CN103899410B - 一种连续可调式分段排气机械装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种连续可调式分段排气机械装置，两根排气管分别与两个增压器的涡轮端进气口相连，剩余一根排气管接通排气总管，还包括六套相位提前角调节机械装置；每根转筒式排气管采用三层管设计，三层管排气口数目相同，最外层固定，内部两层分别由外部的相位提前角调节机械装置输出齿轮啮合转动，并且运用相位提前角调节机械装置通过改变内部两层管的相位提前角实现对每根管排气相位以及排气持续期的无级调节。本发明可以根据发动机工况的大小无级调节排气分配到各排气管的比例，可以实现只投入一根或者两根排气管排气，能充分利用内燃机的废气能量，并且使涡轮效率较高，提高内燃机整机效率，是一种较为可行的机械装置。

Description

一种连续可调式分段排气机械装置

技术领域

本发明涉及的是一种发动机，具体地说是发动机的排气装置。

背景技术

为了使内燃机功率密度大、效率高、排放性能好，现在普遍采用废气涡轮增压技术。废气涡轮增压技术，利用内燃机废气能量推动增压器对内燃机进气压缩，提高进气密度，进而增加进气量，并且改善扫气效果。如此就提高了废气能量利用率，提高了内燃机功率密度，一定程度上提高了空燃比，降低了内燃机排放。

随着内燃机增压技术的发展，产生了很多种增压方式以及增压系统，比如脉冲增压、等压增压、相继增压、多级增压等。其中，脉冲增压方式能充分利用废气中的脉冲能量，对于增压度不高或者低负荷的情况下增压效果较好；等压增压方式，或者定压增压方式，由于可以使废气在涡轮进口前波动较小，使得涡轮效率较高，对于增压度较高或者是中高负荷情况下由于脉冲能量所占废气能量的比例较小，因此增压效果较好；相继增压系统包括两个或者多个增压器，能够根据内燃机工况大小控制投入工作的增压器个数，各个增压器之间并联运行；多级增压系统也包括两个或者多个增压器，也能够根据内燃机工况大小控制投入工作的增压器个数，只是各个增压器之间串联运行。

废气能量主要包括压力能和脉动能，内燃机工况变化时，两种能量所占的比例随之变化。当处于低工况时，脉动能比例较大，压力能比例较小；随着工况的升高，脉动能所占的比例逐渐降低，压力能比例逐渐升高，当工况高到一定程度时，压力能占废气的大部分能量。对于内燃机单个排气过程来说，排气能量的组成也随排气持续时间而变化，并且内燃机所需要的排气环境也会随之而变。在排气阶段初期，由于缸内废气和排气管中压差较大，排出的废气中压力能很大部分转变为脉动能，此时脉动能比例较大，压力能比例较小；随着排气的持续，排气管中压力已经建立起来，缸内废气压力也变小，两者压差较小，排出的废气压力能比例较大，脉动能比例较小；排气末期，废气中压力更小，废气排出几乎是靠气缸上行以及高压进气挤压出去，可用能量很少，同时此阶段正是内燃机扫气过程，希望排气背压较小，以实现较好扫气。针对上述情况，分段排气是一个很好的选择。目前国内外对于分段排气系统已经做了很多研究，例如公开号为CN1944981A的一项专利就是关于一种增压内燃机的排气分段装置，此发明能很好的实现分段排气，并且能根据发动机的转速和负载大小通过排气辅助控制阀和其中所述的角度提前器配合来调整排气持续期的开启角度，以达到最佳工况。上海柴油机股份有限公司对分段排气系统以上述专利为基础做了进一步的研究，并提出进排气分段的系统，进气分段和排气分段原理相同，并且还对该系统引入EGR循环做了一定的研究。但是，以上两种分段排气系统只能对排气持续期的开启角度进行调整，而不能对各段排气持续角度进行调整，这对于分段排气系统来说是一个很重要的功能。也不能实现当发动机排气量较少时只投入一个涡轮增压器工作，会使涡轮增压器工作在效率较低的区域，这会发动机低工况性能较差。

