CN104791149A - 汽油机空气与废气分层调节装置及其方法 - Google Patents

汽油机空气与废气分层调节装置及其方法 Download PDF

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Abstract

汽油机空气与废气分层调节装置及其方法属于发动机技术领域，本发明中二进气道入口连通设有加热器的进气总管出口，回流支管Ⅰ入口连通进气道Ⅱ，回流支管Ⅱ入口连通加热器后段进气总管，缸盖上的四个排气门分别连通二进气道出口和二排气道入口，回流支管Ⅰ、Ⅱ均设有EGR控制阀和冷却器，其出口均连通废气回流总管；在需要实现缸内气态工质的分层效果增强或减弱、需要较高或较低缸内温度时，均可通过本发明的装置进行调节；本发明能克服现有四气门(两进两排)缸内直喷汽油机中存在的EGR工质浓度及温度分布可控范围窄的问题，实现缸内工质分布状态宽范围可控，进一步提高EGR容忍度，更大程度的改善汽油机的燃油经济性。

Description

汽油机空气与废气分层调节装置及其方法
技术领域
本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种四气门(两进两排)缸内直喷汽油机空气与废气分层调节装置。
背景技术
氮氧化物排到大气中，碰到强烈的紫外线时，会生成光化学烟雾。这种光化学烟雾，会造成眼睛疼痛，严重的话还会造成呼吸困难。长期呼吸被氮氧化物和黑烟等污染的空气，也容易带来呼吸器官的疾病和癌症。
汽车尾气中的氮氧化物是造成空气污染的一个主要来源，随着环境保护问题的重要性日趋增加，降低发动机有害排放物这一目标已成为当今世界上发动机发展的一个重要方向。
废气再循环系统(EGR)是针对引擎排气中有害气体之一的氮氧化合物NOx所设置的排气净化装置。但废气再循环率过高时，会对燃烧产生不利影响，火焰传播速度变慢，尾气中未燃碳氢和一氧化碳排放增多，燃油经济性变差。
缸内空气与废气分层可以解决高EGR率下的燃烧恶化问题，所谓的空气与废气分层就是在火花塞点火前，缸内新鲜空气和引入的废气并没有完全均匀混合，而是呈现出空间分布，即燃烧室中，废气汇集于燃烧室末端，空气汇集于火花塞附近，这样就可以使得点火时火花塞附近为可以正常点燃的混合气，不受废气的影响，而且还能保证火焰前期的正常传播。所以使用空气和废气分层技术可以实现缸内工质分布状态宽范围可控，进一步提高EGR容忍度，更大程度的改善汽油机的燃油经济性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有四气门(两进两排)缸内直喷汽油机中存在的EGR工质浓度及温度分布可控范围窄的问题，提供一种汽油机空气与废气分层调节装置。
本发明由进气总管1、加热器2、进气道Ⅰ3、进气道Ⅱ4、进气门Ⅱ5、进气门Ⅰ6、排气门Ⅱ7、排气门Ⅰ8、排气道Ⅰ9、排气道Ⅱ10、缸盖11、废气回流总管12、EGR控制阀Ⅰ13、冷却器Ⅰ14、回流支管Ⅰ15、EGR控制阀Ⅱ16、冷却器Ⅱ17和回流支管Ⅱ18组成，其中加热器2设于进气总管1入口端，进气道Ⅰ3入口端与进气总管1出口端上部连通，进气道Ⅰ3出口端与缸盖11上的进气门Ⅰ6连通；进气道Ⅱ4入口端与进气总管1出口端下部连通，进气道Ⅱ4出口端与缸盖11上的进气门Ⅱ5连通；排气道Ⅰ9入口端与缸盖11上的排气门Ⅰ8连通；排气道Ⅱ10入口端与缸盖11上的排气门Ⅱ7连通；回流支管Ⅰ15入口端与进气道Ⅱ4连通，回流支管Ⅰ15出口端与废气回流总管12连通，EGR控制阀Ⅰ13和冷却器Ⅰ14顺序设于回流支管Ⅰ15的入口端和出口端之间；回流支管Ⅱ18入口端与加热器2之后的进气总管1连通，回流支管Ⅱ18出口端与废气回流总管12连通，EGR控制阀Ⅱ16和冷却器Ⅱ17顺序设于回流支管Ⅱ18的入口端和出口端之间。
