一种可调压缩比往复活塞式内燃机的制作方法

本发明涉及一种往复活塞式内燃机。

背景技术：

往复活塞式内燃机是指活塞在气缸内作往复直线运动的活塞式内燃机。四冲程往复活塞式发动机由活塞运动形成进气、空气压缩、燃烧和膨胀做功、排气四个有序步骤形成一个工作循环，不断重复循环就形成其工作过程。往复活塞式内燃机按着火方式可以分为点燃式和压燃式两类，主要分别是汽油机和柴油机。

现在的汽油机热效率一般为35%左右，最高达到40%，柴油机热效率一般为40%左右，最高达到46%左右。往复活塞式内燃机发展了一百多年，各项技术相对成熟，但热效率却不高，想要进一步提高热效率十分困难。

即使当前往复活塞式内燃机的最高热效率不高，但在实际使用中，往复活塞式内燃机在大多数的工况情况下仍然难以达到其较高的热效率，大多数工况下只能达到较低的热效率，也就是大多数工况下都是在较低的热效率下运行，比如当前作为汽车发动机的一般汽油机最高热效率约为37%左右，但在实际使用过程中，多数工况下往往其热效率还达不到30%。往复活塞式内燃机在使用过程中往往难以达到其理想的最高热效率状态，其原因在于，当前大多数的往复活塞式内燃机都是固定压缩比的发动机，其只有在特定的工况下才能达到最高热效率状态，也就是与其压缩比相适应的工况，相适应的功率和转速下，发动机在理想的运行状态，才能达到最高的热效率。在其他工况下，比如功率较小时，所需要的空气量和燃油量也都相应较小，发动机通过调节进气门减少空气的进气量，其实际进气量相应的压缩比就达不到发动机的标示压缩比，所以发动机此时的实际压缩比较低，其热效率也就较低，由于汽车行驶时实际的工况多样化，在多数情况下都难以在理想的情况下行驶，也就是在多数情况下都难以达到理想的热效率。比如汽车在高速公路和在市区道路行驶相比较，其燃油效率完全不同，油耗相差很大。固定压缩比发动机在低功率时，不但其热效率比较低，其扭矩和动力同样也比较低下。

根据不同的工况状态来调节发动机的压缩比，使发动机在不同的工况下可以工作在与之相适应的压缩比，在高负载时使用较低的压缩比，在低负载使用较高的压缩比，可以使得在不同的工况下都能够达到较高的热效率。到目前为止，内燃机在发展过程中也出现了各种各样的可调可变压缩比方案，但由于可变压缩比方案都比较复杂，使得发动机的设计制造成本大增，并且由于复杂的可变压缩比方案会导致更大的机械损耗，所产生的效果并不显著，大都难以得到实际的应用。比如瑞典工程师开发的可变压缩比svc发动机，它的核心技术就是通过铰链式连接机体顶部（包括气缸和气缸盖），并旋转机体顶部，倾斜缸体的顶部使得燃烧室与活塞顶面的相对位置发生变化，改变燃烧室的容积，从而改变压缩比，其压缩比范围可从8：1至14：1之间变化；铰链式连接使得机体密封比较困难，而且由于活塞与气缸和气缸盖之间压力和振动都很大，其铰链式挡块结构难以确保机体的稳定，最终导致成本过高而难以投入生产。当前真正能够量产和实施应用的只有日产的vc-turbo可变压缩比发动机，日产的vc-turbo可变压缩比发动机方案有别于传统发动机的曲柄连杆结构，独创多连杆系统，其在轴颈上有曲柄销杠杆，一端连接活塞连杆，另一端连接控制连杆，控制杆与偏心轴相连，通过调节控制偏心轴就可以调节压缩比；可以实现发动机压缩比由8:1（高性能）—14:1（高效能）之间的无级切换。法国公司mce-5发动机的可变压缩比技术也与日产的vc-turbo发动机类似，使用了带齿轮的杠杆连接多连杆，其最大的特点是使用了滚珠轴承系统导向的活塞，活塞和活塞连杆是刚性连接，活塞对气缸不会产生径向压力和拍击。日产vc-turbo发动机和mce-5发动机都使用了多连杆和杠杆结构，使得发动机结构十分复杂，特别是作为杠杆支点的轴颈，其上的应力成倍增加，发动机总体上增加了运动机构的质量和机械损耗，虽然这两者对比一般发动机的动力和热效率有所提高，但与当前最高性能发动机的动力和热效率相比较，并没有显现出较好的优势，但发动机的设计制造成本却有大幅的增加，并且机械的复杂性也必然导致故障率的增加；例如搭载可变压缩比发动机的英菲尼迪qx50对比奥迪q5和宝马x3，无论是在城市路段还是在高速公路的测试中，其动力和燃油效率都没有取得任何优势，这甚至令人们对可变压缩比发动机方案的效率产生了怀疑。

