CN105545461B - 一种可调柴油机顺序增压结构及增压方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种可调柴油机顺序增压结构及增压方法，包括A列气缸、B列气缸、第一涡轮增压器、第二涡轮增压器，在第一涡轮与排气连通管之间的A列排气管上安装基本三通阀，基本三通阀的第一通道连接排气连通管，基本三通阀的第二通道连接第一涡轮，基本三通阀的第三通道连通大气，在第二压气机与进气连通管之间的B列进气管上安装受控三通阀，受控三通阀的第一通道连接进气连通管，受控三通阀的第二通道连接第二压气机，受控三通阀的第三通道连通大气。本发明能够更好的满足不同工况下柴油机与涡轮增压器的匹配，提高涡轮增压柴油机的运行范围和运行性能。

Description

一种可调柴油机顺序增压结构及增压方法

技术领域

本发明涉及的是一种柴油机相继增压结构及增压方法。

背景技术

增压技术目前已经成为船用柴油机领域广泛采用的技术手段，它能够有效的提高柴油机的经济性、动力性以及排放性。随着高压比、高效率涡轮增压的发展，增压柴油机的增压程度也越来越高了，这也带来了一些新的问题。由于涡轮增压器与柴油机需要配合运行，如何兼顾柴油机所有工况，提高涡轮增压器与柴油机的匹配性能，从而保证柴油机良好的运行性能，成为了急需解决的问题。

目前已有的解决方案中，如相继增压、进排气旁通增压、变截面涡轮增压、高工况放气增压等，虽然都一定程度的提高涡轮增压器与柴油机的匹配性能，但每一种增压系统均是各有优缺点。

相继增压是旨在扩大压缩比、高压发动机的工作范围，提高低工况性能的技术手段，基本原理是采用多个涡轮增压器，随着发动机转速和负荷的增加，相继按次序地投入运行，从而保证涡轮增压器始终工作在高效率区，获得良好的低速大扭矩性能。当相继增压系统中两个或者两个以上涡轮增压器大小不同时，则衍生出了大小涡轮增压器顺序增压系统，其基本工作原理与相继增压是相同的。

高工况放气增压旨在解决柴油机缸内最高爆发压力过高，对柴油机进气采取部分旁通的技术手段，从而保证柴油机在高负荷、高转速下的运行性能。

由于相继增压是并联运行，因此更多适用于流量范围大而压比低的工况点，特别是高转速、低负荷工况。为了进一步改善高增压柴油机低工况性能，扩大涡轮的当量流通面积的变化范围，考虑将各增压系统有机结合起来，也就是将各增压系统的优点结合起来充分利用，从而覆盖柴油机更多工况。

目前，相关专利中，如申请号：200710144757.9的专利“可调相继复合涡轮增压系统”中记载的通过设置4个控制阀实现单台涡轮增压、两台并联涡轮增压、进排气旁通涡轮增压、高工况放气涡轮增压之间的切换，扩大了增压柴油机的运行范围；如申请号：200510025774.0的专利“大小涡轮增压器串并联可调高增压系统”中通过4个控制阀及相应胖通管路，实现了单级涡轮增压、相继涡轮增压和两级涡轮增压，使涡轮当量流通面积的变化范围更广；再如申请号为：201310277421.4的专利“多模式大小涡轮增压器柴油机顺序增压结构”通过设置6个控制阀来实现非增压模式、小涡轮增压器模式、大涡轮增压器模式以及大小涡轮增压器模式的切换。以上专利均存在值得改进的地方，如对增压柴油机的怠速或者暖机工况并无改善效果，或者改进后的系统成本及复杂性问题还有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供可以实现自然吸气模式、单涡轮增压模式、双涡轮并联增压模式以及高负荷放气增压模式之间的切换的一种可调柴油机顺序增压结构及增压方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种可调柴油机顺序增压结构，其特征是：包括A列气缸、B列气缸、第一涡轮增压器、第二涡轮增压器，第一涡轮增压器包括同轴的第一压气机和第一涡轮，第二涡轮增压器包括同轴的第二压气机和第二涡轮，第一压气机通过A列进气管连接A列气缸，第一涡轮通过A列排管连接A列气缸，第二压气机通过B列进气管连接B列气缸，第二涡轮通过B列排气管连接B列气缸，A列进气管和B列进气管之间通过进气连通管相通，A列排气管和B列排气管之间通过排气连通管相通，在第一涡轮与排气连通管之间的A列排气管上安装基本三通阀，基本三通阀的第一通道连接排气连通管，基本三通阀的第二通道连接第一涡轮，基本三通阀的第三通道连通大气，在第二压气机与进气连通管之间的B列进气管上安装受控三通阀，受控三通阀的第一通道连接进气连通管，受控三通阀的第二通道连接第二压气机，受控三通阀的第三通道连通大气。

