專利名稱：增壓壓力控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種輸送用于保證以氣體燃料工作的內燃(IC)機中的燃燒的空氣的增壓壓力控制裝置與方法。本發明尤其涉及在借助于增設燃氣供給系統和電火花點火系統、已從柴油燃料轉換到氣體燃料工作的內燃機中的增壓壓力控制器，但并非僅僅限于這種內燃機中的增壓壓力控制器。本發明也可用于所謂的雙重燃料發動機，其中采用少量的先導燃料，諸如柴油燃料，以代替電火花點燃來引燃氣體燃料。在每種情況下，輸送空氣到發動機以保證燃料燃燒。
當發動機以柴油工作時，發動機的功率輸出取決于廢氣中的排煙。為了增加發動機功率，在每一發動機循環中燃燒的柴油量需要增加，然而，由于柴油對空氣的相對比例增加了，便引起了不可接受的濃黑排煙。一般說來，在排煙成為不可接受之前能輸入發動機的最大柴油量僅為相對于輸入發動機的相應空氣量能在發動機內進行完全燃燒的最大柴油量的大約70%。因此，發動機的功率輸出受到限制。
當發動機以氣體燃料工作時，發動機并不遭受所述的排氣問題之困擾，從而，直至相對于相應的空氣量能完全燃燒的氣體燃料與空氣的最大比例100%能輸入發動機，因此發動機能發出最大功率。
為了克服傳統柴油機的排煙問題，可采用渦輪增壓或增壓系統。通常，在渦輪增壓裝置中，渦輪受發動機排氣驅動，而渦輪又轉動壓氣機輪。在增壓裝置中，這種壓氣機輪受諸如在壓氣機輪和發動機輸出軸之間直接機械偶合的另一動力裝置，即一種輔助動力裝置驅動。在每一種情況下，空氣在壓力(增壓壓力)下輸入發動機，因此有大量的空氣存在。這樣，在每一工作循環中，較多的柴油能輸入到發動機內，而柴油和空氣的比例無需超過在排煙成為不可接受之前所容許的最大量的70%。由于能輸入較多的柴油，發動機的功率輸出便相應增加。
然而，以氣體燃料工作的發動機的渦輪增壓或增壓系統，能改善發動機的性能。事實上，該種發動機的性能可嚴重受到限制。這是因為在點燃過程開始之前，在氣體燃料/空氣混合物最初壓縮期間所產生的熱量在增壓發動機中大于非增壓發動機，這一附加的熱量能導致氣體燃料/空氣混合物爆燃，而不是逐漸燃燒，或更糟的是，這一混合物在產生點燃之前和在達到最大壓縮之前由于處于不可控狀態的自行點燃而能開始燃燒。因此，發動機的功率輸出會減小。所以對于以氣體燃料工作的發動機，通常是非渦輪增壓或非增壓，或者如果它們增壓，其增壓度小于柴油機。
本發明是按照這樣一個觀點提出的，即在輸送空氣給以氣體燃料工作的內燃機中的過程中提供增壓壓力控制器以達到發動機性能的改善。
按照本發明的一個方面，設置一種增壓壓力裝置，用于控制輸送給以氣體燃料工作的內燃機中的空氣增壓壓力;
用于把空氣輸送給發動機以保證氣體燃料燃燒的空氣輸送裝置;
用于借助于所述空氣輸送裝置把輸給發動機的空氣增壓到高于環境壓力的空氣壓縮裝置;
根據發動機的至少一個工作參數、用于控制自所述空氣壓縮裝置輸送到發動機的空氣的增壓壓力的空氣控制裝置，在應用中，該增壓壓力能根據所述至少一個工作參數的變化而連續改變，以達到改善發動機的性能。
一般來說，所述至少一個工作參數包括發動機轉速和負荷。最好，所述至少一個工作參數也包括實際岐管的絕對壓力。
在一個實施例中，所述空氣控制裝置包括一增壓壓力控制閥，它是在應答所述至少一個工作參數的處理裝置的控制下工作的。最好，所述增壓壓力控制閥處于空氣壓縮裝置的下時，并適于自輸送空氣給發動機進氣岐管的空氣輸送管直接排出。在另一實施例中，所述空氣控制裝置通過控制增壓度來控制增壓壓力，空氣壓縮裝置將輸給發動機的空氣的壓力增壓到這一增壓度。
