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CN105508029A - 汽油机电动增压进气压缩冷却气门节流制冷的原理及装置 - Google Patents

汽油机电动增压进气压缩冷却气门节流制冷的原理及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种汽油机电动增压进气压缩冷却气门节流制冷的原理及装置。其原理是先将进气过度增压至高于预期设置的进气压力值，通过水冷中冷器对高温高压进气进行冷却，再利用气门节流将进气膨胀以大幅降低进气温度。该装置主要包括：电动增压器、水冷中冷器、可变气门升程机构。该装置工作时将进气门切换至小升程状态，启动电动增压器压缩进气；经水冷中冷器冷却后的高压进气流经进气门和进气门座之间狭窄流通截面时形成节流，节流后进气迅速减压至预期进气压力值并膨胀降温，大幅度降低进气温度。进而抑制增压汽油机爆震燃烧与低速早燃等非正常燃烧现象，实现汽油机的超高比增压运行，提高汽油机的动力性和燃油经济性。

Description

汽油机电动增压进气压缩冷却气门节流制冷的原理及装置
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种汽油机电动增压进气压缩冷却气门节流制冷原理及装置。
背景技术
汽油机广泛采用增压并缩减排量措施，以达到降低整车油耗和排放的目标。但汽油机增压受爆震燃烧与低速早燃等非正常燃烧现象的限制，随着汽油机向高增压和超高增压方向的发展，上述问题更加突出。有鉴于此，提出降低进气温度的技术途径，即先将进气通过电动增压器过度增压至高于预期设置的进气压力值，通过水冷中冷器对增压后的高温高压进气进行冷却，然后再经进气门和进气门座之间狭窄流通截面进行节流，使进气膨胀减压至预期进气压力，从而大幅降低进气温度。目前，对汽油机进气进行先增压再膨胀冷却的研究并不多见，类似案例如论文SAE2014-01-2596，其提出了一种汽油机增压进气冷却概念，采用机械增压器进行高比增压，将进气流经中冷器冷却后，再通过涡轮机膨胀降温；其缺点在于：系统结构复杂，膨胀涡轮成本高，机械增压器灵活控制因难不适应车用汽油机的瞬变工况运行特征。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种汽油机电动增压进气压缩冷却气门节流制冷的原理及装置，可以大幅度降低增压汽油机在高增压比、高负荷状态下的进气温度，抑制爆震燃烧与低速早燃等非正常燃烧现象的产生，实现汽油机超高增压比运行。
本发明的汽油机电动增压进气压缩冷却气门节流制冷的原理，通过可变气门升程机构将进气门切换至小升程状态，并启动电动增压器将进气过度增压至高于预期设置的进气压力值；再利用内置于进气歧管的水冷中冷器对压缩后的高温高压进气进行冷却；冷却后的高压进气流经进气门和进气门座之间狭窄流通截面形成节流，节流后的进气迅速减压至预期进气压力值并膨胀降温，于是大幅降低进气温度。
本发明的汽油机电动增压进气压缩气门节流制冷装置，该装置系统性集成电动增压器、带水冷中冷器的进气歧管、可变气门升程机构，其中，所述电动增压器布置在带内置水冷中冷器的进气歧管前方；在电动增压器与带内置水冷中冷器的进气歧管之间安装有节气门；所述水冷中冷器布置于进气歧管内部。
进一步，在电动增压器前端串联接入废气涡轮增压器，构成两级复合增压系统，实现汽油机高增压比运行。
进一步，电动增压器并列安装旁通管路，用作汽油机不实施进气压缩冷却气门节流制冷过程时的进气通路。
进一步，电动增压器的电动机通过机械式增速机构驱动离心式压缩机。
进一步，水冷中冷器内置于进气歧管，套管式水冷中冷器热交换面积较常规水冷中冷器大。
