CN203742780U - 一种可变压缩比内燃机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及内燃机领域，具体为一种可变压缩比内燃机，其特征在于利用齿轮传动机构及链条连接螺钉，螺钉的螺钉头为齿轮状，螺钉头的齿与链条孔对应，链条运行时带动螺钉转动，螺钉的螺钉杆上有螺纹，螺钉杆上、下两部分螺纹相反，螺钉将上气缸体和下气缸体连接，上气缸体与螺钉的连接部分有螺纹，并与螺钉杆的上螺纹吻合，下气缸体与螺钉的连接部分也有螺纹，并与螺钉杆的下螺纹吻合，螺钉的上端固定有螺母，气缸内有曲轴连接活塞做上下运动，气缸有进气口、排气口及火花塞，可以达到的有益效果为可以解决大马力发动机的小功率耗油大，小马力发动机的功率不足的难题，可以更省油，质量轻，降低制造成本，操作简单，推广可行度高。

Description

一种可变压缩比内燃机

技术领域

本实用新型涉及内燃机领域，具体为一种可变压缩比内燃机。

背景技术

压缩比是内燃机气缸总容积与燃烧室容积的比值，是内燃机的重要结构参数，压缩比对内燃机性能有多方面的影响。压缩比越高，热效率越高，但随压缩比的增高，热效率增长幅度越来越小。压缩比增高使压缩压力、最高燃烧压力均升高，故使内燃机机械效率下降。

一般发动机的压缩比是不可变动的，因为燃烧室容积及气缸工作容积都是固定的参数，在设计中已经定好。不过，为了使得现代发动机能在各种变化的工况中发挥更好的效率，以变对变来改善发动机的运行性能。其中气门可变驱动技术早已实现，做为重要参数的压缩比也有人尝试由固定不变改为“随机应变”，但由于涉及压缩比必然要涉及到整个发动机结构的改变，牵一而动百，难度很大，长期没有进展。

可变压缩比内燃机，国外有过两家厂家试验过，原理可行，样机可运转，商业化不行，有一种说法是爱坏，一种说法是发动机反应过于灵活，具体原因不明，从原理上推测，机械运行问题不大，问题出在控制上。

现在的内燃机转速都很高，最高可达1万转，1升排量的内燃机大多都在每分钟4千到6千转，每秒66转到100转，如果是三缸机，每秒的工作冲程达到100-150次，也就是发动机有100次秒以上的爆发压力出现，根据计算，变压缩比内燃机的变压能力在1秒钟左右，无法跟上每秒100次以上的工作冲程的变化，发动机的最大爆发压力容易超标，如大功率爬坡后或在行驶时突然减速，发动机变压机构变压，压缩比提高，由于压气机的惯性，进气管内的压力降不下来，增压气进入气缸内，造成最大爆发压力超标，损坏发动机。增压器的惯性是很大的，汽车停车后，要怠速运转几分钟后才能熄火，如不这样，有可能烧坏增压器的轴承，这说明，发动机功率的变化不到1分钟，变压机构的变压在1秒左右，增压器的变化在几分钟，要把这几个时间同时调整好，目前还没有办法。由于变压缩比内燃机的原理是发动机始终工作在最大爆发压力值，达到性能的最优，进气压力的微小变压都能引起最大爆发压力超标。

现在有一种技术叫变排量内燃机，它的原理是当发动机的功率小到一半以下时，让一部分气缸停止工作，另一部分气缸工作，达到了省油的目的，在大功率柴油机上已经应用，效果已被证实。变排量发动机除了机构简单，主要还是解决了内燃机的控制问题，它采用的是有级调节，可以根据需要调节发动机的工作状况，在转换工程中，相比发动机最高爆发压力出现的频率，转换是很慢的，这种方式排除了最高爆发压力超标的危险，发动机的部分气缸无论是大排量还是减排量都是工作的，转换过程平稳可靠。但它的变换过程还是有限制的，不能在中等功率时转换，在功率小到一定程度时才能变换。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是通过改变压缩比的方法使内燃机在任何情况下都可以在最省油的模式下运行。

为了把变压缩比内燃机实用化，本实用新型提出一种新的技术路线，变压缩比内燃机的工作，始终不超过最大爆发压力值，将无级变压变成有级变压，采用二段变压，即把自然吸气发动机与高压发动机结合起来的方式工作，在城市路中，用自然吸气发动机，在高速公路上用高增压发动机，也就是小功率时是自然吸气发动机，大功率时是高增压发动机，以现有的技术，提高发动机的性能，绕开了目前难以解决的控制难题，是的可变压缩比内燃机有了实用的可能。采用现有成熟技术组成新的发动机，高增压发动机、汽柴油机都有应用，本实用新型是在普通自然吸气发动机的基础上加装了一套增压，变压装置，工作过程都是我们熟悉的技术范围内，同时与道路能很好地吻合，适应当前高速公路雨城市道路结合的公路行驶，使用中只是在自然吸气与高增压之间变换。

