CN101196146B - 一种发动机进气系统和发动机进气的方法 - Google Patents

Abstract

一种发动机进气系统，该系统包括进气歧管，该进气歧管包括气体进口和至少一个气体出口，其中，该进气系统还包括至少一个缓冲池，缓冲池与进气歧管连通，并且缓冲池与进气歧管连通的接口与气体出口的距离小于缓冲池与进气歧管连通的接口与气体进口的距离；本发明还提供了一种发动机进气的方法，采用本发明提供的进气系统和方法具有较高的进气效率。

Description

一种发动机进气系统和发动机进气的方法

技术领域

本发明涉及一种发动机进气系统和方法。

背景技术

发动机进气通道的空气运动对混合气形成和燃烧过程有决定性的影响，因而，也影响着发动机的动力性，经济性，燃烧噪声和有害废气的排放，组织良好的空气运动对提高汽油机的火焰传播速率，降低燃烧速率，降低燃烧循环变动，组织稀燃或层燃有重要作用。

发动机供气方法主要利用进气管内的空气动力效应，来实现发动机的进气。空气动力效应可视为气流惯性效应和气流压力波动效应共同的结果。

在气流惯性效应中，一般是利用进气行程时进气管内高速流动气体的惯性作用来提高充气效率的。在发动机进气行程前期，由于活塞下行的吸入作用，气缸内产生负压，新鲜空气从进气管进入。在活塞到达进气冲程的下止点后，由于气体在进气管内高速流动的惯性，仍可继续为气缸充气一段时间。但是为充分利用气流惯性效应，只能增加进气管的长度，限于实际使用情况，进气管的长度增加会导致结构复杂，安装困难。

气流压力波动效应是指各个气缸周期性、间歇性的进气而导致进气管内产生一定幅度的气流压力波动。进气管的气流会沿着进气管往复波动，在进气管中周而复始的来回传播，致使气缸入口处的压力时高时低。如果进气管的形状，长度和直径较合适，有利于压力波的反射和谐振，使正压波与下一个循环进气过程重合，就能使进气终了时的压力升高，达到提高充气效率的目的。

为利用气流压力波动效应，大多数发动机都在进气管中设置有一个动力腔或在进气管的旁边设置有一个与进气管相通的谐振腔，以利于进气管内压力波的共振来提高充气量。还有在进气管中设置阀门，来控制进气通道的进气横截面积，进而增加进气的效率。

现有的技术中增加的动力腔或谐振腔均位于进气管中，离发动机气缸距离较远，起不到储存气体并向气缸补充进气的作用。另外动力腔或谐振腔设置于进气管中，而由于发动机的快速运作，会在进气歧管中产生较高的压差，如此高的压力差所带来的就是冲击和脉动，由产生的气体震荡波，传统的进气方法不能将震荡波过滤掉，导致振荡波非常影响进气稳定性。而在进气管中设置阀门不能实时控制进气横截面积随工况变化而变化，导致效率提高不明显。

发明内容

本发明的目的是克服现有发动机进气系统和方法效率低，进气过程不稳定，进气量少的缺点，提供一种效率高，进气过程稳定，能够增加进气量的发动机进气系统和方法。

本发明提供了一种发动机进气系统，该系统包括进气歧管，该进气歧管包括气体进口和至少一个气体出口，其中，该进气系统还包括至少一个缓冲池，缓冲池与进气歧管连通，并且缓冲池与进气歧管连通的接口与气体出口的距离小于缓冲池与进气歧管连通的接口与气体进口的距离。

本发明还提供了一种发动机进气的方法，该方法包括通过进气歧管给发动机气缸进气，其中，该方法还包括向发动机气缸通入补充气体，补充气体的出口与发动机气缸入口的距离小于进气歧管进气口与发动机气缸入口的距离，所述补充气体的压力基本恒定。

本发明所提供的发动机进气系统和方法采用在气缸进气口附近增加缓冲池的结构，补充气体储存在缓冲池中，使进入气缸的气体来源发生了变化，气缸可以直接从补充气体处来获取气体。由于补充气体压力基本恒定，这样在补充气体和气缸之间形成一个较大的压力差，使气体在较大压力差作用下迅速进入气缸，进气效率提高。

