一种可实现米勒循环的曲柄连杆机构及控制方法与流程

文档序号:15578978发布日期:2018-09-29 06:20

本发明涉及活塞式内燃机技术领域,具体为一种可实现米勒循环的曲柄连杆机构及控制方法。



背景技术:

活塞式内燃机在车辆、非道路移动机械、船只和一些固定式发电机组当中作为动力源而被广泛使用,为国民经济的发展做出了重要的贡献。随着经济和工业技术的发展,活塞式内燃机的保有量持续增大,为能源和环境带来了很大的压力。因此,节能减排一直以来都是活塞式内燃机工作者的追求目标。

通常情况下,当提高活塞式内燃机的压缩比时,可以提高其燃油经济性和排放水平。然而,当发动机的负荷比较大时,大的压缩比有可能造成发动机工作粗爆,发动机的噪声和排放恶化,甚至造成发动机的机械损坏。为了解决一问题,可变压缩比发动机的想法被提出来,这种可变压缩比发动机根据发动机所处的状态动态地调节其压缩比,以最优化其性能。

目前,已经公开的资料显示,可变压缩比发动机一般分为以下几大类:1通过改变曲轴的位置来改变发动机压缩比,如专利CN201210494582.4;2通过改变活塞的形状来改变发动机的压缩比如专利CN201110253913.0;3通过缸盖上的某个装置来改变余隙容积来改变压缩比,如专利CN201710106970.34通过改变连杆与曲轴的相对位置关系或者是改变连杆长度来改变压缩比,例如专利CN200810067205.6 、CN200710029634.X和CN201710229147.1。上述方案虽然都能够实现改变压缩比,但是改变曲轴的位置涉及到与曲轴位置相关的装置都必须重新设计,例如输出端的飞轮等,造成发动机的结构十分复杂;改变活塞的形状会造成其动态压缩比控制很困难。改变连杆与曲轴的相对位置这种方案具有较高的可行性,例如专利CN201710229147.1所提出的技术方案,但是该专利的控制方案采用了步进电机和外部接触式电路,步进电机的响应速度很难与发动机的高转速进行同步可变压缩比控制,并且在高速旋转的曲轴上增加步进电机质量对于曲轴的动平衡等机械性能也会造成很大的影响,同时外部接触式电路的方式也会降低其控制可靠性。



技术实现要素:

针对上述问题,本发明的目的在于提供一种液压-机械式可变压缩比的曲轴连杆机构;该机构可以与发动机的旋转同步运动,实现动态的压缩比调节,进一步的可以实现在发动机一个工作冲程内的压缩比调节,进而实现米勒循环。技术方案如下:

一种可实现米勒循环的曲柄连杆机构,包括曲轴、曲轴支承盖、曲轴支承座、驱动齿轮总成、行星齿轮总成和锁销;

所述曲轴包括相互固定连接的主轴颈、连杆颈和曲轴平衡块;

所述主轴颈可旋转的安装于所述曲轴支承盖和曲轴支承座形成圆柱孔内;所述圆柱孔内壁设有环向内凹的曲轴支承驱动油道环槽和曲轴支承锁止油道环槽,曲轴支承座上设有通向曲轴支承驱动油道环槽的驱动油道,及通向曲轴支承锁止油道环槽的锁止油道;

所述连杆颈与主轴颈轴线相错且平行,其外部套设有圆筒状的偏心连杆瓦,偏心连杆瓦内柱面与外柱面的轴线相错且平行,且偏心连杆瓦内壁与连杆颈间隙配合,外壁与连杆大头间隙配合,且其一端的外沿设有外啮合齿圈,外啮合齿圈与内柱面同轴;

所述曲轴平衡块与连杆颈分局于主轴颈轴线两侧,曲轴平衡块上设有轴线与主轴颈轴线平行的驱动齿轮空心轴安装孔,驱动齿轮空心轴安装孔内壁设有环向内凹的锁止油道环槽和驱动油道环槽,驱动油道环槽的槽底均匀排布有多个孔深沿径向的锁止销孔;

所述曲轴内还设有将曲轴支承锁止油道环槽和锁止油道环槽连通的曲轴锁止油道,及将曲轴支承驱动油道环槽和驱动油道环槽连通的曲轴驱动油道;

