專利名稱：：汽油機(jī)兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及采用HCCI/SI混合燃燒模式的汽油機(jī)，即中小負(fù)荷下采用高壓縮比的均質(zhì)混合氣壓縮著火燃燒(HCCI)模式實(shí)現(xiàn)高效低污染，大負(fù)荷時(shí)采用低壓縮比的火花點(diǎn)火(SI)燃燒模式，獲得高的功率密度且不發(fā)生爆震。
背景技術(shù)：
：汽油機(jī)中小負(fù)荷油耗高，比柴油機(jī)高出20%30%;而在大負(fù)荷時(shí)容易爆震，限制了功率輸出。為了解決汽油機(jī)中小負(fù)荷油耗差的問題，需要提高壓縮比；而要解決汽油機(jī)大負(fù)荷容易爆震的問題，需要降低壓縮比。因此，最理想的方法是壓縮比可變，這能使汽油機(jī)的油耗和功率輸出大幅度改善，而且可以降低噪聲與振動(dòng)。Saab汽車公司2002年利用其開發(fā)的VCR技術(shù)在一臺(tái)自然吸氣多缸發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了壓縮比和進(jìn)氣溫度對(duì)HCCI燃燒的影響[HaraldssonG，etal.HCCIcombustinphasinginamulticylinderengineusingvariablecompressionratio.SAE2002-01-2858]，發(fā)現(xiàn)高壓縮比可以代替進(jìn)氣加熱實(shí)現(xiàn)HCCI，但VCR結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以產(chǎn)業(yè)化。日產(chǎn)公司在2006年發(fā)明了一種壓縮比可變的活塞連桿機(jī)構(gòu)，在中低負(fù)荷工作時(shí)e=14，可顯著提高熱效率而不會(huì)爆燃，高負(fù)荷工作時(shí)e=8.[M.Sekine，yearbook-GasolineEngine,JournalofJSAE，Vol.61，No.8，2007]。但連續(xù)可變壓縮比的方法目前對(duì)于車用發(fā)動(dòng)機(jī)還不實(shí)用，成本太高，又增加了車用發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化復(fù)雜性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就在于提供一種汽油機(jī)兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)及其控制方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是采用一種汽油機(jī)兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)，在對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門和排氣門的兩個(gè)頂置凸輪軸上，對(duì)應(yīng)每缸的進(jìn)氣門和排氣門分別設(shè)置大凸輪和小凸輪；在每缸的進(jìn)氣門上設(shè)置進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)，以用于切換與該進(jìn)氣門對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣門大凸輪和進(jìn)氣門小凸輪；在每缸的排氣門上設(shè)置排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)，以用于切換與該排氣門對(duì)應(yīng)的排氣門大凸輪和排氣門小凸輪。其中，所述進(jìn)氣門大凸輪的進(jìn)氣門關(guān)閉角設(shè)為60。CAABDC90。CAABDC;所述進(jìn)氣門小凸輪的進(jìn)氣門關(guān)閉角設(shè)為-10°CAABDC20°CAABDC;所述進(jìn)氣門小凸輪的進(jìn)氣門開啟角設(shè)為80。CAATDC0°CAATDC;所述排氣門小凸輪的排氣門關(guān)閉角設(shè)為-80°CAATDC0°CAATDC。其中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷小于預(yù)設(shè)值A(chǔ)時(shí)，控制所述進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)將凸輪型線切換為進(jìn)氣門小凸輪，并且控制所述排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)將凸輪型線切換為排氣門小凸輪；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷大于預(yù)設(shè)值A(chǔ)時(shí)，控制所述進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)將凸輪型線切換為進(jìn)氣門大凸輪，并且控制所述排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)將凸輪型線切換為排氣門大凸輪。其中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷小于預(yù)設(shè)值A(chǔ)且冷卻水溫低于預(yù)設(shè)值B時(shí)，采用火花點(diǎn)火燃燒模式；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷小于預(yù)設(shè)值A(chǔ)且冷卻水溫高于預(yù)設(shè)值B時(shí)，采用均質(zhì)混合氣壓燃燃燒模式；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷大于預(yù)設(shè)值A(chǔ)時(shí)，采用火花點(diǎn)火燃燒模式。其中，所述預(yù)設(shè)值A(chǔ)為0.4MPa0.5MPa。其中，所述預(yù)設(shè)值B為80°C90°C。本發(fā)明還提供一種如上所述系統(tǒng)的控制方法，該方法包括Sl、檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷大?。