CN101776019A - 内燃机变缸工作节能方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种内燃机变缸工作节能方法，在内燃机1至n-1个气缸进气侧安装一个由电子控制单元控制的可以随着内燃机转速、负荷变化而随之调整开闭或开启持续时间的回气控制气门或进回气可变配气相位机构及进气门，从而使这些气缸在正常工作状态与停止工作状态之间变化；所述内燃机变缸节能装置，通过电子控制单元控制回气控制气门或进回气可变配气相位控制机构及进气门(1)，加上止回阀的配合，构成所述装置，完成变缸节能工作；(1)安装在气缸进气侧，止回阀(2)安装在进气歧管(6)靠近缸体的部位。本发明在低输出功率情况下，减少压缩行程、做功行程能量消耗，提高工作气缸能效比，最终能够大幅降低内燃机整体能耗。

Description

内燃机变缸工作节能方法及装置

技术领域

本发明涉及各种工业内燃机，具体地说是使现有内燃机工作气缸的数量由原来全部工作改为根据需要变换工作数量的内燃机变缸工作节能方法及装置。

技术背景

四冲程内燃机在运转时，按时间顺序分别是进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程，四个行程为一个周期，在一个周期内，只有做功行程因燃料燃烧产生推力而输出动力，其它三个行程都损耗能量，其中压缩行程损耗能量最大；在做功行程中，内燃机因汽缸内压力骤升造成摩擦力及气体泄漏增大而损耗了大量能量。

公式1：W＝W1-W2。

公式2：η＝W/W1＝(W1-W2)/W2。

W：内燃机的输出功。

W1：内燃机燃烧燃料产生的能量。

W2：内燃机本身损耗的各种能量。

η：燃料利用率。

从公式1可以看出，降低内燃机内部的各种能量损耗是提高内燃机效率、降低能耗的唯一办法，这就是长期以来，甚至今后都是各厂家努力争取的原因。但是，降低内燃机内部的各种能量损耗是有限度的，在科技相当发达的今天，想继续大幅度降低内燃机的内部损耗已几乎不太可能。

内燃机内部损耗与内燃机燃烧燃料产生的能量不是正比函数关系，内部损耗在一定范围内是一条比较平缓的上升曲线。从公式2可以看出，提高内燃机工作时的输出功率(即增加气缸燃料燃烧的数量)，使燃料燃烧产生的能量与内耗之比增大，将是节能降耗的另一途径。而在很多情况下，设备并不需要这么大的输出功率，此时，减少内燃机工作的气缸数、使每个气缸工作在最佳工况下面，既使内燃机输出的总功率与设备相匹配，又使单个气缸的能效比最高，则是解决这一难题的最佳方案。

现在使用的设备，是根据设备运转时需要的扭矩(低速性能)和最大功率(高速性能)来选择内燃机的参数。一般来说，需要的扭矩、功率越大，选择的内燃机排量也就越大。而内燃机的扭矩主要由排量决定，功率则主要由排量和高速运转性能决定，随着多气门、涡轮增压、可变气门等技术相继问世，内燃机的高速运转性能不断提高，反映出来就是现在的内燃机与过去相同排量的内燃机相比输出功率越来越大、转速越来越高，其能够带动更大的设备运转，或者使设备转的更快，但其扭矩却长期没有多大提高，为使设备顺利启动或取得更快的加速性能，故不得不选择较大排量的内燃机。

大排量内燃机虽然解决了其扭矩问题，但伴随而来的是燃料消耗增加。在相同运转速度、输出功率的情况下，大排量内燃机比小排量内燃机消耗更多的燃料，其转速越低、输出功率越小，差距越大。

既然内燃机的高速性能已达到较高水平，以某品牌1.4升排量轿车为例，其最高时速已达到165公里，这个速度对于一般家庭使用者来说已经足够了，相同品牌2.4升排量轿车最高时速也就210公里，但人们为了追求起步及加速性能(这是汽车等设备的一个重要指标)，还是把眼光放在后者身上，在城市中平均时速通常在45公里以下，此时后者的油耗比前者高出近一倍，在世界能源越来越少、环境污染越来越重、油价越来越高的今天，降低燃料消耗显得越发迫切。为解决这一世界难题，世界各国想尽各种办法，如低速小功率采用电力驱动、高速大功率采用内燃机驱动的混合动力汽车就是其中的方案之一，但混合动力汽车目前存在着技术复杂、成本高、运行保养费用不菲及自身重量大等诸多原因，一时难以推广。

现有专利中的汽车减缸或停缸节油装置及其控制方法，如离合减缸内燃机(专利号：200620029940.4)、车辆停缸系统和使用该停缸系统的可变气门升程系统(专利号：200710146612.1)大多在技术上存在一定的缺陷而难以推广。

