CN105971739A - 可调斜盘式无曲轴变排量发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调斜盘式无曲轴变排量发动机，包括机体、主轴、斜盘安装座、斜盘、斜盘调节机构、活塞气缸组件、气门控制机构等，斜盘调节机构将主轴转动转换为斜盘绕自身与斜盘安装座连接的运动副中心的三维摆动，并通过连杆带动活塞气缸组件完成热工循环；同时，该机构根据斜盘的位置调节斜盘倾斜角度，以改变气缸工作容积，并使活塞的上止点和下止点到气缸顶部的距离符合热工循环压缩比；通过主轴驱动气门控制机构旋转，实现对活塞气缸组件的气门组件开闭控制，以使气门与活塞气缸协调工作。本方案实现了发动机排量的动态调节，并始终维持发动机处于最佳压缩比，极大的改善热工循环效率，提高发动机的机械效率，降低发动机油耗和排放。

Description

可调斜盘式无曲轴变排量发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其是涉及一种可调斜盘式无曲轴变排量发动机。

背景技术

在现代汽车、航运以及各种动力设备中，连杆曲轴发动机应用最为广泛。

一、传统曲轴连杆式发动机，受制于固定的曲柄半径和活塞行程。发动机只能在固定的工况条件下，才可能达到最佳工作状态。

对于汽油发动机：必须要在最佳空燃比附近，才能保证良好的点火性能和燃烧效率、污染排放最少；同时汽油的燃烧特性决定了增压比不能太大。因此汽油发动机必须以最佳空燃比混合气在可用最大增压条件下工作才处于最佳工作状态。然而，实际工况往往与最佳工况相差很大，因此绝大部分工况下油耗大、污染排放多。汽油发动机以节气门的形式控制进入发动机的气量，在小油门或怠速条件下，活塞进气行程需克服强大的负压，大幅降低了发动机效能。

对于柴油发动机：由于采用压燃的燃烧方式，上止点温度必须达到柴油自燃的要求，而进气系统在高转速条件下效率降低形成节流效应，会导致上止点温度不到柴油自燃点而无法工作，因而限制了柴油发动机在高转速工况下的适用能力。柴油机虽然压缩比不变，但油门控制着喷油量，当供油偏离最佳空燃比，发动机效率下降油耗增加、污染排放增多。因而柴油机不仅必须在适当油门条件下才能处于最佳状态，而且最大转速还普遍比汽油发动机低，极大的影响了柴油机的适用范围和热工效率。

二、传统曲轴活塞式发动机的系统运动是通过曲轴—连杆—活塞相互作用完成的。在曲轴旋转时，连杆与活塞轴线存在夹角，并在受力较大条件下形成最大偏角。该偏角导致活塞不仅传递轴向力，同时还传递径向力。曲柄连杆的长度比越大，偏角越大，则活塞径向力越大。活塞径向受力会引起活塞气缸摩擦力，降低系统机械效率；还会导致活塞、气缸变形，降低活塞气缸组合的气密性，并对气缸活塞的材质工艺提出了更高的要求；活塞径向冲击传递到整个发动机还会形成横向震动。另外当气缸工作压力最大时，由于曲柄与连杆几乎成180度，导致力矩输出反而比较小。

三、传统曲轴活塞式发动机的缸径行程比不变，发动机适应性差。高转速发动机较大的缸径行程比，可以减小进气节流效应，提高发动机效能；低转速发动机较小的缸径行程比，可以增大单次循环出功，提高发动机扭矩。由于固定的缸径行程比，一旦设计参数设定，发动机的最佳工况就不可调整，导致发动机设计只能根据重点工况需求做出取舍。

四、传统曲轴活塞式发动机的曲柄长度＝活塞行程/2，较大的活塞行程必然需要较大的曲柄长度，较大的曲柄长度必然需要较大的曲轴箱体。气门控制凸轮轴系与曲轴不同轴，需要复杂的传动协调结构，导致曲轴和气门控制体系体积庞大结构复杂，增大了发动机体积、重量和成本。

综上，传统的发动机需要解决的技术问题如下：

1、根据工况动态调节发动机工作气缸容积，保持最佳空燃比和上止点压力，使发动机循环始终处于最佳状态。

2、减小连杆与活塞轴线偏角，从而减小活塞径向力，提高气缸活塞的机械效率，减小发动机横向震动；减小气缸活塞变形，改善活塞气缸组合的气密性；增大活塞连杆输出力臂长度，改善发动机扭矩特性。

