CN111379621B - 一种可变压缩比发动机及汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变压缩比发动机及汽车，所述发动机的气缸盖(1)与气缸体之间形成多个燃烧室，进一步包括驱动电机(2)和多个中心活塞(3)；所述中心活塞(3)的内部设有喷油嘴组件(4)和火花塞(5)，其喷油端和点火端位于所述中心活塞(3)的下端；所述气缸盖(1)设有用于安装各所述中心活塞(3)的活塞腔，所述驱动电机(2)设于所述气缸盖(1)，并通过联动部件与各所述中心活塞(3)相连接，以带动所述中心活塞(3)一起上下移动，使所述中心活塞(3)的下端嵌入或移出各所述燃烧室。该发动机通过电机控制来改变燃烧室的容积进而改变发动机的压缩比，使发动机能够在分层燃烧方式下工作，来实现提高发动机工作效能。

Description

一种可变压缩比发动机及汽车

技术领域

本发明涉及汽车发动机技术领域，特别是压缩比可调的汽油发动机。本发明还涉及设有所述可变压缩比发动机的汽车。

背景技术

压缩比是活塞的扫气容积与燃烧室容积之和与燃烧室容积的比值。增加压缩比，可以提高气缸压力和效率，但是容易引起发动机的爆震，所以在低负荷时，希望通过增加压缩比来提高燃烧效率，而高负荷时，希望降低压缩比来防止产生爆震和改善效率。

现代发动机的燃烧室是受汽缸盖和活塞顶部所形成的物理结构决定的，无论何种排量的发动机，设计的重点放在能输出最大功率的状态下。这意味着在中小功率输出(中低转速)情况下，气缸的压力因为进气量的减小而减小，因此此时的发动机工作不可能在高效的情况下进行。

对于点燃式发动机，爆燃是不希望看到的，而爆燃的出现与油品、工作负荷、发动机转速等因素有关。一般选择不同的油品来适应具有不同压缩比的发动机，所以不同的油品、使用条件与实际可能达到的气缸压力可能是不匹配的。

当前的可变压缩比技术，通常是通过可变燃烧室容积和可变上死点位置而实现的，改变上死点的位置往往需要将连杆和曲轴的曲拐改变为四连杆机构，同时增加控制机构，另外一种是通过改变缸盖和缸体的相对位置，从而实现可变燃烧室容积的，但是这种系统带来了密封、凸轮轴驱动、润滑和冷却等一系列问题。

因此，如何克服现有可变压缩比发动机存在的不足，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可变压缩比发动机，其针对直喷发动机，通过电机控制来改变燃烧室的容积进而改变发动机的压缩比，使发动机能够在分层燃烧方式下工作，来实现提高发动机工作效能。

本发明的另一目的是提供一种设有所述可变压缩比发动机的汽车。

为实现上述目的，本发明提供一种可变压缩比发动机，包括气缸体和设于所述气缸体上部的气缸盖，所述气缸盖与气缸体之间形成多个燃烧室，进一步包括驱动电机和多个中心活塞；所述中心活塞的内部设有喷油嘴组件和火花塞，其喷油端和点火端位于所述中心活塞的下端；所述气缸盖在各所述燃烧室的顶部设有用于安装各所述中心活塞的活塞腔，所述驱动电机设于所述气缸盖，并通过联动部件与各所述中心活塞相连接，以带动所述中心活塞一起上下移动，使所述中心活塞的下端嵌入或移出各所述燃烧室。

优选地，所述中心活塞的活塞壳体为空心结构，所述活塞壳体的下端为活塞端；所述活塞端上设有用于安装所述喷油嘴组件和火花塞的孔位，所述喷油嘴组件和火花塞的主体部分位于所述活塞壳体的内腔中，所述喷油嘴组件的喷油端从所述活塞端的喷油孔进入所述燃烧室，所述火花塞的点火端从所述活塞端的点火孔进入所述燃烧室。

优选地，所述联动部件为同步板，所述同步板同时连接各所述中心活塞的上端，并通过升降传动机构连接于所述驱动电机。

优选地，所述升降传动机构为滚珠螺母丝杠组件，包括传动配合以将所述驱动电机的旋转运动转变为上下直线运动的丝杠和滚珠轴承，所述丝杠设于所述驱动电机上端的转轴上，所述滚珠轴承设于所述同步板。

