CN104712428B - 带有节流腔、副曲轴（正时轴）的逆压缩比内燃机 - Google Patents
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Abstract
带有节流腔、副曲轴(正时轴)的逆压缩比内燃机，属于机械领域。在扩展正时轴的功能，引入逆压缩比的机制，将在汽缸燃烧饿功率输出全程获得相对大的做功冲程的行程几瞬时速度；首次引入节流腔的结构，通过阀门来来改变燃烧室的体积及等效体积，连续改变压缩比；大大的提高了效率及提升了功率密度，配合直喷技术将会更好；极大的改善效率，可以广泛应用于汽油及柴油机及工业机械产品中。
Description
本发明属于机械领域。
内燃机的尾气压力仍有巨大能量，而固定的曲轴运转在压缩比的限制下及整个系统条件的约束下，无法充分展开膨胀做功冲程的行程，在电磁气门技术的条件下，一些内燃机的冗余设计是在低功率输出时采用完关闭进气气门的方法，获得相对高的等效压缩比，提高了该功率区段的效率，但高功率输出时无效；过大的压缩比对于汽油机来说，易于产生爆震，限制了效率的整体提高。
技术背景：截止到2011年文献共有5个技术方案：
方案1：汽缸盖(或带汽缸组件整体)位移式：以坤宝SUV发动机为代表，2000年出现，节能显著，但调整需要过多能量，增重较大，整体装配性欠佳。
方案2：偏心位移式：借助活塞销、连杆大头销或曲轴中心轴的整体偏移来实现；困难在于，运动部件的机械控制问题，2003年FEV公司提出了曲轴中心轴的整体偏移方法，但未件样机。
方案3：多连杆式：尽管日本日产及法国MEC公司在2005年都推出了各自的多连杆样机，实际上是3节4转轴的机构，复杂于方案1且结构臃肿，性价比差。
方案4：改变活塞高度式：奔驰公司提出利用液压技术，美国一家公司提出利用弹性件，由于原理性困境，未件样机。
方案5：改变汽缸容积式：瑞典LUND技术学院提出在汽缸盖上加有1套完整的小的活塞连杆系统，密封、耐热、润滑的不可弱视性限制了其实用化发展。
本发明目的：在扩展正时轴的功能，引入逆压缩比的机制，将在汽缸燃烧饿功率输出全程获得相对大的做功冲程的行程几瞬时速度；首次引入节流腔的结构，通过阀门来来改变燃烧室的体积及等效体积，连续改变压缩比；大大的提高了效率及提升了功率密度，配合直喷技术将会更好。
本发明特点：仅仅增加了副连杆、节流腔及节流阀部件就可以完成压缩比饿连续改变压缩比及逆压缩比。
技术关键为：
实现逆压缩比内燃机的技术关键为：
主要相关部件的安装及工作状态是：活塞(1)直接连接在主连杆(2)上的1端，而主连杆(2)上的另1端连接在副连杆(3)的中部副曲柄销(6)上；副连杆(3)的1端连接在主曲柄销(14)上，另1端连接在副曲柄销(15)上；副曲轴(4)与主曲轴(5)是通过正时小齿轮(7)与正时大齿轮(8)齿合连接同步的，正时小齿轮(7)与正时大齿轮(8)的齿数比为：1：2；这就使：当副曲轴(4)转动1周时，主曲轴(5)则转动2周。
副连杆(3)上加工有连杆滑道(11)，滑块(9)可以在其中约束下自由滑动，滑块孔(10)开在滑块(9)上，而滑块(9)作为副连杆(3)的一部分与副曲柄销(15)铰连接；就是滑块(9)即可以沿着连杆滑道(11)滑动又可以 在副曲柄销(15)的约束下作圆周运动。
连杆滑道(11)可以是直线型的，也可以是弧线型的，弧度的选取应考虑热力学循环特点。
2个连杆之间的位置装配关系是这样的：因为主曲轴(5)转动2周时，副曲轴(4)转动1周(也可以用链轮系统)，具体位置配合关系为：当主曲轴(5)上的主曲柄销(14)位于最下端时(最远离气缸顶时)，副曲轴(4)的副曲柄销(6)也位于最下端；在此位置状态下，继续转动1周(360度)主曲轴(5)，主曲柄销(14)再次回到了最下端位置，最下端位置也就是活塞(1)位于下止点的位置；由于正时小齿轮(7)与正时大齿轮(8)的齿数比为：1：2关系，副曲轴(4)则转动半周，此时副曲柄销(6)则位于最上端；因而活塞将有2个下止点位置。
