CN105782141B - 一种基于废气利用的二级增压柴油机液压装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于废气利用的二级增压柴油机液压装置及控制方法，包括供油泵、液压泵、减速齿轮、高压级涡轮增压器、低压级涡轮增压器、柴油机、第一液压马达、第二液压马达等，油管依次穿过液压泵、控制单元、第一液压马达、第二电磁阀、控制单元、液压泵并形成一个封闭的液压工作回路一；油管依次穿过液压泵、控制单元、第一电磁阀、第二液压马达、控制单元、液压泵并形成一个封闭的液压工作回路二。本发明一方面在低压级增压器切入时可以辅助其快速启动，另一方面解决在柴油机运行在高工况时增压比过高导致的柴油机燃烧变差、烟度排放增加等问题，同时为柴油机提供辅助推进动力。
Description
技术领域
本发明涉及一种液压装置，尤其涉及一种基于废气利用的二级增压柴油机液压装置及控制方法，特别适用于二级增压。
背景技术
两级涡轮增压技术兴起于20世纪40年代，它的主要设计目的是为了扩大柴油机增压比，进一步提高柴油机的功率。所谓二级涡轮增压，是将两台不同大小的涡轮增压器串联运行，开启经两级压气机压缩，并在低压级压缩后通过中冷器冷却，两台压气机可以由同轴或者不同轴的两台排气涡轮驱动。与单级涡轮增压系统相比，二级增压系统容易获得很高的增压压力、可以扩大运行范围，便于和柴油机进行匹配。
涡轮增压柴油机在加载和加速过程中存在着“涡轮迟滞”现象，其原因是燃油系统可以对加速加载做出快速反应，而足够的排气能量抵达涡轮的速度要慢得多，而且一部分能量还需要用来加速涡轮增压器本身，导致瞬态过程中任意时刻的增压压力要小于相应的稳态工况下的增压压力。进气量的不足使得缸内燃烧变差，有害排放物尤其是颗粒物(PM)大幅度增加。同样的，对于二级增压系统，在低压级增压器启动过程中也会产生“涡轮迟滞”现象，导致燃烧变差，排放恶化；另外，如果增压器与柴油机匹配的不好，在柴油机运行在额定工况时，可能导致增压比过高，柴油机的热负荷过高等问题，因此需要在额定工况时刻放掉一部分排气。目前在已授权或公布的专利中，涉及到柴油机液压装置尤其是二级增压柴油机的很少，如申请号为“2010102417764”的“柴油机液压式自适应气门正时可变系统与控制方法”，涉及一种内燃机气门正时液压式自适应可变系统，用于改善配气系统。申请号为“201110158442.5”的“柴油机液压起动储能装置”，涉及一种柴油机工作时可自动进行液压储能的装置。上述发明装置均涉及到柴油机液压利用装置，但都不是利用废气能量来辅助柴油机驱动装置，也没有运用于二级增压系统。
发明内容
本发明的目的是为了在低压级增压器切入时可以辅助其快速启动、解决在柴油机运行在高工况时增压比过高导致的柴油机燃烧变差、烟度排放增加等问题，同时为柴油机提供辅助推进动力而提供一种基于废气利用的二级增压柴油机液压装置及控制方法。
本发明的目的是这样实现的：包括供油泵、液压泵、减速齿轮、高压级涡轮增压器、低压级涡轮增压器、柴油机、第一液压马达、第二液压马达，第一液压马达安装在低压级增压器传动轴靠近压气机的外侧，在第一液压马达的出口和入口通过油路连接第一电磁阀，第二 液压马达安装在柴油机曲轴前端，在第二液压马达的出口和入口通过油路连接第二电磁阀，在液压泵的高压油出油口和低压油回油口之间通过油路连接控制单元，低压级涡轮增压器和高压级涡轮增压器串联后分别与柴油机的进气总管和排气总管连接，所述低压级涡轮增压器的涡轮并联有涡轮旁通阀、压气机并联有压气机旁通阀，压气机旁通阀上安装有气阀升程传感器，柴油机动力输出传动轴上安装有转速传感器，气阀升程传感器、转速传感器、第一电磁阀和第二电磁阀均与ECU连接。
