CN105569825A - 柴油机柔性增压系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供柴油机柔性增压系统及其控制方法，包括柴油机、废气涡轮、压气机，废气涡轮通过排气管连接柴油机，压气机通过进气管连接柴油机，废气涡轮和压气机之间通过液力耦合器相连，进气管上安装中冷器，排气管上支出连通大气的废气控制管，废气控制管上安装废气控制阀，中冷器和压气机之间的进气管上支出连通大气的空气控制管，空气控制管上安装空气控制阀，压气机出口处安装压力传感器，废气涡轮与液力耦合器连接的轴上安装转速传感器。本发明可以实现低工况下的大扭矩输出，高工况下转速保护，提高整机的效率以及降低全工况下的燃油消耗量。

Description

柴油机柔性增压系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种柴油机，具体地说是中高速船用柴油机。

背景技术

废气涡轮增压技术已成为柴油机各大制造厂商的必备技术，其一产生就有天生的缺陷。由于涡轮和压气机属于叶片机械，其最佳的工作转速或是工作状态只有一个，即设计工况点。但是，柴油机一般是多工况点运行(发电机组除外)，必然引起增压系统大部分时间都在非工况点运行，造成增压器效率降低，从而降低柴油机的整机效率。

科技工作者经过多年的努力，创造了众多的改善增压系统匹配缺点的技术，如可变几何涡轮增压系统、相继增压系统、旁通放气技术等。

可变几何涡轮增压器(VGT，variableGeometryTurbocharger)设计有可动元件(可变喷嘴环),能改变经过VGT涡轮燃气的流通面积。随发动机工况变化，电子控制器可自动控制VGT提供最佳的发动机增压。与普通的涡轮增压器相比，可变几何涡轮增压器(VGT)可增加发动机低速扭矩、扩展发动机可用速度范围、改变低速经济性、降低发动机排放烟度。

相继增压(SequentialTurboCharging)系统简称STC系统，由2台或2台以上涡轮增压器并联组成增压系统，随着增压发动机转速和负荷的增长，相继按顺序投入运行。在转速或负荷低于某设定值时，切断一台或几台增压器涡轮的废气以及压气机的空气供给，使废气集中流过工作着的增压器涡轮，增加其废气流量，提高涡轮效率，从而能够充分利用废气能量，提高增压压力，改善柴油机低工况的燃油经济性、动力性和排放性。而当发动机转速或负荷高于某设定值时，被切断的一台或几台增压器重新投入使用，以保证发动机的高工况性能。

旁通放气技术一般用在车用发动机上。在高速高负荷时，排气流量大，因而排气能量大，导致涡轮增压器的转速高，增压压力也高。但是柴油机在低速时，即使增加负荷，废气流量也不大，因而出现了增压空气压力低，发动机扭矩增量过小的缺点。作为改善的办法，可以用小容量的涡轮增压器和柴油机的中速相匹配，以提高柴油机中速时的扭矩。然而，这样又将产生柴油机高速高负荷时增压过高、增压器转速过大的问题。为此可采用排气旁通阀。即在高速高负荷时，旁通阀打开，放掉一部分废气，以降低增压器转速，控制增压压力。

柴油机怠速或低速时，发动机排气量以及排温都不高，即排气能量有限。但是增压器匹配一般都匹配在中高速区，所以低工况时，如果装有涡轮增压器，对于进气来讲，影响不大，但也有一定影响，效率极低，压气机叶片基本是阻碍作用。对于涡轮来讲，问题就更大了，阻力特别大，阻碍排气，增加排气背压，影响发动机缸内燃烧，不利于发动机工作。所以怠速或低工况时，将进排气管路顺畅比增压更重要。

