CN105464786A - 可变循环进气量和废气再循环量的发动机进排气装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变循环进气量和废气再循环量的发动机进排气装置，它含有进气管和排气管，所述进气管和排气管通过进气门和排气门分别与发动机气缸的内腔连通，所述发动机气缸的内腔通过辅助进排气门和连通管与伸缩气缸的缸体内腔连通，所述伸缩气缸的缸体内腔中设置有电磁铁，并且，所述伸缩气缸的缸体和活塞之间设置有回位弹簧，所述连通管上设置有辅助进气管，所述辅助进气管上设置有控制阀，所述排气管和进气管之间通过贯通管相互连通，所述贯通管上设置有废气再循环阀和废气冷却器。本发明可以显著增大每循环进入发动机气缸内的进气量，提高发动机的进气密度，节约能量，提高工作效率，改善发动机的动力性、经济性和排放。
Description
技术领域：
本发明涉及一种车用自然吸气发动机的发动机进排气装置，特别是涉及一种可变循环进气量和废气再循环量的发动机进排气装置。
背景技术：
能源危机和环境污染日趋严重，车用发动机面临着严峻的燃料短缺和排放控制问题，迫切需要提高发动机的经济性能和排放性能。发动机的性能很大程度上依赖其进换气过程，即发动机排出本循环已经燃烧的废气和吸入下一循环的新鲜空气或可燃混合气。为了提高发动机的动力性和经济性，需要提高每循环进入发动机气缸的空气量。同时为了控制发动机的氮氧化物有害排放，还需要进行废气再循环。传统自然吸气发动机的进排气装置一般由空气滤清器、进气管、气缸和排气管等部件组成。当发动机运转时，曲轴驱动活塞由气缸内的上止点运动至下止点，在活塞的运动过程中，气缸容积逐渐增大，在气缸内形成一定的真空度，空气通过进气管、进气门被吸入气缸。当活塞由气缸内的下止点运动至上止点，废气在自身剩余压力和活塞的推动下经排气门、排气管排出气缸外。废气再循环系统是将一定量的发动机废气从排气管引出，并通过控制阀将废气引入进气管中与新鲜空气混合，再进入气缸内抑制燃烧，降低氮氧化物有害排放。上述自然吸气发动机进排气装置中存在的问题是：每循环进入发动机气缸内的空气量和再循环的废气量均受气缸内进气终了压力的影响，由于传统进排气系统的结构不可变，因此每循环进入气缸内的进气量和废气再循环量均受到限制，最大进气量无法灵活调整，废气再循环率也只能在较小的范围内调整，无法根据发动机的工况进行自适应的最佳调控，因而无法满足发动机各种复杂工况对进气供给和废气再循环的要求，无法达到发动机功率优化和氮氧化物排放优化的效果。
经过对现有技术文献和专利的检索发现，专利名称排气管容积自适应式涡轮增压系统，授权公告号ZL201110335093.X，该发明专利包括：气缸、排气管、涡轮、连接管、挡板环、移动板和弹性部件。采用该技术方案，发动机处于低速工况时，移动板向着靠近挡板环的方向移动，排气管容积相对较小，脉冲能量可以充分利用，发动机整机性能较优；当发动机处于高速工况时，移动板向着远离挡板环的方向移动，排气管容积相对较大，泵气损失较小，发动机整机性能较优。
但该发明只是针对排气系统设计的排气管容积自适应式调节，未涉及到进气调节，因此每循环进入发动机气缸内的空气量和再循环废气量仍然受到限制；而且调节排气管容积时，移动板和弹性部件受到排气管长度的限制，移动位移十分有限，因而排气管容积调节能力有限，无法满足调节排气管容积较大的要求。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、调节方法简易可靠、能够根据发动机的实际运行工况而自适应调节进气和排气的可变循环进气量和废气再循环量的发动机进排气装置。
本发明的技术方案是：
一种可变循环进气量和废气再循环量的发动机进排气装置，含有进气管和排气管，所述进气管和排气管通过进气门和排气门分别与发动机气缸的内腔连通，所述发动机气缸的内腔通过辅助进排气门和连通管与伸缩气缸的缸体内腔连通，所述伸缩气缸的缸体内腔中设置有电磁铁，并且，所述伸缩气缸的缸体和活塞之间设置有回位弹簧，所述连通管上设置有辅助进气管，所述辅助进气管上设置有控制阀，所述排气管和进气管之间通过贯通管相互连通，所述贯通管上设置有废气再循环阀和废气冷却器。
