CN205714344U - 可控弹性内燃机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可控弹性内燃机，包括气缸、外活塞、调压弹簧、内活塞、活塞销、卡簧和连杆；在气缸内设置有外活塞，沿着气缸的中心线，外活塞、调压弹簧、内活塞、活塞销和连杆依次连接；在外活塞的内壁的下边设置有卡簧；内活塞中的调压弹簧座与活塞销座为一个整体；卡簧为圆形挡圈，其内侧设置有波形弹性垫片，所述圆形挡圈安装在外活塞内。本实用新型采用弹性消音抗撞击气缸垫和设置磁体，利用磁体的同性相斥的特点，在外活塞顶面和气缸盖内侧分别安装同性的磁体结构，减小工作过程中存在的受热变形、接触碰撞等问题，具有更好的弹性消音抗撞击的效果。

Description

可控弹性内燃机

技术领域

本实用新型涉及内燃机领域，尤其涉及一种可控弹性内燃机。

背景技术

现有往复活塞式四冲程内燃机广泛应用于交通生活之中，通常被分为汽油机和柴油机，内燃机机体包括配气正时部分进排气门、气门弹簧、气门摇臂(或液压挺杆)摇臂轴、凸轮轴、正时齿轮、正时皮带(或正时链条)、正时盖壳、正时张紧器及张紧轮等；动力转化输出部分包括缸盖、缸体、缸套、活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴承、曲轴、曲轴轴承等；密封部分包括气门室盖、气门室盖垫、气门油封、凸轮轴油封、气缸垫、曲轴前后油封、油底壳、油底壳垫等。辅助部分包括由进气系统、排气系统、供油系统、冷却系统、润滑系统、电控系统等。

中国专利201410204117.1公开了一种组合调压活塞，包括气缸、外活塞、调压弹簧、内活塞、活塞销、卡簧和连杆；其位置和连接关系是：在气缸内设置有外活塞，沿着气缸的中心线，外活塞、调压弹簧、内活塞、活塞销和连杆依次连接；在外活塞的内壁的下边设置有卡簧。中国专利201410740603.5公开了一种基于弹性消音抗撞击气缸垫的组合调压活塞，是在上述组合调压活塞的基础上设置一个具有弹性消音抗撞击功能的气缸垫来取代原有气缸垫。

上述专利存在的问题如下：

1.上述两个专利有个共同缺陷：调压弹簧的弹性是以某种恒定值存在，调节范围有限，性能不好，使其发挥不出应有的效果。

2.弹性消音抗撞击气缸垫安置的工作环境恶劣，外活塞与弹性消音抗撞击气缸垫存在接触碰撞的问题，燃烧室内的高温和高频碰撞影响弹性钢爪的使用寿命以及碰撞噪音，还和组合调压活塞共同存在的压力调节问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种可克服上述缺陷的可控弹性内燃机。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种可控弹性内燃机，包括气缸、外活塞、调压弹簧、内活塞、活塞销、卡簧和连杆；其位置和连接关系是：在气缸内设置有外活塞，沿着气缸的中心线，外活塞、调压弹簧、内活塞、活塞销和连杆依次连接；在外活塞的内壁的下边设置有卡簧；

内活塞中的调压弹簧座与活塞销座为一个整体，可合理利用空间，使结构更紧凑；卡簧为圆形挡圈，其内侧设置有波形弹性垫片，所述圆形挡圈通过焊接或螺旋方式安装在外活塞内。

作为上述技术方案的进一步方案：在气缸盖和气缸体之间设置有弹性消音抗撞击气缸垫；所述弹性消音抗撞击气缸垫包括弹性钢板、弹性钢爪；在弹性钢板的中部设置有圆孔，在圆孔的周边均匀对称地设置有弹性钢爪。

作为上述技术方案的进一步方案：所述弹性钢板的厚度大于弹性钢爪的厚度，目的是为了防止弹性钢板受力变形导致密封不良的现象发生，可减小弹性消音抗撞击气缸垫与外活塞在工作过程中存在的受热变形接触碰撞的问题；弹性钢爪为尖角形状,可以减小受热面积,增强热稳定性，可延长使用寿命，对碰撞噪音也有所减小。

