一种气门结构、发动机热力学循环控制系统及方法与流程

本发明涉及车辆工程技术领域，尤其涉及一种气门结构、发动机热力学循环控制系统及方法。

背景技术：

汽车发动机的配气系统是发动机最重要的系统之一，而在配气系统中，气门的作用至关重要，主要是在燃烧前向缸内提供新鲜的空气；在燃烧后将缸内的废气排出。为了区分气门的这两种作用，通常称之为进气门和排气门。

传统的气门是通过配气系统进行控制的，传统的配气系统主要由正时齿轮系、凸轮轴、气门传动组件组成。其中气门主要由凸轮轴驱动实现进、排气的控制。在工作过程：曲轴通过发动机轮系(正时齿轮)带动凸轮轴不断旋转，进、排气凸轮轴上的凸轮与凸轮轴同步旋转，根据凸轮设计的形状压下推杆，推杆推动挺柱，从而实现控制进气门和排气门开启和关闭的功能，实现发动机进、排气。这种传统的配气系统是采用正时齿轮、挺柱、推杆及凸轮轴等传统的机械结构实现气门启闭。在这个系统中，通过各部件之间的接触、推动、按压等机械动作，实现控制的动作。这种通过传统的机械结构控制气门的启闭，其升程固定，只能改变进排气门开启和关闭的时刻，无法根据负荷的变化灵活调整进气量。机械机构控制过程中不可避免的产生摩擦受损，灵活性差、自动化程度低、不够精确、空间布置紧凑。针对上述不足，现有改进技术中，也有采用ecu控制液压驱动构件等电控直接驱动气门的方式，这种方式中，只是改变有机械机构控制改变为电液控制，与原有vvt并无差别。

因此，亟需一种气门结构、发动机热力学循环控制系统及方法，能够有效增加进气流量系数，降低残余废气系数，提高换气能力，具有集成化、自动化、高效化、灵活化的特点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种气门结构、发动机热力学循环控制系统及方法，能够有效增加进气流量系数，降低残余废气系数，提高换气能力，具有集成化、自动化、高效化、灵活化的特点。

为实现上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种气门结构，包括：缸盖，所述缸盖上开设有气口；密封件，所述密封件扣设在所述缸盖上且对应所述气口设置；气管，所述气管与所述密封件连通；驱动件，所述驱动件设在所述密封件内；气门，所述气门与所述驱动件的输出端连接，所述气门可活动地设在所述密封件与所述缸盖之间，所述气门能够密封或释放所述气口。

进一步地，所述气口、所述密封件、所述气管、所述驱动件和所述气门均为多个，每个所述气口对应一个所述密封件、一个所述气管、一个所述驱动件和一个所述气门设置。

进一步地，所述驱动件包括电磁驱动结构。

一种发动机热力学循环控制系统，包括：控制组件；传感组件，所述传感组件与所述控制组件通信连接，所述传感组件用于检测车辆的运行参数；前文所述的气门结构，所述气门结构的驱动件与所述控制组件通信连接。

进一步地，所述传感组件包括进气温度传感器、进气压力传感器、曲轴转角传感器、转速传感器、环境压力传感器、环境温度传感器、冷却水温度传感器、加速踏板传感器和发动机传感器。

进一步地，所述控制组件包括运算器和控制器，所述运算器与所述传感组件和所述控制器通信连接，所述控制器用于控制所述驱动件。

一种发动机热力学循环控制方法，采用前文所述的发动机热力学循环控制系统，包括：步骤s1、控制组件获取发动机的启动信号；步骤s2、若所述发动机已启动则执行步骤s3，若所述发动机未启动则返回执行所述步骤s1；步骤s3、传感组件获取车辆的运行参数，所述运行参数处于不同预设参数范围时，所述控制组件控制所述发动机进入不同的运行工况；步骤s4、所述运行参数位于所有所述预设参数范围之外，且所述发动机未启动时结束控制。

进一步地，所述步骤s3还包括，所述发动机进入不同的所述运行工况后，根据所述运行工况调整所述发动机的气门的运行曲线以使所述运行曲线位于不同的预设曲线范围内，所述预设曲线范围根据气门开启速度、气门关闭速度、气门开启时间和气门关闭时间确定。

