CN101936225A - 高性能的小排量汽油发动机 - Google Patents

Abstract

一种高性能的小排量汽油发动机包括活塞式做功机构，燃油系机构，进排气机构、配气机构及发动机控制单元，进排气机构包括进气歧管，该进气歧管设置有开通或关闭该进气道的可变进气截面机构，可变进气截面机构包括蝶阀、执行机构以及信号控制机构，配气机构包括顶置的进气凸轮轴和排气凸轮轴，每缸两个进气门和两个排气门倾斜设置，进气凸轮轴和排气凸轮轴正时链轮通过正时链条与曲轴上的正时链轮连接，排气机构与进气机构之间设有废气循环机构。本发明满足了发动机的低速动力性能，高压缩比、面容比小，热效率高的要求，其中正时准确及改善了燃油经济性，废气再循环技术，以低成本方式改善燃油经济性和排放水平。

Description

高性能的小排量汽油发动机

技术领域

本发明涉及动力机械，特别涉及小排量的汽油发动机。

背景技术

汽油发动机是一种依靠汽油与空气的可燃混合物在气缸内部燃烧释放化学能，再由曲柄连杆机构，将热能转化为机械能的一种火花点火式内燃机。主要由机体组及曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给与喷射系统、进排气系统及排气进化装置、润滑系统、冷却系统、电子控制系统等部分组成。

其中，曲柄连杆机构主要通过活塞的往复运动与曲轴的旋转运动，经过进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程，实现热能向机械能的转化。通常包括气缸套、气缸体、活塞、连杆、活塞销、曲轴、主轴承盖、飞轮等部件。

汽油机的配气机构多为气门式，其功用是按照发动机的工作顺序和工作循环的要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，使新鲜空气进入气缸，燃烧废气由气缸排出，实现换气过程。主要包括气缸盖、气门、气门弹簧、气门锁夹、挺柱、凸轮轴等部分组成。

燃油供给与喷射系统主要由汽油泵、汽油滤清器、油压调节器、喷油器等部件组成。其功用是根据发动机的运转工况的需要，向发动机供给一定数量的、清洁的、雾化良好的汽油，以便形成可燃混合气。

进气系统主要用来提供尽可能多和尽可能均匀地向各气缸供给可燃混合气，主要由空气滤清器和进气歧管组成；排气系统及排气进化装置，主要由排气歧管、排气总管、三元催化转换器、消声器等部件组成，用来引导废气的流动，同时完成降低CO、HC、NOx等污染物排放量，并降低排气噪声。

润滑系统主要用来为发动机内的高速运动部件提供足够的润滑，以降低摩擦损失，并起到一定的冷却作用。主要包括机油泵、机油滤清器、机油冷却器、集滤器、油道等部件。

冷却系统的功用是使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内。汽油机大都采用水冷方式，主要包括水泵、散热器、冷却风扇、节温器、水套等组成。

电子控制系统主要利用安装在发动机各部位的传感器检测发动机的各种工作参数，按照预先设定的控制程序，精确控制相关执行器工作，以保证发动机在各种工况下，始终处于最佳的工作状态。

现有排量≤1.2L的小排量发动机进气歧管大都采用的是铸铝材料，由于铸造方式、铸造模具等因素的影响，其内表面的光滑程度受到限制，而且通常铸铝进气歧管大都为一体式结构，不利于对内表面进行检查；且进气歧管的流通截面不可变化，无法同时满足高速与低速两种运转工况下，发动机对进气系统的要求，这使得发动机的功率和扭矩受到了一定程度地限制。

传统小排量发动机采用的大都是单顶置凸轮轴、直接驱动气门机构的方式，因此致使只能采取一进一排的气门设置方式，限制了进排气门的流通截面，阻碍了换气过程的顺利进行。燃烧室形状过于简单，无法实现缸内强烈的气体流动，且压缩比较低，发动机的热效率不高。