发明内容

本发明的目的在于提供提高涡轮增压器效率、改善内燃机动力性能的一种连续可调式分段排气机械装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种连续可调式分段排气机械装置，其特征是：包括第一-第二排气管、第一涡轮增压器、第二涡轮增压器、第一-第二相位提前角调节机械装置，第一排气管连通第一涡轮增压器的涡轮，第二排气管连通第二涡轮增压器的涡轮，第一涡轮增压器的涡轮和第二涡轮增压器的涡轮连通排气总管，发动机的气缸连通排气道，排气道分别连通第一-第三排气管；第一排气管由外至内包括第一-第三层管，第一-第三层管上均开有排气管进气口，第二层管和第三层管均可绕其轴线转动，第二层管的右端部固定有第二层管传动齿轮，第三层管的右端部固定有第三层管传动轴，第三层管传动轴的右端部固定有第三层管传动齿轮；第一相位提前角调节机械装置包括第一相位提前角调节单元、第二相位提前角调节单元、反向轴、凸轮同步轴，第一相位提前角调节单元包括第一-第二液压油腔壳体、控制轴、控制轴输出齿轮、控制轴输入齿轮、凸轮同步齿轮，控制轴的左端设置在第一液压油腔壳体里，控制轴的右端设置在第二液压油腔壳体里，控制轴与第一液压油腔壳体左端部形成第一液压油腔，第一液压油腔壳体左端部上设置第一液压油孔，控制轴与第二液压油腔壳体右端部形成第二液压油腔，第二液压油腔壳体右端部上设置第二液压油孔，控制轴安装控制轴螺旋齿轮、控制轴输入齿轮，控制轴螺旋齿轮位于第一液压油腔壳体里，控制轴输入齿轮位于第一液压油腔壳体和第二液压油腔壳体之间，控制轴输出齿轮安装在控制轴螺旋齿轮上并与控制轴螺旋齿轮啮合，控制轴螺旋齿轮轴向移动从而带动控制轴输出齿轮转动，控制轴输入齿轮与凸轮同步齿轮相啮合；第二相位提前角调节单元与第一相位提前角调节单元结构相同，第一相位提前角调节单元的控制轴输出齿轮与第三层管传动齿轮相啮合，第二相位提前角调节单元的控制轴输出齿轮与第二层管传动齿轮相啮合，第一相位提前角调节单元的凸轮同步齿轮安装在固定的反向轴上，第二相位提前角调节单元的凸轮同步齿轮安装在凸轮同步轴上，第一相位提前角调节单元的凸轮同步齿轮与第二相位提前角调节单元的凸轮同步齿轮相啮合；第二排气管与第一排气管结构相同，第二相位提前角调节机械装置与第一相位提前角调节机械装置结构相同。

本发明还可以包括：

1、还包括第三排气管、第三相位提前角调节机械装置，第三排气管与第一排气管的结构相同，第三相位提前角调节机械装置与第一相位提前角调节机械装置的结构相同，第三排气管连通排气总管。

2、第一排气管的第一-第三层管的内径分别小于第二排气管的第一-第三层管的内径。

3、第一相位提前角调节单元的控制轴输出齿轮轴向卡在第一相位提前角调节单元的第一液压油腔壳体上，通过第一相位提前角调节单元的第一液压油腔壳体限定第一相位提前角调节单元的控制轴输出齿轮轴向移动。

本发明的优势在于：本发明可以根据发动机工况的大小无级调节排气分配到各排气管的比例，若相位提前角调节范围足够大，可以实现只投入一根或者两根排气管排气，能充分利用内燃机的废气能量，并且使涡轮效率较高，提高内燃机整机效率，是一种较为可行的机械装置。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为排气管第二层管和第三层管的相位调节工作示意图；

图3为相位提前角调节机械装置的控制轴螺旋齿结构图；

图4a为相位提前角调节机械装置的控制轴输出齿轮半剖面主视图，图4b为图4a的左视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，本发明一种连续可调式分段排气机械装置，实现连续调节分段排气功能的主要部件包括：转筒式排气管、相位提前角调节机械装置、一大一小两个涡轮增压器、反向轴、凸轮同步轴。

采用三层管设计，三层管由外到内分别为第一层管、第二层管、第三层管，第一层管固定不转，每根排气管均配有两组相位提前角调节机械装置，分别与第二层管传动齿轮和第三层管传动齿轮啮合传动，第二层管和第三层管转动方向相反。共有三根转筒式排气管，按照与发动机组距离从小到大依次为第一根排气管、第二根排气管、第三根排气管，分别与小尺寸涡轮增压器、大尺寸涡轮增压器、排气总管相连。第一根排气管较其他两根细。每根排气管的第二层管和第三层管的开口角度均须满足相位调节需要。

由液压油孔、液压油腔壳体、液压油腔、控制轴螺旋齿轮、控制轴输出齿轮、控制轴、控制轴输入齿轮组成，与排气管的第二层管和第三层管通过控制轴输出齿轮啮合传动，控制轴的轴向位置由液压油调节，并受外部控制器控制，能够通过改变控制轴的位置来无级调节排气管的第二层管和第三层管的相位角。

