CN202946237U - 一种五冲程三连杆可变压缩比对置发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种五冲程三连杆可变压缩比对置发动机，其特征是进气道和排气道开在气缸的中部附近，在活塞下行时，活塞顶部越过进、排气道后还会继续下行一段距离吸入空气，曲轴每旋转一周发动机完成作功、排气、扫气、吸气、压缩五个冲程，比两冲程发动机多了一个吸气冲程，活塞通过一个三连杆机构与曲轴链接，通过凸轮轴来控制活塞连杆与曲轴连杆的夹角，进而来改变发动机的压缩比，发动机的压缩比连续可调，气缸、活塞以及三连杆机构对称布置在曲轴的两侧，可抵消三连杆机构在不同转速下产生的振动，此发动机取消了四冲程发动机的进排气系统，极大地降低了发动机的制造成本、减小了发动机的体积和重量，具有极佳的动平衡性和燃油经济性。

Description

一种五冲程三连杆可变压缩比对置发动机

技术领域

本实用新型为一种五冲程三连杆可变压缩比对置发动机，其特征是五冲程发动机的进气道和排气道开在气缸的中部附近，在活塞下行时，活塞顶部越过进、排气道后还会继续下行一段距离吸入空气，曲轴每旋转一周发动机完成作功、排气、扫气、吸气、压缩五个冲程，比两冲程发动机多了一个吸气冲程，活塞通过一个三连杆机构与曲轴链接，通过凸轮轴来控制辅助连杆的位置，改变活塞连杆与曲轴连杆的夹角，进而来改变发动机的压缩比，发动机的压缩比连续可调，气缸、活塞以及三连杆机构对称布置在曲轴的两侧，可抵消三连杆机构在不同转速下产生的振动，此五冲程三连杆可变压缩比对置发动机取消了四冲程发动机的进排气系统，极大地降低了发动机的制造成本、减小了发动机的体积和重量，具有极佳的动平衡性和燃油经济性。 

背景技术

当前，可变压缩比发动机是发动机的前沿技术，由于种种未解决的难题，使可变压缩比发动机至今未达到量产要求，如多连杆发动机开发了很多年了，由于没有很好解决振动大和摩擦损耗大的问题，使此项技术几乎被放弃了，目前流行的成熟的是四冲程发动机技术，两冲程发动机尽管结构简单成本低廉性能可靠，但是由于换气不彻底以及节能环保方面有缺陷逐步被放弃。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种五冲程三连杆可变压缩比对置发动机，技术方案是五冲程三连杆发动机的单缸机由气缸(1)、缸盖(2)、喷油嘴(3)、火花塞(4)、进气道(5)、排气道(6)、排气阀(7)、进气阀(8)、活塞(9)、活塞连杆(10)、曲轴连杆(11)、辅助连杆(12)、凸轮轴(13)和曲轴(14)组成，喷油嘴(3)、火花塞(4)装配在缸盖(2)上，活塞(9)装配在气缸(1)内可以在气缸内上下滑动，活塞(9)与活塞连杆(10)通过连杆销连接可以转动，活塞连杆(10)的另外一端与曲轴连杆(11)通过连杆销连接可以转动，曲轴连杆(11)的另外一端装配在曲轴(14)的连杆轴上可以转动，曲轴连杆(11)上有两个安装点，辅助连杆(12)与曲轴连杆(11)通过连杆销连接可以转动，辅助连杆(12)的另外一端与凸轮轴(13)连接可以转动，凸轮轴(13)装配在发动机的机体上可以转动，进气阀(8)与进气道(5)连接，排气阀(7)与排气道(6)连接，进气道(5)和排气道(6)在气缸外侧相互独立不连通，共同开口于气缸内，进气道(5)和排气道(6)开在气缸壁的中部附近，进气道(5)和排气道(6)距离活塞的上止点和下止点有一定的距离，且距离上止点的距离大于距离下止点的距离，曲轴每转动一周完成压缩、排气、扫气、吸气和压缩五个冲程，执行器驱动凸轮轴(13)转动，凸轮轴(13)又带动辅助连杆(12)移动，改变活塞连杆(10)与曲轴连杆(11)之间的夹角，进而使活塞在上止点位置与气缸盖的距离发生变化，使压缩比改变。 

