CN108757158A - 一种活塞发动机用涡轮增压器控制机构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活塞发动机用涡轮增压器控制机构及其控制方法，包括发动机本体及废气涡轮增压器，在所述发动机本体上设有进气歧管和排气歧管，其特征在于：所述进气歧管上设有感测进气压力的压力传感器，所述压力传感器连接输出信号至ECU控制器，所述ECU控制器通过步进电机控制设于排气管路中的废气旁通阀的开度来控制进入所述废气涡轮增压器的废气量，进而实现调控进气压力。本发明这种活塞发动机用涡轮增压器控制机构及其控制方法，其整体结构简化，调节精度高、响应快、进气增压压力波动小，具有较好的应用前景。

Description

一种活塞发动机用涡轮增压器控制机构及其控制方法

技术领域

本发明属于发动机技术领域，更具体的说涉及一种活塞发动机用涡轮增压器控制机构及其控制方法。

背景技术

增压器是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量，在汽车发动机和航空活塞发动机上应用广泛，以提高发动机的燃烧效率和升功率，并提高航空用发动机的高空性能。

增压器类型有废气涡轮增压式、机械增压式，以及废气涡轮增压与机械增压混合式，目前使用最多的是废气涡轮增压式，称为涡轮增压器。涡轮增压器主要由涡轮、压气机和控制机构三大部分组成，涡轮和压气机为同轴的叶片机构。其工作原理为：高温高压的废气(燃气)通过废气旁通阀进入到涡轮，废气在涡轮中膨胀做工，带动涡轮旋转，压气机利用涡轮功对进入压气机的空气进行压缩做工，压缩之后的空气进入发动机。涡轮增压器通过提高发动机进气压力和密度来提高发动机的燃烧效率和升功率，对于航空用发动机而言，还具有提升其高空性能的作用。

涡轮增压器的三大部分：涡轮、压气机和控制机构。控制机构包括传感器、控制器以及执行器，作用是通过调节废气旁通阀的开度来控制进气增压压力的大小。废气旁通阀开度越大，直接被排掉的废气越多，进入涡轮增压器蜗壳部分的废气越少，所以涡轮功少，进气增压压力就小。反之，废气旁通阀开度越小，进气增压压力越大。目前，废气涡轮增压器控制机构的控制器大多使用机械膜盒式，膜盒内膜片的一端连接至增压的第一端口，靠压强对膜片产生压力。另一端为连接废气旁通阀的推杆，及回位弹簧。增压压力超过一定限制，则通过膜片克服弹簧力推动推杆控制废气旁通阀放气(只实现保护功能)。因不能与控制系统行程闭环控制，控制精度较低，且因控制模式过于简单，增压器与发动机的匹配不能照顾各功率段，影响了发动机性能的发挥。同时在高原(增压一端压力与海平面时不同)、高温(空气密度不同)环境下影响较大。放气后回压响应缓慢，需要一定时间重新达到平衡。较新的一种控制模式在原有基础上增加了一个电控的三通阀，分别连通增压之后的空气(一般为进气歧管或稳压腔)、当前环境下的大气及膜盒室。因驱动废气旁通阀的力来自于增压压力，这种配置被称之为“基于增压”的配置。电控三通阀可以接收ecu信号，控制将增压一端或大气一端连接至膜盒，进而控制增压或放气。此种配置一定程度上改善了纯机械膜盒式控制的弊端。但因为此种配置仍然是基于增压的增压控制。大气压随海拔或气候条件而变化，会影响增压和大气之间的压力差，影响控制增压的能力。另外利用废气旁通阀控制增压以及利用增压驱动废气旁通阀的循环，意味着控制增压和使用增压驱动基于增压的废气旁通阀之间有紧密的内在联系，使得废气旁通阀的运转不可能以理想状况预测。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种结构简单、调节精度高、响应快、进气增压压力波动小的活塞发动机用涡轮增压器控制机构及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所提供的这种活塞发动机用涡轮增压器控制机构，包括发动机本体及废气涡轮增压器，在所述发动机本体上设有进气歧管和排气歧管，其特征在于：所述进气歧管上设有感测进气压力的压力传感器，所述压力传感器连接输出信号至ECU控制器，所述ECU控制器通过步进电机控制设于排气管路中的废气旁通阀的开度来控制进入所述废气涡轮增压器的废气量，进而实现调控进气压力。