3、根据工况动态调节发动机缸径行程比，提高发动机适应能力，提升发动机能效水平。

4、取消曲轴体系，简化气门控制系统，减小体积、减轻质量、简化结构，动态控制气门升程和提前角。

发明内容

本发明基于上述技术问题提供了一种便于安装的可调斜盘式无曲轴变排量发动机，已解决现有技术中存在的技术问题。

本发明公开的一种可调斜盘式无曲轴变排量发动机，包括机体和主轴，还包括：

活塞气缸组件，阵列分布在所述主轴的圆周方向上；

斜盘安装座，与所述机体通过轴向移动副连接；

斜盘安装座调节机构，其能够根据输入信息驱动所述斜盘安装座沿主轴轴线方向移动，以调整所述斜盘安装座的位置；

斜盘；与所述斜盘安装座活动连接，其下部设置斜盘柄，所述斜盘外缘呈圆周阵列活动连接多根连杆，所述连杆底部活动连接活塞气缸组件的活塞；

斜盘调节机构，分别与所述主轴和斜盘柄活动连接，所述斜盘调节机构用于将主轴转动转换为所述斜盘绕自身中心点的三维摆动，并通过连杆带动活塞气缸组件完成热工循环；同时，所述斜盘调节机构根据所述斜盘的位置调节斜盘的倾斜角度，进而改变活塞气缸的工作容积，并使活塞的上止点和下止点到气缸顶部的距离符合热工循环压缩比；

气门控制机构，用以控制活塞气缸组件的气门组件的开闭，以使各活塞气缸组件中的气门组件与活塞气缸协调工作。

进一步的，所述斜盘与斜盘安装座在斜盘的盘心处形成球削副连接。

进一步的，所述斜盘调节机构包括：

第一伸缩轴，其轴身与主轴的对应槽孔通过移动副连接；

T形协调换向杆，包括互为垂直的纵向杆a和横向杆b，所述纵向杆a与所述斜盘柄通过运动副连接，所述T形协调换向杆的直角位置与第一伸缩轴上端通过转动副连接；

协调修正杆a，其一端与所述横向杆b一端通过转动副连接；所述协调修正杆a的另一端与主轴连接。

进一步的，所述斜盘调节机构还包括：

第二伸缩轴，位于所述第一伸缩轴外侧，所述第二伸缩轴的轴身与主轴对应槽孔通过移动副连接；

协调修正杆b，其一端与协调修正杆a的另一端连接形成L形协调修正杆，L形协调修正杆的直角位置与第二伸缩轴上端通过转动副连接；

修正杆，其下端与所述协调修正杆b通过转动副连接；所述修正杆上端与主轴上端通过转动副连接。

进一步的，所述协调修正杆b、所述斜盘柄、所述修正杆和所述纵向杆a的长度相等；

所述T形协调换向杆与所述协调修正杆a的连接点至所述T形协调换向杆直角点的长度和所述协调修a的长度相等。

进一步的，所述T形协调换向杆的横向杆b和纵向杆a为一体结构，所述纵向杆a的上端与斜盘柄通过球面副连接。

进一步的，所述T形协调换向杆的横向杆b和纵向杆a为分体结构，所述纵向杆a的上端与斜盘柄通过球销副连接，纵向杆a的下端与所述横向杆b通过转动副连接。

进一步的，所述气门控制机构包括通过转动副连接的内齿式气门控制飞轮和飞轮安装座；

位于所述内齿式气门控制飞轮上端面圆周方向设置有多个用于控制活塞气缸组件中气门组件开闭的凸起，

所述主轴通过行星齿轮系驱动所述内齿式气门控制飞轮旋转，通过凸起实现对气门组件开闭控制。

进一步的，所述活塞气缸组件数量为奇数个，且各个相邻活塞气缸组件相隔一个渐次做功。

进一步的，还包括气门调节结构，其用于调节气门控制机构升降，以调节气门组件的升程和开闭时机。

采用上述技术方案，本发明产生的技术效果有：

1、实现了发动机排量的动态调节，并始终维持发动机处于最佳压缩比，与供油系统配合可以实现最佳空燃比燃烧做功，极大的改善热工循环效率，降低发动机油耗和排放。

2、同等行程条件下，极大的减小了连杆与活塞轴线的偏角，有效减小径向力这一不利因素，提高发动机的机械效率，增强活塞气缸的气密性，减小发动机震动，降低气缸活塞组件的制造要求。

3、各调节协调组件组合在主轴中，布置在气缸阵列中间，使整机布局简化、更加紧凑，大幅减小了发动机体积和质量。

4、利用内齿式进气门控制飞轮，实现对气门组件开闭的同轴控制，取消了传统复杂的凸轮轴气门控制系统，简化了发动机结构，并且使发动机在整个空间布局中更为节凑。由于气门控制机构的同轴设计，使气门升程和开闭时机的调节变得非常方便，只需根据斜盘工作状态同步调节气门控制飞轮的升降就可以根据发动机工作状态实时调节气门升程和开闭时机，提升进排气效率。

5、可以根据工况实时调节发动机的缸径行程比和工作气缸容积，极大的增强发动机对不同工况需求的适应能力，并保持发动机工作的高效节能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明另一实施例的结构示意图；

