CN103742315A - 汽油机全可控机械增压进气系统 - Google Patents

Abstract

汽油机全可控机械增压进气系统属发动机技术领域，本发明进气歧管和排气管分别固接于汽油机进气口和排气口；汽油机右的曲轴带轮经皮带与电磁离合器连接；进气歧管入口与进气总管出口连接；旁通管Ⅱ入口与机械增压器出口固接，旁通管Ⅱ出口与进气总管连接；变传动比装置连接于机械增压器和电磁离合器之间；旁通管Ⅰ出口与机械增压器入口连接，旁通管Ⅰ入口与进气总管连接；空气滤清器固接于进气总管入口，进气总管的出口和入口之间串接有中冷器、止流阀、节气门；本发明能提高机械增压发动机的燃油经济性、解决机械增压器与发动机传动比匹配困难的问题、减少非电磁离合器式机械增压器在小负荷时的功耗、实现机械增压器接入前后的平稳过渡。

Description

汽油机全可控机械增压进气系统

技术领域

本发明属于发动机技术领域，更确切的说，本发明是一种汽油机全可控机械增压进气系统。

背景技术

增压已成为小型高强化汽油机的必备技术手段，通过增压可以增加进气量，提高功率密度，进而提高发动机的负荷率，改善发动机的燃油经济性。现有的汽油机增压技术主要有废气涡轮增压和机械增压，废气涡轮增压器安装在排气总管处，通过废气驱动涡轮旋转带动压气机压缩空气，不仅可以增压进气，而且可以回收部分废气能量改善发动机的燃油经济性；相比于涡轮增压方式，机械增压则是通过发动机皮带轮驱动，消耗的是曲轴的有用功，燃油经济性差，但具有较快的响应性。

对于侧重于瞬态响应性的汽油机来说，机械增压是一个不错的选择。机械增压器与曲轴直连，没有涡轮增压器的气动延迟，可以以最快的速度提供所需进气量。但机械增压器之所以没有更广泛的普及主要有两方面的原因：一是机械增压器消耗的是曲轴有用功，发动机燃油消耗量较大，特别是高速时，机械增压器功耗占据了发动机输出有用功的很大部分；二是机械增压器与发动机之间传动比的匹配较困难，若机械增压器带轮与发动机带轮传动比匹配在高速阶段，则低速大负荷时会产生供气量不足，若机械增压器带轮与发动机带轮传动比匹配到低速阶段，则高速时即会产生增压过度又会消耗过多的有用功，而发动机工况随着车辆载荷和路况的不同是在不同转速和不同负荷间一直变化的，所以固定传动比的机械增压方式存在难以克服的缺陷和不足。此外，机械增压器的转速决定机械增压器的压气量，而固定传动比的机械增压器转速又由汽油机转速决定，也就是说汽油机转速决定了机械增压器的压气量，因此机械增压器的压气量在汽油机同一转速下是相同的，并不能随着汽油机负荷的变化而做出调整，所以现在采用机械增压方式的汽油机仍然需要节气门或进气回流的方式调节多余进气量实现负荷调节，造成不必要的有效功损失。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的机械增压方式能耗大、传动比匹配困难以及机械增压器压气量不可调的技术问题，提出了一种汽油机全可控机械增压进气系统。

本发明由进气歧管1、汽油机2、排气管3、曲轴端带轮4、皮带5、机械增压器6、旁通管Ⅱ7、旁通管Ⅰ8、变传动比装置9、电磁离合器10、空气滤清器11、节气门12、止流阀13、进气总管14和中冷器15组成，其中进气歧管1和排气管3分别固接于汽油机2的进气口和排气口；汽油机2右端的曲轴端带轮4经皮带5与电磁离合器10连接；进气歧管1入口端与进气总管14出口端连接；旁通管Ⅱ7入口端与机械增压器6出口固接，旁通管Ⅱ7出口端与进气总管14连接；变传动比装置9连接于机械增压器6和电磁离合器10之间；旁通管Ⅰ8出口端与机械增压器6入口连接，旁通管Ⅰ8入口端与进气总管14连接；空气滤清器11固接于进气总管14入口端，进气总管14的出口端和入口端之间串接有中冷器15、止流阀13、节气门12，其中中冷器15位于进气总管14出口端和旁通管Ⅱ7出口端之间,止流阀13位于旁通管Ⅱ7出口端和旁通管Ⅰ8入口端之间,节气门12位于旁通管Ⅰ8入口端和空气滤清器11之间。

