專利名稱:自動調(diào)整內(nèi)燃機壓縮比的偏心機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
內(nèi)燃機(汽油機和柴油機)現(xiàn)有技術(shù)目前實際應(yīng)用中的內(nèi)燃機的壓縮比多是固定不變的。這種內(nèi)燃機存在許多問題。汽油機在高速大負(fù)荷工況和各種轉(zhuǎn)速的低負(fù)荷工況下，壓縮比都可比原機壓縮比有不同程度的提高，若隨工況改變壓縮比，則可降低這些工況的燃油耗率并提高效率;柴油機在增壓比大于一定值后，最高爆壓將超過允許值，解決這一問題的有效辦法是降低壓縮比，但啟動、低負(fù)荷工況又要求壓縮比不低于一定值，因此，若能隨負(fù)荷改變壓縮比，則可滿足提高功率又不影響啟動及低負(fù)荷性能的要求。但是，由于內(nèi)燃機的壓縮比是固定不變的，因此，這些希望的結(jié)果都無法得到。
基于這種原因，人們設(shè)計了各種壓縮比可變的內(nèi)燃機。具體實現(xiàn)壓縮比改變的機構(gòu)有(一)可變壓縮比活塞(技術(shù)文件〔1〕〔4〕〔5〕);
(二)安裝于缸蓋或缸體上的各種調(diào)整燃燒室容積的機構(gòu)(自動的或外控的)(技術(shù)文件〔2〕〔3〕〔4〕〔8〕);
(三)利用液壓方法使缸蓋上下移動的機構(gòu)(技術(shù)文件〔4〕);
(四)利用液壓方法使連桿長度改變的機構(gòu)(技術(shù)文件〔5〕);
(五)安裝于連桿小端與活塞銷之間的偏心套簡機構(gòu)(技術(shù)文件〔6〕);
(六)安裝于曲柄銷上的離心套閥機構(gòu)(技術(shù)文件〔7〕);
技術(shù)文件〔1〕《變壓縮比活塞發(fā)動機的發(fā)展》，國外內(nèi)燃機，1970年，第1～2期。
〔2〕V.V·馬卡勒蒂阿尼《氣墊式變壓縮比強化柴油機工作特性》，第十三屆國際內(nèi)燃機會議文集(柴油機部分)，七院十一所。
〔3〕P.夏維等《利用膨漲室控制柴油機的最高爆發(fā)壓力》，同〔2〕。
〔4〕《專利文獻(xiàn)報》(發(fā)動機和泵)，專利文獻(xiàn)出版社。
〔5〕《專利文獻(xiàn)通報》(汽車)，專利文獻(xiàn)出版社。
〔6〕西德專利，3108486(專利號)，F(xiàn)02b-15/00(國際專利分類號)，VOLKSWAGENWERK AG(申請者名稱)。
〔7〕美國專利，4254743(專利號)，F(xiàn)02b-75/04(國際專利分類號)。
〔8〕李文華、唐開元《變壓縮比-旁通高增壓系統(tǒng)的理論分析》，海軍工程學(xué)院研究生學(xué)報，一九八四年第一期。
發(fā)明的目的為內(nèi)燃機提供一種在各種轉(zhuǎn)速下均能隨負(fù)荷自動調(diào)整壓縮的簡單機構(gòu)，使汽油機低負(fù)荷及高速大負(fù)荷工況下的燃油耗率有顯著降低，使柴油機功率在不影響啟動、低負(fù)荷性能的情況下有明顯提高。
發(fā)明說明一、基本原理自動調(diào)整內(nèi)燃機壓縮比的偏心機構(gòu)(簡稱偏心機構(gòu))，是在連桿小端軸承內(nèi)表面與活塞銷外表面之間，或連桿大端軸承內(nèi)表面與曲柄銷外表面之間，安裝一個內(nèi)園中心與外園中心有一定距離的偏心套筒(簡稱偏心)，并在連桿與偏心之間安裝一個彈簧(圖1)。偏心套筒橫截面上過內(nèi)外園園心的軸線稱為橫軸線，橫軸線與連桿中心線的夾角A決定了活塞銷或曲柄相對于連桿的位置，亦即決定了連桿的實際長度。調(diào)整夾角A，就可調(diào)整連桿長度，從而調(diào)整活塞在上死點位置時的燃燒室容積和內(nèi)燃機的壓縮比。
加裝了偏心套筒的曲柄連桿機構(gòu)的自由度大于1，只有使夾角A確定，或者使其變化規(guī)律確定，才能使機構(gòu)的自由度等于1。因此，如何確定夾角A，并使其值符合內(nèi)燃機壓縮比變化規(guī)律的要求，便成為偏心機構(gòu)的關(guān)鍵。
