CN104653290A - 一种参数可调智能高性能发动机主构架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种参数可调智能高性能发动机主构架，通过曲柄摇杆机构、摆杆、摇杆滑块机构将曲轴的圆周运动转化为副活塞的上下往复直线运动，主副活塞所受侧向力、阻力均较小，发动机噪声低、热效率高；通过特定尺寸大小关系，发动机体积和重量大幅降低；排量调整机构调整发动机的排量、压缩比与发动机其它辅助系统协调工作实现发动机热力循环类型可调。本发明可以根据负载、路况的变化实时调节发动机排量、压缩比、热力循环，确保发动机在各种负载、路况下都有良好的工作条件，中小负载时该发动机的节能减排效果更明显,四缸发动机排量的最大调整范围在1.2～3.5之间，发动机压缩比的最大调整范围在6～26之间。

Description

一种参数可调智能高性能发动机主构架

技术领域

本发明涉及一种高性能发动机，更具体地说，涉及一种较传统发动机曲轴箱体积和发动机高度均较小，活塞所受侧向力小、热效率较高，且发动机排量、压缩比、热力循环均可调的高性能发动机。

背景技术

传统往复活塞式发动机受曲柄连杆机构与曲轴箱尺寸的限制，发动机排量、压缩比、热力循环难以调节，无法适应负载与路况的变化，因此限制了其性能的提高。

为了实现发动机排量可调，如专利申请号为200710056795.8、200910228632.2中所公开的压缩比可调式发动机，通过调节偏心块达到调节发动机压缩比的目的。这些机构虽然从原理上是可行的，但在实际应用中存在很多问题，如压缩比与排量的调节范围较小，发动机曲柄长度大、刚性差，发动机机体尺寸和重量明显增大、成本较高，连杆摆动幅度大、活塞所受侧向力较大、热效率低，并且实现发动机排量实时调节的控制难度较大，这些因素大大限制了其实际应用。

发明内容

为了解决传统往复活塞式发动机排量难以调节的问题以及压缩比可调式发动机设计中的不足，本发明提供了一种发动机排量、压缩比、热力循环均可调的高性能发动机，该发动机结构简单、小巧，强度大、刚性好，发动机体积和重量较小，成本低廉；实际应用时，活塞所受侧向力小、阻力小、热效率高，活塞敲缸可能性小、发动机噪声小；根据负载、路况的变化，电控系统根据内置控制算法，调节发动机排量、压缩比、热力循环，以实现在各种负载、路况下都有良好的工作条件。

本发明解决其技术问题，所采用的技术方案是：

一种高性能发动机主构架，由曲柄摇杆机构、摇杆滑块机构、排量调整机构组成；曲柄摇杆机构包括曲柄11、下连杆12、摆杆6，将曲轴的圆周旋转运动转化为摆杆6的上下往复摆动；摇杆滑块机构包括摆杆6、中连杆14、副活塞5、上连杆4、主活塞3，将摆杆6的往复摆动转化为副活塞5的上下往复直线运动；副活塞5通过上连杆4带动主活塞3运动；排量调整机构包括摆杆6、小型步进电机9、小齿轮10、大齿轮8、丝杆7、螺母13，通过小型步进电机9经齿轮调速机构10、8调速后驱动丝杆7旋转，带动螺母13进给，螺母13离小型步进电机9机座的距离L₃₀改变；所述曲轴曲拐长度L₁、下连杆12长度L₂、摆杆6长度L₃、排量调整机构中螺母离小型步进电机机座的距离L₃₀、中连杆14长度L₄、上连杆4长度L₅和气缸半径r、活塞行程H、曲轴主轴承座离小型步进电机机座距离L₀及其水平分量e之间满足尺寸要求：(1)L₁≤r；(2)L₅≤0.5H；(3)L₁≤L₃₀≤L₂≤L₀≤L₃≤L₄≤H；(4)L₁≤e≤L₀；(5)L₀+L₁—L₂≤L₃₀≤L₀—L₁+L₂。

发动机气缸数为z时的排量为：

$V_m=\mathrm{\π}{\mathrm{zr}}^2[L_3(\sin {\mathrm{\θ}}_1+\sin {\mathrm{\θ}}_2)+\sqrt{L_4^2-{(e-L_3\cos {\mathrm{\θ}}_1)}^2}-\sqrt{L_4^2-{(e-L_3\cos {\mathrm{\θ}}_1)}^2}],$

其中， ${\mathrm{\θ}}_1=\arccos \frac{L_{30}^2+L_0^2-{(L_1+L_2)}^2}{2L_{30}{L}_0}+\arcsin \frac{e}{L_0}-\frac{\mathrm{\π}}{2},$

