CN104863724A - 超高压缩比增压直喷汽油发动机及其运行状态切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种增压直喷发动机，包括进气道、增压器、排气道、气缸、喷油器、曲轴和凸轮轴，气缸的缸盖设置有进气门、火花塞与排气门，气缸的活塞通过连杆与曲轴连接，在曲轴和凸轮轴之间设置有能够调节曲轴和凸轮轴转速比的转速比调节器，在凸轮轴上设置有二冲程凸轮、四冲程凸轮以及在它们之间进行切换的凸轮切换机构，通过调控转速比调节器和凸轮切换机构，调整曲轴与凸轮轴的转速比，并进行二冲程凸轮和四冲程凸轮之间的切换，同时配合调整喷油器喷油时刻，火花塞点火时刻，来实现发动机四冲程工作循环与二冲程工作循环之间的切换。本发明可根据发动机负荷情况实现四冲程与二冲程之间的切换，进而实现大幅度提高发动机压缩比。

Description

超高压缩比增压直喷汽油发动机及其运行状态切换方法

技术领域

本发明涉及一种涡轮增压直喷汽油发动机，具体地说是涉及一种超高压缩比增压直喷汽油发动机，同时本发明还涉及该超高压缩比增压直喷汽油发动机的运行状态切换方法。

背景技术

在能源日趋紧张，油耗、排放法规不断加严的大背景下，技术、节能、环保代表着未来发动机的发展趋势。为了发动机燃油经济性和排放性能，一些新技术小型化+增压直喷，可变压缩比技术，ATKINSON(或Miller)循环，VVT，VVL，冷却EGR技术等应运而生。

在增压直喷汽油发动机中，受到爆震的限制,其压缩比不能过高,使发动机燃油经济性下降。可变压缩比的目的在于提高发动机的燃油经济性。然而可变压缩比发动机仅在中低负荷时采用高压缩比，为了避免爆震，中高负荷时仍需切换至普通压缩比，节油范围有限。而且可变压缩比发动机结构复杂，可靠性低。这个概念虽发展很多年，却一直没有量产。

冷却EGR可以降低燃烧温度，降低发动机爆震，优化点火时刻，降低发动机热损失。在发动机全负荷时，使用冷却EGR使发动机性能下降。而且冷却EGR一直有可靠性问题，特别是增压发动机，EGR对压气机性能和可靠性的影响一直是开发难题。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种超高压缩比增压直喷汽油发动机及其实现方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种增压直喷发动机，包括进气道、增压器、排气道、气缸、喷油器、曲轴和凸轮轴，气缸的缸盖设置有进气门、火花塞与排气门，气缸的活塞通过连杆与曲轴连接，在曲轴和凸轮轴之间设置有能够调节曲轴和凸轮轴转速比的转速比调节器，在凸轮轴上设置有二冲程凸轮、四冲程凸轮以及在它们之间进行切换的凸轮切换机构，通过调控转速比调节器和凸轮切换机构，调整曲轴与凸轮轴的转速比，并进行二冲程凸轮和四冲程凸轮之间的切换，同时配合调整喷油器喷油时刻，火花塞点火时刻，来实现发动机四冲程工作循环与二冲程工作循环之间的切换。

上述转速比调节器上设置有驱动轮和被驱动轮，曲轴上设置有曲轴驱动轮，凸轮轴上设置有凸轮轴驱动轮；曲轴驱动轮与转速比调节器上的被驱动轮传动连接，凸轮轴驱动轮与转速比调节器上的驱动轮传动连接。

