提高发动机效率的方法和装置的制作方法

专利名称：提高发动机效率的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及提高各种往复式发动机为动力的发动机效率的方法和装置，尤其是通过连杆与曲轴 之间作用力点和角度配合、提供做功效率的连杆曲轴结构，同时提高发动机气缸压縮比用于提高机 动车扭矩输出，同时具有极好的节油效果。
二背景技术：
现有往复式发动机做功原理是将活塞连杆的往复运动，内燃机气缸或蒸气机的活塞的做功通过 连杆和曲轴的配合转换成旋转运动，用来驱动曲轴做功。这是从瓦特蒸气机和狄塞尔内燃机发明至 今仍然保持最初原理和结构的发动机连杆曲轴结构。内燃发动机的结构如下当活塞位于上止点位 置时，活塞顶部与气缸盖内表面所形成的空间称为燃烧室。这个空间容积称为燃烧室容积。活塞从 上止点移动到下止点所通过的空间容积称为气缸排量，如果发动机有若干个气缸，所有气缸工作容 积之和称为发动机排量。当活塞在下止点位置时，活塞顶上部的全部气缸容积称为气缸总容积。气 缸压縮比是气缸总容积与燃烧室容积的比值称为压縮比。压縮比表示了活塞从下止点移动到上止点 时，气体在气缸内被压縮的程度。压縮比越大，气体在气缸内受压縮的程度越大，压縮终点气体的 压力和温度越高，功率越大，但压縮比太高容易出现爆震，就汽油发动机而言，意味着必须采用抗 爆震性能好高辛垸值的高标号汽油，也就意味着燃料的成本较高。如使用不相配的低标号汽油。实 际上油耗增加了，对发动机的损耗会明显加大，还得额外增加数以万计的汽车维修费。
压縮比是发动机的一个重要结构参数。柴油机要求较大的压縮比， 一般在12-29之间，而汽油 机的压縮比较小，在6-ll之间，例如日产公司系列汽油发动机的压縮比是8.3:1至10.5:1。通常 是对发动机的技术参数说明，可以概略地用功率与扭矩的人小来标示出来，功率表现在高转速，在 发动机性能曲线图上，随着转速上升而明显上升，它决定了卞.子能跑多快，扭矩不一定在高转速时 发挥，在曲线图上较为平直，它可以决定车行驶时的力量，包括加速性。
然而影响功率、扭矩输出的因素却很多，其中一个重要因素就是发动机的压縮比，而只是靠高 转速来提高发动机的功率，由于现有发动机未有扭矩输出的改进方案，导致现有发动机只能获得现 有的功率、扭矩输出图，例如典型的表现在不踩油门或较少供油时无法驱动高档位的车辆运动。在 解读发动机参数时，不要单看功率有多大，同时也要看到扭力参数，当发动机处于最大功率、最大 扭矩时的转速，当然以转速值稍低为好。
为了提高活塞往复式发动机的效率，大量的新技术被应用如VTEC技术，"VTEC"为英文 "Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System"的縮写，中文意思为"可变气 门正时及升程电子控制系统"。VTEC是可变进气门控制技术，通过改变进气门开度来改变进气量， 提高发动机扭矩。由ECU接收发动机传感器(包括转速、进气压力、车速、水温等)的参数并进行处 理，输出相应的控制信号，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下 由不同的凸轮控制，影响进气门的开度和时间。
电子油门技术电子油门取消了传统油门拉线，通过油门踏板传感器，微电脑对节气门进行控 制，反应更灵敏，控制更精确。多段式可变进气歧管技术通过屯脑控制进气管K度，满足低速时提供大的扭矩，高速时提供 大的功率。的话，在发动机低速的情况下，用乂细乂长的进气岐管；发动机拉到高速时，采用岐管
又粗又短，让发动机又有低速扭矩，又能拉得出高速，现在的车子大多配备可变岐管或双岐管。总 之为了节省燃料，还采用稀薄气体发动机，达到更好的尾气指标。
