专利名称：：汽油机两级可变压缩比系统及其控制方法
技术领域：
：本发明涉及内燃机
技术领域：
，特别涉及采用HCCI/SI混合燃烧模式的汽油机，即中小负荷下采用高压縮比的均质混合气压縮着火燃烧(HCCI)模式实现高效低污染，大负荷时采用低压縮比的火花点火(SI)燃烧模式，获得高的功率密度且不发生爆震。
背景技术：
：汽油机中小负荷油耗高，比柴油机高出20%30%;而在大负荷时容易爆震，限制了功率输出。为了解决汽油机中小负荷油耗差的问题，需要提高压縮比；而要解决汽油机大负荷容易爆震的问题，需要降低压縮比。因此，最理想的方法是压縮比可变，这能使汽油机的油耗和功率输出大幅度改善，而且可以降低噪声与振动。Saab汽车公司2002年利用其开发的VCR技术在一台自然吸气多缸发动机上研究了压縮比和进气温度对HCCI燃烧的影响[HaraldssonG，etal.HCCIcombustinphasinginamulticylinderengineusingvariablecompressionratio.SAE2002-01-2858]，发现高压縮比可以代替进气加热实现HCCI，但VCR结构复杂，难以产业化。日产公司在2006年发明了一种压縮比可变的活塞连杆机构，在中低负荷工作时e=14，可显著提高热效率而不会爆燃，高负荷工作时e=8.[M.Sekine，yearbook-GasolineEngine,JournalofJSAE，Vol.61，No.8，2007]。但连续可变压縮比的方法目前对于车用发动机还不实用，成本太高，又增加了车用发动机控制系统优化复杂性。
发明内容本发明的目的就在于提供一种汽油机两级可变压縮比系统及其控制方法，以解决现有技术中的上述缺陷。为实现上述目的，本发明的技术方案是采用一种汽油机两级可变压縮比系统，在对应发动机进气门和排气门的两个顶置凸轮轴上，对应每缸的进气门和排气门分别设置大凸轮和小凸轮；在每缸的进气门上设置进气门凸轮型线切换机构，以用于切换与该进气门对应的进气门大凸轮和进气门小凸轮；在每缸的排气门上设置排气门凸轮型线切换机构，以用于切换与该排气门对应的排气门大凸轮和排气门小凸轮。其中，所述进气门大凸轮的进气门关闭角设为60。CAABDC90。CAABDC;所述进气门小凸轮的进气门关闭角设为-10°CAABDC20°CAABDC;所述进气门小凸轮的进气门开启角设为80。CAATDC0°CAATDC;所述排气门小凸轮的排气门关闭角设为-80°CAATDC0°CAATDC。其中，当发动机的负荷小于预设值A时，控制所述进气门凸轮型线切换机构将凸轮型线切换为进气门小凸轮，并且控制所述排气门凸轮型线切换机构将凸轮型线切换为排气门小凸轮；当发动机的负荷大于预设值A时，控制所述进气门凸轮型线切换机构将凸轮型线切换为进气门大凸轮，并且控制所述排气门凸轮型线切换机构将凸轮型线切换为排气门大凸轮。其中，当发动机的负荷小于预设值A且冷却水温低于预设值B时，采用火花点火燃烧模式；当发动机的负荷小于预设值A且冷却水温高于预设值B时，采用均质混合气压燃燃烧模式；当发动机的负荷大于预设值A时，采用火花点火燃烧模式。其中，所述预设值A为0.4MPa0.5MPa。其中，所述预设值B为80°C90°C。本发明还提供一种如上所述系统的控制方法，该方法包括Sl、检测发动机的负荷大小；S2、当所述负荷小于预设值A时，控制设置在每缸的进气门上的进气门凸轮型线切换机构，将凸轮型线切换为与该进气门对应的进气门小凸轮，并且控制设置在每缸的排气门上的排气门凸轮型线切换机构，将凸轮型线切换为与该排气门对应的排气门小凸轮；当所述负荷大于预设值A时，在每缸的进气门上设置的进气门凸轮型线切换机构，将凸轮型线切换为与该进气门对应的进气门大凸轮，并且在每缸的排气门上设置的排气门凸轮型线切换机构，将凸轮型线切换为与该排气门对应的排气门大凸轮。其中，所述控制方法还包括S3、利用三效催化剂对尾气进行处理。其中，所述预设值A为0.4MPa0.5MPa。本发明的优点和有益效果在于，可以实现压縮比的快速改变；能够在一个发动机循环内实现SI和HCCI燃烧模式间切换；发动机中小负荷时，采用较高压縮比获得低油耗；发动机大负荷时，采用较低压縮比避免爆震，获得高功率密度。图1是本发明的实施例所涉及的汽油机两级可变压縮比系统的燃烧系统的示意图；图2是本发明的实施例所涉及的汽油机两级可变压縮比系统的四种凸轮升程曲线示意图；图3是本发明的实施例所涉及的高压縮比HCCI燃烧模式下的配气相位示意图；图4是本发明的实施例所涉及的低压縮比SI燃烧模式下的配气相位示意图；图5是本发明的实施例所涉及的汽油机两级可变压縮比系统的控制方法的流程图。