一种可变压缩比发动机及其控制方法与流程

本发明涉及往复活塞式发动机，尤其涉及可变压缩比发动机。

背景技术：

往复活塞式发动机的压缩比是指活塞位于下止点时燃烧室容积与活塞位于上止点时燃烧室容积之比。提高压缩比可以显著提高发动机的循环热效率，在输出功不变的条件下，提高了循环热效率相当于降低了油耗和碳排放。但是压缩比的提高不是没有制约因素的，汽油机压缩比受制于爆震发生的临界压缩比，柴油机受制于材料的机械强度与成本。市场上的现有发动机主要是固定压缩比式发动机，而发动机的实际进气量和喷油量随转速和负荷变化范围很大，固定压缩比不能很好的保证机械强度得到良好的利用。现有的可变压缩比技术主要分为以下几种类型：变活塞长度、变连杆长度、变曲轴长度、变曲轴支撑位置等。如cn108757206a公开的通过内、外活塞相对运动达到变压缩比的目的，内、外活塞的位置改变带来的燃烧室结构变化对缸内燃烧的气流运动、热负荷及冷却等问题均有较大程度的影响；如cn107829818a公开的根据控制偏心齿轮改变连杆大头与曲轴连接处的偏心连接，在旋转体上增加了质量，给动平衡和降低振动噪声带来了不利因素。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种实现压缩比连续可变，控制精度高的可变压缩比发动机及其控制方法。

本发明的一种可变压缩比发动机，包括发动机的下机箱体和固定在下机箱体上的上机箱体，在所述的下机箱体内安装有左右平行间隔设置的多个下曲轴支撑，在每个下曲轴支撑上分别支撑设置有一个上曲轴支撑，所述的多个下曲轴支撑的前后两端分别上下滑动连接在下机箱体内前壁和后壁上开设的下限位槽内，多个左右平行间隔设置的所述的上曲轴支撑的前后两端分别上下滑动连接在上机箱体内前壁和后壁上开设的上限位槽内，所述的上限位槽深度小于下限位槽深度；

下曲轴支撑的前后端长度大于上曲轴支撑的前后端长度，在每个下曲轴支撑的顶壁中间以及上曲轴支撑底壁中间分别开有一个弧形安装槽，上下两个对应设置的弧形安装槽对接形成与曲轴的轴瓦形状吻合的轴瓦安装槽，每个曲轴轴瓦的上轴瓦安装在上曲轴支撑的弧形安装槽中并且下轴瓦安装在下曲轴支撑上的弧形安装槽中，一根曲轴安装在多个轴瓦的上、下轴瓦之间；

在每个下曲轴支撑的底壁中间向内开有一个矩形凹槽，在每个下曲轴支撑的中间沿竖直方向开有一个连接通孔，在每个连接通孔内均安装有一根螺纹支撑轴，所述的螺纹支撑轴的底部固定在下机箱体的底壁上，在位于凹槽部位的螺纹支撑轴上连接有内螺纹锥齿轮，所述的内螺纹锥齿轮通过自锁型梯形螺纹与螺纹支撑轴螺纹连接，在所述的下机箱体的左右侧壁的顶壁中间以及上机箱体的左右侧壁的底壁中间分别开有曲轴联轴器安装槽，在每个曲轴联轴器安装槽内均安装有一个曲轴联轴器，所述的曲轴联轴器与曲轴的左右两端分别固定相连，在下机箱体的右侧壁上开有一个通孔，在所述的通孔内安装有动力轴联轴器，上止点位移传感器采用滑块型直线位移传感器，在最右侧的下曲轴支撑的侧壁上安装有上止点位移传感器的滑动部分，所述的上止点位移传感器的固定部分固定安装在最右侧的下限位槽的凸台上；

全部下曲轴支撑均通过沿水平方向布置的动力轴固定相连，在所述的动力轴固定有与每个内螺纹锥齿轮啮合配合的锥齿轮，所述的动力轴一端通过动力轴联轴器与一台固定在发动机外部的vcr电机的输出轴相连。

可变压缩比发动机的控制方法，包括以下步骤：

第一步，标定发动机转速-活塞最优压缩比脉谱图和上止点位移传感器的电流-活塞上止点位置脉谱图，并将计算当前实际压缩比存在ecu中；

第二步，ecu根据当前曲轴位置传感器参数得到当前发动机转速，根据当前发动机转速读取发动机转速-活塞最优压缩比脉谱图中提前标定好的当前转速下最优压缩比ε；ecu根据上止点位移传感器的电流读取上止点位移传感器的电流-活塞上止点位置脉谱图里的活塞上止点位移，得到当前工况下活塞实际上止点位置，计算出当前工况下的实际压缩比m，并将计算的当前实际压缩比存在ecu中；

