CN1082143A - 改善发动机过渡响应特性的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在涡轮增压的发动机的低速运行时，由于提高涡 轮增压器的增压度的过渡时间缓慢，因此发动机从低 速低负荷向高速高负荷的过渡响应时间也缓慢。本 发明通过至少使一被选定分组的燃烧室以一两冲程 泵气的工作方式进行工作而使其余燃烧室保持四冲 程方式工作的方法，使发动机在低速低负荷工作时能 增加通过涡轮机的空气流量并维持一个高增压度，由 此提供一种改善发动机过渡响应时间特性的装置。

Description

本发明一般地涉及发动机工作循环的控制操纵，而具体地说，本发明涉及可调节控制配气定时以改善发动机由低速和/或低负荷到高速和/或高负荷范围内的过渡响应时间特性及减少其颗粒排放的一种预定的逻辑模式和这种逻辑模式修正。
在涡轮增压发动机的低速工作过程中有较充足的燃烧空气，然而，由于提高增压发动机的增压度需要一定时间，因此发动机从低速、低负荷到高速高负荷转变的过渡响应时间是缓慢的。排气驱动涡轮增压器的涡轮，涡轮依次地再驱动涡轮增压器的压缩机，压缩机把增压的空气提供到发动机的燃烧室。在低速运行中，由发动机的活塞低速位移所产生的排放气体不能产生一个相当大的横越涡轮的压降。因此，涡轮就以一个比较低的转速被驱动，由涡轮增压器所获得的增压度很低。通过在燃烧室内喷入附加的燃油使发动机的转速增加，发动机转速的增加又产生更多的排气以驱动涡轮更快速地旋转，再使增压度提高。然而，在涡轮达到最高转速和增压度提高到获得发动机的全功率之前存在一个不希望的时间延迟。另外，在这个比较长的过渡过程期内，用于使喷入的燃油量的完全燃烧所需要的空气量不足就势必产生黑烟。
为了改善上述的过渡响应时间，发动机采用了多级涡轮增压器或可调节输出量的涡轮增压器。结果增加了用户的成本以及由于增加了部件的数量和复杂性从而增加了附件失效的更多的可能性。
这样，所需的是这样的一种装置，即一种能通过在发动机的低速和/或低负荷运行的过程中增加通过涡轮增压器涡轮的空气流量以保持一个高的增压度的方法来改善发动机从低速和/或低负荷到高速和/或高负荷的过渡响应时间的装置。
本发明的目的是克服上述的一个或更多的问题。
在本发明的一个方面，一个装置适用于与一个涡轮增压发动机一起使用以改善从低速低负荷向高速高负荷的过渡响应时间。所述的发动机包括：多个燃烧室、用于每个燃烧室的一个进气口和一个排气口。一个涡轮增压器有一个压缩机、一个涡轮机和所建立的增压度，它被有效地联接到进气口和排气口。一活塞在每个燃烧室中可往复地移动以形成进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。所述的装置包括气流流动控制装置，它包括用于选择性地允许进气气流进入各燃烧室的进气装置和用于选择性地允许排气气流离开各燃烧室的排气装置。所述的装置还包括：用于响应一控制信号而独立驱动每个进气装置和排气装置的装置，和响应于被检测的工作参数的电子控制装置。所述的电子控制装置使所选择的一个分组的燃烧室的进气装置在每个进气和膨胀冲程过程中被启动以允许空气流入这些燃烧室;以及使所选择的一个分组的燃烧室的排气装置在每个压缩和排气冲程中被启动而压送来自燃烧室的空气以增加通过涡轮的空气流量和提高增压度。