自動調(diào)整內(nèi)燃機壓縮比的偏心機構(gòu)是采用確定氣缸壓力、機構(gòu)慣性力和彈簧彈力三者對偏心的共同作用結(jié)果來確定夾角A的。在這三項力的作用下，夾角A在一個工作循環(huán)中(360度或720度曲軸轉(zhuǎn)角)是不斷變化的。在確定的工況下，氣缸壓力、機構(gòu)慣性力有固定的變化規(guī)律，由于它們的作用，在一個工作循環(huán)后，夾角A將產(chǎn)生一個增量DA1;彈簧彈力是人為確定的，在一個工作循環(huán)之后，它也使夾角A產(chǎn)生一個增量DA2。DA1和DA2是兩者單獨作用的結(jié)果，實際上一個工作循環(huán)后的夾角A的增量應(yīng)為兩增量之和DA，即DA＝DA1+DA2。若DA＝0，則經(jīng)過一個循環(huán)后，夾角A又回復(fù)原值，在循環(huán)中，夾角A的值作規(guī)律確定的波動，各循環(huán)中的壓縮比值保持不變。若DA大于0，則夾角A在一個循環(huán)后增加一個角度DA，循環(huán)中的各A值有一定增加，壓縮比值增大;經(jīng)過數(shù)循環(huán)后，DA的值不斷減小直至0，壓縮比在一個新值上確定不變。若DA小于0，則情形與DA大于0時相反，最終仍過渡到DA＝0。
因此，欲使壓縮比符合工況的要求，應(yīng)使DA＝0時的壓縮比值與所要求的壓縮比值相近，且DA大于0時，壓縮比值小于要求的值，DA小于0時，壓縮比值大于要求的值。
1、影響DA1的因素在一個工作循環(huán)中，夾角A的波動范圍是很小的(采用小波動范圍的好處及減小波動范圍的方法將在以后敘述)。在波動范圍很小的情況下，機構(gòu)的慣性力(包括活塞、連桿、偏心自身的慣性力)單獨作用于偏心時，一循環(huán)后夾角A產(chǎn)生的增量幾乎等于0，因此，機構(gòu)的慣性力對DA1的影響可以忽略不計。
氣缸壓力是通過活塞、連桿把力傳遞給偏心的。氣缸壓力除使偏心受到一個旋轉(zhuǎn)力矩外，還在偏心外園表面產(chǎn)生一個反向摩擦力矩，增量DA1應(yīng)是兩者共同作用的結(jié)果。為使DA1不等于0。旋轉(zhuǎn)力矩的值必須大于反向摩擦力矩的值。旋轉(zhuǎn)力矩的大小取決于氣缸壓力和偏心量，后兩者越大，前者越大。反向摩擦力矩的大小取決于氣缸壓力和摩擦系數(shù)，二者的值越大，反向摩擦力矩越大。因此，影響DA1的因素有三項氣缸壓力、偏心量和摩擦系數(shù)，DA1的絕對值與前兩者成正比，與后者成反比。由于旋轉(zhuǎn)力矩必須大于反向摩擦力矩，而轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的夾角A的增量又總是小于0的，所以，DA1永遠(yuǎn)小于0。
需要指出一點，雖然慣性力對DA1不產(chǎn)生什么影響，但其對旋轉(zhuǎn)摩擦力產(chǎn)生的影響是不容忽視的。在精確計算每一個循環(huán)后總的角增量DA時，應(yīng)該將慣性力同其它力一起考慮。
2、影響DA2的因素影響DA2的因素有彈簧彈力和摩擦力。由于DA1永遠(yuǎn)小于0，為使DA＝0，DA2就必須永遠(yuǎn)大于0，且其值與DA1的絕對值相等。DA2的大小與彈簧彈力成正比，因此，在氣缸壓力和偏心量較大時，彈簧彈力也應(yīng)該有較大的值。氣缸壓力與負(fù)荷成正比，與壓縮縮成反比，因而也與夾角成反比，所以，與氣缸壓力成正比的彈簧彈力應(yīng)與夾角A成反比。