图3为图2的A-A向剖视图；

图4为图2的B-B向剖视图；

图5为图2的C-C向剖视图；

图6为图2的D-D向剖视图；

图7为斜盘调节机构的立体结构示意图；

图8为内齿式气门控制飞轮的结构示意图；

图9为活塞气缸组件工作时序图；

图10为气门控制时序图；

图11为内齿式气门控制飞轮上的凸起的布局图；

图12为气门控制与气缸工作周期匹配图。

附图标记：

1-机体；2-斜盘安装座；3-斜盘；4-活塞气缸组件；5-主轴；6-行星齿轮系；7-斜盘调节机构；8-气门控制机构；9-气门调节机构；10-斜盘调节电机；11-内螺纹调节齿轮；21-连接轴；31-斜盘柄；41-连杆；42-气门组件；71-第一伸缩轴；72-第二伸缩轴；73-T形协调换向杆；74-L形协调修正杆；75-修正杆；81-内齿式气门控制飞轮；82-飞轮安装座；91-气门调节驱动电机；92-飞轮安装座调节齿轮；421-进气门；422-排气门；423-弹簧；731-纵向杆a；732-横向杆b；741-协调修正杆b；742-协调修正杆a；811-凸起。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1；

本发明公开的可调斜盘式无曲轴变排量发动机包括：

机体1，用于安装发动机的各个零部件和布置冷却系统，具备足够强度。

斜盘安装座调节机构，与机体固定连接，斜盘安装座调节机构能够根据输入信息驱动斜盘安装座沿主轴轴线方向移动，以调整斜盘安装座的位置。优选地，本实施例提供的斜盘安装座调节机构包括：斜盘调节电机10和内螺纹调节齿轮11。斜盘调节电机10采用高性能伺服控制电机。该电机固定于机体1上，其输出轴与内螺纹调节齿轮11通过齿轮传动连接，执行对于斜盘的控制指令；内螺纹调节齿轮11与机体1通过转动副连接，该转动副具备能够承受轴向和径向较大的载荷能力；内螺纹调节齿轮下端为带有内螺纹的套筒，其上端为内齿轮。内齿轮与斜盘调节电机通过齿轮啮合，带有内螺纹的套筒与斜盘安装座2以螺旋副连接，将斜盘调节电机的转动转变为斜盘安装座2的伸缩运动。当然，本领域技术人员应当理解，本实施例的斜盘安装座调节机构的结构并不局限于此，也可以采用液压伺服装置代替，通过液压伺服作动器直接控制斜盘安装座的升降。还可以是利用电机驱动螺杆形式，控制斜盘安装座的升降。

斜盘安装座2，与机体1通过轴向移动副连接；其中部设有连接轴21，通过斜盘调节电机10驱动斜盘安装座2沿主轴5轴线方向运动；优选地，本实施例的斜盘安装座2上端设置为圆盘，斜盘安装座2的圆盘中心处下端面垂直设置连接轴，斜盘安装座2的圆盘四周外缘垂直设置多根小轴，各小轴上均设有外螺纹，并且各小轴与内螺纹调节齿轮的带有内螺纹的套筒通过螺旋副连接，斜盘安装座2可以根据斜盘调节电机控制做轴向运动，并且能够承受较大的轴向、径向、扭矩载荷。

斜盘3；其盘心处与斜盘安装座2的连接轴21底部通过球销副活动连接，斜盘3下部设置斜盘柄31，斜盘3外缘圆周上活动连接多根连杆41，所述连杆41底部活动连接活塞气缸组件的活塞；优选地，本实施的斜盘3采用伞形设计，斜盘3外缘呈圆周阵列均匀设置多个球销副安装座，并通过该球销副安装座与连杆41连接，在该斜盘3上端面中心位置设置球销副安装座，通过该球销副安装座与斜盘安装座2的连接轴21活动连接，该斜盘3的斜盘柄31底部设置球面副安装座，用于与斜盘调节机构7活动连接。斜盘3在整个系统运行中起到现有技术中的曲轴的作用，其需要具备较高的强度，无论是盘面还是柄部都必须能够承受活塞连杆41工作带来的冲击载荷。斜盘3作用为将斜盘调节机构7传递过来的主轴5转动与斜盘3绕自身中心点的三维摆动相互转换，从而带动连杆活塞组件完成热工循环。

活塞气缸组件4，阵列分布在主轴5的圆周方向上，包括气缸、活塞、气门组件42等。

主轴5；与机体1通过转动副连接；优选地，根据第一伸缩轴71、第二伸缩轴72位置及截面形状在主轴中相应位置设置槽孔以容纳第一伸缩轴71、第二伸缩轴72，主轴5上部的进行开口设计，以达到不影响T形协调换向杆73、L协调修正杆74、修正杆75的相对运动目的。

斜盘调节机构7，分别连接主轴5和斜盘柄31，斜盘调节机构7用于将主轴5转动与斜盘3绕自身中心点的三维摆动相互转换，并通过连杆41带动活塞气缸组件4完成热工循环；同时，所述斜盘调节机构7调节所述斜盘3的位置与倾斜角的协调变化，以改变气缸活塞组件的工作容积，并使活塞的上止点和下止点到气缸顶部的距离符合热工循环压缩比。