第三步，ecu比较ε与m的数值关系，当ε>m时，ecu控制vcr电机转动依次带动动力轴联轴器、动力轴、锥齿轮、内螺纹锥齿轮传动使下曲轴支撑、上曲轴支撑、曲轴向着缸盖方向移动，m值变大；当ε<m时，ecu控制vcr电机转动依次带动动力轴联轴器、动力轴、锥齿轮、内螺纹锥齿轮传动，使下曲轴支撑、上曲轴支撑、曲轴向远离缸盖方向移动，m值减小；当ε＝m时，ecu控制vcr电机停止转动，此时下曲轴支撑停止移动，在内螺纹锥齿轮和螺纹支撑轴间的自锁螺纹的作用下停在所需压缩比ε的位置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过ecu控制vcr电机的转动时间、转动方向控制曲轴与缸盖的相对距离的大小，通过上止点位移传感器判断压缩比是否达到改变预期压缩比。上止点位移传感器应该具备检测上止点相对位置变化的功能，是一种滑块型直线位移传感器，上机箱体里的限位槽除保证上曲轴支撑可移动外，还作为下曲轴支撑的限位装置，主要靠上机箱体的限位槽比下机箱体的限位槽浅的加工尺寸实现，以保证上止点位移传感器出故障时，曲轴支撑不会无限制上移。

本发明通过简单的结构实现压缩比连续可变，利用螺纹转动控制压缩比变化，控制精度高。不改变燃烧室结构和曲柄连杆机构等现有成熟部件，对现有发动机结构改变较小，对发动机成本影响较小。

附图说明

图1为本发明一种可变压缩比发动机的下机箱体结构俯视示意图；

图2为本发明一种可变压缩比发动机的上机箱体结构仰视示意图；

图3为本发明一种可变压缩比发动机结构示意图的局部左视图；

图4位本发明一种可变压缩比发动机控制流程图。

具体实施方式

下面结合实施方式及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明是在现有发动机结构上的改进，除图1、图2、图3所示结构外，其余均采用现有结构即可。

如附图所示的本发明为一种可变压缩比发动机，包括发动机的下机箱体6和固定在下机箱体6上的上机箱体13，在所述的下机箱体6内安装有左右平行间隔设置的多个下曲轴支撑1，在每个下曲轴支撑1上分别支撑设置有一个上曲轴支撑15，所述的多个下曲轴支撑1的前后两端分别上下滑动连接在下机箱体6内前壁和后壁上开设的下限位槽8内，多个左右平行间隔设置的所述的上曲轴支撑15的前后两端分别上下滑动连接在上机箱体13内前壁和后壁上开设的上限位槽14内，所述的上限位槽14深度l小于下限位槽8深度。在运行过程中控制下曲轴支撑1向上移动至最高点的高度不高于下限位槽8高度，使得下曲轴支撑1只能在下限位槽8中上下移动，无法在上限位槽14中移动。

下曲轴支撑1的前后端长度大于上曲轴支撑15的前后端长度，在每个下曲轴支撑1的顶壁中间以及上曲轴支撑15底壁中间分别开有一个弧形安装槽，上下两个对应设置的弧形安装槽对接形成与曲轴的轴瓦12形状吻合的轴瓦安装槽，每个所述的曲轴轴瓦12的上轴瓦安装在上曲轴支撑15的弧形安装槽中并且下轴瓦安装在下曲轴支撑1上的弧形安装槽中，一根曲轴16安装在多个轴瓦12的上、下轴瓦之间。曲轴则与连杆连接，连杆与活塞连接，连接方式均为现有技术，连杆、活塞并未在图中画出。

