一種內燃機的進氣分段裝置的製作方法

2023-09-19 10:44:20

專利名稱：一種內燃機的進氣分段裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及四衝程內燃機，特別涉及四衝程內燃機的進氣系統。
背景技術：
內燃機問世一百多年來，其技術得到長足進步，特別隨著各國排放法規和燃油消 耗法規的逐年嚴格，四衝程內燃機技術取得飛速發展。外部廢氣再循環技術、均質壓燃著火 技術均是實現內燃機高效清潔燃燒的主要措施；增壓(包括增壓中冷、二級增壓、相繼增壓 等增壓系統，下同)技術是使內燃機動力性、燃油經濟性和排放都得到改善。外部廢氣外部再循環將部分廢氣引入氣缸內再次燃燒，使進氣中的氧含量減少； 廢氣中的CO、N2, H20等具有較高的比熱容，多變指數低，可以降低最高燃燒溫度；C02，N2 等惰性氣體阻礙燃燒，使燃燒速度降低，從而抑制了 NOx的生成。隨著廢氣再循環比率的增 加，會減緩燃燒速率，增加燃燒持續期，並影響燃燒的完善程度及其穩定性；過量廢氣再循 環，使混合氣難以著火。如果廢氣與可燃混合氣(或空氣)分層分布，減少廢氣與可燃混合 氣的摻和，保證著火時刻有適於著火的可燃混合氣，就能夠改善燃燒的穩定性，就能夠改善 著火的穩定性，提高內燃機對廢氣再循環的忍受力。目前使用的外部廢氣再循環，控制精度 低，同時還影響單缸間工作的均勻性。均質壓燃著火技術即均質壓燃著火理論，它的基本特徵是均質、壓燃、低溫火焰。 這是一種清潔高效的燃燒過程，但其工作範圍還有待擴展，但基於HCCI基本思路衍生出來 的多種燃燒方法卻有可使運轉範圍顯著拓寬，而仍保持HCCI高效超低排放的特點。「分層 混合氣」看起來是與HCCI相矛盾的思路，但它實際上是一種「分區均質」，同時又保持了多 點自燃和低溫燃燒的HCCI核心思想，因而具有著火相位可控和低油耗、低NOx的效果。內燃機增壓技術就是採用專門的壓氣機將氣體在進入氣缸前預先進行壓縮，提 高進入氣缸的氣體密度，減小氣體的體積，這樣，在單位體積裡，氣體的質量就大大增加了， 進氣量即可滿足燃料的燃燒需要，從而達到提高發動機功率的目的。目前增壓內燃機，有加 速過程時間較長的缺點，尤其是渦輪增壓內燃機；而離心式壓氣機在流量較小時，會引起壓 氣機喘振；多個聯合工作時，柴油機進氣壓力有突變、控制系統複雜等問題。內燃機增壓後，渦後廢氣、機械增壓的廢氣由於其壓力基本接近大氣壓，在進行廢 氣再循環時，需經過壓氣機加壓才能進行廢氣再循環。廢氣通過壓氣機，不但需要壓氣機提 供能量，還會降低壓氣機的使用壽命。

發明內容
本發明的目的是提供一種內燃機的進氣分段裝置，其在內燃機氣缸的工作循環 中，使不同組成成份的氣體(如空氣或可燃混合氣與廢氣)、或不同壓力的氣體(如未增壓 的氣體和增壓後的氣體)、或是成份和壓力均不同的氣體(如增壓後的氣體和廢氣)，分時 段先後通過進氣道；從而使安裝進氣分段裝置的氣缸進氣實施進氣分段、降低內燃機排放 或/和改善增壓內燃機的瞬時響應性能。
本發明提供的一種內燃機的進氣分段裝置，包括出口與內燃機進氣閥相連的至少 一個進氣道，至少兩根進氣管，所述進氣道與所述進氣管之間設有進氣輔助控制閥，進氣輔 助控制閥的啟閉定時使所述進氣道進氣過程劃分為至少兩個進氣持續期，進氣道在已劃分 的進氣持續期內分別與相應的進氣管順序接通。與現有技術相比，本發明的有益效果是其工作時，通過進氣輔助控制閥在適當時 機開啟和關閉，使內燃機至少一個進氣道完整的進氣過程劃分為至少兩個進氣持續期；內 燃機進氣道的進氣過程決定了氣缸的進氣過程，內燃機安裝一個或多個內燃機的進氣分段 裝置，可使內燃機至少一個氣缸完整的進氣過程劃分為至少兩個進氣持續期；至少使一個 氣缸的進氣過程劃分為至少兩個進氣持續期，即可使內燃機至少一個氣缸廢氣與可燃混合 氣(或空氣)更好地分層，減少廢氣與可燃混合氣的摻和，保證著火時刻有適於著火的可燃 混合氣，就能夠改善燃燒的穩定性，提高內燃機對廢氣再循環的忍受力；並可使HCCI (均質 充量壓燃)運轉範圍顯著拓寬。至少使一個氣缸的進氣過程劃分為至少兩個進氣持續期， 即可使內燃機至少一個氣缸有不同壓力的氣體進入，從而減小壓氣機(或其它供氣系統) 提供的進氣量，即可減小壓氣機(或其它供氣系統)所需功率、體積，可提高增壓內燃機瞬 態響應速度。內燃機只需一個氣缸安裝分段進氣裝置，即可實現本發明的有益效果；當然， 內燃機氣缸安裝的進氣分段裝置個數越多，或內燃機安裝的進氣分段裝置所含進氣道越 多，即內燃機分段進氣的氣缸越多，本發明的有益效果越顯著。作為本發明的進一步改進，所述進氣管設有兩根，分別為第一進氣管和第二進氣 管；進氣輔助控制閥的啟閉定時與所連進氣閥配氣定時的相位相對應，進氣輔助控制閥的 開啟和關閉使進氣道的進氣過程按開啟先後劃分為第一持續期和第二持續期，在第一持續 期內，進氣道與第一進氣管接通，在第二持續期內，進氣道與第二進氣管接通。