气门控制机构8，与主轴5连接，通过主轴5驱动所述气门控制机构8旋转，实现对活塞气缸组件4的气门组件42开闭控制，以使各活塞气缸组件4相隔渐次推进工作。

具体的，本实施例的斜盘调节机构7包括：

第一伸缩轴71，其轴身与主轴5对应槽孔通过移动副连接；优选地，本实施的第一伸缩轴71采用一端带孔的矩形(或者多边形)轴设计，其轴身与主轴5对应槽孔通过移动副连接，第一伸缩轴71上端与T形协调换向杆73的其直角位置通过转动副连接，保证T形协调换向杆73可以绕直角顶点转动同时整根杆件又可以随主轴5一起转动。在第一伸缩轴71只能相对主轴5轴线顺畅伸缩的情况下，同时还保证能够承受较大的扭矩载荷。

T形协调换向杆73，其纵向杆a 731与斜盘柄31通过球面副连接，T形协调换向杆73直角位置与第一伸缩轴71上端通过转动副连接。优选地，本实施例的T形协调换向杆73采用倒T形设计，其包括纵向杆a731和横向杆b 732，其中，纵向杆a731和横向杆b 732可以采用一体结构。在纵向杆a731上端设置球面副安装座，T形协调换向杆73的直角中心处的垂直方向设置有转动副安装座，在横向杆b 732的一端(图示为左端)设置转动副安装座。整根杆件在其直角位置与第一伸缩轴71上端通过转动副连接；纵向杆a731的上端与斜盘柄通过球面副连接，横向杆b 732的一端(图示为左端)与协调修正杆a742通过转动副连接。该T形协调换向杆73除了传递主轴5转动以驱动斜盘3做三维摆动外，还与协调修正杆a742一起调节斜盘3的倾斜角，并协调斜盘3倾斜角与斜盘3位置关系，T形协调换向杆的横向杆b 732另一端(图示为右段)用于平衡转动惯量。

当然，为了更好的传递扭矩和各向受力载荷，本实施例的T形协调换向杆73也可以采用分体式结构。例如：T形协调换向杆73的纵向杆a731上端与斜盘柄31通过球销副连接，纵向杆a731下端垂直于横向杆b 732并与其通过转动副连接，纵向杆a731与横向杆b 732的垂直处与第一伸缩轴71通过转动副连接，横向杆b 732一端(左端)与协调修正杆a742通过转动副连接；上述结构设计可以提高轴向载荷承受能力。

斜盘调节机构7还包括协调修正杆a 742，其一端(图示为左端)与T形协调换向杆73的横向杆b 732一端通过转动副连接；协调修正杆a 742另一端与主轴铰接。

上述结构为斜盘易实现的结构，在不考虑斜盘柄和T形协调换向杆在斜盘调节时引入的压缩比误差情况下，其能够使斜盘倾斜角与斜盘位置协调变化，从而保证活塞上止点到气缸顶部的距离与活塞工作行程同步变化，保证压缩比基本稳定的条件下实现发动机工作容积的动态调节。

请参照图2至图7；作为本实施例中斜盘调节结构的另一个结构补充，该斜盘调节机构还包括：

第二伸缩轴72，位于所述第一伸缩轴71外侧下方，所述第二伸缩轴72的轴身与主轴5对应槽孔通过移动副连接；

优选地，本实施的第二伸缩轴72同样采用一端带孔的矩形(多边形)轴设计。第二伸缩轴72的轴身与主轴5对应槽孔通过移动副连接。第二伸缩轴72在相对主轴5轴线顺畅伸缩的情况下，能够承受扭矩载荷。

协调修正杆b741，其一端与协调修正杆a742的另一端(图示为右端)连接，整体形成L形协调修正杆74，L形协调修正杆的直角位置与第二伸缩轴72上端通过转动副连接。

修正杆75，其下端与L形协调修正杆的协调修正杆b741通过转动副连接；修正杆75上端与主轴5上端通过转动副连接。

优选地，其中，协调修正杆b 741和协调修正杆a742的端部分别设置转动副安装座，L形协调修正杆74的直角中心处垂直设置转动副安装座，整根杆件在直角处与第二伸缩轴72上端通过转动副连接；协调修正杆a742一端(图示为左端)与T协调换向杆的横向杆b 732(左端)通过转动副连接；协调修正杆b741上端与修正杆75下端通过转动副连接。L形协调修正杆74与T形协调换向杆73一起调节斜盘3倾斜角，并协调斜盘3倾斜角与斜盘3位置关系；另外L形协调修正杆74的协调修正杆b741与修正杆75一起修正斜盘柄部与T形协调换向杆73的纵向杆a731在斜盘3倾斜时引入的位置偏差。

