CN103306805B - 一种可调复合增压进气系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种可调复合增压进气系统，其中，所述系统包括两级增压器，分别是可调增压器和涡轮增压器，所述可调增压器包括一级压气机、进气旁通阀、增速机构、驱动装置和电子控制系统；所述一级压气机与所述进气旁通阀并联，所述一级压气机与所述增速机构连接，所述增速机构与所述驱动装置连接，所述驱动装置与所述电子控制系统连接。可调增压器的转速能够随海拔和发动机转速的变化做出相应的调整，实现两级增压器压比的合理分配，保证工作效率。因此，本申请能够解决变海拔车辆功率恢复问题。

Description

一种可调复合增压进气系统

技术领域

本申请涉及复合增压技术领域，特别是涉及一种可调复合增压进气系统。

背景技术

随着海拔上升，大气压力下降，空气密度和含氧量降低，高原环境下的空气密度明显低于平原状态。海拔每升高1000m，则大气压力下降约9％，平均空气温度下降6.5℃。对于工作在高原地区的大功率柴油机，会造成发动机的动力性、经济性、可靠性下降等问题。因而，开展高原条件内燃机功率恢复研究，对提高车辆的高原环境的适应性非常有必要。

由于增压技术在对原机所做改动最少的基础上能够成倍提高进气密度，从而较大幅度提升发动机的有效功率，彻底扭转了高原进气压力偏低所带来的不利影响，所以成为车辆高原动力提升的首选技术方案。

利用增压技术，高原条件内燃机功率恢复研究的一种解决方法是对原有发动机的废气涡轮增压系统进行改进，将机械增压与废气涡轮增压相结合，组成机械-涡轮复合增压系统。该系统主要由两级压气机和一级涡轮组成，第一级为机械增压器，包含一级压气机，第二级为涡轮增压系统，包含二级压气机和一级涡轮。

上述现有方案的缺点是机械涡轮复合增压系统中机械增压器与发动机曲轴以固定的传动比相连，因为发动机的耗气量与发动机转速近似线性单调，同时压气机流量与压气机转速成正相关，所以机械增压器本身具有一定的工况适应性。但是随着外界环境的变化，发动机耗气特性线的斜率和压气机流量特性均发生变化，机械增压系统难以在各种环境都能与发动机实现良好的匹配。

发明内容

本申请提供一种可调复合增压进气系统，以解决变海拔功率恢复问题。

为了解决上述问题，本申请公开了可调复合增压进气系统，包括：

第一级为可调增压器，所述可调增压器包括一级压气机、进气旁通阀、增速机构、驱动装置和电子控制系统；所述一级压气机与所述进气旁通阀并联，所述一级压气机与所述增速机构连接，所述增速机构与所述驱动装置连接，所述驱动装置与所述电子控制系统连接；

第二级为涡轮增压器，所述涡轮增压器包括二级压气机、涡轮和废气旁通阀，所述废气旁通阀与所述涡轮并联，所述涡轮与所述二级压气机连接，所述涡轮为所述二级压气机提供动力源；

所述可调增压器中的一级压气机与所述涡轮增压器中的二级压气机连接，所述二级压气机与车辆的中冷器连接，所述车辆的中冷器与车辆的发动机连接，所述涡轮增压器中的涡轮与车辆的发动机排气管连接。

优选的，所述可调增压器，还包括：

连接轴和法兰盘；

所述驱动装置通过所述连接轴与所述增速机构的一端连接，所述增速机构的另一端与所述法兰盘的内端连接，所述法兰盘的外端与所述一级压气机连接，所述法兰盘外端尺寸与所述一级压气机安装尺寸一致。

优选的，车辆启动后，所述电子控制系统根据发动机的工况和外界环境条件变化控制所述驱动装置为所述增速机构提供动力源，所述增速机构驱动所述一级压气机工作。

优选的：

当发动机工作在低速工况时，所述进气旁通阀关闭，两级增压器串联工作；

当发动机工作在中等转速工况时，所述进气旁通阀部分打开，两级增压器串联工作；

当发动机工作在高速工况时，所述进气旁通阀全部打开，所述可调增压器停止工作，所述涡轮增压器单独工作；

若发动机的转速继续升高，所述废气旁通阀开启。

优选的，所述可调复合增压进气系统，还包括：

高效旋流管式空气滤清器和高压细滤器；

所述高效旋流管式空气滤清器与所述一级压气机连接，空气先进入所述高效旋流管式空气滤清器滤除杂质后再进入所述一级压气机，或者通过进气旁通阀直接进入所述二级压气机；

所述高压细滤器安装在发动机和中冷器之间，空气进入所述第二级压气机后，经过中冷器和所述高压细滤器进入发动机工作。

优选的，所述高效旋流管式空气滤清器包括串联安装的第一级旋流管式空气滤清器与第二级旋流管式空气滤清器；其中，所述第一级旋流管式空气滤清器与第二级旋流管式空气滤清器结构相同，均由许多单根旋流筒组成。

