CN103615309A - 内燃机全工况可调的两级增压系统 - Google Patents

内燃机全工况可调的两级增压系统 Download PDF

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刘忠长
张龙平
田径
许允
韩永强
张文杰
汪泊舟
董春晓
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Abstract

本发明涉及一种内燃机全工况可调的两级增压系统，该系统在现有两级增压系统的基础上增加了一个低压涡轮和压气机旁通控制阀及相应的旁通管路，可以比现有的两级增压系统能多实现单级高压级涡轮增压和无增压的两种进气状态，从而实现内燃机进气方式的全程柔性调节，尤其是当内燃机处于怠速或小负荷工况或需要后处理器迅速到达起燃温度时，使该系统工作在无增压的进气模式，从而有效的提高内燃机在低负荷和怠速工况的燃油经济性以及内燃机的排放性能；或者排气流量比较小的时候选择利用高压级涡轮增压器且关闭低压级涡轮增压器，使涡轮增压器工作在高效率区域。

Description

内燃机全工况可调的两级增压系统
技术领域
本发明属于为提高内燃机工作效率的增压装置，特别涉及一种可实现内燃机全工况可调的两级增压系统。
背景技术
汽车保有量的增长带来了环境污染和能源短缺等问题，因此，为了达到节能和环保的目的，现有的柴油机几乎都使用了增压技术并且逐渐向两级增压技术发展。目前，较典型的内燃机两级增压系统结构如附图2所示，但是目前的两级增压系统存在一些不足，如两级增压系统在柴油机处于小负荷或怠速工况时，一般是工作在两级状态，但是这些工况下的排气流量和单位排气量的焓都比较低，因此排气经过高压级小涡轮做功后已经无法再使低压级大涡轮工作或低压级大涡轮工作在较低的转速且无法驱动低压级压气机做功。因此，在上述工况下，如果排气仍然经过低压涡轮，不但不能增加两级涡轮的做功能力，而且还会加大排气阻力，同时，新鲜充量经过没有做功能力的低压压气机时，也会造成流动损失，从而导致柴油机在低负荷或怠速工况下的油耗增加。
另外，当柴油机处于小负荷或怠速工况时，与柴油机自然吸气进气方案相比，两级增压不但不能提高其燃油经济性能和排放性能，而且还会恶化燃油经济性。这是由于在上述工况时，由于喷油量少，即使柴油机采用自然吸气的进气方案也能保证足够大的空燃比，使燃烧较为充分。相反，如果在上述工况采用两级增压的进气方案，一方面，由于涡轮增压器在进排气管路上的节流作用，柴油机的进排气阻力会大大增加，造成泵气损失增加；另一方面，由于排气能量低，增压器做功能力小，增压压力低，因此两级增压系统对柴油机缸内燃烧状况的改善也不明显，且无法弥补由于采用两级增压而造成的泵气损失，这两方面造成了两级增压柴油机在怠速或小负荷工况时燃油经济性的恶化。
同时，如果排气经过两级增压器之后，排气温度会大大下降，因此，造成后处理器达到起燃温度的时间过长，从而使柴油机的排放增加。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种可实现内燃机全工况调节的内燃机全工况可调的两级增压系统，该系统在现有两级增压系统的基础上增加了一个低压涡轮和压气机旁通控制阀及相应的旁通管路，再加上原有技术中包括的高压级涡轮和压气机旁通阀及相应的旁通管路，它可以比现有的两级增压系统能多实现单级高压级涡轮增压和无增压的两种进气状态，从而实现内燃机进气方式的全程柔性调节，尤其是当内燃机处于怠速或小负荷工况或需要后处理器迅速到达起燃温度时，使该系统工作在无增压的进气模式，从而有效的提高内燃机在低负荷和怠速工况的燃油经济性以及内燃机的排放性能；或者排气流量比较小的时候选择利用高压级涡轮增压器而使低压级涡轮增压器处于被旁通状态，从而降低此时的泵气损失且使涡轮增压器工作在较高的效率区域。
本发明内燃机全工况可调的两级增压系统，包括在内燃机的进气总管上通过气体管路依次连通的高压级中冷器、高压级压气机、低压级中冷器、低压级压气机、空气滤清器，并连在高压级压气机的进口端与高压级中冷器的出口端气体管路上的高压级压气机旁通管和设置在高压级压气机旁通管上的高压级压气机旁通阀；在内燃机的排气总管上通过气体管路依次联通的高压级涡轮、低压级涡轮、后处理器、排气管，并连在高压级涡轮出口端与进口端气体管路上的高压级涡轮旁通管和设置在高压级涡轮旁通管上的高压级涡轮旁通阀；
还设置有：并连在低压级压气机的进口端与低压级中冷器的出口端气体管路上的低压级压气机旁通管和设置在低压级压气机旁通管上的低压级压气机旁通阀；并连在低压级涡轮的进口端与出口端气体管路上的低压级涡轮旁通管和设置在低压级涡轮旁通管上的低压级涡轮旁通阀；所述的高压级压气机旁通阀、高压级涡轮旁通阀、低压级压气机旁通阀、低压级涡轮旁通阀、后处理器和内燃机分别与控制器控制连接，根据发动机试验工况的标定数据，在控制器中设定高压级压气机旁通阀、高压级涡轮旁通阀、低压级压气机旁通阀和低压级涡轮旁通阀的最优开度MAP。