如何使得发动机在各种工况下都能够满足达到理想的动力和热效率，设计生产出简单的、低成本的、在不同工况下都能够达到较高热效率和较高动力性能的可变压缩比发动机方案，这是当前难以解决的问题。

技术实现要素：

要使得发动机在不同工况下都能够达到相应理想的强动力性能和较高热效率，必须使用可变压缩比发动机，并且发动机在不同工况下要与压缩比相适应；如何实现在不同工况下都能够达到较强动力和高热效率的发动机方案，这是难以解决的问题；本发明提供一种可调压缩比往复活塞式内燃机方案，可以完全解决以上这些问题。

本发明往复活塞式内燃机方案与发动机的机身结构密切相关，往复活塞式内燃机的机身一般来说从上到下依次为气缸盖、气缸体、曲轴箱、储油箱等四大部分；气缸盖是组成燃烧室的独立部件，通常与配气结构组合在一起；以往内燃机的气缸体与曲轴箱通常合成一体，形成机体，由于气缸体与曲轴之间产生的压力或拉力都很大，气缸体的侧压力也比较大，两者之间的振动也很强烈，两者合成为机体有利于发动机的机身紧凑和稳定，易于克服压力、拉力等各种应力和削弱机身振动。

本发明方案是，把往复活塞式内燃机的机身分为两大部分，气缸盖和气缸体以上部分为上机身，曲轴箱和储油箱以下部分为下机身，在气缸体与曲轴箱之间以可滑动嵌套式箱体进行连接，并且气缸体与曲轴箱之间的箱体嵌套以油封进行密封，以防止机油泄漏；在曲轴箱外设置若干固定连接的滑动柱，在气缸体外设置相应固定连接的滑套环(两者也可以互换，以曲轴箱固定连接滑套环，而气缸体固定连接滑动柱)，使得滑套环套住滑动柱并可以沿着滑动柱进行滑动，并且滑动方向与嵌套连接的箱体滑动方向一致，气缸体和曲轴箱也相应滑动以改变两者之间的距离和位置；在曲轴箱固定滑动柱的另一端，以梁架相互连接各个滑动柱成为刚性的固定架，在固定架与气缸体之间沿滑动方向设置定位器，定位器是可以调节和固定滑动位置的部件，比如使用液压定位器或螺旋定位器，通过调节定位器可以使得气缸体与曲轴箱两者通过滑套环和滑动柱进行滑动，定位器可以在滑动的任意点固定下来，以固定气缸体和曲轴箱的位置；为了定位更加紧密准确和刚性更好，可以同时在连接之间均匀设置多个定位器；通过调整气缸体与曲轴箱的距离和位置，以调节往复活塞式内燃机的压缩比。

气缸体与曲轴箱之间的箱体以嵌套式进行连接，是可以通过滑动来改变距离的，但是它们之间很难承受较大的应力和振动，所以需要一个可以承受很大应力和振动的滑动导向构件，滑动柱和滑套环就是这样的构件，这构件的作用就是滑动导向和承受拉力、压力和侧向应力，还有减弱和防止振动，所以滑动柱和滑套环分别与曲轴箱和气缸体固定连接时必须具有足够的稳定和刚度。

