CN105464769B - 一种双流道动力涡轮系统及其控制方法 - Google Patents

一种双流道动力涡轮系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种双流道动力涡轮系统及其控制方法，包括内燃机本体、涡轮增压器、机械传动装置，涡轮增压器包括经进气歧管后与内燃机本体气路连接的压气机、增压器涡轮，内燃机本体通过机械传动装置与双流道动力涡轮机械连接，双流道动力涡轮包括进气口经排气歧管与内燃机本体气路连接的一号动力涡轮流道、进气口依次经增压器涡轮和排气歧管后与内燃机本体气路连接的二号动力涡轮流道，一号动力涡轮流道的出气口与二号动力涡轮流道的出气口均与排气后处理系统气路连接；排入一号动力涡轮流道与二号动力涡轮流道中的废气驱动双流道动力涡轮工作。本设计不仅内燃机废气能量回收率高，而且结构简单，提高了内燃机低速低负荷性能，使得内燃机始终获得最佳性能。

Description

一种双流道动力涡轮系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种动力涡轮系统，尤其涉及一种双流道动力涡轮系统及其控制方法，属于内燃机废气能量回收技术领域。
背景技术
目前，在内燃机技术领域中，用于内燃机动力输出的能量只占燃油燃烧总热量的35﹪–45﹪，而废气带走的热量占30﹪–40﹪；因此，尽可能多的回收内燃机废气能量，可以增加内燃机输出功、提高内燃机的热效率、改善油耗，节能环保。
中国专利申请公布号为CN104329148A，申请公布日为2015年2月4日的发明公开了一种两级动力涡轮系统，包括内燃机本体、进气歧管、排气歧管、涡轮增压器、低压动力涡轮、高压动力涡轮和机械传动装置，涡轮增压器包括增压涡轮和压气机，增压涡轮的进气口和排气歧管相连接，增压涡轮的出气口和低压动力涡轮的进气口相连接，高压动力涡轮与低压动力涡轮同轴相连接，高压动力涡轮的进气口通过旁通管路与排气歧管相连接，高压动力涡轮的出气口与所述低压动力涡轮的出气口经管道并联后，再与排气总管相连接。该发明虽然能提高内燃机废气能量回收率，提升内燃机输出功率，但是其仍然存在以下缺陷：该发明中高压动力涡轮与低压动力涡轮采用同轴相连接，当进气压力未达到内燃机设置需求时，内燃机废气能量需要通过低压动力涡轮工作来驱动高压动力涡轮工作，进而通过机械传动装置传到内燃机曲轴上，这使得内燃机废气能量回收率较低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的内燃机废气能量回收率低的缺陷与问题，提供一种内燃机废气能量回收率高的双流道动力涡轮系统及其控制方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种双流道动力涡轮系统，包括内燃机本体、涡轮增压器、机械传动装置，所述涡轮增压器包括机械连接的压气机与增压器涡轮，压气机的出气口经进气歧管后与内燃机本体气路连接，增压器涡轮的进气口经排气歧管后与内燃机本体气路连接，增压器涡轮的出气口与双流道动力涡轮气路连接，双流道动力涡轮通过机械传动装置与内燃机本体机械连接；
所述双流道动力涡轮包括一号动力涡轮流道、二号动力涡轮流道，一号动力涡轮流道的进气口经排气歧管与内燃机本体气路连接，二号动力涡轮流道的进气口依次经增压器涡轮、排气歧管后与内燃机本体气路连接，一号动力涡轮流道的出气口与二号动力涡轮流道的出气口均与排气后处理系统气路连接。
所述一号动力涡轮流道和二号动力涡轮流道的流通截面面积均小于增压器涡轮的流通截面面积。
所述压气机的出气口依次经中冷器、进气歧管后与内燃机本体气路连接。
所述一号动力涡轮流道的进气口依次经旁通阀、旁通管路、排气歧管后与内燃机本体气路连接。
所述旁通阀为电控蝶阀，旁通阀的控制端与内燃机ECU信号连接，内燃机ECU与内燃机本体信号连接，内燃机ECU与设置于进气歧管上的压力传感器信号连接。
一种双流道动力涡轮系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
