专利名称：一种可变冲程的发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及车辆发动机技术领域，尤其涉及可变冲程的发动机。
背景技术：
往复循环活塞式发动机可以根据一个工作循环的冲程数分类，最常见的是二冲程和四冲程两类。近年来还出现了三冲程、五冲程、六冲程甚至八冲程，但都只处于研究阶段，离实际应用还较远。二冲程发动机一个循环包括两个冲程，活塞上行为扫气换气和压缩冲程，活塞下行为做功和排气冲程。四冲程发动机一个循环包括四个冲程，活塞第一次下行进气、上行压缩，第二次下行做功，上行排气。两种发动机具有各自优劣。二冲程发动机结构紧凑，每360°做一次功，单位时间内做工次数比四冲程发动机多了一倍，升功率较大，同排量下，在实际循环中升功率比四冲程高50%-70%，扭矩高30%-50% ;相较四冲程没有凸轮、气门等结构，结构简单，成本较低。但它的缺点也很明显:换气时间短，还包括80% 70%的扫气时间，换气效果差，残余较多废气，且有大量新鲜充量流失；在多种工况下，换气过程变化很大，使工作状态偏离优化的匹配状态，所以很难适应多种工况； 扫气的重叠时间长，有大量新鲜燃气溢出，降低燃油经济性，增加了 HC的排放。四冲程发动机的优点是进排气过程完全分开，换气效率高、充分，燃油经济性好，有效降低了排放中的未燃HC含量；因平均做功行程比二冲程长，有效做功的时间更多，致燃烧效率更高，燃油消耗率低；扭矩输出平稳，做功平顺。但四冲程发动机的缺点是曲轴旋转两圈，活塞只做一次功，理论上同排量下的功率输出仅为二冲程的50%。综上，二冲程和四冲程各有优缺，二冲程发动机常常被用于摩托车上，而四冲程发动机通常被用于轿客车上。因此怎样把二冲程发动机和四冲程的发动机的优点进行整合，研究怎样实现可变冲程，使得成本更低且效率更高，对节能减排、提高发动机动力性具有现实意义。目前可变冲程技术主要有两类。第一类是通过改变活塞内部结构或连杆改变膨胀比或压缩比，仅仅改变了冲程长度，并未做到两种循环模式的结合。第二类是改变循环模式，能够以二、四两种冲程模式运行。其主要是两种实现方式:一种实现方式为为多缸合作，即发动机内既有二冲程的气缸，又有四冲程的气缸，需要做二冲程运动时，启动二冲程的气缸，需要四冲程运动时，关闭二冲程的气缸，启动四冲程的气缸，这样的设计对缸体的利用率不高，且占用空间，既增加了发动机的重量又增加成本；另一种实现方式为利用一套配气系统同时实现二、四冲程。由于二四冲程都需要通过气门的来控制进排气，除了需要设计两套凸轮系统，还需要一个可变凸轮的系统来实现切换，大大增加了设计和加工制造成本；使用顶置气门在二冲程模式下很难保证换气效果，由于换气时间短，容易造成换气不充分；需要对进排气道的布置和进气道做较大改进，增加了设计成本，商业利用前景不高；配套的切换控制系统十分复杂，稳定性不高。因此，针对以上不足，本发明提供了一种可变冲程的发动机。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是提供一种可变冲程的发动机，可在二冲程和四冲程之间切换，使得发动机的动力性和经济性更适应工况的同时，占用体积小，切换控制系统运行简单，改造成本低。