CN104595011A - 发动机进气系统及汽车 - Google Patents

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朱小慧
何小明
何默
郭敬爱
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Abstract

本发明涉及一种发动机进气系统，所述发动机进气系统包括分别与发动机的缸体保持气体连通的进气管和排气管，所述发动机进气系统还包括：滤清器，其设置在所述进气管的入口处；第一涡轮增压器，其设置在所述进气管上；负载装置，其设置成与所述第一涡轮增压器电连接；节气门，其设置在所述进气管上，用于调节进入所述发动机的缸体的气体的流量；以及发动机控制器，其与所述负载装置和所述节气门保持通信，并且当所述发动机的转速超过第一转速值时命令所述负载装置驱动所述第一涡轮增压器运行。本发明还涉及一种设置有该发动机进气系统的汽车。本发明的发动机进气系统具有布置紧凑、增压效果好等诸多优势。

Description

发动机进气系统及汽车
技术领域
本发明涉及一种发动机进气系统，并且还涉及一种设置有该发动机进气系统的汽车，属于汽车发动机领域。
背景技术
随着燃油经济性要求的提高和排放要求的提高，缸内直喷和双可变凸轮轴控制逐步应用在汽油发动机中，小排量发动机也逐渐成为主流发动机，为了保持较大的功率和扭矩，在小排量发动机中多数采用带增压技术的进气系统。
常用的增压系统有机械增压系统、单一废气涡轮增压系统，双涡轮增压系统和机械增压与废气涡轮增压相结合的双增压系统。这些系统的冷却系统大多采用一级风冷系统，冷却效果有限，因此无法使进入缸体的空气拥有较低的温度，因此限制了进气密度，进而限制了发动机的最大功率和扭矩。
对于单一机械增压系统，其驱动需要驱动轮和皮带，最大增压压力受到机械增压器机械运动的限制，无法实现高增压，而且机械设备需要较高维护，费时费力。
对于废气涡轮增压系统和双涡轮增压系统，涡轮的转动要依靠废气的推动，在低转速下由于废气产生的能量有限，涡轮增压的增压效果不明显，甚至无增压效果，涡轮增压的迟滞现象不利于动力输出的连续和平稳。
对于机械增压与废气涡轮增压相结合的双增压系统(如图1所示)，虽然实现了巨大功率输出增加，克服了废气涡轮增压器在低转速无增压的缺点和增压迟滞现象，但是其受到原有机械增压器的机械运动制约，在启动时增加了启动扭矩，低转速下由于机械增压器的固定传递比，机械增压器的增压比较小，增压效果并不明显，在发动机高转速大于3500rpm时机械增压器要退出工作，此时只有废气涡轮增压器单独工作。
因此，寻找一种布置紧凑、增压效果明显的发动机进行系统是本发明需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发动机进气系统以及设置有该发动机进气系统的汽车，从而能够有效地解决现有技术中存在的上述及其他方面的问题。
为实现上述的目的，本发明采用了以下技术方案：
一种发动机进气系统，所述发动机进气系统包括分别与发动机的缸体保持气体连通的进气管和排气管，所述发动机进气系统还包括：
滤清器，其设置在所述进气管的入口处；
第一涡轮增压器，其设置在所述进气管上；
负载装置，其设置成与所述第一涡轮增压器电连接；
节气门，其设置在所述进气管上，用于调节进入所述发动机的缸体的气体的流量；以及
发动机控制器，其与所述负载装置和所述节气门保持通信，并且当所述发动机的转速超过第一转速值时命令所述负载装置驱动所述第一涡轮增压器运行。
在上述的发动机进气系统中，优选地，所述发动机进气系统还包括第二涡轮增压器，所述第二涡轮增压器与所述发动机控制器保持通信，当所述发动机的转速超过第二转速值时，所述发动机控制器命令所述第二涡轮增压器开启，其中所述第二转速值大于所述第一转速值。
在上述的发动机进气系统中，优选地，在所述二涡轮增压器运行时，所述发动机控制器命令所述第一涡轮增压器逐步减小增压比。
在上述的发动机进气系统中，优选地，所述发动机进气系统还包括与空调压缩机控制器通信的中间冷却器，所述空调压缩机控制器与所述发动机控制器保持通信，当所述发动机的转速超过第三转速值时，所述发动机控制器发送信号至所述空调压缩机控制器，所述空调压缩机控制器命令所述中间冷却器启动，其中所述第三转速值大于所述第二转速值。
