CN114962018A - 一种四冲程发动机进排气控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四冲程发动机进排气控制方法，基于进排气系统，进排气系统包括设有多个气缸的气缸体和气缸盖；与每个气缸对应的气缸盖上的设有主进气道、进气门结构、排气道、排气门结构、与高压压缩空气单元连通的副进气道和用于开启/关闭副进气道的进气控制结构；气缸内设有活塞；方法包括：进气冲程期间，开启主进气道、关闭排气道，并将进入气缸内的空气压力调低至预设压力值；压缩冲程期间，在压缩上止点前β°CA曲轴转角时，开启副进气道、高压空气进入气缸内；在压缩上止点前(β‑α)°CA曲轴转角时，关闭副进气道。本发明可降低压缩功、膨胀功、有效燃油消耗率和最大爆发压力；大幅度地提高了柴油机的经济性和可靠性。

Description

一种四冲程发动机进排气控制方法
技术领域
本发明属于发动机技术领域，尤其涉及一种四冲程发动机进排气控制方法。
背景技术
由图1所示，柴油机的指示功是由A和B两部分的面积组成的，其中面积A占绝大部分，面积B取决于缸内进气压力和排气压力的差值，有可能是负值(排气压力大于进气压力时)。面积A部分则取决于膨胀压力和压缩压力的差值(也就是膨胀功和压缩功的差值)，压缩功与进气终了时的压力和空气质量有着直接的关系，质量大、进气多将导致压缩功的提升。随着柴油机功率的提升，进气量也必须跟着增加，才能保证缸内燃油的充分燃烧，柴油机压缩功同时上升。压缩压力线升高，为了保证面积A不变，膨胀压力线同样也跟随升高，柴油机最大爆发压力升高，极大影响了柴油机的可靠性和经济性。
如何在保证缸内足够进气的前提下，降低压缩压力线，减少压缩功呢？这样在保证面积A不变的情况下，压缩压力线较低时，膨胀压力线也可以跟着下移，最大爆发压力降低，燃油消耗率降低，极大提高柴油机的可靠性和经济性。
发明内容
旨在克服上述现有技术中存在的不足，本发明解决的技术问题是，提供了一种四冲程发动机进排气控制方法；在保证缸内足够进气的前提下，可降低最大爆发压力和燃油消耗率，极大提高了柴油机的可靠性和经济性。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种四冲程发动机进排气控制方法，基于进排气系统，所述进排气系统包括气缸体和气缸盖；所述气缸体上设有多个气缸，与每个所述气缸对应的所述气缸盖上的设有主进气道、用于开启/关闭所述主进气道的进气门结构、排气道和用于开启/关闭所述排气道的排气门结构；所述气缸内设有活塞；与每个所述气缸对应的所述气缸盖上还设有副进气道和用于开启/关闭所述副进气道的进气控制结构；所述副进气道与高压压缩空气单元连通；
所述控制方法包括：
在所述活塞的进气冲程期间，所述进气门结构开启所述主进气道、所述排气门结构关闭所述排气道，并将进入所述气缸内的空气压力调低至预设压力值；
在所述活塞的压缩冲程期间，所述进气门结构关闭所述主进气道、所述排气门结构关闭所述排气道；且在压缩上止点前β°CA曲轴转角时，所述进气控制结构开启所述副进气道、所述高压压缩空气单元提供的高压空气进入所述气缸内；在压缩上止点前(β-α)°CA曲轴转角时，所述进气控制结构关闭所述副进气道；其中，β和α为预设值，且β-α大于0。
进一步，β为50～70；α为20～30。
进一步，所述高压空气的压力为4～5MPa。
进一步，所述预设压力值等于原定压力值乘以C％；其中，C为60～80。
进一步，所述进气控制结构包括固定在所述气缸盖上的气门导管、滑动安装在所述气门导管上的气门、气门锁夹、气门弹簧和驱动件；
