CN103080506A - 多气缸火花点火引擎 - Google Patents

Abstract

一种多气缸火花点火引擎，该引擎具有高于12的几何压缩比，并且包括排气歧管、可变排气门正时机构、点火时刻控制器和有效压缩比调节器。所述排气歧管具有：多个分支排气通道，连接到所述各气缸的所述排气口；多个第一收集器部分，分别集合排气顺序不相邻的所述气缸的分支排气通道；多个中间排气通道，分别被连接到所述第一收集器部分的下游；和第二收集器部分，集合所述中间排气通道。在所述引擎的高负载区域中的至少低速和中速区间内，所述有效压缩比被设定成大于10的值；所述点火时刻被延迟；所述排气门的所述气门开启时点根据所述引擎转速改变，以便保证有规定的气门重叠期间，且便在多个引擎转速区间内，来自排气压力脉冲的负压力波在所述气门重叠期间内到达排气口。这样，在通过保持高压缩比来获得高扭矩的情况下，有效地减少引擎在高负载区域中的中速和低速区间内的爆震。

Description

多气缸火花点火引擎

技术领域

本发明涉及一种安装在例如汽车上的多气缸火花点火引擎。

背景技术

已知现有的火花点火引擎通过利用排气压力脉冲来提高扭矩。为了改善扫气作用的效果，在这种引擎中，设定有进气门和排气门被保持在打开状态的气门重叠期间，并且，在要求高扭矩的运转区域中，来自排气压力脉冲的负压力波被设为在上述气门重叠期间内到达排气口。

例如，专利文献1描述了使气门重叠期间的相位可改变，并且调节负压力波的时刻使其在气门重叠期间内到达排气口的方案。

另外，专利文献2描述了设置有可改变排气门的气门开启时点的气门开启时点改变单元，并且根据引擎转速来控制气门开启时点改变单元，以便来自排气压力脉冲的负压力波在气门重叠期间内到达排气口，从而改善引擎在宽转速区间内的扫气作用的效果和提高扭矩。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利公报第3678861号

专利文献2：日本专利公开公报第2010-84530号

发明内容

技术问题

较高的压缩比有助于提高引擎的热效率以提高燃料效率。然而，使用汽油或者包含汽油的燃料的火花点火引擎在例如几何压缩比高于12的高压缩比的情况下进行操作时会产生如下问题。

在高压缩比引擎中，引擎的较高的热效率能够提高燃料效率并且能够提高扭矩。然而，在引擎的高负载区域中的低速和中速区间内较容易出现爆震（knocking）。为了减少爆震，可以减少有效压缩比或者大幅地延迟点火时刻。但如果仅使用这些方法就不能保证充分的高扭矩。也就是说，由于克服爆震的措施而不能获得充分的高扭矩。

专利文献1、2既没有关注于防止在这种高压缩比引擎中的爆震也没有关注于与此相关的问题。

对于如上所述的情况，本发明的目的在于提供一种多气缸火花点火引擎，能够以有效方式减少在高压缩比引擎的高负载区域中的低速和中速区间内的爆震，并且能够通过保持高压缩比来获得高扭矩。

解决问题的方案

为了实现上述目的，本发明涉及一种火花点火引擎，其具有四个以上的气缸，至少包含汽油的燃料被注入该气缸中。所述引擎具有高于12的几何压缩比，并且包括：排气歧管，连接到各气缸的排气口；可变排气门正时机构，用于改变排气门的气门开启时点；点火时刻控制器，用于控制设置在各气缸中的火花塞的点火时刻；和有效压缩比调节器，用于调节有效压缩比。所述排气歧管具有：多个分支排气通道，连接到所述各气缸的所述排气口；多个第一收集器部分，分别集合排气顺序不相邻的所述气缸的分支排气通道；多个中间排气通道，分别被连接到所述第一收集器部分的下游；和第二收集器部分，集合所述中间排气通道。在所述引擎的高负载区域中的至少低速和中速区间内，有效压缩比通过所述有效压缩比调节器被调节成大于10的值；所述点火时刻通过所述点火时刻控制器从MBT被延迟规定量。而且，所述可变排气门正时机构根据所述引擎转速改变所述排气门的所述气门开启时点，以便在所述进气门和所述排气门的所述气门开启时点和气门关闭时点被定义为气门升程0.3mm的情况下，保证所述进气门和所述排气门有规定的气门重叠期间，且便在多个引擎转速区间内，来自所述排气压力脉冲的负压力波在所述气缸的所述气门重叠期间内到达所述气缸的排气口。

本发明的有益效果

根据本发明的多气缸火花点火引擎，通过有效地利用排气压力脉冲从而改善在高压缩比引擎的高负载区域中的低速和中速区间内的扫气作用（scavenging action）的效果，增加进气容积效率，减少点火时刻的延迟量，并且保持高有效压缩比。这样使得有可能显著地增加扭矩。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的多气缸火花点火引擎中的引擎体和排气歧管的示意性平面图。

图2是表示引擎体的示意性截面图。

图3是引擎的排气系统的示意性平面图。

图4是表示排气门和进气门的开启/关闭时点以及重叠期间的图表。

图5是说明排气门和进气门的气门开启时点和气门关闭时点的定义的视图。

图6是用于描述气缸之间的排气干涉（exhaust interfence）的视图，其中，（A）表示现有的排气歧管的情况，（B）表示本发明的实施方式的引擎排气歧管的情况。

