CN1534179A - 一种高压缩比点燃式灵活燃料发动机 - Google Patents

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程凤岐
赵洪旺
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Abstract

本发明涉及一种高压缩比点燃式灵活燃料发动机，它包括：一个可实现高压缩比的燃烧室，一个采用击穿点火原理的点火系统，一个电子控制单元(ECU)、氧传感器和喷油器。本发动机能够最大限度地提高发动机压缩比，从而提高发动机的动力性和经济性，并能使发动机实现可以随意灵活地使用汽油、或甲醇、或乙醇、或甲醇与汽油任意混合、或乙醇与汽油任意混合五种燃料之一的燃料。

Description

一种高压缩比点燃式灵活燃料发动机
技术领域
本发明涉及一种高压缩比点燃式灵活燃料发动机，具体涉及每缸至少一个进气门和一个排气门，双顶置凸轮轴的高压缩比点燃式灵活燃料发动机。
背景技术
汽车是石油资源的消耗大户，随着汽车保有量的迅速增加和石油资源的日渐枯竭，解决汽车的节能和代用燃料问题是世界各国共同关注的问题。
目前汽车使用的发动机主要为使用柴油燃料的柴油机和使用汽油燃料的汽油机。柴油机和汽油机由于燃料特性不同，采用的着火方式也不同，柴油机采用压燃式，汽油机采用点燃式。发动机的压缩比是指当活塞位于下止点时的气缸总容积与活塞位于上止点时的燃烧室容积之比，是发动机的一个重要结构参数，柴油机压缩比一般为20左右，汽油机为10左右。通常压缩比高，发动机的热效率就高，柴油机经济性好于汽油机的主要原因就是压缩比高。解决汽油机的节能问题，有许多方法，而提高压缩比一直是人们孜孜以求的主要改进方向，但是由于汽油燃料的特性，当压缩比提高到一定时，要产生爆震燃烧，从而造成发动机燃烧失控、局部过热、机件加速磨损甚至损伤。传统的汽油机(化油器式)，根据最易发生爆震的工况(如最大扭矩工况)选择压缩比，一般最高为9左右。而现代汽油机由于采取了电控系统，为提高压缩比提供了一定条件，发动机可以在大部分工况下以较高压缩比正常燃烧，当发生爆震时，通过爆震传感器采集爆震信号，反馈给电子控制单元(ECU)，由ECU给点火线圈指令，推迟点火提前角，用以消除爆震，一般压缩比最高为11左右，压缩比的提高是有限的。为了进一步提高压缩比，而同时又不发生爆震，目前提出许多改进发动机实现压缩比提高的建议，例如：德国TK设计股份公司申报的中国专利(公开号CN1176678A)中所述，有令曲轴相对汽缸升降、汽缸长度可变、活塞长度可变、燃烧室设容积可变的副室以及曲柄半径可变等多种方法。所有这些方法，都能实现提高压缩比的目的，从而达到提高功率、降低油耗，但却使发动机结构变得复杂，可靠性下降，制造成本上升，因此没有一种真正推广应用。
汽车代用燃料世界各国进行了许多研究，其中甲醇和乙醇作为代用燃料是研究的热点之一，研究成果表明：甲醇和乙醇都可作为点燃式发动机使用的代用燃料，而且是比汽油更有利于环保的的清洁燃料。但是根据燃料特性，甲醇、乙醇燃料也存在一些不利因素，如冷起动困难、燃料供应系统不健全等问题，使推广和发展受到制约。
本发明的目的是提供一种高压缩比点燃式灵活燃料发动机，该发动机可实现高压缩比、高点火能量，改进燃烧过程，提高燃烧效率，极大地降低油耗，提高功率，并能使该发动机随意选择汽油、甲醇、乙醇、汽油和甲醇任意混合以及汽油和乙醇任意混合五种燃料中任一种作为燃料使用，克服和解决已有技术的不足和缺陷。
发明内容
为了达到上述目的，本发明的构成如下：
根据本发明的一个方面，提供一种高压缩比点燃式灵活燃料发动机，它包括汽缸2、燃烧室12、点火系统、电子控制单元ECU 6、氧传感器8和喷油器5，其中，每个汽缸2设置有至少一个进气门3和至少一个排气门10，气缸盖底面13的排气门3处向内凹进形成一个浴盆形的燃烧室12，进气门3与燃烧室12之间有一条浅槽14相通，火花塞11布置在燃烧室12内排气门10附近，气缸总容积与上述燃烧室容积的比值即压缩比为12-16。
根据本发明的另一方面，提供一种高压缩比点燃式灵活燃料发动机，其中，所述的氧传感器8设置于排气管9上用以识别空气燃料的比值，通过电子线路将空气燃料比反馈给电子控制单元ECU 6，随后电子控制单元ECU 6对空气燃料比进行处理，并给喷油器5发出指令，以缩小或增加喷油器5的喷油时间，实现对空燃比的控制。
根据本发明的又一方面，提供一种高压缩比点燃式灵活燃料发动机，其中，发动机所用的燃料为汽油、甲醇、乙醇、甲醇与汽油任意比例混合的混合物、或乙醇与汽油任意比例混合的混合物。
