專利名稱：基于全可變氣門機構節(jié)能超低排放雙模式均質壓燃發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于內燃機，特別涉及一種基于全可變氣門機構節(jié)能超低排放雙模式均質壓燃發(fā)動機。
背景技術：
目前廣泛使用的汽油機都是基于火花點燃燃燒模式的發(fā)動機，大量的基礎研究結果證明，對于傳統(tǒng)的火花點燃式內燃機(汽油機)雖然在各種技術上進行了不同的改進，但已在提高燃料利用率和降低有害排放物方面發(fā)揮到了極限，想要有進一步的發(fā)展，就必須在內燃機的燃燒理論上有所突破。特別是目前國內外生產的大部分發(fā)動機為了滿足日益嚴格的排放法規(guī)的要求，都會在不同程度上犧牲燃油的利用率，來有限地降低有害物的排放。
汽油機的燃燒過程屬于預混合均質燃燒，借助電火花點燃。由于汽油燃料本身的特性和爆震等諸多因素的限制，汽油機只能采用較低的壓縮比，使熱效率比柴油機低得多，且產生大量NOx和不完全燃燒產物.另外由于汽油機需要用節(jié)氣門控制進氣量，部分負荷時的泵氣損失使機械效率降低.汽油機的燃料利用率比柴油機低30％，這就是傳統(tǒng)汽油機難以克服的燃料利用率極限.為了突破這一極限，國內外有關專家一直致力于探索組織燃料高效清潔燃燒的新一代燃燒過程和發(fā)展新一代內燃機燃燒理論的研究。至今，汽油機的均質壓燃雖已可以實現，但其可運行工況范圍狹窄，遠不能滿足車用發(fā)動機對各種工況范圍的要求。2001年，美國能源部提出HCCI燃燒模式仍然存在9大難點，其中就明確指出可運行工況范圍狹窄和兩種燃燒模式切換問題尚待解決。
如何將極具誘惑力的HCCI燃燒模式應用于車用發(fā)動機上滿足各種不同工況的要求，成為當今國際內燃機燃燒學界的一大熱點。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種基于全可變氣門機構的節(jié)能超低排放雙模式均質壓燃發(fā)動機，解決目前上述情況存在問題，目的在于盡最大可能的拓寬HCCI燃燒在發(fā)動機上的可運行范圍，并在無法實現HCCI燃燒的工況條件下切換到傳統(tǒng)的SI燃燒模式，從而達到同時提高發(fā)動機燃油利用率和降低有害排放物的目的。
為了達到上述目的，本發(fā)明是一臺具備進、排氣門的升程和定時都連續(xù)可變的發(fā)動機缸蓋，將此缸蓋裝配在普通的火花點燃式發(fā)動機缸體上，就可使該發(fā)動機根據不同工況要求運行于HCCI及SI兩種燃燒模式下，達到節(jié)能高效和低排放的目的。
一種基于全可變氣門機構節(jié)能超低排放雙模式均質壓燃發(fā)動機，它是一種進氣道噴射火花點火式汽油機，其特征在于氣缸蓋是全可變氣門缸蓋(1)，其缸蓋上設置兩套氣門升程連續(xù)可變機構(2)(3)，以及兩套氣門定時連續(xù)可變系統(tǒng)(4)(5)，氣門機構電子控制單元接收發(fā)動機電子管理單元的進排氣門升程和相位等指令，采用閉環(huán)控制，分別控制兩套氣門升程連續(xù)可變機構的伺服電機(6)(7)，以及進氣高速電磁閥(8)和排氣高速電磁閥(9)，實現給定的進氣門升程、排氣門升程、進氣門相位和排氣門相位。