本发明的另一方面是一种操作发动机的方法，所述发动机有：多个燃烧室;用于每个所述的燃烧室的一个进气口和一个排气口;一涡轮增压器，它具有一个压缩机、一个涡轮机和一个被建立起来的增压度;和在每个燃烧室内可往复移动的活塞;这种方法包括有下列的步骤：监控发动机的工况;把一控制信号输向一个进气装置和一个排气装置;响应于一控制信号独立地驱动每个进气装置和排气装置;在每个进气和膨胀冲程中，驱动被选择的一个分组的燃烧室的进气装置以允许空气流进燃烧室内;以及在每个压缩和排气冲程中，驱动被选择的一个分组的燃烧室的排气装置以增加通过涡轮的空气流量和提高增压水平。
图1是一发动机的部分地剖切的简略纵剖视图，发动机设有本发明的一个具体装置;
图2是图1的发动机的一部分的一横剖视图;
图3是图1的发动机的一个部分的平面简略剖面图;
参照图1、2和3，图示为一个直列型、四气缸、压燃式内燃涡轮增压发动机10。发动机10包括一个用于减少发动机从低速低负荷向高速高负荷过渡的过渡响应时间的一个装置11。在本具体实例中，发动机10是以一个依次为进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程的传统四冲程方式工作的。虽然本发明现是用一直列型四缸发动机来说明和揭示，但要清楚地认识到，该系统同样地可被用于例如一个增压多缸V型的具有不同工作方式的发动机上。
发动机10包括一气缸体12，气缸体有多个气缸孔14和一缸体顶部的安装表面16。发动机10还包括：一气缸盖18，气缸盖有一气缸盖底部的安装表面20、一缸盖顶表面22、一缸盖第一侧面的安装表面24和一缸盖第二侧面的安装表面26。所述的缸盖底部安装表面20座落在缸体顶部安装表面16上并由多个紧固件（未图示）以通常方式刚性地使之紧贴其上。另外，缸体12和缸盖18还可由整体设计结构来替代。
在本实施例中，一个可更换的缸套30设置于每个缸孔14中，缸套30有一活塞套孔32。这些套孔32形成多个气缸＃1、＃2、＃3和＃4。每个活塞缸套孔32中有一个滑动地设置其内的活塞34，活塞是以一种传统方式驱动一个曲轴36。曲轴36是被转动地支承于缸体内。所述的各活塞34在它们的各自的缸套孔32内在一上止点位置和一下止点位置之间往复地运动。一燃烧室44是由气缸盖18、缸套孔32和活塞34所构成。
如图2所示，缸盖18确定气缸＃1、＃2、＃3和＃4的各燃烧室44的一进气口50和一排气口52。每个进气口50从所述缸盖第一侧安装表面24延伸至缸盖底安装表面20。每个进气口52从所述缸盖第二侧安装表面26延伸至缸盖的底安装表面20。
在本实施例中，发动机10可以四冲程方式进行工作。该四冲程方式确定一个第一个预定的逻辑模式，在这种模式中，活塞34在各燃烧室44内于上止点位置和下止点位置之间可往复地运动，以形成一进气冲程，在进气冲程中，空气从进气口50引入燃烧室44内。活塞34进一步可在下止点位置和上止点位置间移动以形成一压缩冲程，在此过程中，在燃烧室44内的空气被压缩到一个确定的温度范围和燃油在上止点时或上止点前引入，在此过程中，在燃烧室44内的燃油和空气混和物燃烧前出现一个所需要的点火延滞期。燃油和空气混和物的燃烧是在活塞34运动接近上止点附近发生。燃烧结果，活塞34被膨胀的排气驱动于燃烧室44内上止点位置和下止点位置之间以形成膨胀冲程。活塞34可在下止点位置和上止点位置之间运动以形成一个排气冲程，在此过程中，排气从燃烧室44排入排气口52中。
如在图2和3中所清楚显示的那样，一个进气歧管53由多个紧固件54以通常的方法刚性地紧贴于所述的缸盖第一侧表面24上。该进气歧管53确定一进气歧管通道55和多个相互连通的进气歧管分支通道56。所述的进气歧管分支通道56是以一传统方式与所述进气口50流通。
发动机10还包括一个涡轮增压器57，它有一进入空气的压缩机58和一排气驱动的涡轮机59。压缩机58由一进气导管60按传统的方式被有效地连接到进气歧管通道55从而把增压空气供到燃烧室44。
