一種雙曲軸均質壓燃發動的製造方法
2023-10-09 17:35:34
一種雙曲軸均質壓燃發動的製造方法
【專利摘要】本實用新型為一種雙曲軸均質壓燃發動機，其特徵是發動機由主曲軸和副曲軸組成，主曲軸連接主連杆、主活塞在主汽缸內往復運動，副曲軸連接副連杆、副活塞在副汽缸內往復運動，主、副曲軸平行布置在汽缸下面通過一對齒輪連接，齒數比為1∶2，主汽缸每轉動720度完成吸氣、壓縮、做功、排氣四個衝程，同時副汽缸轉動360度完成壓縮和吸氣兩個衝程，噴油嘴只往主汽缸內噴油，副汽缸為主汽缸提供壓縮空氣，副曲軸落後主曲軸一個相位角，最大壓縮比的位置在活塞上止點之下，不易產生爆震，是均質壓燃發動機的最好解決方案。
【專利說明】一種雙曲軸均質壓燃發動機
【技術領域】
[0001]本實用新型為一種雙曲軸均質壓燃發動機，其特徵是發動機由主曲軸和副曲軸組成，王曲軸連接王連杆、王活塞在王汽缸內往復運動，副曲軸連接副連杆、副活塞在副汽缸內往復運動，主、副曲軸平行布置在汽缸下面通過一對齒輪連接，齒輪的齒數比為1: 2，主曲軸每轉動720度完成吸氣、壓縮、做功、排氣四個衝程，同時副曲軸轉動360度完成壓縮和吸氣兩個衝程，噴油嘴只往主汽缸內噴油，副汽缸為主汽缸提供壓縮空氣，副汽缸的容積大於主汽缸兩倍以上，副曲軸落後主曲軸一個相位角，在壓縮衝程末段，主、副活塞共同壓縮主汽缸內的混合氣使之達到最大壓力而起燃做功，最大壓縮比的位置在主活塞上止點之下的某個位置，所有非正常燃燒都不會產生爆震，是均質壓燃發動機最好的解決方案。
【背景技術】
[0002]均質壓燃發動機簡稱HCCI發動機,被認為是發動機燃燒技術的一次重大進步，與傳統的汽油機或柴油機相比，HCCI發動機採用均質混合氣壓燃點火，這種發動機具有極高熱效率、極低的NOx和PM的優點，具有節能環保的優勢，但是，普通的HCCI發動機每一次燃燒都是在爆震的邊緣，必須精確控制起火點時刻，極易發生爆震，工作粗暴不穩定，普通結構的發動機只能在非常窄的範圍內採用HCCI方式工作，且存在負荷低、易爆震、控制難等問題，所以如何解決HCCI發動機爆震成為一個核心難題。
[0003]實用新型目的及優點
[0004]本實用新型的雙曲軸均質壓燃發動機，主要就是解決HCCI發動機爆震的問題，其特徵是發動機由主曲軸和副曲軸組成，主曲軸連接主連杆、主活塞在主汽缸內運動，副曲軸連接副連杆、副活塞在副汽缸內運動，主、副曲軸通過一對齒輪連接，齒輪的齒數比為I: 2，主汽缸做吸氣、壓縮、做功、排氣四個衝程的同時，副汽缸做壓縮和吸氣兩個衝程，噴油嘴只往主汽缸內噴油，副汽缸為主汽缸提供壓縮空氣，最大壓縮比的位置在主活塞上止點之下的某個位置，燃油在主汽缸內燃燒做功，即便有不受控的燃燒即爆燃，由於起火點在活塞上止點之下，此時活塞已經向下運行，就不會發生爆震，所以雙曲軸HCCI發動機工作範圍很寬且爆震的風險很小，不需要精確控制起火點時刻，控制系統成本很低，具有極佳的燃油經濟性和環保優勢，是HCCI發動機最好的解決方案。
實用新型內容