上述進氣道 個數可與內燃機所含進氣閥個數相等。該技術方案在增加流量調節裝置時，可根據內燃機 負荷或\和轉速，調整不同進氣持續期進氣量的比例。上述技術方案的具體改進之一，所述內燃機為非增壓內燃機；第一進氣管進口與 排煙管相連，第二進氣管進口與空氣濾清器相連或直接與空氣相通。上述技術方案的又一具體改進，所述內燃機為增壓內燃機或增壓中冷內燃機；第 一進氣管進口與空氣濾清器出口或離心式壓氣機回流口相連，第二進氣管進口與增壓器的 壓氣機出口或中冷器出口相連。本技術方案的進一步優化方案是，增加流量調節裝置；流量 調節裝置為進氣管J1的進口部位設有的流量控制閥，和在兩根進氣管之間設有的流量控 制閥；該流量調節裝置使增壓內燃機有較好低速性能的同時，高速性能也得到改善。上述技術方案的再一具體改進，所述內燃機為二組增壓內燃機；第二進氣管進口 與第一組中冷器的出口相連，第一進氣管進口與第二組中冷器出口相連。作為本發明的又一種改進，所述內燃機為增壓內燃機或增壓中冷內燃機；進氣道 的出口與內燃機進氣閥相連；進氣管有三根，分別為第一進氣管、第二進氣管和第三進氣 管；進氣輔助控制閥的啟閉定時與所連進氣閥配氣定時的相位相對應，進氣輔助控制閥的 開啟和關閉使進氣道的進氣過程按開啟先後劃分為第一持續期、第二持續期、第三持續期； 進氣道在其第一持續期內與第一進氣管接通；進氣道在其第二持續期與第二進氣管接通； 進氣道在其第三持續期內與第三進氣管接通；第一進氣管進口與排煙管相連，第二進氣管 進口與空氣濾清器出口相連，第三進氣管進口與增壓器壓氣機的出口或中冷器出口相連。
為實現將進氣道的進氣過程分成至少兩個進氣持續期，所述進氣輔助控制閥可以 是由ECU控制的電控閥；還可以是如下結構的機械閥其包括內轉子、套裝在內轉子上的 外轉子和位於外轉子外的閥體，內轉子中空且一端封閉，另一端為開口端，內轉子、外轉子 和閥體的側面分別開設有相對應的至少一組閥口 ；內轉子的封閉端經轉軸連接一從動外齒 輪，外轉子的相應端部設有從動內齒輪，一安裝在傳動軸端部的主動齒輪分別與從動外齒 輪和從動內齒輪相嚙合；傳動軸與內燃機正時齒輪傳動連接。使用時，使閥體上的閥口或內 轉子的開口端中的任一端接各缸進氣道，另一端接進氣管，傳動軸轉動時，驅動內轉子和外 轉子逆向運動，當運動到內轉子、外轉子和閥體側面的閥口相互重疊或部分重疊時，進氣輔 助控制閥的閥口即處於開啟狀態，其他狀態下，進氣輔助控制閥的閥口處於關閉狀態；由於 內轉子和外轉子逆向轉動，閥的啟閉速度是內轉子和外轉子速度的疊加，使進氣輔助控制 閥的閥口可以實現大開度並能迅速啟閉；傳動軸與正時齒輪傳動連接，可使各單缸的多個 進氣輔助控制閥的閥口與正時相對應並順序開啟。在具體應用時，可有如下兩種方案其 一，所述內轉子的開口端接相應進氣道，閥體側面的各閥口分別接相應進氣管；進氣輔助控 制閥閥體側面的閥口數目之和與進氣管數目相等。其二，所述進氣輔助控制閥的數目與進 氣管數目相等，各進氣輔助控制閥的內轉子開口端分別接進氣管，各進氣輔助控制閥閥體 側面的閥口數目與進氣道數相等並分別接相應進氣道。上述技術方案中，進氣管設有流量控制閥時，可滿足內燃機對流量控制的需要如 汽油機，為滿足空燃比控制的需要，汽油機進氣管進氣端設有的流量控制閥一般為節氣門。作為本發明的一種優化方案，在傳動軸和內燃機的正時機構之間設有的角度提前 裝置，即流量調節裝置。角度提前裝置為現有技術中的已有技術；由於多段進氣持續期的開 啟相位的最佳角度值是隨內燃機的轉速、負荷的變化而變化的，角度提前裝置的設置，使各 單缸的每個進氣持續期的開啟相位可以動態調整。




圖1本發明一種一個進氣道的進氣分段裝置結構示意圖。 圖2 —種進氣輔助控制閥的結構示意圖。 圖3為圖2的M1-M1剖視圖。 圖4為圖2的M2-M2剖視圖。
圖5 —種單缸進氣階段角面值及進氣輔助控制閥閥口進氣持續期示意圖。 圖6本發明一種優化的6個進氣道的進氣分段裝置結構示意圖。 圖7再一種進氣輔助控制閥的結構示意圖。 圖8為圖7的M1-M1剖視圖。 圖9為圖7的M5-M5剖視圖。 圖10為圖7的M6-M6剖視圖。
圖11本發明又一種優化的六個進氣道的進氣分段裝置示意圖。 圖12帶有回流孔的離心式壓氣機剖視圖。 圖13本發明一種優化的四個進氣道的進氣分段裝置示意圖。 圖14另一種單缸進氣階段角面值及進氣輔助控制閥閥口進氣持續期示意圖。 圖15安裝本發明的一種雙增壓柴油機增壓系統結構示意圖。
