专利名称：一种带自锁结构的可变压缩比装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于车辆中往复活塞式发动机的可变压缩比装置，具体涉及一种带自锁结构的可变压缩比装置，属于汽车技术领域。
背景技术：
众所周知，车辆发动机的燃烧效率直接决定了发动机的输出效率，提高发动机的效率对减少碳排放、减少石油等燃料的消耗具有至关重要的作用。近年来，随着发动机电控技术等一系列技术的完善，车辆用汽油机在全负荷时的有效效率已达到32 35%的较高水平，而在部分负荷条件下(车辆在正常使用条件下大多为部分负荷)，其有效效率大约为20 24%的较低水平，这里意味着还有很大的效率提高空间。·根据燃烧原理，精确的空燃比、空气和燃料的充分混合以及合适的点燃温度是高燃烧效率的保证。当今的发动机技术对于喷入汽缸的燃料量和吸入汽缸的空气量均能够进行准确而随心所欲地调整和控制，空气和燃料的充分混合的水平也已渐入佳境。这是发动机全负荷有效效率较高的原因。目前最大的挑战是，当发动机处于部分负荷时，随着进入汽缸的空气和燃料的减少，发动机无法达到预定的点火温度而不能正常点火。而随着进入汽缸的空气和燃料的增力口，又将容易产生所谓的“燃烧爆震”，这是一种可怕的不正常燃烧现象，将导致发动机的损坏和热效率的急剧下降。解决该问题的办法是改变发动机压缩比，使之可适用于各种工况。这也许是当今发动机提高燃烧效率的尚未解决的最大难题之一。为此，近年来全球各公司和研究机构竞相研究并申请有关此方面的专利达数百上千件，以求获得发动机技术上的领先地位。然而由于可变压缩比机构的过于复杂而难以精确控制以及可靠性等原因，许多专利至今仍处在实验室试验阶段，尚未见商品发动机投放市场，但相应的效率可以得到大比例提升的报道时常可见。能够实现可变压缩比的结构有许多种类型，例如在活塞销处设置可旋转偏心结构、采用具有可变长度的连杆、气缸体采用可上下移动的悬浮结构、设置可左右移动的曲轴、或者增加一个可变容积的副燃烧室等等，而在曲轴连杆轴颈上安装偏心轴套也是其中的一类方案，当偏心轴套绕连杆轴颈旋转时，曲轴曲柄半径将发生改变，因此发动机压缩比也得以改变。经检索可知，以下已公开的专利技术均属于该类方案。由Brown等1965年提出的美国专利No. 3，180, 178，采用安装在连杆轴颈上的偏心块来改变活塞的冲程。发动机润滑油作为液压压力油进入由外壳与安装在偏心块上的叶片型活塞组件所形成的压力腔来驱动偏心块旋转，而对置的压力腔通过管道上的单向阀使流体流入和/或流出，并控制其旋转方向。由Akkerman在1983年提出的美国专利No. 4，406, 256，采用一个偏心轴套安装在曲轴连杆轴颈上控制压缩比，通过液压控制插销在不同的位置上锁住偏心轴套与连杆轴颈。
由Schechter等1992年提出的美国专利No. 5，165，368，采用液压与机械相结合的机构，通过液压油进入油腔来驱动安装在曲轴连杆轴颈上的控制活塞移动，并驱动安装在连杆轴颈上的偏心轴套绕其中心旋转。由Klomp等在2002年提出的美国专利No. 6，450，136，采用带齿轮和轴套的偏心轴套，齿轮控制轴套在连杆大头孔中的偏心位置，而该位置控制了曲柄半径的大小，进而控制了压缩比，齿轮的控制由控制机构和一系列传动齿轮来完成。上述现有技术均具有其各自不同的不足，或者结构复杂导致可靠性低，或者受力后产生较大的振动，或者无法检测到活塞冲程的准确位置达到对压缩比的无级精确控制，或者无法做到多缸发动机各缸之间的压缩比同步调整。这就是导致上述技术无法投入大批量应用的原因
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带自锁结构的可变压缩比装置，其在曲轴连杆轴颈上安装偏心轴套总成并通过旋转该总成来改变压缩比。该偏心轴套总成在受到来自于活塞顶部极大的爆发压力而产生对该偏心轴套总成极大的旋转扭矩时，自锁结构能够将该偏心轴套总成锁定于曲轴连杆轴颈上不动，使该扭矩阻断而无法经过传动齿轮继续传递到驱动器，从而减小其对传动系统的破坏，提高其可靠性；而当需要改变压缩比时，驱动器只须提供较小的驱动扭矩，在发动机爆发压力脉冲的曲轴转角之外区域(如上所述，在此曲轴转角区域内偏心轴套总成与连杆轴颈锁定不动)，迅速精确调整和控制偏心轴套总成相对于连杆轴颈的角度位置，以改变压缩比。本发明的另一个目的是改变先前大多数可变压缩比装置结构复杂且须对发动机结构进行较大改变的状况，提供一种只对传统发动机本身的结构进行较小改变，成本低、受力小、结构简单、体积小巧的可变压缩比装置，以适用于现存发动机设计和制造技术及设备。本发明是通过如下技术方案实现的一种带自锁结构的可变压缩比装置，安装在发动机的曲轴和活塞连杆总成上，其特征在于，所述的曲轴的主轴颈上开设有若干中心线与该曲轴中心线重合的园柱孔；所述的活塞连杆总成包括有连杆大头轴瓦；所述的可变压缩比装置包括有偏心轴套总成，可旋转地套置在所述曲轴的连杆轴颈与所述连杆大头轴瓦之间，其具有内圆柱表面和外圆柱表面，该内、外两圆柱表面具有偏心距为e ；传动轴及齿轮总成，穿置于所述主轴颈的园柱孔中，与所述偏心轴套总成形成齿轮连接并驱动该偏心轴套总成旋转；驱动器总成，固定于所述曲轴一端的主轴颈上，与所述传动轴及齿轮总成连接并驱动该传动轴及齿轮总成旋转；以及控制阀总成，连接驱动器总成并与之形成液压传动，以驱动驱动器总成；该可变压缩比装置的结构满足下列第一自锁条件e ^其中，e—偏心轴套总成内、外两圆柱表面的偏心距，fr-偏心轴套总成内圆柱表面与曲轴的连杆轴颈外圆柱表面之间的静摩擦系数，
