一种适用于单缸小排量内燃机的电动复合增压技术及系统的制作方法

本发明属于内燃机工程领域，主要涉及对单缸小排量内燃机进气进行增压后进入发动机气缸的技术，具体为一种适用于单缸小排量内燃机的电动复合增压系统。

背景技术：

增压是目前比较成熟的内燃机强化技术，增压已经成为提升内燃机升功率，降低内燃机排放水平，改善内燃机燃油经济性能的重要手段。在高原环境，由于空气稀薄，内燃机进气质量减少，内燃机动力输出与燃油经济性大幅度降低，排气污染严重，增压也是目前解决上述问题最为有效的方法。

内燃机进气压力的增加可通过压气机来实现。根据压气机能量的来源，内燃机增压技术可分为废气涡轮增压、机械增压、电动增压以及它们的组合-复合增压等几类，而气波增压由于效率低的问题，目前应用较少。废气涡轮增压是利用燃烧后排气的能量(高温高压气体)推动涡轮，带动压气机旋转工作，实现内燃机进气压力的增加。废气涡轮增压回收了具有一定压力能的内燃机排气的能量，目前该技术已经能实现高达几万转每分的压气机转速，因而进气增压效率较高。机械增压是通过皮带轮或齿轮方式从内燃机旋转轴上取力，同样可以实现高的压气机转速，效率也比较可观。大型内燃机由于排气流量大、流速高，排气比较均匀，因而废气涡轮增压有较可靠的平稳动力源。同样地，由于大型内燃机一般结构尺寸较大，机械增压装置取力空间足够，取力方式选择余地大。因而目前技术水平下，废气涡轮增压和机械增压技术在大型内燃机上已经得到较好的应用。

对于单缸小排量内燃机，由于排气流量小，而且单缸排气更加明显的间歇性特征，应用废气涡轮增压存在涡轮工作转速不稳定，压气机转速不高等问题。此外，单缸小排量内燃机结构一般较为紧凑，机械增压取力设计也比较困难。因而废气涡轮增压和机械增压技术在单缸小排量内燃机上还没用较大的推广应用。

技术实现要素：

本发明提出的基于电动增压的复合增压技术，既有电动增压技术易于安装改造的优点，又融合了升速和进气涡流产生等内燃机充气、燃烧技术，因此既能较好解决单一电动增压效率不高的问题，又克服了内燃机应用电动增压技术后，进气道变得短直，不利于进气涡流形成的缺点。

本发明的技术方案如下：一种适用于单缸小排量内燃机的电动复合增压技术，其方 法如下：

(1)将要进入内燃机气缸的空气采用空滤器进行过滤。

(2)将过滤后的空气，采用电动离心式增压器进行压缩，形成高密度气体，电动离心增压器风量为内燃机最大风量的1.2-1.5倍。

(3)压缩后的空气流通过截面积逐渐变小的收缩气道后存储于储能腔内，利用收缩气道加速补充气流速度，以实现对储能腔内气体的“推挤”作用，完成进气增压。

(4)在内燃机气缸的进气门处利用涡流产生器使高压气体产生旋转的进气流动，变成带强烈旋转运动的进气涡流进入内燃机气缸，实现涡流进气。

根据上述方法，设计的一种适用于单缸小排量内燃机的电动复合增压系统，所述的增压系统包括依次密封连接的进气口，电动离心式增压器，收缩气道，进气管道和涡流产生器，进气口端安装空滤器，空气经过空滤器过滤后进入电动离心式增压器，进行升压后流过收缩气道；收缩气道为截面积逐渐变小的漏斗式进气管道，宽口端与电动离心式增压器的出气口连接，窄口端与进气管道连接；进气管道末端连接涡流产生器，涡流产生器的输出连接内燃机进气门座。