传统汽油机大都采用齿形正时皮带。在高温下，齿形正时皮带容易出现膨胀的现象，从而降低了正时系统的精度与可靠性；且为了防尘防油，必须对齿形正时皮带进行单独封装，这样势必会增加装配时的工作量，同时，也使得发动机的结构不够紧凑。

故一般小排量发动机的升功率只能在30kW～40kW之间，且排放水平和燃油经济性都偏差，无法满足目前微型汽车的使用需要。

发明内容

本发明提供一种高性能的小排量汽油发动机，采用可变进气截面的方法，控制发动机不同工况下的进气量，解决现有技术中发动机的功率和扭矩偏低的技术问题。采用双配气凸轮的方法，进一步解决现有技术中进排气门流通面积受到限制的技术问题。采用倾斜设置进排气门以及利用活塞减小燃烧室容积的方法，提高压缩比，再进一步解决现有技术中压缩比较低和发动机的热效率不高的技术问题。采用废气循环的方法，降低废气温度，提高进气密度，更进一步解决现有技术中燃烧及排放指标不良的技术问题。

本发明为解决上述技术问题而提供的技术方案是：设计一种高性能的小排量汽油发动机，包括活塞式做功机构，燃油系机构，进排气机构、配气机构及发动机控制单元，所述进排气机构包括进气歧管，该进气歧管与每个气缸盖均连接有两个进气道，在其中一个进气道内设置有开通或关闭该进气道的可变进气截面机构，所述可变进气截面机构包括蝶阀、驱动蝶阀动作的执行机构以及控制执行机构的信号控制机构，所述信号控制机构与发动机控制单元相连。所述碟式阀门为翻转式阀门，该碟式阀门包括碟片，通过碟片中心的翻转轴，所述翻转轴通过两端的轴承套固定在翻转支架上，所述控制系统驱动翻转轴转动。所述控制系统包括执行机构以及信号控制机构，所述信号控制机构接收发动机控制单元的控制信号并控制执行机构动作，所述执行机构接受发动机控制单元控制指令，并将控制指令转化为控制碟式阀门开闭的动作。所述信号控制机构包括电磁阀及真空执行器，所述真空执行器连接进气歧管的真空腔，发动机控制单元控制电磁阀通断，电磁阀连接真空执行器与进气歧管真空腔之间的真空通道。所述执行机构包括连接真空执行器的连接拉杆，该连接拉杆上铰接有数量与发动机气缸数相同的曲柄，该曲柄的另一端连接碟式阀门的翻转轴，并控制碟式阀门的碟片翻转动作，所述曲柄受连接拉杆控制绕与碟片连接端转动。

本发明的进一步改进在于：所述配气机构包括进气凸轮轴和排气凸轮轴，所述配气机构所述配气机构中的进气凸轮轴控制进排气机构中的两个进气门，所述配气机构中的进排气凸轮轴控制进排气机构中的两个排气门。

本发明的再进一步改进在于：所述进排气机构中的两个进气门和两个排气门倾斜设置，进气门中心线和排气门中心线与气缸中心线向气缸内方向形成夹角。所述进气门中心线与气缸中心线之间的夹角为15°±0.5°；所述排气门中心线与气缸中心线之间的夹角为16.5°±0.5°。所述进气凸轮轴和排气凸轮轴各自的正时链轮通过正时链条与曲轴上的正时链轮连接；所述两个进气门和两个排气门的气门杆上均套接有筒状的挺柱，所述两个进气门和两个排气门通过该各自的挺柱与进气凸轮轴和排气凸轮轴接触。所述做功机构中的活塞在上止点位置上，活塞顶部高出气缸上表面。

本发明的更进一步改进在于：所述进排气机构中的排气机构与进气机构之间设有废气循环机构，所述废气循环机构包括在排气管道中开的排气口、在进气歧管上开的进气口以及两者之间的连接管道。

