CN110259585A - 双轴离合式双飞轮变排量发动机 - Google Patents

双轴离合式双飞轮变排量发动机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双轴离合式双飞轮变排量发动机，属于可变排量发动机技术领域。所述发动机包括常开汽缸组和储备汽缸组，在曲轴上安装有防止应力冲击的缓冲弹簧的超越式离合器并将所述曲轴分成储备段曲轴和常用段曲轴，实现分离和结合，在凸轮轴上安装有自动正时牙嵌式联轴器并将所述凸轮轴分成储备段凸轮轴和常用段凸轮轴，所述储备段曲轴和常用段曲轴为可分离、可结合的，所述储备段凸轮轴和常用段凸轮轴为可分离、可结合的；所述曲轴的两端分别安装有飞轮，包括发动机左翼飞轮和发动机右翼飞轮，起动机安装在发动机右侧翼飞轮侧。本发明可规避现有技术在变排量工况下休眠缸各机件不停转、“断气不断轴”、“停缸不停摆”的缺点。

Description

双轴离合式双飞轮变排量发动机
技术领域
本发明涉及一种双轴离合式双飞轮变排量发动机，属于可变排量发动机技术领域。
背景技术
可变排量技术是指在小负荷的工况下停止部分气缸工作，而向其它气缸多喷油，使其产生与全部气缸工作时相同的功率，但是总的喷油量却会减少，这样会节省部分燃油。由汽油机的负荷特性可知，发动机工作在小负荷时的燃油消耗率会很高，但是在中高负荷时的燃油消耗率会降低，这是由于在低负荷时，节气门开度较小，节流作用较大，节气门开度较小时，气缸的换气不好，残留的废气增多，燃烧不好，导致燃油消耗率增加。随着能源危机越来越严峻，交通越来与拥堵，车辆与日俱增，我们的汽车工作在部分负荷或者中等负荷工况的几率越来越大，这就使变排量技术有了发挥的空间。现有的可变排量发动机有福特环球技术公司持有的可变排量发动机技术、凯迪拉克CT6车用可变排量发动机、奥迪S6车用4.0TFSI可变排量发动机、本田 VCM、道奇HEMI以及通用君越V6DOD车用可变排量发动机。上述现有技术的优点为：1，通过停用部分汽缸可减少高温可燃混合气做功时的散热面积、减少散热损耗，从而提高热效率。2，通过停用部分汽缸可提升发动机在中低负荷工况条件下的负荷率，从而提高热效率。3，通过停用部分汽缸可减少中低负荷工况下进排气门的开闭频次、减少机械耗能，从而提高热效率。另外，还有减少中低负荷下泵气损失、提高充气效率的作用。上述现有技术的不足之处为：现有技术只是通过切断凸轮与进、排气门的连接使部分工作缸中止作业转入休眠状态以达到可变排量的效果的。而休眠的汽缸中活塞连杆以及其下游区段的曲轴仍在运转、摆动，这不仅可造成一定程度的机械摩擦损失和磨损，而且，由于休眠汽缸中残留气体气压不足、真空度高，活塞下行时会产生较大的吸力阻抗，对工作缸的运行造成干扰，继而会引发机体震颤，对发动机整体的动平衡和稳定可靠工作造成一定程度的的干扰。而其通过尾气循环动态补偿等一系列稳定发动机正常运行的方式又提高了造价，不利于可变排量技术的推广。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种双轴离合式双飞轮变排量发动机，在常规发动机基础上通过自动化部件(反冲超越式离合器、带自动正时定位功能的牙嵌式联轴器)切断曲轴、凸轮轴的整体连接的方式，辅以暂停向预休眠缸、储备缸供燃、点火的措施，中止预休眠缸的动力输出，以达到可变排量的目的
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种双轴离合式双飞轮变排量发动机，包括：
所述发动机的汽缸包括常开汽缸组和储备汽缸组，设靠近发动机左翼的汽缸为储备汽缸组，靠近发动机右翼的汽缸为常开汽缸组；
将曲轴和凸轮轴分别设置为可分离、结合的两段，在曲轴上安装有超越式离合器并通过所述超越式离合器将所述曲轴分成储备段曲轴和常用段曲轴，实现分离和结合，在凸轮轴上安装有自动正时牙嵌式联轴器并通过所述自动正时牙嵌式联轴器将所述凸轮轴分成储备段凸轮轴和常用段凸轮轴，所述储备段曲轴和常用段曲轴为可分离、可结合的，所述储备段凸轮轴和常用段凸轮轴为可分离、可结合的；所述凸轮轴的两端分别通过链条或齿轮由曲轴驱动；
