一种气缸停缸时停止活塞运动的机构的制作方法

本发明涉及往复活塞式发动机，尤其涉及一种气缸停缸时停止活塞运动的机构。

背景技术：

往复活塞式发动机的停缸技术通常采用停止气门运动的方式来实现，气门停止运动后活塞仍在往复运动，产生额外的摩擦损失。通常，在发动机摩擦损失中，活塞-连杆-曲轴机构所产生的摩擦占有最大份额。

对于大排量发动机，例如V6、V8、V12，应用进排气门停止机构可将发动机的工作气缸数减半或者其他数量。例如，奔驰S500V8发动机在发动机转速1000-3500rpm、自动变速器档位在3、4、5档时关闭4个气缸，对应的车速为40-160km/h。本田V-6、3.5L发动机可在3缸、4缸、6缸中切换，3缸应用于低负荷工况，如巡航，4缸用于缓加速工况和3缸不能胜任的高转速工况，6缸应用于更高负荷的工况。对于小排量发动机，大众首先在四缸机上应用停缸技术，其车型Polo Blue GT上的1.4TSI发动机的停缸工况可覆盖1400-4000rpm、25-100Nm区间，模式切换的响应时间在180°凸轮轴转角之内。大众公司宣称在欧洲测试循环试验中，在中低负荷下关闭第2、3缸进排气门的停缸策略将降低油耗0.4L/60miles。

现有一种活塞止动机构在曲轴连杆系中应用四杆机构实现停止活塞运动的功能，如图8和图9所示，其中的四杆机构中有一杆可调整，用于实现活塞的运动和停止。

对于已在量产车中应用的气门停止机构，停缸时活塞仍在往复运动，产生摩擦能量损失；对于可调四杆机构，其机构相对复杂，对原发动机的改动较大。因此，本领域的技术人员致力于开发一种气缸停缸时停止活塞运动的机构，应用在带有气门停止机构的发动机上，当气门停止运动后，活塞也停止运动，避免摩擦损失，与此同时，只对活塞和活塞销稍作修改，即可实现停止活塞运动的功能，避免了四杆机构的复杂性。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何在带有气门停止机构的发动机上，应用简单设计，当气门停止运动后，活塞也停止运动，避免摩擦损失。

为实现上述目的，本发明提供了一种气缸停缸时停止活塞运动的机构，包括活塞销(2)，所述活塞销(2)的两端各装有两个与缸套表面接触的轴承；所述活塞销(2)的下部开放且上方有一螺纹孔，所述螺纹孔上装有带楔形槽的螺柱(10)；活塞销(2)包括电机(14)驱动的螺旋传动机构，所述螺旋传动机构包括两个由螺旋传动机构驱动的圆柱形滑块(12)，一滑块内有压缩式弹簧(11)和带内螺纹的方形滑块(13)，另一滑块内装有驱动电机(14)；所述螺旋传动机构还包括为可伸缩电线(5)和电线(17)，所述可伸缩电线(5)和所述电线(17)两线相连；所述螺旋传动机构被配置为检测曲轴位置的控制器为电机(14)提供动作信号，控制电机改变两个圆柱形滑块(12)的位置。

进一步地，所述方形滑块(13)与驱动电机(14)输出轴螺纹套(16)配合形成螺旋传动，驱动两个圆柱形滑块(12)相互远离或接近。

进一步地，所述驱动电机(14)由可伸缩电线(5)提供驱动信号。

进一步地，所述两个圆柱形滑块(12)分别由两个圆柱端紧定螺钉(15)限制其绕自身轴线的旋转运动，并被限制在一定距离内的轴向移动。

进一步地，所述活塞销(2)被配置为分离时的上止点为排气上止点，结合时为压缩上止点或排气上止点。

进一步地，所述上止点判断和曲轴位置判断由原发动机控制系统提供。

进一步地，所述活塞销(2)的分离和结合依靠电机(14)在合适的曲轴转角位置时驱动两圆柱形滑块(12)的移动实现。

进一步地，所述两个圆柱形滑块(12)开始接近时，气缸(4)处于膨胀或排气冲程，所述两个圆柱形滑块(12)开始远离时，气缸(4)处于进气、压缩、膨胀或者排气中的任一冲程中。