一般情況下，空氣壓縮裝置包括一個具有渦輪機的渦輪增壓器，該渦輪機受發動機排氣驅動，所述空氣控制裝置可包括一排氣控制閥，它在應答所述至少一個工作參數的處理裝置的控制下工作，以支配排氣至渦輪增壓器的可變比例，直至渦輪增壓器的排氣沿第一排氣通道流動，然而到排煙出口，而其余的沿第二排氣通道直接到該排煙出口或到另一排煙出口。
最好，所述增壓壓力控制閥由應答來自處理裝置的控制信號的變速電動機驅動，并還包括用于產生一反饋信號以便傳輸到所述處理裝置的反饋裝置，所述反饋裝置信號提供一個關于增壓壓力控制閥運轉狀況的指示。
最好，所述空氣輸送裝置還包括一個用于冷卻自空氣壓縮裝置輸送到發動機的空氣的空氣冷卻裝置。
本發明還可用于雙重燃料發動機，在此情況下，空氣控制裝置還可應答被輸入的燃料類型。在第二燃料是柴油的場合，空氣控制裝置可應答以控制空氣增壓壓力到當發動機僅以柴油工作時空氣壓縮裝置所能達到的最大程度。當發動機以柴油工作時，輸給發動機的空氣溫度可從環境溫度變化到第一數值以達到最佳工況，第一數值小于第二數值，當發動機以柴油或另一種第二燃料時，空氣溫度可從環境溫度變到第二數值。
按照本發明的另一方面，提供一種控制輸給以燃氣為燃料的內燃機的空氣的增壓壓力的方法，該方法包括
輸送空氣給發動機以保證氣體燃料的燃燒;
增壓輸送給發動機的空氣壓力，使其高于環境壓力;
根據發動機的至少一個工作參數，調節輸給發動機的空氣的增壓壓力，在使用中，該增壓壓力根據所述至少一個工作參數的變化能連續地改變，以達到改善發動機的性能。
最好，該方法還包括在把空氣壓力增壓到高于環境壓力之后冷卻輸給發動機的空氣。
為便于更好地了解本發明的性質，現在參照附圖，僅借助于例子，詳細說明幾個增壓壓力控制裝置及其方法的實施例，其中
圖1是本發明的一個增壓壓力控制裝置實施例的功能框圖;
圖2(a)，(b)和(c)是作為發動機轉速和負荷/扭矩函數的岐管絕對壓力的曲線圖;
圖3是本發明的增壓壓力控制裝置第二實施例的簡略表示;
圖4(a)和(b)分別為用于圖3裝置中的增壓壓力控制閥實施例的側視圖和剖視圖。
參看圖1，以標號10圖解表示一臺電火花點火內燃機。該發動機能以氣體燃料工作，并裝備燃氣輸送系統12以控制氣體燃料自貯氣缸14經輸氣管16到發動機燃料進口18的氣體燃料的輸送。燃氣輸送系統12經控制線路25處在發動機控制系統20的控制下。在發動機工作循環的吸氣部分，氣體燃料和空氣一起被輸入發動機10，這是在本技術領域內眾知的。發動機控制系統20經點火控制線路22傳輸一信號給電火花點火系統24，從而使輸給發動機的燃料點燃，并提供發動機工作循環的功率部分。在本實施例中，保證燃燒的空氣通過空氣進口26，例如發動機進氣岐管，經空氣節流裝置28輸入發動機，該空氣節流裝置經節流控制線路30，同樣處于發動機控制系統(EMS)20的控制下。空氣節流裝置28可包括，例如，一個控制岐管絕對壓力的岐管閥。
空氣經空氣節流裝置28自空氣壓縮裝置32-在這實施中包括一渦輪增壓系統-輸送到進氣口26。空氣經輸氣管34自通至大氣的空氣濾清器36以大氣壓力供給渦輪增壓器32。輸給渦輪增壓器32的空氣可通過跟發動機灼熱部件的接觸而得到加熱。渦輪增壓器32包括一渦輪38，它受發動機10中燃燒產生的廢氣驅動。渦輪38經傳動軸42轉動-壓氣機40。壓氣機40把經由節流裝置28輸給發動機10的空氣增壓到高于環境壓力。傳感器44傳感增壓空氣輸送管46中的增壓空氣壓力和溫度，并經控制線路48提供一個指示空氣增壓壓力和溫度的反饋信號給EMS20。
廢氣經排氣出口50自發動機10排出，并經廢氣輸送管54排到排氣控制裝置52。排氣控制裝置52是應答發動機至少一個工作參數的空氣控制裝置56的一部分，用以控制自渦輪增壓器32輸給發動機的空氣的增壓壓力。空氣控制裝置56包括EMS20。排氣控制裝置52，例如，可以是一種廢氣門蝶形閥，它被操作來控制沿第一排氣管道58輸給渦輪增壓器32的排氣比例，而其余的排氣沿第二排氣管道62經一消音器64直接排至廢氣出口60。輸給渦輪增壓器32的排氣自渦輪增壓器32經另一排氣管道66排至消音器64。
