CN107448274B - 柴油发动机系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种柴油发动机的进气处理装置和柴油发动机系统及控制方法，本发明的柴油发动机的进气处理装置，设置于柴油发动机的进气上游，以形成对柴油发动机的送气，其包括内部形成有空腔，且具有向空腔内喷油的喷油器的缸体，于缸体上形成有第一进气口以及与柴油发动机的进气口相连通的第一排气口，还包括与缸体配合设置的压缩装置。本发明所述的柴油发动机的进气处理装置，通过在发动机进气上游设置缸体，并在缸体内进气喷油，以由压缩装置压缩后送入发动机进气口，可在缸体内对空气和柴油进行预混合，以提高柴油混合角，同时通过压缩装置的压缩也可使柴油混合气具有一定的温度，因而可使得柴油与空气充分混合，而提高柴油的混合效果。

Description

柴油发动机系统及控制方法

技术领域

本发明涉及柴油发动机进气控制技术领域，特别涉及一种柴油发动机的进气处理装置。本发明还涉及一种设置有该柴油发动机的进气处理装置的柴油发动机系统，以及该柴油发动机系统的控制方法。

背景技术

柴油机是一种压燃式发动机，它以低油耗的特点越来越受到汽车制造商的青睐，但柴油发动机在使用中也因柴油低温挥发性差，难以形成混合充分的柴油空气混合气，而导致发动机低温启动性不足。同时，由于柴油低挥发性的原因，柴油发动机在加速时容易产生黑烟，也会导致排放达不到国标，污染环境的问题。柴油发动机的上述问题究其原因主要是柴油的雾化效果差，难以形成雾化均匀的燃油混合气。

柴油的燃烧过程一般包括预混合燃烧和扩散燃烧，由于柴油机燃烧室内混合气极不均匀，尽管总体上是富养燃烧，但局部仍存在缺氧，特别是在燃烧的后半期随着活塞的下降，缸内温度和压力降低会使得燃烧过程不稳定，不能保证碳烟的充氧时间，而最终导致碳烟的产生。目前控制碳烟的方法主要有两天途径，其一是提高火焰温度，但这种方法与控制NOx排放相互矛盾，其二是控制火焰范围内的混合气浓度，避免出现过浓状态，为此应对预混合火焰供给充足的氧气，且需要组织燃烧室内的气流运动，促进紊流混合，同时也要促进柴油喷雾的微粒化，提高柴油的混合效果。

目前，针对于加强柴油混合效果的措施主要有提高喷油压力、设置预燃室、使用燃油添加剂，以及增加其它辅助设施等。提高喷油压力和设置预燃室已经被广泛采用，尤其是提高喷油压力已经成为目前最有效的提高柴油雾化效果的方式。但高压力的喷油系统价格昂贵，技术工艺不易开发，且其一方面会增加驱动功率的消耗，另一方面也会在高压喷射系统内产生二次喷射而引起穴蚀，并且高喷油压力还会增加凸轮工作面的接触应力，从而导致喷射系统的可靠性降低。

设置预燃室的原理是将分流型轴针式喷油器与涡流燃烧室配合，当柴油机冷启动时，转速较低，喷油泵压力较小，因此喷油器的针阀升程小，此时大部分柴油经分流孔逆气流方向喷到涡流燃烧室中心。因为逆气流喷射，燃油雾化较好，加上涡流燃烧室中心温度较高，所以设置预燃室对柴油机的冷启动有一定的帮助，但是这种方法对柴油混合效果的提高是有限的。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种用于柴油发动机的进气处理装置，以可提高柴油的混合效果，而具有较好的实用性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种柴油发动机的进气处理装置，设置于柴油发动机的进气上游，以形成对柴油发动机的送气，该进气处理装置包括：

