发动机可变压缩比机构和与该机构配合的配气系统的制作方法

本发明属于发动机压缩比可变技术领域，具体涉及一种结构简化且具有气门冷却功能，并使发动机的压缩比可根据工况而变化的机构及与该机构相配合的配气系统。

背景技术：

目前的汽车发动机的压缩比普遍为固定比值不可变。可变压缩比汽油发动机能够接受多种的燃料，但辛烷值越高的燃料对发动机越好，因为辛烷值越高，爆震也越不容易触发，这样发动机就能以更加高的压缩比运行，从而获得更高的热效率、降低燃油消耗率。

因为有了可变压缩比技术，使用增压系统效率更高，无需担心因为压力过高导致爆震等问题，这样发动机就能够使用小排量涡轮增压来压榨出更多的性能，达到大排量的性能（现在很多厂商都有这个趋势，加入可变压缩比技术热效率更高更省油）。

目前，除日产汽车公司推出的英菲尼迪全新一代QX50上使用了VC-T（Variable Compression Turbocharged）发动机外，尚无其他汽车厂家采用可变压缩比发动机。

事实上，如果要将发动机变成可变压缩比，迄今为止的方案都绕不开气缸盖、气缸、活塞、曲轴连杆这几个部位。

在20世纪80年代末，瑞典萨博汽车公司就研究并推出了三代可变压缩比的发动机Variable Compression(SVC)。发动机上部通过偏心凸轮轴控制与下部曲轴箱产生出相对运动。当需要改变压缩比时，偏心凸轮轴转动，与之相连的控制连杆会控制SVC发动机上部围绕曲轴箱上的支撑轴转动，其最大的转动角度为4°，通过发动机上部的转动，燃烧室的容积会发生变化，从而改变压缩比。

但SVC发动机有优点同时也有缺点，那就是发动机由于分成了上下两部分，上部缸体也需要一套冷却系统，这样冷却系统就会变得复杂，同时整套机构的耐用性也需要去验证，而在这些问题没有解决前，萨博就倒闭了。

2005年，丰田汽车公司申请的可变压缩比发动机专利的想法与萨博类似，是在缸体上面动手脚，气缸体和曲轴箱通过轴向的相对移动形成可变压缩比，但发动机产生的爆发力对偏心轴的控制会产生很大的影响，同时机构也比较复杂，所以丰田也只是停留在研究阶段。

当然，实现可变压缩比的方法不仅仅只有动缸体，有些厂商想到了在气缸盖上动手脚。例如韩国现代汽车。现代汽车通过在气缸盖内设置了副活塞，通过改变活塞的位置来改变燃烧室容积，从而获得可变压缩比。这种在气门盖上使用副活塞或气门改变燃烧室容积进而改变压缩比的想法，福特以及瑞典的Lund技术学院很早之前就研究过了，并且在两气门发动机上实现了。但是这种方案容易产生密封问题，为了保证副活塞在高温高压工况下能够要持久工作必须对其进行冷却，而且对燃烧室布置改变的不合理会导致放热损失急剧增加，使得汽油机热效率下降。

上述种种方式，都是一个目的——使发动机的压缩比可变，但都不同程度地增加了零部件和零部件的制造难度，随之产生了发动机体积及燃烧室形状大改进而影响动力、效率等许多问题。

技术实现要素：
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本发明在改变进、排方式的前提下，通过小幅度改变燃烧室的形状方式，在不影响热效率下降的基础上，通过改变燃烧室的容积而提高发动机的压缩比。

采用的技术方案：一种发动机可变压缩比机构，包括副活塞、副活塞盖和火花塞。在汽缸盖上位于燃烧室的顶部中心原火花塞的安装位置处开一个与燃烧室相通的孔作为副活塞缸体，副活塞安置在副活塞缸体内，使燃烧室仍为一个完整的密闭空间。在副活塞缸体的顶部密封固定有副活塞盖用以固定副活塞。与副活塞盖相连且向下延伸的中空结构筒体其底部设置有火花塞让位孔；所述副活塞密封套装于中空结构筒体的外侧，副活塞的内面与中空结构筒体外表面密封接触；副活塞盖固定后，副活塞盖与副活塞的上端形成的空腔为上部油腔，副活塞下端与燃烧室顶部形成的空腔为下油腔，上油腔和下油腔分别与进出油管连通；在所述副活塞的底部设置有火花塞安装孔，火花塞可拧入固定，深入于燃烧室顶部。