本实用新型是把可变压缩比内燃机的实用新型进行了减化，限制了部分工作能力，把全程变压改为只能有两个变压点，使发动机只能是自然吸气发动机和高增压发动机二种工作方式。变压机构取消了镙母锁紧机构。

本实用新型中的下缸体是固定不动的，曲轴的位置也是固定不动的，动力输出部分可以沿用现在的机构。

电机带动小齿轮，小齿轮上有小齿轮固定凸起，小齿轮中心孔内置一齿轮轴，齿轮轴与小齿轮间可自由转动，齿轮轴上部固定有大齿轮，大齿轮下方有大齿轮固定凸起，大齿轮固定凸起与固定凸起距离齿轮轴相同，齿轮轴顶端固定一动力齿轮，动力齿轮的每个齿可深入链条的孔中，这样，动力齿轮转动时，链条也随之运行；链条的另一端连接螺钉，螺钉的螺钉头为齿轮状，螺钉头的齿与链条孔对应，链条运行时带动螺钉转动，螺钉的螺钉杆上有螺纹，螺钉杆上、下两部分螺纹相反，螺钉将上气缸体和下气缸体连接，上气缸体与螺钉的的连接部分有螺纹，并与螺钉杆的上螺纹吻合，下气缸体与螺钉的连接部分也有螺纹，并与螺钉杆的下螺纹吻合，螺钉的上端固定有螺母，气缸内有曲轴连接活塞做上下运动，气缸有进气口、排气口及火花塞。

本实用新型的电机为平放。

本实用新型的电机为立放。

本实用新型的设计灵活，可以是自然吸气发动机与增压发动机的结合，也可以是自然发动机与高增压发动机的组合，已达到在高速公路上高速行驶，在城市道路中省油行驶。在高速公路上用增压发动机工作在最省油的功率范围中，在城市道路中用自然吸气发动机，也工作在最省油的功率范围中。本实用新型可以解决大马力发动机的小功率耗油大，小马力发动机的功率不足的难题。变压缩比内燃机采用二级变换，我们可以看做是小功率时是自然吸气发动机，大功率时是高增压发动机，可变压缩比内燃机要比变排量发动机的体积小，重量轻，一台发动机相当于变排量发动机中的两台发动机，也使内燃机运行过程中更加节油。而本实用新型转换压缩比，功率输出均匀，震动减小（功率减小的原因），提高平稳性却不容易，这就是为什么发动机不采用缸数少缸径大的发动机，不怕复杂制造多缸发动机的原因，变排量发动机在6缸变3缸，4缸变2缸中，平稳性变坏是必然的，振动大，变压比发动机还有一个优点，可以极大的提高气缸的寿命，我们知道，内燃机气缸磨损最大的部位是上止点左右，可变排量发动机的上止点位置是不变的，可变压缩比内燃机的上止点是变化的，最少两个部位，把磨损分散到两处。从得失、性价比看，变压缩比内燃机还是占优势的，省油、寿命长，振动小，是比变排量发动机的优势，特别是高价值气缸体的长寿命，价值更大。提高压缩比能减少污染物的排放，有可能，空然比越大，排污越少，燃烧性能变差，提高压缩比，可以改变燃烧性能，现在的发动机压缩比是固定的，不能随要求变化，可变压缩比内燃机的压缩比调整起来，要比现在的发动机容易得多，可分段控制，减少排污，更清洁是可能的。压缩比的可变，使发动机有了使用多种牌号汽油的可能，高标号的汽油采用高压缩比，低标号的汽油，采用低压缩比，压缩比的调整很容易。

附图说明

图1为本实用新型的高增压时气缸结构图；

图2为本实用新型自然吸气时气缸结构图；

图3为本实用新型齿轮连接部分局部结构图；

图4为本实用新型电气控制图。

具体实施方式

附图中个标号对应的零部件名称：

电机1、小齿轮（2小齿轮固定凸起2.））、齿轮轴（3）、大齿轮（4大齿轮固定凸起4.1）、动力齿轮5、链条6、螺钉7（螺钉头7.1、螺钉杆7.2）、气缸体8（上气缸体8.1、下气缸体8.2）、曲轴9、活塞10、螺母11、进气口12、排气口、13、火花塞14、压比转换开关15、增压变压比限位开关16、增压器限位开关17、增压喷油系统18、阀门电机19、变压比电机20、自然喷油系统21、自然增压器阀门限位开关22、自然变压比限位开关23。