f2—偏心轴套总成外圆柱表面与连杆大头轴瓦内圆柱表面之间的动摩擦系数，A—偏心轴套总成内圆柱面的半径，r2—偏心轴套总成外圆柱面的半径。所述的偏心轴套总成由两个半圆的偏心套对合固接而成，该两偏心套的结合面处在所述偏心距e的延长线上，该偏心轴套总成的外圆柱表面与所述连杆大头轴瓦内圆柱表面相接触，其内圆柱表面与所述曲轴的连杆轴颈外圆柱表面相接触，所述偏心轴套总成的两端面各自设有齿轮，该齿轮的节圆圆心与所述偏心轴套总成的内圆柱表面的圆心重合。所述的传动轴及齿轮总成包括有一主传动轴、若干传动轴和若干传动齿轮，该主传动轴和若干传动轴分别穿置于所述曲轴的主轴颈的园柱孔中并绕该曲轴中心线旋转，该若干传动齿轮分别固定于主传动轴的一端和若干传动轴的两端，并且与各偏心轴套总成两 端面的齿轮哨合。所述的驱动器总成包括有外壳、固定叶轮、旋转叶轮、前盖、后盖、相位齿轮和相位传感器，所述固定叶轮固定设置于该外壳的内壁上，前盖和后盖分别密封地固定于外壳的两端，该前盖、后盖和外壳一起固定地安装在所述曲轴一端的主轴颈上，所述旋转叶轮设置于该外壳的内腔中并与固定叶轮、外壳、前盖和后盖共同构成两压力腔，该旋转叶轮和相位齿轮固定地安装在所述主传动轴上并随之绕曲轴中心线旋转，所述相位传感器安装在该相位齿轮的侧旁。所述的控制阀总成包括有液压泵、液压控制阀和油箱，所述液压控制阀连接所述油箱、驱动器总成和发动机的控制器，并且受该控制器控制，所述液压泵连接于液压控制阀与油箱之间。所述的液压控制阀包括有阀体和柱塞，该柱塞在所述阀体中滑动并能够处于3个位置，该3个位置分别对应于所述旋转叶轮相对于固定叶轮正时针旋转、逆时针旋转以及固定不动3种状态。所述的偏心轴套总成两端面的齿轮为内齿轮且与主传动轴和传动轴上的传动齿轮形成内啮合。所述的传动轴及齿轮总成可以替换为传动套及齿轮总成,该传动套及齿轮总成包括有若干传动套和若干传动齿轮，每一传动套由两个半圆轴套对合固接而成，该若干传动套分别套置于所述曲轴的主轴颈的外周并绕该曲轴中心线旋转，该若干传动齿轮为内齿轮且分别固定于若干传动套的两端，并与各偏心轴套总成两端面的齿轮形成内哨合，所述驱动器总成的前盖、后盖、外壳、固定叶轮和相位齿轮一起固定地安装在所述传动套上，所述旋转叶轮固定地安装在所述曲轴的一端并随之绕曲轴中心线旋转。所述的驱动器总成还包括有停机插销、弹簧和弹簧盖，所述后盖上开设有停机插销孔，所述停机插销安装在旋转叶轮上，弹簧和弹簧盖安装在该停机插销末端。所述的驱动器总成内的压力腔为一对或多对。所述的偏心轴套总成的内园柱表面设有油槽和若干泄油槽，该油槽两侧设置密封带，该泄油槽与所述发动机的曲轴箱相通；所述偏心轴套总成的内圆柱表面和与其接触的曲轴连杆轴颈外圆柱表面的表面形貌特征是沿曲轴中心线方向开设有许多微小的锯齿形槽，该两表面上的锯齿形槽相互嵌合。所述的偏心轴套总成内圆柱表面与曲轴的连杆轴颈外圆柱表面之间的静摩擦系数彡 O. 05。所述的可变压缩比装置满足下列驱动条件T3 ^ O. I OF* (e-f^rrf^)当偏心轴套总成逆发动机旋转方向调整时，T3彡O. I OF* (f^r^f^-e)当偏心轴套总成顺发动机旋转方向调整时，其中，F-从活塞连杆总成传递到偏心轴套总成的最大压力，T3—从驱动器总成向偏心轴套总成提供的驱动扭矩，当不需改变压缩比时，T3 =
O,e—偏心轴套总成内、外两圆柱表面的偏心距，
fr-偏心轴套总成内圆柱表面与曲轴的连杆轴颈外圆柱表面之间的静摩擦系数，f2—偏心轴套总成外圆柱表面与连杆大头轴瓦内圆柱表面之间的动摩擦系数，A—偏心轴套总成内圆柱面的半径，r2—偏心轴套总成外圆柱面的半径。所述的驱动器总成的数量为一个，所述的偏心轴套总成的数量与所述发动机的气
缸数量相等。所述的可变压缩比装置安装在发动机的曲轴和活塞连杆总成上，所述的发动机为一缸或多缸、直列、V型、W型、星型或对置发动机。本发明所述的带自锁结构的可变压缩比装置由液压和机械机构共同组成，其能够使发动机在所需要的工况条件下工作时，始终以最高效率运行，无论该工况条件是全负荷还是部分负荷条件。即当发动机无需改变压缩比时，所述的带自锁结构的可变压缩比装置能够保持偏心轴套总成相对于曲轴连杆轴颈的转角位置不变，此时发动机的运行就与传统发动机一样；而当发动机需要改变压缩比时，所述的带自锁结构的可变压缩比装置即能够按照发动机的运行要求而改变。本发明的有益效果是I、能够承受活塞顶部的巨大爆发压力一所述可变压缩比装置的结构尺寸要素满足第一自锁条件，由此在发动机爆发压力脉冲的曲轴转角区域之内具有自锁功能，使其即使在气缸内的活塞顶部承受巨大爆发压力时，压力也不会(或较少的)传递到驱动器，从而避免了对传动系统的破坏，提高了装置的可靠性。2、压缩比的调节和控制方便，消耗功率少，能够实现发动机多缸压缩比的同步调整一本发明采用同一驱动器驱动设置于各缸的传动轴及齿轮总成，并进而驱动偏心轴套总成旋转，从而实现了各缸压缩比的同步调整；此外，改变压缩比时所需要的液压驱动力矩非常小，达到了调节方便的效果。3、结构简单，便于制造，适用于现存发动机设计和制造技术及设备——本发明的结构只对传统发动机的结构作了局部改动，也不会改变发动机与变速器等传递系统的结构，因此，几乎很少对发动机燃烧室结构产生影响，不会改变活塞的运行规律，也保持了现有发动机已取得的燃烧效率；同时，本发明不会导致活塞往复惯性力的增大，也不会导致发动机振动的加剧。
