專利名稱：一種內(nèi)燃機輔助增壓系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機增壓系統(tǒng)，特別涉及一種內(nèi)燃機輔助增壓系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機增壓技術(shù)萌生于19世紀末，20世紀初期得到初步應(yīng)用，而柴油機渦輪增壓在20世紀中葉已開始大規(guī)模應(yīng)用。一般來說，內(nèi)燃機增壓后的功率可比原機提高40% 60%甚至更多，發(fā)動機平均有效壓力得到提高，燃油經(jīng)濟性得到改善。近年來，為應(yīng)對能源危機和環(huán)境保護的雙重壓力，通過增壓提高功率密度、開發(fā)小排量發(fā)動機已成為各大汽車企業(yè)的主要技術(shù)途徑。內(nèi)燃機增壓器可分為渦輪增壓器、機械增壓器和氣波增壓器。廢氣渦輪增壓和氣波增壓所需的功率都來自廢氣能量，機械增壓的功率直接取自曲軸。廢氣渦輪增壓由兩個流體機械組成，即渦輪與壓氣機，兩者裝在同一轉(zhuǎn)軸上。渦輪利用廢氣中的能量驅(qū)動壓氣機，壓氣機吸入新鮮空氣并進行預(yù)壓縮。廢氣渦輪增壓最先在柴油機上得到應(yīng)用，目前也廣泛應(yīng)用于汽油機，用于提高汽油機效率、提高功率密度、降低油耗。當(dāng)前，內(nèi)燃機增壓系統(tǒng)中以廢氣渦輪增壓系統(tǒng)為主要形式。在內(nèi)燃機與廢氣渦輪增壓器的特性匹配設(shè)計過程中，主要考慮穩(wěn)定工況特性匹配、瞬態(tài)工況的匹配兩方面的問題。渦輪增壓器的工作原理決定了它具有如下缺點1、匹配設(shè)計困難，要兼顧穩(wěn)定工況和瞬態(tài)工況，汽油機的轉(zhuǎn)速范圍大，且存在爆燃、熱負荷問題，難度更高；2、低速時由于發(fā)動機排氣能量不足，增壓程度低；3、存在渦輪遲滯，即從排氣能量的變化到新的進氣壓力建立需要一定的時間，影響了內(nèi)燃機的加速響應(yīng)特性。因此，需要通過改良渦輪增壓系統(tǒng)或者采用其他方法來克服這些缺點?，F(xiàn)有技術(shù)包括可調(diào)渦輪幾何截面、可調(diào)滑閥等，但都存在工藝要求嚴格、成本高、匹配困難等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種內(nèi)燃機輔助增壓系統(tǒng)。 該輔助增壓系統(tǒng)可在一般工況下(如中等負荷穩(wěn)態(tài)工況下)對增壓器壓縮后的部分進氣再一次壓縮，并將其儲存到一個單獨的儲氣罐中，于發(fā)動機起步或加速等瞬態(tài)工況下，儲氣罐對發(fā)動機輔助供氣，由控制閥調(diào)節(jié)氣罐供氣量，從而優(yōu)化缸內(nèi)燃燒，減小渦輪增壓遲滯，改善起動/加速等過程的瞬態(tài)響應(yīng)特性和排放性。為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是提供一種內(nèi)燃機輔助增壓系統(tǒng)，具有連接至發(fā)動機進氣管的補氣管，該系統(tǒng)包括作動氣缸、增壓氣缸和儲氣罐；所述作動氣缸中設(shè)作動氣缸活塞，作動氣缸的兩個氣室經(jīng)管路分別連接至一個用于轉(zhuǎn)換導(dǎo)通狀態(tài)的控制閥，該控制閥還經(jīng)管路分別連接至進氣管與大氣；所述增壓氣缸中設(shè)增壓氣缸活塞，增壓氣缸活塞的一側(cè)由連接桿與作動氣缸活塞固定連接，增壓氣缸活塞另一側(cè)的氣室經(jīng)管路分別連接至儲氣罐和進氣管；儲氣罐還與補氣管相連，補氣管上設(shè)開關(guān)控制閥；在與進氣管或儲氣罐連接的各管路上，分別設(shè)置閥門；該系統(tǒng)還包括用于控制各控制閥開啟狀態(tài)的的電子控制單元，電子控制單元與各控制閥及發(fā)動機管理系統(tǒng)之間通過導(dǎo)線實現(xiàn)電連接。