目前采用最多的降低内燃机能耗，提高效率的方案是使用可变配气相位控制机构。可变配气相位是指气门开启或关闭的时刻和开启持续的时间随着内燃机转速、负荷等变化而随之调整的一种装置，这种装置目前已经有很多不同的类型(高达几十种)，其中应用最多的是日本本田公司的VTEC(Variable ValveLife Timing&Valve Electronic Control)可变配气正时(相位)及气门升程电子控制机构、德国奔驰公司的可变配气相位控制机构和德国大众公司的可变配气相位控制机构，这些装置的共同特点是在内燃机的转速、负荷、冷却液温度及车速达到高速设定值时，使内燃机的进气门提前开启角、滞后关闭角均增大，以达到改善内燃机高速性能、提高输出功率的目的。这些装置对改善内燃机高速性能及降低经济车速(通常时速90公里)油耗效果明显，但对时速在50公里左右的市内运输节油效果并不显著，这就是人们通常说的这些车子并不节油的原因。

发明内容

本发明是在内燃机1至n-1个气缸进气侧安装一个由电子控制单元(ECU)控制的可以随着内燃机转速、负荷等变化而关闭、打开的回气控制气门或使进气门在进气行程开始前打开，在进气行程结束稍后关闭与排气行程开始的时刻关闭之间转换的进回气可变配气相位机构，并同时向气缸喷射或停止喷射燃油，使气缸在正常工作状态与停止工作状态之间变化，从而降低压缩行程的空气压缩比，减少压缩行程、做功行程的能量消耗，以达到在低输出功率情况下，减少压缩行程、做功行程能量消耗，提高工作气缸能效比，最终降低内燃机整体能耗的目的。

本发明所述内燃机变缸节能方法的特征是：在内燃机1至n-1个气缸进气侧安装一个由电子控制单元控制的可以随着内燃机转速、负荷变化而随之调整开闭或开启持续时间的回气控制气门，或进回气可变配气相位机构及进气门，并在进气歧管内安装一个止回阀，从而使这些气缸成为可控工作气缸，通过电子控制单元(ECU)控制，使这些气缸在进气、压缩、做功、排气--正常工作状态与进气、回气、进气、排气--停止工作状态之间变化。同时，提高继续工作气缸的燃料喷射，使之输出功率增加，以达到最高能效比，并保持总输出功率基本不变。

内燃机启动时，电子控制单元停止全部可控工作气缸的燃油喷射，输出指令打开可控工作气缸的回气控制气门或驱动进回气可变配气相位控制机构使进气门滞后关闭角增大，直到排气行程开始的时刻才关闭，使得内燃机的启动气缸较少，当内燃机常工作气缸启动后，电子控制单元迅速逐个恢复可控工作气缸的燃油喷射、同时输出指令到对应气缸的回气控制气门或进回气可变配气相位控制机构，使恢复燃料喷射气缸的回气控制气门关闭或使进回气可变配气相位控制机构中的进气门滞后关闭角减小，到进气行程结束稍后时刻关闭，依次逐个平稳启动内燃机气缸直至全部。

内燃机运转时，电子控制单元测得内燃机符合参数1：热车、中速、气缸燃油喷射量小于最佳混合比全部条件时，电子控制单元按内存程序分析、计算的结果，停止部分可控工作气缸的燃料喷射，增加其它气缸的燃料喷射量，同时输出指令到对应气缸的回气控制气门或进回气可变配气相位控制机构，使停止燃料喷射气缸的控制气门打开或驱动进回气可变配气相位控制机构使进气门滞后关闭角进一步增大，到排气行程开始的时刻才关闭。

当电子控制单元测得内燃机符合参数2：冷车、低速、气缸燃油喷射量大于最佳混合比及震动较大中的任一条件时，电子控制单元按内存程序分析、计算的结果，恢复部分或全部可控工作气缸的燃料喷射，减少其它工作气缸的燃料喷射量，同时输出指令到恢复燃料喷射的气缸，关闭回气控制气门或进回气可变配气相位控制机构，使进气门在进气行程结束稍后时刻关闭，使气缸恢复到正常工作状态。

在调整可控工作气缸工作数量的时候，电子控制单元(ECU)及时调整工作气缸的燃料喷射，使之工作在最佳工况下，并使内燃机总输出功率基本不变。

可控工作气缸停止及恢复工作，贯穿在整个内燃机运行过程中，内燃机工作的气缸数从1个到全部之间变化。

本发明的优点和积极效果：

1、性能可靠，适用面广。本发明是在内燃机进气侧安装回气控制气门或将可变配气相位机构改进成进回气可变配气相位机构，使内燃机气缸工作数量由原来全部工作改为根据需要变换工作数量的一种新型节能内燃机，由于结构简单、性能可靠、适用面广，因此可广泛应用于汽车、火车等各种内燃机。

