CN104727939A - 对置式可变压缩比曲轴-活塞驱动方法及组件 - Google Patents

Abstract

对置式可变压缩比曲轴-活塞驱动方法及组件，属于机械领域。在开创性的建立对置式发动机可调压缩比新技术路线；以2维滑动约束来代替传统活塞连杆的双铰轴约束，调整滑道斜面的轴向位移，就可以改变压缩比，动平衡性好，对汽缸壁的压力大大小于活塞—连杆机构，易于调整压缩比，结构略有复杂，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

对置式可变压缩比曲轴-活塞驱动方法及组件

本发明属于机械领域。

可变压缩比的目的在于提高增压发动机的燃油经济性。在增压发动机中，为了防止爆震.其压缩比低于自然吸气式发动机。在增压压力低时热效率降低.使燃油经济性下降。特别在涡轮增压发动机中由于增压度上升缓慢在低压缩比条件下扭矩上升也很缓慢.形成所谓的增压滞后现象。也就是说，发动机在低速时，增压作用滞后.要等到发动机加速至一定转速后增压系统才起到作用。为了解决这个问题，可变压缩比是重要方法。就是说.在增压压力低的低负荷工况使压缩比提高到与自然吸气式发动机压缩比相同或超过:另一方面.在高增压的高负荷工况下适当降低压缩比。换言之，随着负荷的变化连续调节压缩比.以便能够从低负荷到高的整个工况范围内有提高热效率。

一般发动机的压缩比是不可变动的，因为燃烧室容积及气缸工作容积都是固定的参数，在设计中已经定好。不过，为了使得现代发动机能在各种变化的工况中发挥更好的效率，以变对变来改善发动机的运行性能。其中气门可变驱动技术早已实现，做为重要参数的压缩比也有人尝试由固定不变改为“随机应变”，但由于涉及压缩比必然要涉及到整个发动机结构的改变，牵一而动百，难度很大，长期没有进展。现在这一难题已被瑞典的saab工程师克服。

Saab开发的SVC发动机以改变压缩比来控制发动机的燃油消耗量。它的核心技术就是在缸体与缸盖之间安装楔型滑块，缸体可以沿滑块的斜面运动，使得燃烧室与活塞顶面的相对位置发生变化，改变燃烧室的客积，从而改变压缩比。其压缩比范围可从8：1至14：1之间变化。在发动机小负荷时采用高压缩比以节约燃油；在发动机大负荷时采用低压缩比，并辅以机械增压器以实现大功率和高扭矩输出。Saab SVC发动机是1.6升5缸发动机，每缸缸径68毫米，活塞行程88毫米，最大功率166千瓦，最大扭矩305牛顿米，综合油耗比常规发动机降低了30％，并且满足欧洲Ⅳ号排放标准。

就对置发动机而言，还未件有可调压缩比方案的报导，然而：水平对置式发动机的最大优点是其产生的横向震动容易为支架吸收，能有效地降低全车较重的发动机重心，使得在设计全车配重时更容易达到整体平衡！克服的不良因素如上所述：1.降低了由竖直布置而引起的较大震动以及噪声2.较低的重心位置使其更容易在整车布置，减低整车重心，增加整车的稳定性。

技术发展背景：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： 

开创性的建立对置式发动机可调压缩比新技术路线；以2维滑动约束来代替传统活塞连杆的双铰轴约束，调整滑道斜面的轴向位移，就可以改变压缩比。

本发明特点： 

动平衡性好，对汽缸壁的压力大大小于活塞—连杆机构，易于调整压缩比，结构略有复杂。

技术关键为： 

基本机构采用：活塞(1)及活塞(12)与连杆(2)刚性连接，连杆(2)也与连杆滑块(3)刚性连接；连杆滑块(3)带动整个活塞(1)在加工在滑块支架(4)及滑块支架(5)上的轴向滑道(7)约束下，作沿曲轴中心轴(主轴)方向上的往复运动，支架连桥(6)及支架连桥(19)。