在充气过程中，补充气体不断被气缸吸入，同时进气歧管中气体也被气缸吸入，两个进气来源增加了气缸的实际进气量。

由于缓冲池能够起到缓冲作用，使发动机快速运作而产生的影响进气效果的震荡波，在经过缓冲池以后，变得平缓，使得进气过程更加平稳，有利于对进气波动进行控制。

附图说明

图1是本发明提供的发动机进气系统的结构示意图；

图2是本发明提供的发动机进气方法的示意图；

图3是本发明提供的发动机进气系统的工作示意图：

图4是本发明提供的发动机进气系统及进气方法中进气歧管与缓冲池接口(补充气体进入进气歧管的接口)和气体出口(发动机气缸入口)之间的压力差曲线随时间变化的函数关系图；

图5是本发明提供的发动机进气系统及进气方法中缓冲池稳定进气过程中气体振荡波的示意图；

图6是本发明提供的发动机进气系统及其进气方法中检测装置、控制装置的操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施方式作详细说明。

如图1所示，本发明提供的发动机进气系统包括进气歧管1，该进气歧管1包括气体进口2和至少一个气体出口3，其中，该进气系统还包括至少一个缓冲池6，缓冲池6与进气歧管1连通，并且缓冲池6与进气歧管1连通的接口4与气体出口3的距离小于缓冲池6与进气歧管1连通的接口4与气体进口2的距离。

发动机的气缸可以为一个，此时，与发动机的气缸相连的进气歧管1的气体出口3为一个，缓冲池6也为一个。

大多数情况下，发动机的气缸为多个，因此，优选情况下，与发动机的气缸相连的进气歧管1的气体出口3为多个，在这种情况下，缓冲池6可以是一个，也可以是多个。优选情况下，如图1所示，气体出口3为多个，缓冲池为6为一个，缓冲池6通过多个接口4与进气歧管1连通。每个接口4位于气体进口2和一个气体出口3之间。缓冲池6与进气歧管1通过多个接口4连通，既能保证缓冲池6可以为多个气缸供气，也能使减少的气体量迅速得到补充。

按照本发明，只要缓冲池6与进气歧管1连通的接口4与气体出口3的距离小于缓冲池6与进气歧管1连通的接口4与气体进口2的距离，即可达到本发明的目的。对于不同大小的进气歧管1，缓冲池6与进气歧管1连通的接口4与气体出口3的距离及缓冲池6与进气歧管1连通的接口4与气体进口2的距离可以在很大范围内变化，优选情况下，缓冲池6与进气歧管1连通的每个接口4与气体出口3的距离为2-5厘米，进气口2与气体出口3的距离为20-30厘米。这样保证了缓冲池6中气体能够先于进气歧管1中的气体大量进入气缸中，提高了进气效率。

缓冲池6的体积越大，进气效率提高越大，所起缓冲作用也越明显。但是由于实际空间的限制，缓冲池6体积与发动机的一个气缸体积比优选为0.5-1.5，更优选为0.9-1.1，发动机气缸10的体积一般为0.2-1升，因此，优选的情况下缓冲池6的体积优选为0.1-1.5升，更优选为0.18-1.1升。这样可以保证缓冲池6中有足够量的气体补充进发动机气缸10。

如图4所示，曲线a为采用未设置缓冲池6的进气系统，为具有4个气缸(每个气缸的体积为1升)发动机供气时，进气歧管1(长度为30厘米，直径为10厘米)与缓冲池6的接口4和气体出口3之间的压力差曲线。曲线b为采用图1所示本发明提供的具有缓冲池6(体积为1升)的进气系统为相同的发动机供气时，接口4和气体出口3之间的压力差曲线，其中，缓冲池6与进气歧管1(同前)连通的每个接口4与气体出口3的距离为5厘米，缓冲池6与进气歧管1连通的接口4与气体进口2的距离为30厘米。从图4可以看出，与采用未设置缓冲池6的进气系统相比，采用本发明提供的具有缓冲池6(体积为1升)的进气系统为相同的发动机供气时，随时间的延长，接口4与气体出口3(气缸入口)之间的压力差的下降明显变慢，压力差曲线b所围成的面积大幅增加，这表明采用本发明提供的进气系统为发动机供气，可以有效增加发动机气缸的进气量。

由于设置了缓冲池6，缓冲池6还可以起到缓冲由于发动机的快速运作而产生较高的压差所带来的冲击和脉动，增加气体的稳定性，能够得到如图5所示的效果。如图5中左图所示，由于原来的脉动所造成的振荡波尖峰，经过缓冲池6缓冲以后，如图5中右图所示，变得平滑了。

按照本发明提供的进气系统的另一个优选实施方式，在每个接口4和一个气体出口3之间还包括阀门5。阀门5可以选用机械领域常用的阀门，例如，针阀、球阀或电磁阀。阀门5可以改变进气道的横截面积，根据发动机容量的大小，来调整阀门的开度，以适应不同容量的发动机所需，从而达到调整气体波动效应的作用。更为优选的情况下，阀门5为电磁阀，这种阀门能够通过电信号控制，实现自动调节并且控制精确、灵活。