优选地，修正杆75采用直杆结构，其两端各设置转动副安装座，修正杆75下端与协调修正杆b741通过旋转副连接；修正杆75上端与主轴5上端通过转动副连接。修正杆75与L形协调修正杆74一起修正斜盘柄与T形协调换向杆73的纵向杆a731在斜盘3倾斜时引入的位移；另外起到锚点的作用，修正杆75上端与主轴5的转动副连接正是整套斜盘调节机构7在主轴5上的锚点。

优选地，L形协调修正杆74的协调修正杆b741长度与所述斜盘柄31长度相等；T形协调换向杆73与所述协调修正杆a742的连接点至所述T形协调换向杆73直角点的长度和所述L形协调修正杆74的协调修正杆a742长度相等；修正杆75长度与斜盘柄长度相等。

本实施例中的球销副、球面副需要能承受各方向的较大作用力和扭矩载荷，因此本发明中的球销副优选采用十字万向节，对载荷的适应能力更强，能够提高使用寿命。当然，本领域技术人员应当理解，也可以采用其他结构形式来代替球销副、球面副结构，只要保证约束条件相同，载荷承受能力足够即可。

本专利中的伞形斜盘3中心采用球销副连接，其只能绕斜盘3中心做二自由度旋转；斜盘柄采用球面副连接并偏离其中心轴线(倾斜条件下)可做三自由度旋转。因此，在T形协调换向杆73带动斜盘柄转动时，斜盘3整体绕其中心球销副跟随斜盘柄位置改变倾斜的方向，对于斜盘上具体位置则是不断改变倾斜角，斜盘柄部旋转一周，斜盘上具体位置则会完成一个上下摆动的循环。因此斜盘3盘面所有质点就表现为绕其中心球销副做三维空间的上下摆动，斜盘3外缘圆周上的连杆41伴随主轴5旋转依次完成往复运动。

由于斜盘3拥有二个旋转自由度，活塞与气缸之间为圆柱套筒副，因此连杆41与斜盘3之间以及连杆41与活塞之间也存在两个旋转自由度，因而连杆41与斜盘3之间以及活塞与连杆41应该通过球销副连接。通过上述结构设计，斜盘3可将主轴5的转动与自身的三维摆动以及活塞的往复运动相互转换，进而实现活塞在气缸内做往复运动完成热工循环。

活塞在气缸中往复运动完成热工循环，活塞的上止点和下止点到气缸顶部的距离必须符合热工循环压缩比的要求，而活塞上止点和下止点的位置是由斜盘3中心位置和斜盘3倾斜角度决定的，因此，要保证活塞气缸的压缩比不变而活塞行程可变，则斜盘3倾斜角可变且斜盘3位置与倾斜角必须协调变化。斜盘3与斜盘安装座2中心的连接轴下端通过球销副连接，因此，斜盘3位置由斜盘安装座2的伸缩量唯一决定。要实现斜盘3位置与倾斜角的协调变化，就必须设计一套斜盘调节机构来协调它们之间的运动关系。为此设计了本发明中的斜盘调节机构。

请参照图2，T形协调换向杆73的纵向杆a731长度与斜盘柄31长度相等，两者通过球面副连接，T形协调换向杆73直角中心与第一伸缩轴71上端通过转动副连接，第一伸缩轴71与主轴5通过轴向移动副连接。因此，T形协调换向杆73的纵向杆a731与斜盘柄以及主轴5轴线形成第一个可变等腰三角形，斜盘3倾斜角与T形协调换向杆73倾斜角相等。

L形协调修正杆74直角中心与第二伸缩轴72通过转动副连接，第二伸缩轴72与主轴5通过轴向移动副连接，L形协调修正杆74的协调修正杆a742与T协调换向杆的横向杆b 732(左端)通过转动副连接，T形协调换向杆73与L形协调修正杆74的连接点至T形协调换向杆73直角点的长度和L形协调修正杆74的协调修正杆a742长度相等；因此协调修正杆a、T形协调换向杆73与L形协调修正杆74的连接点至所述T形协调换向杆73直角点的长度和主轴5轴线形成第二个可变等腰三角形，L形协调修正杆74的倾斜角与斜盘3倾角同样相等。修正杆75上端与主轴5通过转动副连接，其下端与L形协调修正杆74的协调修正杆b741通过转动副连接，则修正杆75、协调修正杆b741和主轴5轴线形成第三个可变等腰三角形，修正杆75偏角也与斜盘3倾角相等。

请参照附图2；当斜盘向上移动时，修正杆和协调修正杆b产生夹角，第二伸缩轴72向上移动，协调修正杆a742和T形协调换向杆的横向杆b732联动，第一伸缩轴71向上移动，斜盘柄31与T形协调换向杆的纵向杆a731产生夹角，斜盘中心到T形杆直角中心距离变短。

以斜盘处于水平状态为初始位置，设定斜盘安装座2向上移动距离为q，则斜盘3盘心位置向上位移为q，斜盘3倾斜角为α，根据已知几何关系得：

q＝2a×[1-cos(α)]+2b×sin(α)-2a×[1-cos(α)]

＝2b×sin(α)

α＝arcsin(q/2b) 式(1)

