CN211230622U - 一种发动机的柱塞式压缩比可变控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃油发动机领域，尤其是一种发动机的可变压缩比系统，该发动机的柱塞式压缩比可变控制系统由安装在气缸盖上的变压缸和驱动装置构成，变压缸安装在气缸盖顶端，变压缸内部设有变压柱塞，变压柱塞上设有螺纹槽，传动螺杆上设有螺纹，传动螺杆的下端进入变压柱塞的螺纹槽内部，传动螺杆的顶端连接步进电机，由步进电机驱动传动螺杆旋转，该系统工作时，气体压力传感器对进气压力进行探测并将信号输入控制器，控制器驱动步进电机使传动螺杆正转时传动螺杆的下端将变压柱塞从变压缸中向上拉出，此时变压缸的下端即可形成气体调压室，该系统通过变压杠内变压柱塞的升降运动使气体的压缩比例发生改变，由此实现压缩比例的可控控制。

Description

一种发动机的柱塞式压缩比可变控制系统

技术领域

本实用新型涉及燃油发动机领域，尤其是一种发动机的可变压缩比系统。

背景技术

现有的车辆上搭载的均为燃油或燃气活塞式发动机，这种发动机由于体积小功率大而得到广泛应用，传统的发动机为了在不改变体积的情况下得到更大的动力要求而加入了涡轮增压技术，但发动机的压缩容积不变，在进气压力持续增高时发动机的气缸压力增加，极易使发动机在运行过程中发生爆燃的危险，现有的解决方案是一种可变压缩比技术，其工作原理是在缸体与缸盖之间安装楔形滑块，使燃烧室与活塞顶面的相对位置发生变化，从而改变压缩容积和压缩比，但此结构复杂，需要改变缸体和缸盖的位置和形状，不利于发动机的制造和后期的维修作业。

现有的第二种方案是在曲轴连杆的大头里面加入偏心环，通过齿轮控制偏心环转动，从而使活塞的上止点位置发生变化而使压缩比得到改变，但此技术对曲轴的加工要求较高，曲轴连接偏心环的机构复杂，曲轴高速旋转时曲轴和曲轴内部连接偏心环的齿轮和机构极易产生强度不足而损坏，且维修更换成本较高，不利于后期应用。

现有的第三种方案是在原有的曲柄连杆机构上又额外增加了一套多连杆机构和控制轴，通过多连杆机构的位置发生变化而使活塞的上止点位置发生变化，但此机构需要额外的联动结构进行驱动，结构较多且庞大，应用于多杠发动机时即会增加发动机的体积重量，而且多连杆机构的可变端安装在曲轴上，当曲轴高速运行时即会导致额外的不平衡震动，从而导致机构整体强度下降和车辆的舒适性降低，不利于大批量应用。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种发动机的柱塞式压缩比可变控制系统，该系统由安装在气缸盖上的变压装置和控制装置构成，变压缸安装在气缸盖顶端，变压缸内部设有变压柱塞，变压柱塞上设有螺纹槽，传动螺杆上设有螺纹，螺纹与变压柱塞内部的螺纹槽的螺纹相匹配，传动螺杆的下端进入变压柱塞内部，传动螺杆的顶端连接步进电机，由步进电机驱动传动螺杆旋转，变压装置由变压缸、变压柱塞、传动螺杆和步进电机组成，气缸盖的顶端设有变压缸，变压缸位于进气口和排气口的一侧，变压缸为中空形圆柱体，其内径光滑，内孔径与气缸盖下端的气门室连通，变压柱塞为圆柱体，外径和变压缸的内径相同，两者实现动态密封，变压柱塞的下端设有密封环，变压柱塞在变压缸内可以上下滑动，变压柱塞的中心设有螺纹槽，传动螺杆上的螺纹和螺纹槽的螺纹相匹配，传动螺杆的下端依靠螺纹旋入变压柱塞上的螺纹槽内，变压缸的外侧顶端设有限位销，变压柱塞的外侧顶端设有限位卡，限位销和限位卡互相接触，传动螺杆上设有同步链轮，同步链轮的顶端设有限位轮，限位轮通过气缸盖的外壳上的限位槽配合后即可使传动螺杆左右转动而不能上下运动，限位槽的上端设有密封圈，步进电机通过安装支架安装在气缸盖的外壳上，步进电机的输出轴和传动螺杆的顶端用联轴器连接，该系统工作时，由安装在进气道上的气体压力传感器对进气压力进行探测，当进气压力达到设定值时压力传感器将探测到的信号输入控制器，控制器对接收到的数据进行处理后向步进电机输出驱动信号，当步进电机驱动传动螺杆正转时传动螺杆的下端将变压柱塞从变压缸中向上拉出，此时变压缸的下端即可形成气体调压室，由进气道进入气缸中的空气被活塞压缩时即可通过气体调压室进行调节，压力传感器探测到的进气压力越高，由控制器控制步进电机驱动变压柱塞向上拉出的距离越大，此时活塞到达上止点后燃烧室的容积增加，气体的压缩比减小，压力传感器探测到的进气压力下降后变压柱塞向变压杠内部推入，此时燃烧室的容积减小，气体的压缩比增加，由此通过气体调压室产生的空间即可使气缸内的气体压缩比例达到平衡或可控，防止涡轮增压系统使进气压力过高发生爆燃的危险，该系统通过变压杠内变压柱塞的调节使气体的压缩比例发生改变，对传统的运动机构不会造成改变和产生动力消耗。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的解释。