内燃机本体中一部分废气依次经排气歧管、增压器涡轮后排入二号动力涡轮流道中，内燃机本体中另一部分废气经排气歧管后排入一号动力涡轮流道中，一号动力涡轮流道中的废气与二号动力涡轮流道中的废气均经排气后处理系统后排出；
当排入二号动力涡轮流道中的废气经过增压器涡轮时：增压器涡轮驱动压气机工作，压气机吸入空气并压缩空气，压缩后的空气依次经压气机的出气口、进气歧管后进入内燃机本体中；
当一号动力涡轮流道中的废气与二号动力涡轮流道中的废气均经排气后处理系统后排出时：一号动力涡轮流道中的废气与二号动力涡轮流道中的废气联合工作，以驱动双流道动力涡轮工作，双流道动力涡轮将废气能量转化为机械能，并通过机械传动装置将机械能传到内燃机本体上，从而提高内燃机输出功率，实现内燃机废热能回收。
所述压气机的出气口依次经中冷器、进气歧管后与内燃机本体气路连接；
所述压缩后的空气依次经压气机的出气口、进气歧管后进入内燃机本体中是指：压缩后的空气经压气机的出气口后进入中冷器，压缩后的空气经中冷器降温后进入进气歧管，再进入内燃机本体中。
所述一号动力涡轮流道的进气口依次经旁通阀、旁通管路、排气歧管后与内燃机本体气路连接；
当内燃机在低速低负荷时：旁通阀关闭，此时，内燃机本体中废气依次经排气歧管、增压器涡轮后排入二号动力涡轮流道中，以驱动双流道动力涡轮工作；
当内燃机在高速高负荷时：旁通阀接通，此时，内燃机本体中另一部分废气经排气歧管后排入一号动力涡轮流道中是指：内燃机本体中另一部分废气依次经排气歧管、旁通管路、旁通阀后进入一号动力涡轮流道中。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、由于本发明一种双流道动力涡轮系统及其控制方法中双流道动力涡轮包括一号动力涡轮流道、二号动力涡轮流道，一号动力涡轮流道的进气口经排气歧管与内燃机本体气路连接，二号动力涡轮流道的进气口依次经增压器涡轮、排气歧管后与内燃机本体气路连接，一号动力涡轮流道的出气口与二号动力涡轮流道的出气口均与排气后处理系统气路连接，这样的设计不仅结构简单，而且工作过程中，排入一号动力涡轮流道中的废气与排入二号动力涡轮流道中的废气联合工作，以驱动双流道动力涡轮工作，双流道动力涡轮将废气能量转化为机械能，并通过机械传动装置将机械能传到内燃机本体上，从而提高内燃机输出功率，实现内燃机废热能回收。因此本发明不仅内燃机废气能量回收率高，而且结构简单。
2、由于本发明一种双流道动力涡轮系统及其控制方法中二号动力涡轮流道的流通截面面积小于增压器涡轮的流通截面面积，这样使得增压器涡轮转速增加，从而增加压气机转速，提高进气压力，提高内燃机低速低负荷性能。因此，本发明提高了内燃机低速低负荷性能。
3、由于本发明一种双流道动力涡轮系统及其控制方法中一号动力涡轮流道的进气口依次经旁通阀、旁通管路、排气歧管后与内燃机本体气路连接，旁通阀为电控蝶阀，旁通阀的控制端与内燃机ECU信号连接，内燃机ECU与内燃机本体信号连接，内燃机ECU与设置于进气歧管上的压力传感器信号连接，内燃机ECU根据转速和负荷的需要，使旁通阀开启到最佳的开度，从而使得内燃机始终获得最佳性能。因此，本发明性能好。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：内燃机本体1、进气歧管11、排气歧管12、压力传感器13、内燃机ECU2、涡轮增压器3、压气机31、增压器涡轮32、旁通管路4、旁通阀5、机械传动装置6、双流道动力涡轮7、一号动力涡轮流道71、二号动力涡轮流道72、排气后处理系统8、中冷器9。
图中虚线代表信号连接，粗实线代表机械连接，细实线代表气路连接。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，一种双流道动力涡轮系统，包括内燃机本体1、涡轮增压器3、机械传动装置6，所述涡轮增压器3包括机械连接的压气机31与增压器涡轮32，压气机31的出气口经进气歧管11后与内燃机本体1气路连接，增压器涡轮32的进气口经排气歧管12后与内燃机本体1气路连接，增压器涡轮32的出气口与双流道动力涡轮7气路连接，双流道动力涡轮7通过机械传动装置6与内燃机本体1机械连接；