作为上述技术方案的进一步方案：所述外活塞顶面设有第一永磁体，气缸盖内侧设有与所述第一永磁体同性相斥的第二磁体。

作为上述技术方案的进一步方案：气缸盖内设有与所述第二磁体配合的线圈，通过控制线圈的电流来调节第二磁体的磁性强弱程度。

所述外活塞顶面的第一永磁体的磁层形状与气缸盖的形状对应，由于磁性材料比铝合金重，与气缸盖不对应的中间部位不采用磁性材料，可减轻外活塞的质量。

作为上述技术方案的进一步方案：内燃机设有用于调节曲轴箱内气压的气压调节系统。

作为上述技术方案的进一步方案：气缸盖上设有可变压缩比结构：气缸盖中设有用于安装柱塞的贯穿的柱塞孔，所述柱塞的一端伸入所述柱塞孔内，另一端伸出所述柱塞孔外侧且端部设有台阶状的回位弹簧座；所述柱塞伸出所述柱塞孔的一端的外侧套设有抵在所述回位弹簧座内侧的回位弹簧；

所述柱塞孔与所述柱塞接触的内壁或所述柱塞上设有至少一个密封件；

所述回位弹簧座的外侧设有偏心轴，偏心轴上设有齿轮和位置传感器，所述齿轮上设有耦合电机；

所述回位弹簧座上设有与偏心轮外缘配合的相位槽。

作为上述技术方案的进一步方案：气缸盖的燃烧室呈类似n型的形状，所述气缸盖包括通过螺栓连接的进气侧和排气侧两部分,两部分结构形状可对称或相同，也可不对称或相同；进气门和排气门水平地对称布置在燃烧室的两侧，所述进气门和排气门的大小、数量均相同，进气凸轮轴和排气凸轮轴相应地水平设置在燃烧室的两侧。

作为上述技术方案的进一步方案：所述柱塞和柱塞孔为圆形或两端为弧形的类似矩形的形状。

基于上述技术方案，本实用新型的有益效果是：本实用新型采用弹性消音抗撞击气缸垫和设置磁体，利用磁体的同性相斥的特点，在外活塞顶面和气缸盖内侧分别安装同性的磁体结构，减小工作过程中存在的受热变形、接触碰撞等问题，具有更好的弹性消音抗撞击的效果。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型另一种结构示意图；

图3为弹性钢板的示意图；

图4为气缸盖剖面图；

图5为气缸盖的端面图；

图6为图5中沿A-A线的剖视图；

图7为图5中沿A-A线的另一种剖视图；

图8为回位弹簧座与偏心轮接触面的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1.气缸盖，2.燃烧室，3.水道孔，4.进气门，5.偏心轮，6.回位弹簧座，7.回位弹簧，8.密封件，9.柱塞，10.相位槽，11.安装孔，12.进气道，13.进气凸轮轴，14.排气门，15.排气凸轮轴，16.排气道，17.第二磁体，18.第一永磁体，19.线圈，20.气缸垫，21.气缸，22.外活塞，23.调压弹簧，24.内活塞，25.活塞销，26.卡簧，27.连杆，28.排气阀，29.进气阀，201.弹性钢板，203.弹性钢爪，202.圆孔。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型的目的就是为了克服调压弹簧弹性调控问题和改进弹性消音抗撞击气缸垫与外活塞接触碰撞的方案，以及一种简洁的可变压缩比结构；对内燃机相应部分提出改进，提供一种可控弹性内燃机。

如图1、图2所示，本实用新型提出的一种可控弹性内燃机，包括气缸21、外活塞22、调压弹簧23、内活塞24、活塞销25、卡簧26和连杆27；其位置和连接关系是：在气缸21内设置有外活塞22，沿着气缸21的中心线，外活塞22、调压弹簧23、内活塞24、活塞销25和连杆27依次连接；在外活塞22的内壁的下边设置有卡簧26；内燃机设有用于调节曲轴箱内气压的气压调节系统；内活塞24中的调压弹簧座与活塞销座为一个整体，可合理利用空间，使结构更紧凑；卡簧26为圆形挡圈，其内侧设置有波形弹性垫片，所述圆形挡圈安装在外活塞22内。

内燃机设有用于调节曲轴箱内气压的气压调节系统。气压调节系统包括含单向阀的打气泵、储气罐、安全阀、若干气管、电控进气阀29、电控排气阀28、两个压力传感器、曲轴箱和控制电脑连接线路等；曲轴箱是包括气门室盖、气缸盖、气缸体、油底壳、密封垫、油封和其他相关零部件组成的独立空间；其中气门室盖、油底壳、密封垫和油封等零部件需要承受较高的气压，对相关零部件的机械强度和耐压程度需做适当改进，以便满足新型结构的工作要求；

