CN202100325U - 一种内燃机辅助增压系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及发动机增压系统，旨在提供一种内燃机辅助增压系统。该系统包括作动气缸、增压气缸和储气罐；作动气缸中设作动气缸活塞，两气室分别经控制阀连接至进气管与大气；增压气缸中设增压气缸活塞，活塞一侧与作动气缸活塞固定连接，另一侧的气室经管路分别连接至储气罐和进气管；储气罐还与补气管相连，补气管连接至发动机进气管；该系统还包括用于控制各控制阀开启状态的电子控制单元，电子控制单元与发动机管理系统之间电连接。本实用新型可避免发动机过度增压，而且可以充分利用发动机排气能量；消除涡轮迟滞效应，改善发动机瞬态响应特性；适用于匹配有进气增压系统的点燃式发动机和压燃式发动机，还可应用于无进气增压的发动机。

Description

一种内燃机辅助增压系统

技术领域

本实用新型涉及一种发动机增压系统，特别涉及一种内燃机辅助增压系统。

背景技术

内燃机增压技术萌生于19世纪末，20世纪初期得到初步应用，而柴油机涡轮增压在20世纪中叶已开始大规模应用。一般来说，内燃机增压后的功率可比原机提高40％～60％甚至更多，发动机平均有效压力得到提高，燃油经济性得到改善。

近年来，为应对能源危机和环境保护的双重压力，通过增压提高功率密度、开发小排量发动机已成为各大汽车企业的主要技术途径。

内燃机增压器可分为涡轮增压器、机械增压器和气波增压器。废气涡轮增压和气波增压所需的功率都来自废气能量，机械增压的功率直接取自曲轴。废气涡轮增压由两个流体机械组成，即涡轮与压气机，两者装在同一转轴上。涡轮利用废气中的能量驱动压气机，压气机吸入新鲜空气并进行预压缩。废气涡轮增压最先在柴油机上得到应用，目前也广泛应用于汽油机，用于提高汽油机效率、提高功率密度、降低油耗。

当前，内燃机增压系统中以废气涡轮增压系统为主要形式。在内燃机与废气涡轮增压器的特性匹配设计过程中，主要考虑稳定工况特性匹配、瞬态工况的匹配两方面的问题。涡轮增压器的工作原理决定了它具有如下缺点：1、匹配设计困难，要兼顾稳定工况和瞬态工况，汽油机的转速范围大，且存在爆燃、热负荷问题，难度更高；2、低速时由于发动机排气能量不足，增压程度低；3、存在涡轮迟滞，即从排气能量的变化到新的进气压力建立需要一定的时间，影响了内燃机的加速响应特性。

因此，需要通过改良涡轮增压系统或者采用其他方法来克服这些缺点。现有技术包括可调涡轮几何截面、可调滑阀等，但都存在工艺要求严格、成本高、匹配困难等缺点。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是，克服现有技术中的不足，提供一种内燃机辅助增压系统。该辅助增压系统可在一般工况下(如中等负荷稳态工况下)对增压器压缩后的部分进气再一次压缩，并将其储存到一个单独的储气罐中，于发动机起步或加速等瞬态工况下，储气罐对发动机辅助供气，由控制阀调节气罐供气量，从而优化缸内燃烧，减小涡轮增压迟滞，改善起动/加速等过程的瞬态响应特性和排放性。

为解决技术问题，本实用新型的解决方案是：

提供一种内燃机辅助增压系统，具有连接至发动机进气管的补气管，该系统包括作动气缸、增压气缸和储气罐；

所述作动气缸中设作动气缸活塞，作动气缸的两个气室经管路分别连接至一个用于转换导通状态的控制阀，该控制阀还经管路分别连接至进气管与大气；

所述增压气缸中设增压气缸活塞，增压气缸活塞的一侧由连接杆与作动气缸活塞固定连接，增压气缸活塞另一侧的气室经管路分别连接至储气罐和进气管；储气罐还与补气管相连，补气管上设开关控制阀；

