CN104141529B - 一种v型柴油机定压相继增压系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种V型柴油机定压相继增压系统，包括：多个气缸组成的两列气缸、对应所述多个气缸的多根排气支管、定压排气总管、共用进气箱、第一涡轮增压器、第二涡轮增压器、空气冷却器、进气截止阀以及排气截止阀，其特征在于，所述两列气缸共用一个所述共用进气箱，所述定压排气总管连接所有所述气缸对应的所述排气支管并形成回路。此外，还提供了一种共用进气箱的设计，包括共用进气腔、缸盖高温水排水总管和缸盖高温水进水总管。本发明的相继增压系统可改善单级高压比柴油机的全工况性能，且系统结构紧凑，使柴油机的整体尺寸得以控制。

Description

一种V型柴油机定压相继增压系统

技术领域

本发明涉及船用中高速柴油机技术领域，尤其涉及一种用于改善全工况性能的V型柴油机的定压排气管系相继增压系统。

背景技术

相继增压(Sequential Turbo Charging，STC)系统是指由两台或两台以上涡轮增压器并联组成的增压系统，随着增压发动机转速和负荷的增长，相继按顺序投入运行。在转速或负荷低于某设定值时，切断一台或几台增压器涡轮的废气以及压气机的空气供给，使废气集中流过工作着的增压器涡轮，增加其废气流量，提高涡轮效率，从而能够充分利用废气能量，提高增压压力，改善柴油机低工况的燃油经济性、动力性和排放性。而当发动机转速或负荷高于某设定值时，令被切断的一台或几台增压器重新投入使用，以保证发动机的高工况性能。相继增压技术是解决柴油机与增压器匹配矛盾，提高柴油机低工况性能的有效方法之一。

相继增压技术最早是在上世纪七十年底由MTU公司在其1163-03系列柴油机上采用的，到了九十年代初期，该公司的595系列相继增压柴油机实现了全工况优化控制，被誉为九十年代最先进的机型。

目前，相继增压系统在小型柴油机上有被应用，例如，申请号201080020951.5提出的带有相继增压系统的内燃机，其缺点是：需要在受控增压器上加装驱动装置，附加辅助装置较多，结构复杂。

相继增压系统在大型船用V型柴油机上也有被应用，例如，申请号为201210230427.1、201210469116.0及201220641946.2提出的柴油机相继增压结构，它们进气管路均采用柴油机每列气缸一根进气总管的方式，排气管路也采用每列气缸一根排气总管的方式，通过排气连通阀使得两列气缸排气管联通。这样的进气管路布置空间较大，排气管路通过连通阀相通会使两列排气相通时节流损失加大。

有鉴于现有技术的上述缺点，本领域技术人员致力于开发一种结构简单、所占空间较小的相继增压系统。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种适用于中置增压器的V型柴油机定压相继增压系统，该相继增压系统不需要增加过多的辅助装置即可改善单级高压比柴油机的全工况性能，且系统结构紧凑，使柴油机的整体尺寸得以控制。

本发明提供的技术方案为：一种V型柴油机定压相继增压系统，包括：多个气缸组成的两列气缸、对应多个气缸的多根排气支管、定压排气总管、共用进气箱、第一涡轮增压器、第二涡轮增压器、第一前进气管、第二前进气管、第一后排气管、第二后排气管、空气冷却器、进气截止阀以及排气截止阀，其特征在于，两列气缸共用一个共用进气箱，定压排气总管连接所有排气支管并形成回路；其中，第一涡轮增压器的第一压气机设置于第一前进气管中，第二涡轮增压器的第二压气机设置于第二前进气管中，空气冷却器连接所述两根前进气管和共用进气箱，用于冷却进气；共用进气箱与所述多个气缸相连；第一后排气管和第二后排气管与定压排气总管相连，第一涡轮增压器的第一涡轮设置于第一后排气管中，第二涡轮增压器的第二涡轮设置于第二后排气管中；进气截止阀和排气截止阀分别用于控制第二涡轮增压器的进气和排气，进而控制第二涡轮增压器的运行与否。

