CN102418594A - 涡前喷水废气能量回收系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种涡前喷水废气能量回收系统，包括：涡轮、涡轮废气进气管和涡轮废气排气管，发动机气缸排出的废气经所述涡轮废气进气管进入涡轮机驱动所述涡轮旋转，然后经所述涡轮废气排气管排出；压气机，包括叶轮、压气机进气管和压气机排气管，所述压气机叶轮与所述涡轮同轴刚性连接，并与之同步旋转，将经所述压气机进气管进入的空气增压后经所述压气机排气管提供给发动机气缸；喷射装置，用于将液体喷入所述发动机废气的气流中，用于增大所述涡轮机内所述发动机废气的气压；以及喷射控制装置，用于根据所述发动机工况调整所述喷射装置的喷射策略，所述喷射策略包括：所述液体的喷射时刻、喷射压力、喷射持续时间中的任一种或其组合。相应地，本发明还提供了一种用于增加发动机动力输出的方法。本发明提供的技术方案可以进一步提升涡轮增压器的工作效率，从而在发动机工作效率不变的情况下进一步提高其动力输出。

Description

涡前喷水废气能量回收系统和控制方法

技术领域

本发明涉及内燃机领域，尤其涉及一种增加发动机的涡前喷水废气能量回收系统及其控制方法。

背景技术

发动机是靠燃料在气缸内燃烧做功来产生功率的，由于输入的燃料量受到吸入气缸内空气量的限制，因此发动机所产生的功率也会受到限制，如果发动机的运行性能已处于最佳状态，再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入气缸来增加燃料量，从而提高燃烧做功能力。因此在目前的技术条件下，涡轮增压器是目前最有效的增加输出功率的机械装置。

涡轮增压装置其实就是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加发动机的进气量。一般来说，涡轮增压都是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮机内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，即可增加发动机的输出功率。

综上所述，废气涡轮增压系统的涡轮是靠发动机废气带动涡轮做功以压缩更多的空气，在发动机废气可用能有限的情况下，涡轮输出的功率也有限，目前技术人员着力于研究进一步提升涡轮的功率输出，以使发动机获得更大的功率。由于涡轮后排出的废气仍然具有很高的温度，如何充分利用这部分热能以进一步提高发动机的做功效率、提高发动机的功能高输出，是目前内燃机界的研究热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡前喷水废气能量回收系统和控制方法。在涡轮前喷液体，利用废气的热能使所喷入的液体发生相变-汽化，借以提高废气的流量和压力，提高输入涡轮的可用能。在涡轮效率不变的情况下，增大涡轮的功率输出，以进一步加大压气机的做功能力、提高进气压力，进而提高发动机工作效率、增大发动机功率输出。

为达到上述目的，一方面，本发明提供了一种利用涡前喷水增加废气能量回收的系统，其包括：

涡轮机，包括涡轮、涡轮废气进气管和涡轮废气排气管，发动机气缸排出的废气经所述涡轮废气进气管进入涡轮机驱动所述涡轮旋转，然后经所述涡轮废气排气管排出；

压气机，包括叶轮、压气机进气管和压气机排气管，所述叶轮与所述涡轮同轴刚性连接，并与之同步旋转，将经所述压气机进气管进入的空气增压后经所述压气机排气管提供给发动机气缸；

