專利名稱：一種可變沖程發(fā)動機及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可變沖程發(fā)動機及其工作方法，屬于動力工程及工程熱物理中機械制造方向的車輛發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通常的內(nèi)燃機按照循環(huán)方式不同可分為二沖程內(nèi)燃機和四沖程內(nèi)燃機兩種。二沖程內(nèi)燃機活塞上下各一次完成一個循環(huán)，上行為進氣壓縮沖程，下行為做功排氣沖程。四沖程內(nèi)燃機活塞上下各兩次完成一個循環(huán)，首先活塞下行為進氣沖程，接著活塞上行為壓縮沖程，然后活塞再下行完成做功沖程，最后活塞上行為排氣沖程。這兩種內(nèi)燃機的循環(huán)形式都有不同的優(yōu)點和缺點。比如，二沖程內(nèi)燃機技術(shù)方案簡單，實現(xiàn)容易，相對于四沖程而言功率更大，但是效率偏低，排放性能也欠佳，而四沖程發(fā)動機的效率和排放都有較大的進步，缺點是輸出功率小于二沖程機。二沖程機和四沖程機在這個意義上是互補的。于是，在考慮過各種設(shè)計參數(shù)，例如功率密度、燃料消耗、廢氣排放、噪聲、振動，內(nèi)燃機尺寸、重量和成本等問題之后，車輛制造者將進一步?jīng)Q定采用哪種內(nèi)燃機循環(huán)形式，一般地，對于摩托車輛常見的是采用二沖程內(nèi)燃機，而對于轎車、客貨車卻常常采用四沖程內(nèi)燃機。
現(xiàn)有的關(guān)于可變沖程發(fā)動機的技術(shù)主要分為兩類，第一類旨在改變四沖程機的沖程長度，它設(shè)計了一套可變的連桿系統(tǒng)，使得在某些情況下活塞在膨脹沖程(即做功沖程)中的行程大于在壓縮沖程中的行程，以期實現(xiàn)對不同工況的適應(yīng)。這僅僅通過一些部位的機械設(shè)計改變了沖程長度，而沒有實現(xiàn)兩種循環(huán)模式的結(jié)合，如專利《可變沖程發(fā)動機》，200310115227.2，03109897.5，山田義和；佐藤義一；第二類為可選擇二沖程/四沖程內(nèi)燃機的凸輪軸驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，它通過對于凸輪軸的設(shè)計，實現(xiàn)各個缸進氣門排氣門的不同開閉方案，以完成同一個氣缸工作模式的切換。本類方案側(cè)重于凸輪軸的新設(shè)計和進排氣門的開閉，和本發(fā)明二/四沖程結(jié)合的思路和方法完全不同。應(yīng)該指出，這第二種方案在同一個氣缸上實現(xiàn)了不同的循環(huán)模式，因此存在二沖程單獨工作的時間，這段時間內(nèi)，二沖程機工作的弊端將重新暴露而無法解決，于是，排放的不合格問題將嚴重阻礙此類方案的付諸實踐。這類如專利《可選擇的二沖程/四沖程凸輪軸驅(qū)動系統(tǒng)》，01802693.1，J·A·馬。
對比之下，本發(fā)明具有以上兩種方案所沒有的優(yōu)點它在中低負荷和轉(zhuǎn)速條件下，采用一般性的四沖程工作方式，而在大負荷和高速工況下切換到既有四沖程也有二沖程的混合工作模式，以實現(xiàn)更大的功率輸出。這種混合工作模式巧妙的處理了二沖程內(nèi)燃機單獨工作時的排放不佳問題，為本發(fā)明的實用掃清了障礙。
本方案涉及的技術(shù)模塊簡述如下氣缸間歇系統(tǒng)，又名“可變氣缸系統(tǒng)”或“斷缸控制”它可根據(jù)負荷的不同要求，停止部分氣缸的燃油供給與點火控制，減少浪費，提高發(fā)動機效率。通用公司將在通用EnvoyXL、通用EnvoyXUV及雪佛蘭開拓者EXT的2005年款上使用氣缸間歇系統(tǒng)，2004年秋季上市的雅閣油電混合動力車的V6油電混合動力裝置也配套使用氣缸間歇系統(tǒng)VCM。配備VCM的排量3.0L的Inspire轎車燃燒效率可提高至與排量2.4L級別的同款車相媲美的水平。研究表明，氣缸間歇技術(shù)可以有效的提高燃燒效率。