进一步的，进气道(5)和排气道(6)在气缸(1)上的位置还有另外两种结构，一种是进气道(5)和排气道(6)距离活塞的上止点的距离比下止点的距离短，另外一种结构是进气道(5)和排气道 (6)距离活塞的上止点的距离和距离下止点的距离相同，凸轮轴(13)分别布置在曲轴(14)的两侧，两侧的凸轮轴(13)偏心距相同，在垂直于曲轴(14)的截面上，两个凸轮轴(13)轴心连线经过曲轴(14)轴心，两个辅助连杆(12)与凸轮轴(13)的连接中心点的连线也经过曲轴(14)轴心。 

进一步的，单缸的五冲程三连杆发动机对称地布置在曲轴(14)的两侧，且在曲轴轴向错开一定距离便于连杆与曲轴的布局，一对单缸机的曲轴连杆(11)连接在同一个曲轴(14)的连杆轴上，同一对单缸机的转动方向相同，另外一对单缸机的曲轴连杆(11)连接在另外一个曲轴(14)的连杆轴上，两个曲轴的连杆轴的相位角相差180度。 

进一步的，单缸的五冲程三连杆发动机对称地布置在曲轴(14)的两侧，且在曲轴(14)轴向错开一定距离便于连杆与曲轴的布局，每个单缸机的曲轴连杆(11)连接在各自独立的曲轴的连杆轴上，所有的气缸中心线垂直于曲轴(14)且和曲轴中轴线在同一个平面上，两个连杆轴相位角相差180度。 

进一步的，一对活塞、三连杆机构和曲轴对称安装在一个气缸的两侧，两个活塞(9)安装在同一个气缸中，发动机的进排气系统与五冲程发动机相同，当两根曲轴的转动方向相同时，两根凸轮轴(13)安装在气缸的同一侧，两根曲轴的转动方向相反时，两根凸轮轴(13)安装在气缸的不同侧。 

进一步的，一对活塞、连杆和曲轴对称安装在一个气缸的两侧，两个活塞安装在同一个气缸中，发动机的进排气系统与五冲程发动机相同，曲轴的转动方向有两种，一种是两根曲轴的转动方向相反，另外一种是两根曲轴的转动方向相同。 

进一步的，三连杆机构由活塞连杆II(15)、曲轴连杆II(16)和辅助连杆II(17)组成，活塞连杆II(15)上有两个安装点，曲轴连杆II(16)和辅助连杆II(17)安装在活塞连杆II(15)上通过连杆销连接可以转动。 

进一步的，连杆机构由活塞连杆III(18)、曲轴连杆III(19)和辅助连杆III(20)组成，辅助连杆III(20)上有两个安装点，活塞连杆III(18)和曲轴连杆III(19)安装在辅助连杆III(20)上通过连杆销连接可以转动。 

有益效果： 

进气道和排气道开在气缸的中部，在活塞下行时，活塞顶部越过进、排气道之后还会继续下行吸入更多的空气，曲轴每旋转一周发动机完成作功、排气、扫气、吸气、压缩五个冲程，比两冲程发动机多了一个吸气冲程，活塞通过一个三连杆机构与曲轴链接，通过凸轮轴来控制辅助连杆的位置，来改变活塞连杆与曲轴连杆的夹角，进而来改变发动机的压缩比，压缩比范围从7到22甚至可以更高，发动机的压缩比连续可调，气缸、活塞以及三连杆机构对称布置在曲轴的两侧，可抵消三连杆机构在不同转速下产生的振动，此五冲程三连杆可变压缩比对置发动机取消了四冲程发动机的进、排气系统，类似于两冲程发动机的进排气但较之有很大改进，进、排气效果更好，极大地降低了发动机的制造成本、减小了发动机的体积和重量，具有极佳的动平衡性和燃油经济性，可以适用于多种燃料，减小有害物质排放，节能环保，质量稳定性更高，此发动机特别适合HCCI方式工作，是HCCI发动机最佳的解决方案。 