喷射装置，用于将液体喷入所述发动机废气的气流中，用于增大所述涡轮机内所述发动机废气的可用能；以及

喷射控制装置，用于根据所述发动机的工况调整所述喷射装置的喷射策略，所述喷射策略包括：所述液体的喷射时刻、喷射压力、喷射持续时间中的任一种或其组合。

另一方面，本发明提供了利用涡前喷水增加废气能量回收以提高发动机效率、增加发动机动力输出的方法，其中：

将发动机气缸排出的废气经涡轮废气进气管输入涡轮机驱动涡轮及其同轴的叶轮旋转，然后经涡轮废气排气管排出；

利用叶轮旋转将经压气机进气管进入的空气增压后，经所述压气机排气管提供给发动机气缸；

将液体喷入所述发动机废气的气流中，用于增大所述涡轮机内所述发动机废气的气压；以及

根据所述发动机的工况调整所述液体的喷射策略，所述喷射策略包括：所述液体的喷射时刻、喷射压力、喷射持续时间中的任一种或其组合。

本发明提供的利用涡前喷水增加废气能量回收系统和方法通过向涡轮增压器中的发动机废气中喷入液体，该液体与高温高压的发动机废气混合后汽化蒸发，由于涡轮增压器的内部容积不变，所述发动机废气的质量流增大使得该发动机废气的气体压强变大，并具有膨胀做功的趋势，有利于增大涡轮机涡轮的功率输出。涡轮带动增压器叶轮以更高速度旋转，从而可以提高增压器的压比，以提供更多的压缩空气到发动机的气缸内，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，从而提升发动机的效率、增加发动机的动力输出。

在一个优选地实施例中，该液体可以为水。对于包含氢为燃料的混合燃料发动机，由于其燃料燃烧的主要产物为水，因此通过喷水增加废气能量回收不会降低原增压系统的性能和可靠性，使得整个系统具有更好的操作方便性和适用性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是用于说明根据本发明的涡前喷水废气能量回收系统所对应的涡轮增压器的结构示意图；

图2是利用本发明的涡前喷水废气能量回收系统增加发动机动力输出的方法的示意流程图；

图3是根据本发明的涡前喷水废气能量回收系统增加发动机动力输出的系统的一个具体实施方式的结构示意图；

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施例作详细描述。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

首先请参考图1，图1是用于说明利用本发明的涡前喷水废气能量回收系统增加涡轮增压器动力输出的方法所针对的涡轮增压器的结构示意图，其中图1示出的实施例中所述涡轮增压器包括涡轮机10和压气机20。压气机叶轮21可转动地置于压气机20内部并与涡轮轴30的一端连接，该涡轮轴30设置为可转动的结构，其另一端与涡轮4连接。通常来自发动机的废气(为了简便起见图中未示出)通过涡轮机进气口11进入涡轮机10内，在发动机废气的驱动下使涡轮12旋转，在涡轮12中完成膨胀做功之后，发动机废气通过涡轮机排气口13从涡轮机10内部排出。因为涡轮12通过涡轮轴30与压气机叶轮21连接，并且两者同轴同步旋转，因此涡轮12驱动压气机叶轮21旋转，空气通过进气口22被叶轮21吸入压气机20内并进行压缩，最后通过压气机排气口23输送到发动机的气缸内。

图2是利用本发明的涡前喷水废气能量回收系统增加发动机动力输出的方法的示意流程图。如图所示，在步骤S101中，将发动机气缸排出的废气经涡轮废气进气管输入涡轮机驱动涡轮及其同轴的叶轮旋转，然后经涡轮废气排气管排出。具体地，结合图1，涡轮机进气口11与发动机排气歧管相连，发动机气缸排出的废气从发动机排气歧管排出，随之经涡轮机进气口11进入涡轮机10内。该发动机废气为燃烧室中燃料燃烧后产生的高温高压气体，其驱动涡轮12及其同轴相连的压气机叶轮旋转，该气体做功后从涡轮机的涡轮废气排气管排出，该涡轮废气排气管例如是整车的排气管。

在步骤S102中，利用叶轮旋转将经压气机进气管进入的空气增压后，经所述压气机排气管提供给发动机气缸。具体地，仍然结合图1，由于叶轮21在涡轮12的带动下高速旋转，产生强力吸气效果，而压气机进气管与空气滤清器管道相连，清洁空气经压气机进气管的进气口22进入压气机20，并在压气机20内被压缩，最后经压气机排气管及其相连的发动机进气歧管进入发动机气缸内与燃料混合燃烧做功。

在步骤S103中，将液体喷入所述发动机废气的气流中，用于增大所述涡轮机内所述发动机废气的流量和气压。

具体地，在该涡轮增压器正常工作时，发动机废气驱动涡轮12转动做功，此时向发动机废气气流中输入适量液体，以提高所述发动机废气的质量流和压力，使得发动机废气在涡轮机10的涡轮机结构不变的条件下，增加功率输出。

