CN108547701A - 全工况分道分时增压进气内燃机可变压缩比技术 - Google Patents

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Abstract

全工况分道分时增压进气内燃机可变压缩比技术，通过设置增压进气供给装置，分道分时增压进气，改变增压进气量来改变压缩比。分道进气就是增压进气与自然进气道分开，走自己独立气道，直接进入气缸。分时进气是在压缩冲程阶段增压进气。增压进气供给装置包括电动机、空压机和储气罐，增压进气量是由ECU数控装置根据内燃机需要控制电磁气阀向气缸注入空气，实现进气量适时精准。按内燃机最高转速时的最低压缩比，设定燃烧室容积，解决了柴油内燃机和汽油内燃机的爆震问题。在排气冲程快结束时，进行进气强排燃烧室废气。本发明进气效率高、进气量控制精准，实现了内燃机全工况可变压缩比。

Description

全工况分道分时增压进气内燃机可变压缩比技术
技术领域
本发明属于4冲程往复式活塞内燃机进排气技术领域，特别涉及一种全工况增压进气可变压缩比技术。
背景技术
内燃机发明至今已有一百多年了，回顾内燃机的发展历程，投入研究最多的就是内燃机的进排气技术领域。如进排气门从单到多、从固定升程到可变升程、从自然进气到增压进气。内燃机的热效率从最初的15%提高至现在的汽油机30%、柴油机40%（指量产的内燃机）。对热效率提高贡献最多的就是内燃机的进排气技术的进步。所有的进排气技术都是为了一个目标，进的多排的净。因为内燃机的工作原理就是利用气体受热膨胀做功的，进的气越多 ，功率就越大。可至今4冲程往复式活塞内燃机（以下简称内燃机）进排气技术仍存在许多缺陷，主要缺陷如下：1、进气量不足。现有的内燃机无一例外的都使用了进气延迟技术。进气延迟是占有了压缩冲程的空间，延迟了多少，进气的容积就减少了多少，由此产生了“无效进气容积”。当前国际通用的内燃机容积计算方式是：气缸圆面积X活塞冲程长度=冲程容积。无效进气容积计算方式：曲轴进气延迟角度/曲轴冲程角度。例如：一台容积为3.0L的内燃机，它的进气延迟角度是60度， 根据公式60度/180度=1/3 3.0L X 1/3 =1.0L由此得出这台3.0L 内燃机的无效进气容积为1.0L冲程容积—无效进气容积=实际进气容积3.0L —1.0L=2.0L 这台容积3.0L 内燃机的理论进气容积是2.0L 。扣除气压、温度等因素，实际进气量不足1.8L.。进气量不足的原因是进气速度太慢 ，内燃机进气时活塞下行的机械运动速度高于进气的气体流动速度，出现这个现象的原因是，进气通道的截面积小于气缸的圆面积。进气通道的截面积等于大于气缸的圆面积就不会出现这个现象了。可是内燃机的设计就是这样，至今没能改变。无效进气容积还在，不能全容积进气。进气量不足带来的主要负面效应：（1）体积大功率小 （2）摩擦损失大 （3）热效率低。2、当前增压进气技术水平无法做到全工况增压，存在增压进气盲区。具体的说当前的增压进气装置是由内燃机自己驱动的，在内燃机最需要增压进气的低转速时不能增压进气，而在不需要增压进气的高转速时却增压进气能力最强。这样的增压进气技术特性是与内燃机的特性相悖的，根本无法顺应内燃机的进气需求。 3、燃烧后的废气无法排净 。 内燃机都设计有燃烧室，燃烧后的废气是由活塞在缸内上行强制排出的，活塞到不了燃烧室，燃烧室的废气自然就排不净。燃烧室内的压力在排气终了时一般在1.03bar-1.23bar，进气管内的压力一般在0.74bar~0.88bar。进排气门重叠时进排气道是相同的，此时高压力必然向低压力区域运动，这种运动在排气管向进气管方向产生了进气回流，降低了进气效率。排气冲程完成时燃烧室废气的温度在773k~1073k，进气温度只有353k~403k，有320K~670k的温差。温度与压力一样也是高温向低温区域传导，这种热传导降低了进气密度，减少约15%的进气量（按质量计）。燃烧后的废气无氧，不能助燃。
可变压缩比技术就是在任何工况时，内燃机一直都能同时在最高的压缩比和限制爆震条件下工作，这样热效率最高，是内燃机工作的最理想状态。内燃机是在不同的转速、不同的负荷、不同的海拔、不同的温度等的环境中工作的，可变压缩比是最顺应这些工作环境的技术，这是内燃机诞生一百多年来业界达成的共识，这个共识在60多年前就已形成，至今未变。世界各大公司生产出的样机已初步证明了这个共识，但至今都没能量产。
没能量产的主要原因是当前生产出的可变压缩比样机都是用改变燃烧室容积和改变气缸容积的技术，这两种技术都要改变内燃机的结构。改变结构带来的主要问题：（1）增加了零部件结构更复杂。（2）故障率高寿命短。（3）质量增加摩擦损失增加。（4）成本高。（5）无法达到相应的控制水平，不能适时精准的改变压缩比。
发明内容
本发明的目的是针对现有内燃机可变压缩比技术存在的不足之处，提供了一种不改变内燃机结构，通过全工况增压进气，改变进气量，实现内燃机可变压缩比。
理论上讲，改变压缩比有3种方式：1.改变燃烧室容积2.改变气缸容积 3.改变进气量。 本发明采用改变进气量的方式，因为只有这种方式不用改变当前量产内燃机的结构，且采用本发明技术方案的进气量充足。
本发明技术方案：
全工况分道分时增压进气可变压缩比技术。
本技术要点是：
一、按压缩比最低值设定燃烧室容积。
本发明按最低压缩比值设定燃烧室容积，因为现有的内燃机燃烧室容积都是按照中间值设定的，这样设定，只能在中间压缩比值和最高压缩比值之间实现可变压缩比，中间值和最低值之间就不能实现可变压缩比。增压进气可变压缩比技术只能按最低压缩比设定燃烧室的容积才能实现全工况可变压缩比。例如：该柴油机的最高设计转速是3500/rpm ，压缩比是7:1 最低转速是650/rpm 压缩比是21:1 这台柴油机的可变压缩比区域就是 21:1~7:1，中间值是14:1现有内燃机的压缩比值就设定在14：1。这个中间值附近，如也这样设定燃烧室的容积，只能在21:1~ 14:1 区间实现可变压缩比，也可以说是在650/rpm~2075/rpm转速区域实现可变压缩比，2075/rpm~3500/rpm转速区域不能改变压缩比，也就不能消除爆震现象。按最低值设定燃烧室容积是为在全工况无爆震而设计的一种追求完美的设计，没有任何妥协和折中。不妥协带来一个问题，7:1压缩比是在3500/rpm 可压燃柴油的值，此时压缩气体的温度能点燃柴油，又不会提前燃烧产生爆震。7:1的压缩比在低于3500/rpm的区域柴油无法压燃，内燃机怎样启动成了问题。这对进气技术提出了挑战。这就要求在0工况时也就是在启动时就能达到14:1 左右时的缸压才能启动内燃机。怎样解决这个启动难题，请看下面的第二要点。