籗2、當(dāng)所述負(fù)荷小于預(yù)設(shè)值A(chǔ)時(shí)，控制設(shè)置在每缸的進(jìn)氣門上的進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)，將凸輪型線切換為與該進(jìn)氣門對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣門小凸輪，并且控制設(shè)置在每缸的排氣門上的排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)，將凸輪型線切換為與該排氣門對(duì)應(yīng)的排氣門小凸輪；當(dāng)所述負(fù)荷大于預(yù)設(shè)值A(chǔ)時(shí)，在每缸的進(jìn)氣門上設(shè)置的進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)，將凸輪型線切換為與該進(jìn)氣門對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣門大凸輪，并且在每缸的排氣門上設(shè)置的排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)，將凸輪型線切換為與該排氣門對(duì)應(yīng)的排氣門大凸輪。其中，所述控制方法還包括S3、利用三效催化劑對(duì)尾氣進(jìn)行處理。其中，所述預(yù)設(shè)值A(chǔ)為0.4MPa0.5MPa。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于，可以實(shí)現(xiàn)壓縮比的快速改變；能夠在一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)SI和HCCI燃燒模式間切換；發(fā)動(dòng)機(jī)中小負(fù)荷時(shí)，采用較高壓縮比獲得低油耗；發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷時(shí)，采用較低壓縮比避免爆震，獲得高功率密度。圖1是本發(fā)明的實(shí)施例所涉及的汽油機(jī)兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)的示意圖；圖2是本發(fā)明的實(shí)施例所涉及的汽油機(jī)兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)的四種凸輪升程曲線示意圖；圖3是本發(fā)明的實(shí)施例所涉及的高壓縮比HCCI燃燒模式下的配氣相位示意圖；圖4是本發(fā)明的實(shí)施例所涉及的低壓縮比SI燃燒模式下的配氣相位示意圖；圖5是本發(fā)明的實(shí)施例所涉及的汽油機(jī)兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)的控制方法的流程圖。圖中1、火花塞；2、噴油器；10、進(jìn)氣門；11、進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)；12、進(jìn)氣門小凸輪；13、進(jìn)氣門大凸輪；20、排氣門；21、排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)；22、排氣門小凸輪；23、排氣門大凸輪。具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本實(shí)施例的汽油機(jī)兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)，如圖1所示，在對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門和排氣門的兩個(gè)頂置凸輪軸上，對(duì)應(yīng)每缸的進(jìn)氣門IO和排氣門20分別設(shè)置大凸輪和小凸輪；在每缸的進(jìn)氣門10上設(shè)置進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)11，以用于切換與該進(jìn)氣門10對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣門大凸輪13和進(jìn)氣門小凸輪12;在每缸的排氣門20上設(shè)置排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)21，以用于切換與該排氣門20對(duì)應(yīng)的排氣門大凸輪23和排氣門小凸輪22。圖2為上述四種凸輪升程曲線示意圖。本發(fā)明的汽油機(jī)的幾何壓縮比設(shè)為1315，進(jìn)氣門大凸輪13的進(jìn)氣門關(guān)閉角(IVC)設(shè)為60°CAABDC9(TCAABDC;進(jìn)氣門小凸輪12的進(jìn)氣門關(guān)閉角(IVC)設(shè)為-10。CAABDC20°CAABDC;進(jìn)氣門小凸輪12的進(jìn)氣門開啟角(IV0)設(shè)為80°CAATDC0°CAATDC;排氣門小凸輪22的排氣門關(guān)閉角(EVC)設(shè)為-80°CAATDC0°CAATDC。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷小于預(yù)設(shè)值A(chǔ)時(shí)，所述進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)將凸輪型線切換為進(jìn)氣門小凸輪，并且所述排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)將凸輪型線切換為排氣門小凸輪，即切換為低壓縮比工作模式；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷大于預(yù)設(shè)值A(chǔ)時(shí)，所述進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)將凸輪型線切換為進(jìn)氣門大凸輪，并且所述排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)將凸輪型線切換為排氣門大凸輪，即切換為高壓縮比工作模式。并且，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷小于預(yù)設(shè)值A(chǔ)且冷卻水溫低于預(yù)設(shè)值B時(shí)，采用火花點(diǎn)火燃燒模式(SI);當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷大于預(yù)設(shè)值A(chǔ)且冷卻水溫高于預(yù)設(shè)值B時(shí)，采用均質(zhì)混合氣壓燃燃燒模式(HCCI);當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷大于預(yù)設(shè)值A(chǔ)時(shí)，采用火花點(diǎn)火燃燒模式(SI)。上述中，預(yù)設(shè)值A(chǔ)的取值范圍優(yōu)選的是0.4MPa0.5MPa。上述中，預(yù)設(shè)值B的取值范圍優(yōu)選的是80°C90°C。