一排气歧管62是由多个紧固件64以通常方式被紧固于缸盖第二安装表面26。所述的排气歧管确定一排气歧管通道66和多个互通的排气歧管分支通道68。所述的排气歧管分支通道68是以一传统方式与排气口52相流通。
所述的涡轮增压器57的排气驱动的涡轮机59由一排气导管69有效地连结于排气歧管通道66。来自燃烧室44的排气驱动涡轮59，再依次地以一传统方式驱动压缩机58。
发动机10还包括气流量控制装置70，它用于选择性地使进气歧管53和排气歧管62与燃烧室44相通。所述的气流量控制装置70包括：用于各燃烧室44的进气装置72、排气装置74和响应于一控制信号而单独地驱动每个进气装置和排气装置的装置76。
所述的进气装置72在本实例中包括：一进气门82，它有效地设置在每个进气口50中;和进气门支承装置84，它用于相互地支承在气缸盖18中的进气门82。清楚地看到，进气装置72可以包括多个进气门82和进气门支承装置84。
进气门包括：一进气门杆88;一进气门头部90，它被设置于进气门杆的一端上;和一扩大的进气门固定圈92，它设于进气门杆的一相反端上。进气门头部90确定一环形的进气门密封表面94，它具有一个足够密封地座落在围绕进气口50的一环形进气口座面96上的尺寸。
进气门支承装置84包括一进气门导管98。进气门导管安置在气缸盖18内和包围着所述的进气门杆88。一个进气门弹簧100围绕进气门杆88设置并伸展在缸盖顶表面22和进气门固定圈92之间。进气门弹簧100把进气门密封表面94压紧进气口座面96直至进气门密封表面被移动离开进气口座面。
参照图1和2，排气装置74在本具体例子中包括：有效地安装在每一排气口52中的一排气门112，和用于相互地支承在气缸盖18中的排气门112的一排气门支承装置114。应清楚地看到，排气装置可以包括多个排气门和排气门支承装置154。
排气门112包括一排气门杆118、设置在排气门杆的一端上的一排气门头部120、和一设置在相反端上的一排气门固定圈122。所述排气门头部120确定一环形的排气门密封表面126，它具有足够用于密封地座落于围绕排气口52所确定的一环形排气口座面128上的尺寸。
排气门支承装置114包括一个排气门导管130。排气门导管130安置在气缸盖中和包围着排气门杆118。一排气门弹簧132围绕排气门杆118设置并伸展于缸盖顶表面22和排气门固定圈122间。排气门弹簧132把排气门密封表面126推向排气口座面168直至排气门座面被推动离开排气口座面128。
在本最佳实施例中（如图2清楚所示），用于驱动各个进气装置72和排气装置74的装置76包括相同数的压电马达136（仅表示1个）。应看到还可采用螺线管、音圈或可线性位移的电磁装置来代替这种压电马达136。每个压电马达136是安置在单个的气门驱动装置138内。所述的单个气门驱动装置138包括一气门驱动组件140，它分别有效地与进气门82和排气门112啮合，邻接于进气门端的固定圈92和排气门端固定圈122以使电子操纵进气和排气门。所述的气门驱动组件140包括：一气门驱动器壳体144，它设有一阶梯内腔146，在阶梯内腔中设置一个驱动器阀的驱动活塞148;一个驱动器阀的放大器活塞150;和在其间的一驱动器阀的流体室152。
