CN102383982A

CN102383982A - 发动机双效进气系统

Info

Publication number: CN102383982A
Application number: CN2011103035494A
Authority: CN
Inventors: 舒歌群; 赵伟; 张韦; 梁兴雨; 卫海桥
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2011-10-10
Filing date: 2011-10-10
Publication date: 2012-03-21

Abstract

本发明涉及一种发动机双效进气系统，其部件连接结构为：可变截面压气机、温度调节器以及氮氧调节装置依次连接，在氮氧调节装置中设有高分子氧分离膜，该分离膜分成左右两个腔体：右侧腔体与富氧进气管相通；左侧腔体与富氮进气管相通。富氧与富氮进气管的出气通入进气混合器。在温度调节器与高分子氧分离膜之间设有空气旁通管路直接引入进气混合器。发动机的排气管、废气冷却器亦依次接于进气混合器。富氧与富氮进气管路电磁阀和空气旁通管路通过ECU单元分别独立控制。在进气混合器与发动机进气管路间设有进气温度、压力、流量、氧浓度和CO₂浓度传感器。通过改变高分子氧分离膜左右两个腔体的相位获得不同浓度的富氧进气和富氮进气。

Description

发动机双效进气系统

技术领域

本发明属于内燃机结构，具体涉及一种发动机的进气系统装置。

背景技术

近年来，随着发动机技术的发展和排放法规的日益严格，对发动机的缸内燃烧提出了更高的要求。先进的燃烧技术能够使发动机动力性、经济型和排放性得到最佳兼顾。发动机采用富氧燃烧(进气氧浓度大于21％)能够缩短燃烧滞燃期，提高燃烧温度，加快火焰传播速度，显著降低柴油机颗粒物和碳烟的排放。尤其柴油机大负荷运行时，由于缸内燃烧不完全使得颗粒物和碳烟的排放剧增。另外，发动机在冷启动时由于缸内温度低，燃料燃烧不完全也将生成大量的碳烟和碳氢化合物，不仅污染环境，而且浪费燃料。如果此时给发动机增大富氧进气，就能够提高燃烧温度降低排放恶化，同时还能使后处理系统的催化剂快速达到工作温度。采用富氧燃烧虽然可以改善碳烟排放的恶化，但是富氧燃烧将带来的问题是燃烧后导致NOx的恶化排放。

富氮燃烧(进气氮浓度大于79％)也叫做贫氧燃烧，是一种广泛应用的燃烧技术。在中低负荷时，发动机采用富氮进气使燃烧室内的气体混合更加均匀，减少了燃烧室内局部高温、高氧区，降低了缸内的燃烧温度，破坏NOx的生成条件，使NOx的排放量有效降低，同时实现了NOx、碳烟和燃油消耗率的兼顾。

此外，提高发动机燃烧效率的途径还在于，发动机在不同工况下需要不同的进气压力和进气温度，如果能够根据发动机运行实际工况，实时的对进气压力和温度进行调整，就能保证其始终工作在最佳状态。因此，在发动机在冷启动工况和大负荷工况时采用富氧燃烧，而在中小负荷工况时采用富氮燃烧，同时在各工况下又能对进气温度和压力的实时调节，是提高发动机效率的最佳选择。既能充分发挥富氧燃烧和富氮燃烧的优势，又能保证发动机在全工况下实现动力性、经济性和排放性的最佳匹配。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有富氧燃烧和富氮燃烧双效进气系统的发动机结构，同时可以实现对发动机进气压力、温度、氧浓度以及EGR率的实时调节，使发动机在不同的工况下采用不同的进气策略，从而保证发动机在全工况下都能实现动力性、经济型和排放性能的最佳兼顾。

