CN102536455A

CN102536455A - 含双曲轴的可变压缩比阿特金森循环内燃机机构

Info

Publication number: CN102536455A
Application number: CN2010106197871A
Authority: CN
Inventors: 朱譞晟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种含双曲轴的可变压缩比阿特金森循环内燃机机构，是一种内燃机技术，用以改善阿特金森循环内燃机的可用性，提高内燃机的热效率使之接近卡诺循环的理论最高效率。机构含有一根摇臂，连接活塞连杆和第一曲轴的连杆；以及第二曲轴及其连杆，驱动所述摇臂做周期运动；以及驱动链条，连接第一曲轴和第二曲轴上的齿轮；第一曲轴的齿轮和所述第二曲轴的齿轮齿数比是1∶2；以及调相器，调节第一、二曲轴之间旋转相位关系；以及一种衍生的三曲轴阿特金森内燃机机构。本发明能够有效提高自然吸气内燃机的燃油效率，同时具有附加的调节压缩比和小范围改变排量的作用。

Description

含双曲轴的可变压缩比阿特金森循环内燃机机构

技术领域

本发明涉及一种含双曲轴的可变压缩比阿特金森循环内燃机机构，是一种内燃机技术，用以改善阿特金森循环内燃机的可用性，提高内燃机的热效率使之极为接近卡诺循环的理论最高效率。在一个含有两个曲轴的内燃机机械结构中，一根曲轴的转速是另一根曲轴的二倍。通过调整二根曲轴的相位关系可以调节内燃机的压缩比。所述机构能够有效提高自然吸气内燃机的燃油效率，使气缸排气行程开始时气缸内的压力更加接近于大气压力。

背景技术

阿特金森循环是一种高效率的四冲程内燃机循环工作方式，其燃气膨胀过程的行程是大于吸气过程的行程，因此高温高压燃气膨胀更充分，热循环效率更高，因此具有节约燃料的特性，多数混合动力车选择阿特金森循环工作方式的内燃机作为其动力来源。但是已知的阿特金森循环并不适于直接驱动车辆和其他装置，因为其运转时的动平衡配平比较困难，扭矩比较小。而依靠改变气门相位实现气缸放气的另一种近似阿特金森循环的米勒循环则损失了内燃机的功率密度。

内燃机可变压缩比技术可以配合废气涡轮增压技术，提高内燃机的功率密度，并提高扭矩和燃油经济性，并提高对油门操作的相应速度。例如公开号CN1525052A具有可变压缩比机构的往复式发动机的专利中，采用改变活塞连杆与曲轴连接的方式，增加第三连杆来控制活塞与曲轴之间连接的长度，从而改变内燃机的压缩比。但这种方式必须为每个气缸配备一套可变压缩比的机构，复杂程度很高。又例如公开号CN101375043A用于控制可变压缩比发动机的电动机械装置，活塞和制动器活塞都是通过齿条与链轮相连，制造上的成本过于高昂，制造过程过于繁琐。

发明内容

针对以上问题，本发明所提供的技术是：一种含双曲轴的可变压缩比阿特金森循环内燃机机构，机构含有一根摇臂，连接活塞连杆和第一曲轴的连杆；以及第二曲轴及其连杆，驱动所述摇臂做周期运动；以及驱动链条，连接第一曲轴和第二曲轴上的齿轮；所述第一曲轴的齿轮和所述第二曲轴的齿轮齿数比是1∶2；以及调相器，调节所述第一、二曲轴之间旋转相位关系；以及一种含三曲轴的可变压缩比阿特金森循环内燃机机构，是所述双曲轴机构的衍生形式。

附图说明

图1是示意图，示出了所述阿特金森循环内燃机机构的第二种实施例的主体构成。

图2是示意图，示出了所述阿特金森循环内燃机机构的第二种实施例的主体构成。

图3是示意图，示出了所述阿特金森循环内燃机机构的第三种实施例的主体构成。

图4是部分部件示意图，示出了支点轴垫块的组装方式。

图5是示意图，示出了一种调相器具体的安装位置。

图6是正时图，示出了第二曲轴相对于第一曲轴的相位关系，以及第二曲轴相位调整对于内燃机参数的影响。

图7示意图，示出一种三曲轴阿特金森循环内燃机机构的实施例，由一对双曲轴的阿特金森循环内燃机机构共用第二曲轴而成。

具体实施方式

下面详述三个个本发明的例示性实施例。

图1是示意图，显示第一实施例的结构图。活塞1通过活塞连杆2和轴6连接到摇臂5的一端；第一曲轴4通过连杆3和轴7连接到摇臂5的另一端；摇臂5位于中间的支点由支点轴11连接第二曲轴8的连杆14，同时还在摇臂5两侧连接连个椭圆形的支点杆垫块12和13；支点杆垫块13安装在竖直的直形槽21中，支点杆垫块12则在对侧的槽中(未显示)，只能做上下的直线运动；齿轮9安装在第一曲轴4上，齿轮10装在第二曲轴8上，二者通过链条15连接，因此齿轮9和10在机构中不含调相器的情况下相位是固定的；齿轮10的齿数是齿轮9的二倍，使二者的转速比是1∶2。

