[发明专利]四冲程内燃机曲柄半径自动变化的曲柄连杆机构

说明书

(一)技术领域

本发明涉及四冲程活塞式内燃机的曲柄连杆机构。

(二)背景技术

现有技术中的四冲程活塞式内燃机通常是按奥托循环(汽油机)或狄塞尔循环(柴油机)工作的，由于在四个冲程中活塞的实际行程是相同的，即从上止点运动到下止点或着从下止点运动到上止点，气缸的进气最大容积与膨胀做功最大容积是相同的，内燃机的压缩比等于膨胀比。由于活塞膨胀结束时气缸内的燃气温度高于压缩冲程起始时的空气温度，使得膨胀结束时的燃气仍具有比压缩起始时更高的压力和剩余能量，这部分能量随废气排出造成了内燃机的效率较低。

为了提高燃气能量的利用率，从而改善内燃机的效率，现有技术的四冲程内燃机利用进气门提前或推迟关闭，使实际的压缩比减小，实现膨胀比大于压缩比的高效节能工作循环模式。

在现有技术的四冲程内燃机中，其曲柄连杆机构的组成结构都是一样的，工作原理也相同，内燃机四个冲程中活塞的实际行程是完全一样的。在奥托或狄塞尔循环内燃机中，曲柄连杆机构中的曲柄半径是固定不变的，压缩比等于膨胀比，排气带走了一部分可用能量，其热效率较低。对于现有技术中的米勒循环内燃机来说，虽然其压缩比小于膨胀比，但所用曲柄连杆机构中的曲柄半径仍然是固定不变的，在进气和压缩冲程的活塞实际工作行程并未减少，相对于其较低的压缩比来说，这两个冲程中分别存在着一段多余的活塞行程，活塞与气缸之间产生了额外的摩擦损失，并消耗了一定的功率，降低了其输出功率和循环热效率。

(三)发明内容

为了克服现有技术中四冲程内燃机曲柄连杆机构的曲柄半径固定不变所产生的不足，本发明提出一种曲柄半径在四个冲程中可以自动改变的曲柄连杆机构，使四冲程内燃机不需要额外控制装置就可实现压缩比低于膨胀比的高效节能工作循环模式。

本发明的曲柄连杆机构中包括活塞、活塞销、连杆、曲柄臂、曲柄销、曲轴，活塞裙部与活塞销相连接，连杆小头端可转动地安装在活塞销上，曲柄臂的一端与曲轴固定连接，连杆大头端可转动地安装在曲柄销上，其特征在于：在曲柄臂远离曲轴的一端设有曲柄销孔，曲柄销的两端分别装入一对曲柄臂的曲柄销孔中，曲柄销在曲柄销孔内的部分的圆柱体的外圆周轮廓应完全包含在曲柄销孔的轮廓线内，使曲柄销可沿曲柄销孔壁任一点自由地滑动或自由地滚动；所述的曲柄销孔(7)的孔壁距曲轴中心最远点与最近点之间的距离与曲柄销(6)在曲柄销孔(7)内的部分的圆柱体直径的差值大于零，该差值应与设计要求的活塞(1)在膨胀冲程与压缩冲程的行程差相对应；曲柄销孔的形状为圆或椭圆或彼此相切的多个直线段与多个圆弧段组合而成的闭合曲线或彼此相切的多个直线段与多个椭圆弧段组合而成的闭合曲线或彼此相切的多个曲线段组合而成的闭合曲线。

下面简要说明本发明的工作原理。假设汽缸中心线与曲轴旋转中心线相交，定义曲柄销轴心至曲轴轴心的距离为曲柄半径。

四冲程活塞式内燃机曲轴旋转720°完成一个工作循环，包括进气、压缩、膨胀和排气四个冲程。

进气冲程：曲轴旋转带动活塞由上止点向下止点方向运动，曲轴旋转角度范围为0°～180°，连杆受到的是曲柄旋转对其所产生的拉力。在曲轴处于0°时，曲柄销位于曲柄臂上曲柄销孔中靠近曲轴一侧。当曲轴从0°开始旋转的初段，由于曲柄旋转对连杆的作用，使得曲柄销沿着曲柄销孔壁运动，保持曲柄销至活塞销之间的距离与0°时相同，直到曲轴旋转到0°～180°之间的某个角度开始，曲柄销在曲柄销孔壁的推动下使这个距离开始增大，活塞才真正开始向下运动。当曲轴旋转到180°的位置时，曲柄销运动到曲柄销孔中靠近曲轴的一侧，活塞也从上止点运动到压缩起始点的位置。

压缩冲程：曲轴旋转推动活塞由压缩始点向上止点方向运动，曲轴旋转角度范围为180°～360°，连杆受到的是曲柄旋转对其所产生的推力。在曲轴从270°开始旋转的初段，由于曲柄旋转对连杆的作用，使得曲柄销沿着曲柄销孔壁运动，并保持曲柄销至活塞销之间的距离与180°时相同，这段时间活塞并没有真正开始运动，直到曲轴旋转到大于180°的某个角度时，曲柄销在曲柄销孔壁的推动下使这个距离开始减小，这时，活塞开始向上运动，压缩过程开始。当曲轴的转角达到360°时，曲柄销运动到曲柄销孔中靠近曲轴的一侧，活塞也从压缩始点位置运动到上止点。