进一步地，所述运行参数包括实时环境压力值、实时进气温度值、实时环境温度值、实时冷却水温度值、实时踏板开度和实时运行状态信号，所述预设参数范围包括预设环境压力值、预设进气温度值、冷启动环境温度值、高温环境温度值、预设冷却水温度值、预设踏板开度、混动状态信号范围和通用状态信号范围。

进一步地，所述步骤s3包括：s3.1、如所述实时环境压力值小于所述预设环境压力值，所述控制组件控制所述发动机执行高原工况，否则执行步骤s3.2；s3.2、如所述实时进气温度值大于所述预设进气温度值，所述控制组件控制所述发动机执行高温工况，否则执行步骤s3.3；s3.3、如所述实时环境温度值小于所述冷启动环境温度值，所述控制组件控制所述发动机执行冷启动工况，否则执行步骤s3.4；s3.4、如所述实时环境温度值小于所述高温环境温度值，所述控制组件控制所述发动机执行启动工况，否则执行步骤s3.5；s3.5、如所述实时冷却水温度值小于所述预设冷却水温度值，所述控制组件控制所述发动机执行暖机工况，否则执行步骤s3.6；s3.6、如所述实时踏板开度大于所述预设踏板开度，所述控制组件控制所述发动机执行加速工况，否则执行步骤s3.7；s3.7、如所述实时运行状态位于所述混动状态信号范围内，所述控制组件控制所述发动机执行混动工况，否则执行步骤s3.8；s3.8、如所述实时运行状态位于所述通用状态信号范围内，所述控制组件控制所述发动机执行混动工况，否则执行步骤s4。

本发明的有益效果为：根据本发明的气门结构，具有集成化、自动化、高效化、灵活化的特点，能够有效提高其换气能力，同时布置结构更为简单和紧凑，能够在限定的机舱空间下拥有更好的布置扩展能力，为其他部件的布置提供了充分的空间。根据本发明的发动机热力学循环控制系统，由于具有前文所述的气门结构，能够更为灵活准确地调整气门的开启和关闭时间、开启和关闭速度以及开启持续时间等，同时能够有效增加进气流量系数，降低残余废气系数，提高换气能力。根据本发明的发动机热力学循环控制方法，采用了前文所述的发动机热力学循环控制系统，能够实现气门的灵活关闭和开启，从而能够根据发动机的实际运行参数，控制发动机在最合适的运行工况下运行，从而提高了发动机的进气控制效果和控制效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的气门结构的俯视图；

图2是本发明具体实施方式提供的气门结构的内部结构示意图；

图3是本发明具体实施方式提供的发动机热力学循环控制系统的示意图；

图4是本发明具体实施方式提供的流量系数和有效气门面积的关系图；

图5是本发明具体实施方式提供的气门的运行曲线图之一；

图6是本发明具体实施方式提供的气门的运行曲线图之二；

图7是本发明具体实施方式提供的气门的运行曲线图之三；

图8是本发明具体实施方式提供的气门的运行曲线图之四；

图9是本发明具体实施方式提供的气门的运行曲线图之五；

图10是本发明具体实施方式提供的气门的运行曲线图之六；

图11是本发明具体实施方式提供的气门的预设曲线范围图；

图12是本发明具体实施方式提供的发动机热力学循环控制方法的流程图之一；

图13是本发明具体实施方式提供的发动机热力学循环控制方法的流程图之二。

附图标记

1、缸盖；11、排气口；12、进气口；

2、密封件；

3、气管；

4、驱动件；

5、气门；51、排气门；52、进气门；

61、进气温度传感器；62、进气压力传感器；63、曲轴转角传感器；64、转速传感器；65、环境压力传感器；66、环境温度传感器；67、冷却水温度传感器；68、加速踏板传感器；69、发动机传感器；

71、运算器；72、控制器；73、执行件；

81、阿特金森循环曲线；82、奥托循环曲线；83、米勒循环曲线；

91、第一预设曲线；92、第二预设曲线；93、第三预设曲线；94、第四预设曲线；95、第五预设曲线；96、第六预设曲线；97、第七预设曲线；98、第八预设曲线。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

