CN105443237A - 双级涡轮增压系统及起重机 - Google Patents

双级涡轮增压系统及起重机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双级涡轮增压系统及起重机，其中，双级涡轮增压系统包括：高压涡轮增压器、低压涡轮增压器以及与低压涡轮增压器并联连接的旁路进风通道，低压涡轮增压器具有连接空气进口的直路进风通道，高压涡轮增压器通过串联连接低压涡轮增压器与空气进口连接，高压涡轮增压器还通过旁路进风通道直接连接空气进口。该双级涡轮增压系统通过在低压涡轮增压器的直路进风通道设置并联的旁路进风通道，实现了气流在发动机低转速和低负荷时绕过低压涡轮增压器的功能，最大程度上降低了涡轮增压器的迟滞效应，提升了发动机的反应速度，改善了起重机的驾驶性能。

Description

双级涡轮增压系统及起重机
技术领域
本发明涉及工程机械领域，尤其涉及一种双级涡轮增压系统及起重机。
背景技术
在工程机械领域中，起重机是一种常用的吊装工程机械设备，其中，汽车起重机是使用最广泛的起重机，其所用的发动机均为四冲程发动机，发动机每个工作循环是由进气、压缩、做功和排气四个工作步骤组成的封闭过程，发动机只有周而复始的进行这些过程才能持续工作。为了增加发动机的进气量，提高发动机燃烧效率和动力特性，通常需要设置增压系统，增压系统通过发动机废气能量将低密度空气压缩为高密度空气。
如图1所示，为现有的汽车起重机用涡轮增压系统的结构示意图，在发动机吸气冲程中，外界空气首先通过进气管a2进入涡轮增压器a1，经过涡轮增压器a1加压后变成高温高压气体，高温高压气体通过中冷进气管a3进入中冷器a4，在中冷器a4内冷却后，再经过中冷出气管a5进入发动机a6，供发动机燃烧使用。发动机排气过程中，从发动机a6缸体内排出的废气首先进入涡轮增压器a1，推动涡轮增压器a1旋转并对进气加压后，通过排气管a7排入大气。
如图2所示，为涡轮增压器a1的内部结构示意图，涡轮增压器a1包括：压气机壳a11，压气机叶轮a12，轴承体a13，涡轮箱a14，涡轮a15。涡轮a15为做功部件，废气从排气进口B进入后通过涡轮a15推动涡轮轴旋转并从排气出口C排出，涡轮轴和压气机轴刚性连接，进而带动压气机的压气机叶轮a12旋转，并对从空气进口A进入的空气做功，将常温常压空气变为高温高压气体。涡轮增压系统主要分为单级涡轮增压系统和串联式双级涡轮增压系统。
如图3所示，为单级涡轮增压系统的结构示意图，单级涡轮增压系统主要特征是只有一个涡轮增压器b2，空气从空气进口A进入涡轮增压器b2被一次压缩，然后通过中冷器b3冷却后被送入发动机b1。单级涡轮增压系统的优点是结构简单；缺点是气体只进行一次增压，增压压力低，而且一个涡轮增压器需要同时兼顾高速和低速性能，涡轮增压器转动惯量大，涡轮迟滞现象较严重。
如图4所示，为串联式双级涡轮增压系统的结构示意图，串联式双级涡轮增压系统由高压轮增压器c2和低压轮增压器c4两个涡轮增压器串联组成，空气从空气进口A依次进入低压轮增压器c4和高压轮增压器c2被二次压缩，然后通过中冷器c3冷却后被送入发动机c1。串联式双级涡轮增压系统可以实现空气的二次增压，其优点是增压压力高，进气量足，涡轮迟滞效应小，发动机高速和低速性能优异；缺点是结构复杂。
现有的串联式双级涡轮增压系统对上述的双级涡轮增压系统做出了改进，如图5所示，现有的串联式双级涡轮增压系统包括高压涡轮增压器d2，中冷器d3，低压涡轮增压器d4，电控比例阀d5，电控比例阀d5与高压涡轮增压器d2并联。当发动机d1转速较低或排气压力较低时，电控比例阀d5基本处于关闭状态，此时低压空气主要通过低压涡轮增压器d4和高压涡轮增压器d2进入发动机d1；当发动机d1转速较高或排气压力较高时，电控比例阀d5基本处于打开状态，此时低压空气主要通过低压涡轮增压器d4和电控比例阀d5进入发动机，同时部分低压空气也会通过低压涡轮增压器d4和高压涡轮增压器d2进入发动机，电控比例阀的开度受发动机d1转速或排气压力控制。在发动机工作过程中，废气均依次经过高压涡轮增压器d2和低压涡轮增压器d4排入大气。