所述气门锁夹与所述气门的杆部固定连接，所述气门弹簧设置在所述气门锁夹和所述气门导管的限位面之间，所述气门的头部伸入所述副进气道的出气端；在所述驱动件的驱动下，所述气门的头部向所述气缸方向伸出所述出气端、开启所述副进气道；所述气门弹簧用于提供弹性力，所述弹性力用于使所述气门的头部背离所述气缸方向进入所述出气端、关闭所述副进气道。
进一步，所述驱动件为与发动机ECU电连接的电磁阀或液压控制阀。
进一步，所述副进气道的截面积小于所述主进气道的截面积。
进一步，所述进排气系统还包括控制所述进气门结构动作的进气凸轮轴和控制所述排气门结构动作的排气凸轮轴。
进一步，与所述气缸对应的所述气缸盖上设有喷油器。
进一步，所述控制方法还包括：
在所述活塞的做功冲程期间，所述进气门结构关闭所述主进气道、所述排气门结构关闭所述排气道；
在所述活塞的排气冲程期间，所述进气门结构关闭所述主进气道、所述排气门结构开启所述排气道。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的有益效果如下：
本发明中四冲程发动机进排气控制方法，基于进排气系统，进排气系统包括气缸体和气缸盖；气缸体上设有多个气缸，与每个气缸对应的气缸盖上的设有主进气道、用于开启/关闭主进气道的进气门结构、排气道和用于开启/关闭排气道的排气门结构；气缸内设有活塞；与每个气缸对应的气缸盖上还设有副进气道和用于开启/关闭副进气道的进气控制结构；副进气道与高压压缩空气单元连通；方法包括：在活塞的进气冲程期间，进气门结构开启主进气道、排气门结构关闭排气道，并将进入气缸内的空气压力调低至预设压力值(通过选配低压力的增压器来调整进气气缸内的空气压力)；在活塞的压缩冲程期间，进气门结构关闭主进气道、排气门结构关闭排气道；且在压缩上止点前β°CA曲轴转角时，进气控制结构开启副进气道、高压压缩空气单元提供的高压空气进入气缸内；在压缩上止点前(β-α)°CA曲轴转角时，副进气控制结构关闭副进气道；其中，β和α为预设值，且β-α大于0。即，活塞在运动到压缩上止点前，副进气道开启一段时间后关闭。
可通过二次进气的进气控制结构和副进气道来保证气缸内有足够的空气、确保燃油的充分燃烧；那么相比常规进气系统而言就可以通过选配低压力的增压器来调低进气冲程期间气缸内的空气压力，这样进气终了时气缸内空气的压力和质量较常规进气系统均得到降低，压缩压力线下移，压缩功降低；相应地膨胀功也可以跟着降低，最大爆发压力和燃油消耗率也会跟着降低；极大提高柴油机的可靠性和经济性。
附图说明
图1是常规四冲程柴油机循环P-V图；
图2是本发明进排气系统的部分结构示意图；
图3是图2中A_A结构剖视图；
图4是改进前后四冲程柴油机循环P-V图；
图5是改进前后缸内燃气质量变化图；
图6是本发明四冲程发动机进排气控制方法的逻辑图；
图中：1-气缸盖，2-气缸，3-主进气道，4-进气门结构，5-排气道，6-排气门结构，7-活塞，8-副进气道，9-进气控制结构，91-气门导管，92-气门，93-气门锁夹，94-气门弹簧，95-驱动件，10-进气凸轮轴，11-排气凸轮轴，12-喷油器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由图2至图4所示，本实施例公开了一种四冲程发动机进排气系统，包括气缸体和气缸盖1；气缸体上设有多个气缸2，与每个气缸2对应的气缸盖1上的设有主进气道3、用于开启/关闭主进气道3的进气门结构4、排气道5和用于开启/关闭排气道5的排气门结构6；气缸2内设有活塞7；进排气系统还包括控制进气门结构4动作的进气凸轮轴10和控制排气门结构6动作的排气凸轮轴11；每个气缸2对应的气缸盖1上还设有喷油器12。上述结构与现有技术基本基本相同，在此不一一展开；下面仅针对改进之处进行详细阐述：本实施例中，与每个气缸2对应的气缸盖1上还设有副进气道8和用于开启/关闭副进气道8的进气控制结构9；副进气道8与高压压缩空气单元连通。
