CN106246362B - 一种机-液双动力输出可变压缩比发动机 - Google Patents

一种机-液双动力输出可变压缩比发动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机‑液双动力输出可变压缩比发动机，包括气缸体(10)、曲轴箱(3)，所述气缸体(10)与曲轴箱(3)之间连接有中间体(4)，所述中间体(4)内部设有连接气缸体(10)与曲轴箱(3)的液力系统，所述液力系统用来实现气缸体(10)内的燃气力向曲轴箱的传递，所述液力系统连接有液力调节装置。本发明能够根据转速和负荷的变化进行压缩比的静态调节，在低速小负荷工况，提高压缩比改善汽油机热效率，在高速大负荷工况，降低压缩比而降低缸内压力和温度，避免爆震。同时，针对工作过程的不同阶段进行活塞运动速度动态调节，在扫气过程减小活塞运动速度，延长扫气过程，在压缩过程提高活塞运动速度，缩短压缩过程。

Description

一种机-液双动力输出可变压缩比发动机
技术领域
本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种机-液双动力输出可变压缩比发动机，能够通过液力系统的调节实现活塞在压缩上止点位置的改变，同时输出机械能和液压能。
背景技术
随着汽车保有量的急剧增加，汽车废气排放造成的污染问题日益突出，严重威胁着人类的身体健康，破坏生态平衡。另一方面，内燃机作为汽车的主要动力源每年消耗的石油能源占70％以上。显然，在能源危机和环境问题的不断恶化的当今社会，作为汽车动力的发动机面临前所未有的巨大挑战。对此，人们一方面在积极优化传统内燃机的性能以适应当前能源与环保的要求，另一方面也在孜孜追求新原理、开发新能源以应对当前及未来车辆对动力的要求。在新原理、新能源到来之前的一段时间内，结合目前车辆的技术水平和汽车工业现状，多种能源的混合动力将是提高车辆燃油经济性和改善排放最直接、最有效的途径之一。常见的混合动力类型有机-电混合驱动和机-液混合驱动两种，由于混合驱动采用机械-液压/电能进行组合驱动，有效地避免了发动机的低速低负荷工况，进而提高车辆的经济性和排放特性。
与机-电混合动力相比，机-液混合动力具有更高的功率密度。在起停频繁的城市交通车辆中，有效利用液压系统高功率密度的特点，同时结合制动能回收功能效果尤为明显。而目前，常见的机-液混合驱动技术是基于传统发动机与液压泵进行串、并联组合实现多动力驱动，虽然在一定程度上对车辆的经济性和排放性能有一定程度的缓解作用，由于存在传动链长、效率低、蓄能器储能有限等问题目前还不能大面积推广。
同时，发动机压缩比作为衡量发动机性能的重要参数，也是影响发动机效率最重要的因素之一，一般压缩比越高，性能越好。目前，压缩比汽油机一般为6～12，柴油机一般为12～22。传统汽油机的节气门进气节流和易爆震特点，使压缩比的提升受到限制，进而影响性能。在上止点位置不变情况下，进气节流导致实际压缩比减小，因而在低速小负荷工况，汽油机热效率较低。在高转速大负荷工况，缸内压力和温度过高时，汽油机又易出现爆震现象。如果压缩比随着转速和负荷的变化可变，就能充分挖掘汽油机的潜力，提高其综合性能。
可变压缩比(Variable Compression Ratio，VCR)发动机技术能在汽油机处于低负荷工作时提高压缩比，以降低燃油消耗，而在处于高负荷工作时降低压缩比，以防止产生严重爆震。在相同功率情况下，VCR发动机技术具备小排量大扭矩特性，使发动机的结构更加紧凑。法国Renault汽车公司研究指出，采用均质稀薄燃烧和热管理等技术可降低油耗约5％，采用小型化和可变配气定时等技术可降低油耗约10％，但采用VCR技术和高程度的小型化技术可降低油耗约26％～27％，接近于柴油机的热效率水平。目前，世界上很多汽车公司和研究机构在对发动机VCR技术进行研究，但是由于成本、结构适用性以及工艺性等因素尚无大量市场应用，研发结构更加紧凑，制造成本合理的新一代VCR发动机方案，是此技术发展的一个重要研究方向。
发明内容