所述的压电马达136（在本技术中是已熟知的），响应于由一预定数量的能量所产生的电激励而线性地膨胀，以及在这种电激励结束时收缩。在电激励数量方面的变化会使该压电马达136依据电激励的一定量产生线性的膨胀。该压电马达136在一直线方向上产生一个很大的力，然而它的线性膨胀小于使进气和排气门密封表面94和126位移离开进气和排气口座面96和126所需要的位移量。因此，驱动器阀的驱动活塞148、驱动器阀的放大器活塞150和驱动器阀的流体室152设置成以如下的方式转换和放大压电马达136的线性位移。由于驱动器阀的驱动活塞148的线性位移相对驱动器阀的放大器活塞150的线性位移的液压放大比是与驱动器阀的驱动活塞148与驱动器阀的放大器活塞150的表面面积比成反比例，因此驱动器阀的放大器活塞150的尺寸做得比驱动器阀的驱动活塞148小得多。这样，压电马达136的较小的线性位移被放大得使驱动器阀的放大器活塞150明显地产生较大的线性位移。
发动机10还包括用于各个燃烧室44的燃油喷射器装置186。该燃油喷射器装置186包括一个电子控制的喷油器操作机构188。如图1和2清楚地所示的那样，所述的电子控制的喷油器操作机构188包括一电子控制的具有传统设计的单喷油器190，它被安置在限制在缸盖18内的一了阶梯喷油器孔192中;和单独地对各个单体喷油器190进行电子控制的装置76。所述装置76有效地衔接于各个单体燃油喷射器190。由于用于单体喷油器190的装置76的基本设计和功能是与用于进气和排气装置72和74的装置76的基本设计和功能相同，因此在此对它们不一一详述。作为一个替代方案，任何传统的燃油系统都可使用。
如图1所示，一电子控制系统有效地连接于驱动装置76和适用于从那里把合适的控制信号引向驱动装置，以通常的发动机工作的第一预定逻辑模式去功能性地控制发动机10。
装置11适宜于采用一个涡轮增压发动机10来改善其过渡响应特性。该装置11包括一电子控制装置212，它是以一个第二预定逻辑模式而不是第一预定逻辑模式把控制信号输向所述的驱动装置76。该电子控制装置212包括所述的电子控制系统208、若干控制信号1和多个传感器216（其中一个被图示）和一个微处理机218，所述的传感器216把有关发动机10的工作参数，例如，增压度、温度、与转速有关的参数、负荷和空气燃油混和物，传递到微处理机218中。
在所述第二预定的逻辑模式中，所述的电子控制装置212是响应于被检测的发动机10的工作参数以使一个被选择的分组的燃烧室44以两冲程泵气工作方式进行运行而别的剩下的燃烧室则以四冲程的工作方式进行运行。应清楚地看到，在不违背本发明的本质情况下，所选择的分组合可以是一单个燃烧室44或相反地是两个或更多的燃烧室。在所选定的燃烧室44组中的所述的喷油器驱动器组件196在以两种程泵气方式工作时是不被驱动的。所述的以两冲程泵气方式工作的所选择的燃烧室44分组的进气装置72在每个进气和膨胀冲程中被启动，而所选的燃烧室44分组的排气装置是在每个压缩和排气冲程中被启动。
在使用中，发动机10利用装置76单个地驱动进气和排气气门装置72和74。所述的微处理机218使用一程序逻辑来处理由传感器216提供的信息和根据分析的结果向所选择的一些压电马达136提供一电流用于驱动进气门单个驱动器装置86、排气门单个驱动器装置156和燃油喷射器单个驱动器装置194。进气和排气门操作装置72和74和燃油喷射装置186是彼此独立地被驱动，因此，进气门82、排气门152和燃油喷射器190全部都是单独地被控制以便对发动机10的各种工况产生气门的开启和关闭以及燃油喷射的最佳定时过程，而与曲轴36的旋转位置无关。
所述的电子控制装置212包括：电子控制系统208、控制信号、传感器216，以及微处理机218是有效地连接于驱动装置76，以第一和第二预定的逻辑模式去功能性地控制发动机10。在第一预定逻辑模式中，发动机10是以通常的四冲程方式工作。在所述的第二预定的逻辑模式中，所选择的一个或更多的燃烧室44的分组合是以一个两冲程的工作泵气方式进行工作，而别的剩下的燃烧室则以四冲程的工作方式工作。当发动机10在低速和/或低负荷工作时，通过使所选择的该组燃烧室44以两冲程的泵气方式工作，而另外剩下的燃烧室以四冲程工作方式工作的方法可以提高来自涡轮增压器57的增压度。在所述的两冲程泵气方式中，所述被选择的燃烧室44分组导致约两倍于以四冲程工作方式所通过透平59的空气流量。
