CN102322360A - 一种缸内直喷汽油机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种缸内直喷汽油机及其控制方法，以降低节流损失，提高燃烧稳定性和降低油耗。本发明的缸内直喷汽油机设置了两段式的可变气门升程和可变气门正时，在小负荷工况下，电控单元控制排气门在排气冲程上止点前关闭，控制进气门在进气冲程前半部分关闭，这样在压缩冲程上止点附近形成一段负阀重叠区间，会有一部分废气残留在气缸内；并分别在进气上止点-30～30°CA范围内控制喷油器进行第一次喷射，在压缩冲程控制喷油器进行第二次喷射，这样可以利用缸内高残留的废气，提高热效率，同时保证燃烧稳定性；在大负荷工况下，电控单元控制进气门和排气门在大升程下工作，进行常规的燃油喷射和相位控制。
Description
技术领域
本发明属于汽车发动机制造技术领域，特别涉及到一种缸内直喷汽油机及其控制方法。
背景技术
与传统的电子控制进气道喷射方式相比，缸内直喷汽油机在混合气的形成上具有更多的灵活性。缸内直喷汽油机在部分负荷工况下可以实现稀燃混合气的燃烧，并能使用较大的节气门开度，从而降低泵气损失，在大负荷工况下，进气冲程进行喷射，利用汽油蒸发吸热来降低缸内混合气的温度，从而可以降低缸内汽油机的爆震倾向，因此直喷汽油机可以采用较高的压缩比，这些优点都有利于改善汽油机的燃油经济性。
但是受制于燃油品质以及稀燃排放控制技术还没有得到很好的工程应用，目前主流的缸内直喷汽油机在部分负荷下还是采取常规的当量比混合气燃烧模式，这种燃烧模式和进气道喷射一样，需要利用节气门对进气量进行控制，以便控制发动机输出负荷的大小，由于节气门的节流损失，其泵气损失功与进气道喷射基本大小相同，这就大大降低了汽油机的热效率改善效果。
缸内直喷汽油机混合气的形成方式主要有壁面引导式、气流引导式以及喷雾引导式几种。由于缸内直喷喷射时间短，尤其在部分负荷下，缸内压力较低，进气温度低，燃油雾化不良，并且一部分油粒喷射到活塞和燃烧室壁面上，导致在壁面上滞留未蒸发的液滴燃油或者较浓的混合气，进而导致碳氢和碳烟排放的增加。同时缸内非均质混合气的燃烧，又会导致NOx排放增大。
因此如何改善缸内直喷发动机部分小负荷下的燃烧情况，降低节流损失，提高燃油经济性，以及降低分层产生的NOx和湿壁产生的HC化合物，对于提升缸内直喷汽油机至关重要。
发明内容
本发明的目的是提出一种缸内直喷汽油机及其控制方法，以降低节流损失，提高燃烧稳定性和降低油耗。
本发明的缸内直喷汽油机包括电控单元、气门机构和缸内的喷油器，所述电控单元分别与喷油器、发动机控制***相连，关键在于所述气门机构对应每个缸体均设置有由第一进气门、第二进气门组成的进气门、由第一排气门、第二排气门组成的排气门，所述进气门利用进气凸轮轴控制，所述排气门利用排气凸轮轴控制，所述第一进气门、第二进气门分别利用设置于进气凸轮轴上的两个不同升程范围的凸轮控制，所述第一排气门、第二排气门分别利用设置于排气凸轮轴上的两个不同升程范围的凸轮控制，所述电控单元通过传动机构控制进气凸轮轴及排气凸轮轴上的凸轮工作。
进一步地，所述进气凸轮轴上的两个凸轮中，第一进气凸轮具有第一升程和第二升程，第二进气凸轮具有第一升程和零升程；所述排气凸轮轴上的两个凸轮中，第一排气凸轮具有第一升程和第二升程，第二排气凸轮具有第一升程和零升程；所述第二升程大于零且小于第一升程。
进一步地，所述第一进气凸轮控制第一进气门，第二进气凸轮控制第二进气门，第一排气凸轮控制第一排气门，第二排气凸轮控制第二排气门；所述电控单元将第一进气门、第一排气门分为第一组，将第二进气门、第二排气门分为第二组进行同时控制。
