CN111622836B - 一种半径可调的发动机曲轴 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半径可调的发动机曲轴，包括曲轴主体，连杆轴颈，支杆，滑动套，拨叉，螺杆和蜗杆，曲轴臂、主轴颈、支杆、连杆轴颈和滑动套构成直角三角形滑块机构，其中：连杆轴颈两端为孔型结构，与曲轴臂滑动配合构成一直角边，滑动套安装在主轴颈上、沿着主轴颈轴线滑动构成另一直角边，支杆两端分别铰接在连杆轴颈和滑动套上构成直角三角形斜边，滑动套通过驱动机构在主轴颈上平移。当滑动套靠近曲轴臂时，支杆推动连杆轴颈向外移动，曲轴半径增加，活塞运动上止点升高，下止点降低，发动机压缩比增大；当滑动套远离曲轴臂时，支杆拉动连杆轴颈向内移动，曲轴半径减小，活塞运动上止点降低，下止点升高，发动机压缩比减小。

Description

一种半径可调的发动机曲轴

技术领域

本发明涉及一种发动机曲轴，具体涉及一种半径可调的发动机曲轴，用于改变发动机压缩比。

背景技术

发动机压缩比是决定热效率的主要因素，为了提高热效率，提高压缩比是核心途径。

发动机新技术的发展和应用，迫使发动机活塞的上、下止点需要根据发动机的工作状态灵活变化，这些技术需求包括：

第一、发动机输出功率的变化

车辆高速行驶时，发动机功率高、转速高，此时需要发动机压缩比低。车速低时，发动机转速降低，此时减少燃油喷入量可达到省油，但为了保持发动机有足够的动力，需要提高压缩比。

第二、每个冲程中活塞上下止点的可变需求

对于四冲程发动机而言，进气冲程时，燃油喷入量不变，为了形成稀薄油气，需要吸入更多空气，一方面充分燃烧，另一方面提高热能转换效率，所以需要活塞下止点降低，以增加气缸工作容积。对于压缩冲程而言，为了实现稀薄油气压燃技术，需要活塞上止点足够高。对于排气冲程而言，现有发动机在排气冲程时，活塞上止点距离燃烧室顶部还保留一定空间，废气无法彻底排净，进入吸气冲程时，这部分废气和吸入的新鲜油气、空气混合，相当于降低了吸气量。为了彻底排出废气，需要活塞上止点达到燃烧室顶部，此上止点在四个冲程中是最高的，所以依靠活塞彻底排气需要在排气冲程中曲轴工作半径“临时”增加到最大。活塞运动到燃烧室顶部的另外一个好处是，可以强制熄灭燃烧室存在的火星（因为高温导致积碳形成火星），通过活塞壁或活塞机油冷却气缸内壁，防止爆震（因这些火星可能点燃吸入的新鲜油气）。

由于多气缸发动机每个气缸工作在不同冲程，如果曲轴半径同时增加或者减少，就不能满足每个气缸、每个冲程对活塞上下止点位置的灵活需求，所以需要每个气缸的曲轴半径独立可调。

发明内容

为了满足发动机不同的工作状态所需的不同压缩比，便于提高燃油经济性和动力的匹配，以及满足其它技术对每个活塞上、下止点位置独立可变的需求，本发明提出了一种半径可调的发动机曲轴。

为此，本发明的技术方案为，一种半径可调的发动机曲轴，所述曲轴安装于发动机箱体中，其特征在于：

所述曲轴至少包括一个曲轴单元，每个曲轴单元具有两个对称的曲轴主体，曲轴主体的顶端向上延伸设有曲轴臂、外侧面的垂直方向上设有主轴颈，两个曲轴主体上的主轴颈同轴线反向延伸设置，主轴颈构成整个曲轴的旋转中心轴、并通过轴承安装在发动机箱体的轴承槽中；

还包括支杆、滑动套、用于穿设在活塞连杆上的连杆轴颈，其中：

连杆轴颈的两端对称设有带孔形结构的轴筒，曲轴臂滑动配合插接于轴筒中，滑动套滑动配合套设在其中一个主轴颈上，曲轴臂构成连杆轴颈的滑动轨道和传递扭力的结构，支杆的两端分别铰接在滑动套和相邻轴筒上，支杆、曲轴臂、主轴颈构成斜边不变、直角边可变的可变直角三角形的三条边，滑动套和轴筒构成可变直角三角形的两个可滑动顶点，两个顶点各自沿着直角三角形的直角边滑动；