轴瓦滑块(9)分成上下2块，用轴瓦滑块紧固栓(10)连接，能沿着加工在滑块支架(4)及滑块支架(5)上的垂向滑道(8)上往复滑动，该垂直滑道的走向与活塞及曲轴中心轴(主轴)方向的2直线所组成的平面垂直。

为了能看清配合关系，曲轴组件是分开画的，曲柄栓(16)的中心轴为曲柄栓轴线BI-B2(11)及曲柄栓轴线AI-A2(14)是重合的，曲柄栓(16)是滑配轴瓦滑块(9)组件的轴孔的。

(13)为汽缸的导向圆拄面，曲轴主轴部分(17)是固定转轴，被轴瓦约束；(15)及(18)是曲轴主轴轴线Q1-Q2的不同区段。

滑块支架(4)与滑块支架(5)的连接，即可以是刚性连接，各自延长2个结构用螺栓刚性连接，也可以使用一组刚性连接的平行柱组件连接2者，即在滑块支架(4)与滑块支架(5)加工与垂向滑道(8)平行的孔，再将该一组刚性连接的平行柱组件的柱插入孔中，加封平行柱端部，使其不会脱出；使得2个活塞有沿着垂向滑道(8)的方向运动的独立自由度。

显然；当曲轴绕着曲轴主轴轴线Q1-Q2转动时，曲柄栓(16)带动连杆滑块(3)做圆周运动，连杆滑块(3)则驱动活塞，在汽缸(13)的约束下作直线运动。

受力情况：所有接触面都是面接触，垂直方向(汽缸壁/横向)力产生于垂向滑道(8)的摩擦力，约为实时正压力的2％左右；当滑块支架(4)与滑块支架(5)刚性连接时，该力被2个活塞承担，如果用一组刚性连接的平行柱组件连接的情况下，被1个活塞承担，处于相对不利局面，但放款了对2侧汽缸的装配精度要求。就对汽缸壁的压力与现有的连杆机构相比，压力峰制值至少减少1倍以上，整体压力的时间积分值减小数倍。

变压缩比调整采用：直接将滑块支架(4)及滑块支架(5)上的倾斜滑道(26)的走向改变，即滑道面的法线(20)及滑道面的法线(21)不再指向活塞的运动方向，而是与活塞的运动方向有一定的夹角Φ，一般不会超过20度，且该法线(20)及(21)处于活塞运动的中轴线与曲轴主轴轴线Q1-Q2所组成的平面内， 如滑道面的法线(20)及滑道面的法线(21)所标识的方向。

当曲轴轴向运动时，将带动滑块支架(4)及滑块支架(5)以及倾斜滑道(26)等一起轴向运动，由于倾斜滑道(26)不垂直于活塞的运动方向，相当于1个斜面滑道；因而改变活塞到达汽缸上的位置，也就是改变了压缩比。

这样就需要一个驱动装置来驱动曲轴的整体轴向位移，而驱动轴的位移可以多段式的套轴构造。

情形2：

在情形1下：的结构基础上，在滑块支架(4)及滑块支架(5)连杆滑块(3)(见图1所示)与倾斜滑道(26)之间加装过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)，过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)的与活塞运动方向垂直的那个滑道与连杆滑块(3)(见图1所示)嵌配，而过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)的不与活塞运动方向垂直的那个滑道与倾斜滑道(26)嵌配。

由于过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)的倾斜角度与倾斜滑道(26)的倾斜角度相等，配合之后就可以保证过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)与连杆滑块(3)所配合的滑动方向保持与活塞运动方向垂直的滑动状态。这样使得活塞最大减少对汽缸壁的压力。

