进气预混合增压装置、安装该装置的发动机及其运行方法与流程

本发明涉及一种进气预混合增压装置。更具体地说，涉及一种利用外接进气歧管的压力仓对进气进行预混合增压的装置。

本发明还涉及安装上述装置的发动机及其运行方法。

背景技术：

影响汽油发动机排放的最主要因素是混合气的空燃比，理论上一公斤燃料完全燃烧时需要14.7公斤的空气，因此最佳的空燃比为14.7。如果空燃比小于14.7的话，供给的混合气过浓。此时，发动机输出的功率大，但燃烧不完全，导致生成的co、hc较多。如果空燃比大于14.7的话，供给的混合气过稀。此时，燃烧速度变慢且燃烧不稳定，同样导致生成的hc增多。因此，业内普遍希望将空燃比控制为14.7的理想状态。此时，汽油发动机燃烧充分且排放污染物少。

然而，由于车辆在行驶过程中会遭遇各种外界因素，如气温变化、道路颠簸、交通拥堵、恶劣天气等，发动机无法始终稳定地工作，空燃比也无法相应地保持在14.7的理想状态下，而是会以该值为中心产生大幅度波动。

另一方面，涡轮增压发动机的应用也日益广泛。涡轮增压器通过压缩空气来增加进气量，利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，由叶轮压送空气滤清器管道送来的空气，使之增压并进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮会压缩更多的空气进入气缸，从而增加发动机的输出功率。

然而，由于涡轮增压在发动机低负荷加速时的排气量较小，因此其响应速度也是比较慢的。

目前业内采用了如下一些解决方案来试图克服上述缺点。

例如，在丰田自动车株式会社提交的中国专利申请cn102597468a中，公开了一种内燃机的空燃比控制装置。具体来说，在排气通路中包含具有氧化能力的催化剂，并以目标空燃比为中心将混合气体的空燃比以预先确定的振幅交替地控制为比理论空燃比稀的空燃比和比理论空燃比浓的空燃比。采用与催化剂温度相关设定的振幅作为被预先确定的振幅，催化剂温度比预先确定的温度高时设定的振幅小于催化剂温度比预先确定的温度低时设定的振幅。然而，该控制装置需要测量并计算大量数据，不仅结构复杂、成本高昂，而且会产生燃油喷射量计算的延迟问题。

在中国专利申请cn102979611a中公开了一种可变容积预混室极限增压发动机。该发动机在缸盖上布置了一个预混室，可通过控制预混室阀片和柱塞阀片对预混室封闭的时机来控制预混室内的压力和温度。这种发动机虽然能够使燃烧更加充分且提高动力性能，也不会受到压缩比影响，但其缸盖以及活塞的结构均发生了变化，会对发动机的运行产生影响。此外，燃油喷射量计算的延迟问题也没有得到根本性的解决。

在中国专利申请cn102852625a中公开了一种发动机瞬态进气控制系统。该系统包括设置在发动机进气口与进气歧管之间的进气管道上以调整进气气流强度并使进气气流形成涡流的涡流风扇、以及用于采集车辆状态信息并根据车辆状态信息控制风机运行速度的传感器及控制模块。该技术方案通过控制进气量来改善空燃比，并藉此进一步改善油耗和排放。但是，其局限性相对较大，集中体现为调节响应速度慢且调节范围有限。

因此，目前需要研制一种进气预混合增压装置，该装置在工况变换的过程中不需要空燃比的反馈控制就能平稳地过渡到下一个工况，能够解决现有技术中存在的燃油喷射量计算延迟的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种进气预混合增压装置，该装置在工况变换的过程中不需要空燃比的反馈控制就能平稳地过渡到下一个工况，从而解决现有技术中存在的燃油喷射量计算延迟的问题。

本发明的第一方面涉及一种用于发动机的进气预混合增压装置，进气预混合增压装置包括外接到发动机的进气歧管的预混合仓，预混合仓通过将其内部的具有规定压力值的油气混合物注入进气歧管来加快进气歧管的实际压力达到目标进气压力的速率。