所述曲轴的两端分别安装有飞轮，包括发动机左翼飞轮和发动机右翼飞轮，起动机安装在发动机右侧翼飞轮侧。
进一步的，所述自动正时牙嵌式联轴器具有正时定位功能，所述超越式离合器上设置有防止应力冲击的缓冲弹簧。
进一步的，所述自动正时牙嵌式联轴器由一个螺旋行进的内牙嵌离合器和沿着花键轴向运动的外牙嵌离合器组成；所述外牙嵌离合器由其上的一组大齿牙和大齿槽的啮合从而起到定位正时作用，内牙嵌离合器的螺旋轴由起动机带动并在施压弹簧的作用下螺旋着向常用段凸轮轴方向行进，当储备段曲轴转速低于常用段曲轴转速时，内牙嵌离合器和外牙嵌离合器不得接合；当两段曲轴的转速趋于相同时，内牙嵌离合器和外牙嵌离合器上的离合器牙嵌得以啮合；此时，沿着花键轴向行进的外牙嵌离合器也在合适的角度达到啮合。
进一步的，储备汽缸组的进气歧管中还安装有副节气门。
进一步的，当所述发动机的主节气门为电子节气门时，所述副节气门通过导线与电子控制***及油门踏板相连；当发动机的主节气门为拉线式节气门时，所述发动机还设有主副节气门联动协调装置，所述主副节气门联动协调装置为将主、副节气门并联并与油门踏板串联的拉线组，包括主、副节气门与油门踏板连接的连线，限位压簧，所述油门踏板与所述限位压簧的连线，其中所述限位压簧安装在主、副节气门与油门踏板的连线上。
进一步的，在发动机主体油路循环管道储备汽缸组区段设置有若干个节流阀。
进一步的，所述超越式离合器和自动正时牙嵌式联轴器分别安装在所述曲轴和凸轮轴的中间或偏左位置。
进一步的，所述发动机还包括微机控制单元，所述微机控制单元通过车速、发动机转速传感器判断工况与排量的匹配，控制喷油器的作业状态以完成对变排量循环的辅助作业。
进一步的，所述主节气门和副节气门的摇臂通过连接杆做相背开闭。
本发明的有益效果为：
技术效果：本发明在一定程度上规避了常规发动机在中小负荷工况下因负荷率低而造成的热效率低下的问题。另外通过减少散热面积，同时减少进排气门开闭次数和部分区段曲轴和活塞连杆的运动频次，从而减少机械耗能，可进一步提升热效率。本发明中活塞、连杆、凸轮轴以及进排气门的作业仍依附于曲轴的主动性，却因曲轴、凸轮轴的中断而均中止作业，可规避现有技术在变排量工况下休眠缸各机件不停转、“断气不断轴”、“停缸不停摆”的缺点。相对于现有技术，本发明可以规避一部分曲轴活塞连杆的“无功运动”。
效能及经济性：本发明在中低负荷下相对于常规发动机可减少约1/2的机械摩擦损失、泵气损失。据行业公开数据表明，上述耗能约燃油转化效率的百分之十几。那么，本发明在中小负荷时，理论上可提高接近百分之十的热效率。
产业化：本发明的核心部件在于轴用超越式离合器和自动正时牙嵌式联轴器，而这两组部件的可靠性和可承载力矩已有公开数据表明，完全可以满足汽车发动机的机械强度需求。本发明结构精炼、操作简便，造价不高，通过实验，本发明在后续的台架实验以及试车表现中得到优良表现，可实现大批量化生产。
附图说明
图1为本发明所述发动机结构示意图；
图2为本发明所述自动正时牙嵌式联轴器接合状态结构示意图；
图3为本发明所述自动正时牙嵌式联轴器分离状态结构示意图；
图4为本发明所述自动正时牙嵌式联轴器剖面结构示意图；
图5为本发明所述设有防止应力冲击缓冲弹簧的超越式离合器结构示意图；
其中，1-常用段曲轴，2-常用段凸轮轴，3-常开汽缸组，4-储备汽缸组， 5-超越式离合器，6-自动正时牙嵌式离合器，7-储备段凸轮轴，8-储备段曲轴， 9-发动机左翼飞轮，10-发动机右翼飞轮，11-链条。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
一种双轴离合式双飞轮变排量发动机，参考图1，包括：
所述发动机的汽缸包括常开汽缸组3和储备汽缸组4，设靠近发动机左翼的汽缸为储备汽缸组4，如图1中左侧；靠近发动机右翼的汽缸为常开汽缸组 3，如图1中右侧；