小尺寸涡轮的排气进口与第一根排气管相连通，大尺寸涡轮的排气进口与第二根排气管相连通，两个涡轮排气口均与排气总管连通。

分别与凸轮轴和相位调节机构啮合，和凸轮轴转速相等相位同步，并与相位提前角调节机械装置的控制轴转速相等相位同步。

在凸轮同步机构和其中一个相位调节装置之间，最终使第二层管和第三层管转向相反。

第一根排气管4较另外两根排气管细，离发动机组6最近，左端和小涡轮8的进口相连；第三根排气管1离发动机组6最远，左端直接和排气总管相连；第二根排气管2在第一根排气管4和第三根排气管1之间，左端和大涡轮9的进口相连。大涡轮9和小涡轮8的出口均和排气总管相连，将第二根排气管2和第一根排气管4的排气经过涡轮做功后通往排气总管。对于每根排气管来说，第三层管传动轴29焊接在第三层管35右端内部，并和第二层管37之间安装有轴承11，左端安装有第三层管传动齿轮27，第三层管传动轴29通过此齿轮27和配套的相位调节机械装置3的输出齿轮15啮合。第二层管37右端有一圈第二层管传动齿轮12，第二层管37和通过此齿轮12配套的相位调节机械装置的输出齿轮31啮合。如此，三根排气管的右端各有两套相位提前角调节装置分别和每根管的第二层管37和第三层管35啮合传动。相邻的两层管之间都在两端装有排气管密封环10。和第二层管37配套的相位调节机械装置3，它的输入齿轮17和凸轮同步轴22之间安装有反向轴21；和第三层管35配套的相位调节机械装置3，它的输入齿轮26和凸轮同步轴22直接通过凸轮同步齿轮23啮合。

具体的原理如下：

由于单循环排气的能量组成随着排气持续期和发动机工况的变化而变化，而且要保证排气中两种形式的能量利用效率都较高，分段排气十分必要。采用涡轮增压器的尺寸对于脉动能和压力能的运用效率有很大影响，并且所对应的高效率区的流量范围也差别很大。大尺寸的涡轮增压器适用于发动机排气量较大以及排气能量中压力能比例较高的情况；相反小尺寸的涡轮增压器适用于发动机排气量较小以及排气能量中脉动能比例较高的情况。每根排气管的第二层管37和第三层管35分别配有一组相位提前角调节机械装置3，此两组相位调节装置相互配合调节，可实现此排气管由零排气量到最大排气量之间无级调节。当发动机6处于低工况时，排气量较少，其中的脉动能所占比例较高，因此为了充分利用排气能量，应该使用小尺寸涡轮增压器8，不投入大尺寸涡轮增压器9，此时排气分两阶段，第一阶段与第一根排气管4连通，供给小尺寸涡轮8，第二阶段与第三根排气管1连通，直接排入排气总管；当发动机6处于较高工况时，排气量较多，其中的压力能所占比例较高，应该使用大尺寸涡轮增压器9，不投入小尺寸涡轮增压器8，此时排气也分为两阶段，第一阶段与第二根排气管2连通供给大尺寸涡轮9，第二阶段与第三根排气管1连通，直接排入排气总管；当发动机6处于更高工况时，排气量足够多，排气分为三阶段，对于排气中脉动能所占比例较高的排气第一阶段与第一根排气管4连通，供给小尺寸涡轮8，对于排气中压力能所占比例较高的排气第二阶段，与第二根排气管2连通供给大尺寸涡轮9，对于排气能量较低的排气第三阶段即排气末期，与第三根排气管1连通直接排到排气总管。排气的每阶段起始角以及持续期都可以根据发动机6的工况变化来无级调节，如此就可以充分利用排气能量。

分段排气系统的关键技术在于随着发动机的工况变化对每根排气管的第二层管37和第三层管35的相位调节。本发明采用一种机械装置，即相位提前角调节机械装置3，利用液压油对相位提前角调节机械装置3的控制轴28进行轴向位置控制，以实现对每根排气管第二层管37、第三层管35的相位进行无级调节。