所述驱动齿轮总成包括驱动齿轮空心轴及同轴固定于驱动齿轮空心轴一端的驱动齿轮;驱动齿轮空心轴可旋转的安装于驱动齿轮空心轴安装孔内,其侧壁上开设有多个与锁止油道环槽对应的锁止油通孔,及多个与驱动油道环槽对应的销孔;驱动齿轮通过一惰轮与所述外啮合齿圈啮合;所述惰轮的轴固定在曲轴平衡块上,且与主轴颈平行;

所述行星齿轮总成包括安装于驱动齿轮空心轴内的行星齿轮轴,及同轴固定于行星齿轮轴一端的行星齿轮;行星齿轮轴对应于锁止油通孔的圆周上设有行星齿轮轴锁止油环槽,对应于销孔的圆周上设有多个驱动销孔;行星齿轮轴上还设有由行星齿轮轴锁止油环槽通向驱动销孔的行星齿轮轴锁止油道;行星齿轮与内啮合齿圈啮合;内啮合齿圈固定在曲轴支承盖和曲轴支承座所形成的平面上,且与主轴颈同轴;

所述锁销设置于销孔内,并能够在液压油的驱动下向锁止销孔或驱动销孔内移动;锁销的长度等于或略小于驱动齿轮空心轴的壁厚,且大于锁止销孔和驱动销孔的深度。

进一步的,所述偏心连杆瓦沿内圆柱面轴线剖分为正偏置半瓦和负偏置半瓦,剖分面与偏心矩方向不平行也不垂直。

更进一步的,所述锁止销孔为6个;所述销孔为8个;所述驱动销孔为6个,所述锁销为8个。

一种可实现米勒循环的曲柄连杆机构的控制方法,包括:

当发动机某一缸的活塞处于进气行程下止点前某一时刻时,控制该缸的压缩比处于最大状态;

当活塞继续运动时,控制压缩比由大变小,直到在进气行程下止点后的某一时刻其压缩比变到最小,然后保持压缩比不变;

当活塞向上运动到压缩行程上止点前某一位置时,控制压缩比由小逐渐变大直到在压缩上止点后某一位置,压缩比达到最大值,然后保持压缩比不变;

当活塞继续运动到做功行程下止点前某一时刻时,控制压缩比由大变小,直到在做功行程下止点后的某一时刻其压缩比变到最小,然后保持压缩比不变;

当活塞继续向上运动到排气行程上止点前某一位置时,控制压缩比由小逐渐变大,直到在压缩上止点后某一位置,压缩比达到最大值,然后保持压缩比不变。

进一步的,改变发动机压缩比的速度由偏心连杆瓦外啮合齿圈、惰轮、驱动齿轮、行星齿轮和内啮合齿圈的总传动比决定。

更进一步的,改变压缩比的时间步长由锁止销孔数目、销孔数目、驱动销孔数目,及内啮合齿圈与行星齿轮的传动比决定。

本发明的有益效果是:

1)本发明通过改变连杆瓦的偏心量来改变压缩比,所需要的驱动力矩小,驱动系统可以简化;

2)本发明所提供的偏心连杆瓦的剖分面不平行也不垂直于偏心矩方向,避免了某一特定压缩比状态下曲轴与连杆的力作用在缝隙上,保证了在全压缩比范围内的曲轴与连杆的力不会造成偏心连杆瓦的破坏;

3)本发明改变压缩比的驱动力采用了齿轮传动,传动平稳、稳定可靠;

4)本发明改变压缩比的驱动力来自曲轴的旋转,简化了驱动力系统,

5)本发明改变压缩比的驱动力系统可采用完全对称设计,并且驱动力系统本身的质量也可以作为平衡块的质量用于平衡发动机的不对称性,不会对原曲轴平衡块造成过大影响,减小曲轴动平衡开发工作量;

6)本发明通过改变偏心连杆瓦外啮合齿圈、惰轮、驱动齿轮、行星齿轮、内啮合齿圈的总传动比可以很容易地改变发动机压缩比的改变速度;

7)本发明通过改变锁止销孔数目、驱动齿轮空心轴上的销孔数目、驱动销孔数目和内啮合齿圈与行星齿轮的传动比可以很容易地改变压缩比的控制时间步长按曲轴转角记;

8)本发明采用机械液压控制,控制柔性大,控制灵活;

9)本发明可以扩展到任意缸数的发动机;