智能可变配气正时VVT-i是一种控制进气凸轮轴气门正时的装置，它通过调整凸轮轴转角配气 正时进行优化，并用于如V12、 V8、 V6发动机，W型发动机或直列型发动机。
现有的连杆曲轴结构的这种配合，为了保证强度和功率传送.连杆与曲轴和轴颈成一条直线时 或在直线附近的相当角度时，连杆包裹轴颈的孔径具有曲轴轴颈的直径，连杆可以对曲轴和轴颈可 以施加作用力，但无法将力矩输出，此不足明显存在着连杆与曲轴角度之间的不协调，使能量损失 很大。连杆与曲轴轴颈之间角度有较人K域(角度范围)处在t:常不利的传动配合状态。尤其是在 活塞到达上止点燃烧室爆发呈最大压力状态时，此刻连杆与轴颈之间正好形成在一条直线(活塞的 上止点位置，包括在此直线附近的角度范围)上。轴颈未能向连杆提供可形成扭力的倾角，无法将 这发动机燃曝时将直线压力转换成扭矩即驱动曲轴旋转的旋转力，尤其是顺直线传给了整个机体， 并且形成了震动源。随后在惯力的作用下，轴颈与连杆之间倾角才逐渐形成。但是；也随着活塞的 下滑、导致汽缸余隙增大、压力也随之迅速下降。角度虽已逐渐得到改善，但是压力也越来越差。 呈现出压力最强时反而角度最差，形成这种劣势循环的曲轴连杆循环运动。目前是以提高转速获得 充足的惯力，和给燃油加入抗暴剂，用来掩盖O角度所引起的爆震等不良反应。
在压縮过程中活塞上行，除了挤压混合气使之体积縮小之外，同时也发生了涡流和紊流等现象。 当密闭容器中的气体受到压縮时，压力是随着温度的升高而升高。若发动机的压縮比较高，压縮时 所产生的气缸压力与温度相对地提高，混合气中的汽油分子能汽化得更完全，颗粒能更细密，涡流 和紊流效果和高压縮比所得到的密封效果，当火花塞跳出火花时就能使得这混合气在瞬间内完成燃 烧并释放出爆发能量，来成为发动机的动力输出。反之，燃烧的时间延长，能量会耗费并增加发动 机的温度而并非参与发动机动力的输出，因此高压縮比的发动机就意味着可具有较大的动力输出。 通常的低压压縮比指的是压縮比在10以下，高压縮比在10以上，相对来说压縮比越高，发动机的 动力就越大，目前所知三菱GPI发动机的压縮比已经达到了 12。压縮比越高发动机抖振越厉害， 这是因为发动机的压縮比越高，通常伴随着的就是发动机工作时抖振会较明显增大，即使是多缸发 动机也是如此。在爆发点火时混合气燃烧所产生的能量在瞬间释放出来，相对的振动的动能也就较 大，于是运输动力也就较为明显。另外是由于多缸发动机其动力的产生较为密集，所以直接的感觉 较为轻微。由于车况的怠速运转都经过专门的调校，将它的振动点恰当弥补。
也有将凹顶活塞换成平顶活塞，加大了压缩比，发动机效率提高，不过需使用高标号汽油。 擅自降低汽油标号，提前点爆的燃烧室气体就会反推活塞向上运动。燃烧的汽油所做的功就会 被抵消很大一部分。压縮比如果过大，反而会出现爆燃和表面点火等不正常燃烧现象。敲缸、爆振、 爆燃气体压力和温度过高，在燃烧室内离点燃中心较远处的末端可燃混合气自燃而造成的一种不 正常燃烧。尖锐的敲缸声，因燃烧速度过快形成压力波，压力波揸击燃烧室而产生。后果发动机 过热，功率下降，经济性下降，严重时气l'j烧毁，轴瓦破裂，火花塞绝缘体被击穿等。表面点火 由于燃烧室内炽热表面(如排起门头、火花塞电极，积炭)点燃混合气产生的一种不正常燃烧现象。现象沉闷的敲缸声；后果发动机零部件负荷增加，寿命K降。
为了优化燃烧室的燃烧，还采用凹顶活塞，凹顶活塞顶部呈凹陷形，凹坑的形状和位置必须有 利于可燃混合气的燃烧，有双涡流凹坑、球形凹坑、U形凹坑等等。
由于最大作功容积的油汽总量通常远远小于气缸行程容积,四冲发动机往往工作在实际压縮比 严重偏低的状态下。在油门很小时,反喷现象会有所缓解;但此时气缸内的进汽量很少,实际压縮比更 低，发动机的作功效率极低，有时甚至都不能点火启动。还有富绅公司的变压縮比的往复活塞发动机 式内燃机，参见CN96192219.2。
