CN108915914B

CN108915914B - 一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法

Info

Publication number: CN108915914B
Application number: CN201810639701.8A
Authority: CN
Inventors: 陆金华; 钟成; 王正钊
Original assignee: LIUZHOU WULING LIUJI POWER CO Ltd
Current assignee: LIUZHOU WULING LIUJI POWER CO Ltd
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2038-06-20
Also published as: CN108915914A

Abstract

本发明一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法，该方法包括：（一）采用高能量点火线圈，点火线圈的点火能量至少为80mJ；（二）在进气歧管上集成EGR稳压腔，EGR系统从排气歧管出口取废气，经EGR系统后进入到EGR稳压腔，废气在EGR稳压腔汇集，并均匀的分配给进气歧管各支管；（三）采用高滚流进气道匹配顶面具有浅坑的活塞；（四）进气凸轮轴为通过可变气门相位系统，进气门相位调整角度为58°曲轴角度，实现进气门延迟关闭，进气凸轮轴的最大延迟关闭角最大为下止点后100°曲轴角度以上，调节发动机有效压缩比。本发方法能够有效降低低负荷失火率、抑制高负荷爆震、提高中间负荷热效率、改善全工况燃烧稳定性。

Description

一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，特别涉及一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法。

背景技术

第四阶段油耗标准《GB 27999-2014 乘用车燃油消耗量评价方法及指标》将于2020年实施，要求我国乘用车新车平均油耗消耗量水平在2020年降至5L/100km左右，对应二氧化碳排放量约为120g/100km。还有，《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》于2018年4月1日施行，对混合动力与纯电汽车予以支持和鼓励，将对传统汽车企业油耗不达标的进行惩罚。用于混合动力的阿特金森循环发动机技术，具备热效率高的特点，对降低混合动力汽车条件B循环测试油耗有很大的帮助。

阿特金森循环在自然吸气汽油机上实现，主要是通过进气门晚关来实现和增大压缩比，进气门晚关可以调节有效压缩比，也达到膨胀比大于压缩比的目的，由于进气门晚关使得大部分油气倒流到进气道和进气歧管中，导致空燃比不易控制，燃烧不稳定。目前，如果仅提高压缩比，加大进气门开启持续角，并通过进气VVT调节进气门的开启和关闭时刻，虽然可以实现阿特金森循环，但是很难保证燃烧的稳定性，会导致高负荷易爆震，低负荷易失火，中间负荷热效率不高的结果，最终热效率提高不明显。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法，能够有效降低低负荷失火率、抑制高负荷爆震、提高中间负荷热效率、改善全工况燃烧稳定性。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法，该方法包括：（一）采用高能量点火线圈，点火线圈的点火能量至少为80mJ；（二）在进气歧管上集成EGR稳压腔，EGR系统从排气歧管出口取废气，废气经EGR管路、EGR冷却器、EGR阀、EGR管路后进入到EGR稳压腔，废气在EGR稳压腔汇集，并均匀的分配给进气歧管各支管；（三）采用高滚流进气道匹配顶面具有浅坑的活塞，高滚流进气道包括相互连接的进气道Ⅰ和进气道Ⅱ，进气道Ⅰ远离进气道Ⅱ一端与进气歧管连接，进气道Ⅱ远离进气道Ⅰ一端与进气门座圈连接，进气道Ⅰ与进气道Ⅱ连接处为锐边，进气道Ⅰ由远离进气道Ⅱ一端至接近进气道Ⅱ一端其截面逐渐减小，进气道Ⅰ靠近进气道Ⅱ一端的气道管壁下侧向外突出设有弧形鼓起；活塞主体顶端连接有整体外轮廓呈圆台状圆台凸起，圆台凸起中部向下凹陷设有环形凹陷，环形凹陷的边缘设有倒圆角；（四）进气凸轮轴为通过可变气门相位系统，进气门相位调整角度为58°曲轴角度，实现进气门延迟关闭，进气凸轮轴的最大延迟关闭角最大为下止点后100°曲轴角度以上，调节发动机有效压缩比。

本发明的进一步技术方案是：所述EGR稳压腔包括稳压容积腔、一个入口及四个出口，入口设置在稳压容积腔一端端部，入口的周缘设有连接法兰面，入口通过连接法兰面与EGR管路连接，四个出口均匀分布在稳压容积腔同一侧侧壁上，四个出口分别与进气歧管的四条支管一一对接，每个出口的轴线方向与该出口所对接进气歧管支管的气流方向一致。