具体实施方式：

图3中，电机1带动小齿轮2，小齿轮2上有小齿轮固定凸起2.1，小齿轮2中心孔内置一齿轮轴3，齿轮轴3与小齿轮2间可自由转动，齿轮轴3上部固定有大齿轮4，大齿轮4下方有大齿轮固定凸起4.1，大齿轮固定凸起4.1与固定凸起2.1距离齿轮轴3相同，齿轮轴3顶端固定一动力齿轮5，动力齿轮5的每个齿可深入链条6的孔中，这样，动力齿轮5转动时，链条也随之运行。

在图1中，链条6的另一端连接螺钉7，螺钉的螺钉头7.1为齿轮状，螺钉头7.1的齿与链条孔对应，链条6运行时带动螺钉7转动，螺钉的螺钉杆7.2上有螺纹，螺钉杆7.2上、下两部分螺纹相反，螺钉7将上气缸体8.1和下气缸体8.2连接，上气缸体8.1与螺钉7的的连接部分有螺纹，并与螺钉杆7.2的上螺纹吻合，下气缸体8.2与螺钉7的连接部分也有螺纹，并与螺钉杆7.2的下螺纹吻合，螺钉的上端固定有螺母11，气缸8内有曲轴9连接活塞10做上下运动，气缸8有进气口12、排气口13及火花塞14。

图1中的内燃机气缸是在高增压的位置，两气缸的距离定位在大功率，高增压时是靠螺杆上的螺杆头和螺母定位。

图2是发动机变压机够在自然吸气时的气缸结构图，发动机在小功率自然吸气发动机的定位依靠上下缸体的接触来定位。

气缸的定位点只有两个，最大和最小，定位精定（压缩比）容易保证，同时具有锁紧能力，不需要另加锁紧机构。

对于螺栓固紧力的要求：螺栓把上下缸体连起来，没有间隙就行，不要求有大的紧固力矩，否则会动动不灵活。

如果电机直接带动齿轮，相当于电机带负荷启动，螺钉的紧固力可能会让电机无力启动，烧坏电机，为了让电机无负荷启动，同时依靠电机转动后的惯性来打开锁紧的螺钉，特地加了一种装置，在减速齿轮间采用了一种凸起连动，当电机带动小齿轮转动时，与大齿轮连接的盘上的凸起物还在上次转动后的位置，与大齿轮上的凸起物的距离最远，电机只带小齿轮转动，相当于无负荷启动，当两个凸起物碰到一起才带动链条或螺钉转动，尽管有螺钉的锁紧力，电机的惯性力还是能转动，如同金谷汽车轮胎的轮胎机，当电机反转时，重复上述过程，电机停转的时间不是在螺钉紧固后，是在紧固前的一小段时间里，达到有一定的紧固力，同时保证电机能打开螺钉。

工作时，内燃机的运行流程与现有技术一致，空气经空滤器、通过转换阀到进气管进入气缸，完成做功，废气排入排气管，通过转换阀排到消音器后排出，与现有技术的区别仅为在压气机涡轮通道处安装一转换阀。

小功率时，转换阀把压气机涡轮通道堵死，成为非增压发动机。

大功率时，转换阀把压气机涡轮通道打开，把另外通道堵死成为增压发动机。

电气部分控制图如图4所示，当压比转换开关15接通左边实线电路时，由自然吸气发动机向增压发动机转换，左边的增压变压比限位开关16没有压下，如（常闭）实线部分示意，电路的正负极通过变压比限位开关（常闭）接通，变压比电机20正转，带动缸体移动，缸体移动到位，增压变压比限位开关16被撞，常闭开关断开，变压比电机20停转，常开开关接通，正负电流经过增压器限位开关17（常闭）接通阀门电机19正转，到位以后，碰到增压器限位开关17，常闭开关断开，阀门电机19停转，常开开关接通增压喷油系统，完成了自然吸气向增压发动机的转换，先降压比，后转阀门。