所述滑动套上连接有用于驱动滑动套沿主轴颈滑动的驱动机构；

当滑动套靠近曲轴臂时，支杆推动连杆轴颈沿着曲轴臂向外移动，曲轴半径增加，活塞运动上止点升高，下止点降低，发动机压缩比增大；

当滑动套远离曲轴臂时，支杆拉动连杆轴颈沿着曲轴臂向内滑动，曲轴半径减小，活塞运动上止点降低，下止点升高，发动机压缩比减小。

作为优选，所述驱动机构的一种具体结构为，包括拨叉、螺杆、涡轮和蜗杆，所述滑动套外侧周向设有与拨叉相配合的环形凸缘，拨叉的开口端从两侧夹住凸缘、尾端通过带内螺纹的螺纹套筒连接在螺杆上，螺杆的一端设有涡轮，涡轮与蜗杆相啮合，蜗杆从发动机箱体穿出连接外部动力源，螺杆与蜗杆通过安装支座安装于发动机箱体内的支撑台上；螺杆与主轴颈之间的支撑台上还设有限位板，限位板上开设有供拨叉颈杆穿过的导向限位槽、用于防止拨叉周向翻转同时引导拨叉沿主轴颈轴线方向移动；

当外部动力驱动蜗杆转动，蜗杆驱动涡轮转动，同时带动螺杆转动；螺杆转动时通过螺纹驱动螺纹套筒移动，从而带动拨叉移动；拨叉移动时将驱动滑动套移动，滑动套在随曲轴旋转的同时又沿着主轴颈轴线平移；滑动套的轴线平移将使直角三角形其中一个锐角顶点沿着直角边移动，直角三角形另一个锐角顶点的轴筒沿着另一直角边移动；当滑动套移动到所需位置时，外部动力源停止驱动蜗杆，依靠涡轮/蜗杆和螺杆与螺纹套筒上螺纹副的自锁能力，滑动套自动固定在所需位置。

进一步地，所述连杆轴颈其中一个轴筒外设置有铰接座一，铰接座一上有圆柱销，支杆的一端通过圆柱销铰接；所述滑动套的内侧设置有铰接座二，铰接座二上设有圆柱插销，支杆的另一端通过圆柱插销铰接。

作为优选，所述滑动套用于单缸发动机时为整体环形结构，滑动套用于多缸发动机时为两块半环形结构、并通过螺栓固定为一体，便于多缸发动机曲轴颈上安装滑动套。

作为优选，根据每个气缸工作在不同冲程时对活塞上、下止点高度的需求变化，所述曲轴的工作半径可通过调节外部动力源驱动每个蜗杆的转动圈数进行独立调节；多缸发动机的每个气缸的压缩比可根据工作需要通过调节外部动力源驱动每个蜗杆的转动圈数进行独立调节。

有益效果：本发明提供的技术方案中，曲轴工作半径的变化通过曲轴臂、主轴颈和支杆构成的可变直角三角形中两直角边长度的变化来实现，结构简单，便于传递大扭力。同时，每个活塞对应的曲轴工作半径的调整有独立的驱动机构，每个活塞的上、下止点可以灵活独立调节，既可以实现每个气缸的压缩比独立调节，又可以实现每个气缸、每个冲程中活塞的上、下止点位置独立调节。对于吸气冲程，曲轴工作半径可增长，活塞下止点降低，气缸容积增大，在燃油喷入量不变时，吸入更多空气，形成稀薄油气；对于压缩冲程，曲轴工作半径可增长，活塞上止点升高，压缩比增大，实现稀薄油气压燃；对于排气冲程，曲轴工作半径增长，活塞上止点可升高到燃烧室容积为零的位置，彻底排出废气。由此可以满足一台发动机中高压缩比的气缸内使用柴油，以压燃方式点火；低压缩比的气缸使用汽油，以火花点火。这样可以兼顾柴油发动机和汽油发动机的优势，同时也为实现稀薄油气压燃和彻底排气提供了技术条件。

