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一种 涡轮 增压 发动机压缩空气回收及补气系统及其方法

阅读：493发布：2023-01-21

专利汇可以提供一种涡轮增压发动机压缩空气回收及补气系统及其方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种涡轮增压发动机压缩空气回收及补气系统及其方法。除了一般涡轮增压发动机的结构外，还设有低压储气罐，高压储气罐，可调开度电磁阀，蝶阀，单向阀，减压阀，补气阀和可变相位排气门。该系统利用涡轮增压发动机在高速大负荷情况下本应从涡轮旁通的废气来制取压缩空气并予以储存；在车辆制动时，以压缩空气辅助制动的方式将前步回收的气体进行进一步的压缩增压并储存；当车辆低速起步时，利用前步储存的压缩空气进行补气。该系统能为传统涡轮增压发动机能回收更多余能，并改善低速加速性能和排放。，下面是一种涡轮增压发动机压缩空气回收及补气系统及其方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种涡轮增压发动机压缩空气回收及补气系统，其特征在于：包括涡轮增压压缩空气回收系统、发动机压缩空气辅助制动系统、发动机补气系统，其中涡轮增压压缩空气回收系统通过喷气阀(5) 与发动机压缩空气辅助制动系统相连接，发动机压缩空气辅助制动系统通过减压阀(12)与补气系统相连接。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮增压发动机压缩空气回收及补气系统，其特征在于所述的涡轮增压压缩空气回收系统包括涡轮增压器、可调开度电磁阀(4)、第一低压储气罐(3)、喷气阀(5)；可调开度电磁阀(4)一端与涡轮增压器之后的发动机进气总管相连，另一端与第一低压储气罐(3)相连，第一低压储气罐(3)通过管道与发动机缸盖上的喷气阀(5)相连, 所述的涡轮增压器由涡轮增压器压气机端（6）和涡轮增压器涡轮端（7）通过连接轴连接而成，增压器压气机端（6）与进气总管相连，涡轮增压器涡轮端（7）与排气管相连。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮增压发动机压缩空气回收及补气系统，其特征在于所述的发动机压缩空气辅助制动系统包括气缸(2)、活塞(1)、可变相位排气门(8)、蝶阀(9)、单向阀(11)、高压储气罐(14)；活塞(1)位于气缸(2)内，可变相位排气门(8)位于气缸(2)上壁，蝶阀(9)位于排气管上，单向阀(11)一端与位于可变相位排气门(8)和蝶阀(9)之间的排气管相连，另一端与高压储气罐(14)相连。
4.根据权利要求3所述的一种涡轮增压发动机压缩空气回收及补气系统，其特征在于所述的可变相位排气门（8）包括凸轮(21)、摇臂(20)、顶杆上半部分(19)、弹簧(17)、顶杆头(16)、排气门(15)、液压单向阀(18)和液压油路控制阀(22)；凸轮(21)与摇臂(20)一端相接触，摇臂(20)另一端与顶杆上半部分(19)相接触，顶杆上半部分(19)通过弹簧(17)与顶杆头(16)相连，顶杆头(16)与排气门(15)直接接触，液压单向阀(18)与液压油路控制阀(22)之间由液压油填充。
5.根据权利要求1所述的一种涡轮增压发动机压缩空气回收及补气系统，其特征在于所述的发动机补气系统包括减压阀(12)、第二低压储气罐(13)和补气阀(10)；第二低压储气罐(13)一端通过减压阀(12)与高压储气罐(14)相连，一端通过补气阀(10)与气缸(2)相连。
6.一种如权利要求1所述系统的涡轮增压发动机压缩空气回收及补气方法，其特征在于包括涡轮增压压缩空气回收方法，发动机制动压缩空气回收方法和发动机补气方法，所述的涡轮增压压缩空气回收方法是一种将低压气体回收并储存的方法，发动机制动压缩空气回收方法是一种将前述低压气体与额外空气混合并进一步加压储存的方法，发动机补气方法是一种将压缩空气补充进气缸(2)为发动机提供额外新鲜空气的方法。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的涡轮增压压缩空气回收方法是：当涡轮增压器涡轮端(7)的废气阀因为发动机排气压力过大即将打开但仍未开启时，调节开度电磁阀(4)预先打开使部分压缩空气充入第一低压储气罐(3)，当低压储气罐内气体压力上升并逐渐接近进气总管中气体压力时，调节开度电磁阀(4)逐渐关闭，同时涡轮增压器涡轮端(7)的废气阀打开以维持进气总管中的压力稳定。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的发动机制动压缩空气回收的方法是：当车辆处于制动工况，活塞(1)运行至进气冲程下止点附近，进气门已经关闭时，通过喷气阀(5)将第一低压储气罐(3)内的压缩空气喷入气缸(2)，压缩空气与原有进气在气缸(2)中混合并在压缩冲程中被活塞(1)进一步压缩成为更高压气体，在压缩冲程末期可变相位排气门(8)打开，蝶阀(9)关闭，高压气体排出气缸(2)，并通过单向阀(11)进入高压储气罐(14)。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的发动机补气的方法是：高压气体通过减压阀(12)进入第二低压储气罐(13)，维持第二低压储气罐(13)罐内压力，第二低压储气罐(13)通过补气阀(10)在发动机处于低速大负荷工况或者急加速工况时向气缸(2)中喷射压缩空气，增加缸内新鲜充量。
10.一种如权利要求4所述的可变相位排气门的控制方法，其特征在于：当液压油路控制阀(22)下行打开时，液压油从液压单向阀(18)进入管路并自由流动，凸轮(21)带动摇臂(20)推动顶杆上半部分(19)运动，顶杆头(16)在弹簧(17)作用下顶住气门(15)但并不与顶杆上半部分(19)同步运动，气门(15)在常规凸轮摇臂结构作用下在发动机排气冲程时打开；所述液压油路控制阀(22)上行关闭管路时，在液压单向阀(18)至液压油路控制阀(22)之间的管路中形成封闭空间，顶杆上半部分(19)与顶杆头(16)之间由于液压作用一起运动，凸轮(21)带动摇臂(20)推动整个顶杆运动，顶杆头(16)推动气门(15)在发动机压缩冲程末期开启。