所述的收缩气道长度为0.2～-0.3D，D为内燃机缸径。

电动离心式增压器出口至进气门座间的容积空间构成一个储能腔，其总容积控制在发动机排量的1.2～1.3倍。

内燃机工作时，进气通过空滤器过滤后，在电动离心增压器的作用下，升压后流过收缩管气道，进入进气管道(含储能调整腔)进行升压储能，当内燃机进气门开启，管道内高压气体在活塞下行产生的负压和离心增压器双重作用下，快速掠过涡流发生器后，变成带强烈旋转运动的进气涡流进入内燃机气缸，实现进气涡流增压，促进内燃机燃烧效率提升和有害气体排放降低。

动离心式压气机的作用是将从空气过滤器流来的进气进行压缩，形成高密度气体存储于进气道内，电动离心增压器风量为内燃机最大风量的1.2～1.5倍，过大会造成无端的增压器能量损失，过小会影响增压进气效果，对电动增压器转速没有过多要求，一般设定为8000r/min左右即可，以保证涡轮噪声在合理水平和涡轮轴的寿命，电动离心增压器出口直径为1.2～1.4倍进气道直径。

进气管道起到储能作用，当进气门关闭时，增压器推进的高压气体进入储能管道，以备气门开启时进入气缸。电动离心式增压器出口至进气门座间的容积空间都是储能单元，其总容积控制在发动机排量的1.2～1.3倍，由于收缩管道、涡流产生器以及内燃机机体内的 进气管道的容积随内燃机型号变化而变化，这里的储能调整腔起到该总容积调整的作用。

内燃机转速较高，进气门开闭频繁，而且开闭时间相当短暂。此时，收缩气道实质为一截面积变小的进气管道，能对进气实现提速，一方面是利用收缩管道，加速补充气流速度，以实现对储能腔内气体的“推挤”作用，另一方面可以弥补电动增压器响应慢的缺点。收缩气道长度尺寸为0.2～0.3D，这里D为内燃机缸径。

涡流产生器的作用是在进气过程产生旋转的进气流动。涡流发生器为带4片叶片的旋转涡轮，宽度稍厚叶片宽度2～3mm。气流流经叶片就改变原有的流向，产生有组织的涡流，以利于进入气缸气体的混合燃烧。为加强空气运动，现代内燃机都有螺旋进气道，以确保产生进气涡流。增压系统装配后，由于受结构限制，进气道一般会变得短且直，无法产生进气涡流。涡流发生器弥补了增压后带来的气道短直的缺点。

经过离心式增压器的气体特点是静压大，风速低。本发明在单一的电动离心式增压器的基础上，引入了收缩气道、储能腔、涡流产生器，使得进入气缸的气体高速高压，又有组织的涡流运动，能有效提高气体混合燃烧的能力，提高内燃机的经济性、动力性。本发明适合单缸小排量内燃机开发，也适合于现有小型内燃机的升级改造。

附图说明

图1为电动复合增压系统结构示意图。

图2为收缩气道结构示意图。

图3为电动复合增压系统对内燃机最大功率的增加曲线图。

图4为内燃机和安装电动复合增压系统的内燃机燃油消耗率及PM排放量的对比图。

其中附图标记，1——电动离心式增压器，2——收缩气道，3——储能调整气道，4——涡流产生器，5——进气口，6——空滤器，7——储能腔，8——内燃机。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

实施例1：一种适用于单缸小排量内燃机的电动复合增压方法步骤：首先将要进入内燃机气缸的空气采用空滤器进行过滤；然后将过滤后的空气，采用电动离心式增压器进行压缩，形成高密度气体；压缩后的空气流通过截面积逐渐变小的收缩气道后存储于储能腔内，利用收缩气道加速补充气流速度，以实现对储能腔内气体的“推挤”作用。在内燃机气缸的进气门处利用涡流产生器使高压气体产生旋转的进气流动，变成带强烈旋转运动的进气涡流进入内燃机气缸，实现进气涡流增压。

