CN105020006B - 一种增压内燃机的压缩空气辅助装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种增压内燃机的压缩空气辅助装置及控制方法，包括压气机、喷管a、喷管b，促动器Ⅰ和促动器Ⅱ，管a安装在压气机进气道处，喷管b安装在机匣壁上，＝通过促动器Ⅰ控制喷管a的喷气角度；通过促动器Ⅱ调节喷管a在压气机进气道中的位置。控制方法为在监测到增压内燃机开始加速、加载的过程，喷管a和喷管b开始向压气机内部喷气，促动器Ⅰ根据压气机的转速和流量调节喷管a的喷气角度受，促动器Ⅱ调节喷管a在压气机进气道的位置；在监测到加速、加载过程结束，喷管a和喷管b喷气结束，同时通过促动器Ⅱ控制，喷管b移出压气机进气道到虚线位置。本发明结构简单，能改善涡轮增压内燃机加速或加载过程中经济性及排放性。

Description

一种增压内燃机的压缩空气辅助装置及控制方法

技术领域

本发明涉及内燃机的涡轮增压技术，尤其涉及一种增压内燃机的压缩空气辅助装置及控制方法。

背景技术

采用涡轮增压技术可以提高内燃机的升功率、降低燃油消耗率，因此大多数内燃机都已经采用的增压技术。但是采用涡轮增压技术，内燃机在加速或加载过程中，由于增压器的转动惯性，增压器转速升高较慢，压气机出口空气压力低，使得内燃机的进气量不能满足燃烧，因此在加速过程中燃油消耗率升高，排气中有害物质量增加，使得内燃机的经济性和排放性都急剧恶化。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题而提供一种增压内燃机的压缩空气辅助装置及控制方法。

本发明的目的是这样实现的：一种增压内燃机的压缩空气辅助装置，包括内燃机和涡轮增压器，涡轮增压器的涡轮安装在内燃机的排气管上，涡轮增压器的压气机安装在内燃机的进气管上，其特征在于：还包括依次用管道连接的空气压缩机、气源气瓶、调压阀、稳压气瓶和电磁阀，所述压气机的进气道上设置有喷管a，压气机的机匣上设置有喷管b，喷管a和喷管b的数量都是两个以上，喷管a上设置有能使喷管a移动的促动器II和能使喷管a改变角度的促动器I，所述促动器II和促动器I固定安装在压气机的进气道上，且促动器II和促动器I的输出端分别和喷管a固定连接，电磁阀的两个输出端分别通过管路和喷管a和喷管b的入口端连接，所述稳压气瓶上还设置有放气阀。

一种增压内燃机的压缩空气辅助装置的控制方法，包括如下步骤：

(1)监测增压内燃机的转速信号，当监测到增压内燃机的转速大于100r/min，空气压缩机接通电源，预先给出气源气瓶内气体压力的设定值，判断气源气瓶内气体压力值是否达到该设定值，且该设定值高于稳压气瓶的最大喷气压力：如果气源气瓶的压力值低于所述设定值，则空气压缩机开始工作直至气源气瓶的压力值达到设定值；如果气源气瓶的压力值达到设定值，空气压缩机不工作；

(2)实时监测增压内燃机的转速、进气管的压力、涡轮增压器的转速和循环喷油量，根据增压内燃机的转速和循环喷油量确定增压内燃机是否进行加速或加载过程：当根据内燃机转速和循环喷油量信号判断内燃机处于加速或加载过程中时：(a)调节调压阀和放气阀的开度并打开电磁阀直至稳压气瓶内的压力达到喷气压力，(b)根据得到的喷管a的喷气角度和喷气位置信号输出促动器Ⅰ和促动器Ⅱ的控制信号，通过促动器Ⅰ控制喷气角度，促动器Ⅱ控制喷管a在进气道中的位置，促动器Ⅱ使喷管a从初始位置移入进气道；根据内燃机转速、进气管的压力和循环喷油量确定稳压气瓶的喷气压力，根据增压器转速和进气管的压力确定喷管a的喷气角度和喷气位置；

(3)在喷气过程中对内燃机转速、进气管压力和循环喷油量进行实时监测，当监测到加速或加载过程结束，使电磁阀、调压阀、放气阀、促动器Ⅰ和促动器Ⅱ输出为低压值信号或信号值为零，此时电磁阀、放气阀关闭，调压阀保持开度不变，促动器Ⅰ保持喷管a的喷气角度不变，促动器Ⅱ控制喷气管a回到初始位置；