缸体，内部形成有空腔，且具有向所述空腔内喷油的喷油器；于所述缸体上形成有第一进气口以及与柴油发动机的进气口相连通的第一排气口；

压缩装置，与所述缸体配合设置；所述压缩装置在所述第一进气口打开而所述第一排气口关闭、且所述喷油器向所述空腔内喷油时，将空气吸入到所述空腔内，以使空气和燃油形成油气混合气；所述压缩装置在所述第一进气口关闭而所述第一排气口打开时，将所述油气混合气于所述空腔内压缩，并在油气混合气压燃前，由所述第一排气口输送至所述进气口。

进一步的，于所述第一进气口和所述第一排气口上，分别设有第一进气门和第一排气门。

进一步的，所述空腔的容积大于所述柴油发动机的缸体的容积。

进一步的，所述压缩装置包括：

活塞，滑动的形成于所述空腔内；

驱动机构，与所述活塞驱动相连，以使所述活塞具有在所述空腔内的滑动。

进一步的，所述驱动机构包括动力装置，以及连接于所述动力装置和所述活塞之间的曲柄连杆机构。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明所述的柴油发动机的进气处理装置，通过在发动机进气上游设置缸体，并在缸体内进气喷油，以由压缩装置压缩后送入发动机进气口，可在缸体内对空气和柴油进行预混合，以提高柴油混合角，同时通过压缩装置的压缩也可使柴油混合气具有一定的温度，因而可使得柴油与空气充分混合，而提高柴油的混合效果。本柴油发动机的进气处理装置在发动机进气上游设置具有压缩装置的缸体即可实现柴油与空气的充分混合，相较于现有的提高喷油压力、设置预燃室等技术手段，其结构简单，便于设计实施，且成本较低，而具有较好的实用性。

本发明同时提供了一种柴油发动机系统，包括柴油发动机，于所述柴油发动机的进气上游，设有如上所述的柴油发动机的进气处理装置。

进一步的，所述第一排气口为设置在所述缸体上的两个。

进一步的，所述柴油发动机为两个，两个所述第一排气口分别于两个所述柴油发动机的进气口连通设置，且所述两个第一排气口被设置成交替打开。

进一步的，所述第一进气口、第一排气口以及所述柴油发动机的进气口和排气口经由凸轮轴装置控制启闭；所述凸轮轴装置包括由动力装置分别驱动的第一齿轮和第二齿轮，连接于所述第一齿轮上的第一凸轮轴，连接于所述第二齿轮上的、与所述第一凸轮轴插装配合的第二凸轮轴；于所述第一凸轮轴上形成有对所述第一进气口上的进气门开闭控制的第一凸轮组，于所述第二凸轮轴上形成有对两个所述柴油发动机的排气门形成开闭控制的第二凸轮组。

此外，本发明还提供了一种柴油发动机系统的控制方法，该方法包括如下步骤：

吸气，控制第一进气口打开，第一排气口关闭，喷油器向空腔内喷油的同时，通过压缩装置促使容纳空气的空腔容积逐渐增大，完成吸气；

压缩，控制所述第一进气口关闭，第一排气口关闭，通过压缩装置促使容纳油气混合气的空腔容积逐渐变小，完成压缩；

排气，控制所述第一进气口关闭，第一排气口打开，通过压缩装置驱使未压燃的油气混合气排出，并进入柴油发动机内。

本发明所述的柴油发动机系统通过设置如上的柴油发动机的进气处理装置可提高柴油与空气的混合效果，而可降低发动机排放，并提高柴油发动机系统的燃油经济性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例一所述的柴油发动机的进气处理装置的结构简图；