[0005]雙曲軸均質壓燃發動機(見圖1)，就是要解決HCCI發動機爆震的問題，其特徵是發動機由主曲軸(I)和副曲軸(2)組成，缸體(9)內有主汽缸和副汽缸，主、副曲軸布置在主、副汽缸之下，主曲軸(I)連接主連杆(5)、主活塞(7)在主汽缸內往復運動，副曲軸(2)連接副連杆出)、副活塞(8)在副汽缸內往復運動，主、副曲軸通過齒輪Zl (3)、齒輪Z2 (4)連接，齒輪Zl (3)裝配在主曲軸⑴上，齒數為zl，齒輪Z2(4)裝配在副曲軸⑵上，齒數為z2，齒輪Zl⑶和齒輪Z2 (4)嚙合，zl: z2 = I: 2，這樣主、副曲軸的轉動方向相反轉速比為2: 1，主曲軸(I)轉動720度完成吸氣、壓縮、做功、排氣四個衝程的同時，副曲軸(2)轉動360度完成壓縮和吸氣兩個衝程，缸蓋(10)位於主、副汽缸之上，內部有主進氣道(16)、副進氣道(17)、排氣道(18)，主、副汽缸之間通過副進氣道(17)相通，並通過進氣門II (12)控制副進氣道(17)的開合，進氣門1(13)裝配在主進氣道(16)上，進氣門11(12)裝配在副進氣道(17)上，排氣門(11)裝配在排氣道(18)上，噴油嘴(14)只往主汽缸內噴油，副汽缸為主汽缸提供壓縮空氣，主汽缸在做功和排氣時，進氣門1(13)打開，進氣門11(12)關閉，空氣從主進氣道(16)被吸入副汽缸，主汽缸在吸氣和壓縮時，進氣門11(12)打開，進氣門1(13)關閉，副汽缸內的空氣被壓縮並通過副進氣道(17)進入主汽缸，副曲軸落後主曲軸一個相位角X，且副汽缸的容積是主汽缸容積的兩倍多，主汽缸的直徑為D1，衝程長度為LI，副汽缸的直徑為D2，衝程長度為L2，Dl2.LI: D22.L2 < I: 2，最大壓縮比的位置在主活塞(7)上止點之下，且相位角X越大，最大壓縮比位置越靠下，發動機的燃燒帶寬就越寬，熱效率也越低，燃油可以在上止點和最大壓縮比位置之間的任何一處燃燒做功，混合氣過濃時在靠近上止點附近提前燃燒，混合氣過稀時，在接近最大壓縮比處燃燒，由於是主活塞在向下運行的過程中起燃，所以發動機幾乎不存在爆震的問題，是HCCI發動機最好的解決方案。
[0006]主、副曲軸連接的第二種結構為通過齒輪Z1、齒輪Z3和齒輪Z2連接(見圖3)，齒輪Zl的齒數為zl,齒輪Z3的齒數為z3,齒輪Z2的齒數為z2, zl: z2 = I: 2.。
[0007]雙曲軸均質壓燃發動機的第二種結構是雙曲軸之間的相位角是可變的(見圖8、圖9)，其特徵是可以調整主、副曲軸的相位角來改變發動機的壓縮比，發動機本體結構相同，不同之處在於齒輪Z2 (4)可以沿齒輪Zl (3)滑動，使齒輪Zl (3)發生轉動，從而改變相位角X的大小(見圖8)，具體結構是齒輪Zl (3)齒寬大於齒輪Z2 (4)的齒寬，齒輪Zl (3)裝配在主曲軸(I)上並通過花鍵固定連接，齒輪Z2 (4)裝配在副曲軸(2)上通過花鍵滑動連接，可在副曲軸⑵上來回滑動，齒輪Zl (3)和齒輪Z2(4)斜齒輪嚙合，當齒輪Z2 (4)在執行器(22)驅動下前後移動時，齒輪Z2 (4)與齒輪Zl (3)相對滑動，推動齒輪Zl (3)旋轉一個角度(見圖8)，這樣，主曲軸(I)和副曲軸(2)的相位角X就發生了改變，相位角的改變，可以改變主汽缸的幾何壓縮比，通過發動機E⑶控制執行器(22)來改變雙曲軸的相位角X，來改變發動機的壓縮比，在各種載荷和轉速的情況下，儘量讓最大壓縮比的位置更靠近上止點，可以提高燃油效率，如果發生爆震，適當加大相位角X減小壓縮比，爆震就會消失，相位角的調整的另外一種結構為齒輪Zl (3)沿軸向滑動，齒輪Z2(4)固定，齒輪Z2(4)的齒寬大於齒輪Zl (3)，齒輪Zl (3)滑動使齒輪Z2 (4)旋轉一個角度(見圖9)。