优选地，所述驱动电机的数量为多个，相怜两个所述中心活塞之间分别设有所述驱动电机；所述驱动电机与所述中心活塞并排布置，两者的轴线相平行。

优选地，所述中心活塞在其活塞端的下方设有向下延伸的环形凸缘，所述中心活塞的主体部分的直径大于所述环形凸缘的直径；所述环形凸缘的内顶部呈内凹形状，所述喷油嘴组件的喷油端和所述火花塞的点火端均位于所述环形凸缘的内顶部。

优选地，所述中心活塞的外表面在中段区域设有环形水槽，所述环形水槽与所述活塞腔的内壁之间形成水套，所述水套的两端分别设有密封件。

优选地，所述中心活塞下端的外面上设有至少两道与所述活塞腔内壁上下滑动配合的活塞环。

优选地，所述火花塞包括火花塞基体、设于所述火花塞基体的插入瓷体和设于所述插入瓷体外部的火花塞基体瓷体，所述插入瓷体的下端设有退拔连接面和高压电极弯头，所述火花塞基体瓷体和退拔连接面的外部设有絮状金属丝体。

为实现上述另一目的，本发明提供一种汽车，包括车体和设于所述车体发动机舱的发动机，所述发动机为上述任一项所述的可变压缩比发动机。

本发明在发动机气缸各燃烧室的顶部分别增设有一个中心活塞，并采用驱动电机控制多个中心活塞一起上下移动，当中心活塞上下移动时，中心活塞的下端将嵌入或移出燃烧室(活塞移至上止点与缸盖部分形成的空间)，以改变燃烧室的容积，从而实现调节汽缸压力的目的。具有以下技术效果：

1)由于可以适时调节汽缸压力，所以可以使发动机在整个工作过程中，保证有足够的气体压力形成，可以提高发动机的工作效率。

2)由于具有气缸压力适时调节功能，所以对油品的选择显得不敏感，无论油品的辛烷值(表征抗爆能力指标)如何，发动机的工作都能通过爆震传感器输入和控制器的反馈控制，使发动机工作在接近爆震(爆燃)的点处，燃烧效率最大化，使发动机对油品的选择要求减低。

3)因为有了汽缸压力的适时调节功能，原本不能高效工作的中低速工作区域的状态得以有效改善，也就是说可以通过进气量的控制，实现变排量，使发动机负载的匹配得到改善。

4)有利于稀薄燃烧，缸内直喷技术的运用是针对“稀薄”燃烧设计的，当高压喷嘴喷射时，机构的物理形状，有利于混合气在中心的聚集，可有利于分层燃烧(稀薄燃烧)，减少油的使用量。

在一种优选方案中，所述火花塞设有高压电机弯头和退拔连接面，同时在外部设有絮状金属丝体，通过火花塞的变形设计，使喷油嘴的出油的油雾针对喷油嘴油雾线路，更利于实现分层燃烧(稀薄燃烧)。

本发明所提供的汽车设有所述可变压缩比发动机，由于所述可变压缩比发动机具有上述技术效果，则设有该可变压缩比发动机的汽车也应具有相应的技术效果。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种可变压缩比发动机的气缸盖的局部剖视图；

图2为驱动电机与中心活塞传动连接的结构示意图；

图3为驱动电机与同步板通过升降传动机构相连接的结构示意图；

图4为中心活塞安装在活塞腔中的剖视图；

图5为中心活塞的内部结构示意图；

图6为火花塞的结构示意图。

图中：

1.气缸盖 2.驱动电机 3.中心活塞 4.喷油嘴组件 5.火花塞 51.火花塞基体52.插入瓷体 53.火花塞基体瓷体 54.退拔连接面 55.高压电极弯头 56.絮状金属丝体6.同步板 7.丝杠 8.滚珠轴承 9.活塞壳体 10.内螺纹 11.“T”形中空螺栓 12.水套 13.水封件 14.活塞环 15.凸缘 16.高压线