EGR(Exhaust Gas Recirculation)，排氣再循環(huán)系統(tǒng)EGR系統(tǒng)將一部分排氣引入進氣系統(tǒng)，和混合氣一起再進入氣缸燃燒。它能夠有效地降低排放，尤其是排氣中的氮氧化合物。因為氮氧化合物是高溫和富氧條件下氮和氧發(fā)生化學作用的產(chǎn)物，而EGR使得一部分排氣返流，故減少了排氣總量，同時使得進入氣缸的混合氣中單位燃料對應(yīng)的氧濃度減少，從而降低了燃燒速度和燃燒溫度，有效地控制了氮氧化合物的生成，是當前控制氮氧化合物排放的主要措施。
廢氣渦輪增壓系統(tǒng)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)利用排氣的流動能量來驅(qū)動渦輪，渦輪旋轉(zhuǎn)帶動其上一根軸的旋轉(zhuǎn)，此軸的另一端連接泵機，泵機被軸帶動，泵機工作的目的在于增壓進氣，向進氣系統(tǒng)提供更多的進氣量，以提高充量系數(shù)，改善動力輸出。
發(fā)動機電控裝置電子控制系統(tǒng)一般由傳感器、電子控制單元(EDC或ECU)和執(zhí)行器組成。傳感器負責將指定位置的指定信號傳給電子控制單元，電子控制單元將所得的數(shù)據(jù)送入內(nèi)部程序和數(shù)據(jù)庫(MAP圖)進行處理，將所得的結(jié)果送給執(zhí)行器，執(zhí)行器解析所得信號，執(zhí)行相應(yīng)的命令。電子控制單元的工作可以用方程x＝f(n1，n2，n3…，ni，…)，i＝1，2，3……來表示，其中x代表此處電控單元的輸出值(指令內(nèi)容)，它可以是開度、升程、位移等各種物理量；f代表控制規(guī)律，也就是輸出x和輸入n1，n2，n3…，ni，…的函數(shù)關(guān)系；n1，n2，n3…，ni，…代表各個輸入量，即傳感器送來的信號。只要不超過電控裝置芯片的數(shù)據(jù)處理范圍，理論上可以有無數(shù)個輸入量。

發(fā)明內(nèi)容
二沖程高速內(nèi)燃機具有結(jié)構(gòu)緊湊、升功率大的優(yōu)點，四沖程內(nèi)燃機則具有低油耗、低排放的突出優(yōu)點。如何將二沖程內(nèi)燃機與四沖程內(nèi)燃機的優(yōu)點結(jié)合在一起，實現(xiàn)一種可變沖程的內(nèi)燃機，是本項目需要解決的問題。這種發(fā)動機在中低負荷和轉(zhuǎn)速條件下，采用四沖程工作方式，而在大負荷和高速工況下切換到既有四沖程也有二沖程的混合工作模式。這種沖程數(shù)可變的發(fā)動機主要適用于坦克裝甲車輛等軍用車輛、擔負著搶險救災(zāi)工作的特種車輛、需要在某些情況下提供大功率輸出的工程用車輛以及經(jīng)常在山區(qū)公路等大坡度路況下行駛的運輸車輛。我們在下面的敘述中，將它們統(tǒng)稱為特種車輛。
本發(fā)明基于將二、四沖程機優(yōu)點結(jié)合、缺點摒棄的出發(fā)點，設(shè)計了一種可以在兩種循環(huán)模式之間切換的可變沖程發(fā)動機，它的結(jié)構(gòu)包括六個氣缸，其中四個為任何工況下均運轉(zhuǎn)的四沖程氣缸，另兩個為只在需要的工況才參與運轉(zhuǎn)的二沖程氣缸；EGR，旨在把二沖程排氣分為兩部分，一部分進入四沖程進氣道參與排氣再循環(huán)，另一部分驅(qū)動廢氣渦輪增壓系統(tǒng)以向二沖程氣缸提供增壓后的進氣；廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，旨在向二沖程氣缸供應(yīng)增壓后的進氣；四沖程排氣分配閥，旨在將四沖程排氣分為兩部分，一部分驅(qū)動廢氣渦輪增壓系統(tǒng)以向二沖程氣缸提供進氣，另一部分直接經(jīng)過催化排向大氣；進排氣管道，進排氣門，曲軸活塞，電子控制裝置；二沖程排氣管道與二沖程排氣混合室相連，混合室通過EGR分配閥分別于廢氣渦輪增壓系統(tǒng)驅(qū)動泵軸的動力輸入渦輪和四沖程進氣混合室相連；四沖程發(fā)動機進氣混合室與四沖程發(fā)動機四個缸的進氣口相連；另外，四沖程發(fā)動機混合室還連有用于進新氣的四沖程新氣進氣管道；四沖程發(fā)動機四個缸的排氣管道通過4沖程排氣分配閥以及其后管道與廢氣渦輪增壓系統(tǒng)驅(qū)動泵軸的動力輸入渦輪相連；廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的動力輸入端為它的動力輸入渦輪，該渦輪連接驅(qū)動泵軸，該泵軸的另外一端連接有二沖程的進氣泵機，動力輸入渦輪將動力傳輸給驅(qū)動泵軸，泵軸的旋轉(zhuǎn)帶動二沖程的進氣泵機工作；同一根曲軸通過連接在其上的六個連桿和6個氣缸中的活塞相連。