所述副活塞包括上层环形活塞和下层环形活塞及安装火花塞锥型中空柱体，上层环形活塞和下层环形活塞分别与所述副活塞缸体内壁密封接触，火花塞锥形中空柱体伸入燃烧室顶部，其外壁与连通燃烧室的通道内表面密封接触；在上层环形活塞和下层环形活塞之间形成的环形空腔作为冷却腔，与冷却腔连通的进水（或润滑油）口和出水（或润滑油）口分别设置于汽缸体上盖。

副活塞与汽缸体上盖之间存在的滑动配合面上设置有润滑或冷却的进出油通道。

一种含有可变压缩比机构的配气系统，包括位于燃烧室顶部的进气门和排气门，分别采用进气气门轴和排气气门轴结构；进气气门轴和排气气门轴上至少设置一个外径大于气门轴外径的凸出的旋转气门；所述旋转气门的一侧设置有让位缺口作为气流通道，让位缺口占用旋转气门圆周的四分之一；位于燃烧室顶部的进气口和排气口分别与相应的旋转气门外表面轮廓匹配并密封接触；通过驱动机构分别控制进气口旋转气门和排气口旋转气门的顺序；在汽缸盖上位于燃烧室的顶部中心原火花塞的安装位置处开一个与燃烧室相通的孔作为副活塞缸体，副活塞安置在副活塞缸体内，使燃烧室仍为一个完整的密闭空间；在副活塞缸体的顶部密封固定有副活塞盖用以固定副活塞；与副活塞盖相连且向下延伸的中空结构筒体其底部设置有火花塞让位孔；所述副活塞密封套装于中空结构筒体的外侧，副活塞的内面与中空结构筒体外表面密封接触；副活塞盖固定后，副活塞盖与副活塞的上端形成的空腔为上部油腔，副活塞下端与燃烧室顶部形成的空腔为下油腔，上油腔和下油腔分别与进出油管连通；在所述副活塞的底部设置有火花塞安装孔，火花塞可拧入固定，深入于燃烧室顶部。

所述副活塞包括位于副活塞上端和下端的上层环形活塞和下层环形活塞，上层环形活塞和下层环形活塞分别与所述缸筒体内壁密封接触；副活塞套为管状，其内壁与副活塞盖外壁表面密封接触；在上层环形活塞和下层环形活塞之间形成的环形空腔作为冷却腔，与冷却腔连通的进水（或润滑油）口和出水（或润滑油）口分别设置于汽缸体上盖。

在所述气门轴的轴心位置设置有轴向冷却通道，轴向冷却通道位于气门轴两端部设置有径向通道，并在径向通道外侧密封安装有与冷却液道相通的气门轴座，与冷却液道相通的气门轴座设置有内腔及液体接口，内腔与相应径向通道对接；通过水泵驱动使冷却液经过所述轴向通道和冷却液道相通的气门轴座构成气门轴冷却系统。

在进气口或排气口的两侧与旋转气门接触区域分别设置有气门密封片，同时在所述旋转气门轴的圆周面两端分别设置有密封环，从而密封环与其两侧气门密封片围成密封隔离层。

在所述汽缸体的内壁中部设置有汽缸体冷却腔，通过驱动机构构成缸体冷却系统。

所述气门轴冷却系统或缸体冷却系统是通过水泵驱动冷却液进入冷却系统后构成冷却环路。

位于所述径向通道外侧的冷却液道相通的气门轴座与气门轴表面之间设置有圆周密封环。

气门轴安装在与汽缸盖一体的气门轴轴承底座上，气门轴轴承上盖通过螺栓将气门轴固定，气门轴在里面旋转。

本发明的有益效果：本发明在改变进、排气方式的前提下，通过小幅度改变燃烧室的形状方式，在不影响热效率下降的基础上，通过改变燃烧室的容积而提高发动机的压缩比。本发明简易可行，零部件加工、密封、冷却等问题以现有的技术、材料而言简便可行，是实现发动机压缩比可变的有效途径。

进、排气的方式由传统的气门方式改为旋转气门，由此节省的空间可以实现压缩比可变的目的。可移动副活塞坐落在燃烧室顶部，副活塞小头中安有火花塞和密封环，可移动的副活塞上下分别有密封环。在需要高压缩比时，润滑油注入可移动副活塞的上部在副活塞密封盖之间形成空腔，副活塞在油压的作用下下行，活塞小头深入燃烧室，减少燃烧室容积，使压缩比增大。反之，在需要低压缩比时，下端空腔注入润滑油，推动副活塞上行，活塞小头从燃烧室缩回，增大燃烧室容积，使压缩比降低。副活塞上下端之间的空腔，引入润滑油（或冷却液），对副活塞进行冷却，以保证副活塞的散热。