下面参考图1-图13描述本发明实施例的气门结构、发动机热力学循环控制系统及方法。

如图1和图2所示，图1公开了一种气门结构，其包括缸盖1、密封件2、气管3、驱动件4和气门5。缸盖1上开设有气口。密封件2扣设在缸盖1上且对应气口设置。气管3与密封件2连通。驱动件4设在密封件2内。气门5与驱动件4的输出端连接，气门5可活动地设在密封件2与缸盖1之间，气门5能够密封或释放气口。

可以理解的是，密封件2能够较好地保证气管3与气口之间的密封连接，从而防止空气从密封件2和缸盖1的连接处溢出。由于气门5能够密封或释放气口，从而使密封件2也能调整气口与气管3之间的连通面积，有利于提高气口开口的调节精度。同时，本实施例的气门结构相对现有技术中的气门结构而言，通过设置于密封件2内的驱动件4和气门5即可实现气口开口面积的调节，使得气口开口面积的调节更为灵活，能够便于灵活调整气门5的开启和关闭时间、气门5的开启和关闭速度以及气门5开启的持续时间，从而能够实现米勒循环、深度米勒循环、阿特金森循环、奥托循环等多种燃烧循环。此外，无需额外设置凸轮，能够减小摩擦，降低发动机的摩擦功，提高发动机的能量利用率，无需额外设置气门5杆，能够降低缸盖1的厚度，有利于减少发动机的空间布置限制，提高发动机的安装范围。进一步地，如图4所示，由于该气门结构在进气过程中，气门5处无遮挡，能够提高气门5的开启速度、实现气门关闭时间和气门开启时间的灵活控制，从而能够有效增加进气流量系数；在排气过程中，能够有效避免排气干扰，使得涡轮增压发动机能够更为高效地利用排气能量，从而有效提高气门结构的整体换气能力。

根据本实施例的气门结构，具有集成化、自动化、高效化、灵活化的特点，能够有效提高其换气能力，同时布置结构更为简单和紧凑，能够在限定的机舱空间下拥有更好的布置扩展能力，为其他部件的布置提供了充分的空间。

在一些实施例中，如图1和图2所示，气口、密封件2、气管3、驱动件4和气门5均为多个，每个气口对应一个密封件2、一个气管3、一个驱动件4和一个气门5设置。

可以理解的是，根据气门结构的具体排气和进气需求，能够将气口分为进气口12和排气口11，将气门5分为进气门52和排气门51，从而便于根据实际需求控制与不同的气口对应设置的驱动件4和气门5的运动，使得多个气门5能够分别独立控制，较好地保证了气门结构的整体正常控制。

在一些实施例中，驱动件4包括电磁驱动结构。

可以理解的是，电磁驱动结构能够便于与发动机的电子控制单元通信连接，从而能够使得发动机的电子控制单元控制气门5的运动，进而更为精准地控制气门5的开启和关闭速度、开启和关闭时间等，提高了多个气口的控制精度。

如图3所示，本发明还公开了一种发动机热力学循环控制系统，包括控制组件、传感组件和前文所述的气门结构。传感组件与控制组件通信连接，传感组件用于检测车辆的运行参数。气门结构的驱动件4与控制组件通信连接。

根据本发明实施例的发动机热力学循环控制系统，由于具有前文所述的气门结构，能够更为灵活准确地调整气门5的开启和关闭时间、开启和关闭速度以及开启持续时间等，同时能够有效增加进气流量系数，降低残余废气系数，提高换气能力。此外，本实施例的传感组件能够准确获得发动机的运行参数，控制组件能够根据传感组件所获得的运行参数快速准确地调整气门5的控制策略。