作為一種改進，所述與進氣管或儲氣罐連接的各管路上設(shè)置的閥門均為單向閥。作為一種改進，所述用于轉(zhuǎn)換導(dǎo)通狀態(tài)的控制閥，還通過管路連接至一個真空泵， 真空泵通過導(dǎo)線與所述電子控制單元實現(xiàn)電連接。作為一種改進，所述作動氣缸的兩個氣室中，分別設(shè)置氣缸行程傳感器，并通過導(dǎo)線與電子控制單元實現(xiàn)電連接。作為一種改進，所述電子控制單元與發(fā)動機的發(fā)動機管理系統(tǒng)具有硬件上的一體式裝配結(jié)構(gòu)或分體式裝配結(jié)構(gòu)。作為一種改進，所述用于轉(zhuǎn)換導(dǎo)通狀態(tài)的控制閥經(jīng)管路連接至進氣管，其連接位置靠近進氣管的進氣歧管處。作為一種改進，該系統(tǒng)還包括用于檢測儲氣罐、真空源、大氣、進氣管或進氣歧管的壓力狀態(tài)或溫度狀態(tài)的傳感器，各傳感器通過導(dǎo)線與電子控制單元實現(xiàn)電連接。作為一種改進，所述用于轉(zhuǎn)換導(dǎo)通狀態(tài)的控制閥是能實現(xiàn)全閉、兩路直通、兩路交叉連通這三種切換狀態(tài)的電控閥門。作為一種改進，所述增壓氣缸、儲氣罐及其相應(yīng)連接管路，配置用于降溫的冷卻系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具備如下優(yōu)點1、避免發(fā)動機過度增壓，而且可以充分利用發(fā)動機排氣能量傳統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)動機中，為避免過度增壓所引起的發(fā)動機工作特性變壞(如汽油機過度增壓會引起爆燃、 過負荷等)，一般要降低增壓度(例如通過廢氣旁通)，而這降低了對發(fā)動機排氣能量的利用程度。而采用本發(fā)明后，在進氣增壓飽和或趨向于過度增壓的情況下，分流一部分增壓氣體并進一步壓縮存入儲氣罐，可以避免過度增壓，改善燃燒，提高動力性和經(jīng)濟性；此外， 相當(dāng)于把發(fā)動機排氣能量轉(zhuǎn)化為儲氣罐中的壓縮空氣能量，提高發(fā)動機的整體能量利用效率。2、消除渦輪遲滯效應(yīng)，改善發(fā)動機瞬態(tài)響應(yīng)特性儲氣罐儲存的高壓氣體可在起步或者加速等瞬態(tài)工況中通過補氣系統(tǒng)補給，改善在此過程的瞬態(tài)響應(yīng)，消除渦輪增壓的遲滯效應(yīng)，提高動力性和燃油經(jīng)濟性，降低該過程的排放。3、本發(fā)明適用于匹配有進氣增壓系統(tǒng)的汽油機等點燃式發(fā)動機，也適用于匹配有進氣增壓系統(tǒng)的柴油機等壓燃式發(fā)動機，兩類應(yīng)用差異主要在于真空源的接口處不同。汽油機應(yīng)用中真空源接頭其中一端連接于進氣管或進氣歧管處，而柴油機應(yīng)用中真空源接頭一端連接于真空泵處產(chǎn)生的負壓。本發(fā)明還可應(yīng)用于無進氣增壓的發(fā)動機，此時仍從進氣管中抽氣并二次增壓，雖然期望性能不如增壓發(fā)動機，但是對比于原自然吸氣式發(fā)動機仍會有較大的性能改善。