图7是用于描述压力波如何在气缸和排气歧管的第二收集器部分之间往返的视图。

图8是说明气缸的排气口处产生的压力变化的图表。

图9是表示现有排气歧管的情况下和本发明的实施方式的引擎排气歧管的情况下的进气容积效率在引擎转速的各区间内的变化的数据。

图10是表示根据引擎转速改变排气门和进气门的开启时点和关闭时点的特征曲线。

图11是表示往返气缸和前消音器之间的压力波在排气口的压力变化视图。

图12是表示往返气缸和主消音器之间的压力波在排气口的压力变化视图。

图13是表示例如在1500rpm的引擎转速下因排气压力脉冲而排气口的压力变化的视图。

图14是表示例如在2000rpm的引擎转速下因排气压力脉冲而排气口的压力变化的视图。

图15是表示例如在2500rpm的引擎转速下因排气压力脉冲而排气口的压力变化的视图。

图16是表示例如在3000rpm的引擎转速下因排气压力脉冲而排气口的压力变化的视图。

图17是表示例如在5000rpm的引擎转速下因排气压力脉冲而排气口的压力变化的视图。

图18是表示对应于本发明实例的几何压缩比CR为14的引擎和对应于对比例的几何压缩比CR为11的引擎的引擎转速和点火时刻之间的关系的特征曲线。

图19是通过改善扫气作用以增加容积效率和通过改善爆震减少以减少点火时刻的延迟量，来说明提高几何压缩比为14的引擎和几何压缩比为11的引擎的扭矩改善的效果的视图。

具体实施方式

下面参考附图描述本发明的多气缸火花点火引擎中的排气组件的实施方式。

图1示意性地表示多气缸火花点火引擎中的引擎体1和排气歧管30。图2示意性地表示引擎体1的横面。本发明的引擎是具有四个以上气缸的多气缸火花点火引擎，汽油或者包含汽油的燃料被喷入气缸中。在本实施方式中，该引擎为串联的四气缸火花点火引擎。更具体地说，如图1所示，引擎体1具有四个气缸2：从一侧依次为第一气缸2a、第二气缸2b、第三气缸2c和第四气缸2d。

该引擎是四冲程引擎，在该引擎中，在各气缸2中进行进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。本实施方式中描述的四气缸引擎，依次在第一气缸2a、第三气缸2c、第四气缸2d和第二气缸2b中每隔180度的曲轴旋转进行火花点火，从而依次出现例如排气冲程的冲程。

另外，该引擎的高压缩比，即几何压缩比高于12。几何压缩比被定义为在活塞处于下死点的情况下的燃烧室容积与在活塞处于上死点的情况下的燃烧室容积的比。

如图2所示，引擎体1包括各气缸2中设置的气缸盖3和气缸体4。气缸2收容活塞5，并且燃烧室6形成在活塞5上方。

与燃烧室6连通的进气口7和排气口8设置在各气缸2上方。进气口7是用于将空气引入各气缸2的路径。排气口8允许排出气体从各气缸2排出。进气口7的开启和关闭由进气门9控制。排气口8的开启和关闭由排气门10控制。此外，用于将燃料喷入燃烧室6的燃料喷射气门11和点燃燃烧室6内的空气燃料混合物的火花塞12布置于各气缸2。当如图2所示的燃料喷射气门11将燃料直接喷入燃烧室6时，其可以将燃料喷入进气口7。

进气门9由进气门驱动机构13驱动。排气门10由排气门驱动机构16驱动。

进气门驱动机构13具有进气凸轮轴14和可变进气门正时机构15。进气门9通过进气凸轮轴14的旋转而开启和关闭，进气凸轮被安装在进气凸轮轴14上。可变进气门正时机构15允许改变进气门9的开启和关闭时刻。该可变进气门正时机构15能够通过改变进气门9的关闭时刻来调节有效压缩比，并且构成有效压缩比调节器。应该注意：有效压缩比被定义为在进气门被关闭的情况下的燃烧室容积与在活塞处于上死点的情况下的燃烧室容积的比。

进一步，排气门驱动机构16具有排气凸轮轴17和可变排气门正时机构18。排气门10通过排气凸轮轴17的旋转而开启和关闭，排气凸轮被安装在该排气凸轮轴17上。可变排气门正时机构18允许改变排气门10的开启和关闭时刻。

本实施方式中的可变进气门正时机构15和可变排气门正时机构18都由定相的可变气门正时机构（phasing variable valve timing mechanism）组成。定相的可变气门正时机构不改变气门开启的持续时间而改变其开启和关闭的时刻。可变气门正时机构的各结构是已知的，因此没有特别地说明和描述它们。例如，用于移动相位角的构件设置在凸轮滑轮和凸轮轴之间，以允许互相旋转，曲柄轴的旋转通过定时带被转移到凸轮轴。该构件由电力或者液压驱动。

可变进气门正时机构15和可变排气门正时机构18由用于引擎控制的微机控制器20控制。该控制器20还通过点火电路21控制火花塞12发出火花的时间。控制器20和点火电路21构成点火时刻控制器。控制器20供应来自转速传感器22的信号，该转速传感器22检测引擎的转速。其还供应有来自例如未显示的节流传感器的传感器的信号，该传感器检测引擎的负载。

排气歧管30被连接到引擎体1的一侧。

排气歧管30包括：四个分支排气通道31，该四个分支排气通道31被连接到各气缸2的排气口8；两个第一收集器部分32，各第一收集器部分32集合排气顺序不相邻的气缸的分支排气通道31；两个中间排气通道33，该两个中间排气通道33分别被连接到第一收集器部分32的下游；和单个第二收集器部分34，该第二收集器部分34集合中间排气通道33。如上所述，依次在第一气缸2a、第三气缸2c、第四气缸2d和第二气缸2b中出现排气冲程的四气缸引擎中，在被连接到各气缸2的排气口8的四个分支排气通道31中，与第一气缸2a和第四气缸2d的排气口8连通的分支排气通道31彼此集合，与第二气缸2b和第三气缸2c的排气口8连通的分支排气通道31彼此集合，从而形成两个第一收集器部分32和在该处下游的两个中间排气通道33。在第二收集器部分34的下游侧，两个中间排气通道33彼此集合。第二收集器部分34的下游部分用作单个排气通道35。