图2为本发明实施例一所述的预混合气缸的工作原理示意图；

图3为本发明实施例一所述的工作气缸体的配气定时图；

图4为本发明实施例二所述的柴油发动机系统的结构简图；

图5为本发明实施例二所述的柴油发动机系统的凸轮轴结构简图；

图6为本发明实施例二所述的柴油发动机系统的另一种结构简图；

附图标记说明：

1-预混合气缸，2-第一进气门，3-第一排气门，4-预混合缸活塞，5-曲柄连杆机构，6-工作气缸体，7-工作气缸进气门，8-工作气缸排气门，9-工作气缸活塞，10-连接管道，11-第二凸轮轴，12-第二齿轮，13-螺母，14-第二凸轮，15-第二轴颈，16-第一凸轮轴，17-第一齿轮，18-第一凸轮，19-止推凸缘，20-第一轴颈，61-第一工作气缸，62-第二工作气缸，71-第一工作气缸进气门，72-第二工作气缸进气门，81-第一工作气缸排气门，82-第二工作气缸排气门，101-第一连接管道，102-第二连接管道。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例一

本发明涉及一种柴油发动机的进气处理装置，其设置于柴油发动机的进气上游，以形成对柴油发动机的送气，该进气处理装置包括内部形成有空腔，且具有向空腔内喷油的喷油器的缸体，在缸体上形成有第一进气口以及与柴油发动机的进气口相连通的第一排气口。该进气处理装置还包括与缸体配合设置的压缩装置，所述压缩装置在缸体上的第一进气口打开而第一排气口关闭、且喷油器向空腔内喷油时，将空气吸入到空腔内，以使空气和燃油形成油气混合气；且所述压缩装置在第一进气口关闭而第一排气口打开时，将油气混合气于空腔内压缩，并在油气混合气压燃前，由第一排气口输送至所述进气口。

本柴油发动机的进气处理装置通过在发动机进气上游设置缸体，并在缸体内进气喷油，以由压缩装置压缩后送入发动机进气口，可在缸体内对空气和柴油进行预混合，以提高柴油混合角，同时通过压缩装置的压缩也可使柴油混合气具有一定的温度，因而可使得柴油与空气充分混合，而提高柴油的混合效果。

基于如上的设计思想，本实施例的柴油发动机的进气处理装置的一种示例性结构如图1中所示，其中为便于描述，前述的缸体称之为预混合气缸1，而柴油发动机内的承接预混合气缸1的送气以进行做功的气缸为工作气缸体6，预混合气缸1内形成有前述的空腔，并装设有向空腔内喷射柴油的喷油器，预混合气缸1的第一排气口通过连接管道10与工作气缸体6的工作气缸进气口7相连通。本实施例中在预混合气缸1的第一进气口和第一排气口处分别设置有用于控制第一进气口及第一排气口开闭的第一进气门2和第一排气门3，在工作气缸体6的工作气缸进气口和工作气缸排气口同样设有工作气缸进气门7和工作气缸排气门8。

本实施例中前述的与预混合气缸1配合设置的压缩装置具体包括滑动设置于预混合气缸1的空腔中的预混合缸活塞4，以及与预混合缸活塞4驱动连接，以使预混合缸活塞4在预混合气缸1内的空腔中滑动的驱动机构。本实施例中该驱动机构包括动力装置，以及连接于所述动力装置与预混合缸活塞4之间的曲柄连杆机构5，而所述动力装置在实际设计中则可为柴油发动机的动力输出轴，当然除了发动机的动力输出轴，动力装置也采用其它用于驱使曲柄连杆机构5运动的外部动力源，如由电机带动旋转并与曲柄连杆机构5连接的转轴等。

本实施例中与预混合气缸1相同的，在工作气缸体6中也滑动设置有工作气缸活塞9，工作气缸活塞9通过曲柄连杆机构5与发动机的凸轮轴连接。而且本实施例中在具体设计中，预混合气缸1中空腔的容积也大于工作气缸体6的容积，由此可对预混合气缸1进入工作气缸体6的燃油混合气起到增压作用，进而有利于燃油混合气在工作气缸体6内的燃烧。