发明内容
本发明目的是通过对连杆结构的改造，通过连杆与曲轴之间作用力点和角度配合、提供做功 效率高的连杆曲轴结构，使原来连杆对曲轴180度同心压力区(死点压力区大)改变成90度左右 的偏心压力，从而使连杆压力向一边倾斜，实现了连杆形态上最大效率的角度调整，对曲轴扭距发 挥出最大扭力并在做功的萨那间就有不浪费的力矩和做功输出，在采用上述方案的条件下，同时提 高发动机气缸压縮比，用丁-提高机动车效率，同时贝有极好的节油率；优化现有的功率、扭矩输出 曲线。
提高发动机效率的方法，首先采用发动机不同心连杆曲轴结构，连杆上轴孔的沿连杆伸出的直 线方向和垂直直线方向构成的沿燃爆驱动转动的第一象限的XY轴的土15度的位置设有大于轴孔直 径的外圆或弧线，由连杆上的轴孔在第二象限对曲轴提供力矩。同时，将发动机的气缸压缩比增加 10-100%，当然本发明对汽油发动机的气缸压縮比最大不应超过17。本发明对柴油发动机的气缸压 縮比可以在30-36，最大不应超过37。燃气发动机可以根据其性质将压縮比控制在汽油发动机压縮 比的范围附近。本发明可以通过相应减少燃烧室的容积来实现。还采用大压縮比的活塞，如将凹顶 活塞更换成平顶活塞均是本发明的实施例。因为气缸压縮比是气缸总容积与燃烧室容积的比值，改 装现有车辆时减少燃烧室的容积也可以填高活塞的厚度来实现，这样上止点时燃烧室容积相应变 小。
尤其是在连杆上轴孔的第一象限的整个0—90度圆周范围将内径扩大，使扩大的0~90度区域 直径大于原来轴孔的圆周，本发明也包括在第一象限的2-10至80-88度、或5-15至80-卯度、0-10 至60-75度的区域开设直径大于原来轴孔的圆周。
轴孔上镶有轴瓦或轴承，在轴孔上或轴瓦或轴承的包裹曲轴轴颈第一象限土IO度的位置设有大 于轴承或轴瓦直径的外圆或弧线。
由于上述轴孔(包括镶有轴瓦或轴承时)第一象限直径的大于原来轴孔的区域，连杆与曲轴始 终存在90度不能形成配合的间隙，成为无压力区。迫使汽缸在最大做功状态时连杆原来的180度 对同轴轴心压力，改成向轴心卯度偏心(第二象限)的作用力，从而使曲轴连杆之间有限的扭距 发挥出最大力距效果。
上述的压力偏心也可通过将连杆轴孔的轴瓦上瓦的0-卯度将内圆弧扩大，使压力向另90度偏 心效果。将原有的连杆瓦改为滚针轴承或两半组合式滚针(滚珠)轴承，轴承内套亦如轴瓦加工， 使连杆瓦直接摩擦改为滚动摩擦。
本发明所述的不同心连杆曲轴结构，在曲轴颈与连杆成一条直线且在垂直于水平的直线时，连杆是不能竖直平衡的，而现有技术的同心连杆曲轴在所述位置是完全可以平衡的。
本发明的特点是该发明使连杆与轴颈之间无论处在什么位置，都可获得由压力偏心带来的倾 角效果，不影响曲轴带动连杆的运动。该发明能有效的解决曲轴与连杆形成O角度配合的影响。即 具备着允许设计制造更大压縮比的可能。加大压縮比能提高燃烧值，同时又能减小燃烧室余隙损失。 该发明解决了连杆曲轴呈O角度(发动机汽缸燃曝做功时，包括0角度附近区域)不能产生扭力的 弊端，所以；减轻了曲轴在运转中对惯力循环的依赖，显然发动机也具有更大的扭矩。从而具备设 计低转速往复式发动机的可能，或设计更合适的压縮比(如提高压縮比)，并带来在汽油发动机设 计上带来重要改变。低转速适宜加大活塞行程的制造，活塞行程长有利于能量充分利用。该项发明 缓解了暴燃对连杆瓦的冲击，意味着可以将原来的连杆轴瓦改用滚针或滚珠轴承。使直接摩擦成为 滚动摩擦，会更少磨损。用于发动机设计与现有发动机的改造。