CN112377347B - 发动机压缩空气供给系统、发动机及发动机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混合动力汽车中内燃机领域技术领域，具体地涉及一种具有压缩空气缸内直喷特征的发动机压缩空气供给系统、发动机及发动机控制方法，所述发动机包括设置在气缸内的高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴，高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴的喷射口直接位于燃烧室的顶部，火花塞和高压燃料直喷喷嘴与电控模块相连接，缸体的缸盖上设置有排气门，排气门上设置有排气阀，缸盖上还设置有控制排气阀开闭的凸轮轴，凸轮轴上方设置有凸轮轴相位传感器，凸轮轴相位传感器与电控模块相连接，实现了发动机可以兼顾不同转速负荷工况下，对高热效率和高功率输出的性能平衡。

Description

发动机压缩空气供给系统、发动机及发动机控制方法

技术领域

本发明涉及混合动力汽车中内燃机领域技术领域，具体地涉及一种具有压缩空气缸内直喷（Air Direct Injection，以下简称ADI）特征的发动机压缩空气供给系统、发动机及发动机控制方法。

背景技术

国内外传统内燃式发动机，均需要采用进气门及相关配气机构，用于对气缸内引入新鲜空气，从而在气缸内形成混合气并点燃工质做功。带有进气门结构的发动机机械结构复杂，单一的传动结构无法实现进气门开启相位，进气门开启升程的调节，还需要另增加可变进气相位，可变进气升程机构的配合，才能实现控制参数多变量的进气量控制。同时，进气门的结构还需要进气道配合设计，以达到合理的进气流量，缸内滚流比平衡。在进气量控制方面，传统进气配气结构会造成过大进气阻力损失和泵气损失，较大的进气阻力来源于，当节气门较大开度时，整个进气系统管路总长较长，且各段管路的拐弯，变截面及压力波干涉等因素；较大的泵气损失主要来源于当节气门较小开度时，发动机需求的进气量较小，而传统发动机进气系统则必须维持较高的真空度来实现对应的部分负荷工况，维持进气真空度造成了大量的泵气功损失。从而导致总体发动机热效率低，并影响发动机燃油经济性。若采用连续可变升程的配气机构，可以一定程度上减小泵气损失，但使得发动机机械结构极度复杂，在可靠性和成本控制方面造成负面影响。

随着混合动力技术的大量投入应用，比如内燃机-电机混合动力这种技术方案，在整车行驶工况下，混动内燃机工况与传统车辆形式下纯内燃机工况发生了极大的变化，并且传统发动机结构及原理方面带来的弊端，使得燃油经济性和成本控制不易平衡。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术中存在的不足而提供发动机压缩空气供给系统、发动机及发动机控制方法。

本发明的目的是这样实现的：一种发动机压缩空气供给系统，其特征在于：包括电控模块和储气罐，储气罐上设置有与电控模块电连接的压力传感器和保压阀，本系统还包括主压缩机和辅助压缩机，主压缩机和辅助压缩机分别与储气罐的进气口相连接，主压缩机、辅助压缩机与储气罐的进气口相连接的进气管路上设置有单向截止阀，所述辅助压缩机的动力源为辅助压缩机电机，辅助压缩机电机与电控模块电连接，所述储气罐的出气管路上设置高压压缩空气喷嘴，所述高压压缩空气喷嘴与电控模块相连接。

进一步优化，所述主压缩机由发动机曲轴带动的主传动带轮驱动或发动机废气涡轮增压器驱动。

一种应用发动机压缩空气供给装置缸内直喷的发动机，所述发动机包括缸体，缸体内设置有燃烧室，燃烧室内设置有活塞，带动活塞做直线往复运动的曲柄连杆机构，曲柄连杆机构的下端连接有曲轴，其特征在于：所述缸体上设置有火花塞、高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴，高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴的喷射口直接位于燃烧室的顶部，所述火花塞和高压燃料直喷喷嘴与电控模块相连接，缸体的缸盖上设置有排气门，排气门上设置有排气阀，缸盖上还设置有控制排气阀开闭的凸轮轴，凸轮轴上方设置有凸轮轴相位传感器，凸轮轴相位传感器与电控模块相连接。