当压比转换开关15接通右边用虚线画的电路时，由增压发动机向自然吸气发动机的转换，右边的自然变压比限位开关23经由缸体的移动，成不与缸体接触的状态，自然增压器阀门限位开关22同样在没有被压的状态，正负电流通过虚线电路进入增压器的常闭开关后进入阀门电机19，阀门电机19反转到移动位后，碰到自然增压器阀门限位开关22，断开常闭开关，接通常开开关后，电流经过常开开关进入自然变压比限位开关23的常闭开关，变压比电机20反转，带动缸体向上移动，减小气缸体内的容积，提高压缩比，移动到位后碰到自然变压比限位开关23，常闭开关被断开，变压比电机20停转，常开开关接通自然喷油系统，完成增压发动机向自然吸气发动机的转换，先转阀门泄气，后增压缩比。

功率的控制，本实用新型中的自然吸气发动机与普通自然吸气发动机一样的工作，用节气门来控制进入气缸的进气量和喷油量，压缩比也是固定不动的。当大功率时，增压通道开启，压气机、涡轮转动压缩比变小，增压系统的喷油嘴喷油，发动机工作在增压状态，还用节气门控制功率的大小，压缩比更小以后，就固定不便了，工作过程与增压发动机一样，增压系统工作后，也可以用另一套喷油量更大的喷油系统。

由自然吸气发动机向增压发动机的转换，增压油门可提高功率，当增压发动机小功率时向自然吸气发动机的转换，合适正常转换，也是经常用到的转换形式。当转换时，如不带负荷，动力波动较大，阀门电机转动，打开自然吸气通道，进气管内的增压空气极速泄出，在极短的时间不到1秒钟，通过滤清器和气缸分两路排出，进气管内成大气压状态，阀门完成转换以后，压缩比电机转动，带动上缸体下移，只能加压缩比，到位后，电机停转，喷油系统也完成转换成自然吸气喷油，发动机开始正常工作，在转换的过程中，进气管气流发生混乱，发动机不点火，对发动机无影响。

大功率时的转换，由自然吸气发动机向增压发动机的转换是正常的，需要的，当转换时，节气门不动，变压比电机先动，上缸体上移，压缩比变小后，阀门电机转动，关闭自然吸气通道，打开压气机涡轮通道，变换过程完成，发动机工作，发出功率小于自然吸气发动机，涡轮才开始转动。

大功率时增压发动机向自然吸气发动机的转换，转换开关转换到自然吸气发动机，喷油电路断电，不喷油，发动机不点火，阀门电机转动，关闭增压通路，打开自然吸气通道，增压空气从空滤器喷出，一部分从气缸排出，增压器空转，没有进气，增压器不会发生喘振，增压器是安全的，自然吸气进气通道的压力回答大气压下，变压比电机转动，带动上缸体下移，增加压缩比，到位后电机停转，上下缸体接触，螺杆自然锁紧，使上下缸体唯一整体，喷油电路接通开始喷油，发动机开始工作，喷油时间略为提前、滞后一点，对发动机工作没有影响，喷油提前时，压缩比还没有达到最大，最大爆发压力不高，喷油时间滞后一点，压缩比已经达到设计压缩比，还是工作在设计值中。

实际中的应用，启动发动机时，将转换开关转到自然吸气发动机，在发动机不转动时，变压机构也能完成变压缩比的过程，这时启动发动机，点火以后，使用和发动机一样，当需要用增压发动机时，不带负荷（如空挡）转换，节气门回到小功率，增加安全系数，将转换开关转到增压发动机处，发动机自动完成转换工作，节气门开度加大，再将负荷带上，完成转换过程。

从增压发动机到自然吸气发动机的转换，节气门减小后，将转换开关转到自然吸气发动机处，发动机自动转换完成。

综上所述，发动机在任何状态下进行转换都是安全的，操作失误，频繁变换都不能损坏发动机，在发动机变换的过程中，润滑和冷却系统在发动机的转动（不工作）中是正常工作的，对发动机没有不良影响。

压缩比的调整很容易，只要改变螺杆上螺帽的的位置，就能实现增压、高增压、超增压和更大增压范围内的使用，也完全可以推想，本实用新型的可变压缩比在机械电子的控制下完成三级、四级、五级压缩比的转换。

例如：把福特1.0LECOBOOt发动机与自然吸气发动机相结合，福特发动机参数：排量999ML，直列3缸，缸径71.9mm，冲程82mm，压缩比10，最大功率125马力/6000转，小惯量涡轮增压器，进气门可变正时，每缸气门4个，缸内直喷，只要把压缩比提上去，不用增压器，就是自然吸气发动机，在10几马力到30马力城市行驶时，是会很省油的

