CN203321675U - 一种可变压缩比发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种可变压缩比发动机，其特征是汽缸上部有一个可移动的缸盖，通过一个滑块来控制缸盖的上下移动，通过改变汽缸容积的方式来改变发动机的压缩比，动力输出机构为三连杆双曲轴运动副，做功冲程曲轴转角增大，相当于增加做功冲程的长度，可以降低发动机的振动、提高发动机效率、降低有害物质排放。

Description

一种可变压缩比发动机

技术领域

本实用新型为一种可变压缩比发动机，其特征是汽缸上部有一个可移动的缸盖，通过一个滑块来控制缸盖的上下移动，通过改变汽缸容积的方式来改变发动机的压缩比，动力输出机构为三连杆双曲轴运动副，做功冲程曲轴转角增大，相当于增加做功冲程的长度，可以降低发动机的振动、提高发动机效率、降低有害物质排放。

背景技术

汽车发动机至今仍然没有突破的技术就是可变压缩比技术，现今全球所有量产的发动机全部为固定压缩比发动机，固定压缩比发动机性能稳定可靠，经过几十年的技术革新性能已堪称完美，但其缺陷也非常明显，就是固定压缩比不能适应所有工况要求，致使能效、排放等指标不能进一步提高，虽然各大主机厂都力求在可变压缩比方面有所突破，也曾提出了多种可变压缩比的解决方案，但都遇到了无法突破的技术难题和瓶颈，要么结构复杂控制困难成本太高，要么稳定性差而无法量产，常见的发动机结构为单连杆单曲轴结构，虽然简单高效，但也有其故有的缺陷，那就是做功冲程和压缩冲程活塞会对汽缸产生很大的侧压力，使摩擦损耗增加。

实用新型内容

本实用新型的可变压缩比发动机零件数量少、控制简单、效率高，压缩比可以从8到22甚至更大范围自由变化，采用缸内直喷两冲程设计，不仅可以解决两冲程发动机污染高的问题，还提高发动机的燃油效率，降低有害物质排放，尤其适合HCCI技术，连杆与曲轴的结构设计成三连杆双曲轴运动副，活塞不会产生侧压力，使摩擦损耗减少，三连杆双曲轴结构还可以使做功冲程比压缩冲程的曲轴的转角增加，转动角度超过180度，相当于曲轴做功的距离增加，可以使更多得热能转化为机械能，不仅可以提高燃油效率，还可以使发动机运转更平稳。

本实用新型要解决的技术问题是实现发动机的压缩比连续可调，实现发动机可变压缩比的部分由汽缸(11)、缸体(12)、缸盖(13)、滑块(14)、膜片弹簧(15)、上盖(16)、火花塞(17)、喷油嘴(18)、执行器(19)组成，其特征是缸盖(13)的下部为圆柱形插入到汽缸(11)中可上下移动，缸盖(13)上装配有活塞环和密封圈将汽缸(11)密封，缸盖(13)上部的两侧各有一个斜面，与滑块(14)两侧的斜面配合(见图5)，缸盖(13)中部的凸台上装配膜片弹簧(15)，膜片弹簧(15)通过螺钉固定在缸体(12)的上端面的凹槽内，当滑块(14)向前移动时，滑块(14)的斜面驱动缸盖(13)的斜面使缸盖(13)向下移动，当滑块(14)向后移动时，膜片弹簧(15)将缸盖顶起使缸盖向上移动，缸盖(13)的上下移动改变了汽缸内的容积从而实现了发动机压缩比的改变，滑块(14)与执行器(19)连接受其驱动可以前后移动，缸盖(13)上的两个斜面中间部分是一个中空的凸台，通过密封圈与上盖(16)配合避免润滑油泄漏，中空的凸台内部装配火花塞(17)和喷油嘴(18)，缸盖(13)上下移动时火花塞(17)和喷油嘴(18)跟随缸盖(13)一起移动，滑块(14)下端面为一个平面与缸体(12)的上端面配合可前后滑动，滑块(14)的上端面也是一个平面与上盖(16)配合可前后滑动，上盖(16)通过螺栓固定在缸体(12)上，上盖(16)和缸体(12)将滑块(14)牢牢卡住只能前后滑动，上盖(16)承受来自缸盖(13)在做功冲程时的所有冲击力和调整压缩比时滑块(14)移动时所有的压力，执行器(19)与滑块(14)连接，执行器(19)可以是油压缸、电机驱动的丝杠等等，受发动机的ECU控制，在不同工况下拖动滑块(14)到合适的位置，为发动机提供最合适的压缩比，对于多缸发动机而言，可由一个执行器控制一个滑块，一个滑块控制多个缸盖，每一个汽缸配一个独立的缸盖(13)。