當(dāng)負(fù)荷減小時，壓縮比值應(yīng)該增加。此時氣缸壓力降低，DA1的絕對值隨之降低，DA出現(xiàn)大于0的情形，夾角A的值開始增加。隨著A的不斷增加，彈簧彈力將不斷降低，DA2隨之不斷減小，最后減小至與DA1的絕對值相等，DA重新為0，壓縮比穩(wěn)定在一個較高的值上。當(dāng)負(fù)荷增加時，偏心機構(gòu)也會使壓縮比按要求重新穩(wěn)定在一個較低的值上。因此，適當(dāng)選擇彈簧彈性系數(shù)和初始彈力，使每個穩(wěn)定的壓縮比值都與要求的值接近，則內(nèi)燃機在各種工況下都可以獲得一個較為理想的壓縮比。
3、夾角A波動范圍的選擇在每個工作循環(huán)中，夾角A的值是不斷變化的，其達(dá)到的最大值與最小值之差，稱為夾角A的波動范圍。
如果波動范圍取得較大，則在每一個穩(wěn)定的壓縮比下，夾角A的值將跨過一個比較寬的范圍。當(dāng)壓縮比取上限值和下限值時，夾角A有兩個與之對應(yīng)的A1和A2。這樣，夾角A的變化范圍(A1-A2)將小于夾角A的實際變化范圍，波動范圍越大，二者的差就越大。實際偏心機構(gòu)中的夾角A的可變化范圍是一定的，如果波動范圍較大，夾角A的有效變化范圍勢必減小較多，從而導(dǎo)致壓縮比的變化范圍有較大的減小。
波動范圍若取得較大，慣性力對DA1的影響就不能不考慮。慣性力的大小是由轉(zhuǎn)速決定的，因此，DA1就要受到轉(zhuǎn)速的影響，這是變壓縮比機構(gòu)所不希望的。
由以上分析可知，夾角A應(yīng)選用一個較小的波動范圍。但是，波動范圍過小，夾角A的增量DA也將很小，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時，壓縮比要經(jīng)過很多循環(huán)才能達(dá)到新的穩(wěn)定值，這樣就可能出現(xiàn)壓縮比變化過分滯后于工況變化的現(xiàn)象，使內(nèi)燃機性能遭到破壞。因此，波動范圍不應(yīng)小于一定值。
波動范圍的大小取決于以下四個因素(一)偏心量大小，(二)偏心質(zhì)量大小，(三)偏心外表面與軸承的摩擦系數(shù)大小，(四)外加阻尼大小。偏心量越大，波動范圍越大;后三項的值越大，波動范圍越小。因此，減小波動范圍的方法是減小偏心量，增加偏心質(zhì)量、摩擦系數(shù)和外加阻尼。
二、幾種結(jié)構(gòu)偏心機構(gòu)可以有多種結(jié)構(gòu)，各種結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于彈簧的形式和彈簧安裝的位置。
1、彈簧鑲于偏心上的凹槽內(nèi)如圖1所示，在偏心壁較厚的一側(cè)開一深度小于壁厚的凹槽，將特殊設(shè)計的彈簧置于槽內(nèi)，彈簧一端頂在安裝于連桿小端或大端的徑向銷上，另一端頂在凹槽的端面上。
特殊設(shè)計的彈簧的形式如圖1所示。彈簧由若干彎曲的彈簧鋼片組成，相互之間無聯(lián)結(jié)。這種彈簧只能受壓，壓力與鋼片彎曲的曲率被減小的程度成正比。
徑向銷除有固定彈簧的作用外，還可將其兩側(cè)的空間分成兩個獨立的容積，若容積內(nèi)存有潤滑油，則調(diào)整兩容積之間的滑油流通量，便可起到調(diào)節(jié)阻尼的作用。阻尼的大小與兩容積之間的滑油流通面積成反比。
2、彈簧鑲于連桿上的凹槽內(nèi)如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)與第1種結(jié)構(gòu)的區(qū)別僅在于凹槽開在連桿的小端或大端，徑向銷從連桿移至偏心上。
3、彈簧置于連桿一側(cè)的孔內(nèi)如圖3所示，密圈彈簧(普通彈簧)被安置于連桿一側(cè)的孔內(nèi)，并通過齒條將力傳給偏心，偏心上有外齒與齒條齒合。
偏心上或連桿上可專門開一凹槽，與安裝在連桿上或偏心上的徑向銷配合，形成兩個油腔，實現(xiàn)增加阻尼的作用。