所述伸缩气缸为一级气缸或二级气缸，所述一级气缸包括一个缸体和一个活塞，所述二级气缸包括初级缸体、初级活塞、次级缸体和次级活塞，其中，所述初级缸体内套装初级活塞，所述初级活塞作为次级缸体，所述次级缸体内套装所述次级活塞，所述次级缸体与所述初级缸体连通，所述初级缸体、次级缸体和次级活塞内分别设置定电磁铁、一级电磁铁和二级电磁铁，所述初级缸体与初级活塞之间以及所述次级缸体与次级活塞之间分别设置有所述回位弹簧。
所述废气冷却器通过电动水泵与水箱连接，所述辅助进气管上设置有空气滤清器。所述进气管的外端设置有空气滤清器，所述发动机气缸的活塞通过连杆与曲轴连接，所述曲轴上安装有飞轮，所述飞轮或曲轴上设置有曲轴位置传感器。
所述贯通管与进气门之间的所述进气管上分别设置有进气压力传感器、进气温度传感器和二氧化碳传感器；所述贯通管与排气门之间的所述排气管上分别设置有排气压力传感器和排气温度传感器，所述贯通管外的所述排气管上安装有排气背压阀，所述进气压力传感器、进气温度传感器、二氧化碳传感器、排气压力传感器、排气温度传感器、电磁铁、控制阀、排气背压阀和废气再循环阀均分别与控制器连接。
本发明的有益效果是：
1、本发明根据发动机的实际运行工况，通过控制器控制伸缩气缸的初级活塞、次级活塞逐级运动，在气缸内部形成不同的真空度，将外界环境中的新鲜空气吸入到伸缩气缸内，再通过两级活塞的回位运动将新鲜空气挤压到发动机气缸内部，自适应的增大每循环进入发动机气缸内的空气量，提高发动机的进气密度，从而提高发动机的功率，并改善经济性和排放性。
2、本发明发动机运行在中小废气再循环量工况时，控制器控制排气背压阀关小阀门，减少排到外界环境中的废气量，从而提高排气管中废气的压力和流量，增大废气再循环量。运行在大废气再循环量工况时，控制器控制伸缩气缸的初级活塞、次级活塞逐级运动将发动机气缸内部的残余废气挤压到排气管中，逐级提高排气管中废气的压力和流量，从排气方面提高了废气再循环量。随后在发动机的进气行程中，电磁铁使两级活塞相继运动，增加发动机气缸内部的局部真空度；从进气方面进一步提高了废气再循环量。
3、本发明伸缩气缸的两级活塞依靠电磁斥力逐级运动，振动噪声小；运动平稳，切换工况时进排气压力和流量稳定，压力波动小；且两级活塞的工作、回位从进气和排气两方面提高废气再循环量，节约了能量，提高了工作效率。
4、本发明废气冷却器对排气管进入到进气管内的废气进行冷却，并且电动水泵根据控制器的指令来增大或减小废气冷却器的冷却能力，提高冷却效果。
5、本发明结构简单和调节方法简易可行，且工作可靠性高，可以充分满足发动机的高低转速、大小负荷等工况对进气流量和废气再循环量的要求，应用范围广，推广后具有良好的经济效益和减排效果。
附图说明：
图1为可变循环进气量和废气再循环量的发动机进排气装置的结构图。
具体实施方式：
实施例：参见图1，图中，1-空气滤清器A，2-三通接头A，3-进气管，4-进气门，5-发动机气缸，6-辅助进排气口，7-排气门，8-排气管，9-三通接头B，10-排气背压阀，11-废气再循环阀，12-废气冷却器，13-电动水泵，14-水箱，15-活塞，16-连杆，17-曲轴，18-飞轮，19-曲轴位置传感器，20-排气压力传感器，21-排气温度传感器，22-进气压力传感器，23-进气温度传感器，24-二氧化碳传感器，25-控制器，26-控制阀，27-伸缩气缸，28-初级活塞，29-次级活塞，30-定电磁铁，31-一级电磁铁，32-二级电磁铁，33-回位弹簧，34-三通接头C,35-空气滤清器B。图中箭头所示为气体流动方向，虚线是控制线路。