图2是示意图，显示第二实施例的结构图。与图1类似的，活塞1通过活塞连杆2和轴6连接到摇臂5的一端；第一曲轴4通过连杆3和支点轴11连接到摇臂5的中间支点；摇臂5位于另一端的支点由轴7连接第二曲轴8的连杆14；同时还在摇臂5两侧通过支点杆11连接连个椭圆形的支点杆垫块12和13；支点杆垫块13安装在竖直的直形槽21中，支点杆垫块12则在对侧的槽中(未显示)，只能做上下的直线运动；齿轮9安装在第一曲轴4上，齿轮10装在第二曲轴8上，二者通过链条15连接，因此齿轮9和10在机构中不含调相器的情况下相位是固定的；齿轮10的齿数是齿轮9的二倍，使二者的转速比是1∶2。

图3是示意图，显示第三实施例的结构图。与图1类似的，活塞1通过活塞连杆2和轴6连接到摇臂5的中间止点；第一曲轴4通过连杆3和轴7连接到摇臂5的一端；摇臂5位于另一端的支点由轴6连接第二曲轴8的连杆14；摇臂5两侧通过支点杆11连接连个椭圆形的支点杆垫块12和13(13未标出)；支点杆垫块13安装在竖直的直形槽21中，支点杆垫块12则在对侧的槽中(未显示)，只能做上下的直线运动；齿轮9安装在第一曲轴4上，齿轮10装在第二曲轴8上，二者通过链条15连接，因此齿轮9和10在机构中不含调相器的情况下相位是固定的；齿轮10的齿数是齿轮9的二倍，使二者的转速比是1∶2。

图4是支点杆垫块的组装，以支点杆垫块13为例，支点杆垫块13通过支点轴11与摇臂相连，对摇臂起限制作用，使摇臂的中间支点只能够沿着在内燃机本体上的直形槽21中滑动；图中可见直形槽21与第一曲轴4、第二曲轴8和链条15的位置关系。

图5是调相器的例示性示意图，因为调相器可以根据现有公知的技术实现，例如广泛用于内燃机凸轮轴驱动的可变气门正时装置，其可以调节凸轮轴和内燃机曲轴的旋转角度的相位关系，因此本图只给出示意图而不给出其具体结构，显示调相器安装位置的例子。本图中调相器安装于第二曲轴8上，因此齿轮10也就与第二曲轴8并不直接相连，而是通过调相器22相连，如此调相器才能发挥作用。第一曲轴4与齿轮9保持固定的连接关系，第一曲轴4通过链条15连接齿轮10，齿轮9和10的比例关系保持不变，改变的是齿轮10和第二曲轴8之间的相位关系，即第一曲轴和第二曲轴的相位关系。调相器可以设在第一和与或第二曲轴所属的齿轮上，或者以其他任何形式，取决于采用的连接第一曲轴和第二曲轴的机构所具有具体的形式。在不需要调节压缩比和膨胀比的场合，可以去除调相器，采用固定的压缩比和膨胀比。

图6是正时图，图中所示的是第二曲轴的转动角度的相位信息，第二曲轴的旋转方向是顺时针。参考图1至图3任意一个图中的第二曲轴8，这里的角度是等效角度而不是实际的水平角度，即第一曲轴和第二曲轴的角度对应关系是使在一个四冲程过程中，活塞的两次到达上止点的位置相同。这样对应的第二曲轴的角度中，0/360度所对应的活塞位置是排气过程的上止点，180度所对应的活塞位置是压缩过程的上止点，90度对应活塞在吸气过程中的下止点，270度对应的是活塞在膨胀做功过程中的下止点。当调相器调整第二曲轴8相对于第一曲轴4的相位时，例如在0/360度的位置提前一个角度A，相应就必在180度位置上产生一个相同的提前角度B，因此效果就是活塞在排气过程的上止点向上移动，也就是使排气的残余容积更小；相应的活塞在压缩过程中的上止点位置更低，内燃机的压缩比减小了。相反的，如果在0/360度的位置上有一个滞后角B，在180度位置上有一个滞后角A，则活塞在排气冲程时的上止点位置更低，排气的残余容积更大，而活塞在压缩冲程时的上止点更高，内燃机的压缩比增大了。同样易知，第二曲轴的角度相位提前和滞后都会使活塞吸气冲程的下止点更低，吸气量更多；而活塞膨胀做功冲程中的下止点更高，结果就是内燃机的排量增加了，但是膨胀率降低了。即相对于既不提前也不滞后的角度关系，任何改变第二曲轴和第一曲轴角度对应关系的角度调整都会造成压缩比的变化，排量的增加以及膨胀率的降低。同样，在不需要调节压缩比和膨胀比的场合，可以去除调相器，采用固定的压缩比、膨胀比和排量。

