本发明属于发动机技术领域，特别是涉及一种可变压缩比装置及可变压缩比发动机。
背景技术：
传统发动机的压缩比为固定值，发动机运转过程不可以变化。在汽车发动机全工况运行时，固定的压缩比无法兼顾高负荷动力性和低负荷经济性。
为此，部分厂家设计出了具有可变压缩比装置的发动机。具有可变压缩比装置的发动机可以兼顾发动机动力性和经济性，即，在高负荷区域采用小压缩比以提升发动机最大扭矩和最大功率，而在低负荷区域采用大压缩比以提高低负荷区域燃油经济性。
现有的一种可变压缩比装置，包括：上连杆，其经由活塞销与活塞连接；下连杆，其能够旋转地安装在曲轴的曲柄销上，且经由第一连接销而能够摆动地与上连杆连接；控制连杆，其一端经由第二连接销而能够摆动地与下连杆连接；以及控制轴，其能够旋转地安装在气缸体上，且具备自由摆动地支撑上述控制连杆的偏心轴。
在上述的可变压缩比装置中，通常采用电动致动器、液压致动器及气压致动器来驱动控制轴转动以此改变控制轴的转动位置，控制轴的转动位置发生改变之后，对应地控制连杆、下连杆及上连杆的运动轨迹发生改变，从而改变了活塞上止点与下止点的位置，实现发动机压缩比的连续可调。
上述的可压缩比装置，下连杆在两个端部分别与上连杆及控制连杆铰接，且下连杆的中部位置形成与曲轴的曲柄销形状匹配的安装孔，曲轴的曲柄销穿过该安装孔。因而，为了满足下连杆与上连杆、控制连杆及曲轴的曲柄销在三个位置上的连接，下连杆通常设计为三角块结构，该三角块结构体积、重量较大，使得整个可压缩比装置的运动质量较大，不利于发动机的轻量化，并且降低了发动机的工作效率。
并且，上述可变压缩比装置的下连杆绕曲轴的转动轴线圆周转动，上连杆与下连杆铰接的位置运动轨迹为完整的圆周。这样，使得上连杆与气缸中心线的最大夹角(活塞位于下止点时，上连杆与气缸中心线的夹角)较大，通常在30度以上。活塞由上止点向下止点移动时，上连杆与气缸中心线的夹角较大导致活塞与气缸壁的摩擦力较大，加快了活塞与气缸的磨损速度。
此外，由于上述可变压缩比装置的下连杆与上连杆、下连杆与控制连杆及下连杆与曲柄销在三个连接位置之间的相对位置是固定不变的，使得上述的可变压缩比装置的设计自由度不高，可实现的可变压缩比范围较窄，通常在8-12的范围内。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对现有的可变压缩比装置运动质量较大的缺陷，提供一种可变压缩比装置及可变压缩比发动机。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
提供一种可变压缩比装置，包括活塞、连杆、摆杆、旋转杆、曲轴及用于通过改变自身转动位置而实现改变发动机压缩比的偏心结构，其中，所述摆杆沿其长度方向依次设置有第一连接部、第二连接部及第三连接部，所述连杆的一端绕第一转动轴线铰接在所述活塞上，所述连杆的另一端绕第二转动轴线铰接在所述第一连接部上，所述旋转杆的一端绕第三转动轴线铰接在所述第二连接部上，所述旋转杆的另一端绕第四转动轴线铰接在所述曲轴的曲柄销上，所述偏心结构铰接在所述第三连接部上，所述偏心结构与第三连接部的铰接中轴线为第五转动轴线。
可选地，当活塞在上止点与下止点之间上下往复运动时，所述连杆被驱动绕所述第一转动轴线相对气缸中心线左右来回摆动并形成一转摆夹角，所述摆杆被驱动绕所述第五转动轴线上下来回摆动并形成一扇形转摆区域，所述曲柄销被旋转杆驱动绕所述曲轴的转动轴线持续旋转以带动所述曲轴持续旋转并形成一闭环圆周运动轨迹圈。
可选地，所述扇形转摆区域的扇形角为30-90度。
可选地，当活塞运动至下止点位置时，所述转摆夹角小于或等于20度。