曲轴箱的另一种构建方式：把气缸盖和气缸体润滑连通部分区分开来，彼此互不相干，在气缸盖上建立独立润滑系统，气缸盖独立部分以外的空间为曲轴箱。

打气泵建立气压，并通过气管连接至储气罐，储气罐中安装有压力传感器和安全阀，储气罐最低部位用气管连接进气阀29(注意进气阀不能积水，积水容易生锈发卡失效)，进气阀29连接曲轴箱，曲轴箱中设有压力传感器，曲轴箱接排气阀28再由气管连接到内燃机进气管。

气压调节系统的另一种构建方式：所述打气泵与曲轴箱连接，曲轴箱中设有压力传感器，所述曲轴箱连接排气阀28，通过控制打气泵的运转和排气阀28的开启状态可控制曲轴箱的气压变化，结构简单，体积小。

气压调节系统是依据动态平衡原理工作的，所述动态平衡是指：在装备组合调压活塞内燃机中(以直列四缸内燃机为例说明)，曲轴运转工作时，内外活塞的运转状态具备下列特点：一缸等同四缸，二缸等同三缸，各缸活塞与曲轴形成的动力臂始终相等，且曲轴箱容积保持不变；向曲轴箱内充注压缩空气，四个活塞受到同向(向燃烧室方向)相等压力，曲轴不会运转，在内燃机工作运转过程中，如果某缸外活塞被燃烧室的高压气体推动打破这种平衡力，那么就会有相对应的活塞利用平衡力(加压力差)来做功；由此可见燃烧室内部温度和压力可依据曲轴箱内的气压进行调节，组合调压活塞在使用气压调节系统后，可以取消调压弹簧，由于涉及到打气泵的配置、泄露、损坏以及外活塞的限位问题，调压弹簧依旧延续使用，调压弹簧的弹力只要满足曲轴箱在常压下能保证内燃机的正常启动和低速行驶即可。

在气缸盖1和气缸21之间设置有弹性消音抗撞击的气缸垫20；所述气缸垫20包括弹性钢板201、弹性钢爪203；如图3所示，在弹性钢板201的中部设置有圆孔202，在圆孔202的周边均匀对称地设置有弹性钢爪203；所述弹性钢板201的厚度大于弹性钢爪203的厚度，目的是为了防止弹性钢板201受力变形导致密封不良的现象发生，可减小气缸垫20与外活塞22在工作过程中存在的受热变形接触碰撞的问题；弹性钢爪203为尖角形状,可以减小受热面积,增强热稳定性，可延长使用寿命，对碰撞噪音也有所减小。

所述外活塞顶面设有第一永磁体18，气缸盖1内侧设有与所述第一永磁体18同性相斥的第二磁体17，所述第二磁体17连接至线圈19；通过控制线圈19的电流大小，可调节第二磁体17的磁性强弱程度，解决压缩冲程和排气冲程以及转速变化影响外活塞的运动状态的问题。

由于采用磁与电磁的磁性原理，气缸盖和外活塞上都要磁性物质，外活塞上布置磁性物质较为容易，气缸盖上需要布置气门可利用空间较小，二气门和三气门的燃烧室都可腾出部分空间布置磁性材料；由于磁性材料的磁性受温度影响，选材时优选使用居里温度较高、磁性较好的材料，并采取适当的隔热措施，如减小受热面积、对受热面进行打磨抛光处理或对受热面进行隔热处理等，并且在生产制造工艺中尽可能地做好散热措施。

为了扩大磁性物质的布置空间以及提供一个可变压缩比的布局方案，如图4、图5所示，所述气缸盖1的燃烧室2呈类n型，所述气缸盖1包括通过螺栓连接的进气侧和排气侧两部分,两部分结构形状可对称或相同，也可不对称或相同；进气门4和排气门14水平地对称布置在燃烧室2的两侧，进气道12和排气道16相应地布置在燃烧室2的两侧，所述进气门4和排气门14的大小、数量均相同，进气凸轮轴13和排气凸轮轴15相应地水平设置在燃烧室2的两侧，图6为燃烧室2单进排气门的情况，图7为双进排气门的情况。

如图4所示，所述燃烧室2的顶端设有用于安装柱塞9的贯穿的柱塞孔，所述柱塞9的一端伸入所述柱塞孔内，另一端伸出所述柱塞孔外侧且端部设有台阶状的回位弹簧座6；所述柱塞9伸出所述柱塞孔的一端的外侧套设有抵在所述回位弹簧座6内侧的回位弹簧7。

所述柱塞孔与所述柱塞9接触的内壁或柱塞上设有至少一个密封件8。

所述回位弹簧座6的外侧设有偏心轴，偏心轴上设有偏心轮5和位置传感器，在偏心轴的偏心轮5中设有耦合电机，电脑控制电机驱动偏心轴运转，同时控制柱塞9移动，从而实现调节控制压缩比的目的。