该相继增压系统在运行时，经空气冷却器冷却后的气体进入专门设计的共用进气箱体，并经连接法兰进入气缸；排气经排气支管进入容积较大且两端连通的定压排气总管，定压排气总管通过后排气管与两台涡轮相连，排气经涡轮排向大气；其中，第二涡轮增压器的压气机出口与涡轮入口分别设有进气截止阀与排气截止阀。在柴油机转速较低的工况时，通过关闭该两处截止阀使第二涡轮增压器停止运行，从而使得第一涡轮增压器的流量增大、压比提高，气缸进气量增加，降低碳烟排放及排气温度，同时远离增压器喘振线。

进一步地，该定压相继增压系统还包括进排气旁通管和进排气旁通阀。在第二涡轮增压器切入运行后的一定工况范围内(一般在切入点至75％工况时，优选50％～75％工况)，开启进排气旁通阀让一部分空气不经气缸而直接通入排气管内，从而使运行中的两台涡轮增压器中流通气体的流量增大，最终使该相继增压系统不易喘振，并可提高压气机的效率。

优选地，为了使该柴油机的空间结构更紧凑，上述共用进气箱布置于柴油机V角之内，而两台涡轮增压器沿轴向同轴相邻地布置于柴油机两列气缸V角之间的上述共用进气箱之上，回路设计的排气总管布置于两台增压器下部的外围空间中，空气冷却器布置于柴油机一端。

优选地，该定压排气总管的内径为气缸缸径的0.9～1.2倍。

共用进气箱的有效气流横截面积与气缸直径和冲程有关。优选地，该共用进气箱的有效气流横截面积＝(缸径²/4×冲程)/缸心距×A，其中A为修正系数，其与气缸布置方式和进气允许波动大小有关。

优选地，共用进气箱的箱壁可设计成匹配V型柴油机的形状，如顶壁为水平，侧壁为倾斜，其倾斜的角度视V角的大小和布置空间而定，有利于将其布置于V角之中，水平的顶壁则便于在共用进气箱上布置涡轮增压器。此外，还可设置脚座，以使其可方便地直接安装在柴油机上。

优选地，所述共用进气箱的侧壁厚度为9～11mm，顶壁厚度为14～16mm，脚座厚度为18～22mm。

进一步地，共用进气箱还可集缸盖高温水排水总管和缸盖高温水进水总管于一体。如本发明实施例2中所述那样，共用进气箱经过特殊设计，该共用进气箱除有可供中冷后的气体进入的共用进气腔外，还包括缸盖高温水排水总管与缸盖高温水进水总管，管道集成在公用进气箱中可以节省空间。

进一步地，缸盖高温水排水总管设置于共用进气箱的上部，缸盖高温水进水总管设置于共用进气箱的下部，如将缸盖高温水排水总管分为两根，分别设置于共用进气箱上部的两侧，对应两列气缸的位置；将缸盖高温水进水总管设置为一根，统一向两列气缸提供冷却水。缸盖高温水进水总管中水温较低，缸盖高温水出水总管中水温较高，同时较高温度的水管靠上可以避免减小进气箱体内气体的流动(如果靠下会加热下部气体，热气体密度低会向上流动，造成箱体内气体上下对流)。

进一步地，缸盖高温水排水总管、中冷后共用进气腔和缸盖高温水进水总管与气缸盖具有统一的安装平面，可一次安装密封三个接口。

本发明的V型柴油机定压相继增压系统可应用于船用中高速V型柴油机。

本发明的有益效果是：

1.本发明将常规的两根进气总管合并为一个共用进气箱体，此箱体起到稳定气体压力的作用，同时提高了柴油机的紧凑性。

2.传统的排气管路是通过连通阀将两列排气管相通，这样会加大节流损失。本发明的定压排气总管经专门设计，将两列气缸排气连成回路，可减小一台涡轮增压器停止工作时的排气流动损失。