其氣門升程連續(xù)可變機構，有進氣門，進氣門上有氣門彈簧，進氣門上端與進氣側搖臂一端相接，進氣側搖臂中間有滾子，進氣側搖臂另一端與進氣側液壓挺柱相接，進氣側搖臂滾子的上側與進氣側中間擺桿下端弧面相貼合，進氣側中間擺桿中部有滾子，進氣側中間擺桿滾子與進氣凸輪軸相貼合，進氣側中間擺桿另一側與回位彈簧相接，進氣側中間擺桿上端與進氣側偏心軸相接，進氣側偏心軸的扇形齒輪與進氣側伺服電機的軸桿相接；缸蓋上有排氣門，排氣門上有氣門彈簧，排氣門上端與排氣側搖臂一端相接，排氣側搖臂中間有滾子，排氣側搖臂另一端與排氣側液壓挺柱相接，排氣側搖臂滾子的上側與排氣側中間擺桿下端弧面相貼合，排氣側中間擺桿中部有滾子，排氣側中間擺桿滾子與排氣凸輪軸相貼合，排氣側中間擺桿另一側與回位彈簧相接，排氣側中間擺桿上端與排氣側偏心軸相接，排氣側偏心軸的扇形齒輪與排氣側伺服電機的軸桿相接。在偏心軸上安裝有位置傳感器。
其氣門定時連續(xù)可變機構，有圓形殼體，圓形殼體兩側有前端板和后端板，在圓形殼體中心安裝有轉子，轉子周圍的殼體內有四個液壓室，轉子四周有四個葉片槽，四個葉片槽內分別裝有葉片，葉片槽底部和葉片底端之間有彈簧，突出在轉子外部的四個葉片分別插在殼體內的四個液壓室內，轉子下部連接鎖止銷鎖止銷下端連接鎖止彈簧，鎖止彈簧下部連接鎖止彈簧定位板，鎖止彈簧定位板固定在殼體下部，轉子和后端板之間有扭簧連接，轉子通過螺柱與凸輪軸固定，殼體外圈有鏈齒，殼體外圈的鏈齒通過鏈條和發(fā)動機的曲軸連接。每個液壓室分為A B兩個腔，每腔都有一條油道，4條與A腔相通的油道匯總于一條主油道中，4條與B腔相同的油道匯總于另一條主油道中。前端板前有檢測相位傳感器。
在發(fā)動機啟動或怠速工況時，通過控制進氣門升程于較小值，并配合調節(jié)相適應的排氣門升程，進排氣門相位控制于常規(guī)汽油機取值范圍，是發(fā)動機處于火花點燃式燃燒模式；進入小負荷和部分負荷時，通過控制進排氣門相位，使氣門重疊角從正值過渡到負值，獲得加熱新鮮充量所需要的高溫殘余廢氣量，并配合調整進氣門升程和排氣門升程，達到壓燃所需要的溫度和運行負荷所需要的進氣量，發(fā)動機運行于壓燃狀態(tài)；當進一步增加負荷或全負荷運行時，進排氣門升程相位和定時，再次被控制到火花點燃燃燒所需要的值，發(fā)動機再次運行再火花點燃模式。在點燃和壓燃模式之間的過渡區(qū)域內，繼續(xù)保持火花塞點火，使壓燃燃燒穩(wěn)定進行，并為模式切換進行條件準備。
本發(fā)明的特點是它是一種節(jié)能型超低排放的汽油機。該發(fā)動機充分利用了均質壓燃(HCCI)燃燒模式所具有的高效節(jié)能超低排放的特點，可根據不同工況在火花點燃(SI)與HCCI兩種燃燒模式之間自由切換，既具備車用條件又達到節(jié)能和超低排放的要求.該發(fā)動機配備了全可變氣門機構，可根據SI和HCCI兩種燃燒模式對配氣機構的不同要求，以節(jié)能和低排放為目標，組織好混合氣在燃燒室內的燃燒過程，實現不同燃燒模式的控制及兩種燃燒模式之間的切換和過渡。


圖1為全可變氣門缸蓋組裝結構示意2為全可變氣門缸蓋剖視示意3為可變升程機構示意4為可變相位機構側剖5為可變相位機構剖面6為全可變氣門缸蓋氣門升程曲線圖7為基于全可變氣門機構的雙模式發(fā)動機運行工況中1全可變氣門缸蓋，2、3氣門升程連續(xù)可變機構，4、5氣門定時連續(xù)可變系統(tǒng)，6、7伺服電機，8進氣高速電磁閥、9排氣高速電磁閥，10氣管，11.進氣門、12氣門彈簧、13回位彈簧、14進氣側伺服電機、15進氣側偏心軸、16進氣側中間擺桿、17進氣凸輪軸、18進氣側搖臂、19進氣側液壓挺柱、20排氣門、21排氣側電機、22排氣側偏心軸、23排氣側中間擺桿、24排氣凸輪軸、25排氣側搖臂、26排氣側液壓挺柱、27鎖止彈簧、28鎖止彈簧定位板、29液壓腔B、30葉片、31液壓腔A、32彈簧、33后端板、34殼體、35前端板、36扭簧、37鎖止銷、38轉子、具體實施例發(fā)動機結構在普通的進氣道噴射火花點火式汽油機的基礎上，采用全可變氣門缸蓋1，其上布置兩套氣門升程連續(xù)可變機構2和3，以及兩套氣門定時連續(xù)可變相位系統(tǒng)4和5，如圖1所示。氣門機構電子控制單元接收發(fā)動機電子管理單元的進排氣門升程和相位等指令，采用閉環(huán)控制策略，分別控制伺服電機6和7，以及高速電磁閥8和9，實現給定的進氣門升程、排氣門升程、進氣門相位和排氣門相位。