在一个较佳实施方式中，空气可以通过预混合仓的入口进入预混合仓，并且通过预混合仓的出口进入进气歧管，其中，进气预混合增压装置还可以包括：安装到预混合仓的入口处的空气流量传感器，空气流量传感器对进入预混合仓的空气量进行检测；以及安装到预混合仓的出口处的限流阀，限流阀控制预混合仓内的油气混合物进入进气歧管的时间和数量。

更佳的是，进气预混合增压装置还可以包括安装在预混合仓内的喷油嘴，喷油嘴根据空气流量传感器检测到的进气量向预混合仓喷出规定的喷油量。

更佳的是，规定的喷油量(t)的计算公式可以是：

t＝qa/14.7，

其中qa是由空气流量传感器检测到的进气量。

在另一个较佳实施方式中，进气预混合增压装置还可以包括安装在预混合仓内的混合元件，混合元件用于使进入预混合仓的空气与喷油嘴喷出的汽油充分混合。

在又一个较佳实施方式中，进气预混合增压装置还可以包括：增压泵，增压泵安装到预混合仓的入口处或预混合仓内部，以促使外界的空气进入预混合仓；以及安装在预混合仓内的第一压力传感器，第一压力传感器测量预混合仓内的压力是否达到规定压力值，以确定增压泵是否停止工作。

较佳的是，规定压力值可以为定值20bar。

此外，进气预混合增压装置还可以配备有安装在进气歧管内用于测量进气歧管实际压力的第二压力传感器、以及安装在发动机的节气门处用于测量节气门前压力的第三压力传感器。

本发明的第二方面涉及一种安装有如本发明的第一方面所述的进气预混合增压装置的发动机。

本发明的第三方法涉及一种运行如本发明第三方面所述的发动机的方法，包括以下步骤：

使发动机启动；

使预混合仓内充满油气混合物并且使油气混合物达到规定压力值；

关闭发动机的节气门；

将油气混合物注入进气歧管来加快进气歧管的实际压力达到目标进气压力的速率；

在进气歧管的实际压力基本上达到目标进气压力之后打开节气门；以及

恢复发动机的正常进气。

本发明的技术方案优于现有技术之处在于以下两个方面：

(i)该进气预混合增压装置通过在预混合仓中混合空气与燃料解决了工况变化时燃油喷射量计算的延迟问题，在工况变化过程中不需要空燃比的反馈控制，使其能够平稳地过渡至下一个工况。

(ii)该进气预混合增压装置通过对预混合仓增压而加快了进气的增压效率，不仅弥补了原有涡轮的迟滞问题，而且大大提升了发动机的响应速率。

附图说明

为了进一步说明根据本发明的进气预混合增压装置的结构和工作流程，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，其中：

图1是安装有根据本发明的进气预混合增压装置的发动机的结构示意图；

图2是安装有根据本发明的进气预混合增压装置的发动机的工作流程图；

图3是安装有根据本发明的进气预混合增压装置的发动机与传统发动机的进气歧管实际压力pa随时间t变化的曲线图；以及

图4是安装有根据本发明的进气预混合增压装置的发动机与传统发动机的实际空燃比随时间t变化的曲线图。

附图标记

1第二压力传感器

2限流阀

3喷油嘴

4第一压力传感器

5空气流量传感器

6增压泵

7循环风扇

8预混合仓

9第三压力传感器

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的进气预混合增压装置的结构及其工作流程，其中，相同的部件由相同的附图标记进行标示。

众所周知，发动机是汽车的动力装置，它由两大机构五大系统组成：曲柄连杆机构、配气机构；燃料供给系、冷却系、润滑系、点火系和起动系。发动机在五大系统的配合下，通过两大机构的连接和运转，将燃料的化学能转化为机械动能，将往复直线运动转化为旋转运动，为汽车运行提供基本的动力保障。

燃料供给系由汽油箱、汽油表、汽油管、汽油滤清器、汽油泵、化油器、空气滤清器、进排气歧管等组成。该系统根据发动机的要求配制出一定数量和浓度的混合气体并供入气缸，以及将燃烧后的废气从气缸内排放到大气中去。

