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CN111794866A - 一种各缸独立设置节气门的进气控制方法及装置 - Google Patents

一种各缸独立设置节气门的进气控制方法及装置 Download PDF

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CN111794866A CN202010722244.6A CN202010722244A CN111794866A CN 111794866 A CN111794866 A CN 111794866A CN 202010722244 A CN202010722244 A CN 202010722244A CN 111794866 A CN111794866 A CN 111794866A
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Abstract

本发明涉及发动机技术领域，具体是种各缸独立设置节气门的进气控制方法，其特征在于：该方法采用在每个气缸的对应进气歧管的支管出口端部设置有对应支管节气门，该支管节气门的开度大小就可以控制各气缸内所需的进气量，然后对进气歧管中的空气进行增压，使得进气歧管内气压始终保持高于进气门打开时刻气缸内残余废气的压力；由于每个气缸都设置对应支管节气门，使得各个气缸中的气压不会对另外气缸造成相互干扰，不会再出现废气向进气道倒流现象。同时在上止点附近，进气门、排气门同时打开时段将形成便于“扫气”更彻底的进气门外压力依次高于缸内压力、而缸内压力又高于排气歧管压力的强制扫气条件，可使缸内高温残余废气更充分排空。

Description

一种各缸独立设置节气门的进气控制方法及装置
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，具体是一种各缸独立设置节气门的进气控制方法及压装置。
背景技术
目前，多缸自然吸气汽油发动机是采用一个总的节气门通过节流降压的方式来同时实现各缸进气量控制的，进气歧管中的空气压力始终低于大气压，且要求被控制的进气量越少，压力越低；在每个气缸的换气过程中，通常进气门都需在排气行程结束前以一定的提前角打开，从进气门打开后的一定阶段内就会出现因气缸内的残余废气压力高于进气歧管内压力使废气倒流进入进气歧管中，此后随着进气过程缸内容积增大而压力降低，倒流入进气歧管中的废气又将部分或全部随新鲜空气被吸入气缸，这部分废气与气缸内本身未排出的残余废气叠加共同构成缸内残余废气的总和；这种现象将导致多方面的问题：发动机每个循环都有相当程度的高温残余废气无法排出，造成进气完成后缸内混合气基础温度较高，限制了发动机可采用的最大压缩比，因而发动机热效率不高；由于废气的倒流受发动机转速、缸内外压力及压差、气门开度、作用时间、温度等多种随机因素影响而极为复杂，基础参数波动较大，使得拟对气缸内的混合气温度及残余废气系数进行精确调控困难；污损节气门，影响其正常工作等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种各缸独立设置节气门的进气控制方法及装置，又能防止废气向进气道倒流且可将缸内高温残余废气大幅度降低的各缸独立设置节气门的进气控制装置，以克服现有技术的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种各缸独立设置节气门的进气控制方法，其特征在于：该方法采用在每个气缸的对应进气歧管的支管出口端部设置有对应支管节气门，该支管节气门的开度大小就可以控制各气缸内所需的进气量，然后对进气歧管中的空气进行增压，使得进气歧管内气压始终保持高于进气门打开时刻气缸内残余废气的压力；由于每个气缸都设置对应支管节气门，使得各个气缸中的气压不会对另外气缸造成相互干扰。
作为本发明再进一步的方案：实现增压的方法是指在进气歧管的总管进口端部安装进气风机，进气风机提供的风压按始终高于当进气门打开时刻气缸内残余废气的压力配置，其最大送风量按发动机所需最大进气量配置。