本发明一种可调柴油机顺序增压结构还可以包括：

1、A列进气管上安装A列中冷器，B列进气管上安装B列中冷器，在第二涡轮与排气连通管之间的B列排气管上安装燃气阀。

本发明一种可调柴油机顺序增压方法，其特征是：采用如下增压结构：

包括A列气缸、B列气缸、第一涡轮增压器、第二涡轮增压器，第一涡轮增压器包括同轴的第一压气机和第一涡轮，第二涡轮增压器包括同轴的第二压气机和第二涡轮，第一压气机通过A列进气管连接A列气缸，第一涡轮通过A列排管连接A列气缸，第二压气机通过B列进气管连接B列气缸，第二涡轮通过B列排气管连接B列气缸，A列进气管和B列进气管之间通过进气连通管相通，A列排气管和B列排气管之间通过排气连通管相通，在第一涡轮与排气连通管之间的A列排气管上安装基本三通阀，基本三通阀的第一通道连接排气连通管，基本三通阀的第二通道连接第一涡轮，基本三通阀的第三通道连通大气，在第二压气机与进气连通管之间的B列进气管上安装受控三通阀，受控三通阀的第一通道连接进气连通管，受控三通阀的第二通道连接第二压气机，受控三通阀的第三通道连通大气；A列进气管上安装A列中冷器，B列进气管上安装B列中冷器，在第二涡轮与排气连通管之间的B列排气管上安装燃气阀；

(1)柴油机处于怠速或暖机：打开基本三通阀的第一通道和第三通道，保持基本三通阀的第二通道关闭；打开受控三通阀的第一通道和第三通道，保持受控三通阀的第二通道关闭；关闭燃气阀；

空气由受控三通阀的第一通道-第三通道间路径进入B列进气管，之后通过进气连通管分别进入A、B列气缸参与燃烧；柴油机排气由排气连通管汇入A列排气管，经由基本三通阀第一通道-第三通道间路径排入大气，此时，第一、二涡轮增压器均不工作；

上述即自然吸气工作模式；

(2)柴油机处于低转速、低负荷：打开基本三通阀的第一通道和第二通道，保持基本三通阀的第三通道关闭；关闭受控三通阀的第一通道；关闭燃气阀；

柴油机排气由排气连通管汇入A列排气管，经由基本三通阀第一通道-第二通道间路径流入第一涡轮，完成膨胀做功之后排入大气；空气由第一压气机入口进入，通过进气连通管分别进入A、B列气缸参与燃烧；此时有且仅有第一涡轮增压器投入工作；

上述即单涡轮增压工作模式；

(3)柴油机处于中高转速、中高负荷：打开基本三通阀的第一通道和第二通道，保持基本三通阀的第三通道关闭；打开燃气阀，延迟打开受控三通阀的第一通道和第二通道，保持受控三通阀的第三通道关闭；

柴油机排气通过A列排气管，流经基本三通阀第一通道-第二通道间路径进入第一涡轮，带动第一压气机工作，之后排入大气；柴油机排气通过B列排气管，流经燃气阀之后进入第二涡轮，带动第二压气机工作，之后排入大气；空气分别由第一压气机和第二压气机进入，第一压气机出口的压缩空气，通过进气连通管分别进入A、B列气缸参与燃烧；第二压气机出口的压缩空气，经由受控三通阀第二通道-第一通道间路径，通过进气连通管分别进入A、B列气缸参与燃烧；此时第一、二涡轮增压器均投入工作；