本发明的目的是解决发动机压缩比连续可变和活塞运动规律可控的问题，提供一种机-液双动力输出可变压缩比发动机，该发动机能够根据转速和负荷的变化进行压缩比的调节，同时针对工作过程的不同阶段控制活塞运动速度，延长扫气过程，缩短压缩过程。
本发明的技术方案是：一种机-液双动力输出可变压缩比发动机，包括气缸体、曲轴箱，所述气缸体与曲轴箱之间连接有中间体，所述中间体内部设有连接气缸体与曲轴箱的液力系统，所述液力系统用来实现气缸体内的燃气力向曲轴箱的传递，所述液力系统连接有液力调节装置。
较佳地，所述液力系统包括由液压活塞A相隔开的上油腔和下油腔，所述液压活塞A与上、下油腔之间滑动密封连接，所述液压活塞A通过连接杆与气缸体活塞连接；所述下油腔内滑动密封设有液压活塞B，液压活塞B通过连杆与曲轴箱的曲柄连接；所述上油腔的上端通过进油单向阀与液压缸B连通，上油腔的上端通过出油单向阀与液压缸A连通；所述液力调节装置与下油腔联接。
较佳地，所述液力调节装置包括与下油腔相连通的横向设置的柱塞腔，所述柱塞腔内设有下油腔调节柱塞，所述下油腔调节柱塞与液压马达联接。
较佳地，所述的下油腔调节柱塞包括设于其上的驱动凸轮，所述驱动凸轮与液压马达联接并被液压马达所驱动，以实现通过下油腔调节柱塞来调节下油腔的容积。
较佳地，所述气缸体包括气缸套以及设于气缸套上端的气缸盖，所述气缸套内滑动连接有活塞，所述气缸套的下端沿其周向设有多个进气口；所述气缸盖上设有排气门，排气门上连接有排气摇臂；所述气缸盖底部设有喷油器或火花塞；所述气缸盖底部的火力面、活塞的顶面及气缸套内侧壁共同包络构成气缸体的燃烧室空间。
较佳地，所述曲轴箱包括箱体，所述箱体的左、右两端分别设有左端曲轴轴承、右端曲轴轴承，曲轴的两端分别与左端曲轴轴承和右端曲轴轴承联接，所述曲轴的中部设置曲柄，曲轴上还固定套接有曲轴飞轮；所述曲柄与连杆连接。
本发明的有益效果：本发明公开的机-液双动力输出可变压缩比发动机，在传统二冲程“气口-气门”式直流扫气发动机的气缸体与曲轴箱之间增加中间体，同时取消了原有的连杆结构，通过中间体的液力系统实现燃气作用力的传递以及曲轴与活塞之间的协同运动。同时，通过调节中间体的上油腔的柱塞位移改变液压活塞A与液压活塞B之间的距离，实现发动机工作过程的压缩比可调和活塞运动速度可控。本机-液双动力输出可变压缩比发动机在活塞下行的膨胀过程中，上油腔吸油的同时曲轴输出机械能；在活塞上行的扫气和压缩过程中，上油腔出油输出液压能。下油腔主要用来控制不同的压缩比和活塞运动速度。
本发明的结构特点如下：
(1)在气缸体与曲轴箱之间增设中间体实现液力传递，对原机的结构紧凑性影响较小；
(2)发动机的燃烧室布置形式，包括气缸体气缸盖保持不变；
(3)发动机的气缸盖、气缸体、活塞和曲轴等主要受力部件不变，且有效避免了活塞与气缸套之间的侧压力；
(4)通过中间体的液力调节实现压缩比的调节和活塞运动速度的控制，其控制过程容易、可靠性较高；
(5)对传统发动机的改造成本较低，便于大批量生产。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的下油腔调节柱塞的驱动凸轮示意图；
图3是本发明的可变压缩比和活塞运动速度控制策略框图。
其中：1.曲轴；2.左端曲轴轴承；3.曲轴箱；4.中间体；5.液压马达；6.下油腔调节柱塞；7.液压缸A；8.出油单向阀；9.活塞；10.气缸体；11.排气摇臂；12.排气门；13.喷油器或火花塞；14.进气口；15.进油单向阀；16.液压缸B；17.上油腔；18.连接杆；19.液压活塞A；20.下油腔；21.液压活塞B；22.连杆；23.右端曲轴轴承；24.曲柄；25.曲轴飞轮。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1所示，本发明提供了一种机-液双动力输出可变压缩比发动机，包括气缸体10、曲轴箱3，所述气缸体10与曲轴箱3之间连接有中间体4，所述中间体4内部设有连接气缸体10与曲轴箱的液力系统，所述液力系统用来实现气缸体10内的燃气力向曲轴箱的传递，所述液力系统连接有液力调节装置。