气缸盖、发动机及其控制方法、控制单元和汽车与流程

本发明涉及汽车领域，具体涉及一种气缸盖、发动机及其控制方法、控制单元和汽车。

背景技术：

对于汽车发动机而言，理想的状态应该是：一方面，最大功率足够大，以完成加速、爬坡、最高车速等极限工况要求；另一方面，在任何工况下，发动机都能保持很高的燃烧效率，来获得较好的经济性。然而，虽然目前的发动机技术已经得到了突飞猛进的发展，仍然不能同时满足上述两方面的要求。

以轿车用发动机为例，在大多数工况下，对发动机输出功率的要求并不大，此时，发动机一般通过以调节进气量来调节输出功率，进气量越小，输出功率越低。但是，对于发动机而言，压缩比是固定的，即排量是固定的，进气量减小，则势必造成气缸压力减小，导致燃烧效率降低。

技术实现要素：

本发明解决的问题是现有发动机在大多数工况下燃烧效率较低，经济性欠佳。

为解决上述问题，本发明提供一种气缸盖，包括：活塞孔，用于与燃烧室连通；活塞，同轴地插设于活塞孔中，活塞的外周面上设有啮合齿；驱动部，包括：驱动轴，外周面上设有驱动齿；传动件，设有与驱动齿相啮合的第一传动齿，以及与啮合齿相啮合的第二传动齿；驱动部可驱动活塞朝向燃烧室运动并伸入燃烧室中、以减小燃烧室的容积，或远离燃烧室运动、以增大燃烧室的容积。

可选的，传动件为环形，套设于活塞外，第一传动齿设于传动件的外周面，第二传动齿设于传动件的内周面。

可选的，啮合齿、第二传动齿均为螺旋齿。

可选的，沿远离燃烧室的方向，活塞孔的内壁上依次设有第一限位部、第二限位部，传动件卡设于第一限位部、第二限位部之间。

可选的，第一限位部为设于内壁上的第一轴肩，第二限位部为止挡圈或卡簧。

可选的，活塞的外周面上设有限位凸台；活塞孔的内壁上设有活塞限位部，位于限位凸台面向燃烧室的一侧，用于与限位凸台配合，对活塞进行限位。

可选的，活塞限位部为设于内壁上的第二轴肩。

可选的，活塞具有用于伸入燃烧室的活塞头部；活塞头部的外周面上设有活塞环，活塞环高于活塞头部的外周面，活塞通过活塞环与活塞孔的内壁接触。

可选的，活塞孔内壁上设有嵌套，嵌套的耐磨性高于活塞孔内壁，活塞头部插设于嵌套中。

可选的，啮合齿位于活塞头部远离燃烧室的一侧。

可选的，驱动轴的驱动齿为多头螺旋线。

可选的，活塞具有内腔，内腔用于设置喷油嘴和/或火花塞；喷油嘴、火花塞的一端穿过活塞，用于伸入燃烧室内。

可选的，喷油嘴的喷孔为单孔。

可选的，喷油嘴为斜置式缸内直喷式喷油嘴。

可选的，活塞可伸入燃烧室一端的横截面为椭圆形。

本发明还提供一种发动机，其包括上述任一项的气缸盖。

可选的，发动机具有多个气缸，每个气缸配备有一个活塞，驱动轴的轴向与活塞的轴向垂直，驱动部同时驱动至少两个活塞。

本发明还提供一种上述发动机的控制方法，其包括：一个进气道流量对应一个活塞设定位置，不同的进气道流量对应不同的活塞设定位置，每个流量所对应的活塞设定位置满足压缩比设定要求；获取发动机进气道的当前流 量、以及活塞的当前位置；将当前位置与当前流量所对应的活塞设定位置进行比较：如果当前位置与设定位置不同时，则控制活塞运动至与设定位置。

