CN104265451A - 平衡的可调压缩比和机械增压的双缸发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平衡的可调压缩比和机械增压的双缸发动机，包含活塞和连杆、二个曲轴和连杆、六连杆或者七连杆摇臂系统和带偏心轮的连接轴，以平衡的方式组合成双缸发动机。摇臂轴是偏心轮，偏心轮转动时摇臂支点上移，令活塞上止点升高，提高压缩比。并且摇臂令活塞-连杆和曲轴连杆的运动方向相反，适当的重量配合，以及双曲轴上的平衡块，使得双缸引擎获得更好的平衡。是一种接近理想特征的高功率密度和高效率的发动机技术。

Description

平衡的可调压缩比和机械增压的双缸发动机

技术领域

本发明涉及一种内燃机，尤其是平衡的可调压缩比和机械增压的双缸发动机，具有可调压缩比的能力，而且可以调节发动机的等效排量。

背景技术

可变压缩比内燃机的作用是可以使用增压压力更大的涡轮增压器并且其涡轮迟滞最小。涡轮迟滞的不良影响是提高涡轮增压压缩比的最主要的障碍，随着涡轮增压器的增压压力的上升，涡轮迟滞效应越明显。改变活塞上止点的位置的方法是一种比较常用可变压缩比的方法，但目前没有成熟可靠的此类技术应用，因为改变奥拓内燃机基本结构带来各种附加的惯性震动，因此不仅机械机构更加复杂，而且破坏了原有的平衡性和稳定性，复杂本身也降低了可靠性，成本也偏高，因此尽管数十年来很多可变压缩比的方法出现却未大规模应用的原因。

通常改变活塞、连杆、活塞销、曲轴轴颈、气缸盖与曲轴的相对位置等方法的核心就是改变由曲轴、连杆和活塞、气缸盖组成的内燃机基本结构，而这个结构恰恰是最好不要更改的结构。因此真正适合大规模应用的可变压缩比技术是不可以触及这些结构的技术。

公开号CN102155274之连续可变压缩比发动机及其动力输出装置的问题在于，改变了曲轴的位置后，发动机的平衡遭到破坏，活塞的侧向压力也加大，对发动机的平衡和寿命不利。

可变排量发动机通常采用所谓变缸技术，例如公开号CN103573429A之增压直列式可变排量发动机，这些技术总体排量很大，而且停缸之后做功的频率变低，发动机会产生扭矩震动，增加的震动破坏了平衡品质。而且发动机缸数越少，变排量的阶梯越大，造成发动机不同排量之间间隔太大，不能更好的实现可变排量的节能效果。

现有技术也有公开号CN103790695A之恒定压缩比的涡轮-机械增压内燃机，采用变速机械增压器，但这样的设计是等效排量恒定的内燃机，在怠速的时候排量大，油耗也大，需要一种降低此时等效排量的新技术，以便适应发动机在城市中大量低速运转模式的节能要求。不能简单降低机械增压器的转速，否则压缩比会降低，对于压缩点燃的发动机，会造成无法点燃燃料的点燃故障。

双缸发动机显著的优势是同排量条件下缸数少，散热少，油耗低，在降低油耗的要求下是比较好的方案，降低气缸数量是当今世界顶级发动机设计的趋势。但是双缸发动机平衡比较困难，需要一种结合以上所有要求的双缸发动机技术。

发明内容

本专利针对上述缺陷，并根据以上所述的问题和思路，作出新的解决方案。本发明提供一种平衡的可调压缩比和机械增压的双缸发动机。

平衡的可调压缩比和机械增压的双缸发动机，包含活塞和连杆、二个曲轴和连杆、摇臂和带偏心轮的连接轴，以平衡的方式组合成双缸发动机。

所述带偏心轮的连接轴是所述摇臂的轴，偏心轮由电机系统控制转动。

所述摇臂是惯性平衡的部件，摇臂是由六个连杆组成的8字形结构，交叉点是支点，支点分开的二侧的部分惯性平衡。中间的支点固定在所述偏心轮的连接轴，二端分别连接活塞的连杆和曲轴的连杆。