廢氣門閥52是經用以控制輸給渦輪增壓器32的排氣部分的控制線路68在EMS控制下工作的，因而控制了渦輪增壓器32增壓輸給發動機的空氣的增壓度。空氣的壓縮度取決于輸給渦輪增壓器32的排氣容積，當發動機在EMS20控制下以氣體燃料工作時，它是可變的。一般情況下，EMS20包括一微處理機，經信號線路70由發動機轉速輸入信號提供的發動機轉速，也可應答由發動機調速器或節流閥的位置測得的或決定的所需發動機要求或負荷，以便經信號線路72提供一輸入信號給EMS20。閥52中的蝶形片可變換以便借助于氣體速度頭改變供給渦輪增壓器32的排氣比例，氣體速度頭由例如裝有發動機10的車輛空氣制動回路分流的壓縮空氣提供動能。
現在敘述圖1所示發動機10的工作。排氣控制閥52的位置以這樣方式控制，按照由EMS20得到的預設定，排氣容積自發動機10直接排至消音器64，進而到排氣出口60，其中EMS20優化了輸給發動機的空氣增壓壓力。輸給渦輪增壓器32的排氣容積可自零變化到頗大容積的排氣流，取決于爆燃或發動機工況的不可控點燃潛能。空氣的壓縮程度、即增壓壓力最好保持在可能引起氣體燃料不可控燃燒的數值以下，當以柴油工作時，或當用氣體燃料，諸如天然氣或液化石油氣工作時，應在至少保持發動機效率和一般改善發動機效率的數值上。
現在參看圖3敘述本發明的第二實施例。
在圖3中所示的增壓壓力控制裝置包括空氣輸送裝置74，用于將空氣輸給以氣體燃料工作的內燃機76，以保證其中的氣體燃料的燃燒。在本實施例中，空氣輸送裝置74包括空氣輸送管路78和空氣冷卻裝置80，即用于冷卻輸給發動機之前的空氣的中冷器。增壓壓力由取渦輪增壓器形式的空氣壓縮裝置82提供，該渦輪增壓器以類似于圖1所示實施例的渦輪增壓器32的方式由發動機76的排氣驅動。空氣輸送裝置74還包括一岐管閥81，用以控制經進氣岐管84輸給發動機的空氣容積。
增壓壓力控制裝置還包括空氣控制裝置，后者包括用以控制自渦輪增壓器82輸給發動機的空氣增壓壓力。空氣控制裝置還包括一處理裝置(未示出)，它應答發動機的至少一個工作參數，以控制增壓壓力控制閥86的工作。在本實施例中，增壓壓力控制閥86安裝在渦輪增壓器82和中冷器80的下游，并適于將空氣在輸送到發動機進氣岐管84之前自空氣輸送管道78直接排出。排出的空氣自增壓壓力控制閥86經閥殼90側壁上的小孔88排至大氣。圖4是圖3裝置中所用的增壓壓力控制閥86的詳細放大圖。
增壓壓力控制閥86安裝在鋁管92部分，后者和空氣輸送管78(圖3)連成一直線。閥座94處于管92上具有的小孔96的上方。空氣經該小孔自空氣輸送管78由增壓壓力控制閥86排出。一閥板98由電動步進馬達102的軸100驅動。步進馬達102是一種變速電動馬大，它應答來自處理裝置(未示)的控制信號，以提到閥板98，從而開啟或關閉孔96到各種程度。一橡膠密封墊104安裝在閥板98和閥座94之間。一固定在閥座94上的銷子106用以防止閥板98因馬達帶動螺桿(軸100)而產生的轉動，因此，隨著馬達102轉動，軸100和閥板98軸向移動以開啟或關閉孔96。在軸100上的第二銷108限止軸100和閥板98向馬達方向的軸向移動。
取電位器110形式的反饋裝置安裝于電馬達102上，和軸100機械耦合。電位器110產生一個傳輸給處理裝置的反饋信號，后者指示增壓壓力控制閥的工作狀況。