附圖1為本發(fā)明發(fā)動機輔助增壓系統(tǒng)原理圖。
圖中附圖標記A、B均為作動氣缸的氣室、C為增壓氣缸的壓縮氣室、D為儲氣罐、 E為進氣管、F為排氣管、G為用于轉(zhuǎn)換導(dǎo)通狀態(tài)的控制閥、H為真空室、J為真空泵、K為開關(guān)控制閥、M為作動氣缸、N為增壓氣缸；1、2、3、4、7分別為單向閥；5、6分別為氣缸行程傳感器。附圖2為輔助增壓系統(tǒng)中抽氣過程各閥開啟控制原理圖。附圖3為輔助增壓系統(tǒng)中壓縮集氣過程各閥開啟控制原理圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式
進行描述。本實施例中的內(nèi)燃機輔助增壓系統(tǒng)，主要解決渦輪遲滯效應(yīng)等引起的增壓瞬態(tài)響應(yīng)問題。其設(shè)計思想是在渦輪增壓器接近或達到過度增壓狀態(tài)下，從進氣管中分流部分增壓氣體，并利用系統(tǒng)真空源和大氣之間的壓差對該部分進氣進行再次增壓，將該二次增壓后的氣體儲存至一個儲氣罐中，在發(fā)動機渦輪增壓器無法及時提供增壓進氣時(如低速或者急加速等瞬態(tài)工況)，將儲氣罐中的高壓氣體噴入進氣管，增大發(fā)動機的進氣量，提升發(fā)動機的動力性能，從而克服渦輪增壓遲滯效應(yīng)所帶來的排放性、動力性、經(jīng)濟性等缺點。輔助增壓系統(tǒng)的組成主要包括作動氣缸M、增壓氣缸N、儲氣罐D(zhuǎn)、電子控制單元 (Electronic Control Unit，ECU)，以及配套使用的控制閥、傳感器和相關(guān)氣體管路等?？刂崎y包括用于轉(zhuǎn)換導(dǎo)通狀態(tài)的控制閥G、開關(guān)控制閥K和單向閥1、2、3、4、7。輔助增壓系統(tǒng)的E⑶可以與現(xiàn)有技術(shù)中通常所使用的發(fā)動機管理系統(tǒng)(Engine Management System, EMS)做成一體，也可以單獨設(shè)計與布置，但兩者之間必須進行信息共享，在輔助增壓系統(tǒng)ECU或EMS中設(shè)計兩者間的協(xié)調(diào)機制，以避免相互沖突干擾、實現(xiàn)集成控制。輔助增壓系統(tǒng)包括作動氣缸M和增壓氣缸N。增壓氣缸活塞和作動氣缸活塞連為一體，作動氣缸活塞的來回運動帶動增壓氣缸活塞來回運動，實現(xiàn)抽氣和壓縮行程。輔助增壓所需的執(zhí)行力由作動氣缸M產(chǎn)生，該作動氣缸有A、B兩氣室，兩氣室分別與大氣壓、真空源連接，產(chǎn)生的兩室壓差推動作動氣缸活塞來回運動，實現(xiàn)從進氣管抽氣和二次壓縮進氣兩種動作。用于轉(zhuǎn)換導(dǎo)通狀態(tài)的控制閥G同時連接至大氣和真空源，兩氣室的氣壓具體通過控制閥G來完成。系統(tǒng)真空源主要通過發(fā)動機進氣管的真空度實現(xiàn)，即通過單向閥2與進氣管E (靠近進氣歧管處)相連接，此外通過小型真空泵J來彌補進氣管真空度的不足，保證足夠的輔助增壓作動力。增壓氣缸N的吸氣端通過管路和單向閥4與進氣管連接，增壓氣缸N的吸氣端附近還通過高壓管路與儲氣罐D(zhuǎn)連接，高壓管路與儲氣罐D(zhuǎn)之間設(shè)有單向閥3。增壓氣缸N在抽氣行程將進氣管E內(nèi)的氣體通過單向閥4抽入壓縮氣室C內(nèi)，在壓縮行程將氣體通過高壓管路和單向閥3壓入儲氣罐D(zhuǎn)?？刂崎yG可以實施三種狀態(tài)控制G1、全閉。