将曲轴和凸轮轴分别设置为可分离、结合的两段，在曲轴上安装有带防止应力冲击缓冲弹簧的超越式离合器(以下简称“反冲超越式离合器”或超越式离合器)并通过所述超越式离合器将所述曲轴分成储备段曲轴8和常用段曲轴1，实现分离和结合，利用超越式离合器可传递较大扭矩、性能可靠、使用寿命长，使其传递由储备轴至常用轴的扭矩。在凸轮轴上安装有自动正时牙嵌式联轴器并通过所述自动正时牙嵌式联轴器将所述凸轮轴分成储备段凸轮轴7和常用段凸轮轴2，所述储备段曲轴8和常用段曲轴1为可分离、可结合的，所述储备段凸轮轴7和常用段凸轮轴2为可分离、可结合的。所述凸轮轴的两端分别通过链条11或齿轮由曲轴驱动，图1中只示意出了曲轴左侧与凸轮轴左侧的连接。
所述曲轴的两端分别安装有飞轮，包括发动机左翼飞轮9和发动机右翼飞轮10，起动机安装在发动机(启动及备用区段)左翼飞轮9侧，图中未示出。
其中，所述自动正时牙嵌式联轴器具有正时定位功能。具体的，参考图 2～图4，所述自动正时牙嵌式联轴器由一个螺旋行进的内牙嵌离合器和沿着花键轴向运动的外牙嵌离合器组成；所述外牙嵌离合器由其上的一组大齿牙和大齿槽的啮合从而起到定位正时作用，内牙嵌离合器的螺旋轴由起动机带动并在施压弹簧的作用下螺旋着向常用段凸轮轴2方向行进，当储备段曲轴8 转速低于常用段曲轴1转速时，内牙嵌离合器和外牙嵌离合器不得接合；当两段曲轴的转速趋于相同时，内牙嵌离合器和外牙嵌离合器上的离合器牙嵌得以啮合；此时，沿着花键轴向行进的外牙嵌离合器也在合适的角度达到啮合。
进一步的，储备汽缸组4的进气歧管中还安装有副节气门。所述主节气门和副节气门的摇臂通过连接杆做相背开闭。
具体的，当所述发动机的主节气门为电子节气门时，所述副节气门通过导线与电子控制***及油门踏板相连；当发动机的主节气门为拉线式节气门时，所述发动机还设有主副节气门联动协调装置，所述主副节气门联动协调装置为将主、副节气门并联并与油门踏板串联的拉线组，包括主、副节气门与油门踏板连接的连线，限位压簧，所述油门踏板与所述限位压簧的连线，其中所述限位压簧安装在主、副节气门与油门踏板的连线上。限位弹簧的作用是将副节气门顶在怠速开度位置，限位压簧与油门踏板的连线有较大的裕度，以保证在发动机整个中小负荷工况(即变排量作业时)下，油门踏板的行程不足以拉动限位压簧。当进入中高负荷时，油门踏板拉紧限位压簧同时释放副节气门的开度，这时进入全负荷模式。限位压簧装在主副节气门与油门踏板的连线上，各条连线按原理连接。
进一步的，在发动机主体油路循环管道储备汽缸组4区段设置有若干个节流阀。以控制变排量时流向备用缸区段的循环液流量，通过减少泵油量达到节流减耗的目的。
所述超越式离合器和自动正时牙嵌式联轴器分别安装在所述曲轴和凸轮轴的中间或偏左位置。所述反冲超越式离合器和自动正时牙嵌式联轴器具体设置方法视发动机汽缸数和汽缸排列方式的不同而不同。如对于四缸直列发动机，超越式离合器和自动正时牙嵌式联轴器的安装位置均为曲轴、凸轮轴 (二轴)的中间部位。对于六缸直列发动机、V6发动机，超越式离合器和自动正时牙嵌式联轴器安装位置均为二轴的偏左位置(拟设为右四左二之间)。对于八缸直列发动机、V 8发动机，反冲超越式离合器和自动正时牙嵌式联轴器安装位置取中。更多缸数的发动机的超越式离合器、自动正时牙嵌式联轴器安装位置取中或依主机厂自行设计。
所述发动机还包括微机控制单元，所述微机控制单元通过车速、发动机转速传感器判断工况与排量的匹配，控制喷油器的作业状态以完成对变排量循环的辅助作业。
本发明所述发动机的工作原理为：起动发动机，右翼飞轮、右段曲轴(常用段)起动通过带应力缓冲弹簧的超越式离合器带动左段曲轴转动(储备段)，左段凸轮轴(储备段)通过轴端齿轮或者链条从动于左段曲轴也开始运转，并通过自动正时牙嵌式联轴器与右段凸轮轴(常用段)协调作业。当发动机转速进入一定阶段后、汽车车速达到设定的阈值后，停止向储备缸供燃，曲轴得不到持续的动力驱动从而转速下降，凸轮轴转速随之下降，储备转速自然下降。常用缸仍正常运转，此时，常用段曲轴、凸轮轴与储备段曲轴、凸轮轴的连接中断(常用段曲轴转速自行超越备用段曲轴滑转运行，凸轮轴间的牙嵌式联轴器自行脱开两段凸轮轴的连接)从而达到可变排量的效果。当发动机负荷进一步加大，主节气门全开时(全负荷模式)，发动机电子控制***指令起动机自行起动，带动左翼飞轮及备用缸一系列机构运转，同时副节气门与主节气门协同作业，自动正时牙嵌式联轴器自动进入接合状态、重新正时连接两段凸轮轴，储备段曲轴进入工作状态，与常用段曲轴一起协调作业。当发动机负载下降，节气门开度趋于中度开度时，发动机电控***征得信号后指令中止向备用缸的喷油，重新回到仅常用缸大负荷工作的变排量工况。