本发明的有益效果：
1）本发明提出的内燃机全工况可调的两级增压系统能根据发动机工况的需求调节增压模式，使增压系统总是工作在较高的效率区域，且内燃机的进气模式更加柔性化，从而提高发动机和增压系统的工作效率；
2）另外，与现有的两级增压系统相比，本发明能在所有旁通阀门全开的状态下实现无增压的进气模式，这有利于提高柴油机在怠速和小负荷工况下的热效率：这是由于柴油机处于怠速或者小负荷工况时，柴油机的排量能量小，增压器的工作效率低甚至没有有效功输出，此时，打开该系统的所有旁通阀门，使其工作在无增压状态，从而大大减少了进排气阻力，降低柴油机的泵气损失，提高柴油机的热效率；
3）与现有的两级增压系统相比，本发明能有助于后处理器快速到达起燃温度，降低排放：当希望柴油机的后处理器迅速起燃时，打开该系统的所有阀门，使其工作在无增压状态，使排气能量最大化的流经后处理器，帮助它迅速达到工作温度，提高有害物的转化效率，从而降低排放物。
附图说明
图1是本发明内燃机全工况可调的两级增压系统结构原理图；
图2是目前技术典型两级增压系统的结构原理图。
具体实施方式
以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细说明。
参照图1，一种内燃机全工况可调的两级增压系统，包括在内燃机9的进气总管8上通过气体管路依次连通的高压级中冷器7、高压级压气机5、低压级中冷器3、低压级压气机2、空气滤清器1，并连在高压级压气机5的进口端与高压级中冷器7的出口端气体管路上的高压级压气机旁通管6和设置在高压级压气机旁通管6上的高压级压气机旁通阀4；在内燃机9的排气总管10上通过气体管路依次联通的高压级涡轮13、低压级涡轮14、后处理器15、排气管16，并连在高压级涡轮13出口端与进口端气体管路上的高压级涡轮旁通管12和设置在高压级涡轮旁通管12上的高压级涡轮旁通阀11；
还设置有：并连在低压级压气机2的进口端与低压级中冷器3的出口端气体管路上的低压级压气机旁通管18和设置在低压级压气机旁通管18上的低压级压气机旁通阀19；并连在低压级涡轮14的进口端与出口端气体管路上的低压级涡轮旁通管21和设置在低压级涡轮旁通管21上的低压级涡轮旁通阀20；所述的高压级压气机旁通阀4、高压级涡轮旁通阀11、低压级压气机旁通阀19、低压级涡轮旁通阀20、后处理器15和内燃机9分别与控制器17控制连接，根据发动机试验工况的标定数据，在控制器17中设定高压级压气机旁通阀4、高压级涡轮旁通阀11、低压级压气机旁通阀19和低压级涡轮旁通阀20的最优开度MAP。
本发明系统工作过程如下：
（1）、当控制器17检测到内燃机运行的工况在无增压状态下内燃机的效率最高，或者需要后处理器21快速达到有效工作温度时，则控制器17发出指令，完全打开低压级压气机旁通阀19、高压级压气机旁通阀4、低压级涡轮旁通阀20和高压级涡轮旁通阀11，使增压系统工作在无增压状态；
（2）、当控制器17检测到内燃机运行的工况在单级高压级增压状态下内燃机的效率最高时，控制器17发出指令，关闭高压级压气机旁通阀4和高压级涡轮旁通阀11，同时完全打开低压级压气机旁通阀19和低压级涡轮旁通阀20，使增压系统工作在单级高压级增压状态；
(3)、当控制器17检测到内燃机运行的工况在单级低压级增压状态下内燃机的效率最高时，控制器17发出指令，关闭低压级压气机旁通阀19和低压级涡轮旁通阀20，打开高压级压气机旁通阀4和高压级涡轮旁通阀11，使增压系统工作在单级低压级增压状态；
(4)、当控制器17检测到内燃机运行的工况在低压级涡轮增压器部分废气旁通的增压状态下内燃机的效率最高时，控制器17发出指令，关闭低压级压气机旁通阀19、完全打开高压级压气机旁通阀4和高压级涡轮旁通阀11，同时根据控制器17中优化的MAP调节低压级涡轮旁通阀20开度，使增压系统工作在低压级涡轮增压器部分废气旁通的增压状态；
(5)、当控制器17检测到内燃机运行的工况在高压级涡轮部分旁通的增压状态下内燃机的效率最高时，控制器17发出指令，关闭低压级压气机旁通阀19、高压级压气机旁通阀4和低压级涡轮旁通阀20，同时根据控制器17中优化的MAP调节高压级涡轮旁通阀11的开度，使增压系统工作在两个增压器不同程度的复合增压状态；
(6)、当控制器17检测到内燃机运行的工况在两级增压状态下内燃机的效率最高时，控制器17发出指令，关闭低压级压气机旁通阀19、高压级压气机旁通阀4、低压级涡轮旁通阀20和高压级涡轮旁通阀11，使增压系统工作在两级增压状态。
其中，过程“(3)-(6)”为现有典型两级增压技术可实现的工作过程，而过程“(1)”和“(2)”是本发明在增加了低压级压气机旁通管18、低压级压气机旁通阀19、低压级涡轮旁通阀20和低压级涡轮旁通管21后新实现的工作过程，与现有技术相结合则可以实现内燃机全工况内两级增压系统的柔性调节，同时使增压系统总是工作在高效区域，提高内燃机的热效率且能有效降低有害物排放。