而活塞处于上止点位置时，由于连杆滑道(11)的走向覆盖副曲柄销的处于最左端及最右端的位置(就是说：活塞处在上止点时，副连杆(3)上的杆滑道(11)可以容纳滑块(9)处于副曲柄销(6)约束其在最左端及最右端的2位置上)，无论副曲柄销(6)的位置是在左端还是在右端(左右是相对于副曲轴转动中心而言的)，所获得的副连杆(3)的位置姿态都是相同的，因而活塞上止点只有1个位置。
因而；4个冲程中，活塞将交替到达不同的下止点，我们选择活塞行程较长的为做工冲程，而活塞行程较短的为吸气冲程，燃料的利用率将能极大得到提高。
由于燃气的快速及大体积的膨胀，内能更多的转换成输出功，对汽缸套的散热量下降数倍，水冷系统有望用风冷系统取替。
逆压缩比是反向提高压缩比的反演方法：以做功体积与压缩体积之比来计算，会有很大增加，而没有绝对增加最大的气缸压缩气体压力值。
概括的讲：使用了双曲轴系统：即副曲轴及主曲轴，且副连杆的2端孔或1个端孔及中间孔分别连接于副曲柄销、主曲柄销上；副连杆的形状满足于，当活塞处于上止点位置时，连杆滑道(11)的走向要覆盖副曲柄销的处于最左端及最右端的位置：即活塞处在上止点时，副连杆(3)上的杆滑道(11)可以容纳滑块(9)处于副曲柄销(6)约束其在最左端及最右端的2位置上，无论副曲柄销(6)的位置是在左端还是在右端，所获得的副连杆(3)的位置姿态都是相同的，因而活塞上止点只有1个相同的位置；副曲轴、主曲轴为定轴转动，且副曲轴的转动速度是主曲轴转动速度的50％；副曲轴可以兼做正时轴，用以安装凸轮驱动挺杆推动气门；2个曲轴刚好共同分担力量，减少了对强度的要求。
实现节流腔压缩比控制的技术关键：
主要相关部件的安装及工作状态是：节流阀(20)被节流阀驱动电机(21)驱动；转动节流阀(20)将使得节流阀上的节流孔(24)对准通道(23)使得燃烧室(13)与节流腔(22)连通；或是节流孔(24)垂直于通道(23)使得燃烧室(13)与节流腔(22)处于隔断状态。
当节流阀驱动电机(21)转动节流阀(20)，使得节流孔(24)即不垂直于也不平行与通道(23)的情况下，燃烧室(13)与节流腔(22)处于节流状态，暴露在通道上的开口面积有所减少，气体流通阻力变大，此时节流腔(22)的压力的变化要滞后于燃烧室(13)压力饿变化，气体流通的阻力程度可以由节流阀(20)的转动角度决定。
节流腔(22)是个密封的小尺度的空间，仅仅相当于汽缸容积的1/20左右。
当内燃机小油量时，能承受较大的压缩比，节流腔(22)处于隔断状态；当大负荷高温下，被迫降为较小的压缩比状态，酌情选择节流的中间状态。
概括的讲：在燃烧室的顶部附近加工有用于缓冲及限制燃烧室极端压力的节流腔；可通过转动或轴向移动节流阀使得节流孔被部分阻挡，获得燃烧室与节流腔的连同程度；节流腔除了由通道与燃烧室连同之外，处于绝对密封状态。
以下结合附图对本发明作进一步说明：
图1带有逆压缩比功能的内燃机原理示意图
图2燃烧室节流腔及节流阀的变压缩比调控原理示意图
图示说明：
1 活塞
2 主连杆
3 副连杆
4 副曲轴(显示部分为曲柄)
5 主曲轴(显示部分为曲柄)
6 副曲柄销
7 小齿轮
8 大齿轮
9 滑块
10 滑块孔
11 连杆滑道
12 副连杆销
13 燃烧室
14 主曲柄销
15 主曲轴转动中心线
16 副曲轴转动中心线
20 节流阀
21 节流阀驱动电机
22 节流腔
23 通道
24 节流孔
25 火花塞
26 汽缸
如图1所示：
活塞(1)直接连接在主连杆(2)上的1端，主连杆(2)上的另1端连接在副连杆(3)的中部副曲柄销(6)上(曲柄销是紧配固定在曲柄上)；副连杆(3)的1端连接在主曲柄销(14)上(曲柄销是紧配固定在曲柄上)，另1端连接在副曲柄销(15)上；副曲轴(4)与主曲轴(5)是通过正时小齿轮(7)与大齿轮(8)齿合连接的，正时小齿轮(7)与大齿轮(8)的齿数比为：1：2。
