CN1944981A - 一种增压内燃机的排气分段装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了内燃机领域内的一种增压内燃机的排气分段装置，包括与单缸排气阀出口相连的单缸排气道、设有涡轮进气口与涡轮排气口的涡轮机，涡轮机排气口接通排烟总管，还包括至少两根排气管，其中至少有一根排气管与涡轮进气口相连，剩余排气管接通排烟总管；每一单缸排气道与至少两根排气管之间设有可快速启闭的排气辅助控制阀；排气辅助控制阀的启闭定时与相应排气阀的配气定时的相位相对应，使每一单缸排气分为至少两个短的排气持续期并排入对应的排气管；每一单缸中相位靠前的排气持续期的废气进入的排气管均与涡轮进气口相连。本发明可使内燃机在废气能量的传递效率ηE较高的基础上，同时使涡轮效率ηT较高。

Description

一种增压内燃机的排气分段装置

技术领域

本发明涉及一种二冲程、四冲程内燃机，特别涉及废气涡轮增压、增压中冷内燃机的排气系统。

背景技术

对于废气涡轮增压内燃机(包括增压中冷内燃机，以下同)，废气能量的利用，直接关系到废气涡轮增压内燃机的效率，也就直接关系到增压内燃机的效率。这是由于废气涡轮增压系统就是通过内燃机的排气能量来驱动涡轮增压器工作。涡轮增压系统对废气能量的利用，常见的有两种基本型，分别为脉冲废气涡轮增压系统和定压废气涡轮增压系统。

与本发明最接近的背景技术为脉冲增压系统，包括由涡轮机和压气机组成的增压器，涡轮机上设有涡轮进气口和排气口，涡轮进气口与相应的排气管相连，排气管数目与涡轮进气口数目相等并一一对应，各排气管接相应的单缸排气道，各单缸排气道直接与单缸排气阀出口相连，增压器的排气口接通排烟总管，该增压器可以是单个增压器，也可以是包括顺序相连的高级增压器和初级增压器的二次增压系统；为避免排气相互干扰，单缸排气道分成与涡轮进气口数目相同的组，并使同一组中各单缸的排气相位均匀错开；每组单缸排气道对应一根排气管，相应的单缸排气管分别与排气管相连；脉冲废气涡轮增压系统的特点是使排气管中的压力造成尽可能大的压力变动，为此，把涡轮增压器尽量靠近气缸，把排气管做得短而细，并且几个单缸(通常是3个)连通一根排气管；为避免干扰，在理论上最好是向同一排气管排气的两个气缸的的排气间隔角(四冲程机，φ＝720/i；两冲程φ＝360/i)应等于或大于排气持续角，排气间隔角随着气缸数目的增加而减小；但另一方面，如果排气管内排气发生间断时，涡轮效率就要降低。这样，在每根排气管中就形成几个连续的、互补干扰的排气脉冲波，并进入涡轮机中。同时根据排气管形成的数目，使它们互补干扰。因而脉冲废气涡轮增压系统的废气能量的传递效率ηE较高。

脉冲增压系统的核心是每组单缸排气道对应一根排气管，每组单缸排气道在其对应的气缸排气时，没有相互干扰或干扰较小，相应的单缸排气管分别与排气管相连，因而脉冲增压系统废气能量的传递效率ηE较高，由于每组的最大个数一般不超过3个气缸排气道，涡轮效率ηT相应较低。

定压废气涡轮增压系统的特点是涡轮机内的压力基本是恒定的。它把内燃机单缸排气道经排气支管连于一根排气总管上，而排气总管的截面积尽可能做得粗一些，这样一来，排气总管就起了节气箱的作用，这时虽然各气缸的排气时间是岔开的，但是由于排气总管的稳压作用，因而在排气支管的压力振荡是较小的，定压废气涡轮增压系统涡轮效率ηT较高。

涡轮增压系统的有效指标K＝ηE×ηT×ηB×ηM，ηB是压气机效率，ηM是涡轮增压器的机械效率，ηB、ηM在本发明中，可认为是常数。为提高废气涡轮增压内燃机性能，人们一直在努力提高废气涡轮增压系统有效指标K。要提高废气涡轮增压系统有效指标K值就要对内燃机的工作状态进行分析，下面结合四冲程增压柴油机的理论示功图(见图1)，分析说明可被涡轮增压器利用的柴油机排气中的能量(该分析原理同样适用其它废气涡轮增压内燃机)。

如图1所示，面积1-2-a-3-1为压气机耗功，其中面积8-2-a-6-8为进入发动机气缸并留在气缸内的空气的压缩耗功，面积1-8-6-3-1为扫气空气的压缩耗功。面积a-c-z-z1-b-a为柴油机缸内气体膨胀功，面积6-7-4-a-6为柴油机泵吸正功，这两块面积之和为柴油机指示功。面积b-9-K1-b为柴油机排气门打开时排气等熵膨胀至大气压力pa时所能作的功，用Eb表示，其中面积b-4-T1-b为排气经排气门节流和排气管中自由膨胀所损失的能量，用E1表示；另一部分，即面积4-9-K1-T1-4为排气在涡轮中进一步膨胀所回收的能量，用ET表示，则