上述的缸内直喷汽油机的控制方法中，所述电控单元根据发动机控制***传来的发动机负荷信号来控制各进气凸轮轴及排气凸轮轴上的凸轮工作，在发动机小负荷工况下，电控单元控制第一进气门采用第二升程，控制第二进气门采用零升程，控制第一排气门采用第二升程，控制第二排气门采用零升程；在发动机大负荷工况下，电控单元控制第一进气门、第二进气门、第一排气门、第二排气门均采用第一升程。电控单元通过控制进气门和排气门的升程，使得在发动机小负荷工况下，每个汽缸只有一个进气门和一个排气门工作，且都处于小升程，在满足小负荷工况时的进气量要求的前提下，降低了气门机构的磨擦功，而且能有效的控制缸内残余EGR率的大小以及缸内温度，从而能提高进气流速，促进燃油雾化；在发动机大负荷工况下，控制四个气门在大升程下工作，并结合可变气门正时，能有效抑制低速下的爆震倾向，并且保证发动机最大功率。
进一步地，在发动机小负荷工况下，电控单元控制排气门在排气冲程上止点前关闭，控制进气门在进气冲程前半部分关闭，并分别在进气上止点-30～30°CA范围内控制喷油器进行第一次喷射，在压缩冲程控制喷油器进行第二次喷射；在发动机大负荷工况下，电控单元控制进气门和排气门在排气冲程上止点处都开启，并控制喷油器在进气冲程进行燃油喷射。在发动机小负荷工况下，喷油器采取喷雾引导两次喷射，第一次喷射在压缩上止点附近，高温下形成均质混合气，第二次喷射能在火花塞周围形成较浓的混合气，从而能进行分层均质燃烧，并且能保证在很高EGR率下燃烧稳定性；通过调节气门开启和关闭时间，可以在压缩冲程上止点附近形成一段负阀重叠区间，在这段区间排气门已经关闭，而进气门还没开启，会有一部分废气残留在气缸内。喷油器在进气上止点-30～30°CA范围内进行喷射，由于废气温度高，压力大，这样可以形成比较的均匀混合气，并能避免湿壁现象；同时缸内残余的这部分废气还可以起到气体体积稀释和降低进气密度效果，能增大节气门开度，从而能降低节流损失。具体来说，在发动机小负荷工况下，第二次喷射量占总喷油量的10～30%，能大大提高燃烧***对EGR率的容忍度，从而更进一步降低节流损失。
在发动机大负荷时，采取两个进气门工作，并且都是大升程，这样可以降低进、排气阻力。通过调节气门开启和关闭时间形成一定的气门重叠角，这样可以利用进气管增压压力大于排气背压而进行新鲜空气扫气，能减少残余废气量，降低缸内混合气温度，并在进气冲程进行燃油喷射，更进一步降低缸内混合气温度，抑制爆震的产生。
本发明的缸内直喷汽油机设置了两段式的可变气门升程和可变气门正时，以控制气门升程及关闭、开启时间，其控制方法可以利用缸内高残留的废气，提高燃烧稳定性和降低油耗。
附图说明
图1是本发明在发动机小负荷工况下的缸内直喷气门升程及喷油时间示意图。
图2是本发明在发动机大负荷工况下的缸内直喷气门升程及喷油时间示意图。
图中标示：1、小负荷工况下的燃烧压力；2、小负荷工况下的排气第二升程；3、小负荷工况下的进气第二升程；4、小负荷工况下的第一次喷射；5、小负荷工况下的第二次喷射；6、大负荷工况下的燃烧压力；7、大负荷工况下的排气第一升程；8、大负荷工况下的进气第一升程；9、大负荷工况下的喷射。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图来详细说明本发明。
实施例1：
在本实施例中，缸内直喷汽油机包括电控单元、气门机构和缸内的喷油器，所述电控单元分别与喷油器、发动机控制***相连，关键在于所述气门机构对应每个缸体均设置有由第一进气门、第二进气门组成的进气门、由第一排气门、第二排气门组成的排气门，所述进气门利用进气凸轮轴控制，所述排气门利用排气凸轮轴控制，所述第一进气门、第二进气门分别利用设置于进气凸轮轴上的两个不同升程范围的凸轮控制，所述第一排气门、第二排气门分别利用设置于排气凸轮轴上的两个不同升程范围的凸轮控制，所述电控单元通过传动机构控制进气凸轮轴及排气凸轮轴上的凸轮工作。
所述进气凸轮轴上的两个凸轮中，第一进气凸轮具有第一升程和第二升程，第二进气凸轮具有第一升程和零升程；所述排气凸轮轴上的两个凸轮中，第一排气凸轮具有第一升程和第二升程，第二排气凸轮具有第一升程和零升程；所述第二升程大于零且小于第一升程。第一进气凸轮控制第一进气门，第二进气凸轮控制第二进气门，第一排气凸轮控制第一排气门，第二排气凸轮控制第二排气门；所述电控单元将第一进气门、第一排气门分为第一组，将第二进气门、第二排气门分为第二组进行同时控制。