图中1、火花塞；2、喷油器；10、进气门；11、进气门凸轮型线切换机构；12、进气门小凸轮；13、进气门大凸轮；20、排气门；21、排气门凸轮型线切换机构；22、排气门小凸轮；23、排气门大凸轮。具体实施例方式以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本实施例的汽油机两级可变压縮比系统，如图1所示，在对应发动机进气门和排气门的两个顶置凸轮轴上，对应每缸的进气门IO和排气门20分别设置大凸轮和小凸轮；在每缸的进气门10上设置进气门凸轮型线切换机构11，以用于切换与该进气门10对应的进气门大凸轮13和进气门小凸轮12;在每缸的排气门20上设置排气门凸轮型线切换机构21，以用于切换与该排气门20对应的排气门大凸轮23和排气门小凸轮22。图2为上述四种凸轮升程曲线示意图。本发明的汽油机的几何压縮比设为1315，进气门大凸轮13的进气门关闭角(IVC)设为60°CAABDC9(TCAABDC;进气门小凸轮12的进气门关闭角(IVC)设为-10。CAABDC20°CAABDC;进气门小凸轮12的进气门开启角(IV0)设为80°CAATDC0°CAATDC;排气门小凸轮22的排气门关闭角(EVC)设为-80°CAATDC0°CAATDC。当发动机的负荷小于预设值A时，所述进气门凸轮型线切换机构将凸轮型线切换为进气门小凸轮，并且所述排气门凸轮型线切换机构将凸轮型线切换为排气门小凸轮，即切换为低压縮比工作模式；当发动机的负荷大于预设值A时，所述进气门凸轮型线切换机构将凸轮型线切换为进气门大凸轮，并且所述排气门凸轮型线切换机构将凸轮型线切换为排气门大凸轮，即切换为高压縮比工作模式。并且，当发动机的负荷小于预设值A且冷却水温低于预设值B时，采用火花点火燃烧模式(SI);当发动机的负荷大于预设值A且冷却水温高于预设值B时，采用均质混合气压燃燃烧模式(HCCI);当发动机的负荷大于预设值A时，采用火花点火燃烧模式(SI)。上述中，预设值A的取值范围优选的是0.4MPa0.5MPa。上述中，预设值B的取值范围优选的是80°C90°C。下面以具体实施例说明本发明的汽油机两级可变压縮比系统及其控制方法。本实施例中，发动机配气相位设计成如表1所示。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>如图5所示，本实施例的汽油机两级可变压縮比系统的控制方法，包括如下步骤。Sl、检测发动机的负荷大小并进行判断。S2、当所述负荷小于0.4MPa平均有效压力时，控制设置在每缸的进气门IO上的进气门凸轮型线切换机构ll，将凸轮型线切换为与该进气门10对应的进气门小凸轮12，并且控制设置在每缸的排气门20上的排气门凸轮型线切换机构21，将凸轮型线切换为与该排气门20对应的排气门小凸轮22，即切换为图3所示的高压縮比控制模式；当所述负荷大于0.4MPa平均有效压力时，控制设置在每缸的进气门10上的进气门凸轮型线切换机构11，将凸轮型线切换为与该进气门IO对应的进气门大凸轮13，并且控制设置在每缸的排气门20上的排气门凸轮型线切换机构21，将凸轮型线切换为与该排气门20对应的排气门大凸轮23，即切换为图4所示的低压縮比控制模式，此时采用火花点火燃烧模式(SI)。当汽油机工作在低压縮比模式时，判断冷却水的温度，当冷却水的温度低于85t:时，采用火花点火燃烧模式(SI);当冷却水的温度高于某值时，采用均质混合气压燃燃烧模式(HCCI)。S3、利用三效催化剂对尾气进行处理。S卩，发动机负荷小于0.4MPa平均有效压力且冷却水的温度高于85。C时，采用稀薄HCCI燃烧，利用三效催化剂氧化HC和C0排放，负荷大于0.4MPa平均有效压力或冷却水的温度低于85t:时，采用当量比SI燃烧，对有害排放物——HC、C0、N0x同时催化净化。本实施例利用凸轮型线切换机构实现配气相位的快速变化从而达到实现两级可变实际压縮比(如9和13)的目的，满足汽油机SI和HCCI燃烧模式的切换的要求。同时由于配气相位的特殊设计，中小负荷下实现了提高压縮比和减少泵气损失获得显著节油效果，大负荷时减小压縮比，避免了汽油机采用SI燃烧的爆震。另外，采用进气门晚关降低有效压縮比抑制SI燃烧爆震的同时，充气系数也相应降低。