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

在本文中，“上、下、内、外”等用语是基于附图所示的位置关系而确立的，根据附图的不同，相应的位置关系也有可能随之发生变化，因此，并不能将其理解为对保护范围的绝对限定；而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

请参考图1、图2、图3，图1为本发明实施例公开的一种可变压缩比发动机的气缸盖的局部剖视图；图2为驱动电机与中心活塞传动连接的结构示意图；图3为驱动电机与同步板通过升降传动机构相连接的结构示意图。

如图所示，在一种具体实施方式中，本发明提供的可变压缩比发动机的主体部分为气缸体和设于气缸体上部的气缸盖1，图中仅示出了气缸盖1，由于是四缸发动机，因此气缸盖1与气缸体之间形成四个燃烧室，每一个燃烧室内都安装有一个气缸活塞，工作时，以直喷的方式喷入燃油，经过燃烧后推动气缸活塞往复运动，再通过曲柄连杆机构向外输出动力。

其改进之处在于，还设有三个驱动电机2和四个中心活塞3；每一个中心活塞3对应于一个燃烧室，各中心活塞3的内部分别设有喷油嘴组件4和火花塞5，其喷油端和点火端位于中心活塞3的下端。

气缸盖1在各燃烧室的顶部设有用于安装各中心活塞3的活塞腔，各驱动电机2也安装于气缸盖1，相怜两个中心活塞3之间设置一个驱动电机2，由于一共有四个中心活塞3，因此便设有三个驱动电机2，这三个驱动电机2与四个中心活塞3都纵向并排布置，其轴线位于同一平面且相互平行，各驱动电机2的上端沿周向设有四个支耳，支耳上设有孔位，以便与气缸盖1固定连接。

驱动电机2可控制四个中心活塞3一起上下移动，当中心活塞3上下移动时，中心活塞3的下端将嵌入或移出燃烧室(活塞移至上止点与缸盖部分形成的空间)，以改变燃烧室的容积，从而实现调节汽缸压力的目的。

为了保证四个中心活塞3能够同步移动，驱动电机2通过联动部件与各中心活塞3相连接，以带动中心活塞3一起上下移动，使中心活塞3的下端嵌入或移出各燃烧室。

具体地，此联动部件为同步板6(也可以称之为搭桥)，同步板6在截面上大体呈“U”形，具有位于中间的平板部分，前后两边向上折弯形成上翻边，左右两端呈弧形，其上设有四个对应于中心活塞3的安装孔位，和三个对应于驱动电机2的安装孔位，同步板6同时连接四个中心活塞3的上端，并通过升降传动机构与驱动电机2相连接。

升降传动机构为滚珠螺母丝杠组件，主要由丝杠7和滚珠轴承8构成，丝杠7设于驱动电机2上端的转轴上，滚珠轴承8设于同步板6，丝杠7与滚珠轴承8传动配合，以将驱动电机2的旋转运动转变为上下直线运动，驱动电机2可通过螺栓固定在气缸盖1的壳体中，工作时，驱动电机2转动，带动滚珠轴承8上下移动，进而带动中心活塞3上下移动，通过同步板6完成对连接在同步板6上的中心活塞3的控制。

中心活塞3的活塞壳体9为空心结构，活塞壳体9的下端为封闭的活塞端；活塞端上设有用于安装喷油嘴组件4和火花塞5的孔位，喷油嘴组件4和火花塞5的主体部分位于活塞壳体9的内腔中，喷油嘴组件4的喷油端从活塞端的喷油孔进入燃烧室，火花塞5的点火端从活塞端的点火孔进入燃烧室。

活塞壳体9的上端设有内螺纹10，通过“T”形中空螺栓11与同步板6固定连接，“T”形中空螺栓11的上端呈六边形，下端的圆筒部位设有外螺纹，其通过下端的外螺纹与中心活塞3上端的内螺纹相连接，并依靠上端的六边形螺栓头支撑在同步板6的上表面，由此实现二者的相对固定，由于“T”形中空螺栓11具有中空的内腔，因此，中心活塞3内部的喷油嘴组件4和火花塞5的高压线16等可以从“T”形中空螺栓11的上端向外引出。

