CN107605588A - 补燃egr结合电辅助涡轮技术的两级增压系统结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供补燃EGR结合电辅助涡轮技术的两级增压系统结构及其控制方法，进气通道EGR工作段与排气通道EGR工作段之间分别通过补燃通道和EGR通道相连通，补燃通道上自排气总管向进气总管上依次安装补燃废气单向阀、补燃燃烧室、补燃EGR单向阀，EGR通道上安装EGR单向阀，高压级涡轮通过离合同步装置连接动力涡轮，动力涡轮通过切换装置分别连接电动机和发电机。本发明实现了由一个补燃室两个单向控制阀来进行补燃废气补充以及补燃EGR的两个功能，既极大地改善了高增压柴油机的低速大扭矩特性，以及对EGR率的控制同样有效的降低了NOx排放，并且通过电辅助涡轮技术对废气能量的存储与释放，也降低了补燃技术固有的燃油消耗的增量，改善了经济性。

Description

补燃EGR结合电辅助涡轮技术的两级增压系统结构及其控制 方法

技术领域

本发明涉及的是一种柴油机结构，具体地说是柴油机增压结构。

背景技术

传统的旁通补燃增压柴油机尽管有良好的低转速大扭矩特性,但它是通过补燃来实现的,油耗提高，其经济性大大降低.而发动机的耗气特性与柴油机转速大致成线性关系,发动机转速降低,通过柴油机的空气量减少,通过旁通系统的旁通空气量增加.因此单纯应用补燃技术实现高增压柴油机的低速大扭矩特性，转速越低，油耗量越大，其经济性越差。对于两级增压柴油机，增压压比很高，在负荷较高时进气量较大，并且燃烧温度高，NOx的排放问题较明显，而对于高增压柴油机来说，进气压力在高工况时一般高于排气压力，不利于能够有效减少NOx的排放的EGR措施的实现。而补燃技术的运用则可以改善这一问题，在排气压力不足以进行EGR时，适当辅之以部分补燃燃气来配合实现EGR。对于补燃技术，其较高的燃油消耗是阻碍其发展的关键所在，而电辅助涡轮技术的引入则可以极大改善这一问题。在高负荷时不再将增压器部分旁通，代之以将涡轮与外接电机的动力涡轮相连接，带动发电机运转，将多余废气能量转化为电能储存起来，当电能达到一定量时候，切换为电动机模式，在低负荷时代替补燃系统来驱动增压器工作，减少了额外油耗量，更加充分地利用了排气能量。

发明内容

本发明的目的在于提供改善高增压发动机的低负荷大扭矩特性，以及中高负荷下NO_x排放问题的补燃EGR结合电辅助涡轮技术的两级增压系统结构及其控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明补燃EGR结合电辅助涡轮技术的两级增压系统结构，包括柴油机、进气总管、排气总管、高压级压气机、高压级涡轮、低压级压气机、低压级涡轮，柴油机分别连通进气总管和排气总管，进气总管通过进气通道依次连通高压级压气机、低压级压气机，排气总管通过排气通道依次连接高压级涡轮、低压级涡轮，其特征是：进气总管与高压级压气机之间的进气通道为进气通道EGR工作段，排气总管与高压级涡轮之间的排气通道为排气通道EGR工作段，进气通道EGR工作段与排气通道EGR工作段之间分别通过补燃通道和EGR通道相连通，补燃通道上自排气总管向进气总管上依次安装补燃废气单向阀、补燃燃烧室、补燃EGR单向阀，EGR通道上安装EGR单向阀，高压级涡轮通过离合同步装置连接动力涡轮，动力涡轮通过切换装置分别连接电动机和发电机。

本发明补燃EGR结合电辅助涡轮技术的两级增压系统结构还可以包括：

1、低压级压气机进口前的进气通道与高压级压气机进口前的进气通道通过低压级压气机旁通通道相通，低压级压气机旁通通道上设置低压级压气机旁通阀，低压级涡轮出口后的排气通道与高压级涡轮出口后的排气通道通过低压级涡轮旁通通道相通，低压级涡轮旁通通道上设置低压级涡轮旁通阀。