本实用新型的可变压缩比发动机的工作原理是：进气道(9)和排气道(10)布置在汽缸(11)上，需要外置的压气机给汽缸换气，排气道(10)的位置高于进气道，做功冲程末端，活塞(8)首先打开排气道(10)，做功后的废气从排气道(10)排出，然后，活塞打开进气道(9)，缸外的新鲜空气冲进汽缸(11)完成扫气，然后，活塞(8)上移先后将进气道(9)和排气道(10)封闭，活塞(8)继续上移，压缩汽缸(11)内的气体，当活塞到达上止点附近时喷油嘴(18)喷油，火花塞(17)点火，缸内的混合气被点燃，推动活塞(8)及曲轴周而复始往复运动。此设计仍然适用于柴油机，在缸盖(13)上只保留了喷油嘴(18)，其他结构不变，此时就是一款柴油发动机。

此可变压缩比发动机的动力输出部分的结构总共有三种方式：

第一种方式由左曲轴(1)、右曲轴(2)、左连杆(3)、右连杆(4)、中连杆(5)、左齿轮(6)、右齿轮(7)、活塞(8)组成的一套三连杆机构与一对平行曲轴连接的运动副(见图1和图2)，具体的结构为活塞(8)与中连杆(5)通过活塞销连接可以自由转动，左连杆(3)和右连杆(4)对称布置在中连杆(5)的两侧且长度相等，左连杆(3)和右连杆(4)上端与中连杆(5)通过连杆销连接可以自由转动，下端分别与左曲轴(1)和右曲轴(2)的连杆轴连接可以自由转动，左曲轴(1)和右曲轴(2)平行布置在汽缸(11)下部与汽缸(11)垂直，左曲轴(1)的端部固定连接左齿轮(6)，右曲轴(2)的端部固定连接右齿轮(7)，左齿轮(6)和右齿轮(7)齿数相同相互啮合使左曲轴(1)和右曲轴(2)转速相同，转动方向相反，这种结构的好处是中连杆(5)不论是做功冲程还是压缩冲程始终与活塞平行运动，活塞对汽缸不产生侧压力，不仅可以减小摩擦损耗，还可以提高活塞和汽缸的寿命，另外，左连杆(3)或右连杆(4)在上止点和下止点的两个位置处会形成一个相位角，如图2所示的做功冲程比压缩冲程多出一个相位角，这就使做功冲程的角位移距离更长，可以使燃料燃烧产生的热能更多地转换成机械能，能效更高，发动机的震动会更小，在下止点处左连杆(3)、右连杆(4)形成的夹角为返回夹角，返回夹角小于180度，返回夹角越接近180度，中连杆(5)在下止点返回时的压力角越大，越容易形成压力死角导致发动机工作不平稳，当返回夹角等于180度时就形成了压力死角发动机不能正常工作；中连杆(5)与活塞(8)共有三种连接方式，第一种为活塞销连接(见图2)，第二种为固定连接(见图6)即将中连杆和活塞固定连接不能相互移动，第三种方式取了中连杆(5)，将中连杆(5)和活塞(8)做成一个零件(见图7)；左连杆(3)、右连杆(4)与中连杆(5)的连接方式有两种，第一种为左连杆(3)、右连杆(4)通过连杆销共同连接在中连杆(5)的一个点上(见图2)，第二种连接方式为中连杆(5)上有两个连接孔对称布置，左连杆(3)、右连杆(4)分别通过独立的连杆销与中连杆(5)连接(见图6、图7)。

第二种方式为(见图9)，左曲轴(1)、右曲轴(2)相互平行且布置在气缸(11)和副汽缸(25)之间，汽缸(11)和副汽缸(25)同心，动力输出系统由活塞(8)、副活塞(26)、左连杆(3)、右连杆(4)与中连杆(5)组成，中连杆(5)的两端同时连接活塞(8)和副活塞(26)，左连杆(3)、右连杆(4)对称布置在中连杆(5)的两侧，且与左曲轴(1)和右曲轴(2)的连杆轴连接可以自由转动，左曲轴(1)和右曲轴(2)上分别连接左齿轮(6)和右齿轮(7)，左齿轮(6)和右齿轮(7)齿数相同相互啮合使左曲轴(1)和右曲轴(2)转速相同，转动方向相反，汽缸(11)和副汽缸(25)交替点火做功，返回夹角最大可以为180度，不存在压力死角的问题，使汽缸的做功冲程的角位移距离更长，但副汽缸的做功冲程更短，中连杆(5)与活塞(8)和副活塞(26)的连接方式有三种，第一种为活塞销连接(见图9)即中连杆(5)的两端通过活塞销连接活塞(8)及副活塞(26)，第二种连接方式为固定连接(见图10)即中连杆(5)的两端与活塞(8)和副活塞(26)固定连接不能相互移动，第三种连接方式将中连杆(5)、活塞(8)、副活塞(26)做成一个零件，取消了中连杆(见图11)，这种结构的好处是一对活塞连接在一起，一个汽缸做功的同时直接为另一个汽缸提供压缩冲程需要的力，不需要通过曲轴连杆传递力，能量传递效率高，运转更平稳，特别适合高压缩比的发动机，对于HCCI工作模式尤其适合，可以将其中一个汽缸全程定义为HCCI方式工作，不管载荷高低它始终在最合适的HCCI带宽范围内工作，另外一个汽缸采用火花塞点火的方式工作，由火花点火的发动机来补充和提供高载荷时的功率。

