CN109372635A - 一种内燃机、该内燃机调节方法及具有该内燃机的汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃机，该内燃机包括：可变压缩比机构和控制模块，其中可变压缩比机构分别与内燃机的活塞和曲柄连接，用于调节内燃机活塞位置，从而改变内燃机的压缩比和膨胀比；控制模块用于采集内燃机的运行状态，分析得出调节策略，并调节所述可变压缩比机构。该内燃机可以使内燃机的压缩比与当前内燃机的转速、负荷以及增压后空气的压力相匹配，从而达到优化内燃机工作状况，改善内燃机动力性能的效果；进而使更多的热能通过活塞转化为机械能向外输出，内燃机的循环热效率明显提升，经济性得到显著提高。

Description

一种内燃机、该内燃机调节方法及具有该内燃机的汽车

技术领域

本发明涉及汽车内燃机领域，尤其涉及一种内燃机、该内燃机调节方法及具有该内燃机的汽车。

背景技术

米勒循环使通过使四冲程内燃机的压缩比小于膨胀比，即活塞的做功行程大于压缩行程。从而使更多的燃烧能量转化为活塞的动能，进而作为力矩向外输出，提高了内燃机的经济性和动力性。附图1的实线是带有增压器的内燃机的P-V。表示以奥托循环为基础，通过在循环中改变膨胀比实现的米勒循环。该循环由压缩冲程M1、燃烧膨胀冲程M2、排气冲程M3和进气冲程M4组成。在进气冲程末期，即活塞移动到下至点附近，汽缸状态为图1点P时，进气门提前关闭。此后进气先随线M1继续膨胀，然后沿线M1进行压缩。其结果是如图1所示，在压缩比的计算中使用的燃烧室容积的活塞行程为A1，在膨胀比的计算中使用的燃烧室容积的活塞行程为A2，膨胀比大于压缩比。

在此，内燃机设计的增压比是活塞行程A1，相比于不采用米勒循环的一般内燃机，米勒循环内燃机做功输出的部分为图1面积S1。以奥托循环为基础，通过进气门提前关闭提高循环来实现米勒循环以提高循环效率的方法是有效的。可是，为了使膨胀比大于压缩比，进气门提前关闭，实际进入汽缸的空气量为点P处的空气量，相比于进气门正常关闭，其实际进气量有所减小。对提高内燃机功率密度未有改善。

另外，仅仅使膨胀比增加的话，燃烧发热的总能量未有增加，活塞移动的距离也同样增加。其结果是，内燃机的起动性能和瞬态工况性能变差，进而导致内燃机的环境适应性变差。

发明内容

本发明的目的是提供一种米勒循环内燃机解决内燃机的起动性能和瞬态工况性能差的问题。

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种内燃机，包括：可变压缩比机构，分别与内燃机的活塞和曲柄连接，用于调节内燃机活塞位置，从而改变内燃机的压缩比和膨胀比；控制模块，采集内燃机的运行状态，分析得出调节策略，并调节所述可变压缩比机构。

进一步地，其中所述可变压缩比机构包括：第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆，其中，所述第一连接杆和第三连接杆连接处有第一连接点，所述第一连接点通过摇杆与内燃机活塞连接；所述第二连接杆和所述第三连接杆连接处有第二连接点，所述第二连接点通过偏心杆与控制模块连接；所述第一连接杆和第二连接杆连接处有第三连接点，所述第三连接点连有曲柄，所述曲柄以端点为中心作圆周运动。

进一步地，其中，所述第一连接点与所述第三连接点的水平距离为60毫米，垂直距离为80毫米；所述第一连接点与所述第二连接点的水平距离为110毫米，垂直距离为75毫米；所述第三连接点与所述第二连接点的水平距离为170毫米，垂直距离为5毫米。

进一步地，其中所述控制模块包括信号采集模块、数据处理模块和驱动模块；所述信号采集模块，分别与内燃机汽缸和所述可变压缩比机构连接，用于采集所述内燃机的运行状态所述信号采集模块分别与内燃机汽缸和所述可变压缩比机构连接，用于采集所述内燃机的运行状态；所述数据处理模块用于分析所述信号采集模块采集的信息得出应对策略；所述驱动模块根据所述应对策略进行调节所述可变压缩比机构。

进一步地，其中所述数据处理模块至少包括一种调节控制映射；所述调节控制映射中预先设有内燃机的输出功率、油门信号、爆震信号其中至少一种信号与对所述可变压缩比机构调节控制的关系。