二、设计一套增压进气的供给装置
为不受内燃机转速的制约，在怠速至中高速区域都能增压进气。这套增压进气供给装置主要是由一台电动机、一台空压机、一个储气罐三部分组成。本发明采用电动机驱动空压机，就是为能满足内燃机在各个工况的增压进气要求。当前的增压进气技术普遍是由内燃机自己驱动的。别说在启动前，就是在启动后的大部分工况区域也无法达到启动的进气压力。储气罐空气贮存的优势：1.随时可增压进气。2.贮存和释放损失小，与电和热的贮存和释放损失相比可以忽略不计。3.压力高、压力稳定、供气量充足。空压机将气体先输入储气罐贮存后在增压。储气罐装有一压力传感器，将压力信号数据传入内燃机的数控装置ECU，ECU中设有一个能满足给内燃机增压进气的压力值 ，依照这个值ECU参照储气罐的压力信号数据对驱动空压机的电动机发出工作、停止、转速指令。这套增压进气供给装置可做到无增压进气盲区全工况增压进气。
三、采用分道分时进气技术。
这是本发明的核心技术。分道进气技术就是增压进气走自己的独立气道，与自然进气道分开。从储气罐通过电磁气阀直接通到各气缸的燃烧室。就像现在内燃机的柴油和汽油直喷技术一样，区别就是喷的不是燃油而是气。于是就多了一个进气道，或称电喷进气道。分时进气技术就是电喷进气时间也与自然进气时间分开，不同时进气。自然进气在进气冲程时进气；电喷进气在压缩冲程时进气。进气冲程时气缸是与大气相通的，处于一开放状态。压缩冲程时气缸与大气是不通的，处于一个密闭状态。电喷进气道进的气是在气缸密闭时进入气缸内的。也可以说电喷进气道的分时进气效率是100%。这是本发明技术的独到之处。如此高的进气效率给计算机数控技术和人工智能技术的应用提供了良好的条件，从而满足了内燃机可变压缩比的适时精准进气控制的要求。此时只需将内燃机转速区域的各转速压缩比的进气量数据输入内燃机的ECU，ECU 就会根据内燃机曲轴位置传感器和转速传感器的信号数据给电控进气阀发出相应的进气指令，电控进气阀按照指令向气缸内喷入相应量的气。这时增压进气可变压缩比技术基本成形。还须完善调整配气相位。
四、调整配气相位 。
将进气相位改成与进气冲程一致的180度，没有提前和延迟。压缩相位也改成与压缩冲程一致的180度。因电喷进气道是在压缩冲程进气，自然进气的进气延迟技术已被高效率的电喷进气技术取代。进气延迟技术进的那点气，与分道分时电喷进气相比差距太大，几乎可以忽略不计。压缩冲程初始，缸内压力不足1bar，是负压。电喷进气道的压力可轻松达到8bar~10bar。这样就可实现全工况、全容积和超容积增压进气。排气相位不要延迟角，就到上止点关闭，起始角不变。
五、排气冲程进气强排技术。
分道进气技术的电喷进气道直接通到燃烧室，在排气冲程时可以进气。在排气冲程上止点前设定一进气位置和一个比燃烧室容积稍多的进气量。将进气位置和进气量的数据输入内燃机的ECU，ECU根据曲轴位置传感器的信号向电控进气阀发出进气信号，进气阀遵照指令开启进气，内燃机燃烧室废气排出。
本发明具有以下显著效果：
1、进气效率高。
本发明的增压进气技术是与内燃机进气特性相顺应的。消除了现有增压进气技术的增压盲区，可全工况高增压进气还可全容积和超容积进气。并且成就了增压进气可变压缩比技术。进气量的多少与热效率成正比是内燃机的一基本原理。
2、进气控制精度高。
本发明可应用人工智能数控ECU进气技术，能适时精准改变压缩比。
3、实现燃烧室废气净排。
本发明的排气冲程进气强排技术结束了内燃机诞生以来燃烧室废气一直排不出的历史，实现了自然进气道无背压、无回流。
4、解决了高海拔内燃机动力下降、不易启动等问题。
本发明的电动机驱动空压机储气罐蓄气能增压进气技术可保证在高海拔区给内燃机提供充足的进气，内燃机的性能不再受海拔高低的影响。
5、攻克了汽油内燃机压燃的技术难关。
本发明中的按最低压缩比设定燃烧室容积解决了内燃机的爆震问题，当然也包括汽油内燃机的爆震问题。
6、结构简单。 本发明是改变进气量的可变压缩比技术，结构与当前的内燃机是一样的，所以不会像当前可变压缩比内燃机（样机）因改变结构而遇到的那些问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
如图所示：图中设置两个空压机P1、P2，M为电动机，SP为压力传感器，SQ为曲轴位置传感器，SR曲轴转速传感器，ECU为数控装置，G为发电机，V为电磁气阀，B为蓄电池，C为气缸。
发电机G向蓄电池B供电，蓄电池B用于电路供电，空压机P1将压缩空气泵入储气罐，储气罐将其送至电磁气阀V，内燃机转速区域的各转速压缩比的进气量数据输入内燃机的ECU，ECU根据内燃机曲轴位置传感器SQ和转速传感器SR的信号数据给电磁气阀V发出相应的进气指令，电磁气阀V按照指令向气缸C内喷入相应量的气。空压机P2是由由内燃机驱动的空压机。小型内燃机没有空压机P2。
具体实施方式
全工况分道分时增压进气内燃机可变压缩比技术，通过设置的增压进气供给装置，分道分时增压进气，通过改变增压进气量来改变压缩比。所述的分道进气就是增压进气与自然进气道分开，不从进气管和进气阀门进气，增压进气走自己独立气道，直接进入气缸。分时进气不在进气冲程时进气，而是在压缩冲程阶段的密封环境中增压进气。所述的增压进气供给装置包括一台电动机M、一台空压机P1和一个储气罐，通过电动机驱动，空压机提供空气源，储气罐储气，实现供气充足、压力稳定。增压进气量是由ECU数控装置根据内燃机需要控制电磁气阀V向气缸C注入空气，实现进气量适时精准。按内燃机最高转速时的最低压缩比，设定燃烧室容积，解决了柴油内燃机和汽油内燃机的爆震问题。在排气冲程快结束时，进行进气强排燃烧室废气。