附图说明

图1是本发明的单个可变曲轴单元的轴测图。

图2是本发明的单个可变曲轴单元的平面图。

图3是本发明的曲轴主体的示意图。

图4是本发明的连杆轴颈的结构图。

图5是本发明的支杆的结构图。

图6是本发明的整体成形的滑动套结构图。

图7是本发明的拨叉的结构图。

图8是本发明的螺杆的结构图。

图9是本发明的箱体的结构图。

图10是本发明的每个气缸曲轴工作半径不同时活塞上、下止点的位置示意图；其中：

图10（a）是曲轴小工作半径的下止点；

图10（b）是曲轴小工作半径的上止点；

图10（c）是曲轴大工作半径的上止点；

图10（d）是曲轴大工作半径的下止点。

图11是本发明的可变直角三角形滑块机构调节曲轴工作半径原理图。

图中所示：A、活塞连杆；10、曲轴主体；11、曲轴臂；12、主轴颈；20、连杆轴颈；21、轴筒；22、铰接座一；30、支杆；40、滑动套；41、铰接座二；42、环形凸缘；50、拨叉；51、套筒；52、内螺纹；53、叉颈杆；60、螺杆；61、涡轮；70、蜗杆；80、发动机箱体；81、支撑台；82、导向限位槽；83、安装支座；84、轴承槽；90、轴承。

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。

本发明如图1至图11所示：

一种半径可调的发动机曲轴，所述曲轴至少包括一个曲轴单元，每个曲轴单元具有两个对称的曲轴主体10，曲轴主体10的顶端向上延伸设有曲轴臂11、外侧面的垂直方向上设有主轴颈12，两个曲轴主体上的主轴颈12同轴线反向延伸设置，主轴颈12构成整个曲轴的旋转中心轴、并通过轴承90安装在发动机箱体80的轴承槽84中；

还包括支杆30、滑动套40、用于穿设在活塞连杆A上的连杆轴颈20，其中：

连杆轴颈20的两端对称设有带孔形结构的轴筒21，曲轴臂11滑动配合插接于轴筒21中，滑动套40滑动配合套设在其中一个主轴颈12上，曲轴臂11构成连杆轴颈20的滑动轨道和传递扭力的结构，支杆30的两端分别铰接在滑动套40和相邻轴筒21上，支杆30、曲轴臂11、主轴颈12构成斜边不变、直角边可变的可变直角三角形的三条边，滑动套40和轴筒21构成可变直角三角形的两个可滑动顶点，两个顶点各自沿着直角三角形的直角边滑动；

所述滑动套40上连接有用于驱动滑动套沿主轴颈12滑动的驱动机构；

当滑动套40靠近曲轴臂11时，支杆30推动连杆轴颈20沿着曲轴臂11向外移动，曲轴半径增加，活塞运动上止点升高，下止点降低，发动机压缩比增大；

当滑动套40远离曲轴臂11时，支杆30拉动连杆轴颈20沿着曲轴臂11向内滑动，曲轴半径减小，活塞运动上止点降低，下止点升高，发动机压缩比减小。

所述驱动机构的一种具体结构为，包括拨叉50、螺杆60、涡轮61和蜗杆70，所述滑动套40外侧周向设有与拨叉相配合的环形凸缘42，拨叉的开口端从两侧夹住凸缘、尾端通过带内螺纹52的螺纹套筒51连接在螺杆60上，螺杆60的一端设有涡轮61，涡轮61与蜗杆70相啮合，蜗杆70从发动机箱体穿出连接外部动力源，螺杆60与蜗杆70通过安装支座83安装于发动机箱体内的支撑台81上；螺杆60与主轴颈12之间的支撑台上还设有限位板，限位板上开设有供拨叉颈杆53穿过的导向限位槽82、用于防止拨叉周向翻转同时引导拨叉沿主轴颈轴线方向移动；

当外部动力驱动蜗杆70转动，蜗杆70驱动涡轮61转动，同时带动螺杆60转动；螺杆60转动时通过螺纹驱动螺纹套筒51移动，从而带动拨叉50移动；拨叉50移动时将驱动滑动套40移动，滑动套40在随曲轴旋转的同时又沿着主轴颈轴线平移；滑动套40的轴线平移将使直角三角形其中一个锐角顶点沿着直角边移动，直角三角形另一个锐角顶点的轴筒21沿着另一直角边移动；当滑动套移动到所需位置时，外部动力源停止驱动蜗杆，依靠涡轮/蜗杆和螺杆与螺纹套筒上螺纹副的自锁能力，滑动套自动固定在所需位置。