${\mathrm{\θ}}_2=-\arccos \frac{L_{30}^2+L_0^2-{(L_2+L_1)}^2}{2L_{30}{L}_0}-\arcsin \frac{e}{L_0}+\frac{\mathrm{\π}}{2},$

通过小型步进电机驱动丝杆螺母机构调整L₃₀的尺寸大小，进而调整发动机的排量。

所述副活塞呈星型结构，副活塞与气缸套间通过圆柱副连接，副活塞与气缸套间的间隙为0.3～0.6mm。

电控系统通过小型步进电机驱动具有自锁功能的螺旋机构，调整主活塞行程，使四缸发动机排量的最大调整范围在1.2～3.5L之间；电控系统根据发动机工况、驾驶员意图，控制发动机进排气门、供油系统、小型步进电机及涡轮增压系统、废气再循环系统，使发动机热力循环类型可以调整，发动机压缩比的最大调整范围在6～26之间。该发动机在各种负载、路况下都有良好的工作条件，适用于各种道路与非道路车辆，尤其适用于满足国四及更高排放法规的中小型发动机市场。

本发明的工作原理及过程是：通过小型步进电机驱动丝杆螺母机构调整L₃₀的尺寸大小，进而调整发动机的排量；当电控系统检测到发动机需要加大排量时，电控系统控制小型步进电机驱动排量调整机构，大小齿轮对排量调整速度进行调节，丝杆旋转带动螺母进给调整主活塞行程，进而增大发动机排量、压缩比，当发动机达到所需排量、压缩比时，即停止小型步进电机，且丝杆螺母机构具有自锁特性，螺母和丝杆相对位置不会发生变化；当发动机需要减小排量时，电控系统控制小型步进电机反转，丝杆反向旋转带动螺母反向进给调整主活塞行程，进而减小发动机排量、压缩比，当发动机达到所需排量、压缩比时，即停止小型步进电机。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：第一，副活塞所受侧向力较小，主活塞不受侧向力，主副活塞所受阻力较小，发动机噪声低、热效率高；第二，通过各机构的特定尺寸大小关系，发动机体积和重量大幅降低，且各机构的强度大、刚性好；第三，电控系统根据负载、路况的变化控制排量调整机构调整发动机的排量、压缩比，与发动机进排气门、供油系统、涡轮增压系统、废气再循环系统等协调工作，可以实现发动机热力循环类型可调，确保发动机在各种负载、路况下都有良好的工作条件。

附图说明

图1是本发明采用的一种高性能发动机示意图，包括：1、排气门；2、气缸套；3、主活塞；4、上连杆；5、副活塞；6、摆杆(内部设置有排量调整机构)；7、丝杆；8、大齿轮；9、小型步进电机；10、小齿轮；11、曲柄；12、下连杆；13、螺母；14、中连杆；15、副活塞销；16、主活塞销；17、发动机机体；18、进气门；19、喷油器或火花塞。

图2是本发明的高性能发动机排量计算时所用到的各结构长度示意图。

图3是本发明的高性能发动机中摆杆6内部设置的排量调整机构的详细示意图。

图4是本发明的高性能发动机中副活塞5的结构示意图。

具体实施方式

本发明是一种高性能发动机，现结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，高性能发动机主要由曲柄摇杆机构、摇杆滑块机构、排量调整机构组成。曲柄摇杆机构包括曲柄11、下连杆12、摆杆6，将曲轴的圆周旋转运动转化为摆杆6的上下往复摆动；摇杆滑块机构包括摆杆6、中连杆14、副活塞5、上连杆4、主活塞3，将摆杆6的往复摆动转化为副活塞5的上下往复直线运动，副活塞5通过上连杆4带动主活塞3运动；排量调整机构包括摆杆6、小型步进电机9、小齿轮10、大齿轮8、丝杆7、螺母13，通过小型步进电机9经齿轮调速机构10、8调速后驱动丝杆7旋转，带动螺母13进给，螺母13离小型步进电机9机座的距离L₃₀改变，根据权利要求4所述，发动机排量、压缩比随之变化。所有的执行单元均由电控系统控制。