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可变冲程的发动机，其包括气缸头、气缸体和电子控制单元，所述气缸体的上部连接气缸头，所述气缸头内壁的后侧固定有凸轮轴，凸轮轴上套装有凸轮，所述气缸头的下部设有燃烧室，所述燃烧室的前端连接有火花塞，所述燃烧室的两侧分别连通有顶置进气道和顶置排气道，所述顶置进气道和顶置排气道的底部分别设有顶置进排气门，所述顶置进排气门的上端分别连接有摇臂，所述摇臂的上端连接动力切换装置；所述气缸体内设有活塞，活塞的左侧设有侧置进气道，侧置进气道内设有第一电磁阀，所述活塞的另一侧连通有侧置排气道，侧置排气道内设有第二电磁阀，所述活塞内部设有连杆，连杆的下端连接 有曲轴，所述活塞下端连通有曲轴箱，所述曲轴箱与侧置进气道的下端连通，所述活塞的前侧和后侧分别连通有扫气道，所述扫气道的下端连通曲轴箱所述扫气道内设有第三电磁阀。所述凸轮轴和曲轴上分别设有凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器。所述顶置进气道和侧置进气道前段具有共同的进气道，所述共同的进气道内设有节气门，所述节气门上设有节气门开度传感器。所述电子控制单元分别连接第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、节气门开度传感器和动力切换装置。所述曲轴上套装有凸轮传动装置，所述凸轮传动装置的另一端套装在凸轮轴上。所述曲轴带动凸轮轴的速比为2:1。所述活塞位于燃烧室的下方，所述活塞内壁设有活塞销，所述连杆通过活塞销固定连接在活塞内部。(三)有益效果本发明的上述技术方案具有如下优点:对现有发动机的改动不大，无需改变凸轮的轮廓线，改造成本低，兼有四冲程和二冲程的优点，有效改善发动机的动力性和排放性能，能够根据不同工况自动调整冲程运行模式、应用范围广(各类轿车或摩托车)，堵车或者红灯而停止行驶的状况，可变冲程发动机在起步时采用二冲程工作模式，能够输出较大的功率和扭矩，使起动能力增加；在高速或者中低负荷运行时，采用四冲程工作模式，燃油效率高，降低排放中的未燃HC ;适于大范围推广。
图1是本发明所述的可变冲程的发动机的正视剖视图；图2是本发明所述的可变冲程的发动机的左视剖视图；图3是本发明所述的可变冲程的发动机的工作模式参考图。
图中:1:凸轮；2:顶置进气道；3:侧置进气道；4:第一电磁阀；5:曲轴箱气口 ；6:凸轮轴;7:摇臂；8:顶置进排气门；9:顶置排气道；10:燃烧室；11:活塞；12:连杆；13 第二排气阀；14:侧置排气道；15:曲轴；16:曲轴箱；17:气缸头；18:第三电磁阀；19:扫气道；20:气缸体；21:前侧扫气道气口端；22:后侧扫气道气口端；23:火花塞；24:动力切换
装置
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图1-2所不,本实施例提供的一种可变冲程的发动机,其包括气缸头17、气缸体20和电子控制单元，所述气缸体20的上部连接气缸头17，所述气缸头17内壁的后侧固定有凸轮轴6，凸轮轴6上套装有凸轮1，所述气缸头17的下部设有燃烧室10，所述燃烧室10的前端连接有火花塞23，所述火花塞23的顶端在燃烧室10内，所示火花塞23的底端位于燃烧室10外部。所述燃烧室10的上部分别连通有顶置进气道2和顶置排气道9，所述顶置进气道2和顶置排气道9分别在与燃烧室10相连通的位置处设有顶置进排气门8，所述顶置进排气门8的上端分别通过轴连接有摇臂7，所述摇臂7为弧形结构，左侧和右侧摇臂7分别通过与凸轮的配合控制顶置进排气门8的开合和关闭，所述摇臂7的上端连接动力切换装置24。所述气缸体20内设有活塞11，活塞11的左侧设有侧置进气道3，所述侧置进气道3的上端连接外部，侧置进气道3的下端通过曲轴箱气口 5连通曲轴箱16，侧置进气道3内设有第一电磁阀4，所述第一电磁阀4用于控制侧置进气道3的进气和闭合，所述活塞11的另一侧连通有侧置排气道14，所述侧置排气道14的另一端连通外部，所述侧置排气道14内设有第二电磁阀13，所述第二电磁阀13用于控制侧置排气道14的进气和闭合。