请参考图4、图5，图4为中心活塞安装在活塞腔中的剖视图；图5为中心活塞的内部结构示意图。

如图所示，由于中心活塞3位于燃烧室的上部，工作时热量会直接传递至中心活塞3，导致其温度升高，为了对中心活塞3进行降温，强化中心活塞组的散热效果，中心活塞3的外表面在中段区域设有多道环形水槽，环形水槽与活塞腔的内壁之间形成封闭的腔体，也就是水套12。

气缸盖1上设有与水套12相连通的进水孔(如箭头方向所示)，冷却水从气缸盖1上的进水孔进入水套12后，再从气缸盖1上的出水孔排出，在流经水套12的过程中，完成与中心活塞3的热交换，将中心活塞3的热量带走，冷却水不断循环，便可以使中心活塞3的温度控制在合理水平，水套12的两端分别设有一道水封件13，以保证水套12的密封性能，使其在静态和动态过程中，都不会出现冷却水渗漏现象。

中心活塞3下端的外面上设有两道与活塞腔内壁上下滑动配合的活塞环14，两个活塞环14主要用于密封以及阻挡燃烧室的冲击燃气对水封12的损伤。

中心活塞3在其活塞端的下方设有向下延伸的环形凸缘15，中心活塞3的主体部分的直径大于环形凸缘15的直径；环形凸缘15的内顶部呈弧形的内凹形状，类似于倒扣的碗状，喷油嘴组件4的喷油端和火花塞的点火端均位于环形凸缘15的内顶部。

凸缘15的作用除可实现下移定位端点外，还可以解决由于节气门下端盆形形状所导致的壁厚问题，也就是说，其主要的作用是可以有效的扩大中心活塞3的直径。

一般情况下，理想的设计是可变燃烧室较大，这样中心活塞3的移动距离较小，以适应于不同的实际工作排量及功率情况。例如，对于一个2.4L排量的发动机来讲，若希望实际工作排量能达到0.7L到2.4L排量，实现12：1标称值压力下所需气缸压力，就需要对于直径40mm的中心活塞3的移动距离约26mm之大。可以看到中心活塞3的直径与移动距离呈反比关系，这样如果希望移动距离小的话，就需要扩大中心活塞3的直径，但是从结构强度的角度来讲，需要平衡中心活塞3直径与强度之间的关系，以做出合理的设计。

请参考图6，图6为火花塞的结构示意图。

如图所示，火花塞5包括火花塞基体51、设于火花塞基体51的插入瓷体52和设于插入瓷体52外部的火花塞基体瓷体53，插入瓷体52的下端设有退拔连接面54和高压电极弯头55，火花塞基体瓷体53和退拔连接面54的外部设有絮状金属丝体56。

为火花塞5设置高压电极弯头55的目的是为了喷油嘴喷油所形成的扇面能包裹火花塞5的点火中心，以更好的实现分层(稀薄)燃烧，退拔连接面54的面积较小，其一方面可以实现电极的无间隙连接，另一方面可以利于可靠连接，而退拔连接面54连接以后所造成的变化间隙用絮状金属丝体56填入，可以很好的解决适配跳火问题。

本发明采用上述结构之后，由于可以适时调节汽缸压力，所以可以使发动机在整个工作过程中，保证有足够的气体压力形成，可以提高发动机的工作效率；而且，发动机对油品的选择显得不敏感，无论油品的辛烷值如何，发动机的工作都能通过爆震传感器输入和控制器的反馈控制，使发动机工作在接近爆震的点处，燃烧效率最大化，使发动机对油品的选择要求减低；此外，原本不能高效工作的中低速工作区域的状态得以有效改善，也就是说可以通过进气量的控制，实现变排量，使发动机负载的匹配得到改善；最后，当高压喷嘴喷射时，机构的物理形状，有利于混合气在中心的聚集，可有利于分层燃烧，减少燃油的使用量。

上述内容仅是本发明的优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如，发动机的燃烧室数量可以进一步增加或减少，构成三缸发动机、六缸发动机、八缸发动机；或者，驱动电机2不设置在气缸盖1的内部，而是设置在气缸盖1的上方；又或者，仅采用一个驱动电机来带动同步板上下移动，等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