副曲轴(4)转动1周时，主曲轴(5)则转动2周。
副连杆(3)上加工有连杆滑道(11)，滑块(9)可以在其中约束下自由滑动，滑块孔(10)加工在滑块(9)上，而滑块(9)作为副连杆(3)的一部分 与副曲柄销(15)铰连。
这样因为主曲轴(5)转动2周时，副曲轴(4)转动1周，设定系统连接的位置关系为：当主曲轴(5)上的主曲柄销(14)位于最下端时，副曲轴(4)的副曲柄销(6)也位于最下端；在此位置状态下，继续转动1周(360度)主曲轴(5)，主曲柄销(14)再次回到了最下端位置，最下端位置也就是活塞(1)位于下止点的位置；由于小齿轮(7)与大齿轮(8)的齿数比为：1：2关系，副曲轴(4)则转动半周，此时副曲柄销(6)则位于最上端；因而活塞将有2个下止点位置。
而活塞处于上止点位置时，由于连杆滑道(11)在此位置状态下的方向取向是水平方向的，无论副曲柄销(6)的位置是在左端还是在右端，所获得的副连杆(3)的位置姿态都是相同的，因而活塞上止点只有1个位置。
因而；4个冲程中，活塞将交替到达不同的下止点，我们选择活塞行程较长的为做工冲程，而活塞行程较短的为吸气冲程，燃料的利用率将能极大得到提高。
由于燃气的快速及大体积的膨胀，内能更多的转换成输出功，对汽缸套的散热量下降，水冷系统有望用风冷系统取替。
(13)为燃烧室，由于视图切面的关系，曲轴中心轴等部分未画出，由于都是人所公知部分，但不影响本技术的解释。
(15)为主曲轴转动中心线，(16)为副曲轴转动中心线；它们垂直于纸面，是曲轴的中心轴属于固定转动轴。
副曲轴(4)可以兼作为正时轴，带动挺杆驱动气门开闭。这样不至于过多的占用额外空间。
如图2所示：
节流阀(20)被节流阀驱动电机(21)驱动；转动节流阀(20)将使得节流阀上的节流孔(24)对准通道(23)使得燃烧室(13)与节流腔(22)连通；或是节流孔(24)垂直于通道(23)使得燃烧室(13)与节流腔(22)处于隔断状态；(1)为活塞，(2)为主连杆。
当节流阀驱动电机(21)转动节流阀(20)使得节流孔(24)即不垂直于也不平行与通道(23)的情况下，燃烧室(13)与节流腔(22)处于节流连通状态，此时节流腔(22)的压力的变化要晚于燃烧室(13)压力饿变化，节流程度可以由节流阀(20)的转动角度决定，即节流孔(24)的被阻挡程度。
节流腔(22)是个密封的小尺度的空间，仅仅相当于汽缸容积的1/20左右。
当内燃机小油量时，能承受较大的压缩比，节流腔(22)处于隔断状态；当大负荷高温下，被迫降为较小的压缩比状态，酌情选择节流的中间状态。
各气缸的节流腔的节流阀可以统一控制。用一根统一的杆逐级串联起来，由于是旋转运动，密封问题易于解决，可以用更耐高温的陶瓷表面材料，积碳的累积无多大影响，反而一定程度上加强了密封性，略有泄露也无太大影响，无异于小量的减小了压缩比的上限。
对图1及图2的附加说明：对图中所指示的副曲轴(4)及主曲轴(5)部位，相当于曲轴柄部分。图中的3个固定标记符号代表曲轴中心主轴及汽缸是定轴及固定部件。
Claims (3)
1.带有副曲轴的内燃机逆压缩比控制的方法：其主要相关部件有：气缸、活塞、主连杆、副连杆、副曲轴、主曲轴、副曲柄销、主曲柄销、滑块、连杆滑道、副连杆销；安装关系为：活塞(1)直接连接在主连杆(2)上的1端，而主连杆(2)上的另1端连接在副连杆(3)的中部副曲柄销(6)上；副连杆(3)的1端连接在主曲柄销(14)上，另1端连接在副曲柄销(15)上；副曲轴(4)与主曲轴(5)是通过正时小齿轮(7)与正时大齿轮(8)齿合连接同步的，正时小齿轮(7)与正时大齿轮(8)的齿数比为：1：2；这就使：当副曲轴(4)转动1周时，主曲轴(5)则转动2周；副连杆(3)上加工有连杆