图1示出了一种典型的发动机燃料供给系的总体结构，其中，该燃料供给系安装有根据本发明的进气预混合增压装置。该进气预混合增压装置包括外接到发动机的进气歧管的预混合仓8，该预混合仓8通过将其内部的具有规定压力值pc的油气混合物注入进气歧管来加快进气歧管的实际压力pa达到目标进气压力(或称进气歧管所需压力)y的速率。

在一个典型示例中，预混合仓8内部的油气混合物的规定压力值pc为20bar。由于预混合仓8主要补充发动机加速时前2秒所需的压力差。根据本申请发明人所做的实验数据得出的数据，发动机(例如1.5l涡轮增压发动机)加速2秒所需进气量m大约为80g至120g。

假定进气量m为120g，且预混合仓8内部的油气混合物的规定压力值pc为20bar，根据气体压强公式，气体压强p与气体密度ρ成正比关系，所以此时罐体中空气密度pair＝20ρ。在正常大气压下，空气密度为1.293g/l，所以罐体内空气密度pair＝20×1.293＝25.86g/l。

由此可见，所需空气的体积v＝m/pair＝4.64l。

因此，在本发明的一个较佳实施例中，预混合仓8体积为4l至5l，且最佳体积为5l。

请继续参见图1，空气通过预混合仓8的入口(图中未明确标注)进入预混合仓8，并且通过预混合仓8的出口(图中未明确标注)进入进气歧管。

在预混合仓8的入口处安装有空气流量传感器5，该空气流量传感器5对从预混合仓8的入口进入预混合仓8的空气量(即，进气量qa)进行检测。

另外，在预混合仓8的出口处安装有限流阀2，该限流阀2根据ecu发出的指令打开或关闭，以控制预混合仓8内的油气混合物进入进气歧管的时间和数量。或者，也可以将限流阀2安装在预混合仓8与进气歧管之间的管路中，或者任何其它适当的位置。这些变型都将落入在权利要求书的保护范围之内，其对于本领域的普通技术人员来说是众所周知的。

预混合仓8内安装有喷油嘴3，该喷油嘴3根据空气流量传感器5检测到的进气量qa向预混合仓8喷出规定量的汽油(即，喷油量t)。

理论上一公斤燃料完全燃烧时需要14.7公斤的空气，也就是说，最佳空燃比为14.7。因此，规定的喷油量t的计算公式如下：

t＝qa/14.7，

其中qa是由空气流量传感器5检测到的进气量。

进气预混合增压装置还包括安装在预混合仓8内的混合元件7，该混合元件7用于使进入预混合仓8的空气与喷油嘴3喷出的汽油充分混合并达到规定压力值pc。

在本发明的一个较佳实施方式中，混合元件7是循环风扇。但是，对于本领域的普通技术人员易于理解的是，其它能够使进入预混合仓8的空气与喷油嘴3喷出的汽油充分混合并达到规定压力值的元件也应当落入在本发明的保护范围之内。

如先前所述，规定压力值pc通常为定值，即20bar。但也可以根据不同的使用工况确定不同数值的规定压力值pc。

进气预混合增压装置还包括：增压泵6，该增压泵6安装于预混合仓8的入口或预混合仓8内部，以促使外界的空气进入预混合仓8；以及安装在预混合仓8内的第一压力传感器4，该第一压力传感器4用于在预混合仓8内测量预混合仓8的压力pc，并且在pc达到设定值20bar时使增压泵6停止工作并封闭该预混合仓8。

除了第一压力传感器4以外，在发动机内部还安装有两个压力传感器，它们分别是在进气歧管内测量进气歧管实际压力pa的第二压力传感器1、以及在发动机的节气门处测量节气门前压力pb的第三压力传感器9。这些压力传感器所测量得到的压力值的用途将在之后予以说明。

