CN101016868B - 基于全可变气门机构节能超低排放双模式均质压燃发动机 - Google Patents

Abstract

一种基于全可变气门机构节能超低排放双模式均质压燃发动机，气缸盖为全可变气门缸盖，缸盖上有两套气门升程连续可变机构，缸盖上安装可变气门相位机构，可变气门相位机构壳体外圈有链齿，通过链条和发动机的曲轴连接。它是一种节能型超低排放的汽油机。该发动机充分利用均质压燃HCCI燃烧模式所具有的高效节能超低排放的特点，可根据不同工况在火花点燃SI与HCCI两种燃烧模式之间自由切换，既具备车用条件又达到节能和超低排放的要求。全可变气门机构，根据SI和HCCI两种燃烧模式对配气机构的不同要求，以节能和低排放为目标，组织好混合气在燃烧室内的燃烧过程，实现不同燃烧模式的控制及两种燃烧模式之间的切换和过渡。

Description

基于全可变气门机构节能超低排放双模式均质压燃发动机

技术领域：

本发明属于内燃机，特别涉及一种基于全可变气门机构节能超低排放双模式均质压燃发动机。

背景技术：

目前广泛使用的汽油机都是基于火花点燃燃烧模式的发动机，大量的基础研究结果证明，对于传统的火花点燃式内燃机(汽油机)虽然在各种技术上进行了不同的改进，但已在提高燃料利用率和降低有害排放物方面发挥到了极限，想要有进一步的发展，就必须在内燃机的燃烧理论上有所突破。特别是目前国内外生产的大部分发动机为了满足日益严格的排放法规的要求，都会在不同程度上牺牲燃油的利用率，来有限地降低有害物的排放。

汽油机的燃烧过程属于预混合均质燃烧，借助电火花点燃。由于汽油燃料本身的特性和爆震等诸多因素的限制，汽油机只能采用较低的压缩比，使热效率比柴油机低得多，且产生大量NOx和不完全燃烧产物.另外由于汽油机需要用节气门控制进气量，部分负荷时的泵气损失使机械效率降低.汽油机的燃料利用率比柴油机低30％，这就是传统汽油机难以克服的燃料利用率极限.为了突破这一极限，国内外有关专家一直致力于探索组织燃料高效清洁燃烧的新一代燃烧过程和发展新一代内燃机燃烧理论的研究。至今，汽油机的均质压燃虽已可以实现，但其可运行工况范围狭窄，远不能满足车用发动机对各种工况范围的要求。2001年，美国能源部提出HCCI燃烧模式仍然存在9大难点，其中就明确指出：可运行工况范围狭窄和两种燃烧模式切换问题尚待解决。

如何将极具诱惑力的HCCI燃烧模式应用于车用发动机上满足各种不同工况的要求，成为当今国际内燃机燃烧学界的一大热点。

发明内容：

本发明提供一种基于全可变气门机构的节能超低排放双模式均质压燃发动机，解决目前上述情况存在问题，目的在于尽最大可能的拓宽HCCI燃烧在发动机上的可运行范围，并在无法实现HCCI燃烧的工况条件下切换到传统的SI燃烧模式，从而达到同时提高发动机燃油利用率和降低有害排放物的目的。

为了达到上述目的，本发明是一台具备进、排气门的升程和定时都连续可变的发动机缸盖，将此缸盖装配在普通的火花点燃式发动机缸体上，就可使该发动机根据不同工况要求运行于HCCI及SI两种燃烧模式下，达到节能高效和低排放的目的。

一种基于全可变气门机构节能超低排放双模式均质压燃发动机，它是一种进气道喷射火花点火式汽油机，其特征在于：气缸盖是全可变气门缸盖(1)，其缸盖上设置两套气门升程连续可变机构(2)(3)，以及两套气门定时连续可变系统(4)(5)，气门机构电子控制单元接收发动机电子管理单元的进排气门升程和相位等指令，采用闭环控制，分别控制两套气门升程连续可变机构的伺服电机(6)(7)，以及进气高速电磁阀(8)和排气高速电磁阀(9)，实现给定的进气门升程、排气门升程、进气门相位和排气门相位。