一種可變沖程發(fā)動機工作方法，根據(jù)需要功率的不同，使用斷缸技術(shù)來決定二沖程的兩缸是否參與工作，使發(fā)動機可以在兩者不同的工作狀態(tài)之間切換。在不需要加大功率輸出的一般工況下，對于兩個二沖程缸部分實行斷缸，即停止這兩缸的燃油供給與點火。這時，參與工作的只有四沖程的四個缸，它們的工作狀態(tài)和一般四缸四沖程發(fā)動機的工作模式?jīng)]有區(qū)別，這時，電子控制裝置通過閥門的關(guān)閉切斷了二沖程和四沖程部分之間的聯(lián)系。
在不需要加大功率輸出的一般工況下，由于使用四缸四沖程氣缸就能夠滿足功率輸出的要求，于是對兩個二沖程氣缸實行斷缸，即停止這兩缸的燃油供給與點火。這時，參與工作的只有四沖程的四個缸，這四個缸的進氣完全由四沖程新鮮進氣管道提供，EGR分配閥相應(yīng)動作，關(guān)閉二沖程排氣通向四沖程進氣混合室的那一條管道；四個四沖程氣缸的排氣全部排向大氣(經(jīng)催化)，四沖程排氣分配閥相應(yīng)動作，關(guān)閉四沖程排氣通向廢氣渦輪增壓動力輸入端的那一條管道，這時四沖程和二沖程部分隔離開，四個四沖程氣缸的運轉(zhuǎn)和一般的四缸四沖程發(fā)動機沒有區(qū)別。
當車輛遇到比較嚴苛的路況等需要提供更大的功率輸出時，兩個二沖程缸和四個四沖程缸需要共同工作，司機即停止對于二沖程部分的斷缸，電子控制單元得到斷缸結(jié)束的信號，開始指令閥門動作，即時地改變電控裝置的數(shù)值。這時二沖程部分也參加運轉(zhuǎn)，六缸開始協(xié)同工作首先，四沖程排氣分配閥在四沖程排氣分配閥的電子控制單元EDC的授意下，將分配一部分四沖程排氣流入廢氣渦輪增壓的渦輪動力輸入端，渦輪運轉(zhuǎn)使得增壓泵機開始工作，于是二沖程開始進氣，二沖程兩缸獲得了啟動的推動力。
正常啟動后，二沖程也開始排氣，二沖程的排氣首先全部進入EGR分配閥，接受分配閥的比例劃分(分配比例由EDC單元按照所連傳感器A、B以及斷缸傳感器送來的數(shù)據(jù)和運算公式x1＝f(A，B，是否斷缸)計算得出)，然后按照此比例，其中一部分排氣進入四沖程的進氣而實現(xiàn)廢氣再循環(huán)，另一部分通向廢氣渦輪增壓驅(qū)動軸一端的動力輸入渦輪，驅(qū)動廢氣渦輪增壓軸旋轉(zhuǎn)，然后再通過渦輪同端的排氣口排向大氣(經(jīng)催化)。通向渦輪的這一部分又為二沖程進氣提供了持續(xù)的動力。
同時，四沖程的進排氣也在進行，四沖程進氣除了有一部分是由二沖程再循環(huán)進來的舊氣，還有一部分是新鮮空氣。四沖程的排氣全部進入四沖程排氣分配閥，然后也分為兩個部分，第一部分直接進入排氣管道而排向大氣(經(jīng)催化)，第二部分和二沖程排氣的一部分作用相同，也被引向廢氣渦輪增壓的驅(qū)動軸一端的動力輸入渦輪，驅(qū)動廢氣渦輪增壓軸旋轉(zhuǎn)，然后通過同端的排氣口排向大氣(經(jīng)催化)，這兩部分氣量的分配關(guān)系是通過四沖程排氣分配閥電子控制單元EDC來控制的，本EDC收集傳感器A、n和斷缸傳感器的信號，通過方程x2＝f(n，A，是否滅缸)計算出結(jié)果，將指令送四沖程排氣分配閥，完成對分配的控制。
于是，這樣的工作狀態(tài)循環(huán)下去，六缸提供持續(xù)的動力輸出。
在不需要加大功率輸出的一般工況下，對于兩個二沖程缸部分實行斷缸，即停止這兩缸的燃油供給與點火。這時，參與工作的只有四沖程的四個缸，它們的工作狀態(tài)和一般四缸四沖程發(fā)動機的工作模式?jīng)]有區(qū)別，這時，電子控制裝置通過閥門的關(guān)閉切斷了二沖程和四沖程部分之間的聯(lián)系。
工作原理發(fā)動機電子控制系統(tǒng)的控制規(guī)律各個電控裝置的控制規(guī)律，用方程x＝f(n1，n2，n3…，ni…)，i＝1，2，3……來表示，其中x代表此處電控裝置的輸出值，它可以是開度、升程、位移等各種物理量；f代表控制規(guī)律，也就是輸出x和輸入n1，n2，n3…，ni…的函數(shù)關(guān)系；n1，n2，n3…，ni…代表各個輸入量，只要不超過電控裝置芯片的數(shù)據(jù)處理范圍，理論上可以有無數(shù)個輸入量。輸入值通過各個傳感器得到，輸送到電子控制單元中進行運算，得到的結(jié)果就是電控單元的輸出，這些輸出送交執(zhí)行器，執(zhí)行器產(chǎn)生相應(yīng)的動作。
