞销20的两端安装在该安装座52上。从图中可以看出安装座52固定在钢板弹簧51的下表面，但是本发明不限于此，安装座52同样也可以固定在钢板弹簧51的上表面。

在该实施方式中，钢板弹簧51为主要的储能元件，活塞销20通过安装座52安装在钢板弹簧51上。其中钢板弹簧51的两端可以通过多种方式安装在活塞10的内表面上，例如通过焊接、螺栓连接等方式，当然钢板弹簧51的两端还可以铰接在活塞10的内表面上，本发明不对其具体的安装方式进行限定。

在本发明中，具体由图4可以看出，活塞销20的中心轴线大致与活塞10的中心线垂直，并且钢板弹簧51的长度方向与活塞销20的轴线垂直。通过这种方式布置钢板弹簧51和活塞销20可以使各个部件受力均衡，而且不会干扰连杆30的运动。

根据以上描述的储能组件的储能阶段和释能阶段的过程可知，当活塞连杆组中的曲轴40刚转过上止点位置时，燃料燃烧产生的气体压力作用在活塞10的上端面上，并且依次通过安装在活塞10内表面上的钢板弹簧51、安装座52和活塞销20传递到连接在活塞销20上的连杆30上，根据牛顿第三定律的作用力与反作用力可知，连杆30通过活塞销20和安装座52反作用于钢板弹簧51上。由于此时，曲轴40的转角和连杆30的摆动角度β均较小，因而曲轴40通过连杆30提供给活塞销20较大的反作用力。又由于钢板弹簧51具有一定的弹性，此时钢板弹簧51在该相对较大的反作用力下产生向上弯曲的形变，从而将能量以弹性势能的形式储存，即钢板弹簧51处于储能阶段。

当活塞10向下运动时，曲轴40的转角和连杆30的摆动角度β随着曲轴40的转动而增加，因而通过连杆30施加在活塞销20上的作用力逐渐减小，即作用在钢板弹簧51上的反作用力也相应减小，直到该反作用力无法使钢板弹簧51进一步产生形变，此时，钢板弹簧51的储能阶段结束。

当活塞10继续向下运动时，钢板弹簧51将进入释能阶段，即钢板弹簧51将弹性力通过安装座52和活塞销20作用在连杆30上，以释放弹性势能。由于钢板弹簧51的弹性力的作用，使得作用于活塞销20和连杆30的力由原来的气体压力变成气体压力和钢板弹簧51的弹性力，这两个力的合力远大于现有技术中同一时刻的气体压力，由于曲轴40在转过最大爆发压力点之后，作用于活塞10的气体压力逐渐变小，因此，本发明提供的活塞连杆组起到了将较大的气体压力暂存，然后通过钢板弹簧51延迟释放到活塞销20和连杆30上。与最大爆发压力点相比，释能阶段的曲轴40的转角增大，在转角增大时，连杆30的摆动角度β也随之增大，根据内燃机动力学公式与现有技术相比，延迟释放的气体压力可以更多地用于切向方向，这样切向分力Ft增大，曲轴可以输出更大的扭矩。

参见图2和图4，本发明的活塞连杆组包括导向杆53，该导向杆53的一端铰接在活塞10的内表面上，另一端铰接在活塞销20上。由图可见，导向杆53位于两个钢板弹簧51之间。在上述的储能阶段中，导向杆53可以保证钢板弹簧51被压缩后向上运动的同时能够向左偏移，从而保证连杆30的摆角是增加，换言之，导向杆53起到“拉动”活塞销20向左运动的作用。

可以理解，活塞连杆组在做功行程中，导向杆53应当位于活塞销20的一侧，并且连杆30位于活塞销20的另一侧，并且在曲轴40从上止点开始转动到0°~20°之间时，活塞销20的中心轴线相对于其初始位置具有位移。此时，弹性钢板51以向上压缩的形式储存能量。优选地，曲轴40从上止点开始转动5°~10°之间时，上述位移可以达到最大，此时，弹性钢板51的弹性势能最大。其中，连杆30位于活塞销20的另一侧是指连杆30摆动后，整体处于活塞销20的另一侧。在图2的视图中，曲轴顺时针转动，导向杆53位于活塞销20的左侧，连杆30位于活塞销20的右侧。但是上述部件的位置应当根据内燃机的实际工作情况而确定，而不应当限制于图中所示的方向。

图5至图8显示了本发明的第二种具体实施方式。在第二实施方式中，与活塞连杆组的储能原理相同，在此不再赘述。不同的是储能组件50具有不同的结构形式。如图所示，储能组件50包括扭杆弹簧60，扭杆弹簧60固定在活塞10的内表面上，活塞销20安装在扭杆弹簧60上。