所述摇臂与曲轴连杆的链接销二端有滑块，在汽缸体延伸部分的方形滑槽中沿竖直方向自由滑动。

所述平衡的可调压缩比双缸发动机，其曲轴的连杆的运动方向与活塞和连杆的运动方向相反，并且曲轴的连杆的重量与活塞和连杆的重量完全相同。

所述平衡的方式组合成双缸发动机，其摇臂的方向是从自己所属的气缸伸向另一个气缸。

所述的平衡的可调压缩比和机械增压的双缸发动机，其特征还在于所述二个曲轴相互之间是平行的，通过一对齿轮相连接，且转动方向相反；二个气缸轴线在气缸轴截面内的投影点连线与曲轴轴线在此平面内的投影之夹角成小于90的锐角。

附图说明

图1是发动机总体结构示意图，示出了平衡的可调压缩比和机械增压的双缸发动机的各个部分之间的相互关系。

图2是单个气缸的机构示意图，示出了每个气缸驱动一个曲轴的摇臂的结构。

图3是摇臂的机构示意图，示出了摇臂详细的结构。

图4是用连杆替代滑槽的一种替代形式，示出了这种七连杆机构的结构特点。

图5是双缸发动机的平衡方案和设计，示出了这款双缸发动机总体的力学平衡的方法。

图6是相位图，示出了双缸发动机平衡的曲轴角度条件。

图7是可变压缩比调节图，示出了偏心轮转动改变发动机压缩比的过程。

具体实施方式

图1展示了平衡的可调压缩比和机械增压的双缸发动机的组成部分和各个部分之间的关系。双缸发动机拥有活塞1和活塞2二个活塞，及其配合的气缸，这里省略一些往复活塞式发动机成熟的部件，例如气缸和气缸盖等。活塞1驱动曲轴4，活塞2驱动曲轴3。曲轴3和曲轴4的转动轴线是平行的。发动机的压缩比调节由偏心轮5和偏心轮6二个系统完成，偏心轮5包含了偏心轮、轮轴和液压作动器，作动器由发动机的高压油泵驱动而转动，在发动机的控制计算机控制下，转动的时候带动偏心轮旋转，从而改变摇臂的支撑点的上下位置，从而改变活塞上止点。垂直直线导轨11和10共有4条，用以约束摇臂，令其产生一定的变形，从而让活塞连杆保持运动轨迹是直线，消除活塞上的侧向压力。垂直导轨11及其其他三条导轨，其实是与发动机缸体一体化的，或者称作发动机气缸延伸出来的四条方形滑槽。曲轴4通过一个变速器7与机械增压器的叶片8和叶片9相连，驱动其转动产生增压的空气，提高发动机的功率。

根据图1，发明的本质特征是综合了可变压缩比的活塞-气缸系统和可变转速的机械增压器。当曲轴4的转速一定时，变速器7改变了机械增压器的转速，机械增压器进气流量改变，相当于改变了发动机的排量，因为对于活塞发动机，曲轴转速乘以单循环气缸容积就等于排量。进气流量的改变必然带来压缩比的变化，因此需要活塞-气缸系统改变压缩比。因此进气流量降低，活塞-气缸系统提高压缩比，可以保持整体压缩比不变。因此，本发明的本质也可以说是利用改变机械增压器与发动机曲轴的转速比并配合可变压缩比发动机技术实现改变发动机等效排量，而无需改变机械增压器的结构，无需机械增压器具有可变结构，因此可以使用现有的成熟部件，成本更低，可靠性更高。

图1所示之发动机系统结构采用机械增压器相对于采用离心压气机的涡轮增压系统的优势在于：如果涡轮增压系统的总增压很高，而活塞-气缸系统的单循环排量又很低的时候，发动机整体在低转速的时候，涡轮增压器的增压是很低的，因此功率和扭矩不如大排量发动机，而机械增压器在曲轴转速很低的时候可以通过变速器变速迅速增加转速和进气流量，从而更快从低排量变成大排量，低转速时的扭矩也更充沛，而且响应速度快。

图1所示之发动机系统结构，曲轴4、变速器7和机械增压器叶片8的轴线在同一直线上，这是为了方便说明本发明所采用的系统结构，可以采用其他结构，目的是更紧凑更轻巧。

图1所示之发动机系统结构，变速器7的控制可以由汽车变速器缩小而来，由成熟的机电控制系统控制，发动机的控制系统将不仅仅控制气门正时、喷油控制和其他可变参数控制，也讲控制变速器7在适当的时候改变曲轴4与机械增压器叶片8的转速比。