Claims (1)

1.一种内燃机全工况可调的两级增压系统，包括在内燃机（9）的进气总管（8）上通过气体管路依次连通的高压级中冷器（7）、高压级压气机（5）、低压级中冷器（3）、低压级压气机（2）、空气滤清器（1），并连在高压级压气机（5）的进口端与高压级中冷器（7）的出口端气体管路上的高压级压气机旁通管（6）和设置在高压级压气机旁通管（6）上的高压级压气机旁通阀（4）；在内燃机（9）的排气总管（10）上通过气体管路依次联通的高压级涡轮（13）、低压级涡轮（14）、后处理器（15）、排气管（16），并连在高压级涡轮（13）出口端与进口端气体管路上的高压级涡轮旁通管（12）和设置在高压级涡轮旁通管（12）上的高压级涡轮旁通阀（11）；其特征在于：
还设置有：并连在低压级压气机（2）的进口端与低压级中冷器（3）的出口端气体管路上的低压级压气机旁通管（18）和设置在低压级压气机旁通管（18）上的低压级压气机旁通阀（19）；并连在低压级涡轮（14）的进口端与出口端气体管路上的低压级涡轮旁通管（21）和设置在低压级涡轮旁通管（21）上的低压级涡轮旁通阀（20）；所述的高压级压气机旁通阀（4）、高压级涡轮旁通阀（11）、低压级压气机旁通阀（19）、低压级涡轮旁通阀（20）、后处理器（15）和内燃机（9）分别与控制器（17）控制连接，根据发动机试验工况的标定数据，在控制器（17）中设定高压级压气机旁通阀（4）、高压级涡轮旁通阀（11）、低压级压气机旁通阀（19）和低压级涡轮旁通阀（20）的最优开度MAP。
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