类似地，活塞连杆组在做功行程中，扭杆弹簧60应当位于活塞销20的一侧，连杆30位于活塞销20的另一侧，并且在曲轴40从上止点开始转动到0°~20°之间时，活塞销20的中心轴线相对于其初始位置具有位移，此时，扭杆弹簧60以向上压缩的形式储存能量。

优选地，活塞连杆组在做功行程中，曲轴40从上止点开始转动5°~10°之间时，上述位移达到最大，此时，扭杆弹簧60的弹性势能最大。

具体地，扭杆弹簧60可以具有多种结构形式，如图8所示，该实施方式中，扭杆弹簧60包括相配合的第一扭杆弹簧61和第二扭杆弹簧62，第一扭杆弹簧61包括第一固定部61a和与该第一固定部61a平行的第一安装部61b，第一固定部61a和第一安装部61b通过与第一固定部61a和第一安装部61b垂直的第一连接部61c连接，第二扭杆弹簧62包括第二固定部62a和与该第二固定部62a平行的第二安装部62b，第二固定部62a和第二安装部62b通过与第二固定部62a和第二安装部62b垂直的第二连接部62c连接，第二安装部62b插入第一安装部61b中，活塞销20套装在第一安装部61b的外周面上。

因为考虑到扭杆弹簧60和活塞销20的装配，所述将上述第一扭杆弹簧61和第二扭杆弹簧62设置成通过将第二安装部62b插入第一安装部61b中而形成扭杆弹簧60的结构。在装配活塞销时，首先将活塞销20套装在第一安装部61b的外周面上，然后将连杆30的连杆小头安装在活塞销20上，之后再将第二安装部62b插入第一安装部61b中，最后再将第一固定部61a和第二固定部62a安装在活塞10的内表面上。

优选地，本发明中，活塞连杆组包括两个固定板63，两个固定板63固定在活塞10的内表面上，第一固定部61a和第二固定部62a分别固定在两个固定板63上。通过使用两个固定板63分别固定第一固定部61a和第二固定部62a，可以使活塞销20的中间留出连杆30的运动空间，防止固定板63对连杆30的运动造成干涉。

此外，本发明还涉及一种内燃机，该内燃机包括以上所述的活塞连杆组。通过使用上述活塞连杆组，内燃机的做功效率得到了有效地提高。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种活塞连杆组，该活塞连杆组包括活塞（10）、活塞销（20）和连杆（30），所述连杆（30）的连杆小头安装在所述活塞销（20）上，所述连杆（30）的连杆大头安装在曲轴（40）上，在所述活塞（10）的内表面上固定安装有储能组件（50），所述活塞销（20）安装在该储能组件（50）上，其特征在于，所述活塞连杆组还包括导向杆（53），该导向杆（53）的一端铰接在所述活塞（10）的内表面上，另一端铰接在所述活塞销（20）上。

2.根据权利要求1所述的活塞连杆组，其特征在于，所述活塞连杆组在做功行程中，所述储能组件（50）包括储能阶段和释能阶段，在所述储能阶段和所述释能阶段中，所述活塞销（20）相对于所述活塞销（20）的初始位置具有位移。

3.根据权利要求2所述的活塞连杆组，其特征在于，在所述曲轴（40）从上止点开始转动到0°～20°之间时，所述活塞销（20）相对于所述活塞销（20）的初始位置具有位移。

4.根据权利要求3所述的活塞连杆组，其特征在于，所述曲轴（40）从上止点开始转动5°～15°之间时，所述位移达到最大。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的活塞连杆组，其特征在于，所述储能组件（50）包括至少两个平行的钢板弹簧（51），所述钢板弹簧（51）的两端安装在所述活塞（10）的内表面上，并且在两个所述钢板弹簧（51）上分别固定有安装座（52），所述活塞销（20）的两端安装在该安装座（52）上。

6.根据权利要求5所述的活塞连杆组，其特征在于，所述活塞销（20）的中心轴线与所述活塞（10）的中心线垂直，所述钢板弹簧（51）的长度方向与所述活塞销（20）的轴线垂直。

7.根据权利要求1所述的活塞连杆组，其特征在于，所述活塞连杆组在做功行程中，所述导向杆（53）位于所述活塞销（20）的一侧，所述连杆（30）位于所述活塞销（20）的另一侧。

8.一种内燃机，其特征在于，该内燃机包括根据权利要求1至7中任意一项所述的活塞连杆组。