一种基于废气利用的二级增压柴油机液压装置的控制方法，包括供油泵、液压泵、减速齿轮、高压级涡轮增压器、低压级涡轮增压器、柴油机、第一液压马达、第二液压马达，第一液压马达安装在低压级增压器传动轴靠近压气机的外侧，在第一液压马达的出口和入口通过油路连接第一电磁阀，第二液压马达安装在柴油机曲轴前端，在第二液压马达的出口和入口通过油路连接第二电磁阀，在液压泵的高压油出油口和低压油回油口之间通过油路连接控制单元，低压级涡轮增压器和高压级涡轮增压器串联后分别与柴油机的进气总管和排气总管连接，所述低压级涡轮增压器的涡轮并联有涡轮旁通阀、压气机并联有压气机旁通阀，压气机旁通阀上安装有气阀升程传感器，柴油机动力输出传动轴上安装有转速传感器，气阀升程传感器、转速传感器、第一电磁阀和第二电磁阀均与ECU连接，油管依次连接液压泵、控制单元、第一液压马达、第二电磁阀、控制单元、液压泵并形成封闭的液压工作回路一；油管依次连接液压泵、控制单元、第一电磁阀、第二液压马达、控制单元、液压泵并形成封闭的液压工作回路二。
(1)柴油机低速时，只有高压级涡轮增压器工作，第一电磁阀和第二电磁阀均关闭，液压装置不工作；
(2)柴油机高速时，低压级涡轮增压器切入时，第一电磁阀关闭，第二电磁阀开启，油料沿工作回路一流动；
(3)柴油机接近额定转速时，第二电磁阀关闭，第一电磁阀开启，油料沿工作回路二流动。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.油管依次连接液压泵、控制单元、第一液压马达、第二电磁阀、控制单元、液压泵并形成封闭的液压工作回路一；油管依次连接液压泵、控制单元、第一电磁阀、第二液压马达、控制单元、液压泵并形成封闭的液压工作回路二。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明一方面在低压级增压器切入时可以辅助其快速启动，另一方面解决在柴油机运行在高工况时增压比过高导致的柴油机燃烧变差、烟度排放增加等问题，同时为柴油机提供辅助推进动力。本发明特别适用于二级增压，能够解 决低压级增压器切换过程中由于“涡轮迟滞”导致缸内燃烧变差，有害排放物增加的问题，提高柴油机二级增压切换过程的平稳性。
附图说明
图1是本发明的二级增压柴油机涡轮液压系统结构示意图；
图2是本发明的ECU工作流程图；
图中：1-低压级涡轮增压器，2-涡轮旁通阀，3-高压级涡轮增压器，4-减速齿轮，5-液压泵，6-供油泵，7-油箱，8-柴油机传动装置，9-第二液压马达，10-转速传感器，11-ECU，12-第二电磁阀，13-第一电磁阀，14-第一液压马达，15-气阀升程传感器，16-压气机旁通阀(低压级)，17-控制单元，A、B、C、D是气缸，A1、B1、C1、D1是排气歧管，A2、B2、C2、D2是进气歧管，I、II分别是排气、进气总管。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明包括二级增压柴油机、液压泵5、减速齿轮4、液压马达、旁通阀、控制单元17、供油泵6、油管、传感器、ECU11等。液压泵5和减速齿轮4同轴安装在高压级增压器传动轴靠近涡轮的外侧。第一液压马达14安装在低压级增压器传动轴靠近压气机的外侧，在第一液压马达14的出口和入口通过油路连接第一电磁阀13；第二液压马达9安装在柴油机8曲轴前端，在第二液压马达9的出口和入口通过油路连接第二电磁阀12。在液压泵5的高压油出油口和低压油回油口之间通过油路连接控制单元17，油管依次穿过液压泵5、控制单元17、第一液压马达14、第二电磁阀12、控制单元17、液压泵5并形成一个封闭的液压工作回路一，构成单级增压向二级增压切换过程时刻的工作回路，其中第一液压马达14以前是高压油路，第一液压马达14以后是低压油路；油管依次穿过液压泵5、控制单元17、第一电磁阀13、第二液压马达9、控制单元17、液压泵5并形成一个封闭的液压工作回路二，构成二级增压时刻的工作回路，其中第二液压马达9以前是高压油路，第二液压马达9以后是低压油路；油管依次穿过液压泵5、控制单元17、第一电磁阀13、第二液压马达9、控制单元17、液压泵5并形成一个封闭的液压工作回路二。第一液压马达14安装在低压级增压器压气机旁通阀16上；转速传感器10安装在柴油机动力输出传动轴上。ECU11通过第一液压马达14采集低压级增压器压气机旁通阀16开启状态信号，对第一电磁阀13发送开启或关闭指令；ECU11通过转速传感器10采集柴油机实际转速信号，对第二电磁阀12发送开启或关闭指令。