这些通道的横截面积被设定成，一个分支排气通道31的横截面积S1、一个中间排气通道33的横截面积S2和位于第二收集器部分34的下游的排气通道35的横截面积S3满足如下关系：（S2/S1）<（S3/S2）。换句话说，中间排气通道33的横截面积S2从分支排气通道31的横截面积S1的径向延伸相对较小，位于第二收集器部分34的下游的排气通道35的横截面积S3从中间排气通道33的横截面积S2的径向延伸很大程度变大。

图3示意性地表示包括排气歧管30和设置在其下游的组件的排气系统。如该图所示，位于排气歧管30的第二收集器部分34的下游的排气通道35被连接到紧密联接的催化器36，该催化器36的下游经由柔性连接部37依次被连接到催化器38。紧密联接的催化器36和催化器38用于净化废气，并且具有中空的圆柱形壳体和布置在贯穿该壳体的通道内部的催化剂。

另外，在排气歧管30的下游设置有多个直径扩大空腔，直径扩大空腔在内部分别具有排气通道横截面扩大的空间。在本实施方式中，前消音器41构成上游侧直径扩大空腔，主消音器42构成下游侧直径扩大空腔。前消音器41被连接到催化器38的下游。主消音器42通过具有规定长度的排气管43被连接到前消音器41的下游。如稍后描述的，从各气缸2延伸至排气歧管30的第二收集器部分34的通道长度L1和从各气缸2至前消音器41的通道长度L2之间的关系被设定成：3*L1<L2<4*L1。通道长度L1和从各气缸2至主消音器42的通道长度L3之间的关系被设定成：5*L1<L3<7*L1。

图4表示排气门10和进气门9的开启/关闭时刻。在该图中，EVO表示排气门10的气门开启时点，EVC表示排气门10的气门关闭时点，IVO表示进气门9的气门开启时点，IVC表示进气门9的气门关闭时点。另外，OL表示进气门9和排气门10的气门重叠期间。如该图所示，排气门10的开启/关闭时刻和进气门9的开启/关闭时刻分别可在实线表示的时刻和虚线表示的时刻之间进行改变。

在本实施方式中，控制器20根据例如引擎转速和引擎负载的工作状态控制可变进气门正时机构15和可变排气门正时机构18，可变进气门正时机构15和可变排气门正时机构18依次控制排气门10的开启/关闭时刻和进气门9的开启/关闭时刻。

尤其是，在引擎的高负载区域中的低速和中速区间内（在低/中速且高负载的状态中），进气门9的气门关闭时点IVC被控制成使得有效压缩比变得大于10。此外，在引擎的这种低/中速和高负载状态中，排气门10的气门开启时点EVO根据引擎转速而改变，使得保持一定持续时间的气门重叠期间OL并且来自排气压力脉冲的负压力波在处于不同引擎转速区间的气缸2的气门重叠期间OL中到达给定气缸2的排气口8。

进气门9和排气门10的气门开启时点IVO、EVO和气门关闭时点IVC、EVC被定义为气门升程0.3mm。0.3mm的气门升程对应于图5所示的气门升程轮廓（profile）中的坡道的高度（在气门升程的轮廓具有接近气门开启/关闭点的平缓斜坡期间的间隔）。因此，进气门9和排气门10的开启时点以及气门重叠期间OL在除坡道之外的持续时间内。

在引擎的低负载区域中的低速和中速区间内（在低/中速且低负载的状态中），控制器20控制进气门9的气门关闭时点IVC以相对于低/中速且高负载的状态降低有效压缩比。换句话说，即使进气门9的气门关闭时点IVC在进气下死点之后，在低负荷状态下通过从进气下死点延迟大于高负载状态时的量，可降低有效压缩比。

如上所述，控制器20控制进气门9和排气门10的打开时点和关闭时点，并且控制火花塞12发出火花的时刻。在引擎的低/中速且高负载的状态中，点火时刻从MBT（用于最佳扭矩的点火时刻）被延迟规定量。此处使用的规定量对应于能够减少爆震的被延迟的程度的量（s）。

下面描述本实施方式的引擎的操作。

在本实施方式的引擎中，排气歧管30的优势在于具有以下结构，该结构防止气缸之间的排气干涉影响扫气作用的效果，并且来自压力脉冲的负压力在气门重叠期间OL内到达排气口8而增加扫气作用的效果。这些效果参考图6至8进行描述。

图6是用于描述气缸之间的排气干涉的视图，其中，图6（A）表示现有的排气歧管的情况，短分支排气通道集合到一起形成单个的收集器部分（其结构在左侧示意性地表示），图6（B）表示本实施方式的排气歧管的情况（其结构在左侧示意性地表示）。这些图还表示第一气缸的排气门和进气门的开启时点和关闭时点、以及第三气缸的排气门的开启时点和关闭时点。另外，虚线表示因开启第三气缸的排气门而在该第三气缸的排气口产生的压力。

如这些图所示，第三气缸的排气门刚开启后，快速排出的排出气体（所谓的放气（blowdown））在排气口产生高的正压力。第一气缸具有气门重叠期间OL，该气门重叠期间OL在第三气缸的排气门开启时点稍后开始。在第三气缸中产生的正压力波被传播至其他的气缸。如图6（A）所示的现有的排气歧管具有从第三气缸至第一气缸的短的压力波传播路径。因此，在气缸的气门重叠期间OL中，尤其在大约2000rpm或者4000rpm的低/中速区间内，正压力波到达第一气缸的排气口，从而会影响扫气作用。

另一方面，在如图6（B）所示的本实施方式的排气歧管30中，第三气缸2c中产生的正压力波通过从第三气缸2c延伸至第二收集器部分34的分支排气通道31和中间排气通道33，并且通过从第二收集器部分34延伸至第一气缸2a的中间排气通道33和分支排气通道31而传播至第一气缸2a。从上述可以明显看出：存在更长的压力波传播路径，该更长的压力波传播路径延迟用于第三气缸中产生的正压力波到达第一气缸2a的排气口8的时刻。在第一气缸2a的气门重叠期间OL中，甚至在大约2000rpm或者4000rpm的低/中速区间内，正压力波不到达气缸2a的排气口8。这样防止因排气干涉而使扫气作用的效果下降。