可选地，所述偏心结构为偏心轴，所述偏心轴包括控制轴及一体形成或固定连接在所述控制轴上的偏心轮，所述偏心轮相对所述控制轴偏心设置，所述第三连接部形成为以所述第五转动轴线为中轴线的轴套，所述偏心轮铰接在所述轴套内，所述第五转动轴线与所述偏心轮的中轴线重合，所述控制轴的两端铰接在发动机的气缸体上，以使得所述控制轴及偏心轮绕一位置固定不变的第六转动轴线转动，所述第六转动轴线与控制轴的中轴线重合；所述第一转动轴线、第二转动轴线、第三转动轴线、第四转动轴线、第五转动轴线及第六转动轴线平行；
通过驱动所述控制轴绕第六转动轴线转动来连续地改变所述偏心轴的转动位置，以此连续地改变发动机的压缩比。
可选地，所述第一连接部及第三连接部形成在所述摆杆的两端，所述第一连接部形成为以所述第二转动轴线为中轴线的第一销孔，所述第二连接部形成为以所述第三转动轴线为中轴线的第二销孔，所述第二销孔与第一销孔的距离小于所述第二销孔与所述第三连接部的距离。
可选地，所述摆杆上设置有叉臂结构，所述第一销孔及第二销孔设置在所述叉臂结构上，所述连杆的另一端置于所述叉臂结构中并通过一第一销轴铰接在所述第一销孔上，所述第二转动轴线与所述第一销轴的中轴线重合，所述旋转杆的一端置于所述叉臂结构中并通过一第二销轴铰接在所述第二销孔上，所述第三转动轴线与所述第二销轴的中轴线重合。
可选地，所述旋转杆包括杆体、连杆盖及轴瓦，所述杆体的一端设置连接头，所述杆体的另一端设置半环体，所述连杆盖及半环体通过螺栓连接以形成环套结构，所述轴瓦设置在所述曲轴的曲柄销与所述环套结构之间，所述第四转动轴线、所述曲轴的曲柄销的中轴线及所述环套结构的中轴线重合，所述环套结构通过所述轴瓦铰接在所述曲轴的曲柄销的外周上。
可选地，所述可变压缩比装置还包括一用于驱动所述偏心结构改变转动位置而实现改变发动机压缩比的驱动装置。
可选地，所述驱动装置包括致动器、摇臂及用于锁止所述摇臂的锁止机构，所述摇臂的一端固定连接在所述致动器的转轴上，所述摇臂的另一端铰接在所述偏心结构上；
通过所述致动器驱动所述摇臂摆动来改变所述偏心结构的转动位置；
通过所述自锁机构锁止所述摇臂将所述偏心结构保持在改变之后的所述转动位置。
可选地，所述发动机压缩比的连续可变范围在8-14之间。
根据本发明的可变压缩比装置，通过重量较轻的摆杆及旋转杆代替了现有的体积、重量较大的三角块结构形式的下连杆，使得整个可压缩比装置的运动质量较小，有利于发动机的轻量化，提升发动机的工作效率，实现节能减排。并且，通过摆杆及旋转杆代替了现有的三角块结构形式的下连杆，摆杆与连杆、摆杆与偏心轴及摆杆与曲柄销在三个连接位置之间的相对位置是可以变化的(即本技术方案中三角形的三个顶点的相对位置是可以变化的，而现有技术三角块的三个顶点相对位置是固定不变的)，增加了该可变压缩比装置的设计自由度，可实现的可变压缩比范围较宽。
另外，本发明还提供了一种可变压缩比发动机，其包括上述的可变压缩比装置。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的可变压缩比装置的立体图；
图2是本发明一实施例提供的可变压缩比装置当偏心轴处于最下方的转动位置时的示意图(活塞处于上止点)；
图3是本发明一实施例提供的可变压缩比装置当偏心轴处于最上方的转动位置时的示意图(活塞处于上止点)；
图4是本发明一实施例提供的可变压缩比装置的简化图(图中实线表示各运动部件处于上止点位置，虚线表示各运动部件处于下止点位置)。
说明书附图中的附图标记如下：
1、活塞；2、连杆；3、摆杆；31、第一销孔；32、第二销孔；33、轴套；34、叉臂结构；4、旋转杆；41、杆体；411、连接头；412、半环体；5、偏心轴；51、控制轴；52、偏心轮；6、曲轴；61、主轴颈；7、活塞销；8、第一销轴；9、第二销轴；10、气缸；20、扇形转摆区域。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1至图4所示，本发明一实施例提供的可变压缩比装置，包括活塞1、连杆2、摆杆3、旋转杆4、构成偏心结构的偏心轴5及曲轴6。偏心结构用于通过改变自身转动位置而实现改变发动机压缩比。