如图2所示，上述的缸内直喷汽油机的控制方法中，所述电控单元根据发动机控制***传来的发动机负荷信号来控制各进气凸轮轴及排气凸轮轴上的凸轮工作，在发动机小负荷工况下，电控单元控制第一进气门采用进气第二升程3，控制第二进气门采用零升程，控制第一排气门采用排气第二升程2，控制第二排气门采用零升程；在发动机大负荷工况下，电控单元控制第一进气门、第二进气门均采用进气第一升程8、第一排气门、第二排气门均采用排气第一升程7。
在发动机小负荷工况下，电控单元控制排气门在排气冲程上止点（即图1中的曲轴转角300°CA附近）前关闭，控制进气门在进气冲程前半部分（即图1中的曲轴转角400°CA附近）关闭，这样在压缩冲程上止点附近形成一段负阀重叠区间，在这段区间排气门已经关闭，而进气门还没开启，会有一部分废气残留在气缸内。电控单元分别在进气上止点-30～30°CA范围内（即图1中的曲轴转角360°CA附近）控制喷油器进行第一次喷射4，在压缩冲程（即图1中的曲轴转角660°CA附近）控制喷油器进行第二次喷射5，第二次喷射量占总喷油量的10～30%；在发动机大负荷工况下，电控单元控制进气门和排气门在排气冲程上止点处（即图2中的曲轴转角360°CA附近）都开启，形成一定的气门重叠角，并控制喷油器在进气冲程进行燃油喷射。
Claims (6)
1.一种缸内直喷汽油机，包括电控单元、气门机构和缸内的喷油器，所述电控单元分别与喷油器、发动机控制***相连，其特征在于所述气门机构对应每个缸体均设置有由第一进气门、第二进气门组成的进气门、由第一排气门、第二排气门组成的排气门，所述进气门利用进气凸轮轴控制，所述排气门利用排气凸轮轴控制，所述第一进气门、第二进气门分别利用设置于进气凸轮轴上的两个不同升程范围的凸轮控制，所述第一排气门、第二排气门分别利用设置于排气凸轮轴上的两个不同升程范围的凸轮控制，所述电控单元通过传动机构控制进气凸轮轴及排气凸轮轴上的凸轮工作。
2.根据权利要求1所述的缸内直喷汽油机，其特征在于所述进气凸轮轴上的两个凸轮中，第一进气凸轮具有第一升程和第二升程，第二进气凸轮具有第一升程和零升程；所述排气凸轮轴上的两个凸轮中，第一排气凸轮具有第一升程和第二升程，第二排气凸轮具有第一升程和零升程；所述第二升程大于零且小于第一升程。
3.根据权利要求2所述的缸内直喷汽油机，其特征在于所述第一进气凸轮控制第一进气门，第二进气凸轮控制第二进气门，第一排气凸轮控制第一排气门，第二排气凸轮控制第二排气门；所述电控单元将第一进气门、第一排气门分为第一组，将第二进气门、第二排气门分为第二组进行同时控制。
4.根据权利要求2或3所述的缸内直喷汽油机的控制方法，其特征在于所述电控单元根据发动机控制***传来的发动机负荷信号来控制各进气凸轮轴及排气凸轮轴上的凸轮工作，在发动机小负荷工况下，电控单元控制第一进气门采用第二升程，控制第二进气门采用零升程，控制第一排气门采用第二升程，控制第二排气门采用零升程；在发动机大负荷工况下，电控单元控制第一进气门、第二进气门、第一排气门、第二排气门均采用第一升程。
5.根据权利要求4所述的缸内直喷汽油机的控制方法，其特征在于在发动机小负荷工况下，电控单元控制排气门在排气冲程上止点前关闭，控制进气门在进气冲程前半部分关闭，并分别在进气上止点-30～30°CA范围内控制喷油器进行第一次喷射，在压缩冲程控制喷油器进行第二次喷射；在发动机大负荷工况下，电控单元控制喷油器在进气冲程进行燃油喷射。
6.根据权利要求5所述的缸内直喷汽油机的控制方法，其特征在于在发动机小负荷工况下，第二次喷射量占总喷油量的10～30%。
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