现有串联式双涡轮增压系统，无论发动机d1处于什么工作状态，低压空气必须经过低压涡轮增压器d4才能进入发动机d1。当发动机d1转速较低或排气压力较低时，对低压空气的增压工作主要靠高压涡轮增压器d2来实现，此时低压涡轮增压器d4只起到进气通道的作用，由于高压涡轮增压器d2转动惯量小，反应灵敏，所以串联式双涡轮增压系统相对于单涡轮增压系统涡轮迟滞效应小，建压速度快，能够提高发动机低转速和低负荷时的性能。但是，由于发动机d1转速较低或排气压力较低时，低压空气必须经过低压涡轮增压器d4才能进入高压涡轮增压器d2，进气阻力大，限制了串联式双涡轮增压系统进一步降低涡轮迟滞效应的能力，无法最大程度上消除涡轮迟滞效应，发动机的反应速度继而被降低，起重机的驾驶性能没有得到有效的改善。另外，电控比例阀d5开启程度只受发动机转速或者排气压力控制，控制策略简单，无法使车辆负荷完全反馈到发动机进气系统上。
发明内容
为克服以上技术缺陷，本发明解决的技术问题是提供一种双级涡轮增压系统，该双级涡轮增压系统能够有效降低涡轮增压系统的迟滞现象，提高发动机反应速度，改善起重机的驾驶性能。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种双级涡轮增压系统，具有空气进口和排气出口，双级涡轮增压系统包括：高压涡轮增压器、低压涡轮增压器以及与低压涡轮增压器并联连接的旁路进风通道，低压涡轮增压器具有连接空气进口的直路进风通道，高压涡轮增压器通过串联连接低压涡轮增压器与空气进口连接，高压涡轮增压器还通过旁路进风通道直接连接空气进口。
在该基本的技术方案中，通过增加旁路进风通道，并采用旁路进风通道与低压涡轮增压器并联连接的结构形式，实现了气流在发动机低转速和低负荷时绕过低压涡轮增压器的功能，最大程度上降低了涡轮增压器的迟滞效应，提升了发动机的反应速度，改善了起重机的驾驶性能。
进一步地，双级涡轮增压系统还包括与高压涡轮增压器并联连接的电控比例阀，电控比例阀能够按比例控制流过高压涡轮增压器和电控比例阀的流量。
在该改进的技术方案中，电控比例阀通过控制流过高压涡轮增压器和电控比例阀的流量来配合发动机不同的工作状态，优化发动机的工作效率，使得双级涡轮增压系统具备单涡轮增压和双涡轮增压的两种工作模式。当发动机转速较低或排气压力较低时，电控比例阀使得低压空气主要通过低压涡轮增压器和高压涡轮增压器进入发动机；当发动机转速较高或排气压力较高时，电控比例阀使得低压空气主要通过低压涡轮增压器和电控比例阀进入发动机。
进一步地，双级涡轮增压系统还包括设置在直路进风通道和旁路进风通道上的通道阀门组件，通道阀门组件能够控制直路进风通道与旁路进风通道的通断状态。
在该改进的技术方案中，阀门组件能够在发动机不同转速下控制流过直路进风通道与旁路进风通道的空气流量，有效提高了增压系统的工作效率和适用性。
优选地，通道阀门组件为蝶阀组件。
在该优选的技术方案中，通道阀门组件选用常用的蝶阀能够节约制造成本且具有较高的可靠性。
进一步地，蝶阀组件包括阀杆、第一阀叶以及第二阀叶，第一阀叶和第二阀叶固定设置在阀杆上，通过转动阀杆，第一阀叶和第二阀叶分别改变直路进风通道与旁路进风通道的通断状态。
在该优选的技术方案中，蝶阀组件主要由两个阀叶和一个阀杆组成，结构简单、加工方便且能够有效保证阀门组件的通断功能，具有较高的可靠性。
进一步地，第一阀叶和第二阀叶互相垂直。
