增压直喷发动机和车辆的制作方法

1.本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种高性能的节能1.3 l增压直喷汽油发动机。


背景技术：

2.现阶段国家法规对车辆油耗和排放要求越来越高，其中，第三阶段油耗限值已于2012年7月1日开始实施，车辆油耗要求较第二阶段下降20%。第四阶段油耗法规从2016年开始实施，企业平均油耗目标在2020年已经达到4.5 l/100 km。开发高能效、低油耗、低排放的小排量发动机显得尤为重要。
3.在目前现有技术中的一种增压直喷汽油发动机中采用了可变进气歧管、进排气连续可变配气相位技术、变排量机油泵及低摩擦技术，同时具有高速端和低速端的大扭矩，动力性能优秀，满足中国第六阶段排放法规要求。
4.但是考虑到车型未来的换代以及满足第四阶段油耗法规及国六排放法规的需求，亟需开发下一代节能发动机，以取代现有的1.3 l发动机，为整车升级产品带来更好的动力输出。


技术实现要素：

5.本发明的一个方面要解决的技术问题是如何提供一种动力性能优越、油耗和排放较低的小型发动机。
6.此外，本发明的其它方面还旨在解决或者缓解现有技术中存在的其它技术问题。
7.本发明提供了一种增压直喷发动机和车辆，具体而言，根据本发明的一方面，提供了：一种增压直喷发动机，其中，所述增压直喷发动机包括缸体、缸盖和与所述缸体和所述缸盖连接的高压水冷废气再循环系统、可变截面涡轮增压器、缸内高压燃油直喷系统、中置式进排气连续可变气门正时系统、发动机主动热管理控制系统。
8.可选地，根据本发明的一种实施方式，所述高压水冷废气再循环系统包括依次连接的进气口、连接管、冷却器和控制阀和排气口，所述进气口布置在所述可变截面涡轮增压器的涡轮之前，所述排气口布置在所述增压直喷发动机的压气机之后。
9.可选地，根据本发明的一种实施方式，所述可变截面涡轮增压器具有电动的废气旁通阀和导流叶片，所述可变截面涡轮增压器通过所述导流叶片在所述增压直喷发动机转速改变时调节所述可变截面涡轮增压器的废气流通横截面积。
10.可选地，根据本发明的一种实施方式，所述增压直喷发动机的燃烧室由所述增压直喷发动机的缸盖构成的部分构造成向上凸出的屋脊形，所述燃烧室由所述增压直喷发动机的活塞构成的部分构造成向下凹入的水滴形，在燃烧室由缸盖构成的部分中构造有导流结构，所述导流结构部分地遮盖所述增压直喷发动机的气缸的进气门。
11.可选地，根据本发明的一种实施方式，所述增压直喷发动机的缸盖上的进气道沿进气方向依次包括横截面积沿进气方向相等的区段和横截面积沿进气方向逐渐缩小的区
段。
12.可选地，根据本发明的一种实施方式，所述缸内高压燃油直喷系统包括依次连接的高压油泵、油轨和直喷喷油器，所述高压油泵安装在所述增压直喷发动机的进气侧，所述直喷喷油器和油轨安装在所述增压直喷发动机的缸盖上的进气道的下侧。
13.可选地，根据本发明的一种实施方式，所述中置式进排气连续可变气门正时系统包括与所述增压直喷发动机的电子控制单元通讯连接的相位器控制电磁阀、中央螺栓控制阀以及凸轮轴相位调节器，所述相位器控制电磁阀根据电子控制单元的控制信号控制中央螺栓控制阀进行油路切换，以使得所述凸轮轴相位调节器根据油路的切换调节所述增压直喷发动机的凸轮轴的相位。
14.可选地，根据本发明的一种实施方式，在所述增压直喷发动机的油底壳中布置有可变排量机油泵，所述可变排量机油泵通过所述增压直喷发动机的曲轴链轮驱动。
15.可选地，根据本发明的一种实施方式，所述增压直喷发动机的缸体为缸体底面与所述增压直喷发动机的曲轴轴线齐平的铝缸体，所述缸体与所述增压直喷发动机的缸盖通过前盖连接，所述前盖同时密封所述增压直喷发动机的缸盖的前端和缸体的前端，所述前盖的上端与所述增压直喷发动机的凸轮轴罩盖通过密封圈密封，下端与所述增压直喷发动机的油底壳通过室温硫化型硅橡胶密封。
16.根据本发明的另一方面，本发明提供了一种车辆，其中，所述车辆具有以上所述的增压直喷发动机。
17.本发明的有益之处包括：采用了具有通过电机驱动的废气旁通阀的可变截面涡轮增压器，降低了泵气损失，改善了增压器响应；使用了全可变机油泵、滚动轴承凸轮轴和旋转往复系轻量化等降低摩擦的设计，使用了平分式缸体、一体式大前盖、锻钢曲轴等改善nvh（noise、vibration、harshness，噪声、振动与声振粗糙度）的设计；使用了中置式进排气可变气门正时系统，设计了配合高压缩比的miller气门型线，优化了适应直喷的燃烧室结构，优化了控制策略和燃烧效率，使用了增大egr（exhaust gas recirculation，废气再循环）率的高压水冷egr，显著降低了油耗和排放，在达到国内领先国际一流的经济型发动机水平的同时符合国家各项环保政策的要求。
18.针对提高发动机动力性的要求，重点重新设计了燃烧系统及冷却系统的设计，创新地在汽油机上使用了高压水冷egr系统，优化了喷油时刻、点火正时和凸轮相位，使发动机转速从1500rpm到4400rpm，在λ=1时都能保持平顺的200nm的大扭矩输出，发动机最大功率达到94kw；在λ《1时都能保持平顺的240nm的大扭矩输出，发动机最大功率达到115kw。