其中，a＝斜盘柄31的长度＝纵向杆a731的长度＝修正杆75的长度＝协调修正杆b741的长度；b＝协调修正杆a742的长度＝T形协调换向杆73与L形协调修正杆74的连接点至所述T形协调换向杆73直角点的长度；由式(1)得出，斜盘安装座的伸缩量完全决定了斜盘3倾斜角α(需要说明的是，上述的斜盘柄及杆件连接的各个转动副中心距离这里忽略，当然，各个斜盘柄及杆件也可以加上转动副中心距离进行计算)；

设定活塞相对位移为ι，连杆与活塞轴线的夹角为β，斜盘倾斜角为零时连杆与活塞轴线的夹角为β₀，则：

ι＝q-r×sin(α)+c×[cos(β₀)-cos(β)]；式(2)

由式(1)和(2)联立得：

ι＝(2b-r)×sin(α)+c×[cos(β₀)-cos(β)]式(3)；

活塞到气缸顶部的最大距离为2r×sin(α)+ι；活塞到气缸的最小距离为ι；

活塞压缩比ε＝[2r×sin(α)+ι]/ι； 式(4)

其中，r为斜盘盘心球销副中心至连杆顶部球销副中心的长度；c是连杆上端球销副中心至活塞与连杆底部连接的球销副中心的距离。

无论是汽油发动机还是柴油发动机压缩比都在30以内，从式(4)可以看出，在低于30的压缩比范围内，斜盘3倾角30度以内，该斜盘调节机构7调节下，压缩比主要由b决定，并随斜盘3倾斜角度的增加压缩比略有变化。以b＝0.6r、压缩比ε≈11，b＝0.55r、压缩比ε≈21为例，斜盘3倾角从0度到30度变化，压缩比变化量分别不大于1和3。当连杆41在斜盘3水平时的安装角适当调整，使cos(β₀)不等于1，只要β₀<βmax作为安装条件，则cos(β₀)-cos(β)<1-cos(β)，可进一步减小斜盘倾斜角度变化对压缩比的影响，使压缩比更稳定。因此，斜盘调节机构7对于汽油发动机和柴油发动机来说是完全适用的,能够满足变排量稳定工作的需求。

请参照图1、图2、图4、图6和图8，本发明的气门控制机构8包括通过转动副连接的内齿式气门控制飞轮81和飞轮安装座82；

位于所述内齿式气门控制飞轮81上端面圆周方向设置有多个用于调节活塞气缸组件4中气门组件42开闭的凸起811；

所述主轴5通过行星齿轮系6驱动所述内齿式气门控制飞轮81旋转，通过凸起811实现对气门组件42开闭控制。

具体的：

内齿式气门控制飞轮81的内圈设有齿轮，其外盘与气门组件42位置配合设置形成两圈环形的多条凸起811，形成两条气门组件42的控制轨道，凸起811与气门组件42的控制需求相匹配，内齿式气门控制飞轮81为筒形。内齿式气门控制飞轮81的内齿与行星齿轮啮合，内齿式气门控制飞轮81，与主轴5旋转成比例关系，在正确的凸起811的配合下，实现气门组件42的开闭控制，保证各气缸相隔渐次推进工作，使各气缸工作时间在主轴5旋转周期中均匀分布，确保发动机动力平稳输出。

气门控制飞轮安装座82的上段为圆筒式设计，圆筒外周设置螺纹，其下段在圆周均匀设置多条轴。该安装座圆筒段内壁与内齿式气门控制飞轮81通过转动副连接，圆筒外壁用于与气门调节机构9通过螺旋副连接，多条轴与机匣通过移动副连接。气门控制飞轮安装座82的作用是在保证气门控制飞轮正常转动条件下，可以携带内齿式气门控制飞轮81进行升降。

优选地，气门组件42包括进气门421、排气门422和弹簧423，进气门421和排气门422与机匣之间分别安装弹簧423，用于保持进气门421和排气门422在非控制状态下处于常闭状态。

本发明的内齿式气门控制飞轮81实际是将传统的气门控制凸轮轴的凸轮曲面做到该控制飞轮的盘面上形成凸起811，以驱动气门组件42的开闭。对于多缸发动机，各气缸工作周期需要在主轴5转动相位上均匀分布，以使发动机输出更加平稳。由于活塞气缸组合的热工循环有四个冲程，主轴5每旋转一周每组活塞气缸有且只能完成两个冲程，因此主轴5必须转动两周，各工作气缸才能完成一次热工循环，为了实现工作气缸在主轴5两周转动中均匀工作，气缸工作必须相隔渐次推进。因此气缸个数优选为奇数，且相隔一个渐次工作。