在该改进的技术方案中，互相垂直的两个阀叶能够使得直路进风通道与旁路进风通道的通断状态相反以适应发动机在不同转速下的增压需要。
优选地，通道阀门组件为电磁通断阀组件。
在该优选的技术方案中，通道阀门组件选用电路控制的电磁通断阀，控制灵敏、快捷方便且具有较高的可靠性和通断稳定性。
进一步地，双级涡轮增压系统还包括设置在通道阀门组件的下游且连接直路进风通道与旁路进风通道的补偿管路。
在该改进的技术方案中，在直路进风通道与旁路进风通道设置补偿管路能够在气流方向切换时减小对低压涡轮增压器的冲击，保证了低压涡轮增压器的工作稳定性。
进一步地，补偿管路的管径均小于直路进风通道与旁路进风通道的管径。
在该改进的技术方案中，只需将补偿管路的制造管径限制在小于直路进风通道与旁路进风通道的管径的范围内，选用简单的结构即可实现了气流补偿，而且加工方便，节约了制造成本。
进一步地，双级涡轮增压系统还包括控制组件，控制组件能够根据发动机转速S和发动机负荷P来控制电控比例阀和通道阀门组件。
在该改进的技术方案中，控制组件对发动机进行标定，根据标定数据，控制组件控制电控比例阀和通道阀门组件对通道的通断状态，使车辆负荷完全反馈到发动机进气系统上，优化了控制策略，自动化程度高。
进一步地，控制组件包括控制器、电磁阀以及执行气缸，控制器通过将发动机转速和发动机负荷与预设标定参数进行对比来分别控制电控比例阀和电磁阀，电磁阀通过控制执行气缸气源的通断来控制通道阀门组件的开通状态，提高了双级涡轮增压系统的反应灵敏性。
在该改进的技术方案中，发动机将标定参数传递给控制器，控制器将接受到的数据转化成不同的电流输出，电控比例阀接受控制器发出的电流，实现对通过高压涡轮增压器和电控比例阀的空气流量的控制；电磁阀接受控制器发出的电流，控制执行气缸气源的通断，从而控制通道阀门组件的开度以实现对直路进风通道与旁路进风通道通断状态的控制，该控制逻辑实现了进气通道的选择和空气流通的控制，具有较高的实用性。
本发明还提供了一种起重机，该起重机具有上述的双级涡轮增压系统。
在该基本的技术方案中，该双级涡轮增压系统适用于起重机，能够有效改善起重机的驾驶舒适性。
优选地，该起重机为汽车起重机。
在该优选的技术方案中，该双级涡轮增压系统尤其适用于主要运行在中低速的汽车起重机。
由此，基于上述技术方案，本发明提供了一种双级涡轮增压系统，该双级涡轮增压系统通过在低压涡轮增压器的直路进风通道设置并联的旁路进风通道，实现了气流在发动机低转速和低负荷时绕过低压涡轮增压器的功能，最大程度上降低了涡轮增压器的迟滞效应，提升了发动机的反应速度，改善了起重机的驾驶性能。进一步地，设置控制组件使得车辆负荷能够完全反馈到发动机进气系统上，优化了控制策略，具有较高的实用性和可靠稳定性。本发明提供的起重机相应地也具有上述有益效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为涡轮增压系统安装在发动机上的结构简图；
图2为涡轮增压器的内部结构简图；
图3为单级涡轮增压系统的结构示意图；
图4为双级涡轮增压系统的结构示意图；
图5为现有的双级涡轮增压系统的结构示意图；
图6为本发明双级涡轮增压系统的一个实施例的结构示意图；
图7为本发明双级涡轮增压系统的另一个实施例的结构示意图；
图8为本发明双级涡轮增压系统中蝶阀组件实施例的结构示意图；
图9为本发明双级涡轮增压系统的再一个实施例的结构示意图；
图10为本发明双级涡轮增压系统中控制组件实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明的具体实施方式是为了便于对本发明的构思、所解决的技术问题、构成技术方案的技术特征和带来的技术效果有更进一步的说明。需要说明的是，对于这些实施方式的说明并不构成对本发明的限定。此外，下面所述的本发明的实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
