CN105697080B - 自然吸气发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自然吸气发动机，其包括气门正时系统和进气系统，还可包括冷却系统、凸轮轴、至少一个气缸、缸盖、机油泵、气门系统和前盖等。通过采用本发明能够在占用更少的车辆内部空间、消耗更少的燃料的情况下，提供更高的输出功率和最大扭矩，并且由于本发明的发动机具有更轻的重量，使得车辆的整体重量降低。本发明的自然吸气发动机可具有1.3L的排量。

Description

自然吸气发动机

技术领域

本发明涉及车辆发动机领域，并且更具体而言，涉及一种自然吸气发动机，其特别适用于1.3L及以下排量的经济型或入门级中型轿车。

背景技术

随着全国汽车销量的持续增长，越来越多的汽车对节能减排和环境污染的压力也在不断增大。中国政府已经制定了相应的法规来限定汽车的燃油经济性能，并且采取了一系列财税激励措施来推进汽车节能。2012年7月1日开始实施的第三阶段油耗限值要求汽车的燃油消耗比第二阶段下降20%，而2016年至2020年之间的第四阶段对车辆油耗的平均要求将为5.0L/100km。在此背景下，存在开发高能效、低油耗的小排量发动机的持续需求。

在现有技术中已经公开了一些自然吸气发动机，例如上海通用汽车有限公司开发的13VVT发动机。这些发动机通常采用可变进气长度的塑料进气歧管和进排气连续可变配气相位技术，使得它们在高速端和低速端都能进行大的扭矩输出，从而具有较好的动力性能，并且能够满足中国第五阶段排放要求。然而，由于这些发动机的动力输出普遍不足，不能满足SUV或跨界车型等对动力性能要求更高的车型的应用需求。因此，存在开发技术更先进、性能更好的自然吸气发动机的持续需求。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种自然吸气发动机，其能够提供更强的功率和扭矩输出，以便解决上文所述的问题和其他问题。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种自然吸气发动机，其包括：

气门正时系统，其包括凸轮轴位置传感器、液压控制阀和凸轮轴相位调节器，其中，凸轮轴位置传感器安装在凸轮轴罩盖上，并且凸轮轴相位调节器和液压控制阀安装在进气凸轮轴的前端上，车辆控制单元依据凸轮轴位置传感器、空气流量传感器和节气门位置传感器的信号来确定用于控制凸轮轴相位的控制指令，液压控制阀进而推动凸轮轴相位调节器，从而调节配气相位提前或推迟；

进气系统，其位于自然吸气发动机的上部。

上述自然吸气发动机，还包括冷却系统，其包括：主节温器、与主节温器成流体连通的缸体水套和缸盖水套，以及副节温器，副节温器构造为一侧使缸体水套与缸盖水套汇合，并且其另一侧与散热器连通，并且副节温器设置为在自然吸气发动机启动之后的加热暖机过程中控制缸体水套中的工作流体的流量，使得缸体水套中的工作流体滞止。

上述自然吸气发动机，其包括集成有低摩擦性能滚动轴承的凸轮轴。

上述自然吸气发动机，其包括至少一个气缸，并且每个气缸具有两个进气门和两个排气门，并且在每个进气门上设有一个喷油器。

上述自然吸气发动机，其还包括缸盖，缸盖包括集成的排气歧管和链轮箱。

上述自然吸气发动机，其还包括布置在自然吸气发动机的上油底壳中的机油泵，机油泵为电磁阀控制式的，并且具有两级可变排量，并且构造为由曲轴链轮驱动。

上述自然吸气发动机，其还包括气门系统，其包括滚子摇臂和液压挺柱。

上述自然吸气发动机，其还包括前盖，前盖集成了前油封并且具有辐射筋结构。

上述自然吸气发动机，自然吸气发动机还包括集成了接口的水泵。

上述自然吸气发动机，自然吸气发动机的排量为1.3L。

本发明的有益效果在于：本发明的发动机具有结构合理、设计巧妙、输出功率高、油耗低、重量轻、体积小等诸多优点。与现有技术的发动机相比，本发明的发动机能够在占用更少的车辆内部空间、消耗更少的燃料的情况下，提供更高的输出功率和最大扭矩，并且由于本发明的发动机具有更轻的重量，车辆的整体重量得以降低。本发明的发动机能够在转速为6000rpm的情况下获得75kw的最大功率输出，并且能够在转速为4000rpm的情况下获得128Nm的最大扭矩输出。在转速为2000rpm、压力为2巴的工况下，本发明的发动机的部分负荷比油耗小于360g/kwh，从而符合中国各项环保节能政策的要求。