本发明的另一方面提供了一种汽车，设置有上述任一方案所述的内燃机。

本发明的又一方面提供了一种内燃机调节方法，应用于上述任意方案所述的内燃机中，其中当内燃机处于低负荷状态时，所述控制模块调节所述可变压缩比机构，提高内燃机活塞上止点进气压力，从而提高压缩比。

进一步地，当内燃机处于高负荷状态时，所述控制模块调节所述可变压缩比机构，降低内燃机活塞上止点进气压力，从而降低压缩比。

进一步地，当所述内燃机处于燃烧膨胀冲程开始阶段，所述控制模块调节所述可变压缩比机构，使内燃机活塞在燃烧膨胀冲程移动距离增加，从而使所述内燃机单次工作循环的膨胀比大于压缩比。

进一步地，当所述内燃机处于燃烧膨胀冲程开始阶段，所述控制模块调节所述可变压缩比机构，使内燃机汽缸内的燃烧为等容燃烧。

本发明的内燃机可以使压缩比与当前内燃机的转速、负荷以及增压后空气的压力相匹配，从而达到优化内燃机工作状况，改善内燃机动力性能，提高环境适应性；进而可以使更多的热能通过活塞转化为机械能向外输出，内燃机的循环热效率明显提升，经济性得到显著提高。

附图说明

图1是内燃机米勒循环P-V图；

图2是根据本发明实施方式提供的一种可变压缩比机构的结构简图；

图3是根据本发明实施方式提供的调节内燃机流程图；

图4是本发明实现米勒循环P-V图；

图5是根据本发明实施方式高压缩比与低压缩比P-V图；

图6是根据本发明实施方式等容燃烧P-V图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在本发明第一实施例中，提供一种内燃机，包括：可变压缩比机构和控制模块，其中可变压缩比机构与内燃机曲柄连接，用于调节内燃机活塞位置，从而改变内燃机的压缩比和膨胀比；控制模块采集内燃机的运行状态，分析得出调节策略，并调节可变压缩比机构。

控制模块采集内燃机的工作状态信息，进行分析处理得出不同的应对策略，然后对可变压缩比机构进行调节，也就是说控制模块在内燃机不同工况下对可变压缩比机构进行控制，从而使活塞的运动状态发生变化。其结果是使得内燃机循环内的实际压缩比小于实际膨胀比，实现米勒循环。进而实现对内燃机的经济性的提高和环境适应性的增强。

在上述实施例中，控制模块根据对内燃机运行状态，即其负荷的大小的采集，通过控制可变压缩比机构对内燃机的压缩比进行调节，使压缩比与进气压力、进气量匹配。当内燃机处于高负荷状态，调节可变压缩比机构，使内燃机压缩比降低，因此能减少内燃机爆震现象。

图2是根据本发明实施方式提供的一种可变压缩比机构的结构简图。

如图2所示，在一可选实施例中，可变压缩比机构包括：第一连接杆DC、第二连接杆CB和第三连接杆BD，其中，第一连接杆DC和第三连接杆BD连接处有第一连接点D，第一连接点D通过摇杆ED与内燃机活塞连接；第二连接杆CB和第三连接杆BD连接处有第二连接点B，第二连接点B通过偏心杆AB与控制模块连接；第一连接杆DC和第二连接杆CB连接处有第三连接点C，第三连接点C连有曲柄OC，曲柄OC以端点O为中心作圆周运动。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

上述实施例中的内燃机含有至少一个汽缸，在内燃机主体的汽缸内，具备往复直线移动方式嵌合的活塞，将该活塞的往复移动由图2所示的连杆而转换成曲轴的转动，并且具备在活塞的上表面与汽缸盖的内表面之间划分形成的燃烧室、与该燃烧室连接的进气道、对该进气道进行开闭的进气门。

另外，关于燃料气体的供给装置及点火装置虽然未给出图示，但燃料液滴由喷油器喷射进进排气结束后汽缸中的压缩空气中。当活塞移动在上止点附近时，汽缸内的温度、压力条件满足喷入燃油的燃火条件，汽缸内混合气开始燃烧。由增压器的压缩部经由进气道向进气门供给压缩空气，在该进气通道设有空气冷却器。而且，排气门经由排气通道而与增压器的涡轮部连接。

当偏心杆AB的转动角度范围发生变化时，第一连接点D的运动规律发生变化，进而导致活塞E的往复直线运动范围发生变化。此时，活塞运动的上下至点均有变化。偏心杆AB的A点位置发生变化时，活塞E的上下至点均发生变化。对于上止点而言，其沿直线OE方向上的位置并没有明显变化；对于下至点而言，其沿直线OE方向上的位置有变化。内燃机的压缩比定义为活塞处于下至点的汽缸容积大小除以活塞处于上止点的汽缸容积大小。即对应下至点的位置决定内燃机的压缩比。当A点位置发生变化时，内燃机的压缩比随之发生改变。