上述即双涡轮并联增压工作模式；

(4)当柴油机负荷过高：同时打开基本三通阀所有通道，同时打开受控三通阀所有通道，部分废气由基本三通阀第一通达-第三通道直接排入大气，部分空气由受控三通阀第一通道-第三通道间路径直接排入大气，即为高负荷放气增压模式。

本发明的优势在于：在传统相继增压系统结构的基础上，用一个三通阀替代原有的空气阀，并在基本涡轮前添加三通阀，通过两个三通阀的灵活控制，可以分别实现自然吸气模式、单涡轮增压模式、双涡轮并联增压模式及高工况放气增压模式，同时可以有效改善柴油机怠速、低速以及中高速等工况的涡轮效率，能够更好的满足不同工况下柴油机与涡轮增压器的匹配，提高涡轮增压柴油机的运行范围和运行性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为传统相继增压系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～2，本发明结构包括柴油机本体、柴油机进气管、柴油机排气管、进气连通管3、排气连通管8、基本三通阀6、受控三通阀13、第一涡轮增压器、第二涡轮增压器、燃气阀10以及中冷器4、11。第一涡轮增压器由第一压气机1和第一涡轮5构成，第二涡轮增压由第二压气机14和第二涡轮15构成。柴油机A列进气管2和B列进气管12通过进气连通管3实现互通，柴油机A列排气管2和B列排气管9通过排气连通管8实现互通。第一压气机1入口与大气相连，出口通过A列进气管2与A列中冷器4入口相连，A列中冷器4出口与A列气缸口相连；第一涡轮5出口与大气相连，第一涡轮5入口通过A列排气管7与A列气缸排气口相连，且第一涡轮5入口处设置有基本三通阀6。第二压气机14入口与大气相连，出口通过B列进气管12与B列中冷器11入口相连，B列中冷器11出口与B列气缸进气口相连，且第二压气机14出口处设置有受控三通阀13；第二涡轮15出口与大气相连，第二涡轮15入口通过B列排气管9与B列气缸排气口相连，且第二涡轮15入口处设置有燃气阀10。

区别与传统相继增压系统结构，在第一涡轮5入口处设置有基本三通阀6，其第一通道1#和第二通道2#均与A列排气管7相连，第三通道3#与大气相连；

区别于传统相继增压系统结构，在第二压气机14出口处设置有受控三通阀13，其第一通道4#和第二通道5#均与B列进气管12相连，第三通道6#通过与大气相连；

一种可调增压柴油机顺序增压方法，根据柴油机转速及负荷判断：

1、柴油机处于怠速或暖机：打开基本三通阀6第一通道1#和第三通道3#，保持第二通道2#关闭；打开受控三通阀13第一通道4#和第三通道6#，保持第二通道5#关闭；关闭燃气阀10。

空气由受控三通阀134#-6#通道进入B列进气管，之后通过进气连通管3分别进入A、B列气缸参与燃烧；柴油机排气由排气连通管8汇入A列排气管7，经由基本三通阀61#-3#通道排入大气，此时，第一、二涡轮增压器均不工作。

上述即自然吸气工作模式。

2、柴油机处于低转速、低负荷：打开基本三通阀6第一通道1#和第二通道2#，保持第三通道3#关闭；关闭受控三通阀(13)第一通道4#；关闭燃气阀10。

柴油机排气由排气连通管8汇入A列排气管7，经由基本三通阀61#-2#通道流入第一涡轮5，完成膨胀做功之后排入大气；空气由第一压气机1入口进入，通过进气连通管3分别进入A、B列气缸参与燃烧；此时有且仅有第一涡轮增压器投入工作。

此外，当且仅当第一涡轮增压器和第二涡轮增压器大小不同时，打开燃气阀10，关闭基本三通阀6第一通道1#，打开受控三通阀13第一通道4#和第二通道5#，保持第三通道6#关闭。