说明书全文

一种涡轮 增压 发动机压缩空气回收及补气系统及其方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种涡轮增压发动机压缩空气回收及补气系统及其方法，属于动力机械领域。技术背景

[0002] 在现代汽车工业中，大部分柴油机及部分汽油机均已使用涡轮增压技术。然而，然而随着发动机升功率指标的不断提高，对单级涡轮增压器而言，要求其有更高的增压压比以及更广的对内燃机工作范围的适应性，在这种要求下，传统涡轮增压器已经很难满足要求，在低速急加速、低速大负荷等工况下都无法高效运行，导致加速反应迟滞、混合气质量下降、烟度排放增加等问题。针对这些的问题，国内外对利用高压补气来提升增压器的响应和效率作了广泛研究，研究表明在发动机低速急加速和低速大负荷工况为发动机进行补气，能有效提升增压器的响应速度以及降低发动机低速时的排放，然而传统的补气系统的气体来源是储存于气罐中的高压空气，使用量有限，难以应用到实际车辆上，因此发明一种能利用发动机余能来制备高压气体的装置是十分有必要的。

发明内容

[0003] 为了改善涡轮增压发动机在低速急加速和低速大负荷工况下动力性和排放问题，同时充分回收利用发动机余能，本发明提供一种涡轮增压发动机压缩空气回收及补气系统及其方法。

[0004] 本发明解决问题的技术方案如下：一种涡轮增压发动机压缩空气回收及补气系统包括涡轮增压压缩空气回收系统、发动机压缩空气辅助制动系统、发动机补气系统，其中涡轮增压压缩空气回收系统通过喷气阀与发动机压缩空气辅助制动系统相连接，发动机压缩空气辅助制动系统通过减压阀与补气系统相连接。