此种情况下的压缩比的调整方式：驱动滑道件(25)的凹槽用于容纳过度滑块拨柱(24)，驱动滑道件(25)的凹槽的槽的走向与活塞的运动方向完全相同，因而不影响活塞饿往复运动；需要改变压缩比时：此时轴向平移驱动滑道件(25)，也就是沿着与活塞运动方向垂直的方向且与曲轴中心轴相同的方向平移，因而拉动过度滑块沿着已经倾斜的倾斜滑道(26)滑动，因而拉动活塞略微移动，改变压缩比。

需要重点强调：本发明中倾斜滑道的角度要小于摩擦角，这样的话汽缸燃烧室压力压迫滑道斜面不会产生横向滑动，但是很小的横向力就能使得其运动(此时斜面大于摩擦角)。

以下结合附图对本发明作进一步说明：

图1一种对置式曲轴-活塞组件示图。

图2轴向滑动式变压缩比机构示意图。

图示说明： 

1 活塞

2 连杆

3 连杆滑块

4 滑块支架

5 滑块支架

6 支架连桥

7 轴向滑道

8 垂向滑道

9 轴瓦滑块

10 轴瓦滑块紧固栓

11 曲柄栓轴线BI-B2

12 活塞

13 汽缸

14 曲柄栓轴线AI-A2

15 曲轴主轴轴线Q1-Q2

16 曲柄栓

17 曲轴主轴部分 

18 曲轴主轴轴线Q1-Q2

19 支架连桥

20 滑道面的法线 

21 滑道面的法线 

22 过度滑块斜滑道

23 过度滑块斜滑道

24 过度滑块拨柱 

25 驱动滑道件 

26 倾斜滑道

如图1所示：

活塞(1)及活塞(12)与连杆(2)刚性连接，连杆(2)也与连杆滑块(3)刚性连接；连杆滑块(3)带动整个活塞(1)在加工在滑块支架(4)及滑块支架(5)上的轴向滑道(7)约束下，作沿曲轴中心轴(主轴)方向上的往复运动，支架连桥(6)及支架连桥(19)。

轴瓦滑块(9)分成上下2块，用轴瓦滑块紧固栓(10)连接，能沿着加工在滑块支架(4)及滑块支架(5)上的垂向滑道(8)上往复滑动，该垂直滑道的走向与活塞及曲轴中心轴(主轴)方向的2直线所组成的平面垂直。

为了能看清配合关系，曲轴组件是分开画的，曲柄栓(16)的中心轴为曲柄栓轴线BI-B2(11)及曲柄栓轴线AI-A2(14)是重合的，曲柄栓(16)是用于滑配轴瓦滑块(9)组件的轴孔的。

(13)为汽缸的导向圆拄面，曲轴主轴(中心轴)部分(17)是固定转轴，被轴瓦约束(图中未画出)；(15)及(18)是曲轴主轴轴线Q1-Q2的不同区段。

滑块支架(4)与滑块支架(5)的连接，即可以是刚性连接方式，也就是各自延长2个结构后用螺栓方式固定锁紧；也可以是非刚性连接，即使用一件刚性结构的平行柱组件来连接2者，即在滑块支架(4)与滑块支架(5)上加工与垂向滑道(8)平行的多个孔，再将该件刚性连接的平行柱组件的柱插入这些孔中，封住平行柱端部，使其不会脱出；这样连接可以使得2个活塞有沿着垂向滑道(8)的方向运动的独立自由度；另外再有的一种情况是：轴瓦滑块(9)与垂向滑道(8)的为不可脱出状态(如燕尾状滑道类，只能约束2者沿着滑道方向往复滑动，而不能沿着其它方向相互移动)，此时可以不需要支架连桥(6)类似连接构造，此种情况简化结构，但是手力略差(横向分力将被单个活塞承担)。