本实施例还公开了一种基于上述四冲程发动机进排气系统的四冲程发动机进排气控制方法；具体包括：
在活塞7的进气冲程期间，进气门结构4开启主进气道3、排气门结构6关闭排气道5，并将进入气缸2内的空气压力调低至预设压力值(可以通过选配低压力的增压器来调低进气冲程期间气缸2内的空气压力)。
在活塞7的压缩冲程期间，进气门结构4关闭主进气道3、排气门结构6关闭排气道5；且在压缩上止点前β°CA曲轴转角时，进气控制结构9开启副进气道8、高压压缩空气单元提供的高压空气进入气缸2内；在压缩上止点前(β-α)°CA曲轴转角时，进气控制结构9关闭副进气道8；其中，β和α为预设值，且β-α大于0。换言之，活塞7在运动到压缩上止点前，副进气道8开启一段时间后关闭，保证气缸2具有充足的空气，确保燃油的充分燃烧。
在活塞7的做功冲程期间，进气门结构4关闭主进气道3、排气门结构6关闭排气道5。
在活塞7的排气冲程期间，进气门结构4关闭主进气道3、排气门结构6开启排气道5。
为了便于对本实施例的了解，下面对“压缩上止点前β°CA曲轴转角时”进行解释，本领域技术人员通常会用曲轴转角(相位)来诠释活塞7的运动。假如活塞7运动到压缩上止点时曲轴转角为360°CA；那么“压缩上止点前β°CA曲轴转角时”是指曲轴转角为(360-β)°CA时。
本实施例中，β优选为50～70；α优选为20～30；副进气道8开启到关闭角度尽量小，优选在不造成气缸2内空气倒灌的前提下尽量靠近压缩上止点，减少压缩功。其中，高压空气的压力优选为4～5MPa。预设压力值等于原定压力值(常规四冲程柴油机配备的增压器所提供的进气压力值)乘以C％；其中，C为60～80。副进气道8的截面积小于主进气道3的截面积。
由于用于二次进气的进气控制结构9和副进气道8可以保证气缸2内有足够的空气、确保燃油的充分燃烧；那么相比常规进气系统而言就可以通过选配低压力的增压器来调低进气冲程期间气缸2内的空气压力，这样进气终了时气缸2内空气的压力和质量较常规进气系统均得到降低，压缩压力线下移，压缩功降低；相应地膨胀功也可以跟着降低，最大爆发压力和燃油消耗率也会跟着降低；极大提高柴油机的可靠性和经济性。
本实施例中，进气控制结构9包括固定在气缸盖1上的气门导管91、滑动安装在气门导管91上的气门92、气门锁夹93、气门弹簧94和驱动件95；气门锁夹93与气门92的杆部固定连接，气门弹簧94设置在气门锁夹93和气门导管91的限位面之间，气门92的头部伸入副进气道8的出气端；在驱动件95的驱动下，气门92的头部向气缸2方向伸出出气端、开启副进气道8；气门弹簧94用于提供弹性力，弹性力用于使气门92的头部背离气缸2方向进入出气端、关闭副进气道8。其中，驱动件为与发动机ECU电连接的电磁阀(通电，控制气门92向气缸2方向运动，断电，弹性力使气门92向背离气缸2方向复位)或液压控制阀(控制进回油方向控制气门92动作)。
以某柴油机为研究对象，借助仿真计算手段，进行整机热力学和缸内燃烧仿真计算。从仿真计算结果来看，在柴油机同标定工况下，采用上述的进排气系统及进排气控制方法，压缩功和膨胀功均得到降低，燃油消耗率和最大爆发压力均有较大幅度降低；在原机的基础上，缸内最大爆发压力降低了7.1％，有效燃油消耗率降低了7.38％，整机热效率提升了3.37％，同时NOx排放值还降低了31％；参见图5和图6。