优选的，所述可调增压器与所述高效旋流管式空气滤清器构成集成装置，所述集成装置的集气壳安装在所述第二级旋流管式滤清器的出口端，从所述第二级旋流管式滤清器出来的空气经过集气壳汇集到一起，进入第一级压气机或者通过进气旁通阀直接进入第二级涡轮增压器；

其中，所述集气壳的外形结构与所述可调增压器集成设计。

优选的，所述驱动装置包括液压马达和液压泵，所述液压马达的一端与所述液压泵连接，所述液压马达的另一端与所述增速结构连接，所述液压泵与所述电子控制系统连接，并且所述液压泵通过液压泵驱动轴与发动机连接，由所述发动机为所述液压泵提供动力源。

或者，所述驱动装置为电机。

与现有技术相比，本申请包括以下优点：

首先，本申请提供了一套适用于高原车辆的可调转速复合增压进气系统。所述系统包括两级增压器，分别是可调增压器和涡轮增压器，所述可调增压器与发动机曲轴并不是按照现有技术一样以固定的传动比相连，相互之间没有直接的联系，因此可调增压器的转速能够随海拔和发动机的工况做出相应的调整，实现两级增压器压比的合理分配，保证工作效率，改善了发动机的低速扭矩特性和加速响应特性，及保障高原环境下的动力系统功率恢复。

其次，所述系统对原机改动较小，只需将可调增压器连接在涡轮增压器前即可。

再次，本申请中采用电子控制系统增强了复合增压的控制性，使该方案具有了环境自适应能力。

再次，本申请中采用高效旋流管式空气滤清器和高压细滤器两级滤清方案，解决了高原空气含尘量大的问题；并且由于采用高效旋流管式空气滤清器作为粗滤器，不需要更换滤清器滤芯，可有效提高滤清器的使用寿命。

而且，本申请中采用高效旋流管式空气滤清器和可调增压器集成设计，大大减少了进气系统体积，提高车辆动力舱空间利用率。

附图说明

图1是本申请实施例所述一种可调转速复合增压系统的结构图；

图2是本申请实施例所述一种可调增压器与旋流管式空气滤清器的集成结构图；

图3-A是本申请实施例所述一种增速机构传动结构图；

图3-B是本申请实施例所述一种增速机构传动示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

参照图1，示出了本申请实施例所述一种可调转速复合增压系统的结构图，具体可以包括：

两级增压器，其中，

第一级为可调增压器，所述可调增压器包括一级压气机8、进气旁通阀2、增速机构6、驱动装置和电子控制系统15；所述一级压气机8与所述进气旁通阀2并联，所述一级压气机8与所述增速机构6连接，所述增速机构6与所述驱动装置连接，所述驱动装置与所述电子控制系统15连接；

第二级为涡轮增压器，所述涡轮增压器包括二级压气机9、涡轮17和废气旁通阀16，所述废气旁通阀16与所述涡轮17并联，所述涡轮17与所述二级压气机9连接，所述涡轮17为所述二级压气机9提供动力源；

所述可调增压器中的一级压气机8与所述涡轮增压器中的二级压气机9连接，所述二级压气机9与车辆的中冷器10连接，所述车辆的中冷器10与车辆的发动机19连接，所述涡轮增压器中的涡轮17与车辆的发动机19连接。

所述驱动装置可以包括液压马达4和液压泵14，所述液压马达4的一端与所述液压泵14连接，所述液压马达4的另一端与所述增速结构6连接，所述液压泵4与所述电子控制系统15连接，并且所述液压泵14通过液压泵驱动轴13与发动机19连接，由所述发动机19为所述液压泵14提供动力源。

在本申请的另一实施例中，所述驱动装置也可以用电机来等效替换。

下面以液压马达4的工作过程为例：

所述发动机19的转速变化通过液压泵驱动轴13传送到所述液压泵14，电子控制系统15通过所述液压泵14密封容积的流量变化控制所述液压马达4的转速，所述液压马达4将液体的压力能转换成机械能驱动所述增速机构6工作，所述增速机构6驱动所述一级压气机8工作。

