一种低速机可变排气能量分级装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种发动机可变排气能量分级装置及其控制方法，具体涉及一种低速发动机可变排气能量分级装置及其控制方法。

背景技术：

发动机排出废气和充入新鲜空气或可燃混合气的全过程叫换气过程。没有换气过程，发动机不可能持续运转。单位时间充入缸内的空气或混合气量是决定发动机动力输出量的因素。所以，换气过程既是发动机工作过程不可缺少的组成部分，又是决定发动机动力、经济性极为重要的环节。

二冲程发动机即在曲轴转一圈的两个冲程中完成一个工作循环的发动机，曲轴每转一圈，发动机对外作功一次。二冲程发动机进、排气重叠期可占换气期的70％～80％，而换气过程总持续角又比四冲程发动机小得多。以上两点表明，二冲程发动机换气时间短，新鲜充量与废气又长时同掺混，所以换气质量不高，残余废气系数大，并且有大量新鲜充量流失。二冲程发动机由于在下止点前65～75°ca就开始排气，所以膨胀作功到此基本终止。这相当于有效作功行程减小，再加之扫气要耗费较多的能量，所以其有效热效率明显低于四冲程发动机，燃料消耗率较高。二冲程发动机变工况运行时，换气过程变化较大，易于偏离优化匹配状态，所以二冲程发动机变工况运行时的性能较差。二冲程汽油机由于扫气时新鲜充量逸出，不仅使燃油经济性变差，也使未燃排hc放量增多。

以上性能特点表明，二冲程发动机虽然单位时间的作功次数比四冲程发动机多了一倍，但其动力性只增50％～70％。一般地，二冲程低速柴油机多用于大型船舶和电站机组，而在比功率要求高而结构又要求紧凑的摩托车、摩托艇以及小型通用动力机械上，较多使用二冲程汽油机。近年来，二冲程汽油机取得了长足进步，如采用电控燃油喷射、缸内直接喷射等技术，使其燃油经济性和排放性能有了很大改善，不少人正努力扩大其在汽车发动机中的应用

在二冲程低速发动机排气阀开启初期从缸内排出的废气温度高，流量大，废气之中可利用能量充足，此时排出的废气进入高温废气回收腔，与涡轮相连实现增压后，经过空冷后进入扫气箱，高温高能量的废气分离后可以有效提高压气机的工作效率，实现高增压；在排气阀接近关闭期间，从缸内排出的直流扫气空气温度较低，流量小，此时分离出的废气不经过涡轮，直接空冷后接入扫气箱。根据排气阀开启持续期不同阶段排气的温度变化将排气能量分级后，在不影响缸内充量情况下，可以有效利用废气能量，提高废气能量利用率，为后续能量利用提供条件。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供可以将发动机尾气按照能量不同进行分离的低速机排气能量分级装置及其控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种低速机可变排气能量分级装置及其控制方法，其特征在于：所述的低速机可变排气能量分级装置包括基本的液压元件、一个单作用液压缸、减磨滚珠系统、一个能量分级装置以及一个复位弹簧；液压元件与控制液压缸，能量分级装置上端与单作用液压缸相连，下端与复位弹簧相连。

所述的基本的液压元件具体包括：油箱、过滤器、液压马达、蓄能器、溢流阀、两位三通电磁换向阀。

所述的能量分离装置具体包括：原排气口、分离轴与分离隔板、分离隔板分隔开的高温排气口和低温排气口；左缸体与原排气口通过螺栓连接，左缸体与右缸体通过装配螺栓装配；高温排气口与低温排气口分别与高温排气管与低温排气管通过连接螺栓连接。

所述的能量分离装置中的分离轴为一端带有锥度的轴，带有锥度的一端与复位弹簧相连，另一端与液压缸相连；分离隔板、高温排气口、低温排气口以及从原排气口到高低温排气口的管道根据需要设置为圆形、矩形等。

所述的减磨滚珠系统具体包括：减磨滚珠系统至少包括4个滚珠，3个固定螺栓；滚珠均匀排布于上圆形盖板和下圆形盖板之间，螺栓和螺母分布在两个滚珠之间将上下盖板固定；上下盖板中均有半球槽且半球形槽的尺寸略大于滚珠的尺寸。

一种低速机可变排气能量分级装置及其控制方法，其特征在于：通过控制三通电磁换向阀得失电位的时刻使系统实现排气的分时复用，具体步骤包括：

(1)打开排气阀，排出高能量废气，两位三通电磁阀处于失电状态；单作用液压缸内通入低压油，弹簧处于初始状态，排气能量分级装置中分离隔板处于初始状态，此时分离隔板挡住了低温排气口，系统进入高温排气阶段；

(2)当高温排气结束时，两位三通阀得电，液压缸内通入高压油，分离轴在活塞杆的推动下压缩复位弹簧向下运动直至分离隔板挡住高温排气口，低温排气口打开，此时系统处于低温排期阶段；

(3)当发动机排气阀关闭时，低温排气阶段结束；两位三通电磁阀失电，液压缸通入低压油，此时分离轴在复位弹簧的弹力作用下向上运动，当分离轴中的分离隔板快要挡住低温排气口时，分离轴有锥度一段与复位弹簧作用，使系统缓慢复位；此时系统复位，直到下一次排气阀开启，排气阀能量分级系统进入下一循环。

所述的两位三通电磁换向阀具体包括：两位三通电磁换向阀的得失电时刻由不同情况下高低温排气阶段切换时刻决定；两位三通电磁换向阀的得失电控制液压缸内油压的导通，液压缸的活塞杆控制分离轴的运动，通过不同曲轴转角位置调节分离轴中分离隔板的位置；不同的曲轴转角下的气阀升程曲线对应于换向阀的电平曲线。