本发明在传统二冲程“气口-气门”式直流扫气发动机的气缸体和曲轴箱之间增加中间体，同时取消原有的连杆结构；在中间体内部设计液力系统和液力调节装置；发动机的曲轴箱、气缸体和气缸盖的结构不变；本发明通过中间体的液力系统实现燃气作用力的传递以及曲轴与活塞之间的协同运动。同时，通过调节中间体的上油腔的柱塞位移改变液压活塞A与液压活塞B之间的距离，实现发动机工作过程的压缩比可调和活塞运动速度可控。本机-液双动力输出可变压缩比发动机在活塞下行的膨胀过程中，上油腔吸油的同时曲轴输出机械能；在活塞上行的扫气和压缩过程中，上油腔出油输出液压能。下油腔主要用来控制不同的压缩比和活塞运动速度。本发明方案可用于汽油机或柴油机。
进一步地，所述液力系统包括由液压活塞A19相隔开的上油腔17和下油腔20，所述液压活塞A19与上、下油腔17、20之间滑动密封连接，所述液压活塞A19通过连接杆18与气缸体10活塞9连接；所述下油腔20内滑动密封设有液压活塞B21，液压活塞B21通过连杆22与曲轴箱3的曲柄24连接；所述上油腔17的上端通过进油单向阀15与液压缸B16连通，上油腔17的上端通过出油单向阀8与液压缸A7连通；所述液力调节装置与下油腔20联接。气缸体中燃气在膨胀过程中，活塞在气缸体内燃气的作用下向下运动，并通过连接杆推动液压活塞A向下运动，液压缸B中的液压油经过进油单向阀进入上油腔，同时通过下油腔的液力传递推动液压活塞B向下运动。液压活塞B在燃气作用力的传递或间接作用下，通过连杆驱动曲柄旋转运动将燃气燃烧释放的热能转化为曲轴旋转的机械能输出。在膨胀过程后期排气门打开进行自由排气，随后活塞下行滑过进气口上沿，进气口打开，开始扫气。扫气过程一直持续到下止点过后，排气门首先关闭，而后活塞上行滑过进气口上沿，进气口关闭，扫气过程结束。在活塞上行的扫气过程和压缩过程，液压活塞B上行通过下油腔的液力传递作用在液压活塞A；液压活塞A通过连接杆推动活塞上行的同时，将上油腔内的液压油经过出油单向阀排出液压缸A，完成液压能的输出。
进一步地，所述液力调节装置包括与下油腔20相连通的横向设置的柱塞腔，所述柱塞腔内设有下油腔调节柱塞6，所述下油腔调节柱塞6与液压马达5联接。液力调节装置主要用来调节下油腔调节柱塞的位移，从而改变液压活塞A和液压活塞B之间的距离，实现压缩比的调节和活塞运动速度的控制，下油腔调节柱塞6主要通过液压马达5驱动调节其位移量。对于不同工况的静态调节，当下油腔调节柱塞向右移动时，液压活塞A和液压活塞B之间距离增大，发动机工作过程的压缩比增大；相反，压缩比减小。对于循环过程不同阶段的动态调节，当活塞由下止点向上止点运动时，下油腔调节柱塞向左移动可减小液压活塞A和液压活塞B之间距离，活塞上行的运动速度减小，延长扫气时间；同理，在压缩过程，下油腔调节柱塞向右移动可增大液压活塞A和液压活塞B之间距离，活塞上行的运动速度增大，缩短压缩过程。
进一步地，所述的下油腔调节柱塞6包括设于其上的驱动凸轮，所述驱动凸轮与液压马达5联接并被液压马达5所驱动，液压马达5通过驱动凸轮将力作用于下油腔调节柱塞6的左端，以实现下油腔20的容积调节。如图2所示，从上止点到下止点的过程中，凸轮廓线为圆弧形；从下止点到上止点的过程中，凸轮廓线的丰满度逐渐增大。
进一步地，所述气缸体10包括气缸套以及设于气缸套上端的气缸盖，所述气缸套内滑动连接有活塞9，所述气缸套的下端沿其周向设有多个进气口14，所述进气口14上设有相对气缸半径方向的气口径向倾角；进气口的流通面积由气口高度和宽度决定，气口高度同时还决定扫气持续时间。进气口设计有与气缸半径方向的夹角，称为气口径向倾角，可有效组织扫气过程的缸内涡流，提高扫气效率；所述气缸盖上布置有配气机构，包括气缸盖上所设的排气门12，排气门12连接有排气摇臂11；所述气缸盖底部设有喷油器或火花塞13，气缸盖底部布置喷油器或火花塞分别针对柴油机或汽油机。所述气缸盖底部的火力面、活塞9的顶面及气缸套内侧壁共同包络构成气缸体10的燃烧室空间。