更为优选的情况下，该系统还包括控制装置11和发动机节气门检测装置12。

如图6所示，发动机节气门检测装置12用于检测发动机节气门的位置，将检测到的发动机节气门的位置转化为表示发动机节气门的位置的电信号，并且将该电信号发送至控制装置11。

控制装置11与发动机节气门检测装12和阀门5连接，用于将该电信号转化为表示节气门开度的开度值ΔS，并根据开度值ΔS控制阀门5的开度值D。

节气门开度越大，所需气体量越多，阀门5的开度也相应增大，这样能够保证有足够量的空气进入发动机，开度值ΔS与开度值D为正比关系。为满足上述要求，开度值ΔS与开度值D的比值优选为0.5-1.5。更优选为0.9-1.1。

优选情况下，发动机节气门检测装12转化的表示发动机节气门位置的电信号，其最大值表示开度值ΔS为零，最小值表示的开度值ΔS为90度，并且随着电信号值的减小，开度值ΔS增加。

发动机节气门检测装置12可以是各种位置传感器，例如触点式位置传感器，可变电阻式位置传感器或触点与可变电阻组合式位置传感器，这些检测装置为本领域技术人员所公知。

按照本发明的一个具体实施方式，发动机节气门检测装置12为触点与可变电阻组合式位置传感器，该传感器将发动机节气门的位置转化为电压信号，在节气门全关时，位置传感器传送的电压信号最大，节气门全开时，电压信号最小，并且较大的电压信号对应较小的开度值ΔS。例如，可以设定该电压信号的最大值为5伏，最小值为0伏，电压信号每减小0.5伏，开度值ΔS增加10度。

按照本发明的一个具体的实施例，可以按表1建立电压信号、节气门开度值ΔS和阀门5开度值D的关系：

表1

节气门电压值(v)	5	4.5	4.0	3.5	3.0	2.5	2.0	1.5	1.0	0.5	0
												节气门开度值ΔS(度)	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	90
阀门开度值D(度)	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	90

从表1中可以看出，当发动机节气门检测装12传送的电压信号V＝5伏时，发动机节气门处于完全关闭状态，开度值ΔS＝0度，此时系统不需要进气，因此，阀门5的开度值D＝0度；当发动机节气门检测装12传送的电压信号V＝0伏时，发动机节气门处于完全打开状态，开度值ΔS＝90度，此时系统需要进气量最大，因此，阀门5的开度值D应为最大，即阀门5的开度值D＝90度；在发动机节气门检测装12传送的电压信号V＝2.5伏时，发动机节气门处于部分打开状态，开度值ΔS＝50度，此时系统需要进气，但是不需要进气量最大，因此，阀门5的开度值D＝50度。

发动机节气门检测装置12检测发动机节气门位置和控制装置11控制阀门5的操作可以间隔任意时间进行。为了有效利用压力波的能量，提高进气的效率，优选情况下，发动机节气门检测装置12检测发动机节气门位置和控制装置11控制阀门5的操作每1-100毫秒进行一次；优选每10-30毫秒进行一次。这样的操作间隔时间可以通过调节阀门5的开度，使压力波到达气体出口3(发动机气缸入口9)时，刚好是发动机气缸入口9开启的时刻，有效地利用压力波的能量，增加进气的效率。

控制装置11可以是计算机，单片机或汽车中的电子控制单元，这些控制装置为本领域技术人员所公知。

图2为本发明提供的进气方法示意图，其中补充气体8进入进气歧管1的接口7即是图1中缓冲池6与进气歧管1连通的接口4，图2中发动机气缸入口9与图1中气体出口3连接。

如图2所示，本发明提供的发动机进气的方法包括通过进气歧管1给发动机气缸10进气，其中，该方法还包括向发动机气缸10通入补充气体8，补充气体8进入进气歧管1的接口7与发动机气缸入口9的距离小于进气歧管进气口2与发动机气缸入口9的距离，所述补充气体8的压力基本恒定。

如果补充气体8的压力比进气歧管1中气体压力小很多，则补充气体8无法进去发动机气缸10。因此，补充气体8的压力应等于或略小于进气歧管入口处的气压。优选情况下为等于进气歧管入口处的气压，这样可以保证补充气体8能够被吸入汽缸中，而不会因压力不够而无法补充气缸进气量。