Eb＝E1+ET

面积1-K-T-5-1为涡轮中排气的总能量，用E2表示，由四部分组成：(1)面积1-8-7-5-1为扫气空气进入涡轮后具有的能量，用Es1表示；(2)面积8-9-4-7-8为活塞推出排气使排气增加的能量，用Ec表示；(3)面积4-9-K1-T1-4为排气在涡轮中的膨胀功，即ET；(4)面积T1-K1-K-T-T1为损失的能量中的一小E1部分，转变为热能，加热排气，使焓值增加而得的附加能量，用Eq表示，故

E2＝Es+Ec+ET+Eq

由此可见，排气的最大可用能E由三部分组成：(1)排气门打开时，气缸内气体等熵膨胀到大气压力所作的功；(2)活塞推出排气，排气得到的能量Ec；(3)扫气空气所具有的能量。

Es＝Es1+Es2

式中，Es2为面积5-7-6-3-5所代表的扫气空气节流损失。

这样，排气的最大可用能量可表示如下

E＝Eb+Ec+Es＝E1+ET+Ec+Es

能量传递中的损失：排气门前排气具有的能量，在流经排气门、气缸盖排气道、排气管，最后到达涡轮前，存在着一系列的损失，总能量损失ΔE包括如下几个方面：

ΔE＝ΔEv+ΔEc+ΔED+ΔEM+ΔEF+ΔEh

式中，ΔEv为流经排气门处的节流损失；ΔEc为流经各种缩口处的节流损失；ΔED为管道面积突扩时的流动损失；ΔEM为不同参数气流掺混和撞击形成的损失；ΔEF为由于气体的粘性而形成的摩擦损失；ΔEh为气流向外界散热所形成的能量损失。这些损失直接影响着排气的能量可被涡轮回收的程度，也是排气涡轮增压柴油机排气涡轮增压系统设计和改进时所必须关注的重要方面。

ΔEv是能量传递中的主要损失，约占总损失的60％～70％。尤其是在初期排气，气缸中高压高温气体流出时，因排气管中压力低而形成超临界流动，所以减少这部分节流损失对提高排气中能量的利用率是很重要的。

若要利用排气的″脉冲能″，即图1中面积b-4-T1-b所代表的能量E1，则排气管的容积要小，排气管中的压力就有波动。这种增压涡轮增压系统称为脉冲增压涡轮增压系统，又称变压增压涡轮增压系统。若不利用排气脉冲能E1，则用较大的排气管容积，这样脉冲能便转化为热能，提高了涡轮前的排气温度，所以进入涡轮前回收了一块面积T1-K1-K-T-T1的能量，用ΔE1表示，这就是从损失掉的E1中回收的一部分。这种涡轮增压系统称为定压增压涡轮增压系统。

总的说来，脉冲增压涡轮增压系统与定压增压涡轮增压系统相比，脉冲增压涡轮增压系统在废气能量利用方面有着明显的优越性。但也有其不足之处：即随着增压压力的提高，排气背压也在提高，在废气能量利用方面的收益就逐渐减小，使脉冲增压器涡轮机ηT较低。

同时涡轮增压内燃机是叶轮旋转式机械和往复运动式机械的组合，不能同时较好满足低工况(低速全负荷)、高工况(高速全负荷)对运行要求。柴油机涡轮增压后，低工况时系统的供气量跟不上。究其原因，主要是自然吸气系统被涡轮增压系统取代后，叶轮式压气机提供的进气压力直接取决于压气机本身吸收的能量以及同轴给压气机提供驱动动力的径流式涡轮究竟吸收了多少来自内燃机的排气能量。显然，它主要取决于二个因素，一是表征内燃机排气门处经增压系统的排气管系到涡轮入口处排气能量损失程度的废气能量传递效率ηE；二是表征涡轮增压器内部燃气的综合能量利用情况的涡轮增压器综合效率ηTB。由于在低工况时，排气能量的传递效率随转速和负荷的下降而明显降低。此外在低工况时.涡轮增压内燃机增压器的综合效率也明显降低。因此低工况时，涡轮增压内燃机的涡轮与压气机的能量平衡不可能实现；而在发动机处于高工况时，排气能量大、增压器综合效率ηTB又高，涡轮的可用能比压气机所需的要高得多，往往又会出现涡轮超速、增压比过大、最高燥发压力过高等现象。如，车用增压柴油机低工况时增压压力不足的现象最突出。

发明内容

本发明的目的是提供一种增压内燃机的排气分段装置，使其在排气能量E1损失较小的情况下，即在废气能量的传递效率ηE较高的基础上，同时使涡轮效率ηT较高。

为实现上述目的，本发明提供的一种增压内燃机的排气分段装置，包括增压器和单缸排气道，单缸排气道直接与单缸排气阀出口相连，增压器的涡轮机上设有涡轮进气口和涡轮排气口，涡轮机排气口接通排烟总管，该装置还包括至少两根排气管，其中至少有一根排气管与增压器的涡轮进气口相连，剩余排气管接通排烟总管；每一单缸排气道与至少两根排气管之间设有可快速启闭的排气辅助控制阀；每一单缸的所有排气辅助控制阀的启闭定时与相应排气阀的配气定时的相位相对应，使每一单缸完整的排气过程划分为至少两个短的排气持续期，并使分段的排气持续期的废气进入相应的排气管，每一单缸中相位靠前的排气持续期对应的排气管与涡轮进气口相连。