图2例示性指出活塞2是如何与曲轴3相连的，活塞2首先连接活塞连杆12，后者连接摇臂系统中的端块13上的轴26，通过端块13下部的轴27与主摇臂14相连。主摇臂14套入偏心轮6中的偏心轮部分，并以之为支点，另一端通过轴28接端块15上部，并与曲轴连杆16通过轴29相连。以此结构，活塞2可以与曲轴3相互推动。端块15上，其与曲轴连杆相连的轴29上有滑块17，这个滑块17与图1当中的垂直直线导轨11紧密接触，在水平面的二个方向上皆有大面积接触，在润滑油润滑下可以低阻力滑动，滑动也是约束，可以令端块15上的轴29在一条竖直直线上运动，这个运动可以通过摇臂系统传递到活塞连杆12上，令活塞连杆12与端块13的连接的轴26同样在竖直直线上运动，只要设计妥当，就可完全消除了活塞的侧向受力，可以降低活塞的阻力降低磨损和功率损耗，也降低了活塞与气缸的间隙从而减少了漏气损耗。曲轴3一端有齿轮19，与图1中的另一曲轴4的齿轮相互啮合，因而曲轴3和曲轴4的专访方向相反，轴线平行，以便相互传递扭力来实现正常的运转和功率输出，例如动力可以通过曲轴4输出。平衡块23是曲轴3上的固定物体，目的是平衡活塞1连接曲轴4的曲轴连杆转动时产生的震动。同理，平衡块24是用来平衡曲轴连杆16的震动。活塞1及其机构在本图2中未示出，但其机构与活塞2是同样的机构，其摇臂系统与活塞2是相对布置，来驱动曲轴4。

由图2可想见，活塞2在曲轴4的上方，而摇臂14从曲轴4伸向曲轴3，而曲轴3上方是活塞1，因此摇臂14是从活塞2伸向活塞1的，反之活塞1的摇臂也是从活塞1伸向活塞2。

参考图2，曲轴3和4上的平衡块23和24，可以将曲轴连杆所产生的圆形惯性运动变成竖向的直线往复惯性运动，其方向正好与活塞1、2和活塞连杆形成的竖向直线往复惯性运动相反，因此适当选择材料和外形设计，可以让二缸发动机的惯性造成的震动绝大部分抵消，整个发动机震动极小。

图2所示的机构，优点在于无论摇臂14如何调整，曲轴连杆16对于曲轴3的相对运动是不变的，这样曲轴连杆16作用在曲轴3上的力的方向和时间是不变的，因此不会造成发动机动力输出的不良变化，对于曲轴3而言，发动机是不变的机器，即摇臂14的调节对于曲轴3而言是不产生任何影响和改变的。同时，二个气缸各自的摇臂的转动方向是相反的，轴线是接近的，因此转动平衡也很好。

图3是摇臂机构的详细设计，显示摇臂机构是由六个部分组成，除用作可调支点的偏心轮6之外。摇臂14连接端块15的上部轴28，连接端块13的下部轴27，端块13上部与控制连杆20相连，控制连杆20与控制摇臂21的上部连接，控制摇臂21下部与控制连杆22相连，而控制连杆22与端块15下部相连。同时，端块15下部的轴29与曲轴连杆16相连，而端块13上部的轴26与活塞连杆12相连。六个连杆组成的8字形结构，摇臂14和控制摇臂21的交叉点是作为支点的偏心轮6，支点分开的二侧的部分惯性平衡。作为参照，可见曲轴3和其上的平衡块23，以及齿轮19。

图3所示的摇臂机构，端块13和15也相当于一根刚性杆，因此摇臂机构就等同于六连杆。六个连杆中有三个前后相连的连杆13、14、15是主要承力部件，而另外三个是较细的控制部件例如连杆20、21、22。当然控制连杆20并不是直接连接到轴26上的，因此结构略微复杂，但效果近似。控制连杆20、22和控制摇臂21的作用是保持端块13的相对于摇臂14的角度与端块15是相同的，保持了摇臂机构形状上的相对于支点的中心对称，这样的好处是轴26和轴29可以保持相同的运动方式，即竖向的直线运动，而无论摇臂系统的支点如何变化，这可以大大降低活塞所受的侧向力，虽然依然具有不为零的侧向力，但已经很小。

图3所示的摇臂机构的另外的好处是因为其形状的中心对称，支点任何的变化皆不破坏摇臂的平衡特性，即摇臂无论如何调整、形状如何微调，作为整体总是惯性平衡的，不产生震动。