发明内容

本发明的目的在于提供可以有效实现低工况下的大扭矩输出，高工况下转速保护，提高整机的效率以及降低全工况下燃油消耗量的柴油机柔性增压系统及其控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明柴油机柔性增压系统，其特征是：包括柴油机、废气涡轮、压气机，废气涡轮通过排气管连接柴油机，压气机通过进气管连接柴油机，废气涡轮和压气机之间通过液力耦合器相连，进气管上安装中冷器，排气管上支出连通大气的废气控制管，废气控制管上安装废气控制阀，中冷器和压气机之间的进气管上支出连通大气的空气控制管，空气控制管上安装空气控制阀，压气机出口处安装压力传感器，废气涡轮与液力耦合器连接的轴上安装转速传感器。

本发明柴油机柔性增压控制方法，其特征是：采用如下增压系统：包括柴油机、废气涡轮、压气机，废气涡轮通过排气管连接柴油机，压气机通过进气管连接柴油机，废气涡轮和压气机之间通过液力耦合器相连，进气管上安装中冷器，排气管上支出连通大气的废气控制管，废气控制管上安装废气控制阀，中冷器和压气机之间的进气管上支出连通大气的空气控制管，空气控制管上安装空气控制阀，压气机出口处安装压力传感器，废气涡轮与液力耦合器连接的轴上安装转速传感器；

(1)非增压模式

发动机功率﹤85％额定功率时，启动非增压模式：同时打开空气控制阀和废气控制阀，并切断液力耦合器中的油液供应，空气通过空气控制阀由大气进入柴油机缸内，排气通过废气控制阀排出大气；

(2)增压模式

发动机功率≥85％额定功率时，启动增压模式：同时关闭空气控制阀和废气控制阀，并向液力耦合器注入≥95％的循环工作油量；

当P≥0.35MPa或R≥30000r/min时，抽走50％循环油，降低液力耦合器输出轴的转速；

当P＜0.35MPa或R＜30000r/min时，加大循环油量至95％，提高液力耦合器输出轴的转速。

本发明的优势在于：通过控制阀的开启和关闭快捷实现柴油机增压和非增压工作方式；当柴油机处于怠速或低工况时，由控制阀将增压系统转换为非增压模式，减少进气阻力，使柴油机进气更顺畅，整机效率更高。当柴油机处于中高工况时，控制器利用控制阀转为增压模式，通过液力耦合器调节压气机的转速，从而根据既定的控制策略实现闭环的转速或压力调节，实现柴油机与废气涡轮增压器的全工况优化匹配。柴油机在采用柔性增压系统后，可以实现低工况下的大扭矩输出，高工况下转速保护，提高整机的效率以及降低全工况下的燃油消耗量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

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，本发明种柴油机柔性增压系统，包括柴油机、废气涡轮增压器、中冷器、压力传感器、转速传感器、空气控制阀、废气控制阀及ECU控制器。空气控制阀9安装在压气机7出口与中冷器10入口之间，一端与进气管相连，另一端与大气相连；废气控制阀2安装在废气涡轮3入口与柴油机1排气口之间，一端与排气管相连，另一端与大气相连；废气涡轮3与压气机7之间通过液力耦合器6柔性连接；压力传感器4安装在压气机出7口处；转速传感器8安装在废气涡轮3上；空气控制阀9、废气控制阀2以及液力耦合器6的控制通过ECU控制器5实现。

压力传感器4采集压气机7出口压力信号，并反馈到ECU控制器5；转速传感器8采集废气涡轮3的转速信号，并反馈到ECU控制器5；

ECU控制器5根据反馈的实时转速、压力信号调节控制空气控制阀9和废气控制阀2的开启和关闭；

ECU控制器5根据反馈的实时转速、压力信号调节液力耦合器6的循环工作油量，从而改变传递转矩和转速，控制压气机7的转速，实现柴油机与废气涡轮增压器的全工况优化匹配。

在柴油机运行过程中，ECU控制器5根据发动机的运行参数，实现非增压/增压模式的切换：同时采集压力传感器8信号P、转速传感器4信号R，根据既定的控制策略实现闭环的转速或压力调节。

