CN104819205B - 可变压缩比的发动机曲轴机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变压缩比的发动机曲轴机构，包括曲柄副和主轴颈，曲柄副安装在相邻的两个主轴颈之间，曲柄副上端有用于和发动机活塞装配的曲柄销，其特征在于，还包括一个电动控制机构，曲柄副中的滑动曲柄与主轴颈滑动配合，电动控制机构中的纵向拉杆与曲柄副中滑动曲柄外侧的曲柄轴承铰接，纵向拉杆带动滑动曲柄在主轴颈上做向内或向外的滑动从而改变活动曲柄销与主轴颈间的距离，本发明通过电动控制机构调整曲柄销与主轴颈的距离来调整安装在曲柄销上的活塞的上止点和下止点，从而达到调整压缩比的目的，增强了发动机对燃油的适应性，增加了发动机运行的经济范围。

Description

可变压缩比的发动机曲轴机构

技术领域

本发明涉及汽车发动机领域，具体来说是一种可变压缩比的发动机曲轴机构。

技术背景

在电动车续航及其充电问题得到彻底解决前，车用内燃机还会在很长一段时间继续作为车辆的主要动力源。目前随着世界范围内对环保逐渐重视，与汽车环保相关法律法规也在逐渐收紧。拿我国《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》(以下称国五标准)和《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第中国Ⅲ、Ⅳ阶段阶段)》(以下称国四标准)对比为例。国五标准中对汽油车尾气中氮氧化物排放要求从国四标准的0.08g/Km降到0.06g/Km，下降达25％；而对颗粒物浓度的要求更是从0.025g/Km降到0.0045g/Km，降幅达82％。为了达到更加严苛的排放标准，提高发动机燃烧效率是必然途径。

可变压缩比能很好解决增压发动机在低转速下由于增压涡轮没有介入导致过低的燃烧效率的缺点。现在汽车企业大多是跨国企业，所设计的车销往世界各地，然而各地燃油品质参差不齐。为了追求高效率，现在发动机压缩比都比较高，这就提高了对燃油品质的要求。为了销往燃油品质不好地区的汽车专门重新设计发动机无疑花费巨大，而可变压缩比就可以很好解决这一问题，提高了汽车的适应性。

中国专利文献(专利号：CN103850809A)，提出了一类通过改变曲轴位置来改变压缩比的方法，主要解决了如何改变曲轴位置和改变曲轴位置后动力如何传动的问题。但曲轴位置改变给曲轴固定支撑问题提出了很大挑战，且用来在平行但不共线轴之间传动受力不均，传动部件容易磨损。中国专利文献(专利号：CN104302895A)，提出了通过在曲柄销和连杆之间加上一个杠杆机构，杠杆一端连接活塞连杆，另外一端连接控制杆，控制杆与机体之间通过一个偏心轮结构连接。如果以曲轴为主动件的视角来看，曲轴和活塞组成曲柄滑块机构，曲柄和控制杆组成曲柄摆杆结构，通过偏心轮转动改变摆杆与机体固定点位置来活塞上下止点位置改变压缩比。但是，该结构如果设计不好不能很好解决振动问题，在设计中需要大量计算验证来解决振动问题，设计复杂度过大；同时该结构改变了活塞往复运动的特性，对普通发动机运行特性的研究部分是去参考意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有发动机压缩比不可变而造成车辆适应性差，经济工作工况区域窄的问题；也针对解决现有可变压缩比发动机结构复杂需要对现有发动机作出很大变化才能实现的问题，提供了一种可变压缩比的发动机曲轴机构，本发明所采用的技术方案是：

可变压缩比的发动机曲轴机构，包括曲柄副和主轴颈，曲柄副安装在相邻的两个主轴颈之间，曲柄副上端有用于和发动机活塞装配的曲柄销，其特征在于，还包括一个电动控制机构，所述的曲柄副包括两个滑动曲柄、两个曲柄轴承和两个曲柄拉杆，与滑动曲柄下端对应的主轴颈上有外花键，滑动曲柄有与主轴颈上的花键齿相配合的内花键，滑动曲柄通过花键连接方式套在主轴颈上使滑动曲柄能在主轴颈上轴向滑动，滑动曲柄的上端与曲柄拉杆的下端通过曲柄拉杆螺栓铰接，滑动曲柄外侧安装有曲柄轴承，两个曲柄拉杆的上端与一个活动曲柄销通过曲柄拉杆螺栓铰接，电动控制机构中的纵向拉杆与滑动曲柄外侧的曲柄轴承铰接，纵向拉杆带动滑动曲柄在主轴颈上做向内或向外的滑动从而改变活动曲柄销与主轴颈间的距离。