选择的所述液体应该满足以下几种特性：首先，该液体通常对涡轮机10中与其接触的部件(例如涡轮12等)无腐蚀作用，因为涡轮机10的使用寿命不应因为添加该液体而明显变短；其次，该液体可被发动机废气的高温迅速汽化；再次，该液体易于储存在车载容器内且价格低廉，技术人员不用专门为其设计特殊的储罐，也便于应用于更多的涡轮增压系统中。

基于上述考虑，优选地所述液体选用水，清洁的水在以上各方面均满足上述液体的要求。理想状态下，将水输入涡轮机10内，水即可受发动机废气的高温而汽化形成水蒸气，并迅速地增大发动机废气的流量和压力。发动机废气的温度通常达到500摄氏度以上，远远高于水的沸点，因此能使输入的水迅速汽化。除此以外，酒精或者机动车辆上常用的防冻液，或者掺杂了酒精或防冻液的水也可以用于喷射至涡轮增压器的废气中以通过汽化增大输入涡轮机的可用能。

涡轮机10正常工作时，其内部的气体压强是较大的，因此要使水成功输入至发动机废气的气流中，可以使用一加压泵对水进行增压处理后喷射入发动机废气的气流中。

进一步地，为了使水与发动机废气充分接触易于汽化，可以考虑在增压处理后使用雾化喷嘴将水处理为雾化状，以雾化状进入发动机废气气流的水非常容易受热汽化。典型地，所述雾化喷嘴在1bar至5bar的压强下能正常工作(这也是涡轮机10内部通常具有的压强)。所述雾化喷嘴可以在所述发动机废气的气流推动涡轮12做功前的任一位置内将水输入至该发动机废气的气流中，因此所述雾化喷嘴的雾化喷嘴既可以安装在涡轮机10的涡轮室内，也可以安装在所述涡轮机的进气管内(例如进气口11上下游的位置)，优选地，至少有一个所述雾化喷嘴安装在上述两者中的一处。

所述雾化喷嘴向所述发动机废气的气流中喷水后，发动机废气的流量和气压增大，因此涡轮12的转动加快，同样带动压气机叶轮21加快转动，因此压气机20的压比提升。

在步骤S104中，根据所述发动机的工况调整所述液体的喷射策略。所述喷射策略包括：所述液体的喷射时刻、喷射压力、喷射持续时间中的任一种或其组合。

具体地，由于发动机的废气流量和温度并非恒定，因此希望雾化喷嘴的喷水策略是可控的。可以考虑根据所述发动机的工况动态调整所述雾化喷嘴的喷水策略，通常该喷水策略包括水的喷射时刻、喷射压力、喷射持续时间或其组合。例如，在发动机从高功率转向低功率运转时，发动机的废气流量和温度变小，因此相应地将进入废气中的水量调整降低。例如，这可以通过直接减少液体喷射脉宽来实现，或者可以通过控制液体喷射压力来实现，例如在PWM喷射模式下喷射脉宽从5ms改为3ms，或者可以通过降低液体喷射压力来实现，例如喷射压力从5bar降低3bar等等。当然，也可以是上述各项策略的优化组合。

在一些实施例中，所述涡轮增压器与传统的汽油机结合应用，上述水应该储存在以一车载的水箱(或类似功能的储液罐)内，以便于涡轮增压器取用。在另一些实施例中，所述涡轮增压器与混合燃料内燃机结合使用。例如，混合燃料内燃机利用了氢作为燃料，这样的内燃机的排放产物中有水，可以对其回收供涡轮增压器取用。

另一方面，本发明提供了一种涡前喷水废气能量回收系统，请参考图3，图3是根据本发明的涡前喷水废气能量回收系统增加发动机动力输出的一个具体实施方式的结构示意图。具体地，如图3所示，在本具体实施方式中，输入涡轮机的发动机废气来自于一常见的车载四缸发动机40，并且所述涡轮机配合所述涡前喷水废气能量回收系统使用。