附图说明

图1为五冲程三连杆可变压缩比发动机的单缸机结构原理图，活塞(9)通过三连杆机构与曲轴(14)连接。 

图2-1、图2-2为共轴式的五冲程三连杆可变压缩比对置发动机的结构原理图，每一对单缸机的曲轴连杆(11)连接在同一个曲轴(14)的连杆轴上。 

图3-1、图3-2为独立连接式的五冲程三连杆可变压缩比对置发动机的结构原理图，每一个单缸机的曲轴连杆(11)独立连接在各自单独的连杆轴上。 

图4为五冲程发动机结构图，活塞(9)通过单连杆与曲轴(14)直接连接。 

图5为五冲程发动机的冲程示意图，曲轴每转动一周完成作功、排气、扫气、吸气、压缩五个冲程。 

图6为五冲程三连杆发动机的变压缩比原理图，通过凸轮轴(13)的转动，改变活塞连杆(10)和曲轴连杆(11)的夹角来改变压缩比。 

图7-1、图7-2、图7-3、图7-4、图7-5、图7-6、图7-7、图7-8、图7-9为五冲程三连杆可变压缩比对置发动机的工作原理图。 

图8为五冲程三连杆可变压缩比对置活塞式发动机原理图，两根曲轴转动方向相同。 

图9为五冲程三连杆可变压缩比对置活塞式发动机原理图，两根曲轴转动方向相反。 

图10为五冲程三连杆发动机原理图，活塞连杆II上有两个安装点，曲轴连杆II和辅助连杆II安装在活塞连杆II上。 

图11为五冲程三连杆发动机原理图，辅助连杆III上有两个安装点，曲轴连杆III和活塞连杆III安装在辅助连杆III上。 

图12为五冲程对置活塞发动机，两个曲轴转动方向相反。 

图13为五冲程对置活塞发动机，两个曲轴转动方向相同。 

具体实施方式

五冲程三连杆发动机：由于三连杆机构改变了活塞与曲轴的运行关系，在作功冲程中曲轴转动90度，活塞要运行更远的距离超过气缸长度的一半，即在压缩冲程中活塞比曲轴运动速度快，这样作功冲程的距离更长，对于提高发动机效率有利；排气和扫气冲程与两冲程发动机近似相同，但是由于扫气冲程之后还有吸气冲程，可以灵活控制排气阀的关闭时间来控制扫气冲程的时间，对换气有利；在吸气冲程中，尽管吸气冲程只占气缸长度的一少部分，但耗费更长的时间，由于三连杆机构的作用，吸气冲程中活塞比曲轴运动得慢，活塞在下止点附近会停留更长的时间，会有更多的空气吸入气缸内，对吸气有利；压缩冲程的距离非常长，近乎是传统发动机的一倍，气缸中会容纳更多空气，对提高燃油燃烧效率有利，且在压缩冲程早期，活塞移动速度比曲轴慢，活塞在下止点附件会停留更长的时间，尽管活塞已经上行，但缸内的压力还很低，外部的压缩空气依然在源源不断地进入气缸内，算是吸气冲程的延续，对吸入空气有利；由于三连杆机构的作用，在压缩冲程中活塞连杆与气缸中心线的夹角很小，可以到幅度降低活塞对气缸的侧向力，对提高活塞和气缸的寿命、降低摩擦力有好处。 

可变压缩比：此五冲程三连杆可变压缩比对置发动机的压缩比调节非常容易，只需要同步调节曲轴两侧的一对凸轮轴转动即可，压缩比的调整范围几乎是无限的，可以从7～22连续调节甚至可以更高，几乎可以在不改变发动机结构的情况下胜任任何燃料，例如汽油、柴油、甲醇、乙醇、LPG、NPG等等。在汽车不同的工况下，可变压缩比会带来很多好处，例如在汽车起动阶段，采用高压缩比可以提高燃油效率，减少有害物质排放，尤其对柴油车起动阶段和发动机冷启动时，采用高压缩比会有效减少碳烟的排放，冷启动也会很容易；在汽车急加速高载荷时，采用相对较低的压缩比会提高发动机功率，减小爆震，在汽车高速巡航阶段，发动机载荷很小不需要很大的功率，采用高压缩比，喷入更少的燃油使发动机更省油，且更稀薄的混合气也不会导致发动机失火。对置发动机的布置可以有效降低发动机的振动，成对对称布置的活塞、连杆以相同的频率和振幅运动，可以相互抵消，发动机平稳性更好。 

