CN104806345B - 一种发动机电动气体配给装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机电动气体配给装置，包括密闭的控制阀箱，该控制阀箱上设置有设置有四组气体通路，每组气体通路均包括一个气阀组件和一个气管，每个气阀组件均具有一个能将对应气管进行封堵和打开的阀片。其中一个气管的末端设置有由调速电机驱动的气体泵。采用上述结构后，上述调速电机带动的气体泵和控制阀箱，能实现EGR和新鲜空气引入两种功能。一方面，引入的新鲜空气能增大进气量，满足军用和赛车领域对瞬时加速的需求。另一方面，本装置能作为EGR泵使用，可有效增强了EGR废气的引入能力，减小低压EGR较长回路带来的迟滞效应，也能满足在整个发动机运行范围内任意大小EGR率的需求。

Description

一种发动机电动气体配给装置

技术领域

本发明涉及一种气体配给装置，特别是一种发动机电动气体配给装置。

背景技术

日益严格的排放法规要求下，在提高发动机动力性和经济性的同时，如何有效降低发动机的排放，成为目前发动机领域的研究热点。

在发动机上提升动力性最常见的办法是提高增压压力，通常发动机均使用废气涡轮增压器利用废气能量对进气进行增压，引入充足的新鲜空气，有利于发动机缸内燃料的充分燃烧，也有利于降低颗粒污染物的生成。发动机采用涡轮增压器进行强化以后，功率提升的同时也带来很多问题，例如缸内整体燃烧温度的升高、NOx排放量增大、爆发压力增大。面对越来越严格的排放法规，采取了很多技术措施，其中，废气再循环（EGR）技术能够有效降低发动机NOx排放，是发动机开发当中的重要技术路线。

由于发动机应用工况的复杂性，EGR的引入在工程化应用中存在一定的困难，具体如下。

1.EGR率受限制或高负荷时，EGR不能引入：在自然吸气发动机中，可以通过一个阀来控制废气自动吸入到进气管；在增压发动机上，小负荷时，增压压力较低，可以通过在涡轮机前引入废气接入增压器后，借助涡轮机前废气压力比增压后新鲜空气压力高的特点引入废气，但EGR率受到一定的限制。在高负荷时，空气增压后的压力较高，即便采用单向阀仍然不能将EGR废气引入。

2. 瞬态响应性差：在赛车和军用等特殊用途的发动机上，某些情况下需要极高的加速度。由于燃料是高能量液态形式，喷油量易于通过原有喷射***迅速增大，但瞬态需求的空气量则难以满足，瞬态的响应性差，导致动力性能提升受到一定的限制。此外，大型发动机的增压器尺寸及重量也往往也较大，由此带来的增压器腔体容积较大，转子的惯性质量较大。在车辆加速过程中，由于惯性力的作用，涡轮增压器的空气运动和转子运动往往存在一定的滞后，从而导致发动机加速性能较差，变工况过程中的排放性能也较差。

3.发动机进气和排气***相互独立：除了通过凸轮相位调整的内部EGR技术以及外部EGR阀控制的外部EGR技术，发动机进气和排气***作为两套基本上相互独立的***，无法将二者配合使用，这也就造成了发动机上的进排气***不能满足全工况范围内动力性及排放性能的要求，不具备EGR率的灵活控制、EGR的快速响应以及增压空气的补偿等功能。

目前，为改善发动机的动力性和经济性，采取了诸多方案解决以上问题：

1. 采用废气涡轮增压器、可变喷嘴的涡轮增压器或多级增压提高发动机进气量。由于进排气的配给及控制联系相对较少，废气涡轮增压器仍然存在响应滞后的问题。而多级增压的控制***复杂并且价格较高。

2. 采用机械增压器提高瞬态响应性。由于机械增压器结构复杂，且仍然不能在全工况内满足发动机需求。

3.EGR废气不能引入问题，具有如下几种解决方案：

a.采取涡轮机前引出引入到增压器后的高压EGR方案。然而，高压EGR***仍然遇到了再循环废气难以引入、EGR率不能满足排放要求的难题。

b.采取在涡轮机的下游引出并引入到增压器上游的低压EGR方案。采用这种方案时，废气中的颗粒和水蒸气冷凝会对增压器叶片进行冲蚀，造成增压器性能和寿命下降等问题。另外，低压EGR方案需要增加排气背压阀或进气节流阀，空间布置困难，成本增加。

