CN104564403A - 基于弹性消音抗撞击气缸垫的组合调压活塞 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弹性消音抗撞击气缸垫的组合调压活塞，涉及一种组合调压活塞。在缸盖和缸体之间设置有弹性消音抗撞击气缸垫,由依次连接的上密封垫、气缸垫主体和下密封垫组成；气缸垫主体包括弹性钢板、圆孔、弹性钢爪、安装孔和水道孔；在弹性钢板的中部设置有圆孔，在圆孔的周边设置有均匀对称的弹性钢爪，在圆孔的外边设置有安装孔和水道孔。本发明对发动机热效率和扭矩影响非常大，可使汽油机热效率提高7％左右，可使柴油机热效率提高5％左右；在调压弹簧弹力可调控的情况下，可同时兼容组合调压活塞的所有优点，也不影响发动机外置附加机构比如涡轮增压和分层燃烧等作用的发挥。

Description

基于弹性消音抗撞击气缸垫的组合调压活塞

技术领域

本发明涉及一种组合调压活塞，尤其涉及一种基于弹性消音抗撞击气缸垫的组合调压活塞。

背景技术

本申请人的发明专利申请《组合调压活塞》（ZL201410204117.1）和实用新型专利《一种组合调压活塞》（ZL201420248207.6）的申请日为2014-05-15。

组合调压活塞包括气缸（1）、外活塞（2）、调压弹簧（3）、内活塞（4）、活塞销（5）、卡簧（6）和连杆（7）；其位置和连接关系是：在气缸（1）内设置有外活塞（2），沿着气缸（1）的中心线，外活塞（2）、调压弹簧（3）、内活塞（4）、活塞销（5）和连杆（7）依次连接；在外活塞（2）的内壁的下边设置有卡簧（6）。

该发明可以调节气缸最大压力和最高温度，对零部件起到保护作用；用最简单的结构实现汽油机的压燃，克服汽油机众多的缺点；利用弹簧的弹性特征解决了高压缩比时的爆燃危害，把爆燃有效利用起来；由于虚压缩比的提高，使燃气的燃烧速度加快，使有效转速范围扩大。

由于结构和空间限制以及技术不成熟，有以下需要改进的地方：

1、调压弹簧的弹性是以某种恒定值存在，不能随发动机工况负荷变化，调压弹簧弹力调控难度大，难以满足发动机的工作需求，因此调压弹簧还有很大的发展和改进空间，气压弹簧虽可满足发动机需求,但由于活塞连接结构和运转方式，实用开发难度大；

2、内外活塞之间缺少定位销槽，某些发动机为了在燃烧室内形成特定的空气对流，还有就是进排气门的布置，往往要求活塞顶面需要有相对应的形状，因此对相应的发动机，内外活塞之间就需要考虑设置有相应的销槽来解决这个问题；

3、内外活塞由于相对运动，需要良好的润滑，对于缸体上没有安装机油喷嘴的发动机则要求安装机油喷嘴，其次是曲轴箱内气压会出现相应脉动，废气通风机构要采取相对应的措施；

4、组合调压活塞之前由于注重对压力和温度的调节控制，工作过程中对发动机热效率提升不够显著，对压缩比的提高和新兴技术采用有较大依赖性。

另外，原气缸垫是一种连接缸盖和缸体的密封垫，包括金属或石棉等密封垫。

发明内容

本发明的目的就是为了兼容现有《组合调压活塞》所有优点并且显著提高热效率，对组合调压活塞进行改进，提供一种基于弹性消音抗撞击气缸垫的组合调压活塞。

本发明的目的是这样实现的：

包括气缸、外活塞、调压弹簧、内活塞、活塞销、卡簧和连杆；

其位置和连接关系是：在气缸内设置有外活塞，沿着气缸的中心线，外活塞、调压弹簧、内活塞、活塞销和连杆依次连接；在外活塞的内壁的下边设置有卡簧；

在缸盖和缸体之间设置有弹性消音抗撞击气缸垫。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、对发动机热效率和扭矩影响非常大，可使汽油机热效率提高7％左右，可使柴油机热效率提高5％左右；

2、在调压弹簧弹力可调控的情况下，可同时兼容组合调压活塞的所有优点，也不影响发动机外置附加机构比如涡轮增压和分层燃烧等作用的发挥。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是弹性消音抗撞击气缸垫8的结构示意图；

