CN106481484A - 一种废气再循环增压系统及两级增压内燃机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种废气再循环增压系统及两级增压内燃机，属于内燃机领域，废气再循环增压系统包括废气再循环阀门系统，用于控制该废气再循环增压系统的废气进气量；废气再循环压气机，用于压缩废气，所述废气再循环压气机连接有用于给废气再循环提供压气动力的驱动电机；废气再循环混合器，用于将废气及空气混合；废气再循环阀门系统与废气再循环压气机连接，废气再循环压气机与废气再循环混合器连接，废气再循环混合器分别连接空气源和内燃机进气总管。两级增压内燃机包括内燃机增压系统和内燃机，还包括废气再循环增压系统。本发明相比现有的内燃机，具有更好的燃烧效率，内燃机输出功率更强，更加节能减排。

Description

一种废气再循环增压系统及两级增压内燃机

技术领域

本发明涉及内燃机领域，具体涉及一种废气再循环增压系统及两级增压内燃机。

背景技术

当今越来越多的发动机采用涡轮增压技术以应对当前日益严格的发动机排放法规的同时保证其有效输出功率。废气再循环技术(废气再循环)通过将内燃机排气引入进气再次参与缸内燃烧，可以降低燃烧温度和缸内混合气氧含量，进而降低NOx的生成与排放。两级增压技术通过两台涡轮增压器串联利用内燃机排气能量提高进气管压力，可以提高内燃机的功率密度和效率。

传统的两级增压废气再循环系统有高压废气再循环、中压废气再循环和低压废气再循环三种废气再循环回路，例如专利公开号为CN201513259U的一项发明创造公开了一种串联式两级增压发动机废气再循环多回路装置，包括发动机、高压级增压器、低压级增压器、高压级进气管、高压级排气管、高压级废气再循环管，中压级进气管、中压级排气管、中压级废气再循环管，低压级进气管、低压级排气管、低压级废气再循环管，三条废气再循环管路上分别置有控制阀。

上述专利文献所介绍的结构通过选择废气再循环回路单独或组合工作保证发动机在各工况下都获得足够的废气再循环流量，可以避免仅仅采用高压废气再循环回路时废气再循环率受限的问题，但是，仍然存在以下几点不足：

其一，上述专利文献所介绍的系统管路繁多、结构复杂、可靠性降低；

其二，在中高负荷由于进气压力大于排气压力而必须使用中压废气再循环和低压废气再循环回路，废气再循环率调节复杂且会消耗废气涡轮功；

其三，该专利无废气再循环废气与新鲜空气的混合装置，会导致废气再循环气体与新鲜空气混合不均匀，缸内燃烧局部恶化，内燃机效率降低；

其四，由于该专利无增压空气级间冷却，会导致增压系统效率低，进气量不足、柴油机燃烧不良、经济性降低、碳烟排放升高等问题。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明目的在于提供一种废气再循环增压系统及两级增压内燃机。

根据本发明的一个方面，提供了一种废气再循环增压系统，包括废气再循环阀门系统、废气再循环压气机和废气再循环混合器，废气再循环阀门系统安装在与废气再循环压气机相连通的管道上，以控制所述废气再循环压气机的进气量；所述废气再循环混合器的进气端分别连接所述废气再循环压气机和空气源，废气再循环压气机同轴连接有提供压气动力的驱动装置。废气再循环混合器，用于将废气及空气混合；此处废气再循环压气机压缩废气的意义在于增加废气压力和密度，提高废气压力和浓度，有利于增加废气能量转化效率；

此处，驱动装置带动废气再循环压气机为废气再循环气体提供增压压力，使其可以克服进气压力进入废气再循环混合器并提高废气浓度，在废气再循环混合器内废气与新鲜空气混合均匀后，通过进气总管进入内燃机气缸参与燃烧。并且，驱动电机可以通过根据废气再循环气体的进气口压力和流量调节废气再循环压气机转速，使废气再循环压气机在内燃机全工况内都具有较高的效率，进而减少驱动电机耗功、提高系统总效率。值得注意的是，驱动装置为转速可调电动机。