其气门升程连续可变机构，有进气门，进气门上有气门弹簧，进气门上端与进气侧摇臂一端相接，进气侧摇臂中间有滚子，进气侧摇臂另一端与进气侧液压挺柱相接，进气侧摇臂滚子的上侧与进气侧中间摆杆下端弧面相贴合，进气侧中间摆杆中部有滚子，进气侧中间摆杆滚子与进气凸轮轴相贴合，进气侧中间摆杆另一侧与回位弹簧相接，进气侧中间摆杆上端与进气侧偏心轴相接，进气侧偏心轴的扇形齿轮与进气侧伺服电机的轴杆相接；缸盖上有排气门，排气门上有气门弹簧，排气门上端与排气侧摇臂一端相接，排气侧摇臂中间有滚子，排气侧摇臂另一端与排气侧液压挺柱相接，排气侧摇臂滚子的上侧与排气侧中间摆杆下端弧面相贴合，排气侧中间摆杆中部有滚子，排气侧中间摆杆滚子与排气凸轮轴相贴合，排气侧中间摆杆另一侧与回位弹簧相接，排气侧中间摆杆上端与排气侧偏心轴相接，排气侧偏心轴的扇形齿轮与排气侧伺服电机的轴杆相接。在偏心轴上安装有位置传感器。

其气门定时连续可变机构，有圆形壳体，圆形壳体两侧有前端板和后端板，在圆形壳体中心安装有转子，转子周围的壳体内有四个液压室，转子四周有四个叶片槽，四个叶片槽内分别装有叶片，叶片槽底部和叶片底端之间有弹簧，突出在转子外部的四个叶片分别插在壳体内的四个液压室内，转子下部连接锁止销锁止销下端连接锁止弹簧，锁止弹簧下部连接锁止弹簧定位板，锁止弹簧定位板固定在壳体下部，转子和后端板之间有扭簧连接，转子通过螺柱与凸轮轴固定，壳体外圈有链齿，壳体外圈的链齿通过链条和发动机的曲轴连接。每个液压室分为A B两个腔，每腔都有一条油道，4条与A腔相通的油道汇总于一条主油道中，4条与B腔相同的油道汇总于另一条主油道中。前端板前有检测相位传感器。

在发动机启动或怠速工况时，通过控制进气门升程于较小值，并配合调节相适应的排气门升程，进排气门相位控制于常规汽油机取值范围，是发动机处于火花点燃式燃烧模式；进入小负荷和部分负荷时，通过控制进排气门相位，使气门重叠角从正值过渡到负值，获得加热新鲜充量所需要的高温残余废气量，并配合调整进气门升程和排气门升程，达到压燃所需要的温度和运行负荷所需要的进气量，发动机运行于压燃状态；当进一步增加负荷或全负荷运行时，进排气门升程相位和定时，再次被控制到火花点燃燃烧所需要的值，发动机再次运行再火花点燃模式。在点燃和压燃模式之间的过渡区域内，继续保持火花塞点火，使压燃燃烧稳定进行，并为模式切换进行条件准备。

本发明的特点是：它是一种节能型超低排放的汽油机。该发动机充分利用了均质压燃(HCCI)燃烧模式所具有的高效节能超低排放的特点，可根据不同工况在火花点燃(SI)与HCCI两种燃烧模式之间自由切换，既具备车用条件又达到节能和超低排放的要求.该发动机配备了全可变气门机构，可根据SI和HCCI两种燃烧模式对配气机构的不同要求，以节能和低排放为目标，组织好混合气在燃烧室内的燃烧过程，实现不同燃烧模式的控制及两种燃烧模式之间的切换和过渡。