同时，图3也说明平衡块23与所在曲轴3上的曲柄的方向一致。

图1至图3所示的发动机采用一个六连杆摇臂做桥梁连接活塞和曲轴的好处是：改变压缩比若采用曲轴可变，则需要额外的传动机构，曲轴的动力不是直接输出的；而固定曲轴结构有利于曲轴动力可以直接输出而无需要中途转接，因而对曲轴没有不良影响。

作为一种可以替代图2所示机构设计方法的实施例，图4显示了一种用固定摆动的一根连杆25替代图2的滑槽的机构，这种机构的特征是用一根连接在偏心轮6的轴上的平衡型连杆25来连接端块15下部的轴29，其他的轴26、27、28的连接情况不变，如此曲轴连杆16的运动就是永远不变的，不因摇臂14的支点偏心轮6调节变化而变化，因为曲轴的冲程和轴线不变，因此摆动角度和起始点和终结点的位置也不变。因而，可以优化设计曲轴连杆16与曲轴3之间的固定关系。这种机构设计结构上更简单，但是活塞2的侧向受力要大一些，活塞连杆12、端块13和端块15的摆动也较大，但也比较通常的活塞工作时的侧向压力要小很多。平衡型连杆25的惯性中心在其与偏心轮6的轴连接的地方，在转动中是惯性平衡的，不会产生震动。

同时，图4也可示出曲轴3上一端具有齿轮19，曲轴4上一端具有齿轮31，齿轮31与齿轮19相互啮合，且齿数相同，使得曲轴3和曲轴4反转，且反转的角速度是相同的，这保证了惯性平衡的实现。

图4现实的是七连杆的摇臂系统，而且是转动平衡的可变支点摇臂系统。

参考图5和图2，16表示曲轴连杆16，23是曲轴3上的平衡块23，30表示曲轴4上的曲轴连杆30，24是曲轴4上的平衡块24，曲轴连杆16与平衡块24的惯性合成为其之间虚线上一点A，而曲轴连杆30与平衡块23的惯性合成为其之间虚线上一点B，而O是AB的中点，也是活塞1和活塞2轴线在此平面上焦点的连线的中点。活塞1和2及其活塞连杆的总惯性中心总是在O点的，而曲轴连杆16和30以及平衡块23和24的总惯性中心也是在O点的，适当的设计可以令这二个总惯性是大小非常相近，方向相反的。因而整个摇臂系统带来的优势还包括：所有的惯性震动合成为通过一个点的竖向矢量，即活塞和活塞连杆的惯性震动合成为通过活塞1和活塞2终点连线的中点的竖向向上/向下矢量，而曲轴连杆/曲轴平衡块惯性震动合成为通过一个点的竖向向下/向上矢量，二者正好平衡，气缸和曲轴连杆造成的震动完全被消除。

参考图5也说明平衡块24对应另一个曲轴上的曲柄，而平衡块23也如此。

参考图6，角度A1和A2的起点是竖直向下的方向，终点是每个曲轴的曲柄和平衡块的方向。曲轴3和4的相位关系是：相对于同样的竖直向下的方向，曲轴3的相位角A1和曲轴4的相位角A2相等，这是因为曲轴3的齿轮19和曲轴4的齿轮31相互啮合、且齿数相同。同时参考图2，平衡对于曲轴3和4的要求是，平衡块24的方向与曲轴4的曲柄32方向相同，平衡块23也如此。平衡对于曲轴连杆16、平衡块24和活塞2、活塞连杆12的要求是曲轴连杆16、平衡块24的合并运动惯性与活塞2、活塞连杆12相同，运动方向相反。同时参考图3，摇臂系统中所有同类型的摇臂和连杆都是平衡和等重的，摇臂14和控制摇臂21是自平衡的，而控制连杆20和22完全相等，端块13和15完全相等，用于连接的轴26、27、28、29也都是完全相同的部件。这些要求就是双缸发动机平衡的条件。

图7是偏心轮调节发动机压缩比的过程，偏心轮6转动90度，提升了摇臂14和控制摇臂21，从而提升了整个摇臂系统的位置，根据杠杆原理，曲轴3和曲轴连杆16这一侧位置是不能改变的，因此牵引摇臂系统，让活塞连杆12和活塞2的位置发生改变，从而改变了发动机的压缩比。这里需要改变的摇臂14和控制摇臂21二个部分，控制摇臂21是控制摇臂系统形状的部分，因此必需随摇臂14一同改变。偏心轮6是约束整个摇臂系统的支点，不止是摇臂14的支点。偏心轮6的驱动是由液压系统或者机电系统，技术成熟，不再赘述。