图1至图3显示了实现阿特金森循环的三种典型的第一曲轴和第二曲轴的转动相位关系。例如参考图1至图3的说明段落，图1显示了第一曲轴和第二曲轴的转动相位关系使此时的活塞处于最低的膨胀冲程下止点，图2显示了第一曲轴和第二曲轴的转动相位关系使此时的活塞处于最高的吸气冲程下止点，图3显示了第一曲轴和第二曲轴的转动相位关系使此时的活塞在一个标准四冲程过程中的上止点位置相同。二根曲轴4和8的相位关系是组装时所依据的各个机械部件之间的关系，保证这个关系就可以保证内燃机运行在标准的阿特金森循环，即活塞的压缩和排气冲程的上止点位置相同。

图3所示的第三实施例中活塞1可以和连杆2合并为一个整体，但分离的状态可以容许更大的制造公差，可降低成本。

图1至图3三个实施例若将第二曲轴改成为偏心轮轴且只旋转一个很小的角度，就可以构成三种形式的可变压缩比内燃机机构，因此作为以上所述双曲轴的阿特金森循环内燃机机构原理更广泛的应用，以上并不是能够实现阿特金森循环内燃机的唯一方法，通过对已公开的可变压缩比内燃机的必要改进可以做到相似的效果，具体方法就是使每个气缸控制压缩比变化的控制机构具有周期运动的特征，且这个周期是第一曲轴周期的二倍，或者转速的百分之五十，并调节相位使活塞运动满足阿特金森循环的要求，且活塞排气和压缩冲程的上止点位置相同。

参考图1至图3可知，第一曲轴和第二曲轴的连杆分别驱动所述摇臂的两个支点，活塞连杆驱动另一个支点，三者具***置关系可以是任意一种组合。第一曲轴和第二曲轴通过刚性变速机械连接，以保证固定不变的相位关系。在三个实施例中是齿轮和链条，也可以是齿轮和齿轮或者其他机械装置。三个实施例中都只显示出单个气缸的机构图，以典型的直列四缸内燃机为例，每个气缸的第二曲轴对应有不同的驱动相位，单独确定每个气缸所需要的第一曲轴和第二曲轴间相位的关系使此气缸活塞满足阿特金森循环的特征，而后将四个气缸所确定的第一曲轴和第二曲轴的样式拼合起来就构成了通常所见的二根完整的曲轴，这样气缸之间工作状况没有差别，同属于具有相同压缩比和膨胀比的阿特金森循环。因此，调相器调整的是整个第二曲轴，而不是其中的一部分。

第二曲轴并不限于曲轴，也可以是偏心轮轴，或其他具有相同的驱动所述摇臂的作用的机械装置，也可也是与第一曲轴相同的曲轴。活塞连杆可以与活塞分立，也可合并为一体。活塞连接摇臂的方式可以是连杆，也可以是其他任何方式；第一和第二曲轴连接摇臂的方式可以是连杆，也可以是其他任何方式。第二曲轴与所述第一曲轴的相位关系可以通过增加调相器做连续调整，。

图7示意图，示出一种三曲轴的阿特金森循环内燃机机构的第一实施例，由一对双曲轴的阿特金森循环内燃机机构共用第二曲轴而成。图7A中活塞24是新增设的镜像活塞，活塞24所驱动的第三曲轴23通过链条25与第一曲轴4和第二曲轴8。图7B显示了这个机构的反方向的视图，清楚显示增加的活塞24和第三曲轴23与原有的活塞1、第一曲轴4和第二曲轴的8的连接方式，并可见链条25。