进一步地，所述曲轴箱3包括箱体，所述箱体的左、右两端分别设有左端曲轴轴承2、右端曲轴轴承23，曲轴1的两端分别与左端曲轴轴承2和右端曲轴轴承23联接，所述曲轴1的中部设置曲柄24，曲轴1上还固定套接有曲轴飞轮25；所述曲柄24与连杆22连接。曲轴箱设在中间体的下方，主要完成动力输出和配合中间体的液力系统实现液力传递，保证发动机工作过程的进行和压缩比的调节。发动机曲轴两端分别支撑在右端曲轴轴承和左端曲轴轴承，同时增加曲轴飞轮储存旋转惯量，保证扫气过程和压缩过程的进行。
本发明的具体工作原理：如图1所示，二冲程机-液双动力输出可变压缩比发动机曲轴1安装在曲轴箱3中，曲柄24两端分别支撑在左端曲轴轴承2和右端曲轴轴承23。由图示位置开始，在曲轴飞轮25旋转惯量的作用下曲轴1旋转，曲柄24驱动连杆22并推动液压活塞B21向上移动。通过下油腔内液力作用的传递，液压活塞A19向上运动；同时液压活塞A19将上油腔17内液压油经过出油单向阀8压入液压缸A7，输出液压能。活塞9由液压活塞A19通过连接杆18作用向上止点运动，且进气口14逐步关闭，扫气过程结束，开始完成压缩过程，直到活塞9到达上止点。在上止点过后的膨胀过程，活塞9在缸内燃气的作用下向下运动，并通过接杆18推动液压活塞A19向下运动，同时进油单向阀15打开，液压缸B16中的液压油进入上油腔17。由下油腔20的液力作用的传递推动液压活塞B21向下运动。液压活塞B21在燃气作用力的传递或间接作用下，通过连杆22驱动曲柄24旋转运动将燃气燃烧释放的热能转化为曲轴1旋转的机械能。在活塞9向下运动的过程中，排气门12在排气摇臂11的驱动下首先打开，开始排气；在活塞9向下运动到进气口14上沿时，进气口14打开，开始扫气。排气门12的开闭过程可以由排气摇臂11进行驱动，也可通过液压缸7所储存的液压能进行驱动。二冲程机-液双动力输出可变压缩比发动机通过中间体的液力传递，在取消原有连杆结构同时可保证曲轴1与活塞9之间协调运动，同时可完成机械能和液压能的输出。
本发明主要通过液压马达5驱动下油腔调节柱塞6实现发动机工作过程的压缩比可调。当下油腔调节柱塞6向右移动时，由于液压油的不可压缩性，液压活塞A19和液压活塞B21之间的距离增大，上油腔17的工作容积减小，发动机工作过程的压缩比增大；相反，发动机工作过程的压缩比减小。
如图2所示，本发明的下油腔调节柱塞6的驱动凸轮合理设计可实现在一个工作循环内活塞在膨胀过程、扫气过程和压缩过程具有不同的运动速度。通过对下油腔调节柱塞6在一个工作循环内的动态调节，不仅可以实现工作过程压缩比的改变而且可以有效控制活塞在不同循环阶段的运动速度。由凸轮廓线可知，从上止点到下止点的过程中，下油腔调节柱塞6的位移不变，即在膨胀过程和扫气初始液压活塞A19和液压活塞B21之间的距离保持不变；从下止点到上止点的过程中，下油腔调节柱塞6的位移先减小后增大，即在扫气过程中后期液压活塞A19和液压活塞B21之间的距离减小，有利于减小活塞运动速度，延长扫气过程，在压缩过程液压活塞A19和液压活塞B21之间的距离增大，有利于实现快速压缩。在膨胀过程后期排气门12打开(EVO)开始排气，在缸内压力下降到一定程度时，进气口14打开(IPO)开始扫气；在下止点过后，为延长扫气过程，提高扫气效率，通过减小液压活塞A19和液压活塞B21之间的距离而减小活塞9的运动的速度，直到排气门12先关闭(EVC)、进气口14后关闭(IPC)。从EVO到IPO的过程称为自由排气，从EVC到IPC的过程称为过后充气。
如图3所示，液压马达5在驱动下油腔调节柱塞6实现压缩比可变和活塞运动规律可控的控制策略主要是根据转速和负荷的变化以及循环过程不同的阶段进行压缩比和活塞运动速度的调节。在低速小负荷工况，通过提高压缩比改善汽油机热效率；在高速大负荷工况，通过降低压缩比而降低缸内压力和温度，避免汽油机出现爆震现象。通过一维工作过程仿真或整机试验标定进行参数匹配，完成压缩与转速和负荷的匹配和控制策略设计。压缩比的改变在影响燃烧过程组织的同时，配气正时和缸内流动及混合气分布相应发生变化，进而影响缸内燃烧过程组织。上述影响可通过CFD仿真进行分析，完善压缩与转速和负荷的控制策略，并通过整机试验进行控制策略的验证。同时，为了提高扫气效率和实现快速压缩，通过在一个工作循环内对下油腔调节柱塞6的位移进行动态调节，从而控制液压活塞A19和液压活塞B21之间的距离，实现活塞9在循环过程不同阶段运动速度的控制。活塞9的运动速度直接影响扫气持续和压缩过程，因此通过缸内流动、混合气分布和热力过程体现在对缸内燃烧过程组织。