通过对连杆结构的改造，通过连杆 与曲轴之间作用力点和角度配合、提供做功效率高的连杆曲轴结构，使原来连杆对曲轴180度同心 压力改变成90度左右的偏心压力，从而使连杆压力向一边倾斜，实现了连杆形态上最大效率的角 度调整，对曲轴扭距发挥出最大扭力并在做功的萨那间就有不浪费的力矩和做功输出，在采用上述 方案的条件下，同时提高发动机气缸压縮比，用于提高机动车效率，同时具有极好的节油效果。本 发明优化现有的功率、扭矩输出图，不踩油门或较少供油时仍驱动高档位的车辆运动。本发明的还 有一个效果是现有单纯增大压縮比产生的敲缸、爆振确确是由于曲柄连杆的具有较大角度的死点 或死区产生的，如果消除这个死点，可以使敲缸、爆振的现象消除，即亦转化为有用的力矩输出， 如因燃烧速度过快形成压力波，并不至于作用在曲轴连杆的死点或死区上，而仍使活塞产生扭矩。 而由于提高压縮比导致的气缸内温度提高，可以采用综合措施来解决，如加大散热量，增大散热量， 两种散热面积选择，总之这样的措施在理论上是有利于提高内燃机效率的。燃烧的汽油所做的功不 致于被抵消。
本发明扭矩的明显增大，还可以改进现有的车辆调速或变速系统，即使未级输出轴增大转速， 某种程度可以颠覆现在常用的五级手动变速档——即使在高速档也可以在车辆启动或低速时保证 正常的行驶。
本发明在改装上运用具有极为优异的效果，用本发明方法改装后，车辆的动力性能明显提高， 节油效果极为明显，本发明经改装后汽油发动机汽车节油率普遍达20%以上，用于新车设计也能大 大提高车辆的动力性能(由于扭矩增大)，可以提高汽油发动机的压縮比，做功充分；而且节油效 果也能达到15%左右或更多。新车发动机依此设计显然具有同样或更理想的效果，同样不排除采用 背景技术的各种发动机均可以使用本发明的方案，相对而言，本发明的压縮比提高，无需采用更高 标号的汽油，只要采用相同规格发动机指定的标号汽油，这是由于爆震往往由于连杆曲轴的死点导 致的，由于本发明消除了这个死点，即使低标号汽油产生的燃爆也是用于作出有用的力矩输出。
本发明可用于各种内燃机，用f汽油和柴油发动机均可，尤其是汽油发动机和混合燃料的效果 更好，包括甲醇、乙醇、二甲醚及与汽油混合的发动机效果亦明显。
四

图1是连杆曲轴工作原理图 图2是连杆颈结构3是连杆曲轴不同位置工作图
1、活塞销孔、2、连杆、3、连杆轴孔内镶的滚针轴承壳4、滚针轴承5、连杆盖6、连杆 轴孔7、连杆轴孔上0—90度无压力区8、曲轴(主轴)9、运动平衡块，旋转箭头为逆时钟方向。 五、具体实施方案
图1所示，处于发动机的上止点状态，那当然假设曲轴逆时针旋转(如曲轴顺时针旋转时则在 轴瓦的第二象限)，图2，轴瓦完全可以制成如同图2中的连杆颈孔的形状，轴瓦的第一象限具有 缺口 (如旋转方向相反时则为第二象限)，即0—90度是连杆对曲轴无压力区域。所述通过将连杆 轴孔垂直0~90度圆周范围将内径扩大，使扩大的0~卯度区域直径大于原来圆周，连杆与连杆曲 轴始终存在卯度不能形成配合的间隙，成为无压力区。使连杆原来180度同轴心压力，改成向轴 心另卯度偏心，从而使曲轴连杆之间有限的扭距发挥出最大力距效果。
本发明完全适用于现有制造工艺和连杆、曲轴的制造材料。只有在轴孔(包括镶有轴瓦或轴承) 第一象限的位置， 一般取第一象限0-90度位置向外圆扩大0.5-3mm;尤其是向外扩大0.5-1.5mm。
所述压力偏心也可通过将连杆瓦上轴瓦(近汽缸侧的轴瓦)180度上自90度将内圆弧扩大，使 压力向另90度偏心效果。或将原有的连杆瓦改为两半组合式滚针轴承，使连杆瓦直接摩擦改为滚 动摩擦。轴承的轴瓦亦作相应改变。
图中以某一缸的示意图表示，多缸发动机的连杆曲轴结构亦如此，本发明的结构导致当活塞 处于上止点位置时，曲轴与连杆接触面即上半轴瓦是受力的区域，但其不是一个均匀受力体，而是 在上半轴瓦向着旋转方向(图中左侧，假设逆时针转动时)的上半轴瓦的半个轴瓦面着力，而在另 半个面处于空悬。
图3中例子是0_80度是连杆对曲轴无压力区域，均有类似的效果。