本发明相较于现有技术具有以下优点：

1.采用了可变截面的塑料进气歧管，通过进气截面的变化，提高发动机低速运转时进气气流速度，增加了低速时的进气冲量，满足了发动机的低速动力性能。

2.采用了机械式薄壁桶形挺柱、低惯性气门、两进两排的气门机构，保证了气门机构的可靠性、紧凑性和换气过程的顺利进行。

3.高压缩比、紧凑型燃烧室，面容比小，热效率高。

4.采用了免维护的齿形静音链正时传动系统，提高了正时的准确性，并改善了发动机的噪声、振动、驾驶舒适性等性能。

5.发动机排气歧管采用耐热球墨铸铁材料，避免了因控制排气温度而多喷燃油，改善了燃油经济性。

6.采用外部废气再循环技术，以低成本方式改善燃油经济性和排放水平。

7.发动机性能达到：发动机6000rpm时功率为63Kw，4000rpm是扭矩为108Nm，全负荷最低燃油消耗率小于等于268g/Kw.h，国IV排放标准。

附图说明

图1为本发明高性能小排量汽油发动机的进气歧管示意图。

图2为缸盖总成示意图。

图3为正时系统示意图。

图4为整机外观图。

其中：1、塑料进气歧管；2、进气道；3、蝶阀；4、进气门；5、挺柱；6、进气凸轮轴；7、排气凸轮轴；8、排气门；9、曲轴正时齿轮；10、齿形静音链；11、进气正时齿轮；12排气正时齿轮。

具体实施方式

结合上述附图说明本发明的具体实施例。

由图1中可知，这种高性能的小排量汽油发动机包括活塞式做功机构，燃油系机构，进排气机构、配气机构及发动机控制单元，所述进排气机构包括进气歧管，该进气歧管与每个气缸盖均连接有两个进气道，在其中一个进气道内设置有开通或关闭该进气道的可变进气截面机构，所述可变进气截面机构包括蝶阀、驱动蝶阀动作的执行机构以及控制执行机构的信号控制机构，所述信号控制机构与发动机控制单元相连。为了改善发动机的低速动力性能，采用截面可变的进气歧管，在某一低转速范围，通过控制进气截面积，加大进气气体流动速度以达到提高充气效率，进而实现提高功率和扭矩的目的。

由图1和图4中可知，所述碟式阀门为翻转式阀门，该碟式阀门包括碟片，通过碟片中心的翻转轴，所述翻转轴通过两端的轴承套固定在翻转支架上，所述控制系统驱动翻转轴转动。所述控制系统包括执行机构以及信号控制机构，所述信号控制机构接收发动机控制单元的控制信号并控制执行机构动作，所述执行机构接受发动机控制单元控制指令，并将控制指令转化为控制碟式阀门开闭的动作。所述信号控制机构包括电磁阀及真空执行器，所述真空执行器连接进气歧管的真空腔，发动机控制单元控制电磁阀通断，电磁阀连接真空执行器与进气歧管真空腔之间的真空通道。所述执行机构包括连接真空执行器的连接拉杆，该连接拉杆上铰接有数量与发动机气缸数相同的曲柄，该曲柄的另一端连接碟式阀门的翻转轴，并控制碟式阀门的碟片翻转动作，所述曲柄受连接拉杆控制绕与碟片连接端转动。采用的是塑料进气歧管1，每缸对应两个进气道2，使用蝶阀3来控制进气道2的开闭，从而实现进气截面的可调。

所述进气歧管为塑料的，所述排气歧管为耐高温的高硅钼球墨铸铁，采用塑料进气歧管，相比传统铸铁或铝合金铸造进气歧管质量大为减轻，可以减轻发动机重量，降低整车的燃油耗。塑料进气歧管由于采用金属模具，模具表面粗糙度能够达到很高精度，所以塑料进气歧管内部表面相当光滑，表面质量好，对气流的流动阻力小，大大降低了进气阻力，增大了进气充量，提高了发动机的进气效率，提升了发动机的动力性能和燃油经济性能，降低了发动机的排放。塑料进气歧管导热性能差，壁面温度低，高温部位通过进气歧管传递给新鲜空气的热量少，避免了进入气缸的新鲜空气过多的预热，使得单次循环进入到气缸内部的新鲜空气更多些，从而也提升了发动机的动力性能和燃油经济性能。塑料进气歧管采用注塑成型工艺成型，生产效率高，节拍快，工作条件相比铸造等工艺，劳动强度和工作环境都大为改善，适合大批量生产，成本低。采用耐高温的高硅钼球墨铸铁排气歧管，避免了为限制排气温度而多喷射燃油的现象，降低燃油消耗量。