[0008]雙曲軸均質壓燃發動機第三種結構(見圖11、圖12)，其特徵是主、副曲軸通過三個連杆與同一個活塞連接，活塞在汽缸內往復運動，進排氣系統與普通發動機相同，具體結構為主曲軸(I)與連杆1(31)連接，副曲軸(2)與連杆11(32)連接，主、副曲軸的衝程長度相同，連杆I和連杆II的長度相等，連杆1(31)和連杆11(32)同時與連杆111(33)連接，連杆III (33)再與活塞(7)連接，主、副曲軸通過齒輪Zl (3)、齒輪Z2 (4)連接，齒輪Zl (3)裝配在主曲軸(I)上，齒數為zl,齒輪Z2(4)裝配在副曲軸(2)上,齒數為z2,齒輪Zl和齒輪Z2嚙合，zl: z2 = I: 1，這樣主、副曲軸的轉動方向相反轉速相同，齒輪Z2(4)齒寬大於齒輪Zl (3)的齒寬，齒輪Z2 (4)裝配在副曲軸(2)上並通過花鍵固定連接，齒輪Zl (3)裝配在主曲軸(2)上，通過花鍵滑動連接並可在副曲軸(2)上來回滑動，因而齒輪Zl (3)可以沿齒輪Z2(4)來回滑動，齒輪Zl (3)和齒輪Z2(4)斜齒輪嚙合，當齒輪Zl (3)在執行器(22)驅動下前後移動時，齒輪Z2 (4)與齒輪Zl (3)相對滑動，推動齒輪Z2 (4)旋轉一個角度(見圖12)，這樣，主、副曲軸的相位角X就發生了改變，相位角的改變，可以改變發動機的幾何壓縮比(見圖13)，通過發動機ECU控制執行器(22)來改變雙曲軸的相位角X的大小，來控制發動機的壓縮比大小，在各種載荷和轉速的情況下，讓發動機在最合適的壓縮比條件下工作，可以提高燃油效率，如果發生爆震，適當減小壓縮比，爆震就會消失。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1、圖2為雙曲軸均質壓燃發動機的結構原理圖，主、副曲軸通過齒輪Zl和齒輪Z2連接，zl: z2 = I: 2，副汽缸為主汽缸提供壓縮空氣，主汽缸做功，圖2所示的發動機的曲軸轉動方向與圖1的轉動方向相反。
[0010]圖3為雙曲軸均質壓燃發動機的齒輪傳動的另外一種結構，主、副曲軸通過齒輪Z1、齒輪Z3和齒輪Z2連接，Zl: Z2 = I: 2，主、副曲軸轉動方向相同，轉速比為2: I。
[0011]圖4、圖5為雙曲軸均質壓燃發動機的工作原理圖，圖4為主活塞上止點位置圖，圖5為副活塞上止點位置圖，副曲軸轉過一個相位角X後，主曲軸轉過2個相位角X，最大壓縮比位置在主活塞上止點之下。
[0012]圖6為雙曲軸均質壓燃發動機的衝程圖，主汽缸完成吸氣、壓縮、做功、排氣四個衝程的同時，副汽缸完成壓縮和吸氣兩個衝程，圖6-1為起燃時刻，圖6-2為主汽缸做功完成時刻，副汽缸吸氣，圖6-3為主汽缸排氣完成時刻，副汽缸吸氣，圖6-4為主汽缸吸氣完成時刻，副汽缸壓縮，圖6-5為主汽缸壓縮完成時刻，副汽缸壓縮。