废气再循环阀门系统，由多个废气再循环阀门组成，用于控制该废气再循环废气增压系统的废气进气量，具体是控制进入废气再循环压气机的废气进气量；

由于废气温度较高，根据热胀冷缩的原理，进入废气再循环压气机的空气量较少，所以经废气再循环压气机压缩后的废气密度还是较小，为了解决这一问题，在废气再循环压气机与废气再循环阀门系统之间连接废气再循环冷却器，废气经废气再循环冷却器冷却后，气体收缩，所以进入废气再循环压气机的废气量增大，经废气再循环压气机压缩后废气密度大大增高。

根据本发明的另一个方面，提供了一种两级增压内燃机，该两级增压内燃机包括内燃机增压系统和气缸，还包括上述废气再循环增压系统，

内燃机增压系统位于空气源与所述气缸之间，气缸上分别设置有进气总管和排气总管；废气再循环混合器的出气端连接进气总管，废气再循环阀门系统所处的管路与排气总管相连通。

内燃机增压系统包括低压级压气机，低压级压气机的作用是将进入该内燃机增压系统的新鲜空气进行压缩，用以增加氧气浓度，由于低压级压气机对空气做功使空气温度增高，为了防止被增压后的空气从低压级压气机流出时膨胀，所以在低压级压气机出气口连接有级间冷却器，级间冷却器将被压缩空气降温，保证被压缩空气密度不会减小；

内燃机增压系统还包括低压级涡轮，低压级涡轮与低压级压气机同轴转动连接，所述低压级涡轮与所述排气总管连接，所述废气再循环阀门系统设置在排气总管的排气管路上，排气总管排出的废气推动低压级涡轮转动，由于低压级涡轮与低压级压气机同轴转动连接，所以低压级涡轮转动为低压级压气机提供动力。

内燃机增压系统还包括：

高压级压气机，高压级压气机一端连接有级间冷却器，高压级压气机另一端连接有中冷器，中冷器分别与高压级压气机和废气再循环混合器连接，高压级压气机和中冷器相互配合，在低压级压气机和级间冷却器的基础上，进一步对新鲜空气压缩做功，进一步增加了进入废气再循环混合器的含氧量，极大的增加了废气在气缸中燃烧做功的效率；

废气再循环混合器分别连接废气再循环压气机和进气总管，被冷却的高密度空气与废气在废气再循环混合器中充分混合均匀，然后进入气缸参与缸内燃烧，由于进气压力高，废气的含氧量高，进气量大，缸内充气系数大，混合气均匀且燃烧效率高，进而达到提高系统和内燃机效率、提高内燃机经济性的目的。

本发明的有益效果是：

1.本发明示例的的废气再循环增压系统及两级增压内燃机，实现了内燃机废气再循环参与缸内燃烧，不仅减少了燃料的消耗，而且减少了尾气污染物，具有节能减排的优点，相比现有技术的增压式内燃机，节能减排效果更佳突出；

2.本发明示例的废气再循环增压系统及两级增压内燃机，分别通过低压废气再循环阀、中压废气再循环阀以及高压废气再循环阀调整不同的废气再循环回路，以此提高废气再循环流量，并且可根据内燃机不同工况对EGR率的需求加以调节，进而提高系统总效率、有效降低内燃机排放；

3.本发明示例的两级增压内燃机，进排气旁通阀和高压级涡轮旁通阀可以根据内燃机全工况对不同的需求进行调节，既提高内燃机运行效率和又保证了内燃机的安全可靠性，提高内燃机使用寿命；

4.本发明示例的废气再循环增压系统及两级增压内燃机，设置废气再循环混合器使废气与新鲜空气均匀的混合，提高缸内燃烧效率，具有节能减排的优点；

5.本发明示例的两级增压内燃机，低压级压气机、级间冷却器、高压级压气机以及中冷器实现了进气空气的两级压缩和两级冷却，可提高压气机等熵效率，提高进气密度和压力，进而提高增压系统效率，进一步达到提高内燃机效率、提高内燃机经济性的目的。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例两级增压内燃机的结构示意图。