本发明解决上述技术问题本发明是通过以下技术方案实现的：

发动机双效进气系统，包括可变截面压气机、温度调节器、氮氧调节装置、高分子氧分离膜、进气混合器、富氧进气管路电磁阀、富氮进气管路电磁阀、ECU单元(整车电气控制单元)、废气冷却器、进气温度传感器、进气压力传感器、进气流量传感器、进气氧浓度传感器、进气CO₂浓度传感器、相位传感器、EGR(废气再循环)阀以及开关电磁阀等。在部件连接结构上：可变截面压气机、温度调节器以及氮氧调节装置依次连接，在氮氧调节装置中设有高分子氧分离膜，高分子氧分离膜分成左右两个腔体：右侧腔体与富氧进气管路进气端相通；左侧腔体与富氮进气管路进气端相通。富氧与富氮进气管路的出气端通入进气混合器，同时在进气管路中的温度调节器与高分子氧分离膜之间设有空气旁通管路直接引入进气混合器中。发动机的排气管、废气冷却器亦依次接于进气混合器。富氧进气管路电磁阀、富氮进气管路电磁阀和空气旁通管路通过ECU单元分别独立控制。在进气混合器与发动机进气管路间设有进气温度传感器、进气压力传感器、进气流量传感器、进气氧浓度传感器和进气CO₂浓度传感器。由ECU单元、进气氧浓度传感器、高分子氧分离膜、氧分离膜相位控制执行器和相位传感器组成闭环控制系统。通过改变高分子氧分离膜左右两个腔体的相位获得不同浓度的富氧进气和富氮进气。

其工作原理是：空气进气通过可变截面压气机增压后进入温度调节器使其温度调整到合适的值，然后进入氮氧调节装置。在氮氧调节装置中，空气在高分子氧分离膜的作用下，在氧分离膜的右侧腔内形成了富氧进气(进气氧浓度大于21％)，而在氧分离膜的左侧腔内形成了富氮进气(进气氮浓度大于79％)，所得到的富氧进气与富氮进气通入进气混合器中。为了满足发动机在某些工况下对正常空气的需求，另外设置了一条空气旁通管路将增压调温后的进气直接引入进气混合器中。含有富氧进气、富氮进气和纯空气的三条管路通过由ECU独立控制的三个开关电磁阀来控制，同一时刻下保证其中的一条管路接通、另外两条则切断。由ECU控制的可变截面压气机，可以根据不同的工况变换不同的增压比。由ECU控制的进气温度调节器，对进气温度进行调节，从而可以根据不同的工况变换不同的进气温度。同时，废气再循环装置将发动机的部分废气经废气冷却器冷却后通入进气混合器中。这样，在ECU的控制下，根据发动机的实时工况可以提供不同压力、不同温度、不同氧浓度以及不同EGR率的进气，从而使发动机在全工况下都能工作在最佳状态，实现发动机全工况下动力性、经济性和排放性的最佳兼顾。

本发明的优点和有益效果为：本发明具有结构简单、易于安装等优点。通过氮氧调节装置可以实时的为发动机提供不同浓度的富氧进气和富氮进气，同时将不同浓度的富氧、富氮进气以及纯空气和再循环废气通入进气混合器中混合，然后经发动机进气总管进入发动机各气缸参与燃烧，ECU单元根据各传感器的信号判断发动机的工况和状态，然后根据该工况的MAP值和最优进气压力、温度和含氧浓度，输出脉冲信号来控制可变截面压气机的截面形状，调整进气温度调节器对进气温度的调节，控制氮氧调节装置上的氧分离膜相位控制执行器来调整氧分离膜的旋转相位，从而获得最佳压力、温度和含氧浓度的进气。在氧分离膜相位控制执行器工作的同时，ECU也输出脉冲信号给管路上的各开关电磁阀和调流阀在最佳时刻开闭来接通和关闭相应的进气管路、控制EGR率，从而实现根据发动机的不同工况和状态来供应不同压力、温度和含氧浓度的进气的目的，使发动机的燃烧效率得到有效提高。

附图说明

所示附图为本发明系统部件连接及结构原理图。

具体实施方式

以下结合附图并通过具体实施例对本发明的原理结构做进一步的说明，需要说明的是，下述实施例只是叙述性的，而非限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