所述双流道动力涡轮7包括一号动力涡轮流道71、二号动力涡轮流道72，一号动力涡轮流道71的进气口经排气歧管12与内燃机本体1气路连接，二号动力涡轮流道72的进气口依次经增压器涡轮32、排气歧管12后与内燃机本体1气路连接，一号动力涡轮流道71的出气口与二号动力涡轮流道72的出气口均与排气后处理系统8气路连接。
所述一号动力涡轮流道71和二号动力涡轮流道72的流通截面面积均小于增压器涡轮32的流通截面面积。
所述压气机31的出气口依次经中冷器9、进气歧管11后与内燃机本体1气路连接。
所述一号动力涡轮流道71的进气口依次经旁通阀5、旁通管路4、排气歧管12后与内燃机本体1气路连接。
所述旁通阀5为电控蝶阀，旁通阀5的控制端与内燃机ECU2信号连接，内燃机ECU2与内燃机本体1信号连接，内燃机ECU2与设置于进气歧管11上的压力传感器13信号连接。
一种双流道动力涡轮系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
内燃机本体1中一部分废气依次经排气歧管12、增压器涡轮32后排入二号动力涡轮流道72中，内燃机本体1中另一部分废气经排气歧管12后排入一号动力涡轮流道71中，一号动力涡轮流道71中的废气与二号动力涡轮流道72中的废气均经排气后处理系统8后排出；
当排入二号动力涡轮流道72中的废气经过增压器涡轮32时：增压器涡轮32驱动压气机31工作，压气机31吸入空气并压缩空气，压缩后的空气依次经压气机31的出气口、进气歧管11后进入内燃机本体1中；
当一号动力涡轮流道71中的废气与二号动力涡轮流道72中的废气均经排气后处理系统8后排出时：一号动力涡轮流道71中的废气与二号动力涡轮流道72中的废气联合工作，以驱动双流道动力涡轮7工作，双流道动力涡轮7将废气能量转化为机械能，并通过机械传动装置6将机械能传到内燃机本体1上，从而提高内燃机输出功率，实现内燃机废热能回收。
所述压气机31的出气口依次经中冷器9、进气歧管11后与内燃机本体1气路连接；
所述压缩后的空气依次经压气机31的出气口、进气歧管11后进入内燃机本体1中是指：压缩后的空气经压气机31的出气口后进入中冷器9，压缩后的空气经中冷器9降温后进入进气歧管11，再进入内燃机本体1中。
所述一号动力涡轮流道71的进气口依次经旁通阀5、旁通管路4、排气歧管12后与内燃机本体1气路连接；
当内燃机在低速低负荷时：旁通阀5关闭，此时，内燃机本体1中废气依次经排气歧管12、增压器涡轮32后排入二号动力涡轮流道72中，以驱动双流道动力涡轮7工作；
当内燃机在高速高负荷时：旁通阀5接通，此时，内燃机本体1中另一部分废气经排气歧管12后排入一号动力涡轮流道71中是指：内燃机本体1中另一部分废气依次经排气歧管12、旁通管路4、旁通阀5后进入一号动力涡轮流道71中。
本发明的原理说明如下：
1、一种双流道动力涡轮系统中增压器涡轮32与双流道动力涡轮7尺寸仍然保持相同或相近；一号动力涡轮流道71和二号动力涡轮流道72的流通截面面积可以相等，也可以不相等。
2、压气机31：参见图1，所述压气机31的出气口依次经中冷器9、进气歧管11后与内燃机本体1气路连接；工作过程中，当排入二号动力涡轮流道72中的废气经过增压器涡轮32时：增压器涡轮32驱动压气机31工作，压气机31吸入新鲜空气并压缩空气，从而提高了内燃机功率密度，压缩后的空气经压气机31的出气口后进入中冷器9，压缩后的空气经中冷器9降温后进入进气歧管11，再进入内燃机本体1参与燃烧。
3、旁通阀5：参见图1，所述旁通阀5为电控蝶阀，旁通阀5的控制端与内燃机ECU2信号连接，内燃机ECU2与内燃机本体1信号连接，内燃机ECU2与设置于进气歧管11上的压力传感器13信号连接；工作过程中，进气歧管11上的压力传感器13将压力信号、内燃机本体1上的转速和负荷等信号一起送到内燃机ECU2，经内燃机ECU2处理后，内燃机ECU2根据内燃机转速和负荷的大小及进气压力的变化，将所需要的执行信号送到旁通阀5的执行机构；当内燃机在低速低负荷时，旁通阀5处于关闭状态，当内燃机在高速高负荷时，旁通阀5处于接通状态，内燃机ECU2根据转速和负荷的需要，使旁通阀5开启到最佳的开度，使内燃机始终获得最佳性能。