所述补充气体8进入进气歧管1的接口7与发动机气缸入口9的距离，以及进气歧管进气口2与发动机气缸入口9的距离与前面进气系统中所述一致。

补充气体8先于进气歧管1中气体进入发动机气缸10，提高了进气的效率。如补充气体8的压力能够维持恒定，则进气效率会有很大的提高，进气量也会增加。优选情况下，补充气体8自身减少的气体量通过进气歧管1补充。在补充气体8被吸入气缸的同时，能够及时得到补充，维持压力恒定。

按照本发明一个优选的实施方案，所述补充气体8存储在如前所述的缓冲池6中。缓冲池6的体积越大，进气效率提高越大，所起缓冲作用也越明显。但是由于实际空间的限制，缓冲池6体积与发动机的一个气缸体积比为0.5-1.5，优选为0.9-1.1这样可以保证缓冲池6中有足够量的补充气体8进入。

按照本发明提供的进气方法的另一个优选的实施方式，在补充气体8与发动机气缸入口9之间有阀门5，阀门5与前面进气系统中所述一致。

按照本发明提供的进气方法的进一步优选实施方式，该方法还包括控制步骤和发动机节气门检测步骤。

如图6所示，所述发动机节气门检测步骤用于检测发动机节气门的位置，将检测到的发动机节气门的位置转化为表示发动机节气门的位置的电信号，并且将该电信号发送至控制步骤。

控制步骤用于将该电信号转化为表示节气门开度的开度值ΔS，并根据开度值ΔS控制阀门5的开度值D。

节气门开度越大，所需气体量越多，阀门5的开度相应增大，以使足够量的空气进入发动机，开度值ΔS与开度值D为正比关系。为满足上述要求，开度值ΔS与开度值D的比值优选为0.5-1.5。更优选为0.9-1.1。

优选情况下，检测步骤中转化的表示发动机节气门的位置的电信号的最大值表示开度值ΔS为零，最小值表示的开度值ΔS为90度，并且随着电信号值的减小，开度值ΔS增加。

按照本发明的一个具体实施方式，检测步骤将发动机节气门的位置转化为电压信号，在节气门全关时，检测步骤传送的电压信号最大，节气门全开时，电压信号最小，并且较大的电压信号对应较小的开度值ΔS。例如，可以设定该电压信号的最大值为5伏，最小值为0伏，电压信号每减小0.5伏，开度值ΔS增加10度。

按照本发明的一个具体的实施例，可以如表1所示建立电压信号、节气门开度值ΔS和阀门5开度值D的关系。

检测步骤与控制步骤的操作频率与前面进气系统中所述一致。

以图2、图3所示，说明发动机进气系统和方法的工作过程。

首先，在气缸10开始充气之前，阀门5是开启的，气体通过进气歧管1流入缓冲池6，缓冲池6中的气体的压力保持与进气歧管1压力一样。当气缸10开始充气时，由于活塞下行的吸入作用，气缸10内产生负压，气缸入口9处与缓冲池6与进气歧管1连通的接口4和进气歧管气体进口2处产生压力差，气体在此压力差作用下，向气缸10流入。由于缓冲池6中气体的压力应等于或略小于进气歧管气体进口2处的气压，并且接口4(缓冲池出口)与气缸入口9的距离小于进气歧管气体进口2与气缸入口9的距离，这样保证了缓冲池6中气体能够先于进气歧管1中的气体大量进入气缸10中，起到主要气源的作用，而进气歧管1起到次要气源的作用。由于缓冲池6与进气歧管1之间连通，缓冲池6中的气体量减少，压力下降，进气歧管1的气体向缓冲池6流入，使缓冲池6中气体得到补充，缓冲池6的压力得以在气缸10吸气的开始阶段维持恒定，接口4与气体出口3(气缸入口)之间的压力差的下降变慢(见图4)，提高了进气量。同时，缓冲池6吸收发动机的快速运作而产生较高的压差所带来的冲击和脉动，增加进气过程中气体的稳定性(见图5)。

与此同时，在气缸10开始充气之前，发动机节气门位置传感器检测发动机节气门的位置并将其转化为电压信号，该电压信号传送到电子控制单元，电子控制单元根据电压信号，转化为表示节气门开度的开度值ΔS，并根据开度值ΔS控制阀门5的开度值D，节气门位置传感器与电子控制单元每20毫秒进行一次操作(见图6)，随着节气门位置的变化实时控制阀门5开度而调节缓冲池6与气缸入口9之间进气通道横截面积，以实现改变气体压力波传递时间，使压力波到达气缸入口9时，入口正好开启，利用压力波能量，提高进气效率。