具體實施例方式實施例1如圖1，為一種一個進氣道的內燃機進氣分段裝置，包括1個進氣道1_J，2根進氣 管Jl、J2 ；進氣道1-J的出口與氣缸進氣閥K1相連；進氣管J1進口與排煙管20相連，進氣 管J2進口與空氣濾清器10相連(如空氣比較清潔，進氣管J2也可直接與空氣相通)；進 氣道1-J與2根進氣管J1、J2之間分別設有1隻進氣輔助控制閥F1 ；進氣道1-J的進氣輔 助控制閥F1的啟閉與氣缸進氣閥K1的配氣正時的相位相對應，使進氣道1-J完整的進氣 過程劃分為2個進氣持續期，並使相應的進氣道1-J在2個分段的進氣持續期與相應的進 氣管接通。進氣輔助控制閥F1 (見圖2-4)包括內轉子101、外轉子102和閥體103，內轉子 101中空且一端封閉，另一端為開口端，內轉子101、外轉子102和閥體103的側面分別開設 有相對應的2組閥口，分別對應為1-1、1_2，進氣輔助控制閥F1內的內轉子、外轉子側面的 閥口相位角位置相錯；內轉子101的封閉端經軸連接一從動外齒輪104，外轉子102的相應 端部設有從動內齒輪105，一安裝在傳動軸106-1 (相對應的傳動軸分別為106-n，n為進氣 輔助控制閥的編號)端部的主動齒輪107分別與從動外齒輪和從動內齒輪相嚙合，傳動軸 與正時齒輪傳動連接。通過閥口位置的相對位置變化，可實現進氣輔助控制閥閥口的開啟 與關閉；進氣輔助閥的內轉子的開口端與進氣道1-J連接，閥F1閥體側面的閥口 1-1與進 氣管J1連接，閥口 1-2與進氣管J2連接；進氣輔助控制閥F1的閥體103可以與進氣管連 為一體(根據內燃機空間條件進氣輔助控制閥亦可布置在進氣管內、或布置在進氣道內)， 進氣輔助控制閥內的閥口與相應進氣閥的配氣正時的相位相對應的啟閉角度相對應；內轉 子轉速外轉子的轉速內燃機凸輪軸轉速=3:1:1 ；為實現進氣輔助控制閥的快速 啟閉，所述內轉子轉速外轉子的轉速內燃機凸輪軸轉速可為5 1 1、4 1 1、 3 1 1、2 1 1，選取內轉子轉速外轉子的轉速內燃機凸輪軸轉速=3 1 1， 只是因為，在滿足各進氣輔助控制閥閥口角度的條件下，希望內轉子、外轉子轉速越快越好 內、外轉子的轉速越大，所有單個閥口(如閥口 1-1)啟閉速度越快，但閥口 1-1從開啟到關 閉的可調整範圍(角度)越小；內轉子101、外轉子102轉速確定後，內轉子101上閥口角度 a 1、外轉子102閥口角度3 1，確定了進氣輔助控制閥閥口 1-1從開啟到關閉的角度範圍； 同時閥口 1-1的長度L1也影響到閥口 1-1開啟截面，進而影響啟閉速度的設定(也可通過 兩個閥口控制一個進氣持續期，可加快內轉子、外轉子轉速)。這樣，進氣輔助控制閥的2個 閥口把進氣道1-J的完整的進氣過程按開啟先後劃分為依次相連的2個進氣持續期，即第 一持續期、第二持續期，進氣道在已分的2個進氣持續期的分別與2根進氣管Jl、J2接通。工作時，進氣輔助控制閥F1把進氣道1-J完整的進氣過程分成2個進氣持續期 通過閥口位置的相對位置變化，可實現進氣輔助控制閥閥口的開啟與關閉，使進氣壓力基 本為大氣壓力的進氣管J1的廢氣、進氣壓力基本為大氣壓力的進氣管J2的空氣，先後通過 進氣道1-J進入氣缸。圖5是單缸內燃機的進氣階段角面值及進氣輔助控制閥閥口進氣持 續期示意圖。其中e 1表示進氣門開啟與進氣輔助控制閥閥口 1-1的進氣持續期開啟的角度差；9 2 表示進氣門開啟與進氣輔助控制閥閥口 2-1的進氣持續期開啟的角度差；e 4表示進氣輔 助控制閥閥口 1-1的第一進氣持續期從開啟到關閉的角度，使廢氣由進氣管Jl通過進氣道進入氣缸；e 5表示進氣輔助控制閥閥口 2-1的第二進氣持續期從開啟到關閉的角度，使空 氣由進氣管J2通過進氣道進入氣缸。根據增壓內燃機的使用用途，可由試驗選擇e 1、e 2、 0 4、0 5的角度。通過把進氣道1-J 一個完整的進氣過程分成2個進氣持續期，可使第一持續期的 廢氣、第二持續期的進氣壓力基本為大氣壓力的空氣，先後通過進氣道進入氣缸，使氣缸的 廢氣與空氣較好的分層，提高內燃機對廢氣再循環的忍受力，改善燃燒的穩定性，降低內燃 機排放。對於需要控制空燃比的內燃機，如汽油機，則可在每根進氣管進口端，安裝流量控 制閥，該流量控制閥可為節氣門。本實施例方案既可用於單缸內燃機，同時也可用於多缸內燃機。本實施例方案用 於多缸內燃機時，部分氣缸採用多個進氣分段裝置(進氣分段裝置的個數與採用進氣分段 裝置的氣缸個數相等)，剩餘氣缸採用進氣道與含有所需補充氣體的進氣管直接相連的原 有進氣裝置；較優方案是多缸內燃機每個氣缸均採用進氣分段裝置。實施例2如圖6，為一種優化的6個進氣道的進氣分段裝置，包括6個進氣道1-J、2-J、3_J、
4-J、5-J、6-J，2根進氣管Jl、J2，；內燃機含有6個進氣閥；6個進氣道1_J、2-J、3-J、4_J、