本发明还提供一种控制单元，用于控制上述发动机，包括：存储单元，用于存储与发动机进气道的不同流量所对应的活塞的设定位置，一个流量对应一个活塞的设定位置，每个流量所对应活塞的设定位置满足压缩比设定要求；获取单元，用于获取发动机进气道的当前流量、以及活塞的当前位置；比较单元，用于将当前位置与当前流量所对应的活塞的设定位置进行比较、并输出比较结果；执行单元，用于根据比较结果输出控制指令，以控制活塞运动，当当前位置不同于设定位置时，则控制活塞运动至设定位置。

可选的，控制单元集成于发动机ECU或者发动机ECM。

本发明还提供一种发动机，其包括：上述任一项的气缸盖，以及控制单元。

本发明还提供一种汽车，其包括上述任一项的气缸盖。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

气缸盖中设置由驱动部驱动的活塞，驱动部与活塞通过对应的齿传动连接，活塞可在驱动部的驱动下伸入燃烧室中，或者远离燃烧室。当发动机的进气量减小时、可以控制活塞朝向燃烧室运动，反之则可以控制活塞远离燃烧室运动，通过控制活塞的运动来调节燃烧室的容积，以调节气缸的压缩比，使得在不同工况下，都能保证发动机具有较高的燃烧效率，满足经济性的需求。

附图说明

图1以剖面图的形式示出了本发明实施例的发动机中气缸盖与活塞的装配结构；

图2-图3是本发明实施例的发动机中活塞的立体剖视图，其中图2示出了喷油嘴、火花塞装配在活塞中的状态；

图4示出了驱动轴、传动件以及活塞的运动状态；

图5示出了本发明实施例中在最大压缩比时活塞与气缸盖的相对位置；

图6示出了本发明实施例中在最小压缩比时活塞与气缸盖的相对位置。

具体实施方式

本发明的技术涉及可变压缩比技术，在详述本发明实施例之前，为了可以更好的理解本发明，先简单介绍可变压缩比技术。

压缩比是活塞的扫气容积与燃烧室容积之和与燃烧室容积的比值，即气缸在下止点时的最大体积与气缸在上止点时最小体积之比。压缩比是发动机的重要参数，该参数决定了发动机的压缩混合气的压力。但是，发动机压缩比的选择又是非常谨慎的，一方面，如果压缩比过小，会导致燃烧效率降低，因此适当地增加压缩比可以提高气缸压力和效率；另一方面，汽油的燃烧特性导致了汽油发动机的混和气压力不能太高。如果气缸内的压力超过了临界值，汽油就会因为压缩而在点火之前被点燃，这种现象被称为爆燃，并产生爆震，会对发动机带来很大的伤害。

所以最佳的办法是从本质上考虑，设计一种可变压缩比的发动机，在发动机低负荷运行时，进气量较小，气缸内压力较小，可以通过增加压缩比来提高燃烧效率；而发动机高负荷运行时时，进气量较大，气缸内压力较大，则降低压缩比来防止产生爆震和改善效率。

为了解决本发明的技术问题，本发明对发动机的气缸盖作了改进，在气缸盖上增加了用于调节发动机压缩比的活塞。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供一种气缸盖，如图1所示，气缸盖10用于封闭发动机的燃烧室10a，气缸盖10包括缸盖体11、可伸入或移出燃烧室10a的活塞20，以及用于驱动活塞20运动的驱动部30。

缸盖体11上设有活塞孔12，活塞孔12贯穿缸盖体11并与燃烧室10a连通，活塞20同轴地插设于活塞孔12中。

驱动部30与活塞20传动连接，用于驱动活塞20沿朝向或远离燃烧室的方向做直线运动。其中，驱动部30与活塞20之间的传动方式可以有多种选 择，例如液压传动、齿轮传动或者其他机械传动方式，只要能驱动活塞20运动即可。