所述的电子控制装置212响应于被检测的发动机10的工作参数而进行动作，这些工作参数包括有由废气涡轮增压器57所获得的增压度，而当此增压度向下降到已被确定的增压度值时，就使控制信号以所述的第二预定逻辑模式输向驱动装置76。
以两冲程泵气的方式工作的所选分组的燃烧室44的进气装置72在每一进气和膨胀冲程中被启动，以允许空气流进入所选分组的燃烧室44中;而所选定分组的燃烧室44的排气装置74在每一压缩和排气冲程中被启动。结果，通过活塞34从下止点位置向上止点位置的往复运动，空气被泵离所选分组的燃烧室44，有效地保持空气流往透平59并维持该增压度。被保持的空气流量将维持横跨在透平两端的压降，结果透平被驱动在发动机高速运行时所有的相同的高转速度上。这个高转速，依次把压缩机驱动在一高转速上从而产生一个建立起所述增压度的压缩空气压力。这个被提高的增压度和所增加的空气流量对完全燃烧特别是在过渡状态运行过程中是有利的，这使得在此过渡状态运行过程中，燃烧更多的燃油和取得更快的响应就成为可能。
本发明的其它方面，其目的和优点可从对附图、本说明书和权利要求书的研究中获得。

Claims (12)

1、一种适用于一涡轮增压发动机以改善其过渡响应特性的装置，所述的发动机包括有：若干个燃烧室；用于每个燃烧室的一进气口和一排气口；一个涡轮增压器，它具有一个有效地连接于所述进气口的压缩机和一个有效地连接于所述排气口的涡轮机，并具有一确定的增压范围；和一个活塞，它在每个燃烧室内在一上止点位置和一下止点位置之间往复地运动以形成一进气冲程，在下止点位置和上止点位置之间运动以形成一压缩冲程，在上止点位置和下止点位置之间运动形成一膨胀冲程和在下止点位置和上止点位置之间运动形成一排气冲程；所述的装置包括：
气体流量控制装置，它包括：进气装置，用于选择性地允许进气流入每个燃烧室内；和排气装置，用于选择性地允许排气流离每个燃烧室；
响应于一控制信号单独驱动每个进气装置和排气装置的驱动装置；和
电子控制装置，它响应于被检测的运行参数用于使所选择分组的燃烧室的进气装置被启动以允许空气流进入所述燃烧室和使所选择组的燃烧室的排气装置被启动，通过活塞从下止点位置向上止点位置的每次运动，以所述的发动机的两冲程泵气方式工作，把空气泵离燃烧室并泵入涡轮机以及由此增加通过涡轮机的气体流量并提高其增压度。
2、如权利要求1所述的一种装置，其特征在于，所述的进气装置包括有：若干个进气门，每个进气门有效地安置在一个进气口内;和进气门支承装置，用于相互地支承该进气门。
3、如权利要求2所述的一种装置，其特征在于，所述的进气门包括：一个进气门杆;一个设置在所述进气门杆的一端上的进气门头部和一个设置在其相反端上的进气门固定圈;以及所述的进气门支承装置包括：一进气门导管;它包围所述的进气门杆;和一围绕所述进气门杆设置的进气门弹簧。
4、如权利要求3所述的一种装置，其特征在于，所述的排气装置包括有：若干个排气门，每个排气门有效地安置在一个进气口内;和排气门支承装置，用于相互地支承所述的排气门。
5、如权利要求4所述的一种装置，其特征在于，所述排气门包括：一个进气门杆、一个设置在所述排气门杆的一端上的排气门头部和设置在其相反端上的排气门固定圈;以及排气门支承装置包括有：一个排气门导管，它包围着所述的排气门杆;和一个围绕所述排气门杆设置的排气门弹簧。