2、在保证性能的前提下，降耗增效、改善环境。本发明能在保证内燃机动力性能、噪音、震动等基本不变的前提下，大幅度降低能耗，减少使用者成本支出，减少环境污染。

3、结构简单、易于推广实施。

附图说明

附图1为本发明结构示意图。

图中：1--回气控制气门或进回气可变配气相位机构及进气门，2--止回阀，3--止回阀阀片，4--止回阀阀座，5--阀片弹簧，6--进气歧管。

具体实施方式

本发明的原理是：在内燃机1至n-1个气缸进气侧安装一个由电子控制单元(ECU)控制的可以随着内燃机转速、负荷等变化而关闭、打开的回气控制气门或利用内燃机现有的可变配气相位机构，加以适当改进，使进气门在进气行程开始前打开，在进气行程结束稍后关闭与排气行程开始的时刻关闭之间转换的进回气可变配气相位机构，并同时向气缸喷射或停止喷射燃油，使气缸在正常工作状态与停止工作状态之间变化，从而降低压缩行程的空气压缩比，减少压缩行程、做功行程的能量消耗，以达到在低输出功率情况下，减少压缩行程、做功行程能量消耗，提高工作气缸能效比，最终降低内燃机整体能耗的目的。同时，提高继续工作气缸的燃料喷射，使之输出功率增加，以保持总输出功率基本不变。

为了防止燃烧废气从停止工作的可控工作气缸反流到进气歧管6、进气管，从而影响到其它气缸的正常工作，在所有可控工作气缸的进气歧管6上安装止回阀门2。止回阀门2包括止回阀阀座4、止回阀阀片3、阀片弹簧5。

止回阀阀片3、阀片弹簧5均由耐温高强弹性材料制成，要求尽量灵活轻巧、不易疲劳，止回阀阀片、阀片弹簧均安装在止回阀阀座4上，然后整体安装在进气歧管6靠近缸体的部位。

所述内燃机变缸节能装置的特征在于：通过电子控制单元(ECU)控制回气控制气门或进回气可变配气相位控制机构及进气门1，加上靠近缸体部位设置的止回阀2的配合，构成所述装置，完成变缸节能工作。回气控制气门或进回气可变配气相位控制机构及进气门1安装在气缸进气侧，止回阀2包括止回阀阀座4、止回阀阀片3、阀片弹簧5，止回阀2安装在进气歧管6靠近缸体的部位。

具体实施方法如下：内燃机启动时，电子控制单元(ECU)停止全部可控工作气缸的燃油喷射，输出指令打开可控工作气缸的回气控制气门或驱动进回气可变配气相位控制机构使进气门滞后关闭角增大，直到排气行程开始的时刻才关闭。使得内燃机的启动气缸较少(仅剩常工作气缸)，启动电机以较小的电流迅速使内燃机达到最大转速，便于冷车启动。当内燃机常工作气缸启动后，电子控制单元(ECU)迅速逐个恢复可控工作气缸的燃油喷射、同时输出指令到对应气缸的回气控制气门(或进回气可变配气相位控制机构)，使恢复燃料喷射气缸的回气控制气门关闭(或使进气门滞后关闭角减小，到进气行程结束稍后时刻关闭)，依次逐个平稳启动内燃机气缸直至全部(这在寒冷的冬天、内燃机性能较差情况下特别有用)。

内燃机运转时，电子控制单元(ECU)测得内燃机符合参数1：热车、中速、气缸燃油喷射量小于最佳混合比(如冷却液温度≥55℃，内燃机转速≥2000r/min，汽车时速≥35Km，燃料喷射总量＜60％最佳工况燃料喷射总量)的全部条件时，电子控制单元(ECU)按内存程序分析、计算的结果，停止部分可控工作气缸(1至n-1个)的燃料喷射，适当增加其它气缸的燃料喷射量，同时输出指令到对应气缸的回气控制气门(或进回气可变配气相位控制机构)，使停止燃料喷射气缸的控制气门打开(或使进气门滞后关闭角进一步增大，到排气行程开始的时刻才关闭)。