进一步，所述可变气门升程机构的小升程状态，进气门和进气门座之间形成狭窄流通截面，能够起到明显的节流作用。
本发明的有益效果是：本发明的汽油机电动增压进气压缩冷却气门节流制冷装置，大幅度减低进气温度，抑制增压汽油机在高增压比高负荷状态下的爆震燃烧与低速早燃等非正常燃烧现象的产生，可实现汽油机的超高比增压运行，进一步提高汽油机的动力性和燃油经济性。该装置构造简单、进气系统布置紧凑，电动增压器控制灵活、响应迅速，适应车用汽油机瞬变工况运行的要求。
附图说明
图1为本发明进气压缩冷却气门节流制冷原理图；
图2为本发明不实施进气压缩冷却气门节流制冷过程的进气原理图；
图3为本发明电动增压器的结构视图；
图4为本发明电动增压器局部剖视图；
图5为本发明集成水冷中冷器的进气歧管的结构视图；
图6为图5的局部剖视图；
图7为本发明可变气门升程机构的小气门升程状态示意图；
图8为本发明可变气门升程机构的大气门升程状态示意图。
图9为本发明采用两级增压时的结构正视图；
图10为本发明采用两级增压时的结构右视图；
具体实施方式
图1为本发明进气压缩冷却气门节流制冷原理图；图2为本发明不实施进气压缩冷却气门节流制冷过程的进气原理图；图3为本发明电动增压器的结构视图；图4为本发明电动增压器局部剖视图；图5为本发明集成水冷中冷器的进气歧管的结构视图；图6为图5的局部剖视图；图7为本发明可变气门升程机构的小气门升程状态示意图；图8为本发明可变气门升程机构的大气门升程状态示意图；图9为本发明采用两级增压时的结构正视图，图10为本发明采用两级增压时的结构右视图；如图所示：本实施例的汽油机电动增压进气压缩冷却气门节流制冷装置，通过可变气门升程机构减小进气门开度，采用电动增压器将汽油机进气增压，然后通过水冷中冷器对增压后的高温进气进行冷却，冷却后的进气再经进气门和进气门座之间狭窄流通截面进行节流实现膨胀冷却，使进气温度进一步降低。所述装置可抑制爆震燃烧与低速早燃等非正常燃烧现象的产生，进气系统布置紧凑，可实现汽油机的超高比增压运行，进一步提高汽油机的动力性和燃油经济性；采用可变气门升程技术(VVL)，使发动机在高速区和低速区都能得到满足需求的气门升程，从而改善发动机高速功率和低速扭矩，本实施例的VVL结构采用的小气门升程较正常的气门升程要小，因此还起到节气阀的作用，让增压后的发动机进气，通过小的气门升程，进行迅速膨胀扩散，让进气进一步降低温度，减弱爆震燃烧与低速早燃等非正常燃烧现象，取消了膨胀涡轮，使结构简化，降低成本，发动机进气系统布置更为紧凑和方便合理，而且，发动机充气效率、动力响应和性能均有所提升；本实施例中的可变气门升程机构，包括可轴向移动凸轮轴和VVL控制器，凸轮轴上对应每个进气门设有凸起高度互不相同的至少两个凸轮，根据需要，通过VVL控制器控制凸轮轴轴向移动，使不同的凸轮作用于气门，选择合适的气门升程。
本实施例的汽油机电动增压进气压缩冷却气门节流制冷装置，包括：电动增压器1、水冷中冷器6、节气门5、进气歧管7、升程可变的进气门9、带可变气门升程机构的缸盖17。所述电动增压器1布置在进气歧管7的前端，水冷中冷器6内置于进气歧管7；电动增压器的出口通过节气门5连通内置于进气歧管7的水冷中冷器6的进口；所述水冷中冷器6的出口通过进气歧管7的分支管道连接于缸盖17的进气道。该装置运行时，可变气门升程机构切换至小凸轮16从而减小进气门9的升程，同时电动增压器1运行将进气过度增压至高于预期设置的压力值，变成高压高温进气4，然后经水冷中冷器6进行冷却，形成高压低温进气8，再经进气门和进气门座之间狭窄流通截面进行节流，使进气膨胀降温，进一步降低进气温度。在不实施进气压缩冷却气门节流制冷过程的运行工况，电动增压器1不启动，可变气门升程机构将凸轮轴10切换至大凸轮15，进气门采用大升程运行；此时，旁通管道3的旁通阀2开启，进气11通过与电动增压器1并联的旁通管道3进入进气歧管。
