CN202108584U - 一种涡轮增压柴油发动机动态补气装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种涡轮增压柴油发动机动态补气装置，包括与发动机废气排气管相连接的主涡轮增压器，所述的发动机废气排气管上还设置有与主涡轮增压器串联的辅涡轮增压器；所述的辅涡轮增压器包括同轴相连的辅涡轮机和辅增压器，所述的辅增压器的出气管通过储气罐与发动机进气歧管相连接；所述的辅涡轮机上并联安装有电动旁通阀；所述的储气罐与发动机进气歧管之间设置有电动补气阀。采用本实用新型可以在发动机“空燃比”失衡前，及时补充进气。发动机进入正常工作状态后，适时退出，而不使用车辆的动力和电力资源，对车辆不会产生不良影响。

Description

一种涡轮增压柴油发动机动态补气装置

技术领域

本实用新型涉及一种发动机进气补气装置，尤其是一种涡轮增压柴油发动机动态补气装置。

背景技术

为解决城市居民方便出行和城市道路拥堵问题，各大中城市普遍优先发展城市公交***。随着城市公交***的发展，公交车辆的尾气污染和能源消耗越来越引起社会的关注，同时这也关系到城市的形象。除地铁和轨道交通外，各城市普遍尝试采用低排放和零污染的诸如使用天然气的车辆及电动车辆等。尽管如此，城市公交车辆的动力***，还是以柴油发动机为主，而且公交车辆起步、加速冒黑烟的现象十分普遍。不仅污染了环境、浪费了能源，还给“城市名片”蒙上一片阴影。

公交车辆起步、加速冒黑烟，很大程度上不是柴油发动机的问题。在额定工况下，现今设计、制造的柴油发动机是能够满足排放要求的，最起码不会“冒黑烟”。造成冒黑烟的直接原因，是公交车辆必须频繁的起步、加速的运行条件和进气***的滞后特性，使得发动机的“空燃比”(进入发动机的空气与燃油之比)严重失衡，冒黑烟的本质是燃烧不充分，造成燃烧不良有两种可能：进气太少或供油不正常，显然，我们讨论的属于前者。

然而，发动机补气技术不是什么新技术，早在废气涡轮增压器发明之前，欧美等老牌工业技术发达国家就开始研究这项技术，废气涡轮增压技术作为其中的佼佼者延续至今。由于现代制造技术的高速发展，使得以较低廉的价格制造高速、高效率、高压比甚至于变截面废气涡轮增压器成为现实，才使得其在近十余年得到推广应用。针对涡轮增压技术反映滞后和单增动态范围有限的特点，产生了组合增压，如：机械增压+废气涡轮增压、电动增压、电动增压+废气涡轮增压等，尽可能与发动机的动态范围相匹配，已取得相当的效果。但对于发动机加速瞬间(由于涡轮增压器滞后造成的“缺气”的)补气技术，业界一直未有定论，主要原因可能是加速状态在发动机工作中所占比例太小和相关的“价值”问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提出一种可以在发动机“空燃比”失衡前，及时补充进气；发动机进入正常工作状态后，适时退出涡轮增压柴油发动机动态补气装置。

本实用新型所采用的技术方案为：一种涡轮增压柴油发动机动态补气装置，包括与发动机废气排气管相连接的主涡轮增压器，所述的发动机废气排气管上还设置有与主涡轮增压器串联的辅涡轮增压器；所述的辅涡轮增压器包括同轴相连的辅涡轮机和辅增压器，所述的辅增压器的出气管通过储气罐与发动机进气歧管相连接；所述的辅涡轮机上并联安装有电动旁通阀；所述的储气罐与发动机进气歧管之间设置有电动补气阀。

进一步的说，为了不需要额外的能源供给，也不消耗车载电量，本实用新型所述的辅涡轮增压器在发动机怠速时由排气驱动为储气罐充气。

本实用新型还包括中央控制单元，所述的中央控制单元通过多个传感器分别采集油门踏板加速度/位置信号、车辆行驶速度信号、发动机转速信号、储气罐压力信号、变速箱档位信号以及发动机点火开关信号；并通过对上述信号的分析控制电动旁通阀和电动补气阀的开启或关闭。这样可以确保这个装置工作在合理状态。

再进一步的说，为了能够更好的向储气罐充气而不造成能源的浪费，本实用新型所述的辅增压器的出气管上、近辅增压器的出气口处设置有逆止阀。

本实用新型所述的储气罐上安装有测量并显示储气罐压力的储气罐压力表。可以清楚的检测及显示储气罐内的压力值，从而更好的掌握打开旁通阀的时间。

本实用新型所述的辅涡轮机的出气管设置有第一级消音器以及第二级消音器，用于减少尾气排放时所产生的噪音。

本实用新型的工作原理是：利用一个小功率的废气涡轮增压器，即辅涡轮增压器，在发动机怠速时，利用发动机排气驱动，使其给储气罐充气。发动机启动或加速的瞬间，打开补气阀，向发动机进气歧管补气，适当校正空燃比失衡状态。当发动机转速达到一定值，主涡轮增压器可以正常工作后，关闭补气阀的同时打开旁通阀，补气***退出，发动机进入正常工作状态。全部过程中，控制单元严密监测油门踏板信号、发动机转速信号和储气罐气压信号等，适时控制补气阀的启闭和旁通阀的开关等，确保整个装置工作在合理的状态。