附图说明
19.参考附图，本发明的上述以及其它的特征将变得显而易见，其中，图1示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的主视图；图2示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的后视图；图3示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的高压水冷废气再循环系统的结构示意图；图4示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的可变截面废气涡轮增压器的结构示意图；
图5示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的gpf催化器的结构示意图；图6示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的燃烧室的结构示意图；图7示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的进气道的结构示意图；图8示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的缸内高压燃油直喷系统的结构示意图；图9示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的中置式进排气连续可变气门正时系统的结构示意图；图10示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的凸轮轴的结构示意图；图11示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的滚子摇臂液压挺柱气门系的结构示意图；图12示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的凸轮轴罩盖的结构示意图；图13示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的可变排量机油泵的结构示意图；图14示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的平分式铝缸体的结构示意图；图15示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的冷却水套的结构示意图；图16示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的一体式大前盖的结构示意图；图17示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的锻钢曲轴的结构示意图；图18示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的集成排气歧管缸盖的结构示意图；图19示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的定轨的结构示意图；图20示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的发动机热管理控制系统的结构示意图；图21示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的进气歧管的结构示意图；图22示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的的外特性曲线图。
具体实施方式
20.容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神的条件下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方
式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
21.在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等或类似表述仅用于描述与区分目的，而不能理解为指示或暗示相应的构件的相对重要性。
22.参考图1和图2，其分别示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的主视图和后视图。根据本发明的增压直喷发动机包括机体组、曲柄连杆机构、配气机构、燃油系统、进排气系统和增压系统，所述机体组包括缸体、缸盖和油底壳，曲柄连杆机构装配在缸体上并且曲柄连杆机构中的活塞与机体组中的缸盖形成燃烧室，配气机构用于控制气缸的进气门与排气门的开闭，燃油系统用于控制进入燃烧室的燃油量，进排气系统包括进气管、节气门和排气管用于发动机的排气。根据本发明的增压直喷发动机一般设计为直列3缸汽油发动机。