在一可选实施例中，控制模块包括信号采集模块、数据处理模块和驱动模块；信号采集模块分别与内燃机汽缸和可变压缩比机构连接，用于采集内燃机的运行状态；数据处理模块用于分析信号采集模块采集的信息得出应对策略；驱动模块根据应对策略进行调节可变压缩比机构。

可选的，数据处理模块至少包括一种调节控制映射；调节控制映射中预先设有内燃机的输出功率、油门信号、爆震信号其中至少一种信号与对可变压缩比机构调节控制的关系。

信号采集模块采集到内燃机的输出功率、油门信号、爆震信号等信息，经过数据处理模块进行处理分析得出相应的应对策略，驱动模块根据应对策略对可变压缩比机构进行调节。在曲轴OC上安装有测量转速的传感器，内燃机的喷油装置为可调机构控制，并根据曲轴OC的速传和油门信号进行喷入汽缸内油量的调节。内燃机实时运行转速与负荷均可以通过内燃机控制系统ECU进行测量和调整。内燃机控制系统ECU根据内燃机的运行状态对点A的实际位置进行控制，改变活塞在下至点的实际位置，从而实现根据不同工况下的要求对内燃机的运行情况进行调节。在进气道处安装有测量进气压力的传感器，在汽缸盖处安装有测量爆震的传感器。ECU通过传感器采集进气压力和爆震信号，根据使用者的油门信号和内燃机的转速，对内燃机的压缩比进行调整。

在一可选实施例中，提供了一种汽车，该汽车设置有上述实施例提供的内燃机。该汽车环境适应能力强，经济性高。

图3是根据本发明实施方式提供的调节内燃机流程图。

如图3所示，在一可选实施例中，又提供了一种内燃机的调节方法，该方法应用于上述实施例中的内燃机，其中当内燃机处于低负荷状态时，控制模块调节可变压缩比机构，提高内燃机活塞上止点进气压力，从而提高压缩比；当内燃机处于高负荷状态时，控制模块调节可变压缩比机构，降低内燃机活塞上止点进气压力，从而降低压缩比；当内燃机处于燃烧膨胀冲程开始阶段，控制模块调节可变压缩比机构，使内燃机活塞在燃烧膨胀冲程移动距离增加，从而使内燃机单次工作循环的膨胀比大于压缩比。

在低负荷时，适当增加内燃机的压缩比。更高的压缩比使汽缸的实际进气量得到提高。活塞处于上止点处，汽缸内的压力提高，喷入的燃油与空气的混合状态得以改善。燃油的燃烧过程更加完善，热量转化比提高，循环热效率提高。改善了低负荷下内燃机经济性差，一氧化碳和碳烟排放性差，扭矩性能差的问题。

在高负荷时，适当减少内燃机的压缩比。减少压缩比使活塞处于上止点处的汽缸内压力降低，减少了内燃机燃烧过程的爆发压力，有效缓解了内燃机的爆震情况。同时，减少了零部件的压力负荷和热负荷，使得内燃机的使用寿命延长和震动噪声减小。高负荷下，通过废气涡轮对进气进行增压，进入汽缸内空气的量维持在一个较高的空燃比的数值。内燃机的循环平均有效压力并不会出现下降，同时内燃机的工作状况和燃烧的爆震现象得到改善。

当内燃机循环处于燃烧膨胀冲程开始阶段时，开始改变A点的位置。此时活塞的直线移动范围发生变化，活塞在燃烧膨胀冲程移动的距离比压缩冲程要长，内燃机的实际膨胀比发生变化。

活塞在燃烧膨胀冲程的移动距离变长，内燃机的实际压缩比小于实际膨胀比，实现了标准奥托循环转变为米勒循环。如图4中面积S2所示，更多的燃烧热量被活塞转化为机械能向外输出。内燃机的循环热效率提高。

通过上述调节方法可以使内燃机压缩比与当前内燃机的转速、负荷以及增压后空气的压力相匹配，从而达到优化内燃机工作状况，改善内燃机动力性能，提高环境适应性；进而可以使更多的热能通过活塞转化为机械能向外输出，内燃机的循环热效率明显提升，经济性得到显著提高。