本实用新型的有益效果是：1、可以在发动机“空燃比”失衡前，及时补充进气。发动机进入正常工作状态后，适时退出，而不使用车辆的动力和电力资源，对车辆不会产生不良影响；2、可以改善以至于完全消除发动机加速瞬间的缺气现象，通过改善燃料燃烧条件来消除“冒黑烟”，可以有效减少排气污染，同时还可以降低油耗，具有良好的社会效益和一定的经济效益，特别适合用于城市公交***以柴油为燃料的车辆。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的优选实施例的结构示意框图；

图2是本实用新型的结构原理框图；

图中：1、进气管；3、排气歧管；4、主涡轮机；5、主增压器；7、电动旁通阀；8、辅涡轮机；9、辅增压器；11～12、逆止阀；13、低压储气罐；14、电动补气阀；15、进气歧管；16、储气罐压力表；17、第一级消音器；18、第二级消音器。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图1所示的一种涡轮增压柴油发动机动态补气装置，包括与发动机废气排气管相连接的主涡轮增压器，主涡轮增压器包括主涡轮机4和主增压器5；主涡轮机4连接排气歧管3；所述的发动机废气排气管上还设置有与主涡轮增压器串联的辅涡轮增压器；所述的辅涡轮增压器包括同轴相连的辅涡轮机8和辅增压器9，所述的辅增压器9的出气管通过储气罐13与发动机进气歧管15相连接；所述的辅涡轮机8上并联安装有电动旁通阀7；所述的储气罐13与发动机进气歧管15之间设置有电动补气阀14。

图2所示的是本实用新型的结构原理框，其中：

IN1：油门踏板加速度/位置信号，通过调节发动机燃料供给量来控制发动机转速(功率)的信号。暂定6级，加速度：A0-A5，位置：W0-W5；由专用传感器提供，数字量或模拟量。

IN2：发动机转速信号，发动机转速为0-3000r/min，对应S0-S5，从发动机转速表取出，模拟量，需高阻抗隔离。

IN3：车辆行驶速度信号；车辆行驶速度暂按0-60KM/h设置，对应V0-V5；从时速表取出，模拟量，需高阻抗隔离。

IN4：储气罐压力信号：开关量，两组：1、上限压力P1，2、下限压力P2。

IN5：变速箱档位信号：开关量，B0-B5。

OUT1：旁通阀控制信号，开关量，控制旁通阀的开/闭。

OUT2：补气阀控制信号，开关量，控制补气阀的开/闭。

OUT3-5：备用控制信号，开关量(图中未表示)。

本实用新型的工作过程是：

初始状态：储气罐气压正常、补气阀14关闭、旁通阀关闭、油门踏板信号A＝0，W＝0、....

发动机点火：启动点火开关，补气阀14打开，补气阀打开后，储气罐中的压缩空气(质量约130克，约合常压下100升)，迅速向发动机进气歧管中补充，确保发动机最初几个工作循环的进气需求，随辅增压器启动而来的压缩空气，源源不断的通过储气罐进行补充。发动机启动，发动机启动的排气量，足以启动辅涡轮机工作；随后辅涡轮机启动，辅涡轮机与辅增压器同轴相连→→辅增压器正常工作，辅增压器的压气轮，将空气从辅进气管中抽入，源源不断的压入储气罐→→逆止阀开启，当辅增压器输出的空气压力大于储气罐的空气压力时，逆止阀开启，向储气罐充气→→储气罐充气，当补气阀关闭前，储气罐作为缓冲器使用。补气阀关闭后，储气罐中气压逐渐升高→→发动机怠速，经过启动阶段后，发动机已可稳定的以最低速度(怠速)运行→→补气阀14关闭，发动机怠速运行时，由于供油量的减少和缸内温度的升高，空燃比和燃烧情况都在合理范围内，无需补气也可正常工作→→储气罐13气压升高，当补气阀14关闭后，辅增压器9压缩的空气还在源源不断的压入储气罐，使储气罐的气压升高，这时应适当打开旁通阀，使驱动辅涡轮机的尾气“旁路”掉一部分，可以减轻辅涡轮增压器组的工作负荷，延长使用寿命→旁通阀7打开，当储气罐气压达到一定值后，储气量已可满足发动机加速时补气所需，可逐步直至完全打开旁通阀，→→逆止阀11关闭，旁通阀的开启，使辅涡轮增压器脱离高压比工作区，辅增压器输出压力下降，储气罐气压高于辅增压器输出压力，逆止阀自然关闭→→储气罐13气压正常→→发动机继续怠速运行。