在上述的发动机进气系统中，优选地，所述发动机进气系统还包括设置在所述滤清器处的进气传感器。
在上述的发动机进气系统中，优选地，所述第一涡轮增压器的增压比的最大值的范围在1.3至1.8之间。
在上述的发动机进气系统中，优选地，所述进气管的管径的范围在40mm至45mm之间。
在上述的发动机进气系统中，优选地，所述负载装置是直流电机。
在上述的发动机进气系统中，优选地，在所述第一涡轮增压器处设置有第一旁通阀。
在上述的发动机进气系统中，优选地，所述第二涡轮增压器包括压气机级和涡轮级，其中在所述压气机级处设置有第二旁通阀，并且在所述涡轮级处设置有第三旁通阀。
在上述的发动机进气系统中，优选地，所述第二涡轮增压器的增压比的最大值的范围在2.5至3.3之间。
一种汽车，所述汽车设置有上述的发动机进气系统。
本发明的有益效果在于：本发明的发动机进气系统通过两级增压共同作用整体提高了发动机的扭矩输出，使得进气密度有了较大的提高并且实现了良好的增压效果，尤其对小排量发动机更为明显。
附图说明
以下将结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细描述。其中：
图1是现有技术的发动机进气系统的结构示意图。
图2是本发明的发动机进气系统的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的发动机进气系统的结构构造、特点以及优点，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将它们理解为对本发明形成任何的限制。此外，在本文所提及的各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可以在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或者删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。
请参考图2，在该图中示意性地显示了本发动机进气系统的一个实施例的基本结构。该发动机进气系统由进气管1、滤清器2、第一涡轮增压器3、负载装置4、排气管5、节气门6和发动机控制器(ECM)等部件组成。在图2中可以清楚地看见，进气管1的一端与大气环境保持连通，用于引入新鲜空气，另一端与发动机7的进气歧管总成8相连，而排气管的一端从发动机的排气管歧管总成9引出，用于将废气从发动机内排出。滤清器2设置在进气管1的入口处，用于滤除将要进入发动机缸体的空气中有害杂质，以防发动机进气系统内各部件的早期磨损。第一涡轮增压器3被设置在进气管1上并且位于滤清器2之后的位置，并且与负载装置4(负载装置可以采用诸如直流电机等装置)保持电连接。节气门6设置在进气管上位于第一涡轮增压器3与发动机进气歧管总成8之间的某一位置处，用于调节进入发动机的缸体的气体的流量。
需要指出的是，为了更清楚地显示各个零部件的连接关系，在图中并未绘出发动机控制器，发动机控制器可以接收本发动机进气系统中各个传感装置的信号进行逻辑运算和数据处理，并且同时向执行机构发出执行命令。在实际工作过程中，发动机控制器设置成与第一涡轮增压器和节气门保持通信。为了保证燃油经济性和驾驶性的平衡，当发动机的转速超过第一转速值(第一转速值可以设置成1000RPM，也可以是其他数值)时，该发动机控制器根据电池电压值来调节负载装置的占空比，从而驱动第一涡轮增压器运行，使得第一涡轮增压器在较大的增压比的范围内工作。优选地，第一涡轮增压器的增压比的最大值的范围在1.3至1.8之间。可以了解，由于此时的增压器的增压比并不受发动机转速限制，第一涡轮增压器能够独立工作，较大的增压比为有效控制节气门提供了条件，此时节气门只需打开较小的角度即可达到较大进气量，从而产生较高的功率和扭矩。