发动机双效进气系统其结构为：可变截面压气机1、温度调节器2以及氮氧调节装置3依次连接，在氮氧调节装置中设有高分子氧分离膜4。高分子氧分离膜分成左右两个腔体，右侧腔体与富氧进气管路5进气端相通；左侧腔体与富氮进气管路6进气端相通，富氧与富氮进气管路的出气端通入进气混合器7。同时在进气管路中的温度调节器2与高分子氧分离膜4之间设有空气旁通管路8直接引入进气混合器7。富氧进气管路电磁阀9、富氮进气管路电磁阀10和空气旁通管路8通过ECU单元11分别独立控制。发动机12的排气管、废气冷却器13依次接于进气混合器7。在进气混合器与发动机进气管路之间设有进气温度传感器14、进气压力传感器15、进气流量传感器16、进气氧浓度传感器17和进气CO₂浓度传感器18，并且由ECU单元11、进气氧浓度传感器17、高分子氧分离膜4、氧分离膜相位控制执行器19和相位传感器20组成闭环控制系统。通过改变高分子氧分离膜左右两个腔体的相位获得不同浓度的富氧进气和富氮进气。空气旁通管路8接有开关电磁阀25，空气旁通管路的开度通过开关电磁阀25以及ECU单元控制，实现正常空气与富氧富氮进气的切换。废气再循环装置26的组成包括部分排气管路以及废气冷却器13、排气CO₂浓度传感器23和EGR阀24。

而且，富氧和富氮进气两条管路上分别设有富氧进气分流口21和富氮进气分流口22，两个分流口的开度通过富氧进气管路电磁阀9和富氮进气管路电磁阀10进行调节，最终均由ECU单元11控制。EGR阀由ECU单元控制，可变截面压气机亦由ECU控制。EGR阀为调流阀，只有当发动机工作在富氧燃烧模式时才会打开。工作时该阀由ECU单元根据发动机的工况和进气氧浓度实时的调节进入进气混合器的再循环废气量，从而使发动机的EGR率始终处于最佳值。

氮氧调节装置用于不同浓度富氧进气和富氮进气的制取以及切换。该装置中设有可绕中心轴旋转的高分子氧分离膜，当空气通过氧分离膜时，根据溶解-扩散原理，氧分子透过氧分离膜的速度要大于氮分子，所以在氧分离膜的右侧腔内形成了富氧进气(进气氧浓度大于21％)，而在氧分离膜的左侧腔内形成了富氮进气(进气氮浓度大于79％)，这样就得到了富氧进气和富氮进气。因此浓度的调节是通过变换氧分离膜绕中心轴的旋转相位实现的，相位的改变使得空气与氧分离膜的接触方向、角度及面积发生了变化，从而能够在氧分离膜左右两侧的腔内分别得到不同浓度的富氮进气和不同浓度的富氧进气。

在发动机工作过程中，富氧进气和富氮进气之间的切换是通过氮氧调节装置中的进气切换装置实现的。当发动机需要富氧进气时，ECU单元控制富氧进气管路上的开关电磁阀接通与进气混合器的连接(同时也切断了与富氧进气管路电磁阀的连接)。与此同时，ECU单元控制富氮进气管路上的开关电磁阀接通与富氮进气分流口的连接(同时也切断了与进气混合器的连接)。同理，当发动机需要富氮进气时，ECU单元控制富氮进气管路上的开关电磁阀接通与进气混合器的连接(同时也切断了与富氮进气分流口的连接)。与此同时，ECU单元控制富氧进气管路上的开关电磁阀接通与富氧进气分流口的连接(同时也切断了与进气混合器的连接)。当发动机需要纯空气时，ECU单元控制富氧和富氮进气管路上的两个开关电磁阀都与各自的分流口接通(同时切断与进气混合器的连接)。与此同时，ECU单元控制空气旁通管路上的开关电磁阀打开，这样增压调温后的空气直接进入进气混合器。