实施例1：
参见图1，一种双流道动力涡轮系统，包括内燃机本体1、涡轮增压器3、机械传动装置6，所述涡轮增压器3包括机械连接的压气机31与增压器涡轮32，压气机31的出气口经进气歧管11后与内燃机本体1气路连接，增压器涡轮32的进气口经排气歧管12后与内燃机本体1气路连接，增压器涡轮32的出气口与双流道动力涡轮7气路连接，双流道动力涡轮7通过机械传动装置6与内燃机本体1机械连接；所述双流道动力涡轮7包括一号动力涡轮流道71、二号动力涡轮流道72，一号动力涡轮流道71的进气口经排气歧管12与内燃机本体1气路连接，二号动力涡轮流道72的进气口依次经增压器涡轮32、排气歧管12后与内燃机本体1气路连接，一号动力涡轮流道71的出气口与二号动力涡轮流道72的出气口均与排气后处理系统8气路连接。
按上述方案，一种双流道动力涡轮系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：内燃机本体1中一部分废气依次经排气歧管12、增压器涡轮32后排入二号动力涡轮流道72中，内燃机本体1中另一部分废气经排气歧管12后排入一号动力涡轮流道71中，一号动力涡轮流道71中的废气与二号动力涡轮流道72中的废气均经排气后处理系统8后排出；当排入二号动力涡轮流道72中的废气经过增压器涡轮32时：增压器涡轮32驱动压气机31工作，压气机31吸入空气并压缩空气，压缩后的空气依次经压气机31的出气口、进气歧管11后进入内燃机本体1中；当一号动力涡轮流道71中的废气与二号动力涡轮流道72中的废气均经排气后处理系统8后排出时：一号动力涡轮流道71中的废气与二号动力涡轮流道72中的废气联合工作，以驱动双流道动力涡轮7工作，双流道动力涡轮7将废气能量转化为机械能，并通过机械传动装置6将机械能传到内燃机本体1上，从而提高内燃机输出功率，实现内燃机废热能回收。
实施例2：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
参见图1，所述一号动力涡轮流道71和二号动力涡轮流道72的流通截面面积均小于增压器涡轮32的流通截面面积；所述压气机31的出气口依次经中冷器9、进气歧管11后与内燃机本体1气路连接；
所述压缩后的空气依次经压气机31的出气口、进气歧管11后进入内燃机本体1中是指：压缩后的空气经压气机31的出气口后进入中冷器9，压缩后的空气经中冷器9降温后进入进气歧管11，再进入内燃机本体1中。
实施例3：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
参见图1，所述一号动力涡轮流道71的进气口依次经旁通阀5、旁通管路4、排气歧管12后与内燃机本体1气路连接；所述旁通阀5为电控蝶阀，旁通阀5的控制端与内燃机ECU2信号连接，内燃机ECU2与内燃机本体1信号连接，内燃机ECU2与设置于进气歧管11上的压力传感器13信号连接；
当内燃机在低速低负荷时：旁通阀5关闭，此时，内燃机本体1中废气依次经排气歧管12、增压器涡轮32后排入二号动力涡轮流道72中，以驱动双流道动力涡轮7工作；当内燃机在高速高负荷时：旁通阀5接通，此时，内燃机本体1中另一部分废气经排气歧管12后排入一号动力涡轮流道71中是指：内燃机本体1中另一部分废气依次经排气歧管12、旁通管路4、旁通阀5后进入一号动力涡轮流道71中。

Claims (8)

1.一种双流道动力涡轮系统，包括内燃机本体（1）、涡轮增压器（3）、机械传动装置（6），所述涡轮增压器（3）包括机械连接的压气机（31）与增压器涡轮（32），压气机（31）的出气口经进气歧管（11）后与内燃机本体（1）气路连接，增压器涡轮（32）的进气口经排气歧管（12）后与内燃机本体（1）气路连接，增压器涡轮（32）的出气口与双流道动力涡轮（7）气路连接，双流道动力涡轮（7）通过机械传动装置（6）与内燃机本体（1）机械连接，其特征在于：
