本实用新型涉及一种发动机，尤其涉及一种灵活缸发动机FCE(Flexible Cylinder Engine)模式下的新型燃烧模式发动机。
背景技术：
降低由汽车尾气造成的环境污染以及增加燃油效率是一个全球性的问题，因而世界各国的科学家们相继提出了多种新型燃烧模式[1-9]以缓解这一问题，包括HCCI(均质压燃Homogeneous Charge Compression Ignition)，PPC(部分预混燃烧Partially Premixed Combustion)，RCCI(活性控制均质压燃Reactivity Controlled Compression Ignition)等。这些新型的燃烧模式都是通过改变发动机的初始运行条件或者燃料的属性来实现高效节能这一目的。美国西南研究院的研究人员[10]提出了废气再循环(EGR)专用发动机汽缸策略 (D-EGR)以提高发动机的效率和排放。根据D-EGR理论，部分汽油燃料在废气再循环专用发动机汽缸中被催化成氢气和一氧化碳等小分子，而后与其余汽油燃料混合并被导入工作缸中作为混合燃料进行燃烧。研究结果表明，采用D-EGR策略，发动机的平均热效率可以提高12-15％。上述燃料重整模式可以提高发动机的燃烧效率以及降低排放，这是因为重整后的燃料富含氢气，因此提高了混合燃料的层流燃烧速度，并拓宽了燃料的空燃比。上海交通大学的研究人员[11]提出化学热重整TFR新型燃烧策略，即在一台天然气发动机上独立出一个气缸用于重整天然气，将其重整成H2和CO，再导入到其他气缸进行后续燃烧。结果表明，BSHC，BSCO和BSNOx排放分别降低12％，8％及35％。
然而发动机应该在较大的范围内灵活可调以适应实际工况。双燃料燃烧模式和催化重整模式可以实现这一需求，但是这些模式需要在汽车上再加装一个油箱或者一套催化重整装置，这些都会增加汽车的负载。基于上述燃烧策略，公开号为CN105134373，公开日为 2015年12月9日，名称为《基于燃烧反应路径可调控的发动机及其调控方法》的中国专利文献中披露了可变缸重整燃烧策略(Flexible cylinder engine，FCE)[12-13]。
[参考文献]
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技术实现要素：
本实用新型提供一种基于FCE模式下的变冲程发动机，其中的灵活缸可根据实际工况条件通过调节气门策略实现二冲程和四冲程两种工作模式，即该灵活缸作为重整缸重整汽油类高辛烷值燃料时其工作模式为二冲程，可以增加重整燃料的产量提高重整效率；当发动机大负荷需要足够的动力输出时，灵活缸转变为四冲程。本实用新型可以将灵活缸工作模式在二冲程和四冲程之间切换。
为了解决上述技术问题，本实用新型提出的一种基于FCE模式下的变冲程发动机，包括空气进气系统，并具有多个工作缸和至少一个燃料灵活缸，所述空气进气系统包括涡轮机和增压器，与所述增压器连接的空气进气总管，所述空气进气总管上设有一个空气进气三通阀；所述空气进气总管自所述空气进气三通阀后分为两路，一路为工作缸进气管，另一路为灵活缸进气管，所述空气进气总管与所述工作缸进气管之间连接有工作回路，所述工作缸进气管与所述灵活缸进气管之间连接有燃料重整回路；所述燃料重整回路是由灵活缸进气管后依次经过灵活缸喷油器、灵活缸、灵活缸排气三通阀、重整气中冷器、重整气管至混合腔；其中，所述重整气中冷器设置在重整气管上，且介于所述灵活缸与所述混合腔之间；所述灵活缸包括进气门和排气门，所述进气门和排气门均与一凸轮机构相连，所述凸轮机构用于控制灵活缸气门的运动规律，所述凸轮机构包括凸轮型线A和凸轮型线B，所述灵活缸处于与工作缸相同的四冲程工作模式时，灵活缸气门选择由凸轮型线A带动；所述灵活缸处于二冲程重整燃料工作模式时，灵活缸气门选择由凸轮型线B带动，从而根据发动机实际工况需求使得所述灵活缸的工作模式在二冲程与四冲程之间的切换。