其次，参考图7、8描述作用在排气口8上的来自排气压力脉冲的压力波。

排气门10刚开启后，基于各气缸2的放气会产生大的正压力波，从而在排气歧管30中产生排气压力脉冲。在这种情况下，在如图1所示的排气歧管30中，满足上述的关系（S2/S1）<（S3/S2）。因此，压力波的大部分成分不被转化而穿过集合了排气顺序不相邻的气缸的分支排气通道31的第一收集器部分32。压力波在第二收集器部分34中被转化并且从此处被反射。因此，如图7所示，压力波往返气缸2和第二收集器部分34之间，压力在第二收集器部分34进行正压力和负压力之间的转化。因此，排气口8交替地接收负压力波和正压力波。因此，到达排气口8的压力波是：在第一（第一往返）、第三（第三往返）和第五（第五往返）传播时为负压力波；在第二（第二往返）、第四（第四往返）和第六（第六往返）传播时为正压力波。作用在排气口8上的压力如图8所示波动，并且压力波在负和正之间转化而且往返中逐渐地减弱。

在气门重叠期间OL中到达排气口8的、来自这种排气压力脉冲的负压力波允许从气缸2吸收有益的废气从而改善扫气作用的效果。

应该注意：引擎转速的变化会产生从排气门刚开启后的正压力波的出现到气门重叠期间为止的持续时间的变化，从而产生负压力波到达排气口8的时间相对于气门重叠期间OL的变化。如果从气缸2至第二收集器部分34的通道长度L1被设定成，例如：第一负压力波在大约5000rpm的转速区间内的气门重叠期间OL内到达排气口8，则第三负压力波在大约2500至3000rpm的转速区间内的气门重叠期间OL中到达排气口8，并且第五负压力波在大约1500至2000rpm的转速区间内的气门重叠期间OL中到达排气口8。这样甚至在引擎的低/中转速区间内也能够通过负压力波改善扫气作用的效果。本实施方式的排气歧管30允许用于这样的设置。

相对于此，如图6（A）示意性地表示的现有的排气歧管具有在气缸和收集器部分之间的短路径，压力波在该短路径内的往复时间较短。在引擎的低/中转速区间内，压力波在从排气门刚开启后的正压力波的出现到气门重叠期间为止的时间内更频繁地往返。像这样，由于压力波严重减弱，从而无法利用负压力波改善扫气作用的效果。

图9表示针对短分支排气通道被集合到一起形成一个收集器部分的现有排气歧管（其结构示意性地表示在右下侧）、和本实施方式的排气歧管（其结构示意性地表示在右上侧），使进气及排气门的开启/关闭时点设定成可保证一定的气门重叠期间时的、进气容积效率在各引擎转速区间内的变化的数据。

如该附图所示，在上述的现有排气歧管中，排气干涉将会影响整个低至高速区间的扫气作用的效果，如上所述。另外，负压力波几乎不会改善如上所述的扫气作用的效果。因此，其将具有更小的容积效率。

另一方面，本实施方式的排气歧管30能够通过在整个低至高速区间的排气干涉来防止扫气作用的效果下降，该排气干涉会导致更高值的容积效率。此外，在例如大约2000rpm、大约3500rpm和大约5000rpm的规定的转速区间内，负压力波在气门重叠期间OL中作用在排气口8上，从而改善扫气作用的效果。

当排气门10的开启时期和气门重叠期间OL都被固定时，负压力波在气门重叠期间OL中、只有在规定的转速区间内到达排气口8。在除上述转速区间之外的一个或多个转速区间内，负压力波到达排气口8的时间不会落在气门重叠期间OL内。另一方面，在本实施方式中，排气门10的开启时期能够根据引擎转速而被改变，在多个转速区间内，负压力波在气门重叠期间OL内到达排气口8。

如图10和表1所示，排气门10的开启时点和关闭时点以及进气门9的开启时点和关闭时点根据引擎转速而被改变。

[表1]

rpm	EVO	EVC	IVO	IVC
					1500	11	50	42	36
2000	39	22	42	36
					2500	11	50	42	36
3000	24	37	42	36
					3500	34	37	38	40
5000	49	12	26	52

图10所示的图表的竖直轴线和表1中从左第二至第五栏表示的值对应于：用于排气门10的气门开启时点EVO的下死点（BBDC）之前的曲柄角；用于排气门10的气门关闭时点EVC的上死点（ATDC）之后的曲柄角；用于进气门9的气门开启时点IVO的上死点（BTDC）之前的曲柄角；和用于进气门9的气门关闭时点IVC的下死点（ABDC）之后的曲柄角。

参考图10和表1进行描述。排气门10的气门开启时点EVO在引擎转速为1500rpm时最大延迟11度BBDC，在该引擎转速下，第五（第五往返）负压力波在气门重叠期间OL中到达排气口8，如下述的图13所示。然后，排气门10的气门开启时点EVO随着引擎转速增加而在1500rpm和恰好超过2000rpm之间的区间内逐渐地提前。成为产生排气压力脉冲的起点之放气出现在较早的时间，从而第五（第五往返）负压力波在气门重叠期间OL中到达排气口8的状态被维持。当引擎转速到达2500rpm时，排气门10的气门开启时点EVO再次被延迟至11度BBDC。然后，第三（第三往返）负压力波在气门重叠期间OL中到达排气口8，如下述的图15所示。随着引擎转速增加，在高于2500rpm的引擎转速，排气门10的气门开启时点EVO逐渐地提前。从而在2500rpm和大约4000rpm的区间内，第三（第三往返）负压力波在气门重叠期间OL中到达排气口8的状态被维持。