2、低压级压气机出口处设置低压级压气机后中冷器，高压级压气机出口处设置高压级压气机后中冷器。

补燃EGR结合电辅助涡轮技术的两级增压系统控制方法，其特征是：

当柴油机开始运行或者低负荷时，开启低压级涡轮旁通阀与低压级压气机旁通阀，高压级压气机与高压级涡轮投入工作，补燃燃烧室与补燃废气单向阀也投入工作，空气经低压级压气机旁通阀、高压级压气机、高压级压气机后中冷器经进气总管后进入柴油机的气缸参与燃烧，生成的废气经排气总管、高压级涡轮和低压级旁通阀后进入大气环境，补燃废气经过高压级涡轮和低压级旁通阀后进入大气环境；

当柴油机由低负荷向中低负荷过渡时，补燃燃烧室与补燃废气单向阀退出工作，开启低压级涡轮旁通阀与低压级压气机旁通阀，高压级涡轮和高压级压气机投入工作，空气经低压级压气机旁通阀、高压级压气机、高压级压气机后中冷器经进气总管后进入柴油机的气缸参与燃烧，生成的废气经排气总管、高压级涡轮和低压级旁通阀后进入大气环境；

当柴油机处于中高负荷时，关闭低压级涡轮旁通阀与低压级压气机旁通阀，开启EGR单向阀，空气经低压级压气机、低压级压气机后中冷器、高压级压气机、高压级压气机后中冷器和进气总管后进入柴油机的气缸参与燃烧，生成的废气经排气总管后，一路经高压级涡轮、低压级涡轮后进入大气，另一路经EGR单向阀后与下一循环的空气混合再次进入气缸，将EGR单向阀两端的压差信号传给ECU，ECU计算出该工况下所需的EGR率以及实际EGR率的差值，将信号传给补燃EGR单向阀，产生的废气进入进气总管与空气一起进入缸内参与燃烧反应，当排气压力大于进气压力时，同样将压差信号传给ECU，ECU控制补燃EGR单向阀退出工作；

当柴油机在中高负荷的基础上继续增加负荷时，将高压级涡轮通过离合同步装置与发电机相连接，当柴油机重新处于启动阶段或处于低负荷时，高压级涡轮通过离合同步装置与电动机相连接，通过动力涡轮以及离合同步装置辅助提供涡轮动力代替补燃燃烧室和补燃废气单向阀。

本发明的优势在于：本发明具备了传统的补燃旁通增压柴油机的优势，在此基础上对补燃系统进行了改进，既能实现在低负荷工况实现低速大扭矩特性，在中高负荷有可以辅助进行EGR控制以降低NOx的排放，在中高负荷以上时候排气能量超出发动机的进气需求量的时候，本发明通过将废气涡轮通过离合同步装置(包括联轴器)19与外接电机(包括电动机16、发电机17和蓄电装置等)相连接，并将电机切换到发电机模式(将电动机与发电机的切换装置20切换到发电机一侧)，将多余的排气能量以转化为电能的形式储存起来，如此进行若干循环后发电机储存电量达到一定值后，若发动机仍需工作在较低负荷下，则不再使用补燃装置来辅助驱动涡轮，而是将外接电机切换到电动机模式(将电动机与发电机的切换装置20切换到电动机一侧)，代替补燃废气来驱动增压器涡轮运转来提升低速扭矩。此外，对于高增压柴油机来说，进排气压力波动幅度很大，尤其是在负荷切换的瞬态过程，进排气压差变动更大，甚至会出现EGR废气倒流的情况影响发动机的性能。本发明则在EGR单向阀前后加装了压力传感器，在故本发明在EGR单向阀的前后加装压力传感器21，并实时将压差信号传递给ECU18，ECU对该信号进行分析处理并通过执行机构将补燃EGR投入使用，其补燃废气量是为该时刻工况所需EGR废气量与实际EGR废气量的差值。所以，该装置实现了由一个补燃室两个单向控制阀来进行补燃废气补充以及补燃EGR的两个功能，既极大地改善了高增压柴油机的低速大扭矩特性，以及对EGR率的控制同样有效的降低了NOx排放，并且通过电辅助涡轮技术对废气能量的存储与释放，也降低了补燃技术固有的燃油消耗的增量，改善了经济性。