本发明的最大优势是调节机构——摇臂系统——无需齿轮，因此材料受到的压强比一些其他发明也要小很多，对材料的要求低，发动机的寿命更长。而且兼顾很好的惯性平衡特点，且支点调节不影响摇臂系统平衡。摇臂系统是六连杆系统，具有容差能力，一些部件的制造精度误差可以自适应，因而使用现有材料和工艺就可以制造，并且平衡度不比现有发动机系统差。

总体而言，本发明就是以一个六连杆的复杂摇臂系统，配合液压驱动的偏心轮支点的调节，实现活塞-气缸系统的可调压缩比，这种实现是建立在平衡的基础上，在调节过程中震动极小，而且不破坏曲轴连杆对曲轴的压力角度。同时，用变速器改变机械增压器和曲轴之间的转速比例，配合活塞-气缸系统的可调压缩比功能，实现改变等效排量的功能。

上述叙述不是排他的或将本发明限制与其公开的具体形式。本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明的范围内，可以做出各种改变以及其中的元素可用等同元素来替换。此外，可以做出很多修改以使特定情形或材料适用于本发明的主旨而不偏离实质范围。因此，本发明不限于作为构思实现本发明的最佳模式所公开的特定实施例，而是本发明包括属于本发明范围的所有实施方式。在不偏离本发明的精神和范围内，本发明能够以具体解释和阐明的方式以外的其他方式实施。

Claims (5)

1.平衡的可调压缩比和机械增压的双缸发动机，包含活塞和活塞连杆、二个曲轴和曲轴连杆、摇臂系统和带偏心轮的轴，以平衡的方式组合成双缸发动机。

所述活塞通过活塞连杆连接到所述摇臂系统的一端，摇臂系统的另一端通过所述曲轴连杆连接曲轴，摇臂系统的支点在所述偏心轮上，偏心轮的轴可以受控转动。

所述摇臂系统是由六个连杆组成的8字形结构，摇臂和控制摇臂的交叉点是支点，支点分开的二侧的部分惯性平衡。

所述二个曲轴轴线相互之间是平行的，通过一对齿轮的啮合传动而等速率转动，转动方向相反，转角相位相同。

所述二个曲轴上各有一个平衡块，平衡块对应另一个曲轴上的曲柄的位置，平衡块与所在曲轴上的曲柄的方向一致。

所述平衡的方式组合成双缸发动机，其每一个摇臂系统的方向是从自己所属的气缸伸向另一个气缸，曲轴所驱动的气缸在另一个曲轴的正上方。

所述机械增压的双缸发动机，双缸发动机的双曲轴中的一个通过一个变速器与机械增压器的轴相连。

2.如权利要求1所述的平衡的可调压缩比和机械增压的双缸发动机，其特征还在于所述摇臂的六个连杆中，有三个前后相连的连杆是主要承力部件，而另外三个是较细的控制部件。

3.一种双缸活塞发动机的平衡方法，活塞和活塞连杆的惯性中心与曲轴、曲轴连杆和平衡块的惯性中心重合，惯性方向相反，任意时刻的惯性大小近似，惯性方向是竖直方向。每个曲轴配有一个平衡块，每个平衡块对应另一个曲轴上的曲轴连杆，曲轴上的平衡块与所在曲轴上的曲柄的方向一致，其旋转惯量与对应另一个曲轴上的曲轴连杆的旋转惯量相近，旋转方向相反，相位角相同。每个活塞通过摇臂与曲轴相连，每一个摇臂系统的方向是从自己所属的气缸伸向另一个气缸，曲轴所驱动的气缸在另一个曲轴的正上方。

4.一种连续改变活塞发动机等效排量的方法，可变压缩比的活塞-气缸系统与一个带变速器的机械增压器系统，控制方法是当机械增压器与曲轴的转速比降低时，提高活塞-气缸系统的压缩比，实现降低等效排量。

5.一种七连杆可调支点平衡摇臂系统，在如权利要求1和2所述之六连杆摇臂系统的基础上，增加一个自身转动平衡的连杆，重心连在如权利要求1所述之偏心轮的轴上，而末端连接在所述六连杆的一端，这一端是连接在例如曲轴连杆一类的固定不变的驱动装置上，而摇臂的另一端是可调的。