考虑到在正常行车时，发动机的转速一般保持在1800RPM以上，为了更好地实现增压的效果，发动机进气系统还可选地包括第二涡轮增压器，第二涡轮增压器具有压气机级10和涡轮级11以及连接两个级的轴承系统，其中第二涡轮增压器的压气机级10设置在进气管1上在第一涡轮增压器3与节气门6之间的某一位置处，并且第二涡轮增压器的涡轮级11设置在排气管5上与发动机控制器保持通信，涡轮级11借助轴承系统驱动压气机级10运转。当发动机的转速超过第二转速值(第二转速值可以设置成1800RPM，也可以是其他数值，但是原则上第二转速值必须大于第一转速值)时受发动机控制器控制而开启。可以了解，第二涡轮增压器的原理是利用发动机的废气能量做功，从而提高发动机功率、扭矩以及热效率。
为了检测进入缸体的气体的实际压力，在进气歧管总成8处可以设置有压力传感器12。当第二涡轮增压器开始工作，采用比例积分控制，随着废气全部进入到第二涡轮增压器的涡轮级11中推动涡轮旋转，此时调节节气门使得发动机在较低转速下即可以达到最大扭矩，当节气门6全部打开时，压力传感器12测量的进气压力高于单独运转的第二涡轮增压器的最大增压压力，最大增压压力可以达到3个标准大气压。
出于节能减排的目的，第一涡轮增压器在二涡轮增压器运行时可以在发动机控制器的控制下逐步减小增压比，从高增压区进入低增压区工作，以保证整体增压效果平稳。这样可以有效利用第二涡轮增压器在较高发动机转速下的高增压作用，同时避免了第二涡轮增压器的迟滞缺陷。
结合上述实施例在其他实施例中，发动机进气系统还包括中间冷却器13，中间冷却器13与空调压缩机控制器(未示出)保持通信，并且该空调压缩机控制器与发动机控制器保持通信。当发动转速达到第三转速值(第三转速值可以设置成3000RPM，也可以是其他数值，但是原则上第三转速值必须大于第二转速值)时，发动机控制器发出二级冷却需求的信号，此时空调压缩机控制器接收该信号并且命令中间冷却器开始工作，具体而言，通过空调制冷剂对气体进行冷却使得进气达到更低的温度，制冷剂的量是通过控制电子式空调压缩机的脉宽调制模式的百分比来实现，这样可以使缸体内的进气温度较低并且减小爆震倾向，从而使发动机燃烧更加平稳。
第一涡轮增压器和第二涡轮增压器是本发明中重要的部件，它们在在工作过程中是高速运转的。为了保证在获得高增压比的同时防止其运转超速并且为了防止在进气流量较低时涡轮增压器发生堵转，可以将进气管的管径设计成具有相对较小的尺寸，优选在40mm至45mm之间，既节约了材料又节省了布置空间，由于第一涡轮增压器的独立工作的补偿作用，使得发动机进气系统受到滤清器滤芯和管路走向造成的流阻的影响而减弱。
在优选情形下，为保持发动机怠速的稳定性，在第一涡轮增压器3处设置有用于在发动机怠速时全部或部分开启的第一旁通阀14，并且在第二涡轮增压器的压气机级10处设置有第二旁通阀15，且在第二涡轮增压器的涡轮级11处设置有第三旁通阀16，用于在发动机怠速时全部开启。容易理解，当突然松开加速踏板进行退出增压时，首先全部打开第二涡轮增压器的第二旁通阀15和第三旁通阀16，停止第二涡轮增压器的增压作用，此时部分打开第一涡轮增压器3的第一旁通阀14，通过第一涡轮增压器3控制电流反向可以快速关闭其增压作用，最终彻底打开第一级涡轮增压器3的第一旁通阀14，完全释放增压作用。此外，在发动机启动时，整个发动机进气系统未进入闭环控制前，新鲜空气可以直接通过第一旁通阀14、第二旁通阀15和节气门6进入发动机的缸体内。通过行车迎面进风实现风冷冷却(第一级冷却)从而在中间冷却器运行(第二级冷却)之前能够初步降低进气温度，获得较好的冷却效果。
需要进一步说明的是，发动机在最终增压压力提高的情况下正常工作离不开缸内燃油直喷技术和双可变凸轮轴的应用，但是进排气凸轮轴在中等发动机转速下重叠角较大时对缸体内的充气效率有明显影响，需要对该工况下的容积效率进行重叠角的扫气修正。
仅作为举例，发动机进气系统还可以包括进气传感器(未示出)，进气传感器设置在滤清器2处。发动机启动时，新鲜空气经过滤清器过滤后，装在滤清器上的进气传感器测量其温度、压力、湿度和流量等信息，并传递给发动机控制器。若在中间冷却器工作的情形下，为了避免中间冷却器表面凝结水汽，其控制温度应高于根据进气传感器得到冷凝温度，较低的进气温度可以使得缸体内燃烧均匀，降低爆震倾向。实际上，从中间冷却器的进气压力的设定值是基于发动机的扭矩模型确定的进气量和节气门的控制特性，考虑到增压响应的快速性，最终增压值是在以上的设定值的基础上增加一定过增压值。