所述的变传动比装置9由步进电机16、上壁板17、前壁板18、右壁板19、主动轮轴20、下壁板21、齿轮轴Ⅰ22、传动轮转动杆Ⅱ23、齿轮Ⅰ24、齿轮Ⅱ25、齿轮箱分隔板26、齿轮Ⅲ27、从动轮轴28、左壁板29、传动轮转动杆Ⅰ30、齿轮Ⅳ31、齿轮轴Ⅱ32、后壁板33、从动轮34、传动轮Ⅰ35、主动轮36、传动轮Ⅱ37组成，其中上壁板17、前壁板18、右壁板19、下壁板21、左壁板29、后壁板33固接形成变传动比装置9的外壳；步进电机16固接于前臂板18，并与传动轮转动杆Ⅰ30连接，传动轮转动杆Ⅰ30穿过齿轮箱分隔板26，定位于前壁板18和后壁板33之间，上半部分和侧面分别装有齿轮Ⅳ31和传动轮Ⅰ35；主动轮轴20穿过右壁板19，一端固接主动轮36，另一端固接电磁离合器10；齿轮轴Ⅰ22安装齿轮Ⅱ25，定位于前壁板18和齿轮箱分隔板26之间；传动轮转动杆Ⅱ23穿过齿轮箱分隔板26，定位于前壁板18和后壁板33之间，上半部分和侧面分别装有齿轮Ⅰ24和传动轮Ⅱ37，齿轮Ⅰ24与齿轮Ⅱ25啮合；齿轮箱分隔板26固接于变传动比装置9内部，与前壁板18和后壁板33平行；齿轮Ⅲ27固接于齿轮轴Ⅱ32，齿轮Ⅲ27上下分别与齿轮Ⅳ31和齿轮Ⅱ25啮合，齿轮轴Ⅱ32定位于前壁板18和齿轮箱分隔板26之间；齿轮轴Ⅱ32定位于前壁板18和齿轮箱分隔板26之间；从动轮轴28穿过左壁板29，一端固接从动轮34，另一端连接机械增压器6。

结合本发明所述的各组件及其安装位置关系，本发明的全可控进气系统是通过以下技术方案实现的：

1.当发动机处于小负荷工况，即发动机自然吸气能够满足该工况所需进气量要求的负荷范围，电磁离合器10脱离，机械增压器6不工作，止流阀13全开，只通过节气门12的开度大小调节进气量。

2.当发动机处于中大负荷工况，即发动机自然吸气不能够满足该工况所需进气量要求的负荷范围，电磁离合器10啮合，机械增压器6开始工作，止流阀13全关，节气门12全开，步进电机16开始动作，通过调节变传动比装置9的传动比调节机械增压器6转速，从而提供该工况下所需的进气量。

步进电机16调整机械增压器6的转速是通过变传动比装置9实现的。具体说，步进电机16转动带动传动轮转动杆Ⅰ30转动，传动轮转动杆Ⅰ30的转动通过齿轮Ⅳ31、齿轮Ⅲ27、齿轮Ⅱ25、齿轮Ⅰ24之间的啮合传递给传动轮转动杆Ⅱ23，实现传动轮转动杆Ⅰ30与传动轮转动杆Ⅱ23的同步反向旋转。传动轮转动杆Ⅰ30与传动轮转动杆Ⅱ23的同步反向旋转也带动传动轮Ⅰ35与传动轮Ⅱ37绕轴转动，进而通过传动轮Ⅰ35与传动轮Ⅱ37与主动轮36和从动轮34的接触点不同实现主动轮和从动轮的传动半径不同，从而实现传动比的改变。

而发动机各负荷和转速下的步进电机16转动量，也即其控制的主动轮和从动轮传动比，也即机械增压器转速的确定是在发动机的实验标定过程中完成的，步进电机16作为发动机系统的执行器之一，将其对应的每一个转速和负荷下的转动量形成MAP值存储在发动机ECU（发动机控制电脑）中，并在转速和负荷变化时作出相应的响应。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明提出的全可控机械增压进气系统通过变传动比装置实现了机械增压器压气量能够根据不同负荷做出相应的调整，省去了现有技术中的进气回流和节流装置，避免了不必要的有效功损失，提高机械增压发动机的燃油经济性。