由图2中可知，所述配气机构包括进气凸轮轴和排气凸轮轴，所述配气机构所述配气机构中的进气凸轮轴控制进排气机构中的两个进气门，所述配气机构中的进排气凸轮轴控制进排气机构中的两个排气门。所述进排气机构中的两个进气门和两个排气门倾斜设置，进气门中心线和排气门中心线与气缸中心线向气缸内方向形成夹角。所述进气门中心线与气缸中心线之间的夹角优选为15°±0.5°；所述排气门中心线与气缸中心线之间的夹角优选为16.5°±0.5°。所述两个进气门和两个排气门的气门杆上均套接有筒状的挺柱，所述两个进气门和两个排气门通过该各自的挺柱与进气凸轮轴和排气凸轮轴接触，所述做功机构中的活塞在上止点位置上，活塞顶部高出气缸上表面。采用了双顶置凸轮轴结构，使得发动机具有体积小巧，质量轻等特征，适合于发动机中置的微型商用车和发动机前置的微型轿车使用。采用双顶置凸轮轴配气机构，分别为进气凸轮轴6和排气凸轮轴7，机械式直接驱动挺柱5，挺住为机械式薄壁桶形。每个气缸有四个气门，其中两个进气门4、两个排气门8，且采用低惯性轻质结构。燃烧室为屋脊形，即以气缸中心线为轴线，进排气两侧为倾斜平面，采用了屋脊形的燃烧室，低惯性的轻质气门结构和机械式薄壁桶形挺柱，使得整体结构非常紧凑。每个气缸有两个进气门和两个排气门，提高了发动机的进气充量和废气扫气效率，进而提高了发动机的功率和扭矩。活塞顶部要高出气缸体上表面，减少了燃烧室容积，将压缩比提高至9～10之间。

所述进气凸轮轴和排气凸轮轴各自的正时链轮通过正时链条与曲轴上的正时链轮连接，分别在发动机进、排气凸轮轴安装有进气正时链轮11和排气正时凸轮12，通过齿形静音链10与曲轴正时链轮9连接。采用齿形静音链连接进气凸轮轴正时链轮、排气凸轮轴正时链轮和曲轴链轮。避免了齿形正时皮带在过程中受热膨胀导致正时不精确的缺点，同时也因为特殊齿形的设计，使得链轮和链条的啮合和分离是渐进的而大大地降低了传动噪声，确保了精确的点火正时，改善了发动机的噪声、振动、驾驶舒适性等性能。此外还采用了橡胶减振曲轴皮带轮来进一步改善整机噪声、振动、驾驶舒适性等性能。

所述进排气机构中的排气机构与进气机构之间设有废气循环机构，所述废气循环机构包括在排气管道中开的排气口、在进气歧管上开的进气口以及两者之间的连接管道。采用外部废气再循环技术，在气缸盖上加工出废气再循环通道，将部分废气引入进气歧管当中。采用电子控制方式，对发动机的运行工况进行全程控制与优化。让废气经过出水口支座，降低废气的温度，既保证进气充量的密度，同时降低燃烧的最高温度，有效降低有害废气的排放，确保了高标准的国四排放要求。

该发动机为直列四缸发动机，发动机缸体为龙门式，气缸体气缸直径为68mm～70mm，缸心距为75.5±0.5mm，缸体上曲轴中心孔到缸体顶面的总高度为186±0.5mm，连杆大小头中心孔距离为121mm～127mm。