由于现有的双级涡轮增压系统无法最大程度上消除涡轮的迟滞效应，发动机的反应速度不能保证，起重机的驾驶性能没有得到有效的改善，本发明设计了一种双级涡轮增压系统，该双级涡轮增压系统通过在低压涡轮增压器的直路进风通道设置并联的旁路进风通道，实现了气流在发动机低转速和低负荷时绕过低压涡轮增压器的功能，最大程度上降低了涡轮增压器的迟滞效应，提升了发动机的反应速度，改善了起重机的驾驶性能。
在本发明的一个示意性的实施例中，如图6所示，双级涡轮增压系统安装在发动机1上且具有空气进口A和排气出口C，双级涡轮增压系统包括：高压涡轮增压器2、中冷器3、低压涡轮增压器4以及与低压涡轮增压器4并联连接的旁路进风通道7，低压涡轮增压器4具有连接空气进口A的直路进风通道6，高压涡轮增压器2通过串联连接低压涡轮增压器4与空气进口A连接，高压涡轮增压器2还通过旁路进风通道7直接连接空气进口A。
在该示意性的实施例中，发动机1启动时，发动机在低转速和低负荷运行，由于旁路进风通道7的流通面积大于低压涡轮增压器4的直路进风通道6的流通面积，而且进气阻力小，空气绕过低压涡轮增压器4优先从旁路进风通道7流入高压涡轮增压器2，实现了涡轮增压器的快速增压，最大程度上降低了涡轮增压器4的迟滞效应，提升了发动机1的反应速度，改善了起重机的驾驶性能。
进一步地，如图6所示，双级涡轮增压系统最好还包括与高压涡轮增压器2并联连接的电控比例阀5，电控比例阀5能够按比例控制流过高压涡轮增压器2和电控比例阀5的流量，使得本发明双级涡轮增压系统具备单涡轮增压和双涡轮增压的两种工作模式。当发动机1转速较低或排气压力较低时，发动机1需要较高的增压，电控比例阀5使得低压空气主要通过高压涡轮增压器2进入发动机1；当发动机1转速较高或排气压力较高时，如果没有高压涡轮增压器2对气流的阻挡，低压涡轮增压器4能够提供更大的进气流量，电控比例阀5使得低压空气主要通过低压涡轮增压器4和电控比例阀5进入发动机1。电控比例阀5可以通过控制流过高压涡轮增压器2和电控比例阀5的流量来配合发动机1不同的工作状态，优化了发动机1的工作效率。
在本发明另一个优选的示意性实施例中，如图7所示，双级涡轮增压系统还包括设置在直路进风通道6和旁路进风通道7上的通道阀门组件8，通道阀门组件8能够控制直路进风通道6与旁路进风通道7的通断状态。当发动机1启动时，其转速较低或排气压力较低，发动机1需要较高的增压，阀门组件8使得大部分或全部空气通过旁路进风通道7进入高压涡轮增压器2，避免了低压涡轮增压器造成的迟滞效应，当发动机1需要继续加速或排气压力更高时，发动机1需要更高的增压，阀门组件8使得大多数或全部空气先通过低压涡轮增压器4增压，然后再通过高压涡轮增压器2进一步增压。空气阀门组件8能够在发动机1不同转速下控制流过直路进风通道6与旁路进风通道7的空气流量，有效提高了增压系统的工作效率和适用性。
通道阀门组件8可以优选为蝶阀组件，通道阀门组件8选用常用的蝶阀能够节约制造成本且具有较高的可靠性。在一个优选的示意性实施例中，如图8所示，蝶阀组件包括阀杆81、第一阀叶82以及第二阀叶84，第一阀叶82和第二阀叶84可以通过第一固定螺钉83和第二固定螺钉85分别固定设置在阀杆81上，也可以通过焊接或其他的常规方式固定设置在阀杆81上，通过转动阀杆81，第一阀叶82和第二阀叶84能够分别改变直路进风通道6与旁路进风通道7的通断状态。该蝶阀组件结构简单、加工方便且能够有效保证阀门组件的通断功能，具有较高的可靠性。