下面将结合图2介绍安装有根据本发明的进气预混合增压装置的发动机的工作流程。

首先，使发动机启动。此时，增压泵6开始工作，将外界空气经由预混合仓8的入口泵送入预混合腔8。第一压力传感器4在预混合仓8内测量预混合仓8的压力pc，并且在pc达到设定值20bar时向ecu发出信号，使增压泵6停止工作并封闭预混合仓8。

安装在预混合仓8的入口处的空气流量传感器5对进入预混合仓8的空气量进行检测，并且将检测到的数据发送给ecu。ecu根据空气流量传感器5检测到的进气量qa计算喷油量t，并且控制安装在预混合仓8内的喷油嘴3根据计算得到的喷油量t将汽油喷射入预混合仓8。

接着，混合元件7开始工作，使得进入预混合仓8的空气与喷油嘴3喷出的汽油充分混合并达到规定压力值。

当车辆驾驶员踩踏踏板时，ecu发出加速信号，并且对第一、第二和第三压力传感器采集到的压力值进行比较。

首先比较第一压力传感器4测得的预混合仓8的压力pc是否大于或等于第二压力传感器1测得的进气歧管实际压力pa，其次比较第二压力传感器1测得的进气歧管实际压力pa是否大于或等于第三压力传感器9测得的节气门前压力pb，最后比较第二压力传感器1测得的进气歧管实际压力pa是否大于或等于目标进气压力y。

当前两项比较的结果为“是”但第三项比较的结果为“否”时，说明进气歧管需要增压以达到目标进气压力y。此时，使发动机节气门关闭，并打开限流阀2，预混合仓8内的油气混合物于是经由限流阀2注入进气歧管，使得进气歧管的实际压力pa升高，直至进气歧管的实际压力pa达到目标进气压力y。当进气歧管的实际压力pa达到目标进气压力y、或者第一压力传感器4测得的预混合仓8的压力pc小于第二压力传感器1测得的进气歧管实际压力pa、或者第二压力传感器1测得的进气歧管实际压力pa小于第三压力传感器9测得的节气门前压力pb时，关闭限流阀2，停止注入油气混合物。此时，再重新打开节气门，恢复正常空燃比反馈喷油。在该状态下，发动机恢复正常运行。

ecu再次指令增压泵6工作，将外界空气经由预混合仓8的入口泵送入预混合腔8，并重复之前的喷油和混合工序，并等待ecu发出下一次加速信号。如果预混合仓8的压力未达到规定压力值时，其不参与加速工况工作。

关于目标进气压力y，下表示出了目标进气压力y在不同转速和压力下的预设数值。在实际运行中，该表中的数值可储存在ecu中，并根据下表确定目标进气压力y在不同转速和压力下的预设数值。

图3示出了安装有根据本发明的进气预混合增压装置的发动机与传统发动机的进气歧管实际压力pa随时间t变化的曲线，其中，实线示出了传统发动机的进气歧管实际压力pa随时间t的变化，而虚线则示出了安装有进气预混合增压装置的发动机的进气歧管实际压力pa随时间t的变化。

可以看到，在发动机上安装了本发明的进气预混合增压装置之后，进气歧管实际压力pa基本上达到目标进气压力y的速率大大增加。也就是说，该进气预混合增压装置通过在预混合仓中混合空气与燃料解决了工况变化时燃油喷射量计算的延迟问题。

图4示出了安装有根据本发明的进气预混合增压装置的发动机与传统发动机的实际空燃比随时间t变化的曲线。其中，实线示出了传统发动机的实际空燃比随时间t的变化，而虚线则示出了安装有进气预混合增压装置的发动机的实际空燃比随时间t的变化。

可以看到，在发动机上安装了本发明的进气预混合增压装置之后，实际空燃比围绕14.7的波动幅度大幅下降。也就是说，在工况变化过程中不需要空燃比的反馈控制，因此发动机能够平稳地过渡至下一个工况。

虽然以上结合了较佳实施例对本发明的进气预混合增压装置、安装有该装置的发动机及其运行方法的工作原理进行了说明，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本发明的限制。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本发明进行修改和变型，这些修改和变型都将落在本发明的权利要求书所要求的范围之内。