所述回位弹簧座6上设有与偏心轮5外缘配合的相位槽10，所述相位槽10可对称地设有两个，如图8所示。

所述柱塞9的回位弹簧座6上还可用来安装喷油嘴和火花塞的安装孔11，在安装火花塞时，一定要考虑柱塞9的移动状况对火焰传播过程的影响。

所述柱塞9和柱塞孔为圆形或两端为弧形的类似矩形的形状，具体形状根据燃烧室2内布置气门的数量来定。

所述燃烧室2的四周设有多个弧形的水道孔3。

由于结构的改进，以下几种有助于内燃机燃烧的方法：进气管道和排气管道的壁面光滑度(尤其是气缸盖部分)，进气管道的光滑度影响到进气温度和充气效率，排气管道的光滑度，影响散热系统；废气循环系统(EGR)中的废气采取强制冷却有利于充气量和尾气排放；柴油中掺兑适量汽油，可能会促进喷油雾化，增快燃烧速度，减小碳烟的生成量；汽油中掺兑适量柴油，可能会降低汽油压燃时所需的压缩比。

组合调压活塞的设计并不能提高热效率，只能在有限范围内调节燃烧室内燃气的温度和压力，在增设了气压调节系统后，调节范围和性能得到显著的改善，可在大部分情况下实现近似等压的燃烧。随着电控喷油技术的发展，从理论上分析汽油机是可以实现压燃的，首先是压缩比问题，提高压缩比可以达到汽油的压燃条件，也可以通过预热空气、增压、掺兑柴油等方法实现低压缩比压燃汽油；其次是燃烧过程的控制，点燃型汽油机一般是以火花塞的跳火点为始燃点，以火焰传播的方式燃烧，压燃型汽油机以喷油起始点为始燃点，以喷油过程为燃烧过程，压燃型汽油机的始燃点和燃烧过程可能与柴油机有些差别：滞燃缩短、燃烧过程较短。目前使用的缸内高压喷油系统，一般是以喷油压力和喷油脉宽来控制喷油的，压燃型汽油机可以增加喷油量孔调节的功能，更加适应汽油机压燃的需求。

解决汽油压燃的问题的方法：

1.控制好燃烧过程，使燃烧时产生的最高温度和压力始终保持在内燃机所需的工作范围内；其次是采用抗爆性较好的燃料，也可以采取搀兑柴油的方法，延长燃烧过程；

2.采用结合气压调节系统的“组合调压活塞”，利用气压调节系统的压力变化来控制外活塞的运动状况，实现对燃烧室最高压力和温度的调节控制，外活塞质量越小，调节性能越好，如果能够实现无环密封，可减小外活塞的质量，也可以采用大流量的EGR延缓燃烧速度和降低燃烧压力。

柴油的压燃技术已经非常成熟，由于结构的改进，柴油中可拆兑适量汽油改善雾化性能，缩短燃烧持续时间，减小传热损失，提高热效率，减少碳烟的排放和氮氧化合物的生成。

下列几种燃烧模式主要针对汽油的燃烧：

增加了气压调节系统的“组合调压活塞”，为了减小热损失，需要缩短燃烧过程，但不宜过短，转速范围与汽油机差不多；适用于点燃和压燃，与可变压缩比结合能形成可变压缩点燃和可变压缩压燃。

增加了气压调节系统的“基于弹性消音抗撞击气缸垫的组合调压活塞”，扭矩大，适宜较短的燃烧过程，由于结构原因不适合高速运转，如果是采用电磁结合的方式，转速可适度提高。可用于点燃和压燃，与可变压压缩比结合能形成可变压缩点燃和分级燃烧。

其中点燃、压燃、可变压缩比点燃与增加了气压调节系统的组合调压活塞相似，不同的是，燃烧爆发期推迟到外活塞开始下行的曲轴转角；其次，这种结构更加适合快速燃烧，只表示缩短燃烧过程，不代表高速运转。

点燃，是指传统的火花点燃，可适量提高压缩比，延迟点火，增快燃烧速度，缩短燃烧过程。

压燃，是指通过控制喷油过程和喷油量来控制燃烧过程和输出功率，类似于共轨柴油机。

可变压缩点燃，是根据不同工况，调节压缩比，使得在压缩行程上止点时，混合气的温度接近但低于自燃温度，利用火花塞来点燃接近自燃的混合气，实现快速燃烧；快速燃烧可以缩短热传播的过程，还会适当提高压缩比，有利于热效率的提高，但过快的燃烧会影响到“组合调压活塞”外活塞的调节性能。