[0013]圖7為圖1的俯視圖，齒輪Zl齒輪Z2裝配在主、副曲軸上，Zl通過花鍵裝配在主曲軸上，齒輪Z2通過花鍵裝配在副曲軸上，zl: z2 = 1: 2。
[0014]圖8、圖9雙曲軸均質壓燃發動機的第二種結構，相位角是可以改變的，齒輪Zl和齒輪Z2斜齒輪嚙合，當齒輪Z2在執行器(22)驅動下前後移動時，齒輪Z2與齒輪Zl相對滑動，推動齒輪Zl旋轉一個角度，圖9的結構為齒輪Zl滑動，推動齒輪Z2轉動。
[0015]圖10為相位角改變的原理圖，當斜齒輪Z2沿軸向滑動一個距離後，斜齒輪Zl從a點轉到b點，轉過一個角度Y。
[0016]圖11、圖12為雙曲軸均質壓燃發動機的第三種結構的原理圖，主、副曲軸通過三個連杆與同一個活塞連接，主、副曲軸通過斜齒輪Zl和斜齒輪Z2連接，齒輪Zl和齒輪Z2齒數相同，齒輪Zl沿主曲軸滑動，推動齒輪Z2轉過一個角度，從而改變發動機的壓縮比。
[0017]圖13為相位角改變發動機壓縮比的原理圖，齒輪Zl和齒輪Z2斜齒輪嚙合，當齒輪Zl在執行器(22)驅動下前後移動時，齒輪Z2與齒輪Zl相對滑動，推動齒輪Z2旋轉一個相位角X，相位角的改變使活塞頭部的位置改變了一個高度h，導致活塞與缸蓋的距離發生改變，因而發動機的壓縮比發生改變。
【具體實施方式】
[0018]雙曲軸均質壓燃發動機工作原理:圖6為雙曲軸均質壓燃發動機的衝程圖，主汽缸做吸氣、壓縮、做功、排氣四個衝程的同時，副汽缸做壓縮和吸氣兩個衝程，圖6-1為主汽缸起燃時刻，在此時，主汽缸內的均質混合氣被壓燃，做功衝程開始，直到主活塞到達下止點為止完成做功衝程，圖6-2為主汽缸做功完成時刻，在主汽缸做功時，副汽缸吸氣，圖6-3為主汽缸排氣完成時刻，此後，副汽缸活塞繼續下行，直到副汽缸到達下止點為止副汽缸吸氣衝程結束，圖6-4為主汽缸吸氣衝程完成時刻，主汽缸吸氣時，副活塞壓縮副汽缸內的空氣進入主汽缸，圖6-5為主汽缸壓縮衝程完成時刻，但此時主汽缸內的壓力值並未達到最大，此後主活塞下行，由於副汽缸的容積是主汽缸容積的兩倍以上，儘管主活塞已經下行，但副汽缸內的還有更多的壓縮空氣繼續進入主汽缸，主汽缸內的壓力逐漸增大，直到主汽缸下行到兩個相位角X時，壓力值達到最大，即最大壓縮比點到了，最大壓縮比點是汽缸壓縮燃燒起火的最後機會，錯過這個點，發動機就會失火不能燃燒做功，從主活塞上止點到主汽缸最大壓縮比點的這段距離稱作起燃區域，在此區域燃油都可以起燃點火而不會發生爆震。
[0019]雙曲軸均質壓燃發動機的控制系統:傳統發動機最大壓縮比在活塞的上止點，必須精確控制起火點的位置，否則就發生爆震，控制系統需要非常精確；但由於雙曲軸發動機獨特的結構，最大壓縮比在副活塞到達上止點時，主汽缸才達到最大壓縮比，而此時最大壓縮比點已經在主活塞上止點之下，從主活塞上止點到主汽缸最大壓縮比點的區間內都是此發動機的起燃區域，由於主活塞已經向下運動，再粗暴的燃燒也不會產生爆震，HCCI發動機可以接受過濃或過稀的混合氣，不需要精確控制起火點時刻，ECU只需要控制噴油量保證不失火和爆震即可，只要不是特別濃的或特別稀的混合氣，發動機都可以正常工作，控制系統幾乎與普通發動沒有區別，針對此發動機，火花塞是可以省略的，沒有了火花塞，就是純正的HCCI發動機，仍然保留火花塞，就是雙模式的HCCI發動機，在HCCI範圍之外，採用火花塞點火的方式工作。
