CN114856838B - 一种自控调节汽油机用可变压缩比机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自控调节汽油机用可变压缩比机构，包括：蜗杆轴，安装在气缸盖下壳体的两侧，并由电机驱动进行转动；齿轮涡轮组，具有位于上部的直齿齿轮和位于下部的涡轮，涡轮与蜗杆轴啮合连接；齿轮螺纹组，具有位于上部的齿轮端和位于下部的外螺纹端，齿轮端与直齿齿轮啮合连接，外螺纹端与气缸盖的内螺纹螺纹连接；可变气门组，具有气门杆与气门底座两结构通过内外螺纹连接，可沿齿轮螺纹组的轴向移动的方式安装在齿轮螺纹组中。本发明通过ECU指示电机带动蜗杆轴定轴转动，驱动齿轮涡轮组转动，齿轮螺纹组与可变气门组被迫实现轴向移动，改变燃烧室容积，调节燃烧室的压缩比，避免爆震现象产生，提高燃油经济性与动力性，各部件加工方便。

Description

一种自控调节汽油机用可变压缩比机构

技术领域

本发明属于发动机的技术领域，尤其涉及一种自控调节汽油机用可变压缩比机构。

背景技术

内燃机是将燃料的化学能转化为机械能装置，在工作中，活塞在压力与曲轴连杆的共同作用下做往复运动，活塞运动到上止点时，活塞顶部与气缸盖之间的容积为燃烧室容积；活塞由上止点运动到下止点所扫过的容积为称工作容积；活塞运动到下止点时，活塞顶部与燃烧室之间的空间为全部空间容积。活塞由下止点运动到上止点，气缸气体被压缩的程度称为压缩比，即全部空间容积与燃烧室容积的比值。可变压缩比技术是在增压发动机在不同工况中改变发动机的压缩比，提高发动机的动力性与燃油经济性及升功率，避免爆震现象，一定程度上可降低机械载荷。当发动机处于高负荷时，容易发生爆震现象，可以用采用降低压缩比方法避免；在高转速低负荷时，为提高发动机的动力性与燃油经济性，采用增加压缩比。

在可变压缩比发动机中，变压缩比方法众多，一种方法将燃烧室部分容积与工作容积相互转换进而实现变压缩比：多连杆机构式是通过增加连杆数量，改变活塞运动到上止点的位置与时间；可变活塞式是通过改变活塞顶部与活塞销的距离，从而改变活塞运动到上止点位置；偏心销是旋转改变活塞连杆或连杆曲轴之间的销座，从而改变活塞运动到上止点的位置和时间；可变连杆是通过其他方式连杆的长度，从而改变活塞运动到上止点的位置和时间。另一种方法不改变工作容积，只改变燃烧室容积，进而实现变压缩比：燃烧室活塞式是取多气门中的一个气门改为活塞，利用活塞的移动改变燃烧室容积，进而实现变压缩比；可变火花塞式是通过齿轮齿条改变火花塞的位置改变燃烧室容积，进而实现变压缩比。目前的变压缩比机械结构困难，维修困难。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种自控调节汽油机用可变压缩比机构，通过电机驱动实现可变压缩比从而达到发动机在不同工况下达到动力性、燃油经济性最大化，工作原理简单，各部件加工方便。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种自控调节汽油机用可变压缩比机构，包括：蜗杆轴，安装在气缸盖下壳体的两侧，并由电机驱动进行转动；齿轮涡轮组，具有位于上部的直齿齿轮和位于下部的涡轮，所述涡轮与所述蜗杆轴啮合连接；齿轮螺纹组，具有位于上部的齿轮端和位于下部的外螺纹端，所述齿轮端与所述直齿齿轮啮合连接，所述外螺纹端与气缸盖的内螺纹螺纹连接；可变气门组中的气门杆，以沿齿轮螺纹组的轴向移动而不相对转动的方式安装在齿轮螺纹组中。

优选的，所述外螺纹端的内部具有沿轴向方向延伸的花键槽及位于所述花键槽下方的倒锥形孔。

优选的，所述可变气门组由螺纹连接在一起的气门杆与气门底座组成，所述气门底座的底部构成为与所述倒锥形孔相匹配的锥形头，所述锥形头的上方设有与所述花键槽相匹配的第一外花键。

进一步的，所述气门杆的中间部分形成有第二外花键，所述第二外花键与气缸盖壳体的内花键连接，使气门杆能够相对于气缸盖做轴向移动而不能转动。

优选的，所述气门底座的上端内部设有与气门杆进行螺纹连接的内螺纹，该内螺纹的螺距与所述外螺纹端的外螺纹的螺距相等，以实现气门杆相对于气缸体壳体的行程与气门底座相对于齿轮螺纹组的行程相等。