本发明的优点是在基本不用增加成本的前提下，通过优化设计使发动机实现高压缩比，从而改进燃烧过程，提高燃烧效率，最大限度地降低油耗、增加功率、减少排放，并能灵活地使用汽油、或甲醇、或乙醇、或汽油和甲醇任意混合、或汽油和乙醇任意混合五种燃料中任意一种。
附图说明
附图1为大大简化示意表示的根据本发明第一实施例或第二实施例I-I’剖面结构图；
附图2为第一实施例气缸盖仰视图；
附图3为第二实施例气缸盖仰视图；
附图4为电子控制装置ECU控制空燃比的流程框图。
具体实施方式
下面将参照附图，对本发明进行详细描述。
在附图中，1为活塞，2为汽缸，3为进气门，4为进气管，5为喷油器，6为电子控制单元ECU，7为点火线圈，8为氧传感器，9为排气管，10为排气门，11为火花塞，12为燃烧室，13为气缸盖底面，14为导向浅槽，15为高压线。
如图1所示，喷油器5位于进汽管4上，氧传感器8位于排气管9上，喷油器5与氧传感器8分别与电子控制单元ECU 6相连，ECU根据氧传感器8所采集的空燃比数值，从而向喷油器5发出指令，增大或减小喷油量。点火线圈7通过高压线15与火花塞11相连，同时也与电子控制单元ECU 6进行电相连，接收ECU 6的指令，并根据ECU 6的指令动作，例如点火时间、点火时间的长短和点火能量的高低等。
图2示出了本发明的一个实施例。图2为该实施例的汽缸盖的仰视图，从图中可以看出，每个汽缸2的缸盖上设置有一个进气门3和一个排气门10，气缸盖底面13的排气门10处向内凹进一个浴盆形的燃烧室12，进气门3与燃烧室12之间有导向浅槽14相通，火花塞11布置在燃烧室12内排气门10附近。
图3示出了本发明的另一实施例。图3为该实施例的汽缸盖的仰视图，从图中可以看出，每个汽缸2的缸盖上设置有两个进气门3和两个排气门10，气缸盖底面13的两个排气门10处向内凹进一个浴盆形的燃烧室12，进气门3与燃烧室12之间有导向浅槽14相通，火花塞11布置在燃烧室12内靠近两个排气门10的地方。
上述两个实施例的燃烧室12，结构设计非常紧凑，火焰传播距离非常短，由于挤流和旋流的作用使燃烧速度加快，从而可以实现使用较高的压缩比，压缩比可达12-16，而又不发生爆震。
本发明还采用击穿点火原理的点火系统，该系统的基本工作原理为足够高的点火能量储存于离火花塞最近的电容中，在高电压下在极短的击穿阶段将能量快速释放，释放时间长短根据发动机工况可以调整。该系统包括点火线圈7，高压线15和火花塞11。目前发动机使用的点火系统，点火要经历击穿、电弧和辉光三个阶段，放电主要在辉光阶段。本发明采用的点火系统与目前使用的点火系统比具有点火能量高、放电时间快的特点，有利于提高火焰传播速度，推迟点火提前角，提高压缩比。
图4示出了ECU控制空燃比的流程框图。图中点虚线所在的位置即为ECU 6。从图中可以看出，曲轴位置传感器与ECU 6的曲轴位置数据输入端口相连，将采集到的转速信号传递给ECU 6；节气门位置传感器和进气压力传感器也分别与ECU 6的负荷信号输入端口连接，将其采集的负荷信号传递给ECU 6；安装在排气管9上的氧传感器8与ECU的空燃比输入信号端口连接，将其采集到的空燃比信号传递给ECU 6；ECU 6根据上述数据，确定基本喷油脉宽，同时将氧传感器8采集的空燃比信号与理论空燃比λ＝14.6比较，对基本喷油脉宽进行修正，λ＞14.6时给安装在进气管上的喷油器5与一个增加喷油脉宽的指令，当λ＜14.6时，给喷油器5一个减少喷油脉宽的指令，由此完成对空燃比的控制。
根据上述ECU控制原理，本发明所用燃料可为汽油、或甲醇、或乙醇、或汽油和甲醇任意混合、或汽油和乙醇任意混合五种燃料之一。在本发明中，由在排气管9上布置的氧传感器8识别空气和燃料的比例，当空燃比浓时，即在本发明中为当λ＜14.6时，反馈给ECU一个信号，经ECU处理后给布置在进气管上的喷油器发出指令，缩短喷油时间，当空燃比稀时，即在本发明中为当λ＞14.6时，让喷油器增加喷油时间，从而实现对空燃比的控制，摆脱甲醇、乙醇等代用燃料发动机推广过程中由于燃料供给系统制约带来的影响，使发动机成为灵活燃料发动机。同时因为使用甲醇或乙醇燃料时发动机存在冷起动困难的问题，本发明的高压缩比特征，可使压缩后燃气温度提高，有利于冷起动，本发明采用击穿点火系统的特征，具有高的点火能量，有利于冷起动，本发明采用的电子控制系统的特征，可以实现对点火时间和点火能量的精确控制，有利于冷起动。通过上述三个特征，可解决使用甲醇或乙醇燃料发动机存在的冷起动困难问题。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的实际替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