采用四個四沖程缸和兩個二沖程缸的配合來實現(xiàn)可變沖程，這是輸出穩(wěn)定功率的需要下面的表格是六個缸的工作循環(huán)圖

說明4Si四沖程第i缸(i＝1，2，3，4)2Si二沖程第i缸(i＝1，2)進進氣，壓壓縮，w做功，排排氣做功量14S1，4S2，2S1做功量之和做功量24S3，4S4，2S2做功量之和總做功量4S1，4S2，2S1，4S3，4S4，2S2缸即所有六缸做功量之和。
由以上的圖表可以看出，只有采用四個四沖程缸和兩個二沖程缸的配合來實現(xiàn)可變沖程，才能夠保證在所有缸都工作時，每1/4個循環(huán)中都有相等的功量輸出(表中的2w)。
如何在混合工作模式下解決二沖程排放不佳的問題該問題是通過方案中的EGR系統(tǒng)解決的。方案中，將二沖程的不良排氣部分反流到四沖程進氣，和混合氣一起再進入四沖程氣缸燃燒。這一部分的比例是通過附圖中2所示的二沖程排氣EGR分配閥的電子控制單元EDC(圖2中的(12))來控制的，控制規(guī)律詳見附圖3的說明以及上文所述。由于二沖程的工作方式原本具有排氣不佳的缺點，故這一部分反流氣體中含有大量依舊可燃的有害廢氣，故反流它們能夠有效地降低排放，尤其是排氣中氮氧化合物等一些污染嚴重的成分。同時，因為氮氧化合物是高溫和富氧條件下氮和氧發(fā)生化學作用的產(chǎn)物，而一部分排氣反流進入氣缸使得混合氣中單位燃料對應(yīng)的氧濃度減少，從而降低了燃燒速度和燃燒溫度，有效地控制了氮氧化合物的生成。所以，本方案通過引入EGR系統(tǒng)，從而解決了二沖程的排放可能不佳的問題。
本發(fā)動機存在廣大的適用工況對于各種特種車輛，它們在執(zhí)行搶險、運輸、起重等各種任務(wù)時，其發(fā)動機需要有很大的輸出功率，才能保證車輛快速、安全、有效完成任務(wù)，由于二沖程發(fā)動機的升功率比四沖程大很多，所以在這種條件下，應(yīng)該讓二沖程的兩缸參與工作，以提高發(fā)動機的輸出功率。但是，所有特種車輛都不可避免地有一般性的行駛工況，比如重型車的非載重行駛、消防車的一般調(diào)度、運輸車輛在小坡度或者無坡度的路況下行駛等等。在這些不需要高功率的情況下，可以對本發(fā)動機的二沖程部分實行滅缸，只讓發(fā)動機處于四缸四沖程的一般工作狀態(tài)下，這樣可以保證低油耗和低排放。
總而言之，本發(fā)動機通過兩種不同工作狀態(tài)的切換，適應(yīng)了不同的工況，既保證了工作狀態(tài)下的高效，又兼顧了不工作狀態(tài)時的節(jié)能與環(huán)保。它主要適用于坦克裝甲車輛、擔負著搶險救災(zāi)工作的特種車輛、需要在某些情況下提供大功率輸出的工程用車輛以及經(jīng)常在山區(qū)公路等大坡度路況下行駛的運輸車輛。


圖1是本發(fā)明基本管道和氣門圖。
圖2是本發(fā)明基本元件和進排氣關(guān)系圖。
圖3是本發(fā)明電控裝置的運行圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，來說明本發(fā)明的具體實施方式
。
圖1是本發(fā)明基本管道和氣門圖。圖1中的1是二沖程進氣管道，它從廢氣渦輪增壓機的進氣泵機處獲取鼓入氣缸的新鮮空氣，將其引向兩個二沖程氣缸，這些氣體和燃料混合燃燒后的廢氣從附圖2所示的二沖程排氣管道(20)排出，首先進入一個統(tǒng)一的混合室(圖2中的(10))，而后經(jīng)過EGR分配閥(圖2中的(11))的分配，一部分進入廢氣渦輪增壓機的動力輸入端(圖2中的(22))來驅(qū)動渦輪，另外一部分進入四沖程氣缸的進氣，參與其缸內(nèi)燃燒，實現(xiàn)排氣再循環(huán)和對二沖程排放狀況的改善。圖1中3是四沖程新氣進氣管道，由于四沖程的進氣除了有一部分是二沖程送來的廢氣，還有一定的新鮮空氣，這一部分新鮮空氣就是經(jīng)由圖1中的3進入四沖程氣缸的。圖1中4為四沖程排氣管道，四沖程排氣首先進入四沖程排氣總管，然后經(jīng)過四沖程排氣分配閥(圖2中的(13))進行分配，其中一部分直接經(jīng)過催化排向大氣，另外一部分進入也進入廢氣渦輪增壓機的動力輸入端(圖2中的(22))來驅(qū)動渦輪，作用就像二沖程的某一部分排氣一樣。