(4)当监测到内燃机转速低于100r/min时，空气压缩机断开电源，完成增压内燃机的压缩空气辅助装置的一次控制。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述喷管a是沿着进气道的周向均匀设置，所述喷管b是沿着机匣的周向均匀设置。

2.所述促动器I是液压促动器或气压促动器或凸轮－弹簧促动器或压电促动器，促动器II是液压促动器或气压促动器或凸轮－弹簧促动器或压电促动器。

3.所述喷管a喷气角度α的确定是：

第一步：对压气机进行流体计算得出不同转速下最高效率点对应的叶轮叶片入口气流角α_max，记α_max＝f(n)；

第二步：确定实际压气机流量与压气机转速n和进气管总压力值p₀₃的关系是：其中p₀₁大气压力；是根据压气机的map图得到压气机喘振边界流量；

第三步，确定压气机的最小喘振裕度Δ_min，其中喘振裕度定义为

第四步，在喷气过程中当压气机的喘振裕度Δ≥Δ_min时，喷气角度α确定为α_max；当Δ<Δ_min，逐渐增大喷气角度α直到压气机的喘震裕度Δ＝Δ_min，此时的喷气角度记作α_min，则喷气角度α确定为α_min和α_max中的最大值，记为α＝max(α_min，α_max)。

4.所述喷管a喷气位置的确定是：喷管a沿压气机的进气道径向方向位置的确定是随着压气机转速的升高而远离进气道的中心线，喷管a沿压气机的进气道轴向位置的确定是使喷管a靠近压气机的叶轮叶片的末端但不与压气机的叶轮叶片的末端接触。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了压缩空气辅助装置，在内燃机加速或加载的过程中，通过喷管a6、喷管b7进行喷气，增加内燃机加速、加载过程中的进气量；并且提出了调压装置的控制方法，可以根据监控参数调节喷气压力和喷气管b的喷射角度，使喷入气体的能量可以更加高效的利用。本发明可以降低内燃机加速、加载过程中的燃油消耗率和有害气体排放。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明压气机处的侧视图；

图3是本发明的压气机处的喷管a移动后的侧视图；

图4是本发明的压气机处的俯视图；

图5是本发明的控制方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图4对本发明的一种增压内燃机的压缩空气辅助装置进行详细的描述：

本发明的压缩空气辅助装置的总体结构如附图1所示，具体在压气机的安装方式如图2、3所示。该装置可以用于任意的增压内燃机包括增压柴油机和增压汽油机，同时该装置亦可以应用于车用内燃机以及船用内燃机。所述的压缩空气辅助装置包括：气源装置，调压装置和喷气装置。

本发明应用于增压内燃机，所述的增压内燃机1为任意内燃机包括至少一套涡轮增压器，并且增压内燃机至少包括一个进气管3，进气管上装有涡轮增压器的压气机5；增压内燃机1至少包括一个排气管2，排气管上装有涡轮增压器的涡轮4。

如图1所示：内燃机1上有排气管2和进气管4，排气管2上装有涡轮4，进气管3上装有压气机5；压气机5装有喷管a6、喷管b7。压缩空气辅助装置的连接方式：空气压缩机12通过管道连接在气源气瓶11的左端，气源气瓶11的右端通过管道连接在调压阀10的左端，调压阀10的右端通过管道与稳压气瓶9的左端相连，稳压气瓶9上装有放气阀23，稳压气瓶9的右端与电磁阀8左端相连，电磁阀右端通过管道分别连接到喷气管a6、喷气管b7上，促动器Ⅱ24装在喷管a6上，控制其位置。压缩空气辅助装置中的各部件通过气管连接。

图2～4为喷管在压气机上的具体安装方式。本发明中的压气机为一带扩压器叶片的压气机，其组成包括：进气道27，叶轮13、机匣28、扩压器叶片26、蜗壳25。喷管a6安装在压气机5进气道中，喷管b7安装在压气机5机匣28处。在喷管6上装有促动器Ⅰ22、促动器Ⅱ24，促动器Ⅰ22可以调节喷管角度，促动器Ⅱ24可以调节喷管a6位置。在喷气开始时喷管a6在促动器Ⅱ24的控制下从附图3中的虚线位置21移动到图2中的喷管a6位置处。在喷气结束后，通过促动器Ⅱ24调节，使喷管a6移动到喷管a6虚线位置21处，虚线位置21记为初始位置。

