發動機雙效進氣系統的製作方法

2023-09-13 01:01:55 3

專利名稱：發動機雙效進氣系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於內燃機結構，具體涉及一種發動機的進氣系統裝置。
背景技術：
近年來，隨著發動機技術的發展和排放法規的日益嚴格，對發動機的缸內燃燒提出了更高的要求。先進的燃燒技術能夠使發動機動力性、經濟型和排放性得到最佳兼顧。發動機採用富氧燃燒(進氣氧濃度大於21%)能夠縮短燃燒滯燃期，提高燃燒溫度，加快火焰傳播速度，顯著降低柴油機顆粒物和碳煙的排放。尤其柴油機大負荷運行時，由於缸內燃燒不完全使得顆粒物和碳煙的排放劇增。另外，發動機在冷啟動時由於缸內溫度低，燃料燃燒不完全也將生成大量的碳煙和碳氫化合物，不僅汙染環境，而且浪費燃料。如果此時給發動機增大富氧進氣，就能夠提高燃燒溫度降低排放惡化，同時還能使後處理系統的催化劑快速達到工作溫度。採用富氧燃燒雖然可以改善碳煙排放的惡化，但是富氧燃燒將帶來的問題是燃燒後導致NOx的惡化排放。富氮燃燒(進氣氮濃度大於79% )也叫做貧氧燃燒，是一種廣泛應用的燃燒技術。 在中低負荷時，發動機採用富氮進氣使燃燒室內的氣體混合更加均勻，減少了燃燒室內局部高溫、高氧區，降低了缸內的燃燒溫度，破壞NOx的生成條件，使NOx的排放量有效降低， 同時實現了 NOx、碳煙和燃油消耗率的兼顧。此外，提高發動機燃燒效率的途徑還在於，發動機在不同工況下需要不同的進氣壓力和進氣溫度，如果能夠根據發動機運行實際工況，實時的對進氣壓力和溫度進行調整， 就能保證其始終工作在最佳狀態。因此，在發動機在冷啟動工況和大負荷工況時採用富氧燃燒，而在中小負荷工況時採用富氮燃燒，同時在各工況下又能對進氣溫度和壓力的實時調節，是提高發動機效率的最佳選擇。既能充分發揮富氧燃燒和富氮燃燒的優勢，又能保證發動機在全工況下實現動力性、經濟性和排放性的最佳匹配。

發明內容
本發明的目的在於提供一種具有富氧燃燒和富氮燃燒雙效進氣系統的發動機結構，同時可以實現對發動機進氣壓力、溫度、氧濃度以及EGR率的實時調節，使發動機在不同的工況下採用不同的進氣策略，從而保證發動機在全工況下都能實現動力性、經濟型和排放性能的最佳兼顧。本發明解決上述技術問題本發明是通過以下技術方案實現的發動機雙效進氣系統，包括可變截面壓氣機、溫度調節器、氮氧調節裝置、高分子氧分離膜、進氣混合器、富氧進氣管路電磁閥、富氮進氣管路電磁閥、ECU單元(整車電氣控制單元)、廢氣冷卻器、進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器、進氣流量傳感器、進氣氧濃度傳感器、進氣CO2濃度傳感器、相位傳感器、EGR(廢氣再循環)閥以及開關電磁閥等。在部件連接結構上可變截面壓氣機、溫度調節器以及氮氧調節裝置依次連接，在氮氧調節裝置中設有高分子氧分離膜，高分子氧分離膜分成左右兩個腔體右側腔體與富氧進氣管路進氣端相通；左側腔體與富氮進氣管路進氣端相通。富氧與富氮進氣管路的出氣端通入進氣混合器，同時在進氣管路中的溫度調節器與高分子氧分離膜之間設有空氣旁通管路直接引入進氣混合器中。發動機的排氣管、廢氣冷卻器亦依次接於進氣混合器。富氧進氣管路電磁閥、富氮進氣管路電磁閥和空氣旁通管路通過ECU單元分別獨立控制。在進氣混合器與發動機進氣管路間設有進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器、進氣流量傳感器、進氣氧濃度傳感器和進氣CO2濃度傳感器。