图3是气缸垫主体8.0的结构示意图。

图中：

1—气缸；   2—外活塞；  3—调压弹簧；4—内活塞；

5—活塞销； 6—卡簧；    7—连杆；

8—弹性消音抗撞击气缸垫，

   8.0—气缸垫主体，

      8.01—弹性钢板，

      8.02—圆孔，

8.03—弹性钢爪，

8.04—安装孔，

8.05—水道孔和油道孔；

   8.1—上密封垫；

   8.2—下密封垫。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

    一、结构

    1、总体

如图1，本发明包括气缸1、外活塞2、调压弹簧3、内活塞4、活塞销、卡簧6和连杆7；其位置和连接关系是：在气缸1内设置有外活塞2，沿着气缸1的中心线，外活塞2、调压弹簧3、内活塞4、活塞销5和连杆7依次连接；在外活塞2的内壁的下边设置有卡簧6；

在缸盖和缸体之间设置有弹性消音抗撞击气缸垫8。

2、新置换的弹性消音抗撞击气缸垫8的结构

如图2，弹性消音抗撞击气缸垫8由依次连接的上密封垫8.1、气缸垫主体8.0和下密封垫8.2组成。

如图3，所述的气缸垫主体8.0包括弹性钢板8.01、圆孔8.02、弹性钢爪8.03、安装孔8.04和水道孔和油道孔8.05；

在弹性钢板8.01的中部设置有圆孔8.02，在圆孔8.02的周边均匀对称地设置有弹性钢爪8.03，在圆孔8.02的外边设置有安装孔8.04、水道孔和油道孔8.05。

弹性钢板8.01由弹簧钢板制成；

弹性钢爪8.03向活塞方向翘起，翘起的爪面可适当镶嵌耐高温偏柔性的材料，尽可能减小消弱外活塞与钢爪接触声音碰撞强度；

弹性钢爪8.03的布置也要具有特定规律，主要布置气缸两侧面，不是布置在四周是因为相邻工作缸一般距离较小，布置钢爪后由于受活塞不断冲压，容易使缸体缸盖接触面翘曲变形，导致气缸密封不良，两侧弹性钢爪8.03成水平对称布置，弹性钢爪8.03翘起弧度也很讲究，相互交叉由外而内，由高到低。

上密封垫8.1和下密封垫8.2的结构形状同弹性钢板8.01，但无弹性钢爪，由薄钢片制成；

上密封垫8.1、气缸垫主体8.0和下密封垫8.2之间用铆钉连接或用胶水粘接。

外活塞2与弹性钢爪8.03接触部分需要镶嵌硬质刚性材料，主要是为了增强外活塞2碰撞部位的强度，同时减小外活塞2重量的变化保持外活塞的轻巧，同时外活塞2相对于内活塞4的可压缩行程要符合发动机的运转工况，对于调压弹簧3的弹力基本要求是等于各缸燃气的最高燃烧压力（在调压弹簧3的弹力还未被气体弹簧取代或者弹簧弹力还未达到可调可控时，目前只是单独针对本组合调压活塞工作原理来作说明用）。外活塞2、内活塞4和调压弹簧3的自由行程要符合本新结构的工作条件而有所改进。

工作机理：

本发明是根据曲轴转角变化所引起的燃烧室容积变化，以及混合气燃烧过程，结合气体体积与温度和压力相互之间的关系，总结出的方案。

压缩冲程和做功冲程：从曲轴转角上来说，曲轴运转一周是360度，0度到180度为做功冲程，180度到360为压缩行程，对于曲轴来说0度为上止点，180度为下止点。

对于以往的发动机来说曲轴上止点即为活塞上止点，曲轴下止点即为活塞下止点。

这里不同的是采用组合调压活塞，利用组合调压活塞内外活塞弹性连接的特点以及对其改进，再结合弹性消音抗撞击气缸垫来实现下列工作机理。

发动机在压缩和做功冲程工作情况如下；

压缩冲程；曲轴处于下止点，组合调压活塞内外活塞处于最大距离，内外活塞都处于下止点，随着曲轴的运转，当曲轴运转到355度加减5度左右即上止点前25度加减5度（这里取上止点前25度为基本参数并且忽略弹性消音抗撞击气缸垫爪面变形引起的体积变化）时组合调压活塞外活塞与弹性消音抗撞击气缸垫爪面相接触，外活塞达到上止点，此时曲轴继续运转外活塞受阻保持不动，内活塞随曲轴运转继续运动压缩调压弹簧,当曲轴运转到上止点即0度时，外活塞依然在上止点，内活塞达到上止点。

做功冲程；曲轴处于上止点继续运转，外活塞保持不动，调压弹簧伸展，内活塞随曲轴运转向下移动，当曲轴运转25度转角时，外活塞依然在上止点且与内活塞的距离达到最大值，这个时候就是混合气燃烧爆发最佳时期，随后曲轴继续运转内外活塞保持最大距离，随同曲轴的运转运动，接着就是排气冲程，然后是进气冲程，排气冲程中组合调压活塞运动情况同压缩冲程，进气冲程中组合调压活塞的运动情况同做功冲程。