进一步优化，所述高压压缩空气喷嘴在缸体的缸盖上设置角度不同，不同角度的高压压缩空气喷嘴在燃烧室内的喷射方向不相同，喷射角度根据发动机型式设计成不一样的。

进一步优化，所述高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴的轴线在气缸内相交，两者的喷射区域具有共同重合的区域。

进一步优化，发动机应用于油电混合动力驱动系统，发动机的输出轴带动油电混合动力系统中的混动电动机工作，同时，发动机的启动也依靠混动电动机反拖发动机实现。

一种应用发动机压缩空气供给装置缸内直喷发动机的控制方法，其特征在于：

启动阶段控制：电控模块控制辅助压缩机电机工作，辅助压缩机电机带动辅助压缩机工作，辅助压缩机向储气罐充气，压力传感器将储气罐的压力值发送给电控模块，当储气罐中的压力值达到标定压力时，电控模块控制发动机的起动机拖动发动机曲轴启动，电控模块根据曲轴相位传感器传送来的相位信号，控制高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴按目标相位开启，将燃料和高压压缩空气直接喷射到燃烧室内，在燃烧室内形成可燃混合气，同时，电控模块控制火花塞在目标相位点火运行；发动机的运行数据恒定到某个指定运行工况后，电控模块控制辅助压缩机退出工作，主压缩机由发动机曲轴驱动进入工作，持续为压缩储气罐提供高压压缩空气。

启动后，运行阶段控制：电控模块根据发动机反馈来的不同转速负荷来控制高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴的工作状况。

当发动机处于小负荷工作状态时，电控模块控制高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴中断某气缸的高压压缩空气和燃料供给，以灭缸的状态运行，减少燃油消耗。

当发动机负荷继续增大时，电控模块控制高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴对所有气缸供给高压压缩空气和燃料，全部气缸恢复工作，并增大高压压缩空气喷射脉宽。

当发动机负荷更大时，空气喷射脉宽继续增长，高压压缩空气压力增高，在压缩行程时，电控模块控制高压压缩空气喷嘴继续向燃烧室中喷入高压压缩空气，发动机获得更高的缸内充量，实现更高扭矩输出。

进一步优化在启动后，运行阶段控制中，当发动机负荷继续增大状态时，电控模块控制发动机在高膨胀比状态下运行。

针对现有传统发动机技术的可变进气、配气结构（CVVT、CVVL或两段式VVL）复杂程度高，控制局限性明显，工况切换时发动机运行平顺性差的缺点，本申请公开了一种应用发动机压缩空气供给装置缸内直喷ADI（Air Direct Injection）的发动机。该发动机采用高压压缩空气喷嘴为气缸供应助燃介质，可以实现灵活的配气管理，从而利用该单一结构同时实现等同于进气相位连续可变（CVVT）,进气量连续可变（CVVL），以及可变灭缸技术。以最大程度上提高发动机热效率，解决发动机传统配气机构结构复杂的不足。实现了发动机可以兼顾不同转速负荷工况下，对高热效率和高功率输出的性能平衡。

具备以下有益效果：

1、当发动机运行在低负荷运行工况时，电控模块（即ECU）可以控制高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴的工作状态，中断个别气缸的压缩空气和燃料供给喷射，以灭缸模式运行，从而减小燃油消耗，提高经济性。其灭缸的实现与传统发动机相比，结构中无需转换为0升程凸轮或推杆机构。仅由电控模块控制喷射信号即可实现，具有更灵活的设计便利性，且低负荷运行时不存在泵气损失，能够提高小负荷时机械效率。

2、当发动机运行在中低负荷工况时，电控模块（即ECU）控制高压压缩空气喷嘴的工作时长，即控制高压压缩空气喷射脉宽减小，降低发动机气缸的充量，提高缸内工质膨胀比，提高热效率。