参考附图1，气源装置包括空气压缩机12和气源气瓶11，通过控制空气压缩机12使气源气瓶11中的压力保持在设定值，其中的设定值应该不低于最高的喷气压力。调压装置包括调压阀10，稳压气瓶9、放气阀23和电磁阀8，调压阀10与放气阀23联合工作使稳压气瓶23中的气体达到目标压力，电磁阀8控制喷气过程的开始与停止。技术人员可以根据实际情况设定目标喷气压力。

参考附图2、3、4，所述的喷气装置包括：喷管a6、喷管b7、促动器Ⅰ和促动器Ⅱ。

参考附图2、3、4所示，喷管a6安装在压气机5进气道27中，喷管b安装压气机5机匣28处。本图提供一种较为优化的方案，技术人员可以根据实际情况合理调节喷管的安装位置和喷管个数。

参考附图2、3中的喷管a6上装有促动器Ⅰ可以按照技术人员的意愿调节喷管角度。

参考附图2、3中喷管a6在压气机5进气道中位置通过促动器Ⅱ24调节。在喷气时，通过促动器Ⅱ24调节喷管a6到适当的位置进行喷气；喷气结束后，通过促动器Ⅱ24使喷管a6移出压气机5进气道27达到喷管a6虚线位置21。技术人员可以根据实际情况确定喷管a6在压气机5进气道21合适的位置。

参考附图2中所示促动器Ⅱ24可以沿径向和周向调节喷管a6的位置。

参考附图2中的促动器Ⅰ22、促动器Ⅱ24可以是现有技术中已知的任何合适的促动器。例如，促动器Ⅰ22、促动器Ⅱ24可从包括液压促动器、气压促动器、凸轮－弹簧促动器、压电促动器和它们的组合的组中选择。

所述的气源装置包括空气压缩机12和气源气瓶11。过控制空气压缩机12使气源气瓶12中的压力保持在设定值，其中的设定值应该不低于最高的喷气压力。

所述的调压装置为：调压阀10，稳压气瓶9，放气阀23，电磁阀8。调压阀10左端连接到气源气瓶11出口处，根据需求调节喷气压力。稳压气瓶9可以在喷气过程中使喷气压力保持稳定。通过调压阀10和放气阀23一起工作调节稳压气瓶9中的压力。通过电磁阀8的开启和关闭控制喷气的开始与结束。

喷气装置包括：喷管a6、喷管b7、促动器Ⅰ22和促动器Ⅱ24。所述的喷管a6布置在压气机入口进气道27处，所述的喷管b7布置在压气机5机匣处28。

喷管a的喷口可以根据压气机的工况通过促动器Ⅰ22控制，转动喷孔，调节喷气角度。喷管a6在压气机5进气道27中可以通过促动器Ⅱ24控制其移动。在喷气停止时，在促动器Ⅱ24控制下，喷管移a6出压气机5进气道27，不会影响进气流动。

根据实际情况确定喷管的角度和位置，根据计算和试验研究确定的喷管b7较为优化的安装角度为：对于叶片扩压器，喷气角度应与扩压器叶片26安装角度相同，对于无叶片扩压器，喷气角度应与压气机设计工况下叶轮13出口处的气体流出角相同。

喷管a6、喷管b7可以沿着周向均匀分布，亦可安任意方式分布；可以安装一排喷管，亦可安装多排喷管。

本发明所提供的一种增压内燃机的压缩空气辅助装置的控制方法为：结合图5，在启动内燃机时，压缩空气辅助系统开始工作，保持气源气瓶11的压力在设定值。同时对内燃机1和压气机5的运行参数进行监控，当检测到内燃机1加速或加载时，电磁阀8打开，喷管a6和喷管b7开始喷气；监测到内燃机加速或加载过程结束，电磁阀8关闭，喷气结束。当监测到电磁阀8开启时，根据内燃机循环喷油量、内燃机转速以及进气管3中压力确定目标喷气压力，通过控制调压阀10和放气阀23使稳压气瓶9内的气体压力到目标喷气压力。当监测到电磁阀8开启时，通过促动器Ⅱ24把喷管a6移动到压气机5进气道27中，根据进气管3中的气体压力和压气机5转速确定喷管a6的目标喷气角度，通过促动器Ⅰ22的控制达到目标喷气角度。当监测到电磁阀8关闭，通过促动器Ⅱ24将喷管a6移动出压气机5进气道27到达虚线位置21。