进一步的技术方案为：

所述的曲柄副还包括曲柄轴承端盖、曲柄轴承上支座，曲柄轴承下支座、曲柄轴承座螺栓和纵向拉杆螺栓；每个滑动曲柄下端外侧有圆柱面，曲柄轴承通过曲柄轴承端盖、曲柄轴承上支座和曲柄轴承下支座固定在滑动曲柄下端外侧的圆柱面上，曲柄轴承上支座和曲柄轴承下支座的外侧通过曲柄轴承座螺栓固定在一起，滑动曲柄下端外侧的圆柱面上有曲柄轴承端盖螺纹和曲柄轴承定位轴肩，曲柄轴承的一端由曲柄轴承定位轴肩定位，曲柄轴承的另一端由曲柄轴承端盖定位，曲柄轴承端盖的内螺纹与曲柄轴承端盖螺纹旋紧，曲柄轴承上支座和曲柄轴承下支座通过纵向拉杆螺栓与电动控制机构中的纵向拉杆铰接。

所述的电动控制机构包括两个控制电机和连杆传动机构，连杆传动机构由控制丝杠，滑块螺母、竖向连杆、横向连杆，纵向拉杆，横向连杆螺栓组成；控制丝杠就是控制电机带有螺纹的输出轴，滑块螺母安装在控制丝杠上，竖向连杆固定在滑块螺母上，横向连杆的两端分别与竖向连杆连接，纵向拉杆一端通过横向连杆螺栓铰接安装在横向连杆上，纵向拉杆的另一端通过纵向拉杆螺栓安装到滑动曲柄上的曲柄轴承上支座和曲柄轴承下支座之间。

本发明通过电动控制机构调整曲柄销与主轴径的距离来调整安装在曲柄销上的活塞的上止点和下止点，从而达到调整压缩比的目的，本发明具有如下优点：

1.相对于不可变压缩比发动机，本发明压缩比可变，并且在一定范围内连续可变。这增强了发动机对燃油的适应性，增加了发动机运行的经济范围；

2.相对与现在一些可变压缩比发动机而言，本发明只需对发动机的曲轴做出调整，无需对发动机做出过大变化，增加了本发明的可行性；

3.由于压缩比是活塞在下止点位置气缸容积与活塞在上止点气缸容积的比值，本发明能做到上下止点位置同时调整。提高上止点的位置也降低下止点的位置，反之亦然。故本发明在调节压缩比方面效率更高；

4.本发明在调节压缩比的同时没有改变传统发动的运行特性，活塞，连杆等运动和普通发动机一样。已经得到的大量研究结论可以直接使用，节省了开发时间。

附图说明

图1是本发明中活动曲柄总成轴测图；

图2是本发明的部分剖视图，图中不包括电动控制机构、轴承上支座和轴承下支座；

图3是A-A截面的剖视图；

图4是本发明俯视部分剖视图；

图5是B-B截面的剖视图；

图6是本发明中控制杆总成的轴测图；

图7是本发明中活动曲柄总成的轴测图；

图8是本发明中活动曲柄总成的爆炸图；

图9是本发明滑动曲柄剖视图；

图10是本发明压缩比变化状态的示意图。

图中，1.曲柄轴承座螺栓、2.曲柄拉杆、3.滑动曲柄、4.曲柄轴承上支座、5.曲柄轴承下支座、6.控制丝杠、7.控制电机、8.曲柄销、9.横向连杆、10.纵向拉杆螺栓、11.横向连杆螺栓、12.纵向拉杆、13.尾段主轴颈、14.中段主轴颈、15.曲柄拉杆螺栓、16.首段主轴颈、17.曲柄轴承端盖、18.曲柄轴承、19.竖向连杆、20.滑块螺母、21.曲柄轴承端盖螺纹曲柄、22.曲柄轴承定位轴肩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明。

