[發明專利]四沖程內燃機連桿長度自動變化的曲柄連桿機構

無效

• 申請號: 200910023543.4
• 申請日: 2009-08-10
• 公開（公告）號: CN101619674A
• 公開（公告）日: 2010-01-06
• 發明（設計）人: 劉佳駿
• 申請（專利權）人: 劉佳駿
• 主分類號: F02B75/32
• 分類號: F02B75/32
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

(一)技術領域

本發明屬于四沖程活塞式內燃機用的曲柄連桿機構。

(二)背景技術

現有技術中的四沖程活塞式內燃機通常是按奧托循環(汽油機)或狄塞爾循環(柴油機)工作的，曲柄連桿機構工作時，由于在四個沖程中活塞的實際行程是相同的，即從上止點運動到下止點或著從下止點運動到上止點，氣缸的進氣最大容積與膨脹做功最大容積是相同，內燃機的壓縮比等于膨脹比。由于活塞膨脹結束時氣缸內的燃氣溫度高于壓縮沖程起始時的空氣溫度，使得膨脹結束時的燃氣仍具有比壓縮起始時更高的壓力和剩余能量，這部分能量隨廢氣排出造成了內燃機的效率較低。

為了提高燃氣能量的利用率，從而改善內燃機的效率，現有技術的四沖程內燃機可以利用進氣門提前或推遲關閉，按照米勒循環來工作，使實際的壓縮比減小，實現膨脹比大于壓縮比的高效節能工作循環模式，如日本馬自達公司研制的進氣門推遲關閉車用米勒循環汽油機可節油達到10％～15％以上。

在現有技術的四沖程內燃機中，其曲柄連桿機構的組成結構都是一樣的，即連桿大頭端與曲柄臂通過曲柄銷可轉動地連接，而連桿小頭端與活塞通過活塞銷可轉動地連接，由于連桿長度固定不變，內燃機四個沖程中活塞的實際行程是完全一樣的。在奧托或狄塞爾循環內燃機中，壓縮比等于膨脹比，排氣時帶走了一部分可用能量，導致其熱效率較低。而在現有技術的米勒循環內燃機中，雖然實際的壓縮比小于膨脹比，但其所用的曲柄連桿機構與奧托或狄塞爾循環內燃機相同，連桿的長度仍然是固定不變的，雖然利用提前或推遲進氣門的關閉實現了壓縮比低于膨脹比，但在進氣和壓縮沖程中活塞的實際工作行程并未減少，即這兩個沖程中分別存在著一段多余的活塞行程，除了使活塞與氣缸之間產生了額外的摩擦損失，曲柄驅動活塞運動還消耗了一定的功率，降低了內燃機的輸出功率和循環熱效率。

(三)發明內容

為了克服現有技術中的四沖程內燃機曲柄連桿機構的連桿長度固定不變所產生的不足，本發明提出一種連桿長度在四個沖程中可以自動改變的曲柄連桿機構，使四沖程內燃機不需要額外控制裝置就可實現壓縮比低于膨脹比的高效節能工作循環模式。

本發明的曲柄連桿機構中包括了活塞、活塞銷、連桿、曲柄臂、曲柄銷、曲軸，其特征在于：在連桿的大頭端或小頭端與一個自由連桿相連，所述自由連桿由兩個旋轉臂、一個旋轉軸和兩個輔助銷組成，旋轉軸和輔助銷均為圓柱形的結構，旋轉臂具有與旋轉軸相連接的第一端，以及與輔助銷相連接的第二端，兩個旋轉臂的第一端分別與旋轉軸的兩端連接在一起，旋轉臂的第二端通過輔助銷與曲柄臂離開曲軸的一端或活塞的裙部可轉動地連接，連桿的大頭端或小頭端可轉動地安裝在自由連桿的旋轉軸上。

下面以自由連桿與連桿大頭端相連接的曲柄連桿機構為例，說明本發明的工作原理，假設汽缸中心線與曲軸旋轉中心線相交。將自由連桿的旋轉軸中心與輔助銷中心之間的距離定義為自由連桿的長度，活塞銷中心至輔助銷中心之間的距離定義為連桿的當量長度。由于連桿大頭端可以繞自由連桿旋轉軸自由旋轉，且自由連桿與曲柄臂也可以繞輔助銷中心自由地相對旋轉，因此，只有當連桿小頭端中心、連桿大頭端中心及自由連桿的輔助銷中心三點連成一條直線時，連桿與自由連桿的組合體才處于穩定平衡狀態，這其中包括了2種情形：第一種情形是連桿受到拉伸力時，連桿大頭端中心位于連桿小頭端中心與輔助銷中心之間，連桿的當量長度為連桿及自由連桿的長度之和；第二種情形則是連桿受到擠壓力時，輔助銷中心位于連桿小頭端中心與連桿大頭端中心之間，連桿的當量長度則為連桿與自由連桿的長度之差。

四沖程活塞式內燃機曲軸旋轉兩圈，即轉過720°完成一個工作循環，包括進氣、壓縮、膨脹和排氣四個沖程。

進氣沖程：曲軸旋轉帶動活塞由上止點向下止點方向運動，曲軸旋轉角度范圍為0°～180°，連桿受到的是曲軸旋轉對其所產生的拉伸力。在曲軸從0°開始旋轉的初段，由于這個拉力的作用，自由連桿在曲柄的作用下繞著輔助銷中心開始旋轉，而活塞此時并沒有真正開始向下運動，排氣門則逐漸關閉，進氣門逐漸開啟。當曲軸旋轉到0°～180°之間的某個角度時，連桿大頭端中心、連桿小頭端中心與輔助銷中心三者之間的相對位置正好處于第一種情形，活塞才真正開始向下運動。在該沖程中，連桿的當量長度等于連桿與自由連桿的長度之和。因此，當曲軸旋轉到180°的位置時，活塞從上止點只運動到壓縮起始點的位置，壓縮始點與上止點之間的距離小于上止點與下止點之間的距離，活塞的實際運動距離為曲柄半徑與自由連桿長度之差的2倍。