如图9：气门组件42的控制必须与气缸工作周期匹配，工作情况为：以气缸1排气门422开启时机为起点，则主轴5旋转b角度后，气缸2排气门422开启；主轴5再转动b角度后气缸3排气门422开启，依次类推，主轴5旋转180度后气缸1的排气门422关闭、进气门421开启，主轴5旋转b+180度后，气缸2的排气门422关闭、进气门421开启，主轴5旋转360度后，气缸1的进、排气门均关闭，气缸1进入压缩、做功冲程，主轴5旋转b+360度后气缸2的进、排气门均关闭，气缸2进入压缩、做功冲程，依次类推。主轴5旋转720度后，气缸1的排气门422开启，完成一个热工循环，后面气缸依次类推。

参照图10：a＝360度/汽缸数、b＝720度/气缸数、c＝360度+360度/气缸数。根据气门开闭控制需求，内齿式气门控制飞轮81每旋转a角度，则主轴5应旋转c角度，即：360度+360度/气缸数＝360度/气缸数×传动比，因此主轴5与内齿式气门控制飞轮81的传动比＝气缸数+1。

控制进、排气门422的凸起811的数量＝(气缸数+1)/2，每个进、排气控制轨道的凸起811所占角度＝180度/(气缸数+1)，以第一道凸起811为起点，则后一道凸起811与前一道凸起811相距角度＝720度/(气缸数+1)。

以7个气缸为例，如图11：根据上述算法，则每个凸起811占22.5度，进、排气门422相邻设置在两条轨道上，每90度设置一组进排气凸起811，主轴5旋转720度，气门控制飞轮旋转90度。

本发明的发动机在工作过程中，当斜盘3角度减小，活塞行程减小，活塞速度较小，进排气速度较低，上止点会比较靠近气缸顶部，为了不与气门冲突气门升程需要比较小并提前关闭排气门422；当斜盘3角度较大，活塞行程增大后，活塞速度较快，进排气速度较大，上止点远离气缸顶部，为了提高进排气效率需要比较大的气门升程并推迟进气门421关闭。本发明还设计一套气门调节机构9，使气门升程及开闭时机与活塞行程相匹配。

请按照图1和图2，本发明的气门调节机构9，其优选通过螺旋副调节气门控制机构8升降，以调节气门组件42的升程和开闭时机。

具体的，该气门调节机构9包括气门调节驱动电机91和飞轮安装座调节齿轮92；气门调节驱动电机91驱动飞轮安装座调节齿轮92旋转，所述飞轮安装座调节齿轮92通过螺旋副调节飞轮安装座82的升降。

优选地，飞轮安装座调节齿轮92为圆筒状设计，其内壁设置螺纹，外壁设置齿轮。其内壁与飞轮安装座82通过螺旋副连接，飞轮安装座调节齿轮92的外齿与气门调节驱动电机91齿轮啮合，整个齿轮与机体1通过转动副连接。作用是承受飞轮安装座82的各向载荷，并将气门调节驱动电机91转动转换为飞轮安装座82的升降。

优选地，气门调节驱动电机91采用伺服电机，其通过齿轮与飞轮安装座调节齿轮92啮合，作用是根据控制指令调节气门升程和开闭时机。

调整原理如图12：其中，H为斜盘倾角较大时，气门升程；，h为斜盘倾角较小时，气门升程；1-活塞行程较大条件下排气门开启时机，2-活塞行程较大条件下排气门关闭时机，3-活塞行程较大条件下进气门开启时机，4-活塞行程较大条件下进气门关闭时机，5-活塞行程较小条件下排气门开启时机，6-活塞行程较小条件下排气门关闭时机，7-活塞行程较小条件下进气门开启时机，8-活塞行程较小条件下进气门关闭时机。

当斜盘角度减小，活塞行程减小，内齿式气门控制飞轮81由气门调节驱动电机91驱动下沉，气门升程减小，排气门422较晚开启并较早关闭，进气门421较晚开启适时关闭；在满足配气效率的前提下，可以防止活塞上止点附近与气门冲突。当斜盘角度增大时，活塞行程增加，发动机工作容积增大，内齿式气门控制飞轮81在气门调节驱动电机91驱动下上升，气门升程增大，排气门422较早开启较晚关闭，进气门421较早开启较晚关闭；可以适当增大进排气通道增加进排气面积和延迟进气时间，使进排气效率更高。

本领域技术人员应当理解，上述对气门调节机构的结构只是作为本实施的一个优选实时方式，在相同或相似原理作用下，本实施例的气门调节机构对气门安装座的升降功能，还可以用液压伺服作动器直接驱动，其结构相对简单。

另外需要说明的是，本发明提供的可调斜盘式无曲轴变排量发动机中其他组成部分，例如供油系统、点火系统等为现有技术，因此，本专利中不在对其结构赘述。

采用本专利提供的发动机，与现有技术对比的优势有：

一、实现了发动机排量的动态调节，并始终维持发动机处于最佳压缩比，与供油系统配合可以实现最佳空燃比燃烧做功，极大的改善热工循环效率，降低发动机油耗和排放。

二、同等行程条件下，极大的减小了连杆与活塞轴线的偏角。有效减小径向力这一不利因素，提高发动机的机械效率，增强活塞气缸的气密性，减小发动机震动。减小径向力这一不利因素不仅减小了活塞与气缸之间的摩擦力，同时也可以降低气缸活塞组件的制造标准，降低制造成本。