10)本发明可以用于直列和V型等多种结构形式的发动机。

附图说明

图1为本发明可实现米勒循环的曲柄连杆机构的整体结构剖面示意图。

图2为本发明可实现米勒循环的曲柄连杆机构中偏心连杆瓦剖视图。

图3为本发明可实现米勒循环的曲柄连杆机构中曲轴油道示意图。

图4为本发明可实现米勒循环的曲柄连杆机构中驱动齿轮总成剖视图。

图5为本发明可实现米勒循环的曲柄连杆机构中行星齿轮总成剖视图。

图6为四缸机布置示意图。

图7位本发明控制示意图。

图中:1-曲轴支承盖;2-曲轴;3-曲轴支承座;4-偏心连杆瓦;5-内啮合齿圈;6-驱动油道;7-锁止油道;8-行星齿轮总成;9-曲轴平衡块;10-锁销;11-驱动齿轮总成;12-惰轮;13-主轴颈;14-连杆颈-15-外啮合齿圈;a1-正偏置半瓦;a2-正偏置半瓦齿圈;a3-负偏置半瓦;a4-负偏置半瓦齿圈;a5-连杆瓦内圆圆心;a6-连杆瓦外圆圆心;b1-锁止油通孔;b2-驱动齿轮空心轴;b3-驱动齿轮;b4-销孔;c1-行星齿轮轴锁止油环槽;c2-行星齿轮轴锁止油道;c3-行星齿轮;c4-行星齿轮轴;c5-驱动销孔;f0-锁止油道环槽;f1-驱动油道环槽;f2-锁止销孔;f3-曲轴支承驱动油道环槽;f4-曲轴支承锁止油道环槽;f5-曲轴驱动油道;f6-曲轴锁止油道;f7-驱动齿轮空心轴安装孔;f20-锁止销孔中心圆; b40-销孔中心圆;c50-驱动销孔中心圆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示,一种可实现米勒循环的曲柄连杆机构,包括曲轴2、曲轴支承盖1、曲轴支承座3、驱动齿轮总成11、行星齿轮总成8和锁销10。

所述曲轴支承座3为发动机机体的一部分,主要用于安装曲轴2,曲轴支承盖1与所述曲轴支承座3配对形成圆柱孔,一台发动机内所有的圆柱孔保持同轴。

所述曲轴2包括相互固定连接的主轴颈13、连杆颈3和曲轴平衡块9。

所述主轴颈13可旋转的安装于所述曲轴支承盖1和曲轴支承座3形成圆柱孔内;所述圆柱孔内壁设有环向内凹的曲轴支承驱动油道环槽f3和曲轴支承锁止油道环槽f4,曲轴支承座3上设有通向曲轴支承驱动油道环槽f3的驱动油道6,及通向曲轴支承锁止油道环槽f4的锁止油道7。

所述连杆颈3与主轴颈13轴线相错且平行,其外部套设有圆筒状的偏心连杆瓦4,偏心连杆瓦4内柱面与外柱面的轴线相错且平行,且偏心连杆瓦4内壁与连杆颈3间隙配合,外壁与连杆大头间隙配合,且其一端的外沿设有外啮合齿圈15,外啮合齿圈15与内柱面同轴。如图2所示,所述偏心连杆瓦4沿内圆柱面轴线剖分为正偏置半瓦a1和负偏置半瓦a3,正偏置半瓦a1和负偏置半瓦a3配合形成完整的偏心连杆瓦,剖分面与偏心矩方向不平行也不垂直。偏心连杆瓦4可以在曲轴连杆颈与连杆大头之间自由转动,但不能轴向移动;

所述曲轴平衡块9与连杆颈3分局于主轴颈13轴线两侧,曲轴平衡块9上设有轴线与主轴颈13轴线平行的驱动齿轮空心轴安装孔f7,驱动齿轮空心轴安装孔f7内壁设有环向内凹的锁止油道环槽f0和驱动油道环槽f1,驱动油道环槽f1的槽底均匀排布有多个孔深沿径向的锁止销孔f2;所述锁止销孔f2为6个,且均匀加工在驱动油道环槽f1底部的圆周上。所述6个锁止销孔f2轴线在同一平面内,且与驱动油道环槽f1同平面,且平面与驱动齿轮空心轴安装孔轴线垂直。

如图3所示,所述曲轴2内还设有将曲轴支承锁止油道环槽f4和锁止油道环槽f0连通的曲轴锁止油道f6,及将曲轴支承驱动油道环槽f3和驱动油道环槽f1连通的曲轴驱动油道f5。