进一步的，所述直齿齿轮和涡轮的端部均安装有轴承。

由上，本发明的自控调节汽油机用可变压缩比机构至少具有如下有益效果：

本发明采用的蜗轮蜗杆传动具有工作平稳、噪声小的特点，同时又具有自锁性可起安全保护作用；可变气门组之内的螺纹配合及可变气门组与其他零件的配合可实现在可变气门组在轴向移动的同时，时刻与凸轮轴接触；通过电机带动蜗杆轴定轴转动，驱动齿轮涡轮组转动，齿轮螺纹组与可变气门组被迫实现轴向移动，改变燃烧室容积，调节燃烧室的压缩比，避免爆震现象产生，提高燃油经济性与动力性；燃烧室长期使用发生积炭现象，由原本爆震传感器信号传递给ECU而推迟点火提前角，造成发动机的动力性与燃油经济性降低这一流程改为将爆震传感器信号传递给ECU而改变压缩比并计算最佳的点火提前角，实现发动机燃烧动力性最大化；整个机构原理简单，各零件制造加工方便。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明的整体结构示意图，其中(a)为立体图，(b)为仰视图；(c)为俯视图，(d)为侧视图；

图2为本发明装配到气缸盖的结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为图(a)中的A-A截面图；(c)为图(a)中的B-B截面图；

图3为本发明的齿轮涡轮组及轴承安装的结构示意图，其中(a)为立体图，(b)为另一个角度的立体图；(c)为俯视图；

图4为本发明的可变气门组的结构示意图，其中(a)为立体图，(b)为截面图；

图5为本发明的齿轮螺纹组的结构示意图，其中(a)为立体图，(b)为截面图；(c)为主视图，(d)为俯视图；

图6为本发明的变压缩比发动机最佳点火提前角控制方法图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

内燃机是将燃料的化学能转化成机械能输出的机器，汽油发动机由机体组、曲柄连杆机构、配气机构、点火系统、冷却系统、润滑系统和启动系统组成。活塞运动到上止点时，其顶面与气缸盖壁面所构成的空间为燃烧室。在压缩冲程中，活塞将要运动到上止点时，火花塞点火，迫使高压混合气体燃烧膨胀带动活塞向下止点移动，曲轴转动，动力向后传递。

定压缩比发动机的点火提前角分为初始点火提前角、基本点火提前角、修正点火提前角。其中初始点火提前角受凸轮轴位置传感器与曲轴位置传感器的转角信号影响；基本点火提前角受曲轴位置传感器的转速信号、空气流量计、节气门位置传感器影响；修正点火提前角受冷却液温度传感器、进气温度传感器、车速信号、额外负荷信号、氧传感器、爆震传感器信号影响。点火提前角的合理控制可以使动力性最大化，爆震信号的产生会导致点火提前角的后移，影响其动力性。

气缸盖燃烧室可以分别由火花塞、进排气门、气缸壁、喷油器组成，其中进排气门与气缸壁占据燃烧室表面的大部分面积。对进排气门与气缸壁进行合理设计，可以大幅度的改变发动机的变压缩比，提高发动机的动力性与燃油经济性。

在本发明中，在现有气缸盖基础上进行改造，设计出可变压缩比发动机，该可变压缩比发动机具有改变发动机变压缩比，从而让发动机在各个工况下处于适合的压缩比具有良好的动力性与燃油经济性，解决发动机长期使用会导致积炭现象，爆震时爆震传感器传递给ECU导致点火提前角后移导致发动机动力性受到影响，可通过改变压缩比与部分推迟点火提前角共同作用使点火提前角处于最佳状态，提高发动机的动力性。

如图1-6所示，本发明提供的自控调节汽油机用可变压缩比机构包括电机、蜗杆轴5、齿轮涡轮组4、轴承2，6、齿轮螺纹组9、可变气门组8，10、气缸盖壳体1，3，7。

蜗杆轴5安装在气缸盖下壳体的两侧并与齿轮涡轮组4啮合连接，齿轮涡轮组4包括位于上部的直齿齿轮和位于下部的涡轮，涡轮与蜗杆轴5啮合连接。齿轮涡轮组4的两端各有轴承与气缸盖壳体配合。齿轮螺纹组9的位于上部的齿轮端与齿轮涡轮组4的直齿齿轮啮合，位于下部的外螺纹端与气缸盖的内螺纹相配合，外螺纹端的内部具有沿轴向方向延伸的花键槽及位于花键槽下方的倒锥形孔。可变气门组8，10由螺纹连接在一起的气门杆8与气门底座10组成，气门底座10的底部构成为与倒锥形孔相匹配的锥形头，锥形头的上方设有与花键槽相匹配的第一外花键。齿轮螺纹组9内部的花键槽与气门底座10的第一外花键配合，气门杆8的上端与气门底座10进行螺纹配合，气门杆8的底端为螺纹结构，可与气门底座10的内螺纹连接，实现可改变气门长度的功能。蜗杆轴5的啮合区域为蜗杆，其他区域为轴部分，与轴瓦一起安装在新型气缸盖壳体的两侧，可将电机的动力通过蜗杆传递到涡轮。