3、当发动机运行在大负荷工况运行时，电控模块（即ECU）控制高压压缩空气喷嘴的工作时长，增加喷射脉宽，即增加压缩空气喷射持续期，同事还可通过调节主进气压缩机的功率输出，增大压缩空气储气压力，进而提高高压压缩空气喷嘴处压缩空气的出气压力，实现进气充量的提升。这种控制形式与传统通过进气门控制进气量的发动机相比，具有更灵活的动力性性能开发裕度，进气充量不再受制于进气道的阻力系数。因此相比传统气道、进气门进气发动机，具有压缩空气缸内直喷的发动机可以输出更高的功率和扭矩。

4、与传统具有进气道和进气门的燃油发动机相比，本装置从根本上避免出现进气道内积炭现象。由于压缩空气压力大，燃烧室内温度高，不易在高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴上形成积炭，在维护保养方面具有明显优势。

附图说明

图1为本申请中发动机的结构原理图；

图2为本申请中发动机的控制原理图；

图中：1、电控模块（ECU）；2、储气罐；3、压力传感器；4、保压阀；5、主压缩机；6、辅助压缩机；7、单向截止阀；8、辅助压缩机电机；9、传动带；10、泵轮；11、高压压缩空气喷嘴；12、缸体；13、燃烧室；14、活塞；15、曲柄连杆机构；16、火花塞；17、高压燃料直喷喷嘴；18、排气阀；19、凸轮轴信号盘；20、凸轮轴相位传感器；21、混动电动机。

具体实施方式

实施例中，如图1~图2所示，

一种应用发动机压缩空气供给装置缸内直喷的发动机，包括发动机压缩空气供给系统，所述发动机压缩空气供给系统包括电控模块1和储气罐2，储气罐2的罐体上设置有与电控模块1电连接的压力传感器3和保压阀4，压力传感器3检测储气罐2罐体内的压力值，并将该压力值信号传送给电控模块1，以便电控模块对本装置的各个组成部分做有机的调控，电控模块通过控制保压阀4的开闭状态转换，将储气罐2内的空气压力控制在与发动机工作负荷相适应的压力范围内。

储气罐2的进气口上通过金属管连接有主压缩机5和辅助压缩机6，主压缩机5、辅助压缩机6与储气罐的进气口相连接的进气功能的金属管上分别设置有单向截止阀7，主压缩机5、辅助压缩机6与储气罐2之间的进气用金属管路之间的关系为并联关系。所述辅助压缩机6的动力源为辅助压缩机电机8，辅助压缩机电机8通过皮带直接驱动辅助压缩机6的泵轮运行，辅助压缩机电机8与电控模块1电连接，辅助压缩机电机8接收电控模块1的指令信号，进行工作状态调整。

在本实施例中主压缩机5由发动机带动，具体传动结构如下：发动机曲轴带动发动机的主传动带轮转动，转动带动驱动安装在其上的传动带9，将通过传动带9的驱动力传递给主压缩机的泵轮10，泵轮10与主压缩机5叶轮为轴连接，从而驱动主压缩机5工作。在其它实施例中，主压缩机5泵轮可以与发动机废气涡轮增压机传动连接，由发动机废气涡轮增压器对主压缩机5驱动，实现对储气罐2的蓄压。

所述储气罐2的出气管路上还设置高压压缩空气喷嘴11，所述高压压缩空气喷嘴11与电控模块1相连接，电控模块1对高压压缩空气喷嘴11的工作状态进行控制。

所述发动机还包括缸体12，燃烧室13，缸体12的缸筒内设置有活塞14，带动活塞14做直线往复运动的曲柄连杆机构15，曲柄连杆机构15的下端连接有曲轴，发动机上设置有启动电机。所述缸体上设置有火花塞16、高压燃料直喷喷嘴17和高压压缩空气喷嘴11，高压燃料直喷喷嘴17和高压压缩空气喷嘴11的喷射口直接位于燃烧室的顶部，所述高压燃料直喷喷嘴17和高压压缩空气喷嘴11的轴线在气缸内相交，两者的喷射区域具有共同重合的区域，有利于喷射到燃烧室内的高压燃料颗粒和高压压缩气体形成均质混合气。