4、彈簧置于連桿中心的孔內(nèi)如圖4所示，這種結(jié)構(gòu)與第三種結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于連桿上的孔開在連桿中心線上，且彈簧彈力是通過橫銷與斜槽的配合傳遞給偏心的。
5、彈簧鑲于偏心內(nèi)表面的凹槽內(nèi)這種結(jié)構(gòu)只能用于采用組合式曲軸的小型內(nèi)燃機上。如圖5所示，在偏心壁較厚的一側(cè)內(nèi)部開一凹槽，將特殊設(shè)計的彈簧置于槽內(nèi)，彈簧一端頂在安裝于曲柄銷上的徑向銷上，另一端頂在凹槽的端面上。在偏心套筒的前后端各加一個平衡重。當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)時，平衡重產(chǎn)生的慣性力將使夾角G產(chǎn)生增量，調(diào)整平衡重的大小。使其產(chǎn)生的增量恰與機構(gòu)慣性力產(chǎn)生的增量(這種結(jié)構(gòu)慣性力產(chǎn)生的夾角G的增量不為0)絕對值相等，符合相反，則總慣性力產(chǎn)生的夾角G的增量就等于0。平衡重的外緣有齒，與鑲于曲柄臂內(nèi)的園柱質(zhì)量上的外齒齒合，用以增加整個偏心系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，減小夾角G的波動范圍。
此種結(jié)構(gòu)中彈簧也可鑲于園柱質(zhì)量上的凹槽內(nèi)。若夾角G的波動范圍足夠小，則也可不加園柱質(zhì)量。
發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明可以為內(nèi)燃機提供一種簡單有效的變壓縮比機構(gòu)，與目前已有的變壓縮比技術(shù)(一)、(二)、(三)、(四)、(六)、(見“現(xiàn)有技術(shù)”部分)相比，它的結(jié)構(gòu)十分簡單，且性能可靠。與(五)相比，它雖然增加了一個彈簧，但其性能有了很大提高，克服了壓縮比值受轉(zhuǎn)速影響的缺點，使各種轉(zhuǎn)速上的壓縮比都可以在一個較寬的范圍內(nèi)變動。
本發(fā)明應(yīng)用到通常的汽油機上后，可使其低負(fù)荷工況下的燃油耗率減小10～50%，高速大負(fù)荷工況下的燃油耗率降低10%左右，功率有相應(yīng)的提高;應(yīng)用到通常的柴油機上后，可使其在不影響啟動和低負(fù)荷性能的情況下，功率提高1～3倍。
(一)圖1彈簧鑲于偏心凹槽內(nèi)的偏心機構(gòu)。
圖中1-安裝于連桿上的徑向銷;2-連桿小頭或大頭;3-偏心套筒;4-活塞銷或曲柄銷;5-特殊彈簧;e-偏心量;B-B-偏心橫軸線;A-橫軸線與連桿中心線的夾角。
(二)圖2彈簧鑲于連桿凹槽內(nèi)的偏心機構(gòu)。
圖中1-安裝于偏心上的徑向銷;2-鑲于連桿上的凹槽內(nèi)的特殊彈簧。
(三)圖3彈簧置于連桿-側(cè)孔內(nèi)的偏心機構(gòu)。
圖中1-齒條;2-普通彈簧;3-偏心套筒;4-專門開設(shè)的凹槽;5-與凹槽配合的徑向銷。
(四)圖4彈簧置于連桿中心孔內(nèi)的偏心機構(gòu)。
圖中1-帶橫銷的滑塊;2-普通彈簧;3-偏心上與橫銷配合的斜槽。
(五)圖5彈簧鑲于偏心內(nèi)表面凹槽內(nèi)的偏心機構(gòu)。
圖中1-安裝于曲柄銷上的徑向銷;2-特殊彈簧;3-偏心上的平衡配重;4-園柱質(zhì)量;5-曲柄臂;G-偏心橫軸線與曲柄中心軸線的夾角。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域：