本发明的优势在于：本发明所设计的分离装置装配简单，制造难度小；本发明所设计的能量分级系统可以实现废气能量分级全可变，只需要改变两位三通电磁阀的得失电相位，就可以改变发动机的高低温排气时刻；本发明设计的能量分级装置可以将发动机的废气按照能量等级进行分离，与发动机废气后处理相比，按照能量进行分离出来的不同等级废气可以用作不同的用途，提高发动机排出废气的利用率；本发明所设计的能量分级系统摩擦损耗小；本发明所设计的能量分级系统振动噪音小。

附图说明

图1为本发明的系统原理图；

图2为能量分级装置的原理图；

图3为分离轴的三视图；

图4为减摩滚珠的俯视图；

图5为减摩滚珠的装配示意图；

图6为电磁阀的控制时序图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

低速机排气能量分离系统包括油箱17、过滤器16、液压马达15、蓄能器13、溢流阀14、两位三通电磁换向阀12等基本的液压元件、一个单作用液压缸11、一个能量分级装置以及一个复位弹簧5。其中能量分级装置包括原排气口8、分离轴与分离隔板6、分离隔板分隔开的高温排气口4和低温排气口2、左缸体7、右缸体3、用于装配左缸体与右缸体的装配螺栓10、用于在高温排气口4与低温排气口2分别连接高温排气管与低温排气管的连接螺栓1、用于减小摩擦的滚珠系统9。

单作用液压缸用于推动分离装置中分离轴与分离隔板在特定时刻向下运动，复位弹簧5用于在排气门关闭以后将分离装置复位。

通过在不同曲轴转角位置调节6中分离隔板的位置，实现高温排气口4与低温排气口2的分时复用。

其中6中的分离隔板可根据发动机原排气口8的形状设置为圆形隔板、矩形隔板等。高温排气口4与低温排气口2以及从原排气口8到高低温排气口的管道可以也根据需要设置为圆形、矩形等。

根据本发明上述实例提供的分离装置，至少包含一对用于减小摩擦的滚珠9。

本发明中的分离轴6为一端带有锥度的轴，可以在系统复位阶段起到缓冲的作用。

本发明中的减摩滚珠9装配简单，可以利用滚珠的滚动摩擦代替轴的滑动摩擦，有效减小摩擦损耗。

本发明中的减摩滚珠9中滚珠20与上圆形盖板18和下圆形盖板19之间有一定的间隙，确保在装配以后，滚珠可以在任何自由度方向上转动。

本发明中的减摩滚珠9，至少包括4个滚珠，3个固定螺栓。

本发明可以通过改变两位三通电磁换向阀12的得失电时刻实现可变排气能量分级，针对不同的发动机工况，实现最佳的排气能量分级。

本实例中，排气口为矩形排气口，系统装配有一对减摩滚珠9。

如图1、图2所示，全可变排气能量分级系统包括油箱17、过滤器16、液压马达15、蓄能器13、溢流阀14、两位三通电磁换向阀12等基本的液压元件、一个单作用液压缸11、一个能量分级装置以及一个复位弹簧5。其中能量分级装置包括原排气口8、分离轴与分离隔板6、分离隔板分隔开的高温排气口4和低温排气口2、左缸体7、右缸体3、用于装配左缸体与右缸体的装配螺栓10、用于在高温排气口4与低温排气口2分别连接高温排气管与低温排气管的连接螺栓1、用于减小摩擦的滚珠系统9。

如图4所示为减摩滚珠系统的装配示意图，减摩滚珠由上盖板1，下盖板2，滚珠3，螺栓4，螺母5组成。螺栓和螺母分布在两个滚珠之间，用于将上下盖板固定，上下盖板中均有半球槽，用于放置滚珠，半球形槽的尺寸略大于滚珠的尺寸，使得滚珠在槽内可以自由滚动。

如图5所示，减摩滚珠俯视图中，滚珠比上下圆形盖板更靠近中心轴线，使得分离轴在装配以后，与滚珠直接接触，在分离轴上下运动的过程中，滚珠在上下圆形盖板的圆形槽内滚动，系统由原来的滑动摩擦变为滚动摩擦，摩擦减小，摩擦损耗减小，系统效率提高。

如图6为系统排气定时的原理图，在排气阀打开的初期，排出废气的能量都较高，系统应处于高温排气阶段，此时两位三通电磁阀12处于失电状态，单作用液压缸11内通入低压油，弹簧5处于初始状态，排气能量分级装置中分离隔板处于初始状态，如图2所示，即此时分离隔板挡住了低温排气口2，系统进入高温排气阶段。

当高温排气结束的时候，两位三通阀12得电，液压缸内通入高压油，分离轴6在活塞杆的推动下压缩复位弹簧5向下运动直至分离隔板6挡住高温排气口4，低温排气口2打开，此时系统处于低温排期阶段。

当发动机排气阀关闭时，低温排气阶段结束，两位三通电磁阀12失电，液压缸11通入低压油，此时分离轴6在复位弹簧5的弹力作用下向上运动，当6中的分离隔板快要挡住低温排气口2的时候，由于分离轴6上端有一定的锥度，如图3所示，导致分离轴6与上端滚珠9之间摩擦越来越大，分离轴复位的速度减小，降低了分离隔板的复位冲击，减小了系统的噪音。此时系统复位，直到下一次排气阀开启，排气阀能量分级系统进入下一循环。

对于不同工况下的发动机排气状况，可以通过改变两位三通电磁换向阀12的得失电时刻，实现不同工况下高低温排气阶段切换时刻的不同，实现最佳的排气能量分级，提高废气利用率。