当电子控制单元(ECU)测得内燃机符合参数2：冷车、低速、气缸燃油喷射量大于最佳配比及震动较大(如冷却液温度≤40℃，内燃机转速≤1400r/min，汽车时速≤25Km，单缸燃料喷射量超过了最佳工况燃料喷射量及内燃机震动较大)的任何一项条件时，电子控制单元(ECU)按内存程序分析、计算的结果，恢复部分或全部可控工作气缸(1至n-1个)的燃料喷射，适当减少其它工作气缸的燃料喷射量，同时输出指令到恢复燃料喷射的气缸，关闭回气控制气门(或进回气可变配气相位控制机构，使进气门在进气行程完毕稍后时刻关闭)，使气缸恢复到正常工作状态。

在调整可控工作气缸工作数量的时候，电子控制单元(ECU)及时调整工作气缸的燃料喷射，使之工作在最佳工况下，并使内燃机总输出功率基本不变。

可控工作气缸停止及恢复工作，贯穿在整个内燃机运行过程中，内燃机工作的气缸数从1个到全部之间变化。

本发明对现有内燃机仅改动了进气控制机构(已采用可变配气相位机构的内燃机而言，仅仅只需更换凸轮轴，增加止回阀)和更新电子控制单元(ECU)程序，就可实现内燃机变缸工作。由于制作更换容易，投入少，收效大，因此易于推广。

Claims (8)

1.一种内燃机变缸工作节能方法，其特征在于：在内燃机1至n-1个气缸进气侧安装一个由电子控制单元控制的可以随着内燃机转速、负荷变化而随之调整开闭或开启持续时间的回气控制气门，或进回气可变配气相位机构及进气门，并在进气歧管内安装一个止回阀，从而使这些气缸成为可控工作气缸，在进气、压缩、做功、排气--正常工作状态与进气、回气、进气、排气--停止工作状态之间变化，n为内燃机气缸数。

2.根据权利要求1所述的内燃机变缸工作节能方法，其特征在于：内燃机启动时，电子控制单元停止全部可控工作气缸的燃油喷射，输出指令打开可控工作气缸的回气控制气门或驱动进回气可变配气相位控制机构使进气门滞后关闭角增大，直到排气行程开始的时刻才关闭，使得内燃机的启动气缸较少，当内燃机常工作气缸启动后，电子控制单元迅速逐个恢复可控工作气缸的燃油喷射、同时输出指令到对应气缸的回气控制气门或进回气可变配气相位控制机构，使恢复燃料喷射气缸的回气控制气门关闭或使进回气可变配气相位控制机构中的进气门滞后关闭角减小，到进气行程结束稍后时刻关闭，依次逐个平稳启动内燃机气缸直至全部。

3.根据权利要求1所述的内燃机变缸工作节能方法，其特征在于：内燃机运转时，电子控制单元测得内燃机符合参数1：热车、中速、气缸燃油喷射量小于最佳混合比全部条件时，电子控制单元按内存程序分析、计算的结果，停止部分可控工作气缸的燃料喷射，增加其它气缸的燃料喷射量，同时输出指令到停止喷射燃料气缸的回气控制气门或进回气可变配气相位控制机构，使停止燃料喷射气缸的控制气门打开或驱动进回气可变配气相位控制机构使进气门滞后关闭角进一步增大，到排气行程开始的时刻才关闭。

4.根据权利要求1所述的内燃机变缸工作节能方法，其特征在于：当电子控制单元测得内燃机符合参数2：冷车、低速、气缸燃油喷射量大于最佳混合比及震动较大中任一条件时，电子控制单元按内存程序分析、计算的结果，恢复部分或全部可控工作气缸的燃料喷射，减少其它工作气缸的燃料喷射量，同时输出指令到恢复燃料喷射的气缸，关闭回气控制气门或驱动进回气可变配气相位控制机构，使进气门在进气行程完毕稍后时刻关闭。

5.根据权利要求1所述的内燃机变缸工作节能方法，其特征在于：在调整可控工作气缸工作数量的时候，电子控制单元及时调整工作气缸的燃料喷射，使之工作在最佳工况下，并使内燃机总输出功率基本不变。

6.根据权利要求1所述的内燃机变缸工作节能方法，其特征在于：可控工作气缸停止及恢复工作，贯穿在整个内燃机运行过程中，内燃机工作的气缸数从1个到全部之间变化。

7.一种内燃机变缸节能装置，其特征在于：通过电子控制单元控制回气控制气门或进回气可变配气相位控制机构及进气门(1)，加上靠近缸体部位设置的止回阀(2)的配合，构成所述装置，完成变缸节能工作。

8.根据权利要求7所述的内燃机变缸节能装置，其特征在于：回气控制气门或进回气可变配气相位控制机构及进气门(1)安装在气缸进气侧；止回阀(2)包括止回阀阀座(4)、止回阀阀片(3)、阀片弹簧(5)，止回阀(2)安装在进气歧管(6)靠近缸体的部位。

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