具体地，如图5所示，本实施例的发动机热力学循环控制系统能够根据发动机的需求实现不同的开启时刻和关闭时刻，保证开启和关闭的速度相同，开启时间灵活控制。

如图6所示，本实施例的发动机热力学循环控制系统能够根据发动机的需求实现不同的关闭时刻，保证开启速度和开启时刻相同，开启时间灵活控制。

如图7所示，本实施例的发动机热力学循环控制系统能够根据发动机的需求实现不同的开启时刻，保证关闭的速度和时刻相同，开启时间灵活控制。

如图8所示，本实施例的发动机热力学循环控制系统能够根据发动机的需求实现不同的关闭时刻和开启速度，保证开启时刻和关闭速度相同，开启时间灵活控制。

如图9所示，本实施例的发动机热力学循环控制系统能够根据发动机的需求实现不同的开启时刻，保证开启速度和关闭时刻相同，开启时间灵活控制。

如图10所示，本实施例的发动机热力学循环控制系统能够根据发动机的需求实现不同的开启时刻和关闭时刻，不同的开启速度和关闭速度，灵活控制开启时间，有效控制缸内空气量，可以形成阿特金森循环曲线81、奥托循环曲线82、米勒循环曲线83的不同燃烧方式。

在一些实施例中，如图3所示，传感组件包括进气温度传感器61、进气压力传感器62、曲轴转角传感器63、转速传感器64、环境压力传感器65、环境温度传感器66、冷却水温度传感器67、加速踏板传感器68和发动机传感器69。

可以理解的是，通过上述结构设置，既能提高各个传感器检测到的数据的准确性，也有利于控制组件根据多种检测数据以控制发动机进入不同的工况，从而提高发动机的运行工况种类，进而有效提高发动机的控制可靠性和适用范围。

在一些实施例中，如图3所示，控制组件包括运算器71和控制器72，运算器71与传感组件和控制器72通信连接，控制器72用于控制驱动件4。

可以理解的是，通过上述结构设置，能够提高控制的可靠性，从而进一步提高气门5的控制精度。此外，在本实施例中，如图3所示，控制组件还包括执行件73，执行件73分别与控制器72和驱动件4连接，控制器72通过控制执行件73运作而实现控制驱动件4运动。

如图12和图13所示，本发明还公开了一种发动机热力学循环控制方法，采用前文所述的发动机热力学循环控制系统，包括：步骤s1、控制组件获取发动机的启动信号；步骤s2、若发动机已启动则执行步骤s3，若发动机未启动则返回执行步骤s1；步骤s3、传感组件获取车辆的运行参数，运行参数处于不同预设参数范围时，控制组件控制发动机进入不同的运行工况；步骤s4、运行参数位于所有预设参数范围之外，且发动机未启动时结束控制。

根据本发明实施例的发动机热力学循环控制方法，采用了前文所述的发动机热力学循环控制系统，能够实现气门5的灵活关闭和开启，从而能够根据发动机的实际运行参数，控制发动机在最合适的运行工况下运行，从而提高了发动机的进气控制效果和控制效率。

在一些实施例中，如图13所示，步骤s3还包括，发动机进入不同的运行工况后，根据运行工况调整发动机的气门5的运行曲线以使运行曲线位于不同的预设曲线范围内，预设曲线范围根据气门开启速度、气门关闭速度、气门开启时间和气门关闭时间确定。

可以理解的是，在发动机的不同运行工况下，气门5的运行曲线通常是在一定范围内运行的，本实施例为发动机的不同运行工况预设出多组气门5的预设曲线范围，从而有利于根据发动机的实际运行工况快速控制气门5在对应的预设曲线范围内运行，从而进一步提高了发动机热力学循环控制效率和控制效果。

在一些实施例中，如图13所示，运行参数包括实时环境压力值、实时进气温度值、实时环境温度值、实时冷却水温度值、实时踏板开度和实时运行状态信号，预设参数范围包括预设环境压力值、预设进气温度值、冷启动环境温度值、高温环境温度值、预设冷却水温度值、预设踏板开度、混动状态信号范围和通用状态信号范围。

可以理解的是，根据发动机运行时所处的环境参数以及其自身的运行参数，能够将发动机的运行工况分为多种具有差别的工况，每种运行工况所对应的空气需求也有所差异，由此，通过细化运行参数，能够为发动机的不同运行工况提供最为合适的气门5的运行曲线，从而能够进一步优化气门5在发动机的不同运行工况下的运行曲线，进而提高气门5的控制效果和控制效率。