可變氣門升程機構主要由伺服電動機、偏心軸和中間擺桿構成，其結構如圖3所示。由凸輪軸與偏心軸共同控制中間擺桿的運動，再由中間擺桿驅動氣門工作。當偏心軸位置不變時，中間擺桿在凸輪軸的驅動下圍繞某一個中心旋轉，中間擺桿下端發(fā)生作用的為弧線的某一段區(qū)域；當伺服電動機通過渦輪蝸桿機構驅動偏心軸旋轉一定角度后，中間擺桿旋轉中心的位置相應改變，從而改變了擺桿發(fā)生作用的弧線區(qū)域，進而改變了氣門升程。偏心軸的控制執(zhí)行器為直流伺服電動機，在伺服電動機的驅動下，偏心軸可在0°～160°范圍內連續(xù)調節(jié)，并且在偏心軸上安裝了位置傳感器，因此通過該套機構準確地控制偏心軸的旋轉角度，可實現在氣門升程0～9.7mm范圍內連續(xù)可調。
可變氣門相位機構是采用液壓控制的葉片式可變凸輪軸相位機構，其結構如圖4、5所示。轉子通過螺柱與凸輪軸固定在一起，殼體通過鏈條與曲軸連接。停機時，鎖止銷以無壓力的方式嵌入凹口鎖止槽中，保證每次啟動時凸輪軸隨著殼體一起運動，使凸輪軸有確定的初始相位。調節(jié)相位時，潤滑油首先供到凹口鎖止槽中，將鎖止銷壓回并釋放轉子。供油油路與液壓腔接通，向該腔供油，回油油路與液壓腔接通，向外泄油，轉子葉片在壓力差的作用下帶動凸輪軸相對于殼體轉動，從而改變相位。反向調節(jié)時，供泄油與上述方向相反。由電磁閥控制供泄油的方向，結合相位檢測傳感器，由于結構的限制可在60°CA(曲軸轉角)范圍內精確調節(jié)凸輪軸相位。
因此，裝備了上述機構的全可變氣門機構缸蓋，可以使氣門升程曲線在圖5的范圍內連續(xù)可變。這樣的連續(xù)可變得氣門升程曲線可以滿足圖6所示的運行工況范圍，即根據發(fā)動機所需的不同工況，在SI燃燒模式及HCCI燃燒模式內部進行過渡，并且在兩種模式交界區(qū)完成燃燒模式切換。
工作原理均質壓燃著火，是一種明顯區(qū)別于火花點火火焰?zhèn)鞑ト紵男滦腿紵绞健１景l(fā)明采用全可變氣門機構，通過對氣門升程和定時的綜合控制，實現負氣門重疊角，得到一定量的高溫殘余廢氣量。足夠多的高溫殘余廢氣，在進氣過程中，與新鮮混合氣充量混合，并對其加熱。當活塞壓縮到上止點前的某個時刻，混合氣充量達到著火條件。缸內達到著火條件的多個點同時著火，不需要火花塞點火便開始同步燃燒放熱作功。由于不再存在高溫火焰面，且混合均勻，因此NOx排放極低，且無碳煙。在均質壓燃模式下，發(fā)動機負荷是通過進排氣門的綜合管理來實現，不需要節(jié)氣門來調節(jié)進氣量，可保持節(jié)氣門全開，因此可以大大降低換氣過程中的泵吸損失，獲得較高的燃油經濟性。
對于啟動、怠速和低負荷工況(圖7中I區(qū))，由于穩(wěn)定壓燃著火條件很難建立，需要發(fā)動機按照常規(guī)的火花點火燃燒方式運行，在取消了傳統(tǒng)汽油機節(jié)氣門的情況下，全可變氣門缸蓋以調整進氣門升程代替調節(jié)節(jié)氣門開度，控制進氣量，順利完成發(fā)動機的啟動，并轉入怠速工況，當發(fā)動機進入低負荷區(qū)域時，進氣門升程加大，增加進氣量，提高發(fā)動機功率，此時，發(fā)動機仍然以SI燃燒方式工作。