从上述可以明显知道，在引擎的低/中转速区间中，排气门10的气门开启时点EVO根据引擎转速而被改变。在多个引擎转速区间内，来自排气压力脉冲的负压力波被控制为在气门重叠期间OL中到达排气口。

当引擎转速到达大约4000rpm以上的高速区间时，为了排出大量的排出气体，排气门10的气门开启时点EVO被保持在比在4000rpm时的气门开启时点EVO更提前点上。即使当排气门10的气门开启时点EVO被保持在更提前点时，在大约5000rpm的引擎转速下，如下述的图17所示，第一（第一往返）负压力波在气门重叠期间OL中到达排气口8。

进气门9的气门关闭时点IVC在1500rpm和3000rpm之间的引擎转速区间内保持恒定，并且被设定在36度ABDC。在进气门9的气门关闭时点IVC被设定在该量时，有效压缩比相对于几何压缩比没有被显著地减少并且其值大于10。当引擎转速在大约3500rpm以上时，进气门9的气门关闭时点IVC随着引擎转速增加而被逐渐地延迟。

在本实施方式中，可变排气门正时机构18和可变进气门正时机构15都是定相的可变气门正时机构，因此排气门10的气门关闭时点EVC根据气门开启时点EVO而变化，进气门9的气门开启时点IVO根据气门关闭时点IVC而变化。

在本实施方式中，通过来自排气压力脉冲的负压力波，如图3所示的前消音器41和主消音器42有助于改善在规定的转速区间内的扫气作用的效果。

更具体地说，由于排气门10刚开启后出现的放气引起的压力波如上所述在第二收集器部分34中被转化并且从此处被反射，从而在排气歧管30中产生压力脉冲。压力波的一部分穿过第二收集器部分34并传播至排气歧管30的下游。然后，压力波在前消音器41中被转化并且从此处被反射，该前消音器41用作上游侧直径扩大空腔。到达前消音器41的部分压力波穿过前消音器41并且传播至更下游。其在主消音器42中被转化并且从此处被反射，该主消音器42用作下游侧直径扩大空腔。换句话说，如图3中的箭头所表示，压力波在气缸2和前消音器41之间往返，并且压力波在气缸2和主消音器42之间往返，而不是压力波在气缸2和排气歧管30的第二收集器部分34之间往返。

然后，在规定的第一引擎转速区间内，在主消音器42中被转化的负压力波在气门重叠期间OL中到达排气口8。在高出第一引擎转速区间规定量的第三引擎转速区间内，在前消音器41中被转化的负压力波在气门重叠期间OL中到达排气口8。在第一引擎转速区间和第三引擎转速区间之间的第二引擎转速区间以及高于第三引擎转速区间的第四引擎转速区间内，来自排气歧管30的压力脉冲的负压力波在气门重叠期间OL中到达排气口8。

更具体地说，从气缸2到前消音器41的通道长度L2被设定成：3*L1<L2<4*L1。这样允许在前消音器41中被转化的负压力波到达排气口8的时间接近来自排气歧管30中的压力脉冲的第三至第四压力波到达排气口8的时间。此外，从气缸2到主消音器42的通道长度L3被设定成：5*L1<L3<7*L1。这样允许在主消音器42中被转化的负压力波到达排气口8的时间接近来自排气歧管30中的压力脉冲的第五至第六压力波到达排气口8的时间。

通过这样设置，如图11和15所示，在大约2500rpm的引擎转速区间（第三引擎转速区间）内，在前消音器41中被转化的负压力波在气门重叠期间OL中到达排气口8，并且，在大约1500rpm的引擎转速区间（第一引擎转速区间）内，如图12和13所示，在主消音器42中被转化的负压力波在气门重叠期间OL中到达排气口8。

图11表示在引擎转速为2500rpm的情况下，往返气缸2和前消音器41之间的压力波施加到排气口8的压力。图12表示在引擎转速为1500rpm的情况下，往返气缸2和主消音器42之间的压力波施加到排气口8的压力（参见图3）。在这些图中，水平轴线表示从压缩上死点的曲柄角，竖直轴线表示大气压作为零基准面时的压力。

图13至17分别表示排气门10开启之后、在各引擎转速下的排气口8中的压力变化。在这些图中，水平轴线表示从压缩上死点的曲柄角，竖直轴线表示大气压作为零基准面时的压力。另外，气门重叠期间OL被显示在各附图中的右下方。在图13至16中，针对表示排气口8中的压力变化的波形的、实线和虚线一起存在的部分而言，虚线表示仅仅因排气歧管30中的压力脉冲而产生的压力变化，实线表示考虑到在主消音器42中被转化的负压力波和在前消音器41中被转化的负压力波的效果的情况下的压力变化。

如图13所示，在1500rpm时，第五往返中的负压力在气门重叠期间OL中到达排气口8。第六往返中的正压力在气门重叠期间OL中也到达排气口8，而正压力由于在主消音器42中被转化的负压力波的增加而被降低。减少了第六往返中的正压力的副作用，并且利用了第五往返中的负压力，从而改善了扫气作用的效果。

如图14所示，在2000rpm，第五往返中的负压力在气门重叠期间OL中到达排气口8。利用该负压力，从而改善了扫气作用的效果。

如图15所示，在2500rpm，第三往返中的负压力在气门重叠期间OL中到达排气口8。第四往返中的正压力在气门重叠期间OL中也到达排气口8，而正压力由于在前消音器41中被转化的负压力波的增加而被降低。减少了第四往返中的正压力的副作用，并且利用了第三往返中的负压力，从而改善了扫气作用的效果。