5-J、6-J直接與各單缸的進氣閥進口K1、K2、K3、K4、K5、K6、相連；進氣管J1與空氣濾清器 10相連，進氣管J2與中冷器40的出口 41相連；6個進氣道1-J、2-J、3-J、4-J、5-J、6-J與2 根進氣管Jl、J2之間分別設有2隻進氣輔助控制閥Fl、F2 ；6個進氣道1-J、2-J、3-J、4-J、 5-J、6-J的進氣輔助控制閥的啟閉與6個進氣道所連進氣閥的配氣正時的相位相對應，使 6個進氣道1-J、2-J、3-J、4-J、5-J、6-J完整的進氣過程均劃分為2個進氣持續期，並使相 應的進氣道在2個分段的進氣持續期與相應的進氣管接通。每隻進氣輔助控制閥包括內轉 子101、套裝在內轉子上的外轉子102和位於外轉子外的閥體103，內轉子101中空且一端 封閉，另一端為開口端，開口端與相應進氣管進氣端相連，以一隻進氣輔助控制閥F1 (見圖 7-10)為例，進氣輔助控制閥F2與進氣輔助控制閥F1結構相同；進氣輔助控制閥F1包括 內轉子101、外轉子102和閥體103，內轉子101、外轉子102和閥體103的側面分別開設有 相對應的6組閥口，分別對應為1-1至6-1 (進氣輔助控制閥F2對應的閥口為1-2至6-2)， 進氣輔助控制閥F1內的內轉子、外轉子側面的閥口相位角位置相錯；內轉子101的封閉端 經軸連接一從動外齒輪104，外轉子102的相應端部設有從動內齒輪105，一安裝在傳動軸 106 (相對應的傳動軸分別為106-n，n為進氣輔助控制閥的編號)端部的主動齒輪107分別 與從動外齒輪和從動內齒輪相嚙合，傳動軸與正時齒輪傳動連接。通過閥口位置的相對位 置變化，可實現進氣輔助控制閥閥口的開啟與關閉；2隻閥的內轉子的開口端分別接相應 進氣管，閥體側面的各閥口分別接相應各缸的進氣道；每隻進氣輔助控制閥內的6組閥口 與相應進氣閥的配氣正時的相位相對應的啟閉角度相對應；內轉子轉速外轉子的轉速 內燃機凸輪軸轉速=3 1 1 ；各單缸的順序開啟的相鄰兩進氣持續期的開啟相位有部 分重疊；F1的傳動軸和柴油機的正時機構之間設有角度提前裝置T1，F2的傳動軸和柴油機 的正時機構之間設有角度提前裝置T2。這樣，每一單缸的2個閥口把相應氣缸的完整的進 氣過程按開啟先後劃分為依次相連的、相鄰兩個過程部分重疊的2個短的進氣持續期，即 第一持續期、第二持續期，進氣道在已分的2個進氣持續期的分別與2根進氣管Jl、J2接
8通，並使每個進氣道相同次序持續期的持續時間均一樣。工作時，每缸的進氣輔助控制閥把每個進氣道完整的進氣過程分成2個有重疊 的、依次相連的進氣持續期；通過閥口位置的相對位置變化，可實現進氣輔助控制閥閥口的 開啟與關閉，使進氣壓力為大氣壓力的空氣與增壓中冷後的空氣(單級增壓中冷後的空氣 或多級增壓中冷後的空氣)分別在2個不同的進氣持續期，先、後通過進氣道進入氣缸；通 過傳動軸與正時齒輪傳動之間可部分或全部設置角度提前裝置，可動態調整進氣壓力為大 氣壓力的空氣與增壓中冷後的空氣的比例，使不同轉速、不同負荷運的排放都得到改善，具 體見以下說明。圖4是四衝程增壓內燃機的單缸排氣階段角面值及進氣輔助控制閥閥口進 氣持續期示意圖，並說明角度提前裝置的作用，該說明同樣適用於其它增壓內燃機。其中e 1表示進氣門開啟與進氣輔助控制閥閥口 1-1的進氣持續期開啟的角度差，對 於e 1的調整，可調整進入氣缸的進氣壓力基本為大氣壓力的空氣的比例，當ei為負值 時，進入缸內進氣壓力基本為大氣壓力的空氣的量迅速減少，當ei加0 4等於零時，由進 氣道進入缸內的進氣壓力基本為大氣壓力的空氣的量為零，本實施例中e 1通過角度提前 器T1調整，增壓內燃機低速時可取大值，高速時取小值。0 2表示進氣門開啟與進氣輔助控制閥閥口 1-2的進氣持續期開啟的角度差，對 於9 2的調整，可調整進入氣缸的進氣壓力為中冷後壓力的空氣的比例。本實施例中e2 通過角度提前器T2調整。94表示進氣輔助控制閥閥口 1-1的第一進氣持續期從開啟到關閉的角度，使進 氣壓力基本為大氣壓力的空氣由進氣管J1通過進氣道進入氣缸。e 5表示進氣輔助控制閥閥口 1-2的第二進氣持續期從開啟到關閉的角度，使增 壓中冷後的空氣由進氣管J2通過進氣道進入氣缸。根據增壓內燃機的使用用途，可由試驗選擇e 1、e 2、e 4、e 5的角度。如在傳動 軸和正時機構可設置角度提前器，角度提前器為現有技術中已有的產品，通過改變輸出與 輸入的相對位置，使輸出相位發生變化；角度提前器可使ei、02的角度可隨增壓內燃機 的轉速變化或隨轉速、負荷而變化。根據優化效果，也可僅對部分進氣輔助控制閥前安裝角 度提前器，也可在所有傳動軸前端設置一個角度提前器。通過把每個進氣道的一個完整的進氣過程分成2個進氣持續期，可使第一持續期 的進氣壓力為大氣壓力的空氣、第二持續期的進氣壓力為中冷後的空氣，先後通過進氣道 進入氣缸，可減少壓氣機對每個氣缸提供的空氣，無論增壓器是渦輪增壓器還是機械增壓 器，均可減少壓氣機所需功率、體積，從而提高增壓內燃機瞬態響應速度；對於機械增壓內 燃機，減小機械增壓器壓氣機所需功率的同時，可減少增壓內燃機有效功率的損失，可提高 機械增壓的效率；通過角度提前裝置，可根據內燃機轉速、負荷等工作情況進行，可調整進 氣道不同時刻至少兩個進氣持續期的長短，高精度的調整進氣道通過不同氣源氣體的流 量，可使增壓內燃機有較好低速性能的同時，高速性能也得到改善。本實施例方案是6個進氣道的增壓內燃機的一種優化的進氣分段裝置，但該進氣 分段裝置同時可用於多於6個氣道的增壓內燃機(即部分氣缸採用進氣分段裝置，部分氣 缸採用進氣道與進氣管直接相連的原有進氣裝置)。