作为本发明再进一步的方案：在支管节气门与气缸之间设置有节气门连接套，所述节气门连接套内的容积按该容积内到达进气风机压力时的气体质量小于发动机按最小进气量工作时气缸内所需气体的质量配置。
一种各缸独立设置节气门的进气控制装置，包括发动机中的进气歧管，在进气歧管输出端连接多个支管，且支管间为并联关系；支管输出端（通过进气门连接套）与对应发动机的气缸连通，气缸的进气门的大端安装在气缸内且其杆部安装在节气门连接套内，排气门的大端安装在气缸内且其杆部安装在排气支管内，活塞安装在气缸内，在进气歧管上设置有进气风机，在支管出口端部上设置对应支管节气门，在支管节气门与气缸之间设置有节气门连接套。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明由进气风机提供压力，使进气歧管内始终保持高于进气门打开时刻气缸内残余废气的压力，在每个气缸处都设置了独立的支管节气门，调控支管节气门的开度就可以通过节流作用控制各气缸内所需的进气量。在各缸的进气过程中，支管节气门之后的气压会随着进气量、发动机转速、时间等因素的变化而出现较大波动，此时各缸独立设置的支管节气门将起到隔离作用，压力波动主要影响各缸各自涉及的局部范围，不致发生相互干扰，进气歧管内的气压基本保持稳定。由于发动机每个循环进气门关闭时间远大于开启时间，因此每个循环进气门关闭后，节气门连接套内都有足够的时间通过支管节气门得到补气，并达到与进气歧管内的压力一致，当进气门再次打开时进气门外的气压高于气缸内的废气残余压力，避免了一般发动机的进气歧管内的压力低于气缸内废气残余压力的现象，将不会再出现废气向进气道倒流现象。同时在上止点附近，进气门、排气门同时打开时段将形成便于“扫气”更彻底的进气门外压力依次高于缸内压力、而缸内压力又高于排气歧管压力的强制扫气条件，可使缸内高温残余废气更充分排空，与现有技术相比高温残余废气可大幅度降低，这将显著降低进气完成后缸内混合气开始压缩时的起始温度，使发动机可采用更高的压缩比，提高热效率。同时，上述更彻底的“扫气”过程中较低温度的高速气流对清理火花塞、排气门的表面积碳及降温有利，对减小表面点火及爆震倾向有利。此外，由于排除了废气向进气歧管倒流这类不受控的随机因素，缸内高温残余废气基础数据确定，结合适当的控制技术（如VVT、EGR）就使得进一步对缸内混合气温度和残余废气系数进行精确调控具备了基础条件。
附图说明
图1为本发明的各缸独立设置节气门的进气控制装置示意图；
图中标记：
1、进气风机，2、进气歧管，2.0、总管，2.1、支管A，2.2、支管B，2.3、支管C，2.4、支管D，3.1、进排气控制组件A,3.11支管节气门,3.12、节气门连接套，3.13、进气门，3.14、排气门，3.15、气缸，3.16、活塞，3.17、排气支管，3.2、进排气控制组件B，3.3、进排气控制组件C，3.4、进排气控制组件D。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明中的元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
请参阅图1，本发明实施例中，一种各缸独立设置节气门的进气控制方法，其特征在于：该方法采用在每个气缸的对应进气歧管的支管出口端部设置有对应支管节气门，该支管节气门的开度大小就可以控制各气缸内所需的进气量，然后对进气歧管中的空气进行增压，使得进气歧管内气压始终保持高于进气门打开时刻气缸内残余废气的压力；由于每个气缸都设置对应支管节气门，使得各个气缸中的气压不会对另外气缸造成相互干扰；实现增压的方法是指在进气歧管的总管进口端部安装进气风机，进气风机提供的风压按始终高于当进气门打开时刻气缸内残余废气的压力配置，其最大送风量按发动机所需最大进气量配置；在支管节气门与气缸之间设置有节气门连接套，所述节气门连接套内的容积按该容积内到达进气风机压力时的气体质量小于发动机按最小进气量工作时气缸内所需气体的质量配置。
