CN101092893A - 高增压米勒循环发动机及其控制方法 - Google Patents

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杨俊伟
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Abstract

本发明涉及一种采用米勒循环燃烧系统、增压中冷系统、可变气门正时系统的发动机极其控制方法，曲轴的端头设置曲轴信号轮以及与其配合的曲轴位置传感器，进气凸轮轴的两端部分别设置凸轮轴位置传感器和进气相位器，在EMS控制器的控制信号连接到执行器的信号输入端，发动机的几何压缩比范围为11－14左右；由可变气门正时机构VVT系统调整实际压缩比；进气采用迟闭式米勒循环，通过VVT系统使进气门推迟关闭，降低燃烧室内的实际压缩比，应用高增压比增压器，提高大负荷时的功率输出；本发明具有燃油经济、降低排放、高动机动力输出等优点。

Description

高增压米勒循环发动机及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种发动机，特别涉及一种采用米勒循环燃烧系统、增压中冷系统、可变气门正时系统的发动机。
背景技术
提高汽油机功率和效率所面临的最大障碍是爆燃。发动机热效率由燃烧过程的放热能力决定，而放热能力大小则由最高燃烧温度和最低温度即排气温度的差值决定，所以通过提高最高燃烧温度，同时降低排气温度可以提高热效率。最高燃烧温度的提高受到爆燃限制，基于此，可以采用降低排气温度的方式来达到提高燃烧效率的目的。燃烧时，最高温度随压缩比增加而上升，排气温度则随着膨胀比增加而下降，传统的汽油机采用奥托循环，即压缩比等于膨胀比，发动机压缩比受爆燃影响，很难超过11。
车用发动机应用米勒循环的主要目的是使压缩比与膨胀比分离，利用高膨胀比提高热效率，并降低排气温度；同时低压缩比可防止爆燃，提高发动机性能及耐久性，由于排气温度下降，还可降低NOx排放。
发明内容
本发明首要的目的是提供一种改善燃烧、降低油耗及排放的汽油发动机。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种高增压米勒循环发动机，该发动机主体主要由缸盖，缸体、曲轴、连杆、活塞、进气歧管、排气歧管、油底壳及机油泵；
发动机缸盖上设置有进气门、排气门、摇臂、气门弹簧、液压挺柱、进气凸轮轴以及排气凸轮轴，可变气门正时机构布置在缸盖上；
其特征在于：曲轴的端头设置曲轴信号轮以及与其配合的曲轴位置传感器，进气凸轮轴的两端部分别设置凸轮轴位置传感器和进气相位器，在EMS控制器的控制信号连接到执行器的信号输入端，执行器连接在凸轮轴和机油泵之间。
本发明的再一个目的就是提供一种汽油发动机的控制方法，控制发动机燃烧工作状态，以降低油耗及排放。上述发明目的是通过以下技术实现的：
a、发动机的几何压缩比范围为11-14左右；
b、由可变气门正时机构VVT系统调整实际压缩比，降至10以下；
c、进气采用迟闭式米勒循环，通过VVT系统使进气门推迟关闭。
进气凸轮轴的一端安装进气相位器，调整进气凸轮轴与进气相位器的角度使进气凸轮轴的相位发生变化，进气门在进气冲程下止点后40°-100°左右关闭。
通过在发动机大负荷时使用可变气门正时机构(VVT，Variable Valve Timing)，推迟关闭进气门，降低燃烧室内的实际压缩比，应用高增压比增压器，提高大负荷时的功率输出；部分负荷或冷启动工况下，应用发动机本身的高几何压缩比，提高冷启动性能及部分负荷的燃油经济性。本发明混合气的形成和燃烧过程与常规的进气道多点电子燃油喷射发动机较为相似，发动机配气可以通过进、排气相位器调整，扩大油耗经济区域。
与现有技术相比，本发明的显著技术进步体现在以下几个方面：
1、冷启动和部分负荷采用高压缩比，提高发动机启动性能、燃油经济性，降低排放；
2、大负荷采用低压缩比，抑制爆燃，结合增压后，可提高发动机动力输出；
3、排气温度降低，发动机热负荷减小，耐久性提高。
附图概述
图1是奥托循环和米勒循环的P-V图；
图2是发动机主体主要结构示意图；
图3是机械增压系统示意图；
图4是可变气门正时机构控制示意图。
具体实施方式