与滑动柱连接的固定架可以起到稳定滑动柱的作用，并且固定架与气缸体之间的定位器可以调节和固定气缸体与曲轴箱之间的距离和位置。在活塞压缩和膨胀做功时，固定架需要承受压力，滑动柱则承受拉力，在发动机吸进气时则相反，所以固定架也必须具有足够的稳定和刚度。

为了定位更加稳定和减少振动，可以在定位器位置的气缸体和曲轴箱之间增加强力压缩弹簧，将气缸体和曲轴箱压紧实。

本发明方案往复活塞式内燃机的嵌套机箱具体构造如图1所示，图1是机身箱体嵌套连接横向剖面俯视构造图，图中标记：1.滑套环，2.滑动柱，3.气缸体嵌套机箱，4.曲轴箱嵌套机箱，5.定位器，6.气缸体外翼板，7.气缸体外加强肋。在图1中，气缸体嵌套机箱（3）在外面嵌套住在里面的曲轴箱嵌套机箱（4），两者以油封进行密封，是可以滑动的连接。在气缸体机箱的两边，各有多个滑套环（1）、滑动柱（2）和多个定位器（5），为了加强各部件的连接和固定，气缸体机箱两侧各有一气缸体外翼板（6），使得滑套环（1）和定位器（5）可以连接固定在气缸体外翼板（6）上，使各部件牢固地固定连接在气缸体上，气缸体外加强肋（7）可以增加气缸体外翼板（6）和气缸体机箱的刚度。

往复活塞式内燃机的宽侧面具体构造如图2所示，图2是机身宽侧面平视结构图，图中标记：1.滑套环，2.滑动柱，3.气缸体嵌套机箱，4.曲轴箱嵌套机箱，8.气缸体机箱斜面，9.气缸体，10.固定架，11.曲轴箱外翼板，12.曲轴箱外加强肋，13.曲轴箱机箱斜面，14.曲轴箱，15.储油箱。从图2可以看到，上机身部分包括：滑套环（1）、气缸体嵌套机箱（3）、气缸体机箱斜面（8）、气缸体（9）四个部位，下机身部分包括：滑动柱（2）、曲轴箱嵌套机箱（4）、曲轴箱外翼板（11）、曲轴箱外加强肋（12）、曲轴箱机箱斜面（13）、曲轴箱（14）、储油箱（15）等七个部位，还有与滑动柱（2）固定连接的固定架（10），上机身和下机身分别形成固定的部分，可以沿着滑动柱（2）和滑套环（1）进行滑动，使得嵌套机箱也随着滑动，从而改变上下机身两部分之间的距离和位置，达到改变压缩比的目的。

往复活塞式内燃机的长侧面具体构造如图3所示，图3是机身长侧面平视结构图，图中标记：1.滑套环，2.滑动柱，3.气缸体嵌套机箱，4.曲轴箱嵌套机箱，5.定位器，6.气缸体外翼板，7.气缸体外加强肋，8.气缸体机箱斜面，9.气缸体，10.固定架，11.曲轴箱外翼板，12.曲轴箱外加强肋，13.曲轴箱机箱斜面，14.曲轴箱，15.储油箱。在图3平视结构图中，上机身包括：滑套环（1）、气缸体嵌套机箱（3）、气缸体外翼板（6）、气缸体外加强肋（7）、气缸体机箱斜面（8）、气缸体（9）六个部位，下机身包括：滑动柱（2）、曲轴箱嵌套机箱（4）、曲轴箱外翼板（11）、曲轴箱外加强肋（12）、曲轴箱机箱斜面（13）、曲轴箱（14）、储油箱（15）等七个部位，还有固定架（10）与滑动柱（2）固定连接，定位器（5）与固定架（10）和气缸体外翼板（6）连接，固定架（10）和定位器（5）主要起调节和固定上下机身的作用，通过定位器（5）的调整和定位，可以按需要连续调节上下机身两者之间的距离和固定在任意一点位置上，实现在调节范围内的任意压缩比。气缸体外翼板（6）主要连接和固定与上机身连接相关的部件，曲轴箱外翼板（11）主要连接和固定与下机身连接相关的部件。