本发明的进一步技术方案是：所述稳压容积腔的体积为发动机一个气缸工作容积的两倍，EGR稳压腔的稳压容积腔外表面设有一对可将EGR稳压腔固定连接在进气歧管安装搭子上的安装支架，安装支架与稳压容积腔外表面间设置有相互连接的加强筋。

本发明的进一步技术方案是：所述环形凹陷的中部设有圆柱形突起，圆柱形突起的中部向下凹陷设有圆柱形凹陷，圆台凸起的一侧边缘设有延伸至活塞主体部中的一对进气门避让坑，活塞主体下端两侧分别连接有主推力侧裙部和次推力侧裙部，主推力侧裙部和次推力侧裙部为非对称的结构，且主推力侧裙部与缸孔接触的表面积大于次推力侧裙部与缸孔接触的表面积，主推力侧裙部的厚度大于次推力侧裙部的厚度。

本发明的进一步技术方案是：所述圆台凸起的顶面和直接与顶面连接的斜面之间的夹角为14度。

本发明的进一步技术方案是：所述环形凹陷的外轮廓线包括两段直径相等并相对设置的圆弧和连接在两段圆弧之间的两条直线组成。

本发明的进一步技术方案是：所述环形凹陷中部的圆柱形突起的高度为0.3mm，圆柱形突起的直径为36 mm，圆柱形突起中部的圆柱形凹陷的深度为0.3mm，圆柱形凹陷的直径为15mm。

本发明一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法具有如下有益效果：

（1）本发明采用80mJ以上高能量火花点火，降低低负荷失火率，特别是怠速失火率，还有大EGR率时的失火率；较大进气门关闭延迟角和冷却EGR技术抑制高负荷爆震，同时保证动力性与应用奥托循环的1.5L自然吸气汽油机基本一致；

（2）本发明采用独立的EGR稳压腔保证废气均匀的分配给各缸，冷却EGR技术提高中间负荷热效率5%以上，混合动力应用发动机中间负荷工况频率较高；

（3）本发明采用高滚流气道和浅坑活塞顶面的配合，提供瞬态滚流比3倍以上，缸内湍流强度大大增强，改善全工况燃烧稳定性，特别是低速低负荷的燃烧稳定性，提高热效率。

（4）以上技术方案的应用，经过试验，相比奥托原型机，可以改善发动机热效率在4%～15%范围内。

下面结合附图和实施例对本发明一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法中EGR稳压腔的结构示意图；

图2是图1所示EGR稳压腔与进气歧管连接的结构示意图；

图3是图1所示EGR稳压腔与进气歧管连接的剖视图；

图4是集成EGR稳压腔的进气歧管与EGR循环系统连接的结构简图；

图5是本发明一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法中气缸与进气及排气装置连接的结构示意图；

图6是图5中进气管道及排气管道的单独的结构示意图；

图7是本发明一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法中活塞的结构示意图；

图8是图7所示活塞的另一方向视图；

图9是图7所示活塞的俯视图；

图10是图9的A-A方向剖视图；

图11是活塞主体上端环形凹陷的轮廓示意图；

图12是进气凸轮轴和排气凸轮轴在对应曲轴转角的气门升程坐标图；

图13是相比1.5L带进气VVT奥托循环发动机的燃油消耗率降低百分比坐标图；

附图标号说明：1-EGR稳压腔,2-安装支架,3-入口,4-连接法兰面,5-出口,6-加强筋,7-稳压容积腔,8-支管,9-进气歧管,10-支管的气流方向,11-出口的轴线方向,12-排气歧管,13-缸盖,14- EGR管路,15- EGR阀,16- EGR冷却器, 18-进气凸轮轴,19-进气门,20-高滚流进气道,21-活塞,22-燃烧室,23-进气道Ⅰ,24-弧形鼓起,25-锐边,26-进气道Ⅱ,27-进气门座圈,28-进气门导管位置,29-油束喷入位置,30-排气道,31-活塞主体,32-圆台凸起,33-倒圆角,34-环形凹陷,35-圆柱形凹陷,36-圆柱形突起,37-进气门避让坑,38-次推力侧裙部,39-主推力侧裙部。