在本實施例的增壓壓力控制閥中的步進馬達102被制成以兩組不同的轉速驅動低速用于當增壓壓力接近于設定值，而高速用于當實際的增壓壓力明顯不同于該設定值。當實際增壓壓力相同于或僅些微大于或小于設定值時，則馬達保持靜止。步進馬達102的這種差動控制形式減少了增壓壓力控制閥86的不穩定工作。增壓壓力控制閥86的操作如下增壓壓力控制閥86旨在控制由處理裝置確定的增壓壓力，該增壓壓力作為發動機的至少一個工作參數，為發動機轉速和負荷的函數，處理裝置一般裝于發動機電子控制系統內。一般說來，高負荷需要高增壓壓力，所以如果該壓力太低，控制閥會關閉。隨著增壓壓力建立起來，在增壓壓力控制閥開啟之前，允許稍微升高到所要求的壓力之上。如果由壓力傳感器(未示，但類同于圖1中的傳感器44)檢測到的增壓壓力太高，則從跟進氣岐管相連的空氣輸送管道排出空氣具有兩個效果(1)岐管中的空氣壓力開始下降(類似于某一負荷或部分短路);
(2)經發動機的渦輪增壓器82的渦輪機的主空氣流減少，因此減少動力輸出，并減慢了壓氣機轉速。輕壓氣機的主空氣流大于經渦輪機的主空氣流，因此吸收了額外的功率。其凈效果是獲得了發動機的新工作點，但處在比以前較低的增壓壓力上。
來自電位器110的反饋信號可用于發動機控制系統內的內部診斷，以檢查增壓壓力控制閥正在按指示移動，并于發動機特殊工況期內，例如在起轉速期間(節流閥位置為零，但發動機轉速高，即當車輛驅動發動機時)，完全關閉。
從圖3可以看出，發動機76的空氣控制系統包括兩個在一起工作的獨立系統，即岐管閥定位系統和上述的增壓壓力控制系統。渦輪增壓發動機通常需要這兩個子系統。第一個系統能以低岐管絕對壓力、即低于大氣壓力工作。岐管閥的實際位置是由發動機試驗和/或設計參數要求確定的。假如發動機負荷或功率輸出相當高，渦輪增壓器82將以增壓空氣，即增壓到大氣壓力以上的空氣供給發動機。為了得到所需的燃氣/空氣比和負荷，需要將增壓壓力控制在某一最佳值。
渦輪增壓器82是一種被動裝置，并對主排氣流和溫度應答一個正反饋，即流量率越大，增壓壓力越高。所需增壓壓力值或岐管閥位置是由發動機控制系統通過一檢查表計算得到的。檢查表是全負荷和全轉速百分比的基本函數。這種控制器的優點在于按要求在渦輪增壓器82上采用該控制器，即超越了渦輪增壓器82的自然性能或特性。這可以和有時稱作廢氣門閥的簡單安裝的增壓壓力控制系統形成對比，這種廢氣門閥是一個機械系統，其中增壓壓力的直接作用打開了位于渦輪增壓器上游的廢氣旁通閥，并將增壓壓力調制到某一最大固定值。在此情況下，負荷一轉速包絡線的一部分相對于某一組增壓壓力是截斷的。
參照在圖2(a)、(b)和(c)中繪制的作為發動機轉速的負荷/扭矩的函數的岐管絕對壓力的曲線圖，可清楚說明。利用本發明增壓壓力控制裝置和方法可獲得改善的發動機性能控制。
圖2(a)表示對于無增壓壓力控制器，例如渦輪增壓柴油機，附有岐管絕對壓力等壓線的扭矩曲線。在最大轉速時，渦輪增壓器提供最大增壓壓力(在圖2(a)中為2.0)。
圖2(b)表示對于裝有已知廢氣門固定壓力旁通閥的渦輪增壓發動機，隨發動機轉速和扭矩/負荷而變的岐管絕對壓力。一當岐管絕對壓力超過一預定值，廢氣門閥開啟，在發動機扭矩曲線上形成一恒壓區(在圖2(b)中表示為1.6)。
圖2(c)表示渦輪增壓發動機典型的增壓壓力控制(BPC)區，其中，增壓壓力按本發明作為負荷和轉速受控的。本發明的增壓壓壓控制器能使增壓壓力隨發動機轉速和負荷變化而連續改變以獲得發動機性能改善。
增壓壓力控制器還可隨發動機的其它工作參數的改變而起作用，例如岐管絕對壓力，氣體燃料的壓力和溫度，空氣溫度，發動機狀態和電池電壓。
