CN105464817B - 可变压缩比发动机、汽车 - Google Patents

Abstract

一种可变压缩比发动机、汽车，其中可变压缩比发动机包括：气缸；位于气缸中的第一活塞、位于第一活塞腔内的第二活塞，沿轴向方向，第一活塞能相对第二活塞移动；连杆，包括连杆小头和杆身，连杆小头伸入第二活塞腔，与第二活塞转动连接，杆身具有轴向延伸至连杆小头的油道；位于第二活塞中、且连通第一活塞腔的泄油孔；连杆小头具有连通油道的进油孔，第二活塞顶部设有与连杆小头轴向相对的出油孔，出油孔连通第一活塞腔并露出连杆小头；在压缩冲程，进油孔与出油孔连通，油液经油道、进油孔、出油孔喷出。本可变压缩比发动机的结构简单、操作方便，通过调节压缩比来避免发动机高负荷时产生爆震，并在低负荷时提高燃油效率。

Description

可变压缩比发动机、汽车

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别涉及一种可变压缩比发动机及汽车。

背景技术

在现有汽车用发动机中，压缩比是发动机中一个非常重要的概念，压缩比表示了气缸中气体的压缩程度，它是气缸中气体压缩前的容积与气体压缩后的容积之比，即气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。增加压缩比，可以提高气缸压力和燃烧效率，但是容易引起发动机的爆震或早燃，爆震是指气缸内的压力和温度超过了临界值，汽油混合气在火焰到达之前就开始燃烧，早燃是指因为压缩及其它条件而在火花点火之前被点燃，这些都会对发动机带来很大的伤害。所以，在发动机处于低负荷时，希望通过增加压缩比来提高燃烧效率，而高负荷时，希望降低压缩比来防止爆震和改善燃烧效率。

现代发动机中，气缸总容积是基本恒定的，且在发动机工作过程中是无法改变的。因此，当前的可变压缩比技术，通常是通过改变气缸燃烧室容积和改变气缸中活塞上止点位置来实现，例如改变活塞上止点位置可以改变气缸燃烧室容积，进而改变压缩比。但是，现有可变压缩比机构的结构复杂、操作困难。

发明内容

本发明解决的问题是，现有可变压缩比机构的结构复杂、操作困难。

为解决上述问题，本发明提供一种可变压缩比发动机，该可变压缩比发动机包括：

气缸；

位于所述气缸中的第一活塞、位于所述第一活塞腔内的第二活塞，沿所述第二活塞的轴向方向，所述第一活塞能够相对第二活塞移动；

连杆，包括连杆小头和杆身，所述连杆小头伸入第二活塞腔内，并与第二活塞转动连接，所述杆身具有轴向延伸至连杆小头的油道；

位于所述第二活塞中、且连通所述第一活塞腔的泄油孔；

所述连杆小头具有连通所述油道的进油孔，所述第二活塞顶部设有与连杆小头轴向相对的出油孔，所述出油孔连通所述第一活塞腔并露出连杆小头；

在压缩冲程，所述进油孔与出油孔连通，油液依次经油道、进油孔、出油孔喷出。

可选地，所述泄油孔位于第二活塞侧壁中且沿轴向贯穿第二活塞；或者，

在所述第二活塞与第一活塞径向相对的表面设有连通槽，所述连通槽沿轴向贯穿第二活塞，所述连通槽和第一活塞围成泄油孔。

可选地，在所述第一活塞腔侧壁设有环形圈，所述环形圈与第一活塞同轴；

所述第二活塞与第一活塞径向相对的表面设有环形槽，所述环形槽与第二活塞同轴；

所述环形圈位于环形槽中，当所述第一活塞相对第二活塞轴向移动时，所述环形圈在环形槽中轴向移动；

所述第二活塞腔侧壁对应环形槽的位置设有连通环形槽的泄油口。

可选地，所述第一活塞与第二活塞径向贴合，所述环形圈与环形槽径向贴合。

可选地，所述泄油孔的数量为至少一个。

可选地，所述泄油孔的数量为至少两个，所有泄油孔沿周向方向均匀分布。

可选地，所述泄油孔的孔径范围为大于等于2mm。

可选地，沿轴向方向，所述环形槽贯穿第二活塞底部。

可选地，所述第一活塞腔顶壁设有沿轴向朝向出油孔凸出的凸部。

可选地，所述凸部沿第一活塞轴向朝向出油孔的表面为抛物面或圆弧面，所述抛物面、圆弧面沿轴向朝出油孔凸出。

可选地，所述进油孔的孔径范围为大于等于1mm。

可选地，所述出油孔的孔径范围为大于等于2mm。

本发明还提供一种汽车，该汽车包括上述任一所述的可变压缩比发动机。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