隨著發(fā)動機輸出功率的進一步增加，當發(fā)動機進入HCCI可穩(wěn)定運行的部分負荷區(qū)域(圖7中II區(qū))后，全可變氣門缸蓋通過調整進排氣門升程和相位，提供適合在該工況下的HCCI穩(wěn)定運行所需的氣門升程曲線，并使發(fā)動機穩(wěn)定切換到均質壓燃著火模式。
當發(fā)動機在圖7中II區(qū)內部工況過渡時，全可變氣門缸蓋根據發(fā)動機所處工況，調節(jié)氣門升程和相位，控制氣缸內殘余廢氣的量，來適應發(fā)動機的負荷。由于全可變氣門機構可以實現進排氣門升程和相位連續(xù)變化，因此，發(fā)動機可以在圖7中II區(qū)內部工況實現平滑過渡。
當發(fā)動機需要在高負荷狀態(tài)下運轉時(圖7中III區(qū))，由于HCCI燃燒本身特點的限制，容易發(fā)生劇烈燃燒，使發(fā)動機工作粗暴，為了避免上述情況的發(fā)生，發(fā)動機需要重新切換到火花點火方式下運行。這時，不再需要缸內殘余廢氣，而需要更多的進氣量，為了達到這種要求，全可變氣門缸蓋將氣門升程加大，并同時縮小氣門重疊負角，甚至在需要時可以產生正的氣門重疊角，使發(fā)動機充分進氣以提高功率。這樣，發(fā)動機就又重新回到了傳統(tǒng)汽油機火花點燃式燃燒的情況。
在發(fā)動機啟動或怠速工況時，通過控制進氣門升程于較小值，并配合調節(jié)相適應的排氣門升程，進排氣門相位控制于常規(guī)汽油機取值范圍，是發(fā)動機處于火花點燃式燃燒模式；進入小負荷和部分負荷時，通過控制進排氣門相位，使氣門重疊角從正值過渡到負值，獲得加熱新鮮充量所需要的高溫殘余廢氣量，并配合調整進氣門升程和排氣門升程，達到壓燃所需要的溫度和運行負荷所需要的進氣量，發(fā)動機運行于壓燃狀態(tài)；當進一步增加負荷或全負荷運行時，進排氣門升程相位和定時，再次被控制到火花點燃燃燒所需要的值，發(fā)動機再次運行再火花點燃模式。在點燃和壓燃模式之間的過渡區(qū)域內，繼續(xù)保持火花塞點火，使壓燃燃燒穩(wěn)定進行，并為模式切換進行條件準備。
對于運行于城市工況的汽車，其發(fā)動機大多數運行在部分負荷，所以配備這種全可變氣門缸蓋的發(fā)動機大多數可運行于HCCI燃燒模式，這樣就可以充分發(fā)揮HCCI燃燒所具有的高效節(jié)能和超低排放的優(yōu)點；同時可以利用SI燃燒模式避開HCCI燃燒模式所不能工作的區(qū)域，使這種發(fā)動機具備車用的要求。因此，以這種雙模式均質壓燃發(fā)動機為動力的汽車具有節(jié)能和超低排放的明顯優(yōu)勢。
權利要求
1.一種基于全可變氣門機構節(jié)能超低排放雙模式均質壓燃發(fā)動機，它是一種進氣道噴射火花點火式汽油機，其特征在于氣缸蓋是全可變氣門缸蓋(1)，其缸蓋上設置兩套氣門升程連續(xù)可變機構(2)(3)，以及兩套氣門定時連續(xù)可變系統(tǒng)(4)(5)，氣門機構電子控制單元接收發(fā)動機電子管理單元的進排氣門升程和相位等指令，采用閉環(huán)控制，分別控制兩套氣門升程連續(xù)可變機構的伺服電機(6)(7)，以及進氣高速電磁閥(8)和排氣高速電磁閥(9)，實現給定的進氣門升程、排氣門升程、進氣門相位和排氣門相位。