为使上述技术方案更加详尽和具体，本发明还提供以下更进一步的优选技术方案，以获得满意的实用效果：

所述废气涡轮增压器包括涡轮和压气机，所述排气歧管连接至所述涡轮，所述压气机连接至所述进气歧管。

所述排气歧管通过排气主管连通至所述涡轮，在所述排气主管上设有连接至排气管路中的分支管路，所述废气旁通阀设于所述分支管路上。

所述步进电机通过挺杆连接所述废气旁通阀。

述废气旁通阀控制阀门开合的转轴上设有摇臂。

所述挺杆的一端与所述步进电机输出端通过螺纹连接，另一端铰接所述摇臂。

一种活塞发动机用涡轮增压器控制机构的控制方法，包括如下步骤：

1)设定ECU控制器目标压力值，即根据发动机运行工况确定所需进气增压压力值；

2)压力传感器测量当前实际增压压力值，并将数据传递个ECU控制器；

3)ECU控制器根据所需增压压力值和实际增压压力值计算出步进电机的位移量，并将信号传递给步进电机；

4)步进电机结构ECU控制器信号，进行相应的运动位移；

5)步进电机的运动通过挺杆及摇臂带动废气旁通阀，实现控制所述废气旁通阀的开度。

本发明这种活塞发动机用涡轮增压器控制机构及其控制方法与现有技术相比，具有以下优点：本发明这种活塞发动机用涡轮增压器控制机构及其控制方法，其整体结构简化，调节精度高、响应快、进气增压压力波动小，具有较好的应用前景。

附图说明

下面对本说明书的附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明涡轮增压器控制机构原理示意图；

图2为本发明涡轮增压器结构示意图；

图3为挺杆与步进电机连接结构示意图；

图4本发明控制方法流程示意图。

图中标记为：1、压力传感器，2、进气歧管，3、发动机本体，4、ECU控制器，5、排气歧管，6、废气旁通阀，7、步进电机，8、涡轮，9、压气机，10、挺杆，11、摇臂。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明这种活塞发动机用涡轮增压器控制机构，如图1、2所示，包括发动机本体3及废气涡轮增压器，在发动机本体上设有进气歧管2和排气歧管5，进气歧管2上设有感测进气压力的压力传感器1，压力传感器1连接输出信号至ECU控制器4，ECU控制器4通过步进电机控制设于排气管路中的废气旁通阀6的开度来控制进入废气涡轮增压器的废气量，进而实现调控进气压力。本发明的目的在于简化发动机涡轮增压器的控制机构结构，提升性能，主要是不受大气压力变化影响，提高系统的控制精度和响应速度，从而可根据发动机的不同工况及时、精确地调节进气增压压力大小。

可将直线丝杆步进电机或普通步进电机作为调节阀门开度的执行机构，直接由发动机电子控制单元ECU控制器4对步进电机7进行控制，解除了控制增压和使用增压驱动基于增压的废气旁通阀6之间的内在联系。这种控制机构结构简单、调节精度高、响应快、进气增压压力波动小。且因不需要大气压力直接参与，故不因任何环境条件影响调节精度。

本发明中，如图1、2所示，废气涡轮增压器包括涡轮8和压气机9，排气歧管5连接至涡轮8，压气机9连接至进气歧管2。排气歧管5通过排气主管连通至涡轮8，在排气主管上设有连接至排气管路中的分支管路，废气旁通阀6设于分支管路上。如图1中箭头所示，为气流方向，进气端的气体经压气机9增压由进气歧管2输送至发动机；排气歧管5排的废气经涡轮8增压后由压气机9连通至进气端，通过控制废气旁通阀6的开度来控制进入涡轮8的废气量，以实现控制进气增压，得到合适的进气压力。

本发明中，步进电机7通过挺杆10连接废气旁通阀6。废气旁通阀6控制阀门开合的转轴上设有摇臂11。如图3所示，挺杆10的一端与步进电机7输出端通过螺纹连接，另一端铰接摇臂11。步进电机7输出的角位移量通过与挺杆10之间的螺纹连接转化为挺杆10的线性位移，挺杆10又将线性位移转化为摇臂11的角位移，以控制废气旁通阀6的不同开度。以该机械式传动实现步进电机7控制废气旁通阀6开合大小。

一种活塞发动机用涡轮增压器控制机构的控制方法，如图4所示，包括如下步骤：

1)设定ECU控制器4目标压力值，即根据发动机运行工况确定所需进气增压压力值；

2)压力传感器1测量当前实际增压压力值，并将数据传递个ECU控制器4；

3)ECU控制器4根据所需增压压力值和实际增压压力值计算出步进电机7的位移量，并将信号传递给步进电机7；

4)步进电机7结构ECU控制器4信号，进行相应的运动位移；

5)步进电机7的运动通过挺杆10及摇臂11带动废气旁通阀6，实现控制废气旁通阀6的开度。

本发明活塞发动机用涡轮增压器控制机构，主要包括发动机本体3、废气涡轮增压器、废气旁通阀6、进气歧管2、排气歧管5、压力传感器1、ECU控制器4、步进电机7、挺杆10、摇臂11。