本实施例的柴油发动机的进气处理装置在工作时，预混合气缸1中的工作过程如图2中所示，预混合缸活塞4由上止点运行到下止点时，第一进气门2打开，此时为进气行程，同时喷油器向空腔内喷油。预混合缸活塞4运行到下止点时第一进气门2关闭，预混合缸活塞4再由下止点运行到上止点，此时为压缩行程，在预混合缸活塞4到达上止点前135°时，第一排气门3打开，预混合气缸1内被压缩的燃油混合气由第一排气门3排出，并可通过连接管道10进入工作气缸体6内，预混合缸活塞4到达上止点175°时，第一排气门3关闭，一个送气过程完毕。

本实施例中在预混合气缸1中压缩的燃油混合气应在其被压燃前，由第一排气门3送入工作气缸体6中，对燃油混合气压燃时刻的控制，可通过预混合气缸1压缩比的设计来实现。工作气缸体6工作时的配气定时可如图3中所示，工作气缸体6的具体工作过程与现有的四冲程柴油发动机的工作过程相同，在此不再详述。由上述描述可知，在实现对工作气缸体6的一次送气中，预混合气缸1为二冲程，因此适配于工作气缸体6的四冲程工作，一个预混合气缸1可为两个工作气缸体6送气，以充分利用预混合气缸1。当然，除了为二冲程，预混合气缸1也可同样采用四冲程而仅为一个工作气缸体1送气，此时燃油混合气在预混合气缸1中的混合时间更长。

本柴油发动机的进气处理装置通过设置预混合气缸1，以使空气与喷油器所喷柴油在预混合气缸1中混合，而后再压缩送入工作气缸体6中。因此时在预混合气缸1中的两个冲程均为燃油混合与空气的混合时间，而在燃油混合气进气工作气缸体6中后仍有约15°至35°的燃油混合角，所以通过预混合气缸1的设置，相比于现有的工作气缸体6直接由外部进气的情形，使得燃油混合气的燃油混合角延长至360°以上。

此外，由于在从预混合气缸1进入工作气缸体6的过程中，燃油混合气可进一步进行混合，且在预混合气缸1中因预混合缸活塞4的压缩，燃油混合气具有了一定的温度，也更有利于柴油的挥发，因此本处理装置可使进入工作气缸体6中的燃油混合气得到充分的混合，以使柴油充分燃烧，而提高发动机的性能。同时，相较于现有的提高喷油压力、设置预燃室等技术手段，本处理装置仅需设置具有进、排气门及预混合缸活塞4的预混合气缸1即可，其结构简单，便于设计实施，且成本较低，从而也有着较好的实用性。

实施例二

本实施例涉及一种柴油发动机系统，在该柴油发动机系统中的发动机的进气上游设置有如实施例一中所述的柴油发动机的进气处理装置。具体上，本实施例中如图4中所示，预混合气缸1为向两个工作气缸体送气，为便于描述，两个工作气缸体分别称为第一工作气缸61和第二工作气缸62。预混合气缸1的容积大于第一工作气缸61和第二工作气缸62的容积。

本实施例中在预混合气缸1上设置有两个第一进气口及两个第一排气口，同样的，在第一工作气缸61上也分别设置有两个第一工作气缸进气口及两个第一工作气缸排气口，在第二工作气缸62上也分别设置有两个第二工作气缸进气口及两个第二工作气缸排气口，在各进气口和排气口处也分别设置有进气门及排气门。其中，预混合气缸1的其中一个第一排气口通过第一连接管道101连接至第一工作气缸61的两个第一工作气缸进气口，预混合气缸1的另一个第一排气口则通过第二连接管道102连接至第二工作气缸62的两个第二工作气缸进气口。

本实施例中预混合气缸1及第一工作气缸61和第二工作气缸62中的活塞经由曲柄连杆机构连接于发动机的动力输出轴即可，而预混合气缸1和第一工作气缸61及第二工作气缸62进、排气门则均由凸轮轴驱动开闭。此时，因预混合气缸1中的两个第一排气门3、第一工作气缸61的第一工作气缸进气门71，以及第二工作气缸62的第二工作气缸进气门72均为曲轴转动两周而开闭以此，故由同一根凸轮轴即可控制各进气门的开闭。