图中：1.气缸，2.排气总管，3.高压废气再循环阀，4.高压级涡轮，5.高压级涡轮旁通阀，6.中压废气再循环阀，7.低压废气再循环阀，8.低压级涡轮，9.低压级压气机，10.级间冷却器，11.高压级压气机，12.进排气旁通阀，13.中冷器，14.废气再循环混合器，15.进气总管，16.废气再循环冷却器，17.废气再循环压气机，18.驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，一种废气再循环增压系统，该废气再循环增压系统包括：废气再循环阀门系统，用于控制该废气再循环废气增压系统的废气进气量；废气再循环压气机17，用于压缩废气，废气再循环压气机17连接有用于给废气再循环提供压气动力的驱动电机18；废气再循环混合器14，用于将废气及空气混合；废气再循环阀门系统与废气再循环压气机17连接，废气再循环压气机17与所述废气再循环混合器14连接，废气再循环混合器14分别连接空气源和内燃机进气总管15。废气再循环压气机17与废气再循环阀门系统之间连接有废气再循环冷却器16。

如图1所示，一种两级增压内燃机，该两级增压内燃机包括内燃机增压系统和内燃机，还包括废气再循环废气增压系统，所述的内燃机包括：气缸1，气缸1分别设置有进气总管15和排气总管2；

内燃机增压系统包括低压级压气机9、级间冷却器10、高压级压气机11和中冷器13，沿内燃机进气方向，低压级压气机9连接级间冷却器10，级间冷却器10连接高压级压气机11，高压级压气机11连接中冷器13，中冷器13连接废气再循环混合器14，废气再循环混合器14与进气总管15连接；

内燃机增压系统还包括高压级涡轮4和低压级涡轮8，沿内燃机排气方向，内燃机的排气总管2连接高压级涡轮4，高压级涡轮4连接低压级涡轮8；

其中，高压级压气机11和低压级压气机9分别与高压级涡轮4和低压级涡轮8同轴转动。

废气再循环阀门系统包括低压废气再循环阀7，低压废气再循环阀7一端与低压级涡轮8出气口连接，低压废气再循环阀7另一端与废气再循环冷却器16连接。废气再循环阀门系统还包括中压废气再循环阀6，中压废气再循环阀6一端与高压级涡轮4的出气口连接，中压废气再循环阀6另一端与废气再循环冷却器16连接。废气再循环阀门系统还包括高压废气再循环阀3，高压废气再循环阀3一端与排气总管2连接，高压废气再循环阀3另一端与废气再循环冷却器16连接。

高压级涡轮4进气口与高压级压气机11出气口之间连接有进排气旁通阀12。高压级涡轮4进气口与所述低压级涡轮8进气口之间连接有高压级涡轮旁通阀5。所述的废气再循环混合器14为三通结构，分别连接所述中冷器13、进气总管15以及废气再循环压气机17。

该两级增压内燃机工作过程为：着火启动后，气缸1开始工作做功：

一方面，内燃机开始从外部吸收空气，空气首先进入到低压级压气机9中进行一级压缩，空气经一级压缩后然后进入到级间冷却器10中进行一级冷却，经一级冷却后的空气进入到级间冷却器10中进行一级冷却后进入高压级压气机11进行二级压缩，然后进入到中冷器13进行二级冷却，空气经二级冷却后进入到废气再循环混合器14；

另一方面，气缸1内燃烧产生的废气经排气总管2输送到高压级涡轮4处并吹动高压级涡轮4旋转，然后流过高压级涡轮4的废气继续吹动低压级涡轮8旋转，然后废气会通过高压废气再循环阀3、中压废气再循环阀6或高级废气再循环阀的调节进入到废气再循环冷却器16中，废气冷却后再经废气再循环压气机17压缩后进入到废气再循环混合器14中；

此时，在废气再循环混合器14中，空气和废气均匀混合后经进气总管15进入到气缸1中，使废气在气缸1中进行二次燃烧做功。

其中，当内燃机需要较小的废气流量时，可以通过开启并调节高压废气再循环阀3形成高压废气再循环回路，使废气经过高压废气再循环阀3调节至要求的流量进入废气再循环冷却器16中；

当内燃机需要较中的废气流量时，可以通过开启并调节中压废气再循环阀6形成中压废气再循环回路，使废气经过中压废气再循环阀6调节至要求的流量进入废气再循环冷却器16中；

当内燃机需要较大的废气流量时，可以通过开启并调节低压废气再循环阀7形成低压废气再循环回路，使废气经过低压废气再循环阀7调节至要求的流量进入废气再循环冷却器16中；