图1为奥托循环与米勒循环的P-V图，0-1-2-3-4’-1-0为奥托循环，0-1-2-3-4-5-0为米勒循环，由图中可以看出，两者的压缩过程相同，均为1-2，即两者压缩比相同，但由于米勒循环的膨胀冲程较长，做功较奥托循环多出1-4’-4-5-1部分，相应提高了热效率。
实施例1
参见图2、3和4，本发明公开的高增压米勒循环发动机的发动机主体1主要由缸盖2，缸体3、曲轴4、连杆5、活塞6、进气歧管13、排气歧管14、油底壳23及机油泵24；
发动机缸盖2上设置有进气门7、排气门8、摇臂9、气门弹簧10、液压挺柱11、进气凸轮轴12以及排气凸轮轴，可变气门正时机构布置在缸盖2上；
曲轴4的端头设置曲轴信号轮18以及与其配合的曲轴位置传感器19，进气凸轮轴12的两端部分别设置凸轮轴位置传感器20和进气相位器21，在EMS控制器的控制信号连接到执行器22的信号输入端，执行器22连接在凸轮轴12和机油泵24之间。
可变气门正时机构为双VVT系统中，还包括排气相位器；增压系统包括增压器15，增压器15经中冷器16连接到发动机的进气端，整机进气系统设有空滤17。
所述的在EMS控制器的信号输入端与曲轴位置传感器19和凸轮轴位置传感器20相连。上述高增压米勒循环发动机的控制方法包括：
a、发动机的几何压缩比范围为11-14左右；
b、由可变气门正时机构VVT系统调整实际压缩比，降至10以下；
c、进气采用迟闭式米勒循环，通过VVT系统使进气门推迟关闭。
进气凸轮轴12的一端安装进气相位器21，调整进气凸轮轴12与进气相位器21的角度使进气凸轮轴12的相位发生变化，进气门在进气冲程下止点后70°-100°左右关闭。
增压系统包括增压器15，增压器15为废气涡轮增压或机械增压器，对进气进行增压，补偿由于米勒循环导致的充气效率下降；增压器15经中冷器16连接到发动机的进气端，整机进气系统设有空滤17。
在部分负荷和冷启动工况下，调整可变气门正时装置VVT系统，使发动机工作在配气正时下；
增压比小于1.3时对进气进行低增压或者不增压，此时实际压缩比与其几何压缩比相同，约在11-14之间。
在大负荷下，可变气门正时装置VVT系统推迟进气门关闭时刻至进气下止点后70°-100°，将部分进气推回进气管中，降低发动机的实际压缩比至10以下。
在所述的降低发动机的实际压缩比利用增压中冷装置对进气进行高增压，压比达到或超过2。
本发明中发动机设计了较高的几何压缩比，范围为11-14左右；
进气凸轮轴12的一端安装有进气相位器21，调整进气凸轮轴12与进气相位器21的角度关系，则进气凸轮轴12相位发生变化，使进气门在进气冲程下止点后70°-100°左右关闭，实现进气迟闭式米勒循环，提高膨胀循环的做功能力；
本发明中的增压器15可有多种方案选择：废气涡轮增压、机械增压器或其它方式增压器，都可对进气进行增压，补偿由于米勒循环导致的充气效率下降，因为进气门推迟关闭，一部分进气被活塞推回到进气管中，总的进气量减少；通过中冷器16，进气温度下降，进气密度提高，可大幅提高发动机动力性能。
部分负荷和冷启动工况下，不进行米勒循环，调整可变气门正时装置VVT系统，使发动机工作在最优化的配气正时下，此时就是普通的VVT发动机；仅对增压比小于1.3的情况进气进行低增压，或者不增压；由于此时未调整发动机压缩比，故实际压缩比即为其几何压缩比，约在11-14之间，远高于目前的汽油机；发动机的理论热效率公式为：
ηtheory＝1-ε1-R
ηtheory为理论热效率，ε为压缩比，k为比热比(常数)
由公式可以看出，压缩比越高，发动机的理论热效率越高；因此，部分负荷下，发动机工作在11-14压缩比时，燃油经济性得到极大改善；
大负荷下，通过可变气门正时装置VVT系统推迟进气门关闭时刻至进气下止点后40°-100°，将部分进气推回进气管中，实现进气迟闭式米勒循环，将发动机的实际压缩比降至10以下，降低发动机爆震倾向；充分利用增压中冷装置，对进气进行高增压，压比达到或超过2；低压缩比和高增压比结合，提升了发动机的动力性。在部分负荷和冷启动工况下，不进行米勒循环，通过使用VVT系统对部分负荷配气正时进行优化，进气关闭相位调整范围为进气下止点前20°至后40范围°，排气相位调整范围在发动机标定过程中确定。
实施例2
(1)不调整排气相位，即仅应用进气相位器21，改变进气迟闭时刻；或者改变相位器控制原理，由液压控制改为机械控制或电子控制；
(2)其它同实例1。
实施例3
(1)调整增压系统，不使用中冷器16；或者改变增压器15的类型为废气涡轮增压器或电驱动增压器；
(2)其它同实例1。