图1为该系统的整体结构示意图，

图2为该系统的机械结构图，

图3为系统的侧面结构示意图，

图4为系统的变压柱塞上升运行图，

图5为系统的控制电路图。

具体实施方式

通过图1可以看出，该系统由气缸盖顶端安装一个调压装置构成，系统通过步进电机驱动传动螺杆使变压柱塞在变压缸内进行上下运动，通过变压柱塞下端产生的气体调压室对气缸的压缩容积和压缩比例进行调节，气缸盖(1)上设有进气口(2)和排气口(3)，进气口和排气口上分别设有进气门杆(4)和排气门杆(5)，由气门驱动装置(6)驱动气门运动，气缸盖上进气口和排气口的中外侧设有变压杠(7)，变压缸为圆筒状结构，内筒和气缸盖下端的气门室导通，变压缸(7)与气缸盖(1)为整体结构，变压缸内部设有变压柱塞(8)，变压柱塞的外形为圆柱体，变压柱塞的外径和变压缸的内径相同，两者实现动态密封，变压柱塞(8)的下端设有密封环(9)，用于增强变压缸和变压柱塞之间的密封性能，变压柱塞的中心设有螺纹槽(10)，螺纹槽的上端开口下端密封，螺纹槽的外围设有螺纹，传动螺杆(11)上设有螺纹，螺纹槽(10)外围的螺纹与传动螺杆(11)上的螺纹相匹配，传动螺杆的下端依靠螺纹旋入变压柱塞上的螺纹槽内，当传动螺杆(11)左右旋转时，变压柱塞(8)即会在传动螺杆上螺纹的推拉作用力下在变压缸(7)内实现上下运动，传动螺杆(11)的顶端设有同步链轮(12)，同步链轮上端的输出轴上与缸体的接触位置设有限位轮 (13)，限位轮的上端设有密封圈(14)，通过限位轮的限制作用即可使传动螺杆只可进行旋转运动而不能上下运动，同步链轮上端的输出轴与步进电机(15) 的输出轴上设有联轴器(16)，设备工作时由步进电机(15)驱动传动螺杆(11) 进行正反转动，从而驱动变压柱塞(8)在变压缸(7)内上下运动，气体压力传感器(17)安装在发动机的进气道上，用于实时探测进气道内的气体压力，并将探测到的信号输入控制器(18)，控制器安装在发动机的机体上，用导线连接气体压力传感器(17)、步进电机(15)和汽车的蓄电池，控制器为系统的控制中心，内部设有信号处理单元、信号放大单元和步进电机驱动器，信号处理单元用于对气体压力传感器(17)探测到的信号进行处理后形成步进电机驱动器的驱动信号，输出的信号经信号放大单元放大后输入步进电机驱动器，由步进电机驱动器输出的正反转驱动电源用导线连接步进电机，由此控制步进电机正反转运行，控制器(18)的工作程序为；由气体压力传感器(17)实时探测出进气道的进气压力，当压力为常压值时控制器不动作，当压力超过设定值时信号处理单元向步进电机驱动器输出正转信号，步进电机驱动器将信号处理后驱动步进电机正方向转动，通过传动螺杆(11)即可将变压柱塞(8)从变压缸(7) 内向上端提起，由气体压力传感器(17)探测到进气道的压力下降或恢复设定值时，信号处理单元向步进电机驱动器输出反转信号，步进电机驱动器将信号处理后驱动步进电机反方向转动，在传动螺杆的联动作用下变压柱塞(8)向下推入变压缸(7)，控制器由信号处理单元输入步进电机驱动器的信号对步进电机正反旋转的圈数进行控制，当探测到进气压力越大时信号处理单元输入步进电机驱动器的信号值越大，由步进电机驱动器输入步进电机的正转圈数信号越多，从而驱动变压柱塞提升到相应的位置，当进气压力下降后步进电机驱动器即向步进电机输入反转电源信号，此时步进电机驱动变压柱塞向变压缸内部推入，由此通过探测到的进气压力对变压柱塞在变压缸内的高低位置进行控制，控制器的外部设有显示屏和调节按钮，通过调节按钮即可对气体压力传感器的探测数值和步进电机的驱动数值进行调节，发动机工作中由曲轴驱动连杆(19) 使活塞(20)上升到上止点时对气缸(21)内的空气进行压缩，当进气道内的空气压力处于常压值时气缸内部的压缩比例达到最佳状态，当涡轮增压系统工作后进气道内部的气体压力增加时进入气缸内部的空气体积增加，此时控制器驱动步进电机(15)通过传动螺杆(11)将变压柱塞(8)向上提升，变压柱塞向上移动后变压缸(7)的底端即会形成气体调压室，从而使气缸顶部的压缩容积增加，通过变压柱塞在变压缸内上下运动即可使气缸的压缩容积发生改变，从而使发动机常压运行和涡轮增压系统介入时始终使气缸内部的压缩比例达到最佳状态。