[0005] 所述的涡轮增压压缩空气回收系统包括涡轮增压器、可调开度电磁阀、第一低压储气罐、喷气阀；可调开度电磁阀一端与涡轮增压器后的发动机进气总管相连，另一端与第一低压储气罐相连，第一低压储气罐通过管道与发动机缸盖上的喷气阀相连。所述的涡轮增压器由涡轮增压器压气机端和涡轮增压器涡轮端通过连接轴连接而成，增压器压气机端与进气总管相连，涡轮增压器涡轮端与排气管相连。

[0006] 所述的发动机压缩空气辅助制动系统包括气缸、活塞、可变相位排气门、蝶阀、单向阀、高压储气罐；活塞位于气缸内，可变相位排气门位于气缸上壁，蝶阀位于排气管上，单向阀一端与位于可变相位排气门和蝶阀之间的排气管相连，另一端与高压储气罐相连。

[0007] 所述的可变相位排气门包括凸轮、摇臂、顶杆上半部分、弹簧、顶杆头、排气门、液压单向阀和液压油路控制阀；凸轮与摇臂一端相接触，摇臂另一端与顶杆上半部分相接触，顶杆上半部分通过弹簧与顶杆头相连，顶杆头与排气门直接接触，液压单向阀与液压油路控制阀之间由液压油填充。

[0008] 所述的发动机补气系统包括减压阀、第二低压储气罐和补气阀；第二低压储气罐一端通过减压阀与高压储气罐相连，一端通过补气阀与气缸相连。

[0009] 所述系统的涡轮增压发动机压缩空气回收及补气方法包括涡轮增压压缩空气回收方法，发动机制动压缩空气回收方法和发动机补气方法，所述的涡轮增压压缩空气回收方法是一种将低压气体回收并储存的方法，发动机制动压缩空气回收方法是一种将前述低压气体与额外空气混合并进一步加压储存的方法，发动机补气方法是一种将压缩空气补充进气缸为发动机提供额外新鲜空气的方法。

[0010] 所述的涡轮增压压缩空气回收方法是：当涡轮增压器涡轮端的废气阀因为发动机排气压力过大即将打开但仍未开启时，可调开度电磁阀预先打开使部分压缩空气充入第一低压储气罐，当低压储气罐内气体压力上升并逐渐接近进气总管中气体压力时，调节开度电磁阀逐渐关闭，同时涡轮增压器涡轮端的废气阀打开以维持进气总管中的压力稳定。

[0011] 所述涡轮增压压缩空气回收系统利用可调开度电磁阀控制充入第一低压储气罐的气体质量流量，从而使充入第一低压储气罐的压缩空气只占进气总管中气体总量的一部分，尽可能减少了对发动机正常工作的影响。

[0012] 所述的发动机制动压缩空气回收的方法是：当车辆处于制动工况，活塞运行至进气冲程下止点附近，进气门已经关闭时，通过喷气阀将第一低压储气罐内的压缩空气喷入气缸，压缩空气与原有进气在气缸中混合并在压缩冲程中被活塞进一步压缩成为更高压气体，在压缩冲程末期可变相位排气门打开，蝶阀关闭，高压气体排出气缸，并通过单向阀进入高压储气罐。

[0013] 所述的发动机补气的方法是：高压气体通过减压阀进入第二低压储气罐，维持第二低压储气罐罐内压力，第二低压储气罐通过补气阀在发动机处于低速大负荷工况或者急加速工况时向气缸中喷射压缩空气，增加缸内新鲜充量，从而改善发动机在这两种工况下的动力性和降低这两种工况下发动机排放。

[0014] 所述发动机补气增压系统通过减压阀来保证第二低压储气罐中的气体压力不会因为补气过程而导致压力过低，同时也不会因为第二低压储气罐罐内压力过高导致补气过程消耗空气质量过快。

[0015] 所述的可变相位排气门的控制方法是：当液压油路控制阀下行打开时，液压油从液压单向阀进入管路并自由流动，凸轮带动摇臂推动顶杆上半部分运动，顶杆头在弹簧作用下顶住气门但并不与顶杆上半部分同步运动，气门在常规凸轮摇臂结构作用下在发动机排气冲程时打开；所述液压油路控制阀上行关闭管路时，在液压单向阀至液压油路控制阀之间的管路中形成封闭空间，顶杆上半部分与顶杆头之间由于液压作用一起运动，凸轮带动摇臂推动整个顶杆运动，顶杆头推动气门在发动机压缩冲程末期开启。