附图说明

以下将结合附图和优选实施例来对本发明进行进一步详细描述，但是应当知道，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而设计的，并且因此不应当作为对本发明范围的限定。此外，除非特别指出，附图仅是意在概念性地表示所描述对象的组成或构造并且可能进行了夸张性显示，并且附图也不必依照比例进行绘制。

图1是本发明的发动机的一个实施例的立体图。

图2是图1所示的实施例的另一视角的立体图。

图3是图1所示的实施例的缸体的立体图。

图4是图1所示的实施例的燃烧室和气道的立体图。

图5是图1所示的实施例的凸轮轴罩盖的立体图。

图6是图1所示的实施例的进气歧管的立体图。

图7是图1所示的实施例的缸盖的立体图。

图8是图1所示的实施例的机油泵和用于上油的底壳的立体图。

图9是图1所示的实施例的水泵的立体图。

图10是图1所示的实施例的前盖的立体图。

图11是图1所示的实施例的正时系统的立体图。

图12是图1所示的实施例的气门系统的立体图。

图13是图1所示的实施例的水套的立体图。

图14是图1所示的实施例的传动系统的立体图。

图15是图1所示的实施例的凸轮轴的立体图。

图16是图1所示的实施例的双喷油器油轨的立体图。

图17是图1所示的实施例的发动机的外特性性能图。

具体实施方式

以下将参考附图来详细描述本发明的优选实施例。本领域中的技术人员将领会的是，这些描述仅为描述性的、示例性的，并且不应被解释为限定了本发明的保护范围。

首先，需要说明的是，在本文中所提到的顶部、底部、朝上、朝下等方位用语是相对于各个附图中的方向来定义的，它们是相对的概念，并且因此能够根据其所处于的不同位置和不同的实用状态而变化。所以，不应将这些或其他方位用语理解为限制性用语。

此外，还应当指出的是，对于本文的实施例中描述或隐含的任意单个技术特征，或在附图中示出或隐含的任意单个技术特征，仍能够在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行组合，从而获得未在本文中直接提及的本发明的其他实施例。

应当注意的是，在不同的附图中，相同的参考标号表示相同的部件。

图1是本发明的发动机的一个实施例的立体图，并且图2是图1所示的实施例的另一视角的立体图。图1和图2从不同的角度示出了本发明的发动机100，例如为设置在车辆上的自然吸气汽油发动机，该发动机100包括：气门正时系统1，其优选地为中置OCV(OilControl Valve)阀的进排气连续可变气门正时(S-VVT)系统；冷却水套2，其优选地为横流式的，并且设置在汽缸盖上；点火模块3，其优选地为独立模块；缸体4，其优选地为由铝合金铸造的；油气分离器5，其优选地为独立式的；节气门体6，其优选地为电子控制的；进气歧管7，其优选地为上置式的，并且可由塑料制成；凸轮轴8，其优选地集成了滚动轴承，并且具有低摩擦性能；双喷油器油轨9；传动系统10，其优选地采用皮带来传动，并且设置为用于三缸汽油发动机；机油泵11，其优选地是电磁阀控制式的，并且具有两级可变排量；以及双节温器12。

需要指出的是，由于本发明采用了若干创新性的改进设计，因此可以根据应用需要来对上述这些组成部分进行任意组合，从而形成诸多可能的技术方案。

例如，在一个实施例中，发动机可集成有上述气门正时系统1和进气歧管7，以便改善发动机的进气效率和运行性能。

图3至图16示出了本发明的发动机的不同的构件。其中，图3是图1所示的实施例的缸体的立体图。缸体4优选地由铝合金铸造，从而在重量上降低，使得发动机100整体的重量降低。缸体4还集成了链轮箱系统，使得发动机100的尺寸进一步缩减。