进一步的，在燃料喷射侧置于气缸喷射的形态下，高压压缩空气喷嘴11的主要喷射方向，在燃烧室纵剖面上，与燃烧室顶面形成切向夹角，高压燃料直喷喷嘴17的主要喷射方向从气缸侧面指向燃烧室中心，这种情况下有利于形成缸内强滚流流场，这种结构适用于点燃式发动机。

进一步的，在燃料喷射顶置于气缸喷射的形态下，高压压缩空气喷嘴11的主要喷射方向，在燃烧室横断剖面上，与燃烧室侧壁圆周形成切向夹角，高压燃料直喷喷嘴17的主要喷射方向从燃烧室顶部指向燃烧室中心，这种情况下有利于形成缸内强涡流流场，这种结构适用于压燃式发动机。

所述火花塞16上的点火线圈和高压燃料直喷喷嘴17与电控模块1相连接，缸体的缸盖上设置有排气门，排气门上设置有排气阀18，缸盖上还设置有控制排气阀开闭的凸轮轴，凸轮轴上设置有凸轮轴信号盘19， 凸轮轴信号盘19上方设置有凸轮轴相位传感器20，凸轮轴相位传感器20与电控模块1相连接。凸轮轴信号盘安装在排气凸轮轴上，由正时系统所驱动，每旋转一圈，发动机完成4个冲程的工作循环。电控模块1根据采集到的凸轮轴相位信号，对高压压缩空气喷嘴11、火花塞16上的点火线圈和高压燃料直喷喷嘴17等的工作状态进行精准控制。在其它实施例中发动机，比如以柴油为燃料的发动机，发动机的缸盖上不设置火花塞，而是以压燃的方式燃烧做功。

本发动机应用于油电混合动力驱动系统，发动机的输出轴带动油电混合动力系统中的混动电动机21工作。通过电控模块1的联合控制，让发动机的燃油经济性和成本控制在平衡区间内。

基于本发动机的新型结构形式，本发动机的控制方法，包括以下两个阶段：

启动阶段控制：当驾驶员启动车辆后，电控模块1首先启动辅助压缩机电机8工作，辅助压缩机电机8由车辆本身搭载的高压电池组提供起动蓄能能量，辅助压缩机电机8带动辅助压缩机6工作，辅助压缩机6向储气罐2进行预充气，当辅助压缩机电机8工作时，辅助压缩机6与储气罐2之间管路上的单向截止阀7打开，主压缩机5与储气罐2之间管路上的单向截止阀7截止，从确保而储气罐2蓄压过程。压力传感器3将检测到的储气罐2内部的压力值发送给电控模块1，当储气罐2中的压力值达到标定压力时，电控模块1控制发动机的起动机拖动发动机曲轴起动，电控模块1根据曲轴相位传感器18传送来的曲轴相位信号，控制高压燃料直喷喷嘴17和高压压缩空气喷嘴11按目标相位开启，将燃料和高压压缩空气直接喷射到燃烧室内，在燃烧室内形成可燃混合气，同时，电控模块控制火花塞在目标相位点火运行，即压缩冲程的结尾点火运行；发动机的转速、水温、缸内压力等运行数据恒定到正常运行工况后，电控模块1给辅助压缩机电机8断电，控制辅助压缩机6退出工作，辅助压缩机6与储气罐2之间管路上的单向截止阀7截止，主压缩机5与储气罐2之间管路上的单向截止阀7打开，主压缩机5由发动机曲轴驱动进入工作，持续为储气罐2提供高压压缩空气。