本发明工作时，每一单缸完整的排气过程划分为至少两个短的排气持续期，并分段进入相应的排气管；每一单缸中相位靠前的排气持续期对应排气管均与涡轮进气口相连，能保证主要的可用排气能量提供涡轮增压器的涡轮机使用；由于每一单缸完整的排气过程划分为至少两个短的排气持续期，可以随同一排气管连接气缸数的增加，而使更多气缸的、相位靠前的、短的排气持续期的废气进入同一排气管，而相应单缸之间的排气相位靠前的排气持续期内没有干扰或干扰较小，使ΔEv损失较小，而ΔEv是能量传递中的主要损失，约占总损失的60％～70％，从而使排气能量E1损失较小；由于同一排气管连接排气缸数的增加，减小了排气管的压力振荡，从而使涡轮效率ηT较高；而较优方案是：所有向同一排气管排气的两个气缸的的排气间隔角等于或大于新划分的排气持续角，即根据增压内燃机气缸数目的增加，每一单缸排气持续期的个数也在增加，并使具有相同排气持续期的废气进入同一排气管；另一较优方案是排气末段的低压废气直接排入到压力较低的涡轮机的排气口和/或二次涡轮增压器的涡轮机的排气口(即直接接排烟总管)，降低了背压，还可以使气缸换气更加充分；这样就可以增压内燃机在较低的排气背压情况下，满足增压内燃机的进气要求，使增压内燃机的效率较高，最终使活塞推出排气能量Ec减小，使增压内燃机的有效能量损失较小。通过角度提前器对排气分段装置的动态控制，可同时改善低工况、高工况运行性能。

上述技术方案中需要快速启闭的排气辅助控制阀，所述排气辅助控制阀可以是电控阀，也可以是如下的机械控制阀，即所述排气辅助控制阀包括内转子、套装在内转子上的外转子和位于外转子外的阀体，内转子中空且一端封闭，另一端为开口端，内转子、外转子和阀体的侧面分别开设有相对应的至少一组阀口，内转子的封闭端经轴连接一从动外齿轮，外转子的相应端部设有从动内齿轮，一安装在输入轴端部的主动齿轮分别与从动外齿轮和从动内齿轮相啮合。使用时，使阀体上的阀口或内转子的开口端中的任一端接各缸排气道，另一端接排气管，输入轴转动时，驱动内转子和外转子逆向运动，当运动到内转子、外转子和阀体侧面的阀口相互重叠或部分重叠时，排气辅助控制阀的阀口即处于开启状态，其他状态下，排气辅助控制阀的阀口处于关闭状态；由于内转子和外转子逆向转动，阀的启闭速度是内转子和外转子速度的叠加，使排气辅助控制阀的阀口可以实现大开度并能迅速启闭；输入轴与正时齿轮传动连接，可使各单缸的多个排气辅助控制阀的阀口与正时相对应并顺序开启。

上述机械式排气辅助控制阀可以有如下几种更具体的结构：

其一，内转子、外转子和阀体侧面的阀口为一组，与单缸排气道连接的排气辅助控制阀数目与排气管数目相等，阀体侧面的阀口或内转子的开口端中的任一端接单缸排气道，另一端接相应排气管。

其二，内转子、外转子和阀体侧面的阀口数目与排气管数目相等，内转子的开口端接单缸排气道，阀体侧面的各阀口分别接相应排气管。

其三，与单缸排气道相连的排气辅助控制阀数目至少为两只，两只排气辅助控制阀阀体侧面的阀口数目之和与排气管数目相等，；各内转子的开口端分别接单缸排气道，阀体侧面的各阀口分别接相应排气管。

其四，与单缸排气道相连的排气辅助控制阀数目至少为两只，各排气辅助控制阀阀体侧面的阀口数目与气缸数相等；各内转子的开口端分别接相应排气管，阀体侧面的各阀口分别接相应各缸的排气道。

作为本发明的进一步改进，所述各单缸的顺序开启的相邻两排气持续期的开启相位有部分重叠；与排烟总管相连的排气管所对应的排气持续期起始相位滞后于所有与涡轮进气口相连的排气管所对应的排气持续期起始相位。尽管排气辅助控制阀阀口启闭速度较快，但还是需要一定时间，在前面一个排气辅助控制阀阀口已关闭、后面一个排气辅助控制阀阀口尚未开启时，会加大气缸排气过程的阻力。而各单缸的顺序开启的相邻两排气持续期的开启相位有部分重叠，就可减小气缸排气过程的阻力。

作为本发明的一种优化方案，输入轴和柴油机的正时机构之间设有角度提前器。角度提前器为现有技术中的已有技术；由于两排气持续期的开启相位的部分重叠的最佳角度值、第一个开启的排气辅助控制阀的阀口开启角度的最佳值是随内燃机的转速、负荷的变化而变化的，角度提前器的设置，使各单缸的顺序开启的相邻两排气持续期的开启相位的重叠量可以动态调整，同时也使各单缸相位靠前的排气持续期的开启角度可动态调整，以达到最佳工况。