具体实施方式

如图1至图12所示，本发明一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法，该方法包括：

（一）采用高能量点火线圈，点火线圈的点火能量至少为80mJ, 能够保证低速低负荷或者大EGR率工况，燃烧稳定，减少失火率。

（二）在进气歧管9上集成EGR稳压腔1，EGR系统从排气歧管12出口取废气，废气经EGR管路14、EGR冷却器16、EGR阀15、EGR管路14后进入到EGR稳压腔1，废气在EGR稳压腔1汇集，并均匀的分配给进气歧管9各支管8，如图3、4所示；同时参见图1、2，所述EGR稳压腔1包括稳压容积腔7、一个入口3及四个出口5，入口3设置在稳压容积腔7一端端部，入口3的周缘设有连接法兰面4，入口3通过连接法兰面4与EGR管路14连接，四个出口5均匀分布在稳压容积腔7同一侧侧壁上，四个出口5分别与进气歧管9的四条支管8一一对接，在本实施例中，各出口5分别与进气歧管9各支管8焊接在一起。每个出口的轴线方向11与该出口5所对接进气歧管9支管的气流方向10一致，所稳压容积腔7的体积为发动机一个气缸工作容积的两倍，EGR稳压腔1的稳压容积腔7外表面设有一对可将EGR稳压腔1固定连接在进气歧管9安装搭子上的安装支架2，安装支架2与稳压容积腔7外表面间设置有相互连接的加强筋6。EGR稳压腔1在整个EGR系统中，起到稳压和保证废气均匀分配到各缸的作用。

（三）采用高滚流进气道20匹配顶面具有浅坑的活塞21，如图5、6所示，高滚流进气道20包括相互连接的进气道Ⅰ23和进气道Ⅱ26，进气道Ⅰ23的上侧分别设有进气门导管位置28和油束喷入位置29，进气道Ⅰ23远离进气道Ⅱ26一端与进气歧管9连接，进气道Ⅱ26远离进气道Ⅰ23一端与进气门座圈27连接，进气道Ⅰ23与进气道Ⅱ26连接处为锐边25，进气道Ⅰ23由远离进气道Ⅱ26一端至接近进气道Ⅱ26一端其截面逐渐减小，进气道Ⅰ23靠近进气道Ⅱ26一端的气道管壁下侧向外突出设有弧形鼓起24；弧形鼓起24在锐边25连接处上翘，主要目的是将大部分气流往进气道上侧导入气缸（如图6中箭头E所示的方向为进气流的主流方向），减少向下导入气缸的气流量，这样在气缸内可以增大滚流比；进气道Ⅱ26与进气道Ⅰ23，下方为锐边25连接，上方圆滑过渡，进气道Ⅱ26呈柱状与进气门座圈27相接，气流经进气门座圈27进入燃烧室22，活塞21顶面与缸盖底面形成燃烧室22。活塞主体31顶端连接有整体外轮廓呈圆台状圆台凸起32，圆台凸起32的顶面和直接与顶面连接的斜面之间的夹角A为14度,使得活塞顶面周边为斜锥面。圆台凸起32顶端中部向下凹陷设有环形凹陷34，环形凹陷34的外轮廓线包括两段直径相等并相对设置的圆弧和连接在两段圆弧之间的两条直线组成，在本实施例中如图11所示，环形凹陷34的外轮廓是由直径相等的两段半弧线1a、1c、两弧线的一条切线1b及一条玄1e组成，两半弧线的中心距为1d。环形凹陷34内侧边缘设有倒圆角33，环形凹陷34的中部设有圆柱形突起36，该环形凹陷34中部的圆柱形突起36的高度为0.3mm，圆柱形突起36的直径为36 mm。圆柱形突起36的中部向下凹陷设有圆柱形凹陷35，该圆柱形突起36中部的圆柱形凹陷35的深度为0.3mm，圆柱形凹陷35的直径为15mm。此圆柱形凹陷35与火花塞配合，保持火花塞附近形成利于点火的燃气及湍动能。圆台凸起32的一侧边缘设有延伸至活塞主体31部中的一对进气门避让坑37，活塞主体31下端两侧分别连接有主推力侧裙部39和次推力侧裙部38，主推力侧裙部39和次推力侧裙部38为非对称的结构，且主推力侧裙部39与缸孔接触的表面积大于次推力侧裙部38与缸孔接触的表面积，主推力侧裙部39的厚度C大于次推力侧裙部38D的厚度。通过高滚流气道匹配浅坑活塞21顶面，瞬态滚流比相对奥托原型机提高3倍以上。通过活塞21顶面调节燃烧室22的容积，发动机的压缩比在13以上。

（四）进气凸轮轴18为通过可变气门相位系统，进气门相位调整角度W为58°曲轴角度（如图12所示，图中P曲线为排气凸轮轴在对应角度的排气升程，Q曲线为进气凸轮轴在对应角度的进气门升程），实现进气门延迟关闭，进气凸轮轴18的最大延迟关闭角最大为下止点后100°曲轴角度以上，调节发动机有效压缩比，达到膨胀比大于压比比，并且泵气损失下降的目的。