所述连杆轴颈20其中一轴筒21外设置有铰接座一22，铰接座一22上有圆柱销，支杆30的一端通过圆柱销铰接。

所述滑动套40的内侧设置有铰接座二41，铰接座二41上设有圆柱插销，支杆30的另一端通过圆柱插销铰接；

所述滑动套用于单缸发动机时为整体环形结构，滑动套用于多缸发动机时为两块半环形结构、并通过螺栓固定为一体。

根据每个气缸工作在不同冲程时对活塞上、下止点高度的需求变化，所述曲轴的工作半径可通过调节外部动力源驱动每个蜗杆的转动圈数进行独立调节；多缸发动机的每个气缸的压缩比可根据工作需要通过调节外部动力源驱动每个蜗杆的转动圈数进行独立调节。

本发明的工作原理：

可变曲轴的工作半径是通过改变曲轴臂的工作长度来实现。图11所示为曲轴各部件组成的可变直角三角形机构原理图。曲轴臂11、主轴颈12、支杆30、轴筒21和滑动套40构成直角三角形滑块机构。连杆轴颈上的轴筒21和滑动套40为可变直角三角形的两个锐角顶点，曲轴臂11轴线与主轴颈12轴线交点为三角形直角顶点，轴筒21到直角顶点的距离为曲轴工作半径R，随轴筒21的滑动，R长度可变；滑动套40到直角顶点的距离L为驱动长度，随滑动套40的滑动，L长度可变。当外部动力源驱动蜗杆70转动，蜗杆70驱动涡轮61转动，同时带动螺杆60转动；螺杆60转动时通过螺纹驱动螺纹套筒51移动，从而带动拨叉50沿着平行与主轴颈轴线的方向移动，拨叉50移动时将驱动滑动套40移动，滑动套40在旋转的同时又沿着主轴颈轴线平移；滑动套沿着主轴颈轴线的平移改变了可变直角三角形中一直角边的长度，即L长度从L1缩短到L2；由于斜边（支杆）长度不变，另一直角边长度必然变化，即R长度必然从R1伸长到R2。所以，当滑动套40靠近曲轴臂11时，支杆30推动连杆轴颈20沿着曲轴臂11向外移动，曲轴半径增加，活塞运动上止点升高，下止点降低，发动机压缩比增大。当外部动力驱动蜗杆反向转动时，滑动套40远离曲轴臂11，支杆30拉动连杆轴颈20沿着曲轴臂11向内移动，曲轴工作半径减小，活塞运动上止点降低，下止点升高，发动机压缩比减小。

本发明中，对于多缸发动机，每个曲轴单元用于驱动滑动套移动的机构是相互独立的。如果用于驱动蜗杆的外部动力源为同一动力源，则每个曲轴单元中的曲轴工作半径变化相同，每个活塞的上、下止点同时升高或降低，每个气缸的压缩比变化相同；如果用于驱动蜗杆的外部动力源也是独立的，则每个曲轴单元的曲轴工作半径可独立变化，每个活塞的上、下止点位置可独立灵活变化，每个气缸的压缩比独立灵活变化；每个气缸、每个冲程中活塞的上、下止点位置可独立灵活变化。

本发明中，用于驱动直角三角形滑块机构的驱动机构包括但不限于拨叉、螺杆和蜗杆组件，通过更换滑动套的驱动方式仍然属于本发明保护范围。本发明中其他未详述部分均属于现有技术，故在此不再赘述。

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实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种半径可调的发动机曲轴，所述曲轴安装于发动机箱体（80）中，其特征在于：所述曲轴至少包括一个曲轴单元，每个曲轴单元具有两个对称的曲轴主体（10），曲轴主体（10）的顶端向上延伸设有曲轴臂（11）、外侧面的垂直方向上设有主轴颈（12），两个曲轴主体上的主轴颈（12）同轴线反向延伸设置，主轴颈（12）构成整个曲轴的旋转中心轴、并通过轴承（90）安装在发动机箱体（80）的轴承槽（84）中；