图7显示采用类似的原理可以将图1至图3所示的三种实施例中任何一种都可以改造成为三曲轴阿特金森循环内燃机机构，这种形式的目的在于使内燃机具有更好的横向动平衡性能。三曲轴的阿特金森循环内燃机，由一对双曲轴的阿特金森循环内燃机机构组合而成，含二个摇臂，共用一根第一曲轴或第二曲轴；每个机构含有二个活塞；或者一个活塞通过一个桥臂连接两个摇臂的支点。三曲轴的阿特金森循环内燃机机构是二曲轴的阿特金森循环内燃机机构的一种衍生形式，但并不仅限于此例示性实施例。

总体而言，本发明的要旨在于增设一根第二曲轴，此第二曲轴不但是控制活塞运动实现阿特金森循环的要点，而且还是吸收活塞额外膨胀所释放的热功，用来做输出功。考虑到输出转速不宜过高，可以选用第二曲轴作为内燃机对外输出机械功的动力轴，而第一曲轴通过链条减速后通过第二驱动轴对外做功。第一曲轴和第二曲轴之间的相位变化可以调整内燃机的压缩比、膨胀比和排量，相位变化通过调相器的致动作用而完成。通过合并二个本发明所示的含双曲轴的可变压缩比阿特金森循环内燃机机构，可构成三曲轴的机构且含有二个或一个活塞，这样的合并结果有助于内燃机的整体动平衡。

上述叙述仅仅是用于解释本发明的例示性实施例，它不是排他的或将本发明限制与其公开的具体形式。本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明的范围内，可以做出各种改变以及其中的元素可用等同元素来替换。因此，本发明不限于作为构思实现本发明的最佳模式所公开的特定实施例，而是本发明包括属于本发明范围的所有实施方式。在不偏离本发明的精神和范围内，本发明能够以具体解释和阐明的方式以外的其他方式实施。

Claims

1.一种含双曲轴的可变压缩比阿特金森循环内燃机机构，机构含有一根摇臂，连接活塞连杆和第一曲轴的连杆；以及第二曲轴及其连杆，驱动所述摇臂做周期运动；以及驱动链条，连接第一曲轴和第二曲轴上的齿轮；所述第一曲轴的齿轮和所述第二曲轴的齿轮齿数比是1∶2；以及调相器，调节所述第一、二曲轴之间旋转相位关系；以及一种含三曲轴的可变压缩比阿特金森循环内燃机机构，是所述双曲轴机构的衍生形式。

2.如权利要求1所述的一种含双曲轴的可变压缩比阿特金森循环内燃机机构，其特征在于所述第一曲轴和第二曲轴的连杆分别驱动所述摇臂的两个支点，所述活塞连杆驱动另一个支点，三者具***置关系可以是任意一种组合。

3.如权利要求1所述的一种含双曲轴的可变压缩比阿特金森循环内燃机机构，其特征在于所述第一曲轴和第二曲轴通过刚性变速机械连接，可以是齿轮和链条、齿轮和齿轮或者其他机械装置。

4.如权利要求1所述的一种含双曲轴的可变压缩比阿特金森循环内燃机机构，其特征在于所述第二曲轴对应内燃机中的不同气缸有不同的驱动相位，气缸间相位的差别是所述第二曲轴与所述第一曲轴共同驱动同一个气缸时满足阿特金森循环的特征，使气缸之间工作状况没有差别。

5.如权利要求1所述的一种含双曲轴的可变压缩比阿特金森循环内燃机机构，其特征在于所述第二曲轴并不限于曲轴，也可以是偏心轮轴，或其他具有相同的驱动所述摇臂的作用的机械装置，也可也是与所述第一曲轴相同的曲轴。

6.如权利要求1所述的一种含双曲轴的可变压缩比阿特金森循环内燃机机构，其特征在于所述所述活塞连接所述摇臂的方式可以是连杆，也可以是其他任何方式；所述第一和第二曲轴连接所述摇臂的方式可以是连杆，也可以是其他任何方式。

7.如权利要求1所述的一种含双曲轴的可变压缩比阿特金森循环内燃机机构，其特征在于所述摇臂上的一个支点有二个支点轴垫块，垫块在内燃机本体上的直形槽中滑动。

8.如权利要求1所述的一种含双曲轴的可变压缩比阿特金森循环内燃机机构，其特征在于所述第二曲轴与所述第一曲轴的相位关系可以通过所述调相器做连续调整，调相器可以设在第一和与或第二曲轴所属的齿轮上；或者根据权利要求3具体采用的刚性连接机构的不同而具有不同的形式。

9.一种三曲轴的阿特金森循环内燃机，由一对所述双曲轴的阿特金森循环内燃机机构组合而成，含二个摇臂，共用一根第一曲轴或第二曲轴；每个机构含有二个活塞；或者一个活塞通过一个桥臂连接两个所述摇臂的支点。