图I是本发明第一实施例的结构爆炸图。
图2是本发明偏心轴套总成受力自锁条件示意图。图3a，3b，3c，3d是压缩比变化的示意图。图4是本发明第一实施例的横剖面图。图5是图4的A-A剖面图。图6是图4的B-B剖面图。图7是图4的M局部放大图。图8是本发明偏心轴套总成内表面结构示意图。
图9a，9b，9c是本发明驱动器总成不同工作位置的剖面图。图10是压缩比控制结构示意图。图11是本发明第二实施例的结构爆炸图。图12是本发明第二实施例的横剖面图。图13是图12的A-A剖面图。图14是本发明第三实施例的结构爆炸图。图15是本发明第三实施例的横剖面图。图16是图15的A-A剖面图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。实施例一首先请参阅图1，图I显示的是本发明所述带自锁结构的可变压缩比装置的第一种方案的爆炸图。所述的可变压缩比装置安装在发动机的曲轴I和活塞连杆总成4上，其包括有偏心轴套总成2、传动轴及齿轮总成3、驱动器总成5以及控制阀总成6 (见图10)。所述的曲轴I设有一位于端部的主轴颈16、若干主轴颈18和若干连杆轴颈14，该连杆轴颈14外周形成连杆轴颈外圆柱面15 ;以曲轴中心线13为中心，在主轴颈16内开设有一圆柱孔11，在若干主轴颈18内开设有若干圆柱孔12，该圆柱孔11和若干园柱孔12的中心线与该曲轴中心线13完全重合。结合参阅图I和图4，与普通发动机一样，所述的活塞连杆总成4包括有活塞41、连杆体42、连杆大头轴瓦43和44、连杆盖45和连杆螺栓46，而活塞连杆总成4在缸套71内作上下往复运动。所述的偏心轴套总成2的数量与所述发动机的气缸数量相等，请参阅图5，该偏心轴套总成2可旋转地套置在所述曲轴I的连杆轴颈14与所述连杆大头轴瓦43和44之间；所述的偏心轴套总成2具有两个圆柱表面内圆柱表面27和外圆柱表面26，请参阅图2，该内圆柱表面2 的圆心O1与外圆柱表面26的圆心O2不重合，圆心O1与圆心O2之间的距离为偏心距e，即，内、外两圆柱表面27和26具有偏心距为e ;所述连杆体42、连I杆大头轴瓦43和44于以及连杆盖45可旋转地安装在偏心轴套总成2的外圆柱表面26上。请参阅图5，所述的偏心轴套总成2由两个半圆的偏心套21和22对合固接而成，该两偏心套21和22的结合面24恰好处在所述偏心距e的延长线上，该结合面24上设有螺孔25和定位销孔201 (见图8)，螺栓23和定位销将两个半圆偏心套21和22连接在一起,从而组成偏心轴套总成2，该偏心轴套总成2可旋转地套装在曲轴I的连杆轴颈14的外圆柱面15上。所述的偏心轴套总成2的内圆柱面27与曲轴I的连杆轴颈14的外圆柱面15相接触(下面的叙述中，标号27与15指同一接触面)，偏心轴套总成2的外圆柱面26与所述连杆大头轴瓦内圆柱表面43及44的内表面相接触，该接触面也采用标号26。结合参阅图I和图6,所述的偏心轴套总成2的两端面各设置一个齿轮20,该齿轮20的节圆圆心与所述的偏心轴套总成2的内圆柱表面27的圆心O1重合，所述的齿轮20与传动齿轮33外啮合。所述的传动轴及齿轮总成3与所述偏心轴套总成2形成齿轮连接，并且驱动该偏心轴套总成2旋转。请参阅图I,所述的传动轴及齿轮总成3包括有一主传动轴31、若干传动轴32和若干传动齿轮33。请结合参阅图4，所述的主传动轴31可旋转地穿置在上述曲轴I内的圆柱孔11内，其一端通过键34与驱动器旋转叶轮53固定连接在一起，另一端通过键35与传动齿轮33套装在一起。所述的若干传动轴32可旋转地穿置在曲轴I的若干圆柱孔12内，其两端分别通过键35与传动齿轮33固定连接在一起。所述各传动轴31、32 和传动齿轮33始终绕曲轴中心线13旋转，并且该若干传动齿轮33与各偏心轴套总成2两端面的齿轮20 外B齿合。当所述传动轴31、32相对于曲轴中心线13旋转时，所述的传动齿轮33也一并同步旋转，并同时驱动所述偏心轴套总成2相对于所述曲轴I的连杆轴颈14的中心相应旋转；当从发动机前端观察时，其多缸发动机的各传动轴31、32相对于所述曲轴I的旋转方向完全一致，各偏心轴套总成2相对于曲轴I的旋转方向也完全一致。所述的驱动器总成5固定于所述曲轴I 一端的主轴颈16上，与所述传动轴及齿轮总成3连接并驱动该传动轴及齿轮总成3旋转。请参阅图1，所述的驱动器总成5包括有外壳51、固定叶轮52、旋转叶轮53、前盖54、后盖55、轴封56、固定螺栓57、相位齿轮58以及相位传感器59。请结合参阅图I和图9，所述的固定叶轮52固定设置于外壳51的内壁上，前盖54和后盖55分别密封地固定于外壳51的两端。