发动机工作时，根据不同的工况ECU单元输出脉冲信号给可变截面压气机和进气温度调节器，调整进气压力和进气温度，使发动机的进气压力和进气温度始终与发动机工况相匹配。

发动机在实现富氧燃烧时，为了改善NOx排放恶化的问题，需要配合合适比例的废气再循环(EGR)使用。因此，在ECU单元输出脉冲信号使发动机转为富氧燃烧模式的同时，也会输出脉冲信号给EGR(废气再循环)阀，通过控制EGR阀来获得一定比例的EGR率。

ECU单元采用基于MAP(前馈控制)的开环控制方法，需通过实验确定发动机不同工况下的最佳进气压力、进气温度、氧浓度和不同浓度富氧燃烧时的最佳EGR率，并将其储存于ECU单元里。在发动机运行时，ECU单元根据发动机转速传感器、扭矩传感器等信号判断发动机所处工况，据此查询储存在ECU单元里该工况下的最佳进气压力、进气温度和进气氧浓度与进气压力传感器、进气温度传感器、进气氧浓度传感器的数值比较。如果最佳值大于或小于传感器的数值，则ECU单元计算出差距，转换成相应的脉冲信号，发送到可变截面压气机、进气温度调节器和氧分离膜相位控制执行器，它们根据相应的信号指示分别进行调整，直到各传感器的数值与ECU单元标定的最佳值相等。当ECU单元根据输入的信号判断出发动机最佳进气氧浓度大于21％(即富氧燃烧)时，ECU单元会查询MAP图上该富氧进气浓度所对应的最佳EGR率，同时ECU单元会根据进气CO2浓度传感器和排气CO2浓度传感器计算出当前的EGR率，通过将这两个EGR率进行比较后输出脉冲信号给EGR阀控制其实现该工况下的最佳EGR率。

Claims

1.发动机双效进气系统，包括可变截面压气机、温度调节器、氮氧调节装置、高分子氧分离膜、进气混合器、富氧进气管路电磁阀、富氮进气管路电磁阀、ECU单元、废气冷却器、进气温度传感器、进气压力传感器、进气流量传感器、进气氧浓度传感器、进气CO₂浓度传感器、相位传感器、EGR阀以及开关电磁阀，其特征在于：可变截面压气机(1)、温度调节器(2)以及氮氧调节装置(3)依次连接，在氮氧调节装置中设有高分子氧分离膜(4)，高分子氧分离膜分成左右两个腔体，右侧腔体与富氧进气管路(5)进气端相通；左侧腔体与富氮进气管路(6)进气端相通，富氧与富氮进气管路的出气端通入进气混合器(7)，在进气管路中的温度调节器(2)与高分子氧分离膜(4)之间设有空气旁通管路(8)直接引入进气混合器(7)，富氧进气管路电磁阀(9)、富氮进气管路电磁阀(10)和空气旁通管路(8)通过ECU单元(11)分别独立控制，发动机(12)的排气管、废气冷却器(13)依次接于进气混合器(7)，在进气混合器与发动机进气管路之间设有进气温度传感器(14)、进气压力传感器(15)、进气流量传感器(16)、进气氧浓度传感器(17)和进气CO₂浓度传感器(18)，由ECU单元(11)、进气氧浓度传感器(17)、高分子氧分离膜(4)、氧分离膜相位控制执行器(19)和相位传感器(20)组成闭环控制系统，通过改变高分子氧分离膜(4)左右两个腔体的相位获得不同浓度的富氧进气和富氮进气。

2.根据权利要求1所述的发动机双效进气系统，其特征在于：所述富氧和富氮进气两条管路上分别设有富氧进气分流口(21)和富氮进气分流口(22)，两个分流口的开度通过所述富氧进气管路电磁阀(9)和富氮进气管路电磁阀(10)进行调节，两个电磁阀最终均由ECU单元(11)控制，排气管路中接有排气CO₂浓度传感器(23)和EGR阀(24)，EGR阀由ECU单元(11)控制，可变截面压气机亦由ECU控制。

3.根据权利要求1所述的发动机双效进气系统，其特征在于：所述空气旁通管路(8)接有开关电磁阀(25)，空气旁通管路的开度通过开关电磁阀(25)以及所述ECU单元(11)控制，实现正常空气与富氧富氮进气的切换。