五冲程三连杆可变压缩比发动机的单缸机(见图1)，其特征是五冲程三连杆发动机的单缸机由气缸(1)、缸盖(2)、喷油嘴(3)、火花塞(4)、进气道(5)、排气道(6)、排气阀(7)、进气阀(8)、活塞(9)、活塞连杆(10)、曲轴连杆(11)、辅助连杆(12)、凸轮轴(13)和曲轴(14)组成，喷油嘴(3)、火花塞(4)装配在缸盖(2)上，活塞(9)装配在气缸(1)内可以在气缸内上下滑动，活塞(9)与活塞连杆(10)通过连杆销连接可以转动，活塞连杆(10)的另外一端与曲轴连杆(11)通过连杆销连接可以转动，曲轴连杆(11)的另外一端装配在曲轴(14)的连杆轴上可以转动，曲轴连杆(11)上有两个安装点，辅助连杆(12)与曲轴连杆(11)通过连杆销连接可以转动，辅助连杆(12)的另外一端与凸轮轴(13)连接可以转动，凸轮轴(13)装配在发动机的机体上可以转动，进气阀(8)与进气道(5)连接，从发动机的压气机过来的压缩空气可以经由进气阀(8)和进气道(5)进入气缸内，排气阀(7)与排气道(6)连接，发动机燃烧过的废气可以通过排气道(6)和排气阀(7)排出气缸，进气道(5)和排气道(6)在气缸外侧相互独立不连通，共同开口于气缸内，进气道(5)和排气道(6)开在气缸壁的中部附近，进气道(5)和排气道(6)距离活塞的上止点和下止点有一定的距离，且距离上止点的距离大于距离下止点的距离，较长的作功行程对提高燃油效率有好处，当活塞(9)从上止点下行，作功冲程就开始了，当活塞(9)将排气道(6)打开时，作功冲程结束了，此时进气阀(8)受到废气压力而关闭，排气阀(7)打开，发动机废气从排气道(6)排出气缸，排气冲程完成，然后活塞(9)继续下行，此时气缸内的压力已经降低很多，进气阀(8)被压缩空气冲开，压缩空气冲入气缸(1)内，将气缸内残存的废气吹出气缸，扫气冲程开始了，随着活塞(9)继续下行到一定位置后，排气阀(7)关闭，扫气冲程结束，吸气冲程开始了，然后活塞(9)继续下行，会使气缸内产生负压，更多地空气被吸入到气缸内，当活塞(9)到达下止点时，吸气冲程结束，然后活塞(9)从下止点返回，压缩冲程开始了，在压缩冲程开始的初期，进气阀仍然开启，尽管活塞(9)上行但是由于缸内的压力很低，缸外的空气仍然被压入气缸内，当气缸上行到某一个位置时，进气阀(8)关闭，然后气缸继续上行越过进、排气道，气缸内的空气被牢牢封闭在了气缸内，活塞继续上行压缩缸内的空气，在活塞上行的某一时刻，喷油嘴(3)往缸内喷油，在上止点附近时火花塞(4)点火，混合气被点燃作功，推动活塞下行，周而复始推动曲轴转动 (见图7-1至图7-9)，曲轴每转动一周完成压缩、排气、扫气、吸气和压缩五个冲程(见图6)。凸轮轴(13)装配在发动机机体上，受执行器驱动转动，当要调整发动机压缩比时，发动机控制器发出指令给执行器，执行器驱动凸轮轴(13)转动，凸轮轴(13)又带动辅助连杆(12)移动，改变活塞连杆(10)与曲轴连杆(11)之间的夹角(见图5)，进而使活塞在上止点位置与气缸盖的距离发生变化，使压缩比改变。 

进、排气道在气缸(1)上的位置还有另外两种结构，一种是进气道(5)和排气道(6)距离活塞的上止点的距离比下止点的距离短，这样的结构吸气冲程会有更长的行程，对发动机换气有利，另外一种结构是进气道(5)和排气道(6)距离活塞的上止点的距离和距离下止点的距离相同，这样的结构可以均衡作功冲程和吸气冲程。 