本实施例中，电动增压器1的电动机14通过机械式增速机构13驱动离心式压缩机12，控制灵活、响应迅速，电动增压器1能够消除废气涡轮增压器的涡轮迟滞现象，克服机械增压器输出特性与汽油机转速关联的缺陷，更适应车用汽油机瞬变工况运行的要求。
本实施例中，所述电动增压器1并联设置有旁通支路3；所述旁通支路3上安装有旁通阀2；电动增压器1运行时旁通阀2关闭，电动增压器1不运行时旁通阀2开启。同时，在两级复合增压系统中，旁通支路3还可以作为调节进气性能的旁通管道，合理控制旁通阀2的启闭可调节和平衡各级增压器的进气流量和进气压力。
本实施例中，所述水冷中冷器6为套管式水冷中冷器；水冷中冷器6内置集成于进气歧管7，有助于减小因增加水冷中冷器而造成进气系统容积扩大的不利影响；水冷中冷器6进水口布置中冷器下部，水冷中冷器6出水口布置在中冷器上部，有利于冷却水在水冷中冷器6中的对流换热。
本实施例中，所述可变气门升程机构为两级可变气门升程机构，即凸轮轴10上对应每个进气门9设有不同型线的两个凸轮，在切换机构的作用，进气门9可由不同的凸轮驱动，得到小升程运行状态和大升程运行状态。
本发明优选实施方案如图8所示，在汽油机电动增压进气压缩冷却气门节流制冷装置前端，串联接入废气涡轮增压器18，构成两级复合增压系统。该系统还包括安装于废气涡轮增压器18与电动增压器1之间的风冷中冷器19。该系统采用两级增压、两级冷却的方式，结合电动增压进气压缩冷却气门节流制冷原理大幅度降低进气温度，可实现汽油机的超高比增压运行，进一步提高汽油机的动力性和燃油经济性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种汽油机电动增压进气压缩冷却气门节流制冷的原理：其特征在于：通过可变气门升程机构将进气门切换至小升程状态，并启动电动增压器将进气过度增压至高于预期设置的进气压力值；再利用内置于进气歧管的水冷中冷器对压缩后的高温高压进气进行冷却；冷却后的高压进气流经进气门和进气门座之间狭窄流通截面形成节流，节流后的进气迅速减压至预期进气压力值并膨胀降温，于是大幅降低进气温度。
2.一种汽油机电动增压进气压缩气门节流制冷装置，其特征在于：该装置系统性集成电动增压器、带水冷中冷器的进气歧管、可变气门升程机构，其中，所述电动增压器布置在带内置水冷中冷器的进气歧管前方；在电动增压器与带内置水冷中冷器的进气歧管之间安装有节气门；所述水冷中冷器布置于进气歧管内部。
3.根据权利要求2所述的汽油机电动增压进气压缩气门节流制冷装置，其特征在于：在电动增压器前端串联接入废气涡轮增压器，构成两级复合增压系统，实现汽油机高增压比运行。
4.根据权利要求2所述的汽油机电动增压进气压缩气门节流制冷装置，其特征在于：电动增压器并列安装旁通管路，用作汽油机不实施进气压缩冷却气门节流制冷过程时的进气通路。
5.根据权利要求2所述的汽油机电动增压进气压缩气门节流制冷装置，其特征在于：电动增压器的电动机通过机械式增速机构驱动离心式压缩机。
6.根据权利要求2所述的汽油机电动增压进气压缩气门节流制冷装置，其特征在于：水冷中冷器内置于进气歧管，套管式水冷中冷器热交换面积较常规水冷中冷器大。
7.根据权利要求2所述的汽油机电动增压进气压缩气门节流制冷装置，其特征在于：所述可变气门升程机构的小升程状态，进气门和进气门座之间形成狭窄流通截面，能够起到明显的节流作用。
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