由外部控制器根据发动机6的负载及转速大小控制液压油对液压油腔14的供油量进行控制，以调节控制轴28的轴向位置，并对控制轴28的轴向位置进行监测反馈，最终使控制轴28处于目标轴向位置。在控制轴28轴向移动的同时，由于液压油腔壳体18、25、30对控制轴输出齿轮15、31的限制以及螺旋齿轮16、32的作用，控制轴输出齿轮15、31相对于控制轴28的相位角会发生无级变化，并且和控制轴28的轴向位移成正比关系。又由于每根排气管有两套相位提前角调节机械装置3，它们相互独立，可以实现分别控制。两个控制轴输出齿轮15、31分别与第二层管传动齿轮12和第三层管传动齿轮27啮合传动，因此控制轴输出齿轮15、31相位发生变化时，第二层管37和第三层管35的相位也发生相位变化。以图1中布置来说明，假设凸轮同步轴22顺时针旋转，当两套控制轴28均向排气管方向移动时，与第三层管35配套的控制轴输出齿轮15相对于控制轴28的相位就会滞后，与第二层管37配套的控制轴输出齿轮31相对于控制轴28的相位就会提前；当与第二层管37配套的控制轴28向排气管方向移动而与第三层管35配套的控制轴28向相反方向移动时，两套控制轴输出齿轮31、15相位都会滞后；当与第三层管35配套的控制轴28向排气管方向移动而与第二层管37配套的控制轴28向相反方向移动时，两套控制轴输出齿轮31、15相位都会提前。两套控制轴28进行配合调节，可以实现对排气管1、2、4排气起始角以及持续期进行无级调节，极限情况下，可以实现排气管1、2、4的隔断即零排气以及最大排气持续期。

Claims (5)

1.一种连续可调式分段排气机械装置，其特征是：包括第一-第二排气管、第一涡轮增压器、第二涡轮增压器、第一-第二相位提前角调节机械装置，第一排气管连通第一涡轮增压器的涡轮，第二排气管连通第二涡轮增压器的涡轮，第一涡轮增压器的涡轮和第二涡轮增压器的涡轮连通排气总管，发动机的气缸连通排气道，排气道分别连通第一-第三排气管；第一排气管由外至内包括第一-第三层管，第一-第三层管上均开有排气管进气口，第二层管和第三层管均可绕其轴线转动，第二层管的右端部固定有第二层管传动齿轮，第三层管的右端部固定有第三层管传动轴，第三层管传动轴的右端部固定有第三层管传动齿轮；第一相位提前角调节机械装置包括第一相位提前角调节单元、第二相位提前角调节单元、反向轴、凸轮同步轴，第一相位提前角调节单元包括第一-第二液压油腔壳体、控制轴、控制轴输出齿轮、控制轴输入齿轮、凸轮同步齿轮，控制轴的左端设置在第一液压油腔壳体里，控制轴的右端设置在第二液压油腔壳体里，控制轴与第一液压油腔壳体左端部形成第一液压油腔，第一液压油腔壳体左端部上设置第一液压油孔，控制轴与第二液压油腔壳体右端部形成第二液压油腔，第二液压油腔壳体右端部上设置第二液压油孔，控制轴安装控制轴螺旋齿轮、控制轴输入齿轮，控制轴螺旋齿轮位于第一液压油腔壳体里，控制轴输入齿轮位于第一液压油腔壳体和第二液压油腔壳体之间，控制轴输出齿轮安装在控制轴螺旋齿轮上并与控制轴螺旋齿轮啮合，控制轴螺旋齿轮轴向移动从而带动控制轴输出齿轮转动，控制轴输入齿轮与凸轮同步齿轮相啮合；第二相位提前角调节单元与第一相位提前角调节单元结构相同，第一相位提前角调节单元的控制轴输出齿轮与第三层管传动齿轮相啮合，第二相位提前角调节单元的控制轴输出齿轮与第二层管传动齿轮相啮合，第一相位提前角调节单元的凸轮同步齿轮安装在固定的反向轴上，第二相位提前角调节单元的凸轮同步齿轮安装在凸轮同步轴上，第一相位提前角调节单元的凸轮同步齿轮与第二相位提前角调节单元的凸轮同步齿轮相啮合；第二排气管与第一排气管结构相同，第二相位提前角调节机械装置与第一相位提前角调节机械装置结构相同。

2.根据权利要求1所述的一种连续可调式分段排气机械装置，其特征是：还包括第三排气管、第三相位提前角调节机械装置，第三排气管与第一排气管的结构相同，第三相位提前角调节机械装置与第一相位提前角调节机械装置的结构相同，第三排气管连通排气总管。

3.根据权利要求1或2所述的一种连续可调式分段排气机械装置，其特征是：第一排气管的第一-第三层管的内径分别小于第二排气管的第一-第三层管的内径。

4.根据权利要求1或2所述的一种连续可调式分段排气机械装置，其特征是：第一相位提前角调节单元的控制轴输出齿轮轴向卡在第一相位提前角调节单元的第一液压油腔壳体上，通过第一相位提前角调节单元的第一液压油腔壳体限定第一相位提前角调节单元的控制轴输出齿轮轴向移动。

5.根据权利要求3所述的一种连续可调式分段排气机械装置，其特征是：第一相位提前角调节单元的控制轴输出齿轮轴向卡在第一相位提前角调节单元的第一液压油腔壳体上，通过第一相位提前角调节单元的第一液压油腔壳体限定第一相位提前角调节单元的控制轴输出齿轮轴向移动。