所述活塞11位于燃烧室10的下方，所述活塞11内部设有连杆12，所述活塞11有活塞销，所述连杆12通过设在活塞11内壁上的活塞销固定在活塞11内部，连杆12的下端连接有曲轴15，所述曲轴15上套装有凸轮传动装置，所述凸轮传动装置的另一端套装在凸轮轴6上。所述活塞11内部与曲轴箱16连通，所述曲轴箱16与侧置进气道3的下端连通，所述活塞11的前侧和后侧分别连通扫气道19，所述扫气道19为弧形，所述前侧和后侧扫气道19的下端分别通过前侧扫气道气口端21和后侧扫气道气口端22连通曲轴箱16，所述扫气道19内设有第三电磁阀18，第三电磁阀18用来控制前侧和后侧扫气道19的扫气和闭合。所述顶置进气道2和侧置进气道3前段具有共同的进气道，所述共同的进气道内设有节气门，所述节气门上设有节气门开度传感器，所述节气门布置在这里，能够省下一个节气门的成本，减少一个输入信号。所述电子控制单元分别连接第一电磁阀4、第二电磁阀13、第三电磁阀18、凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、节气门开度传感器和动力切换装置24。所述曲轴15带动凸轮轴6的速比为2:1。如图3所示，所述可变冲程的发动机的工作模式需通过所述电子控制单元对工况的情况进行判断进行相关的控制，两个不同的区域分别代表了二冲程和四冲程模式。所述可变冲程的发动机运行在哪种工作模式下，需要根据两个重要参数来判断，分别是发动机的负荷与转速。在中低速、高负荷的工况下，所述可变冲程的发动机以二冲程模式运行；在高速或中低负荷的工况下，发动机以四冲程模式运行。具体的切换点由电子控制单元根据输入参数和写入内部的发动机运行策略图来判断，再发出命令实现切换。电子控制单元发出的信号是通过对发动机的负荷与转速的判断决定的。对使用化油器或采用进气道燃油喷射的发动机，发动机的负荷可由节气门开度表征，节气门开度数据由所述节气门开度传感器采集发送给电子控制单元。一般来说，节气门开度数据越小负荷越小，节气门开度数据越大负荷越大。对于缸内直喷发动机，可以由喷油量来测得发动机的负荷。发动机的转速由曲轴位置传感器测得。根据节气门开度传感器和曲轴位置传感器的数据流，发动机的电子控制单元(ECU)在图3中找到相应的坐标，判断是否需要切换冲程。若需要，则电子控制单元发送指令给动力切换装置24和相应电磁阀，切换发动机的工作模式。具体实施时，所述可变冲程的发动机具有二冲程和四冲程切换的功能，首先整个工作过程是通过电子控制单 元判断发动机工况，自动切换到相应的冲程运行模式，所述可变冲程的发动机上的凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器将转速和负荷数据实时传送给电子控制单元，电子控制单元根据传回的信号判断目前发动机处在何种工况下做出相应的反应:如果当前工作模式适合当前的工况，电子控制单元不发出信号；如果当前工作模式已经不适合当前的工况，电子控制单元发送信号给执行系统切换工作模式。中低速大负荷的发动机工况，一般对应发动机起动或爬坡时的情形，所述可变冲程的发动机工作在二冲程的工作模式下:第一电磁阀4、第二电磁阀13、第三电磁阀18接收到电子控制单元的开启信号而开启，进而侧置的进气道3、侧置的排气道14及缸体内的扫气道19进行相应的进排气和扫气；在电子控制单元的控制下，动力切换装置24成为执行机构，负责切断摇臂7的动力，使顶置的进排气门8处于关闭状态。这时，气流仅从缸体侧置的进气道3和侧置的排气道14出入；完成上述过程后，该发动机工作过程与普通的扫气式二冲程发动机类似，满足中低速大负荷的发动机工况。当发动机的转速或负荷发生变化，处在了较高转速或中低负荷的工况下，电子控制单元通过凸轮轴位置传感器、节气门开度传感器和曲轴位置传感器所发出的信号监测到工况变化，发送信号给执行系统切换工作模式，此时为发动机从二冲程切换到四冲程，具体过程是:首先，电子控制单元判断应该切换后，对曲轴位置传感器数据进行分析；当活塞