发动机加速：油门踏板踩下，油门踏板动作的瞬间，即可发出一组电信号，分别用于打开补气阀14进行补气和用于关闭旁通阀7为辅涡轮机进行提速→→补气阀14打开→→发动机加速→→辅涡轮机8加速→→辅增压器9加速工作→→逆止阀11开启→→储气罐13充气→→发动机稳速→→补气阀14关闭，补气阀关闭的时刻，也就是开启的时长，取决于油门踏板的加速度值A和最终位置值W，→→储气罐13气压升高→→旁通阀7打开，旁通阀在发动机转速达到适当值时，必须逐步打开，一方面保护辅增压器组免于超速过载，另一方面避免影响发动机正常工作→→逆止阀(11)关闭→→储气罐13气压正常→→发动机继续稳速运行。

现有技术中的增压技术虽然减少排放的效果明显，但动力源是很大的问题。通常采用两种动力源：A、电动增压器利用车载电源，这是非常规消耗车载电池。特别是公交车辆，由于运行条件的限制，本身电池组就比较容易“亏电”。如此长期使用会缩短电池寿命甚至影响车辆行驶安全。同时还存在时间滞后问题。B、存气罐补气是利用发动机来带动压缩机工作，这样势必消耗发动机的功率，增加油耗。同时由于发动机工作的转速变化范围很大，压缩机与发动机的匹配也较困难。

而本实用新型整合储气罐补气滞后小和电动增压器补气结构简单的优点，采取了在原废气排气管上增加安装可切换小型废气涡轮增压器，此小型废气涡轮增压器利用废气驱动涡轮，在发动机低转速时增压器即可为发动机提供足量的气体，发动机高速时自动脱离，不影响发动机正常工作，也不需要额外的能源供给。

并且本实用新型的补气的工作状态也有所改变：以往的补气方式分为相对持续补气和瞬间补气，A、电动增压器为相对持续补气，它存在电机启动带来的滞后性。同时持续补气时间必须很短，否则电池组负担太重。B、储气罐补气为瞬间补气，几乎不存在滞后性，但它基本属于静态补气，对气源及时进行补充很困难，存在可持续性较差的问题。同时压缩机匹配困难。

本实用新型取A与B方案的优点，既能瞬间补气，还能根据需要持续补气，这二点是不可缺少的关键因素。更关键的是克服了A与B方案的致命弱点，解决了“动力源”问题。

根据本实用新型的实验数据，柴油机瞬间加速状态使用涡轮增压柴油发动机动态补气装置后比原发动机排放降低50％以上，油耗节能8％。

以上说明书中描述的只是本实用新型的具体实施方式，各种举例说明不对本实用新型的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离实用新型的实质和范围。

Claims (6)

1.一种涡轮增压柴油发动机动态补气装置，包括与发动机废气排气管相连接的主涡轮增压器，其特征在于：所述的发动机废气排气管上还设置有与主涡轮增压器串联的辅涡轮增压器；所述的辅涡轮增压器包括同轴相连的辅涡轮机(8)和辅增压器(9)，所述的辅增压器(9)的出气管通过储气罐(13)与发动机进气歧管(15)相连接；所述的辅涡轮机(8)上并联安装有电动旁通阀(7)；所述的储气罐(13)与发动机进气歧管(15)之间设置有电动补气阀(14)。

2.如权利要求1所述的一种涡轮增压柴油发动机动态补气装置，其特征在于：所述的辅涡轮增压器在发动机怠速时由排气驱动为储气罐充气。

3.如权利要求1所述的一种涡轮增压柴油发动机动态补气装置，其特征在于：还包括中央控制单元，所述的中央控制单元通过多个传感器分别采集油门踏板加速度/位置信号、车辆行驶速度信号、发动机转速信号、储气罐压力信号、变速箱档位信号以及发动机点火开关信号；并通过对上述信号的分析控制电动旁通阀(7)和电动补气阀(14)的开启或关闭。

4.如权利要求1所述的一种涡轮增压柴油发动机动态补气装置，其特征在于：所述的辅增压器(9)的出气管上、近辅增压器的出气口处设置有逆止阀。

5.如权利要求1所述的一种涡轮增压柴油发动机动态补气装置，其特征在于：所述的储气罐(13)上安装有测量并显示储气罐压力的储气罐压力表(16)。

6.如权利要求1所述的一种涡轮增压柴油发动机动态补气装置，其特征在于：所述的辅涡轮机的出气管设置有第一级消音器(17)以及第二级消音器(18)。

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