发动机转速最大可达6000rpm以上，整机功率可达60kW以上，升功率可达52kW以上，且排放可达国IV标准。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种高性能的小排量汽油发动机，包括活塞式做功机构，燃油系机构，进排气机构、配气机构及发动机控制单元，其特征在于：所述进排气机构包括进气歧管，该进气歧管与每个气缸盖均连接有两个进气道，在其中一个进气道内设置有开通或关闭该进气道的可变进气截面机构，所述可变进气截面机构包括蝶阀、驱动蝶阀动作的执行机构以及控制执行机构的信号控制机构，所述信号控制机构与发动机控制单元相连。

2.根据权利要求1所述高性能的小排量汽油发动机，其特征在于：所述碟式阀门为翻转式阀门，该碟式阀门包括碟片，通过碟片中心的翻转轴，所述翻转轴通过两端的轴承套固定在翻转支架上，所述控制系统驱动翻转轴转动。

3.根据权利要求1或2所述高性能的小排量汽油发动机，其特征在于：所述控制系统包括执行机构以及信号控制机构，所述信号控制机构接收发动机控制单元的控制信号并控制执行机构动作，所述执行机构接受发动机控制单元控制指令，并将控制指令转化为控制碟式阀门开闭的动作。

4.根据权利要求3所述高性能的小排量汽油发动机，其特征在于：所述信号控制机构包括电磁阀及真空执行器，所述真空执行器连接进气歧管的真空腔，发动机控制单元控制电磁阀通断，电磁阀连接真空执行器与进气歧管真空腔之间的真空通道。

5.根据权利要求3所述高性能的小排量汽油发动机，其特征在于：所述执行机构包括连接真空执行器的连接拉杆，该连接拉杆上铰接有数量与发动机气缸数相同的曲柄，该曲柄的另一端连接碟式阀门的翻转轴，并控制碟式阀门的碟片翻转动作，所述曲柄受连接拉杆控制绕与碟片连接端转动。

6.根据权利要求1或2所述高性能的小排量汽油发动机，其特征在于：所述进气歧管为塑料的。

7.根据权利要求1或2所述高性能的小排量汽油发动机，其特征在于：所述排气歧管为耐高温的高硅钼球墨铸铁。

8.根据权利要求1或2所述高性能的小排量汽油发动机，其特征在于：所述配气机构包括进气凸轮轴和排气凸轮轴，所述配气机构中的进气凸轮轴控制进排气机构中的两个进气门，所述配气机构中的进排气凸轮轴控制进排气机构中的两个排气门。

9.根据权利要求8所述高性能的小排量汽油发动机，其特征在于：所述进排气机构中的两个进气门和两个排气门倾斜设置，进气门中心线和排气门中心线与气缸中心线向气缸内方向形成夹角。

10.根据权利要求9所述高性能的小排量汽油发动机，其特征在于：所述进气门中心线与气缸中心线之间的夹角为15°±0.5°；所述排气门中心线与气缸中心线之间的夹角为16.5°±0.5°。

11.根据权利要求8所述高性能的小排量汽油发动机，其特征在于：所述进气凸轮轴和排气凸轮轴各自的正时链轮通过正时链条与曲轴上的正时链轮连接。

12.根据权利要求8所述高性能的小排量汽油发动机，其特征在于：所述两个进气门和两个排气门的气门杆上均套接有筒状的挺柱，所述两个进气门和两个排气门通过各自的挺柱与进气凸轮轴和排气凸轮轴接触。

13.根据权利要求9所述高性能的小排量汽油发动机，其特征在于：所述做功机构中的活塞在上止点位置上，活塞顶部高出气缸上表面。

14.根据权利要求1或2所述高性能的小排量汽油发动机，其特征在于：所述进排气机构中的排气机构与进气机构之间设有废气循环机构。

15.根据权利要求14所述高性能的小排量汽油发动机，其特征在于：所述废气循环机构包括在排气管道中开的排气口、在进气歧管上开的进气口以及两者之间的连接管道。

16.根据权利要求1或2所述高性能的小排量汽油发动机，其特征在于：该发动机为直列四缸发动机。

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