11下行至完全关闭侧置进气道3后曲轴转过50°左右，所述电子控制单元控制第一电磁阀4关闭，侧置进气道3不再进气，然后，当活塞11下行至侧置排气道14和扫气道19打开时，所述可切换冲程的发动机进行扫气换气过程，曲轴箱16中的空气通过扫气道19进入燃烧室10中，同时燃烧室10中的废气通过侧置的扫气道19排出；当活塞上行到将侧置排气道14完全封闭之后曲轴转过300°左右，扫气过程结束，所述电子控制单元控制第三电磁阀18和第二电磁阀13关闭，最后，活塞11继续上升，压缩混合气，至上止点，此时曲轴位置360°，电子控制单元发出指令，控制动力切换装置，使凸轮I恢复工作状态，摇臂7重新投入工作，所述顶置进排气门8由凸轮I控制开合，同时，所述电子控制单元的喷油和点火切换为四冲程模式，即曲轴15转两圈喷一次油、点一次火；此时，发动机已进入四冲程模式的进气冲程，顶置进排气门8在一开始组装发动机时就已经配合良好，由于切断动力时凸轮轴6仍然旋转，仅仅是不再控制顶置进排气门8的开闭，但凸轮轴6与曲轴15的正时是制造和装配时就已经保证好的，所以恢复动力后正时不变。在360°时恢复动力的好处是在基圆时切换，不会有对凸轮I造成磨损。当发动机处在低负荷或中高转速工况下时，以四冲程模式运行；如果工况发生变化，回到了中低速高负荷工况时，则由四冲程变为二冲程模式，具体的切换过程如下:首先电子控制单元根据凸轮轴位置传感器传回的数据，判断目前凸轮轴6的转角。如果活塞11处于压缩冲程，当活塞11的位置经过侧置进气道3之后可以根据曲轴箱位置传感器判断，电子控制单元发出信号，控制第一电磁阀4使得侧置进气道3打开，此时可以通过侧置进气道4进气，但由于扫气道19不通，所以气体只能进入曲轴箱16中，然后，当活塞在压缩上止点时，电子控制单元控制凸轮切换装置24将摇臂7动力切断，使顶置进气道2和顶置排气道9 一直处于关闭状态。接着，在活塞下行到侧置排气道14之前打开第二电磁阀13和第三电磁阀18，使所述可切换冲程的发动机能够通过侧置排气道14和扫气道19进行换气，最后，电子控制单元将 喷油和点火切换到二冲程模式，即曲轴15每转一圈，进行一次喷油和点火。同理，气门正时在制造和装配时就已经保证了。至此，完成了四冲程到二冲程的切换过程。综上所述，二冲程模式和四冲程模式与现有往复活塞发动机的二冲程和四冲程过程相似，区别在于不同工况下能够自动切换到不同模式；切换的过程对工况的响应灵敏、切换迅速、且达到预期效果。通过实践表明，按照如上所述的切换方法，能够在一个工作循环内由二四冲程成功切换到四二冲程，在IOOOrpm以上的转速下，耗费的时间极短。所述的可变冲程的发动机对现有发动机的改动不大，无需改变凸轮的轮廓线，改造成本低，吸收四冲程和二冲程的优点，有效改善发动机的动力性和排放性能，能够根据不同工况自动调整冲程运行模式、应用范围广各类轿车或摩托车，堵车或者红灯而停止行驶的状况，可变冲程发动机在起步时采用二冲程工作模式，能够输出较大的功率和扭矩，使起动能力增加；在高速或者中低负荷运行时，采用四冲程工作模式，燃油效率高，降低排放中的未燃HC;适于大范围推广。