本发明方案通过最简单的气缸体和曲轴箱可滑动的嵌套连接，可以按需任意调节上下机身之间的距离，实现了压缩比的按需调节。本发明方案主要在机体外进行实施调节，机体内各部件基本不受影响，其结构组成相对简单，但为了确保机体的受力和稳定性，需要增加的各个部件和使用材料都比较多，所以对整个机体的重量会增加得比较多。本发明方案模式与以往的固定压缩比发动机相比是最接近相似的，大部分的机械部件都无需作改变，当定位固定时，实际上就是相当于一台固定压缩比的发动机，但本发明方案可以使得发动机在各种工况下都能够使用适当的压缩比，达到比较高的热效率；而其他形式的可变压缩比发动机，由于连杆等机械部件都有所改变，极有可能会影响发动机的各项性能。

本发明方案适用于直列多缸结构的往复活塞式内燃机，但对于v型缸体结构或其他缸体结构的发动机，由于缸体不在同一平面内，难以进行气缸箱体嵌套滑动连接，所以也就难以适用。

需要特别说明的是，提高压缩比是提高发动机热效率的主要因素；可变压缩比发动机是可以根据不同的工况进行相适应的压缩比调节，使得发动机在不同的工况下都能够实现相对较高的热效率；但是对于燃油发动机来说，爆燃是制约发动机压缩比和性能、热效率提高的重要因素，特别是对于汽油机，爆燃是提高压缩比和热效率的最大瓶颈之一，当压缩比较高时，可能在活塞到达上止点前，燃烧室内混合了燃料的混合气体就会被压燃，容易产生爆燃爆震现象，从而限制了压缩比和燃油效率的提高。要从根本上提高发动机的热效率，如果仅仅只是在小功率时提高压缩比，使得以提高膨胀比来提高效率，这是不足够的，也是意义不大的。当前正在使用可变压缩比发动机的汽车并不比传统的优秀汽车具有特别更高的燃油效率，除了机械结构原因外，爆燃的制约也是最主要的原因。只有通过可变压缩比来提高压缩比，实现发动机燃料燃烧模式的改变，才能从根本上实现压缩比和热效率的提高。比如汽油机，可以通过稀燃的燃烧方式，实现压燃着火，从而实现较高的压缩比和热效率；也可以通过提高爆燃的爆炸极限等方法，比如降低燃料混合气浓度以提高燃料燃烧的爆炸极限，以实现更高的压缩比。可以根据不同的需要，在不同的工况下，采用不同的燃烧方式，或者使用不同的燃料浓度，或者使用适合的进气量，使得尽量能够调节到在当前工况和等量燃油情况下使用最高的压缩比，从而得到较高的热效率。

对于汽油机来说，本发明可调压缩比往复活塞式内燃机方案可以有效减少污染有害物排放。汽油机的混合气空燃比在12—14时所发出的功率最大，在此状况下，汽油机是进行缺氧燃烧，会生成大量一氧化碳，燃烧后的工质气体中的一个氧分子拆分为两个氧原子，每个氧原子分别重新组合生成了一个气体分子(一氧化碳或水)，摩尔数(物质的量)增加的比率最高，而且空气量少故工质燃气的温度更加高，在此状态下工质气体具有最大的压力升高比，工质气体的热效率最大；但由于空气比例较少，所以燃烧也很容易产生高温，导致容易生成氮氧化物；而且缺氧燃烧也会导致燃烧不完全的情况，会残留碳氢化合物（hc）；所以汽油机在缺氧燃烧情况下，会产生大量污染有害物排放，必须使用三效催化转化器进行废气处理以降低污染排放。当前汽车对汽油机的调校一般会考虑发动机的性能和效率，在怠速、小功率低负载和高负载时都会使用较低空燃比的缺氧燃烧，即使有废气处理措施，仍不可避免地会产生大量有害污染排放。对于固定压缩比发动机，在小功率低负载工况下的缺氧燃烧，由于使用空气量较少，有些还使用了尾气复用的排气再循环技术，其实际压缩比是相当低的，即使工质气体的压力升高比达到比较高，其总的热效率仍然是相当低的。本发明可调压缩比内燃机方案，完全可以使用过量空气的空燃比，甚至使用稀燃的压燃着火燃烧方式，这样压缩比就会达到很高的水平，内燃机的热效率也会得到很大的提高，并且不会产生缺氧燃烧时生成的有害污染物。当然，本发明方案也可以使用缺氧燃烧，而且相比以往的发动机，由于压缩提高了很多，性能和热效率会有更大的提高，但这在小功率低负载的情况是完全没有必要的，因为本发明方案使用稀燃的燃烧方式可以达到更高的热效率，而且不会产生有害污染物。