圖1中5所示的為進氣門，圖中共有四個進氣門，每一個四沖程缸有一個進氣門(均為每一個四沖程缸上方兩個氣門口中左面的那一個)，而二沖程部分通過進氣口來進入新氣，故沒有進氣門。進氣門在進氣沖程和進氣沖程之前之后的各很小一段時間(合理的提前和延遲)打開，允許氣進入氣缸，其他時間關(guān)閉。這種規(guī)律是由凸輪軸的設(shè)計實現(xiàn)的，凸輪軸是一根或者兩根直接驅(qū)動各個氣門開閉的執(zhí)行軸，由發(fā)動機帶動旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中，其上的凹凸設(shè)計直接或者間接依次頂過氣門上端，控制各個氣門的開閉狀態(tài)，滿足了對各個氣門開閉時刻的要求。對于VVT(Variable Valve Timing，可變氣門正時技術(shù))，這種規(guī)律則可能還由電子控制來實現(xiàn)。圖1中6所示的為排氣門，不論二沖程還是四沖程缸，均有一個排氣門(也可以設(shè)計為兩個)，它在本缸排氣沖程以及之前之后各有很小一段時間(合理的提前和延遲)打開，允許廢氣流出氣缸，其他時間關(guān)閉。這種規(guī)律是由凸輪軸的設(shè)計實現(xiàn)的，對于VVT，則也可能還由電子控制來實現(xiàn)。應(yīng)該指出，由于發(fā)動機在一個很短的時間段內(nèi)，可以近似認為是勻速轉(zhuǎn)動，所以各個沖程所耗的時間基本近似，于是我們得到進排氣門何時開閉遵循一個有規(guī)律可循的周期變化，這個變化規(guī)律已經(jīng)被刻畫在凸輪軸的設(shè)計里，成為汽車固有的特點。
圖2是本發(fā)明基本元件和進排氣關(guān)系圖。二沖程排氣管道(圖2中的(20))與二沖程排氣混合室(圖2中的(10))相連，混合室通過EGR分配閥(圖2中的(11))分別于廢氣渦輪增壓系統(tǒng)驅(qū)動泵軸的動力輸入渦輪(圖2中的(22))和四沖程進氣混合室(圖2中的(23))相連。四沖程發(fā)動機進氣混合室與四沖程發(fā)動機四個缸(圖2中的(15)(16)(17)(18))的進氣口相連；另外，四沖程發(fā)動機混合室還連有用于進新氣的四沖程新氣進氣管道(圖2中的(3))；四沖程發(fā)動機四個缸的排氣管道通過4沖程排氣分配閥(圖2中的(13))以及其后管道與廢氣渦輪增壓系統(tǒng)驅(qū)動泵軸的動力輸入渦輪(圖2中的(22))相連。
廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的動力輸入端為它的動力輸入渦輪(圖2中的(22))，該渦輪連接驅(qū)動泵軸，該泵軸的另外一端連接有二沖程的進氣泵機(圖2中的(21))，動力輸入渦輪將動力傳輸給驅(qū)動泵軸，泵軸的旋轉(zhuǎn)帶動二沖程的進氣泵機工作。
同一根曲軸通過連接在其上的六個連桿和6個氣缸中的活塞相連(圖2中的(24))。
在不需要加大功率輸出的一般工況下，對于兩個二沖程缸(圖2中的(7)(8))部分實行斷缸，即停止這兩缸的燃油供給與點火。這時，參與工作的只有四沖程的四個缸，它們的工作狀態(tài)和一般四缸四沖程發(fā)動機的工作模式?jīng)]有區(qū)別，這時，電子控制裝置通過閥門的關(guān)閉切斷了二沖程和四沖程部分之間的聯(lián)系。當需要大功率輸出時，二沖程不再實行斷缸，二沖程部分開始進氣，由廢氣渦輪增壓機將新鮮空氣泵入其進氣管道，進入圖2中(7)(8)所示的兩個二沖程氣缸，燃燒后產(chǎn)生的二沖程排氣在排氣門開啟后首先進入二沖程排氣混合室(圖2中的(10))，然后通過EGR分配閥(圖2中的(11))，接受分配閥的比例劃分(分配比例由圖2中的(12)即二沖程排氣EGR分配閥的電子控制單元EDC按照所連傳感器送來的數(shù)據(jù)計算，由閥控器執(zhí)行)，然后按照此比例，其中一部分進入四沖程的進氣而實現(xiàn)廢氣再循環(huán)，另一部分通向廢氣渦輪增壓驅(qū)動軸一端的動力輸入渦輪(圖2中的(22))，驅(qū)動廢氣渦輪增壓軸旋轉(zhuǎn)，然后再通過渦輪同端的排氣口排向大氣(經(jīng)催化)。