作为本发明的更进一步改进，所述增压器包括顺序相连的初级增压器和高级增压器，初级增压器的排气口接通排烟总管，至少一根排气管接高级增压器涡轮机进气口；剩余排气管与初级增压器涡轮机废气进口和/或排烟总管相连；每一单缸中相位靠前的排气持续期对应的排气管与高级涡轮进气口相连。剩余排气管与初级增压器涡轮机废气进口和/或排烟总管相连的含义指：剩余排气管与初级增压器涡轮机废气进口相连，或者与排烟总管相连，还可以是部分与初级增压器涡轮机废气进口相连，其余部分与排烟总管相连；作为本方案的一种具体结构形式，接初级增压器涡轮机进气口的排气管所对应的排气持续期的相位滞后于接高级增压器涡轮机进气口的各排气管所对应的排气持续期的相位，与排烟总管相连的排气管所对应的排气持续期的相位最后。上述技术方案使本发明可应用在二次增压系统中。

附图说明

图1四冲程增压柴油机的理论示功图；

图2本发明的一种八缸柴油机排气装置结构示意图；

图3一种排气辅助控制阀的结构示意图；

图4为图3的M1-M1剖视图；

图5为图3的M2-M2剖视图；

图6为图3的M8-M8剖视图；

图7八缸柴油机单缸排气阶段角面值及排气辅助控制阀阀口排气持续期示意图；

图8本发明一种六缸柴油机排气装置示意图；

图9另一种排气辅助控制阀的结构示意图；

图10为图9的M-M剖视图；

图11六缸柴油机单缸排气阶段角面值及排气辅助控制阀阀口排气持续期示意图；

图12本发明一种四缸柴油机结构排气装置示意图；

图13本发明一种六缸柴油机结构二次增压排气装置示意图；

具体实施方式

具体实施例中，均以四冲程增压柴油机为实施例，除专门标注的地方外，实施例均适用于其它增压内燃机。

实施例1

如图2，为一种增压内燃机排气分段装置，该排气分段装置为八缸(对应缸号为I-VIII)四冲程柴油机优化的排气分段装置，包括增压器和单缸排气道，增压器10的涡轮机20，涡轮机20设有3个涡轮进气口和一个涡轮排气口，增压器的排气口接通排烟总管30；8个单缸排气道1-P、2-P、3-P、4-P、5-P、6-P、7-P、8-P直接与各单缸排气阀出口相连；每一单缸排气道与3根排气管之间分别设有可快速启闭的排气辅助控制阀F1、F2、F3，3根排气管G1、G2、G3分别与涡轮机20的3个相应废气进气口相连；每一单缸的排气辅助控制阀的启闭与相应排气阀的配气正时的相位相对应，使每一单缸完整的排气过程划分为3个短的排气持续期，并使3个分段的排气持续期的废气分别进入对应的G1、G2、G3排气管；每只排气辅助控制阀包括内转子101、套装在内转子上的外转子102和位于外转子外的阀体103，内转子101中空且一端封闭，另一端为开口端，开口端与相应排气管进气端相连，以一只排气辅助控制阀F1为例(见图3-6)，排气辅助控制阀F2、排气辅助控制阀F3与排气辅助控制阀F1结构相同；排气辅助控制阀F1包括内转子101、外转子102和阀体103，内转子101、外转子102和阀体103的侧面分别开设有相对应的8组阀口，分别对应为1-1至8-1(排气辅助控制阀F2对应的阀口为1-2至8-2，排气辅助控制阀F3对应的阀口为1-3至8-3)，排气辅助控制阀F1内的内转子、外转子侧面的阀口相位角位置相错；内转子101的封闭端经轴连接一从动外齿轮104，外转子102的相应端部设有从动内齿轮105，一安装在输入轴106(相对应的输入轴分别为106-n，n为排气辅助控制阀的编号)端部的主动齿轮107分别与从动外齿轮和从动内齿轮相啮合，输入轴与正时齿轮传动连接。通过阀口位置的相对位置变化，可实现排气辅助控制阀阀口的开启与关闭；3只阀的内转子的开口端分别接相应排气管，阀体侧面的各阀口分别接相应各缸的排气道；3只排气辅助控制阀F1、F2、F3外转子外的阀体103可以与排气管连为一体(根据增压内燃机空间条件排气辅助控制阀亦可布置在排气管内、或布置在排气道内)，每只排气辅助控制阀内的8组阀口与相应排气阀的配气正时的相位相对应的启闭角度相对应；内转子转速∶外转子的转速∶内燃机凸轮轴转速＝3∶1∶1；为实现排气辅助控制阀的快速启闭，所述内转子转速∶外转子的转速∶内燃机凸轮轴转速可为5∶1∶1、4∶1∶1、3∶1∶1、2∶1∶1，一般选取内转子转速∶外转子的转速∶内燃机凸轮轴转速＝3∶1∶1，只是因为，在满足各排气辅助控制阀阀口角度的条件下，希望内转子、外转子速度越快越好；各单缸的顺序开启的相邻两排气持续期的开启相位有部分重叠；F1的输入轴和柴油机的正时机构之间设有角度提前器T1，F2的输入轴和柴油机的正时机构之间设有角度提前器T2，F3的输入轴和柴油机的正时机构之间未设有角度提前器。这样，每一单缸的3个阀口把相应气缸的完整的排气过程分成依次相连的、相邻两个过程部分重叠、3个短的排气持续期，3个短的排气持续期的废气分别进入3根排气管G1、G2、G3，并使进入排气管G1的废气的排气持续期的相位都是一样的，进入排气管G2的废气的排气持续期的相位都是一样的，进入排气管G3的废气的排气持续期的相位也都是一样的。内、外转子的转速越大，所有单个阀口(如阀口1-1)启闭速度越快，但阀口1-1从开启到关闭的可调整范围(角度)越小；内转子101、外转子102转速确定后，内转子101上阀口角度α1、外转子102阀口角度β1，确定了排气辅助控制阀阀口1-1从开启到关闭的角度范围；同时阀口1-1的长度L1也影响到阀口1-1开启截面，进而影响启闭速度的设定；每只排气辅助控制阀内的侧面的每个阀口从开启到关闭的角度是相等的。输入轴与正时齿轮传动之间未设置角度提前器的，可认为输入轴所涉及的排气辅助控制阀提前角度为零。

