CN105386856A - 用于内燃机的两级相继增压系统以及内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于内燃机的两级相继增压系统以及内燃机。其中，用于内燃机的两级相继增压系统包括：并联并构成相继增压结构的第一增压器组和第二增压器组；第一增压器组包括：串联的第一高压级压气机和第一低压级压气机，和串联的第一高压级涡轮机和第一低压级涡轮机。本发明提供的内燃机，包括气缸、连接至气缸的排气管和进气管以及上述两级相继增压系统。本发明提供用于内燃机的两级相继增压系统，可为内燃机提供较高的增压空气，提高内燃机功率密度和运行范围，可以提高内燃机低负荷性能，并且通过控制阀门可实现增压空气的全工况调节，使得增压系统和内燃机在全工况范围内都可高效率运行。

Description

用于内燃机的两级相继增压系统以及内燃机

技术领域

本发明涉及一种内燃机领域的增压系统，特别是涉及一种用于内燃机的两级相继增压系统以及具有该两级相继增压系统的内燃机。

背景技术

两级增压技术以其较高的增压比得到应用，可以较大幅度的提高内燃机功率密度，并且可结合强米勒、排气再循环EGR(ExhaustGasRecirculation)等技术改善柴油机经济性、热负荷和排放特性，但两级增压技术在低负荷时存在增压压力不足，进气量不足的问题，较难兼顾内燃机高、低工况性能。相继增压是采用两台或两台以上涡轮增压器，根据内燃机的工况的增加而顺序增加增压器运行数量的技术，其本质上是单级增压，不能满足当前更高指标内燃机对高增压压力的需求。

两级相继增压技术是将相继增压技术和两级增压技术结合应用的新技术，同时具有相继增压和两级增压技术的优点，即可在提高内燃机功率密度和功率储备的同时，提高经济性、降低氮氧化物和碳烟排放、提高低速大扭矩特性和加速特性。两级相继增压系统为内燃机提供高增压压力和大空气流量的同时，可很好的兼顾高、低工况性能，提高全工况增压系统效率，使内燃机在整个运行工况内都能和增压系统达到良好匹配。

将相继增压和两级增压两种增压技术相结合的增压系统也有被应用，中国专利CN204357554U提出可切换相继/二级增压结构，将相继增压和二级增压两种增压结构通过改动融合在一起，实现了两级增压系统和相继增压系统的切换，但因其只有两台涡轮增压器，至多组成一组两级增压结构，并不能在内燃机运行的全工况同时实现两级增压和相继增压。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明提供一种用于内燃机的两级相继增压系统以及内燃机。

根据本发明的一个方面，提供一种用于内燃机的两级相继增压系统，其包括：并联并构成相继增压结构的第一增压器组和第二增压器组；

所述第一增压器组包括：串联的第一高压级压气机和第一低压级压气机，和串联的第一高压级涡轮机和第一低压级涡轮机。

根据本发明的另一个方面，提供一种内燃机，包括气缸，还包括连接至所述气缸的排气管和进气管以及上述两级相继增压系统。

本发明中，提供的一种应用于内燃机的两级相继增压系统，通过第一增压器组和第二增压器组并联构成相继增压结构，且至少其中一个增压器组包括两个增压级，在内燃机运行的全工况同时实现两级增压和相继增压，该增压系统具有相继增压和两级增压技术的优点，即可在提高内燃机功率密度和功率储备的同时，提高经济性、降低NOx和碳烟排放、提高低负荷性能和加速特性。本发明能够为内燃机提供两级相继增压系统，为内燃机提供高增压压力和大空气流量的同时，可很好的兼顾高、低工况性能，提高内燃机全工况增压系统效率。

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，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的内燃机的增压系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

一方面，本发明的一个实施例提供了一种用于内燃机的两级相继增压系统，其包括：并联并构成相继增压结构的第一增压器组和第二增压器组；第一增压器组包括：串联的第一高压级压气机和第一低压级压气机，和串联的第一高压级涡轮机和第一低压级涡轮机。

如图1中虚线框内所示的设计即为用于内燃机的两级相继增压系统，第一增压器组包括：串联的第一高压级压气机6和第一低压级压气机12，和串联的第一高压级涡轮机7和第一低压级涡轮机9。其中，第一高压级压气机6连接第一高压级涡轮机7形成高压增压级，第一低压级压气机12连接第一低压级涡轮机9形成低压增压级。

进一步地，第一增压器组为基本增压器组，用于给内燃机提供增压空气；第二增压器组为受控增压器组，在第一增压器组给内燃机提供增压空气的条件下，根据内燃机的流量要求进一步给内燃机提供增压空气。