对于不同标号的燃油燃料，本发明发动机都可以根据需要调节适合的压缩比，可以使用各种标号的汽油燃料，根据不同标号的燃油使用适应的压缩比，可以有效抑制和防止爆燃的发生；甚至如果发动机的制造材料能够提供足够的性能，可以将发动机设计成为可以使用各种不同类型和不同标号燃油的内燃机，比如既可以使用各种标号的汽油燃料，也可以使用各种标号的柴油燃料的发动机。

本发明的有益效果是，结构组成简单，以往固定压缩比发动机的主要部件无需作较大改变，容易生产实施；结构简单直接，副作用小；一般使用较大的空燃比燃烧，能够有效减少污染有害物排放；可以使用多种不同标号的燃油；压缩比容易按需调节，对发动机各种工况下运行都能够达到较高的性能和热效率。

附图说明

下面对附图及其标记进行说明。

图1是机身箱体嵌套连接横向剖面俯视构造图。

图2是机身宽侧面平视结构图。

图3是机身长侧面平视结构图。

图中标记：1.滑套环，2.滑动柱，3.气缸体嵌套机箱，4.曲轴箱嵌套机箱，

5.定位器，6.气缸体外翼板，7.气缸体外加强肋，8.气缸体机箱斜面，

9.气缸体，10.固定架，11.曲轴箱外翼板，12.曲轴箱外加强肋，

13.曲轴箱机箱斜面，14.曲轴箱，15.储油箱。

具体实施方式

可调压缩比往复活塞式内燃机。

本发明方案实施实例以1.6升四气缸涡轮增压直喷汽油机作为原型进行改进设计，如图1、图2、图3构造方案。本实例与原型不同的是，气缸体和曲轴箱都是独立的部件，两者以嵌套机箱可滑动嵌套连接。如图1所示，气缸体嵌套机箱（3）在外，曲轴箱嵌套机箱（4）在里，嵌套连接在一起，连接处以油封进行密封，以防机油泄漏，相互之间可以滑动。如图1和图3所示，气缸体外两边分别有一块固定的气缸体外翼板（6），每一气缸体外翼板（6）固定着三个滑套环（1）、四个定位器（5）、二个气缸体外加强肋（7）；定位器是可控的液压活塞，通过调节液压活塞的长度就可以调节气缸体与曲轴箱的距离。如图3所示，曲轴箱外两边分别有一块固定的曲轴箱外翼板（11），每一曲轴箱外翼板（11）固定着三个滑动柱（2）、四个定位器（5）和五个曲轴箱外加强肋（12）；滑动柱（2）与固定架（10）刚性连接，定位器（5）两端分别与固定架（10）和气缸体外翼板（6）相连接。

为了使气缸体和曲轴箱之间的连接更加紧密和稳定，本实例发动机在气缸体外翼板（6）和曲轴箱外翼板（11）之间位于每个定位器（5）的位置增加一个强力弹簧，使得气缸体机箱能够紧紧地压紧在定位器上，防止气缸体以及上机身发生偏向抖动和振动。