23.所述增压系统用于所述增压直喷发动机的废气涡轮增压，包括高压水冷废气再循环系统1，参考图3，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的高压水冷废气再循环系统1的结构示意图。所述高压水冷废气再循环系统1包括依次连接的进气口、连接管、冷却器、控制阀和排气口。进气口连接到发动机的排气管，从发动机排气管排出的废气经进气口然后依次经连接管、冷却器、控制阀和排气口最终进入发动机的进气歧管。冷却器安装在发动机排气侧的中部位置，控制阀安装在缸盖前端的排气侧。该系统通过调节控制阀的开度控制进入气缸的废气量以达到降低泵气损失的目的。高压水冷废气再循环系统1的应用能够大幅度提升发动机低速小负荷时的egr率，能够显著降低缸内温度，抑制爆震的发生，从而实现降低发动机油耗和减少排放的目的。
24.所述增压系统还包括可变截面涡轮增压器2，参考图4，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的可变截面废气涡轮增压器2的结构示意图。所述可变截面涡轮增压器2具有电动的废气旁通阀和导流叶片，废气旁通阀受电机的控制，能够在发动机不同的工况下调节通过涡轮的废气流量，导流叶片构造成可以通过开闭改变增压器的废气流通横截面积，在低转速、低排气量的工况下可以完全关闭。从而在发动机转速较低时，增压涡轮会减小其横截面积，此时通过涡轮的废气流量较低，在发动机转速很高时，增压涡轮会增大其横截面积，此时通过涡轮的废气流量较高。由此，实现针对不同发动机转速控制增压器的转速最终控制进气压力以回收废气能量。所述增压器通过法兰与缸盖集成排气歧管的法兰面连接并布置在发动机中间靠上的位置。通过所述可变截面增压器2，可以显著改善增压器响应，改善发动机低速扭矩。在增压系统中还采用了具有gpf（gasoline particulate filter，汽油颗粒过滤器）的催化器3，可以显著降低有害气体的排放，参考图5，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的gpf催化器的结构示意图。
25.在本发明的增压直喷发动机中，采用了新型高效的燃烧室设计。参考图6，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的燃烧室4的结构示意图。燃烧室4由缸盖组成的部分构造成中间部分向上凸出的屋脊形，燃烧室4由活塞构成的部分构造成向下凹入的水滴形，这样可以有效地引导混合气体在燃烧室4内滚动，形成较强的缸内湍动能。
在燃烧室4由缸盖组成的部分上构造有导流结构（masking），所述导流结构能够部分遮盖进气门，使得气流仅从一部分进气门进入气缸内，从而提高缸内滚流比。
26.应该理解的是，燃烧室的屋脊形和水滴形为本技术领域常用的表达，屋脊形类似于以矩形的侧面为底面的三棱柱的形状，两个进气门和排气门分别布置在两个倾斜的矩形平面中。本领域技术人员能够由“屋脊形”和“水滴形”这两种表述中直接地、毫无疑义地确定燃烧室的形状。
27.在本发明的增压直喷发动机中，采用了新型高效的进气道5设计。参考图7，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的进气道5的结构示意图。进气道5沿进气方向依次包括横截面积沿进气方向相等的区段和横截面积沿进气方向逐渐缩小的区段，这样的结构能够有效提升进气速度和缸内湍动能。横截面积沿进气方向逐渐缩小的区段由铸造分型线分为两部分，第一部分为直线形，第二部分向上弯曲，这样能够有效组织绝大部分气流从第一部分进入缸内，从而提高缸内滚流比，改善燃烧效率，提升发动机燃油经济性。
28.所述燃油系统包括350 bar缸内高压燃油直喷系统6。参考图8，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的缸内高压燃油直喷系统6的结构示意图。所述缸内高压燃油直喷系统6包括依次连接的高压油泵、油轨和直喷喷油器，高压油泵安装在发动机进气侧尾端独立式瓦盖上，直喷喷油器和油轨安装于发动机缸盖进气道下侧，高压油泵经油轨输出燃油，最终经过直喷喷油器喷入到燃烧室中。直喷能够降低混合气温度，抑制爆震，提高压缩比、增大点火提前角、减小加浓从而降低油耗。直喷技术能够实现快速断油以降低油耗，发动机在恢复运转的时候不需要油膜的建立。直喷能够提高egr量，降低低负荷下的泵气损失，改善发动机油耗。直喷和发动机启停技术结合能够降低起动油耗以及提升快速起动性能。同时直喷技术能够实现多次喷射和点火角推迟，加速催化器起燃，降低hc、co、nox排放，而且直喷雾化更好，减少加浓，可以改善起动和暖机的hc排放。