发动机工作时，在压缩冲程初始状态，第一活塞和第二活塞位于气缸下止点位置。在压缩冲程过程中，第一活塞和第二活塞整体沿轴向朝上止点移动。在移动过程中，一方面，沿轴向方向，在气缸中，第一活塞受到其上方的空气施加的与移动方向相反的压力。另一方面，进油孔与出油孔连通，油液经油道输入后经出油孔喷出，沿轴向方向，第一活塞受到油液施加的与移动方向同向的油压作用，通过控制油压大小以使第一活塞相对第二活塞轴向移动，以改变压缩冲程终止状态第一活塞的位置，调整气缸燃烧室的容积，实现调节压缩比和气缸压力的目的。压缩冲程过程或压缩冲程后，第一活塞腔中的油液经泄油孔流出。本技术方案的可变压缩比发动机的结构简单、操作方便，通过调节压缩比来避免发动机高负荷时产生爆震，并在低负荷时提高燃油效率。

附图说明

图1是本发明具体实施例的可变压缩比发动机中活塞连杆组的剖面结构示意图；

图2是本发明具体实施例的可变压缩比发动机做功冲程初始状态的示意图；

图3是本发明具体实施例的可变压缩比发动机排气冲程过程的示意图；

图4是本发明具体实施例的可变压缩比发动机进气冲程终止状态示意图；

图5是本发明具体实施例的可变压缩比发动机压缩冲程过程的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参照图1，本实施例的可变压缩比发动机包括：

气缸(图中未示出)；

位于气缸中的第一活塞1、位于第一活塞1的活塞腔内的第二活塞2，沿第二活塞2的轴向方向，第一活塞1能够相对第二活塞2移动；

连杆3，包括连杆小头30和杆身31，连杆小头30伸入第二活塞2的活塞腔内，并与第二活塞2转动连接，杆身31具有轴向延伸至连杆小头30的油道310，连杆3的连杆大头32与曲轴(图中未示出)连接；

位于第二活塞2中、且连通第一活塞1的活塞腔的泄油孔20；

连杆小头30具有连通油道310的进油孔301，第二活塞2顶部设有与连杆小头30轴向相对的出油孔21，出油孔21连通第一活塞1的活塞腔并露出连杆小头30。在压缩冲程过程，进油孔301和出油孔21连通，油液依次经油道310、进油孔301和出油孔21喷出。

使用本实施例的可变压缩比发动机，改变气缸压缩比的原理为：

在发动机四个冲程中，做功冲程过程中，气缸压力很高，其工作形态单一，而且有了第一个做功冲程，发动机才可认为是正常启动和工作。因此，为了清楚说明其工作过程，本发明从做功冲程开始说明本实施例发动机的工作原理。

结合参照图2，在做功冲程初始阶段，第一活塞1和第二活塞2处于上止点位置，进油孔301朝向第二活塞2顶部的开口与出油孔21错位而未连通，气缸燃烧室中的混合油气点燃产生强大冲击力给第一活塞1，第一活塞1在巨大的冲击力作用下相对第二活塞2沿轴向向下移动，至第二活塞2顶部与第一活塞1相抵，第二活塞2顶部与第一活塞1之间的第一空腔11中的油液经泄油孔20流出至油底壳，第一空腔11的体积最小；