此技术和装置，对燃烧室的形状改变极小，对动力、效率的影响几乎可以忽略不计，但可以把压缩比极大地进行改变。

优点：1、本方案的压缩比可无极调节；2、采用本技术的发动机适合于多元燃料驱动；3、有利于降低排放；4、提高运行稳定性；5、提高扭矩；6、实施简便易行；7、实施成本低。

附图说明：

图1是本发明可变压缩比机构的结构示意图；

图2是图1的装配状态示意图；

图3是图1在发动机缸盖燃烧室顶部安装结构示意图；

图4是图3中气门轴的剖面结构示意图；

图5是图1在发动机活塞缸燃烧室顶部低压缩比示意图；

图6是图2中活塞体的侧面结构示意图；

图7是图6的立体结构示意图。

图中，标号1为汽缸体，2为活塞，3为可变压缩比机构，31为副活塞盖，32为中空结构筒体，321为中心让位腔，322为环形密封圈，33为副活塞，331为环形密封圈，332为火花塞锥形中空柱体，34为上层环形活塞，341为环形密封圈，342为上油腔，343为上油腔进油口，35为下层环形活塞，351为环形密封圈，352为下油腔，353为下油腔进油口，36为环形冷却腔，37为润滑通道，38为火花塞让位孔，4为连杆，5为汽缸室，6为燃烧室，7为气门轴，8为旋转气门，91为进气口，92为排气口，10为气流通道，11为轴向冷却通道，12为汽缸体冷却腔，13为气门密封片一，14为气门密封片二，15为汽缸盖，151为进水口，152为出水口，16为螺栓，17为火花塞，171为火花塞螺纹段，18为密封环，19为与冷却液道相通的气门轴座进口端，20为与冷却液道相通的气门轴座出口端，21为进液口，22为出液口，23为径向通道，24为圆周密封环，25为气门轴座，25’为轴承上盖，26为气门轴承上盖固定螺栓，27为端部轴座。

具体实施方式：

实施例1：一种发动机可变压缩比机构，参见图1和图2，在汽缸盖上位于燃烧室的顶部中心原火花塞的安装位置处开一圆形与燃烧室相通的圆孔作为副活塞缸体，副活塞33密封安置在副活塞缸体内。设置了圆孔并安装副活塞33后仍然使燃烧室为一个完整的密闭空间。

在副活塞缸体的顶部密封固定有副活塞盖31用以固定副活塞33。其中，在副活塞盖31中心向下延伸设计一个中空结构筒体，其底部设置有火花塞让位孔。副活塞33也是中空结构，所述中空结构筒体密封套装于副活塞33的内面，副活塞33的内面与中空结构筒体外表面密封接触。

副活塞盖31固定后，与副活塞33的上端形成的空腔为上部油腔，副活塞33下端与燃烧室顶部形成的空腔为下油腔，上油腔和下油腔分别与进出油管连通。

在所述副活塞33的底部设置有火花塞安装孔，火花塞可拧入固定，深入于燃烧室顶部。

实施例2：在实施例1基础上，副活塞33包括上层环形活塞和下层环形活塞及安装火花塞锥型中空柱体，上层环形活塞和下层环形活塞分别与所述副活塞缸体内壁密封接触，火花塞锥形中空柱体伸入燃烧室顶部，其外壁与连通燃烧室的通道内表面密封接触。

在本实施例中，由上层环形活塞和下层环形活塞之间形成的环形空腔作为冷却腔，与冷却腔连通的进水（或润滑油）口和出水（或润滑油）口分别设置于汽缸体上盖。

副活塞33与汽缸体上盖之间存在的滑动配合面上，也可设置有润滑、冷却、进出油通道。例如润滑道37。

实施例3：一种含有可变压缩比机构的配气系统，如图3所示，位于燃烧室顶部的进气门和排气门分别采用进气气门轴和排气气门轴结构。燃烧室位于气缸体1上部，气缸体1下部为活塞2、曲轴和连杆4等部件。

气门轴的具体结构参见图4，在进气气门轴和排气气门轴上设置四个（数量不限）外径大于气门轴外径的凸出的旋转气门。旋转气门的一侧设置有让位缺口作为气流通道10，让位缺口占用旋转气门圆周的四分之一。