图4是图1所示的实施例的燃烧室和气道的立体图。其中，燃烧室13采用了高滚流设计，以提高燃烧速率并降低发动机100整体产生爆震的倾向。

图5是图1所示的实施例的凸轮轴罩盖的立体图。该凸轮轴罩盖14用于容纳凸轮轴，并且采用了高强度的结构设计，以具有较高的刚度，从而降低了其在发动机100的运行期间可能产生的变形。通过采用本发明的凸轮轴罩盖114可以有效地提高发动机100的耐久性并延长其使用寿命。

图6是图1所示的实施例的进气歧管的立体图。该进气歧管7优选地为紧凑型设计，并且采用上置式架构，即当进气歧管7安装就位时，其位于发动机100的上部。进气歧管7优选地可具有比现有技术中的进气歧管更长的长度，以便提高发动机100以中低性能运行时的性能。该进气歧管7优选地可由塑料制成，然而，本领域中的技术人员将领会的是，进气歧管7也可由本领域中的技术人员想到的任何其他合适的材料制成。进气歧管7还进一步集成了若干个属于发动机管理系统EMS(Engine Management System)的部件，并且构造为具有优化气道谐振的设计，以改善发动机100的性能，使得发动机100的油耗下降并且输出扭矩提高。进气歧管7的末段具有分叉结构，以形成两个进气道，每个进气道中均设有一个喷油器，以提高燃烧效率。

图7是图1所示的实施例的缸盖的立体图。缸盖15优选地用于安置排气歧管(未示出)，并且优选地也由铝合金制成。链轮箱集成在缸盖15中。

图8是图1所示的实施例的机油泵和上油底壳的立体图。其中，机油泵11优选地为电磁阀控制式的，并且具有至少两级可变排量。机油泵11由链轮驱动，并且优选地由曲轴链轮110驱动，并且能够根据需要来调节润滑系统的机油压力，使得系统摩擦功减小，从而提高了发动机100整体的燃油经济性。机油泵11优选地布置在发动机100的上油底壳16中。

图9是图1所示的实施例的水泵的立体图。其中，水泵17包括集成的接口，该水泵17具有紧凑的尺寸，以有利于提高缸体4的可加工性能。

图10是图1所示的实施例的前盖的立体图。如图所示，前盖18集成了前油封，并且具有辐射筋结构。通过该结构产生了表面上的凹凸不平，并且提高了该区域的噪声、振动与舒适性，也即，提高了NVH(Noise, Vibration, Harshness)性能。

图11是图1所示的实施例的正时系统的立体图。示出了气门正时系统1，其优选地为中置OCV阀的进排气连续可变气门正时(S-VVT)系统。通过采用该气门正时系统1，有助于进气VVT进行快速响应，并且可以调节进气门的开启关闭时刻，针对不同的发动机工况优化进排气效率，达到提高功率、降低油耗的目的

具体而言，本发明的气门正时系统1包括凸轮轴位置传感器(未示出)、液压控制阀(未示出)和凸轮轴相位调节器(未示出)。其中，凸轮轴位置传感器安装在凸轮轴罩盖14上，并且凸轮轴相位调节器和液压控制阀安装在进气凸轮轴的前端上。发动机控制单元(ECU)设置为能够依据凸轮轴位置传感器、空气流量传感器和节气门位置传感器的信号来确定用于控制凸轮轴相位的控制指令，液压控制阀进而依据该控制指令来推动相位调节器，从而调节配气相位提前或推迟，从而达到提高充气效率、降低泵气损失、改善发动机动力性能和燃油经济性的目的。

上文所述的液压控制阀优选地为电磁阀。

图12是图1所示的实施例的气门系统的立体图。气门系统10优选地为包括滚子摇臂和液压挺柱的气门机构。通过采用此类机构，本发明的发动机100能够自动调节气门间隙，并且大大减少所需要的维护。优选地，在发动机的整个工作寿命期间均不需要维护。采用滚子摇臂能够有效地减少与凸轮接触而产生的摩擦功，从而降低发动机的燃料消耗。