进一步讲，本实用新型基于FCE模式下的变冲程发动机，其中，所述凸轮型线A的形状实现灵活缸与工作缸具有相同的四冲程工作模式。所述凸轮型线B的形状实现燃料在灵活缸内一个发动机循环中重整两次。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型中基于FCE模式下的变冲程发动机，灵活缸气门凸轮具有两种形状的型线，可根据发动机所处具体工况条件：当小负荷时灵活缸转变为重整缸，通过选择相应的气门凸轮型线实现灵活缸二冲程重整燃料；当大负荷时灵活缸转变为与常规缸工作职能一样，成为四冲程参与工作。在重整模式下，灵活缸二冲程重整相较于四冲程重整，可以提供给常规缸足够的重整气，提高重整效率。
附图说明
图1是一种基于FCE模式下高辛烷值燃料发动机结构简图；
图2是本实用新型中灵活缸二冲程时气门状态示意图，其中，a是进气示意图，b是压缩失火重整示意图，c是排气示意图。
图3是灵活缸四冲程时气门状态示意图，其中，a是进气状态示意图，b是压缩状态示意图，c是做功状态示意图，d是排气状态示意图。
图4是灵活缸重整气的活性随排气门开启时刻的变化情况。
图5是本实用新型发动机中灵活缸气门凸轮型线示意图，其中a为实现四冲程的型线， b为实现二冲程的型线。
图中：1-灵活缸进气管，2-工作缸进气管，3-混合腔，4-工作缸喷油器，5-工作缸进气歧管，6-发动机，7-工作缸，8-灵活缸，9-空气进气总管，10-EGR管，11-EGR控制阀，12- 增压器，13-涡轮机，14-排气管，15-总排气管，16-排气后处理装置，17-灵活缸排气三通阀， 18-重整气中冷器，19-灵活缸喷油器，20-重整气管，21-空气进气三通阀，22-EGR中冷器， 23-进气门，24-排气门。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本实用新型进行解释说明，并不用以限制本实用新型。
本实用新型的设计思路是：本实用新型中，灵活缸气门凸轮机构具有两种不同的凸轮型线，通过选择不同的凸轮型线使得灵活缸可以在二冲程和四冲程的工作模式之间进行灵活切换，而其余常规缸固定设计为四冲程。这样设计相较于灵活缸为四冲程的情况而言提供给常规缸的重整气更加充裕，重整效率更高。而当发动机处于大负荷需要足够的动力输出时，灵活缸可以与常规缸气门策略变为一样，转换成四冲程。FCE模式发动机由灵活缸和常规缸组成，具体工作流程为：灵活缸负责重整燃料，重整后的重整气经过管路冷却后与新鲜燃料混合导入到常规缸中参与燃烧。本实用新型基于FCE模式基础上具体设计一种灵活缸为二冲程/四冲程，其余常规缸为四冲程的新概念发动机，其中灵活缸中的重整产物活性可通过控制排气门的开启时刻调控，并且当灵活缸由于工况需要转变成常规缸时，灵活缸的气门策略此时与常规缸相同，转变成四冲程，以使发动机在大负荷时拥有足够的功率输出。
本实用新型提出的一种基于FCE模式下的变冲程发动机，如图1所示，该发动机包括空气进气系统，并具有多个工作缸7和至少一个燃料灵活缸8(诸如：三缸机一个灵活缸，两个工作缸或者六缸机两个灵活缸，四个工作缸，形成“一拖二”模式)，所述空气进气系统包括涡轮机13和增压器12，来自排气管14的废气驱动涡轮机13转动，涡轮机13驱动增压器12压缩进气，实现进气增压；与所述增压器12连接的空气进气总管9，所述空气进气总管9上设有一个空气进气三通阀21，所述空气进气总管9自所述空气进气三通阀21后分为两路，一路为工作缸进气管2，另一路为灵活缸进气管1，所述空气进气总管9与所述工作缸进气管2之间连接有工作回路，所述工作缸进气管2与所述灵活缸进气管1之间连接有燃料重整回路。
涡轮增压器由涡轮机13和增压器12组成，来自排气管14的废气驱动涡轮机13转动，涡轮机13驱动增压器12压缩进气，实现进气增压；所述空气进气三通阀21控制着来自空气进气总管9空气的分配与流向，防止由于管路内压力大小的差异导致EGR管10内通过的废气回流到空气进气总管9中；所述工作缸进气管2将通过空气进气三通阀21的空气或者EGR与空气的混合气导入到混合腔3中。所述空气进气三通阀21只允许空气进气总管9 中的进气分别流向灵活缸进气管1和工作缸进气管2。与发动机相连的ECU根据空气进气总管9、灵活缸进气管1和工作缸进气管2内压力大小的差异通过所述空气进气三通阀21 控制来自空气进气总管9的空气的分配与流向，用以防止废气回流到空气进气总管9中。