可选的，其中当内燃机处于燃烧膨胀冲程开始阶段，控制模块调节可变压缩比机构，使内燃机汽缸内的燃烧为等容燃烧。

由于可变压缩比机构的设计，调整压缩比对活塞处于上下至点对应的曲轴转角没有明显没变化，可以保证在A点位置发生变化的过程中，活塞的运动方向不对发生改变。

在一可选实施例中，通过改变活塞的运动规律来实现米勒循环。当活塞处于燃烧膨胀冲程的初期，通过控制模块对偏心杆AB的转动角度进行控制。此时，通过连杆机构，活塞的运动加速度发生变化，活塞在上止点附近处于一个短时间的停滞状态。汽缸内的燃烧过程正处于急燃期到缓燃期过段的时期，汽缸内的燃烧为等容燃烧。该状态下，油气混合充分，燃烧速度加快，发热量集中，汽缸内温度维持在最大值附近，其高压缩比与低压缩比关系如图5所示。

根据热力学卡诺定理，热机工作的冷源与热源温度相差越大，其热能转换效率越高，其增加的做功量为图6中S3所示。由于内燃机燃烧膨胀冲程的高温时间增加，其循环热效率得到提高，内燃机的动力性和经济性得到提高。对于计算分析该循环内内燃机的工作效率时，活塞在运动中受到到额外的阻力矩。相对于活塞在没有受到额外阻力矩而言，活塞相当于在基本阻力矩作用下移动了额外距离。就分析内燃机工作效率时，活塞的计算膨胀冲程比压缩比大。利用改变活塞运动规律的方法变相的实现了米勒循环。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种内燃机，其特征在于，包括：

可变压缩比机构，分别与内燃机活塞和曲柄连接，用于调节内燃机活塞位置，从而改变内燃机的压缩比和膨胀比；

控制模块，采集内燃机的运行状态，分析得出调节策略，并调节所述可变压缩比机构。

2.根据权利要求1所述内燃机，其中所述可变压缩比机构包括：

第一连接杆(DC)、第二连接杆(CB)和第三连接杆(BD)，

其中，所述第一连接杆(DC)和第三连接杆(BD)连接处有第一连接点(D)，所述第一连接点(D)通过摇杆(ED)与内燃机活塞连接；

所述第二连接杆(CB)和所述第三连接杆(BD)连接处有第二连接点(B)，所述第二连接点(B)通过偏心杆(AB)与控制模块连接；

所述第一连接杆(DC)和第二连接杆(CB)连接处有第三连接点(C)，所述第三连接点(C)连有曲柄(OC)，所述曲柄(OC)以端点(O)为中心作圆周运动。

3.根据权利要求2所述内燃机，其中，

所述第一连接点(D)与所述第三连接点(C)的水平距离为60毫米，垂直距离为80毫米；

所述第一连接点(D)与所述第二连接点(B)的水平距离为110毫米，垂直距离为75毫米；

所述第三连接点(C)与所述第二连接点(B)的水平距离为170毫米，垂直距离为5毫米。

4.根据权利要求1所述内燃机，其中所述控制模块包括信号采集模块、数据处理模块和驱动模块；

所述信号采集模块分别与内燃机汽缸和所述可变压缩比机构连接，用于采集所述内燃机的运行状态；

所述数据处理模块用于分析所述信号采集模块采集的信息得出应对策略；

所述驱动模块根据所述应对策略进行调节所述可变压缩比机构。

5.根据权利要求1所述内燃机，其中所述数据处理模块至少包括一种调节控制映射；

所述调节控制映射中预先设有内燃机的输出功率、油门信号、爆震信号其中至少一种信号与对所述可变压缩比机构调节控制的关系。

6.一种汽车，其特征在于，设置有权利要求1-5任一项所述的内燃机。

7.一种内燃机调节方法，其特征在于，应用于权利要求1至5任一项所述的内燃机中，其中当内燃机处于低负荷状态时，所述控制模块调节所述可变压缩比机构，提高内燃机活塞上止点进气压力，从而提高压缩比。

8.根据权利要求7所述内燃机调节方法，其中当内燃机处于高负荷状态时，所述控制模块调节所述可变压缩比机构，降低内燃机活塞上止点进气压力，从而降低压缩比。

9.根据权利要求7所述内燃机调节方法，其中当所述内燃机处于燃烧膨胀冲程开始阶段，所述控制模块调节所述可变压缩比机构，使内燃机活塞在燃烧膨胀冲程移动距离增加，从而使所述内燃机单次工作循环的膨胀比大于压缩比。

10.根据权利要求9所述内燃机调节方法，其中当所述内燃机处于燃烧膨胀冲程开始阶段，所述控制模块调节所述可变压缩比机构，使内燃机汽缸内的燃烧为等容燃烧。