位于燃烧室顶部的进气口91和排气口92分别与相应的旋转气门外表面轮廓匹配并密封接触。例如，在进气口91或排气口92的两侧与旋转气门接触区域分别设置有气门密封片，同时在所述旋转气门轴的圆周面两端分别设置有密封环18，从而密封环18与其两侧气门密封片围成密封隔离层。

通过驱动机构（或正时链条）分别控制进气口91旋转气门81和排气口旋转气门82的顺序，实现进气口旋转气门81和排气口旋转气门82按周期通气或密闭。驱动机构可以通过电机驱动主动齿轮（或蜗杆）旋转，然后再驱动气门轴正时齿轮转动，气门轴正时齿轮安装于相应气门轴上，如。

气门轴安装在与气缸盖一体的气门轴轴承底座上，气门轴轴承上盖通过螺栓将气门轴固定，气门轴在里面旋转。

进气气门轴进气开口与进气管接通，气流可以无阻碍地进入气缸，完成发动机第一个工作行程—进（吸）气。此时活塞处于下止点位置，排气气门轴上排气开口则处于关闭状态。

进气侧气门轴进气开口旋转90°，使进气道与燃烧室断开，气缸内形成密闭空腔，将进入气体进行压缩，完成发动机工作第二个行程——压缩行程；此时活塞处于上止点位置，排气气门轴上排气开口旋转90°，仍处于关闭状态。

火花塞点燃燃烧室压缩可燃混合气体，推动活塞做工下行至下止点，进、排气轴继续同时旋转90°，气缸仍为密闭空间，完成发动机工作第三个行程—爆发（作功），输出动力。

活塞由下止点上行时，排气气门轴旋转90°，排气开口与排气管相通，废气在活塞上行推力作用下排出气缸。此时，进气门轴也同时旋转90°。待活塞下行时，进、排气轴继续同时旋转90°，进气轴开口与进气道相通，排气轴开口关闭，以进行下一次进（吸）气行程。

轴式旋转气门的驱动方式也可采用正时链条（皮带）传动和电动机驱动二种方式。

参见图1和图2，在汽缸盖上位于燃烧室的顶部中心原火花塞的安装位置处开一个与燃烧室相通的孔作为副活塞缸体，副活塞33安置在副活塞缸体内。在副活塞缸体的顶部密封固定有副活塞盖31用以固定副活塞。副活塞套装于副活塞缸体后仍然使燃烧室为一个完整的密闭空间。

与副活塞盖31相连且向下延伸的中空结构筒体32的底部设置有火花塞让位孔38。所述副活塞密封套装于中空结构筒体32的外侧，副活塞的内面与中空结构筒体外表面密封接触。副活塞盖31固定后，副活塞盖31与副活塞的上端形成的空腔为上部油腔，副活塞下端与燃烧室顶部形成的空腔为下油腔，上油腔和下油腔分别与进出油管连通；在所述副活塞的底部设置有火花塞安装孔，火花塞可拧入固定，深入于燃烧室顶部。

由图1、图6和图7可见，位于副活塞上端和下端的上层环形活塞和下层环形活塞，上层环形活塞和下层环形活塞分别与所述缸筒体内壁密封接触；副活塞套为管状，其内壁与副活塞盖31外壁表面密封接触；在上层环形活塞和下层环形活塞之间形成的环形空腔作为冷却腔，与冷却腔连通的进水或润滑油口和出水或润滑油口分别设置于汽缸体上盖。

实施例4：一种含有可变压缩比机构的配气系统，在实施例3基础上，又在所述气门轴的轴心位置设置有轴向冷却通道11，轴向冷却通道11位于气门轴两端部设置有径向通道23，并在径向通道23外侧密封安装有与冷却液道相通的气门轴座，与冷却液道相通的气门轴座设置有内腔及液体接口，冷却液道相通的气门轴座的内腔与相应径向通道23对接。与冷却液道相通的气门轴座进口端19和与冷却液道相通的气门轴座出口端。通过水泵驱动使冷却液经过所述轴向通道和冷却液道相通的气门轴座构成气门轴冷却系统。位于所述径向通道23外侧的冷却液道相通的气门轴座与气门轴表面之间设置有圆周密封环24。气门轴安装在与气缸盖一体的气门轴轴承底座上，气门轴轴承上盖通过螺栓将气门轴固定，气门轴在里面旋转。

另外，在所述气缸体1的内壁中部也设置有气缸体冷却腔12，通过驱动机构及水泵构成缸体冷却系统。

所述气门轴冷却系统或缸体冷却系统是通过水泵驱动冷却液进入冷却系统后构成冷却环路。