c.将低压EGR和高压EGR联合的复合EGR方案。然而，这种***复杂、结构受限、价格较高，同时也没有能够避开低压EGR污染增压器的问题。

d.采用可变气门方案，即通过增加残余废气来控制内部EGR率。这种方案，由于可变的进气***结构复杂，EGR率仍受到一定的限制。

总体而言，上述解决方案依然存在着很多的问题，对于目前发动机上存在的主要问题：1.进排气***及相互之间的配给问题，2.全工况范围内，EGR废气的稳定引入及调节问题；3.进气***的瞬态响应问题等，仍然没有得到很好地解决，仍亟待进一步研究解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种进气***的瞬态响应性强、能在全工况范围内实现EGR废气的稳定引入及调节、且能实现进排气***相互配给的发动机电动气体配给装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种发动机电动气体配给装置，包括发动机ECU和密闭的控制阀箱，该控制阀箱上设置有设置有四组气体通路，每组气体通路均包括一个气阀组件和一个气管，每个气阀组件均具有一个能将对应气管进行封堵和打开的阀片；四个气管分别为第一气管、第二气管、第三气管和EGR管；其中第一气管与发动机进气总管相连接；第二气管末端设置有气体泵，该气体泵的出口设置有与第一气管相连接的第四气管；第三气管与发动机进气支管相连接；EGR管与发动机EGR废气管相连接。

所述气体泵由调速电机驱动。

每个所述气阀组件均包括气缸体、设置于气缸体一端的气阀缸盖、设置于气缸体内的活塞以及与活塞固定连接且能在气缸体内左右移动的气阀，气阀的一端从气缸体内伸出，气阀的伸出端固定有阀片。

所述活塞与气缸体之间设置有活塞密封环。

所述气阀缸盖上设置有压缩空气接口，位于所述活塞和所述气缸体之间的气阀上设置有回位弹簧。

每个所述压缩空气接口外侧均设置有一个与发动机ECU相连接且能自动控制压缩空气通断的电磁阀。

所述气体泵的工作温度为-60℃--200℃。

所述气体泵外壳材料为高强度塑料或金属。

本发明采用上述结构后，上述调速电机带动的气体泵和控制阀箱，能实现EGR和新鲜空气引入两种功能。一方面，引入的新鲜空气能增大进气量，满足军用和赛车领域对瞬时加速的需求。此外，在压缩新鲜空气时，采用该装置与原增压器组合使用，能避开增压器的喘振线，实现高的进气压比，提高进气量，扩展了发动机原增压器的匹配运行工况范围，同时解决涡轮增压器气体惯性带来的空气量滞后的问题。另一方面，本装置能作为EGR泵使用，可有效增强了EGR废气的引入能力，EGR的引入，能减小低压EGR较长回路带来的迟滞效应，也能满足在整个发动机运行范围内任意大小EGR率的需求。另外，发动机ECU 29能对引入的新鲜空气量、EGR废气量及气体泵14引气量进行合理的控制和调节，通过合理的标定实现最优的动力性能和排放性能。

附图说明

图1是本发明一种发动机电动气体配给装置的结构示意图；

图2是气阀组件的剖面结构示意图；

图3是控制阀箱的结构布置图；

图4是将本气体配给装置应用在发动机上时的安装布置图。

其中有：1.控制阀箱；2.第一气阀组件；3.第三气管；4.EGR管；5.第二气阀组件；6.控制阀箱支架；7.第三气阀组件；8.第四气阀组件；9.第一气管；10.卡箍；11.控制阀箱盖板；12.第二气管；13.压缩空气接口；14.气体泵；15.第四气管；16.气体泵支架；17.调速电机；18.电机支架；19.电机接线盒；20.气阀缸盖；21.活塞密封环；22.活塞；23.气缸体；24.回位弹簧；25.气阀；26.发动机；27.排气歧管； 28.排气总管；29.发动机ECU；30.废气旁通阀；31.后处理装置；32.发动起废气EGR管；33.EGR冷却器；34.废气涡轮增压器；35.气体配给装置；36.空气滤清器；37.发动机进气支管；38.空气冷却器；39.发动机进气总管；40.空气流量计。

另外，图2中：p为阀片；

图3中：2p为第一阀片；5p为第二阀片；7p为第三阀片；8p为第四阀片。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图4所示，目前，发动机的进、排气***，包括发动机26、发动机ECU 29、废气涡轮增压器34。发动机26和废气涡轮增压器34两者之间通过发动机进气总管39、排气总管28和排气歧管27进行连接。发动机进气总管39上设置有空气冷却器38。废气涡轮增压器34的一端连接发动机进气支管37，该发动机进气支管37上设置有空气滤清器36和空气流量计40；废气涡轮增压器34的另一端连接发动机EGR废气管32，该发动机EGR废气管32通过废气旁通阀30与排气总管28相连接，同时，发动机EGR废气管32上还设置有后处理装置31和EGR冷却器33。