如图1及图2所示，所述摆杆3沿其长度方向依次设置有构成第一连接部的第一销孔31、构成第二连接部的第二销孔32及构成第三连接部的轴套33。所述第一销孔31及轴套33形成在摆杆3的两端，所述第二销孔32与第一销孔31的距离小于所述第二销孔32与所述轴套33的距离，即第二销孔32更为靠近第一销孔31。
如图1、图2及图4所示，所述摆杆3上设置有叉臂结构34，所述第一销孔31及第二销孔32设置在所述叉臂结构34上。所述连杆2的一端通过活塞销7绕第一转动轴线o1铰接在所述活塞1上，第一转动轴线o1与活塞销7的中轴线重合。所述连杆2的另一端通过一第一销轴8绕第二转动轴线o2铰接在所述第一销孔31上，所述第二转动轴线o2与所述第一销轴8的中轴线重合。所述旋转杆4的一端通过一第二销轴9绕第三转动轴线o3铰接在所述第二销孔32上，所述第三转动轴线o3与所述第二销轴9的中轴线重合。所述旋转杆4的另一端绕第四转动轴线o4铰接在所述曲轴6的曲柄销上。所述偏心轴5铰接在所述轴套33上，所述偏心轴5与轴套33的铰接中轴线为第五转动轴线o5。
如图1及图2所示，本实施例中，构成偏心结构的所述偏心轴5包括控制轴51及一体形成或固定连接在所述控制轴51上的偏心轮52，控制轴51及偏心轮52均为圆柱形状，所述偏心轮52相对所述控制轴51偏心设置，即偏心轮52的中轴线与控制轴51的中轴线平行间隔。偏心轮52与轴套33小间隙配合或者通过轴承转动配合，以使得所述偏心轮52铰接在所述轴套33内。所述第五转动轴线o5与所述偏心轮52的中轴线重合，所述控制轴51的两端通过轴承铰接在发动机的气缸体上，以使得所述控制轴51及偏心轮52绕一位置固定不变的第六转动轴线o6转动，所述第六转动轴线o6与控制轴51的中轴线重合。
本实施例中，如图4所示，所述第一转动轴线o1、第二转动轴线o2、第三转动轴线o3、第四转动轴线o4、第五转动轴线o5及第六转动轴线o6平行，连杆2、摆杆3、旋转杆4及气缸中心线l在同一平面内。
图4为本实施例提供的可变压缩比装置的简化图，图中实线表示各运动部件处于上止点位置，虚线表示各部件处于下止点位置。当活塞1借助燃烧室的燃烧压力相对于气缸10的缸壁在上止点与下止点之间上下往复运动时，所述连杆2被驱动绕所述第一转动轴线o1相对气缸中心线l左右来回摆动并形成一转摆夹角(连杆2与气缸中心线l的夹角b)，所述摆杆3被驱动绕所述第五转动轴线o5上下来回摆动并形成一扇形转摆区域20，所述曲柄销被旋转杆4驱动绕所述曲轴6的转动轴线o7(即图1中的曲轴6的主轴颈61的中轴线)持续旋转以带动所述曲轴6持续旋转并形成一闭环圆周运动轨迹圈。
如图2及图3所示，摆杆3形成为以第二销轴9(第二连接部)为支点的直线杠杆，当改变偏心轴5的转动位置时(即第五转动轴线o5相对于位置固定的第六转动轴线o6的位置)，第五转动轴线o5的位置发生改变(即轴套33所在的端部上抬或下降)，那么以第二销轴9为支点，摆杆3的第一连接部(第一销孔31所在的端部)连同连杆2对应地下降或上抬，活塞1上下运动时的上止点及下止点位置发生改变，以此，通过改变偏心轴5的转动位置实现了发动机的压缩比的改变。
如图2所示，当偏心轴5处于最下方的转动位置时，第五转动轴线o5处于第六转动轴线o6的最下方。如图3所示，当偏心轴5处于最上方的转动位置时，第五转动轴线o5处于第六转动轴线o6的最上方。通过驱动所述控制轴51绕第六转动轴线o6转动，偏心轴5由图2中最下方的转动位置连续地转动到图3中最上方的转动位置的过程中，上止点持续的降低，活塞1顶部的燃烧室体积不断增大，由于气缸的总容积变化不大，导致发动机的压缩比连续的减小。以此可见，连续地改变所述偏心轴5的转动位置，能够使得轴套33的位置可在以第六转动轴线o6为轴心的部分圆周上连续的改变，进而连续地改变发动机的压缩比。