3.增加排气管的内径使其变成定压排气总管，可起到稳定气体压力的作用，进而促进本相继增压系统的工作稳定性。

4.本发明共用进气箱与涡轮增压器布置于柴油机的V角之中，排气总管布置于两台增压器下部的外围空间中，空气冷却器布置于柴油机一端，此种布置方式可有效减小柴油机高度、宽度与长度，增加柴油机布置的紧凑性。

5.本发明的共用进气箱集成了缸盖高温水排水总管和缸盖高温水进水总管，这种设计可进一步提高柴油机布置的紧凑性。

6.本发明的共用进气箱的缸盖高温水排水总管、共用进气腔和缸盖高温水进水总管与气缸盖具有统一的安装平面，可一次安装密封三个接口，提高了安装的便利性。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的V型侧面视图；

图3是本发明实施例2共用进气箱垂直于轴向的截面图；

图4是本发明实施例2的高温水流动方向示意图；

附图不一定按照比例绘制，其中某些技术特征可能以较夸张的比例或者以示意性的形式表现出来，且某些常规细节可能为了清晰和简洁而被省略。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例作详细的描述。

实施例1

如图1所示，本发明V型柴油机定压相继增压系统的一个优选实施例包括：由多个气缸1组成的两列气缸、空气冷却器2、共用进气箱3、排气支管4、定压排气总管5、第一后排气管6、第二后排气管7、第一前进气管8、第二前进气管9、第一涡轮增压器10、第二涡轮增压器11；其中，第一涡轮增压器10包括设置在第一前进气管8中的第一压气机12和设置在第一后排气管6中的第一涡轮13，第二涡轮增压器11包括设置在第二前进气管9中的第二压气机14和设置在第二后排气管7中的第二涡轮15；此外，第二前进气管9中还设有进气截止阀16，第二后排气管7中还设有排气截止阀17。除上述组件以外，该定压相继增压系统还包括进排气旁通管18以及设于其中的进排气旁通阀19。

第一前进气管8和第二前进气管9都与空气冷却器2相连，空气冷却器2还与共用进气箱3相连，共用进气箱3通过连接法兰分别与多个气缸1相连；多个气缸1又通过排气支管4与定压排气总管5相连，定压排气总管5为回路设计，其有两个排气出口，分别为第一后排气管6和第二后排气管7；进排气旁通管18的一端连在空气冷却器2的出口和共用进气箱3的进口之间，另一端与定压排气总管5相连。

在柴油机高工况运行时，两台涡轮增压器10和11都工作，进气截止阀16和排气截止阀17开启，进排气旁通阀19关闭，空气分别经第一压气机12与第二压气机14进入第一前进气管8和第二前进气管9，并共同进入空气冷却器2降温，冷却后的气体进入共用进气箱3，进气从共用进气箱3中经连接法兰进入气缸1，排气经排气支管4进入定压排气总管5，再经第一后排气管6中的第一涡轮13和第二后排气管7中的第二涡轮15排向大气；在柴油机低工况运行时，截止阀16、17关闭，第二涡轮增压器11停止运行，并开启进气排旁通阀19使运行的第一涡轮增压器10流通气体的流量增大，从而不喘振。

如图2所示，本实施例的共用进气箱3布置于柴油机V角之内，两台涡轮增压器10和11沿轴向同轴相邻布置于柴油机两列气缸V角之间的共用进气箱3之上；定压排气总管5连接所有气缸的排气支管4并形成回路。图中的箭头表示了气流的方向。

