CN104727932B - 内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置，内燃机具有高压级涡轮和低压级涡轮，该流动控制装置包括：压力传感器，用于检测高压级涡轮的进气口和/或低压涡轮的进气口的瞬时压力；旁通阀，与低压级涡轮并联连接；控制器，用于在高压级涡轮的进气口和/或低压级涡轮的进气口的瞬时压力低于第一压力阈值时，发送开启旁通阀的控制信号至执行器，以及在高压级涡轮的进气口和/或低压级涡轮的进气口的瞬时压力高于第二压力阈值时，发送关闭旁通阀的控制信号至执行器；执行器，用于根据控制信号控制旁通阀开启或关闭。本发明的装置能够提高两级涡轮系统对内燃机脉冲排气能量的利用率，从而提高系统总利用率，改善燃油经济性。

Description

内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置

技术领域

本发明涉及内燃机和叶轮机械技术领域，特别涉及一种内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置。

背景技术

节能减排的需求推动着内燃机技术的不断发展，其中，内燃机涡轮增压技术是提高传统内燃机效率、降低能源消耗的关键技术。涡轮增压技术通过涡轮回收发动机排气能量，对发动机进气进行压缩，提高了发动机的功率密度和动力性能，国际各大汽车公司均致力于增压技术的研发。发动机缩小排量和变工况性能的要求使增压技术从最初的固定几何涡轮增压，发展到废气旁通涡轮技术、变几何涡轮技术及两级涡轮增压技术。除涡轮增压技术以外，涡轮复合技术也是降低发动机油耗的重要技术之一。在涡轮复合技术中，动力涡轮与增压涡轮串联布置，动力涡轮回收的排气能量用于发电或者输出到发动机曲轴，从而实现发动机排气能量的充分利用。由此可见，两级涡轮系统在内燃机上的应用将越加广泛，提高两级涡轮系统的整体效率将对内燃机的节能减排有重大贡献。

目前，内燃机与两级涡轮系统的协同工作存在一个重要问题。由于内燃机为往复式发动机，其排气为脉冲式排气，其压力、温度均随排气门的快速开启和关闭而大幅度变化，这对基于稳态工况设计的两级涡轮性能产生巨大的影响。通过研究发现，当压力波波峰传播到涡轮前时，两级涡轮均运行在较高效率点工况；当压力波波谷传播到涡轮前时，由于两级涡轮的膨胀比均比较低，导致两级涡轮的效率均产生显著下降。传统的涡轮控制技术，包括废气旁通和变几何涡轮技术等，其调整是基于发动机工况的变化，如发动机转速、负荷等，当发动机工况固定时，则不需要对涡轮进行控制。然而，尽管发动机工况固定，涡轮前的气流状态仍然是脉动的，因此废气旁通、变几何涡轮等技术不能克服发动机脉冲排气所带来的负面影响。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置，该装置能够提高两级涡轮系统对内燃机脉冲排气能量的利用率，从而提高系统总利用率，改善燃油经济性。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置，其中，所述内燃机为两级增压内燃机或涡轮复合内燃机，具有高压级涡轮和低压级涡轮，所述两级涡轮脉冲流动控制装置包括：压力传感器，所述压力传感器用于检测所述高压级涡轮的进气口的瞬时压力和/或所述低压涡轮的进气口的瞬时压力；旁通阀，所述旁通阀与所述低压级涡轮并联连接；控制器，所述控制器与所述压力传感器相连，用于在所述高压级涡轮的进气口的瞬时压力和/或所述低压级涡轮的进气口的瞬时压力低于第一压力阈值时，发送开启所述旁通阀的控制信号至执行器，以及在所述高压级涡轮的进气口的瞬时压力和/或所述低压级涡轮的进气口的瞬时压力高于第二压力阈值时，发送关闭所述旁通阀的控制信号至所述执行器；以及所述执行器，分别与所述控制器和所述旁通阀相连，用于根据所述控制器发送的控制信号控制所述旁通阀开启或关闭。

根据本发明实施例的内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置，两级涡轮为串联布置，低压级涡轮并联连接一个快速响应的旁通阀，该旁通阀可根据内燃机气缸排气脉冲压力值的大小快速开启或关闭，动态调整两级涡轮的负荷分配，实现对脉冲排气能量利用的最大化。例如当气缸瞬时排气压力低于第一压力阈值时，控制旁通阀立即开启，使排气能量主要分配到高压级涡轮，避免其由于负荷过低而导致效率下降；当气缸瞬时排气压力大于第二压力阈值时，控制旁通阀立即关闭，此时排气能量合理地分配到两级涡轮中，使两级涡轮均达到较高的效率。因此，该装置可显著提高两级涡轮系统对内燃机脉冲排气能量的利用率，从而提高系统总效率，改善燃油经济性。