作为本发明一种可选的实施方式，如图1虚线框内的结构所示，第二增压器组包括连接至内燃机的进气管的压气机通道3和连接至内燃机气缸的排气管的涡轮机通道3’，第二增压器组还包括：设置在压气机通道3中的空气控制阀4和设置在涡轮机通道3’中的燃气控制阀5，在第一增压器组给内燃机提供增压空气的条件下，空气控制阀4和燃气控制阀5根据内燃机的空气和燃气流量控制第二增压器组的启动和停止。

本发明提供的两级相继增压系统，第一增压器组为基本增压器组，第二增压器组为受控增压器组，通过第一增压器组和第二增压器组并联并形成相继增压结构，且两个增压器组中至少其中一个包括两个增压级，如上所述，第一增压器组包括两个增压级，形成二级增压结构。本发明提供的两级相继增压系统，可以使内燃机运行的全工况同时实现两级增压和相继增压。此外，视内燃机内流量要求控制第二增压器组的启停，第二增压器组可设置为一级增压结构，当然也可以设置为二级增压结构。

作为一种可选的实施方法，本发明中的第二增压器组优选为二级增压结构，具体的，如图1所示，第二增压器组包括：串联的第二高压级压气机6’和第二低压级压气机12’，和串联的第二高压级涡轮机7’和第二低压级涡轮机9’，其中，第二高压级压气机6’连接第二高压级涡轮机7’形成高压增压级，第二低压级压气机12’连接第二低压级涡轮机9’形成低压增压级。

通过空气控制阀4以及燃气控制阀5控制图示所述的具有二级增压结构的第二增压器组的启动和停止。当内燃机运行在空气流量需求较低的部分工况时，可以通过关闭燃气控制阀和空气控制阀使得第二增压器组不再运行，内燃机排气通过专门设计的排气连通管全部进入基本增压器组，达到提高部分负荷增压压力、改善内燃机部分负荷性能的目的。

进一步地，作为一种可选的实施方式，本发明提供的用于内燃机的两级相继增压系统，还包括：中间冷却器，设置在第一高压级压气机和第一低压级压气机之间以及第二高压级压气机和第二低压级压气机之间；以及

可调流量的冷却水泵，其连通第一增压器组和第二增压器组内的中间冷却器，用于调节中间冷却器的冷却水流量。

具体的，在第一高压级压气机和第一低压级压气机之间以及第二高压级压气机和第二低压级压气机之间设置一个中间冷却器以共用；当然也可以如图1所示，在第一高压级压气机6和第一低压级压气机之间12之间以及第二高压级压气机6’和第二低压级压气机12’之间分别设置一个中间冷却器11，用以分别对各自的增压器组内经低压级压气机处理后的空气进行冷却。

并且，通过可调流量冷却水泵13给中间冷却器11提供不同的冷却水流量，以控制经中间冷却器冷却后的气体温度与系统的运行状态相匹配。优选的，经中间冷却器冷却后的气体温度为30-50℃，可在内燃机不同工况下提供不同的经中间冷却器冷却后的气体温度，优化系统全工况性能，提高增压系统总效率。

进一步地，作为一种优选的实施方式，本发明提供的用于内燃机的两级相继增压系统还包括进气放气阀14，其连接至第一高压级压气机6和第二高压级压气机6’的出口，用于调节提供内燃机的空气的压力。当内燃机运行在较高工况时，可以通过调节进气放气阀14的开度，使得部分增压空气直接排入大气，从而降低增压压力、减少进入内燃机气缸的空气量，进而控制降低增压系统效率，防止内燃机机械负荷过高和高、低压级增压器超速，使内燃机和增压系统可以安全的在高工况运行。

进一步地，第一增压器组和第二增压器组中的至少一个还设置有：高压级涡轮旁通阀，并联在高压级涡轮的两端，当高压级涡轮旁通阀打开时，减少通过高压级涡轮旁通阀的废气流量；和/或

低压级涡轮放气阀，并联在低压级涡轮的两端，低压级涡轮放气阀打开时，释放流向低压级涡轮的部分废气。

作为本发明一种可选的实施方案，第一增压器组和第二增压器内均设置有高压级涡轮旁通阀和低压级涡轮放气阀。

如图1所示，第一增压器组内第一高压级涡轮旁通阀8并联在第一高压级涡轮7的两端，第一低压级涡轮放气阀10并联在第一低压级涡轮9的两端；第二增压器组内第二高压级涡轮旁通阀8’并联在第二高压级涡轮7’的两端，第二低压级涡轮放气阀10’并联在第二低压级涡轮9’的两端。