在做功冲程过程，第一活塞1和第二活塞2整体下行，至下止点位置。

结合参照图3，箭头表示油液流向，在排气冲程初始阶段，第一活塞1和第二活塞2位于下止点位置；

在排气冲程过程中，受曲轴惯性作用，连杆3推动第二活塞2和第一活塞1整体上行，在上行过程中，第一活塞1受到上方废气气压和气缸壁摩擦作用而相对第二活塞2静止，连杆3转动使得进油孔301和出油孔21逐渐连通，由于做功冲程在气缸中产生极大热量，该热量传递至第一活塞1和第二活塞2，此时可通过油道310中注入少量油液，油液经进油孔301、出油孔21喷出，再经泄油孔20排出，油液在流动过程中起到冷却第一活塞1和第二活塞2的作用；

在排气冲程终止状态，第一活塞1和第二活塞2位于上止点位置，进油孔301和出油孔21错位而未连通，由于排气冲程过程中出油孔21喷出的油液油压不高，第一活塞1和第二活塞2并未相对移动，第一空腔11的体积最小。但是，这并不是否定排气冲程过程第一活塞1不能够相对第二活塞2相对移动，如有需要，也可控制第一活塞1相对第二活塞2相对移动。

结合参照图4，在进气冲程初始状态，第一活塞1和第二活塞2位于上止点位置，第二活塞2顶部与第一活塞1轴向相抵，第一空腔11体积最小；

在进气冲程过程中，第一活塞1和第二活塞2整体下行，随连杆3转动，进油孔301和出油孔21逐渐连通，通过出油孔21喷出油液，由于第一活塞1受到上方空气向下的气压很小，因此油液油压无需太高，就可推动第一活塞1相对第二活塞2轴向向上移动，第一空腔11的体积逐渐增大。第一空腔11体积增大，第一空腔11中，第二活塞2顶部到第一活塞1的轴向间距增大，为后续压缩冲程过程调节气缸压缩比作准备；

在进气冲程终止状态，第一活塞1和第二活塞2处于下止点位置，进油孔301和出油孔21处于未连通状态，第一空腔11中，第二活塞2顶部到第一活塞1的轴向间距较大。

结合参照图5，箭头表示油液的流向，在压缩冲程初始阶段，第一活塞1和第二活塞2整体位于下止点位置；

在压缩冲程过程，第一活塞1和第二活塞2整体上行。由于气缸中位于第一活塞1上方的空间具有空气，第一活塞1压缩其上方的空气，受到空气沿轴向朝下逐渐增大的气压压力，这时控制油液从出油孔21朝向第一活塞1的顶部喷出，第一活塞1受到沿轴向向上的油压作用。由于在压缩冲程初始阶段，第一空腔11中，第二活塞2顶部到第一活塞1的间距较大，该较大间距为第一活塞1和第二活塞2的相对移动预留空间。通过控制从出油孔21中喷出的油液油压，来控制第一活塞1和第二活塞2相对移动。例如，当油压大于上方气压压力时，第一活塞1相对第二活塞2向上移动；当油压小于上方气压压力时，第一活塞1相对第二活塞2向下移动；当油压等于压力时，第一活塞1与第二活塞2相对静止。

将在正常路况下的发动机工作时，在压缩冲程终止状态，第一活塞1和第二活塞2之间的相对位置定义为初始位置，第一活塞1所在气缸位置为标准上止点。由于，在每个压缩冲程从初始状态到终止状态过程，第二活塞2的移动距离是等同的，也就是第二活塞2在压缩冲程终止状态的位置相同。相比于初始位置，如果第一活塞1相对第二活塞2在压缩冲程过程向上移动，到达压缩冲程终止状态时，第一活塞1所在位置位于标准上止点以上。相比于初始位置，如果第一活塞1相对第二活塞2在压缩冲程过程向下移动，到达压缩冲程终止状态时，第一活塞1所在位置位于标准上止点以下。也就是，通过压缩冲程过程控制第一活塞1和第二活塞2轴向相对移动，可改变压缩冲程终止状态时第一活塞1的上止点位置。这样，使用本实施例的可变压缩比发动机，可根据路况和发动机工作状况调节第一活塞1的上止点位置，以改变气缸燃烧室容积进而改变压缩比。例如当发动机处于高负荷运行时，气缸燃烧室的压缩比很高、压力较大，这时通过控制第一活塞1相对第二活塞2向下移动，使第一活塞1的上止点位于标准上止点以下，以增大气缸燃烧室容积，降低气缸燃烧室的压力、压缩比，来防止爆震；当发动机处于低负荷运行时，气缸燃烧室的压缩比较低、压力较小，通过控制第一活塞1相对第二活塞2向上移动，使第一活塞1的上止点位于标准上止点以上，这减小了气缸燃烧室的容积，增大气缸燃烧室的压力、压缩比，来提升燃油燃烧效率，最终节约了燃料，减少了废气排放。