由ECU單元、進氣氧濃度傳感器、高分子氧分離膜、氧分離膜相位控制執行器和相位傳感器組成閉環控制系統。通過改變高分子氧分離膜左右兩個腔體的相位獲得不同濃度的富氧進氣和富氮進氣。其工作原理是空氣進氣通過可變截面壓氣機增壓後進入溫度調節器使其溫度調整到合適的值，然後進入氮氧調節裝置。在氮氧調節裝置中，空氣在高分子氧分離膜的作用下，在氧分離膜的右側腔內形成了富氧進氣(進氣氧濃度大於21%)，而在氧分離膜的左側腔內形成了富氮進氣(進氣氮濃度大於79% )，所得到的富氧進氣與富氮進氣通入進氣混合器中。為了滿足發動機在某些工況下對正常空氣的需求，另外設置了一條空氣旁通管路將增壓調溫後的進氣直接引入進氣混合器中。含有富氧進氣、富氮進氣和純空氣的三條管路通過由E⑶獨立控制的三個開關電磁閥來控制，同一時刻下保證其中的一條管路接通、 另外兩條則切斷。由ECU控制的可變截面壓氣機，可以根據不同的工況變換不同的增壓比。 由ECU控制的進氣溫度調節器，對進氣溫度進行調節，從而可以根據不同的工況變換不同的進氣溫度。同時，廢氣再循環裝置將發動機的部分廢氣經廢氣冷卻器冷卻後通入進氣混合器中。這樣，在ECU的控制下，根據發動機的實時工況可以提供不同壓力、不同溫度、不同氧濃度以及不同EGR率的進氣，從而使發動機在全工況下都能工作在最佳狀態，實現發動機全工況下動力性、經濟性和排放性的最佳兼顧。本發明的優點和有益效果為本發明具有結構簡單、易於安裝等優點。通過氮氧調節裝置可以實時的為發動機提供不同濃度的富氧進氣和富氮進氣，同時將不同濃度的富氧、富氮進氣以及純空氣和再循環廢氣通入進氣混合器中混合，然後經發動機進氣總管進入發動機各氣缸參與燃燒，ECU單元根據各傳感器的信號判斷發動機的工況和狀態，然後根據該工況的MAP值和最優進氣壓力、溫度和含氧濃度，輸出脈衝信號來控制可變截面壓氣機的截面形狀，調整進氣溫度調節器對進氣溫度的調節，控制氮氧調節裝置上的氧分離膜相位控制執行器來調整氧分離膜的旋轉相位，從而獲得最佳壓力、溫度和含氧濃度的進氣。 在氧分離膜相位控制執行器工作的同時，ECU也輸出脈衝信號給管路上的各開關電磁閥和調流閥在最佳時刻開閉來接通和關閉相應的進氣管路、控制EGR率，從而實現根據發動機的不同工況和狀態來供應不同壓力、溫度和含氧濃度的進氣的目的，使發動機的燃燒效率得到有效提高。


所示附圖為本發明系統部件連接及結構原理圖。
具體實施例方式以下結合附圖並通過具體實施例對本發明的原理結構做進一步的說明，需要說明的是，下述實施例只是敘述性的，而非限定性的，不能以此限定本發明的保護範圍。
發動機雙效進氣系統其結構為可變截面壓氣機1、溫度調節器2以及氮氧調節裝置3依次連接，在氮氧調節裝置中設有高分子氧分離膜4。高分子氧分離膜分成左右兩個腔體，右側腔體與富氧進氣管路5進氣端相通；左側腔體與富氮進氣管路6進氣端相通，富氧與富氮進氣管路的出氣端通入進氣混合器7。同時在進氣管路中的溫度調節器2與高分子氧分離膜4之間設有空氣旁通管路8直接引入進氣混合器7。富氧進氣管路電磁閥9、富氮進氣管路電磁閥10和空氣旁通管路8通過ECU單元11分別獨立控制。發動機12的排氣管、廢氣冷卻器13依次接於進氣混合器7。在進氣混合器與發動機進氣管路之間設有進氣溫度傳感器14、進氣壓力傳感器15、進氣流量傳感器16、進氣氧濃度傳感器17和進氣CO2 濃度傳感器18，並且由ECU單元11、進氣氧濃度傳感器17、高分子氧分離膜4、氧分離膜相位控制執行器19和相位傳感器20組成閉環控制系統。通過改變高分子氧分離膜左右兩個腔體的相位獲得不同濃度的富氧進氣和富氮進氣。