第三种方式由单连杆(20)、单曲轴(21)和活塞(8)组成，连杆曲轴活塞的结构与现有的发动机连杆曲轴活塞的结构相同(见图8)，由现有的曲轴连杆结构与可移动缸盖式的变压缩比结构组成一台发动机，压缩比可调，动力输出结构简单可靠。

实用新型的优点

本实用新型的可变压缩比发动机，其特征是汽缸上部有一个可移动的缸盖，通过一个滑块来控制缸盖的上下移动，滑块由执行器来驱动，缸盖的移动改变汽缸容积从而使发动机的压缩比变化，经验证明发动机压缩比的改变可以明显提高发动机效率，降低有害物质排放，本实用新型的移动缸盖式可变压缩比发动机零件数量少、控制简单、效率高，压缩比可以从8到22甚至更大范围自由变化，采用缸内直喷两冲程设计，不仅可以改掉两冲程发动机污染高的问题，还提高发动机的燃油效率，降低有害物质排放，尤其适合HCCI技术在本发动机上应用，连杆与曲轴的结构设计成三连杆双曲轴运动副，活塞不会产生侧压力，使摩擦损耗减少，三连杆双曲轴结构还可以使做功冲程中曲轴的转动角度超过180度，相同的冲程长度推动曲轴转过更多角度，可以使更多得热能转化为机械能，不仅可以提高燃油效率，还可以使发动机运转更平稳。

附图说明

图1为可变压缩比发动机的原理图，其中包含可移动的缸盖(13)、滑块(14)，滑块(14)的移动控制缸盖(13)上下滑动来改变压缩比。

图2为可变压缩比发动机的原理图的侧向视图，活塞(8)与中连杆(5)、左连杆(3)、右连杆(4)和左曲轴(1)、右曲轴(2)组成运动副输出动力。

图3为可变压缩比发动机的俯视图，展示滑块(14)和缸盖(13)的结构。

图4为可变压缩比发动机的侧剖视图，展示滑块(14)和缸盖(13)的结构。

图5为可变压缩比发动机的侧剖视图，展示滑块(14)和移动缸盖的结构。

图6和图7活塞(8)与中连杆(5)连接的结构图，其中图7所示的为活塞(8)与中连杆(5)刚性连接，图8所示的为中连杆(5)与活塞(8)为一个整体。

图8为可变压缩比发动机的另外一种结构，取消了三连杆双曲轴的运动副，只保留了单连杆(20)单曲轴(21)的运动副。

图9为可变压缩比发动机的对置汽缸结构，中连杆(5)同时连接活塞(8)和副活塞(26)，中连杆(5)与一对活塞为刚性连接。

图10和图11所示的结构为中连杆(5)与活塞(8)和副活塞(26)的另外两种连接方式，图10的结构为中连杆与活塞(8)和副活塞(26)为活塞销连接。图10的结构为取消了中连杆(5)，将活塞(8)、中连杆(5)、副活塞(26)做成一个整体零件。

具体实施方式

发动机ECU控制执行器拖动滑块来回滑动，滑块再驱动缸盖上下移动来改变发动机的压缩比，滑块前进，缸盖下行，压缩比变大，反之滑块后退，缸盖上行压缩比变小，当发动机爆震传感器探测到爆震后，ECU发出指令给执行器控制滑块后退减小压缩比消除爆震，在各种工况ECU会控制执行器使用发动机有最合适的压缩比，在不产生爆震的情况下尽量让发动机在所能承受的最大压缩比的工况下运转，从而提高燃油效率，减少排放污染。

Claims (3)