齿轮涡轮组4是以轴-直齿齿轮-轴-涡轮-轴形式的零件，两端的轴与深沟球轴承内圈配合，外圈与气缸盖壳体配合，确保齿轮涡轮组4能在两轴承之间转动，中间轴为防止齿轮与涡轮发生变形出现接触而设计。

齿轮螺纹组9的上部为直齿轮结构，可与齿轮涡轮组4的直齿齿轮进行啮合，实现齿轮螺纹组9的定轴转动；内部为通孔结构，确保能让进、排气，通过齿轮螺纹组9的通孔进入燃烧室进行燃烧；底部为外螺纹结构，可与气缸盖壳体燃烧室气门位置所设计的内螺纹结构啮合，实现齿轮螺纹组9的轴向移动；在螺纹连接顶部需涂抹密封油防止气缸漏气；齿轮螺纹组9的底部的内部通孔中存在花键槽及倒锥形孔，该花键槽与气门底座10的第一外花键连接；其内孔底端的倒锥形孔可与气门底座10的锥形头进行配合，实现气门的进气与排气过程。

气门杆8的中间部分形成有第二外花键，可与气缸盖壳体的内花键连接，实现气门杆8相对于气缸盖做轴向移动，不做定向转动；气门底座10的上端外部的第一外花键与齿轮螺纹组9的花键槽进行连接，可实现气门底座10相对于齿轮螺纹组9做轴向移动，而不做定轴转动；气门底座10的上端内部设有与气门杆8进行螺纹连接的内螺纹，且该内螺纹的螺距与齿轮螺纹组9的外螺纹的螺距相等，即可实现气门杆8相对于气缸体壳体的行程与气门底座10相对于齿轮螺纹组9的行程相等，等于凸轮行程，有效避免因气门脱离凸轮轴而产生的往复冲击与噪音。

气缸盖壳体需要为满足机构的基础上重新设计。气缸盖壳体1，3，7由三部分组成，如图2所示，上壳体与侧壳体配合安装时将齿轮涡轮组4的上轴承固定。整体的安装顺序为，将各部分零件安装在下壳体，将侧壳体安装在下壳体上，随后将上壳体安装在侧壳体与下壳体之间，最后安装螺栓固定。其中安装蜗杆轴5的工作区下端做储油区，使蜗杆时刻接触润滑油，实现油浴润滑，减小摩擦；蜗杆轴5的轴部分增加轴瓦与油道的设计，减少轴的摩擦；在安装深沟球轴承的位置，进行合理控制孔的精度，实现深沟球轴承的配合，实现齿轮涡轮组4的正常工作；对齿轮涡轮组4的所占用的空间，进行合理扩孔，避免齿轮、涡轮等结构与壳体发生摩擦、冲击等状况；气缸体燃烧室气门部分设有内螺纹，可与齿轮螺纹组9的外螺纹端进行配合，实现齿轮螺纹组9及气门的轴向移动；壳体部分还需对齿轮螺纹组9的齿轮部分进行合理扩孔，避免齿轮与壳体发生接触，同时还需考虑齿轮的润滑因素；燃烧室中心纵线部分需要进行钻孔，以安装火花塞。

使用本实施例的气缸盖可安装在可变压缩比发动机上，气缸盖与气缸体的开口螺栓连接，本发明的自控调节汽油机用可变压缩比机构的工作原理为：

在增压发动机的冷启动或转速低于一定值的情况下，发动机失去增压器的增压能力，此时发动机需要高压缩比，经过ECU处理过的信号控制电机转动，蜗杆轴5被迫转动，驱动齿轮涡轮组4转动，齿轮螺纹组9沿轴向向下移动，气门底座10在齿轮螺纹组9的作用下实现气门增长。气门杆8的第二外花键与气缸盖壳体的内花键连接实现气门杆8的只发生轴向移动而不产生定轴转动，气门底座10的第一外花键与齿轮螺纹组9的花键槽连接，实现气门底座10与齿轮螺纹组9发生轴向移动，而不相对于齿轮螺纹组9定轴转动，所以齿轮螺纹组9转动时，气门底座10也相对于气门杆做定轴转动。由于齿轮螺纹组9的外螺纹端的螺距与气门杆8上的螺距相等，即可实现气门杆8相对于气缸盖壳体的行程与气门底座10相对于齿轮螺纹组9的行程相等，等于凸轮轴行程，因此避免凸轮轴与气门杆因为可变结构而产生冲击噪音，但在气门积炭及气门大头过热问题上仍需要液力挺柱去修正凸轮与连杆间隙。齿轮螺纹组9与气门沿轴线向下移动，减少了燃烧室的容积，发动机的压缩比增大，动力性增强，发动机的温度上升迅速，弥补了增压系统未启动时的动力输出。