上述曲轴驱动轮与转速比调节器上的被驱动轮通过链条连接，凸轮轴驱动轮与转速比调节器上的驱动轮通过链条连接；或

上述曲轴驱动轮与转速比调节器上的被驱动轮通过皮带连接，凸轮轴驱动轮与转速比调节器上的驱动轮通过皮带连接；或

上述曲轴驱动轮与转速比调节器上的被驱动轮直接啮合，凸轮轴驱动轮与转速比调节器上的驱动轮直接啮合。

上述凸轮切换机构优选二级VVL机构。

上述增压直喷发动机实现四冲程工作循环与二冲程工作循环之间切换的方法，步骤如下：

a当需要发动机处于中低负荷运行时，通过调控转速比调节器和凸轮切换机构，使发动机进入四冲程工作循环，此时凸轮轴与曲轴转速比为1∶2；或，

b当需要发动机处于高负荷运行时，通过调控转速比调节器和凸轮切换机构，使凸轮轴与曲轴的转速比为1∶1，同时调整到二冲程凸轮，并配合调整喷油时刻，火花塞点火时刻，使发动机进入二冲程工作循环。

本发明的有益技术效果是：

(1)本发明在四冲程增压直喷汽油发动机的结构基础上，通过在曲轴和凸轮轴之间设置转速比调节器，以及在凸轮轴上设置凸轮切换机构，从而可根据发动机负荷情况实现四冲程与二冲程之间的切换，进而实现大幅度提高发动机压缩比，提高发动机热效率和燃油经济性，而且结构简单，成本低，可靠性高。

(2)本发明通过对发动机四冲程与二冲程之间的切换，可以保持发动机在所有负荷下，均拥有高压缩比的优势，实现任意工况下均拥有良好的节油效果。经测算，综合油耗比常规发动机降低了35％左右。

(3)本发明通过四冲程切换成二冲程，来提升功率，实现发动机在低转速下，达到四冲程发动机在高转速才能输出的高功率，发动机可始终在低转速区工作，摩擦功损失低。同时，发动机最高转速低，需要与之匹配的变速器要求低，例如采用本发明超高压缩比增压直喷汽油发动机，匹配6AT变速器，即可实现匹配9AT才能达到的整车最佳经济性。

(4)与冷却EGR比，本发明用于增压直喷汽油发动机上不会有增压器污染等可靠性问题。系统的标定也比冷却EGR的标定简单。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明发动机的结构原理图；

图2示出本发明发动机中曲轴和凸轮轴之间的连接示意图。

图中：1-进气道，2-增压器，3-进气门，4-火花塞，5-排气门，6-排气道，7-喷油器，8-活塞，9-连杆，10-曲轴，11-曲轴座，12-曲轴驱动轮，13-皮带，14-被驱动轮，15-转速比调节器，16-驱动轮，17-皮带，18-凸轮轴驱动轮，19-凸轮轴。

具体实施方式

结合附图，一种超高压缩比增压直喷汽油发动机，包括进气道1、增压器2、进气门3、火花塞4、排气门5、排气道6、喷油器7、活塞8、连杆9、曲轴10、曲轴座11和凸轮轴19。气缸的缸盖设置有进气门3、火花塞4与排气门5，气缸的活塞8通过连杆9与曲轴10连接，增压器2设置在进气道1上。在曲轴10和凸轮轴19之间设置有转速比调节器15，以调节曲轴10和凸轮轴19的转速比。在凸轮轴19上设置有四冲程凸轮、二冲程凸轮和凸轮切换机构，凸轮切换机构能够在四冲程凸轮和二冲程凸轮之间进行切换。通过转速比调节器15和凸轮切换机构，调整曲轴与凸轮轴的转速比和凸轮型线，并配合调整喷油器喷油时刻，火花塞点火时刻，以实现发动机四冲程工作循环与二冲程工作循环之间的切换。

上述曲轴10和凸轮轴19之间的具体连接结构如图2所示，转速比调节器15上设置有驱动轮16和被驱动轮14，曲轴10上设置有曲轴驱动轮12，凸轮轴19上设置有凸轮轴驱动轮18。曲轴驱动轮12与转速比调节器上的被驱动轮14通过皮带传动连接，凸轮轴驱动轮18与转速比调节器上的驱动轮16通过皮带传动连接。

当然，上述曲轴驱动轮12与转速比调节器上的被驱动轮14之间还可通过链条传动，或直接啮合。同样，凸轮轴驱动轮18与转速比调节器上的驱动轮16之间也可通过链条传动，或直接啮合。