工作时，每缸的排气辅助控制阀把单缸排气分成3个有重叠的、依次相连的排气持续期；通过阀口位置的相对位置变化，可实现排气辅助控制阀阀口的开启与关闭，使具有相同排气能量的分段废气进入同一排气管；通过输入轴与正时齿轮传动之间可部分或全部设置角度提前器，可同时改善低工况、高工况运行性能，具体见以下说明。图7中以四冲程八缸增压内燃机的1缸排气阶段角面值及排气辅助控制阀阀口排气持续期示意图，并说明角度提前器的作用，该说明同样适用于其它内燃机。其中：

θ1表示排气门开启与排气辅助控制阀阀口1-1的排气持续期开启的角度差，对于θ1的调整，主要是在发动机某一工况下，在满足增压内燃机使用要求时，使排气膨胀功损失最小、同时使活塞排气及时；对于四冲程内燃机、二冲程带排气阀的内燃机，θ1一般取正值，可减小排气膨胀功损失；对于二冲程带排气口的增压内燃机，由于排气口开启的速度相当快，θ1一般取负值，本实施例中通过角度提前器T1调整，对于二冲程带排气口的增压内燃机，可使θ1一般为一固定负值而不设置角度提前器T1。

θ2表示排气辅助控制阀阀口1-1的排气持续期与排气辅助控制阀阀口1-2的排气持续期开启期间的重叠角度，在两个阀的重叠期间，某单缸的排气是同时向涡轮机的两个通道在同时排气，与未重叠时的排气相比，实际上是改变了某单缸的排气进入涡轮机的流通截面。增压内燃机高工况时θ2加大，使废气在重叠期间尽快排空，增压内燃机低工况时θ2减小，提高废气的能量利用；本实施例中通过角度提前器T1、T2共同调整。

θ3表示排气辅助控制阀阀口1-2的排气持续期与排气辅助控制阀阀口1-3的排气持续期开启期间的重叠角度，原理与θ2一样。本实施例中通过角度提前器T2调整(本实施例中没有角度提前器T3，如有角度提前器T3，则通过角度提前器T2、T3共同调整)；

θ4表示排气辅助控制阀阀口1-1的排气持续期从开启到关闭的角度，使废气排入G1排气管。

θ5表示排气辅助控制阀阀口1-2的排气持续期从开启到关闭的角度，使废气排入G2排气管。

θ6表示排气辅助控制阀阀口1-3的排气持续期从开启到关闭的角度，使废气排入G3排气管。

θ7表示排气辅助控制阀阀口1-3的排气持续期关闭与排气门关闭的角度差，本实施例中不调整，因θ7可调范围较小(本实施例中没有角度提前器T3，如有角度提前器T3，则可通过角度提前器T3调整)。

根据增压内燃机的使用用途，可对θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7的角度进行优化选择。如在输入轴和正时机构可设置角度提前器，角度提前器为现有技术中已有的产品，通过改变输出与输入的相对位置，使输出相位发生变化；角度提前器可使θ1、θ2、θ3的角度可随增压内燃机的转速变化或随转速、负荷而变化。根据优化效果，也可仅对部分排气辅助控制阀前安装角度提前器涡轮增压系统。

其它7个缸的排气辅助控制阀工作原理与1缸一样，只是根据它们各自排气凸轮相位进行相应的变化，排气辅助控制阀阀口把各自的废气排入相应的排气管：即阀口1-1至阀口8-1的废气排入G1排气管；阀口1-2至阀口8-2的废气排入G2排气管；阀口1-3至阀口8-3的废气排入G3排气管。

通过把单缸完整的排气过程分成几个短的排气持续期，而单缸每个短的排气持续期排出的废气可用能量是不同的，如自由排气阶段的能量要大于强制排气阶段。根据增压内燃机具体缸数与使用要求，把单缸完整的排气过程分成几部分，这样就使更多气缸具有相同的短的排气持续期的废气与同一排气管相连而单缸之间没有干扰或干扰较小，可用排气能量E1损失较小；同时由于同一排气管排气缸数的增加，减小了排气管的压力振荡，使涡轮效率ηT较高；最终使活塞推出排气能量Ec减小，使增压内燃机的有效能量损失较小；单缸排气辅助控制阀划分排气持续期的基本原则是：缸数越多的废气进入一根排气管，单缸排气辅助控制阀划分的排气持续期的个数越多，每个排气持续期的持续角越小；在本实施例中单缸排气辅助控制阀分别为3只，排气持续期的个数为3，涡轮各进口通道截面相等也可以不相等，角度提前器为二只。为提高废气能量利用效率与满足增压内燃机具体使用用途，单缸排气持续期的个数、持续期的持续角度及涡轮各进口通道截面，可由试验最终确定。