图3中示出的多个箭头(例如箭头24)代表了气体流动的方向。当发动机40开始正常运行后，发动机40的四个气缸排出废气。该发动机废气通过涡轮进气管11输入至所述涡轮增压器内，然后做功推动涡轮12转动，最后通过涡轮排气管13排出。

涡轮12的转动通过涡轮轴30带动同轴的压气机叶轮21同步转动，使得压气机内可吸入更多的空气并使其具有更高的压力，增压后的空气通过排气管压气机23输入至发动机40的四个气缸内，相应地所述气缸内空气的密度提高，可以使发动机40具有更高的效率、输出更大的功率。典型地，压气机叶轮21吸入的空气是经过过滤装置25过滤了粉尘等固体物的较为洁净的空气。

为了进一步增加所述发动机动力输出，本发明提供的系统还包括喷射装置，其例如包括加压泵53、雾化喷嘴52和储液罐54。

储液罐54内的液体输入至加压泵53中进行增压处理；加压后的所述液体通过所述雾化喷嘴将液体输入所述发动机废气的气流中，用于增大所述涡轮机内所述发动机废气的气压；所述发动机废气的气压增大后涡轮12的动力输出增强。

如上所述，选择的所述液体应该满足以下几种特性，首先，该液体通常对涡轮机中与其接触的部件(例如涡轮12等)无腐蚀作用，因为涡轮机的使用寿命不应因为添加该液体而明显变短；其次，该液体可因被发动机废气的高温迅速汽化，这样对提升发动机废气的流量和能量品质效果更明显；再次，该液体易于储存在车载容器内且价格低廉，技术人员不用专门为其设计特殊的储罐，也便于应用于更多的涡轮增压系统中。基于上述考虑，优选地所述液体选用水，清洁的水满足上述液体的要求。

在一个实施例中，所述喷射装置包括至少一个雾化喷嘴，用于对将要喷射的水进行雾化处理，使水呈雾化状喷射进入所述发动机废气的气流中。由于喷射水的时机应处于所述发动机废气推动涡轮12做功之前，因此所述雾化喷嘴的雾化喷嘴的安装位置应选择在所述涡轮机涡轮进气管11中，例如，图3中示出的设置朝向涡轮进气管11内开放的雾化喷嘴52，用于向涡轮进气管11内喷水。所述发动机废气具有较高的温度，从雾化喷嘴52喷出的雾化状水滴进入该发动机废气的气流后，会因为发动机废气自身的高温迅速汽化变为水蒸气。典型地，所述雾化喷嘴在1bar至5bar的压强下能正常工作(这需要加压泵53提供足够的增压使得水能通过雾化喷嘴52喷出)，更典型地，3bar至5bar(这也是所述涡轮进气管11内部通常具有的压强)。在其它实施例中，也可以设置更多的雾化喷嘴，例如在涡轮进气管11上安装更多朝向涡轮进气管11内开放的雾化喷嘴。

进一步地，由于发动机的废气流量和温度并非恒定，因此希望雾化喷嘴的喷水策略是可控的，因此本系统还包括一喷射装置控制器55，用于根据所述发动机的工况调整所述喷射装置(特别是本实施例中的所述雾化喷嘴)喷水的喷水策略。通常该喷水策略包括水的喷射时刻、喷射压力、喷射持续时间或其组合。例如，在发动机从高功率转向低功率运转时，发动机的废气流量和温度降低，因此相应地减少水的喷射量。而当发动机从低功率转向高功率运转时，发动机的废气流量和温度变大，因此相应地将增加水的喷射量。

喷射装置控制器55可以作用于加压泵53，通过调整加压泵53的压力来调整所述喷水策略；也可以作用于雾化喷嘴52，通过控制雾化喷嘴52的开关状态来调整所述喷水策略。

通常，所述发动机的废气流量和温度可以通过发动机的负荷、转速等参数来反映。例如，喷射装置控制器55可以接收有关发动机的油门开度和转速等传感器信号，然后根据将信号所表征的发动机负荷和转速等参数代入流体力学分析模型进行计算，确定在不同发动机工况下所需的喷液量。