结合参照图1，连杆小头30穿过活塞销4，并与活塞销4为转动连接。在连杆小头30与活塞销4径向相对的内周面设有环槽40，该环槽40沿轴向方向未贯穿连杆小头30，该环槽40与连杆小头同轴，且与活塞销4共同围成环形油道，该环形油道连通杆身31中的油道310和进油孔301。作为变形例，还可以是：在活塞销4与连杆小头30径向相对的外周面设有环槽，该环槽与连杆小头30的内周面共同围成环形油道，以连通油道310和进油孔301。

连杆大头32与曲轴连接的同时，油道310与曲轴中的油道连通，供油装置提供的油液经曲轴油道流向杆身31中油道310，可以对连杆小头30与活塞销4之间的转动连接起到润滑作用。对本发明方案而言，曲轴油道中油液油压直接影响出油孔21喷出的油液油压。对此，可以在油液进入曲轴油道之前，在系统油路中设置节流阀以控制压缩冲程过程的输出油压，来控制第一活塞1相对第二活塞2的轴向移动位移。还可以是：在系统油路中设置电磁阀，ECU根据路况等条件控制电磁阀开口大小，来实时控制压缩冲程过程的输出油压，使得第一活塞1在压缩冲程终止状态的气缸中的位置恰好为所需上止点位置，实现实时精确控制。除该方案外，还可以是：单独设计一个独立的可调节的油压系统，该油压系统与发动机供油装置连接，并向杆身31中的油道310供油。

在本实施例中，进油孔301孔径范围大于等于1mm。进油孔301的孔径大小直接影响油液是否能从进油孔301顺利流通和流出油液油压大小。若进油孔301的孔径小于1mm，进油孔301中油液流量小，油压低。进油孔301孔径的上限值当以连杆小头30的机械强度和加工便利为限。进油孔301的形状可以是圆形孔、方形孔、或其他形状的孔。

在本实施例中，出油孔21的孔径范围为大于等于2mm。如果出油孔21的孔径小于2mm，出油孔21喷出油液油量小，油压低，不足以推动第一活塞1移动。

在本实施例中，参照图1，泄油孔20位于第二活塞2侧壁中且沿轴向贯通第二活塞2。结合参照图5，在压缩冲程中，从出油孔21喷出的油液积聚在第二活塞2顶部与第一活塞1顶部之间的第一空腔11中，并逐渐通过泄油孔20流出，最终至油底壳(图中未示出)。若第一空腔11中的油液不能排出，长期积压会影响到其他冲程的正常工作，还会影响下一次压缩冲程。其中，出油孔21在喷油的同时，泄油孔20就在排出油液。

在具体实施例中，泄油孔20的数量为至少一个。本实施例中，泄油孔20的数量为至少两个，能确保油液及时排出。由于油液是分布于整个第一空腔11中，若泄油孔20数量过少，可能会导致流动不畅，影响控制响应速度。另外，该多个泄油孔20沿周向方向均匀分布，可使油液均匀排出。泄油孔20的孔径范围为大于等于2mm，能够起到良好的泄油效果。如果泄油孔20的孔径小于2mm，泄油孔20尺寸狭小，油液具有一定粘度，很容易堵塞在泄油孔20中，不利于油液流出。作为变形例，泄油孔的位置还可是：在第二活塞与第一活塞径向相对的表面设有连通槽，连通槽沿轴向贯穿第二活塞，连通槽和第一活塞围成泄油孔。还可以是：在第二活塞顶部设置有泄油孔，该泄油孔连通第一活塞腔和第二活塞腔。

继续参照图1，在第一活塞1的活塞腔侧壁设有环形圈5，环形圈5靠近第一活塞1的活塞腔开口，环形圈5与第一活塞1同轴；

在第二活塞2与第一活塞1径向相对的表面中设有环形槽6，环形槽6与第二活塞2同轴，环形槽6沿轴向方向贯穿第二活塞2底部，作为变形例，环形槽6也可不贯穿第二活塞2底部；