在与进气管或储气罐连接的各管路上，分别设置阀门；

该系统还包括用于控制各控制阀开启状态的的电子控制单元，电子控制单元与各控制阀及发动机管理系统之间通过导线实现电连接。

作为一种改进，所述与进气管或储气罐连接的各管路上设置的阀门均为单向阀。

作为一种改进，所述用于转换导通状态的控制阀，还通过管路连接至一个真空泵，真空泵通过导线与所述电子控制单元实现电连接。

作为一种改进，所述作动气缸的两个气室中，分别设置气缸行程传感器，并通过导线与电子控制单元实现电连接。

作为一种改进，所述电子控制单元与发动机的发动机管理系统具有硬件上的一体式装配结构或分体式装配结构。

作为一种改进，所述用于转换导通状态的控制阀经管路连接至进气管，其连接位置靠近进气管的进气歧管处。

作为一种改进，该系统还包括用于检测储气罐、真空源、大气、进气管或进气歧管的压力状态或温度状态的传感器，各传感器通过导线与电子控制单元实现电连接。

作为一种改进，所述用于转换导通状态的控制阀是能实现全闭、两路直通、两路交叉连通这三种切换状态的电控阀门。

作为一种改进，所述增压气缸、储气罐及其相应连接管路，配置用于降温的冷却系统。

与现有技术相比，本实用新型具备如下优点：

1、避免发动机过度增压，而且可以充分利用发动机排气能量：传统的涡轮增压发动机中，为避免过度增压所引起的发动机工作特性变坏(如汽油机过度增压会引起爆燃、过负荷等)，一般要降低增压度(例如通过废气旁通)，而这降低了对发动机排气能量的利用程度。而采用本实用新型后，在进气增压饱和或趋向于过度增压的情况下，分流一部分增压气体并进一步压缩存入储气罐，可以避免过度增压，改善燃烧，提高动力性和经济性；此外，相当于把发动机排气能量转化为储气罐中的压缩空气能量，提高发动机的整体能量利用效率。

2、消除涡轮迟滞效应，改善发动机瞬态响应特性：储气罐储存的高压气体可在起步或者加速等瞬态工况中通过补气系统补给，改善在此过程的瞬态响应，消除涡轮增压的迟滞效应，提高动力性和燃油经济性，降低该过程的排放。

3、本实用新型适用于匹配有进气增压系统的汽油机等点燃式发动机，也适用于匹配有进气增压系统的柴油机等压燃式发动机，两类应用差异主要在于真空源的接口处不同。汽油机应用中真空源接头其中一端连接于进气管或进气歧管处，而柴油机应用中真空源接头一端连接于真空泵处产生的负压。

本实用新型还可应用于无进气增压的发动机，此时仍从进气管中抽气并二次增压，虽然期望性能不如增压发动机，但是对比于原自然吸气式发动机仍会有较大的性能改善。

附图说明

附图1为本实用新型发动机辅助增压系统原理图。

图中附图标记：A、B均为作动气缸的气室、C为增压气缸的压缩气室、D为储气罐、E为进气管、F为排气管、G为用于转换导通状态的控制阀、H为真空室、J为真空泵、K为开关控制阀、M为作动气缸、N为增压气缸；1、2、3、4、7分别为单向阀；5、6分别为气缸行程传感器。

附图2为辅助增压系统中抽气过程各阀开启控制原理图。

附图3为辅助增压系统中压缩集气过程各阀开启控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行描述。

本实施例中的内燃机辅助增压系统，主要解决涡轮迟滞效应等引起的增压瞬态响应问题。其设计思想是：在涡轮增压器接近或达到过度增压状态下，从进气管中分流部分增压气体，并利用系统真空源和大气之间的压差对该部分进气进行再次增压，将该二次增压后的气体储存至一个储气罐中，在发动机涡轮增压器无法及时提供增压进气时(如低速或者急加速等瞬态工况)，将储气罐中的高压气体喷入进气管，增大发动机的进气量，提升发动机的动力性能，从而克服涡轮增压迟滞效应所带来的排放性、动力性、经济性等缺点。

辅助增压系统的组成主要包括作动气缸M、增压气缸N、储气罐D、电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)，以及配套使用的控制阀、传感器和相关气体管路等。控制阀包括用于转换导通状态的控制阀G、开关控制阀K和单向阀1、2、3、4、7。

辅助增压系统的ECU可以与现有技术中通常所使用的发动机管理系统(EngineManagement System，EMS)做成一体，也可以单独设计与布置，但两者之间必须进行信息共享，在辅助增压系统ECU或EMS中设计两者间的协调机制，以避免相互冲突干扰、实现集成控制。