根据上述方法形成的一种各缸独立设置节气门的进气控制装置，包括进气风机1、进气歧管2、进排气控制组件A3.1、进排气控制组件B3.2、进排气控制组件C3.3、进排气控制组件D3.4；进气歧管2由总管2.0和支管2.1、支管2.2、支管2.3、支管2.4组成，支管的数量与发动机的气缸数量相同；进排气控制组件A3.1包括支管节气门3.11、节气门连接套3.12、进气门3.13、排气门3.14、气缸3.15、活塞3.16、排气支管3.17，进排气控制组件的数量与发动机的气缸数量相同，进气风机1安装在进气歧管2的总管2.0进口端部，支管节气门3.11安装在进气歧管2的支管2.1出口端部，节气门连接套3.12的一端与支管节气门3.11连接另一端与气缸3.15连接，进气门3.13的大端安装在气缸3.15内且其杆部安装在节气门连接套3.12内，进气门3.13可沿其自身轴线往复运动从而关闭或打开进气通道，排气门3.14的大端安装在气缸3.15内且其杆部安装在排气支管3.17内，排气门3.14可沿其自身轴线往复运动从而关闭或打开排气通道，活塞3.16安装在气缸3.15内。进气风机1提供始终高于当进气门3.13打开时刻气缸3.15内残余废气的压力，防止废气倒流，其最大送风量达到发动机所需最大进气量要求。节气门连接套3.12内达到进气风机1压力时的气体质量小于发动机按最小进气量工作时气缸3.15内所需气体的质量，确保气缸3.15内最终进气量受控于由支管节气门3.11节流条件确定的进气过程结束时的最终压力。
工作过程如下：
为了保证良好的进气条件，一般发动机每个工作循环都需在排气行程结束前以上止点（活塞运动的最高点）位置为基准，按一定的提前位置（进气提前角，按曲轴转角度量）就开始打开进气门，此时缸内残余废气一般都还残存一定的略高于大气压力的残余气压。以气缸3.15的工作为例，进气开始前，进气风机1以略高于预先通过试验测定的进气门3.13打开时气缸3.15内残余废气的压力（压力略高于大气压，风机能耗不大）向进气歧管2供气，并通过支管节气门3.11向节气门连接套3.12补气，使节气门连接套3.12内气压达到与进气歧管2内压力一致。当进气门3.13打开时，节气门连接套3.12内压力高于气缸3.15内残余废气的压力，废气不会向进气道倒流；从进气门3.13打开到活塞3.16随曲轴转动而运动到上止点后一定的曲轴转角（排气滞后角）阶段，活塞3.16的运动速度和运动行程都较小，此阶段活塞的运动对气体流动影响较小，气缸3.15内及其相关的气门等局部的气体流动状态主要取决于气体压力、气门开度及气门前后压差、温度等条件，此阶段排气门3.14也处于打开状态，同时，由于排气歧管内废气高速流动的惯性作用，使排气支管3.17内靠近排气门3.14处的压力低于气缸3.15内残余废气的压力，这样就依次形成了进气门3.13外压力高于气缸3.15内压力、而气缸3.15内压力又高于排气支管2.17处压力的有利于强制“扫气”的条件，因此残余废气将不断地通过排气门3.14从气缸3.15流出，而新鲜空气不断地通过进气门3.13向气缸3.15内流入。与现有发动机技术相比，这样的条件可以使缸内高温残余废气得到大幅度降低，甚至排空，这将显著降低进气过程完成后活塞3.16开始压缩时缸内混合气的起始温度，根据热力学原理和发动机工作原理可知，较低的混合气起始温度将允许发动机采用更高的压缩比，从而提高发动机热效率。同时，上述更彻底的“扫气”过程中较低温度的高速气流对清理火花塞、排气门3.14的表面积碳及降温有利，对减小表面点火及爆震倾向有利。在上述进气过程中，当排气门3.14关闭后，随着发动机运转，活塞3.16下行，气缸3.15内的压力迅速下降，支管节气门3.11前后形成的压差使进气歧管2内的空气通过支管节气门3.11节流后向气缸3.15内流动，气缸3.15内最终的压力取决于支管节气门3.11的节流尺寸，由热力学的气体压力和质量相关性可确定，气缸3.15内最终的进气量受支管节气门3.11的节流控制，通过调控支管节气门3.11的开度就可以满足发动机的配气需求。当进气完成后，进气门3.13关闭，支管节气门3.11仍然保持原有的开度，同时进气风机1也在继续工作，所以，气体继续通过该缸的支管节气门3.11向节气门连接套3.12内的容积进行自动补气，直至进气门3.13外的气体压力达到进气风机1提供的压力。此阶段，尽管气体流量仍受支管节气门3.1开度大小的控制，但由于发动机每个工作循环中进气门3.13关闭时间远大于开启时间（约2.5~3倍时长），因此进气门3.13关闭后，有足够的时间使节气门连接套3.12得到补气，完全可以达到进气歧管2内的气体压力，为下一循环做好了准备，如此就完成了气缸3.15的一个换气过程。其余各缸将按相同的工作条件依次完成换气过程。