柴油机排气由排气连通管8汇入B列排气管9，流经燃气阀10之后流入第二涡轮15，完成膨胀做功之后排入大气；空气由第二压气机14入口进入，经由受控三通阀135#-4#通道，通过进气连通管3分别进入A、B列气缸参与燃烧；此时有且仅有第二涡轮增压器投入工作。

上述即单涡轮增压工作模式。

3、柴油机处于中高转速、中高负荷：打开基本三通阀6第一通道1#和第二通道2#，保持第三通道3#关闭；打开燃气阀10，延迟一定时间打开受控三通阀13第一通道4#和第二通道5#，保持第三通道6#关闭。

柴油机排气通过A列排气管7，流经基本三通阀61#-2#通道进入第一涡轮5，带动第一压气机1工作，之后排入大气；柴油机排气通过B列排气管9，流经燃气阀10之后进入第二涡轮15，带动第二压气机14工作，之后排入大气；空气分别由第一压气机1和第二压气机14进入，第一压气机1出口的压缩空气，通过进气连通管3分别进入A、B列气缸参与燃烧；第二压气机14出口的压缩空气，经由受控三通阀135#-4#通道，通过进气连通管3分别进入A、B列气缸参与燃烧；此时第一、二涡轮增压器均投入工作

上述即双涡轮并联增压工作模式。

4、当柴油机负荷过高：同时打开基本三通阀6所有通道，同时打开受控三通阀13所有通道，部分废气由基本三通阀61#-3#通道直接排入大气，部分空气由受控三通阀134#-6#通道直接排入大气，即高负荷放气增压模式。

本发明一种可调增压柴油机相继增压结构，包括柴油机本体、柴油机进气管、柴油机排气管、进气连通管、排气连通管、第一涡轮增压器、第二涡轮增压器、基本三通阀、受控三通阀、燃气阀以及中冷器。第一涡轮增压器由第一压气机和第一涡轮构成，第二涡轮增压由第二压气机和第二涡轮构成。柴油机A、B列进气管通过进气连通管实现互通，柴油机A、B列排气管通过排气连通管实现互通。第一压气机入口与大气相连，出口通过A列进气管与A列中冷器入口相连，A列中冷器出口与A列气缸口相连；第一涡轮出口与大气相连，第一涡轮入口通过A列排气管与A列气缸排气口相连，且第一涡轮入口处设置有基本三通阀。第二压气机入口与大气相连，出口通过B列进气管与B列中冷器入口相连，B列中冷器出口与B列气缸进气口相连，且第二压气机出口处设置有受控三通阀；第二涡轮出口与大气相连，第二涡轮入口通过B列排气管与B列气缸排气口相连，且第二涡轮入口处设置有燃气阀。

区别与传统相继增压系统结构，在第一涡轮入口处设置有基本三通阀，其第一通道和第二通道均与A列排气管相连，第三通道与大气相连；

区别于传统相继增压系统结构，在第二压气机出口处设置有受控三通阀，其第一通道和第二通道均与B列进气管相连，第三通道通过与大气相连；

一种可调增压柴油机顺序增压方法，根据柴油机实际转速及负荷进行选择：

1、柴油机处于怠速或暖机：打开基本三通阀第一通道和第三通道，保持第二通道关闭；打开受控三通阀第一通道和第三通道，保持第二通道关闭；关闭燃气阀，第一、二涡轮增压器均不工作，即自然吸气工作模式。

2、柴油机处于低转速、低负荷：打开基本三通阀第一通道和第二通道，保持第三通道关闭；打开受控三通阀第一通道和第二通道，保持第三通道关闭；关闭燃气阀；此时有且仅有第一涡轮增压器投入工作。

此外，当且仅当第一涡轮增压器和第二涡轮增压器大小不同时，打开燃气阀，关闭基本三通阀第一通道，打开受控三通阀第一通道和第二通道，保持第三通道关闭，此时有且仅有第二涡轮增压器投入工作，即单涡轮增压工作模式。