A、B室都不與大氣和真空管b相通； G2、A室通真空管b，B室通大氣管a，活塞左行，將進氣管E內(nèi)氣體抽入壓縮氣室C內(nèi)；G3、A 室通大氣管a，B室通真空管b，活塞右行將增壓氣缸內(nèi)氣體壓縮并通入儲氣罐D(zhuǎn)。當(dāng)儲氣罐D(zhuǎn)的壓力達到設(shè)定值時，停止輔助增壓；當(dāng)儲氣罐D(zhuǎn)壓力低于設(shè)定值時， 且系統(tǒng)允許輔助增壓時，開啟輔助增壓系統(tǒng)。例如，當(dāng)發(fā)動機管理系統(tǒng)EMS監(jiān)測到發(fā)動機進氣已經(jīng)接近增壓飽和狀態(tài)或者已經(jīng)處于過度增壓狀態(tài)時，根據(jù)EMS的輔助增壓請求，氣缸行程傳感器5、6信息，以及儲氣罐狀態(tài)、真空源、大氣、進氣管/進氣歧管的狀態(tài)傳感器信息 (包括壓力、溫度等)，輔助增壓系統(tǒng)E⑶發(fā)出指令對控制閥G進行調(diào)節(jié)。在發(fā)動機處于起步或急加速等瞬態(tài)工況下，發(fā)動機的廢氣渦輪增壓器無法及時產(chǎn)生高壓進氣，則將儲氣罐中的高壓氣體通過補氣管噴入進氣管，迅速提高進氣壓力，改善瞬態(tài)過程的動力響應(yīng)和經(jīng)濟性、排放性。儲氣罐D(zhuǎn)設(shè)置一個出口通過控制閥K與補氣管相連，補氣管通過單向閥1連接至進氣管。在瞬態(tài)工況下，發(fā)動機EMS向輔助增壓系統(tǒng)ECU發(fā)出補氣指令，輔助增壓ECU即調(diào)節(jié)控制閥K，按照合適的開啟過程(開口面積、開啟速度)，對進氣管進行補氣；當(dāng)瞬態(tài)過程結(jié)束，渦輪增壓器已經(jīng)可以滿足進氣增壓需求，EMS發(fā)出指令，輔助增壓系統(tǒng)停止向進氣管補氣，以防止過度增壓等不利影響。若瞬態(tài)工況中，儲氣罐D(zhuǎn)的初始壓力太低，或者在補氣過程中壓力逐漸降低，為及時補充氣體，輔助增壓ECU發(fā)出信號調(diào)節(jié)控制閥G，啟動輔助增壓系統(tǒng)的收集氣體過程。這種情況下，增壓氣缸N從渦輪增壓器壓氣機端抽氣并二次增壓，壓縮后向儲氣罐D(zhuǎn)進行充氣，將儲氣罐D(zhuǎn)壓力維持在合適的水平。本發(fā)明中，輔助增壓系統(tǒng)要對進氣二次增壓，因此增壓氣缸N、儲氣罐D(zhuǎn)以及相關(guān)管路要進行適當(dāng)冷卻處理(如與渦輪增壓中冷器進行集成設(shè)計)，防止壓縮氣體過熱，在布置時應(yīng)與熱源保持一定距離。本發(fā)明的實現(xiàn)過程介紹如下(1)輔助增壓收集氣體過程的控制邏輯本發(fā)明的輔助增壓系統(tǒng)收集氣體過程如圖2所示。首先由控制單元判定是否實行輔助增壓收集氣體過程，當(dāng)檢測到儲氣罐內(nèi)壓力低于某值，且當(dāng)發(fā)動機管理系統(tǒng)EMS監(jiān)測到發(fā)動機進氣已經(jīng)接近增壓飽和狀態(tài)或者已經(jīng)處于過度增壓狀態(tài)時，根據(jù)EMS的輔助增壓請求，氣缸行程傳感器5、6信息，以及儲氣罐D(zhuǎn)的狀態(tài)、真空源、大氣、進氣管/進氣歧管的狀態(tài)傳感器信息(包括壓力、溫度等)，輔助增壓系統(tǒng)ECU對控制閥G、單向閥2、3、4、7進行調(diào)節(jié)。否則將不實施收集氣體過程。收集氣體的過程包括抽氣行程和壓縮行程。