辅助增压系统包括作动气缸M和增压气缸N。增压气缸活塞和作动气缸活塞连为一体，作动气缸活塞的来回运动带动增压气缸活塞来回运动，实现抽气和压缩行程。

辅助增压所需的执行力由作动气缸M产生，该作动气缸有A、B两气室，两气室分别与大气压、真空源连接，产生的两室压差推动作动气缸活塞来回运动，实现从进气管抽气和二次压缩进气两种动作。用于转换导通状态的控制阀G同时连接至大气和真空源，两气室的气压具体通过控制阀G来完成。系统真空源主要通过发动机进气管的真空度实现，即通过单向阀2与进气管E(靠近进气歧管处)相连接，此外通过小型真空泵J来弥补进气管真空度的不足，保证足够的辅助增压作动力。

增压气缸N的吸气端通过管路和单向阀4与进气管连接，增压气缸N的吸气端附近还通过高压管路与储气罐D连接，高压管路与储气罐D之间设有单向阀3。增压气缸N在抽气行程将进气管E内的气体通过单向阀4抽入压缩气室C内，在压缩行程将气体通过高压管路和单向阀3压入储气罐D。

控制阀G可以实施三种状态控制：G1、全闭。A、B室都不与大气和真空管b相通；G2、A室通真空管b，B室通大气管a，活塞左行，将进气管E内气体抽入压缩气室C内；G3、A室通大气管a，B室通真空管b，活塞右行将增压气缸内气体压缩并通入储气罐D。

当储气罐D的压力达到设定值时，停止辅助增压；当储气罐D压力低于设定值时，且系统允许辅助增压时，开启辅助增压系统。例如，当发动机管理系统EMS监测到发动机进气已经接近增压饱和状态或者已经处于过度增压状态时，根据EMS的辅助增压请求，气缸行程传感器5、6信息，以及储气罐状态、真空源、大气、进气管/进气歧管的状态传感器信息(包括压力、温度等)，辅助增压系统ECU发出指令对控制阀G进行调节。

在发动机处于起步或急加速等瞬态工况下，发动机的废气涡轮增压器无法及时产生高压进气，则将储气罐中的高压气体通过补气管喷入进气管，迅速提高进气压力，改善瞬态过程的动力响应和经济性、排放性。

储气罐D设置一个出口通过控制阀K与补气管相连，补气管通过单向阀1连接至进气管。在瞬态工况下，发动机EMS向辅助增压系统ECU发出补气指令，辅助增压ECU即调节控制阀K，按照合适的开启过程(开口面积、开启速度)，对进气管进行补气；当瞬态过程结束，涡轮增压器已经可以满足进气增压需求，EMS发出指令，辅助增压系统停止向进气管补气，以防止过度增压等不利影响。

若瞬态工况中，储气罐D的初始压力太低，或者在补气过程中压力逐渐降低，为及时补充气体，辅助增压ECU发出信号调节控制阀G，启动辅助增压系统的收集气体过程。这种情况下，增压气缸N从涡轮增压器压气机端抽气并二次增压，压缩后向储气罐D进行充气，将储气罐D压力维持在合适的水平。

本实用新型中，辅助增压系统要对进气二次增压，因此增压气缸N、储气罐D以及相关管路要进行适当冷却处理(如与涡轮增压中冷器进行集成设计)，防止压缩气体过热，在布置时应与热源保持一定距离。

本实用新型的实现过程介绍如下：

(1)辅助增压收集气体过程的控制逻辑：

本实用新型的辅助增压系统收集气体过程如图2所示。首先由控制单元判定是否实行辅助增压收集气体过程，当检测到储气罐内压力低于某值，且当发动机管理系统EMS监测到发动机进气已经接近增压饱和状态或者已经处于过度增压状态时，根据EMS的辅助增压请求，气缸行程传感器5、6信息，以及储气罐D的状态、真空源、大气、进气管/进气歧管的状态传感器信息(包括压力、温度等)，辅助增压系统ECU对控制阀G、单向阀2、3、4、7进行调节。否则将不实施收集气体过程。

收集气体的过程包括抽气行程和压缩行程。

抽气行程：气缸行程传感器5、6检测到作动气缸活塞行程不在抽气止点时，ECU控制开启单向阀2和单向阀4，并且调节控制阀G为状态G2，这时作动气缸活塞在A、B室压差作用下左行，由增压气缸活塞将进气管中气体抽入压缩气室C内。