共轴式的五冲程三连杆可变压缩比对置发动机(见图2-1、图2-2)，其特征是将单缸的五冲程三连杆发动机对称地布置在曲轴(14)的两侧，且在曲轴轴向错开一定距离便于连杆与曲轴的布局，一对单缸机的曲轴连杆(11)连接在同一个曲轴(14)的连杆轴上(见图2-2)，同一对单缸机的转动方向相同，会产生很大振动，所以必须要另外一对单缸机来配合消除振动，另外一对单缸机的曲轴连杆(11)连接在另外一个曲轴(14)的连杆轴上，两个曲轴连杆轴的相位角相差180度，此种结构气缸的数量必须是四的倍数，可以组成四缸机、八缸机和十二缸机等等，所有的气缸中心线垂直于曲轴且和曲轴中轴线在同一个平面上，两根凸轮轴(13)分别布置在曲轴(14)的两侧，两侧的凸轮轴(13)偏心距相同，在垂直于曲轴(14)的截面上，两个凸轮轴(13)轴心连线经过曲轴(14)轴心，两个辅助连杆(12)与凸轮轴(13)的连接中心点的连线也经过曲轴(14)轴心(见图2-1)。 

独立连接式的五冲程三连杆可变压缩比对置发动机(见图3-1、图3-2)，其特征是将单缸的五冲程三连杆发动机对称地布置在曲轴(14)的两侧，且在曲轴(14)轴向错开一定距离便于连杆与曲轴的布局，每个单缸机的曲轴连杆(11)连接在各自独立的曲轴的连杆轴上(见图3-2)，所有的气缸中心线垂直于曲轴(14)且和曲轴中轴线在同一个平面上，两个连杆轴相位角相差180度，此种结构每一对单缸机即可保持动平衡，可以组成两缸机、四缸机、六缸机和八缸机等等，气缸的数量为二的倍数，两根凸轮轴(13)分别布置在曲轴(14)的两侧，两侧的凸轮轴(13)偏心距相同，在垂直于曲轴(14)的截面上，两个凸轮轴(13)轴心连线经过曲轴(14)轴心，两个辅助连杆(12)与凸轮轴(13)的连接中心点的连线也经过曲轴(14)轴心(见图3-1)。 

五冲程发动机(见图4)，其特征是五冲程发动机由气缸(1)、缸盖(2)、喷油嘴(3)、火花塞(4)、进气道(5)、排气道(6)、排气阀(7)、进气阀(8)、活塞(9)、活塞连杆(10)和曲轴(14)组成，活塞连杆(10)直接与曲轴(14)连接可以转动，曲轴每转动一周完成作功、排气、扫气、吸气、压缩五个冲程，在五冲程三连杆发动机的基础上，取消了三连杆机构，其他结构与五冲程三连杆发动机相同，由于取消了三连杆机构，发动机的压缩比不能变化，但结构更加简单，可以采用直列或V型发动机的布局。 

五冲程三连杆可变压缩比对置发动机的第三种结构(见图8、图9)，一对活塞、三连杆和曲轴对称安装在一个气缸的两侧，两个活塞安装在同一个气缸中，当两根曲轴的转动方向相 同时(见图8)，两根凸轮轴(13)安装在气缸的同一侧，发动机的进排气系统与五冲程发动机相同，两根曲轴的转动方向相反时(见图9)，两根凸轮轴(13)安装在气缸的不同侧。 

五冲程三连杆可变压缩比对置发动机的第四种结构(见图12、图13)，在见图8、图9所示的五冲程三连杆可变压缩比对置活塞式发动机的基础上，取消了三连杆结构，一对活塞、连杆和曲轴对称安装在一个气缸的两侧，两个活塞安装在同一个气缸中，发动机的进排气系统与五冲程发动机相同，发动机的压缩比不可调节，根据两根曲轴转动方向的不同，此发动机有两种结构，第一种为两根曲轴的转动方向相反(见图12)，另外一种为两根曲轴的转动方向同(见图13)。 