空氣旁通管路8接有開關電磁閥25，空氣旁通管路的開度通過開關電磁閥25以及ECU單元控制，實現正常空氣與富氧富氮進氣的切換。廢氣再循環裝置26的組成包括部分排氣管路以及廢氣冷卻器13、排氣(X)2濃度傳感器23和EGR閥24。而且，富氧和富氮進氣兩條管路上分別設有富氧進氣分流口 21和富氮進氣分流口 22，兩個分流口的開度通過富氧進氣管路電磁閥9和富氮進氣管路電磁閥10進行調節， 最終均由E⑶單元11控制。EGR閥由E⑶單元控制，可變截面壓氣機亦由E⑶控制。EGR 閥為調流閥，只有當發動機工作在富氧燃燒模式時才會打開。工作時該閥由ECU單元根據發動機的工況和進氣氧濃度實時的調節進入進氣混合器的再循環廢氣量，從而使發動機的 EGR率始終處於最佳值。氮氧調節裝置用於不同濃度富氧進氣和富氮進氣的製取以及切換。該裝置中設有可繞中心軸旋轉的高分子氧分離膜，當空氣通過氧分離膜時，根據溶解-擴散原理，氧分子透過氧分離膜的速度要大於氮分子，所以在氧分離膜的右側腔內形成了富氧進氣(進氣氧濃度大於21% )，而在氧分離膜的左側腔內形成了富氮進氣(進氣氮濃度大於79% )，這樣就得到了富氧進氣和富氮進氣。因此濃度的調節是通過變換氧分離膜繞中心軸的旋轉相位實現的，相位的改變使得空氣與氧分離膜的接觸方向、角度及面積發生了變化，從而能夠在氧分離膜左右兩側的腔內分別得到不同濃度的富氮進氣和不同濃度的富氧進氣。在發動機工作過程中，富氧進氣和富氮進氣之間的切換是通過氮氧調節裝置中的進氣切換裝置實現的。當發動機需要富氧進氣時，ECU單元控制富氧進氣管路上的開關電磁閥接通與進氣混合器的連接(同時也切斷了與富氧進氣管路電磁閥的連接)。與此同時， ECU單元控制富氮進氣管路上的開關電磁閥接通與富氮進氣分流口的連接(同時也切斷了與進氣混合器的連接)。同理，當發動機需要富氮進氣時，ECU單元控制富氮進氣管路上的開關電磁閥接通與進氣混合器的連接(同時也切斷了與富氮進氣分流口的連接)。與此同時，ECU單元控制富氧進氣管路上的開關電磁閥接通與富氧進氣分流口的連接(同時也切斷了與進氣混合器的連接)。當發動機需要純空氣時，ECU單元控制富氧和富氮進氣管路上的兩個開關電磁閥都與各自的分流口接通(同時切斷與進氣混合器的連接)。與此同時， ECU單元控制空氣旁通管路上的開關電磁閥打開，這樣增壓調溫後的空氣直接進入進氣混
O發動機工作時，根據不同的工況ECU單元輸出脈衝信號給可變截面壓氣機和進氣溫度調節器，調整進氣壓力和進氣溫度，使發動機的進氣壓力和進氣溫度始終與發動機工況相匹配。發動機在實現富氧燃燒時，為了改善NOx排放惡化的問題，需要配合合適比例的廢氣再循環(EGR)使用。因此，在ECU單元輸出脈衝信號使發動機轉為富氧燃燒模式的同時，也會輸出脈衝信號給EGR(廢氣再循環)閥，通過控制EGR閥來獲得一定比例的EGR率。ECU單元採用基於MAP (前饋控制)的開環控制方法，需通過實驗確定發動機不同工況下的最佳進氣壓力、進氣溫度、氧濃度和不同濃度富氧燃燒時的最佳EGR率，並將其儲存於ECU單元裡。在發動機運行時，ECU單元根據發動機轉速傳感器、扭矩傳感器等信號判斷發動機所處工況，據此查詢儲存在ECU單元裡該工況下的最佳進氣壓力、進氣溫度和進氣氧濃度與進氣壓力傳感器、進氣溫度傳感器、進氣氧濃度傳感器的數值比較。如果最佳值大於或小於傳感器的數值，則ECU單元計算出差距，轉換成相應的脈衝信號，發送到可變截面壓氣機、進氣溫度調節器和氧分離膜相位控制執行器，它們根據相應的信號指示分別進行調整，直到各傳感器的數值與ECU單元標定的最佳值相等。當ECU單元根據輸入的信號判斷出發動機最佳進氣氧濃度大於21% (即富氧燃燒)時，ECU單元會查詢MAP圖上該富氧進氣濃度所對應的最佳EGR率，同時ECU單元會根據進氣C02濃度傳感器和排氣C02濃度傳感器計算出當前的EGR率，通過將這兩個EGR率進行比較後輸出脈衝信號給EGR閥控制其實現該工況下的最佳EGR率。