6、如权利要求1所述的一种装置，其特征在于，用于驱动的装置包括有一个压电马达。
7、一种适用于一个涡轮增压的四冲程方式的发动机的装置，所述的发动机包括有：若干个燃烧室;用于每个燃烧室的一进气口和一排气口;一个涡轮增压器，它有一个有效地连接于所述进气口的压缩机;一个有效地连接于所述排气口的涡轮机并具有一个确定的增压度;和一个活塞，它是在每个燃烧室内在上止点位置和下止点位置之间往复地运动以形成一个进气冲程，在下止点位置和上止点位置之间运动形成一个压缩冲程，在上止点位置和下止点位置之间运动形成一膨胀冲程，以及在下止点位置和上止点位置之间运动形成一个排气冲程;所述的装置包括：
流量控制装置，它包括：一进气门，它有效地安置在每一个进气口内以选择性地使空气流进燃烧室;一排气门，它有效地安置在每一个排气口内以选择性地使排气在所述的排气冲程中流离燃烧室;
响应于一个控制信号单独地驱动每个进气门和排气门的装置;和
电子控制装置，用于使一个所选定分组的燃烧室的进气门被驱动，允许空气流入燃烧室以及使一个所选定分组的燃烧室的排气门被启动，通过活塞从下止点位置向上止点位置的每次运动，以发动机的两冲程泵气方式工作把空气从所选定组的燃烧室泵入涡轮机和由此增加通过涡轮机的气体流量并增加其增压度，电子控制装置响应发动机的被检测的运行参数而动作。
8、如权利要求7所述的一种装置，其特征在于，所述的发动机包括有一个气缸盖，它设有一个缸盖顶表面，以及所述的气体流量控制装置还包括：进气门支承装置，它用于相互地支承在气缸盖内的进气门;和排气门支承装置，它用于相互地支承在气缸盖的排气门。
9、如权利要求8所述的一种装置，其特征在于，所述的进气门包括：一进气门杆、设置在进气门杆一端上的一进气门头部和设置在其相反端上的一进气门固定圈;以及一个进气门支承装置：包括安置在气缸盖内、包围着所述进气门杆的一个进气门导管和一个进气门弹簧，它围绕所述的进气门杆设置和伸展于缸盖顶表面和进气门固定圈之间。
10、如权利要求8所述的一种装置，其特征在于，所述的排气门包括有：一个排气门杆，一个设置在排气门杆一端上的排气门头部和设置在其相反一端上的一个排气门固定圈，以及排气门支承装置包括：一个设置在气缸盖内和包围排气门杆的排气门导管和一个排气门弹簧，它围绕排气门杆设置并伸展在缸盖顶表面和排气门固定圈之间。
11、如权利要求7所述的一种装置，其特征在于，用于驱动的装置包括有一压电马达。
12、一种操作一个发动机的方法，所述的发动机有若干燃烧室，用于每个燃烧室的一个进气口和一个排气口;一个涡轮增压器，它有一个压缩机，并有效地连结于所述的进气口;一个涡轮机，它有效地连接于所述的排气口和具有一个确定增压度;和一个活塞，它在每个燃烧室内于上止点位置和下止点位置之间往复地运动形成一个进气冲程，从下止点位置向上止点位置运动形成一个压缩冲程，从上止点向下止点运动形成一个膨胀冲程，以及从下止点位置向上止点位置运动形成一个排气冲程;所述方法包括的步骤是：
a.监控发动机的工况;
b.把一控制信号输往进气装置和排气装置;
c.响应于一控制信号单独地驱动每个进气装置和排气装置;
d.在每个进气和膨胀冲程中，驱动一个选定分组的燃烧室的进气装置以允许空气流入所述的燃烧室;以及
e.响应于活塞从下止点位置向上止点位置的运动，驱动所选定分组的燃烧室的排气装置，以一发动机的两冲程泵气方式工作，把空气从所述的燃烧室泵入涡轮机并相应地增加通过涡轮机的气体流量和提高其增压。
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