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，本发明装置包括：柴油机1、进气总管2、排气总管3、高压级压气机后中冷器4、高压级压气机5、低压级压气机后中冷器6、低压级压气机7、低压级涡轮8、低压级涡轮旁通阀9、低压级压气机旁通阀10、高压级涡轮11、补燃废气单向阀12、补燃燃烧室13、补燃EGR单向阀14、外接电机的动力涡轮15、电动机16、发电机17、电控单元ECU18、离合同步装置(包括联轴器)19、电动机与发电机的切换装置20、EGR单向阀前后压力传感器21、EGR单向阀22、变频器23。柴油机1两端分别通过进气歧管与进气总管2相连接，通过排气歧管与排气总管3相连接，进气总管2一路连接增压系统的压气机端，顺次为高压级压气机后中冷器4、高压级压气机5、低压级压气机后中冷器6，低压级压气机7，一路与补燃系统的EGR单向阀出口相连接，排气总管3一路连接增压系统的涡轮端，顺次为高压级涡轮11、低压级涡轮8，低压级涡轮旁通阀9并联在低压级涡轮8一侧，低压级压气机旁通阀10并联在低压级7一侧，EGR单向阀连接在高压级涡轮11前的排气管与高压级压气机后中冷器4之间。此外，高压级涡轮11外侧通过离合同步装置(包括联轴器)与动力涡轮15相联系，动力涡轮另一侧的电动机与发电机的切换装置(换向阀)20通过其在A、B两个连接点之间的切换完成对动力涡轮驱动发电机16储存部分废气能量或者驱动被电动机17驱动进而辅助带动高压级增压器转动从而提高低负荷的进气量。控制单元ECU通过变频器分别与电动机16和发电机17相连接，以控制该装置切换到发电机或电动机的模式。控制单元ECU18与各个传感器之间的信号传输路线为图1中的虚线，虚线a-a-a为电控单元ECU与低压级涡轮旁通阀9之间的信号传输路线；虚线b-b-b为电控单元ECU与低压级压气机旁通阀10之间的信号传输路线；虚线c-c-c为电控单元ECU与补燃EGR单向阀14之间的信号传输路线；虚线d-d-d为电控单元ECU与补燃废气单向阀12之间的信号传输路线；虚线e-e-e和f-f-f为电控单元ECU与EGR单向阀前后压力传感器21之间的信号传输路线。

柴油机1两端分别通过进气歧管与进气总管2相连接，通过排气歧管与排气总管3相连接，进气总管2一路连接增压系统的压气机端，顺次为高压级压气机后中冷器4、高压级压气机5、低压级压气机后中冷器6，低压级压气机7，一路与补燃系统的EGR单向阀出口相连接，排气总管3一路连接增压系统的涡轮端，顺次为高压级涡轮11、低压级涡轮8，低压级涡轮旁通阀9并联在低压级涡轮8一侧，低压级压气机旁通阀10并联在低压级7一侧，EGR单向阀连接在高压级涡轮11前的排气管与高压级压气机后中冷器4之间。此外，高压级涡轮11外侧通过离合同步装置(包括联轴器)与动力涡轮15相联系，动力涡轮另一侧的电动机与发电机的切换装置(换向阀)20通过其在A、B两个连接点之间的切换完成对动力涡轮驱动发电机16储存部分废气能量或者驱动被电动机17驱动进而辅助带动高压级增压器转动从而提高低负荷的进气量，电控单元18通过变频器23分别与电动机16与发电机17相连接。

当柴油机开始运行并且处于怠速暖机工况或者较低负荷时，增压系统只有高压级压气机5与高压级涡轮11投入工作即低压级涡轮旁通阀9与低压级压气机旁通阀7均开启，由于此时的废气能量不足，所以补燃废气辅助系统(由补燃燃烧室13与补燃废气单向阀12组成)也投入工作，其补充废气量可由ECU18计算得到并通过执行器控制补燃废气辅助系统输出，使得在低负荷工况时的排气能量足以提供该负荷下发动机所需的进气量，优化了高增压发动机低负荷的扭矩特性。该过程的气路循环是这样的：新鲜空气经低压级压气机旁通阀10、高压级压气机5、高压级压气机后中冷器4和经进气歧管和进气总管2后进入柴油机1的气缸参与燃烧。生成的废气经排气歧管和排气总管3、高压级涡轮11和低压级旁通阀9后进入大气环境，另一路补燃废气同样经过高压级涡轮11和低压级旁通阀9后进入大气环境。