如图4所示，本发明的气体配给装置35，就设置在上述发动机的进、排气***中，具体设置方式如下。

一种发动机的气体配给装置35，如图1所示，包括密闭的控制阀箱1，该控制阀箱1优选固定于控制阀箱支架6上，控制阀箱1优选包括控制阀箱箱体和控制阀箱盖板11，这样，后续需要维修时，只需打开控制阀箱盖板11即可。

控制阀箱1上设置有设置有四组气体通路，每组气体通路均包括一个气阀组件和一个气管，每个气阀组件均具有一个能将对应气管进行封堵和打开的阀片p。四组气体通路，也即有四个气阀组件、四个气管和四个阀片p。

如图1所示，四个气阀组件分别为第一气阀组件2、第二气阀组件5、第三气阀组件7和第四气阀组件8；四个气管分别为第一气管9、第二气管12、第三气管3和EGR管4。其中第一气管9与上述发动机进气总管39相连接；第二气管12末端设置有气体泵14，该气体泵14通过气体泵支架16进行固定，气体泵14的出口设置有与第一气管9相连接的第四气管15；第三气管3与发动机进气支管37相连接；EGR管4与发动机EGR废气管32相连接。第一气管9和第二气管12上均套装有能使其密封固定的卡箍10。

如图3所示，四个阀片p分别为第一阀片2p、第二阀片5p、第三阀片7p和第四阀片8p。如图3和图1所示，其中，第一阀片2p能将第一气管9封堵和打开，第二阀片5p能将第二气管12封堵和打开，第三阀片7p能将第三气管3封堵和打开，第四阀片8p能将EGR管4封堵和打开。

每个上述气阀组件的具体设置方式，优选如图2所示，每个气阀组件均包括与控制阀箱1固定连接的气缸体23、设置于气缸体23一端的气阀缸盖20、设置于气缸体22内的活塞22以及与活塞22固定连接且能在气缸体23内左右移动的气阀25，气阀25的一端从气缸体23内伸出，气阀25的伸出端固定有阀片p。除阀片p尺寸及气阀25长度外，四组气阀组件的结构尺寸均相同。

上述活塞22与气缸体22之间设置有活塞密封环21。

上述气阀缸盖20上设置有压缩空气接口13，位于所活塞22和气缸体23之间的气阀25上设置有回位弹簧24。当压缩空气接口13没有压缩空气时，气阀25上套装设置的回位弹簧24驱动活塞22向左侧移动，对应的气管将被完全打开。当压缩空气由压缩空气接口13通入气缸体23内时，活塞22向右侧移动，以克服回位弹簧24的弹力做功，可将对应的气管关闭或者维持在一定的开度，活塞密封环21能对气缸体23内定的气体进行密封，气阀25的位移量可通过压缩空气的压力来进行调节。作为替换，也可将回位弹簧24更换为压缩空气，由活塞22两侧压缩空气的充放来控制气阀25和阀片p的左右移动，当然阀片p的左右移动，也可采用现有技术中的其它方式。

每个上述压缩空气接口13外侧均设置有一个与发动机ECU 29相连接且能自动控制压缩空气通断的电磁阀。这样，控制阀箱1中每组气体通路中的气体流量的大小和气体通路的选择以及通断均将由发动机ECU 29进行控制。具体为：由发动机ECU 29驱动多个电磁阀进行控制；每个电磁阀通过控制压缩空气的通断进而控制每组气体通路中的阀片p的开闭，不同阀片p之间的相互组合可实现不同的气路通断。

上述气体泵14优选由调速电机17所驱动，调速电机17通过电机支架18进行固定，调速电机17上设置有电机接线盒19。调速电机17能用于驱动气体泵14旋转做功，其起动及转速控制由发动机ECU 29控制。调速电机17尽量采用可变频的低功耗电机。