改装英格尔汽车发动机,1. 461排量原压縮比为9.5，活塞的体积(熔铸相同合金到活塞)增 加，每缸的燃烧室从40 ML减少到33ML,即减少燃烧室容积;新的压縮比为15;在不踩油门或较少 供油时仍驱动五档位的车辆运动。百公里的油耗降低2.6升。节油率约35%。压縮比为10时，动力 过大，压縮比为12时，节油不够明显。
改装赛欧汽车(新车)发动机C16N1，1.5981排量原压縮比为9.41，新的压縮比为14,在不 踩油门或较少供油时仍驱动五档位的车辆运动。百公里的油耗降低2升；节油率约25%。
因此，对汽油发动机而言，在轴瓦的第一象限0-90度外圆扩大向外扩大0.5-1.5mm时，压縮比 改成12-16具有更好的效果。
连杆轴瓦改为滚针轴承或两半组合式滚针(滚珠)轴承，轴承内套亦如轴瓦加工，使连杆瓦直 接摩擦改为滚动摩擦。连杆轴瓦还可以是并排的双轴瓦结构。
新的发动机设计显然可以参照上述参数。采用本发明曲轴连杆结构，汽油发动机在原有设计参 数的基础上增大压縮比至13-16是优选的方案，克服车辆的曝振，无需改成高标号汽油，当然在冷 却系统设计上加大单位时间散热量的设计， 一般的说单位时间散热量相应增加10-25%。
权利要求
1、提高发动机效率的方法，其特征是首先采用发动机不同心连杆曲轴结构，连杆上轴孔的沿连杆伸出的直线方向和垂直直线方向构成的沿燃爆驱动转动的第一象限的XY轴的±15度的位置设有大于轴孔直径的外圆或弧线，由连杆上的轴孔在第二象限对曲轴提供力矩；同时，将发动机的气缸压缩比增加10-100％，但对汽油发动机的气缸压缩比最大不超过17；对柴油发动机的最大气缸压缩比不超过37。
2、 根据权利要求1所述的提高发动机效率的方法，其特征是采用大压縮比的活塞，将凹顶活塞 填成平顶活塞。
3、 根据权利要求1或2所述的提高发动机效率的方法，其特征是在连杆上轴孔的第一象限的整 个0"90度圆周范围将内径扩大，使扩大的0"90度区域直径大于原来轴孔的圆周。
4、 根据权利要求1或2所述的提高发动机效率的方法，其特征是在连杆上轴孔的2-10至80-88 度、或5-15至80-90度、0-10至60-75度的区域开设直径大于原来轴孔的圆周。
5、 根据权利要求1或2所述的提高发动机效率的方法，其特征是轴孔上镶有轴瓦或轴承，在轴 孔上或轴瓦或轴承的包裹曲轴轴颈第一象限土 10度的位置设有大丁轴承或轴瓦直径的外圆或弧线。
6、 根据权利要求1或2所述的提高发动机效率的方法，其特征是将连杆轴孔的轴瓦上瓦的0-90 度将内圆弧向外圆扩大0.5-3mm。
7、 根据权利要求6所述的提高发动机效率的方法，其特征是向外扩大0.5-1.5mm。
8、 根据权利要求1或6的提高发动机效率的方法，其特征是连杆瓦改为两半组合式滚针轴承。
9、 根据权利要求1或6的提高发动机效率的方法，其特征是连杆轴瓦为并排的双轴瓦结构。
10、 根据权利要求1或6的提高发动机效率的方法，其特征是汽油发动机压縮比为13-16，冷 却系统的单位时间散热量相应增加10-25%。
全文摘要
提高发动机效率的方法，首先采用发动机不同心连杆曲轴结构，连杆上轴孔的沿连杆伸出的直线方向和垂直直线方向构成的沿燃爆驱动转动的第一象限的XY轴的±15度的位置设有大于轴孔直径的外圆或弧线，由连杆上的轴孔在第二象限对曲轴提供力矩；同时，将发动机的气缸压缩比增加10-100％，但对汽油发动机的气缸压缩比最大不超过17；对柴油发动机的最大气缸压缩比不超过37。本发明扭矩的明显增大，效率提高，节油明显。
文档编号F16C7/02GK101298849SQ20071002183
公开日2008年11月5日 申请日期2007年4月30日 优先权日2007年4月30日
发明者程大友 申请人:程大友