Claims (10)

1、一种高增压米勒循环发动机，该发动机主体(1)主要由缸盖(2)，缸体(3)、曲轴(4)、连杆(5)、活塞(6)、进气歧管(13)、排气歧管(14)、油底壳(23)及机油泵(24)；发动机缸盖(2)上设置有进气门(7)、排气门(8)、摇臂(9)、气门弹簧(10)、液压挺柱(11)、进气凸轮轴(12)以及排气凸轮轴，可变气门正时机构布置在缸盖(2)上；其特征在于：曲轴(4)的端头设置曲轴信号轮(18)以及与其配合的曲轴位置传感器(19)，进气凸轮轴(12)的两端部分别设置凸轮轴位置传感器(20)和进气相位器(21)，在EMS控制器的控制信号连接到执行器(22)的信号输入端，执行器(22)连接在凸轮轴(12)和机油泵(24)之间。
2、根据权利要求1所述的高增压米勒循环发动机，其特征在于：可变气门正时机构为双VVT系统中，还包括排气相位器；增压系统包括增压器(15)，增压器(15)经中冷器(16)连接到发动机的进气端，整机进气系统设有空滤17。
3、根据权利要求1所述的高增压米勒循环发动机，其特征在于：所述的在EMS控制器的信号输入端与曲轴位置传感器(19)和凸轮轴位置传感器(20)相连。
4、一种权利要求1所述的高增压米勒循环发动机的控制方法，其特征在于：
a、发动机的几何压缩比范围为11-14左右；
b、由可变气门正时机构VVT系统调整实际压缩比，降至10以下；
c、进气采用迟闭式米勒循环，通过VVT系统使进气门推迟关闭。
5、根据权利要求4所述的高增压米勒循环发动机的控制方法，其特征在于：进气凸轮轴(12)的一端安装进气相位器(21)，调整进气凸轮轴(12)与进气相位器(21)的角度使进气凸轮轴(12)的相位发生变化，进气门在进气冲程下止点后40°-100°左右关闭。
6、根据权利要求4或5所述的高增压米勒循环发动机的控制方法，其特征在于：增压系统包括增压器(15)，增压器(15)为废气涡轮增压、机械增压器，对进气进行增压，补偿由于米勒循环导致的充气效率下降；增压器(15)经中冷器(16)连接到发动机的进气端，整机进气系统设有空滤17。
7、根据权利要求4所述的高增压米勒循环发动机的控制方法，其特征在于：部分负荷和冷启动工况下，调整可变气门正时装置VVT系统，使发动机工作在配气正时下；
8、根据权利要求4所述的高增压米勒循环发动机的控制方法，其特征在于：增压比小于1.3时对进气进行低增压或者不增压，此时实际压缩比与其几何压缩比相同，约在11-14之间。
9、根据权利要求4所述的高增压米勒循环发动机的控制方法，其特征在于：大负荷下，可变气门正时装置VVT系统推迟进气门关闭时刻至进气下止点后70°-100°，将部分进气推回进气管中，降低发动机的实际压缩比至10以下。
10、根据权利要求9所述的高增压米勒循环发动机的控制方法，其特征在于：在所述的降低发动机的实际压缩比利用增压中冷装置对进气进行高增压，压比达到或超过2。
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