29.所述配气机构包括中置式进排气连续可变气门正时系统7（d-vvt），参考图9，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的中置式进排气连续可变气门正时系统7的结构示意图。所述中置式进排气连续可变气门正时系统7包括两个相位器控制电磁阀、两个中央螺栓控制阀和两个凸轮轴相位调节器，相位器控制电磁阀与发动机的电子控制单元（ecu）通讯连接，ecu根据凸轮轴位置信号、空气流量信号和节气门位置信号等确定凸轮轴相位的控制指令，将控制指令发送给相位器控制电磁阀，相位器控制电磁阀驱动中央螺栓控制阀进行油路切换，以使得所述凸轮轴相位调节器根据油路的切换调节所述增压直喷发动机的凸轮轴的相位，从而改善发动机动力性和燃油经济性以及排放性能。相位器控制电磁阀安装在凸轮轴罩盖上，凸轮轴相位调节器和中央螺栓控制阀安装在凸轮轴前端。中置式进排气连续可变气门正时系统7能够大幅提升可变行为系统的瞬态响应速度，提高发动机瞬态的动力性和燃油经济性。在所述配气机构中还采用了滚动轴承式凸轮轴8，参考图10，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的凸轮轴8的结构示意图。凸轮轴8采用了miller凸轮轴型线，从而降低了摩擦功，改善了油耗。此外，还引入了滚子摇臂液压挺柱气门系9到配气机构中，参考图11，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的滚子摇臂液压挺柱气门系9的结构示意图。采用液压挺柱可以自动调节气门间隙并且始终免维护。采用滚子摇臂与凸轮接触可以有效减少摩擦功从而降低油
耗。在凸轮轴罩盖方面采用集成油气分离器的凸轮轴罩盖10，参考图12，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的凸轮轴罩盖10的结构示意图。所述凸轮轴罩盖10具有高强度的结构设计，工作过程中变形小且刚度高，能够提升发动机的nvh性能。
30.在根据本发明的增压直喷发动机中，在油底壳中布置有可变排量机油泵11。参考图13，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的可变排量机油泵11的结构示意图。所述可变排量机油泵11由曲轴连杆机构的曲轴链轮驱动，以用于按需调节润滑系统机油的压力，减小系统摩擦功，从而提高整机燃油经济性。
31.在根据本发明的增压直喷发动机中，气缸的缸体采用了平分式铝缸体12，即缸体采用底面与曲轴轴线基本齐平的结构。参考图14，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的平分式铝缸体12的结构示意图。在缸体上带有导流板，并且在缸盖上安装有冷却水套13。参考图15，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的冷却水套13的结构示意图。冷却水套13使得在缸盖内部冷却液具有良好的流动路径、良好的流动速度和低的压力损失，降低了缸盖排气侧鼻梁区温度从而改善了爆震边界，同时能够降低缸体鼻梁区温度，改善缸孔变形，减少摩擦功。此外，通过一体式大前盖14连接缸体和缸盖，即前盖同时密封缸盖前端和缸体前端。参考图16，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的一体式大前盖14的结构示意图。一体式大前盖14的上端与凸轮轴罩盖通过密封圈，尤其是橡胶密封圈密封，下端与上油底壳通过rtv（room temperature vulcanized silicone rubber，室温硫化硅橡胶）胶密封，从而充分提升发动机的nvh性能。在曲轴连杆机构中还采用了锻钢曲轴15。参考图17，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的锻钢曲轴15的结构示意图。锻钢曲轴15的强度相比于传统曲轴有显著提升。另外，采用新型的集成排气歧管缸盖16，参考图18，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的集成排气歧管缸盖16的结构示意图。集成排气歧管缸盖16将排气歧管集成在缸盖中，节省了空间并能够提高燃烧效率。
32.在根据本发明的增压直喷发动机中，采用了新型定轨设计，参考图19，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的定轨17的结构示意图。新型定轨17通过定轨搭扣配合缸盖、缸体的安装凸台进行布置，减少了定轨安装螺栓需求。