1、非增压模式

低工况时，启动非增压模式。同时打开空气控制阀9和废气控制阀2，并切断液力耦合器6中的油液供应，空气通过空气控制阀9由大气进入柴油机1缸内，排气通过废气控制阀排出大气，进气阻力和排气阻力都较小，有利于发动机燃烧。

2、增压模式

发动机功率≥85％额定功率时，启动增压模式。同时关闭空气控制阀和废气控制阀，并向液力耦合器注入≥95％的循环工作油量；

当P≥0.35MPa或R≥30000r/min时，抽走50％循环油，降低液力耦合器输出轴的转速，从而达到降低压气机转速的目的。

当P＜0.35MPa或R＜30000r/min时，加大循环油量至95％，提高液力耦合器输出轴的转速，从而达到提高压气机转速的目的。

图1中箭头方向为气体流动方向。

本发明主要柴油机的“柔性”增压系统进行保护。即在中冷器10入口和压气机7出口之间加装空气控制阀9，在柴油机1排气口和废气涡轮3之间加装废气控制阀2，其中涡轮增压器中废气涡轮3通过液力耦合器6与压气机7“柔性”连接。可以使柴油机在怠速时切换为非增压模式，改善怠速时的进气效率，实现低工况下的大扭矩输出，在中高速时，实现转速保护，提高整机的效率以及降低全工况下的燃油消耗量。

一种柴油机柔性增压系统，包括柴油机本体、废气涡轮增压器、中冷器、压力传感器、转速传感器、空气控制阀、废气控制阀及ECU控制器。空气控制阀安装在压气机出口与中冷器入口之间，一端与进气管相连，另一端与大气相连；废气控制阀安装在废气涡轮入口与柴油机排气口之间，一端与排气管相连，另一端与大气相连；废气涡轮与压气机之间通过液力耦合器柔性连接；压力传感器安装在压气机出口处；转速传感器安装在废气涡轮上；空气控制阀、废气控制阀以及液力耦合器的控制通过ECU控制器实现。

涡轮增压器中废气涡轮与压气机通过液力耦合器柔性连接，有助于通过柔性调节压气机的压力或转速，实现柴油机与废气涡轮增压器的全工况优化匹配。

在中冷器入口和压气机出口之间加装空气控制阀，在柴油机排气口和废气涡轮之间加装废气控制阀，通过两个控制阀实现“增压”和“非增压”工作方式的切换。

压力传感器采集压气机出口压力信号，并反馈到ECU控制器；转速传感器采集废气涡轮的转速信号，并反馈到ECU控制器；ECU控制器根据反馈的实时转速、压力信号调节控制空气控制阀和废气控制阀的开启和关闭；

ECU控制器根据反馈的实时转速、压力信号调节液力耦合器的循环工作油量，从而改变传递转矩和转速，控制压气机的转速，实现柴油机与废气涡轮增压器的全工况优化匹配。

一种柴油机柔性增压系统控制方法，包括柴油机本体、废气涡轮增压器、中冷器、压力传感器、转速传感器、空气控制器、废气控制器及ECU控制器。空气控制阀安装在压气机出口与中冷器入口之间，一端与进气管相连，另一端与大气相连；废气控制阀安装在废气涡轮入口与柴油机排气口之间，一端与排气管相连，另一端与大气相连；压力传感器安装在压气机出口处，负责采集压气机的实时出口压力信号；转速传感器安装在废气涡轮上，负责采集废气涡轮的实时转速信号；废气涡轮与压气机之间通过液力耦合器柔性连接；ECU控制通过接受压力传感器和转速传感器的信号，控制空气控制阀、废气控制阀的开启和关闭、同时控制液力耦合器的传递力矩。通过空气控制、废气控制阀以及液力耦合器可以实现柴油机的非增压模式与增压模式的切换。