2.根據權利要求1所述的基于全可變氣門機構節(jié)能超低排放雙模式均質壓燃發(fā)動機，其特征在于其氣門升程連續(xù)可變機構，有進氣門，進氣門上有氣門彈簧，進氣門上端與進氣側搖臂一端相接，進氣側搖臂中間有滾子，進氣側搖臂另一端與進氣側液壓挺柱相接，進氣側搖臂滾子的上側與進氣側中間擺桿下端弧面相貼合，進氣側中間擺桿中部有滾子，進氣側中間擺桿滾子與進氣凸輪軸相貼合，進氣側中間擺桿另一側與回位彈簧相接，進氣側中間擺桿上端與進氣側偏心軸相接，進氣側偏心軸的扇形齒輪與進氣側伺服電機的軸桿相接；缸蓋上有排氣門，排氣門上有氣門彈簧，排氣門上端與排氣側搖臂一端相接，排氣側搖臂中間有滾子，排氣側搖臂另一端與排氣側液壓挺柱相接，排氣側搖臂滾子的上側與排氣側中間擺桿下端弧面相貼合，排氣側中間擺桿中部有滾子，排氣側中間擺桿滾子與排氣凸輪軸相貼合，排氣側中間擺桿另一側與回位彈簧相接，排氣側中間擺桿上端與排氣側偏心軸相接，排氣側偏心軸的扇形齒輪與排氣側伺服電機的軸桿相接。在偏心軸上安裝有旋轉位置傳感器。
3.根據權利要求1所述的基于全可變氣門機構節(jié)能超低排放雙模式均質壓燃發(fā)動機，其特征在于其氣門定時連續(xù)可變機構，有圓形殼體，圓形殼體兩側有前端板和后端板，在圓形殼體中心安裝有轉子，轉子周圍的殼體內有四個液壓室，轉子四周有四個葉片槽，四個葉片槽內分別裝有葉片，葉片槽底部和葉片底端之間有彈簧，突出在轉子外部的四個葉片分別插在殼體內的四個液壓室內，轉子下部連接鎖止銷鎖止銷下端連接鎖止彈簧，鎖止彈簧下部連接鎖止彈簧定位板，鎖止彈簧定位板固定在殼體下部，轉子和后端板之間有扭簧連接，轉子通過螺柱與凸輪軸固定，殼體外圈有鏈齒，殼體外圈的鏈齒通過鏈條和發(fā)動機的曲軸連接。每個液壓室分為A B兩個腔，每腔都有一條油道，4條與A腔相通的油道匯總于一條主油道中，4條與B腔相同的油道匯總于另一條主油道中。
4.根據權利要求3所述的基于全可變氣門機構節(jié)能超低排放雙模式均質壓燃發(fā)動機，其特征在于前端板前有檢測相位傳感器。
5.根據權利要求1所述的基于全可變氣門機構節(jié)能超低排放雙模式均質壓燃發(fā)動機，其特征在于在發(fā)動機啟動或怠速工況時，通過控制進氣門升程于較小值，并配合調節(jié)相適應的排氣門升程，進排氣門相位控制于常規(guī)汽油機取值范圍，是發(fā)動機處于火花點燃式燃燒模式；進入小負荷和部分負荷時，通過控制進排氣門相位，使氣門重疊角從正值過渡到負值，獲得加熱新鮮充量所需要的高溫殘余廢氣量，并配合調整進氣門升程和排氣門升程，達到壓燃所需要的溫度和運行負荷所需要的進氣量，發(fā)動機運行于壓燃狀態(tài)；當進一步增加負荷或全負荷運行時，進排氣門升程相位和定時，再次被控制到火花點燃燃燒所需要的值，發(fā)動機再次運行再火花點燃模式。在點燃和壓燃模式之間的過渡區(qū)域內，繼續(xù)保持火花塞點火，使壓燃燃燒穩(wěn)定進行，并為模式切換進行條件準備。
全文摘要
一種基于全可變氣門機構節(jié)能超低排放雙模式均質壓燃發(fā)動機，氣缸蓋為全可變氣門缸蓋，缸蓋上有兩套氣門升程連續(xù)可變機構，缸蓋上安裝可變氣門相位機構，可變氣門相位機構殼體外圈有鏈齒，通過鏈條和發(fā)動機的曲軸連接。它是一種節(jié)能型超低排放的汽油機。該發(fā)動機充分利用均質壓燃HCCI燃燒模式所具有的高效節(jié)能超低排放的特點，可根據不同工況在火花點燃SI與HCCI兩種燃燒模式之間自由切換，既具備車用條件又達到節(jié)能和超低排放的要求。全可變氣門機構，根據SI和HCCI兩種燃燒模式對配氣機構的不同要求，以節(jié)能和低排放為目標，組織好混合氣在燃燒室內的燃燒過程，實現不同燃燒模式的控制及兩種燃燒模式之間的切換和過渡。
文檔編號F02B11/00GK101016868SQ20061001341
公開日2007年8月15日 申請日期2006年4月3日 優(yōu)先權日2006年4月3日
發(fā)明者謝輝, 胡順堂, 張巖, 何邦全, 趙華 申請人:天津大學