当车辆启动后，所述电子控制系统15根据发动机12的工况和外界环境条件变化控制所述驱动装置为所述增速机构6提供动力源，所述增速机构6驱动所述一级压气机8工作。

电子控制系统15包括电子控制单元、传感器。电子控制单元的作用是接收各传感器送来的发动机工况信息和外界环境条件变化情况，并根据电子控制单元预先编制的控制程序和存储数据，通过计算、处理、判断，确定适应发动机的工况等参数，并将这些数据转变为电信号。

当电子控制系统15检测到外界环境条件的变化，电子控制系统15驱动所述液压泵14工作，所述液压泵14通过流量变化的大小控制所述液压马达4的转速，所述液压马达4驱动所述增速机构6工作，所述增速机构6驱动一级压气机8工作。

基于以上内容，在发动机19工作在不同工况下时，所述可调转速复合增压系统的工作过程如下：

当发动机19工作在低速工况时，所述进气旁通阀2关闭，两级增压器串联工作，此时涡轮17转速较低，但是二级压气机9输出端仍然保持较高的输出压力，消除了普通涡轮增压器在低转速时的“迟滞”现象，保证车辆中的发动机19在低转速时获得较大的转矩。

当发动机19工作在中等转速工况时，所述进气旁通阀2部分打开，两级增压器串联工作，因废气能量增加，废气驱动涡轮17工作，涡轮17驱动二级压气机9工作，使涡轮增压器的增压能力增强，为避免负荷过大，此时进气旁通阀2部分开启，调低第一级可调增压器的增压比，降低了进入涡轮增压器中的二级压气机9的进气压力，通过调节进气旁通阀2的开度，可以维持两级增压器增压后的正常压力，同时也降低了第一级可调增压器的热负荷。

当发动机19工作在高速工况时，所述进气旁通阀2全部打开，所述可调增压器停止工作，所述涡轮增压器单独工作，废气能量继续增大，涡轮增压器的增压比也增大，若达到满足系统需要的增压压力时，不需要可调增压器参与增压，此时进气旁通阀2全部打开，并通过调节液压泵14的流量驱动可调增压器中的液压马达4停止工作，此时涡轮增压器单独工作。

若发动机19的转速继续升高，所述废气旁通阀16开启。为避免系统增压压力过高损坏涡轮增压器，开启废气旁通阀16，降低涡轮17转速，使系统保持正常的增压压力。

优选的，所述系统还可以包括高效旋流管式空气滤清器1和高压细滤器18。所述高效旋流管式空气滤清器1与所述一级压气机8连接，空气先进入所述高效旋流管式空气滤清器1滤除杂质后再进入所述一级压气机8，或者通过进气旁通阀2直接进入所述二级压气机9；

所述高压细滤器18安装在发动机19和中冷器10之间，空气进入所述第二级压气机9后，经过中冷器10和所述高压细滤器18进入发动机19工作。

综上所述，本申请实施例所述的可调转速复合增压系统主要包括以下优点：

首先，所述系统包括两级增压器，分别是可调增压器和涡轮增压器，所述可调增压器与发动机曲轴并不是按照现有技术一样以固定的传动比相连，相互之间没有直接的联系，因此可调增压器的转速能够随海拔和发动机的工况做出相应的调整，实现两级增压器压比的合理分配，保证工作效率，改善了发动机的低速扭矩特性和加速响应特性，及保障高原环境下的动力系统功率恢复。

其次，本申请中采用电子控制系统增强了复合增压的控制性，使该方案具有了环境自适应能力。

再次，所述系统对原机改动较小，只需将可调增压器连接在涡轮增压器前即可。

再次，本申请中采用高效旋流管式空气滤清器和高压细滤器两级滤清方案，解决了高原空气含尘量大的问题；并且由于采用高效旋流管式空气滤清器作为粗滤器，不需要更换滤清器滤芯，可有效提高滤清器的使用寿命。

在本申请的另一优选实施例中，还可以将高效旋流管式空气滤清器与可调增压器集成设计，减少了进气系统体积。

参照图2，示出了本申请实施例所述一种可调增压器与高效旋流管式空气滤清器集成装置，具体可以包括：

可调增压器、集气壳和高效旋流管式空气滤清器；

高效旋流管式空气滤清器1包括第一级旋流管式空气滤清器11与第二级旋流管式空气滤清器12；可调增压器包括液压马达4、连接轴5、增速机构6、法兰盘7和一级压气机8，所述液压马达4通过所述连接轴5与所述增速机构6的一端连接，所述增速机构6的另一端与所述法兰盘7的内端连接，所述法兰盘7的外端与所述一级压气机8连接，所述法兰盘7外端尺寸与所述一级压气机8安装尺寸一致。