即在每个增压器组内，在高压级涡轮进口和低压级涡轮进口之间设置可调节开度的高压级涡轮旁通阀，通过调节高压级涡轮旁通阀的开度，利用高压级涡轮进口和低压级涡轮进口之间的压力差，使部分内燃机排气不经过高压涡轮机而直接进入低压涡轮机，降低两级涡轮机的总功率，达到可调节降低增压压力的目的；在每个增压器组内，在低压级涡轮进出口之间并联可调节开度的低压级涡轮放气阀，通过调节低压级涡轮放气阀的开度，使部分内燃机排气不经过低压级涡轮机而直接排入大气，降低两级涡轮机的总功率，达到防止低压级增压器超速和降低增压压力的目的。

作为另一方面，本发明还提供了一种内燃机，包括气缸，还包括连接至气缸的排气管和进气管，以及上述介绍的两级相继增压系统。

进一步地，该内燃机还包括设置在气缸的进气管上的内燃机中冷器，内燃机中冷器对经由进气管被接收的来自两级相继增压系统的增压气体进行冷却。

进一步地，该内燃机还包括：补气装置，其连接在气缸和内燃机中冷器之间，并且包括储气瓶以及与储气瓶相连接的补气控制阀，用于在两级相继增压系统的切换过程中向气缸补充压缩空气。

作为一种的可选的实施方式，为更好的了解本发明提供的用于内燃机的两级相继增压系统、该两级相继增压系统与内燃机其他部件的连接以及内燃机的工作方式，作如下介绍：

如图1所示，本发明提供的内燃机包括多个气缸，多个气缸组成两列气缸，两列气缸包括A列气缸1和B列气缸1’；内燃机还包括连接A列气缸的排气管2以及连接B列气缸的排气管2’，本申请中排气管2和排气管2’通过第一管道20连通；

第二增压器组通过涡轮机通道3’将第二高压级涡轮机和第二低压级涡轮机连通至排气管2’，同样第一增压器组通过第一高压级涡轮出口的涡轮机通道(图示中未标记)将第一高压级涡轮机和第一低压级涡轮机连通至排气管2；

此外，本申请中第二增压器组的压气机通道3和第一增压器组的压气机通道(图示中未标记)通过第二管道20’连通，且第二管道20’连通至进气放气阀14以及进气总管15，实现了进气总管15与进气放气阀14的连通；进气总管15经管道连接至A列气缸的进气管16，进气总管15经管道还连接至B列气缸的进气管16’，内燃机中冷器19设置在连接进气管16、进气管16’以及进气总管15的管道处，内燃机中冷器19对经由进气管被接收的来自两级相继增压系统的增压气体进行冷却。

其中，第一管道20和第二管道20’为专门设计的排气连通管，方便关闭燃气控制阀和空气控制阀使得第二增压器组停止运行时，内燃机排气通过专门设计的排气连通管全部进入第一增压器组(即基本增压器组)。

在两列气缸和内燃机中冷器之后的进气管之间，进气管16和进气管16’之间设置有补气装置，补气装置包括储气瓶17以及和储气瓶相连通的补气控制阀18，补气控制阀18通过管道连通至进气管16以及进气管16’，用于在两级相继增压系统的切换过程中向气缸补充压缩空气，进而提高增压压力、提高进入内燃机的空气量，防止切换过程中因空气流量不足而可能导致的增压器喘振。

本申请提供的两级相继增压系统的内燃机在工作过程中，其排气经过排气管2以及排气管2’进入两级相继增压系统，两级相继增压系统将增压后的空气通过进气总管15送入内燃机中冷器19，增压空气经内燃机中冷器19冷却后通过进气管16以及进气管16’进入内燃机的气缸中参与燃烧。

在内燃机工作时，在每个增压器组内，内燃机排气依次经过高压级涡轮和低压级涡轮膨胀做功，新鲜空气依次通过低压级压气机和高压级压气机的压缩后进入气缸，空气经低压级压气机之后，进入高压级压气机的之前还要经过中间冷却器冷却，这种冷却可以为内燃机提供较高的增压压力和效率。

通过空气控制阀、燃气控制阀控制第二增压器组的启停，从而控制每组增压器相继投入运行，当内燃机运行在较低工况时，开启燃气控制阀和空气控制阀以此达到提高较低工况增压压力和增压系统效率的目的；而当内燃机运行在较高工况时，关闭燃气控制阀和空气控制阀。

本申请的两个增压器组中均设置有高压级涡轮旁通阀以及低压级涡轮放气阀。当内燃机高工况运行时，通过开启高压级涡轮旁通阀可以减少通过高压级涡轮废气流量，达到减小增压压力的目的；或者通过开启低压级涡轮放气阀，达到减小增压压力的目的和防止低压级增压器超速的目的。