下面以具體實(shí)施例說明本發(fā)明的汽油機(jī)兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)及其控制方法。本實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位設(shè)計(jì)成如表1所示。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>如圖5所示，本實(shí)施例的汽油機(jī)兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟。Sl、檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷大小并進(jìn)行判斷。S2、當(dāng)所述負(fù)荷小于0.4MPa平均有效壓力時(shí)，控制設(shè)置在每缸的進(jìn)氣門IO上的進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)ll，將凸輪型線切換為與該進(jìn)氣門10對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣門小凸輪12，并且控制設(shè)置在每缸的排氣門20上的排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)21，將凸輪型線切換為與該排氣門20對(duì)應(yīng)的排氣門小凸輪22，即切換為圖3所示的高壓縮比控制模式；當(dāng)所述負(fù)荷大于0.4MPa平均有效壓力時(shí)，控制設(shè)置在每缸的進(jìn)氣門10上的進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)11，將凸輪型線切換為與該進(jìn)氣門IO對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣門大凸輪13，并且控制設(shè)置在每缸的排氣門20上的排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)21，將凸輪型線切換為與該排氣門20對(duì)應(yīng)的排氣門大凸輪23，即切換為圖4所示的低壓縮比控制模式，此時(shí)采用火花點(diǎn)火燃燒模式(SI)。當(dāng)汽油機(jī)工作在低壓縮比模式時(shí)，判斷冷卻水的溫度，當(dāng)冷卻水的溫度低于85t:時(shí)，采用火花點(diǎn)火燃燒模式(SI);當(dāng)冷卻水的溫度高于某值時(shí)，采用均質(zhì)混合氣壓燃燃燒模式(HCCI)。S3、利用三效催化劑對(duì)尾氣進(jìn)行處理。S卩，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷小于0.4MPa平均有效壓力且冷卻水的溫度高于85。C時(shí)，采用稀薄HCCI燃燒，利用三效催化劑氧化HC和C0排放，負(fù)荷大于0.4MPa平均有效壓力或冷卻水的溫度低于85t:時(shí)，采用當(dāng)量比SI燃燒，對(duì)有害排放物——HC、C0、N0x同時(shí)催化凈化。本實(shí)施例利用凸輪型線切換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)配氣相位的快速變化從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)兩級(jí)可變實(shí)際壓縮比(如9和13)的目的，滿足汽油機(jī)SI和HCCI燃燒模式的切換的要求。同時(shí)由于配氣相位的特殊設(shè)計(jì)，中小負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)了提高壓縮比和減少泵氣損失獲得顯著節(jié)油效果，大負(fù)荷時(shí)減小壓縮比，避免了汽油機(jī)采用SI燃燒的爆震。另外，采用進(jìn)氣門晚關(guān)降低有效壓縮比抑制SI燃燒爆震的同時(shí)，充氣系數(shù)也相應(yīng)降低。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷時(shí)的功率密度，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量通過增壓來補(bǔ)償。并且，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷且冷卻水溫較低時(shí)，通過節(jié)氣門控制進(jìn)氣量實(shí)現(xiàn)高壓縮比下的當(dāng)量比混合氣SI燃燒工作模式，三效催化劑對(duì)NOx、HC和C0同時(shí)進(jìn)行催化凈化；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)中小負(fù)荷且冷卻水溫較高時(shí)，節(jié)氣門全開，實(shí)現(xiàn)高壓縮比下的稀混合氣HCCI燃燒工作模式。此工作模式下N0x排放極低(小于10卯m)，主要產(chǎn)生HC和CO排放，三效催化劑只需對(duì)HC和CO排放進(jìn)行氧化處理。大負(fù)荷時(shí)，采用低壓縮比下的SI燃燒工作模式，三效催化劑對(duì)N0x、HC和CO同時(shí)進(jìn)行催化凈化。以上為本發(fā)明的最佳實(shí)施方式，依據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠顯而易見地想到一些雷同、替代方案，這些方案均應(yīng)落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。權(quán)利要求一種汽油機(jī)兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)，其特征在于，在對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門和排氣門的兩個(gè)頂置凸輪軸上，對(duì)應(yīng)每缸的進(jìn)氣門和排氣門分別設(shè)置大凸輪和小凸輪；在每缸的進(jìn)氣門上設(shè)置進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)，以用于切換與該進(jìn)氣門對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣門大凸輪和進(jìn)氣門小凸輪；在每缸的排氣門上設(shè)置排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)，以用于切換與該排氣門對(duì)應(yīng)的排氣門大凸輪和排氣門小凸輪。2.