上述气体泵14的工作温度优选为-60℃--200℃，这样，气体泵14既能对常温的空气加压，也能对高温的废气进行加压，从而具有良好的耐温性。

另外，上述气体泵14外壳材料优选为高强度塑料或金属，且转子直径尺寸要小，这样，转动惯量小，瞬态响应快。

本发明的发动机电动气体配给装置，优选实施方式及原理如下。

1.不需气体配给装置35工作时的实施方式

发动机ECU 29控制各电磁阀导通，压缩空气经过电磁阀进入各气阀组件的气缸体23内，然后推动活塞22和气阀25运动，直至各阀片p将所有对应的气管完全关闭。此时，本发明的气体配给装置35，在发动机26运行过程中，将不起任何作用，发动机26的排气经排气歧管27进入排气总管28，废气经涡轮增压器34压缩新鲜空气，废气旁通阀30可用来调节经过废气涡轮增压器34的废气流量进而控制新鲜空气的增压压力。最后，废气经过后处理装置31排入大气。新鲜空气，经由空气滤清器36和进气流量计40，通过发动机进气支管37，被废气涡轮增压器34的压气机加压，然后，进入空气冷却器38。最后，冷却后的新鲜空气经发动起进气总管39和进气歧管进入发动机26。

2.需要气体配给装置35工作而采用EGR时的实施方式

2.1 EGR废气的常规引入方式

发动机ECU 29控制第三气阀组件7和第四气阀组件8内的压缩空气泄放，回位弹簧24的弹簧回复力将驱动两个气阀组件的阀片p（即7p、8p）打开，此时EGR废气经EGR气管4、第四阀片8p进入控制阀箱1，然后又通过第三阀片7p、第三气管3进入发动机进气支管37，实现EGR气路的废气引入。

2.2 EGR的自然引入方式

当EGR废气压力较高，发动机的进排气***依然存在较大压差时，可采用EGR的自然引入方式。此时，发动机ECU 29控制第四气阀组件8和第一气阀组件2内的压缩空气泄放，回位弹簧24的弹簧回复力将驱动两个气阀组件的阀片p（即8p、2p）打开，此时废气经EGR气管4、第四阀片8p进入控制阀箱1，然后通过第一阀片2p、第一气管9进入发动机进气总管39，从而实现EGR废气的自动引入。引入的废气与加压后的新鲜空气混合进入空气冷却器38中，进而进入发动机26。采用这种EGR控制方式，可有效降低EGR废气对废气涡轮增压器34的压气机片的冲蚀，在有效引入EGR废气的同时，也能延长废气涡轮增压器34的使用寿命。

2.3 EGR的加压引入方式

当EGR废气压力较低（如启动、怠速工况下）或者进气压力很高时（如大负荷工况），进、排气管压差均无法实现上述的EGR废气的自动引入。此时，发动机ECU 29控制第四气阀组件8和第二气阀组件5内的压缩空气泄放，并控调速电机17以适应的转速驱动气体泵14运行，相应的阀片p（即8p、5p）打开，此时EGR废气经EGR气管4、第四阀片8p进入控制阀箱1，然后并通过阀片5p和第二气管12进入气体泵14中，EGR废气在气体泵14中被强制增压至较高的压力并被泵至第四气管15中，后EGR废气进入第一气管9中。然后，此EGR废气与加压后的新鲜空气混合经由空气冷却器38，进入发动机进气总管39，进而进入发动机26。这种运行方式，实现了在任何工况下，均能从废气涡轮增压器34的下游取气，而引入到发动机进气总管39的EGR引入方案。该方案避免了低压的EGR废气对废气涡轮增压器34污染的问题，也避开了因使用低压EGR废气而带来的瞬态响应性滞后的问题，同时引入的EGR废气也不影响原有废气涡轮增压器34的增压压力。EGR废气引入量及废气压力，均可通过控制调速电机17的转速和阀片p的开度，进行控制。

2.4 新鲜空气引入

军用或赛车等特殊领域的发动机场合，当进气增压***响应滞后，无法满足某些加速工况需求或者进气量无法满足大负荷工况的需求时，发动机ECU 29控制第三气阀组件7和第二气阀组件5动作，此时，新鲜空气由第三气管3经第三阀片7p进入控制阀箱1，并经第二阀片5p和第二气管12引至气体泵14处。此时，调速电机17驱动气体泵14将新鲜空气加压，并泵至第四气管15和第一气管9中，从而装置可作为空气增压器使用以增大新鲜空气的引入量，空气流量通过控制调速电机17的转速和阀片p的开度进行控制。另外，此种运行方式，通过与原增压器的组合，避开了增压器的喘振线，能实现高的进气压比，提高进气量，扩展了原增压器高效率的匹配运行工况范围。