本实施例中，驱动部30与活塞20之间采用齿轮传动的方式。参照图1并结合图2、图3所示，活塞20的外周面上设有啮合齿21。

驱动部30包括由驱动电机(图中未示出)驱动的驱动轴31，以及与驱动轴31啮合的传动件32，传动件32设于驱动轴31和活塞30之间。驱动轴31上具有驱动齿31a，传动件32具有驱动齿31a啮合的第一传动齿32a、与啮合齿21啮合的第二传动齿32b，驱动轴31通过传动件32将动力传递至活塞20。

具体地，活塞20为圆柱状，啮合齿21设于活塞20的外周面上，如图4，啮合齿21沿周向环绕活塞20的外周面的螺旋齿。传动件32为环状且套设于活塞20外，第二传动齿32b为位于传动件32内周面的螺旋齿、与活塞20外周面上的啮合齿21啮合。传动件32的第一传动齿32a位于传动件32的外周面、与驱动轴31的驱动齿31a啮合，其中，第一传动齿32a包括沿周向排布在传动件32外周面上的多个齿、与驱动齿31a配合。驱动轴31通过驱动齿31a、第一传动齿32a驱动传动件32转动，然后通过驱动件32来驱动活塞20直线运动。

传动时，参照图4，驱动轴31转动(图中R1方向)，通过相互啮合的驱动齿31a、第一传动齿32a将动力传递至传动件32，驱动传动件32转动(图中R2方向)，然后通过相互啮合的第二传动齿32b、啮合齿21将动力传输至活塞20，同时将传动件32的旋转运动转化为活塞20的直线运动，驱动活塞20沿朝向或远离燃烧室10a的方向运动(图中Y方向)。其中，活塞20在朝向或远离燃烧室10a的方向运动的过程中，不发生转动。

可见，驱动部30可以驱动活塞20朝向燃烧室10a运动并伸至燃烧室10a内以减小燃烧室10a的容积，或远离燃烧室10a运动、以增大燃烧室10a的容积。这样可以带来以下几个好处：

第一，在发动机运行的过程中，通过改变燃烧室的容积，使得气缸压力可以适时得到调节，保证燃烧室内始终都能够形成足够的气体压力，提高发动机的燃烧效率。

第二，本实施例中，由于压缩比可以调节，可以实现当进气量改变时，实现可变发动机排量。发动机的排量一般指活塞从上止点移动到下止点所通过的空间容积，由于发动的空燃比一般是确定不变的，那么当压缩比一定时，发动机的排量往往也固定不变。但在本实施例中，当进气量改变时，压缩比可随之改变，对应的排量的大小也可随之改变，使得发动排量可变。

第三，通过压缩比的调节，可以使发动机对油品的选择显得不敏感，从而降低对油品的选择要求。因为无论油品的辛烷值(表征抗爆能力的指标)如何，发动机在任何运行工况下都能将压缩比控制在设定值，例如使气缸内压力始终处于接近爆震的值，实现燃烧效率最大化。

另外，驱动轴31的驱动齿31a可以螺旋齿，并且为多头螺旋线，多头螺旋线同时与传动件32啮合，可以帮助提高驱动轴31与传动件32之间啮合的稳定性。

在其他实施例中，传动件可以不套设在活塞外，而是设于活塞一侧，但需要并对各个齿的形状作适应性调整，保证与驱动轴和活塞啮合，以将驱动轴的动力传递至活塞，满足传动需求。

结合图5、图6所示，其中，图5、图6中，图(a)为缸盖体11的俯视示意图，图(b)为缸盖体11的侧视示意图。如图5，当活塞20沿朝向燃烧室10a的方向运动至极限时，活塞20伸入燃烧室10a中的长度最大，此时燃烧室10a的容积最小，压缩比最大。如图6，当活塞20沿远离燃烧室10a的方向运动至极限时，活塞20伸入燃烧室10a中的长度最小，此时燃烧室10a的容积最大，压缩比最小。可见，通过调节活塞20伸入燃烧室10a的长度，来调节燃烧室10a的体积，从而调节燃烧室的压缩比，达到压缩比可变的目的。