本实施方式以配合双缸发动机使用的本发明所述的可变压缩比的发动机曲轴机构为例，叙述本发明的结构：

本实施例中，有三个主轴径，如图2所示，为了方便描述，从左至右分别为首段主轴颈16、中段主轴颈14和尾段主轴颈13，首段主轴颈16的左端有一个法兰盘，沿法兰盘周向均匀分布4—6个螺纹孔用于和飞轮主体装配连接，飞轮主体通过飞轮螺栓安装在首段主轴颈16的法兰盘上，首段主轴颈16的右端圆柱面上加工有花键齿用于和滑动曲柄3的花键槽配合安装，并保证滑动曲柄3能在主轴颈上轴向滑动，首段主轴颈16左端法兰盘和右端圆柱面之间形成环槽用于和发动机机体安装定位，中间段主轴颈14的左端和右端圆柱面上沿周向加工有外花键，中间段主轴颈14的左端和右端的圆柱面之间加工有环槽，用于和发动机机体安装定位，尾端主轴颈13左端为加工有花键齿的圆柱面，右端圆柱面直径小于左端圆柱面直径，在右端圆柱面上有环状凸起用于发动机机体安装定位。

如附图3、7、6、8所示，本发明所述的可变压缩比的发动机曲轴机构，包括两个曲柄副和三个主轴颈，曲柄副上端有用于和发动机活塞装配的曲柄销8，每个曲柄副安装在相邻的两个主轴颈之间，两个曲柄副关于主轴径轴对称安装，所述的每个曲柄副包括两个滑动曲柄3、两个曲柄轴承18和两个曲柄拉杆2，与滑动曲柄3下端对应的主轴颈上有外花键，滑动曲柄3有与主轴颈上的花键相配合的内花键，滑动曲柄3通过花键连接方式套在主轴颈上使滑动曲柄3能在主轴颈上轴向滑动，滑动曲柄3的上端与曲柄拉杆2的下端通过曲柄拉杆螺栓15铰接，滑动曲柄3外侧安装有曲柄轴承18，两个曲柄拉杆2的上端与一个曲柄销8通过曲柄拉杆螺栓15铰接，第一个曲柄副中位于左侧的滑动曲柄3通过花键安装在首段主轴颈右端，第一个曲柄副中位于右侧的滑动曲柄3通过花键安装在中段主轴颈左端，第二个曲柄副中位于左侧的滑动曲柄3通过花键安装在中段主轴颈右端，第二个曲柄副中位于右侧的滑动曲柄3通过花键安装在尾端主轴颈的左端，以此类推，电动控制机构中的有四个纵向拉杆12分别与四个滑动曲柄3外侧的曲柄轴承18通过曲柄轴承上支座4和曲柄轴承下支座5连接，每个纵向拉杆12带动每个滑动曲柄3在主轴颈上做向内或向外的滑动从而改变曲柄销8与主轴间的距离。

如图1，8，9所示，所述的曲柄副还包括曲柄轴承端盖17、曲柄轴承上支座4，曲柄轴承下支座5、曲柄轴承座螺栓1和纵向拉杆螺栓10；每个滑动曲柄3下端外侧有圆柱面，曲柄轴承18通过曲柄轴承端盖17、曲柄轴承上支座4和曲柄轴承下支座5固定在滑动曲柄3下端外侧的圆柱面上，曲柄轴承上支座4和曲柄轴承下支座5的外侧通过曲柄轴承座螺栓1固定在一起，滑动曲柄3下端外侧的圆柱面上有曲柄轴承端盖螺纹21和曲柄轴承定位轴肩22，曲柄轴承18的一端由曲柄轴承定位轴肩22定位，曲柄轴承18的另一端由曲柄轴承端盖17定位，曲柄轴承端盖17的内螺纹与滑动曲柄3下端外侧圆柱面上的曲柄轴承端盖螺纹21旋紧，曲柄轴承上支座4和曲柄轴承下支座5的内侧通过纵向拉杆螺栓10与电动控制机构中的纵向拉杆12连接。电动控制机构包括两个控制电机7和连杆传动机构，连杆传动机构由两个控制丝杠6，两个滑块螺母20、两个竖向连杆19、一个横向连杆9，四个纵向拉杆12，三个横向连杆螺栓11组成；控制丝杠6就是控制电机7带有螺纹的输出轴，滑块螺母20安装在控制丝杠6上，竖向连杆19固定在滑块螺母20上，横向连杆9的两端分别与竖向连杆19连接，每个纵向拉杆12一端通过横向连杆螺栓11铰接安装在控制杆9上，每个纵向拉杆12的另一端通过纵向拉杆螺栓10安装到每个滑动曲柄3上的曲柄轴承上支座4和曲柄轴承下支座5之间，其中，与位于中段主轴径上的两个滑动曲柄3连接的两个纵向拉杆12配合并共用一个横向连杆螺栓11安装在横向连杆9上。