33.在根据本发明的增压直喷发动机中，采用了第四代发动机主动热管理控制技术，参考图20，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的发动机热管理控制系统18的结构示意图。发动机热管理控制系统18安装于发动机缸体进气侧，该系统通过调节内部球阀开度分别控制缸体和缸盖的冷却水流量从而达到控制缸体和缸盖水道水温的目的，以此实现快速暖机降低摩擦功。同时，在发动机部分负荷和高负荷时通过调节阀门开度控制缸体和缸盖的水温避免发动机过热，降低排温、改善爆震边界并优化燃烧从而降低发动机油耗和排放。此外，该热管理系统还能够控制发动机和变速箱的机油温度以及进行整车暖风舒适性管理，从而实现全面的热管理，对提高发动机热效率有显著作用。
34.在根据本发明的增压直喷发动机中，在进排气系统中采用了塑料进气歧管19，参考图21，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的进气歧管19的结构示意图。所述塑料进气歧管有效降低了进气歧管的重量，有助于提高进气速度，降低发动机油耗。
35.参考图22，其示出根据本发明的一个实施方式提出的增压直喷发动机的外特性曲
线图。通过上述改进和新技术的应用，本发明的1.3 l增压直喷发动机外特性达到了如下性能设计目标：1. 最大功率：115 kw （@5200 rpm）；2. 最大扭矩：240 nm （@1500-4400 rpm）；3. 比油耗：《 330 g/kw*h（2000 rpm/2 bar）。
36.应当理解的是，本发明的增压直喷发动机可装设在各种车辆上。因此，本发明的主题还旨在保护装设有本发明的增压直喷发动机的各种车辆。
37.应当理解的是，所有以上的优选实施例都是示例性而非限制性的，本领域技术人员在本发明的构思下对以上描述的具体实施例做出的各种改型或变形都应在本发明的法律保护范围内。

技术特征：
1.一种增压直喷发动机，其特征在于，其包括缸体、缸盖和与所述缸体和所述缸盖连接的高压水冷废气再循环系统、可变截面涡轮增压器、缸内高压燃油直喷系统、中置式进排气连续可变气门正时系统、发动机主动热管理控制系统。2.根据权利要求1所述的增压直喷发动机，其特征在于，所述高压水冷废气再循环系统包括依次连接的进气口、连接管、冷却器和控制阀和排气口，所述进气口布置在所述可变截面涡轮增压器的涡轮之前，所述排气口布置在所述增压直喷发动机的压气机之后。3.根据权利要求1所述的增压直喷发动机，其特征在于，所述可变截面涡轮增压器具有电动的废气旁通阀和导流叶片，所述可变截面涡轮增压器通过所述导流叶片在所述增压直喷发动机转速改变时调节所述可变截面涡轮增压器的废气流通横截面积。4.根据权利要求1所述的增压直喷发动机，其特征在于，所述增压直喷发动机的燃烧室由所述增压直喷发动机的缸盖构成的部分构造成向上凸出的屋脊形，所述燃烧室由所述增压直喷发动机的活塞构成的部分构造成向下凹入的水滴形，在所述燃烧室由缸盖构成的部分中构造有导流结构，所述导流结构部分地遮盖所述增压直喷发动机的气缸的进气门。5.根据权利要求1所述的增压直喷发动机，其特征在于，所述增压直喷发动机的缸盖上的进气道沿进气方向依次包括横截面积沿进气方向相等的区段和横截面积沿进气方向逐渐缩小的区段。6.根据权利要求1所述的增压直喷发动机，其特征在于，所述缸内高压燃油直喷系统包括依次连接的高压油泵、油轨和直喷喷油器，所述高压油泵安装在所述增压直喷发动机的进气侧，所述直喷喷油器和油轨安装在所述增压直喷发动机的缸盖上的进气道的下侧。7.根据权利要求1所述的增压直喷发动机，其特征在于，所述中置式进排气连续可变气门正时系统包括与所述增压直喷发动机的电子控制单元通讯连接的相位器控制电磁阀、中央螺栓控制阀以及凸轮轴相位调节器，所述相位器控制电磁阀根据电子控制单元的控制信号控制中央螺栓控制阀进行油路切换，以使得所述凸轮轴相位调节器根据油路的切换调节所述增压直喷发动机的凸轮轴的相位。8.根据权利要求1所述的增压直喷发动机，其特征在于，在所述增压直喷发动机的油底壳中布置有可变排量机油泵，所述可变排量机油泵通过所述增压直喷发动机的曲轴链轮驱动。9.根据权利要求1所述的增压直喷发动机，其特征在于，所述增压直喷发动机的缸体为缸体底面与所述增压直喷发动机的曲轴轴线齐平的铝缸体，所述缸体与所述增压直喷发动机的缸盖通过前盖连接，所述前盖同时密封所述增压直喷发动机的缸盖的前端和缸体的前端，所述前盖的上端与所述增压直喷发动机的凸轮轴罩盖通过密封圈密封，下端与所述增压直喷发动机的油底壳通过室温硫化型硅橡胶密封。10.一种车辆，其特征在于，所述车辆具有根据权利要求1至9中任一项所述的增压直喷发动机。

技术总结
本发明提供了一种增压直喷发动机和车辆，其中，所述增压直喷发动机包括缸体、缸盖和与所述缸体和所述缸盖连接的高压水冷废气再循环系统、可变截面涡轮增压器、缸内高压燃油直喷系统、中置式进排气连续可变气门正时系统、发动机主动热管理控制系统。发动机主动热管理控制系统。发动机主动热管理控制系统。


技术研发人员：王立新 吴楚 谢薇 郑有能 顾洁 何世泉 易敏 朱玉萍 蔡梦尧 宁李谱 邱劲草 杜佳 李明杰 邓大伟 唐华存 冉帆 陈勇 李磊 吴小飞 郎伟钦 刘杰 岳亮亮
受保护的技术使用者：泛亚汽车技术中心有限公司
技术研发日：2021.11.11
技术公布日：2023/5/13