如图1所示的箭头表示气体流动方向，虚线表示电器元件之间的连接，双点划线内是废气涡轮增压器，包括压气机9和涡轮8。

根据下面的图1本发明原理示意图和图2本发明废气涡轮增压器结构示意图对本发明进行详细地描述：压力传感器1，进气歧管2，发动机本体3，ECU控制器4，排气歧管5，废气旁通阀6，步进电机7，增压器涡轮8，增压器压气机9，挺杆10，摇臂11。图3为本发明废气旁通阀执行部分局部示意图，步进电机7一端为螺杆，挺杆10一端为螺纹孔，步进电机7和挺杆10之间为螺纹连接。

本发明中，对于涡轮增压发动机，每一不同工况下都有一个目标进气增压压力值，根据此目标压力确定的废气旁通阀6的开度(即步进电机的角位移量)。确定废气旁通阀6开度，具体包括，由压力传感器1获取当前歧管压力值，ECU控制器4根据当前实际压力与目标压力值获得压力值差值，对测量压力值和目标压力值进行分析和对比，将以上两个压力差转化为步进电机7的角位移目标量，以及控制步进电机7的工作周期，通过ECU发送的PMW波(脉冲脉宽调制)控制步进电机7的运动。步进电机7输出的角位移量通过与挺杆10之间的螺纹连接转化为挺杆10的线性位移，挺杆10又将线性位移转化为摇臂11的角位移，以控制废气旁通阀6的不同开度。当使用直线丝杆步进电机时电机直接输出丝杆的直线位移驱动摇臂11。

本发明中，摇臂11往顺时针方向偏移一个角位移时，废气旁通阀6的开度变大，通过分支管路直接被排到大气中的废气增多，通过主管路进入涡轮8的废气减少，所以涡轮功减少，即用于增压进气的压气机9功率减少，所以进气增压压力减少。反之，摇臂11往逆时针方向偏移一个角位移，进气增压压力增大。

应明确当前平均技术水平下步进电机的技术特性，以直线丝杆步进电机为例：电机基座外廓尺寸28mm的电机可提供最大12mm的导程及12KG的推力。

本发明这种活塞发动机用涡轮增压器控制机构及其控制方法，其整体结构简化，调节精度高、响应快、进气增压压力波动小，具有较好的应用前景。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，但是本发明并不受限于上述方式，只要采用本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进或直接应用于其它场合的，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种活塞发动机用涡轮增压器控制机构，包括发动机本体及废气涡轮增压器，在所述发动机本体上设有进气歧管和排气歧管，其特征在于：所述进气歧管上设有感测进气压力的压力传感器，所述压力传感器连接输出信号至ECU控制器，所述ECU控制器通过步进电机控制设于排气管路中的废气旁通阀的开度来控制进入所述废气涡轮增压器的废气量，进而实现调控进气压力。

2.按照权利要求1所述的活塞发动机用涡轮增压器控制机构，其特征在于：所述废气涡轮增压器包括涡轮和压气机，所述排气歧管连接至所述涡轮，所述压气机连接至所述进气歧管。

3.按照权利要求2所述的活塞发动机用涡轮增压器控制机构，其特征在于：所述排气歧管通过排气主管连通至所述涡轮，在所述排气主管上设有连接至排气管路中的分支管路，所述废气旁通阀设于所述分支管路上。

4.按照权利要求3所述的活塞发动机用涡轮增压器控制机构，其特征在于：所述步进电机通过挺杆连接所述废气旁通阀。

5.按照权利要求4所述的活塞发动机用涡轮增压器控制机构，其特征在于：所述废气旁通阀控制阀门开合的转轴上设有摇臂。

6.按照权利要求5所述的活塞发动机用涡轮增压器控制机构，其特征在于：所述挺杆的一端与所述步进电机输出端通过螺纹连接，另一端铰接所述摇臂。

7.一种活塞发动机用涡轮增压器控制机构的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)设定ECU控制器目标压力值，即根据发动机运行工况确定所需进气增压压力值；

2)压力传感器测量当前实际增压压力值，并将数据传递个ECU控制器；

3)ECU控制器根据所需增压压力值和实际增压压力值计算出步进电机的位移量，并将信号传递给步进电机；

4)步进电机结构ECU控制器信号，进行相应的运动位移；

5)步进电机的运动通过挺杆及摇臂带动废气旁通阀，实现控制所述废气旁通阀的开度。