该前盖54、后盖55和外壳51 —起固定地安装在所述曲轴I 一端的主轴颈16上，并随曲轴I 一起旋转运动。请参阅图9，所述旋转叶轮53设置于该外壳51的内腔中，并且与固定叶轮52、外壳51、前盖54和后盖55共同构成两压力腔510和511，该压力腔510和511总是成对形成，可以为一对或多对，如两对、三对或四对，本实施例中，该压力腔510和511为两对。所述的旋转叶轮53和相位齿轮58固定地安装在所述的主传动轴31上，并可随该主传动轴31的旋转而绕曲轴中心线13旋转。所述的相位传感器59安装在该相位齿轮58的侧旁，用于探测所述的旋转叶轮53和传动轴31、32相对于曲轴I的转角。请参阅图10，为了防止所述的压力腔510和511内的液压油在压力作用下沿着形成压力腔510和511的外壁缝隙508流出，特别设置了密封条503，并在每一个密封条503与旋转叶轮53以及固定叶轮52之间安装了弹簧片504，并引导少量泄漏的液压油进入回油腔509，最终通过开设在主传动轴31上的排油道301和306 (见图10)，将其导入发动机曲轴箱(附图未显示)，这使得回油腔509的压力减小，不至于使液压油通过轴封56泄漏至发动机之外。所述的驱动器总成5还包括有停机插销506、弹簧507和弹簧盖500，见图10。所述后盖55上开设有停机插销孔505，所述停机插销506安装在旋转叶轮53上，弹簧507和弹簧盖500安装在该停机插销506末端。当发动机停止运行前，驱动器总成5在停机信号指示下，将旋转叶轮53运行至停机位置(图9a位置)，该停机插销506在弹簧力作用下插入后盖55中的插销孔505，此时，停机插销506将旋转叶轮53与后盖55固定在一起，使之相互不能旋转，以便在发动机再次启动时，不因液压油压力不够而使驱动器总成5失效。当发动机开启时，置于所述驱动器总成5内的停机插销506处于停机位置，发动机启动后液压油压力逐渐地建立起来，该油压将停机插销506推出停机插销孔505，所述旋转叶轮53进入可自由旋转状态，此时，压缩比能够被改变。 所述的驱动器总成5设有回流通道，当液压油通过各相关表面泄露以后，所述的回流通道能够将泄露的液压油回收至曲轴箱，同时降低所述回流通道的压力，避免液压油泄露至驱动器总成5之外。本发明所述带自锁结构的可变压缩比装置只设置一个驱动器总成5，用以驱动发动机所有的偏心轴套总成2。当旋转叶轮53绕曲轴中心线13转动时，其将带动主传动轴31和传动齿轮33绕曲轴中心13转动，进而带动首个偏心轴套总成2的齿轮20相应地绕连杆轴颈14的中心线17转动，再由另一端的齿轮20带动传动轴32上的齿轮33，并使传动轴32转动，运动依次传递，最终逐一使所有连杆轴颈14上的偏心轴套总成2同时绕连杆轴颈中心线17转动。所有偏心轴套总成2的同时转动意味着所有气缸内的压缩比被同步改变。只采用一个驱动器总成5就使所有气缸的偏心轴套总成2同时转动而改变角度，从而达到各气缸的压缩比同步改变的目的，这正是本发明的重大有益效果之一。当来自所述控制阀总成6的液压油(润滑油)进入所述的驱动器总成5内不同的压力腔510或511时，其油压能够驱动所述旋转叶轮53相对于固定叶轮52正时针或逆时针方向旋转，从而带动所述的传动轴31、32正时针或逆时针方向旋转,用以驱动所述的传动轴及齿轮总成3和偏心轴套总成2转动，改变偏心轴套总成2相对于连杆轴颈14的转角，从而实现压缩比的改变。当需要改变压缩比时，所述的驱动器总成5带动发动机第一气缸内的传动轴31、传动齿轮33和偏心轴套总成2旋转，进而，第一气缸偏心轴套总成2的旋转带动第二气缸内的传动轴32、传动齿轮33和偏心轴套总成2旋转，依此类推，一直可驱动所有的偏心轴套总成2旋转；当不需要改变压缩比时，所述的传动轴及齿轮总成3和偏心轴套总成2均固定在曲轴I上不动，就像普通发动机的运行一样。所述的控制阀总成6连接驱动器总成5并与之形成液压传动，以驱动驱动器总成5。请参阅图10，所述控制阀总成6包括有液压泵608、液压控制阀和油箱610。所述液压控制阀用以产生或保持液压油的不同流动方向，其连接所述油箱610、驱动器总成5和发动机的控制器ECU，并且受该控制器ECU控制。所述的液压控制阀包括有阀体603和柱塞604，柱塞604可滑动地安装在阀体603之中，柱塞604的左右移动通过安装在其一端的电磁线圈613控制；柱塞604在阀体603中能够处于左中右三个位置，该三个位置分别对应于所述旋转叶轮53相对于固定叶轮52正时针旋转、逆时针旋转以及固定不动三种状态，即，所述的液压控制阀的三种状态对应于驱动器总成5的三种工作状态，见图9。所述液压泵608用于产生液压压力，驱动所述的驱动器总成5，该液压泵608连接于液压控制阀与油箱610之间。所述的液压泵608可以采用独立结构形式，也可以直接共用发动机上原有的润滑油泵，但需进行改进设计。所述控制阀总成6与驱动器总成5的液压连接如图9和图10所示，所述一对压力腔510通过油道513与曲轴油道101相连通，另一对压力腔511通过油道512与曲轴油道102相连通；该曲轴油道101、103通过发动机缸体上的油槽704以及油道701与液压控制阀的油管602连通，该曲轴油道102、104通过发动机缸体上的油槽703以及油道702与液压控制阀的油管601连通。上述内容为本发明实施例一的主要结构。以下结合