由此可见，本实施例中，在发动机中设置可伸入燃烧室的活塞，通过调节活塞伸入燃烧室的长度来调节燃烧室的容积：当进气量减小时，可以控制活塞朝向燃烧室运动以减小燃烧室的容积，增大气缸的压缩比，增大气缸内的压力，提高燃烧效率，反之则控制活塞沿远离燃烧室的方向运动，以扩大燃烧室的体积，减小气缸的压缩比，避免气缸内压力过高而引起爆燃。

在其他实施例中，活塞20的设置位置可以根据气缸的结构以及发动机的布置方式来决定，原则上只要能伸入燃烧室并相对于燃烧室运动即可。

同时，本实施例中的活塞通过驱动部控制，机构简单，降低了控制的复杂度。并且，活塞与活塞孔之间的密封简单，同时活塞的设置既不会影响凸轮轴的驱动、也几乎不影响发动机的润滑和冷却，相对于现有技术而言更加简单有效。

另外，驱动部与活塞之间还可以采用其他传动方式，只要能够实现动力传输以驱动活塞运动即可。例如，可以设置驱动轴直接与活塞传动连接并实现动力传输。

为了避免传动件32沿轴向(即活塞的运动方向)发生窜动、干扰活塞20的运动，如图1，传动件32沿轴向固定于缸盖体11上。具体地，沿远离燃烧室10a的方向，活塞孔12的内壁上依次设有第一限位部12a、第二限位部12b，传动件32卡设于第一限位部12a、第二限位部12b之间。传动件32面向燃烧室10的一端抵靠在第一限位部12a上，另一端通过第二限位部12b限位，以此限定传动件32的轴向位置，避免传动件32在轴向方向发生移动。

其中，第一限位部12a为设于活塞孔12内壁上的第一轴肩(图1)，第二限位部12b为固设于活塞孔12的内壁上的止挡件，止挡件可以选用例如止挡圈或者卡簧等部件。在其他实施例中，第一限位部也可以是设于活塞孔内壁上的止挡件。

继续参照图1并结合图2、图3所示，活塞20的外周面上设有限位凸台24，活塞孔12内壁上还设有活塞限位部12c，位于限位凸台24面向燃烧室10a的一侧，用于与限位凸台24配合，以对活塞20的轴向位置进行限位。当活塞20朝向燃烧室10a运动至极限位置时，限位凸台24抵靠在活塞限位部12c上，通过活塞限位部12c对活塞20的运动进行限位，防止活塞20过度伸入燃烧室10a中。

其中，如图1，活塞限位部12c相对于传动件32更靠近燃烧室10a。另外，活塞限位部12c为设于活塞孔12内壁上的第二轴肩(图1)。

在其他实施例中，活塞限位部也可以设于传动件与燃烧室相背的一侧， 活塞限位部则设于与活塞限位部对应的位置；另外，活塞限位部可以为设于活塞孔内壁上的止挡圈或卡簧等。

如图1，活塞限位部12c上还设有油封25，位于活塞限位部12c和限位凸台24之间，用于活塞20与活塞孔12的密封，保证燃烧室10a的密封性。

参照图1并结合图2-3所示，活塞20用于伸入燃烧室10a中的部分称为活塞头部22，活塞头部22的外周面上不设啮合齿21。活塞头部22的外周面上设有活塞环23，活塞环23的外周面高于活塞头部22的外周面，活塞20通过活塞环23与活塞孔12的内壁接触。也就是说，活塞环23凸设在活塞头部22的外周面上，用于与活塞孔12的内壁接触，活塞头部22本身不与活塞孔12的内壁接触，这样可以减小活塞20与活塞孔12内壁的接触面积，减小两者之间的摩擦力。

其中，活塞环23的数量可以根据活塞20与活塞孔12内壁之间的摩擦要求来确定：活塞环的数量越少、则两者之间的摩擦越小；活塞环的数量越多，则两者之间的摩擦越大。如图1，本实施例中的活塞环23为两个。