经过试验对比，同时采用本发明以上技术方案后，相比1.5L带进气VVT奥托循环发动机，可以改善发动机热效率在4%~15%范围内。参见图13是相比1.5L带进气VVT奥托循环发动机的燃油消耗率降低百分比，图13中正值为燃油消耗率有改善。

以上实施例仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于上述实施例列举的形式，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法，其特征在于，该方法包括：（一）采用高能量点火线圈，点火线圈的点火能量至少为80mJ；（二）在进气歧管（9）上集成EGR稳压腔（1），EGR系统从排气歧管（12）出口取废气，废气经EGR管路（14）、EGR冷却器（16）、EGR阀（15）、EGR管路（14）后进入到EGR稳压腔（1），废气在EGR稳压腔（1）汇集，并均匀的分配给进气歧管（9）各支管（8）；（三）采用高滚流进气道（20）匹配顶面具有浅坑的活塞（21），高滚流进气道（20）包括相互连接的进气道Ⅰ（23）和进气道Ⅱ（26），进气道Ⅰ（23）远离进气道Ⅱ（26）一端与进气歧管连接，进气道Ⅱ（26）远离进气道Ⅰ（23）一端与进气门座圈（27）连接，进气道Ⅰ（23）与进气道Ⅱ（26）连接处为锐边（25），进气道Ⅰ（23）由远离进气道Ⅱ（26）一端至接近进气道Ⅱ（26）一端其截面逐渐减小，进气道Ⅰ（23）靠近进气道Ⅱ（26）一端的气道管壁下侧向外突出设有弧形鼓起（24）；活塞主体（31）顶端连接有整体外轮廓呈圆台状圆台凸起（32），圆台凸起（32）中部向下凹陷设有环形凹陷（34），环形凹陷（34）的边缘设有倒圆角（33），所述环形凹陷（34）的中部设有圆柱形突起（36），圆柱形突起（36）的中部向下凹陷设有圆柱形凹陷（35），圆台凸起（32）的一侧边缘设有延伸至活塞主体（31）部中的一对进气门避让坑（37），活塞主体（31）下端两侧分别连接有主推力侧裙部（39）和次推力侧裙部（38），主推力侧裙部（39）和次推力侧裙部（38）为非对称的结构，且主推力侧裙部（39）与缸孔接触的表面积大于次推力侧裙部（38）与缸孔接触的表面积，主推力侧裙部（39）的厚度大于次推力侧裙部（38）的厚度，所述圆台凸起（32）的顶面和直接与顶面连接的斜面之间的夹角为14度，所述环形凹陷（34）的外轮廓线由两段直径相等并相对设置的圆弧和连接在两段圆弧之间的两条直线组成；（四）进气凸轮轴（18）为通过可变气门相位系统，进气门相位调整角度为58°曲轴角度，实现进气门延迟关闭，进气凸轮轴的最大延迟关闭角最大为下止点后100°曲轴角度以上，调节发动机有效压缩比。

2.如权利要求1所述的一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法，其特征在于，所述EGR稳压腔（1）包括稳压容积腔（7）、一个入口（3）及四个出口（5），入口（3）设置在稳压容积腔（7）一端端部，入口（3）的周缘设有连接法兰面（4），入口（3）通过连接法兰面（4）与EGR管路（14）连接，四个出口（5）均匀分布在稳压容积腔（7）同一侧侧壁上，四个出口（5）分别与进气歧管（9）的四条支管（8）一一对接，每个出口的轴线方向（11）与该出口（5）所对接进气歧管支管的气流方向（10）一致。

3.如权利要求2所述的一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法，其特征在于，所述稳压容积腔（7）的体积为发动机一个气缸工作容积的两倍，EGR稳压腔（1）的稳压容积腔（7）外表面设有一对可将EGR稳压腔（1）固定连接在进气歧管（9）安装搭子上的安装支架（2），安装支架（2）与稳压容积腔（7）外表面间设置有相互连接的加强筋（6）。

4.如权利要求1所述的一种自然吸气汽油机阿特金森循环实现方法，其特征在于，所述环形凹陷（34）中部的圆柱形突起（36）的高度为0.3mm，圆柱形突起（36）的直径为36 mm，圆柱形突起（36）中部的圆柱形凹陷（35）的深度为0.3mm，圆柱形凹陷（35）的直径为15mm。