空气滤清器A1与三通接头A2的一个入口相连，三通接头A2的出口与进气管3的入口相连，进气管3的出口经进气门4与发动机气缸5相连，发动机气缸5经排气门7与排气管8的入口相连，排气管8的出口与三通接头B9的入口相连，三通接头B9的一个出口经排气背压阀10与外界环境相连，另一个出口经废气再循环阀11与废气冷却器12的进气口相连，废气冷却器12的出气口与三通接头A2的另一个入口相连。废气冷却器12的进水口经电动水泵13与水箱14相连，废气冷却器12的出水口直接与水箱14相连。进气管3上安装有进气压力传感器22，进气温度传感器23，二氧化碳传感器24，分别测量新鲜空气或新鲜空气/废气混合气的压力、温度和废气再循环率。排气管8上安装有排气压力传感器20，排气温度传感器21，分别测量排气压力和排气温度。空气滤清器A1滤除了外界空气中的杂质，让洁净的空气进入发动机气缸5。排气背压阀10可以调节由排气管8内排到外界环境中的废气量。废气再循环阀11可以调节排气管8内进入到进气管3内的废气量。废气冷却器12对排气管8进入到进气管3内的废气进行冷却。电动水泵13根据控制器25的指令来增大或减小废气冷却器12的冷却能力。
活塞15通过连杆16安装在曲轴17上，在曲轴17的后端安装有飞轮18，飞轮18的外壳上安装有曲轴位置传感器19，用于判断进气门4和排气门7的开启时刻、关闭时刻。
发动机气缸5的辅助进排气口6与三通接头C34的一个入口相连，三通接头C34的另一个入口经控制阀26、空气滤清器B35与外界环境相连，三通接头C34的出口与伸缩气缸27相连，伸缩气缸27包括初级活塞28、次级活塞29、定电磁铁30、一级电磁铁31、二级电磁铁32和回位弹簧33。初级活塞28和次级活塞29套装在一起，初级活塞28的内部作为次级活塞29的缸体，初级活塞28和次级活塞29在定电磁铁30、一级电磁铁31和二级电磁铁32的电磁力作用下可以逐级伸出，改变伸缩气缸内的最大真空度,在回位弹簧33的作用下逐级回位。
控制器25分别与辅助进排气口6、排气背压阀10、废气再循环阀11、电动水泵13、曲轴位置传感器19、排气压力传感器20、排气温度传感器21、进气压力传感器22、进气温度传感器23、二氧化碳传感器24、控制阀26、定电磁铁30、一级电磁铁31和二级电磁铁32连接。
发动机工作时，曲轴17通过连续的圆周旋转运动驱动活塞15在发动机气缸5内部作上下往复运动。当活塞15下行时，进气门4开启，排气门7关闭，发动机气缸5内部形成局部真空，此时空气在外界大气压的作用下，经空气滤清器A1、三通接头A2、进气管3、进气门4进入到发动机气缸5内部，此过程为自然吸气发动机的进气行程。当活塞15上行时，进气门4关闭，排气门7开启，发动机气缸5内部燃烧后的废气在活塞15的驱赶下，从发动机气缸5内部排出，经排气门7进入到排气管8中，此过程为自然吸气发动机的排气行程。
增大进气流量工况：控制器25发出控制信号给控制阀26，控制阀26打开，定电磁铁30、一级电磁铁31首先通电，通电产生电磁斥力，克服回位弹簧33的作用力，初级活塞28上行到顶端，随后二级电磁铁32通电，次级活塞29也上行到顶端。伸缩气缸27内部形成局部真空，外界环境中的新鲜空气经空气滤清器B35、控制阀26进入到伸缩气缸27内，控制阀26关闭。当发动机进气行程结束时，进气门4和排气门7均关闭，辅助进排气口6开启，二级电磁铁32断电，电磁力消失，在回位弹簧33的作用下，使次级活塞29下行，伸缩气缸27内的新鲜空气受到挤压，经三通接头C34、辅助进排气口6进入到发动机气缸5内部；接着电磁铁30、一级电磁铁31断电，电磁力消失，在回位弹簧33的作用下，初级活塞28下行，伸缩气缸27内的新鲜空气受到进一步的挤压，高压新鲜空气进入到发动机气缸5内部，增大了发动机的进气流量。根据发动机的实际运行工况，控制器25可以自适应的增大进气流量，提高发动机的进气密度，从而提高发动机的功率，并改善经济性和排放性。
需要废气再循环时，控制器25发出控制信号给废气再循环阀11，废气再循环阀11打开，排气管8中具有一定压力的废气经废气再循环阀11、废气冷却器12、三通接头A2进入到进气管3中，与新鲜空气混合，经进气门4进入到发动机气缸5内部参与燃烧，降低燃烧温度，从而降低氮氧化物排放。此时再循环的废气量取决于排气管8中废气的压力和发动机气缸5内进气真空度之差。
中小废气再循环量工况：需要扩大废气再循环量时，控制器25控制排气背压阀10关小阀门，减少排到外界环境中的废气量，从而提高排气管8中废气的压力和流量。