设置本实例发动机的可调压缩比为8—30之间。

本实例发动机增加一个电动涡轮增压器，可以随时按需调节进气压力，使得发动机的进气量可以与压缩比相适应，以符合所需的工况情况，也就可以随时调节发动机的动力性能。

本实例发动机除了气缸体和曲轴箱的箱体有较大改变，还有增加了与调节这两者箱体位置改变有关的部件，包括滑套环（1）、滑动柱（2）、气缸体嵌套机箱（3）、曲轴箱嵌套机箱（4）、定位器（5）等，发动机其他主要部件都基本不需要作改变，但配气系统通常与气缸盖组合到一起，配气系统的动力一般来源于曲轴，以链条或皮带传动，当压缩比改变时，上机身与下机身的相对位置也发生改变，链条或皮带的传动就会受到影响，所以对链条或皮带传动需要增加可以随着压缩比改变而调节的压紧轮，当压缩比增加时，压紧轮也随着放松，当压缩比减小时，压紧轮也跟着压紧，链条或皮带对配气系统传动的动力和角度都没有改变。

发动机的工况及运行模式。当发动机运行在怠速或微小功率较低负载的工况下时，发动机调节为使用较大甚至最大的压缩比，可以使用较大的空燃比，使用压燃着火和稀燃的燃烧方式。当发动机工作在中等功率和中等负载工况下时，以点燃着火方式运行，使用过量空气系数为1.2左右的空燃比，但每循环过程的燃油可以分多次间隔喷射，并且第一次喷射的预混合过量空气系数应在1.6以上（为了防止发动机失火情况，可以采用增加点火时喷射），通过降低混合气浓度来提高爆炸极限，以提高压缩比，压缩比应当调节到接近轻微爆燃水平；每循环的其余油量可以在点火燃烧后再分一次或多次喷入燃烧室进行燃烧。当发动机工作在大功率和高负载工况下时，以点燃着火方式运行，使用过量空气系数为0.9左右的空燃比，并且第一次喷射的预混合过量空气系数应在1.5左右，同样地，压缩比应当调节到接近轻微爆燃。当发动机工作在最大功率和最大负载时，调节压缩比为8（由于使用涡轮增压，实际压缩比会比较高），每循环的燃油量达到最大，第一次喷射燃油进行预混合的混合气体应当接近轻微爆燃，使得尽量多的燃油进行均质混合。

发动机性能的估计。原型发动机的一般固定压缩比为9.5左右，本实例发动机最小压缩比为8，在同等条件下，本实例发动机的每循环最大进气量要比原型发动机要多，每循环的最大燃油消耗量也更多，所以本实例发动机的最大功率和最大转矩都要比原型发动机高得多。本实例发动机配备电动涡轮增压器，可以迅速达到高负载状态，具有迅速的强动力响应。本实例发动机在中高等负载时，在同样燃油量情况下，都可以通过减少预混合的燃油量来提高爆炸极限和使用尽可能大的压缩比，可以有效抑制和防止爆燃的发生，并且大幅度地提高热效率，与原型发动机相比较，压缩比和热效率都高得多。本实例发动机在怠速或微小功率较低负载情况时，可以使用较大的空燃比，使用压燃着火和稀燃的燃烧方式，极大地提高了压缩比和热效率，并且由于使用过量空燃比和压燃着火方式，可以有效减少污染有害物的排放。本实例发动机的可调压缩比范围是8—30，但由于使用了压燃着火和稀燃的燃烧方式，并且使用了两级涡轮增压器，所以其实际的压缩比只受限于发动机本身的性能和实际的调校结果，如果发动机的性能可以提供足够支持，压缩比甚至可以超过30以上，即使按压缩比为30的等容加热模型计算，其理论最高热效率可以达到67%，实际最高热效率可达50%以上，但由于发动机的运行同时受到环保标准的制约，有最高燃烧温度限制，所以在最高热效率状态时，其实际的功率和动力都不会很高。原型发动机是固定压缩比的发动机，其在小功率低负载工况下运行时，燃油量会减少，每循环的燃油量也减少，空气用量也同样减少，但燃烧室的空间不变，所以其实际的压缩比要小很多，热效率也相对比较低。本发明实例发动机可以随时调节压缩比以适合相应的工况情况，在其在小功率低负载工况下运行时，可以使用较大的空燃比，提高了爆燃的爆炸极限，可以使用更大的压缩比，得到更高的热效率，所以本发明发动机能够在各种工况下都保持较高的热效率，在各种工况下都有较高的燃油效率。本实例发动机还可以使用各种不同标号的汽油燃料。