實施例3如圖11，為又一種優化的6個進氣道的進氣分段裝置，包括6個進氣道1-J、2_J、3-J、4-J、5-J、6-J，2根進氣管J1、J2，中冷器40，離心式壓氣機30；內燃機含有6個進氣閥； 6個進氣道1-J、2-J、3-J、4-J、5-J、6-J直接與各單缸的進氣閥進口 Kl、K2、K3、K4、K5、K6、 相連；進氣管J1與離心式壓氣機30的回流孔31 (剖視圖見圖12)相連，進氣管J2與中冷 器40的出口 41相連；6個進氣道1-J、2-J、3-J、4-J、5-J、6-J與2根進氣管Jl、J2之間分別 設有2隻進氣輔助控制閥Fl、F2 ；進氣管J1與離心式壓氣機30的回流孔相連的部位設置 流量控制閥F10，進氣管J1、進氣管J2之間設置流量控制閥F20 ；6個進氣道1-J、2-J、3-J、
4-J、5-J、6-J的進氣輔助控制閥的啟閉與內燃機相應進氣閥的配氣正時的相位相對應使6 個進氣道1-J、2-J、3-J、4-J、5-J、6-J完整的進氣過程均劃分為2個進氣持續期，並使相應 的進氣道在2個分段的進氣持續期與相應的進氣管接通。每隻進氣輔助控制閥包括內轉子 101、套裝在內轉子上的外轉子102和位於外轉子外的閥體103，內轉子101中空且一端封 閉，另一端為開口端，開口端與相應進氣管進氣端相連，以一隻進氣輔助控制閥F1為例，進 氣輔助控制閥F2與進氣輔助控制閥F1結構相同；進氣輔助控制閥F1包括內轉子101、外轉 子102和閥體103，內轉子101、外轉子102和閥體103的側面分別開設有相對應的6組閥 口，分別對應為1-1至6-1 (進氣輔助控制閥F2對應的閥口為1-2至6-2)，進氣輔助控制閥 F1內的內轉子、外轉子側面的閥口相位角位置相錯；內轉子101的封閉端經軸連接一從動 外齒輪104，外轉子102的相應端部設有從動內齒輪105，一安裝在傳動軸106(相對應的傳 動軸分別為106-n，n為進氣輔助控制閥的編號)端部的主動齒輪107分別與從動外齒輪和 從動內齒輪相嚙合，傳動軸與正時齒輪傳動連接。通過閥口位置的相對位置變化，可實現進 氣輔助控制閥閥口的開啟與關閉；2隻閥的內轉子的開口端分別接相應進氣管，閥體側面 的各閥口分別接相應各缸的進氣道；每隻進氣輔助控制閥內的6組閥口與相應進氣閥的配 氣正時的相位相對應的啟閉角度相對應；內轉子轉速外轉子的轉速內燃機凸輪軸轉速 =3:1: 1 ；各單缸的順序開啟的相鄰兩進氣持續期的開啟相位有部分重疊。這樣，每一 單缸的2個閥口把相應氣缸的完整的進氣過程分成依次相連的、相鄰兩個過程部分重疊、2 個短的進氣持續期即第一持續期、第二持續期，進氣道在已分的2個進氣持續期的分別與2 根進氣管Jl、J2接通，並使每個進氣道相同次序持續期的持續時間均一樣。工作時，每缸的進氣輔助控制閥把每個進氣道完整的進氣過程分成2個有重疊 的、依次相連的進氣持續期；通過閥口位置的相對位置變化，可實現進氣輔助控制閥閥口的 開啟與關閉，使進氣壓力基本為大氣壓力的空氣與增壓中冷後的空氣分別在2個不同的進 氣持續期，先、後通過進氣道進入氣缸，可減少壓氣機對每個氣缸提供的空氣，即可減少壓 氣機所需功率、體積，從而提高增壓內燃機瞬態響應速度；由於第一持續期的空氣是來源於 離心式壓氣機的回流孔的空氣，改善了小流量時氣流擾動，可減小離心式壓氣機最小喘振 流量。內燃機在低速時流量控制閥F10全開，流量控制閥F20全閉；內燃機在中速(或高 速)時流量控制閥F10全閉，流量控制閥F20全開；內燃機在低速向中速(或高速)時過渡 時，流量控制閥F10可全開，流量控制閥F20全閉；可使增壓內燃機有較好低速性能的同時， 高速性能也得到改善。本實施例方案是6個進氣道的增壓內燃機的一種優化的進氣分段裝置，但該進氣 分段裝置同時可用於多於6個氣道的增壓內燃機(即部分氣缸採用進氣分段裝置，部分氣 缸採用進氣道與進氣管直接相連的原有進氣裝置)。實施例4
如圖13，本發明一種優化的四個進氣道的進氣分段裝置，包括4個進氣道，3根進 氣管Jl、J2、J3，空氣濾清器10，排煙管20，中冷器40 ；4個進氣道1-J、2-J、3-J、4-J直接與 各單缸進氣閥進口相連；每一進氣道與3根進氣管J1、J2、J3之間分別設有進氣輔助控制閥 Fl、F2、F3 ；進氣管J1與排煙管20相連，進氣管J2與空氣濾清器10相連，進氣管J3與中 冷器40的出口 41相連；每一氣道的進氣輔助控制閥的啟閉與相應進氣閥的配氣正時的相 位相對應，使每一單缸完整的進氣過程劃分為3個進氣持續期，並使相應的進氣道在3個分 段的進氣持續期與相應的進氣管接通。4個進氣道1-J、2-J、3-J、4-J的進氣輔助控制閥的 啟閉與內燃機相應進氣閥的配氣正時的相位相對應使4個進氣道1-J、2-J、3-J、4-J完整的 進氣過程均劃分為3個進氣持續期，並使相應的進氣道在3個分段的進氣持續期與相應的 進氣管接通。