本发明并不局限于上述实施例，上述实施例中每一单缸中只要保证每一单缸中相位靠前的持续期对应的排气管均与涡轮进气口相连，剩余排气管均可接通排烟总管，即可实现发明目的。本实施例中无剩余排气管接通排烟总管，可看做是剩余排气管数为零的特例。

实施例2

如图8为又一种涡轮增压排气分段装置，该排气分段装置为六缸(对应缸号I-VI)四冲程柴油机优化的排气装置，包括增压器10和单缸排气道，增压器10涡轮机20上设有2个涡轮不等通道截面的进气口和一个涡轮排气口，增压器的排气口接通排烟总管30；6个单缸排气道1-P、2-P、3-P、4-P、5-P、6-P，各单缸排气道直接与单缸排气阀出口相连；每一单缸排气道与3根对应的排气管G1、G2、G3之间设有两只可快速启闭的排气辅助控制阀；所述排气辅助控制阀，包括内转子101、套装在内转子101上的外转子102和位于外转子102外的阀体103，内转子101、外转子102和阀体103侧面设有相对应的阀口，各内转子101的开口端分别接单缸排气道，阀体103侧面的各阀口分别接相应排气管；单缸内的内转子101、外转子102和阀体103侧面的阀口总数目为3，与排气管数目相等，单缸内阀体103侧面的3个阀口分别接相应的3个排气管；每个单缸排气道都与2只阀内转子101的开口端相连，其中1只排气辅助控制阀FI-1(I表示气缸数，下同)的阀体103侧面的各阀口数目为1、另一只排气辅助控制阀FI-2的阀体103侧面的阀口数目为2，每个单缸的每个阀口I-1与相应排气阀的配气正时的相位相对应的启闭角度对应、每个单缸的每个阀口I-2与相应排气阀的配气正时的相位相对应的启闭角度对应、每个单缸每个阀口I-3与相应排气阀的配气正时的相位相对应的启闭角度也相对应；每一缸对应的相位靠前的排气持续期的排气辅助控制阀FI-1的阀口I-1相连的排气管G1与增压器10的涡轮机的一个小通道截面的废气进气口相连，相位处于中间的排气持续期的排气辅助控制阀FI-2的阀口I-2相连的排气管G2与增压器10的涡轮机的另一个废气进气口相连，剩余的相位相对滞后的排气持续期的排气辅助控制阀FI-2的阀口I-3相连的排气管G3直接接通排烟总管30；内转子101转速∶外转子102的转速∶内燃机凸轮轴转速＝3∶1∶1；各单缸的顺序开启的相邻两排气持续期的开启相位有部分重叠；FI-1的输入轴和柴油机的正时机构之间设有角度提前器T1，FI-2的输入轴和柴油机的正时机构之间设有角度提前器T2。这样，每一单缸的3个阀口把相应气缸的完整的排气过程分成依次相连的、相邻两个过程部分重叠的3个短的排气持续期，3个短的排气持续期分别进入3根排气管G1、G2、G3，相位靠前的、相位中间的排气持续期的废气的流入的排气管与涡轮进气口相连，剩余排气管接通排烟总管；以一只排气辅助控制阀FI-1为例(见图9-10)，同时兼带阀FI-2说明。FI-1包括内转子101、外转子102和阀体103，内转子101、外转子102和阀体103的侧面设有相对应的1组阀口(1-1至6-1)，FI-2的侧面设有相对应的2组阀口(一组为1-2至6-2，另一组为1-3至6-3)，单缸内的内转子101、外转子102侧面的阀口相位角位置相错；阀FI-1内转子101的封闭端经轴连接一从动外齿轮104，外转子102的相应端部设有从动内齿轮105，一安装在输入轴106(相对应的各缸的输入轴分别为106-I-n，I为缸号，I-n为排气辅助控制阀的编号或阀口编号，下同)端部的主动齿轮107分别与从动外齿轮和从动内齿轮相啮合，输入轴与正时齿轮传动连接。通过阀口位置的相对位置变化，可实现排气辅助控制阀的开启与关闭；通过由正时齿轮传递过来的输入轴106带动内转子101、外转子102反相旋转。阀FI-1与输入轴与正时齿轮传动之间设置角度提前器T1，阀FI-2与输入轴与正时齿轮传动之间设置角度提前器T2。

工作时，单缸的排气辅助控制阀的启闭与凸轮轴排气相位相对应，排气时，排气辅助控制阀阀口顺序快速启闭，每个控制阀开启和关闭过程所占据的相位角较小，使得在单缸上能实现分段排气，这样就可使更多气缸具有相同排气能量的排气段与同一排气管相连，而单缸之间没有干扰，可使排气能量E1损失较小；使排气持续期的靠前的废气进入涡轮小通道截面的进气口，可提高废气能量利用，相位处于中间的废气进入涡轮大通道截面的进气口，可较快降低排气背压；将排气末段的低压排气直接排入到压力较低的排烟总管，降低了排气背压，还可以使气缸换气更加充分；同时由于同一排气管排气缸数的增加，减小了排气管的压力振荡，使涡轮效率ηTB较高；最终使活塞推出排气能量Ec减小，使增压内燃机的有效能量损失较小；通过输入轴与正时齿轮传动之间设置角度提前器，可同时改善低工况、高工况运行性能，具体见以下说明。图11中以四冲程六缸增压内燃机的1缸排气阶段角面值及排气辅助控制阀阀口排气持续期示意图，该说明同样适用于其它内燃机。其中：

θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6的说明与实施例1相同，θ7表示排气辅助控制阀阀口1-3的排气持续期关闭与排气门关闭的角度差，本实施例中与实施例2有所不同，因气缸内的第三段排气持续期的废气是直接接通涡轮机的排烟总管，与θ7的实施例2相比，可调范围较大，本实施例中通过角度提前器T2调整，调整范围与θ3一样。

通过把单缸完整的排气过程分成3个短的排气持续期，这样就可使6缸具有相同排气能量的排气段与同一排气管相连而单缸之间没有干扰，可用排气能量E1损失较小；同时由于同一排气管排气缸数的增加，减小了排气管的压力振荡，使涡轮效率ηT较高；最终使活塞推出排气能量Ec减小，使增压内燃机的有效能量损失较小；单缸3个排气辅助控制阀阀口根据排气门开闭规律，分时段的使排气道的气体进入相应的3个排气管。在本实施例中单缸排气辅助控制阀分别为3个，排气持续期的个数为3，涡轮各进口通道截面不相等，1根末段的低压排气直接排入到压力较低的排烟总管。

上述实施例中，涡轮进气口的通道截面也可以相等。

实施例3

如图12，为一种四冲程四缸(对应缸号I-IV)增压柴油机排气分段装置，包括增压器10和4个单缸排气道，单缸排气道直接与单缸排气阀出口相连，增压器10的涡轮机20设有1个涡轮进气口和一个涡轮排气口，增压器的排气口接通排烟总管30；4个单缸排气道1-P、2-P、3-P、4-P直接与各单缸排气阀出口相连；每个单缸排气道都与2只排气辅助控制阀的内转子的开口端相连，各缸对应的排气辅助控制阀为1-1至4-1及1-2至4-2，各辅助控制阀的结构均相同，排气辅助控制阀(见图9、图10)包括内转子、套装在内转子上的外转子和位于外转子外的阀体，内转子中空且一端封闭，另一端为开口端，内转子101、外转子102和阀体103的侧面分别开设有相对应一组阀口；内转子101的封闭端经轴连接一从动外齿轮105，外转子103的相应端部设有从动内齿轮104，一安装在输入轴106端部的主动齿轮107分别与从动外齿轮105和从动内齿轮104相啮合；各单缸的内转子、外转子和阀体侧面的阀口总数目为2，所述2个阀口分别接2个排气管。内转子转速∶外转子的转速∶内燃机凸轮轴转速＝2∶1∶1；每一单缸内的排气辅助控制阀的启闭与相应排气阀的配气正时的相位相对应，把相应气缸的完整的排气过程分成2个短的排气持续期，2个短的排气持续期的废气分别进入2根排气管G1、G2，单缸中相位靠前的排气持续期的废气进入排气管G1，排气管G1与涡轮机20的涡轮进气口相连，末段的相位滞后的排气进入排气管G2，排气管G2直接接通排烟总管30。

实施例4

如图13，为一种二级涡轮增压排气分段装置，该排气分段装置为六缸(对应缸号I-VI)四冲程柴油机优化的排气装置，增压器包括顺序相连的初级增压器Z1-2和高级增压器Z1-1，初级增压器Z1-2的涡轮机W2-2设有2个相等的涡轮进气口和1个涡轮排气口，初级增压器Z1-2的涡轮机W2-2的排气口接通排烟总管30，高级增压器Z1-1的涡轮机W2-1设有1个涡轮进气口和一个涡轮排气口，涡轮机W2-1的涡轮排气口与涡轮机W2-2的1个进气口相连，6个单缸排气道1-P、2-P、3-P、4-P、5-P、6-P直接与各单缸排气阀出口相连；每一单缸排气道与3根对应的排气管之间设有2只可快速启闭的排气辅助控制阀，每个单缸排气道都与2只排气辅助控制阀的内转子的开口端相连；所述排气辅助控制阀(见图9)包括内转子101、套装在内转子上的外转子102和位于外转子外的阀体103，内转子101中空且一端封闭，另一端为开口端，其中一只排气辅助控制阀的内转子、外转子和阀体的侧面分别开设有1组阀口，另一只排气辅助控制阀侧面的阀口有2组；内转子101的封闭端经轴连接一从动外齿轮，外转子103的相应端部设有从动内齿轮，一安装在输入轴106端部的主动齿轮分别与从动外齿轮和从动内齿轮相啮合；内转子转速∶外转子的转速∶内燃机凸轮轴转速＝3∶1∶1。单缸阀口总数目与排气管数目相等并分别接3个排气管G1、G2、G3；每一单缸内的排气辅助控制阀的启闭与相应排气阀的配气正时的相位相对应，把相应气缸的完整的排气过程分成3个短的排气持续期，并分别进入3根排气管，单缸中相位靠前的排气持续期的废气进入排气管G1，排气管G1与高级增压器Z1-1的涡轮机W2-1进气口相连，单缸中相位中间的排气持续期的废气进入排气管G2，排气管G2与初级增压器Z1-2的涡轮机W2-2另一进气口相连，末段的相位滞后的低压废气进入排气管G3，排气管G3直接接通排烟总管3。