可变压缩压燃，是根据不同工况，调节压缩比，使压缩行程在上止点时，混合气的温度刚好满足燃料的自燃条件；在进气和压缩冲程适合燃料挥发汽化阶段，注入所需燃料与空气混合，燃料的供给可采取多点电喷和缸内直喷，缸内直喷可将喷油嘴安装在可变压缩比调节机构的柱塞上；这种燃烧方式类似均质充量压燃，不同之处是，燃烧控制和工作条件没有均质充量压燃那么苛刻，其次是可能会实现全程压燃，无须火花点燃系统。

分级燃烧，是指增加了气压调节系统的“基于弹性消音抗撞击气缸垫的组合调压活塞”，结合可变压缩比，同时采用两套燃料供给系统，一套柴油的高压共轨，一套汽油(天然气)多点电喷或缸内直喷；在启动暖机、适宜柴油燃烧工况时，把压缩比调节到适合柴油燃烧的状态，燃烧柴油；暖机后、中高转速或适宜汽油燃烧工作时，在进气冲程或压缩冲程中，适合汽油蒸发汽化阶段，注入所需汽油，利用可变压缩比把压缩终了的混合气，调节至低于但接近汽油的自燃温度，在恰当的曲轴转角，向燃烧室内喷注少量柴油，利用柴油自燃点低于汽油的特点来点燃汽油与空气的混合气。

可变压缩比，主要针对汽油机的点燃和均质充量压燃，以及分级燃烧，都有很好的控制作用。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.可控弹性内燃机，包括气缸、外活塞、调压弹簧、内活塞、活塞销、卡簧和连杆；其位置和连接关系是：在气缸内设置有外活塞，沿着气缸的中心线，外活塞、调压弹簧、内活塞、活塞销和连杆依次连接；在外活塞的内壁的下边设置有卡簧；其特征在于：

内活塞中的调压弹簧座与活塞销座为一个整体；卡簧为圆形挡圈，其内侧设置有波形弹性垫片，所述圆形挡圈安装在外活塞内。

2.根据权利要求1所述的可控弹性内燃机，其特征在于，在气缸盖和气缸体之间设置有弹性消音抗撞击气缸垫；所述弹性消音抗撞击气缸垫包括弹性钢板、弹性钢爪；在弹性钢板的中部设置有圆孔，在圆孔的周边均匀对称地设置有弹性钢爪。

3.根据权利要求2所述的可控弹性内燃机，其特征在于，所述弹性钢板的厚度大于弹性钢爪的厚度；弹性钢爪为尖角形状。

4.根据权利要求1所述的可控弹性内燃机，其特征在于，所述外活塞顶面设有第一永磁体，气缸盖内侧设有与所述第一永磁体同性相斥的第二磁体。

5.根据权利要求4所述的可控弹性内燃机，其特征在于，气缸盖内设有与所述第二磁体配合的线圈，通过控制线圈的电流来调节第二磁体的磁性强弱程度。

6.根据权利要求1所述的可控弹性内燃机，其特征在于，内燃机设有用于调节曲轴箱内气压的气压调节系统。

7.根据权利要求1至6中任一所述的可控弹性内燃机，其特征在于，气缸盖中设有用于安装柱塞的贯穿的柱塞孔，所述柱塞的一端伸入所述柱塞孔内，另一端伸出所述柱塞孔外侧且端部设有台阶状的回位弹簧座；所述柱塞伸出所述柱塞孔的一端的外侧套设有抵在所述回位弹簧座内侧的回位弹簧；

所述柱塞孔与所述柱塞接触的内壁或所述柱塞上设有至少一个密封件；

所述回位弹簧座的外侧设有偏心轴，偏心轴上设有齿轮和位置传感器，所述齿轮上设有耦合电机；

所述回位弹簧座上设有与偏心轮外缘配合的相位槽。

8.根据权利要求7所述的可控弹性内燃机，其特征在于，气缸盖的燃烧室呈类似n型的形状，所述气缸盖包括通过螺栓连接的进气侧和排气侧两部分；进气门和排气门水平地对称布置在燃烧室的两侧，所述进气门和排气门的大小、数量均相同，进气凸轮轴和排气凸轮轴相应地水平设置在燃烧室的两侧。

9.根据权利要求8所述的可控弹性内燃机，其特征在于，所述柱塞和柱塞孔为圆形或两端为弧形的类似矩形的形状。