四沖程任何工作時刻都在運行，其進氣由兩部分組成，有一部分是由二沖程再循環(huán)進來的舊氣(圖2中的(19))，這部分再循環(huán)舊氣在圖2中EGR分配閥(11)的控制下，有節(jié)制的定量進入四沖程氣缸參與燃燒，還有一部分是圖2中(3)進氣管道進來的新鮮空氣，這一部分的量由節(jié)氣門控制，其流量被統(tǒng)計入空氣流量計等測量傳感器；這兩部分四沖程進氣在圖2中(23)所示的四沖程進氣混合室中混合，在遇到四沖程進氣門打開的時候，就進入四沖程氣缸參與燃燒，燃燒后的四沖程排氣全部進入圖2中(13)所示的四沖程排氣分配閥，然后也分為兩個部分，第一部分直接進入排氣管道而排向大氣(經(jīng)催化)，第二部分和二沖程排氣的一部分作用相同，也被引向廢氣渦輪增壓的驅(qū)動軸一端的動力輸入泵機(圖2中的(22))，驅(qū)動廢氣渦輪增壓軸旋轉(zhuǎn)，然后通過同端的排氣口排向大氣(經(jīng)催化)，這兩部分氣量的分配關(guān)系是同通過圖2中(14)所示的四沖程排氣分配閥的電子控制單元EDC來控制的。
圖3是本發(fā)明電控裝置的運行圖。
在本發(fā)動機的結(jié)構(gòu)中，涉及的電控裝置可用下表說明它們的作用和控制方程式。本發(fā)動機結(jié)構(gòu)中涉及的電控裝置可以參見圖3中(12)(14)所示。
本發(fā)動機結(jié)構(gòu)中涉及的電控裝置作用和控制方程式表

在二沖程部分斷缸的時候，x1＝100％，即關(guān)閉了二沖程排氣和四沖程進氣混合室的連接，因為此時二沖程不進行排氣，這樣可以防止四沖程進氣混合室(圖2中的(23))內(nèi)的氣體倒流進入二沖程排氣混合室(圖2中的(10))；x2＝0％，即關(guān)閉了四沖程排氣和廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的連接(因為此時二沖程部分不工作，廢氣渦輪增壓系統(tǒng)無需為其提供增壓進氣)，使得四沖程的排氣全部排向大氣。
以一次由低功率模式切換到高功率模式的工作過程為例，在不需要加大功率輸出的一般工況下，由于使用四缸四沖程氣缸就能夠滿足功率輸出的要求，于是對兩個二沖程氣缸實行斷缸，即停止這兩缸的燃油供給與點火。這時，參與工作的只有四沖程的四個缸，這四個缸的進氣完全由四沖程新鮮進氣管道提供，EGR分配閥相應(yīng)動作，關(guān)閉二沖程排氣通向四沖程進氣混合室的那一條管道，使得x1＝100％；四個四沖程氣缸的排氣全部排向大氣(經(jīng)催化)，四沖程排氣分配閥相應(yīng)動作，關(guān)閉四沖程排氣通向廢氣渦輪增壓動力輸入端的那一條管道，使得x2＝0％。這時四沖程和二沖程部分隔離開，四個四沖程氣缸的運轉(zhuǎn)和一般的四缸四沖程發(fā)動機沒有區(qū)別。
當車輛遇到比較嚴苛的路況等需要提供更大的功率輸出時，兩個二沖程缸和四個四沖程缸需要共同工作，司機即停止對于二沖程部分的斷缸，圖2中(12)(14)所示的兩處電子控制單元得到斷缸結(jié)束的信號，開始指令圖2中所示的閥門(11)(13)動作，即時地改變x1和x2的數(shù)值。這時二沖程部分也參加運轉(zhuǎn)，六缸開始協(xié)同工作首先，圖2中四沖程排氣分配閥(13)在四沖程排氣分配閥的電子控制單元EDC(14)的授意下，將分配一部分四沖程排氣流入廢氣渦輪增壓的渦輪動力輸入端，渦輪運轉(zhuǎn)使得增壓泵機開始工作，于是二沖程開始進氣，二沖程兩缸獲得了啟動的推動力。
正常啟動后，二沖程也開始排氣，二沖程的排氣首先全部進入EGR分配閥(圖2中的(11))，接受分配閥的比例劃分(分配比例由EDC單元(12)按照所連傳感器A、B以及斷缸傳感器送來的數(shù)據(jù)和運算公式x1＝f(A，B，是否斷缸)計算得出)，然后按照此比例，其中一部分排氣進入四沖程的進氣而實現(xiàn)廢氣再循環(huán)，另一部分通向廢氣渦輪增壓驅(qū)動軸一端的動力輸入渦輪，驅(qū)動廢氣渦輪增壓軸旋轉(zhuǎn)，然后再通過渦輪同端的排氣口排向大氣(經(jīng)催化)。通向渦輪的這一部分又為二沖程進氣提供了持續(xù)的動力。
同時，四沖程的進排氣也在進行，四沖程進氣除了有一部分是由二沖程再循環(huán)進來的舊氣，還有一部分是新鮮空氣。四沖程的排氣全部進入四沖程排氣分配閥(13)，然后也分為兩個部分，第一部分直接進入排氣管道而排向大氣(經(jīng)催化)，第二部分和二沖程排氣的一部分作用相同，也被引向廢氣渦輪增壓的驅(qū)動軸一端的動力輸入渦輪，驅(qū)動廢氣渦輪增壓軸旋轉(zhuǎn)，然后通過同端的排氣口排向大氣(經(jīng)催化)，這兩部分氣量的分配關(guān)系是通過四沖程排氣分配閥電子控制單元EDC(14)來控制的，本EDC收集傳感器A、n和斷缸傳感器的信號，通過方程x2＝f(n，A，是否滅缸)計算出結(jié)果，將指令送四沖程排氣分配閥，完成對分配的控制。