所述工作回路由增压器12，空气进气三通阀21、工作缸进气管2、混合腔3、工作缸进气歧管5、工作缸喷油器4、工作缸7、排气管14、EGR阀11、EGR中冷器22、总排气管15和排气后处理装置16等组成。所述混合腔3混合来自工作缸进气管2的空气(或者 EGR与空气的混合气)和来自灵活缸8经重整气管20的重整气；所述工作缸喷油器4控制着喷入工作缸内燃油的时刻与量；所述EGR控制阀11也设置在EGR管10上，控制着导入混合腔3的废气量；所述EGR中冷器22设置在EGR管10的管路上，介于混合腔3与 EGR控制阀11之间。
所述燃料重整回路由灵活缸进气管1、灵活缸喷油器19、进气门23、排气门24、灵活缸8、重整气管20、重整气中冷器18、混合腔3组成。所述燃料重整系统回路从燃料进入灵活缸进气管后依次经过灵活缸喷油器19、灵活缸8、重整气管20、重整气中冷器18至所述混合腔3；其中，所述重整气中冷器18设置在重整气管20上、且介于所述重整灵活缸8 与所述混合腔3之间。
所述灵活缸8包括进气门23和排气门24，所述进气门23和排气门24均与一凸轮机构相连，所述凸轮机构用于控制灵活缸气门的运动规律，所述凸轮机构包括凸轮型线A和凸轮型线B，所述灵活缸8处于与工作缸7相同的四冲程工作模式(即使灵活缸工作模式与常规缸相同)时，灵活缸气门选择由凸轮型线A带动；所述灵活缸8处于二冲程重整燃料工作模式(即可使燃料在灵活缸内一个发动机循环中重整两次，以提供给工作缸足够的燃料) 时，灵活缸气门选择由凸轮型线B带动，从而根据发动机实际工况需求使得所述灵活缸8 的工作模式在二冲程与四冲程之间的切换。
所述凸轮型线A的形状如图5中的a所示，可以实现灵活缸与工作缸具有相同的四冲程工作模式。所述凸轮型线B的形状如图5中的b所示，可以实现燃料在灵活缸内一个发动机循环中重整两次。
当发动机处于小负荷需要促进燃烧稳定时，所述灵活缸喷油器19向所述灵活缸8喷入当量比大于1的过浓燃油，所述灵活缸为二冲程工作模式；如图2所示，二冲程工作模式实现重整循环的过程是，
1-1)关闭排气门24，开启进气门23，空气进入灵活缸8；
1-2)当灵活缸8到达下止点时，关闭进气门23和排气门24，灵活缸8开始低温压缩失火高辛烷值燃料；
1-3)按照所选择的凸轮型线控制排气门24的开启时刻，从所述灵活缸8中导出发动机相应所需活性的重整气引入所述工作缸7。
当发动机大负荷需要足够的动力输出时，所述灵活缸喷油器19向所述灵活缸8喷入常规浓度燃油，所述灵活缸为四冲程工作模式；如图3所示，四冲程工作模式实现重整循环的过程是：
2-1)关闭排气门24，开启进气门23，空气进入灵活缸8；
2-2)当灵活缸8到达下止点时，关闭进气门23和排气门24，灵活缸8开始压缩点燃高辛烷值燃料；
2-3)灵活缸8活塞下行做功向发动机提供动力输出；
2-4)开启排气门24，燃烧后的废气通过排气门24排出。
综上，与发动机相连的ECU根据发动机运行工况特点，通过对灵活缸气门凸轮型线的选择，当灵活缸作为重整缸重整汽油类高辛烷值燃料时，该缸的工作模式为二冲程；而当发动机大负荷需要足够的动力输出时，灵活缸此时与常规缸工作模式相同，转变为四冲程。通过气门凸轮型线的选择可以将灵活缸工作模式在二冲程和四冲程之间切换。因此在灵活缸二冲程重整过程中，通过控制灵活缸排气门的开启时刻，可以获得不同重整程度的重整混合气，即不同活性的重整气，从而可以满足发动机在广阔范围内需要不同活性重整气的需求。并且由于灵活缸是二冲程这就使得当发动机处于一个正常的四冲程循环工作过程时，灵活缸可以重整两次，因此可以向常规缸提供足够的重整气，满足发动机的需求。
尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。