同时，为了实时保护内燃机工作稳定，增加内燃机使用寿命，进排气旁通阀12和高压级涡轮旁通阀5会根据具体内燃机的工况进行调节，其详细的工作过程为：

当内燃机运行在低工况时，可以通过开启并调节进排气旁通阀12，以此提高内燃机在低速工况时进气总管15的进气压力，改善内燃机性能，优化内燃机全工况运行效率，进一步达到提高系统和内燃机效率、提高内燃机经济性。

当内燃机运行在高工况时，可以通过开启并调节高压级涡轮旁通阀5，以此来降低内燃机高工况时通过高压级涡轮4的废气流量，进而防止高级压气机对空气增压过大。所以，通过这种调节可以控制空气增压度的大小，防止因空气压力过高使内燃机机械负荷过高。

值得注意的是，废气再循环混合器优选用文丘里管，文丘里管具有压差大的优点，可以提高废气由排气系统进入废气再循环混合器时的空气流速，使废气更顺畅的进入混合器，进而提高废气与空气均匀混合的效果。

上述废气再循环混合器不仅限于采用文丘里管，还可以替换耐热容腔等其他三通结构。

上述内燃机的气缸不仅限于说明书附图中所示的直列分布，还可替换V型分布等其他类型的内燃机。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种废气再循环增压系统，其特征是，包括废气再循环阀门系统、废气再循环压气机和废气再循环混合器，所述废气再循环阀门系统安装在与所述废气再循环压气机相连通的管道上，以控制所述废气再循环压气机的进气量；所述废气再循环混合器的进气端分别连接所述废气再循环压气机和空气源，所述废气再循环压气机连接有提供压气动力的驱动装置。

2.根据权利要求1所述的废气再循环增压系统，其特征是，所述的废气再循环压气机与所述废气再循环阀门系统之间连接有废气再循环冷却器。

3.一种两级增压内燃机，其特征是，包括通过管路相连接的内燃机增压系统和气缸，还包括权利要求1或2所述的废气再循环增压系统；

所述内燃机增压系统位于所述空气源与所述气缸之间，所述气缸上分别设置有进气总管和排气总管；所述废气再循环混合器的出气端连接所述进气总管，所述废气再循环阀门系统所处的管路与所述排气总管相连通。

4.根据权利要求3所述的两级增压内燃机，其特征是，所述内燃机增压系统包括低压部件和高压部件，所述高压部件位于所述低压部件和所述气缸之间；所述低压部件包括同轴连接的低压级压气机和低压级涡轮，所述高压部件包括同轴连接的高压级压气机和高压级涡轮，低压压气机和高压压气机之间设有级间冷却器。

5.根据权利要求4所述的两级增压内燃机，其特征是，所述高压级压气机通过所述废气再循环混合器与所述进气总管相连通，所述高压级涡轮与所述排气总管相连通；在高压级压气机和废气再循环混合器之间设有中冷器。

6.根据权利要求4或5所述的两级增压内燃机，其特征是，所述的废气再循环阀门系统包括低压废气再循环阀，所述低压废气再循环阀安装在所述低压级涡轮的出气口和所述废气再循环冷却器之间。

7.根据权利要求6所述的两级增压内燃机，其特征是，所述的废气再循环阀门系统还包括中压废气再循环阀，所述中压废气再循环阀一端通过管路连接在低压级涡轮和高压级涡轮之间，所述中压废气再循环阀另一端连接到与废气再循环压气机相连接的管路上。

8.根据权利要求7所述的两级增压内燃机，其特征是，所述的废气再循环阀门系统还包括高压废气再循环阀，所述高压废气再循环阀一端连接在所述高压级涡轮的进气口处，所述高压废气再循环阀另一端连接到与废气再循环压气机相连接的管路上。

9.根据权利要求8所述的两级增压内燃机，其特征是，所述高压级压气机出气口和高压级涡轮进气口之间设置有进排气旁通阀，在高压级涡轮进气口和低压级涡轮进气口之间设置有高压级涡轮旁通阀。

10.根据权利要求9所述的两级增压内燃机，其特征是，所述废气再循环压气机与废气再循环混合器通过排气管路相连接，废气再循环混合器的另两端连接在内燃机的进气总管上。