上述转速比调节器15和凸轮切换机构均连接发动机电子控制单元。发动机电子控制单元可根据发动机负荷情况来通过转速比调节器15调节曲轴10与凸轮轴19的转速比，并通过凸轮切换机构进行四冲程凸轮和二冲程凸轮之间的切换，以及进气门3和排气门5的开启和关闭时刻的控制，配合喷油器喷油时刻，火花塞点火时刻的调控，最终实现四冲程与二冲程之间的自由转换。

上述增压直喷汽油发动机实现四冲程工作循环与二冲程工作循环之间切换的方法，步骤如下：

a当需要发动机处于中低负荷运行时，通过调控转速比调节器和凸轮切换机构，使发动机进入四冲程工作循环，此时凸轮轴与曲轴转速比为1∶2；或，

b当需要发动机处于高负荷运行时，通过调控转速比调节器和凸轮切换机构，使凸轮轴与曲轴的转速比为1∶1，同时调整到二冲程凸轮，并配合调整喷油时刻，火花塞点火时刻，使发动机进入二冲程工作循环。

本发明在四冲程增压直喷发动机的结构基础上，通过在曲轴10和凸轮轴19之间设置转速比调节器15，以及在凸轮轴19上设置凸轮切换机构，从而可根据发动机负荷情况实现四冲程与二冲程之间的切换，进而实现大幅度提高发动机压缩比，提高发动机热效率和燃油经济性。本发明发动机四冲程工作循环的工作过程同现有四冲程增压直喷汽油发动机的工作过程一致。关键点在于通过调节曲轴10和凸轮轴19的转速比，以及进气门3与排气门5的开启和关闭的时刻控制，及喷油器喷油时刻和火花塞点火时刻，在四冲程发动机的结构基础上实现二冲程循环。

本发明发动机二冲程工作循环的过程如下：在第一个冲程，活塞从上止点到下止点，完成火花塞点火，做功，排气；在第二个冲程，活塞从下止点到上止点，完成扫气，进气，喷油，压缩。上述发动机二冲程工作循环的过程中，排气门5开启如果过早，发动机膨胀损失大，排气要彻底一些，从而发动机可以吸入的空气多一些，功率可以大一些。排气门5开启如果过迟，排气需要靠活塞推出，损失能量，而且残余废气多一些，发动机能够吸入的空气少一些，功率低一些。最佳排气门5开启时刻，要综合考虑这些因素，在不同发动机转速，不同载荷时，进行标定。一般排气门5开启在活塞到达下止点之前90°左右曲轴转角。进气门3开启比排气门5开启约晚20-30度曲轴转角，进气门3开启时，缸内压力比扫气压力大一点，气体流动的惯性使的排气得以继续。当缸内压力小于进气压力，扫气开始。当缸内压力大于排气压力，一部分进气与缸内残余气体混合后被排出。排气门5关闭时刻要考虑残余废气量，排气门5一般在活塞运动下止点后约40度曲轴转角时关闭，具体随发动机转速变化。进气门3关闭时刻要考虑发动机进气量，一般在活塞运动下止点后约50度曲轴转角时关闭，具体随发动机转速变化。

本发明通过实现发动机四冲程与二冲程的转换，从而可将发动机压缩比设计的很高。在发动机处于中低负荷时，发动机工作循环是四冲程，由于高压缩比，发动机热效率大大提高。同时高压缩比可以实现ATKINSON(或Miller)循环，降低泵气损失。但当发动机处于高负荷时，如果继续处于四冲程循环，高压缩比会带来发动机爆震，影响发动机可靠性，这时本发明发动机会通过转速比调节以及进排气门的开启和关闭时刻的控制，转入二冲程工作状态。由于缸内平均压力相同时，二冲程发动机的功率是四冲程的两倍。为发出相应的功率扭矩，二冲程循环可以不必处于满负荷工况，从而避免发动机爆震。

同样，当发动机功率需求增加，四冲程循环转速超过一定限值时，发动机转入二冲程工作状态，使发动机处于较低转速。发动机转速范围变小，与之匹配的变速器可以设计的简单。变速器效率提高。