ECU控制器采集压力传感器信号P、转速传感器信号R，根据既定的控制策略实现闭环的转速或压力调节，并实现非增压/增压模式的切换：

1、非增压模式

低工况时，启动非增压模式。同时打开空气控制阀和废气控制阀，并切断液力耦合器中的油液供应，空气通过空气控制阀由大气进入柴油机缸内，排气通过废气控制阀排出大气，由此完成柴油机的自然吸气工作过程。

2、增压模式

发动机功率≥85％额定功率时，启动增压模式。同时关闭空气控制阀和废气控制阀，并向液力耦合器注入≥95％的循环工作油量；

当P≥0.35MPa或R≥30000r/min时，抽走50％循环油，降低液力耦合器输出轴的转速，从而达到降低压气机转速的目的。

当P＜0.35MPa或R＜30000r/min时，加大循环油量至95％，提高液力耦合器输出轴的转速，从而达到提高压气机转速的目的。

本发明主要是利用液力耦合器的柔性连接，改变涡轮增压器的增压压力。并利用控制阀切换进气模式，即增压模式和非增压模式，液力耦合器也称液力联轴器，是一种以液体为工作介质的一种非刚性联轴器。液力耦合器的泵轮和涡轮组成一个可使液体循环流动的密闭工作腔，泵轮装在输入轴上，涡轮装在输出轴上。动力机即废气涡轮增压器的涡轮带动输入轴旋转时，液体被离心式泵轮甩出。这种高速液体进入涡轮后即推动涡轮旋转，将从泵轮获得的能量传递给输出轴。最后液体返回泵轮，形成周而复始的流动。液力偶合器靠液体与泵轮、涡轮的叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。液力偶合器输入轴与输出轴间靠液体联系，工作构件间不存在刚性联接。液力偶合器的特点是：能消除冲击和振动；输出转速低於输入转速，两轴的转速差随载荷的增大而增加；过载保护性能和起动性能好，载荷过大而停转时输入轴仍可转动，不致造成动力机的损坏；当载荷减小时，输出轴转速增加直到接近於输入轴的转速，使传递扭矩趋于零。一般靠壳体自然散热，不需要外部冷却。

Claims (2)

1.柴油机柔性增压系统，其特征是：包括柴油机、废气涡轮、压气机，废气涡轮通过排气管连接柴油机，压气机通过进气管连接柴油机，废气涡轮和压气机之间通过液力耦合器相连，进气管上安装中冷器，排气管上支出连通大气的废气控制管，废气控制管上安装废气控制阀，中冷器和压气机之间的进气管上支出连通大气的空气控制管，空气控制管上安装空气控制阀，压气机出口处安装压力传感器，废气涡轮与液力耦合器连接的轴上安装转速传感器。

2.柴油机柔性增压控制方法，其特征是：采用如下增压系统：包括柴油机、废气涡轮、压气机，废气涡轮通过排气管连接柴油机，压气机通过进气管连接柴油机，废气涡轮和压气机之间通过液力耦合器相连，进气管上安装中冷器，排气管上支出连通大气的废气控制管，废气控制管上安装废气控制阀，中冷器和压气机之间的进气管上支出连通大气的空气控制管，空气控制管上安装空气控制阀，压气机出口处安装压力传感器，废气涡轮与液力耦合器连接的轴上安装转速传感器；

(1)非增压模式

发动机功率﹤85％额定功率时，启动非增压模式：同时打开空气控制阀和废气控制阀，并切断液力耦合器中的油液供应，空气通过空气控制阀由大气进入柴油机缸内，排气通过废气控制阀排出大气；

(2)增压模式

发动机功率≥85％额定功率时，启动增压模式：同时关闭空气控制阀和废气控制阀，并向液力耦合器注入≥95％的循环工作油量；

当P≥0.35MPa或R≥30000r/min时，抽走50％循环油，降低液力耦合器输出轴的转速；

当P＜0.35MPa或R＜30000r/min时，加大循环油量至95％，提高液力耦合器输出轴的转速。