3、柴油机处于中高转速、中高负荷：打开基本三通阀第一通道和第二通道，保持第三通道关闭；打开燃气阀，延迟打开受控三通阀第一通道和第二通道，保持第三通道关闭；此时第一、二涡轮增压器均投入工作，即双涡轮并联增压工作模式。

4、当柴油机负荷过高：同时打开基本三通球阀所有通道，同时打开受控三通阀所有通道，即高负荷放气增压模式。

本发明一种可调增压柴油机相继增压结构，包括柴油机本体、柴油机进气管、柴油机排气管、进气连通管、排气连通管、第一涡轮增压器、第二涡轮增压器、基本三通阀、受控三通阀、燃气阀及中冷器。第一涡轮增压器由第一压气机和第一涡轮构成，第二涡轮增压由第二压气机和第二涡轮构成。柴油机A、B列进气管通过进气连通管实现互通，柴油机A、B列排气管通过排气连通管实现互通。第一压气机入口与大气相连，出口通过A列进气管与A列中冷器入口相连，A列中冷器出口与A列气缸口相连；第一涡轮出口与大气相连，第一涡轮入口通过A列排气管与A列气缸排气口相连，且第一涡轮入口处设置有基本三通阀。第二压气机入口与大气相连，出口通过B列进气管与B列中冷器入口相连，B列中冷器出口与B列气缸进气口相连，且第二压气机出口处设置有受控三通阀；第二涡轮出口与大气相连，第二涡轮入口通过B列排气管与B列气缸排气口相连，且第二涡轮入口处设置有燃气阀。

在第一涡轮入口处设置有基本三通阀，其第一通道和第二通道均与A列排气管相连，第三通道与大气相连；

在第二压气机出口处设置有受控三通阀，其第一通道和第二通道均与B列进气管相连，第三通道通过与大气相连；

基本三通阀和受控三通阀均为T型三通球阀，可使三个通道相互连通，或者关闭任意一通道而使另外两个通道连通。

一种可调增压柴油机顺序增压方法，

1、柴油机处于怠速或暖机：打开基本三通阀第一通道和第三通道，保持第二通道关闭；打开受控三通阀第一通道和第三通道，保持第二通道关闭；关闭燃气阀，第一、二涡轮增压器均不工作，即自然吸气工作模式。

2、柴油机处于低负荷：打开基本三通阀第一通道和第二通道，保持第三通道关闭；打开受控三通阀第一通道和第二通道，保持第三通道关闭；关闭燃气阀；此时有且仅有第一涡轮增压器投入工作。

此外，当且仅当第一涡轮增压器和第二涡轮增压器大小不同时，打开燃气阀，关闭基本三通阀第一通道，打开受控三通阀第一通道和第二通道，保持第三通道关闭，此时有且仅有第二涡轮增压器投入工作，即单涡轮增压工作模式。

3、柴油机处于中高负荷：打开基本三通阀第一通道和第二通道，保持第三通道关闭；打开燃气阀，延迟打开受控三通阀第一通道和第二通道，保持第三通道关闭；此时第一、二涡轮增压器均投入工作，即双涡轮并联增压工作模式。

4、当柴油机负荷过高：同时打开基本三通球阀所有通道，同时打开受控三通阀所有通道，即高负荷放气增压模式。

Claims (3)

1.一种可调柴油机顺序增压结构，其特征是：包括A列气缸、B列气缸、第一涡轮增压器、第二涡轮增压器，第一涡轮增压器包括同轴的第一压气机和第一涡轮，第二涡轮增压器包括同轴的第二压气机和第二涡轮，第一压气机通过A列进气管连接A列气缸，第一涡轮通过A列排气管连接A列气缸，第二压气机通过B列进气管连接B列气缸，第二涡轮通过B列排气管连接B列气缸，A列进气管和B列进气管之间通过进气连通管相通，A列排气管和B列排气管之间通过排气连通管相通，在第一涡轮与排气连通管之间的A列排气管上安装基本三通阀，基本三通阀的第一通道连接排气连通管，基本三通阀的第二通道连接第一涡轮，基本三通阀的第三通道连通大气，在第二压气机与进气连通管之间的B列进气管上安装受控三通阀，受控三通阀的第一通道连接进气连通管，受控三通阀的第二通道连接第二压气机，受控三通阀的第三通道连通大气。