附图说明：

图1为全可变气门缸盖组装结构示意图

图2为全可变气门缸盖剖视示意图

图3为可变升程机构示意图

图4为可变相位机构侧剖图

图5为可变相位机构剖面图

图6为全可变气门缸盖气门升程曲线

图7为基于全可变气门机构的双模式发动机运行工况图

图中：1全可变气门缸盖，2、3气门升程连续可变机构，4、5气门定时连续可变系统，6、7伺服电机，8进气高速电磁阀、9排气高速电磁阀，10气管，11.进气门、12气门弹簧、13回位弹簧、14进气侧伺服电机、15进气侧偏心轴、16进气侧中间摆杆、17进气凸轮轴、18进气侧摇臂、19进气侧液压挺柱、20排气门、21排气侧电机、22排气侧偏心轴、23排气侧中间摆杆、24排气凸轮轴、25排气侧摇臂、26排气侧液压挺柱、27锁止弹簧、28锁止弹簧定位板、29液压腔B、30叶片、31液压腔A、32弹簧、33后端板、34壳体、35前端板、36扭簧、37锁止销、38转子、

具体实施例：

发动机结构

在普通的进气道喷射火花点火式汽油机的基础上，采用全可变气门缸盖1，其上布置两套气门升程连续可变机构2和3，以及两套气门定时连续可变相位系统4和5，如图1所示。气门机构电子控制单元接收发动机电子管理单元的进排气门升程和相位等指令，采用闭环控制策略，分别控制伺服电机6和7，以及高速电磁阀8和9，实现给定的进气门升程、排气门升程、进气门相位和排气门相位。

可变气门升程机构主要由伺服电动机、偏心轴和中间摆杆构成，其结构如图3所示。由凸轮轴与偏心轴共同控制中间摆杆的运动，再由中间摆杆驱动气门工作。当偏心轴位置不变时，中间摆杆在凸轮轴的驱动下围绕某一个中心旋转，中间摆杆下端发生作用的为弧线的某一段区域；当伺服电动机通过涡轮蜗杆机构驱动偏心轴旋转一定角度后，中间摆杆旋转中心的位置相应改变，从而改变了摆杆发生作用的弧线区域，进而改变了气门升程。偏心轴的控制执行器为直流伺服电动机，在伺服电动机的驱动下，偏心轴可在0°～160°范围内连续调节，并且在偏心轴上安装了位置传感器，因此通过该套机构准确地控制偏心轴的旋转角度，可实现在气门升程0～9.7mm范围内连续可调。

可变气门相位机构是采用液压控制的叶片式可变凸轮轴相位机构，其结构如图4、5所示。转子通过螺柱与凸轮轴固定在一起，壳体通过链条与曲轴连接。停机时，锁止销以无压力的方式嵌入凹口锁止槽中，保证每次启动时凸轮轴随着壳体一起运动，使凸轮轴有确定的初始相位。调节相位时，润滑油首先供到凹口锁止槽中，将锁止销压回并释放转子。供油油路与液压腔接通，向该腔供油，回油油路与液压腔接通，向外泄油，转子叶片在压力差的作用下带动凸轮轴相对于壳体转动，从而改变相位。反向调节时，供泄油与上述方向相反。由电磁阀控制供泄油的方向，结合相位检测传感器，由于结构的限制可在60°CA(曲轴转角)范围内精确调节凸轮轴相位。

因此，装备了上述机构的全可变气门机构缸盖，可以使气门升程曲线在图5的范围内连续可变。这样的连续可变得气门升程曲线可以满足图6所示的运行工况范围，即：根据发动机所需的不同工况，在SI燃烧模式及HCCI燃烧模式内部进行过渡，并且在两种模式交界区完成燃烧模式切换。