如图16所示，在3000rpm，第三往返中的负压力在气门重叠期间OL中到达排气口8，利用该负压力，从而改善了扫气作用的效果。

如图17所示，在50000rpm或者更高的转速，第一往返中的负压力在气门重叠期间OL内到达排气口8。利用该负压力，从而改善了扫气作用的效果。

用这种方法，在各转速区间内，负压力在气门重叠期间OL中到达排气口8，从而改善扫气作用的效果。

图18是表示几何压缩比CR为14的高压缩比引擎和几何压缩比CR为11的引擎的引擎转速和点火时刻之间的关系。

如该附图所示，在引擎的低速区间内，点火时刻从MBT被延迟以防止爆震。点火时刻随着引擎转速增加而被较少地延迟。在几何压缩比CR为11的引擎的低速和中速区间之间的区间附近，点火时刻为0延迟（与MBT重合的点火时刻）。另一方面，用于更容易发生引擎爆震的高压缩比引擎，尽管延迟的程度随着引擎转速增加而变小，但是点火时刻被延迟更多并且甚至在中速或者高速区间内仍然被延迟。

图19是表示几何压缩比CR为14的高压缩比引擎和几何压缩比CR为11的引擎的点火时刻和引擎扭矩之间的关系。实线表示高压缩比引擎，虚线表示几何压缩比CR为11的引擎。

如该附图所示，当点火时刻被提前至接近MBT时，扭矩变高。随着点火时刻被延迟，扭矩相应变低。延迟点火时刻的程度越大，扭矩减少得越多。

如果高压缩比引擎利用来自如上述实施方式中的排气压力脉冲的负压力而增加扫气作用的效果，则容积效率被增加。与利用来自排气压力脉冲的负压力而没有改善扫气作用的效果的情况（细实线）相比，这样会导致更高的扭矩，如实线所示。此外，当扫气作用的效果在高压缩比引擎中没有得到改善时，点火时刻明显延迟。相反，利用来自排气压力脉冲的负压力而改善扫气作用的效果导致气缸内部的温度因扫气作用而下降，这样在减少爆震方面是有益的。因此，点火时刻能够提前相应度（接近MBT）。这样还提供更高的扭矩。换句话说，基于响应较高的容积效率的扭矩增加、和响应对应于通过扫气作用来减少爆震的点火时刻的提前的扭矩增加之相关效果，能够显著地增加扭矩。

即使在几何压缩比较低的引擎中，如果利用来自排气压力脉冲的负压力来提高扫气作用的效果，则如粗虚线所示，与扫气作用的效果没有被改善的情况（细实线）相比，扭矩被提高。另外，尽管通过扫气作用来减少爆震使得点火时刻可以提前，但是由于点火时刻从一开始并没有延迟很多，所以点火时刻的提前的扭矩的增加量相对较小。

另一方面，在高压缩比引擎中，点火时刻应该被大幅延迟以减少爆震。在这种引擎中通过扫气作用的爆震的减少消除在点火时刻的上述的延迟的必要性。因此，点火时刻能够被相对地提前并且能够增加扭矩的增加量。因此，如图19中的箭头所指示的扭矩的增加所示，比在具有低几何压缩比的引擎中进行类似的测量的情况下能够增加更多的扭矩。

应该注意：本发明并不局限于上述实施方式而可以进行各种修改。

例如，在上述实施方式中，可变进气门正时机构15和可变排气门正时机构18由定相的可变气门正时机构组成。然而，可以使用能够调节气门升程以及气门开启时点的可变气门升程机构。

此外，在上述实施方式中，前消音器41和主消音器42用作设置在排气歧管30的下游侧直径扩大空腔。此外，还可以设置共振器（resonator）。

最后，描述上述实施方式公开的本发明的结构和效果。

本发明涉及一种火花点火引擎，其具有四个以上的气缸，至少包含汽油的燃料被注入该气缸中。所述引擎具有高于12的几何压缩比，并且包括：排气歧管，连接到各气缸的排气口；可变排气门正时机构，用于改变排气门的气门开启时点；点火时刻控制器，用于控制设置在各气缸中的火花塞的点火时刻；和有效压缩比调节器，用于调节有效压缩比。所述排气歧管具有：多个分支排气通道，连接到所述各气缸的所述排气口；多个第一收集器部分，分别集合排气顺序不相邻的所述气缸的分支排气通道；多个中间排气通道，分别被连接到所述第一收集器部分的下游；和第二收集器部分，集合所述中间排气通道。在所述引擎的高负载区域中的至少低速和中速区间内，有效压缩比通过所述有效压缩比调节器被调节成大于10的值；所述点火时刻通过所述点火时刻控制器从MBT被延迟规定量。而且，所述可变排气门正时机构根据所述引擎转速改变所述排气门的所述气门开启时点，以便在所述进气门和所述排气门的所述气门开启时点和气门关闭时点被定义为气门升程0.3mm的情况下，保证所述进气门和所述排气门有规定的气门重叠期间，且便在多个引擎转速区间内，来自所述排气压力脉冲的负压力波在所述气缸的所述气门重叠期间内到达所述气缸的排气口。

根据本发明，引擎是几何压缩比高于12的高压缩引擎。因此，增加引擎的热效率，并且其在改善燃料效率和增加扭矩方面是有益的。在引擎的高负载状态的低/中速区间内，有效压缩比被设定成其值大于10，以保证高压缩比引擎的高扭矩，并且点火时刻从MBT（用于最佳扭矩的点火时刻）被延迟规定量以防止爆震。

另外，利用排气顺序不相邻的气缸的分支排气通道被集合分别形成第一收集器部分、并且位于第一收集器部分的下游的中间排气通道被集合形成第二收集器部分的排气歧管，压力波在各气缸和第二收集器部分之间往返以产生排气压力脉冲。在引擎的低/中速且高负载的状态下，来自排气压力脉冲的负压力波在气门重叠期间内到达排气口，从而改善扫气作用的效果。尤其，排气门的气门开启时点根据引擎转速而被改变，从而在多个引擎转速区间内，来自排气压力脉冲的负压力波在气门重叠期间内到达排气口，并且保证规定的气门重叠期间，从而改善多个转速区间内的扫气作用的效果。