通过图2可以看出，气缸盖(1)的顶端设有进气口(2)、排气口(3)、喷油嘴孔(22)、火花塞孔(23)和变压缸(7)，变压缸(7)位于进气口和排气口的一侧，和气缸盖形成一个整体结构，变压缸为中空形圆柱体，其内径光滑，内孔径与气缸盖(1)下端的气门室导通，变压柱塞(8)为圆柱体，外径和变压缸的内径相同，两者实现动态密封，变压柱塞的下端设有密封环(9)，用于增强两者的密封性能，变压柱塞在变压缸内可以上下滑动，变压缸(7)下端与气缸盖的接触面开口形成变压缸口(24)，当变压柱塞(8)上升后变压缸内形成的气体调压室(27)通过变压缸口与气缸盖(1)内部的压缩空间连通，变压柱塞(8)的中心设有螺纹槽(10)，传动螺杆(11)上的螺纹和螺纹槽的螺纹相匹配，传动螺杆的下端依靠螺纹旋入变压柱塞上的螺纹槽内，当传动螺杆左右旋转时即可依靠螺纹槽使变压柱塞(8)在变压缸(7)内上升或下降运动，变压缸(7)的外侧顶端设有限位销(25)，变压柱塞(8)的外侧顶端设有限位卡(26)，限位销和限位卡互相接触，使变压柱塞在变压缸内能上下滑动而不能左右转动，传动螺杆(11)上设有同步链轮(12)，该系统应用于多缸一体式发动机时利用同步链条将多个设备上的同步链轮进行连接，由一个步进电机即可使多个气缸盖上的变压柱塞同步运动，同步链轮的顶端设有限位轮(13)，限位轮通过气缸盖的外壳上的限位槽(28)配合后即可使传动螺杆(11)左右转动而不能上下运动，限位槽的上端设有密封圈(14)，步进电机(15)通过安装支架安装在气缸盖的外壳上，步进电机的输出轴和传动螺杆的顶端用联轴器(16) 连接，当步进电机旋转时即可驱动传动螺杆(11)旋转而使变压柱塞(8)在变压缸(7)内上下运动。

通过图3可以看出，气缸盖(1)的上端设有火花塞(29)、排气口(3)和变压缸(7)，变压缸与气缸盖的水平面呈50至70度排列，变压缸(7)的上端设有变压柱塞(8)和传动螺杆(11)，步进电机(15)安装在气缸盖的外壳上，用于驱动传动螺杆旋转。

通过图4可以看出，当步进电机(15)旋转后通过传动螺杆(11)将变压柱塞(8)从变压缸(7)中向上提起时，变压缸下端即可形成气体调压室(27)，气体调压室的下端与气缸的压缩空间相连，通过调节变压柱塞上升和下降的高度即可对气缸的压缩容积进行改变，从而对活塞到达上止点后气缸内气体的压缩比例进行调节。

通过图5可以看出，控制器(18)为系统的电路控制中心，控制器的输入端 (30)用导线连接车辆的蓄电池，用于获得工作电源，信号采集端用导线连接气体压力传感器(17)，用于采集发动机进气道的气体压力，输出端用导线连接步进电机(15)，用于控制变压柱塞的升降动作，控制器上设有显示屏(31)和调节按钮(32)，显示屏用于对各种数据的显示，调节按钮用于对气体压力传感器的探测数值和步进电机的驱动数值进行调节。