所述双流道动力涡轮（7）包括一号动力涡轮流道（71）、二号动力涡轮流道（72），一号动力涡轮流道（71）的进气口经排气歧管（12）与内燃机本体（1）气路连接，二号动力涡轮流道（72）的进气口依次经增压器涡轮（32）、排气歧管（12）后与内燃机本体（1）气路连接，一号动力涡轮流道（71）的出气口与二号动力涡轮流道（72）的出气口均与排气后处理系统（8）气路连接。
2.根据权利要求1所述的一种双流道动力涡轮系统，其特征在于：所述一号动力涡轮流道（71）和二号动力涡轮流道（72）的流通截面面积均小于增压器涡轮（32）的流通截面面积。
3.根据权利要求1所述的一种双流道动力涡轮系统，其特征在于：所述压气机（31）的出气口依次经中冷器（9）、进气歧管（11）后与内燃机本体（1）气路连接。
4.根据权利要求1所述的一种双流道动力涡轮系统，其特征在于：所述一号动力涡轮流道（71）的进气口依次经旁通阀（5）、旁通管路（4）、排气歧管（12）后与内燃机本体（1）气路连接。
5.根据权利要求4所述的一种双流道动力涡轮系统，其特征在于：所述旁通阀（5）为电控蝶阀，旁通阀（5）的控制端与内燃机ECU（2）信号连接，内燃机ECU（2）与内燃机本体（1）信号连接，内燃机ECU（2）与设置于进气歧管（11）上的压力传感器（13）信号连接。
6.一种权利要求1所述的双流道动力涡轮系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：
内燃机本体（1）中一部分废气依次经排气歧管（12）、增压器涡轮（32）后排入二号动力涡轮流道（72）中，内燃机本体（1）中另一部分废气经排气歧管（12）后排入一号动力涡轮流道（71）中，一号动力涡轮流道（71）中的废气与二号动力涡轮流道（72）中的废气均经排气后处理系统（8）后排出；
当排入二号动力涡轮流道（72）中的废气经过增压器涡轮（32）时：增压器涡轮（32）驱动压气机（31）工作，压气机（31）吸入空气并压缩空气，压缩后的空气依次经压气机（31）的出气口、进气歧管（11）后进入内燃机本体（1）中；
当一号动力涡轮流道（71）中的废气与二号动力涡轮流道（72）中的废气均经排气后处理系统（8）后排出时：一号动力涡轮流道（71）中的废气与二号动力涡轮流道（72）中的废气联合工作，以驱动双流道动力涡轮（7）工作，双流道动力涡轮（7）将废气能量转化为机械能，并通过机械传动装置（6）将机械能传到内燃机本体（1）上，从而提高内燃机输出功率，实现内燃机废热能回收。
7.根据权利要求6所述的一种双流道动力涡轮系统的控制方法，其特征在于：
所述压气机（31）的出气口依次经中冷器（9）、进气歧管（11）后与内燃机本体（1）气路连接；
所述压缩后的空气依次经压气机（31）的出气口、进气歧管（11）后进入内燃机本体（1）中是指：压缩后的空气经压气机（31）的出气口后进入中冷器（9），压缩后的空气经中冷器（9）降温后进入进气歧管（11），再进入内燃机本体（1）中。
8.根据权利要求6所述的一种双流道动力涡轮系统的控制方法，其特征在于：
所述一号动力涡轮流道（71）的进气口依次经旁通阀（5）、旁通管路（4）、排气歧管（12）后与内燃机本体（1）气路连接；
当内燃机在低速低负荷时：旁通阀（5）关闭，此时，内燃机本体（1）中废气依次经排气歧管（12）、增压器涡轮（32）后排入二号动力涡轮流道（72）中，以驱动双流道动力涡轮（7）工作；
当内燃机在高速高负荷时：旁通阀（5）接通，此时，内燃机本体（1）中另一部分废气经排气歧管（12）后排入一号动力涡轮流道（71）中是指：内燃机本体（1）中另一部分废气依次经排气歧管（12）、旁通管路（4）、旁通阀（5）后进入一号动力涡轮流道（71）中。
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