如權(quán)利要求1所述的汽油機(jī)兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)，其特征在于，所述進(jìn)氣門大凸輪的進(jìn)氣門關(guān)閉角設(shè)為60°CAABDC90°CAABDC;所述進(jìn)氣門小凸輪的進(jìn)氣門關(guān)閉角設(shè)為-10°CAABDC20°CAABDC;所述進(jìn)氣門小凸輪的進(jìn)氣門開啟角設(shè)為80°CAATDC0°CAATDC;所述排氣門小凸輪的排氣門關(guān)閉角設(shè)為-80°CAATDC0°CAATDC。3.如權(quán)利要求2所述的汽油機(jī)兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷小于預(yù)設(shè)值A(chǔ)時(shí)，控制所述進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)將凸輪型線切換為進(jìn)氣門小凸輪，并且控制所述排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)將凸輪型線切換為排氣門小凸輪；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷大于預(yù)設(shè)值A(chǔ)時(shí)，控制所述進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)將凸輪型線切換為進(jìn)氣門大凸輪，并且控制所述排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)將凸輪型線切換為排氣門大凸輪。4.如權(quán)利要求3所述的汽油機(jī)兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷小于預(yù)設(shè)值A(chǔ)且冷卻水溫低于預(yù)設(shè)值B時(shí)，采用火花點(diǎn)火燃燒模式；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷小于預(yù)設(shè)值A(chǔ)且冷卻水溫高于預(yù)設(shè)值B時(shí)，采用均質(zhì)混合氣壓燃燃燒模式；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷大于預(yù)設(shè)值A(chǔ)時(shí)，采用火花點(diǎn)火燃燒模式。5.如權(quán)利要求3或4所述的汽油機(jī)兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)設(shè)值A(chǔ)為0.4MPa0.5MPa。6.如權(quán)利要求4所述的汽油機(jī)兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)設(shè)值B為80°C90°C。7.—種如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，該方法包括51、檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷大??；52、當(dāng)所述負(fù)荷小于預(yù)設(shè)值A(chǔ)時(shí)，控制設(shè)置在每缸的進(jìn)氣門上的進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)，將凸輪型線切換為與該進(jìn)氣門對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣門小凸輪，并且控制設(shè)置在每缸的排氣門上的排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)，將凸輪型線切換為與該排氣門對(duì)應(yīng)的排氣門小凸輪；當(dāng)所述負(fù)荷大于預(yù)設(shè)值A(chǔ)時(shí)，在每缸的進(jìn)氣門上設(shè)置的進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)，將凸輪型線切換為與該進(jìn)氣門對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣門大凸輪，并且在每缸的排氣門上設(shè)置的排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)，將凸輪型線切換為與該排氣門對(duì)應(yīng)的排氣門大凸輪。8.如權(quán)利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法還包括S3、利用三效催化劑對(duì)尾氣進(jìn)行處理。9.如權(quán)利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)值A(chǔ)為0.4MPa0.5MPa。全文摘要本發(fā)明涉及一種汽油機(jī)兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)及其控制方法，在對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門和排氣門的兩個(gè)頂置凸輪軸上，對(duì)應(yīng)每缸的進(jìn)氣門和排氣門分別設(shè)置大凸輪和小凸輪；在每缸的進(jìn)氣門上設(shè)置進(jìn)氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)，以用于切換與該進(jìn)氣門對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣門大凸輪和進(jìn)氣門小凸輪；在每缸的排氣門上設(shè)置排氣門凸輪型線切換機(jī)構(gòu)，以用于切換與該排氣門對(duì)應(yīng)的排氣門大凸輪和排氣門小凸輪。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于，可以實(shí)現(xiàn)壓縮比的快速改變；能夠在一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)SI和HCCI燃燒模式間切換；發(fā)動(dòng)機(jī)中小負(fù)荷時(shí)，采用較高壓縮比獲得低油耗；發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷時(shí)，采用較低壓縮比避免爆震，獲得高功率密度。文檔編號(hào)F01L13/08GK101699040SQ20091023656公開日2010年4月28日申請(qǐng)日期2009年10月26日優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日發(fā)明者王建昕,王志申請(qǐng)人:清華大學(xué)