每隻進氣輔助控制閥包括內轉子101、套裝在內轉子上的外轉子102和位於外 轉子外的閥體103，內轉子101中空且一端封閉，另一端為開口端，開口端與相應進氣管進 氣端相連，以一隻進氣輔助控制閥F1為例，進氣輔助控制閥F2與進氣輔助控制閥F1結構 相同；進氣輔助控制閥F1包括內轉子101、外轉子102和閥體103，內轉子101、外轉子102 和閥體103的側面分別開設有相對應的4組閥口，分別對應為1-1至4-1 (進氣輔助控制閥 F2對應的閥口為1-2至4-2、進氣輔助控制閥F3對應的閥口為1_3至4_3)，進氣輔助控制 閥F1內的內轉子、外轉子側面的閥口相位角位置相錯；內轉子101的封閉端經軸連接一從 動外齒輪104，外轉子102的相應端部設有從動內齒輪105，一安裝在傳動軸106(相對應的 傳動軸分別為106-n，n為進氣輔助控制閥的編號)端部的主動齒輪107分別與從動外齒輪 和從動內齒輪相嚙合，傳動軸與正時齒輪傳動連接。通過閥口位置的相對位置變化，可實現 進氣輔助控制閥閥口的開啟與關閉；3隻閥的內轉子的開口端分別接相應進氣管，閥體側 面的各閥口分別接相應各缸的進氣道；每隻進氣輔助控制閥內的4組閥口與相應進氣閥的 配氣正時的相位相對應的啟閉角度相對應；內轉子轉速外轉子的轉速內燃機凸輪軸轉 速=3 1 1 ；各單缸的順序開啟的相鄰兩進氣持續期的開啟相位有部分重疊；F1的傳動 軸和柴油機的正時機構之間設有角度提前裝置Tl，F2的傳動軸和柴油機的正時機構之間 設有角度提前裝置T2，F3的傳動軸和柴油機的正時機構之間設有角度提前裝置T3。這樣， 每一單缸的3個閥口把相應氣缸的完整的進氣過程分成依次相連的、相鄰兩個過程部分重 疊、3個進氣持續期即第一持續期、第二持續期、第三持續期，進氣道在已分的3個進氣持續 期的分別與3根進氣管Jl、J2、J3接通，並使每個進氣道相同次序持續期的持續時間均一 樣。工作時，進氣輔助控制閥把每個進氣道分成3個有重疊的、依次相連的進氣持續 期；通過閥口位置的相對位置變化，可實現進氣輔助控制閥閥口的開啟與關閉，使不同氣源 的進氣管進氣壓力基本為大氣壓力的進氣管J1的廢氣、進氣壓力基本為大氣壓力的進氣 管J2的空氣、進氣壓力為增壓後的壓力的進氣管J3的空氣，分別通過進氣道進入氣缸；通 過傳動軸與正時齒輪傳動之間可部分或全部設置角度提前器，可同時改善低工況、高工況 運行性能，具體見以下說明。圖14是四衝程增壓內燃機的單缸進氣階段角面值及進氣輔助 控制閥閥口進氣持續期示意圖，說明角度提前器的作用，該說明同樣適用於其它內燃機。其 中6 1表示進氣門開啟與進氣輔助控制閥閥口 1-1的進氣持續期開啟的角度差，對 於91的調整，可調整進入氣缸的廢氣量的比例，當9 1為負值時，進入缸內的廢氣量迅速減少，當Θ1加θ 4等於零時，由進氣道進入缸內的廢氣量為零，本實施例中θ 1通過角度 提前器Tl調整。θ 2表示進氣門開啟與進氣輔助控制閥閥口 1-2的進氣持續期開啟的角度差，對 於θ 2的調整，可調整進入氣缸的進氣壓力基本為大氣壓力的空氣的比例，當θ 2為負值 時，進入缸內進氣壓力基本為大氣壓力的空氣的量迅速減少，當θ 2加θ 5等於零時，由進 氣道進入缸內的進氣壓力基本為大氣壓力的空氣的量為零，本實施例中θ 2通過角度提前 器Τ2調整。θ 3表示進氣門開啟與進氣輔助控制閥閥口 1-3的進氣持續期開啟的角度差，對 於θ 3的調整，可調整進入氣缸的進氣壓力為中冷後壓力的空氣的比例。
Θ4表示進氣輔助控制閥閥口 1-1的第一進氣持續期從開啟到關閉的角度，使廢 氣通過進氣管Jl通過進氣道。θ 5表示進氣輔助控制閥閥口 1-2的第二進氣持續期從開啟到關閉的角度，使空 氣通過進氣管J2通過進氣道。θ 6表示進氣輔助控制閥閥口 1-3的第三進氣持續期從開啟到關閉的角度，使中 冷後的空氣通過進氣管J3通過進氣道。根據增壓內燃機的使用用途，可對θ 1、θ 2、θ 3、θ 4、θ 5、θ 6的角度進行優化選 擇。如在傳動軸和正時機構可設置角度提前器，角度提前器為現有技術中已有的產品，通過 改變輸出與輸入的相對位置，使輸出相位發生變化；角度提前器可使Θ1、θ 2、θ 3的角度 可隨增壓內燃機的轉速變化或隨轉速、負荷而變化。根據優化效果，也可僅對部分進氣輔助 控制閥前安裝角度提前器，也可在所有傳動軸前端設置一個角度提前器。通過把進氣道一個完整的進氣過程分成3個進氣持續期，可使第一持續期的廢 氣、第二持續期的進氣壓力基本為大氣壓力的空氣、第三持續期的進氣壓力為中冷後壓力 的空氣，先後通過進氣道進入氣缸，使氣缸的廢氣與空氣較好的分層，提高內燃機對廢氣再 循環的忍受力或較好的實現分層均質，改善燃燒的穩定性，降低內燃機排放；通過角度提前 裝置，通過角度提前裝置，可根據內燃機轉速、負荷等工作情況，動態調整單缸至少兩個進 氣持續期的長短，高精度的調整進入不同氣源的比例，進一步優化此單缸的燃燒過程；第二 持續期的進氣壓力基本為大氣壓力的空氣、第三持續期的進氣壓力為中冷後壓力的空氣， 先後通過進氣道進入氣缸，從而使不同壓力的氣體進入氣缸，可減小增壓器壓氣機所需功 率，提高增壓內燃機的瞬態響應速度；對於機械增壓內燃機，減小機械增壓器壓氣機所需 功率的同時，可減少增壓內燃機有效功率的損失，可提高機械增壓的效率；通過角度提前裝 置，可根據內燃機轉速、負荷等工作情況，動態調整單缸至少兩個進氣持續期的長短，較好 滿足低工況(低速全負荷)、高工況(高速全負荷)對運行要求，可提高車用增壓內燃機低 工況時增壓壓力。