下面对本发明所基于的原理性内容进行说明：

在发动机功率需求增加时，常规发动机转速要增加，摩擦功会成平方关系增加。发动机转速范围大，对变速器的要求大。为提高动力匹配的效率，人们开发了6AT，8AT，9AT，7DCT，CVT等。发动机转速范围降低，为获得同样的效率，对变速器的要求会降低。在发动机转速增加到一定值时，通过改变发动机冲程来满足发动机功率需求。

发动机功率：

$\mathrm{Pe}=\frac{P_{\mathrm{me}}*V_L*n}{30*\mathrm{\τ}}$

Pe-发动机功率

P_me-缸内平均有效压力

V_L-发动机排量

n-发动机转速

τ-发动机冲程数

四冲程,τ＝4,二冲程,τ＝2。

四冲程发动机一个完整循环为进气，压缩，作功，排气。

二冲程发动机一个完整循环为排气扫气，压缩作功。

从上述公式可以看出，在发动机缸内平均有效压力P_me不变时，将发动机冲程数由4切换成2，发动机功率可以提升一倍。

$T_e=\frac{9550P_e}{n}$

T_e-发动机扭矩

P_e-发动机功率

n-发动机转速

从上述公式可以看出，在发动机转速不变时，发动机功率提升一倍，发动机扭矩也将提升一倍。

本发明未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员还可以做出这样或那样的容易变化方式，诸如等同方式，或明显变形方式。上述的变化方式均应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种增压直喷发动机，包括进气道、增压器、排气道、气缸、喷油器、曲轴和凸轮轴，气缸的缸盖设置有进气门、火花塞与排气门，气缸的活塞通过连杆与曲轴连接，其特征在于：在曲轴和凸轮轴之间设置有能够调节曲轴和凸轮轴转速比的转速比调节器，在凸轮轴上设置有二冲程凸轮、四冲程凸轮以及在它们之间进行切换的凸轮切换机构，通过调控转速比调节器和凸轮切换机构，调整曲轴与凸轮轴的转速比，并进行二冲程凸轮和四冲程凸轮之间的切换，同时配合调整喷油器喷油时刻，火花塞点火时刻，来实现发动机四冲程工作循环与二冲程工作循环之间的切换。

2.根据权利要求1所述的一种增压直喷发动机，其特征在于：所述转速比调节器上设置有驱动轮和被驱动轮，曲轴上设置有曲轴驱动轮，凸轮轴上设置有凸轮轴驱动轮；曲轴驱动轮与转速比调节器上的被驱动轮传动连接，凸轮轴驱动轮与转速比调节器上的驱动轮传动连接。

3.根据权利要求1所述的一种增压直喷发动机，其特征在于：所述曲轴驱动轮与转速比调节器上的被驱动轮通过链条连接，所述凸轮轴驱动轮与转速比调节器上的驱动轮通过链条连接。

4.根据权利要求1所述的一种增压直喷发动机，其特征在于：所述曲轴驱动轮与转速比调节器上的被驱动轮通过皮带连接，所述凸轮轴驱动轮与转速比调节器上的驱动轮通过皮带连接。

5.根据权利要求1所述的一种增压直喷发动机，其特征在于：所述曲轴驱动轮与转速比调节器上的被驱动轮直接啮合，所述凸轮轴驱动轮与转速比调节器上的驱动轮直接啮合。

6.根据权利要求1所述的一种增压直喷发动机，其特征在于：所述凸轮切换机构为二级VVL机构。

7.一种权利要求1所述增压直喷发动机实现四冲程工作循环与二冲程工作循环之间切换的方法，其特征在于步骤如下：

a当需要发动机处于中低负荷运行时，通过调控转速比调节器和凸轮切换机构，使发动机进入四冲程工作循环，此时凸轮轴与曲轴转速比为1∶2；或，

b当需要发动机处于高负荷运行时，通过调控转速比调节器和凸轮切换机构，使凸轮轴与曲轴的转速比为1∶1，同时调整到二冲程凸轮，并配合调整喷油时刻，火花塞点火时刻，使发动机进入二冲程工作循环。