实施例2

如图3所示，本实施例的共用进气箱3经过特殊设计：共用进气箱3的顶部为平面，下部沿轴向(空气流动方向)的两侧为斜面，还包括一个脚座；空气经中冷后进入共用进气腔32，除此以外还集成了缸盖高温水排水总管31与缸盖高温水进水总管33，该缸盖高温水排水总管31分为左右两根，分别对应了左右两列气缸。这种设计可提高柴油机布置的紧凑型，且缸盖高温水排水总管31、中冷后共用进气腔32和缸盖高温水进水总管33与气缸盖具有统一的安装平面，可一次安装密封三个接口，提高了安装的便利性。

图4是图2中定压排气总管5、共用进气箱3和气缸1部分的局部放大图，其中110是气缸缸盖、120是水套、130是气缸缸套，图中虚线和箭头代表了高温水的流动方向。结合图3和图4，高温水从缸盖高温水进水总管33先进入水套120，冷却气缸缸套130的上部，然后进入气缸盖110，最后由缸盖高温水排水总管31排出，带走缸套及缸盖的热量，起到降低气缸缸套与缸盖热负荷的作用。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种V型柴油机定压相继增压系统，包括：多个气缸组成的两列气缸、对应所述多个气缸的多根排气支管、定压排气总管、共用进气箱、第一涡轮增压器、第二涡轮增压器、第一前进气管、第二前进气管、第一后排气管、第二后排气管、空气冷却器、进气截止阀以及排气截止阀，其特征在于，所述两列气缸共用一个所述共用进气箱，所述定压排气总管连接所有所述排气支管并形成回路；其中，所述第一涡轮增压器的第一压气机设置于所述第一前进气管中，所述第二涡轮增压器的第二压气机设置于所述第二前进气管中，所述空气冷却器连接所述两根前进气管和所述共用进气箱，用于冷却进气；所述共用进气箱与所述多个气缸相连；所述第一后排气管和所述第二后排气管与所述定压排气总管相连，所述第一涡轮增压器的第一涡轮设置于所述第一后排气管中，所述第二涡轮增压器的第二涡轮设置于所述第二后排气管中；所述进气截止阀和所述排气截止阀分别用于控制所述第二涡轮增压器的进气和排气，进而控制所述第二涡轮增压器的运行与否；所述共用进气箱布置于所述柴油机的V角之内，所述第一涡轮增压器和所述第二涡轮增压器沿轴向同轴相邻布置于柴油机两列气缸V角之间的所述共用进气箱之上，所述排气总管布置于所述第一涡轮增压器和所述第二涡轮增压器下部的外围空间中，所述空气冷却器布置于所述柴油机一端。

2.如权利要求1所述的定压相继增压系统，其特征在于，还包括进排气旁通管和进排气旁通阀。

3.如权利要求2所述的定压相继增压系统，其特征在于，所述进排气旁通阀被设定为在所述第二涡轮增压器切入运行后至75％工况时开启。

4.如权利要求1所述的定压相继增压系统，其特征在于，所述定压排气总管的内径为所述气缸缸径的0.9～1.2倍。

5.如权利要求1所述的定压相继增压系统，其特征在于，所述共用进气箱的有效气流横截面积＝(缸径²/4×冲程)/缸心距×A，其中A为修正系数，其与气缸布置方式和进气允许波动大小有关。

6.如权利要求1所述的定压相继增压系统，其特征在于，所述共用进气箱包括共用进气腔、缸盖高温水排水总管和缸盖高温水进水总管。

7.如权利要求6所述的定压相继增压系统，其特征在于，所述缸盖高温水排水总管设置于所述共用进气箱的上部，所述缸盖高温水进水总管设置于所述共用进气箱的下部。

8.如权利要求6或7所述的定压相继增压系统，其特征在于，所述缸盖高温水排水总管为两根，分别对应所述两列气缸。

9.如权利要求6或7所述的定压相继增压系统，其特征在于，所述共用进气箱的所述缸盖高温水排水总管、所述共用进气腔、所述缸盖高温水进水总管与所述气缸的缸盖具有统一的安装平面。