所述高效旋流管式空气滤清器1包括串联安装的第一级旋流管式空气滤清器11与第二级旋流管式空气滤清器12；其中，所述第一级旋流管式空气滤清器11与第二级旋流管式空气滤清器12结构相同，均由许多单根旋流筒组成，利用离心力过滤空气中的杂质，所述第一级旋流管式空气滤清器11与第二级旋流管式空气滤清器12串联安装组成双级旋流管滤清装置，提高高效旋流管式空气滤清装置的滤清效率，为发动机19提供洁净的空气。所述可调增压器与所述高效旋流管式空气滤清器1构成集成装置，所述集成装置的集气壳3安装在所述第二级旋流管式滤清器12的出口端，从所述第二级旋流管式滤清器12出来的空气经过集气壳3汇集到一起，进入一级压气机8或者通过进气旁通阀2直接进入第二级涡轮增压器，其中，所述集气壳3的外形结构与所述可调增压器集成设计，大大减少进气系统体积，提高车辆动力舱空间利用率。

在发动机工作时，空气经过第一级旋流管式空气滤清器11，滤除空气中的杂质，从高效旋流管式空气滤清器1出来的洁净空气通过集气壳3汇集到一起。

当发动机19工作在低速工况时，旁通阀2关闭，两级增压器串联工作，空气从集气壳3进入第一级压气机，第一级压气机的转速由电子控制系统15根据发动机19工况及海拔高度调节液压马达4的转速决定，空气从第一级压气机出来后进入第二级涡轮增压器继续增压。

当发动机19工作在高速工况时，所述进气旁通阀2全部打开，所述可调增压器停止工作，所述涡轮增压器单独工作，空气从集气壳3直接进入第二级涡轮增压器，然后经过中冷器10和第二级高压细虑器进入发动机工作。

综上所述，本申请上述实施例主要的有益效果包括：

首先，所述系统采用新型高效旋流管式空气滤清器作为粗滤器和高压细滤器作为细滤器的两级滤清方案，该滤清方案不仅可以有效滤除空气中的灰尘，为发动机提高清洁空气，而且由于采用高效旋流管式空气滤清器作为粗滤器，不需要更换滤清器滤芯，可以大大的增加滤清系统的使用寿命，进而可以很好的解决高原环境下空气含尘量大的问题。

其次，所述系统中采用高效旋流管式空气滤清器和可调增压器集成设计，大大减少了进气系统体积，提高车辆动力舱空间利用率。

实际应用中，在车辆上实现可调复合增压进气系统时，优选的方案是采用离心叶轮式压气机作为复合增压方案中的第一级可调增压器，也可以采用罗茨泵式压气机进行替换。

离心叶轮式压气机的优点在于压比和流量的适应范围更为宽广，在环境发生改变时具有一定的自平衡能力，便于调节。目前车用的离心叶轮式压气机转速在10,000-100,000r/min，常用的电机或液压马达的转速一般在10,000r/min以下，通过增速机构可以使离心叶轮式压气机转速达到工作所需的要求。结合图3-A和图3-B，示出了本申请实施例所述一种增速机构传动结构图和本申请实施例所述一种增速机构传动示意图，具体包括：

所述增速机构6包括行星架21、齿圈20、行星轮22和太阳轮23。

所述增速机构6工作时，液压马达4通过连接机构带动齿圈21转动，通过带预紧作用的齿圈21与三个行星轮22之间的相互摩擦来传递动力，再通过三个行星轮22与太阳轮23之间的摩擦力把动力传递给太阳轮23，实现太阳轮23的高速转动，太阳轮23带动与其连接的一级压气机8叶轮高速转动，从而实现对进气增压，与传统齿轮传动相比，所述增速机构6驱动的优点就是高速和低噪音，最高转速可达200000r/min，所述增速机构的传动比可以达到7.5-13。

罗茨泵式压气机的优点在于可靠性较好，工作转速在1,000-7,500r/min范围内，基本没有阻塞和喘振的现象，使用常用的电机可以直接驱动。缺点在于罗茨泵式压气机的容积流量、压比和转速之间近似成单调线性关系，流量与压比的自平衡较差。随着海拔高度的变化，需要对其运行状态进行严格的控制。

综上所述，本申请各个实施例所述的一种可调复合增压进气系统主要包括以下优点：

首先，所述系统包括两级增压器，分别是可调增压器和涡轮增压器，所述可调增压器与发动机曲轴并不是按照现有技术一样以固定的传动比相连，相互之间没有直接的联系，因此可调增压器的转速能够随海拔和发动机的工况做出相应的调整，实现两级增压器压比的合理分配，保证工作效率，改善了发动机的低速扭矩特性和加速响应特性，及保障高原环境下的动力系统功率恢复。