进气结束后，气缸入口9关闭，进气歧管1向缓冲池6充气，进入到下一次工作过程。

Claims (20)

1.一种发动机进气系统，该系统包括进气歧管(1)，该进气歧管(1)包括气体进口(2)和至少一个气体出口(3)，其特征在于，该进气系统还包括至少一个缓冲池(6)，缓冲池(6)与进气歧管(1)连通，并且缓冲池(6)和进气歧管(1)连通的接口(4)与气体出口(3)的距离小于缓冲池(6)和进气歧管(1)连通的接口(4)与气体进口(2)的距离，每个接口(4)和一个气体出口(3)之间还包括阀门(5)；所述系统还包括控制装置(11)和发动机节气门检测装置(12)，发动机节气门检测装置(12)用于检测发动机节气门的位置，将检测发动机节气门的位置转化为表示发动机节气门的位置的电信号，并且将该电信号发送至控制装置(11)，控制装置(11)与发动机节气门检测装置(12)和阀门(5)连接，用于将该电信号转化为表示节气门开度的开度值ΔS，并根据开度值ΔS控制阀门(5)的开度值D。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，气体出口(3)为多个，缓冲池(6)为一个，缓冲池(6)通过多个接口(4)与进气歧管(1)连通。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，每个接口(4)在气体进口(2)和一个气体出口(3)之间；每个接口(4)与气体出口(3)的距离为2-5厘米，进气口(2)与气体出口(3)的距离为20-30厘米。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，缓冲池(6)的体积为0.1-1.5升。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，阀门(5)为电磁阀。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，开度值ΔS与开度值D的比值为0.5-1.5。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，发动机节气门检测装置  (12)转化的表示发动机节气门的位置的电信号的最大值表示的开度值ΔS为零，最小值表示的开度值ΔS为90度，并且随着电信号值的减小，开度值ΔS增加。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，发动机节气门检测装置

(12)转化的表示发动机节气门位置的电信号为电压信号，该电压信号的最大值和最小值分别代表节气门全关和节气门全开；该电压信号与开度值ΔS存在如下关系：电信号每减少0.5伏，开度值ΔS增加10度。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，发动机节气门检测装置(12)检测发动机节气门位置和控制装置(11)控制阀门(5)的操作每1-100毫秒进行一次。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制装置(11)为计算机，单片机或汽车的电子控制单元；发动机节气门检测装置(12)为位置传感器。

11.一种发动机的进气方法，该方法包括通过进气歧管(1)给发动机气缸(10)进气，其特征在于，该方法还包括通过进气歧管(1)向发动机气缸(10)通入补充气体(8)，补充气体(8)进入进气歧管(1)的接口(7)与发动机气缸入口(9)的距离小于进气歧管进气口(2)与发动机气缸入口(9)的距离，所述补充气体(8)的压力基本恒定，所述补充气体(8)与发动机气缸入口(9)之间有阀门(5)；方法还包括发动机节气门检测步骤和控制步骤；发动机节气门检测步骤用于检测发动机节气门的位置，将检测发动机节气门的位置转化为表示发动机节气门的位置的电信号，并且将该电信号发送至控制步骤；控制步骤用于将该电信号转化为表示节气门开度的开度值ΔS，并根据开度值ΔS控制阀门(5)的开度值D。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述补充气体(8)的压力等于或略小于进气歧管入口(2)处的气压。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，补充气体(8)进入进气歧管(1)的接口与发动机气缸入口(9)的距离为2-5厘米，进气歧管进气口(2)与发动机气缸入口(9)的距离为20-30厘米。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，补充气体(8)自身减少的气体量通过进气歧管(1)补充。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，补充气体(8)存储在缓冲池(6)中，缓冲池(6)与进气歧管(1)连通；缓冲池(6)体积与发动机气缸(10)的体积的比值为0.5-1.5。

16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于阀门(5)为电磁阀。

17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，开度值ΔS与开度值D的比值为0.5-1.5。

18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，发动机节气门检测步骤转化的表示发动机节气门位置的电信号最大值表示开度值ΔS为零，最小值表示的开度值ΔS为90度，并且随着电信号值的减小，开度值ΔS增加。

19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，发动机节气门检测步骤转化的表示发动机节气门的位置的电信号为电压信号，该电压信号的最大值和最小值分别代表节气门全关和节气门全开；该电压信号与开度值ΔS存在如下关系：电信号每减小0.5伏，开度值ΔS增加10度。

20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，发动机节气门检测步骤和控制步骤每1-100毫秒进行一次。

Images