另外，根据本发明上述实施例的内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述压力传感器包括第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器设置在所述高压级涡轮的进气口，所述第二压力传感器设置在所述低压级涡轮的进气口。

在一些示例中，所述内燃机的排气口输出周期性变化的脉冲气流。

在一些示例中，所述旁通阀的开启或关闭频率与所述内燃机输出的脉冲气流的频率一致。

在一些示例中，所述内燃机为往复式活塞发动机。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的旁通阀开度的控制方法示意图；

图3是根据本发明一个实施例的旁通阀控制方法对两级涡轮膨胀比影响的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的旁通阀控制方法对高压级涡轮瞬时效率的影响示意图；

图5是根据本发明一个实施例的旁通阀控制方法对低压级涡轮瞬时效率的影响示意图；以及

图6是根据本发明一个实施例的旁通阀控制方法对两级涡轮总功率输出的影响示意图。

具体实施方式

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，而不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图描述根据本发明实施例的内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置。

图1是根据本发明一个实施例的内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置的结构示意图。其中，内燃机为往复式活塞内燃机，包括依次相连的内燃机气缸1、高压级涡轮2和低压级涡轮3。

具体地，高压级涡轮2的进气口与内燃机气缸1的出气口相连，低压级涡轮3的进气口与高压级涡轮2的出气口相连。换言之，即高压级涡轮2和低压级涡轮3串联连接。内燃机气缸1的出气口输出周期性变化的脉冲气流，会对高压级涡轮2及低压级涡轮3的性能产生巨大影响，使其性能恶化。

如图1所示，该两级涡轮脉冲流动控制装置包括：压力传感器10(图中未示出)、旁通阀4、控制器6和执行器5。

压力传感器10用于检测高压级涡轮2的进气口的瞬时压力和/或低压涡轮3的进气口的瞬时压力。具体地，在本发明的一个实施例中，如图1所示，压力传感器10包括第一压力传感器7和第二压力传感器8。其中，第一压力传感器7设置在高压级涡轮2的进气口，用于检测高压级涡轮2的进气口的瞬时压力。第二压力传感器8设置在低压级涡轮3的进气口，用于检测低压级涡轮3的进气口的瞬时压力。

在一些示例中，压力传感器10还可以包括第三压力传感器9，如图1所示，第三压力传感器9设置在低压级涡轮3的出气口，用于检测低压级涡轮3的出气口的瞬时压力。控制器6根据第一压力传感器7、第二压力传感器8和第三压力传感器9的检测值决定旁通阀4的开启或关闭，这样，可以提高控制精确度。需要说明的是，出于降低系统复杂性和成本的考虑，第三压力传感器9也可以去除。

旁通阀4与低压级涡轮3并联连接，例如图1所示。

控制器6与压力传感器10相连，更为具体地，控制器6分别与第一压力传感器7和第二压力传感器8相连，用于在高压级涡轮2的进气口的瞬时压力和/或低压级涡轮3的进气口的瞬时压力低于第一压力阈值时，发送开启旁通阀4的控制信号至执行器5，以及在高压级涡轮2的进气口的瞬时压力和/或低压级涡轮3的进气口的瞬时压力高于第二压力阈值时，发送关闭旁通阀4的控制信号至执行器5。其中，第一压力阈值和第二压力阈值例如根据实际工况而设定。

执行器5分别与控制器6和旁通阀4相连，用于根据控制器6发送的控制信号控制旁通阀4开启或关闭。具体地，当控制器6发送开启旁通阀4的控制信号时，执行器5控制旁通阀4开启，当控制器6发送关闭旁通阀4的控制信号时，执行器5控制旁通阀4关闭。

作为具体地例子，如图2所示，展示了旁通阀4的状态随高压级涡轮2的进气口瞬时压力p₁变化的示意图。当高压级涡轮2的进气口瞬时压力p₁小于第一压力阈值时，控制旁通阀4完全打开(对应图2中的60mm状态)，此时，高压级涡轮2的负荷将显著提高，而低压级涡轮3将没有能量输出。当高压级涡轮2的进气口瞬时压力p₁高于第二压力阈值时，控制旁通阀4关闭，此时，高压级涡轮2和低压级涡轮3同时工作。换言之，旁通阀4的状态随脉冲压力值的周期性变化而周期性地开启和闭合，更为具体地，旁通阀4的开启或关闭频率与内燃机气缸1输出的脉冲气流的频率一致。