本发明改变压缩比的原理。请参阅图3，当偏心轴套总成2在连杆轴颈14上绕连杆轴颈中心线17旋转时，发动机曲柄半径r将会发生改变，进而改变发动机冲程的长度，引起压缩比的改变。图3a是显示当发动机冲程S1为最大时，其偏心轴套总成2相对于连杆轴颈14的 转角位置。设定，偏心轴套总成2的结合面24与气缸中心线72的夹角为Φ，而活塞41处于发动机的上止点(TDC — Top Dead Center)位置。图3b是显示当发动机冲程S1为最大时，其偏心轴套总成2相对于连杆轴颈14的转角位置。设定，偏心轴套总成2的结合面24与气缸中心线72的夹角为Φ，而活塞41处于发动机的下止点(BDC—Bottom Dead Center)位置。结合图3a和图3b观察，此时，发动机压缩比达到最大，发动机曲柄半径r的增加量β为β =G^cos Φ ,其最大冲程为S1=2r+2 β =2r+2e*cos Φ。图3c是显示当发动机冲程S2为最小时，其偏心轴套总成2相对于连杆轴颈14的转角位置。设定，偏心轴套总成2的结合面24与气缸中心线72的夹角为(180-Φ)，而活塞41处于发动机上止点(TDC)位置。图3d是显示当发动机冲程S2为最小时，其偏心轴套总成2相对于连杆轴颈14的转角位置。设定，偏心轴套总成2的结合面24与气缸中心线72的夹角为(180-Φ)，而活塞41处于发动机下止点(BDC)位置。结合图3c和图3d观察，此时，发动机压缩比达到最小，其发动机曲柄半径r的增加量β为β =_e*cos Φ，其最小冲程为S2=2r+2 β =2r+2e* (cos (180-Φ ) ) =2r-2e*cosC>。从图3a, 3b, 3c和3d可以看出，发动机冲程的最大改变量Λ为Δ =S「S2=4e* (cosC>)。当发动机结构参数选择恰当时，这个改变量Λ足以使汽油机的压缩比范围达到7 :1至16 :1的合理水平。理论上，当压缩比处于最大时，转角Φ应等于零。但此时活塞41顶部的爆发压力最大，该压力通过活塞41，经连杆体42正好压在偏心轴套总成2的两个半圆偏心套的结合面24上，这将导致偏心轴套总成2的早期损坏。为了避免上述情况而特别设置一个转角Φ，使发动机最大爆发压力不直接压在结合面24上。本发明实现压缩比改变的过程如下首先请参阅图9，所述旋转叶轮53与固定叶轮52可绕曲轴I中心线13正时针或逆时针方向相对旋转，并存在两个极限位置，见图9a和图9c。当旋转叶轮53处于图9a位置时，旋转叶轮53与固定叶轮52在接触面501相接触。通过不同的齿轮传动参数，使偏心轴套总成2刚好处于图3c和图3d的位置，此时，发动机处于最小压缩比状态；当旋转叶轮53处于图9c位置时，旋转叶轮53与固定叶轮52在接触面502相接触，所述的偏心轴套总成2刚好处于图3a和图3b的位置，此时，发动机处于最大压缩比状态。当旋转叶轮53处于上述两个极限位置之间的某一位置时，如图％，所述的偏心轴套总成2将处于最大和最小压缩比之间的对应位置。因此，通过连续调整旋转叶轮53与固定叶轮52的相对旋转角度a，则可连续调整压缩比的相对大小。当发动机需要改变压缩比时，发动机控制器ECU通过对发动机转速和所述的相位传感器59以及车辆油门踏板位置(图中未显示)等信号的采集和处理后，对控制阀总成6发·出指令，控制阀总成6控制液压油在管道内的流动方向。其中，相位传感器59的信号通过采集与旋转叶轮53固定在一起的相位齿轮58而获得，通过与发动机曲轴I转角信号(图中未标示)对比，该信号指明了旋转叶轮53与曲轴I的相对转角。请参阅图10，当柱塞604处于阀体603的左端时，液压油在液压泵611的驱动下，通过管道607进入阀体603，并进入管道601，再通过在缸体上的油孔702、油槽703进入在曲轴I上开设的油孔104、102，最终通过驱动器总成5的油道512进入所述的压力腔511，见图9 ;同时，压力腔510内的液压油通过驱动器总成5上的管道513流出到曲轴I上开设的另一油孔101、103，请参阅图10，并进一步通过缸体上的油槽704、油孔701以及油管602、阀体603、油管606、612回到油箱610。当液压油通过油道512进入压力腔511，而液压油通过油道513从压力腔510排出时，旋转叶轮53在油压推动下相对于固定叶轮52作逆时针旋转(从发动机前端观测)，并带动传动轴31和传动齿轮33逆时针旋转,再进一步带动所述的偏心轴套总成2顺时针旋转，从而曲柄半径r减小，发动机冲程减小，压缩比减小。与之相反，当柱塞604处于阀体603的右端时，液压油流向与上述方向相反，液压油进入压力腔510，而从压力腔511排出，从而所述的偏心轴套总成2作逆时针旋转，曲柄半径r增大，发动机冲程增大，发动机压缩比增大。当不需要改变压缩比时，请参阅图10，电磁线圈613断电，阀体603内的弹簧605和614将柱塞604推向阀体603的中间部位，液压油泵611泵出的液压油同时进入管道601和管道602，并最终同时进入压力腔510和511，多余的液压油则通过泄压阀608、油管609返回到油箱610。