为保证发动机大负荷时的功率密度，发动机进气量通过增压来补偿。并且，当发动机小负荷且冷却水温较低时，通过节气门控制进气量实现高压縮比下的当量比混合气SI燃烧工作模式，三效催化剂对NOx、HC和C0同时进行催化净化；当发动机中小负荷且冷却水温较高时，节气门全开，实现高压縮比下的稀混合气HCCI燃烧工作模式。此工作模式下N0x排放极低(小于10卯m)，主要产生HC和CO排放，三效催化剂只需对HC和CO排放进行氧化处理。大负荷时，采用低压縮比下的SI燃烧工作模式，三效催化剂对N0x、HC和CO同时进行催化净化。以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，这些方案均应落入本发明保护的范围。权利要求一种汽油机两级可变压缩比系统，其特征在于，在对应发动机进气门和排气门的两个顶置凸轮轴上，对应每缸的进气门和排气门分别设置大凸轮和小凸轮；在每缸的进气门上设置进气门凸轮型线切换机构，以用于切换与该进气门对应的进气门大凸轮和进气门小凸轮；在每缸的排气门上设置排气门凸轮型线切换机构，以用于切换与该排气门对应的排气门大凸轮和排气门小凸轮。2.如权利要求1所述的汽油机两级可变压縮比系统，其特征在于，所述进气门大凸轮的进气门关闭角设为60°CAABDC90°CAABDC;所述进气门小凸轮的进气门关闭角设为-10°CAABDC20°CAABDC;所述进气门小凸轮的进气门开启角设为80°CAATDC0°CAATDC;所述排气门小凸轮的排气门关闭角设为-80°CAATDC0°CAATDC。3.如权利要求2所述的汽油机两级可变压縮比系统，其特征在于，当发动机的负荷小于预设值A时，控制所述进气门凸轮型线切换机构将凸轮型线切换为进气门小凸轮，并且控制所述排气门凸轮型线切换机构将凸轮型线切换为排气门小凸轮；当发动机的负荷大于预设值A时，控制所述进气门凸轮型线切换机构将凸轮型线切换为进气门大凸轮，并且控制所述排气门凸轮型线切换机构将凸轮型线切换为排气门大凸轮。4.如权利要求3所述的汽油机两级可变压縮比系统，其特征在于，当发动机的负荷小于预设值A且冷却水温低于预设值B时，采用火花点火燃烧模式；当发动机的负荷小于预设值A且冷却水温高于预设值B时，采用均质混合气压燃燃烧模式；当发动机的负荷大于预设值A时，采用火花点火燃烧模式。5.如权利要求3或4所述的汽油机两级可变压縮比系统，其特征在于，所述预设值A为0.4MPa0.5MPa。6.如权利要求4所述的汽油机两级可变压縮比系统，其特征在于，所述预设值B为80°C90°C。7.—种如权利要求1所述系统的控制方法，其特征在于，该方法包括51、检测发动机的负荷大小；52、当所述负荷小于预设值A时，控制设置在每缸的进气门上的进气门凸轮型线切换机构，将凸轮型线切换为与该进气门对应的进气门小凸轮，并且控制设置在每缸的排气门上的排气门凸轮型线切换机构，将凸轮型线切换为与该排气门对应的排气门小凸轮；当所述负荷大于预设值A时，在每缸的进气门上设置的进气门凸轮型线切换机构，将凸轮型线切换为与该进气门对应的进气门大凸轮，并且在每缸的排气门上设置的排气门凸轮型线切换机构，将凸轮型线切换为与该排气门对应的排气门大凸轮。8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括S3、利用三效催化剂对尾气进行处理。9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述预设值A为0.4MPa0.5MPa。全文摘要本发明涉及一种汽油机两级可变压缩比系统及其控制方法，在对应发动机进气门和排气门的两个顶置凸轮轴上，对应每缸的进气门和排气门分别设置大凸轮和小凸轮；在每缸的进气门上设置进气门凸轮型线切换机构，以用于切换与该进气门对应的进气门大凸轮和进气门小凸轮；在每缸的排气门上设置排气门凸轮型线切换机构，以用于切换与该排气门对应的排气门大凸轮和排气门小凸轮。本发明的优点和有益效果在于，可以实现压缩比的快速改变；能够在一个发动机循环内实现SI和HCCI燃烧模式间切换；发动机中小负荷时，采用较高压缩比获得低油耗；发动机大负荷时，采用较低压缩比避免爆震，获得高功率密度。文档编号F01L13/08GK101699040SQ20091023656公开日2010年4月28日申请日期2009年10月26日优先权日2009年10月26日发明者王建昕,王志申请人:清华大学