当柴油机由低负荷向中低负荷过渡时，排气能量已经足够供给涡轮增压器运转从而为柴油机提供足够进气量时，补燃废气辅助系统关闭并退出工作，此时增压系统仍然只有高压级涡轮11和高压级压气机5投入工作，即低压级涡轮旁通阀9与低压级压气机旁通阀10均开启。该过程的气路循环是这样的：新鲜空气经低压级压气机旁通阀10、高压级压气机5、高压级压气机后中冷器4和经进气歧管和进气总管2后进入柴油机1的气缸参与燃烧。生成的废气经排气歧管和排气总管3、高压级涡轮11和低压级旁通阀9后进入大气环境。

当柴油机处于中高负荷时，只有高压级压气机5与高压级涡轮11投入工作已经不能够满足柴油机正常工作所需的空气量了，所以要将低压级涡轮8和低压级压气机7投入工作，即低压级涡轮旁通阀9与低压级压气机旁通阀10均关闭。由于进气量的增加幅度较大，缸内燃烧温度的增加，满足了NOx生成的两个必要条件——高温、富氧。所以此时需要进行EGR来控制NOx排放。此时应适当开启EGR单向阀22，其开度由ECU18经计算得到，随负荷的增加而增加。该过程的气路循环是这样的：新鲜空气经低压级压气机7、低压级压气机后中冷器6、高压级压气机5、高压级压气机后中冷器4、进气歧管和进气总管2后进入柴油机1的气缸参与燃烧。而后生成的废气经排气歧管和排气总管3后，一路经高压级涡轮11、低压级涡轮8后进入大气，一路经EGR单向阀22后与下一循环的新鲜空气混合再次进入气缸。但是，由于高增压柴油机进排气的波动幅度比较大，虽然在中高负荷排气压力一般高于进气压力，但是由于波动的幅度较大，很可能出现进气压力高于排气压力的情况，虽然EGR阀为单向阀可以防止进气流入排气管，但却会影响EGR率控制的准确性，此时安装在EGR单向阀两端的压力传感器21则会将阀前后的压差信号转化为电信号传给ECU18，ECU计算出该工况下所需的EGR率以及实际EGR率的差值，将信号传给执行器控制补燃EGR端14开始投入工作，产生适当废气进入进气管与新鲜充量一起进入缸内参与燃烧反应，当排气压力大于进气压力时，压力传感器21同样将压差信号传给ECU18，然后ECU通过执行器控制控制补燃EGR端14停止燃烧并退出工作。这样实现了EGR率的精确控制，优化了高增压柴油机较高负荷的排放问题。

当柴油机负荷继续增加并接近全负荷工况时，排气能量已经超出柴油机所需，以往的控制方法都是将低压级的旁通阀打开从而使部分废气不经低压级涡轮8直接进入大气环境，这样会使相当一部分排气能量损失掉。本发明是将高压级涡轮11的外端通过离合同步装置(包括联轴器)19与外接电机(包括电动机16、发电机17和蓄电装置等)相连接，并将外接电机切换到发电机模式(将电动机与发电机的切换装置20切换到发电机一侧)，这样可以使燃烧废气的能量得到充分的利用，并转换成电能存储起来。当进行若干个工作循环后，蓄电装置的电量达到一定值时，若柴油机仍需工作在低负荷(或者重新启动)，将外接电机切换到电动机模式(将电动机与发电机的切换装置20切换到电动机一侧)，通过动力涡轮15以及离合同步装置(包括联轴器)19辅助提供涡轮动力(同步装置的初始转速为ECU通过计算该负荷下柴油机所需增压器转速而得到的)代替补燃装置。这样，不仅使得废气的能量得到更加充分的利用，还降低了补燃装置的投入使用量，降低了油耗，也满足了经济性要求。