结合图2ECU工作流程图，在低压级增压器涡轮增压器开始启动时，第一电磁阀13关闭、第二电磁阀12打开，液压装置工作回路一运行；在低压级增压器涡轮增压器启动完成以后，第一、第二电磁阀12全部打开，液压装置两个工作回路都不运行；在柴油机接近额定转速 90％时，第一电磁阀13打开、第二电磁阀12关闭，液压装置工作回路二运行。
液压装置工作回路一运行时，高压级增压器涡轮驱动液压泵5加压油料，被加压的高压油料可驱动第一液压马达14，带动低压级增压器压气机旋转，这样，一部分废气能量以液体压力的形式用于辅助低压级涡轮增压器1的快速启动。
液压装置工作回路二运行时，高压级增压器涡轮驱动液压泵5加压油料，被加压的高压油料可驱动第二液压马达9，带动柴油机动力输出轴旋转，这样，一部分废气能量以液体压力的形式用于柴油机的辅助推进动力。
液压装置工作回路二运行时，一部分废气能量以液体压力的形式用于柴油机的辅助推进动力，用于压缩空气的能量减少，二级增压系统增压比减小，防止增压系统的增压比过高。
当柴油机运行到一定转速，定压级增压器开始工作时，低压级增压器压气机旁通阀16处的第一液压马达14采集旁通阀的开始启动状态号传递给ECU11，ECU11传递给第一电磁阀13关闭指令，第一电磁阀13迅速关闭，液压装置工作回路一开始运行。
当低压级增压器完全启动时，低压级增压器压气机旁通阀16处的第一液压马达14采集旁通阀的完全启动状态号传递给ECU11，ECU11传递给第一电磁阀13开启指令，第一电磁阀13迅速开启，液压装置工作回路一停止运行。
当柴油机实际转速接近于额定转速的90％时，转速传感器10安装在柴油机动力输出传动轴上的转速传感器10，采集柴油机转速信号传递给ECU11，如果实际转速达到额定转速的90％，则ECU11传递给第二电磁阀12开启指令，第二电磁阀12选手开启，液压装置工作回路二开始运行。
由于液压油的可压缩性与压力温度变化的延时性，主控增压器转速与液压马达转速之间并不存在线性关系，导致液压泵5出口质量流率与液压马达进口质量流率有时并不匹配。故而需要在液压泵5与液压马达之间安装一个控制单元17，以平衡闭环油料质量流率。
由于液压泵5、液压马达、控制单元17等不可避免的会产生泄露，故而需要设置一个供油泵6抽取油箱7中的油料来弥补液压回路的损失。
另外，两个旁通阀由外部电源驱动，如轮机舱的主馈电线。
在低压级增压器压气机外侧安装第一液压马达14，有利于在低压级增压器切入时辅助其快速启动。
在柴油机取曲轴前端安装第二液压马达9，有利于在柴油机高工况为柴油机提供辅助推进力。
在高压级增压器传动轴靠近涡轮的外侧安装液压泵5和减速齿轮4，有利于在柴油机高工况时防止增压比过高。
转速传感器10安装在柴油机动力输出传动轴上，有利于实时监测柴油机的转速大小。第一液压马达14安装在低压级增压器压气机旁通阀16上，有利于实时监测低压级增压器压气机旁通阀16的开启状态。
通过第一液压马达14采集低压级增压器压气机旁通阀16的开启状态信号，ECU11可以控制第一电磁阀13的开启或关闭。
通过转速传感器10采集柴油机的转速信号，ECU11可以对比柴油机实际运行转速与柴油机额定转速的比例关系来决定第二电磁阀12的开启或关闭。
第一电磁阀13的开启或关闭状态由低压级增压器压气机旁通阀16的开启或关闭状态决定。
第二电磁阀12的开启或关闭状态由柴油机实际运行转速与柴油机额定转速的比例关系来决定。
在低压级增压器涡轮增压器开始启动时，第一电磁阀13关闭、第二电磁阀12打开，液压装置工作回路一运行；在低压级增压器涡轮增压器启动完成以后，第一、第二电磁阀12全部打开，液压装置两个工作回路都不运行；在柴油机接近额定转速90％时，第一电磁阀13打开、第二电磁阀12关闭，液压装置工作回路一运行。
液压装置工作回路一运行时，高压级增压器涡轮驱动液压泵5加压油料，被加压的高压油料可驱动第一液压马达14，带动低压级增压器压气机旋转，这样，一部分废气能量以液体压力的形式用于辅助低压级涡轮增压器1的快速启动。