该系统工作时，由气体压力传感器(17)对发动机进气道内的气体压力进行实时的检测，当进气道的气体压力处于常压(自然吸气)时，控制器(18)不动作，此时变压柱塞(8)处于变压缸(7)的最低位置，发动机即可完成吸气、压缩、做功、排气的工作行程，当发动机的转速提高后进气道的压力增加(涡轮增压介入)时，气体压力传感器(17)将检查到的数据输入控制器(18)，由控制器对气体的压力数值进行处理后向步进电机(15)输出正转电源信号，步进电机顺时针正转时通过联轴器(16)驱动传动螺杆(11)将变压柱塞(8)从变压缸(7)内向上提升，变压柱塞的下端即可形成气体调压室(27)，当活塞到达上止点后气缸的压缩容积通过气体调压室即可增加，气缸内部吸入大体积的高压空气通过气体调压室的调节后依然保持设定的压缩比例，气体压力传感器探测到进气道的压力降低后控制器向步进电机(15)输出逆时针反转电源，步进电机反转后通过传动螺杆将变压柱塞(8)推向变压缸(7)的低位，此时气缸内的压缩容积降低，进气道的气体压力降低后吸入的气体体积减少，通过气体调压室的调节依然保持压缩比例平衡，从而使发动机处于自然吸气状态和涡轮增压状态时气缸内部依然保持设定的气体压缩比例，该系统应用于单缸发动机时设备独立运作，应用于多缸发动机时通过同步链条将多套系统的同步链轮(12)进行连接，由一部步进电机即可驱动多套系统同步运行。

该系统是利用气缸盖顶端增加的变压缸来进行调节气缸内部的压缩容积和气体压缩比例的，对发动机的原动力系统不进行改变，在发动机运行时即可通过变压柱塞和变压缸自由变换气缸内部的压缩容积和压缩比例，对发动机的动力系统不产生额外的动力消耗和异常震动源，相比传统的通过改变机械运动机构使压缩比例改变的方式更加简单实用，有效的提高了发动机的工作效率和安全性能，该设备结构简单，运动部件为变压柱塞、传动螺杆和步进电机，其部件的机械强度较高，相比传统的结构更具有经济价值，设备由独立的控制系统进行控制，不改变发动机的电路结构，后期安装时即可通过更换原发动机的气缸盖即可进行安装，因此更具备较强的兼容性。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种发动机的柱塞式压缩比可变控制系统，由安装在气缸盖上的变压装置和控制装置构成，变压装置由变压缸(7)、变压柱塞(8)、传动螺杆(11)和步进电机(15)组成，其特征在于；气缸盖(1)的顶端设有变压缸(7)，变压缸(7)位于进气口和排气口的一侧，变压缸为中空形圆柱体，其内径光滑，内孔径与气缸盖(1)下端的气门室导通，变压柱塞(8)为圆柱体，外径和变压缸的内径相同，两者实现动态密封，变压缸的顶端和变压柱塞的接触面设有密封环，变压柱塞在变压缸内可以上下滑动，变压柱塞(8)的中心设有螺纹槽(10)，传动螺杆(11)上的螺纹和螺纹槽的螺纹相匹配，传动螺杆的下端依靠螺纹旋入变压柱塞上的螺纹槽内，变压缸(7)的外侧顶端设有限位销(25)，变压柱塞(8)的外侧顶端设有限位卡(26)，限位销和限位卡互相接触，传动螺杆(11)上设有同步链轮(12)，同步链轮的顶端设有限位轮(13)，限位轮通过气缸盖的外壳上的限位槽(28)配合后即可使传动螺杆(11)左右转动而不能上下运动，限位槽的上端设有密封圈(14)，步进电机(15)通过安装支架安装在气缸盖的外壳上，步进电机的输出轴和传动螺杆的顶端用联轴器(16)连接。

2.根据权利要求1所述的一种发动机的柱塞式压缩比可变控制系统，其特征在于；控制装置由气体压力传感器(17)和控制器(18)组成，气体压力传感器(17)安装在发动机的进气道上，用于实时探测进气道内的气体压力，控制器安装在发动机的机体上，用导线连接气体压力传感器(17)、步进电机(15)和汽车的蓄电池，控制器的外部设有显示屏和调节按钮。

3.根据权利要求1所述的一种发动机的柱塞式压缩比可变控制系统，其特征在于；变压缸与气缸盖的水平面呈50至70度排列。

4.根据权利要求1所述的一种发动机的柱塞式压缩比可变控制系统，其特征在于；该系统应用于多缸发动机时利用同步链条将多个设备上的同步链轮进行连接，由一个步进电机驱动多个气缸盖上的变压柱塞同步运动。

5.根据权利要求1所述的一种发动机的柱塞式压缩比可变控制系统，其特征在于；变压缸(7)和气缸盖(1)为整体结构。

6.根据权利要求2所述的一种发动机的柱塞式压缩比可变控制系统，其特征在于；控制器(18)为系统的电路控制中心，控制器的输入端(30)用导线连接车辆的蓄电池，信号采集端用导线连接气体压力传感器(17)，输出端用导线连接步进电机(15)，控制器的内部设有信号处理单元、信号放大单元和步进电机驱动器，外部设有显示屏(31)和调节按钮(32)。

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