根据上述方法设计的电动复合增压系统，如图1所示，电动复合增压系统包括依次密封连接的进气口5，电动离心式增压器1，收缩气道2，储能调整气道3和涡流产生器4。进气口5内设置空滤器6，空气经过空滤器6过滤后进入电动离心式增压器1，进行升压后流过收缩气道2。如图2所示，收缩气道2为截面积逐渐变小的漏斗式进气管道，长度尺寸为0.2～0.3D，这里D为内燃机缸径。收缩气道2宽口端与电动离心式增压器1的出气口连接，窄口端与储能调整气道3连接。储能调整气道3末端连接涡流产生器4，涡流产生器4的输出连接内燃机进气门座。

电动离心式增压器1出口至进气门座间的容积空间都是储能单元，利用收缩气道2、储能调整气道3和涡流产生器4内的管道内空间，构成一个储能腔7，存储增压气体，进行升压储能。其总容积控制在发动机排量的1.2～1.3倍。

电动离心增压器1的出口直径为1.2～1.4倍储能调整气道3的直径。便于形成高密度气体存储于进气道内，电动复合增压系统，在电动离心式增压器的基础上，引入了收缩气道、储能腔、涡流产生器，使得进入气缸的气体高速高压，又有组织的涡流运动，能有效提高气体混合燃烧的能力，适合单缸小排量内燃机增压。

内燃机工作时，进气通过空滤器过滤后，在电动离心增压器的作用下，升压后流过收缩管气道，进入进气管道(含储能调整腔)进行升压储能，当内燃机进气门开启，管道内高压气体在活塞下行产生的负压和离心增压器双重作用下，快速掠过涡流发生器后，变成带强烈旋转运动的进气涡流进入内燃机气缸，实现进气涡流增压，促进内燃机燃烧效率提升和有害气体排放降低。

实施例2：利用电动复合增压系统，对自然吸气柴油机进行改造。

一款自然吸气柴油机，缸径为82mm，排量为0.40L，该发动机标定功率为6.2kW(3000r/min)。利用本电动复合增压系统对该型号柴油机进行电动涡轮增压系统设计。

该款内燃机机体上进气口直径为40mm。去除原发动机的空滤附加进气管路，进行如下设计：

1)选定40mm为进气管路基本尺寸，基于内燃机排量和转速，可初步估算内燃机的最大风量Q为：。按照1.2-1.5倍最大风量的标准，项目改造方案选定一款3.2m³/min(在8000r/min时)的电动增压器，增压器出口直径为52mm。

2)由内燃机缸80mm参数，按中值0.25D可取收缩进气道长度为0.25x80＝20mm。

3)选取或设计内径为40mm的四叶涡轮，长度设计为25mm。

4)总储能容积取中值为1.25倍发动机排量，则可估算储能总管道长度为0.40x106/(3.14x402/4)＝318mm，其中缩放管道长度20mm，涡流产生器25mm，测得发动机机内进气道长度约为85mm，则可确定储能调整腔3长度为188mm。

按上参数，设计电动复合增压系统与内燃机进行匹配，经测试内燃机的动力性能、经济性能指标分别与原机对比均有显著提高。如图3所示，复合增压系统对内燃机最大功率的增加情况。如图4所示，安装复合增压系统的内燃机与未安装增压系统的内燃机，器燃油消耗率及PM排放的对比图。

试验结果表明：增压器8000r/min运行时，对内燃机最大功率增加有25％左右的增加，而增压器不运行，内燃机功率也有近2％的增加，说明涡流产生器有一定的作用。复合增压后燃油消耗率和PM排放都有一定程度的降低，表明复合增压技术的有效性。

相比单一电动增压技术，本复合增压技术有以下优点：

功率提升明显，单一电动增压要达到20％左右功率提升，增压器转速至少要达到15000r/min以上，而用复合增压技术，增压器8000r/min时就达到30％左右。

技术实施复杂性没有增加。复合增压技术是离心电动增压，收缩管道提速、高压储能、涡流产生等技术的综合，是空气动力学、内燃机燃烧学等理论的综合应用。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所提示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要所涵盖。