环形圈5位于环形槽6中，当第一活塞1相对第二活塞2轴向移动时，环形圈5在环形槽6中轴向移动。沿轴向方向，环形圈5与环形槽6的侧壁之间围成第二空腔12，泄油孔20连通第一空腔11和第二空腔12。第二活塞腔侧壁对应环形槽6的位置设有连通环形槽6的泄油口201，泄油口201可将第二空腔12中多余的油泄掉。

以下简要说明第二空腔12和泄油口201在发动机四个冲程过程中的状态和作用：

结合参照图2，在做功冲程初始状态，第一空腔11中的油液经泄油孔20流入第二空腔12，第一空腔11的体积最小，第二空腔12体积最大，泄油口201与第二空腔12连通；

在做功冲程过程中，第二空腔12中的油液经泄油口201流出至油底壳；

做功冲程终止状态，泄油口201和第二空腔12的状态与做功冲程初始状态相同。

结合参照图3，在排气冲程初始状态，泄油口201与第二空腔12连通；

在排气冲程过程中，用于冷却第一活塞1和第二活塞2的油液从第一空腔11流入第二空腔12中，并经泄油口201流出至油底壳；

排气冲程终止状态，泄油口201和第二空腔12的状态与排气冲程初始状态相同。

结合参照图4，在进气冲程初始状态，泄油口201与第二空腔12连通；

在进气冲程过程中，由于第一活塞1相对第二活塞2上行，第一空腔11的体积逐渐增大，第二空腔12的体积逐渐减小，环形圈5相对泄油口201上行并逐渐覆盖泄油口201，至越过泄油孔201，泄油口201与第二空腔12错位未连通；

在进气冲程终止状态，当第二活塞2沿轴向方向与环形圈5相抵，第一空腔11的体积最大，第二空腔12的体积最小，泄油口201与第二空腔12错位未连通。

结合参照图5，在压缩冲程初始阶段，第一空腔11的体积最大，第二空腔12的体积最小；

在压缩冲程过程中，根据路况和发动机载荷，若需要在压缩冲程终止状态获得气缸燃烧室最大压缩比，只需保持出油口21喷出的油液油压在压缩冲程过程中始终大于或等于第一活塞1上方的气压压力。

若需要在压缩冲程终止状态获得气缸燃烧室较小压缩比，可控制出油口21喷出的油液油压小于第一活塞1上方的气压压力，待第一活塞1受气压压力作用相对第二活塞2移动一定距离后，保持出油口21喷出的油液油压等于第一活塞1上方的气压压力至压缩冲程终止状态。若需要在压缩冲程终止状态获得气缸燃烧室最小压缩比，第一活塞1相对第二活塞2移动至第二活塞2顶部与第一活塞1相抵。当然，在压缩冲程过程中，也可实时调节第一活塞1相对第二活塞2向上和向下移动。

需要说明的是，在本实施例中，进气冲程终止状态，第一空腔11体积最大，这仅起到示例作用。在具体工作中，在进气冲程终止状态，第一空腔11的体积也可无需最大，可在后续压缩冲程过程中，实时调节第一活塞1相对第二活塞2向上或向下移动，以获得最终所需压缩比即可。

在压缩冲程终止状态，由于压缩冲程过程中第一活塞1相对第二活塞2的移动位移与最终所需气缸压缩比有关，因此泄油口201和第二空腔12的状态应作具体分析。

在本实施例中，第一活塞1和第二活塞2径向贴合，环形圈5与环形槽6径向贴合，这样第一活塞1和第二活塞2之间基本不会发生相对晃动。环形圈5起到进一步稳定第二活塞2的作用。

在具体实施例中，环形圈5与第一活塞1的内壁之间为螺纹连接或其他可行的连接方式，如焊接。

在本实施例中，参照图1，第一活塞1活塞腔顶壁设有沿轴向朝向出油孔21突出的凸部13。从出油孔21喷出的油液先作用在凸部13上，这样可使油压集中，在压缩冲程过程中，第一活塞1所受油压压力较大。更重要的是，结合参照图2，在做功冲程初始状态，第一活塞1受到沿轴向向下的较大气压冲击，会骤然向下移动，这时凸部13先与出油孔21中喷出的油液相遇，油液起到泄力缓冲作用，避免第一活塞1和第二活塞2发生强烈碰撞。