本装置的控制方法为：监控内燃机11和压气机7的运行参数，根据其参数确定喷气的开始和结束，以及确定喷管a6的喷气角度。监控参数可以根据实际情况由技术人员选取，本发明中选定的参数为内燃机的喷油量，转速和进气管压力，还有增压器转速。

按照步骤可将本发明的控制方法描述为：

(1)监测内燃机转速信号，当监测到内燃机转速大于100r/min，也即内燃机正处于工作状态，空气压缩机12接通电源，此时判断气源气瓶11内气体压力值是否达到设定值，如果气源气瓶11压力值低于设定值，则空气压缩机12开始工作直至压力值达到设定值。其设定值应根据具体目标内燃机性能参数以及配备的空气压缩机性能参数决定，但其值应高于最大喷气压力，如果气源气瓶的压力值达到设定值，空气压缩机不工作。

(2)在内燃机开始运行后对其内燃机转速、进气管3压力、增压器转速和循环喷油量进行实时监测。根据内燃机转速和循环喷油量确定内燃机是否进行加速或加载过程；根据内燃机转速、进气管3压力和循环喷油量确定喷气压力；根据增压器转速和进气管3的压力确定喷管a6的喷气角度和喷气位置。当根据内燃机转速和循环喷油量信号判断内燃机处于加速或加载过程中时：(a)根据得到的喷气压力值信号和稳压气瓶9的压力值信号，确定调压阀10和放气阀23开度，并且此时打开电磁阀8开始喷气。此时通过调节调压阀10和放气阀23使稳压气瓶9内的压力值达到喷气压力值。(b)根据得到的喷管a6的喷气角度和喷气位置信号输出促动器Ⅰ22和促动器Ⅱ24的控制信号。通过促动器Ⅰ22控制喷气角度，促动器Ⅱ控制喷管a6在进气道27中的位置。此时，促动器Ⅱ24使喷管a6从虚线位置21移入进气道27，喷管a6在进气道中的具体位置可以通过技术人员根据实际情况具体确定。

本发明中喷管a6的喷气角度根据以下步骤确定：1.根据对增压器中的压气机进行流体计算结果或试验结果，得到不同转速下最高效率点对应的叶轮叶片入口气流角α_max，则可以看作α_max为增压器转速n的函数，记α_max＝f(n)。2.根据所用压气机map图得到压气机喘振边界流量根据map图确定实际压气机流量与压气机转速n和进气管3总压力值p₀₃的关系，记作其中p₀₁大气压力。3.技术人员根据增压器的实际情况确定压气机的最小喘振裕度Δ_min，其中喘振裕度定义为4.确定好以上三个步骤后，在喷气过程中当压气机的喘振裕度Δ≥Δ_min时，此时的喷气角度α应根据压气机转速确定为α_max；当Δ<Δ_min，应逐渐增大α直到压气机的喘震裕度Δ＝Δ_min此时的喷气角度α记作α_min，则此时的喷气角度应为α_max和α_min的最大值，记作α＝max(α_min，α_max)。

本发明中喷管a6的喷气位置的确定：1.喷气管a6的沿进气道径向方向位置的确定总体规律应为随着增压器转速的升高，喷管a6距离进气道27中心线距离越远，即越贴近管壁，但具体的喷气位置应根据实际情况确定。2.喷气管a6沿进气道轴向位置的确定总体目标为在喷管不干涉到叶轮旋转时，尽量使喷管贴近叶轮的叶片，也即使喷管a靠近压气机的叶轮叶片的末端但不与压气机的叶轮叶片的末端接触。

(3)在喷气过程中对内燃机转速、进气管3压力和循环喷油量进行实时监测，当监测到加速或加载过程结束，对电磁阀8、调压阀10、放气阀23、促动器Ⅰ22和促动器Ⅱ24输出为低压值信号，或信号值为零。此时电磁阀8、放气阀23关闭，调压阀10保持开度不变，促动器Ⅰ22保持喷管a6的喷气角度不变，促动器Ⅱ24控制喷气管a6回到虚线位置21，上述的虚线位置21即使初始位置。

(4)当监测到内燃机转速低于100r/min时，空气压缩机断开电源，完成增压内燃机的压缩空气辅助装置的一次控制。

Claims (6)