本實施例方案是4個進氣道的增壓內燃機的一種優化的進氣分段裝置，但該進氣 分段裝置同時可用於多於4個氣道的增壓內燃機(即部分氣缸採用進氣分段裝置，部分氣 缸採用進氣道與進氣管直接相連的原有進氣裝置)。實施例5如圖15，為一種雙增壓柴油機增壓系統結構示意圖，該內燃機為六缸(對應缸號 為I-VI)四衝程柴油機優化的相繼增壓系統，其中進氣分段裝置為1個。該雙增壓內燃機包括2組增壓系統，1個優化的進氣分段裝置和1個排氣流量控制系統；第一組增壓系統包 括中冷器40-1，增壓器壓氣機30-1和渦輪機50-1 ；；第二組增壓系統包括中冷器40-2，增 壓器壓氣機30-2和渦輪機50-2 ；進氣分段裝置包括與各單缸的進氣閥進口相連的個進氣 道 1-J、2-J、3-J、4-J、5-J、6-J，2 根進氣管 Jl、J2，6 個進氣道 1-J、2-J、3-J、4-J、5-J、6_J 與2根進氣管Jl、J2之間分別設有2隻進氣輔助控制閥Fl、F2 ；6個進氣道1_J、2_J、3_J、 4-J、5-J、6-J的進氣輔助控制閥的啟閉與內燃機相應進氣閥的配氣正時的相位相對應使6 個進氣道1-J、2-J、3-J、4-J、5-J、6-J完整的進氣過程均劃分為2個進氣持續期，並使相應 的進氣道在2個分段的進氣持續期與相應的進氣管接通；壓氣機30-1的進口與空氣濾清器 10-1的出口相連，壓氣機30-1的出口與中冷器40-1的進口相連，壓氣機30-2的進口與空 氣濾清器10-2的出口相連，壓氣機30-2的出口與中冷器40-2的進口相連；進氣管J2與 第一組增壓系統的中冷器40-1的出口相連，進氣管Jl與第二組增壓系統的中冷器40-2出 口相連；排氣流量控制系統包括與各單缸排氣閥出口相連的6個排氣道1-P、2-P、3-P、4-P、
5-P、6-P，二根排氣管PI、P2；排氣管Pl —端直接與6個排氣道相連，另一端與渦輪機50_1 進口直接相連；排氣管P2 —端通過流量控制閥F30與排氣管Pl相連，另一端直接與渦輪機 50-2進口直接相連；渦輪機50-1的出口與排煙管20-1相連，渦輪機50-2的出口與排煙管 20-2相連。每隻進氣輔助控制閥包括內轉子101、套裝在內轉子上的外轉子102和位於外 轉子外的閥體103，內轉子101中空且一端封閉，另一端為開口端，開口端與相應進氣管進 氣端相連，以一隻進氣輔助控制閥Fl為例，進氣輔助控制閥F2與進氣輔助控制閥Fl結構 相同；進氣輔助控制閥Fl包括內轉子101、外轉子102和閥體103，內轉子101、外轉子102 和閥體103的側面分別開設有相對應的6組閥口，分別對應為1-1至6-1 (進氣輔助控制閥 F2對應的閥口為1-2至6-2)，進氣輔助控制閥Fl內的內轉子、外轉子側面的閥口相位角位 置相錯；內轉子101的封閉端經軸連接一從動外齒輪104，外轉子102的相應端部設有從動 內齒輪105，一安裝在傳動軸106 (相對應的傳動軸分別為106-n，n為進氣輔助控制閥的編 號)端部的主動齒輪107分別與從動外齒輪和從動內齒輪相嚙合，傳動軸與正時齒輪傳動 連接。通過閥口位置的相對位置變化，可實現進氣輔助控制閥閥口的開啟與關閉；2隻閥的 內轉子的開口端分別接相應進氣管，閥體側面的各閥口分別接相應各缸的進氣道；每隻進 氣輔助控制閥內的6組閥口與相應進氣閥的配氣正時的相位相對應的啟閉角度相對應；內 轉子轉速外轉子的轉速內燃機凸輪軸轉速=311；各單缸的順序開啟的相鄰兩 進氣持續期的開啟相位有部分重疊。這樣，每一單缸的2個閥口把相應氣缸的完整的進氣 過程分成依次相連的、相鄰兩個過程部分重疊、2個短的進氣持續期即第一持續期、第二持 續期，進氣道在已分的2個進氣持續期的分別與2根進氣管J2、J1接通，並使每個進氣道相 同次序持續期的持續時間均一樣。 工作時，每缸的進氣輔助控制閥把每個進氣道完整的進氣過程分成2個有重疊 的、依次相連的進氣持續期；通過閥口位置的相對位置變化，可實現進氣輔助控制閥閥口的 開啟與關閉，使進氣壓力為進氣管Jl壓力的空氣、進氣管壓力J2的壓力先後通過每個進氣 道進入相應氣缸，使原來相繼增壓的兩個增壓系統在內燃機低速時就同時工作。