但由于预混合气缸1上的第一进气门2需曲轴转动一周开闭一次，而第一工作气缸61的第一工作气缸排气门81和第二工作气缸62的第二工作气缸排气门82仍为曲轴转动两周开闭一次，故控制第一进气门2、第一工作气缸排气门81和第二工作气缸排气门82的凸轮轴需要有不同的正时。为此，如图5中所示，本实施例中用于控制第一进气门2、第一工作气缸排气门81和第二工作气缸排气门82的凸轮轴包括第一凸轮轴16，以及与第一凸轮轴16插装配合的第二凸轮轴11，第一凸轮轴16和第二凸轮轴11之间为间隙配合，滑动摩擦，并采用机油润滑。

在第一凸轮轴16的一端连接有第一齿轮17，相对于第一齿轮17，在第一凸轮轴16上则设置有止推凸缘19，在第一凸轮轴16上还设置有两个用于驱动第一进气门2开闭的第一凸轮18。此外，为了增加第一凸轮轴16的刚性，在第一凸轮轴16上于两个第一凸轮18的两侧也设置有第一轴颈20。在第二凸轮轴11上靠近于第一齿轮17的一端也连接有第二齿轮12，第二齿轮12由螺母13定位在第二凸轮轴11上，在第二凸轮轴11上还设置有用于驱动第一工作气缸排气门81及第二工作气缸排气门82开闭的第二凸轮14，在第二凸轮14的一侧同样设置有用于增加第二凸轮轴11刚性的第二轴径15。

本实施例中通过第一凸轮轴16与第一凸轮轴11的转动插装，设置第二齿轮12的半径为第一齿轮17的二倍，即可实现对第一进气门2及第一工作气缸排气门81和第二工作气缸排气门82的不同正时控制。当然除了采用齿轮结构，也可采用设置于第一凸轮轴16及第二凸轮轴11上的链轮或带轮等，齿轮、链轮或带轮与发动机的动力输出轴之间传动连接即可。

本实施例中除了在预混合气缸1的第一排气口，以及第一工作气缸61和第二工作气缸62的进气口均设置气门，也可仅在第一工作气缸61及第二工作气缸62的进气口设置气门，而实现对预混合气缸1分别向第一工作气缸61和第二工作气缸62送气的控制，但此时对第一工作气缸61和第二工作气缸62上的进气口处的气门的密闭性要求较高，以防止再向其中一个工作气缸的进气口送气时，另一工作气缸的进气口出现漏气问题。

此外，本实施例中除了使预混合气缸1的第一进气门2也由凸轮轴控制开闭，当然也可使预混合气缸1的第一进气门2采用电子控制方式，如可为由发动机ECU控制的电磁阀门结构，如此可省去设计如上的复合凸轮轴的麻烦。而且，在预混合气缸1的第一进气门2采用电子控制方式时，除了可如图5中所示的，使预混合气缸1位于两根工作气缸的一侧，还可如图6中所示的，将预混合气缸设置在两个第一工作气缸61和第二工作气缸62中间，如此可便于第一连接管道101和第二连接管道102的布置。此外，除了设置两个进气口和排气口，第一工作气缸61和第二工作气缸62上也可均只设置一个进气口和一个排气口，而预混合气缸1上则可设置一个第一进气口和两个第一排气口。

本柴油发动机系统在工作时，工作气缸的一个工作循环曲轴转动720°，预混合气缸可完成向第一工作缸61和第二工作缸62的各一次送气。在曲轴转动0°至360°时，预混合气缸1的预混合缸活塞由上止点向下止点移动，在上止点附近第一进气门2打开，预混合缸活塞向下移动将空气吸入预混合气缸1，同时喷油器喷油在预混合气缸1内形成燃油混合气。当预混合缸活塞运行至下止点附近时第一进气门2关闭，预混合缸活塞经过下止点后继续上移，开始对燃油混合气进行压缩，当预混合缸活塞上移至行程的一半以上(曲轴转过约280°时)，其中的一个第一排气门3打开，开始向其中一个工作气缸送气，当预混合缸活塞运行至接近上止点时打开的第一排气门3关闭。然后预混合气缸1继续上述的工作过程而在曲轴转动的360°至720°时，向另一个工作气缸送气。两个工作气缸的工作过程与现有的四冲程柴油发动机的工作过程相同，在此不再赘述。