Claims (3)

1、一种高压缩比点燃式灵活燃料发动机，它包括汽缸(2)、燃烧室(12)、点火系统、电子控制单元ECU(6)、氧传感器(8)和喷油器(5)，其特征在于，每个汽缸(2)设置有至少一个进气门(3)和至少一个排气门(10)，气缸盖底面(13)的排气门(3)处向内凹进形成一个浴盆形的燃烧室(12)，进气门(3)与燃烧室(12)之间有一条浅槽(14)相通，火花塞(11)布置在燃烧室(12)内排气门(10)附近，气缸总容积与上述形成的燃烧室(12)容积的比值即压缩比为12-16。
2.根据权利1所述的高压缩比点燃式灵活燃料发动机，其特征在于，所述的氧传感器(8)设置于排气管(9)上用以识别空气燃料的比值，通过电子线路将空气燃料比反馈给电子控制单元ECU(6)，随后电子控制单元ECU(6)对空气燃料比进行处理，并给喷油器(5)发出指令，以缩小或增加喷油器(5)的喷油时间，实现对空燃比的控制。
3、根据权利2所述的高压缩比点燃式灵活燃料发动机，其特征在于，发动机所用的燃料为汽油、甲醇、乙醇、甲醇与汽油任意比例混合的混合物、或乙醇与汽油任意比例混合的混合物。
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