此外，进气放气阀14设置在高压级压气机出口，当内燃机运行在较高工况时，通过开启进气放气阀，可以使得部分增压空气不经内燃机中冷器而直接排入大气，从而降低增压压力、减少进入内燃机气缸的空气量，进而控制降低增压系统效率，防止内燃机机械负荷过高和增压器超速，使内燃机和增压系统可以安全的在高工况运行。并且，在相继增压切换过程中若空气流量不足，通过补气装置将储气瓶内的压缩空气通过进气管引入气缸，提供增压压力以及进入内燃机的空气量，避免切换过程中因空气流量不足而导致的增压器喘振。

根据上述一个或多个实施方式，本申请提供的内燃机设置有两组两级增压结构，一组为基本增压器组，另一组为受控增压器组，通过设置控制阀(空气控制阀、燃气控制阀)控制受控增压器组的启停以实现两组两级增压结构的相继增压结构，从而实现增压技术和相继增压技术的结合使用。其中，两个增压器组均设置有高压级涡轮旁通阀、低压级涡轮放气阀可调节降低增压压力；通过设置进气放气阀降低高工况时进入内燃机的空气量，防止内燃机机械负荷过高和增压器超速；通过设置补气装置提高进入柴油机的空气量，防止喘振现象的发生。这样，内燃机便可同时具备相继增压和两级增压技术的优点，两级相继增压系统在具有高增压压力和扩大的运行范围同时，可很好的兼顾高、低工况性能，提高全工况增压系统效率，使内燃机在整个运行工况内都能和增压系统达到良好匹配。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种用于内燃机的两级相继增压系统，其包括：

并联并构成相继增压结构的第一增压器组和第二增压器组；

其特征在于，所述第一增压器组包括：串联的第一高压级压气机和第一低压级压气机，和串联的第一高压级涡轮机和第一低压级涡轮机。

2.根据权利要求1所述的用于内燃机的两级相继增压系统，其特征在于，所述第一增压器组为基本增压器组，用于给内燃机提供增压空气；

所述第二增压器组为受控增压器组，在所述第一增压器组给内燃机提供增压空气的条件下，根据内燃机的流量要求进一步给内燃机提供增压空气。

3.如权利要求2所述的用于内燃机的两级相继增压系统，其特征在于，

所述第二增压器组包括连接至内燃机气缸的进气管的压气机通道和连接至内燃机气缸的排气管的涡轮机通道，

所述第二增压器组还包括：设置在所述压气机通道中的空气控制阀和设置在所述涡轮机通道中的燃气控制阀，在所述第一增压器组给内燃机提供增压空气的条件下，所述空气控制阀和燃气控制阀根据内燃机的空气和燃气流量控制所述第二增压器组的启动和停止。

4.如权利要求2所述的用于内燃机的两级相继增压系统，其特征在于，所述第二增压器组包括：串联的第二高压级压气机和第二低压级压气机，和串联的第二高压级涡轮机和第二低压级涡轮机。

5.根据权利要求4所述的用于内燃机的两级相继增压系统，其特征在于，还包括：

中间冷却器，设置在所述第一高压级压气机和所述第一低压级压气机之间以及所述第二高压级压气机和所述第二低压级压气机之间；和

可调流量的冷却水泵，其连通至所述中间冷却器，用于调节所述中间冷却器的冷却水流量。

6.如权利要求4或5所述的用于内燃机的两级相继增压系统，其特征在于，还包括：

进气放气阀，连接至所述第一高压级压气机和所述第二高压级压气机的出口，用于调节提供给内燃机的空气的压力。

7.根据权利要求4或5所述的用于内燃机的两级相继增压系统，其特征在于，所述第一增压器组和第二增压器组中的至少一个还包括：

高压级涡轮旁通阀，并联在所述高压级涡轮的两端，所述高压级涡轮旁通阀打开时，减少通过所述高压级涡轮的废气流量；和/或

低压级涡轮放气阀，并联在所述低压级涡轮的两端，所述低压级涡轮放气阀打开时，释放流向所述低压级涡轮的部分废气。

8.一种内燃机，包括气缸，其特征在于，还包括连接至所述气缸的排气管和进气管、如权利要求1-7中任一项所述的两级相继增压系统。

9.如权利要求8所述的内燃机，其特征在于，还包括设置在所述气缸的进气管上的内燃机中冷器，所述内燃机中冷器对经由所述进气管被接收的来自所述两级相继增压系统的增压气体进行冷却。

10.根据权利要求9所述的内燃机，其特征在于，还包括：补气装置，其连接在所述气缸和所述内燃机中冷器之间，并且包括储气瓶以及与所述储气瓶相连接的补气控制阀，用于在所述两级相继增压系统的切换过程中向所述气缸补充压缩空气。