此外，在引擎的低/中速且高负载的状态下，排气压力脉冲用于有效地改善扫气作用的效果。这样提高进气容积效率。此外，通过扫气作用降低气缸中的温度，这样在减少爆震方面是有益的。这样在保持高几何压缩比和高有效压缩比的条件下，消除了从MBT大幅延迟点火时刻的必要性。

从上述可以明显知道，高压缩比引擎在低/中速且高负载的状态下，点火时刻的延迟量能够被降低并且保持高有效压缩比，从而显著地增加扭矩。另外，进气容积效率被增加，这样进一步增加扭矩。

在本发明中优选的是：所述分支排气通道的横截面积S1、所述中间排气通道的横截面积S2和位于所述第二收集器部分下游的排气通道的横截面积S3之间的关系被设定成：（S2/S1）<（S3/S2）。

由此，当在排气歧管中产生排气压力脉冲时，可以确实产生：压力波的大部分成分不被转化而穿过第一收集器部分，但在第二收集器部分中被转化，并且压力波在各气缸和第二收集器部分之间往返，这样的排气压力脉冲。

此外，在本发明中优选的是：在所述排气歧管的下游设置有直径扩大空腔，所述直径扩大空腔在内部具有横截面扩大的空间，所述直径扩大空腔的位置被设定成：在引擎低速侧的规定的第一引擎转速区间内，所述排气门开启后立即产生的正压力波在所述直径扩大空腔中被转化成负压力波，并且所述负压力波在所述气门重叠期间内达到所述排气口。

这结构允许：在引擎的低负载侧的规定的第一引擎转速区间内，在气缸和直径扩大空腔之间往返的压力波，帮助排气歧管中产生的压力脉冲在气门重叠期间内影响排气口，这样进一步改善扫气作用的效果。

在上述结构中，更优选的是：在所述排气歧管的下游设置有多个直径扩大空腔，所述直径扩大空腔具有上游侧直径扩大空腔和位于所述上游侧直径扩大空腔下游的下游侧直径扩大空腔；优选的是：在所述第一引擎转速区间内，在所述下游侧直径扩大空腔中被转化的所述负压力波在所述气门重叠期间内到达所述排气口；在高出所述第一引擎转速区间规定量的第三引擎转速区间内，在所述上游侧直径扩大空腔中被转化的所述负压力波在所述气门重叠期间内到达所述排气口；在所述第一引擎转速区间和所述第三引擎转速区间之间的第二引擎转速区间以及高于所述第三引擎转速区间的第四引擎转速区间内，来自所述排气歧管的所述压力脉冲的所述负压力波在所述气门重叠期间内到达所述排气口。

在第一引擎转速区间内，在下游侧直径扩大空腔中被转化的负压力波帮助在排气歧管中产生的压力脉冲在第一引擎转速区间的气门重叠期间内影响排气口；并且，在第三引擎转速区间内，在上游侧直径扩大空腔中被转化的负压力波帮助在气门重叠期间内影响排气口。因此，能够有效地改善第一至第四转速区间中的每一个区间内的扫气作用的效果。

在上述结构中，更优选的是：从各气缸延伸到所述排气歧管的所述第二收集器部分的通道长度L1和从各气缸到所述上游侧直径扩大空腔的通道长度L2之间的关系被设定成：3*L1<L2<4*L1，并且，所述通道长度L1和从各气缸到所述下游侧直径扩大空腔的通道长度L3之间的关系被设定成：5*L1<L3<7*L1。

这样以有效的方式改善第一至第四转速区间中的每一个区间内的排气作用的效果。

另外，在本发明中优选的是：所述有效压缩比调节器由改变所述进气门的所述气门关闭时点的可变进气门正时机构形成，所述可变进气门正时机构被设定成：在所述引擎的低负载区域中的低速和中速区间内，改变所述进气门的所述气门关闭时点，使得所述有效压缩比小于所述高负荷区域中的有效压缩比。

这结构允许：在引擎的低/中速且低负荷的状态下，减少抽吸损失（pumping loss）并且改善燃料效率。

在本发明中优选的是：所述排气门的所述气门开启时点被设定成：当所述引擎转速为1500rpm时，来自所述排气压力脉冲的第五负压力波在所述气门重叠期间内到达所述排气口。

这样通过利用来自大约为1500rpm的转速区间内的排气压力脉冲的第五（第五往返）负压力波，改善扫气作用的效果。

在上述结构中，更优选的是：当在1500rpm到2000rpm的引擎转速区间内时，所述排气门的所述气门开启时点随着所述引擎转速增加而逐渐提前。

通过这样，在从1500rpm到2000rpm的转速区间内，第五负压力波在气门重叠期间内到达排气口的状态被维持。

在上述结构中，更优选的是：所述引擎转速为2500rpm时的所述排气门的所述气门开启时点比所述引擎转速为2000rpm时的所述排气门的所述气门开启时点被延迟，并且当在2500rpm到4000rpm的引擎转速区间内时，所述排气门的所述气门开启时点随着所述引擎转速增加而逐渐提前。

通过这样，在从2500rpm到4000rpm的转速区间内，来自排气压力脉冲的第三（第三往返）负压力波在气门重叠期间内到达排气口的状态被维持。

在上述结构中，更优选的是：在引擎转速高于4000rpm的高速区间内，所述排气门的所述气门开启时点比在4000rpm时的所述气门开启时点被保持提前。

通过这样，在4000rpm以上的引擎转速区间内，能够排出大量的排出气体。另外，若引擎转速达到大约5000rpm，则第一（第一往返）负压力波在气门重叠期间内到达排气口。

在本发明中优选的是：所述有效压缩比调节器由改变所述进气门的气门关闭时点的可变进气门正时机构形成，所述进气门的所述气门关闭时点被保持于：当在1500rpm到3000rpm的引擎转速区间内时，所述引擎的所述有效压缩比超过10的规定时点。