所述的进气道Ⅱ4和排气道Ⅰ9为螺旋气道，进气道Ⅰ3和排气道Ⅱ10为切向气道。
一种汽油机空气与废气分层调节方法，其通过汽油机空气与废气分层调节装置实现，具体包括下列步骤：
一、当需要实现缸内气态工质的分层效果增强时：
步骤1.1调小与进气总管1连通的回流支管Ⅱ18上EGR控制阀Ⅱ16的开度；
步骤1.2调大与进气道Ⅱ4连通的回流支管Ⅰ15上EGR控制阀Ⅰ13的开度；
步骤1.3此时废气汇集于燃烧室末端、空气汇集于火花塞附近，调整进气门Ⅱ5和进气门Ⅰ6的开启时序强化这种分层效果；
二、当需要实现缸内气态工质的分层效果减弱时：
步骤2.1调大与进气总管1连通的回流支管Ⅱ18上EGR控制阀Ⅱ16的开度；
步骤2.2调小与进气道Ⅱ4连通的回流支管Ⅰ15上EGR控制阀Ⅰ13的开度；
步骤2.3调整进气门Ⅱ5和进气门Ⅰ6的开启时序，强化这种分层效果；
三、当需要较高的缸内温度时：
步骤3.1延长排气门Ⅰ8的晚关时间；
步骤3.2减小EGR控制阀Ⅰ13的开度；
四、当需要较低的缸内温度时：
步骤4.1缩短排气门Ⅰ8的晚关时间；
步骤4.2增大EGR控制阀Ⅰ13的开度。
本发明能够实现缸内工质分布状态宽范围可控，同时还可以结合排气道之一废气再吸入策略，对缸内废气温度进行调控。
本发明为实现上述目的，对四气门(两进两排)缸内直喷汽油机样机的进/排气道进行改进，采用了如下技术方案：
对于进气系统，一个初拟为螺旋气道，另一个初拟为切向气道，螺旋气道主要用于进废气、切向气道主要用于进空气，利用两气道组织的气流运动差异，实现空气与废气的分层分布，废气的一个回流通道与进气总管相连，另一个回流通道与废气进气道也就是螺旋气道相连，并且每一个回流通道均设有相应的EGR控制阀及冷却器，进气加热装置与进气总管相连，对新鲜空气进行加热。
两个进气道间的隔板需要延伸到进气总管，以防进入螺旋气道的废气倒流到进气总管，从而进入到切向气道中。
对于排气系统，使一个排气道与螺旋进气道有相似的流动特性，即也拟设计成螺旋气道，该气道结合可变配气系统实现废气的再吸入，可以采用排气门晚关策略，另一个排气道采用的是切向气道。
通过合理匹配螺旋进气道和废气再吸入排气道两者进入缸内的废气比例，同时结合EGR控制阀及冷却器，实现对缸内温度分布特性的宽范围调控。
利用可变配系统对各气门开启时刻和持续期的灵活控制，合理组织不同气道工质流入缸内的时序及持续时间，进一步拓展对各工质总量及其浓度及温度分布特性的控制范围。
本发明采用的是双回流EGR系统，即：一个回流支管(回流支管Ⅱ18)入口与进气总管1连通，另一个回流支管(回流支管Ⅰ15)入口与进气道Ⅱ4连通，回流支管Ⅰ15和回流支管Ⅱ18中相应的EGR控制阀和冷却器，可用于调整两个回流支管的废气回流量和温度，进而调整螺旋气道(进气道Ⅱ4和排气道Ⅰ9)和切向气道(进气道Ⅰ3和排气道Ⅱ10)的废气回流比例和温度，结合加热器2实现对废气/空气浓度和温度空间分布特性的控制，同时还可以结合排气道之一废气再吸入策略，对缸内废气温度进行调控。