图3展示了旁通阀4的状态变化对高压级涡轮2和低压级涡轮3在脉冲周期内膨胀比变化的影响示意图。在高压级涡轮2的进气口瞬时压力p₁过低(低于第一压力阈值)时，通过开启旁通阀4，降低高压级涡轮2的出气口压力，提高了高压级涡轮2的膨胀比。观察图3可知，在一个脉冲周期内，高压级涡轮2的膨胀比出现了两次峰值，第一次峰值由进气口脉冲压力波产生，第二次是由于旁通阀4打开，导致高压级涡轮2出气口压力突降。反观低压级涡轮3，在旁通阀4打开后其膨胀比突然降低到接近于1的状态。总的来说，通过控制旁通阀4的状态变化，实现了在脉冲周期内调整两级涡轮负荷分配的功能。

图4展示了旁通阀4的状态变化对高压级涡轮2的效率的影响。从图4可以看出，通过对旁通阀4的状态控制大幅度提高了高压级涡轮2在进气口压力较低时的效率，从而提高了高压级涡轮2在一个脉冲周期内的平均效率。图5展示了旁通阀4的状态变化对低压级涡轮3的效率的影响。从图5可以看出，在低压级涡轮3的进气口压力值较低时，由于旁通阀4打开，低压级涡轮3的效率急剧下降，但由于此时低压级涡轮3的能量输入值几乎为零，因此尽管效率很低，但总的能量损失很少。

图6展示了两级涡轮(高压级涡轮2和低压级涡轮3)总功率的变化，从图6可以看出，在旁通阀4关闭期间，两级涡轮的总功率输出几乎没有变化，在旁通阀4打开期间，两级涡轮总功率具有显著提高。

综上，本发明上述实施例的内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置的结构及工作过原理概述如下：从内燃机气缸排出的脉冲式气流依次流过高压级涡轮和低压级涡轮，在低压级涡轮上并联一个旁通阀，该旁通阀可根据脉冲气流的压力值大小而调整其开启/闭合状态，其调整频率与脉冲频率一致。当进气口压力值较低时，旁通阀打开，气流主要流经旁通阀而不经过低压级涡轮，此时，主要排气能量分配到高压级涡轮中，在提高了高压级涡轮负荷的同时，也提高了其效率。当进气口气流压力值高于第二压力阈值时，旁通阀重新关闭，气流依次流经高压级涡轮和低压级涡轮，排气能量由两级涡轮共同回收，避免了高压级涡轮负荷过高，同时避免由于负荷过高导致的效率下降。总之，通过在脉冲周期内调整低压级涡轮旁通阀的开启/闭合状态，实现脉冲周期内高低压涡轮负荷的合理分配，提高了两级涡轮的排气能量利用率。

根据本发明实施例的内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置，两级涡轮为串联布置，低压级涡轮并联连接一个快速响应的旁通阀，该旁通阀可根据内燃机气缸排气脉冲压力值的大小快速开启或关闭，动态调整两级涡轮的负荷分配，实现对脉冲排气能量利用的最大化。例如当气缸瞬时排气压力低于第一压力阈值时，控制旁通阀立即开启，使排气能量主要分配到高压级涡轮，避免其由于负荷过低而导致效率下降；当气缸瞬时排气压力大于第二压力阈值时，控制旁通阀立即关闭，此时排气能量合理地分配到两级涡轮中，使两级涡轮均达到较高的效率。因此，该装置可显著提高两级涡轮系统对内燃机脉冲排气能量的利用率，从而提高系统总效率，改善燃油经济性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置，其特征在于，所述内燃机为两级增压内燃机或涡轮复合内燃机，具有高压级涡轮和低压级涡轮，所述两级涡轮脉冲流动控制装置包括：

压力传感器，所述压力传感器用于检测所述高压级涡轮的进气口的瞬时压力和/或所述低压涡轮的进气口的瞬时压力；

旁通阀，所述旁通阀与所述低压级涡轮并联连接；

控制器，所述控制器与所述压力传感器相连，用于在所述高压级涡轮的进气口的瞬时压力和/或所述低压级涡轮的进气口的瞬时压力低于第一压力阈值时，发送开启所述旁通阀的控制信号至执行器，以及在所述高压级涡轮的进气口的瞬时压力和/或所述低压级涡轮的进气口的瞬时压力高于第二压力阈值时，发送关闭所述旁通阀的控制信号至所述执行器；以及

所述执行器，分别与所述控制器和所述旁通阀相连，用于根据所述控制器发送的控制信号控制所述旁通阀开启或关闭，其中，所述旁通阀的开启或关闭频率与所述内燃机输出的脉冲气流的频率一致。

2.根据权利要求1所述的内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置，其特征在于，所述压力传感器包括第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器设置在所述高压级涡轮的进气口，所述第二压力传感器设置在所述低压级涡轮的进气口。

3.根据权利要求1所述的内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置，其特征在于，所述内燃机的排气口输出周期性变化的脉冲气流。

4.根据权利要求1-3任一项所述的内燃机两级涡轮脉冲流动控制装置，其特征在于，所述内燃机为往复式活塞发动机。