控制电机7为两端被稍微切除的圆柱体，切除部分形成的平面用于和发动机机体安装定位。

控制丝杠6与控制电机7同心安装，在控制丝杠6的圆柱面上加工有梯形螺纹。见图5，梯形螺纹没有占据整个圆柱面，而是在图中实线的位置停止，以保证控制杆9不能继续向右移动让滑动曲柄3滑出主轴颈的花键段。

本发明调节压缩比的过程：

见图10，实线表示低压缩比位置，虚线表示高压缩比位置。以发动机从高压缩比向低压缩比调节为例对本发明调节压缩比过程进行说明。见图1和图4，首先，控制电机7通过控制丝杠6带动控制杆9向上运动；然后，纵向拉杆12就会带动两个滑动曲柄3沿着主轴颈做分离运动；最后，见图10，在曲柄拉杆2的带动下曲柄销8向下运动了δ，也就是说活塞上止点向下移动δ，下止点向上移动δ。

设在图10虚线位置时，活塞在上止点时活塞以上气缸容积为V_T，活塞在下止点时活塞以上气缸容积为V_B，气缸截面积为A，那么开始时，发动机压缩比为：

而之后的压缩比为：

可见压缩比减小。而增大压缩比的过程就是上述过程的反向过程。

Claims (2)

1.可变压缩比的发动机曲轴机构，包括曲柄副和主轴颈，曲柄副安装在相邻的两个主轴颈之间，曲柄副上端有用于和发动机活塞装配的曲柄销(8)，其特征在于，还包括一个电动控制机构，所述的曲柄副包括两个滑动曲柄(3)、两个曲柄轴承(18)和两个曲柄拉杆(2)，与滑动曲柄(3)下端对应的主轴颈上有外花键，滑动曲柄(3)有与主轴颈上的花键齿相配合的内花键，滑动曲柄(3)通过花键连接方式套在主轴颈上使滑动曲柄(3)能在主轴颈上轴向滑动，滑动曲柄(3)的上端与曲柄拉杆(2)的下端通过曲柄拉杆螺栓(15)铰接，滑动曲柄(3)外侧安装有曲柄轴承(18)，两个曲柄拉杆(2)的上端与一个活动曲柄销(8)通过曲柄拉杆螺栓(15)铰接，电动控制机构中的纵向拉杆(12)与滑动曲柄(3)外侧的曲柄轴承(18)铰接，纵向拉杆(12)带动滑动曲柄(3)在主轴颈上做向内或向外的滑动从而改变活动曲柄销(8)与主轴颈间的距离；

所述的曲柄副还包括曲柄轴承端盖(17)、曲柄轴承上支座(4)，曲柄轴承下支座(5)、曲柄轴承座螺栓(1)和纵向拉杆螺栓(10)；每个滑动曲柄(3)下端外侧有圆柱面，曲柄轴承(18)通过曲柄轴承端盖(17)、曲柄轴承上支座(4)和曲柄轴承下支座(5)固定在滑动曲柄(3)下端外侧的圆柱面上，曲柄轴承上支座(4)和曲柄轴承下支座(5)的外侧通过曲柄轴承座螺栓(1)固定在一起，滑动曲柄(3)下端外侧的圆柱面上有曲柄轴承端盖螺纹(21)和曲柄轴承定位轴肩(22)，曲柄轴承(18)的一端由曲柄轴承定位轴肩(22)定位，曲柄轴承(18)的另一端由曲柄轴承端盖(17)定位，曲柄轴承端盖(17)的内螺纹与曲柄轴承端盖螺纹(21)旋紧，曲柄轴承上支座(4)和曲柄轴承下支座(5)通过纵向拉杆螺栓(10)与电动控制机构中的纵向拉杆(12)铰接。

2.根据权利要求1所述的可变压缩比的发动机曲轴机构，其特征在于，所述的电动控制机构包括两个控制电机(7)和连杆传动机构，连杆传动机构由控制丝杠(6)，滑块螺母(20)、竖向连杆(19)、横向连杆(9)，纵向拉杆(12)，横向连杆螺栓(11)组成；控制丝杠(6)就是控制电机(7)带有螺纹的输出轴，滑块螺母(20)安装在控制丝杠(6)上，竖向连杆(19)固定在滑块螺母(20)上，横向连杆(9)的两端分别与竖向连杆(19)连接，纵向拉杆(12)一端通过横向连杆螺栓(11)铰接安装在横向连杆(9)上，纵向拉杆(12)的另一端通过纵向拉杆螺栓(10)安装到滑动曲柄(3)上的曲柄轴承上支座(4)和曲柄轴承下支座(5)之间。