內燃機在 低速時，排氣流量控制系統首先滿足渦輪機50-1的需要，即通過渦輪機50-1提供的能量， 使壓氣機30-1保證進氣管J2壓力達到使用要求，此時，流量控制閥F30的開度最小；在增 壓內燃機轉速上升過程中，在基本保證進氣管J2壓力保持不變的情況下，流量控制閥F30的開度逐漸加大，進氣管Jl的壓力隨轉速升高，而進氣管J2的壓力可基本保持不變，內燃 機在標定點時，流量控制閥F30全開，進氣管Jl的壓力可與進氣管J2的壓力一樣，這樣就 消除了原來的相繼增壓系統在轉速上升過程中多個增壓系統切換出現的進氣壓力波動的 情況，從根本上解決了渦輪增壓內燃機是葉輪旋轉式機械和往復運動式機械的組合出行流 量匹配問題。通過傳動軸與正時齒輪傳動之間設置角度提前裝置或兩個進氣管之間增加流 量控制閥，可加大相繼增壓內燃機的調節範圍。 本應用實例中兩組渦輪增壓器可以不等，當第二組大於第一組時，將增大相繼增壓內燃機的調節範圍。當然，本實施例原理，可擴大至多於二組增壓器的情況，相繼增壓內 燃機的工作轉速調節範圍將進一步加大。
權利要求
一種內燃機的進氣分段裝置，包括出口與內燃機進氣閥相連的至少一個進氣道，至少兩根進氣管，其特徵在於所述進氣道與所述進氣管之間設有進氣輔助控制閥，進氣輔助控制閥的啟閉定時使所述進氣道的進氣過程劃分為至少兩個進氣持續期，進氣道在已劃分的進氣持續期內分別與相應的進氣管順序接通。
2.根據權利要求1所述的一種內燃機的進氣分段裝置，其特徵在於所述進氣管設有 兩根，分別為第一進氣管和第二進氣管；進氣輔助控制閥的啟閉定時與所連進氣閥配氣定 時的相位相對應，進氣輔助控制閥的開啟和關閉使進氣道的進氣過程按開啟先後劃分為第 一持續期和第二持續期，在第一持續期內，進氣道與第一進氣管接通，在第二持續期內，進 氣道與第二進氣管接通。
3.根據權利要求2所述的一種內燃機的進氣分段裝置，其特徵在於所述進氣道的個 數與內燃機進氣閥個數相等。
4.根據權利要求3所述的一種內燃機的進氣分段裝置，其特徵在於所述內燃機為非 增壓內燃機；第一進氣管進口與排煙管相連，第二進氣管進口與空氣濾清器相連或直接與 空氣相通。
5.根據權利要求3所述的一種內燃機的進氣分段裝置，其特徵在於所述內燃機為增 壓內燃機或增壓中冷內燃機；第一進氣管進口與空氣濾清器出口或離心式壓氣機回流口相 連，第二進氣管進口與增壓器的壓氣機出口或中冷器出口相連。
6.根據權利3要求所述的一種內燃機的進氣分段裝置，其特徵在於所述內燃機為二 組增壓內燃機；第二進氣管進口與第一組中冷器的出口相連，第一進氣管進口與第二組中 冷器出口相連。
7.根據權利要求1所述的一種內燃機的進氣分段裝置，其特徵在於所述內燃機為增 壓內燃機或增壓中冷內燃機；進氣道的出口與內燃機進氣閥相連；進氣管有三根，分別為 第一進氣管、第二進氣管和第三進氣管；進氣輔助控制閥的啟閉定時與所連進氣閥配氣定 時的相位相對應，進氣輔助控制閥的開啟和關閉使進氣道的進氣過程按開啟先後劃分為第 一持續期、第二持續期、第三持續期；進氣道在其第一持續期內與第一進氣管接通；進氣道 在其第二持續期與第二進氣管接通；進氣道在其第三持續期內與第三進氣管接通；第一進 氣管進口與排煙管相連，第二進氣管進口與空氣濾清器出口相連，第三進氣管進口與增壓 器壓氣機的出口或中冷器出口相連。
8.根據權利要求1-7任意一項所述的一種內燃機的進氣分段裝置，其特徵在於所述 進氣輔助控制閥包括內轉子、套裝在內轉子上的外轉子和位於外轉子外的閥體，內轉子中 空且一端封閉，另一端為開口端，內轉子、外轉子和閥體的側面分別開設有相對應的至少一 組閥口 ；內轉子的封閉端經轉軸連接一從動外齒輪，外轉子的相應端部設有從動內齒輪，一 安裝在傳動軸端部的主動齒輪分別與從動外齒輪和從動內齒輪相嚙合；所述傳動軸與內燃 機正時齒輪傳動連接。
9.根據權利要求8所述的一種內燃機的進氣分段裝置，其特徵在於所述內轉子的開 口端接相應進氣道，閥體側面的各閥口分別接相應進氣管；進氣輔助控制閥閥體側面的閥 口數目之和與進氣管數目相等。
10.根據權利要求8所述的一種內燃機的進氣分段裝置，其特徵在於所述進氣輔助控 制閥的數目至少為兩隻，各進氣輔助控制閥的內轉子開口端分別接進氣管，各進氣輔助控制閥閥體側面的閥口數目與進氣道數相等並分別接相應進氣道；傳動軸和內燃機的正時機 構之間設有角度提前裝置。
全文摘要
本發明公開了四衝程內燃機領域內的一種內燃機的進氣分段裝置，包括至少一個進氣道，至少兩根進氣管；所述進氣道與所述進氣管之間設有進氣輔助控制閥，進氣輔助控制閥的啟閉定時，使進氣道的進氣過程劃分為至少兩個進氣持續期，進氣道在已劃分的進氣持續期內分別與相應的進氣管順序接通。本發明時應用於四衝程內燃機上，可使不同組分的氣體和/或不同壓力的氣體分段在不同的進氣持續期內先後通過進氣道，進入氣缸，可降低內燃機排放和/或改善增壓內燃機的瞬時響應性能。
文檔編號F02D9/16GK101858281SQ20101014261
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月9日 優先權日2010年4月9日
發明者謝國華 申請人:謝國華