五冲程三连杆可变压缩比对置发动机的第五种结构(见图10)，不同之处在于三连杆机构，三连杆机构由活塞连杆II(15)、曲轴连杆II(16)和辅助连杆II(17)组成，活塞连杆II(15)上有两个安装点，曲轴连杆II(16)和辅助连杆II(17)安装在活塞连杆II(15)上通过连杆销连接可以转动，其余机构与图1所示的第一种结构相同。 

五冲程三连杆可变压缩比对置发动机的第六种结构(见图11)，不同之处在于三连杆机构，三连杆机构由活塞连杆III(18)、曲轴连杆III(19)和辅助连杆III(20)组成，辅助连杆III(20)上有两个安装点，活塞连杆III(18)和曲轴连杆III(19)安装在辅助连杆III(20)上通过连杆销连接可以转动，其余机构与图1所示的第一种结构相同。 

Claims (4)

1.一种五冲程三连杆可变压缩比对置发动机，其特征是发动机的单缸机由气缸(1)、缸盖(2)、喷油嘴(3)、火花塞(4)、进气道(5)、排气道(6)、排气阀(7)、进气阀(8)、活塞(9)、活塞连杆(10)、曲轴连杆(11)、辅助连杆(12)、凸轮轴(13)和曲轴(14)组成，喷油嘴(3)、火花塞(4)装配在缸盖(2)上，活塞(9)装配在气缸(1)内可以在气缸内上下滑动，活塞(9)与活塞连杆(10)通过连杆销连接可以转动，活塞连杆(10)的另外一端与曲轴连杆(11)通过连杆销连接可以转动，曲轴连杆(11)的另外一端装配在曲轴(14)的连杆轴上可以转动，曲轴连杆(11)上有两个安装点，辅助连杆(12)与曲轴连杆(11)通过连杆销连接可以转动，辅助连杆(12)的另外一端与凸轮轴(13)连接可以转动，凸轮轴(13)装配在发动机的机体上可以转动，进气阀(8)与进气道(5)连接，排气阀(7)与排气道(6)连接，进气道(5)和排气道(6)在气缸外侧相互独立不连通，共同开口于气缸内，进气道(5)和排气道(6)开在气缸壁的中部附近，进气道(5)和排气道(6)距离活塞的上止点和下止点有一定的距离，且距离上止点的距离大于距离下止点的距离，曲轴每转动一周完成压缩、排气、扫气、吸气和压缩五个冲程，执行器驱动凸轮轴(13)转动，凸轮轴(13)又带动辅助连杆(12)移动，改变活塞连杆(10)与曲轴连杆(11)之间的夹角，进而使活塞在上止点位置与气缸盖的距离发生变化，使压缩比改变。 

2.如权利要求1所述的五冲程三连杆可变压缩比对置发动机，其特征是进气道(5)和排气道(6)在气缸(1)上的位置还有另外两种结构，一种是进气道(5)和排气道(6)距离活塞的上止点的距离比下止点的距离短，另外一种结构是进气道(5)和排气道(6)距离活塞的上止点的距离和距离下止点的距离相同，凸轮轴(13)分别布置在曲轴(14)的两侧，两侧的凸轮轴(13)偏心距相同，在垂直于曲轴(14)的截面上，两个凸轮轴(13)轴心连线经过曲轴(14)轴心，两个辅助连杆(12)与凸轮轴(13)的连接中心点的连线也经过曲轴(14)轴心。 

3.如权利要求1所述的五冲程三连杆可变压缩比对置发动机，其特征是一对活塞、三连杆机构和曲轴对称安装在一个气缸的两侧，两个活塞(9)安装在同一个气缸中，发动机的进排气系统与五冲程发动机相同，当两根曲轴的转动方向相同时，两根凸轮轴(13)安装在气缸的同一侧，两根曲轴的转动方向相反时，两根凸轮轴(13)安装在气缸的不同侧。 

4.如权利要求1所述的五冲程三连杆可变压缩比对置发动机，其特征是一对活塞、连杆和曲轴对称安装在一个气缸的两侧，两个活塞安装在同一个气缸中，发动机的进排气系统与五冲程发动机相同，曲轴的转动方向有两种，一种是两根曲轴的转动方向相反，另外一种是两根曲轴的转动方向相同。 

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