如图4所示,所述驱动齿轮总成11包括驱动齿轮空心轴b2及同轴固定于驱动齿轮空心轴b2一端的驱动齿轮b3;驱动齿轮空心轴b2可旋转的安装于驱动齿轮空心轴安装孔f7内,其侧壁上开设有多个与锁止油道环槽f0对应的锁止油通孔b1,及多个与驱动油道环槽f1对应的销孔b4。销孔b4为分布在驱动齿轮空心轴b2同一圆周上的8个通孔。所述锁止油通孔b1与所述销孔b4不在同一平面上,且两者在圆周上不相互干涉。所述驱动齿轮总成11通过所述驱动齿轮空心轴b2安装在所述曲轴平衡块9的驱动齿轮空心轴安装孔f7内,且驱动齿轮空心轴b2与驱动齿轮空心轴安装孔f7可以旋转,但在轴线方向上不可移动。所述驱动齿轮总成安装好后,驱动齿轮b3与偏心连杆瓦4的外啮合齿圈在同一平面上,驱动齿轮b3通过一惰轮12与所述外啮合齿圈15啮合;所述惰轮12的轴固定在曲轴平衡块9上,且与主轴颈13平行。所述驱动齿轮b3、惰轮12、偏心连杆瓦4的外啮合齿圈依次两两啮合。

如图5所示,所述行星齿轮总成8包括安装于驱动齿轮空心轴b2内的行星齿轮轴c4,及同轴固定于行星齿轮轴c4一端的行星齿轮c3;所述行星齿轮总成通过行星齿轮轴c4安装在驱动齿轮空心轴b2内,安装好后行星齿轮轴c4在驱动齿轮空心轴b2内可以旋转但不能轴向运动。行星齿轮轴c4对应于锁止油通孔b1的圆周上设有行星齿轮轴锁止油环槽c1,对应于销孔b4的圆周上设有多个驱动销孔c5;驱动销孔c5的数量为6个,且均匀分布在行星齿轮轴上。行星齿轮轴c4上还设有由行星齿轮轴锁止油环槽c1通向驱动销孔c5的行星齿轮轴锁止油道c2;行星齿轮轴锁止油道c2为封闭油道,两端分别连接驱动销孔c5和行星齿轮轴锁止油环槽c1。行星齿轮c3与内啮合齿圈5啮合;内啮合齿圈5固定在曲轴支承盖1和曲轴支承座3所形成的平面上,且与主轴颈13同轴。

所述锁销10数量为8,设置于销孔b4内,并能够在液压油的驱动下向锁止销孔f2或驱动销孔c5内移动;锁销10的长度等于或略小于驱动齿轮空心轴b2的壁厚,且大于锁止销孔f2和驱动销孔c5的深度。锁销10可以在驱动齿轮空心轴销孔b4与曲轴平衡块锁止销孔f2内移动,锁销10也可以在驱动齿轮空心轴销孔b4与行星齿轮轴驱动销孔c5内移动。

所述液压-机械式可变压缩比的曲轴连杆机构每一缸均有一套。图6为四缸机布置示意图。

在发动机运行过程中,所述液压-机械式可变压缩比的曲轴连杆机构的控制是这样实现的:

压缩比不需要改变时,外部的油压通过锁止油道7使液压油充满加工在曲轴支承盖1和支承座4上的曲轴支承锁止油道环槽f4;再经加工在曲轴2上的曲轴锁止油道f6进入曲轴平衡块9上的锁止油道环槽f0;曲轴平衡块9上的锁止油道环槽f0内的液压油经驱动齿轮空心轴b2上的锁止油通孔b1进入加工在行星齿轮轴c4上的行星齿轮轴锁止油环槽c1;再经行星齿轮轴锁止油道c2进入到加工在行星齿轮轴c4上的驱动销孔c5,将驱动销孔c5内的锁销10推出,锁销10被推出后要么停留在驱动齿轮空心轴b2的销孔b4内,要么处于驱动齿轮空心轴b2的销孔b4与曲轴平衡块9的锁止销孔f2之间,由此将驱动齿轮空心轴b2与曲轴平衡块9锁定在一起;当驱动齿轮空心轴b2与曲轴平衡块9锁定在一起后,驱动齿轮b3与曲轴平衡块9同步运动,行星齿轮c3随曲轴平衡块9在内啮合齿圈5内转动,行星齿轮轴c3在驱动齿轮空心轴b2内转动,惰轮12和偏心连杆外啮合齿圈不转动,偏心连杆瓦4与曲轴连杆颈的位置关系不变,由此保持压缩比不变。