2.本发明提出的全可控机械增压进气系统中机械增压器转速不再受制于发动机转速，在发动机高低转速时都能提供足够的进气量，解决了现有技术中机械增压器与发动机传动比匹配困难的问题。

3.本发明提出的全可控机械增压进气系统中机械增压器在发动机小负荷工况时通过电磁离合器断开，机械增压器不工作，减少了现有技术中非电磁离合器式机械增压器在小负荷时的功耗。

4.本发明提出的全可控机械增压进气系统通过节气门和止流阀的开关配合实现了机械增压器接入前后的平稳过渡。

附图说明

图1为全可控机械增压进气系统示意图

图2为变传动比装置主视图

图3为变传动比装置左视图

图4为变传动比装置内部结构示意图

图5为主动轮侧视图

图6为主动轮主视图

图7为传动轮和传动轮转动杆主视图

图8为传动轮和传动轮转动杆左视图

图9为自然吸气模式气流路径示意图

图10为机械增压模式气流路径示意图

图11为全可控机械增压进气系统的工作流程图

其中：1.进气歧管2.汽油机3.排气管4.曲轴端带轮5.皮带6.机械增压器7.旁通管Ⅱ8.旁通管Ⅰ9.变传动比装置10.电磁离合器11.空气滤清器12.节气门13.止流阀14.进气总管15.中冷器16.步进电机17.上壁板18.前壁板19.右壁板20.主动轮轴21.下壁板22.齿轮轴Ⅰ23.传动轮转动杆Ⅱ24.齿轮Ⅰ25.齿轮Ⅱ26.齿轮箱分隔板27.齿轮Ⅲ28.从动轮轴29.左壁板30.传动轮转动杆Ⅰ31.齿轮Ⅳ32.齿轮轴Ⅱ33.后壁板34.从动轮35.传动轮Ⅰ36.主动轮37.传动轮Ⅱ

具体实施方式

下面对照附图，通过描述对本发明的具体实施方式所涉及的各机构的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明：

参阅图1，所述的全可控机械增压进气系统包括空气滤清器11、节气门12、止流阀13、进气总管14、中冷器15、进气歧管1、旁通管Ⅱ7、机械增压器6、旁通管Ⅰ8、变传动比装置9、电磁离合器10、汽油机2、排气管3、曲轴端带轮4、皮带5。

所述的进气歧管1为普通汽油机进气歧管，安装在汽油机2的进气端，主要作用是将进气总管14中的气体分流到汽油机2的各缸体。

所述的汽油机2为排量大小适用机械增压方式的汽油机，可以为单缸和多缸汽油机。

所述的排气管3为汽油机2的排气管道，安装在汽油机2的排气口侧。

所述的曲轴端带轮4，一般为多楔带轮，安装在曲轴的末端，为汽油机2的旋转附件提供动力输出，同样也通过皮带5为机械增压器6提供动力输出。

所述的皮带5安装在曲轴端带轮4换热电磁离合器10之间，用于传递动力，一般为适合多楔带轮的PK带，有较大的摩擦接触面，不易产生相对滑动。

所述的机械增压器6为罗茨式机械增压器，一般包括传动带轮、同步传动齿轮、壳体、主动机从动转子，和其它容积式压缩机一样，通过主动转子和从动转子的不断旋转啮合压缩空气，为发动机提供增压效果。

所述的旁通管Ⅰ8和旁通管Ⅱ7主要作用是将机械增压器并联到进气总管14中，具体的说，旁通管Ⅰ8一端接机械增压器进气口，另一端接在进气总管14,节气门12与止流阀13之间；旁通管Ⅱ7一端接机械增压器出气口，另一端接在在进气总管14，止流阀13与中冷器15之间。

所述的变传动比装置9安装在机械增压器6与电磁离合器10之间，并为同轴固接，主要作用是改变电磁离合器10与机械增压器6之间的转速关系。

所述的电磁离合器10实为一种带有电磁式离合器的带轮，当电磁式离合器断开时，电磁离合器带轮空转，也即机械增压器6不会转动；当电磁式离合器通电啮合时，电磁离合器带轮的旋转运动才能传递给主动轮轴20，实现机械增压器6的有效旋转。