抽氣行程氣缸行程傳感器5、6檢測到作動氣缸活塞行程不在抽氣止點時，ECU控制開啟單向閥2和單向閥4，并且調(diào)節(jié)控制閥G為狀態(tài)G2，這時作動氣缸活塞在A、B室壓差作用下左行，由增壓氣缸活塞將進氣管中氣體抽入壓縮氣室C內(nèi)。壓縮行程氣缸行程傳感器5、6檢測到作動氣缸活塞行程在抽氣止點時，ECU控制開啟單向閥2，關(guān)閉單向閥4，調(diào)節(jié)控制閥G為狀態(tài)G3，這時作動氣缸活塞在A、B室壓差作用下右行，由增壓氣缸活塞將壓縮氣室C內(nèi)的氣體壓縮并在達到與儲氣罐D(zhuǎn)內(nèi)壓力相同時， 控制開啟單向閥3，壓縮氣室C內(nèi)氣體進入儲氣罐。上述抽氣和壓縮行程中，如果單向閥2處的真空度未達到設(shè)定值，則開啟單向閥 7,由小型真空泵J實施輔助真空補給，其他各閥控制不變。(2)輔助增壓進氣管補氣過程的控制邏輯儲氣罐D(zhuǎn)內(nèi)增壓氣體的使用過程將結(jié)合圖3來說明。E⑶通過傳感器檢測到發(fā)動機低速或者加速狀態(tài)時，控制開啟開關(guān)控制閥K和單向閥1，使得儲氣罐內(nèi)的高壓氣體通過補氣管路進入進氣管，提高發(fā)動機進氣量，提升發(fā)動機的性能。具體如下在發(fā)動機處于起步或急加速等瞬態(tài)工況下，發(fā)動機EMS向輔助增壓系統(tǒng)ECU發(fā)出補氣指令，輔助增壓ECU即調(diào)節(jié)控制閥K，按照合適的開啟過程(開口面積、開啟速度)，同時控制開啟單向閥1，對進氣管進行補氣；當(dāng)瞬態(tài)過程結(jié)束，渦輪增壓器已經(jīng)可以滿足進氣增壓需求，EMS發(fā)出指令，輔助增壓系統(tǒng)停止向進氣管補氣，以防止過度增壓等不利影響。若瞬態(tài)工況中，儲氣罐D(zhuǎn)的初始壓力太低，或者在補氣過程中壓力逐漸降低，為及時補充氣體，輔助增壓ECU發(fā)出信號調(diào)節(jié)各控制閥，啟動輔助增壓系統(tǒng)的收集氣體過程。這種情況下，控制邏輯同方案(1)中輔助增壓收集氣體過程。壓縮后向儲氣罐D(zhuǎn)進行補氣，將儲氣罐D(zhuǎn)的壓力維持在合適的水平。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機輔助增壓系統(tǒng)，具有連接至發(fā)動機進氣管的補氣管，其特征在于，該輔助增壓系統(tǒng)包括作動氣缸、增壓氣缸和儲氣罐；所述作動氣缸中設(shè)作動氣缸活塞，作動氣缸的兩個氣室經(jīng)管路分別連接至一個用于轉(zhuǎn)換導(dǎo)通狀態(tài)的控制閥，該控制閥還經(jīng)管路分別連接至進氣管與大氣；所述增壓氣缸中設(shè)增壓氣缸活塞，增壓氣缸活塞的一側(cè)由連接桿與作動氣缸活塞固定連接，增壓氣缸活塞另一側(cè)的氣室經(jīng)管路分別連接至儲氣罐和進氣管；儲氣罐還與補氣管相連，補氣管上設(shè)開關(guān)控制閥；在與進氣管或儲氣罐連接的各管路上，分別設(shè)置閥門；該輔助增壓系統(tǒng)還包括用于控制各控制閥開啟狀態(tài)的的電子控制單元，電子控制單元與各控制閥及發(fā)動機管理系統(tǒng)之間通過導(dǎo)線實現(xiàn)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機輔助增壓系統(tǒng)，其特征在于，所述與進氣管或儲氣罐連接的各管路上設(shè)置的閥門均為單向閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機輔助增壓系統(tǒng)，其特征在于，所