启动后，运行阶段控制：电控模块1根据发动机反馈来的不同转速负荷等工作状态信号，主要控制高压燃料直喷喷嘴17和高压压缩空气喷嘴11的工作状况，进而达到控制发动机的目的。

当发动机处于小负荷工作状态时，电控模块1控制高压燃料直喷喷嘴17和高压压缩空气喷嘴11中断某气缸的高压压缩空气和燃料供给，让发动机以灭缸的状态运行，减少燃油消耗，提高燃油经济性。

当发动机负荷继续增大时，电控模块1控制高压燃料直喷喷嘴17和高压压缩空气喷嘴11对所有气缸供给高压压缩空气和燃料，发动机全部气缸恢复工作，电控模块1控制高压压缩空气喷嘴11增大高压压缩空气喷射脉宽，从而提供发动机的动力性能，此时发动机还可以实现高膨胀比运行，提高发动机热效率 。

当发动机负荷更大时，电控模块1控制高压压缩空气喷嘴11空气喷射脉宽继续增长，电控模块1控制保压阀4和辅助压缩机6，辅助压缩机6重新工作，与主压缩机5一同向储气罐2提供高压空气，提高储气罐2内高压压缩空气压力，在吸气行程由高压压缩空气喷嘴11将增压后的高压压缩空气喷入到燃烧室中，由在发动机压缩行程时，电控模块1控制高压压缩空气喷嘴11继续向燃烧室中喷入高压压缩空气，发动机获得更高的缸内充量，从而实现更高扭矩输出。高压压缩空气喷嘴11的喷射主要在四冲程发动机的进气冲程进行，在某些工况下，高压压缩空气喷嘴11也可在压缩冲程继续喷射高压压缩空气。判断依据为凸轮轴相位传感器20的相位信号，该信号依据凸轮轴信号盘22所旋转到的当前位置而定。凸轮轴信号盘安装在排气凸轮轴上，由正时系统所驱动，每旋转一圈，发动机完成4个冲程的工作循环。

在启动后，运行阶段，发动机基本进气-排气供给路径表述为，从空滤21引入新鲜空气，经主压缩机5压缩后，空气经单向截止阀7单向通过后进入储气罐2内。储气罐2的压力稳定由保压阀21和辅助压缩机15来实现控制。储气罐2内高压空气经高压压缩空气喷嘴11，当发动机处于进气冲程，电控模块1对高压压缩空气喷嘴11发送开启信号，高压压缩空气喷嘴11开启，将储气罐2内高压空气经高压压缩空气喷嘴11直接喷入发动机气缸内。燃料供给方面，可在发动机进气冲程和压缩冲程，由高压燃料直喷喷嘴17直接对缸内喷入燃料，与高压压缩空气喷嘴11喷入的高压压缩空气一起形成混合气。做功行程，混合气被火花塞点燃后膨胀做功，推动活塞2下行，为车辆提供动能。排气行程，排气门开启，已燃废气从排气道排入发动机排气系统中，本装置的点火做功行程与排气行程与传统内燃机在过程上相一致。至此完成基本的四冲程发动机工作循环。

储气罐内压缩空气控制方法：压力传感器3将压力信号发送给电控模块1，电控模块1根据标定数据，当发动机处于对应工况时，储气罐2有相应的目标压力阈值。当储气罐2压力超过规定阀值，电控模块1控制保压阀4开启泄压，储气罐2罐内压力回落到正常水平，保压阀4关闭；当储气罐2罐内压力低于规定阀值，电控模块1控制辅助压缩机6启动，与主压缩机5协同工作，共同对储气罐20提供压缩空气，储气罐2罐内压力上升到规定阀值后，电控模块1控制辅助压缩机6退出工作，主压缩机5继续工作，维持储气罐2罐内压力保持标定阀值范围。

本装置灵活的压缩空气充气控制，可以实现发动机不同工况下从熄缸、高膨胀比到高压缩比的平滑过渡，全面平衡发动机的经济性和动力性。并具有相对简单的机械结构。

上述实例仅为本发明的已有的实例而已，并不用以限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，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 (5)