本发明不仅使补燃旁通的良好的低速大扭矩特性得到了保持提高了高增压柴油机的低速的动力性，还使得补燃系统能够参与到EGR率的精确控制，降低了NOx排放，并且结合电辅助涡轮技术时废气能量得到更加充分地利用，提高了高增压发动机的综合性能。

Claims (4)

1.补燃EGR结合电辅助涡轮技术的两级增压系统结构，包括柴油机、进气总管、排气总管、高压级压气机、高压级涡轮、低压级压气机、低压级涡轮，柴油机分别连通进气总管和排气总管，进气总管通过进气通道依次连通高压级压气机、低压级压气机，排气总管通过排气通道依次连接高压级涡轮、低压级涡轮，其特征是：进气总管与高压级压气机之间的进气通道为进气通道EGR工作段，排气总管与高压级涡轮之间的排气通道为排气通道EGR工作段，进气通道EGR工作段与排气通道EGR工作段之间分别通过补燃通道和EGR通道相连通，补燃通道上自排气总管向进气总管上依次安装补燃废气单向阀、补燃燃烧室、补燃EGR单向阀，EGR通道上安装EGR单向阀，高压级涡轮通过离合同步装置连接动力涡轮，动力涡轮通过切换装置分别连接电动机和发电机。

2.根据权利要去1所述的补燃EGR结合电辅助涡轮技术的两级增压系统结构，其特征是：低压级压气机进口前的进气通道与高压级压气机进口前的进气通道通过低压级压气机旁通通道相通，低压级压气机旁通通道上设置低压级压气机旁通阀，低压级涡轮出口后的排气通道与高压级涡轮出口后的排气通道通过低压级涡轮旁通通道相通，低压级涡轮旁通通道上设置低压级涡轮旁通阀。

3.根据权利要去1或2所述的补燃EGR结合电辅助涡轮技术的两级增压系统结构，其特征是：低压级压气机出口处设置低压级压气机后中冷器，高压级压气机出口处设置高压级压气机后中冷器。

4.补燃EGR结合电辅助涡轮技术的两级增压系统控制方法，其特征是：

当柴油机开始运行或者低负荷时，开启低压级涡轮旁通阀与低压级压气机旁通阀，高压级压气机与高压级涡轮投入工作，补燃燃烧室与补燃废气单向阀也投入工作，空气经低压级压气机旁通阀、高压级压气机、高压级压气机后中冷器经进气总管后进入柴油机的气缸参与燃烧，生成的废气经排气总管、高压级涡轮和低压级旁通阀后进入大气环境，补燃废气经过高压级涡轮和低压级旁通阀后进入大气环境；

当柴油机由低负荷向中低负荷过渡时，补燃燃烧室与补燃废气单向阀退出工作，开启低压级涡轮旁通阀与低压级压气机旁通阀，高压级涡轮和高压级压气机投入工作，空气经低压级压气机旁通阀、高压级压气机、高压级压气机后中冷器经进气总管后进入柴油机的气缸参与燃烧，生成的废气经排气总管、高压级涡轮和低压级旁通阀后进入大气环境；

当柴油机处于中高负荷时，关闭低压级涡轮旁通阀与低压级压气机旁通阀，开启EGR单向阀，空气经低压级压气机、低压级压气机后中冷器、高压级压气机、高压级压气机后中冷器和进气总管后进入柴油机的气缸参与燃烧，生成的废气经排气总管后，一路经高压级涡轮、低压级涡轮后进入大气，另一路经EGR单向阀后与下一循环的空气混合再次进入气缸，将EGR单向阀两端的压差信号传给ECU，ECU计算出该工况下所需的EGR率以及实际EGR率的差值，将信号传给补燃EGR单向阀，产生的废气进入进气总管与空气一起进入缸内参与燃烧反应，当排气压力大于进气压力时，同样将压差信号传给ECU，ECU控制补燃EGR单向阀退出工作；

当柴油机在中高负荷的基础上继续增加负荷时，将高压级涡轮通过离合同步装置与发电机相连接，当柴油机重新处于启动阶段或处于低负荷时，高压级涡轮通过离合同步装置与电动机相连接，通过动力涡轮以及离合同步装置辅助提供涡轮动力代替补燃燃烧室和补燃废气单向阀。