压缩行程：气缸行程传感器5、6检测到作动气缸活塞行程在抽气止点时，ECU控制开启单向阀2，关闭单向阀4，调节控制阀G为状态G3，这时作动气缸活塞在A、B室压差作用下右行，由增压气缸活塞将压缩气室C内的气体压缩并在达到与储气罐D内压力相同时，控制开启单向阀3，压缩气室C内气体进入储气罐。

上述抽气和压缩行程中，如果单向阀2处的真空度未达到设定值，则开启单向阀7，由小型真空泵J实施辅助真空补给，其他各阀控制不变。

(2)辅助增压进气管补气过程的控制逻辑：

储气罐D内增压气体的使用过程将结合图3来说明。

ECU通过传感器检测到发动机低速或者加速状态时，控制开启开关控制阀K和单向阀1，使得储气罐内的高压气体通过补气管路进入进气管，提高发动机进气量，提升发动机的性能。具体如下：

在发动机处于起步或急加速等瞬态工况下，发动机EMS向辅助增压系统ECU发出补气指令，辅助增压ECU即调节控制阀K，按照合适的开启过程(开口面积、开启速度)，同时控制开启单向阀1，对进气管进行补气；当瞬态过程结束，涡轮增压器已经可以满足进气增压需求，EMS发出指令，辅助增压系统停止向进气管补气，以防止过度增压等不利影响。

若瞬态工况中，储气罐D的初始压力太低，或者在补气过程中压力逐渐降低，为及时补充气体，辅助增压ECU发出信号调节各控制阀，启动辅助增压系统的收集气体过程。这种情况下，控制逻辑同方案(1)中辅助增压收集气体过程。压缩后向储气罐D进行补气，将储气罐D的压力维持在合适的水平。

Claims (9)

1.一种内燃机辅助增压系统，具有连接至发动机进气管的补气管，其特征在于，该辅助增压系统包括作动气缸、增压气缸和储气罐；

所述作动气缸中设作动气缸活塞，作动气缸的两个气室经管路分别连接至一个用于转换导通状态的控制阀，该控制阀还经管路分别连接至进气管与大气；

所述增压气缸中设增压气缸活塞，增压气缸活塞的一侧由连接杆与作动气缸活塞固定连接，增压气缸活塞另一侧的气室经管路分别连接至储气罐和进气管；储气罐还与补气管相连，补气管上设开关控制阀；

在与进气管或储气罐连接的各管路上，分别设置阀门；

该辅助增压系统还包括用于控制各控制阀开启状态的的电子控制单元，电子控制单元与各控制阀及发动机管理系统之间通过导线实现电连接。

2.根据权利要求1所述的内燃机辅助增压系统，其特征在于，所述与进气管或储气罐连接的各管路上设置的阀门均为单向阀。

3.根据权利要求1所述的内燃机辅助增压系统，其特征在于，所述用于转换导通状态的控制阀，还通过管路连接至一个真空泵，真空泵通过导线与所述电子控制单元实现电连接。

4.根据权利要求1所述的内燃机辅助增压系统，其特征在于，在所述作动气缸的两个气室中分别设置气缸行程传感器，并通过导线与电子控制单元实现电连接。

5.根据权利要求1所述的内燃机辅助增压系统，其特征在于，所述电子控制单元与发动机管理系统具有硬件上的一体式装配结构或分体式装配结构。

6.根据权利要求1所述的内燃机辅助增压系统，其特征在于，所述用于转换导通状态的控制阀经管路连接至进气管，其连接位置靠近进气管的进气歧管处。

7.根据权利要求1所述的内燃机辅助增压系统，其特征在于，该系统还包括用于检测储气罐、真空源、大气、进气管或进气歧管的压力状态或温度状态的传感器，各传感器通过导线与电子控制单元实现电连接。

8.根据权利要求1所述的内燃机辅助增压系统，其特征在于，所述用于转换导通状态的控制阀是能实现全闭、两路直通、两路交叉连通这三种切换状态的电控阀门。

9.根据权利要求1所述的内燃机辅助增压系统，其特征在于，所述增压气缸、储气罐及其相应连接管路，配置用于降温的冷却系统。

Images