此时，压力腔510和511内的压力完全相等，将旋转叶轮53锁定在固定叶轮52的某一位置上，如图％，使旋转叶轮53和固定叶轮52之间不再有相对旋转运动，而所述的偏心轴套总成2与连杆轴颈14之间也不再有相对旋转运动，就好像是普通发动机一样运转，这就是所谓的第二自锁条件。现结合图2说明第一自锁条件。来自于活塞41顶部的发动机爆发压力F将传递到所述的偏心轴套总成2之上，活塞41通过连杆42将该力F垂直作用在所述的偏心轴套总成2的接触部位D，进而产生一个绕连杆轴颈14圆点O1的顺时针方向的旋转扭矩T=F*e，图2所示位置是该扭矩的最大值的位置。设偏心轴套总成2与连杆轴颈14结合面27之间的静摩擦系数为f1;则此处C产生一个逆时针方向的旋转扭矩T1=Ff^r1,同时在连杆孔与偏心轴套总成2外圆柱表面之结合面26的D处产生一个逆时针方向的扭矩T2=Ff2*r2，如果通过驱动器总成5产生的作用在偏心轴套总成2上的驱动扭矩T3与T1方向一致，扭矩T3则取正号，否则为负号。于是偏心轴套总成2相对于连杆轴颈14固定不动的自锁条件为Fe ( Ff1*r1+Ff2*r2+/-T3 当 T3=O 时，简化为第一自锁条件e ^其中，e—偏心轴套总成内、外两圆柱表面的偏心距，fr-偏心轴套总成内圆柱表面与曲轴的连杆轴颈外圆柱表面之间的静摩擦系数，f2—偏心轴套总成外圆柱表面与连杆大头轴瓦内圆柱表面之间的动摩擦系数， A—偏心轴套总成内圆柱面的半径，r2—偏心轴套总成外圆柱面的半径。也就是说，只要e，^,T1, f2,r2等参数选择恰当，即可满足该自锁条件，而只要驱动扭矩T3为零，则第一自锁条件与发动机爆发压力F无关！换句话说，可变压缩比发动机在不需改变压缩比而正常运转时，无论发动机爆发压力F的大小，都不需要提供任何驱动扭矩T3，偏心轴套总成2与连杆轴颈14之间也不会产生相对旋转的运动，就好像普通的发动机一样运动。本发明的结构参数取值满足上述第一自锁条件e <，从而在发动机爆发压力脉冲的曲轴转角区域之内具有自锁功能，能够承受活塞顶部的巨大爆发压力，使该压力不会传递到驱动器，从而避免了对传动系统的破坏，提高了装置的可靠性。如果所述的带自锁结构的可变压缩比装置基本上满足第一自锁条件，也是允许的。其含义是如果满足自锁条件，所述的偏心轴套总成2将固定在所述的曲轴连杆轴颈14上不动，偏心轴套总成2对传动齿轮33和传动轴31、32没有输出扭矩；如果没有满足自锁条件，偏心轴套总成2将对传动齿轮33和传动轴31、32施加一个附加扭矩，只要所述的附加扭矩不大，就不足以损坏传动系统。根据第一自锁条件，为了产生较大的压缩比变化量，应使偏心距e达到较大的值，即，f1^r1+f2^r2应该尽可能的大,其中Ir1和r2已无多大的改变空间，动摩擦系数f2也不能增大，只能设法增大静摩擦系数，否则发动机的摩擦损失增大，且可靠性下降。本发明在结构及其参数上采取了许多改进措施，以满足上述的第一自锁条件。请参阅图7和图8，由于润滑油必需送达连杆大头轴瓦43、44与偏心轴套总成2外圆柱表面之间的接触面26，使发动机正常润滑与冷却，因此该润滑油从油泵611送达缸体油孔(图中未显示)，并进入曲轴油孔111，经斜油孔110、油槽207、油孔202，到达连杆大头轴瓦43、44与偏心轴套总成2外圆柱表面形成的接触面26，并对该接触面26进行冷却与润滑。然而为了尽可能增大接触面27的摩擦系数，并不希望润滑油滞留在偏心轴套总成2的内表面与连杆轴颈14的外圆柱面15之间的接触面27，为此，特在油槽207的两侧各设置一条密封带204和206，以阻断润滑油流入接触面27 ;即使润滑油不可避免地进入接触面27，也要迅速将进入的润滑油从该接触面27中疏导出来，勿使润滑油在此接触面27停留而形成承压油膜，为此，在偏心轴套总成2的内圆柱表面开设一系列泄油槽203，将进入接触面27的润滑油疏导至发动机曲轴箱(图中未显示)。此外,该偏心轴套总成2内圆柱表面27与曲轴连杆轴颈14的外圆柱表面15的表面粗糙度参数应采取特别数值，其接触表面的形貌特征是沿曲轴中心线13方向开设有许多微小的锯齿形槽，并且偏心轴套总成2的内圆柱表面27和与其接触的曲轴连杆轴颈14的外圆柱表面15上的锯齿形槽相互嵌合，以阻止该两表面之间的相互移动。总之，使所述的偏心轴套总成2内圆柱表面27与曲轴I的连杆轴颈14外圆柱表面15之间的静摩擦系数尽可能大，达到^ O. 05。所述的泄油槽203和密封带204、206，以及两结合表面的表面形貌特征不是唯一的技术方案，但无论是何种方案，其原则精神都是为了满足上述第一自锁条件。而当压缩比需要变化时，所述可变压缩比装置的控制阀总成6和驱动器总成5对偏心轴套总成2的驱动扭矩T3须满足下列驱动条件T3 ^ O. I OF* (e-f^rrf^)当偏心轴套总成逆发动机旋转方向调整时， T3彡O. I OF* (f^r^f^-e)当偏心轴套总成顺发动机旋转方向调整时，其中，F—从活塞连杆总成传递到偏心轴套总成的最大压力，T3—从驱动器总成向偏心轴套总成提供的驱动扭矩，当不需改变压缩比时，T3 =