综上所知，通过对发动机ECU 29中各运行参数的设置、各电磁阀的通断控制、调速电机17的转速控制以及进排气***相互配给量的控制等，使本发明的电动气体配给装置，瞬态响应性强、能实现各种工况下的EGR废气的稳定引入及调节，以及新鲜空气的引入，增加进气量，从而在各个工况下，均能达到最优的动力性和经济性。

Claims (8)

1.一种发动机电动气体配给装置，其特征在于：包括发动机ECU（29）和密闭的控制阀箱（1），该控制阀箱（1）上设置有四组气体通路，每组气体通路均包括一个气阀组件和一个气管，每个气阀组件均具有一个能将对应气管进行封堵和打开的阀片（p）；

四个气管分别为第一气管（9）、第二气管（12）、第三气管（3）和EGR管（4）；其中第一气管（9）与发动机进气总管（39）相连接；第二气管（12）末端设置有气体泵（14），该气体泵（14）的出口设置有与第一气管（9）相连接的第四气管（15）；第三气管（3）与发动机进气支管（37）相连接；EGR管（4）与发动机EGR废气管（32）相连接；

四个阀片（p）分别为第一阀片（2p）、第二阀片（5p）、第三阀片（7p）和第四阀片（8p）；其中，第一阀片（2p）能将第一气管（9）封堵和打开，第二阀片（5p）能将第二气管（12）封堵和打开，第三阀片（7p）能将第三气管（3）封堵和打开，第四阀片（8p）能将EGR管（4）封堵和打开；

发动机ECU通过对控制阀箱中不同气体通路的通断转换控制，能实现的进排气型式有：EGR废气的常规引入、EGR的自然引入、EGR的加压引入和新鲜空气引入，具体实现方式如下：

——EGR废气的常规引入：发动机ECU控制使第三阀片（7p）和第四阀片（8p）打开，此时EGR废气经EGR气管、第四阀片进入控制阀箱，然后又通过第三阀片、第三气管进入发动机进气支管，实现EGR气路的废气引入；

——EGR的自然引入：发动机ECU控制使第一阀片（2p）和第四阀片（8p）打开，废气经EGR气管、第四阀片进入控制阀箱，然后通过第一阀片、第一气管进入发动机进气总管，从而实现EGR废气的自动引入；

——EGR的加压引入：发动机ECU控制使第二阀片（5p）和第四阀片（8p）打开，EGR废气经EGR气管、第四阀片进入控制阀箱，然后再通过第二阀片和第二气管进入气体泵中，EGR废气在气体泵中被强制增压并被泵至第四气管中，后EGR废气进入第一气管中；进入第一气管中的EGR废气与加压后的新鲜空气混合经由空气冷却器，进入发动机进气总管，进而进入发动机；

——新鲜空气引入：发动机ECU控制使第二阀片（5p）和第三阀片（7p）打开，新鲜空气由第三气管经第三阀片进入控制阀箱，并经第二阀片和第二气管引至气体泵；气体泵将新鲜空气加压，并泵至第四气管和第一气管中。

2.根据权利要求1所述的发动机电动气体配给装置，其特征在于：所述气体泵（14）由调速电机（17）驱动。

3.根据权利要求1所述的发动机电动气体配给装置，其特征在于：每个所述气阀组件均包括气缸体（23）、设置于气缸体（23）一端的气阀缸盖（20）、设置于气缸体（23）内的活塞（22）以及与活塞（22）固定连接且能在气缸体（23）内左右移动的气阀（25），气阀（25）的一端从气缸体（23）内伸出，气阀（25）的伸出端固定有阀片（p）。

4.根据权利要求3所述的发动机电动气体配给装置，其特征在于：所述活塞（22）与气缸体（23）之间设置有活塞密封环（21）。

5.根据权利要求3所述的发动机电动气体配给装置，其特征在于：所述气阀缸盖（20）上设置有压缩空气接口（13），位于所述活塞（22）和所述气缸体（23）之间的气阀（25）上设置有回位弹簧（24）。

6.根据权利要求5所述的发动机电动气体配给装置，其特征在于：每个所述压缩空气接口（13）外侧均设置有一个与发动机ECU（29）相连接且能自动控制压缩空气通断的电磁阀。

7.根据权利要求1或2所述的发动机电动气体配给装置，其特征在于：所述气体泵（14）的工作温度为-60℃--200℃。

8.根据权利要求1或2所述的发动机电动气体配给装置，其特征在于：所述气体泵（14）外壳材料为高强度塑料或金属。