显然；当曲轴绕着曲轴主轴轴线Q1-Q2转动时，曲柄栓(16)带动连杆滑块(3)做圆周运动，连杆滑块(3)则驱动活塞，在汽缸(13)的约束下作直线运动。

受力情况：所有接触面都是面接触，垂直方向(汽缸壁/横向)力产生于垂向滑道(8)的摩擦力，约为实时正压力的2％左右；当滑块支架(4)与滑块支架(5)刚性连接时，该力被2个活塞承担，如果用一组刚性连接的平行柱组件连接的情况下，被1个活塞承担，处于相对不利局面，但放款了对2侧汽缸的装配精度要求。就对汽缸壁的压力与现有的连杆机构相比，压力峰制值至少减少1倍以上， 整体压力的时间积分值减小数倍。

如图2所示：

将图1的结构稍微加以变化就可以得到2种可变压缩比结构。

情形1：

直接将滑块支架(4)及滑块支架(5)上的倾斜滑道(26)的走向改变，即滑道面的法线(20)及滑道面的法线(21)不再指向活塞的运动方向，而是与活塞的运动方向有一定的夹角Φ，一般不会超过20度，且该法线(20)及(21)处于活塞运动的中轴线与曲轴主轴轴线Q1-Q2所组成的平面内，如滑道面的法线(20)及滑道面的法线(21)所标识的方向。

当曲轴轴向运动时，将带动滑块支架(4)及滑块支架(5)以及倾斜滑道(26)等一起轴向运动，由于倾斜滑道(26)不垂直于活塞的运动方向，相当于1个斜面滑道；因而改变活塞到达汽缸上的位置，也就是改变了压缩比。

这样就需要一个驱动装置来驱动曲轴的整体轴向位移，而驱动轴的位移可以多段式的套轴构造。

需要说明：连杆滑块(3)的滑道方向是不垂直于活塞的运动方向，而是倾斜的刚好与倾斜了的轴向滑道(7)的滑道方向相同。

情形2：

在情形1下：的结构基础上，在滑块支架(4)及滑块支架(5)连杆滑块(3)(见图1所示)与倾斜滑道(26)之间加装过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)，过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)的与活塞运动方向垂直的那个滑道与连杆滑块(3)(见图1所示)嵌配，而过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)的不与活塞运动方向垂直的那个滑道与倾斜滑道(26)嵌配。

由于过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)的倾斜角度与倾斜滑道(26)的倾斜角度相等，配合之后就可以保证过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)与连杆滑块(3)所配合的滑动方向保持与活塞运动方向垂直的滑动状态。这样使得活塞最大减少对汽缸壁的压力。

此种情况下的压缩比的调整方式：驱动滑道件(25)的凹槽用于容纳过度滑块拨柱(24)，驱动滑道件(25)的凹槽的槽的走向与活塞的运动方向完全相同，因而不影响活塞饿往复运动；需要改变压缩比时：此时轴向平移驱动滑道件(25)，也就是沿着与活塞运动方向垂直的方向且与曲轴中心轴相同的方向平移，因而拉动过度滑块沿着已经倾斜的倾斜滑道(26)滑动，因而拉动活塞略微移动，改变压缩比；(9)为轴瓦滑块，(11)为曲柄栓轴线BI-B2。

由于是横向驱动，不需要很大能量，尤其是第2种情形，执行部件的质量较小，因而需要能量将更小，适合于频繁驱动。

Claims (3)