综上所述，由于本发动机进气系统具有布置紧凑、增压效果好等优点，非常适用于在带有小排量发动机的汽车中使用。在发动机小负荷阶段通过一级增压即可以获得预期的增压效果；在发动机大负荷阶段可以使发动机的功率显著提高，特别是在气候极端的情况下，诸如在高海拔地区例如海拔高度在2000m以上时，若适当提高本发明的第一涡轮增压器的增压比，可以使得最终增压比减少较小，而且随着海拔升高，这种两级串联增压结构对高原扭矩损失补偿更为明显。
以上列举了若干具体实施例来详细阐明本发明的发动机进气系统及汽车，这些个例仅供说明本发明的原理及其实施方式之用，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员还可以做出各种变形和改进。因此，所有等同的技术方案均应属于本发明的范畴并为本发明的各项权利要求所限定。

Claims (12)

1.一种发动机进气系统，所述发动机进气系统包括分别与发动机的缸体保持气体连通的进气管和排气管，其特征在于，所述发动机进气系统还包括：
滤清器，其设置在所述进气管的入口处；
第一涡轮增压器，其设置在所述进气管上；
负载装置，其设置成与所述第一涡轮增压器电连接；
节气门，其设置在所述进气管上，用于调节进入所述发动机的缸体的气体的流量；以及
发动机控制器，其与所述负载装置和所述节气门保持通信，并且当所述发动机的转速超过第一转速值时命令所述负载装置驱动所述第一涡轮增压器运行。
2.根据权利要求1所述的发动机进气系统，其特征在于，所述发动机进气系统还包括第二涡轮增压器，所述第二涡轮增压器与所述发动机控制器保持通信，当所述发动机的转速超过第二转速值时，所述发动机控制器命令所述第二涡轮增压器开启，其中所述第二转速值大于所述第一转速值。
3.根据权利要求2所述的发动机进气系统，其特征在于，在所述二涡轮增压器运行时，所述发动机控制器命令所述第一涡轮增压器逐步减小增压比。
4.根据权利要求2或3所述的发动机进气系统，其特征在于，所述发动机进气系统还包括与空调压缩机控制器通信的中间冷却器，所述空调压缩机控制器与所述发动机控制器保持通信，当所述发动机的转速超过第三转速值时，所述发动机控制器发送信号至所述空调压缩机控制器，所述空调压缩机控制器命令所述中间冷却器启动，其中所述第三转速值大于所述第二转速值。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的发动机进气系统，其特征在于，所述发动机进气系统还包括设置在所述滤清器处的进气传感器。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的发动机进气系统，其特征在于，所述第一涡轮增压器的增压比的最大值的范围在1.3至1.8之间。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的发动机进气系统，其特征在于，所述进气管的管径的范围在40mm至45mm之间。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的发动机进气系统，其特征在于，所述负载装置是直流电机。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的发动机进气系统，其特征在于，在所述第一涡轮增压器处设置有第一旁通阀。
10.根据权利要求2所述的发动机进气系统，其特征在于，所述第二涡轮增压器包括压气机级和涡轮级，其中在所述压气机级处设置有第二旁通阀，并且在所述涡轮级处设置有第三旁通阀。
11.根据权利要求2所述的发动机进气系统，其特征在于，所述第二涡轮增压器的增压比的最大值的范围在2.5至3.3之间。
12.一种汽车，其特征在于，所述汽车设置有根据权利要求1-11中任一项所述的发动机进气系统。
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