所述的空气滤清器11安装在进气总管14的入口处，目的是过滤空气，避免空气中的杂质对发动机汽缸和机械增压器内部转子的污染。

所述的节气门12为普通汽油机用节气门，串联在进气总管14中，止流阀13和空气滤清器11之间，主要作用是在机械增压器不工作时限制汽油机小负荷时的进气量，用于调节汽油机的负荷。

所述的止流阀13同样串联在进气总管14中，旁通管Ⅰ8和旁通管Ⅱ7与进气总管14的固接位置之间，主要作用是实现机械增压器进气模式和非机械增压器进气模式的气流转换。当非机械增压器进气模式时，保持为全开；当机械增压器进气模式时，保持为全关。

所述的进气总管14是汽油机2的总进气管道，为全可控机械增压进气系统的进气组件提供安装载体。

所示的中冷器15为水冷式空气冷却器，用于对增压后的空气进行冷却，提高发动机进气的充量系数。

参阅图2至图8，所述的变传动比装置9包括上壁板17、下壁板21、左壁板29、右壁板19、前壁板18、后壁板33、齿轮箱分隔板26、步进电机16、主动轮轴20、从动轮轴28、齿轮轴Ⅰ22、齿轮轴Ⅱ32、传动轮转动杆Ⅰ30、传动轮转动杆Ⅱ23、齿轮Ⅰ24、齿轮Ⅱ25、齿轮Ⅲ27、齿轮Ⅳ31、主动轮36、从动轮34、传动轮Ⅰ35、传动轮Ⅱ37。

所述的上壁板17、下壁板21、左壁板29、右壁板19、前壁板18、后壁板33边缘相互固接，围成六面体结构的壳体，为高速旋转的主动轮36、从动轮34、传动轮Ⅰ35和传动轮Ⅱ37提供密闭的空间，其中上壁板17、下壁板21结合齿轮箱分隔板26上加工有传动轮转动杆Ⅰ30、传动轮转动杆Ⅱ23、齿轮轴Ⅰ22、齿轮轴Ⅱ32的定位支撑孔；左壁板29和右壁板19中间同样分别加工有定位从动轮轴28和主动轮轴20的旋转支撑孔。

所述的齿轮箱分隔板26固接在变传动比装置9中，将变传动比装置9的壳体分成上下两个腔体。

所述的步进电机16安装在前壁板18的上方，用于驱动传动轮转动杆Ⅰ30旋转，通过发动机电脑直接驱动控制。

所述的主动轮轴20穿过右壁板19上的支撑孔，一端安装主动轮36，一端固接到电磁离合器10上。

所述的从动轮轴28穿过左壁板29上的支撑孔，一端安装从动轮34，一端固接到机械增压器6。

所述的齿轮轴Ⅰ22与齿轮轴Ⅱ32分别用于安装齿轮Ⅲ27和齿轮Ⅱ25，定位在齿轮箱分隔板26与前壁板18之间，与传动轮转动杆Ⅰ30和传动轮转动杆Ⅱ23的安装面保持在同一平面内。

所述的传动轮转动杆Ⅰ30垂直穿过齿轮箱分隔板26，上下分别定位在前壁板18和后壁板33的定位孔内，具体的穿过齿轮箱分隔板26的上半部分安装齿轮Ⅳ31，下半部分的悬臂梁安装传动轮Ⅰ35，悬臂梁的长度与主动轮36和从动轮34的凹面相配合，使得传动轮转动杆Ⅰ30转动时，传动轮Ⅰ35都能与主动轮36和从动轮34相接触。传动轮转动杆Ⅰ30的头部与步进电机16的输出轴固接。

所述的传动轮转动杆Ⅱ23与传动轮转动杆Ⅰ30以壳体中心线镜面对称的位置垂直穿过齿轮箱分隔板26，上下同样分别定位在前壁板18和后壁板33的定位孔内。具体的说，传动轮转动杆Ⅱ23穿过齿轮箱分隔板26的上半部分安装齿轮齿轮Ⅰ，下半部分的悬臂梁安装传动轮Ⅱ37，悬臂梁的长度与传动轮转动杆Ⅰ30的长度一样，同样与主动轮36和从动轮34的凹面相配合，使得传动轮转动杆Ⅱ23转动时，传动轮Ⅱ37都能与主动轮36和从动轮34相接触。