本发明的有益效果在于能克服现有四气门(两进两排)缸内直喷汽油机中存在的EGR工质浓度及温度分布可控范围窄的问题，实现缸内工质分布状态宽范围可控，进一步提高EGR容忍度，更大程度的改善汽油机的燃油经济性。
附图说明
图1为汽油机空气与废气分层调节装置结构示意图
其中：1.进气总管 2.加热器 3.进气道Ⅰ 4.进气道Ⅱ 5.进气门Ⅱ 6.进气门Ⅰ7.排气门Ⅱ 8.排气门Ⅰ 9.排气道Ⅰ 10.排气道Ⅱ 11.缸盖 12.废气回流总管13.EGR控制阀Ⅰ 14.冷却器Ⅰ 15.回流支管Ⅰ 16.EGR控制阀Ⅱ 17.冷却器Ⅱ18.回流支管Ⅱ
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的描述：
本发明中加热器2设于进气总管1入口端，进气道Ⅰ3入口端与进气总管1出口端上部连通，进气道Ⅰ3出口端与缸盖11上的进气门Ⅰ6连通；进气道Ⅱ4入口端与进气总管1出口端下部连通，进气道Ⅱ4出口端与缸盖11上的进气门Ⅱ5连通；排气道Ⅰ9入口端与缸盖11上的排气门Ⅰ8连通；排气道Ⅱ10入口端与缸盖11上的排气门Ⅱ7连通；回流支管Ⅰ15入口端与进气道Ⅱ4连通，回流支管Ⅰ15出口端与废气回流总管12连通，EGR控制阀Ⅰ13和冷却器Ⅰ14顺序设于回流支管Ⅰ15的入口端和出口端之间；回流支管Ⅱ18入口端与加热器2之后的进气总管1连通，回流支管Ⅱ18出口端与废气回流总管12连通，EGR控制阀Ⅱ16和冷却器Ⅱ17顺序设于回流支管Ⅱ18的入口端和出口端之间。
所述的进气道Ⅱ4和排气道Ⅰ9为螺旋气道，进气道Ⅰ3和排气道Ⅱ10为切向气道。
所述的加热器2对新鲜空气进行加热，从而控制进入气缸空气的温度。
当需要实现缸内气态工质显著分层效果时，与进气总管1连通的回流支管II 18上的EGR控制阀Ⅱ16开度减小，与进气道Ⅱ4连通的回流支管Ⅰ15上的EGR控制阀Ⅰ13开度增大，在进气道Ⅱ4和进气道Ⅰ3相异气流特性的作用下，废气汇集于燃烧室末端、空气汇集于火花塞附近，同时调整进气门Ⅱ5和进气门Ⅰ6的开启时序强化这种分层效果，并对缸内废气与空气的工质总量进行控制。
当需要缸内工质的分层效果减弱时，与进气总管1连通的回流支管Ⅱ18上的EGR控制阀Ⅱ16开度增大，与进气道Ⅱ4连通的回流支管Ⅰ15上的EGR控制阀Ⅰ13开度减小，并结合弱化两进气门进气门Ⅱ5和进气门Ⅰ6的时序差异，可实现缸内气态工质的均值/准均质空间分布特性。
采用现有液压全可变配气装置，实现独立地对各个气门(进气门Ⅱ5、进气门Ⅰ6、排气门Ⅱ7、排气门Ⅰ8)的开启时刻和持续期进行控制。建立EGR双回流通道控制系统，通过控制回流开关Ⅰ13、冷却器Ⅰ14实现回流支管Ⅰ15进入进气道Ⅱ4的废气回流量及温度独立可变控制，通过控制EGR控制阀Ⅱ16、冷却器Ⅱ17实现回流支管Ⅱ18进入进气总管1的废气回流量及温度独立可变控制。
通过合理匹配废气进气道(即进气道Ⅱ4)与废气再吸入排气道(即排气道Ⅰ9)两者进入缸内的废气比例，同时结合EGR控制阀Ⅰ13及冷却器Ⅰ14，可实现缸内温度分布特性的宽范围调控。当需要较高的缸内温度时，可以延长排气门Ⅰ8的晚关时间，减小EGR控制阀Ⅰ13的开度，使经过排气道Ⅰ9进入气缸的废气增多，被冷却器Ⅰ14冷却过的废气进入量减少。
当需要较低的缸内温度时，可以缩短排气门Ⅰ8的晚关时间，增大EGR控制阀Ⅰ13的开度，使经过排气道Ⅰ9进入气缸的废气减少，被冷却器Ⅰ14冷却过的废气进入量增多。从而，实现缸内工质温度分布状态的宽范围可调，满足研究所需。