權利要求
1.發動機雙效進氣系統，包括可變截面壓氣機、溫度調節器、氮氧調節裝置、高分子氧分離膜、進氣混合器、富氧進氣管路電磁閥、富氮進氣管路電磁閥、ECU單元、廢氣冷卻器、 進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器、進氣流量傳感器、進氣氧濃度傳感器、進氣(X)2濃度傳感器、相位傳感器、EGR閥以及開關電磁閥，其特徵在於可變截面壓氣機(1)、溫度調節器(2) 以及氮氧調節裝置C3)依次連接，在氮氧調節裝置中設有高分子氧分離膜G)，高分子氧分離膜分成左右兩個腔體，右側腔體與富氧進氣管路( 進氣端相通；左側腔體與富氮進氣管路(6)進氣端相通，富氧與富氮進氣管路的出氣端通入進氣混合器(7)，在進氣管路中的溫度調節器O)與高分子氧分離膜(4)之間設有空氣旁通管路(8)直接引入進氣混合器 (7)，富氧進氣管路電磁閥(9)、富氮進氣管路電磁閥(10)和空氣旁通管路(8)通過ECU單元(11)分別獨立控制，發動機(1 的排氣管、廢氣冷卻器(1 依次接於進氣混合器(7)， 在進氣混合器與發動機進氣管路之間設有進氣溫度傳感器(14)、進氣壓力傳感器(15)、進氣流量傳感器(16)、進氣氧濃度傳感器(17)和進氣CO2濃度傳感器(18)，由ECU單元(11)、 進氣氧濃度傳感器(17)、高分子氧分離膜G)、氧分離膜相位控制執行器(19)和相位傳感器00)組成閉環控制系統，通過改變高分子氧分離膜(4)左右兩個腔體的相位獲得不同濃度的富氧進氣和富氮進氣。
2.根據權利要求1所述的發動機雙效進氣系統，其特徵在於所述富氧和富氮進氣兩條管路上分別設有富氧進氣分流口和富氮進氣分流口(22)，兩個分流口的開度通過所述富氧進氣管路電磁閥(9)和富氮進氣管路電磁閥(10)進行調節，兩個電磁閥最終均由 ECU單元(11)控制，排氣管路中接有排氣CO2濃度傳感器03)和EGR閥Q4)，EGR閥由ECU 單元(11)控制，可變截面壓氣機亦由ECU控制。
3.根據權利要求1所述的發動機雙效進氣系統，其特徵在於所述空氣旁通管路(8) 接有開關電磁閥(25)，空氣旁通管路的開度通過開關電磁閥05)以及所述ECU單元(11) 控制，實現正常空氣與富氧富氮進氣的切換。
全文摘要
本發明涉及一種發動機雙效進氣系統，其部件連接結構為可變截面壓氣機、溫度調節器以及氮氧調節裝置依次連接，在氮氧調節裝置中設有高分子氧分離膜，該分離膜分成左右兩個腔體右側腔體與富氧進氣管相通；左側腔體與富氮進氣管相通。富氧與富氮進氣管的出氣通入進氣混合器。在溫度調節器與高分子氧分離膜之間設有空氣旁通管路直接引入進氣混合器。發動機的排氣管、廢氣冷卻器亦依次接於進氣混合器。富氧與富氮進氣管路電磁閥和空氣旁通管路通過ECU單元分別獨立控制。在進氣混合器與發動機進氣管路間設有進氣溫度、壓力、流量、氧濃度和CO2濃度傳感器。通過改變高分子氧分離膜左右兩個腔體的相位獲得不同濃度的富氧進氣和富氮進氣。
文檔編號F02D21/08GK102383982SQ201110303549
公開日2012年3月21日 申請日期2011年10月10日 優先權日2011年10月10日
發明者衛海橋, 張韋, 梁興雨, 舒歌群, 趙偉 申請人:天津大學