[0016] 所述液压油路控制阀，在车辆制动指令发出后，发动机额外运行两个工作循环进行曲轴转角信号校正，并在之后的正常排气冲程结束，排气门关闭后关闭，以减少气缸内的残余废气，同时保证可调间隙顶杆处于正确的相位。

[0017] 上述技术方案的指导思想是：通过涡轮增压压缩空气回收系统，将原本被涡轮增压器废气阀旁通掉的废气能量重新利用并转化为额外的进气量并加以回收储存，之后通过制动能量回收系统，将车辆制动时发动机活塞的动能转化为空气的压缩能，进一步提高压缩空气的压力和质量并予以储存，最后通过发动机低速补气系统将储存的压缩空气喷射进发动机的气缸，改善发动机在低速急加速或低速大负荷工况的动力性，同时降低这两种工况下排放。

[0018] 本发明的有益效果：该涡轮增压发动机压缩空气回收及补气系统利用发动机余能，并转化为压缩空气的压力能，最后利用这部分压缩空气通过补气的方式，改善发动机在低速急加速或低速大负荷工况的动力性，同时降低这两种工况下排放。附图说明

[0019] 下面结合附图对本发明进行说明图1是涡轮增压发动机回收压缩空气和补气系统。

[0020] 图2是可变相位排气门的执行结构图中：1.活塞，2.气缸，3.第一低压储气罐，4.可调开度电磁阀，5.喷气阀，6.涡轮增压器压气机端，7.涡轮增压器涡轮端，8.可变相位排气门，9.蝶阀，10.补气阀，11.单向阀，
12.减压阀，13.第二低压储气罐，14.高压储气罐，15.排气门，16.顶杆头，17.弹簧，18.液压单向阀，19.顶杆上半部分，20.摇臂，21.凸轮，22.液压油路控制阀。

具体实施方式

[0021] 如图1和图2所示，一种涡轮增压发动机压缩空气回收及补气系统包括涡轮增压压缩空气回收系统、发动机压缩空气辅助制动系统、发动机补气系统，其中涡轮增压压缩空气回收系统通过喷气阀5 与发动机压缩空气辅助制动系统相连接，发动机压缩空气辅助制动系统通过减压阀12与补气系统相连接。

[0022] 所述的涡轮增压压缩空气回收系统包括涡轮增压器、可调开度电磁阀4、第一低压储气罐3、喷气阀5；可调开度电磁阀4一端与涡轮增压器后的发动机进气总管相连，另一端与第一低压储气罐3相连，第一低压储气罐3通过管道与发动机缸盖上的喷气阀5相连, 所述的涡轮增压器由涡轮增压器压气机端6和涡轮增压器涡轮端7通过连接轴连接而成，增压器压气机端6与进气总管相连，涡轮增压器涡轮端7与排气管相连。

[0023] 所述的发动机压缩空气辅助制动系统包括气缸2、活塞1、可变相位排气门8、蝶阀9、单向阀11、高压储气罐14；活塞1位于气缸2内，可变相位排气门8位于气缸2上壁，蝶阀9位于排气管上，单向阀11一端与位于可变相位排气门8和蝶阀9之间的排气管相连，另一端与高压储气罐14相连。

[0024] 所述的可变相位排气门8包括凸轮21、摇臂20、顶杆上半部分19、弹簧17、顶杆头16、排气门15、液压单向阀18和液压油路控制阀22；凸轮21与摇臂20一端相接触，摇臂20另一端与顶杆上半部分19相接触，顶杆上半部分19通过弹簧17与顶杆头16相连，顶杆头
16与排气门15直接接触，液压单向阀18与液压油路控制阀22之间由液压油填充。