1.一种可变压缩比发动机，其特征是实现发动机可变压缩比的部分由汽缸(11)、缸体(12)、缸盖(13)、滑块(14)、膜片弹簧(15)、上盖(16)、火花塞(17)、喷油嘴(18)、执行器(19)组成，缸盖(13)的下部为圆柱形插入到汽缸(11)中可上下移动，缸盖(13)上装配有活塞环和密封圈将汽缸(11)密封，缸盖(13)上部的两侧各有一个斜面，与滑块(14)两侧的斜面配合，缸盖(13)中部的凸台上装配膜片弹簧(15)，膜片弹簧(15)通过螺钉固定装配在缸体(12)的上端面的凹槽内，当滑块(14)向前移动时，滑块(14)的斜面驱动缸盖(13)的斜面使缸盖(13)向下移动，当滑块(14)向后移动时，膜片弹簧(15)将缸盖顶起使缸盖向上移动，缸盖(13)的上下移动改变了汽缸内的容积从而实现了发动机压缩比的改变，滑块(14)与执行器(19)连接受其驱动可以前后移动，缸盖(13)上的两个斜面中间部分是一个中空的凸台，通过密封圈与上盖(16)密封避免润滑油泄漏，中空的凸台内部装配火花塞(17)和喷油嘴(18)，缸盖(13)上下移动时火花塞(17)和喷油嘴(18)跟随缸盖(13)一起移动，滑块(14)下端面为一个平面与缸体(12)的上端面配合可前后滑动，滑块(14)的上端面也是一个平面与上盖(16)配合可前后滑动，上盖(16)通过螺栓固定在缸体(12)上，上盖(16)和缸体(12)将滑块(14)牢牢卡住只能前后滑动，执行器(19)受发动机的ECU控制。

2.如权利要求1所述的可变压缩比发动机，其特征是可变压缩比发动机的动力输出结构的第一种方式由左曲轴(1)、右曲轴(2)、左连杆(3)、右连杆(4)、中连杆(5)、左齿轮(6)、右齿轮(7)、活塞(8)组成，活塞(8)与中连杆(5)通过活塞销连接可以自由转动，左连杆(3)和右连杆(4)对称布置在中连杆(5)的两侧且长度相等，左连杆(3)和右连杆(4)上端与中连杆(5)通过连杆销连接可以自由转动，下端分别与左曲轴(1)和右曲轴(2)的连杆轴连接可以自由转动，左曲轴(1)和右曲轴(2)平行布置在汽缸(11)下部与汽缸(11)垂直，左曲轴(1)的端部固定连接左齿轮(6)，右曲轴(2)的端部固定连接右齿轮(7)，左齿轮(6)和右齿轮(7)齿数相同相互啮合使左曲轴(1)和右曲轴(2)转速相同，转动方向相反，中连杆(5)始终与活塞平行运动，活塞对汽缸不产生侧压力，做功冲程比压缩冲程多出一个相位角的距离，返回夹角小于180度，中连杆(5)与活塞(8)共有三种连接方式，第一种为活塞销连接，第二种为固定连接，第三种将中连杆(5)和活塞(8)做成一个零件，左连杆(3)、右连杆(4)与中连杆(5)的连接方式有两种，第一种为左连杆(3)、右连杆(4)通过连杆销共同连接在中连杆(5)的同一个点上，第二种连接方式为中连杆(5)上有两个连接孔对称布置，左连杆(3)、右连杆(4)分别通过独立的连杆销与中连杆(5)连接。

3.如权利要求1所述的可变压缩比发动机，其特征是可变压缩比发动机的动力输出结构的第二种方式，左曲轴(1)、右曲轴(2)相互平行且布置在气缸(11)和副汽缸(25)之间，汽缸(11)和副汽缸(25)同心，动力输出结构由活塞(8)、副活塞(26)、左连杆(3)、右连杆(4)与中连杆(5)组成，中连杆(5)的两端同时连接活塞(8)和副活塞(26)，左连杆(3)、右连杆(4)对称布置在中连杆(5)的两侧，且与左曲轴(1)和右曲轴(2)的连杆轴连接可以自由转动，左曲轴(1)和右曲轴(2)上分别连接左齿轮(6)和右齿轮(7)，左齿轮(6)和右齿轮(7)齿数相同相互啮合使左曲轴(1)和右曲轴(2)转速相同，转动方向相反，汽缸(11)和副汽缸(25)交替点火做功，返回夹角最大可以为180度，中连杆(5)与活塞(8)、副活塞(26)的连接方式有三种，第一种为中连杆(5)的两端通过活塞销连接活塞(8)及副活塞(26)，第二种为中连杆(5)的两端与活塞(8)和副活塞(26)固定连接，第三种将中连杆(5)、活塞(8)、副活塞(26)做成一个零件。

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