对于发动机需求为最小进气量工况时，由于配置的节气门连接套3.12容积内达到进气风机1压力时的气体质量小于发动机按最小进气量工作时气缸3.15内所需气体的质量，节气门连接套3.12内现有的气体不足以补充一个工作循环气缸3.15内所需气体，进气过程中随着活塞3.16的下行气缸3.15内压力降低，进气歧管2内压力较高的气体通过支管节气门3.11在节流条件下进行补气，直到进气完成为止，气缸3.15以及节气门连接套3.12内的压力达到按最小进气量工况所需的进气压力，满足最小进气量要求。进气门3.13关闭后，同样由于预留了足够的条件使节气门连接套3.12的补气在下一循环开始前达到进气歧管2内的气体压力，为下一循环做好了准备，如此就能正确完成最小进气量工作条件下的换气过程。
由上述换气过程可知，无论所需进气量多少、最终缸内压力高低，当在上止点附近进气门3.13、排气门3.14同时打开时都能形成进气门3.13外压力高于气缸3.15内压力、而气缸3.15内压力又高于排气支管2.17处压力的有利于“扫气”的条件，均不会出现废气向进气歧管2倒流现象。此外，由于排除了废气向进气歧管2倒流这类不受控的随机因素，缸内高温残余废气基础数据确定，使得进一步对缸内混合气温度和残余废气系数进行精确调控具备了基础条件。对于因气温变化、节流变化等引起缸内温度大幅度变化而需对其进行控制时，可结合适当的调控技术（如VVT）来调控混合气温度；对于需调控残余废气系数来改善发动机燃烧、排放效果时，则可利用成熟的废气再循环（EGR）等控制技术来实现。
综上所述，本发明只要根据发动机不同工况，合理调控各节气门开度即可实现各气缸进气量控制且能避免废气倒流入进气道并实现残余废气系数的大幅度降低，结合适当的控制技术（如VVT、EGR）就可以对缸内混合气温度和残余废气系数进行精确调控。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种各缸独立设置节气门的进气控制方法，其特征在于：该方法采用在每个气缸的对应进气歧管的支管出口端部设置有对应支管节气门，该支管节气门的开度大小就可以控制各气缸内所需的进气量，然后对进气歧管中的空气进行增压，使得进气歧管内气压始终保持高于进气门打开时刻气缸内残余废气的压力；由于每个气缸都设置对应支管节气门，使得各个气缸中的气压不会对另外气缸造成相互干扰。
2.根据权利要求1所述一种各缸独立设置节气门的进气控制方法，其特征在于：实现增压的方法是指在进气歧管的总管进口端部安装进气风机，进气风机提供的风压按始终高于当进气门打开时刻气缸内残余废气的压力配置，其最大送风量按发动机所需最大进气量配置。
3.根据权利要求1所述一种各缸独立设置节气门的进气控制方法，其特征在于：在支管节气门与气缸之间设置有节气门连接套，所述节气门连接套内的容积按该容积内到达进气风机压力时的气体质量小于发动机按最小进气量工作时气缸内所需气体的质量配置。
4.根据权利要求1所述进气控制方法所形成的一种各缸独立设置节气门的进气控制装置，包括发动机中的进气歧管（2），在进气歧管（2）输出端连接多个支管，且支管间为并联关系；支管输出端与对应发动机的气缸（3.15）连通，其特征在于：在进气歧管（2）上设置有进气风机（1），在支管出口端部上设置对应支管节气门（3.11），在支管节气门（3.11）与气缸（3.15）之间设置有节气门连接套（3.12）。
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