各单缸的顺序开启的阀口所对应的排气持续期的开启相位有部分重叠；一组排气辅助控制共用的输入轴和柴油机的正时机构之间设有角度提前器T1，另一组排气辅助控制阀共用的输入轴和柴油机的正时机构之间设有角度提前器T2。

工作时，单缸的排气辅助控制阀的启闭与凸轮轴排气相位相对应，排气时，排气辅助控制阀的阀口顺序快速启闭，每个排气辅助控制阀的阀口开启和关闭过程所占据的相位角较小，使得在单缸上能实现分段排气，这样就可使更多气缸具有相同排气能量的排气段与同一排气管相连，而单缸之间没有干扰，可使排气能量E1损失较小；将排气末段的低压排气直接排入到压力较低的排烟总管，降低了背压，还可以使气缸换气更加充分；同时由于同一排气管排气缸数的增加，减小了排气管的压力振荡，使涡轮效率ηT较高；最终使活塞推出排气能量Ec减小，使增压内燃机的有效能量损失较小。通过输入轴与正时齿轮传动之间设置角度提前器，可同时改善低工况、高工况运行性能。

Claims (10)

1、一种增压内燃机的排气分段装置，包括增压器和单缸排气道，单缸排气道直接与单缸排气阀出口相连，增压器的涡轮机上设有涡轮进气口和涡轮排气口，涡轮机排气口接通排烟总管，其特征在于：还包括至少两根排气管，其中至少有一根排气管与增压器的涡轮进气口相连，剩余排气管接通排烟总管；每一单缸排气道与至少两根排气管之间设有可快速启闭的排气辅助控制阀；每一单缸的所有排气辅助控制阀的启闭定时与相应排气阀的配气定时的相位相对应，使每一单缸完整的排气过程划分为至少两个短的排气持续期，并使分段的排气持续期的废气进入相应的排气管，每一单缸中相位靠前的排气持续期对应的排气管与涡轮进气口相连。

2、根据权利1要求所述的一种增压内燃机的排气分段装置，其特征在于：所述排气辅助控制阀包括内转子、套装在内转子上的外转子和位于外转子外的阀体，内转子中空且一端封闭，另一端为开口端，内转子、外转子和阀体的侧面分别开设有相对应的至少一组阀口；内转子的封闭端经轴连接一从动外齿轮，外转子的相应端部设有从动内齿轮，一安装在输入轴端部的主动齿轮分别与从动外齿轮和从动内齿轮相啮合。

3、根据权利2要求所述的一种增压内燃机的排气分段装置，其特征在于：内转子、外转子和阀体侧面的阀口为一组；与单缸排气道连接的排气辅助控制阀数目与排气管数目相等，阀体侧面的阀口或内转子的开口端中的任一端接单缸排气道，另一端接相应排气管。

4、根据权利要求2所述的一种增压内燃机的排气分段装置，其特征在于：内转子的开口端接单缸排气道，阀体侧面的各阀口分别接相应排气管；内转子、外转子和阀体侧面的阀口数目与排气管数目相等，阀体的侧面阀口相位相同，内转子、外转子侧面的阀口相位角位置相错，在输入轴转动时，内转子、外转子侧面的阀口与阀体侧面的阀口顺序接通。

5、根据权利2要求所述的一种增压内燃机的排气分段装置，其特征在于：各内转子的开口端分别接单缸排气道，阀体侧面的各阀口分别接相应排气管；与单缸排气道相连的排气辅助控制阀数目至少为两只，各排气辅助控制阀阀体侧面的阀口数目之和与排气管数目相等。

6、根据权利2要求所述的一种增压内燃机的排气分段装置，其特征在于：与单缸排气道相连的排气辅助控制阀数目至少为两只，各排气辅助控制阀阀体侧面的阀口数目与气缸数相等；各内转子的开口端分别接相应排气管，阀体侧面的各阀口分别接相应各缸的排气道。

7、根据权利要求2-6任一项所述的一种增压内燃机的排气分段装置，其特征在于：输入轴和内燃机的正时机构之间设有角度提前器。

8、根据权利要求1所述的一种增压内燃机的排气分段装置，其特征在于：各单缸的顺序开启的相邻两排气持续期的开启相位有部分重叠；与排烟总管相连的排气管所对应的排气持续期起始相位滞后于所有与涡轮进气口相连的排气管所对应的排气持续期的起始相位。

9、根据权利要求1-6任一项所述的一种增压内燃机的排气分段装置，其特征在于：所述增压器包括顺序相连的初级增压器和高级增压器，初级增压器的排气口接通排烟总管，至少一根排气管接高级增压器涡轮机进气口；剩余排气管与初级增压器涡轮机废气进口和/或排烟总管相连；每一单缸中相位靠前的排气持续期对应的排气管与高级涡轮进气口相连。

10、根据权利要求9所述的一种增压内燃机的排气分段装置，其特征在于：接初级增压器涡轮机进气口的排气管所对应的排气持续期起始相位滞后于接高级增压器涡轮机进气口的各排气管所对应的排气持续期起始相位，与排烟总管相连的排气管所对应的排气持续期起始相位最后。

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