为更好地实现泄力缓冲效果，凸部13沿第一活塞1轴向朝向出油孔21的表面为：抛物面，抛物面沿轴向朝向出油孔21凸出；或圆弧面，圆弧面沿轴向朝向出油孔21凸出。这样，在凸部13与油液遭遇时，一方面抛物面或圆弧面能够增大油液与凸部13的接触面积，凸部13所受油液油压较大，更有效抵消第一活塞1上方巨大的气压冲击力；另一方面，油液在遭遇抛物面或圆弧面时会沿抛物面或圆弧面向周围飞溅，并作用在第一活塞1底部其他位置，起到很好的缓冲作用。

本发明还提供一种汽车，该汽车包括上述可变压缩比发动机。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (13)

1.一种可变压缩比发动机，其特征在于，包括：

气缸；

位于所述气缸中的第一活塞、位于第一活塞腔内的第二活塞，沿所述第二活塞的轴向方向，所述第一活塞能够相对第二活塞移动；

连杆，包括连杆小头和杆身，所述连杆小头伸入第二活塞腔内，并与第二活塞转动连接，所述杆身具有轴向延伸至连杆小头的油道；

位于所述第二活塞中、且连通所述第一活塞腔的泄油孔；

所述连杆小头具有连通所述油道的进油孔，所述第二活塞顶部设有与连杆小头轴向相对的出油孔，所述出油孔连通所述第一活塞腔并露出连杆小头；

在压缩冲程中，通过连杆的转动带动所述进油孔与出油孔连通，油液依次经所述油道、进油孔、出油孔喷出。

2.如权利要求1所述的可变压缩比发动机，其特征在于，所述泄油孔位于第二活塞侧壁中且沿轴向贯穿第二活塞；或者，

在所述第二活塞与第一活塞径向相对的表面设有连通槽，所述连通槽沿轴向贯穿第二活塞，所述连通槽和第一活塞围成泄油孔。

3.如权利要求2所述的可变压缩比发动机，其特征在于，在所述第一活塞腔侧壁设有环形圈，所述环形圈与第一活塞同轴；

所述第二活塞与第一活塞径向相对的表面设有环形槽，所述环形槽与第二活塞同轴；

所述环形圈位于环形槽中，当所述第一活塞相对第二活塞轴向移动时，所述环形圈在环形槽中轴向移动；

所述第二活塞腔侧壁对应环形槽的位置设有连通环形槽的泄油口。

4.如权利要求3所述的可变压缩比发动机，其特征在于，所述第一活塞与第二活塞径向贴合，所述环形圈与环形槽径向贴合。

5.如权利要求3所述的可变压缩比发动机，其特征在于，所述泄油孔的数量为至少一个。

6.如权利要求5所述的可变压缩比发动机，其特征在于，所述泄油孔的数量为至少两个，所有泄油孔沿周向方向均匀分布。

7.如权利要求5所述的可变压缩比发动机，其特征在于，所述泄油孔的孔径范围为大于等于2mm。

8.如权利要求3所述的可变压缩比发动机，其特征在于，沿轴向方向，所述环形槽贯穿第二活塞底部。

9.如权利要求2所述的可变压缩比发动机，其特征在于，所述第一活塞腔顶壁设有沿轴向朝向出油孔凸出的凸部。

10.如权利要求9所述的可变压缩比发动机，其特征在于，所述凸部沿第一活塞轴向朝向出油孔的表面为抛物面或圆弧面，所述抛物面、圆弧面沿轴向朝出油孔凸出。

11.如权利要求1～10任一项所述的可变压缩比发动机，其特征在于，所述进油孔的孔径范围为大于等于1mm。

12.如权利要求1～10任一项所述的可变压缩比发动机，其特征在于，所述出油孔的孔径范围为大于等于2mm。

13.一种汽车，其特征在于，包括权利要求1～12任一项所述的可变压缩比发动机。