Claims (7)

1.全工况分道分时增压进气内燃机可变压缩比技术，其特征在于，通过设置的增压进气供给装置，分道分时增压进气，通过改变增压进气量来改变压缩比。
2.根据权利要求1所述的全工况分道分时增压进气内燃机可变压缩比技术，其特征在于，分道进气就是增压进气与自然进气道分开，不从进气管和进气阀门进气，增压进气走自己独立气道，直接进入气缸。
3.根据权利要求1所述的全工况分道分时增压进气内燃机可变压缩比技术，其特征在于，分时进气不在进气冲程时进气，而是在压缩冲程阶段的密封环境中增压进气。
4.根据权利要求1所述的全工况分道分时增压进气内燃机可变压缩比技术，其特征在于，所述的增压进气供给装置包括一台电动机、一台空压机和一个储气罐，通过电动机驱动，空压机提供空气源，储气罐储气，实现无增压盲区，全工况增压进气。
5.根据权利要求1所述的全工况分道分时增压进气内燃机可变压缩比技术，其特征在于，增压进气量是由ECU数控装置根据内燃机需要控制电磁气阀向气缸注入空气，实现进气量适时精准，实现了内燃机可变压缩比。
6.根据权利要求1所述的全工况分道分时增压进气内燃机可变压缩比技术，其特征在于，按内燃机最高转速时的最低压缩比，设定燃烧室容积，解决了柴油内燃机和汽油内燃机的爆震问题。
7.根据权利要求2和3所述的全工况分道分时增压进气内燃机可变压缩比技术，其特征在于，在排气冲程快结束时，进行进气强排燃烧室废气，实现了内燃机废气净排和自然进气道无背压、无回流。
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