进一步地，所述轴承为滚动轴承(8)或直线轴承。

进一步地，在活塞销(2)两端各安装两个滚动轴承(8)，其中一侧的滚动轴承支撑轴(18)配有弓形弹簧(9)。

本发明所述的一种可以在往复活塞式发动机运转过程中实现活塞(1)和活塞销(2)分离和结合的机构，它包括：两端各有至少2个滚动轴承的活塞销(2)；活塞销孔下部开放、上方有一螺纹孔(活塞顶为向上方向)，孔上装有带楔形槽的螺柱(10)；一套电机(14)驱动的螺旋传动机构，包括2个由螺旋传动机构驱动的圆柱形滑块(12)，一滑块内有压缩式弹簧(11)和带内螺纹的方形滑块(13)，另一滑块内装有电机(14)，该滑块与电机固联；为电机提供控制信号的可伸缩电线(5)和电线(17)，两线相连；检测曲轴位置的控制器为电机(14)提供动作信号，控制电机改变两个圆柱形滑块(12)的位置，决定滑块是否进入螺柱(10)上与滑块形状对应的楔形槽，从而决定活塞(1)与活塞销(2)在上止点时分离或结合。

活塞销(1)两端各装有2个与缸套表面接触的滚动轴承(8)，保证活塞销(2)保持正常运动轨迹，并且不发生绕自身轴线的旋转运动。在合适的曲轴转角时，活塞销(2)内的电机(14)(输出轴装有螺纹套(16))和方形滑块(13)(中部有内螺纹孔)驱动的螺旋传动机构推拉圆柱形滑块(2)。本发明中包括2个带楔形端的圆柱形滑块(2)，相应地，安装活塞上的螺柱(10)上有楔形凹槽可与之配合，滑块退出凹槽或进入凹槽分别对应活塞和活塞销分离或结合。

活塞1和活塞销2分离时的上止点为排气上止点，以确保活塞在活塞环与缸套间摩擦力的作用下更易保持在上止点。结合时为压缩上止点或排气上止点。上止点判断和曲轴位置判断由原发动机控制系统提供。

为实现活塞1和活塞销2在排气上止点处分离，在该上止点前的某一曲轴转角位置(540°曲轴转角之内，即压缩、膨胀、排气冲程的任一位置)，圆柱形滑块12在电机14驱动下开始被预先收回，在排气上止点时实现分离；为实现结合，当活塞销不处于上止点时，圆柱形滑块被推出，当活塞销到达上止点时，与圆柱形滑块相连的压缩式弹簧11完成一次快速的压缩和恢复过程，将两圆柱形滑块12及时弹入螺柱10上的楔形槽，结合完成。结合过程中活塞1顶部与汽缸盖接触，限制活塞1在结合过程中移动。由于结合过程在上止点，运动的活塞销2在上止点处速度为零，不会冲击静止的活塞1。

两个圆柱形滑块12分别由两个圆柱端紧定螺钉15限制其绕自身轴线的旋转运动，并被限制在一定距离内的轴向移动。紧定螺钉前端面未与圆柱形滑块10接触，它的紧固是由于活塞销2上与其配合的螺纹孔螺纹较浅实现的。

本发明中，考虑到气缸4的响应特性很可能无法满足在活塞销2经过上止点的那一极短时间内即可将圆柱形滑块12推出完成活塞1和活塞销2的结合动作，圆柱形滑块12内的压缩式弹簧11是必需的，这样在活塞销2达到上止点和活塞1结合之前，电机14就将圆柱形滑块12提前推出等待即将到来的活塞销2，等活塞销2达到上止点时，在压缩式弹簧11的作用下圆柱形滑块12被快速推入楔形槽完成结合。

驱动电机14工作的电线5在本发明中被设计为螺旋可伸缩的形式，以满足活塞高频高速往复运动的要求。可伸缩电线5一端固定于活塞销，一端固定于曲轴箱机体。可伸缩电线5与电机控制线17连接。

两个圆柱形滑块12的相互远离和接近动作依靠螺旋传动方式实现，但利用发动机润滑油通过液压传动也可能实现，因此液压传动是替代方案。使用类似电磁阀的机构驱动两圆柱形滑块12接近或原理也是替代方案。

活塞销2两端的滚动轴承8与气缸4缸壁接触，形成阻力小的滚动摩擦，但直线轴承中的结构也可能应用到活塞销2与气缸4缸壁的接触处，形成滚动摩擦，因此在活塞销两端应用直线轴承是替代方案。

考虑到可伸缩电线可能会在活塞销高频往复运动的情况下发生失效，某些无线电力传输方案，例如磁耦合谐振(resonant coupling transfer)是替代方案。

本发明在现有的常规活塞和活塞销产品的基础上对其结构做出少量修改，在确保结构强度、刚度等满足要求的前提下，使该发明的应用不必以大幅度地修改原来的活塞和活塞销结构为代价。现有的量产车型上应用的停缸技术一般只涉及到停止气门运动，活塞仍在往复运动，活塞裙部、活塞环与缸壁摩擦产生摩擦损失，该机构可以消除这一部分的摩擦损失。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的总体图示图；