本发明对现有发动机的改动范围主要集中在侧翼和发动机内部(两轴中间)，不涉及在发动机高度上的增加，即更利于其在轿车上的搭载。因造价主要是增加一套超越式离合器、一套自动正时牙嵌式联轴器、一个副节气门以及一个轻量级的飞轮(相当于常规发动机的飞轮“削薄”一半装在另一侧)，整机重量增加幅度为公斤级，造价的增加主要是离合器和联轴器的投入和一些为数不多的机加工成本，具体视主机厂需要采用的款型而异。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双轴离合式双飞轮变排量发动机，其特征在于，包括：
所述发动机的汽缸包括常开汽缸组和储备汽缸组，设靠近发动机左翼的汽缸为储备汽缸组，靠近发动机右翼的汽缸为常开汽缸组；
凸轮轴为顶置凸轮轴，将曲轴和凸轮轴分别设置为可分离、结合的两段，在曲轴上安装有超越式离合器并通过所述超越式离合器将所述曲轴分成储备段曲轴和常用段曲轴，实现分离和结合，在凸轮轴上安装有自动正时牙嵌式联轴器并通过所述自动正时牙嵌式自动联轴器将所述凸轮轴分成储备段凸轮轴和常用段凸轮轴，所述储备段曲轴和常用段曲轴为可分离、可结合的，所述储备段凸轮轴和常用段凸轮轴为可分离、可结合的；所述凸轮轴的两端分别通过链条或齿轮由曲轴驱动；
所述曲轴的两端分别安装有飞轮，包括发动机左翼飞轮和发动机右翼飞轮，起动机安装在发动机右翼飞轮侧。
2.根据权利要求1所述的双轴离合式双飞轮变排量发动机，其特征在于，所述超越式离合器上设置有防止应力冲击的缓冲弹簧。
3.根据权利要求1所述的双轴离合式双飞轮变排量发动机，其特征在于，所述自动正时牙嵌式联轴器由一个螺旋行进的内牙嵌离合器和沿着花键轴向运动的外牙嵌离合器组成；所述外牙嵌离合器由其上的一组大齿牙和大齿槽的啮合从而起到定位正时作用，内牙嵌离合器的螺旋轴由起动机带动并在施压弹簧的作用下螺旋着向常用段凸轮轴方向行进，当储备段曲轴转速低于常用段曲轴转速时，内牙嵌离合器和外牙嵌离合器不得接合；当两段曲轴的转速趋于相同时，内牙嵌离合器和外牙嵌离合器上的离合器牙嵌得以啮合；此时，沿着花键轴向行进的外牙嵌离合器也在合适的角度达到啮合。
4.根据权利要求1所述的双轴离合式双飞轮变排量发动机，其特征在于，储备汽缸组的进气歧管中还安装有副节气门。
5.根据权利要求4所述的双轴离合式双飞轮变排量发动机，其特征在于，当所述发动机的主节气门为电子节气门时，所述副节气门通过导线与电子控制***及油门踏板相连；当发动机的主节气门为拉线式节气门时，所述发动机还设有主副节气门联动协调装置，所述主副节气门联动协调装置为将主、副节气门并联并与油门踏板串联的拉线组，包括主、副节气门与油门踏板连接的连线，限位压簧，所述油门踏板与所述限位压簧的连线，其中所述限位压簧安装在主、副节气门与油门踏板的连线上。
6.根据权利要求1所述的双轴离合式双飞轮变排量发动机，其特征在于，在发动机主体油路循环管道储备汽缸组区段设置有若干个节流阀。
7.根据权利要求1所述的双轴离合式双飞轮变排量发动机，其特征在于，所述超越式离合器和自动正时牙嵌式联轴器分别安装在所述曲轴和凸轮轴的中间或偏左位置。
8.根据权利要求1所述的双轴离合式双飞轮变排量发动机，其特征在于，所述发动机还包括微机控制单元，所述微机控制单元通过车速、发动机转速传感器判断工况与排量的匹配，控制喷油器的作业状态以完成对变排量循环的辅助作业。
9.根据权利要求5所述的双轴离合式双飞轮变排量发动机，其特征在于，所述主节气门和副节气门的摇臂通过连接杆做相背开闭。
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