图13是图1所示的实施例的水套的立体图。其中，冷却水套2优选地为横流式汽缸盖冷却水套，这使得汽缸盖内部拥有良好的冷却液流动路径和流动速度，同时降低压力损失，从而有效地提升汽缸盖排气侧的鼻梁区和排气法兰面上的冷却。值得注意的是，冷却水套2是本发明的缸体缸盖分离式冷却系统的一部分，其详细结构参见下文。

图14是图1所示的实施例的传动系统的立体图。其中，传动系统10优选地采用皮带来传动，并且设置为用于三缸式汽油发动机。通过降低附件皮带的设计张力，本发明的传动系统10实现了皮带传动打滑的减少和噪音的降低。

图15是图1所示的实施例的凸轮轴的立体图。其中，凸轮轴8优选地集成了具有低摩擦性能的滚动轴承，以便降低发动机配气机构的摩擦损失，从而降低发动机100的燃油消耗。凸轮轴8的型线还进行了优化，以增强其运行性能。

本发明所还采用了曲轴，其优选地采用球墨铸铁来制造。

图16是图1所示的实施例的双喷油器油轨的立体图。其中，双喷油器油轨9起到加快燃烧速率并提高燃烧效率的作用。

值得注意的是，通过采用上述双喷油器油轨9，使得本发明的发动机100具有单缸双喷油器的构造。具体而言，发动机100构造为具有至少一个气缸，并且每个气缸具有两个进气门和两个排气门，并且在每个进气门上均设有一个喷油器，这使得每个汽缸具有两个喷油器，这两个喷油器分别将燃料喷射进入对应的两个进气道之一，从而向燃烧室提供燃油。采用上述构造的有益效果在于：在不改变单个气缸的供油量的情况下降低每个喷油器的喷油量；在相同的油轨压力下有效地降低喷射油雾的平均索特直径(SMD)，使得燃油更好地雾化；在兼顾气缸内冷却效果的情况下，加快燃烧速率并提高燃烧效率。此外，由一个喷油器向一个进气道喷射，喷射油束的喷射角度更精确，从而可以减少在喷射中的湿壁现象，使喷射的燃油充分地用于燃烧。这能够提高怠速时的稳定性、提高燃油经济性、降低燃油消耗并且降低冷启动时的碳氢化合物排放。

另一方面，本发明的发动机100的冷却系统采用了缸体缸盖分离式冷却的设计。具体而言，冷却液经设置在缸体4上的主节温器进入缸体4后，分别进入缸体水套和缸盖水套，并且随后从副节温器(未示出)汇合进入散热器(未示出)。副节温器设置为能够控制缸体冷却液的流量，使得在发动机100启动之后的加热暖机过程中，缸体冷却液几乎不流动，并且处于滞止或接近滞止的状态下。这有利于缸体4快速升温，有助于实现加速暖机，并且还降低了活塞与缸筒之间的摩擦，从而有助于提高燃油经济性。在此过程中，冷却液中的大部分独立流入缸盖的冷却水套2，这有助于降低缸盖燃烧室壁面的温度，从而在大负荷工况下降低发动机100的爆震倾向。

本发明的发动机100还采用了单平衡轴机构，该单平衡轴机构可以有效地平衡三缸发动机运转中产生的一阶往复惯性力矩，降低在发动机工作期间产生的振动，减小由于运转不平衡所产生的附加扭矩损失，从而有利于降低燃油消耗并改善NVH性能。

图17是图1所示的实施例的发动机的外特性性能图。其中，左侧坐标轴代表发动机扭矩，右侧坐标轴代表发动机额定功率，并且底部坐标轴代表发动机转速。图17中示出了本发明的发动机100的一个实施例的输出扭矩和额定功率随着发动机转速改变而变化的曲线。具体而言，线A显示的是发动机额定功率随发动机转速的变化情况，并且线B显示的是发动机输出扭矩随发动机转速的变化情况。