Claims (3)

1.一种汽油机空气与废气分层调节装置，由进气总管(1)、加热器(2)、进气道Ⅰ(3)、进气道Ⅱ(4)、进气门Ⅱ(5)、进气门Ⅰ(6)、排气门Ⅱ(7)、排气门Ⅰ(8)、排气道Ⅰ(9)、排气道Ⅱ(10)、缸盖(11)、废气回流总管(12)、EGR控制阀Ⅰ(13)、冷却器Ⅰ(14)、回流支管Ⅰ(15)、EGR控制阀Ⅱ(16)、冷却器Ⅱ(17)和回流支管Ⅱ(18)组成，其特征在于其中加热器(2)设于进气总管(1)入口端，进气道Ⅰ(3)入口端与进气总管(1)出口端上部连通，进气道Ⅰ(3)出口端与缸盖(11)上的进气门Ⅰ(6)连通；进气道Ⅱ(4)入口端与进气总管(1)出口端下部连通，进气道Ⅱ(4)出口端与缸盖(11)上的进气门Ⅱ(5)连通；排气道Ⅰ(9)入口端与缸盖(11)上的排气门Ⅰ(8)连通；排气道Ⅱ(10)入口端与缸盖(11)上的排气门Ⅱ(7)连通；回流支管Ⅰ(15)入口端与进气道Ⅱ(4)连通，回流支管Ⅰ(15)出口端与废气回流总管(12)连通，EGR控制阀Ⅰ(13)和冷却器Ⅰ(14)顺序设于回流支管Ⅰ(15)的入口端和出口端之间；回流支管Ⅱ(18)入口端与加热器(2)之后的进气总管(1)连通，回流支管Ⅱ(18)出口端与废气回流总管(12)连通，回流开关Ⅱ(16)和冷却器Ⅱ(17)顺序设于回流支管Ⅱ(18)的入口端和出口端之间。
2.按权利要求1所述的汽油机空气与废气分层调节装置，其特征在于所述的进气道Ⅱ(4)和排气道Ⅰ(9)为螺旋气道，进气道Ⅰ(3)和排气道Ⅱ(10)为切向气道。
3.一种汽油机空气与废气分层调节方法，其特征在于，其通过权利要求1所述的汽油机空气与废气分层调节装置实现，具体包括下列步骤：
一、当需要实现缸内气态工质的分层效果增强时：
步骤1.1调小与进气总管(1)连通的回流支管Ⅱ(18)上EGR控制阀Ⅱ(16)的开度；
步骤1.2调大与进气道Ⅱ(4)连通的回流支管Ⅰ(15)上EGR控制阀Ⅰ(13)的开度；
步骤1.3此时废气汇集于燃烧室末端、空气汇集于火花塞附近，调整进气门Ⅱ(5)和进气门Ⅰ(6)的开启时序强化这种分层效果；
二、当需要实现缸内气态工质的分层效果减弱时：
步骤2.1调大与进气总管(1)连通的回流支管Ⅱ(18)上EGR控制阀Ⅱ(16)的开度；
步骤2.2调小与进气道Ⅱ(4)连通的回流支管Ⅰ(15)上EGR控制阀Ⅰ(13)的开度；
步骤2.3调整进气门Ⅱ(5)和进气门Ⅰ(6)的开启时序，强化这种分层效果；
三、当需要较高的缸内温度时：
步骤3.1延长排气门Ⅰ(8)的晚关时间；
步骤3.2减小EGR控制阀Ⅰ(13)的开度；
四、当需要较低的缸内温度时：
步骤4.1缩短排气门Ⅰ(8)的晚关时间；
步骤4.2增大EGR控制阀Ⅰ(13)的开度。
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