述用于轉(zhuǎn)換導(dǎo)通狀態(tài)的控制閥，還通過管路連接至一個真空泵，真空泵通過導(dǎo)線與所述電子控制單元實現(xiàn)電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機輔助增壓系統(tǒng)，其特征在于，在所述作動氣缸的兩個氣室中分別設(shè)置氣缸行程傳感器，并通過導(dǎo)線與電子控制單元實現(xiàn)電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機輔助增壓系統(tǒng)，其特征在于，所述電子控制單元與發(fā)動機管理系統(tǒng)具有硬件上的一體式裝配結(jié)構(gòu)或分體式裝配結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機輔助增壓系統(tǒng)，其特征在于，所述用于轉(zhuǎn)換導(dǎo)通狀態(tài)的控制閥經(jīng)管路連接至進氣管，其連接位置靠近進氣管的進氣歧管處。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機輔助增壓系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括用于檢測儲氣罐、真空源、大氣、進氣管或進氣歧管的壓力狀態(tài)或溫度狀態(tài)的傳感器，各傳感器通過導(dǎo)線與電子控制單元實現(xiàn)電連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機輔助增壓系統(tǒng)，其特征在于，所述用于轉(zhuǎn)換導(dǎo)通狀態(tài)的控制閥是能實現(xiàn)全閉、兩路直通、兩路交叉連通這三種切換狀態(tài)的電控閥門。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機輔助增壓系統(tǒng)，其特征在于，所述增壓氣缸、儲氣罐及其相應(yīng)連接管路，配置用于降溫的冷卻系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及發(fā)動機增壓系統(tǒng)，旨在提供一種內(nèi)燃機輔助增壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括作動氣缸、增壓氣缸和儲氣罐；作動氣缸中設(shè)作動氣缸活塞，兩氣室分別經(jīng)控制閥連接至進氣管與大氣；增壓氣缸中設(shè)增壓氣缸活塞，活塞一側(cè)與作動氣缸活塞固定連接，另一側(cè)的氣室經(jīng)管路分別連接至儲氣罐和進氣管；儲氣罐還與補氣管相連，補氣管連接至發(fā)動機進氣管；該系統(tǒng)還包括用于控制各控制閥開啟狀態(tài)的的電子控制單元，電子控制單元與發(fā)動機管理系統(tǒng)之間電連接。本發(fā)明可避免發(fā)動機過度增壓，而且可以充分利用發(fā)動機排氣能量；消除渦輪遲滯效應(yīng)，改善發(fā)動機瞬態(tài)響應(yīng)特性；適用于匹配有進氣增壓系統(tǒng)的點燃式發(fā)動機和壓燃式發(fā)動機，還可應(yīng)用于無進氣增壓的發(fā)動機。
文檔編號F02B37/16GK102278193SQ201110119740
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者俞小莉, 李小飛, 李道飛, 王雷 申請人:浙江大學(xué)