[0025] 所述的发动机补气系统包括减压阀12、第二低压储气罐13和补气阀10；第二低压储气罐13一端通过减压阀12与高压储气罐14相连，一端通过补气阀10与气缸2相连。

[0026] 当发动机运行至高速大负荷工况时，由于此时的排气能量较大，涡轮增压器的压气机端6的出口气体压力也会相应增大，为了防止涡轮增压器的压气机端6出口气体压力过大对发动机缸内过程造成不利影响，通常涡轮增压器都配有一个废气阀，废气阀一端的压力感应结构连接着涡轮增压器压气机端6的出口，而其另一端的阀门结构则布置于涡轮增压器涡轮端7的入口处，当废气阀的压力感应结构检测到涡轮增压器压气机端6的气体压力高于预设时，它会逐渐打开涡轮端7入口的阀门结构，将一部分发动机废气从涡轮端7旁通，从而减少涡轮端7可以回收到的废气能量，进而降低压气机端6的出口压力，这一过程中有部分的发动机废气能量因为从涡轮端7旁通而没能被回收。涡轮增压压缩空气回收系统将回收这部分损失的废气能量中的一部分，当处于废气阀打开的工况时，涡轮增压压缩空气回收系统的可调开度电磁阀4将先于废气阀打开，将部分压缩空气引入第一低压储气罐3进行储存，此时本应被旁通的废气依然流过涡轮端7推动涡轮的叶轮转动，同时压气机出口的气体因为有部分被引入第一低压储气罐3储存而使压力不会过高，该过程直至储气罐压力提升到与进气总管中相似时结束，废气阀将打开以继续维持压气机出口压力。

[0027] 当车辆制动时，发动机制动能量回收系统将辅助发动机制动并同时回收活塞1的动能并以空气的压力能形式进行储存。在车辆制动过程中，当活塞1运行至下止点，进气门关闭时，气缸2内充满压力略低于大气压力的空气，此时打开与第一低压储气罐3相连的喷气阀5，将从进气总管中回收到的压缩空气喷射进气缸2，从而使缸内气体的质量和压力均得到提升，之后活塞1上行压缩空气，将动能转化为气体的压力能，在压缩冲程的末期，可变相位排气门8打开将被压缩的空气排出气缸2，此时排气管上的蝶阀9关闭，压缩空气通过单向阀11进入高压储气罐14进行储存。

[0028] 当发动机运行在低速急加速或低速大负荷时，涡轮增压器的供气量无法满足发动机的进气量需求，此时会导致动力性和排放下降，发动机补气增压系统用于改善该状况。高压储气罐14通过减压阀12向第二低压储气罐13输送压缩空气，并维持第二低压储气罐13中的气体压力，当发动机处于低速急加速或低速大负荷工况时，在发动机活塞1运行至进气冲程末期，进气门关闭时，通过补气阀12将第二低压储气罐13中的压缩空气喷射进气缸以增加缸内空气质量，改善燃烧，提升输出功率，降低排放。

[0029] 所述可变相位排气门除了受原来发动机上的凸轮顶杆结构控制之外，还由一套液压控制的凸轮顶杆结构共同控制。当发动机处于正常工作状态时，此时液压油路控制阀22处于打开状态，由于没有液压作用，顶杆头16与顶杆上半部分19不同步运行，顶杆头16在弹簧17作用下紧贴排气门15但并不产生作用力，排气门15在原凸轮摇臂结构作用下在发动机排气冲程时打开。当发动机处于辅助制动状态时，此时液压油路控制阀22处于关闭状态，从液压油路控制阀22到液压单向阀18之间形成密闭的液压油路，由于液体的不可压缩性，顶杆上半部分19与顶杆头16在液压作用下一起运动，将凸轮21和摇臂20的运动传递至排气门15，从而使排气门15在原压缩冲程的末期打开使压缩空气被推出气缸2。

[0030] 所述液压油路控制阀22，在车辆制动指令发出后，发动机额外运行两个工作循环进行曲轴转角信号校正，并在之后的正常排气冲程结束，排气门关闭后关闭，以减少气缸2内的残余废气，同时保证可调间隙顶杆处于正确的相位。

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