综上所述，本发明可降低压缩功、膨胀功、有效燃油消耗率和最大爆发压力；大幅度地提高了柴油机的经济性和可靠性。同时排放还得以降低，有助于环境保护的改善。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种四冲程发动机进排气控制方法，基于进排气系统，所述进排气系统包括气缸体和气缸盖；所述气缸体上设有多个气缸，与每个所述气缸对应的所述气缸盖上的设有主进气道、用于开启/关闭所述主进气道的进气门结构、排气道和用于开启/关闭所述排气道的排气门结构；所述气缸内设有活塞；其特征在于，与每个所述气缸对应的所述气缸盖上还设有副进气道和用于开启/关闭所述副进气道的进气控制结构；所述副进气道与高压压缩空气单元连通；
所述控制方法包括：
在所述活塞的进气冲程期间，所述进气门结构开启所述主进气道、所述排气门结构关闭所述排气道，并将进入所述气缸内的空气压力调低至预设压力值；
在所述活塞的压缩冲程期间，所述进气门结构关闭所述主进气道、所述排气门结构关闭所述排气道；且在压缩上止点前β°CA曲轴转角时，所述进气控制结构开启所述副进气道、所述高压压缩空气单元提供的高压空气进入所述气缸内；在压缩上止点前(β-α)°CA曲轴转角时，所述进气控制结构关闭所述副进气道；其中，β和α为预设值，且β-α大于0。
2.根据权利要求1所述的四冲程发动机进排气控制方法，其特征在于，β为50～70；α为20～30。
3.根据权利要求1所述的四冲程发动机进排气控制方法，其特征在于，所述高压空气的压力为4～5MPa。
4.根据权利要求1所述的四冲程发动机进排气控制方法，其特征在于，所述预设压力值等于原定压力值乘以C％；其中，C为60～80。
5.根据权利要求1所述的四冲程发动机进排气控制方法，其特征在于，所述进气控制结构包括固定在所述气缸盖上的气门导管、滑动安装在所述气门导管上的气门、气门锁夹、气门弹簧和驱动件；
所述气门锁夹与所述气门的杆部固定连接，所述气门弹簧设置在所述气门锁夹和所述气门导管的限位面之间，所述气门的头部伸入所述副进气道的出气端；在所述驱动件的驱动下，所述气门的头部向所述气缸方向伸出所述出气端、开启所述副进气道；所述气门弹簧用于提供弹性力，所述弹性力用于使所述气门的头部背离所述气缸方向进入所述出气端、关闭所述副进气道。
6.根据权利要求5所述的四冲程发动机进排气控制方法，其特征在于，所述驱动件为与发动机ECU电连接的电磁阀或液压控制阀。
7.根据权利要求1所述的四冲程发动机进排气控制方法，其特征在于，所述副进气道的截面积小于所述主进气道的截面积。
8.根据权利要求1所述的四冲程发动机进排气控制方法，其特征在于，所述进排气系统还包括控制所述进气门结构动作的进气凸轮轴和控制所述排气门结构动作的排气凸轮轴。
9.根据权利要求1所述的四冲程发动机进排气控制方法，其特征在于，与所述气缸对应的所述气缸盖上设有喷油器。
10.根据权利要求1所述的四冲程发动机进排气控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
在所述活塞的做功冲程期间，所述进气门结构关闭所述主进气道、所述排气门结构关闭所述排气道；
在所述活塞的排气冲程期间，所述进气门结构关闭所述主进气道、所述排气门结构开启所述排气道。
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