本实施例中，活塞孔12中还设有嵌套26，活塞头部22插设在嵌套26中。其中，嵌套26采用硬度、强度比较高，耐磨性好的材料，如钢等。由于现有很多发动机的气缸盖都采用铝材料，而铝材料的硬度、强度均较低，导致耐磨性不好，此时，在活塞孔12的内壁上设置嵌套，以提高耐磨性。同时，嵌套26的内周面应当是光滑的，以提高润滑性能。在其他实施例中，如果气缸盖本身硬度、强度足够，也可以省去嵌套。

如图1-3所示，活塞头部22的外径要小于设有啮合齿21的部分的外径。相应地，活塞孔12包括用于容纳活塞头部22的第一部分121，以及用于容纳设有啮合齿21部分的第二部分122。在第一部分121、第二部分122的交界处形成一轴肩，将该轴肩作为活塞限位部12c。同时，将限位凸台24设于活塞头部22与啮合齿21之间，与活塞限位部12作用，实现活塞20的轴向限位。

其中，为了容纳套设传动件32，活塞孔12还包括内径大于第二部分122的第三部分123，位于第二部分122远离燃烧室10a的一侧。第二部分122与 第三部分123的交界处也形成一轴肩，将该轴肩作为第一限位部12a。

可以看到，活塞孔12的形状基本上是根据活塞20以及传动件32的形状和尺寸来设置的。在其他实施例中，如果活塞头部22与设有啮合齿21部分的外径一致，那么，活塞孔12的第一部分121、第二部分122的内径可以相同，活塞限位部12c则可以通过嵌设在活塞孔12内壁上的止挡圈或卡簧等部件来替代。或者，如果活塞头部22的外径与传动件32的外径一致，则活塞孔12各处的内径均可设为一致，第一限位部12a同样也可以通过嵌设在活塞孔12内壁上的止挡圈或卡簧等部件来替代。

进一步地，参照图2并结合图3所示，活塞20设于缸盖体11上，为了节约空间并提高部件的集成度，本实施例设置在活塞20中开设内腔20a(图3)，并将喷油嘴40和火花塞50设在内腔20a中，并将喷油嘴40通过连接管41与油轨(图中未示出)连接。此时，为了与活塞20匹配，便于安装，需要对喷油嘴40和火花塞50的形状作一些调整，例如可以增加喷油嘴40和火花塞50的长度。

如图3，活塞20的内腔20a包括容置孔a1，以及位于容置孔a1面向燃烧室10a一侧的喷油嘴安装孔a2和火花塞安装孔a3。容置孔a1沿活塞20轴向远离燃烧室10a的一侧贯穿活塞20a，喷油嘴安装孔a2和火花塞安装孔a3与容置孔a1相通，同时还与燃烧室10a相通。喷油嘴40和火花塞50设于容置孔a1中，且在面向燃烧室10a的一端分别设于喷油嘴安装孔a2和火花塞安装孔a3中，使得喷油嘴40的喷嘴和火花塞50的电极伸入燃烧室10中。

需要注意的是，喷油嘴40和火花塞50应当分别与喷油嘴安装孔a2和火花塞安装孔a3密封连接，以保证燃烧室10的密闭性。

其中，喷油嘴40为斜置式缸内直喷式喷油嘴，其轴向与气缸的轴向之间具有夹角且喷孔朝向燃烧室的中轴线。喷油嘴40的喷孔为单孔。这样，喷油嘴40喷出的油雾可以较为集中和快速地到达燃烧室的中部，保证燃烧效率。同时通过压缩比的调节，保证气缸内的压力，以获得更好的稀薄燃烧效果。