所述的齿轮Ⅰ24、齿轮Ⅱ25、齿轮Ⅲ27、齿轮Ⅳ31啮合定位在齿轮箱分隔板26与前壁板18内，分别安装在传动轮转动杆Ⅱ23、齿轮轴Ⅰ22、齿轮轴Ⅱ32、传动轮转动杆Ⅰ30上，且安装轴都在同一平面内。齿轮Ⅰ24、齿轮Ⅱ25、齿轮Ⅲ27、齿轮Ⅳ31主要作用是将传动轮转动杆Ⅰ30的转动同步反向的传递给传动轮转动杆Ⅱ23。

所述的主动轮36和从动轮34一样整体为“凹球面环形凸台”，两者具有相同的大小和尺寸，主要作用是与传动轮Ⅰ35和传动轮Ⅱ37相配合，使传动轮Ⅰ35和传动轮Ⅱ37绕轴旋转时均能与主动轮36和从动轮34接触。

所述的传动轮Ⅰ35和传动轮Ⅱ37为尺寸相同的轮状结构，具体的说，传动轮Ⅰ35和传动轮Ⅱ37轮外缘与主动轮36和从动轮34的表面相接触，并且以主动轮轴20和从动轮轴28的安装中心线保持镜面对称。

下面结合变传动比装置9各组件的形状特征和位置关系对变传动装置实现变传动比的结构原理进行描述：首先安装在传动轮转动杆Ⅰ30悬臂梁上的传动轮Ⅰ35和安装在传动轮转动杆Ⅱ23上的传动轮Ⅱ37可以分别绕传动轮转动杆Ⅰ30与传动轮转动杆Ⅱ23旋转，且旋转前后都能保持与主动轮36和从动轮34的表面接触关系。而整个装置的动力传递就是通过接触表面的摩擦力实现的，主动轮36旋转带动与之表面接触的传动轮Ⅰ35和传动轮Ⅱ37同速反向转动，而传动轮Ⅰ35和传动轮Ⅱ37的转动又带动与之接触的从动轮34的转动，从而实现动力的传递。变传动比的实现主要是通过改变传动轮Ⅰ35和传动轮Ⅱ37与主动轮36和从动轮34的接触点直径实现的，传动轮Ⅰ35和传动轮Ⅱ37与主动轮36的接触点在主动轮轴20轴线垂直方向的过点截面上形成的直径为d1；传动轮Ⅰ35和传动轮Ⅱ37与从动轮34的接触点在从动轮轴28轴线垂直方向的过点截面上形成的直径为d2，d1:d2就是传动比的大小。而d1:d2的改变可以通过传动轮转动杆Ⅰ30与传动轮转动杆Ⅱ23的旋转实现，也即可以通过步进电机16的旋转实现，因而可以通过控制步进电机16改变变传动比装置9的传动比，进而实现机械增压器6转速的可控调节。

参阅图9和图10为两种进气模式的气流路径示意图，当汽油机处于小负荷时，即自然吸气的进气量能够满足发动机所需气量要求，采用自然吸气模式，空气经空气滤清器11、节气门12、节流阀13、中冷器15进入进气歧管1，然后进入发动机汽缸；当汽油机处于中大负荷，即自然吸气的进气量不能够满足发动机所需气量要求，采用机械增压模式，空气经空气滤清器11、节气门12、旁通管Ⅰ8、机械增压器6、旁通管Ⅱ7、中冷器15进入进气歧管1，然后进入发动机汽缸。

参阅图11全可控机械增压进气系统的工作流程图，首先发动机ECU采集当前负荷和转速信号查询ECU中存储的MAP值（发动机标定实验得到的各发动机工况进气量数据组）确定发动当前工况所需的进气量是否大于同转速下自然吸气进气量的最大值，如果小于，则控制电磁离合器10断开，止流阀13全开，只通过节气门12的开度调节达到发动机当前工况所需的进气量；如果发动机当前工况所需的进气量大于同转速下自然吸气进气量的最大值，则关闭止流阀13，闭合电磁离合器10，节气门12全开，通过步进电机16调整机械增压器6到合适传动比，控制机械增压器6的转速，提供当前负荷所需的进气量。