其次，本申请中采用高效旋流管式空气滤清器和高压细滤器两级滤清方案，解决了高原空气含尘量大的问题；并且由于采用高效旋流管式空气滤清器作为粗滤器，不需要更换滤清器滤芯，可有效提高滤清器的使用寿命。

其次，所述系统中采用高效旋流管式空气滤清器和可调增压器集成设计，大大减少了进气系统体积，提高车辆动力舱空间利用率。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本申请所提供的一种可调复合增压进气系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (7)

1.一种可调复合增压进气系统，其特征在于，包括：

两级增压器，其中，

第一级为可调增压器，所述可调增压器包括一级压气机、进气旁通阀、增速机构、驱动装置和电子控制系统；所述一级压气机与所述进气旁通阀并联，所述一级压气机与所述增速机构连接，所述增速机构与所述驱动装置连接，所述驱动装置与所述电子控制系统连接；

第二级为涡轮增压器，所述涡轮增压器包括二级压气机、涡轮和废气旁通阀，所述废气旁通阀与所述涡轮并联，所述涡轮与所述二级压气机连接，所述涡轮为所述二级压气机提供动力源；

所述可调增压器中的一级压气机与所述涡轮增压器中的二级压气机连接，所述二级压气机与车辆的中冷器连接，所述车辆的中冷器与车辆的发动机连接，所述涡轮增压器中的涡轮与车辆的发动机排气管连接；

所述可调复合增压进气系统还包括：高效旋流管式空气滤清器和高压细滤器；其中，所述高效旋流管式空气滤清器与所述一级压气机连接，空气先进入所述高效旋流管式空气滤清器滤除杂质后再进入所述一级压气机，或者空气先进入所述高效旋流管式空气滤清器滤除杂质后通过进气旁通阀直接进入所述二级压气机；所述高压细滤器安装在发动机和中冷器之间，空气进入所述二级压气机后，经过中冷器和所述高压细滤器进入发动机工作。

2.根据权利要求1所述的可调复合增压进气系统，其特征在于，所述可调增压器还包括：

连接轴和法兰盘；

所述驱动装置通过所述连接轴与所述增速机构的一端连接，所述增速机构的另一端与所述法兰盘的内端连接，所述法兰盘的外端与所述一级压气机连接，所述法兰盘的外端尺寸与所述一级压气机的安装尺寸一致。

3.根据权利要求1所述的可调复合增压进气系统，其特征在于：

车辆启动后，所述电子控制系统根据发动机的工况和外界环境条件变化控制所述驱动装置为所述增速机构提供动力源，所述增速机构驱动所述一级压气机工作。

4.根据权利要求1或3所述的可调复合增压进气系统，其特征在于：

当发动机工作在低速工况时，所述进气旁通阀关闭，两级增压器串联工作；

当发动机工作在中等转速工况时，所述进气旁通阀部分打开，两级增压器串联工作；

当发动机工作在高速工况时，所述进气旁通阀全部打开，所述可调增压器停止工作，所述涡轮增压器单独工作；

若发动机的转速继续升高，所述废气旁通阀开启。

5.根据权利要求1所述的可调复合增压进气系统，其特征在于：

所述高效旋流管式空气滤清器包括串联安装的第一级旋流管式空气滤清器与第二级旋流管式空气滤清器；其中，所述第一级旋流管式空气滤清器与第二级旋流管式空气滤清器结构相同，均由许多单根旋流筒组成。

6.根据权利要求5所述的可调复合增压进气系统，其特征在于：

所述可调增压器与所述高效旋流管式空气滤清器构成集成装置，所述集成装置的集气壳安装在所述第二级旋流管式滤清器的出口端，从所述第二级旋流管式滤清器出来的空气经过集气壳汇集到一起，进入一级压气机或者通过进气旁通阀直接进入涡轮增压器；

其中，所述集气壳的外形结构与所述可调增压器集成设计。

7.根据权利要求1所述的可调复合增压进气系统，其特征在于：

所述驱动装置包括液压马达和液压泵，所述液压马达的一端与所述液压泵连接，所述液压马达的另一端与所述增速机构连接，所述液压泵与所述电子控制系统连接，并且所述液压泵通过液压泵驱动轴与发动机连接，由所述发动机为所述液压泵提供动力源；

或者，所述驱动装置为电机。