图2是本发明的一个较佳实施例的活塞和活塞销结合状态示意图(正视)；

图3是本发明的一个较佳实施例的活塞和活塞销结合状态示意图(仰视)；

图4是本发明的一个较佳实施例的活塞销内布置示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的圆柱端紧定螺钉布置示意图；

图6是本发明的一个较佳实施例的活塞销内部布置透视图(结合状态)；

图7是本发明的一个较佳实施例的活塞销内部布置透视图(分离状态)；

图8是现有技术的四杆机构的活塞处于往复运动的状态；

图9是现有技术的四杆机构的活塞处于停止运动的状态；

其中，1-活塞；2-活塞销；3-连杆；4-气缸；5-伸缩电线；6-曲轴；7-开口销；8-滚动轴承；9-弓形弹簧；10-带楔形槽螺柱；11-压缩式弹簧；12-圆柱形滑块；13-

方形滑块；14-电机；15-圆柱端紧定螺钉；16-电机输出轴螺纹套；17-电机控制线；18-滚动轴承支撑轴；21-活塞连杆；22-曲轴；23-连件；24-连杆扩展；25-主连杆；26-振子；27-调节器。

具体实施方式

如图1所示，本发明在现有活塞和活塞销产品基础上进行改造，改造后的活塞1的特征是：活塞销孔下方开放，以便活塞销与活塞分离，活塞销孔上方各安装有带楔形槽的螺柱10。如图2和图3所示，活塞销2的特征是：为保证活塞销2分离后活塞销仍可保持原运动轨迹运动，在活塞销两端各安装两个滚动轴承8，其中一侧的滚动轴承支撑轴18配有弓形弹簧9，用于使滚动轴承紧贴气缸4壁面。滚动支撑轴的轴向限位依靠开口销7来实现。

如图4、图5和图6所示，活塞销2内部布置有电机14、圆柱形滑块12、方形滑块13、压缩式弹簧11。电机14输出轴上安装有螺纹套16，方形滑块13中部开有螺纹孔，从而电机输出轴螺纹套16和方形滑块13形成简易螺旋传动机构，电机轴转动驱动方形滑块移动，方形滑块再进一步驱动圆柱形滑块12移动。活塞销2上安装有两颗圆柱端紧定螺钉15，圆柱形滑块12上开槽圆柱端紧定螺钉15的圆柱形头部进入槽内，但头部端面不与槽底接触，圆柱端紧定螺钉15对圆柱形滑块12起限位作用，一方面限制圆柱形滑块12的轴向移动范围，一方面防止圆柱形滑块12绕轴线转动。

圆柱形滑块12一端加工成与带楔形槽螺柱10上的楔形槽对应的外形，以便圆柱形滑块12与带楔形槽螺柱10结合。圆柱形滑块12与方形滑块12之间安装有压缩式弹簧11，其作用是可确保活塞1与活塞销2结合之前，圆柱形滑块12可预先推出，等活塞销2达到上止点时，在压缩式弹簧11的作用下圆柱形滑块12和带楔形槽螺柱10结合，从而活塞1与活塞销2结合。

活塞1与活塞销2分离步骤为：在发动机某一气缸的某个工作循环内(在该工作循环内，进排气气门在执行了此循环的工作动作后即将在下一工作循环停止运动，此功能由现有的气门停止机构实现)，发动机原传感器和控制器系统检测到该气缸处于压缩、膨胀或排气冲程时，电机14接受到控制信号将方形滑块13拉回，两圆柱形滑块12由此被拉回，相互接近，等该工作循环完成，活塞1与活塞销2一同达到排气上止点之后，由于圆柱形滑块12已经被拉出带楔形槽滑块10的楔形槽，所以活塞销2与活塞1无连接关系，活塞销2离开排气上止点，而活塞1则在摩擦力和燃烧室内外压力差的作用下留在排气上止点。如图7所示，分离完成。

活塞1与活塞销2结合步骤为：发动机原传感器和控制器系统检测到活塞销处于非上止点位置时，电机14接收到控制信号将方形滑块13推出，从而两圆柱形滑块12相互远离，等活塞销2到达上止点后，由于两圆柱形滑块12已被预先推出，在压缩式弹簧11的作用下，两圆柱形滑块12端部嵌入带楔形槽螺柱10的楔形槽内，活塞销2与活塞1建立连接关系，活塞1开始与活塞销2一同运动。如图6所示，结合完成。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。