于是，這樣的工作狀態(tài)循環(huán)下去，六缸提供持續(xù)的動力輸出。
當不需要大功率輸出時，只需斷缸就能恢復只有四沖程部分工作的狀態(tài)，明顯降低功率輸出數(shù)值。
本發(fā)動機通過兩種不同工作狀態(tài)的切換，適應(yīng)了不同的工況，既保證了工作狀態(tài)下的高效，又兼顧了不工作狀態(tài)時的節(jié)能與環(huán)保。特別適用于坦克裝甲車輛、擔負著搶險救災(zāi)工作的特種車輛、需要在某些情況下提供大功率輸出的工程用車輛以及經(jīng)常在山區(qū)公路等大坡度路況下行駛的運輸車輛。
權(quán)利要求
1.一種可變沖程發(fā)動機，其特征在于，該可變沖程發(fā)動機包括六個氣缸，其中四個為任何工況下均運轉(zhuǎn)的四沖程氣缸，另兩個為只在需要的工況才參與運轉(zhuǎn)的二沖程氣缸；EGR，旨在把二沖程排氣分為兩部分，一部分進入四沖程進氣道參與排氣再循環(huán)，另一部分驅(qū)動廢氣渦輪增壓系統(tǒng)以向二沖程氣缸提供增壓后的進氣；廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，旨在向二沖程氣缸供應(yīng)增壓后的進氣；四沖程排氣分配閥，旨在將四沖程排氣分為兩部分，一部分驅(qū)動廢氣渦輪增壓系統(tǒng)以向二沖程氣缸提供進氣，另一部分直接經(jīng)過催化排向大氣；進排氣管道，進排氣門，曲軸活塞，電子控制裝置；二沖程排氣管道與二沖程排氣混合室相連，混合室通過EGR分配閥分別于廢氣渦輪增壓系統(tǒng)驅(qū)動泵軸的動力輸入渦輪和四沖程進氣混合室相連；四沖程發(fā)動機進氣混合室與四沖程發(fā)動機四個缸的進氣口相連；另外，四沖程發(fā)動機混合室還連有用于進新氣的四沖程新氣進氣管道；四沖程發(fā)動機四個缸的排氣管道通過4沖程排氣分配閥以及其后管道與廢氣渦輪增壓系統(tǒng)驅(qū)動泵軸的動力輸入渦輪相連；廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的動力輸入端為它的動力輸入渦輪，該渦輪連接驅(qū)動泵軸，該泵軸的另外一端連接有二沖程的進氣泵機，動力輸入渦輪將動力傳輸給驅(qū)動泵軸，泵軸的旋轉(zhuǎn)帶動二沖程的進氣泵機工作；同一根曲軸通過連接在其上的六個連桿和6個氣缸中的活塞相連。
2.一種可變沖程發(fā)動機的工作方法，其特征在于，該可變沖程發(fā)動機有六個氣缸，四個為任何工況下均運轉(zhuǎn)的四沖程氣缸，兩個為只在需要的工況才參與運轉(zhuǎn)的二沖程氣缸；根據(jù)需要功率的不同，使用斷缸技術(shù)來決定二沖程的兩缸是否參與工作，使發(fā)動機在不同的工作狀態(tài)之間切換；在不需要加大功率輸出的一般工況下，由于使用四缸四沖程氣缸就能夠滿足功率輸出的要求，于是對兩個二沖程氣缸實行斷缸，即停止這兩缸的燃油供給與點火，這時，參與工作的只有四沖程的四個缸，這四個缸的進氣完全由四沖程新鮮進氣管道提供，EGR分配閥相應(yīng)動作，關(guān)閉二沖程排氣通向四沖程進氣混合室的那一條管道；四個四沖程氣缸的排氣全部排向大氣，四沖程排氣分配閥相應(yīng)動作，關(guān)閉四沖程排氣通向廢氣渦輪增壓動力輸入端的那一條管道，這時四沖程和二沖程部分隔離開，四個四沖程氣缸的運轉(zhuǎn)和一般的四缸四沖程發(fā)動機沒有區(qū)別；當車輛遇到比較嚴苛的路況等需要提供更大的功率輸出時，兩個二沖程缸和四個四沖程缸需要共同工作，司機即停止對于二沖程部分的斷缸，電子控制單元得到斷缸結(jié)束的信號，開始指令閥門動作，即時地改變電控裝置的數(shù)值，這時二沖程部分也參加運轉(zhuǎn)，六缸開始協(xié)同工作首先，四沖程排氣分配閥在四沖程排氣分配閥的電子控制單元EDC的授意下，將分配一部分四沖程排氣流入廢氣渦輪增壓的渦輪動力輸入端，渦輪運轉(zhuǎn)使得增壓泵機開始工作，于是二沖程開始進氣，二沖程兩缸獲得了啟動的推動力；正常啟動后，二沖程也開始排氣，二沖程的排氣首先全部進入EGR分配閥，接受分配閥的比例劃分，按照此比例，其中一部分排氣進入四沖程的進氣而實現(xiàn)廢氣再循環(huán)，另一部分通向廢氣渦輪增壓驅(qū)動軸一端的動力輸入渦輪，驅(qū)動廢氣渦輪增壓軸旋轉(zhuǎn)，然后再通過渦輪同端的排氣口排向大氣；通向渦輪的這一部分又為二沖程進氣提供了持續(xù)的動力；同時，四沖程的進排氣也在進行，四沖程進氣除了有一部分是由二沖程再循環(huán)進來的舊氣，還有一部分是新鮮空氣；四沖程的排氣全部進入四沖程排氣分配閥，然后通過四沖程排氣分配閥電子控制單元EDC也分為兩個部分，第一部分直接進入排氣管道而排向大氣，第二部分和二沖程排氣的一部分作用相同，也被引向廢氣渦輪增壓的驅(qū)動軸一端的動力輸入渦輪，驅(qū)動廢氣渦輪增壓軸旋轉(zhuǎn)，然后通過同端的排氣口排向大氣；于是，這樣的工作狀態(tài)循環(huán)下去，六缸提供持續(xù)的動力輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可變沖程發(fā)動機，其特征在于，其EGR系統(tǒng)用在二四沖程之間，將二沖程的排氣部分返流到四沖程的進氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種可變沖程發(fā)動機的工作方法，其特征在于，在二四沖程均使用的情況下，二沖程的排氣通過二沖程排氣分配閥電子控制單元EDC控制，一部分廢氣引向渦輪增壓的驅(qū)動軸一端的動力輸入渦輪，用于驅(qū)動廢氣增壓渦輪，還有一部分用于進入四沖程實現(xiàn)排氣再循環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種可變沖程發(fā)動機的工作方法，其特征在于，四沖程的排氣全部進入四沖程排氣分配閥，然后通過四沖程排氣分配閥電子控制單元EDC也分為兩個部分，第一部分直接進入排氣管道而排向大氣，第二部分引向廢氣渦輪增壓的驅(qū)動軸一端的動力輸入渦輪，驅(qū)動廢氣渦輪增壓軸旋轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可變沖程發(fā)動機的工作方法，其特征在于，其特征在于，二沖程EGR分配閥的電子控制單元EDC的控制方程式為x1＝f(A，B)，其中，x1二沖程排氣中通向廢氣渦輪增壓機驅(qū)動端的氣量占二沖程總排氣量的比例，A曲軸轉(zhuǎn)速、B四沖程新鮮進氣流量。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種可變沖程發(fā)動機的工作方法，其特征在于，四沖程排氣分配閥的電子控制單元EDC控制方程式為x2＝f(n，A，是否滅缸)，其中，x2為四沖程排氣中通向廢氣渦輪增壓機驅(qū)動端的氣量占四沖程總排氣量的比例，n廢氣渦輪增壓機泵軸的轉(zhuǎn)速、A曲軸轉(zhuǎn)速。
全文摘要
一種可變沖程發(fā)動機及其工作方法，屬于機械制造車輛發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域，發(fā)動機包括六個氣缸，EGR，廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，四沖程排氣分配閥，進排氣管道，曲軸活塞，電子控制單元等。根據(jù)需要功率不同，使用斷缸技術(shù)來決定二沖程的兩缸是否參與工作，使發(fā)動機可以在不同工作狀態(tài)之間切換；六缸通過設(shè)計的各個進排氣分配閥門配合工作，實現(xiàn)增壓、改善排放和增大功率輸出目的。本發(fā)動機通過切換不同工作狀態(tài)適應(yīng)不同工況，保證了工作狀態(tài)下的高效，又兼顧了不工作狀態(tài)時的節(jié)能與環(huán)保，在坦克裝甲車輛、擔負著搶險救災(zāi)工作的特種車輛、需要在某些情況下提供大功率輸出的工程用車輛以及經(jīng)常在山區(qū)公路等大坡度路況下行駛等運輸?shù)溶囕v中有極強應(yīng)用前景。
文檔編號F02D21/08GK1737350SQ20051001207
公開日2006年2月22日 申請日期2005年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月1日
發(fā)明者李哲, 郭允, 帥石金 申請人:清華大學