1.一种应用发动机压缩空气供给装置缸内直喷的发动机控制方法，所述发动机包括缸体，缸体内设置有燃烧室，燃烧室内设置有活塞，带动活塞做直线往复运动的曲柄连杆机构，曲柄连杆机构的下端连接有曲轴，其特征在于：包括电控模块和储气罐，储气罐上设置有与电控模块电连接的压力传感器和保压阀，还包括主压缩机和辅助压缩机，主压缩机和辅助压缩机分别与储气罐的进气口相连接，主压缩机、辅助压缩机与储气罐的进气口相连接的进气管路上设置有单向截止阀，所述辅助压缩机的动力源为辅助压缩机电机，辅助压缩机电机与电控模块电连接，所述储气罐的出气管路上设置高压压缩空气喷嘴，所述高压压缩空气喷嘴与电控模块相连接;

所述缸体的缸盖上设置有火花塞、高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴，高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴的喷射口直接位于燃烧室的顶部，所述火花塞和高压燃料直喷喷嘴与电控模块相连接，缸体的缸盖上设置有排气门，排气门上设置有排气阀，缸盖上还设置有控制排气阀开闭的凸轮轴，凸轮轴上方设置有凸轮轴相位传感器，凸轮轴相位传感器与电控模块相连接；

所述发动机包括以下控制阶段：

启动阶段控制：电控模块控制辅助压缩机电机工作，辅助压缩机电机带动辅助压缩机工作，辅助压缩机向储气罐充气，压力传感器将储气罐的压力值发送给电控模块，当储气罐中的压力值达到标定压力时，电控模块控制发动机的起动机拖动发动机曲轴启动，电控模块根据曲轴相位传感器传送来的相位信号，控制高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴按目标相位开启，将燃料和高压压缩空气直接喷射到燃烧室内，在燃烧室内形成可燃混合气，同时，电控模块控制火花塞在目标相位点火运行；发动机的运行数据恒定到某个指定运行工况后，电控模块控制辅助压缩机退出工作，主压缩机由发动机曲轴驱动进入工作，持续为压缩储气罐提供高压压缩空气；

启动后，运行阶段控制：电控模块根据发动机反馈来的不同转速负荷来控制高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴的工作状况，

当发动机处于小负荷工作状态时，电控模块控制高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴中断某气缸的高压压缩空气和燃料供给，以灭缸的状态运行，减少燃油消耗，

当发动机负荷继续增大时，电控模块控制高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴对所有气缸供给高压压缩空气和燃料，全部气缸恢复工作，并增大高压压缩空气喷射脉宽，

当发动机负荷更大时，空气喷射脉宽继续增长，高压压缩空气压力增高，在压缩行程时，电控模块控制高压压缩空气喷嘴继续向燃烧室中喷入高压压缩空气，发动机获得更高的缸内充量，实现更高扭矩输出。

2.根据权利要求1所述的应用发动机压缩空气供给装置缸内直喷的发动机控制方法，其特征在于：所述高压压缩空气喷嘴在缸体的缸盖上设置角度不同，不同角度的高压压缩空气喷嘴在燃烧室内的喷射方向不相同。

3.根据权利要求1所述的应用发动机压缩空气供给装置缸内直喷的发动机控制方法，其特征在于：所述高压燃料直喷喷嘴和高压压缩空气喷嘴的轴线在气缸内相交，两者的喷射区域具有共同重合的区域。

4.根据权利要求1所述的应用发动机压缩空气供给装置缸内直喷的发动机控制方法，其特征在于：发动机应用于油电混合动力驱动系统，发动机的输出轴带动油电混合动力系统中的混动电动机工作。

5.根据权利要求1所述的应用发动机压缩空气供给装置缸内直喷的发动机控制方法，其特征在于：在启动后，运行阶段控制中，当发动机负荷继续增大状态时，电控模块控制发动机在高膨胀比状态下运行。

Images