优选地，如图8所示，第一阀叶82和第二阀叶84最好互相垂直，为了便于说明，第一阀叶82设置在直路进风通道6上，第二阀叶84设置在旁路进风通道7上，当第一阀叶82堵住直路进风通道6时，直路进风通道6为关闭状态，旁路进风通道7为开通状态，空气从旁路进风通道7直接进入高压涡轮增压器2；当第二阀叶84堵住旁路进风通道7时，直路进风通道6为开通状态，旁路进风通道7为关闭状态，空气从直路进风通道6依次进入低压涡轮增压器4和高压涡轮增压器2。互相垂直的第一阀叶82和第二阀叶84能够使得直路进风通道6与旁路进风通道7的通断状态相反以适应发动机1在不同转速下的增压需要。
通道阀门组件8也可以优选为电磁通断阀组件，电路控制的电磁通断阀控制灵敏、快捷方便且具有较高的可靠性和通断稳定性。
在本发明再一个优选的示意性的实施例中，如图9所示，双级涡轮增压系统还包括设置在通道阀门组件8的下游且连接直路进风通道6与旁路进风通道7的补偿管路9。在直路进风通道6与旁路进风通道7设置补偿管路能够在气流方向切换时减小对低压涡轮增压器4的冲击，保证了低压涡轮增压器4的工作稳定性。补偿管路9可以在管路中设置障碍以减小流通面积，也可以设置阀门来改变补偿管路9的流通面积。优选地，补偿管路9的管径最好均小于直路进风通道6与旁路进风通道7的管径。只需将补偿管路9的制造管径限制在小于直路进风通道6与旁路进风通道7的管径的范围内，通道阀门组件8选用简单的结构即可实现了气流补偿，而且管路加工方便，节约了制造成本。
作为对上述实施例的进一步改进，双级涡轮增压系统还进一步地包括控制组件，控制组件能够根据发动机转速S和发动机负荷P来控制电控比例阀5和通道阀门组件8。控制组件对发动机1进行标定，使车辆负荷完全反馈到发动机1的进气系统上，根据标定数据，控制组件控制电控比例阀5和通道阀门组件8对直路进风通道6与旁路进风通道7的通断状态，优化了控制策略，有效提升了增压器的自动化程度。
具体地，如图10所示，控制组件包括控制器10、电磁阀11以及执行气缸12，控制器10通过将发动机转速S和发动机负荷P与预设标定参数进行对比来分别控制电控比例阀5和电磁阀11，电磁阀11通过控制执行气缸12气源的通断来控制通道阀门组件8的开通状态。如图9和图10所示，发动机1将标定参数传递给控制器10，控制器10将接受到的数据转化成不同的电流输出，电控比例阀5接受控制器10发出的电流，实现对通过高压涡轮增压器2和电控比例阀5的空气流量的控制；电磁阀11接受控制器10发出的电流，控制执行气缸12气源的通断，从而控制通道阀门组件8的开度以实现对直路进风通道6与旁路进风通道7通断状态的控制，该控制组件实现了进气通道的选择和空气流通的控制，具有较高的实用性，当然，控制组件还可以是控制器10直接对通道阀门组件8进行控制的结构形式。
由此，本发明双级涡轮增压系统安装在发动机上的工作过程如下：
发动机1启动时，转速较低或排气压力较低，发动机1需要快速且较高的增压，通道阀门组件8工作使得大部分或全部空气通过旁路进风通道7进入高压涡轮增压器2，经过增压的空气通过中冷器3冷凝进入发动机；当发动机1需要继续加速或排气压力更高时，发动机1需要更高的增压，阀门组件8使得大多数或全部空气先通过低压涡轮增压器4增压，然后再通过高压涡轮增压器2进一步增压；当发动机1转速达到高速或排气压力达到高压时，如果没有高压涡轮增压器2对气流的阻挡，低压涡轮增压器4能够提供更大的进气流量，电控比例阀5和通道阀门组件8联合工作使得低压空气主要通过低压涡轮增压器4和电控比例阀5进入中冷器3冷凝，最后进入发动机1，发动机1工作后产生的尾气依次经过高压涡轮增压器2和低压涡轮增压器4并对涡轮做功，最终从排气出口C排入大气。