本组合调压活塞的外活塞2与弹性消音抗撞击汽缸垫翘起弹性钢爪8.03接触过程；首先接触的是翘起最高且在同一平面最外侧的四个弹性钢爪8.03，接着压下弹性钢爪8.03，再接触下一组靠近四个最外侧，在同一平面的弹性钢爪8.03，压下再接触第三组，依此类推，最后接触中间翘起最低的弹性钢爪8.03，直到所有弹性钢爪8.03压低到预定高度时，外活塞2保持静止，每组弹性钢爪8.03之间的高低差距约0.15mm左右具体距离要根据实验得出噪音控制效果来定夺，当外活塞离开时次序相反由内而外，依次分离，弹性钢爪8.03回复到原来高度，迎接下一工作循环。

从压缩冲程和做功冲程的工作过程得出下列结论；

1、曲轴运转在上止点前后25度转角之间，外活塞始终保持静止状态，燃烧室容积保持不变，在这期间调压弹簧压缩所需能量等同释放能量（不计摩擦损失和压缩空气传热损失以及弹簧弹性变形的能量损失），也就是说这段过程中没有能量损失。

2、燃烧室最小容积在上止点前后25度转角之间保持不变，这个过程中的燃烧室容积与气缸最大容积之比为压缩比（这里引用压缩比是为混合气提供最佳预燃温度和预混合空间以及更好控制混合气燃烧过程，火花点燃型汽油机压缩比16比1左右，柴油机压缩比为22比1左右，不适合采用以往的压缩比，都需要有所提高才能达到良好的爆发性）。

3、燃烧爆发最佳时间推后到25度曲轴转角不再是上止点（理论值），燃烧爆发最佳理论时间可以是上止点到25度曲轴之间，但是由于克服调压弹簧需要较高的燃气压力，且做功能力不明显，散热损失较大，在调压弹簧弹力还没达到可调可控之前以25度曲轴转角为基准。

4、由于最佳燃烧爆发时间推迟到25度曲轴转角，而在25度曲轴转角时燃烧室具有较小空间，曲轴与连杆具有较大夹角（动力臂相较于上止点时有很大差距），也就是说活塞具备最大推动力，而曲轴具备良好做功能力，这会让发动机热效率和扭矩有很大提升。

以下是需要注意的问题；

1、由于外活塞需要支撑点，会产生碰撞引起噪音和损坏零部件，需要密切关注和改进，其次需要在发动机外添加隔音装置。

2、由于由于调压弹簧不可减免，而活塞与曲轴之间连接件较多，且移动量大不宜采用气压弹簧容易产生密封问题，而机械弹簧弹力调节难度很大，在这些方面非常伤脑筋，后续尾气排放处理也存在很大问题，由于做功能力增强排放废气温度降低很明显，常规三元催化器可能不再适合废气处理问题。

3、配气正时机构需要配套改进，柴油机喷油控制数据和汽油机的点火时间变动量很大，并且不能直接套用以前的数据，以前的数据只能做参考用，工作量非常大。

Claims (2)

1.一种基于弹性消音抗撞击气缸垫的组合调压活塞，

包括气缸（1）、外活塞（2）、调压弹簧（3）、内活塞（4）、活塞销（5）、卡簧（6）和连杆（7）；其位置和连接关系是：在气缸（1）内设置有外活塞（2），沿着气缸（1）的中心线，外活塞（2）、调压弹簧（3）、内活塞（4）、活塞销（5）和连杆（7）依次连接；在外活塞（2）的内壁的下边设置有卡簧（6）；

其特征在于：

在缸盖和缸体之间设置有弹性消音抗撞击气缸垫（8）。

2.按权利要求1所述的组合调压活塞，其特征在于：

所述的弹性消音抗撞击气缸垫（8）由依次连接的上密封垫（8.1）、气缸垫主体（8.0）和下密封垫（8.2）组成；

气缸垫主体（8.0）包括弹性钢板（8.01）、圆孔（8.02）、弹性钢爪（8.03）、安装孔（8.04）和水道孔（8.05）；

在弹性钢板（8.01）的中部设置有圆孔（8.02），在圆孔（8.02）的周边均匀对称地设置有弹性钢爪（8.03），在圆孔（8.02）的外边设置有安装孔（8.04）和水道孔（8.05）；

所述的上密封垫（8.1）和下密封垫（8.2）的结构形状与气缸垫主体（8.0）相同，但无弹性钢爪。