工作原理：

均质压燃着火，是一种明显区别于火花点火火焰传播燃烧的新型燃烧方式。本发明采用全可变气门机构，通过对气门升程和定时的综合控制，实现负气门重叠角，得到一定量的高温残余废气量。足够多的高温残余废气，在进气过程中，与新鲜混合气充量混合，并对其加热。当活塞压缩到上止点前的某个时刻，混合气充量达到着火条件。缸内达到着火条件的多个点同时着火，不需要火花塞点火便开始同步燃烧放热作功。由于不再存在高温火焰面，且混合均匀，因此NOx排放极低，且无碳烟。在均质压燃模式下，发动机负荷是通过进排气门的综合管理来实现，不需要节气门来调节进气量，可保持节气门全开，因此可以大大降低换气过程中的泵吸损失，获得较高的燃油经济性。

对于启动、怠速和低负荷工况(图7中I区)，由于稳定压燃着火条件很难建立，需要发动机按照常规的火花点火燃烧方式运行，在取消了传统汽油机节气门的情况下，全可变气门缸盖以调整进气门升程代替调节节气门开度，控制进气量，顺利完成发动机的启动，并转入怠速工况，当发动机进入低负荷区域时，进气门升程加大，增加进气量，提高发动机功率，此时，发动机仍然以SI燃烧方式工作。

随着发动机输出功率的进一步增加，当发动机进入HCCI可稳定运行的部分负荷区域(图7中II区)后，全可变气门缸盖通过调整进排气门升程和相位，提供适合在该工况下的HCCI稳定运行所需的气门升程曲线，并使发动机稳定切换到均质压燃着火模式。

当发动机在图7中II区内部工况过渡时，全可变气门缸盖根据发动机所处工况，调节气门升程和相位，控制气缸内残余废气的量，来适应发动机的负荷。由于全可变气门机构可以实现进排气门升程和相位连续变化，因此，发动机可以在图7中II区内部工况实现平滑过渡。

当发动机需要在高负荷状态下运转时(图7中III区)，由于HCCI燃烧本身特点的限制，容易发生剧烈燃烧，使发动机工作粗暴，为了避免上述情况的发生，发动机需要重新切换到火花点火方式下运行。这时，不再需要缸内残余废气，而需要更多的进气量，为了达到这种要求，全可变气门缸盖将气门升程加大，并同时缩小气门重叠负角，甚至在需要时可以产生正的气门重叠角，使发动机充分进气以提高功率。这样，发动机就又重新回到了传统汽油机火花点燃式燃烧的情况。

在发动机启动或怠速工况时，通过控制进气门升程于较小值，并配合调节相适应的排气门升程，进排气门相位控制于常规汽油机取值范围，是发动机处于火花点燃式燃烧模式；进入小负荷和部分负荷时，通过控制进排气门相位，使气门重叠角从正值过渡到负值，获得加热新鲜充量所需要的高温残余废气量，并配合调整进气门升程和排气门升程，达到压燃所需要的温度和运行负荷所需要的进气量，发动机运行于压燃状态；当进一步增加负荷或全负荷运行时，进排气门升程相位和定时，再次被控制到火花点燃燃烧所需要的值，发动机再次运行再火花点燃模式。在点燃和压燃模式之间的过渡区域内，继续保持火花塞点火，使压燃燃烧稳定进行，并为模式切换进行条件准备。

对于运行于城市工况的汽车，其发动机大多数运行在部分负荷，所以配备这种全可变气门缸盖的发动机大多数可运行于HCCI燃烧模式，这样就可以充分发挥HCCI燃烧所具有的高效节能和超低排放的优点；同时可以利用SI燃烧模式避开HCCI燃烧模式所不能工作的区域，使这种发动机具备车用的要求。因此，以这种双模式均质压燃发动机为动力的汽车具有节能和超低排放的明显优势。

Claims (4)