Claims (2)

1.一种汽油机全可控机械增压进气系统，由进气歧管(1)、汽油机(2)、排气管(3)、曲轴端带轮(4)、皮带(5)、机械增压器(6)、旁通管Ⅱ(7)、旁通管Ⅰ(8)、变传动比装置(9)、电磁离合器(10)、空气滤清器(11)、节气门(12)、止流阀(13)、进气总管(14)和中冷器(15)组成，其特征在于进气歧管(1)和排气管(3)分别固接于汽油机(2)的进气口和排气口；汽油机(2)右端的曲轴端带轮(4)经皮带(5)与电磁离合器(10)连接；进气歧管(1)入口端与进气总管(14)出口端连接；旁通管Ⅱ(7)入口端与机械增压器(6)出口固接，旁通管Ⅱ(7)出口端与进气总管(14)连接；变传动比装置(9)连接于机械增压器(6)和电磁离合器(10)之间；旁通管Ⅰ(8)出口端与机械增压器(6)入口连接，旁通管Ⅰ(8)入口端与进气总管(14)连接；空气滤清器(11)固接于进气总管(14)入口端，进气总管(14)的出口端和入口端之间串接有中冷器(15)、止流阀(13)、节气门(12)，其中中冷器(15)位于进气总管(14)出口端和旁通管Ⅱ(7)出口端之间,止流阀(13)位于旁通管Ⅱ(7)出口端和旁通管Ⅰ(8)入口端之间,节气门(12)位于旁通管Ⅰ(8)入口端和空气滤清器(11)之间。

2.按权利要求1所述的汽油机全可控机械增压进气系统，其特征在于所述的变传动比装置(9)由步进电机(16)、上壁板(17)、前壁板(18)、右壁板(19)、主动轮轴(20)、下壁板(21)、齿轮轴Ⅰ(22)、传动轮转动杆Ⅱ(23)、齿轮Ⅰ(24)、齿轮Ⅱ(25)、齿轮箱分隔板(26)、齿轮Ⅲ(27)、从动轮轴(28)、左壁板(29)、传动轮转动杆Ⅰ(30)、齿轮Ⅳ(31)、齿轮轴Ⅱ(32)、后壁板(33)、从动轮(34)、传动轮Ⅰ(35)、主动轮(36)和传动轮Ⅱ(37)组成，其中上壁板(17)、前壁板(18)、右壁板(19)、下壁板(21)、左壁板(29)、后壁板(33)固接形成变传动比装置(9)的外壳；步进电机(16)固接于前臂板(18)，并与传动轮转动杆Ⅰ(30)连接，传动轮转动杆Ⅰ(30)穿过齿轮箱分隔板(26)，定位于前壁板(18)和后壁板(33)之间，上半部分和侧面分别装有齿轮Ⅳ(31)和传动轮Ⅰ(35)；主动轮轴(20)穿过右壁板(19)，一端固接主动轮(36)，另一端固接电磁离合器(10)；齿轮轴Ⅰ(22)安装齿轮Ⅱ(25)，定位于前壁板(18)和齿轮箱分隔板(26)之间；传动轮转动杆Ⅱ(23)穿过齿轮箱分隔板(26)，定位于前壁板(18)和后壁板(33)之间，上半部分和侧面分别装有齿轮Ⅰ(24)和传动轮Ⅱ(37)，齿轮Ⅰ(24)与齿轮Ⅱ(25)啮合；齿轮箱分隔板(26)固接于变传动比装置(9)内部，与前壁板(18)和后壁板(33)平行；齿轮Ⅲ(27)固接于齿轮轴Ⅱ(32)，齿轮Ⅲ(27)上下分别与齿轮Ⅳ(31)和齿轮Ⅱ(25)啮合，齿轮轴Ⅱ(32)定位于前壁板(18)和齿轮箱分隔板(26)之间；齿轮轴Ⅱ(32)定位于前壁板(18)和齿轮箱分隔板(26)之间；从动轮轴(28)穿过左壁板(29)，一端固接从动轮(34)，另一端连接机械增压器(6)。

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