在一些实施例中，如图13所示，步骤s3包括：s3.1、如实时环境压力值小于预设环境压力值，控制组件控制发动机执行高原工况，否则执行步骤s3.2；s3.2、如实时进气温度值大于预设进气温度值，控制组件控制发动机执行高温工况，否则执行步骤s3.3；s3.3、如实时环境温度值小于冷启动环境温度值，控制组件控制发动机执行冷启动工况，否则执行步骤s3.4；s3.4、如实时环境温度值小于高温环境温度值，控制组件控制发动机执行启动工况，否则执行步骤s3.5；s3.5、如实时冷却水温度值小于预设冷却水温度值，控制组件控制发动机执行暖机工况，否则执行步骤s3.6；s3.6、如实时踏板开度大于预设踏板开度，控制组件控制发动机执行加速工况，否则执行步骤s3.7；s3.7、如实时运行状态位于混动状态信号范围内，控制组件控制发动机执行混动工况，否则执行步骤s3.8；s3.8、如实时运行状态位于通用状态信号范围内，控制组件控制发动机执行混动工况，否则执行步骤s4。

在一些具体的实施例中，如图11所示，预设曲线范围由第一预设曲线91、第二预设曲线92、第三预设曲线93、第四预设曲线94、第五预设曲线95、第六预设曲线96、第七预设曲线97和第八预设曲线98形成。第一预设曲线91、第二预设曲线92、第三预设曲线93和第四预设曲线94的气门5的开启时间和关闭时间相同，第五预设曲线95和第六预设曲线96的气门5的开启时间和关闭时间相同，第七预设曲线97的气门5的开启时间大于第六预设曲线96的气门5的开启时间并小于第八预设曲线98的气门5的开启时间，第七预设曲线97的气门5的关闭时间小于第六预设曲线96的气门5的关闭时间并大于第八预设曲线98的气门5的关闭时间；第一预设曲线91、第二预设曲线92、第三预设曲线93和第四预设曲线94的气门5的开启速度依次降低，第一预设曲线91、第二预设曲线92、第三预设曲线93和第四预设曲线94的气门5的关闭速度依次降低，第六预设曲线96的气门5的开启速度小于第五预设曲线95的气门5的开启速度，第六预设曲线96的气门5的关闭速度小于第五预设曲线95的气门5的关闭速度。

具体地，在高原工况下，由于空气较为稀薄，从而需要增加进气量，此时控制组件控制气门5的运行曲线位于第二预设曲线92和第四预设曲线94之间，此时气门5的开启速度较大，气门5的开启时间较长，从而能为发动机提供较多的空气。

在冷启动工况下，由于环境寒冷，需要极浓的混合气和极少量空气，此时控制组件控制气门5的运行曲线位于第七预设曲线97和第八预设曲线98之间，此时气门5的开启速度较小，气门5的开启时间较短，从而能够为发动机提供较少的空气。

在启动工况下，环境温度正常，此时需要浓混合气和少量空气，控制组件控制气门5的运行曲线位于第六预设曲线96和第八预设曲线98之间，此时气门5的开启速度较小，开启时间较短，能够为发动机提供少量空气。

在暖机工况下，冷却水温度过低，此时需要稍浓混合气和少量空气，控制组件控制气门5的运行曲线位于第五预设曲线95和第七预设曲线97之间，此时气门5的开启速度小，开启时间短，能够为发动机提供少量空气。

在加速工况下，加速踏板参数较大，此时需要快速增加进气量，控制组件控制气门5的运行曲线位于第三预设曲线93和第四预设曲线94之间，此时气门5的开启速度大，开启时间长，能够提高发动机的进气速度和进气量。

在混动工况下，需要较大量的空气，控制组件控制气门5的运行曲线位于第二预设曲线92和第三预设曲线93之间，此时气门5的开启速度大，开启时间厂，能够为发动机提供较大量空气。

在通用工况下，需要大量的空气，控制组件控制气门5的运行曲线位于第一预设曲线91和第四预设曲线94之间，此时气门5的开启速度大，开启时间长，能够为发动机提供大量空气。

此外，在本实施例中，混动状态信号范围位于混动工况高限值和混动工况低限值之间，通用状态信号范围位于通用工况高限值和通用工况低限值之间，混动状态信号范围和通用状态信号范围能够根据进气温度传感器61、曲轴转角传感器63和转速传感器64所输出的信号计算得到，在此无需赘述其具体计算过程。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。