O,e—偏心轴套总成内、外两圆柱表面的偏心距，fr-偏心轴套总成内圆柱表面与曲轴的连杆轴颈外圆柱表面之间的静摩擦系数，f2—偏心轴套总成外圆柱表面与连杆大头轴瓦内圆柱表面之间的动摩擦系数，A—偏心轴套总成内圆柱面的半径，r2—偏心轴套总成外圆柱面的半径。由于最大爆发力F发生在曲轴转角O 5度，当曲轴转角超过50度以后,作用在偏心轴套总成2上的力通常在最大作用力的10 20%，因此，在所述的驱动条件公式中所列的系数最小为O. 10。通常顺时针和逆时针方向所需的驱动扭矩大小不一样，为控制方便可以设计为同样大小的扭矩，以两个公式计算结果较大的一个数据为准。此时，将压缩比朝减小方向调整的时间会短一些，这通常是发动机负荷增加的调整方向，可以更好的解决“爆震燃烧”问题。实际上最大爆发力F发生在发动机活塞41处于爆发冲程上止点(TDC)附近，随着曲轴I的旋转，一般而言，在大约为曲轴50度转角时，其作用力F迅速下降至最大作用力F的10% 20%，因此，实际的改变压缩比所需的驱动扭矩T3并不大，即使在0-50度曲轴转角内，由于装置满足第一自锁条件的原因，使偏心轴套总成2与连杆轴颈14固定不动，而超出0-50度曲轴转角范围后，则只需较小的驱动扭矩T3即可完成压缩比的调整，这也是本发明的最大优点。所述带自锁结构的可变压缩比装置可以直接采用发动机润滑油作为驱动液压油。
本实施例一较适合于较长冲程往复活塞结构的发动机。实施例二图11、图12和图13是实施例二的示意图，实施例二大体与实施例一相同，所不同的只是将实施例一的偏心轴套总成2替换为偏心轴套总成2’。所述偏心轴套总成2’两端面的齿轮28为小于360度转角的扇形内齿轮，见图13，并且与主传动轴31和传动轴32上的传动齿轮33形成内啮合。
当压缩比需要变大或变小时,所述旋转叶轮53的旋转方向与实施例一相反。为了提供足够的冲程改变量，旋转叶轮53的旋转角度需要更大，啮合齿轮对(33，28 )的参数需要作相应的修改，必要时可采用单叶的旋转叶轮和一个固定叶轮组成的驱动器总成5，此时只有一对压力腔510和511。实施例二可以将发动机冲程设计得小一些，更适合于比实施例一冲程较短的往复活塞的发动机。实施例三图14、图15和图16是实施例三的示意图，其大体与实施例一相同，所不同的是将实施例一的传动轴及齿轮总成3替换为传动套及齿轮总成3’。该传动套及齿轮总成3’包括有若干传动套36和若干传动齿轮361 ;每一传动套36由两个半圆轴套对合固接而成，该若干传动套36分别套置于所述曲轴I的主轴颈16、18的外周并绕该曲轴中心线13旋转； 该若干传动齿轮361为内齿轮且分别固定于各传动套36的两端,该传动齿轮361为小于360度转角的扇形内齿轮，可直接开设在传动套36的端部，所述齿轮361与各偏心轴套总成2两端面的齿轮20 —一形成内啮合(见图16)。所述驱动器总成5的前盖54、后盖55、外壳51、固定叶轮52和相位齿轮58 —起固定地安装在传动套36上，而旋转叶轮53则固定地安装在所述曲轴I的一端并随之绕曲轴中心线13旋转。由于实施例三需要旋转叶轮53旋转的角度比实施例一小很多，因此，压力腔510和511可以设置得多一些，如两对、三对或四对，而由此产生的驱动扭矩T3也会大很多。实施例三更适合于短冲程往复活塞的发动机。为了曲轴I的平衡，上述三个实施例的啮合齿轮对可以采用完整的360度圆形齿轮，也可以从减轻质量考虑，采用小于360度转角的扇形齿轮。本发明不仅能够安装于单缸发动机，也能够安装于2缸、3缸甚至8缸等多缸发动机；本发明不仅能够安装于直列式发动机，也能够安装于V型、W型、星型布置和对置式布置的发动机；特别适用于车辆用的各种燃料的内燃机和外燃机，包括汽油机、柴油机等，但不限于此。
权利要求
1.一种带自锁结构的可变压缩比装置，安装在发动机的曲轴和活塞连杆总成上，其特征在于，所述的曲轴的主轴颈上开设有若干中心线与该曲轴中心线重合的园柱孔；所述的活塞连杆总成包括有连杆大头轴瓦；所述的可变压缩比装置包括有 偏心轴套总成，可旋转地套置在所述曲轴的连杆轴颈与所述连杆大头轴瓦之间，其具有内圆柱表面和外圆柱表面，该内、外两圆柱表面具有偏心距为e ； 传动轴及齿轮总成，穿置于所述主轴颈的园柱孔中，与所述偏心轴套总成形成齿轮连接并驱动该偏心轴套总成旋转； 驱动器总成，固定于所述曲轴一端的主轴颈上，与所述传动轴及齿轮总成连接并驱动该传动轴及齿轮总成旋转； 以及控制阀总成，连接驱动器总成并与之形成液压传动，以驱动驱动器总成； 该可变压缩比装置的结构满足下列第一自锁条件 e ( Wf2=Kr2, 其中，e—偏心轴套总成内、外两圆柱表面的偏心距， fi—偏心轴套总成内圆柱表面与曲轴的连杆轴颈外圆柱表面之间的静摩擦系数， f2—偏心轴套总成外圆柱表面与连杆大头轴瓦内圆柱表面之间的动摩擦系数， 偏心轴套总成内圆柱面的半径， r2—偏心轴套总成外圆柱面的半径。
2.根据权利要求I所述的带自锁结构的可变压缩比装置，其特征在于，所述的偏心轴套总成由两个半圆的偏心套对合固接而成，该两偏心套的结合面处在所述偏心距e的延长线上，该偏心轴套总成的外圆柱表面与所述连杆大头轴瓦内圆柱表面相接触，其内圆柱表面与所述曲轴的连杆轴颈外圆柱表面相接触，所述偏心轴套总成的两端面各自设有齿轮，该齿轮的节圆圆心与所述偏心轴套总成的内圆柱表面的圆心重合。