当压缩比需要改变时,外部的油压通过驱动油道6使液压油充满加工在曲轴支承盖1和曲轴支承座3上的曲轴支承驱动油道环槽f3;再经加工在曲轴上的曲轴驱动油道f5进入曲轴平衡块9上的驱动油道环槽f1;曲轴平衡块9上的驱动油道环槽f1内的锁止销孔f2内的锁销10被液压油推出,锁销10被推出后要么停留在驱动齿轮空心轴b2的销孔b4内,要么处于驱动齿轮空心轴b2的销孔b4与行星齿轮轴c4的驱动销孔c5之间,由此将驱动齿轮空心轴b2与行星齿轮轴c4锁定在一起;行星齿轮c3随曲轴平衡块9在内啮合齿圈5内转动,当驱动齿轮空心轴b2与行星齿轮轴c4锁定在一起后,行星齿轮轴c4与驱动齿轮空心轴b2同步转动;由此行星齿轮轴c4将运动传递给驱动齿轮b3,再通过惰轮12传递给偏心连杆外啮合齿圈,偏心连杆瓦4绕曲轴连杆颈旋转,由此改变发动机的压缩比;当在连杆颈最外侧由负偏置半瓦a3转向正偏置半瓦a1时发动机压缩比变大,当由正偏置半瓦a1转向负偏置半瓦a3时发动机压缩比变小。

为了实现米勒循环,在发动机运行过程中,所述液压-机械式可变压缩比的曲轴连杆机构的控制是这样实现的:

当发动机某一缸的活塞处于进气行程下止点前某一时刻,此时控制该缸的压缩比处于最大状态;当活塞继续运动时,控制压缩比由大变小,直到在进气行程下止点后的某一时刻其压缩比变到最小,然后保持压缩比不变;当活塞向上运动到压缩行程上止点前某一位置时,此时控制压缩比由小逐渐变大直到在压缩上止点后某一位置达到最大值,然后保持压缩比不变;当活塞继续运动到做功行程下止点前某一时刻,控制压缩比由大变小,直到在做功行程下止点后的某一时刻其压缩比变到最小,然后保持压缩比不变;当活塞继续向上运动到排气行程上止点前某一位置时,此时控制压缩比由小逐渐变大直到在压缩上止点后某一位置达到最大值,然后保持压缩比不变;然后发动机进入下一个进气行程,如此循环往复即可连续运行。

如此控制可以让发动机的进气压缩比小于做功膨胀比,实现米勒循环。改变压缩比的时刻可以根据发动机的需求进行灵活控制;改变发动机压缩比的速度由所述偏心连杆瓦外啮合齿圈、惰轮、驱动齿轮、行星齿轮、内啮合齿圈的总传动比决定;改变压缩比的时间步长按曲轴转角记,由锁止销孔数目、驱动齿轮空心轴上的销孔数目、驱动销孔数目和内啮合齿圈与行星齿轮的传动比决定。图7为控制示意图。

改变发动机压缩比的速度主要取决与传动比,如:当内啮合齿圈到外啮合齿轮的总传动比为1:1时,也就是说曲轴转一圈,当一直处于传动状态下,发动机的压缩比可以连续地由最大变到最小再变到最大一次,如果是2:1就是两次,那么改变速度就是两倍速。

改变压缩比的时间步长主要取决于锁止销孔数目、驱动齿轮空心轴上的销孔数目、驱动销孔数目。本实施例设置的锁止销孔数目为6个,驱动齿轮空心轴上的销孔数目为8个,驱动销孔数目为6个,时间步长为15度曲轴转角就可以改变一次状态。如果总传动比为1:1,则每15度就可以改变一次状态,如果总传动比为2:1,则每7.5度改变一次状态。上述“686”的数目设置为一种比较优化的组合方式,当然也可以设计其他的组合方式,任意能够均布在360度内的数目均可以,只要有孔位置相对应就可以改变状态,比如:只要有锁止销孔与空心轴销孔位置相对应,就可以实现锁止状态,只要有驱动销孔与空心轴销孔位置相对应,那么就可以实现驱动状态。

再多了解一些
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