1.对置式曲轴-活塞驱动方法；其基本结构及装配为：活塞(1)及活塞(12)与连杆(2)刚性连接，连杆(2)也与连杆滑块(3)刚性连接；连杆滑块(3)带动整个活塞(1)在加工在滑块支架(4)及滑块支架(5)上的轴向滑道(7)约束下，作沿曲轴主轴中心轴方向上的往复运动；支架连桥(6)及支架连桥(19)起到连接滑块支架(4)及滑块支架(5)的作用，它们可以是滑块支架的延伸的一部分，也可以完全没有支架连桥部件，此时的轴瓦滑块(9)与垂向滑道(8)的滑道结合为嵌入状滑配结合；轴瓦滑块(9)分成上下2块，用轴瓦滑块紧固栓(10)连接，以便于安装，能沿着加工在滑块支架(4)及滑块支架(5)上的垂向滑道(8)上往复滑动，该垂直滑道的走向与活塞及曲轴中心轴(主轴)方向的2相交直线所组成的平面垂直；装配后，曲柄栓(16)的中心轴为曲柄栓轴线BI-B2(11)及曲柄栓轴线AI-A2(14)是重合的，曲柄栓(16)是滑配轴瓦滑块(9)组件的轴孔的；(13)为汽缸的导向圆拄面，曲轴主轴部分(17)是固定化转动轴，被轴承约束；(15)及(18)是曲轴主轴轴线Q1-Q2的不同区段；如果滑块支架(4)与滑块支架(5)要连接的话，即可以是刚性连接，各自延长如支架连桥状的2个结构件，并用螺栓刚性连接紧固，也可以使用一组刚性连接的平行柱组件连接2者，即在滑块支架(4)与滑块支架(5)加工与垂向滑道(8)平行的孔，再将该一组刚性连接的平行柱组件的柱插入孔中，加封平行柱端部，使其不会脱出；使得2个活塞有沿着垂向滑道(8)的方向运动的独立自由度；另外再有的一种情况是：轴瓦滑块(9)与垂向滑道(8)的为不可脱出状态(如燕尾状滑道类，只能约束2者沿着滑道方向往复滑动，而不能沿着其它方向相互移动)，此时可以不需要支架连桥(6)类似连接构造；显然；当曲轴绕着曲轴主轴轴线Q1-Q2转动时，曲柄栓(16)带动连杆滑块(3)做圆周运动，连杆滑块(3)则驱动活塞，在汽缸(13)的约束下作直线运动；受力情况：所有接触面都是面接触，垂直方向(汽缸壁/横向)力产生于垂向滑道(8)的摩擦力，约为实时正压力的2％左右；当滑块支架(4)与滑块支架(5)刚性连接时，该力被2个活塞承担，如果用一组刚性连接的平行柱组件连接的情况下，被1个活塞承担，处于相对不利局面，但放款了对2侧汽缸的装配精度要求。就对汽缸壁的压力与现有的连杆机构相比，压力峰制值至少减少1倍以上，整体压力的时间积分值减小数倍；其特征就在于：在对置式曲轴---活塞驱动系统中同时使用了相互正交的轴瓦滑块(9)与垂向滑道(8)的及连杆滑块与轴向滑道的配合关系；支架连桥(6)及支架连桥(19)起到连接滑块支架(4)及滑块支架(5)的作用，它们可以是滑块支架的延伸的一部分，也可以完全没有支架连桥部件，此时的轴瓦滑块(9)与垂向滑道(8)的滑道结合为嵌入状滑配结合，或者滑块支架(4)与滑块支架(5)是连接的话，即可以是刚性连接，各自延长如支架连桥状的2个结构件，并用螺栓刚性连接紧固，也可以使用一组刚性连接的平行柱组件连接2者，即在滑块支架(4)与滑块支架(5)加工与垂向滑道(8)平行的孔，再将该一组刚性连接的平行柱组件的柱插入孔中，加封平行柱端部，使其不会脱出；使得2个活塞有沿着垂向滑道(8)的方向运动的独立自由度，另外再有的一种情况是：轴瓦滑块(9)与垂向滑道(8)的为不可脱出状态(如燕尾状滑道类，只能约束2者沿着滑道方向往复滑动，而不能沿着其它方向相互移动)，此时可以不需要支架连桥(6)类似连接构造。