2.根据权利要求1所述的一种可调柴油机顺序增压结构，其特征是：A列进气管上安装A列中冷器，B列进气管上安装B列中冷器，在第二涡轮与排气连通管之间的B列排气管上安装燃气阀。

3.一种可调柴油机顺序增压方法，其特征是：采用如下增压结构：

包括A列气缸、B列气缸、第一涡轮增压器、第二涡轮增压器，第一涡轮增压器包括同轴的第一压气机和第一涡轮，第二涡轮增压器包括同轴的第二压气机和第二涡轮，第一压气机通过A列进气管连接A列气缸，第一涡轮通过A列排气管连接A列气缸，第二压气机通过B列进气管连接B列气缸，第二涡轮通过B列排气管连接B列气缸，A列进气管和B列进气管之间通过进气连通管相通，A列排气管和B列排气管之间通过排气连通管相通，在第一涡轮与排气连通管之间的A列排气管上安装基本三通阀，基本三通阀的第一通道连接排气连通管，基本三通阀的第二通道连接第一涡轮，基本三通阀的第三通道连通大气，在第二压气机与进气连通管之间的B列进气管上安装受控三通阀，受控三通阀的第一通道连接进气连通管，受控三通阀的第二通道连接第二压气机，受控三通阀的第三通道连通大气；A列进气管上安装A列中冷器，B列进气管上安装B列中冷器，在第二涡轮与排气连通管之间的B列排气管上安装燃气阀；

(1)柴油机处于怠速或暖机：打开基本三通阀的第一通道和第三通道，保持基本三通阀的第二通道关闭；打开受控三通阀的第一通道和第三通道，保持受控三通阀的第二通道关闭；关闭燃气阀；

空气由受控三通阀的第一通道-第三通道间路径进入B列进气管，之后通过进气连通管分别进入A、B列气缸参与燃烧；柴油机排气由排气连通管汇入A列排气管，经由基本三通阀第一通道-第三通道间路径排入大气，此时，第一、二涡轮增压器均不工作；

上述即自然吸气工作模式；

(2)柴油机处于低转速、低负荷：打开基本三通阀的第一通道和第二通道，保持基本三通阀的第三通道关闭；关闭受控三通阀的第一通道；关闭燃气阀；

柴油机排气由排气连通管汇入A列排气管，经由基本三通阀第一通道-第二通道间路径流入第一涡轮，完成膨胀做功之后排入大气；空气由第一压气机入口进入，通过进气连通管分别进入A、B列气缸参与燃烧；此时有且仅有第一涡轮增压器投入工作；

上述即单涡轮增压工作模式；

(3)柴油机处于中高转速、中高负荷：打开基本三通阀的第一通道和第二通道，保持基本三通阀的第三通道关闭；打开燃气阀，延迟打开受控三通阀的第一通道和第二通道，保持受控三通阀的第三通道关闭；

柴油机排气通过A列排气管，流经基本三通阀第一通道-第二通道间路径进入第一涡轮，带动第一压气机工作，之后排入大气；柴油机排气通过B列排气管，流经燃气阀之后进入第二涡轮，带动第二压气机工作，之后排入大气；空气分别由第一压气机和第二压气机进入，第一压气机出口的压缩空气，通过进气连通管分别进入A、B列气缸参与燃烧；第二压气机出口的压缩空气，经由受控三通阀第二通道-第一通道间路径，通过进气连通管分别进入A、B列气缸参与燃烧；此时第一、二涡轮增压器均投入工作；

上述即双涡轮并联增压工作模式；

(4)当柴油机负荷过高：同时打开基本三通阀所有通道，同时打开受控三通阀所有通道，部分废气由基本三通阀第一通道-第三通道直接排入大气，部分空气由受控三通阀第一通道-第三通道间路径直接排入大气，即为高负荷放气增压模式。