大废气再循环量工况：需要进一步扩大废气再循环量时，在发动机的排气行程中，控制器25先发出控制信号给辅助进排气口6和伸缩气缸27的定电磁铁30、一级电磁铁31。辅助进排气口6开启，定电磁铁30、一级电磁铁31首先通电，初级活塞28上行到最顶端；随后二级电磁铁32通电，次级活塞29上行到最顶端，伸缩气缸27内部形成局部真空，将发动机气缸内的废气经辅助进排气口6、三通接头C34吸入到伸缩气缸27内。接着，二级电磁铁32断电，电磁力消失，在回位弹簧33的作用下，次级活塞29下行，伸缩气缸27内的废气受到挤压，经三通接头C34、辅助进排气口6进入到发动机气缸5内部，此时进气门4关闭，排气门7开启，从而将发动机气缸5内部的残余废气挤压到排气管8中，提高排气管8中废气的压力和流量。如需继续增大废气再循环量，继续给定电磁铁30、一级电磁铁31断电，在回位弹簧33的作用下，初级活塞28下行，伸缩气缸27内的废气受到进一步的挤压，高压废气进入到发动机气缸5内部，将其内部剩余的废气进一步挤压到排气管8中，排气管8中废气的压力和流量继续升高，进入到进气管3中的废气量增多。接着在发动机的进气行程中，当进气门4开启，排气门7关闭，发动机气缸5内部形成局部真空时，辅助进排气口6开启，定电磁铁30、一级电磁铁31和二级电磁铁32通电，产生电磁斥力，初级活塞28、次级活塞29相继上行，发动机气缸5内部的局部真空度增加；进气管3中的更多的新鲜空气/废气混合气进入到发动机气缸5内部，从而提高了每循环的废气再循环量。
与常规自然吸气发动机的进排气装置相比，本发明具有两个显著特点：第一，可以根据发动机的实际运行工况，自适应的逐级增大进气流量，提高发动机的进气密度，从而提高发动机的功率，并改善经济性和排放性。第二，显著增大了废气再循环量，从而减少了发动机的氮氧化物排放，同时循环进气量受废气再循环的影响小，进一步改善了经济性和排放性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种可变循环进气量和废气再循环量的发动机进排气装置，含有进气管和排气管，所述进气管和排气管通过进气门和排气门分别与发动机气缸的内腔连通，其特征是：所述发动机气缸的内腔通过辅助进排气门和连通管与伸缩气缸的缸体内腔连通，所述伸缩气缸的缸体内腔中设置有电磁铁，并且，所述伸缩气缸的缸体和活塞之间设置有回位弹簧，所述连通管上设置有辅助进气管，所述辅助进气管上设置有控制阀，所述排气管和进气管之间通过贯通管相互连通，所述贯通管上设置有废气再循环阀和废气冷却器。
2.根据权利要求1所述的可变循环进气量和废气再循环量的发动机进排气装置，其特征是：所述伸缩气缸为一级气缸或二级气缸，所述一级气缸包括一个缸体和一个活塞，所述二级气缸包括初级缸体、初级活塞、次级缸体和次级活塞，其中，所述初级缸体内套装初级活塞，所述初级活塞作为次级缸体，所述次级缸体内套装所述次级活塞，所述次级缸体与所述初级缸体连通，所述初级缸体、次级缸体和次级活塞内分别设置定电磁铁、一级电磁铁和二级电磁铁，所述初级缸体与初级活塞之间以及所述次级缸体与次级活塞之间分别设置有所述回位弹簧。
3.根据权利要求1所述的可变循环进气量和废气再循环量的发动机进排气装置，其特征是：所述废气冷却器通过电动水泵与水箱连接，所述辅助进气管上设置有空气滤清器。
4.根据权利要求1所述的可变循环进气量和废气再循环量的发动机进排气装置，其特征是：所述进气管的外端设置有空气滤清器，所述发动机气缸的活塞通过连杆与曲轴连接，所述曲轴上安装有飞轮，所述飞轮或曲轴上设置有曲轴位置传感器。
5.根据权利要求1所述的可变循环进气量和废气再循环量的发动机进排气装置，其特征是：所述贯通管与进气门之间的所述进气管上分别设置有进气压力传感器、进气温度传感器和二氧化碳传感器；所述贯通管与排气门之间的所述排气管上分别设置有排气压力传感器和排气温度传感器，所述贯通管外的所述排气管上安装有排气背压阀，所述进气压力传感器、进气温度传感器、二氧化碳传感器、排气压力传感器、排气温度传感器、电磁铁、控制阀、排气背压阀和废气再循环阀均分别与控制器连接。
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