滑道(11)，滑块(9)可以在其中约束下自由滑动，滑块孔(10)开在滑块(9)上，而滑块(9)作为副连杆(3)的一部分与副曲柄销(15)铰连接；就是滑块(9)既可以沿着连杆滑道(11)滑动又可以在副曲柄销(15)的约束下作圆周运动；连杆滑道(11)是直线型的或者是弧线型的；2个连杆之间的位置装配关系是这样的：因为主曲轴(5)转动2周时，副曲轴(4)转动1周，传动方式为齿轮传动或链轮系统，具体位置配合关系为：当主曲轴(5)上的主曲柄销(14)位于最下端时，副曲轴(4)的副曲柄销(6)也位于最下端；在此位置状态下，继续转动1周(360度)主曲轴(5)，主曲柄销(14)再次回到了最下端位置，最下端位置也就是活塞(1)位于下止点的位置；由于正时小齿轮(7)与正时大齿轮(8)的齿数比为：1：2关系，副曲轴(4)则转动半周，此时副曲柄销(6)则位于最上端；因而活塞将有2个下止点位置；而活塞处于上止点位置时，由于连杆滑道(11)的走向覆盖副曲柄销的处于最左端或最右端的位置，就是说：活塞处在上止点时，副连杆(3)上的杆滑道(11)可以容纳滑块(9)处于副曲柄销(6)约束其在最左端或最右端的2位置上，无论副曲柄销(6)的位置是在左端还是在右端：左右是相对于副曲轴转动中心而言的，所获得的副连杆(3)的位置姿态都是相同的，因而活塞上止点只有1个位置；因而；4个冲程中，活塞将交替到达不同的下止点，我们选择活塞行程较长的为做工冲程，而活塞行程较短的为吸气冲程；其特征就在于：使用了双曲轴系统：既副曲轴及主曲轴，且副连杆的2端孔或1个端孔及中间孔分别连接于副曲柄销、主曲柄销上；副连杆的形状满足于，当活塞处于上止点位置时，连杆滑道(11)的走向要覆盖副曲柄销的处于最左端或最右端的位置：既活塞处在上止点时，副连杆(3)上的杆滑道(11)可以容纳滑块(9)处于副曲柄销(6)约束其在最左端及最右端的2位置上，无论副曲柄销(6)的位置是在左端还是在右端，所获得的副连杆(3)的位置姿态都是相同的，因而活塞上止点只有1个相同的位置；副曲轴、主曲轴为定轴转动，且副曲轴的转动速度是主曲轴转动速度的50％；副曲轴可以兼做正时轴，用以安装凸轮驱动挺杆推动气门。
2.根据权利要求1带有副曲轴的内燃机逆压缩比控制的方法，所述的逆压缩比控制，其特征就在于：逆压缩比控制也能由节流腔压缩比控制来实现；其主要相关部件有：节流阀、节流阀驱动电机或液压驱动器或气压驱动器、节流腔、通道、节流孔；基本工作原理：节流阀(20)被节流阀驱动电机(21)驱动；转动节流阀(20)将使得节流阀上的节流孔(24)对准通道(23)使得燃烧室(13)与节流腔(22)连通；或是节流孔(24)垂直与通道(23)使得燃烧室(13)与节流腔(22)处于隔断状态；各个汽缸的压缩比的调控既可以是同步的也可以是各自独立异步的；当节流阀驱动电机(21)转动节流阀(20)，使得节流孔(24)既不垂直于也不平行与通道(23)的情况下，燃烧室(13)与节流腔(22)处于节流状态，暴露在通道上的开口面积有所减少，气体流通阻力变大，此时节流腔(22)的压力的变化要滞后于燃烧室(13)压力变化，气体流通的阻力程度可以由节流阀(20)的转动角度决定；节流腔(22)是个密封的小尺度的空间，仅仅相当于汽缸容积的1/20左右；当内燃机小油量时，能承受较大的压缩比，节流腔(22)处于隔断状态；当大负荷高温下，被迫降为较小的压缩比状态，选择节流的中间状态；其根本特征就在于：在燃烧室的顶部附近加工有用于缓冲及限制燃烧室极端压力的节流腔；可通过转动或轴向移动节流阀使得节流孔被部分阻挡，获得燃烧室与节流腔的连通程度；节流腔除了由通道与燃烧室连通之外，处于绝对密封状态。
3.一种逆压缩比及缓冲压缩比内燃机，其特征在于采用了权利要求1或2所述的方法。
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