[0020]雙曲軸均質壓燃發動機氣門的控制:由於發動機HCCI工作帶寬增大，在發動機未達到最大壓縮比之前的燃燒也屬於正常燃燒，這就涉及到一個問題，必須控制氣門在最合適的點開合，不然就會出現問題，但混合氣越濃時，起燃點就越靠上，此時如果進氣門II還處於打開狀態，燃燒的混合氣會從副進氣道漏掉，導致發動機不能正常工作，效率下降，另外，在主汽缸起燃做功時，副活塞仍然向上運行，如果此時主汽缸內的高壓氣體衝入副汽缸，會導致副汽缸內的壓力急劇上升，導致副汽缸敲缸甚至損毀，所以必須控制進氣門II的開合時刻，為了適應各種工況，控制的方法是:凸輪軸提前釋放進氣門II，在壓縮衝程的末段，進氣門II屬於自由狀態，靠副汽缸氣流的壓力處於打開的狀態，當主汽缸內的燃油燃燒的一瞬間，主汽缸內的壓力暴增，進氣門II自動關閉，避免主汽缸漏氣；進氣門II關閉後，副汽缸內的壓力無處釋放，會消耗發動機的功率，所以進氣門I的凸輪軸最好是可變正時的凸輪軸，在進氣門II關閉後，提前打開進氣門I，釋放副汽缸內的壓力，避免消耗發動機的功率。
[0021]雙曲軸均質壓燃發動機可變相位角的控制:發動機的幾何壓縮比可調，發動機ECU根據具體工況，通過執行器(22)調節斜齒輪Z2 (4)的位置，具體結構為軸承座(20)通過花鍵與齒輪Z2 (4)固定連接，控制板(21)裝配在軸承座(20)上通過軸承連接，且控制板
(21)與執行器(22)連接，執行器(22)推動控制板(21)前後移動，帶動齒輪Z2 (4)前後滑動來改變相位角的大小，通過相位角的改變來改變發動機的幾何壓縮比，相位角越大，HCCI的工作帶寬越大，燃燒效率也越低，當燃油在接近最大壓縮比的位置起燃做功時，此時活塞已經下行一段距離，做功的距離變短，效率降低，所以為了提高發動機的燃油效率，控制系統要儘量讓燃油在靠近上止點的某個位置起燃做功，這樣燃油效率會提高很多，相位角越小HCCI帶寬就越小，效率也越高，同時爆震的風險也就越大，當爆震傳感器探測到有爆震時，適當加大相位角或適當減少噴油量即可消除爆震。
【權利要求】
1.一種雙曲軸均質壓燃發動機，其特徵是雙曲軸均質壓燃發動機由主曲軸(1)和副曲軸⑵組成，缸體(9)內有主汽缸和副汽缸，主、副曲軸布置在主、副汽缸之下，主曲軸(1)連接主連杆(5)、主活塞⑵在主汽缸內往復運動，副曲軸⑵連接副連杆(6)、副活塞(8)在副汽缸內往復運動，主、副曲軸通過齒輪21 (3).-^22^連接，齒輪21⑶裝配在主曲軸⑴上，齒數為21，齒輪22 (4)裝配在副曲軸⑵上，齒數為22，齒輪21 (3)和齒輪22 (4)嚙合，21: 22=1: 2，主、副曲軸的轉動方向相反轉速比為2: 1，主曲軸⑴轉動720度完成吸氣、壓縮、做功、排氣四個衝程的同時，副曲軸(2)轉動360度完成壓縮和吸氣兩個衝程，缸蓋(10)位於主、副汽缸之上，內部有主進氣道(16)、副進氣道(17)、排氣道(18),主、副汽缸之間通過副進氣道(17)相通，並通過進氣門11(12)控制副進氣道(17)的開合，進氣門1(13)裝配在主進氣道(16)上，進氣門11(12)裝配在副進氣道(17)上，排氣門(11)裝配在排氣道(18)上，噴油嘴(14)只往主汽