3.根据权利要求2所述的带自锁结构的可变压缩比装置，其特征在于，所述的传动轴及齿轮总成包括有一主传动轴、若干传动轴和若干传动齿轮，该主传动轴和若干传动轴分别穿置于所述曲轴的主轴颈的园柱孔中并绕该曲轴中心线旋转，该若干传动齿轮分别固定于主传动轴的一端和若干传动轴的两端，并且与各偏心轴套总成两端面的齿轮哨合。
4.根据权利要求3所述的带自锁结构的可变压缩比装置，其特征在于，所述的驱动器总成包括有外壳、固定叶轮、旋转叶轮、前盖、后盖、相位齿轮和相位传感器，所述固定叶轮固定设置于该外壳的内壁上，前盖和后盖分别密封地固定于外壳的两端，该前盖、后盖和外壳一起固定地安装在所述曲轴一端的主轴颈上，所述旋转叶轮设置于该外壳的内腔中并与固定叶轮、外壳、前盖和后盖共同构成两压力腔，该旋转叶轮和相位齿轮固定地安装在所述主传动轴上并随之绕曲轴中心线旋转，所述相位传感器安装在该相位齿轮的侧旁。
5.根据权利要求4所述的带自锁结构的可变压缩比装置，其特征在于，所述的控制阀总成包括有液压泵、液压控制阀和油箱，所述液压控制阀连接所述油箱、驱动器总成和发动机的控制器，并且受该控制器控制，所述液压泵连接于液压控制阀与油箱之间。
6.根据权利要求5所述的带自锁结构的可变压缩比装置，其特征在于，所述的液压控制阀包括有阀体和柱塞，该柱塞在所述阀体中滑动并能够处于3个位置，该3个位置分别对应于所述旋转叶轮相对于固定叶轮正时针旋转、逆时针旋转以及固定不动3种状态。
7.根据权利要求5所述的带自锁结构的可变压缩比装置，其特征在于，所述的偏心轴套总成两端面的齿轮为内齿轮且与主传动轴和传动轴上的传动齿轮形成内啮合。
8.根据权利要求5所述的带自锁结构的可变压缩比装置，其特征在于，所述的传动轴及齿轮总成替换为传动套及齿轮总成，该传动套及齿轮总成包括有若干传动套和若干传动齿轮，每一传动套由两个半圆轴套对合固接而成，该若干传动套分别套置于所述曲轴的主轴颈的外周并绕该曲轴中心线旋转，该若干传动齿轮为内齿轮且分别固定于若干传动套的两端，并与各偏心轴套总成两端面的齿轮一一形成内啮合，所述驱动器总成的前盖、后盖、外壳、固定叶轮和相位齿轮一起固定地安装在所述传动套上，所述旋转叶轮固定地安装在所述曲轴的一端并随之绕曲轴中心线旋转。
9.根据权利要求5、6、7或8所述的带自锁结构的可变压缩比装置，其特征在于，所述的驱动器总成还包括有停机插销、弹簧和弹簧盖，所述后盖上开设有停机插销孔，所述停机插销安装在旋转叶轮上，弹簧和弹簧盖安装在该停机插销末端。
10.根据权利要求5、6、7或8所述的带自锁结构的可变压缩比装置，其特征在于，所述的驱动器总成内的压力腔为一对或多对。
11.根据权利要求I所述的带自锁结构的可变压缩比装置，其特征在于，所述的偏心轴套总成的内园柱表面设有油槽和若干泄油槽，该油槽两侧设置密封带，该泄油槽与所述发动机的曲轴箱相通；所述偏心轴套总成的内圆柱表面和与其接触的曲轴连杆轴颈外圆柱表面的表面形貌特征是沿曲轴中心线方向开设有许多微小的锯齿形槽，该两表面上的锯齿形槽相互嵌合。
12.根据权利要求I所述的带自锁结构的可变压缩比装置，其特征在于，所述的偏心轴套总成内圆柱表面与曲轴的连杆轴颈外圆柱表面之间的静摩擦系数>0. 05。
13.根据权利要求I所述的带自锁结构的可变压缩比装置，其特征在于，所述的可变压缩比装置满足下列驱动条件 T3彡O. 10F* (e-f^rrf^^)当偏心轴套总成逆发动机旋转方向调整时， T3彡O. 10F* (f^r^f^r^e)当偏心轴套总成顺发动机旋转方向调整时， 其中，F—从活塞连杆总成传递到偏心轴套总成的最大压力， T3—从驱动器总成向偏心轴套总成提供的驱动扭矩，当不需改变压缩比时，T3 = O, e—偏心轴套总成内、外两圆柱表面的偏心距， fi—偏心轴套总成内圆柱表面与曲轴的连杆轴颈外圆柱表面之间的静摩擦系数， f2—偏心轴套总成外圆柱表面与连杆大头轴瓦内圆柱表面之间的动摩擦系数， 偏心轴套总成内圆柱面的半径， r2—偏心轴套总成外圆柱面的半径。
14.根据权利要求I所述的带自锁结构的可变压缩比装置，其特征在于，所述的驱动器总成的数量为一个，所述的偏心轴套总成的数量与所述发动机的气缸数量相等。
15.根据权利要求I所述的带自锁结构的可变压缩比装置，其特征在于，所述的可变压缩比装置安装在发动机的曲轴和活塞连杆总成上，所述的发动机为一缸或多缸、直列、V型、W型、星型或对置发动机。
全文摘要
一种用于发动机的带自锁结构的可变压缩比装置，该装置包括有偏心轴套总成、传动轴及齿轮总成、驱动器总成以及控制阀总成，其结构满足第一自锁条件e≤f1*r1+f2*r2。本发明在发动机爆发压力脉冲的曲轴转角区域之内具有自锁能力，能够承受活塞顶部的巨大爆发压力，压力不会传递到传动系统，减小了对结构的破坏，提高了装置可靠性；在爆发压力脉冲的曲轴转角区域之外，只须较小的驱动扭矩即能精确同步调整各缸的压缩比，使发动机无论在全负荷还是部分负荷条件下，始终以最高效率运行。本发明具有调节和控制方便、消耗功率少、结构简单、成本低的优点，适用于各类发动机。
文档编号F02D15/02GK102889142SQ201210379648
公开日2013年1月23日 申请日期2012年10月8日 优先权日2012年10月8日
发明者沈大兹 申请人:沈大兹