在每个下曲轴支撑1的底壁中间向内开有一个矩形凹槽，在每个下曲轴支撑1的中间沿竖直方向开有一个连接通孔，在每个连接通孔内均安装有一根螺纹支撑轴7，所述的螺纹支撑轴7的底部固定在下机箱体6的底壁上，在位于凹槽部位的螺纹支撑轴7上连接有内螺纹锥齿轮5，所述的内螺纹锥齿轮5通过自锁型梯形螺纹与螺纹支撑轴7螺纹连接，在所述的下机箱体6的左右侧壁的顶壁中间以及上机箱体13的左右侧壁的底壁中间分别开有曲轴联轴器安装槽2，在每个曲轴联轴器安装槽内均安装有一个曲轴联轴器11，所述的曲轴联轴器与曲轴的左右两端分别固定相连，使用过程中，其中一个曲轴联轴器与皮带轮相连以带动启动电机等附件，另一个曲轴联轴器作为动力输出端，可以与离合器或者测功机等相连。所述曲轴联轴器与曲轴连接、与动力端的连接以及与皮带轮相连均为现有技术，采用现有结构即可。在下机箱体6的右侧壁上开有一个通孔，在所述的通孔内安装有动力轴联轴器10。上止点位移传感器9采用滑块型直线位移传感器，在最右侧的下曲轴支撑1的侧壁上安装有上止点位移传感器9的滑动部分，所述的上止点位移传感器的固定部分固定安装在最右侧的下限位槽8的凸台上，所述传感器的滑动部分与固定部分的相对位移就是曲轴支撑的位移，也就是活塞上止点的位移。

全部下曲轴支撑1均通过沿水平方向布置的动力轴3固定相连，在所述的动力轴3固定有与每个内螺纹锥齿轮5啮合配合的锥齿轮4，所述的动力轴3一端通过动力轴联轴器10与一台固定在发动机外部的vcr电机的输出轴相连，vcr电机是现有伺服电机，连接方式采用现有结构即可。

本装置的工作过程如下：

vcr电机在ecu控制下转动，产生的动力通过动力轴联轴器10传递到动力轴3上固定的锥齿轮4上，锥齿轮4与内螺纹锥齿轮5啮合，内螺纹锥齿轮5通过自锁型梯形螺纹与螺纹支撑轴7连接，内螺纹锥齿轮5可在vcr电机带动下绕螺纹支撑轴7旋转并推动下曲轴支撑1和上曲轴支撑15在下限位槽8和上限位槽14内上下移动，下曲轴支撑1和上曲轴支撑15上装有曲轴轴瓦12和曲轴16，曲轴16与连杆相连，连杆与活塞相连，当ecu控制vcr电机转动时，活塞上止点位置发生改变，从而实现发动机压缩比的改变。

缸内燃料燃烧推动活塞移动，活塞推动连杆，连杆带动曲轴16旋转，曲轴16通过曲轴联轴器11与发动机外部的离合器相连实现动力输出。

本发明的控制方法(控制导图见图4)包括以下步骤：

与现有标定参数相比，本发明控制方法包括以下步骤：

第一步，标定发动机转速-活塞最优压缩比脉谱图和上止点位移传感器的电流-活塞上止点位置脉谱图。

第二步，ecu根据当前曲轴位置传感器参数得到当前发动机转速，根据当前发动机转速读取发动机转速-活塞最优压缩比脉谱图中提前标定好的当前转速下最优压缩比ε；ecu根据上止点位移传感器9的电流读取上止点位移传感器的电流-活塞上止点位置脉谱图里的活塞上止点位移x，得到当前工况下活塞实际上止点位置，计算出当前工况下的实际压缩比m，并将计算的当前实际压缩比存在ecu中。

压缩比不改变时各物理量及符号、单位对应如下表1：

表1.物理量、单位、符号说明

当量余隙：活塞上止点处到缸盖的距离与活塞凹坑容积除以活塞面积所得商之和。

规定：上止点位移为x。

此时当前实际压缩比为

第三步，ecu比较ε与m的数值关系，当ε>m时，ecu控制vcr电机转动依次带动动力轴联轴器10、动力轴3、锥齿轮4、内螺纹锥齿轮5传动使下曲轴支撑1、上曲轴支撑15、曲轴16向着缸盖方向移动，m值变大；当ε<m时，ecu控制vcr电机转动依次带动动力轴联轴器10、动力轴3、锥齿轮4、内螺纹锥齿轮5传动，使下曲轴支撑1、上曲轴支撑15、曲轴16向远离缸盖方向移动，m值减小；当ε＝m时，ecu控制vcr电机停止转动，此时下曲轴支撑1停止移动，在内螺纹锥齿轮5和螺纹支撑轴7间的自锁螺纹的作用下停在所需压缩比ε的位置。