缸內噴油，副汽缸為主汽缸提供壓縮空氣，主汽缸在做功和排氣時，進氣門1(13)打開，進氣門11(12)關閉，空氣從主進氣道(16)被吸入副汽缸，主汽缸在吸氣和壓縮時，進氣門11(12)打開，進氣門1(13)關閉，副汽缸內的空氣被壓縮並通過副進氣道(17)進入主汽缸，副曲軸落後主曲軸一個相位角X，副汽缸的容積是主汽缸容積的兩倍多，主汽缸的直徑為01，衝程長度為11，副汽缸的直徑為02，衝程長度為12，012 - 11: 022 - 12 ? 1: 2，最大壓縮比的位置在主活塞(7)上止點之下。
2.如權利要求1所述的雙曲軸均質壓燃發動機，其特徵是主、副曲軸連接的第二種結構，通過齒輪21、齒輪23和齒輪22連接，齒輪21的齒數為21，齒輪23的齒數為23，齒輪22 的齒數為 22，21: 22 = 1: 2.。
3.如權利要求1所述的雙曲軸均質壓燃發動機，其特徵是雙曲軸均質壓燃發動機的第二種結構，相位角是可變的，調整相位角來改變發動機的壓縮比，具體結構是齒輪21 (3)齒寬大於齒輪22(4)的齒寬，齒輪21 (3)裝配在主曲軸(1)上並通過花鍵固定連接，齒輪22⑷裝配在副曲軸⑵上通過花鍵滑動連接，可在副曲軸⑵上來回滑動，齒輪21 (3)和齒輪22(4)斜齒輪嚙合，當齒輪22 (4)在執行器(22)驅動下前後移動時，齒輪22 (4)與齒輪21 (3)相對滑動，推動齒輪21 (3)旋轉一個角度，曲軸(1)和副曲軸(2)的相位角X就發生了改變，通過發動機2⑶控制執行器(22)來改變雙曲軸的相位角X，來改變發動機的壓縮比大小，相位角調整的另外一種結構為齒輪21 (3)沿軸向滑動，齒輪22(4)固定，齒輪22(4)的齒寬大於齒輪21 (3)，齒輪21 (3)滑動使齒輪22 (4)旋轉一個角度。
4.如權利要求1所述的雙曲軸均質壓燃發動機，其特徵是雙曲軸均質壓燃發動機第三種結構，主曲軸(1)與連杆1(31)連接，副曲軸(2)與連杆II (32)連接，主、副曲軸的衝程長度相同，連杆I和連杆II的長度相等，連杆1(31)和連杆II (32)同時與連杆III (33)連接，連杆III (33)再與活塞(7)連接，主、副曲軸通過齒輪21 (3).^^22(4)連接，齒輪21 (3)裝配在主曲軸(1)上，齒數為21，齒輪22 (4)裝配在副曲軸(2)上，齒數為22，齒輪21和齒輪22斜齒輪嚙合，21: 22 = 1: 1，主、副曲軸的轉動方向相反轉速相同，齒輪22(4)齒寬大於齒輪21 (3)的齒寬，齒輪22 (4)裝配在副曲軸(2)上並通過花鍵固定連接，齒輪21 (3)裝配在主曲軸⑵上，通過花鍵滑動連接並可在副曲軸⑵上來回滑動，當齒輪21 (3)在執行器(22)驅動下前後移動時，齒輪22 (4)與齒輪21 (3)相對滑動，推動齒輪22 (4)旋轉一個角度，主、副曲軸的相位角X就發生了改變，相位角的改變，可以改變發動機的幾何壓縮比。
【文檔編號】F02D15/00GK204113459SQ201420600692
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月10日 優先權日:2014年10月10日
【發明者】梁天宇 申請人:梁天宇