如图3所示，高性能发动机中摆杆6内部设置的排量调整机构主要由摆杆6、小型步进电机9、小齿轮10、大齿轮8、丝杆7、螺母13组成。当电控系统检测到发动机需要加大排量时，电控系统控制小型步进电机9驱动排量调整机构，小齿轮10、大齿轮8对排量调整速度进行调节，丝杆7旋转带动螺母13进给调整主活塞行程，进而增大发动机排量、压缩比，直至发动机达到所需排量、压缩比即停止小型步进电机9；当发动机需要减小排量时，电控系统控制小型步进电机9反转，丝杆7反向旋转带动螺母13反向进给调整主活塞行程，进而减小发动机排量、压缩比，直至发动机达到所需排量、压缩比即停止小型步进电机9。

如图4所示，高性能发动机中呈星型结构的副活塞5安装在气缸套2中，副活塞5与气缸套2之间有一定的间隙。

Claims (6)

1.一种参数可调智能高性能发动机主构架，由曲柄摇杆机构、摇杆滑块机构、排量调整机构及电控系统组成,其特征在于，曲柄摇杆机构包括曲柄11、下连杆12、摆杆6，将曲轴的圆周旋转运动转化为摆杆6的上下往复摆动；摇杆滑块机构包括摆杆6、中连杆14、副活塞5、上连杆4、主活塞3，将摆杆6的往复摆动转化为副活塞5的上下往复直线运动；副活塞5通过上连杆4带动主活塞3运动；排量调整机构包括摆杆6、小型步进电机9、小齿轮10、大齿轮8、丝杆7、螺母13，通过小型步进电机9经齿轮调速机构10、8调速后驱动丝杆7旋转，带动螺母13进给，螺母13离小型步进电机9机座的距离L₃₀改变；所述曲轴曲拐长度L₁、下连杆12长度L₂、摆杆6长度L₃、排量调整机构中螺母离小型步进电机机座的距离L₃₀、中连杆14长度L₄、上连杆4长度L₅和气缸半径r、活塞行程H、曲轴主轴承座离小型步进电机机座距离L₀及其水平分量e之间满足尺寸要求：(1)L₁≤r；(2)L₅≤0.5H；(3)L₁≤L₃₀≤L₂≤L₀≤L₃≤L₄≤H；(4)L₁≤e≤L₀；(5)L₀+L₁—L₂≤L₃₀≤L₀—L₁+L₂。

2.根据权利要求1所述之参数可调智能高性能发动机主构架，其特征在于，发动机气缸数为z时的排量为：

$V_m=\mathrm{\π}{\mathrm{zr}}^2[L_3(\sin {\mathrm{\θ}}_1+\sin {\mathrm{\θ}}_2)+\sqrt{L_4^2-{(e-L_3\cos {\mathrm{\θ}}_1)}^2}-\sqrt{L_4^2-{(e-L_3\cos {\mathrm{\θ}}_1)}^2}],$

其中， ${\mathrm{\θ}}_1=\arccos \frac{L_{30}^2+L_0^2-{(L_1+L_2)}^2}{{2L}_{30}{L}_0}+\arcsin \frac{e}{L_0}-\frac{\mathrm{\π}}{2},$

${\mathrm{\θ}}_2=-\arccos \frac{L_{30}^2+L_0^2-{(L_1-L_2)}^2}{{2L}_{30}{L}_0}-\arcsin \frac{e}{L_0}+\frac{\mathrm{\π}}{2},$

通过小型步进电机驱动丝杆螺母机构调整L₃₀的尺寸大小，进而调整发动机的排量，其中θ₁为活塞处于上止点时摆杆6与电机9机座的水平夹角，θ₂为活塞处于下止点时摆杆6与电机9机座的水平夹角。

3.根据权利要求1所述之参数可调智能高性能发动机主构架，其特征在于，所述副活塞呈星型结构，副活塞与气缸套间通过圆柱副连接，副活塞与气缸套间的间隙为0.3～0.6mm。

4.根据权利要求1所述之参数可调智能高性能发动机主构架，其特征在于，所述排量调整机构包括小型步进电机、螺旋调整机构，小型步进电机经齿轮调速机构调速后驱动具有自锁功能的螺旋机构，平稳调整主活塞行程，使四缸发动机排量的最大调整范围在1.2～3.5L之间。

5.根据权利要求1或4所述之参数可调智能高性能发动机主构架，其特征在于，所述排量调整机构中小型步进电机与摆杆固定连接，大齿轮与丝杆固定连接，丝杆与摆杆通过转动副连接，螺母与丝杆通过螺纹副连接。

6.根据权利要求1所述之参数可调智能高性能发动机主构架，其特征在于，所述电控系统根据发动机工况、驾驶员意图，智能控制发动机进排气门、供油系统、小型步进电机及涡轮增压系统、废气再循环系统，使发动机热力循环类型可以调整，发动机压缩比的最大调整范围在6～26之间。