又如奇瑞1.2L发动机最大功率133马力（97千瓦）/5000转3缸，每缸点火线圈，可变排量机油泵，采用平衡轴增压。

用增压发动机改装的本实用新型中的发动机，可靠性是不用怀疑的，大功率小功率出问题的可能性很小。

为了使本实用新型中的发动机价格低廉，可以不用可变气门，每缸线圈每个可只有两个气门，性能略差，性价比是很高的，在城市使用很经济。

奇瑞SQR37Z发动机，3缸0.812升缸径72mm，行程66.5mm，压比9.5，功率38KW/6000r，比亚迪BYD371QA型发动机，3缸直列，排量0.998L，压缩比10.5:1，缸径71mm，行程84mm，功率50KW/6000R。

对比上述几款发动机可以看出，同样是3缸，同样排量不到1L，功率差别很大，增压发动机功率都在100马力以上，非增压功率都在50马力左右，推测，当每升的空气能发出50马力的功率，想要发出100马力以上的功率就需要2L以上的空气量，也就是上述两种增压发动机的压气机出口压力要达到2个大气压以上才行，压缩比都在10左右，增压发动机的燃烧室容积要比自然吸气发动机的燃烧室大2倍以上的容积才能安全工作，所以上述两款增压发动机的进气压力应是2.5个大气压左右，这也是目前压气机可长时间安全运行的极限。

汽油发动机的功率控制是依靠节气门进行的，控制进入气缸的空气量，就直接影响了压缩比，按压缩终了的条件看，功率的减小，也就是压缩比的不断减小。上述两款增压发动机的轿车在城市行驶时，驱动不到1吨重的车身以50km/h的速度行驶，需要20~30马力的功率就可，这时的增压器几乎不工作，在节气门的作用下，进气压力小于1个大气压，发动机这时压缩比小于4，我们知道，耗油量和压缩比成反比的，这时的发动机是很费油的，如果我们这时把增压发动机换成一台自然吸气发动机，尽管在20~30马力时，真实的压缩比不到9，也要比增压发动机大，耗油小很多。

本实用新型中的发动机，从增压发动机转换到自然吸气发动机，燃烧室的容积要减小到1/2-1/3左右，根据压缩比计算公式，福特1.0LECOBOOT发动机，如果是自然吸气式的改变，燃烧室容积为33.4cm³，推算福特1.0LECOBOOt发动机燃烧室大小，设进气压力为2.5大气压，33.4×2.5=83.5cm³, 1.0LECOBOOt发动机燃烧室83.5cm³，从增压发动机变为自然吸气发动机需要减少燃烧室容积83.5-33.4=50.1 cm³ ，缸体需要向上移动12.3mm，如果变压机构的螺标用M大于14mm，螺距为2mm的螺杆，机械强度是不够的，最大压缩比时与最小压缩比变化移动的距离是12.3mm，螺杆需要转6.2圈，设电机转速为6000转/分，减速比为10，转动6.2圈需要0.62秒。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可变压缩比内燃机，其特征是：电机（1）带动小齿轮（2），小齿轮（2）上有小齿轮固定凸起（2.1），小齿轮（2）中心孔内置一齿轮轴（3），齿轮轴（3）与小齿轮（2）间可自由转动，齿轮轴（3）上部固定有大齿轮（4），大齿轮（4）下方有大齿轮固定凸起（4.1），大齿轮固定凸起（4.1）与固定凸起（2.1）距离齿轮轴（3）相同，齿轮轴（3）顶端固定一动力齿轮（5），动力齿轮（5）的每个齿可深入链条（6）的孔中，这样，动力齿轮（5）转动时，链条也随之运行；链条（6）的另一端连接螺钉（7），螺钉的螺钉头（7.1）为齿轮状，螺钉头（7.1）的齿与链条孔对应，链条（6）运行时带动螺钉（7）转动，螺钉的螺钉杆（7.2）上有螺纹，螺钉杆（7.2）上、下两部分螺纹相反，螺钉（7）将上气缸体（8.1）和下气缸体（8.2）连接，上气缸体（8.1）与螺钉（7）的的连接部分有螺纹，并与螺钉杆（7.2）的上螺纹吻合，下气缸体（8.2）与螺钉（7）的连接部分也有螺纹，并与螺钉杆（7.2）的下螺纹吻合，螺钉的上端固定有螺母（11），气缸（8）内有曲轴（9）连接活塞（10）做上下运动，气缸（8）有进气口（12）、排气口（13）及火花塞（14）。

2.根据权利要求1所述的一种可变压缩比内燃机，其特征在于：电机（1）为平放。

3.根据权利要求1所述的一种可变压缩比内燃机，其特征在于：电机（1）为立放。