三、通过内齿式气门控制飞轮，实现气门开闭的同轴控制，取消了传统复杂的凸轮轴气门控制系统，简化了发动机结构，并且使发动机在整个空间布局中更为节凑。根据发动机工作状态实时调节气门升程和开闭时机，提升进排气效率。

四、可以根据工况实时调节发动机的缸径行程比和工作气缸容积，极大的增强发动机对不同工况需求的适应能力，并保持发动机工作高效节能，本方案可以在不改变发动机压缩比的前提下实现无极调节气缸活塞的缸径行程比及排量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种可调斜盘式无曲轴变排量发动机，包括机体和主轴，其特征在于，还包括：

活塞气缸组件，阵列分布在所述主轴的圆周方向上；

斜盘安装座，与所述机体通过轴向移动副连接；

斜盘安装座调节机构，其能够根据输入信息驱动所述斜盘安装座沿主轴轴线方向移动，以调整所述斜盘安装座的位置；

斜盘；与所述斜盘安装座活动连接，其下部设置斜盘柄，所述斜盘外缘呈圆周阵列活动连接多根连杆，所述连杆底部活动连接活塞气缸组件的活塞；

斜盘调节机构，分别与所述主轴和斜盘柄活动连接，所述斜盘调节机构用于将主轴转动转换为所述斜盘绕自身中心点的三维摆动，并通过连杆带动活塞气缸组件完成热工循环；同时，所述斜盘调节机构根据所述斜盘的位置调节斜盘的倾斜角度，进而改变活塞气缸的工作容积，并使活塞的上止点和下止点到气缸顶部的距离符合热工循环压缩比；

气门控制机构，用以控制活塞气缸组件的气门组件的开闭，以使各活塞气缸组件中的气门组件与活塞气缸协调工作。

2.根据权利要求1所述的可调斜盘式无曲轴变排量发动机，其特征在于：所述斜盘与斜盘安装座在斜盘的盘心处形成球削副连接。

3.根据权利要求1所述的可调斜盘式无曲轴变排量发动机，其特征在于：所述斜盘调节机构包括：

第一伸缩轴，其轴身与主轴的对应槽孔通过移动副连接；

T形协调换向杆，包括互为垂直的纵向杆a和横向杆b，所述纵向杆a与所述斜盘柄通过转动副连接，所述T形协调换向杆的直角位置与第一伸缩轴上端通过转动副连接；

协调修正杆a，其一端与所述横向杆b一端通过转动副连接；所述协调修正杆a的另一端与主轴连接。

4.根据权利要求3所述的可调斜盘式无曲轴变排量发动机，其特征在于：所述斜盘调节机构还包括：

第二伸缩轴，位于所述第一伸缩轴外侧，所述第二伸缩轴的轴身与主轴对应槽孔通过移动副连接；

协调修正杆b，其一端与协调修正杆a另一端连接形成L形协调修正杆，L形协调修正杆的直角位置与第二伸缩轴上端通过转动副连接；

修正杆，其下端与所述协调修正杆b通过转动副连接；所述修正杆上端与主轴上端通过转动副连接。

5.根据权利要求4所述的可调斜盘式无曲轴变排量发动机，其特征在于：所述协调修正杆b、所述斜盘柄、所述修正杆和所述纵向杆a的长度相等；

所述T形协调换向杆与所述协调修正杆a的连接点至所述T形协调换向杆直角点的长度和所述协调修正杆a的长度相等。

6.根据权利要求3所述的可调斜盘式无曲轴变排量发动机，其特征在于：所述T形协调换向杆的横向杆b和纵向杆a为一体结构，所述纵向杆a的上端与斜盘柄通过球面副连接。

7.根据权利要求3所述的可调斜盘式无曲轴变排量发动机，其特征在于：所述T形协调换向杆的横向杆b和纵向杆a为分体结构，所述纵向杆a的上端与斜盘柄通过球销副连接，纵向杆a的下端与所述横向杆b通过转动副连接。

8.根据权利要求1所述的可调斜盘式无曲轴变排量发动机，其特征在于：所述气门控制机构包括通过转动副连接的内齿式气门控制飞轮和飞轮安装座；

位于所述内齿式气门控制飞轮上端面圆周方向设置有多个用于控制活塞气缸组件中气门组件开闭的凸起，

所述主轴通过行星齿轮系驱动所述内齿式气门控制飞轮旋转，通过凸起实现对气门组件开闭控制。

9.根据权利要求1所述的可调斜盘式无曲轴变排量发动机，其特征在于：所述活塞气缸组件数量为奇数个，且各个相邻活塞气缸组件相隔一个渐次做功。

10.根据权利要求1-9任一项所述的可调斜盘式无曲轴变排量发动机，其特征在于：还包括气门调节结构，其用于调节气门控制机构升降，以调节气门组件的升程和开闭时机。