既然詳細敘述了本發明的幾個增壓壓力控制裝置的實施例，凡熟悉本機械技術領域的人們他們自己可以提出許多修改和變更。例如，如果需要，可采用增壓器代替渦輪增壓器作為空氣壓縮裝置。在這種方案中，輸給增壓器的空氣量可隨發動機工作參數變化而改變，而且該增壓空氣在輸給發動機之前可跟自然吸入的空氣相混合，這樣，實際輸給發動機的空氣壓縮度可以改變。此外，雖然已詳細敘述一種最佳形式的增壓壓力控制閥，然而可設置任何適合的能使輸給發動機的增壓空氣比例改變的閥裝置。該閥裝置可包括一個由空氣葉片或其它致動件推動的封閉件，例如在其中可設置一空氣葉片，產生氣體壓頭的壓縮空氣可從裝有這種發動機的車輛的空氣制動系統中獲得。或者，該致動件可包括一液壓致動器，操作該致動器的流體由發動機的壓力潤滑油得到。所有這些改變和更改均被認為落在本發明的范圍內，其特征由以上敘述和所附權利要求書所確定。
權利要求
1.一種用以控制輸給以氣體燃料工作的內燃機的空氣的增壓壓力的增壓壓力控制裝置，其裝置包括將空氣輸給發動機以保證氣體燃料燃燒的空氣輸送裝置；把通過所述空氣輸送裝置輸給發動機的空氣增壓到高于環境壓力的空氣壓縮裝置；根據發動機的至少一個工作參數控制自所述空氣壓縮裝置輸給發動機的空氣的增壓壓力的空氣控制裝置，在使用中，該增壓壓力根據所述至少一個工作參數的變化可連續改變以獲得發動機性能改善。
2.一種按權利要求1所述的增壓壓力控制裝置，其特征在于所述空氣控制裝置包括一增壓壓力控制閥，它在應答所述至少一個工作參數的處理裝置控制下工作。
3.一種按權利要求2所述的增壓壓力控制裝置，其特征在于所述增壓壓力控制閥安裝在空氣壓縮裝置的下游，并適于從輸給發動機進氣歧管的空氣輸送管排出。
4.一種按權利要求3所述的增壓壓力控制裝置，其特征在于所述增壓壓力控制閥由應答來自所述處理裝置的控制信號的變速電馬達操作的。
5.一種按權利要求4所述的增壓壓力控制裝置，其特征在于所述增壓壓力控制閥還包括用以產生傳給所述處理裝置的反饋信號的反饋裝置，所述反饋信號提供關于增壓壓力控制閥工作狀態的指示。
6.一種用以控制輸給以氣體燃料工作的內燃機的空氣的增壓壓力的方法，其方法包括將空氣輸給發動機以保證氣體燃料的燃燒;將輸給發動機的空氣增壓到高于環境壓力;根據發動機的至少一個工作參數，調節輸給發動機的空氣的增壓壓力，在使用中，該增壓壓力根據所述至少一個工作參數的變化能連續地改變，以獲得發動機性能的改善。
7.一種按權利要求6所述的控制增壓壓力的方法，其特征在于所述調節增壓壓力的步驟包括檢測輸給發動機的空氣的實際壓力;根據所述至少一個工作參數計算輸給發動機的空氣的所需壓力，將該實際壓力跟輸給發動機的空氣的所需壓力進行比較;按要求操作增壓壓力控制閥，以降低或增高輸給發動機的空氣的增壓壓力。
8.一種按權利要求7所述的控制增壓壓力的方法，其特征在于所述操作增壓壓力控制閥的步驟包括當實際壓力高于或低于所需壓力某個第一規定值時，以第一速度操作該閥;當實際壓力高于或低于所需壓力某個大于第一規定值的第二規定值時，以高于第一速度的第二速度操作該閥。
9.一種按權利要求8所述的控制增壓壓力的方法，其特征在于還包括產生一個指示增壓壓力控制閥工作狀況的反饋信號。
10.一種按權利要求6至9之一所述的控制增壓壓力的方法，其特征在于所述至少一個工作參數包括發動機轉速和負荷。
全文摘要
控制輸給氣體燃體內燃機的空氣增壓壓力的裝置和方法。發動機控制系統EMS控制電火花點火系統及燃氣輸送系統。增壓壓力受控制輸給渦輪增壓器排氣容積的排氣控制閥控制。空氣壓縮度取決分流給渦輪增壓器的排氣容積，當發動機在EMS控制下以氣體燃料工作時，該容積是可改的。壓力和溫度傳感器傳感實際增壓壓力并對EMS提供一反饋信號，EMS然后比較實際壓力和根據諸如發動機轉速和負荷的至少一工作參數確定的所需增壓壓力，并相應調節控制閥狀態。
文檔編號F02B37/16GK1071734SQ92112270
公開日1993年5月5日 申請日期1992年10月22日 優先權日1991年10月23日
發明者B·R·紐曼 申請人:特蘭斯康氣體技術有限公司