本发明还提供了一种移动式起重机，该移动式起重机具有上述的双级涡轮增压系统。由于双级涡轮增压系统实现了气流在发动机低转速和低负荷时绕过低压涡轮增压器的功能，最大程度上降低了涡轮增压器的迟滞效应，提升了发动机的反应速度，改善了起重机的驾驶性能。相应地，本发明提供的移起重机也具有上述有益效果，在此不再赘述。本发明双级涡轮增压系统尤其适用于主要运行在中低速的汽车起重机。
以上结合的实施例对于本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。例如通道阀门组件8还可以是其他常规的阀门组件。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、等效替换和变型仍落入在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种双级涡轮增压系统，具有空气进口(A)和排气出口(C)，其特征在于，包括：高压涡轮增压器(2)、低压涡轮增压器(4)以及与所述低压涡轮增压器(4)并联连接的旁路进风通道(7)，所述低压涡轮增压器(4)具有连接所述空气进口(A)的直路进风通道(6)，所述高压涡轮增压器(2)通过串联连接所述低压涡轮增压器(4)与所述空气进口(A)连接，所述高压涡轮增压器(2)还通过所述旁路进风通道(7)直接连接所述空气进口(A)。
2.根据权利要求1所述的双级涡轮增压系统，其特征在于，还包括与所述高压涡轮增压器(2)并联连接的电控比例阀(5)，所述电控比例阀(5)能够按比例控制流过所述高压涡轮增压器(2)和所述电控比例阀(5)的流量。
3.根据权利要求2所述的双级涡轮增压系统，其特征在于，还包括设置在所述直路进风通道(6)和所述旁路进风通道(7)上的通道阀门组件(8)，所述通道阀门组件(8)能够控制所述直路进风通道(6)与所述旁路进风通道(7)的通断状态。
4.根据权利要求3所述的双级涡轮增压系统，其特征在于，所述通道阀门组件(8)为蝶阀组件。
5.根据权利要求4所述的双级涡轮增压系统，其特征在于，所述蝶阀组件包括阀杆(81)、第一阀叶(82)以及第二阀叶(84)，所述第一阀叶(82)和所述第二阀叶(84)固定设置在所述阀杆(81)上，通过转动所述阀杆(81)，所述第一阀叶(82)和所述第二阀叶(84)分别改变所述直路进风通道(6)与所述旁路进风通道(7)的通断状态。
6.根据权利要求5所述的双级涡轮增压系统，其特征在于，所述第一阀叶(82)和所述第二阀叶(84)互相垂直。
7.根据权利要求3所述的双级涡轮增压系统，其特征在于，所述通道阀门组件(8)为电磁通断阀组件。
8.根据权利要求3所述的双级涡轮增压系统，其特征在于，还包括设置在所述通道阀门组件(8)的下游且连接所述直路进风通道(6)与所述旁路进风通道(7)的补偿管路(9)。
9.根据权利要求8所述的双级涡轮增压系统，其特征在于，所述补偿管路(9)的管径均小于所述直路进风通道(6)与所述旁路进风通道(7)的管径。
10.根据权利要求3所述的双级涡轮增压系统，其特征在于，还包括控制组件，所述控制组件能够根据发动机转速S和发动机负荷P来控制所述电控比例阀(5)和所述通道阀门组件(8)。
11.根据权利要求10所述的双级涡轮增压系统，其特征在于，所述控制组件包括控制器(10)、电磁阀(11)以及执行气缸(12)，所述控制器(10)通过将所述发动机转速S和发动机负荷P与预设标定参数进行对比来分别控制所述电控比例阀(5)和所述电磁阀(11)，所述电磁阀(11)通过控制所述执行气缸(12)气源的通断来控制所述通道阀门组件(8)的开通状态。
12.一种起重机，其特征在于，具有权利要求1～11任一项所述的双级涡轮增压系统。
13.根据权利要求12所述的起重机，其特征在于，所述起重机为汽车起重机。
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