发动机处于小负荷时，ECU接收曲轴位置传感器的转速信号、节气门位置传感器信号与额外负荷信号后，经计算确定基本点火提前角与修正点火提前角，同时确定所需的压缩比，即需要高压缩比，驱动电机工作，电机带动蜗杆轴5、齿轮涡轮组4、齿轮螺纹组9转动，齿轮螺纹组9的外螺纹与气缸盖壳体内螺纹螺纹连接的缘故，致使齿轮螺纹组9沿轴线向下移动，燃烧室容积因气门与齿轮螺纹组9的轴向移动而减少，压缩比增大以节约燃油并提高动力性。

发动机处于大负荷时，ECU接收曲轴位置传感器的转速信号、冷却液温度传感器、进气温度传感器、氧传感器、压缩比信号、爆震传感器、节气门位置传感器信号与额外负荷信号后，经计算确定基本点火提前角与修正点火提前角，同时确定所需的压缩比，即需要低压缩比，电机开始工作，带动蜗杆轴5、齿轮涡轮组4、齿轮螺纹组9转动，齿轮螺纹组9的外螺纹在与气缸盖壳体内螺纹螺纹连接的作用下沿轴线向上运动，燃烧室容积增大，压缩比减少，并以增压器配合实现最大功率与高扭矩输出。

在发动机持续工作过程中，不免会遇到爆震现象，针对变压缩比发动的相对于定压缩比发动机多出改变压缩比功能，需要对控制系统进行合理改造。当发动机的发生爆震时，爆震传感器将信号传递给ECU，ECU结合冷却液温度传感器信号、进气管绝对压力传感器信号、节气门开度传感器信号，确定爆震是由温度过高、空燃比不正确、发动机过于积炭导致：当上述结合的传感器正常，说明爆震信号可能由积炭或压力过大导致，ECU可接受爆震信号改变压缩比，避免继续爆震，同时ECU计算点火提前角是否为最佳点火提前角(动力性最佳)，并继续改变压缩比，实现在不发生爆震的情况下实现最佳点火提前角；当上述结合的传感器出现异常，说明爆震原因有可能是上述积炭、压力过大、温度过高、点火提前角提前等原因，这时发生异常的传感器会推迟修正点火提前角与基本点火提前角，同时爆震传感器信号也会传递给ECU计算调节压缩比并同时推迟修正点火提前角，避免爆震，减少对发动机的损坏。

本发明可以在发动机处于不同工况下，通过多种传感器信号经过ECU计算后驱动电机转动，由蜗杆轴5的定轴转动传递到齿轮涡轮组4的定轴转动，最终到齿轮螺纹组9的定轴转动与轴向移动，实现发动机可变压缩比技术，提高发动机的动力性、燃油经济性，避免发动机的爆震、降低机械载荷。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，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，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种自控调节汽油机用可变压缩比机构，其特征在于：包括：

蜗杆轴(5)，安装在气缸盖下壳体的两侧，并由电机驱动进行转动；

齿轮涡轮组(4)，具有位于上部的直齿齿轮和位于下部的涡轮，所述涡轮与所述蜗杆轴(5)啮合连接；

齿轮螺纹组(9)，具有位于上部的齿轮端和位于下部的外螺纹端，所述齿轮端与所述直齿齿轮啮合连接，所述外螺纹端与气缸盖的内螺纹螺纹连接；

可变气门组(8、10)，以沿齿轮螺纹组(9)的轴向移动的方式安装在齿轮螺纹组(9)中；

所述外螺纹端的内部具有沿轴向方向延伸的花键槽及位于所述花键槽下方的倒锥形孔；

所述可变气门组(8、10)由螺纹连接在一起的气门杆(8)与气门底座(10)组成，所述气门底座(10)的底部构成为与所述倒锥形孔相匹配的锥形头，所述锥形头的上方设有与所述花键槽相匹配的第一外花键；

所述气门杆(8)的中间部分形成有第二外花键，所述第二外花键与气缸盖壳体的内花键连接，使气门杆(8)能够相对于气缸盖做轴向移动而不能转动。

2.如权利要求1所述的自控调节汽油机用可变压缩比机构，其特征在于，所述气门底座(10)的上端内部设有与气门杆(8)进行螺纹连接的内螺纹，该内螺纹的螺距与所述外螺纹端的外螺纹的螺距相等，以实现气门杆(8)相对于气缸体壳体的行程与气门底座(10)相对于齿轮螺纹组(9)的行程相等。

3.如权利要求1所述的自控调节汽油机用可变压缩比机构，其特征在于，所述直齿齿轮和涡轮的端部均安装有轴承。

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