為內(nèi)燃機。此領(lǐng)域中，已有通過在連桿小端軸承內(nèi)表面與活塞銷外表面之間，或連桿大端軸承內(nèi)表面與曲柄銷外表面之間加裝偏心套簡來改變壓縮比的機構(gòu)。在這些機構(gòu)中，由于活塞、連桿及偏心自身的慣性力的作用，在每一個工作循環(huán)中(曲軸旋轉(zhuǎn)360度或720度)，偏心都產(chǎn)生一個較大的，使內(nèi)燃機壓縮比增加的轉(zhuǎn)動角度。另一方面，氣缸壓力又使偏心朝相反的方向產(chǎn)生一個使內(nèi)燃機壓縮比減少的轉(zhuǎn)動角度，兩項力綜合作用的結(jié)果決定了活塞到達(dá)上死點時偏心的角位置和內(nèi)燃機的壓縮比值。這些機構(gòu)存在一個特定的曲軸位置，曲軸轉(zhuǎn)到這一位置時，偏心所處角位置總是相同或相近。偏心在每一個工作循環(huán)中都產(chǎn)生較大幅度的正反方向的轉(zhuǎn)動。本發(fā)明的特征是在偏心套簡所受的慣性力和氣缸壓力之外又增加一項作用于偏心套簡上的彈簧彈力，并且努力將偏心套簡相對于連桿或曲柄的角位置在三項力的作用下，在每一個工作循環(huán)中產(chǎn)生的變動的范圍，減少到一個較小的適當(dāng)?shù)闹担€通過在偏心套簡兩端加裝平衡重的方法來消除慣性力亦即轉(zhuǎn)速對壓縮比的影響。
2.1中的“在偏心套筒所受的慣性力和氣缸壓之外又增加一項作用于偏心套筒上的彈簧彈力”一段所述的增加一項彈簧彈力，方法可以是在偏心套筒和連桿大小端軸承之間，或偏心套簡和曲柄銷之間，以及其他與偏心套簡有某種聯(lián)系(力可相互傳遞)的零部件之間加裝一個普通的或特殊設(shè)計的彈簧，彈簧一端的彈力始終直接地或間接地作用在偏心套簡上，使其向壓縮比增大的方向旋轉(zhuǎn)，彈簧的另一端的彈力直接作用在相對于偏心套簡的旋轉(zhuǎn)角度不超過360度的零部件上。
3.2中只有“彈簧一端的彈力始終直接或間接地作用在偏心套簡上，使其向壓縮比增大的方向旋轉(zhuǎn)”一段所述內(nèi)容為本發(fā)明的特征。
4.1中的“并且努力將偏心套筒相對于連桿或曲柄的角位置在三項力的作用下在每一個工作循環(huán)中產(chǎn)生的變動的范圍，減少到一個較小的適當(dāng)?shù)闹怠币欢沃兴龅臏p小“變動的范圍”的方法可以是(一)減少偏心套簡的偏心量。(二)增大偏心套簡相對于內(nèi)、外園柱中心線的轉(zhuǎn)動慣量。(三)增大偏心套簡外表面與連桿大小端軸承內(nèi)表面之間，或偏心套簡內(nèi)表面與曲柄銷外表面之間的摩擦系數(shù)。(四)給偏心套簡的轉(zhuǎn)動增加阻尼;所述的“適當(dāng)?shù)闹怠睘楫?dāng)偏心套簡角位置的變動范圍在這個值附近時，內(nèi)燃機的壓縮比基本上不受轉(zhuǎn)速的影響，且在負(fù)荷變化后，壓縮比值的相應(yīng)變化沒有明顯的滯后。
5.1中的“還通過在偏心套簡兩端加裝平衡重的方法來消除慣性力亦即轉(zhuǎn)速對壓縮比的影響”一段，特指在“彈簧加裝于偏心套簡與曲柄銷之間的偏心機構(gòu)”上加裝平衡重，平衡重的慣性力使偏心向壓縮比減小的方向轉(zhuǎn)動。
專利摘要
自動調(diào)整內(nèi)燃機壓縮比的偏心機構(gòu)。所屬技術(shù)領(lǐng)域：
為內(nèi)燃機。本發(fā)明是在連桿小端與活塞銷之間，或連桿大端與曲柄銷之間加裝一個偏心套筒，并在適當(dāng)?shù)奈恢冒仓靡蛔饔糜谄奶淄驳膹椈伞嚎s比由氣缸壓力和彈簧彈力決定，與慣性力或轉(zhuǎn)速無關(guān)。本發(fā)明克服了現(xiàn)有變壓縮比機構(gòu)存在的機構(gòu)復(fù)雜、受轉(zhuǎn)速影響等缺點，可使內(nèi)燃機油耗明顯降低，功率顯著提高。
文檔編號F02D15/00GK85102778SQ85102778
公開日1986年9月10日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者李文華 申請人:李文華導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan