專利名稱：一種實現(xiàn)汽油機配氣相位快速切換的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)汽油機配氣相位快速切換的方法及其裝置，特別涉及汽油機實現(xiàn)火花點火(SI)燃燒方式和均質混合氣壓縮著火燃燒(HCCI)方式之間快速平順可靠的切換，屬于汽車發(fā)動機、內(nèi)燃機燃燒技術領域。
背景技術：
均質混合氣壓縮著火(HCCI)燃燒方式可以使汽油機的燃燒熱效率顯著改善，達到普通柴油機的水平，同時NOx的排放比普通汽油機降低95％以上，是目前國際上的研究熱點。國際上已公認，雙模式運行是車用HCCI發(fā)動機理想的運行策略，即在中小負荷下使用HCCI燃燒模式，而在大負荷和過低負荷下過渡到傳統(tǒng)的火花點火(SI)燃燒或柴油機燃燒模式運行。但使用傳統(tǒng)汽油機的配氣機構很難實現(xiàn)SI/HCCI燃燒方式的切換。因此燃燒模式之間的切換成了這種新型燃燒方式的實際應用和產(chǎn)品化的難點。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，采用負閥重疊的配氣相位形成大量內(nèi)部EGR是實現(xiàn)汽油HCCI燃燒的有效措施。而要實現(xiàn)SI/HCCI燃燒模式順利平穩(wěn)切換，需要一種響應快的可變配氣機構，在一個循環(huán)內(nèi)完成不同燃燒模式所需的混合氣的制備，即一個循環(huán)內(nèi)使得發(fā)動機進排氣配氣相位同時大幅度改變，從而在下一個循環(huán)內(nèi)就能完成SI/HCCI模式的切換。同時這種機構還應具備成本低和可靠性好的突出特點。
目前發(fā)動機產(chǎn)品中常規(guī)的可變配氣相位機構如圖1所示，這種機構通過相位平移器(VCT)旋轉進氣凸輪軸來實現(xiàn)配氣相位的變化。但不能改變氣門升程和開啟持續(xù)期，而且響應速度慢，無法實現(xiàn)進排氣同時改變配氣相位的要求。而氣門升程和相位連續(xù)可變的配氣機構(FVVT)，通過調整搖臂比并配合凸輪軸旋轉，其進排氣凸輪軸前端均安裝相位平移器(VCT)，實現(xiàn)凸輪升程和相位的大幅度改變一般需要十幾個發(fā)動機循環(huán)才能達到目標值，此機構不僅成本高，而且響應速度慢，很難完成不同燃燒模式間的快速平穩(wěn)切換(發(fā)動機在此期間會發(fā)生失火和爆震)。
目前研究中能夠實現(xiàn)快速改變配氣相位的裝置是電磁氣門機構和電液耦合氣門機構，但成本極高，控制復雜，嚴重影響了實用前景。其中電磁氣門如圖2所示，這種機構體積大、重量大、工作噪聲大，可靠性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低成本、響應快的配氣相位切換方法和裝置，無需采用凸輪相位平移器(VCT)改變配氣相位，而使用單頂置凸輪軸方案即可實現(xiàn)一個發(fā)動機工作循環(huán)內(nèi)使得進排氣配氣相位和升程同時大幅度改變，在缸內(nèi)保留大量的殘余廢氣，達到火花點火燃燒和均質壓燃燃燒模式之間快速平穩(wěn)的切換。
為達到以上目的，本發(fā)明的技術方案如下一種實現(xiàn)汽油機配氣相位快速切換的裝置，包含缸蓋、正時皮帶、凸輪軸皮帶輪、凸輪軸、設置在缸蓋上的氣門以及設置在氣門上的氣門彈簧，其特征在于在單頂置凸輪軸上裝有錯位雙凸輪機構，在所述的氣門頂端安裝有可變升程液壓挺柱，在缸蓋主油道上設有電磁閥，可變升程液壓挺柱的升程由錯位雙凸輪機構驅動；所述的錯位雙凸輪機構上每缸設有四種凸輪，分別為壓燃模式排氣凸輪、點燃模式排氣凸輪、點燃模式進氣凸輪、壓燃模式進氣凸輪；所有進排氣凸輪均設置在一根凸輪軸上，壓燃模式進氣凸輪桃尖相對于點燃模式進氣凸輪桃尖滯后；壓燃模式排氣凸輪桃尖相對于點燃模式排氣SI凸輪桃尖提前；點燃模式進氣凸輪外輪廓包容壓燃模式進氣凸輪外輪廓，點燃模式排氣凸輪外輪廓包容壓燃模式排氣凸輪外輪廓；點燃模式凸輪的配氣相位為正重疊，壓燃凸輪的配氣相位為負重疊；所述錯位雙凸輪機構的工作凸輪的選擇由電磁閥控制。
本發(fā)明所述的氣門與可變升程液壓挺柱之間設有用于調整間隙的氣門鑲帽。
本發(fā)明提供了一種汽油機配氣相位快速切換的方法，其特征在于其配氣相位切換步驟如下1)在火花點火燃燒模式下，使電磁閥的油路與機油泵連通，缸蓋主油道中建立機油壓力使可變升程液壓挺柱鎖定，此時點燃模式進氣凸輪驅動進氣門，點燃模式排氣凸輪驅動排氣門，即實現(xiàn)火花點火燃燒模式所需的配氣相位；2)當需要配氣相位切換時，使電磁閥的油路與油底殼連通，缸蓋主油道中的機油壓力被釋放，可變升程液壓挺柱解除鎖定，此時壓燃模式進氣凸輪驅動進氣門，壓燃模式排氣凸輪驅動排氣門，即實現(xiàn)一個工作循環(huán)內(nèi)的火花點火燃燒模式向壓燃著火模式所需的配氣相位的切換。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果切換過程中不存在中間過渡過程，在一個循環(huán)內(nèi)即可完成進氣配氣相位和排氣配氣相位的同時大幅度改變，切換過程快速可靠。同電磁氣門機構、電液耦合氣門機構和FVVT機構相比，具有成本低、機構緊湊、工作可靠、響應迅速、控制簡單、控制精確的優(yōu)點，具有突出的實用化前景。試驗結果證明，該可變配氣機構響應快，發(fā)動機可以在一個工作循環(huán)內(nèi)完成SI/HCCI燃燒模式間的順利切換。中低負荷時，從SI燃燒模式切換到HCCI燃燒模式后，實測NOx排放為0～20ppm，較相同負荷下SI燃燒模式汽油機降低NOx排放95％以上，無碳煙排放，燃油消耗率達到柴油機水平。


圖1為常規(guī)可變配氣相位機構示意圖。
圖2為國外研究中電磁氣門可變配氣機構示意圖。
圖3為本發(fā)明提供的采用單頂置凸輪軸的配氣相位快速切換裝置的結構示意圖。
圖4為圖3的通過氣門中心線的剖面圖。
圖5為可變配氣相位快速切換裝置中的錯位雙凸輪機構的示意圖，表示出凸輪型線及相位布置。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的原理、工作過程及及具體實施方式
作進一步的說明。
圖3、圖4為本發(fā)明提供的采用單頂置凸輪軸的配氣相位快速切換裝置的結構示意圖。該裝置包含缸蓋1，正時皮帶2，凸輪軸皮帶輪3，凸輪軸4，設置在缸蓋上的氣門5以及生物質在氣門上的氣門彈簧6，氣門鑲帽7，可變升程液壓挺柱8，缸蓋主油道9和電磁閥10。在單頂置凸輪軸4上裝有錯位雙凸輪機構，錯位雙凸輪機構設計如圖5所示，錯位雙凸輪機構上每缸設有四種凸輪，分別包含壓燃模式(HCCI)排氣凸輪11、點燃模式(SI)排氣凸輪12、點燃模式(SI)進氣凸輪13、壓燃模式(HCCI)進氣凸輪14。本發(fā)明的可變配氣機構可以實現(xiàn)快速的氣門升程和氣門相位的同時改變。兩個點燃模式(SI)凸輪按常規(guī)火花點火汽油機相位布置，將兩個壓燃模式(HCCI)凸輪反向旋轉相位布置。在一個循環(huán)內(nèi)同時切換點燃模式進排氣凸輪到壓燃模式進排氣凸輪，實現(xiàn)排氣門早關和進氣門晚開，獲得大量的缸內(nèi)殘余廢氣，達到HCCI燃燒的要求，從而從SI燃燒模式切換到HCCI燃燒模式。反之，從HCCI燃燒模式切換到SI燃燒模式。
實施例在一氣缸直徑為95毫米的發(fā)動機上，壓縮比為13，4種凸輪的配氣相位見下表。
發(fā)動機采用SI燃燒模式起動；發(fā)動機在中低負荷時，通過可變升程液壓挺柱(德國INA公司發(fā)動機零部件產(chǎn)品，零件號99610522524)切換起作用的凸輪，實現(xiàn)汽油機配氣相位快速切換的方法，步驟如下1)在火花點火燃燒模式下，使電磁閥10的油路與機油泵連通，缸蓋主油道9中建立機油壓力使可變升程液壓挺柱8鎖定，此時可變升程液壓挺柱外環(huán)接觸面為工作面，使得點燃模式進氣凸輪13驅動進氣門，點燃模式排氣凸輪12驅動排氣門，即實現(xiàn)火花點火燃燒模式所需的配氣相位；2)當需要配氣相位切換時，開啟二位三通電磁閥，使電磁閥的油路與油底殼連通，缸蓋主油道9中的機油壓力被釋放，可變升程液壓挺柱8解除鎖定，此時可變升程液壓挺柱內(nèi)環(huán)接觸面為工作面，使得壓燃模式進氣凸輪14驅動進氣門，壓燃模式排氣凸輪11驅動排氣門，即實現(xiàn)壓燃模式所需的配氣相位的切換。由于四種凸輪型線設計已考慮的配氣相位的變化，因此只要卸油壓，即可形成大幅度的負閥重疊配氣相位，保留足夠的高溫殘余廢氣，保證穩(wěn)定可靠的HCCI燃燒。
通過以上步驟在一個發(fā)動機循環(huán)內(nèi)即可實現(xiàn)常規(guī)SI配氣相位(氣門升程10mm，重疊角30°CA)向HCCI配氣相位(氣門升程5mm，負重疊角150°CA)的切換，從而截取相當質量的高溫廢氣，截留的缸內(nèi)的高溫廢氣被重壓縮，發(fā)動機進排氣上止點出現(xiàn)壓力峰，缸內(nèi)保留的大量高溫殘余廢氣使得下一循環(huán)缸內(nèi)壓縮終點溫度大幅度提高，發(fā)動機在一個工作循環(huán)內(nèi)從SI燃燒模式配氣相位切換到HCCI燃燒模式配氣相位。
實施工況例

權利要求
1.一種實現(xiàn)汽油機配氣相位快速切換的裝置，包含缸蓋(1)、正時皮帶(2)、凸輪軸皮帶輪(3)、凸輪軸(4)、設置在缸蓋上的氣門(5)以及設置在氣門上的氣門彈簧(6)，其特征在于在單頂置凸輪軸上裝有錯位雙凸輪機構，在所述的氣門頂端安裝有可變升程液壓挺柱(8)，在缸蓋主油道(9)上設有電磁閥(10)，可變升程液壓挺柱的升程由錯位雙凸輪機構驅動；所述的錯位雙凸輪機構上每缸設有四種凸輪，分別為壓燃模式排氣凸輪(11)、點燃模式排氣凸輪(12)、點燃模式進氣凸輪(13)、壓燃模式進氣凸輪(14)；所有進排氣凸輪均設置在一根凸輪軸上，壓燃模式進氣凸輪桃尖相對于點燃模式進氣凸輪桃尖滯后；壓燃模式排氣凸輪桃尖相對于點燃模式排氣SI凸輪桃尖提前；點燃模式進氣凸輪外輪廓包容壓燃模式進氣凸輪外輪廓，點燃模式排氣凸輪外輪廓包容壓燃模式排氣凸輪外輪廓；點燃模式凸輪的配氣相位為正重疊，壓燃凸輪的配氣相位為負重疊；所述錯位雙凸輪機構的工作凸輪的選擇由電磁閥控制。
2.按照權利要求1所述的一種實現(xiàn)汽油機配氣相位快速切換的裝置，其特征在于在所述的氣門與可變升程液壓挺柱之間設有用于調整間隙的氣門鑲帽(7)。
3.一種采用如權利要求1所述裝置的汽油機配氣相位快速切換的方法，其特征在于其配氣相位切換步驟如下1)在火花點火燃燒模式下，使電磁閥(10)的油路與機油泵連通，缸蓋主油道(9)中建立機油壓力使可變升程液壓挺柱(8)鎖定，此時點燃模式進氣凸輪(13)驅動進氣門，點燃模式排氣凸輪(12)驅動排氣門，即實現(xiàn)火花點火燃燒模式所需的配氣相位；2)當需要配氣相位切換時，使電磁閥的油路與油底殼連通，缸蓋主油道(9)中的機油壓力被釋放，可變升程液壓挺柱(8)解除鎖定，此時壓燃模式進氣凸輪(14)驅動進氣門，壓燃模式排氣凸輪(11)驅動排氣門，即實現(xiàn)一個工作循環(huán)內(nèi)的火花點火燃燒模式向壓燃著火模式所需的配氣相位的切換。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)汽油機配氣相位快速切換的方法及其裝置，特別涉及汽油機采用火花點火燃燒模式向均質混合氣壓縮著火燃燒模式切換時的實現(xiàn)，屬于汽車發(fā)動機、內(nèi)燃機技術領域。通過設計錯位雙凸輪機構，在一個循環(huán)內(nèi)同時切換進排氣凸輪，實現(xiàn)排氣門早關和進氣門晚開，獲得大量的缸內(nèi)殘余氣體，從火花點火(SI)燃燒模式切換到均質混合氣壓縮著火(HCCI)燃燒模式。反之，從HCCI燃燒模式切換到SI燃燒模式。本發(fā)明既解決了汽油機上實現(xiàn)HCCI燃燒的問題，又解決了火花點火燃燒模式和均質壓燃燃燒模式之間的切換問題。
文檔編號F01L1/08GK1824926SQ20061000214
公開日2006年8月30日 申請日期2006年1月19日 優(yōu)先權日2006年1月19日
發(fā)明者王志, 田國弘, 王建昕, 帥石金 申請人:清華大學