另外，由于活塞20不转动，则可以将活塞20可伸入燃烧室10a一端的横截面设置为椭圆形。当喷油嘴40的轴向与气缸的轴向之间具有夹角时，活 塞20相应地与气缸的轴向之间具有夹角，当活塞20伸入燃烧室10a一端的横截面为椭圆形时，可以减小活塞20对应端部的尺寸，以避免与进、排气门之间发生干涉。

本发明实施例还提供一种发动机，其包括上述气缸盖。

由于现有发动机一般具有多个气缸，那么，本实施例中，每个气缸配备有一个活塞20和套设在活塞20外的传动件32。如图4所示，驱动轴31的轴向与活塞20、传动件32的轴向垂直，因此可以加长驱动轴31的长度，使得同一驱动轴31同时与至少两个传动件32啮合，以同时驱动至少两个活塞20。参照图4，驱动轴20同时驱动四个活塞20。

在其他实施例中，一根驱动轴也可以只驱动一个活塞，此时对驱动轴与传动件及活塞之间的位置不作限定，只要能够驱动传动件运动即可。

本发明还提供一种用于上述发动机的控制方法，该控制方法包括：

预设发动机进气道在不同流量下对应的活塞位置，该位置为活塞设定位置，一个进气道流量对应一个活塞的设定位置，不同的进气道流量对应不同的活塞设定位置，每个流量所对应活塞的设定位置满足压缩比设定要求；

获取发动机进气道的当前流量、以及活塞的当前位置；

将当前位置与当前流量所对应的活塞的设定位置进行比较：

如果当前位置与设定位置不同时，则控制活塞运动至与设定位置。

由于活塞的位置决定了发动机的压缩比，也就是说一个活塞位置对应一个发动机的压缩比，活塞位置不同、则压缩比不同，那么，对于发动机来说，为了保证充分的燃烧效率，那么，当进气道的流量不同时，发动机的压缩比应当不同，也就是活塞的位置应当不同，使得在不同工况下，气缸内都能具有足够的压力，以保证发动机具有较高的燃烧效率，满足经济性的需求。例如使气缸内压力始终处于接近爆震的值，实现燃烧效率最大化。

其中，“每个流量所对应活塞的设定位置满足设定要求”，指的是：在某一流量下，如果活塞的设定位置满足设定要求，则发动机的压缩比满足要求，此时发动机能够达到预期的燃烧效率。

因此，本实施例中，根据不同的进气道流量，设定发动机应当具有的压缩比，由于压缩比是通过活塞位置来决定的，依此就得到了不同进气道的流量下活塞的设定位置，一个流量对应一个活塞的设定位置。在某一当前流量下，如果活塞所处的当前位置与该当前流量下活塞的设定位置相同，则发动机的压缩比处于设定值，此时发动机的输出效率是满足设定要求的。反之，如果活塞所处的当前位置与该当前流量下活塞的设定位置不同，则发动机的压缩比未达到设定值，此时则控制活塞移动至设定位置，使得发动机的压缩比达到设定值，保证发动的输出效率满足设定要求。

本发明实施例还提供一种控制单元，用于控制上述发动机，该控制单元包括：

存储单元，用于存储与发动机进气道的不同流量所对应的活塞的设定位置，一个流量对应一个活塞的设定位置，每个流量所对应活塞的设定位置满足压缩比设定要求；

获取单元，用于获取发动机进气道的当前流量、以及活塞的当前位置；

比较单元，用于将当前位置与当前流量所对应的活塞的设定位置进行比较、并输出比较结果；

执行单元，用于根据比较结果输出控制指令，以控制活塞运动，当当前位置不同于设定位置时，则控制活塞运动至设定位置。

其中，控制单元可以集成在ECU(发动机电子控制单元)或ECM(引擎控制模块)上。当该控制单元装配至发动机上时，控制单元与驱动电机通讯连接，用于向驱动电机发送控制指令，以通过控制驱动电机的动作来控制活塞的运动。

本发明实施例还提供一种发动机其包括上述气缸盖和控制单元。

本发明实施例还提供一种汽车，其包括上述气缸盖。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。