表1列出了本发明的发动机100的一个实施例的主要构成和性能参数：

总结之，本发明的发动机100采用了多种新的设计和构造。这些新的设计和构造包括：通过采用缸体和缸盖分离式冷却且缸盖集成排气歧管的冷却系统，以实现快速暖机；采用电磁阀控制式两级可变油泵、滚子轴承凸轮轴、往复系轻量化设计等，以降低摩擦力；采用进气可变气门正时控制、优化的燃烧室结构、独立的点火模块和电子节气门控制，优化了控制策略和燃烧效率。以上的新设计和构造显著地降低了燃油消耗。通过采用本发明的进气系统，燃烧系统及冷却系统，还有效地提高了发动机100的动力性能。

本发明的诸多改进的有益效果在于：本发明的发动机100能够在转速为6000rpm的工况下获得75kw的最大功率输出，并且能够在转速为4000rpm的工况下获得128Nm的最大扭矩输出。在转速为2000rpm、压力为2bar的工况下，本发明的发动机100的部分负荷比油耗小于360g/kwh，从而符合中国各项环保节能政策的要求。

通过采用铝合金来制造部件以及其他减重措施，本发明的发动机100的重量显著降低，从而降低了整车重量，车辆性能和燃油消耗性能也随之而提高。

本发明的发动机100的高性能使得其可适用于多种车辆，从而降低了发动机开发生产成本。

本说明书参考附图来公开本发明，并且还使本领域中的技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统、选用合适的材料以及使用任何结合的方法。本发明的范围由请求保护的技术方案限定，并且包含本领域中的技术人员想到的其他实例。只要此类其他实例包括并非不同于请求保护的技术方案字面语言的结构元件，或此类其他实例包含与请求保护的技术方案的字面语言没有实质性区别的等价结构元件，则此类其他实例意在处于由本发明请求保护的技术方案所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种自然吸气发动机，其特征在于，所述自然吸气发动机包括：

气门正时系统，其包括凸轮轴位置传感器、液压控制阀和凸轮轴相位调节器，其中，所述凸轮轴位置传感器安装在凸轮轴罩盖上，并且所述凸轮轴相位调节器和所述液压控制阀安装在进气凸轮轴的前端上，车辆控制单元依据所述凸轮轴位置传感器、空气流量传感器和节气门位置传感器的信号来确定用于控制凸轮轴相位的控制指令，所述液压控制阀进而推动所述凸轮轴相位调节器，从而调节配气相位提前或推迟；

进气系统，其位于所述自然吸气发动机的上部；以及

冷却系统，其包括：

主节温器，其设置在缸体上，并且与缸体水套和缸盖水套成流体连通；以及

副节温器，所述副节温器构造为一侧使所述缸体水套与所述缸盖水套汇合，并且其另一侧与散热器连通，并且所述副节温器设置为在所述自然吸气发动机启动之后的加热暖机过程中控制所述缸体水套中的工作流体的流量，使得所述缸体水套中的工作流体滞止。

2.根据权利要求1所述的自然吸气发动机，其特征在于，所述自然吸气发动机包括集成有滚动轴承的凸轮轴。

3.根据权利要求1所述的自然吸气发动机，其特征在于，所述自然吸气发动机包括至少一个气缸，并且每个气缸具有两个进气门和两个排气门，并且在每个进气门上设有一个喷油器。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的自然吸气发动机，其特征在于，所述自然吸气发动机还包括缸盖，所述缸盖包括集成的排气歧管和链轮箱。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的自然吸气发动机，其特征在于，所述自然吸气发动机还包括布置在所述自然吸气发动机的上油底壳中的机油泵，所述机油泵为电磁阀控制式的，并且具有两级可变排量，并且构造为由曲轴链轮驱动。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的自然吸气发动机，其特征在于，所述自然吸气发动机还包括气门系统，其包括滚子摇臂和液压挺柱。

7.根据权利要求1至3中的任一项所述的自然吸气发动机，其特征在于，所述自然吸气发动机还包括前盖，所述前盖集成了前油封并且具有辐射筋结构。

8.根据权利要求1至3中的任一项所述的自然吸气发动机，其特征在于，所述自然吸气发动机还包括集成了接口的水泵。

9.根据权利要求1至3中的任一项所述的自然吸气发动机，其特征在于，所述自然吸气发动机的排量为1.3L。