在一些实施例中，发动机40是混合燃料发动机，因此其产生的发动机废气中具有水。针对这种情况，本系统还包括一水提取装置56，用于从发动机的燃烧产物中获得水，并输入至储液罐54中储存。典型的，水提取装置56可能包括一冷凝器，用于将高温发动机废气中的水分离出来后回收到储液罐54中。

本发明提供的涡前喷水废气能量回收系统系统和方法通过向涡轮增压器中的发动机废气中输入液体，由于涡轮增压器的内部容积不变，所述发动机废气的质量流增大使得该发动机废气的气体压强变大，提高了废气的可用能，有利于提升涡轮增压器向发动机气缸供应的空气压力或压缩空气量，从而提高发动机的工作效率、增大发动机的动力输出。

以上所揭露的仅为本发明的一些较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种涡前喷水废气能量回收系统，其特征在于，该系统包括：

涡轮机，包括涡轮、涡轮废气进气管和涡轮废气排气管，发动机气缸排出的发动机废气经所述涡轮废气进气管进入涡轮机驱动所述涡轮旋转，然后经所述涡轮废气排气管排出；

压气机，包括叶轮、压气机进气管和压气机排气管，所述叶轮与所述涡轮同轴刚性连接，并与之同步旋转，将经所述压气机进气管进入的空气增压后经所述压气机排气管提供给发动机气缸；

喷射装置，用于将液体喷入所述发动机废气的气流中，以增大所述涡轮机内所述发动机废气的气压；以及

喷射控制装置，用于根据所述发动机的工况调整所述喷射装置的喷射策略，所述喷射策略包括：所述液体的喷射时刻、喷射压力、喷射持续时间中的任一种或其组合。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述喷射装置包括：

储液罐、加压泵和雾化喷嘴，其中所述储液罐用于存储液体，并将液体输出到所述加压泵；所述加压泵对所述液体进行增压处理，并将增压后的液体提供给所述雾化喷嘴，所述雾化喷嘴安装在所述涡轮废气进气管，用于对所述液体进行雾化处理，使所述液体呈雾化状喷射进入所述发动机废气的气流中。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述喷射控制装置当所述发动机在小负荷运行时，控制所述喷射装置的所述喷射时刻、喷射压力或喷射持续时间以减少进入所述发动机废气的气流中的液体量；当所述发动机在大负荷运行时，控制所述喷射装置的所述喷射时刻、喷射压力或喷射持续时间以增加进入所述发动机废气的气流中的液体量。

4.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述液体是水、酒精、防冻液或其任意组合。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，该系统还包括：

水提取装置，用于从发动机的燃烧产物中获得水，并输入至所述储液罐中储存。

6.一种用于增加发动机动力输出的方法，其中：

将发动机气缸排出的废气经涡轮废气进气管输入涡轮机驱动涡轮及其同轴的叶轮旋转，然后经涡轮废气排气管排出；

利用叶轮旋转将经压气机进气管进入的空气增压后，经所述压气机排气管提供给发动机气缸；

将液体喷入所述发动机废气的气流中，利用废气中的高温热能汽化所喷入的液体，提高废气压力和流量，提高输入涡轮机的可用能；以及

根据所述发动机的工况调整所述液体的喷射策略，所述喷射策略包括：所述液体的喷射时刻、喷射压力、喷射持续时间中的任一种或其组合。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

提供液体，并将液体输出至加压泵；

在所述加压泵中对所述液体进行加压；以及

对经加压后的所述液体经雾化喷嘴喷射进入所述发动机废气的气流中。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

当所述发动机处于小负荷时，控制所述液体的所述喷射时刻、喷射压力或喷射持续时间以减少进入所述发动机废气的气流中的液体量；当所述发动机处于大负荷时，控制所述液体的所述喷射时刻、喷射压力或喷射持续时间以增加进入所述发动机废气的气流中的液体量。

9.根据权利要求6至8任一项所述的方法，其特征在于，所述液体是水、酒精、防冻液或其任意组合。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

从发动机的燃烧产物中获得水，并输入至所述储液罐中储存。

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