1.一种基于全可变气门机构节能超低排放双模式均质压燃发动机，它是一种进气道喷射火花点火式汽油机，其特征在于：气缸盖是全可变气门缸盖(1)，其缸盖上设置两套气门升程连续可变机构(2，3)，以及两套气门定时连续可变系统(4，5)，气门机构电子控制单元接收发动机电子管理单元的进排气门升程和相位指令，采用闭环控制，分别控制两套气门升程连续可变机构的伺服电机(6，7)，以及进气高速电磁阀(8)和排气高速电磁阀(9)，实现给定的进气门升程、排气门升程、进气门相位和排气门相位；在发动机启动、怠速和低负荷工况时，通过控制进气门升程于较小值，并配合调节相适应的排气门升程，进排气门相位控制于常规汽油机取值范围，使发动机处于火花点燃式燃烧模式；进入小负荷和部分负荷时，通过控制进排气门相位，使气门重叠角从正值过渡到负值，获得加热新鲜充量所需要的高温残余废气量，并配合调整进气门升程和排气门升程，达到压燃所需要的温度和运行负荷所需要的进气量，发动机运行于压燃状态；当进一步增加负荷或全负荷运行时，进排气门升程相位和定时，再次被控制到火花点燃燃烧所需要的值，发动机再次运行在火花点燃模式，在点燃和压燃模式之间的过渡区域内，继续保持火花塞点火，使压燃燃烧稳定进行，并为模式切换进行条件准备。 

2.根据权利要求1所述的基于全可变气门机构节能超低排放双模式均质压燃发动机，其特征在于：其气门升程连续可变机构，有进气门，进气门上有气门弹簧，进气门上端与进气侧摇臂一端相接，进气侧摇臂中间有滚子，进气侧摇臂另一端与进气侧液压挺柱相接，进气侧摇臂滚子的上侧与进气侧中间摆杆下端弧面相贴合，进气侧中间摆杆中部有滚子，进气侧中间摆杆滚子与进气凸轮轴相贴合，进气侧中间摆杆另一侧与回位弹簧相接，进气侧中间摆杆上端与进气侧偏心轴相接，进气侧偏心轴的扇形齿轮与进气侧伺服电机的轴杆相接；缸盖上有排气门，排气门上有气门弹簧，排气门上端与排气侧摇臂一端相接，排气侧摇臂中间有滚子，排气侧 摇臂另一端与排气侧液压挺柱相接，排气侧摇臂滚子的上侧与排气侧中间摆杆下端弧面相贴合，排气侧中间摆杆中部有滚子，排气侧中间摆杆滚子与排气凸轮轴相贴合，排气侧中间摆杆另一侧与回位弹簧相接，排气侧中间摆杆上端与排气侧偏心轴相接，排气侧偏心轴的扇形齿轮与排气侧伺服电机的轴杆相接，在偏心轴上安装有旋转位置传感器。 

3.根据权利要求1所述的基于全可变气门机构节能超低排放双模式均质压燃发动机，其特征在于：其气门定时连续可变机构，有圆形壳体，圆形壳体两侧有前端板和后端板，在圆形壳体中心安装有转子，转子周围的壳体内有四个液压室，转子四周有四个叶片槽，四个叶片槽内分别装有叶片，叶片槽底部和叶片底端之间有弹簧，突出在转子外部的四个叶片分别插在壳体内的四个液压室内，转子下部连接锁止销，锁止销下端连接锁止弹簧，锁止弹簧下部连接锁止弹簧定位板，锁止弹簧定位板固定在壳体下部，转子和后端板之间有扭簧连接，转子通过螺柱与凸轮轴固定，壳体外圈有链齿，壳体外圈的链齿通过链条和发动机的曲轴连接，每个液压室分为AB两个腔，每腔都有一条油道，4条与A腔相通的油道汇总于一条主油道中，4条与B腔相同的油道汇总于另一条主油道中。 

4.根据权利要求3所述的基于全可变气门机构节能超低排放双模式均质压燃发动机，其特征在于：前端板前有检测相位传感器。 

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