还包括支杆（30）、滑动套（40）、用于穿设在活塞连杆（A）上的连杆轴颈（20），其中：

连杆轴颈（20）的两端对称设有带孔形结构的轴筒（21），曲轴臂（11）滑动配合插接于轴筒（21）中，滑动套（40）滑动配合套设在其中一个主轴颈（12）上，曲轴臂（11）构成连杆轴颈（20）的滑动轨道和传递扭力的结构，支杆（30）的两端分别铰接在滑动套（40）和相邻轴筒（21）上，支杆（30）、曲轴臂（11）、主轴颈（12）构成斜边不变、直角边可变的可变直角三角形的三条边，滑动套（40）和轴筒（21）构成可变直角三角形的两个可滑动顶点，两个顶点各自沿着直角三角形的直角边滑动；

所述滑动套（40）上连接有用于驱动滑动套沿主轴颈（12）滑动的驱动机构；

当滑动套（40）靠近曲轴臂（11）时，支杆（30）推动连杆轴颈（20）沿着曲轴臂（11）向外移动，曲轴半径增加，活塞运动上止点升高，下止点降低，发动机压缩比增大；

当滑动套（40）远离曲轴臂（11）时，支杆（30）拉动连杆轴颈（20）沿着曲轴臂（11）向内滑动，曲轴半径减小，活塞运动上止点降低，下止点升高，发动机压缩比减小。

2.根据权利要求1所述一种半径可调的发动机曲轴，其特征在于：所述驱动机构的一种具体结构为，包括拨叉（50）、螺杆（60）、涡轮（61）和蜗杆（70），所述滑动套（40）外侧周向设有与拨叉相配合的环形凸缘（42），拨叉的开口端从两侧夹住凸缘、尾端通过带内螺纹（52）的螺纹套筒（51）连接在螺杆（60）上，螺杆（60）的一端设有涡轮（61），涡轮（61）与蜗杆（70）相啮合，蜗杆（70）从发动机箱体穿出连接外部动力源，螺杆（60）与蜗杆（70）通过安装支座（83）安装于发动机箱体内的支撑台（81）上；螺杆（60）与主轴颈（12）之间的支撑台上还设有限位板，限位板上开设有供拨叉颈杆（53）穿过的导向限位槽（82）、用于防止拨叉周向翻转同时引导拨叉沿主轴颈轴线方向移动；

当外部动力驱动蜗杆（70）转动，蜗杆（70）驱动涡轮（61）转动，同时带动螺杆（60）转动；螺杆（60）转动时通过螺纹驱动螺纹套筒（51）移动，从而带动拨叉（50）移动；拨叉（50）移动时将驱动滑动套（40）移动，滑动套（40）在随曲轴旋转的同时又沿着主轴颈轴线平移；滑动套（40）的轴线平移将使直角三角形其中一个锐角顶点沿着直角边移动，直角三角形另一个锐角顶点的轴筒（21）沿着另一直角边移动；当滑动套移动到所需位置时，外部动力源停止驱动蜗杆，依靠涡轮/蜗杆和螺杆与螺纹套筒上螺纹副的自锁能力，滑动套自动固定在所需位置。

3.根据权利要求1或2所述一种半径可调的发动机曲轴，其特征在于：所述连杆轴颈（20）其中一轴筒（21）外设置有铰接座一（22），铰接座一（22）上有圆柱销，支杆（30）的一端通过圆柱销铰接；所述滑动套（40）的内侧设置有铰接座二（41），铰接座二（41）上设有圆柱插销，支杆（30）的另一端通过圆柱插销铰接。

4.根据权利要求3所述一种半径可调的发动机曲轴，其特征在于：所述滑动套用于单缸发动机时为整体环形结构，滑动套用于多缸发动机时为两块半环形结构、并通过螺栓固定为一体。

5.根据权利要求4所述一种半径可调的发动机曲轴，其特征在于：根据每个气缸工作在不同冲程时对活塞上、下止点高度的需求变化，所述曲轴的工作半径可通过调节外部动力源驱动每个蜗杆的转动圈数进行独立调节；多缸发动机的每个气缸的压缩比可根据工作需要通过调节外部动力源驱动每个蜗杆的转动圈数进行独立调节。

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