除了上述可变压缩比发动机，本发明还提供一种汽车，包括车体和设于车体发动机舱的发动机，其中，发动机为上述实施例所描述的可变压缩比发动机，有关汽车的其余结构请参考现有技术，本文不再赘述。

以上对本发明所提供的可变压缩比发动机及汽车进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种可变压缩比发动机，包括气缸体和设于所述气缸体上部的气缸盖(1)，所述气缸盖(1)与气缸体之间形成多个燃烧室，其特征在于，进一步包括驱动电机(2)和多个中心活塞(3)；所述中心活塞(3)的内部设有喷油嘴组件(4)和火花塞(5)，其喷油端和点火端位于所述中心活塞(3)的下端；所述气缸盖(1)在各所述燃烧室的顶部设有用于安装各所述中心活塞(3)的活塞腔，所述驱动电机(2)设于所述气缸盖(1)，并通过联动部件与各所述中心活塞(3)相连接，以带动所述中心活塞(3)一起上下移动，使所述中心活塞(3)的下端嵌入或移出各所述燃烧室；所述中心活塞(3)在其活塞端的下方设有向下延伸的环形凸缘(15)，所述中心活塞(3)的主体部分的直径大于所述环形凸缘(15)的直径；所述环形凸缘(15)与活塞安装孔的内壁之间形成环形空间，所述环形凸缘(15)的内顶部呈内凹形状，所述喷油嘴组件(4)的喷油端和所述火花塞(5)的点火端均位于所述环形凸缘(15)的内顶部，所述气缸盖用于安装所述中心活塞(3)的安装孔下端设有内凸缘。

2.根据权利要求1所述的可变压缩比发动机，其特征在于，所述中心活塞(3)的活塞壳体(9)为空心结构，所述活塞壳体(9)的下端为活塞端；所述活塞端上设有用于安装所述喷油嘴组件(4)和火花塞(5)的孔位，所述喷油嘴组件(4)和火花塞(5)的主体部分位于所述活塞壳体(9)的内腔中。

3.根据权利要求1所述的可变压缩比发动机，其特征在于，所述联动部件为同步板(6)，所述同步板(6)同时连接各所述中心活塞(3)的上端，并通过升降传动机构连接于所述驱动电机(2)。

4.根据权利要求3所述的可变压缩比发动机，其特征在于，所述升降传动机构为滚珠螺母丝杠组件，包括传动配合以将所述驱动电机(2)的旋转运动转变为上下直线运动的丝杠(7)和滚珠轴承(8)，所述丝杠(7)设于所述驱动电机(2)上端的转轴上，所述滚珠轴承(8)设于所述同步板(6)。

5.根据权利要求4所述的可变压缩比发动机，其特征在于，所述驱动电机(2)的数量为多个，相邻 两个所述中心活塞(3)之间分别设有所述驱动电机(2)；所述驱动电机(2)与所述中心活塞(3)并排布置，两者的轴线相平行。

6.根据权利要求1所述的可变压缩比发动机，其特征在于，所述中心活塞(3)的外表面在中段区域设有环形水槽，所述环形水槽与所述活塞腔的内壁之间形成水套(12)，所述水套(12)的两端分别设有水封件(13)。

7.根据权利要求1所述的可变压缩比发动机，其特征在于，所述中心活塞(3)下端的外面上设有至少两道与所述活塞腔内壁上下滑动配合的活塞环(14)。

8.根据权利要求1至7任一项所述的可变压缩比发动机，其特征在于，所述火花塞(5)包括火花塞基体(51)、设于所述火花塞基体(51)的插入瓷体(52)和设于所述插入瓷体(52)外部的火花塞基体瓷体(53)，所述插入瓷体(52)的下端设有退拔连接面(54)和高压电极弯头(55)，所述火花塞基体瓷体(53)和退拔连接面(54)的外部设有絮状金属丝体(56)。

9.一种汽车，包括车体和设于所述车体发动机舱的发动机，其特征在于，所述发动机为上述权利要求1至8任一项所述的可变压缩比发动机。

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