以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种可变冲程的发动机，其包括气缸头(17)、气缸体(20)和电子控制单元，其特征在于:所述气缸体(20)的上部连接气缸头(17)，所述气缸头(17)内壁的后侧固定有凸轮轴(6)，凸轮轴(6)上套装有凸轮(1)，所述气缸头(17)的下部设有燃烧室(10)，所述燃烧室(10)的前端连接有火花塞(23)，所述燃烧室(10)的两侧分别连通有顶置进气道(2)和顶置排气道(9)，所述顶置进气道(2)和顶置排气道(9)的底部分别设有顶置进排气门(8)，所述顶置进排气门(8)的上端分别连接有摇臂(7)，所述摇臂(7)的上端连接动力切换装置(24)； 所述气缸体(20)内设有活塞(11)，活塞(11)的左侧设有侧置进气道(3)，侧置进气道(3)内设有第一电磁阀(4)，所述活塞(11)的另一侧连通有侧置排气道(14)，侧置排气道(14)内设有第二电磁阀(13)，所述活塞(11)内部设有连杆(12)，连杆(12)的下端连接有曲轴(15)，所述活塞(11)下端连通有曲轴箱(16)，所述曲轴箱(16)与侧置进气道(3)的下端连通，所述活塞(11)的前侧和后侧分别连通有扫气道(19)，所述扫气道(19)的下端连通曲轴箱(16 )所述扫气道(19 )内设有第三电磁阀(18 )。
2.根据权利要求1所述的可变冲程的发动机，其特征在于:所述凸轮轴(6)和曲轴(15)上分别设有凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器。
3.根据权利要求1所述的可变冲程的发动机，其特征在于:所述顶置进气道(2)和侧置进气道(3 )前段具有共同的进气道，所述共同的进气道内设有节气门，所述节气门上设有节气门开度传感器。
4.根据权利要求2所述的可变冲程的发动机，其特征在于:所述电子控制单元分别连接第一电磁阀(4)、第二电磁阀(13)、第三电磁阀(18)、凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、节气门开度传感器和动力切换装置(24 )。
5.根据权利要求1所述的可变冲程的发动机，其特征在于:所述曲轴(15)上套装有凸轮传动装置，所述凸轮传动装置的另一端套装在凸轮轴(6 )上。
6.根据权利要求1所述的可变冲程的发动机，其特征在于:所述曲轴(15)带动凸轮轴(6)的速比为2:1。
7.根据权利要求1所述的可变冲程的发动机，其特征在于:所述活塞(11)位于燃烧室(10)的下方 ，所述活塞(11)内壁设有活塞销，所述连杆(12)通过活塞销固定连接在活塞(11)内部。
全文摘要
本发明涉及一种可变冲程的发动机，其包括气缸头、气缸体和电子控制单元，所述气缸体的上部连接气缸头，所述气缸头内壁的后侧固定有凸轮轴，凸轮轴上套装有凸轮，所述气缸头的下部设有燃烧室，所述燃烧室的两侧分别连通有顶置进气道和顶置排气道，所述顶置进排气门的上端分别连接有摇臂，所述摇臂的上端连接动力切换装置；所述活塞的左侧和右侧设有侧置进气道和侧置排气道，所述活塞的前侧和后侧分别连通有扫气道。本发明对现有发动机的改动不大，无需改变凸轮的轮廓线，改造成本低，兼有四冲程和二冲程的优点，有效改善发动机的动力性和排放性能，能够根据不同工况自动调整冲程运行模式、应用范围广。
文档编号F02B75/02GK103225539SQ20131011324
公开日2013年7月31日 申请日期2013年4月2日 优先权日2013年4月2日
发明者褚政宇, 任东生, 李博文, 肖建华, 王志, 帅石金 申请人:清华大学