2.对置式可变压缩比曲轴-活塞驱动方法；该方法分情形1及情形2：情形1是直接将滑块支架(4)及滑块支架(5)上的倾斜滑道(26)的走向改变，即滑道面的法线(20)及滑道面的法线(21)不再指向活塞的运动方向，而是与活塞的运动方向有一定的夹角Φ，一般不会超过20度，且该法线(20)及(21)处于活塞运动的中轴线与曲轴主轴轴线Q1-Q2所组成的平面内，如滑道面的法线(20)及滑道面的法线(21)所标识的方向；当曲轴轴向运动时，将带动滑块支架(4)及滑块支架(5)以及倾斜滑道(26)等一起轴向运动，由于倾斜滑道(26)不垂直于活塞的运动方向，相当于1个斜面滑道；因而改变活塞到达汽缸上的位置，也就是改变了压缩比；这样就需要一个驱动装置来驱动曲轴的整体轴向位移，而驱动轴的位移可以多段式的套轴构造；情形2是：考虑在情形1下：的结构基础上，在滑块支架(4)及滑块支架(5)连杆滑块(3)(见图1所示)与倾斜滑道(26)之间加装过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)，过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)的与活塞运动方向垂直的那个滑道与连杆滑块(3)(见图1所示)嵌配，而过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)的不与活塞运动方向垂直的那个滑道与倾斜滑道(26)嵌配；由于过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)的倾斜角度与倾斜滑道(26)的倾斜角度相等，配合之后就可以保证过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)与连杆滑块(3)所配合的滑动方向保持与活塞运动方向垂直的滑动状态。这样使得活塞最大减少对汽缸壁的压力；此种情况下的压缩比的调整方式：驱动滑道件(25)的凹槽用于容纳过度滑块拨柱(24)，驱动滑道件(25)的凹槽的槽的走向与活塞的运动方向完全相同，因而不影响活塞饿往复运动；需要改变压缩比时：此时轴向平移驱动滑道件(25)，也就是沿着与活塞运动方向垂直的方向且与曲轴中心轴相同的方向平移，因而拉动过度滑块沿着已经倾斜的倾斜滑道(26)滑动，因而拉动活塞略微移动，改变压缩比；(9)为轴瓦滑块，(11)为曲柄栓轴线BI-B2。其特征就在于：在本发明的对置式曲轴---活塞驱动方法基础上，改变原滑块支架上的平直滑道为倾斜滑道(26)；连杆滑块(3)可以直接与倾斜滑道(26)嵌合，也可以通过过度滑块间接嵌合，即在情形1的结构基础上，在滑块支架(4)及滑块支架(5)连杆滑块(3)与倾斜滑道(26)之间加装过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)，过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)的与活塞运动方向垂直的那个滑道与连杆滑块(3)(见图1所示)嵌配，而过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)的不与活塞运动方向垂直的那个滑道与倾斜滑道(26)嵌配；由于过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)的倾斜角度与倾斜滑道(26)的倾斜角度相等，配合之后就可以保证过度滑块斜滑道(22)及过度滑块斜滑道(23)与连杆滑块(3)所配合的滑动方向保持与活塞运动方向垂直的滑动状态；活塞等效连杆长度的改变对于情形1是：通过轴向移动曲轴，情形2是通过使用驱动滑道件(25)的沿着曲轴中心轴线的方向的平移来驱动过度滑块拨柱(24)带动过度滑块轴向移动来牵引活塞相对位移，来改变等效连杆长度。

3.一种对置式曲轴-活塞装置；基本构造由：活塞、连杆、连杆滑块、滑块支架、滑块支架、轴向滑道、垂向滑道、轴瓦滑块、汽缸、曲柄栓、曲轴、或是包含过度滑块等组成；其技术原理使用了本发明的对置式曲轴-活塞驱动方法或及对置式可变压缩比曲轴-活塞驱动方法；其特征也就在于：在 结构中使用了对置式曲轴---活塞驱动方法和对置式可变压缩比曲轴---活塞驱动方法；或单一使用对置式曲轴-活塞驱动方法所制造的装置。