综上所述，本发明公开的机-液双动力输出可变压缩比发动机，在传统二冲程“气口-气门”式直流扫气发动机的气缸体与曲轴箱之间增加中间体，同时取消了原有的连杆结构，通过中间体的液力系统实现燃气作用力的传递以及曲轴与活塞之间的协同运动。同时，通过调节中间体的上油腔的柱塞位移改变液压活塞A与液压活塞B之间的距离，实现发动机工作过程的压缩比可调和活塞运动速度可控。本机-液双动力输出可变压缩比发动机在活塞下行的膨胀过程中，上油腔吸油的同时曲轴输出机械能；在活塞上行的扫气和压缩过程中，上油腔出油输出液压能。下油腔主要用来控制不同的压缩比和活塞运动速度。
本发明的结构特点如下：
(1)在气缸体与曲轴箱之间增设中间体实现液力传递，对原机的结构紧凑性影响较小；
(2)发动机的燃烧室布置形式，包括气缸体气缸盖保持不变；
(3)发动机的气缸盖、气缸体、活塞和曲轴等主要受力部件不变，且有效避免了活塞与气缸套之间的侧压力；
(4)通过中间体的液力调节实现压缩比的调节和活塞运动速度的控制，其控制过程容易、可靠性较高；
(5)对传统发动机的改造成本较低，便于大批量生产。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种机-液双动力输出可变压缩比发动机，包括气缸体(10)、曲轴箱(3)，其特征在于，所述气缸体(10)与曲轴箱(3)之间连接有中间体(4)，所述中间体(4)内部设有连接气缸体(10)与曲轴箱(3)的液力系统，所述液力系统用来实现气缸体(10)内的燃气力向曲轴箱(3)的传递，所述液力系统连接有液力调节装置；
所述液力系统包括由液压活塞A(19)相隔开的上油腔(17)和下油腔(20)，所述液压活塞A(19)与上、下油腔(17、20)之间滑动密封连接，所述液压活塞A(19)通过连接杆(18)与气缸体(10)活塞(9)连接；所述下油腔(20)内滑动密封设有液压活塞B(21)，液压活塞B(21)通过连杆(22)与曲轴箱(3)的曲柄(24)连接；所述上油腔(17)的上端通过进油单向阀(15)与液压缸B(16)连通，上油腔(17)的上端通过出油单向阀(8)与液压缸A(7)连通；所述液力调节装置与下油腔(20)联接；
所述液力调节装置包括与下油腔(20)相连通的横向设置的柱塞腔，所述柱塞腔内设有下油腔调节柱塞(6)，所述下油腔调节柱塞(6)与液压马达(5)联接；
所述的下油腔调节柱塞(6)包括设于其上的驱动凸轮，所述驱动凸轮与液压马达(5)联接并被液压马达(5)所驱动，以实现通过下油腔调节柱塞(6)来调节下油腔(20)的容积。
2.如权利要求1所述的一种机-液双动力输出可变压缩比发动机，其特征在于，所述气缸体(10)包括气缸套以及设于气缸套上端的气缸盖，所述气缸套内滑动连接有活塞(9)，所述气缸套的下端沿其周向设有多个进气口(14)；所述气缸盖上设有排气门(12)，排气门(12)上连接有排气摇臂(11)；所述气缸盖底部设有喷油器或火花塞(13)；所述气缸盖底部的火力面、活塞(9)的顶面及气缸套内侧壁共同包络构成气缸体(10)的燃烧室空间。
3.如权利要求1所述的一种机-液双动力输出可变压缩比发动机，其特征在于，所述曲轴箱(3)包括箱体，所述箱体的左、右两端分别设有左端曲轴轴承(2)、右端曲轴轴承(23)，曲轴(1)的两端分别与左端曲轴轴承(2)和右端曲轴轴承(23)联接，所述曲轴(1)的中部设置曲柄(24)，曲轴(1)上还固定套接有曲轴飞轮(25)；所述曲柄(24)与连杆(22)连接。
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