具有上述结构的可变压缩比装置，摆杆3绕第五转动轴线o5摆动的扇形转摆区域20的扇形角a为30-90度。对应地，当活塞运动至下止点位置时，所述转摆夹角b小于或等于20度(即连杆2与气缸中心线l的最大夹角不超过20度)，即活塞1上下往复运动时，连杆2相对气缸中心线l偏摆的角度不大于20度，连杆2与气缸中心线l的最大夹角远小于现有技术中的上连杆与气缸中心线的最大夹角。
另外，通过摆杆3及旋转杆4代替了现有的三角块结构形式的下连杆，摆杆3与连杆2、摆杆3与偏心轴5及摆杆3与曲柄销在三个连接位置之间的相对位置是可以变化的(即本技术方案中三角形的三个顶点的相对位置是可以变化的，而现有技术三角块的三个顶点相对位置是固定不变的)，增加了该可变压缩比装置的设计自由度，可实现的可变压缩比范围较宽，通过改变偏心轴5的转动位置可使得发动机的压缩比在8-14的范围内连续改变，大于现有的8-12的范围。
本实施例中，如图1所示，所述旋转杆4的结构与传统的固定压缩比的连杆结构类似，所述旋转杆4包括杆体41、连杆盖(图中未示出)及轴瓦(图中未示出)，所述杆体41的一端设置连接头411，所述杆体41的另一端设置半环体412，所述连杆盖及半环体412通过螺栓连接以形成环套结构，所述轴瓦设置在所述曲轴6的曲柄销与所述环套结构之间，所述第四转动轴线o4、所述曲轴6的曲柄销的中轴线及所述环套结构的中轴线重合，所述环套结构通过所述轴瓦铰接在所述曲轴6的曲柄销的外周上。
本实施例中，所述可变压缩比装置还包括图中未示出的一用于驱动所述偏心结构改变转动位置而实现改变发动机压缩比的驱动装置。
在一实施例中，所述驱动装置包括致动器、摇臂及用于锁止所述摇臂的锁止机构，所述摇臂的一端固定连接在所述致动器的转轴上，所述摇臂的另一端铰接在所述偏心轴5上。通过所述致动器驱动所述摇臂摆动来改变所述偏心轴5的转动位置，使得轴套33的位置可在以第六转动轴线o6为轴心的部分圆周上连续的改变，以此连续地改变发动机的压缩比。
在所述偏心轴5的转动位置改变至一确定位置之后，通过所述自锁机构锁止所述摇臂将所述偏心轴5保持在改变之后的所述转动位置。
本实施例提供的可变压缩比装置，在发动机的高负荷区域，改变偏心轴的转动位置可以将发动机的压缩比改变至小压缩比，在喷油量保持不变的情况下，能够提升发动机最大扭矩和最大功率。而在发动机的低负荷区域，改变偏心轴的转动位置可以将发动机的压缩比改变至大压缩比，此时，可以在减少喷油量的情况下，输出需要的发动机扭矩和功率，以提高低负荷区域燃油经济性。可见，本实施例提供的可变压缩比装置，可以兼顾发动机动力性和经济性。
根据本发明上述实施例的可变压缩比装置，当活塞在上止点与下止点之间上下往复运动时，所述连杆被驱动绕所述第一转动轴线相对气缸中心线左右来回摆动并形成一转摆夹角，所述摆杆被驱动绕所述第五转动轴线上下来回摆动并形成一扇形转摆区域，所述曲柄销被旋转杆驱动绕所述曲轴的转动轴线持续旋转以带动所述曲轴持续旋转并形成一闭环圆周运动轨迹圈。这样，摆杆形成为以第二连接部为支点的直线杠杆，当改变偏心结构的转动位置时，第五转动轴线的位置发生改变(即第三连接部上抬或下降)，那么以第二连接部为支点，摆杆的第一连接部连同连杆对应地下降或上抬，活塞上下运动时的上止点及下止点位置发生改变，以此，通过改变偏心结构的转动位置实现了发动机的压缩比的改变。另外，通过重量较轻的摆杆及旋转杆代替了现有的体积、重量较大的三角块结构形式的下连杆，使得整个可压缩比装置的运动质量较小，有利于发动机的轻量化，提升发动机的工作效率，实现节能减排。并且，摆杆只在一扇形转摆区域内上下来回摆动，摆杆与上连杆铰接的第一连接部的运动轨迹为不完整圆弧(现有技术中为完整圆周)，这样，使得转摆夹角的最大值较小，即，连杆相对气缸中心线左右来回摆动的偏摆角度较小，有利于减小活塞与气缸之间的摩擦力，延缓活塞与气缸的磨损速度。
另外，本发明一实施例还提供了一种可变压缩比发动机，其包括上述的可变压缩比装置。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。