1.一种增压内燃机的压缩空气辅助装置，包括内燃机和涡轮增压器，涡轮增压器的涡轮安装在内燃机的排气管上，涡轮增压器的压气机安装在内燃机的进气管上，其特征在于：还包括依次用管道连接的空气压缩机、气源气瓶、调压阀、稳压气瓶和电磁阀，所述压气机的进气道上设置有喷管a，压气机的机匣上设置有喷管b，喷管a和喷管b的数量都是两个以上，喷管a上设置有能使喷管a移动的促动器II和能使喷管a改变角度的促动器I，所述促动器II和促动器I固定安装在压气机的进气道上，且促动器II和促动器I的输出端分别和喷管a固定连接，电磁阀的两个输出端分别通过管路和喷管a和喷管b的入口端连接，所述稳压气瓶上还设置有放气阀。

2.根据权利要求1所述的一种增压内燃机的压缩空气辅助装置，其特征在于：所述喷管a是沿着进气道的周向均匀设置，所述喷管b是沿着机匣的周向均匀设置。

3.根据权利要求1或2所述的一种增压内燃机的压缩空气辅助装置，其特征在于：所述促动器I是液压促动器或气压促动器或凸轮－弹簧促动器或压电促动器，促动器II是液压促动器或气压促动器或凸轮－弹簧促动器或压电促动器。

4.一种基于权利要求1的增压内燃机的压缩空气辅助装置的控制方法，其特征在于：

(1)监测增压内燃机的转速信号，当监测到增压内燃机的转速大于100r/min，空气压缩机接通电源，预先给出气源气瓶内气体压力的设定值，判断气源气瓶内气体压力值是否达到该设定值，且该设定值高于稳压气瓶的最大喷气压力：如果气源气瓶的压力值低于所述设定值，则空气压缩机开始工作直至气源气瓶的压力值达到设定值；如果气源气瓶的压力值达到设定值，空气压缩机不工作；

(2)实时监测增压内燃机的转速、进气管的压力、涡轮增压器的转速和循环喷油量，根据增压内燃机的转速和循环喷油量确定增压内燃机是否进行加速或加载过程：当根据内燃机转速和循环喷油量信号判断内燃机处于加速或加载过程中时：(a)调节调压阀和放气阀的开度并打开电磁阀直至稳压气瓶内的压力达到喷气压力，(b)根据得到的喷管a的喷气角度和喷气位置信号输出促动器Ⅰ和促动器Ⅱ的控制信号，通过促动器Ⅰ控制喷气角度，促动器Ⅱ控制喷管a在进气道中的位置，促动器Ⅱ使喷管a从初始位置移入进气道；根据内燃机转速、进气管的压力和循环喷油量确定稳压气瓶的喷气压力，根据增压器转速和进气管的压力确定喷管a的喷气角度和喷气位置；

(3)在喷气过程中对内燃机转速、进气管压力和循环喷油量进行实时监测，当监测到加速或加载过程结束，使电磁阀、调压阀、放气阀、促动器Ⅰ和促动器Ⅱ输出为低压值信号或信号值为零，此时电磁阀、放气阀关闭，调压阀保持开度不变，促动器Ⅰ保持喷管a的喷气角度不变，促动器Ⅱ控制喷气管a回到初始位置；

(4)当监测到内燃机转速低于100r/min时，空气压缩机断开电源，完成增压内燃机的压缩空气辅助装置的一次控制。

5.根据权利要求4所述的一种增压内燃机的压缩空气辅助装置的控制方法，其特征在于：所述喷管a喷气角度α的确定是：

第一步：对压气机进行流体计算得出不同转速下最高效率点对应的叶轮叶片入口气流角α_max，记α_max＝f(n)；

第二步：确定实际压气机流量与压气机转速n和进气管总压力值p₀₃的关系是：其中p₀₁大气压力；是根据压气机的map图得到压气机喘振边界流量；

第三步，确定压气机的最小喘振裕度Δ_min，其中喘振裕度定义为

第四步，在喷气过程中当压气机的喘振裕度Δ≥Δ_min时，喷气角度α确定为α_max；当Δ<Δ_min，逐渐增大喷气角度α直到压气机的喘震裕度Δ＝Δ_min，此时的喷气角度记作α_min，则喷气角度α确定为α_min和α_max中的最大值，记为α＝max(α_min，α_max)。

6.根据权利要求4所述的一种增压内燃机的压缩空气辅助装置的控制方法，其特征在于：所述喷管a喷气位置的确定是：喷管a沿压气机的进气道径向方向位置的确定是随着压气机转速的升高而远离进气道的中心线，喷管a沿压气机的进气道轴向位置的确定是使喷管a靠近压气机的叶轮叶片的末端但不与压气机的叶轮叶片的末端接触。