本实施例的柴油发动机系统通过设置如实施例一中的柴油发动机的进气处理装置可提高柴油与空气的混合效果，而可降低发动机排放，并提高柴油发动机系统的燃油经济性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种柴油发动机系统，包括柴油发动机，其特征在于：于所述柴油发动机的进气上游，设有柴油发动机的进气处理装置，所述进气处理装置形成对柴油发动机的送气，并包括：

缸体，内部形成有空腔，且具有向所述空腔内喷油的喷油器；于所述缸体上形成有第一进气口（2）以及与柴油发动机的进气口相连通的第一排气口（3）；

压缩装置，与所述缸体配合设置；所述压缩装置在所述第一进气口（2）打开而所述第一排气口（3）关闭、且所述喷油器向所述空腔内喷油时，将空气吸入到所述空腔内，以使空气和燃油形成油气混合气；所述压缩装置在所述第一进气口（2）关闭而所述第一排气口（3）打开时，将所述油气混合气于所述空腔内压缩，并在油气混合气压燃前，由所述第一排气口（3）输送至所述进气口；

且，所述第一排气口（2）为设置在所述缸体上的两个，所述柴油发动机为两个，两个所述第一排气口（3）分别于两个所述柴油发动机的进气口连通设置，且所述两个第一排气口（3）被设置成交替打开，所述第一进气口（2）、第一排气口（3）以及所述柴油发动机的进气口和排气口经由凸轮轴装置控制启闭；

所述凸轮轴装置包括由动力装置分别驱动的第一齿轮（17）和第二齿轮（12），连接于所述第一齿轮（17）上的第一凸轮轴（16），连接于所述第二齿轮（ 12 ） 上的、与所述第一凸轮轴（16）插装配合的第二凸轮轴（11），第二齿轮（12）的半径为第一齿轮（17）的二倍，于所述第一凸轮轴（16）上形成有对所述第一进气口（2）上的进气门开闭控制的第一凸轮组，于所述第二凸轮轴（11）上形成有对两个所述柴油发动机的排气门形成开闭控制的第二凸轮组。

2.根据权利要求1所述的柴油发动机系统，其特征在于：于所述第一进气口（2）和所述第一排气口（3）上，分别设有第一进气门和第一排气门。

3.根据权利要求1所述的柴油发动机系统，其特征在于：所述空腔的容积大于所述柴油发动机的缸体的容积。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的柴油发动机系统，其特征在于，所述压缩装置包括：

活塞，滑动的形成于所述空腔内；

驱动机构，与所述活塞驱动相连，以使所述活塞具有在所述空腔内的滑动。

5.根据权利要求4所述的柴油发动机系统，其特征在于：所述驱动机构包括动力装置，以及连接于所述动力装置和所述活塞之间的曲柄连杆机构（5）。

6.一种柴油发动机系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法基于权利要求1所述的柴油发动机系统，且该方法包括如下步骤：

吸气，控制第一进气口（2）打开，第一排气口（3）关闭，喷油器向空腔内喷油的同时，通过压缩装置促使容纳空气的空腔容积逐渐增大，完成吸气；

压缩，控制所述第一进气口（2）关闭，第一排气口（3）关闭，通过压缩装置促使容纳油气混合气的空腔容积逐渐变小，完成压缩；

排气，控制所述第一进气口（2）关闭，第一排气口（3）打开，通过压缩装置驱使未压燃的油气混合气排出，并进入柴油发动机内。

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