液压装置工作回路二运行时，高压级增压器涡轮驱动液压泵5加压油料，被加压的高压油料可驱动第二液压马达9，带动柴油机动力输出轴旋转，这样，一部分废气能量以液体压力的形式用于柴油机的辅助推进动力。
液压装置工作回路二运行时，一部分废气能量以液体压力的形式用于柴油机的辅助推进动力，用于压缩空气的能量减少，二级增压系统增压比减小，防止增压系统的增压比过高。
当柴油机运行到一定转速，低压级增压器开始工作时，低压级增压器压气机旁通阀16处的第一液压马达14采集旁通阀的开始启动状态号传递给ECU11，ECU11传递给第一电磁阀13关闭指令，第一电磁阀13迅速关闭，液压装置工作回路一开始运行。
当低压级增压器完全启动时，低压级增压器压气机旁通阀16处的第一液压马达14采集旁通阀的完全启动状态号传递给ECU11，ECU11传递给第一电磁阀13开启指令，第一电磁阀13迅速开启，液压装置工作回路一停止运行。
当柴油机实际转速接近于额定转速的90％时，转速传感器10安装在柴油机动力输出传动轴上的转速传感器10，采集柴油机转速信号传递给ECU11，如果实际转速达到额定转速的 90％，则ECU11传递给第二电磁阀12关闭指令，第二电磁阀12迅速关闭，液压装置工作回路二开始运行。
供油泵6抽取油箱7中的油，为整个液压回路提供油料以弥补液压回路中的各项泄露。
Claims (2)
1.一种基于废气利用的二级增压柴油机液压装置，其特征在于：包括供油泵、液压泵、减速齿轮、高压级涡轮增压器、低压级涡轮增压器、柴油机、第一液压马达、第二液压马达，第一液压马达安装在低压级增压器传动轴靠近压气机的外侧，在第一液压马达的出口和入口通过油路连接第一电磁阀，第二液压马达安装在柴油机曲轴前端，在第二液压马达的出口和入口通过油路连接第二电磁阀，在液压泵的高压油出油口和低压油回油口之间通过油路连接控制单元，低压级涡轮增压器和高压级涡轮增压器串联后分别与柴油机的进气总管和排气总管连接，所述低压级涡轮增压器的涡轮并联有涡轮旁通阀、压气机并联有压气机旁通阀，压气机旁通阀上安装有气阀升程传感器，柴油机动力输出传动轴上安装有转速传感器，气阀升程传感器、转速传感器、第一电磁阀和第二电磁阀均与ECU连接；油管依次连接液压泵、控制单元、第一液压马达、第二电磁阀、控制单元、液压泵并形成封闭的液压工作回路一；油管依次连接液压泵、控制单元、第一电磁阀、第二液压马达、控制单元、液压泵并形成封闭的液压工作回路二。
2.一种基于废气利用的二级增压柴油机液压装置的控制方法，其特征在于：包括供油泵、液压泵、减速齿轮、高压级涡轮增压器、低压级涡轮增压器、柴油机、第一液压马达、第二液压马达，第一液压马达安装在低压级增压器传动轴靠近压气机的外侧，在第一液压马达的出口和入口通过油路连接第一电磁阀，第二液压马达安装在柴油机曲轴前端，在第二液压马达的出口和入口通过油路连接第二电磁阀，在液压泵的高压油出油口和低压油回油口之间通过油路连接控制单元，低压级涡轮增压器和高压级涡轮增压器串联后分别与柴油机的进气总管和排气总管连接，所述低压级涡轮增压器的涡轮并联有涡轮旁通阀、压气机并联有压气机旁通阀，压气机旁通阀上安装有气阀升程传感器，柴油机动力输出传动轴上安装有转速传感器，气阀升程传感器、转速传感器、第一电磁阀和第二电磁阀均与ECU连接，油管依次连接液压泵、控制单元、第一液压马达、第二电磁阀、控制单元、液压泵并形成封闭的液压工作回路一；油管依次连接液压泵、控制单元、第一电磁阀、第二液压马达、控制单元、液压泵并形成封闭的液压工作回路二，
(1)柴油机低速时，只有高压级涡轮增压器工作，第一电磁阀和第二电磁阀均关闭，液压装置不工作；
(2)柴油机高速时，低压级涡轮增压器切入时，第一电磁阀13关闭，第二电磁阀12开启，油料沿工作回路一流动；
(3)柴油机接近额定转速时，第二电磁阀12关闭，第一电磁阀13开启，油料沿工作回路二流动。
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