此外，当所述引擎转速为3500rpm以上时，所述进气门的所述气门关闭时点随着所述引擎转速增加而逐渐延迟。

利用这些结构，进气门的气门关闭时点能够根据引擎转速而被设定在适当时间。

Claims (12)

1.一种多气缸火花点火引擎，具有四个以上的气缸，至少包含汽油的燃料被注入该气缸中，其特征在于，

所述多气缸火花点火引擎具有高于12的几何压缩比，

所述多气缸火花点火引擎包括：

排气歧管，连接到各气缸的排气口；

可变排气门正时机构，用于改变排气门的气门开启时点；

点火时刻控制器，用于控制设置在各气缸中的火花塞的点火时刻；和

有效压缩比调节器，用于调节有效压缩比；其中，

所述排气歧管具有：多个分支排气通道，连接到所述各气缸的所述排气口；多个第一收集器部分，分别集合排气顺序不相邻的所述气缸的分支排气通道；多个中间排气通道，分别被连接到所述第一收集器部分的下游；和第二收集器部分，集合所述中间排气通道；

在所述引擎的高负载区域中的至少低速和中速区间内，有效压缩比通过所述有效压缩比调节器被调节成大于10的值；所述点火时刻通过所述点火时刻控制器从MBT被延迟规定量；所述可变排气门正时机构根据所述引擎转速改变所述排气门的所述气门开启时点，以便在所述进气门和所述排气门的所述气门开启时点和气门关闭时点被定义为气门升程0.3mm的情况下，保证所述进气门和所述排气门有规定的气门重叠期间，且便在多个引擎转速区间内，来自所述排气压力脉冲的负压力波在所述气缸的所述气门重叠期间内到达所述气缸的排气口。

2.如权利要求1所述的多气缸火花点火引擎，其特征在于，

所述分支排气通道的横截面积S1、所述中间排气通道的横截面积S2和位于所述第二收集器部分下游的排气通道的横截面积S3之间的关系被设定成：（S2/S1）<（S3/S2）。

3.如权利要求1所述的多气缸火花点火引擎，其特征在于，

在所述排气歧管的下游设置有直径扩大空腔，所述直径扩大空腔在内部具有横截面扩大的空间，所述直径扩大空腔的位置被设定成：在引擎低速侧的规定的第一引擎转速区间内，所述排气门开启后立即产生的正压力波在所述直径扩大空腔中被转化成负压力波，并且所述负压力波在所述气门重叠期间内达到所述排气口。

4.如权利要求3所述的多气缸火花点火引擎，其特征在于，

在所述排气歧管的下游设置有多个直径扩大空腔，所述直径扩大空腔具有上游侧直径扩大空腔和位于所述上游侧直径扩大空腔下游的下游侧直径扩大空腔，

在所述第一引擎转速区间内，在所述下游侧直径扩大空腔中被转化的所述负压力波在所述气门重叠期间内到达所述排气口；在高出所述第一引擎转速区间规定量的第三引擎转速区间内，在所述上游侧直径扩大空腔中被转化的所述负压力波在所述气门重叠期间内到达所述排气口；在所述第一引擎转速区间和所述第三引擎转速区间之间的第二引擎转速区间以及高于所述第三引擎转速区间的第四引擎转速区间内，来自所述排气歧管的所述压力脉冲的所述负压力波在所述气门重叠期间内到达所述排气口。

5.如权利要求4所述的多气缸火花点火引擎，其特征在于，

从各气缸延伸到所述排气歧管的所述第二收集器部分的通道长度L1和从各气缸到所述上游侧直径扩大空腔的通道长度L2之间的关系被设定成：3*L1<L2<4*L1，

并且，所述通道长度L1和从各气缸到所述下游侧直径扩大空腔的通道长度L3之间的关系被设定成：5*L1<L3<7*L1。

6.如权利要求1所述的多气缸火花点火引擎，其特征在于，

所述有效压缩比调节器由改变所述进气门的所述气门关闭时点的可变进气门正时机构形成，所述可变进气门正时机构被设定成：在所述引擎的低负载区域中的低速和中速区间内，改变所述进气门的所述气门关闭时点，使得所述有效压缩比小于所述高负荷区域中的有效压缩比。

7.如权利要求1所述的多气缸火花点火引擎，其特征在于，

所述排气门的所述气门开启时点被设定成：当所述引擎转速为1500rpm时，来自所述排气压力脉冲的第五负压力波在所述气门重叠期间内到达所述排气口。

8.如权利要求7所述的多气缸火花点火引擎，其特征在于，

当在1500rpm到2000rpm的引擎转速区间内时，所述排气门的所述气门开启时点随着所述引擎转速增加而逐渐提前。

9.如权利要求8所述的多气缸火花点火引擎，其特征在于，

所述引擎转速为2500rpm时的所述排气门的所述气门开启时点比所述引擎转速为2000rpm时的所述排气门的所述气门开启时点被延迟，并且当在2500rpm到4000rpm的引擎转速区间内时，所述排气门的所述气门开启时点随着所述引擎转速增加而逐渐提前。

10.如权利要求9所述的多气缸火花点火引擎，其特征在于，

在引擎转速高于4000rpm的高速区间内，所述排气门的所述气门开启时点比在4000rpm时的所述气门开启时点被保持提前。

11.如权利要求1所述的多气缸火花点火引擎，其特征在于，

所述有效压缩比调节器由改变所述进气门的气门关闭时点的可变进气门正时机构形成，

所述进气门的所述气门关闭时点被保持于：当在1500rpm到3000rpm的引擎转速区间内时，所述引擎的所述有效压缩比超过10的规定时点。

12.如权利要求11所述的多气缸火花点火引擎，其特征在于，

当所述引擎转速为3500rpm以上时，所述进气门的所述气门关闭时点随着所述引擎转速增加而逐渐延迟。

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