CN108691639A - 一种两级涡轮增压系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两级涡轮增压系统，该系统通过余热回收系统驱动低压级涡轮，低压级涡轮与低压级压气机之间设有联轴器。内燃机低速工况下，联轴器连接，通过回收缸套水余热为低压级涡轮提供动力，采用两级涡轮增压实现进气增压；内燃机高速工况下，联轴器断开，仅由高压级涡轮增压实现进气增压，而通过低压级涡轮将缸套水、排气、增压空气、工质乏汽能量转化为有效功输出或发电或作为车辆的辅助动力。该系统不仅可解决涡轮增压内燃机低速扭矩小的问题，改善内燃机低速动力性，而且取消原有散热器风扇，减少能量损失，用余热回收系统进行车辆热管理，可实现内燃机全工况下余热能量的有效回收利用，改善内燃机燃油经济性。

Description

一种两级涡轮增压系统
技术领域
本发明涉及涡轮增压器技术领域，尤其涉及一种两级涡轮增压系统。
背景技术
增压技术可提高内燃机的动力性及经济性。内燃机运行工况多变，其转速范围是从最低稳定转速到额定转速，甚至更高，其负荷变化可以从零到满负荷，直至冒烟极限，要使增压内燃机有良好的性能，就必须使涡轮增压器与内燃机有良好的匹配。
涡轮增压器与内燃机匹配时，设计点的选择通常会造成两种结果：如果高速配合，则会造成内燃机在低速时增压空气压力不足，扭矩特性显著变坏，如果低速配合，则内燃机在大负荷工况下增压空气压力过高，增压器超速。
目前国内外研究人员对涡轮增压器本身及增压系统不断进行改进，出现了多种解决方案，主要有两条途径，一是改变涡轮增压器本身结构，如排气旁通阀、可变几何截面涡轮等，二是改变增压系统结构，如进排气旁通、顺序增压、两级增压等。这些技术均在涡轮增压器与内燃机的匹配上取得了良好效果，然而，为同时兼顾高速和低速性能，不可避免的存在折中与能量浪费问题，这是由于受到低速时排气能量不足造成增压空气压力不足的限制。如果能克服低速扭矩差的问题，将进一步改善涡轮增压内燃机的扭矩特性。
内燃机正常运转后，冷却系统随即正常工作，受限于当前内燃机技术，通常内燃机冷却系统所含能量约占燃料燃烧总热量的20％以上，如果能够将这部分能量回收利用，在内燃机低速工况下推动一个涡轮做功，配合原有排气驱动的涡轮增压器，则可改善低速工况下涡轮增压内燃机扭矩差的问题。
本发明基于上述技术现状和研究思路，提出一种内燃机余热驱动的两级涡轮增压系统，用以改善涡轮增压内燃机低速性能。同时在此基础上优化余热回收系统，用以实现涡轮增压内燃机高速工况时余热能的有效利用。通过对国内外相关的专利检索和分析，申请人未发现与本发明特征相近的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种两级涡轮增压系统，克服涡轮增压内燃机低速扭矩差的问题。
为了实现上述目的，本发明提出的一种两级涡轮增压系统的基本结构是，包括内燃机、中冷器、高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器，所述高压级涡轮增压器采用同轴相连的高压级压气机和高压级涡轮构成；所述低压级涡轮增压器由低压级压气机和低压级涡轮构成；所述高压级压气机与所述低压级压气机串联，所述高压级压气机通过所述中冷器的增压空气侧连接至所述内燃机，所述两级增压系统的低压级涡轮由余热回收系统驱动，所述余热回收系统包括依次串联的冷却器、工质罐、压缩机和缸套水换热器，所述压缩机的出口连接至所述缸套水换热器的工质侧进口，所述缸套水换热器的工质侧出口经过所述低压级涡轮后连接至所述冷却器的工质侧进口；所述内燃机的缸套水经出水管后进入所述缸套水换热器的缸套水侧经过充分换热后经过回水管进入内燃机缸套；所述低压级涡轮与低压级压气机之间还设有联轴器。
本发明两级涡轮增压系统根据实际可以对上述基本方案进一步优化，从而在改善内燃机低速扭矩性能的同时实现内燃机余热能在全工况范围内的高效回收利用。
本发明提出的另一种改进的技术方案是在上述基本方案的基础上将所述压缩机的出口连接至所述中冷器的二次流体侧的进口，所述中冷器二次流体侧的出口连接至所述缸套水换热器的工质侧进口，所述缸套水换热器的工质侧出口连接至所述低压级涡轮。
本发明提出的两级涡轮增压系统，无论是基本的技术方案还是改进的技术方案中，通过增加烟气换热器实现内燃机排气余热能量的利用，即所述缸套水换热器的工质侧出口与低压级涡轮之间还设有烟气换热器，所述内燃机的排气经所述高压级涡轮后连接至所述烟气换热器的烟气侧进口，所述烟气侧出口连接至大气环境或是连接至内燃机后处理系统。
通过增加中间换热器实现低压级涡轮出口工质乏汽能量的回收，即所述缸套水换热器的工质侧出口与烟气换热器之间还设有中间换热器，工质经由所述低压级涡轮后依次连接至所述中间换热器的低压工质侧和冷却器，所述缸套水换热器的工质侧出口连接至所述中间换热器的高压工质侧进口，从而使得低压级涡轮出口的低压工质进入所述中间换热器内与所述缸套水换热器排出的高压工质换热后进入所述冷却器。
本发明提出的两级涡轮增压系统的工作过程为：在内燃机高速工况下，联轴器断开连接，只采用高压级涡轮增压器实现进气增压，而低压级涡轮将回收的内燃机余热转化为有效功输出或发电或作为车辆的辅助动力；在内燃机低速工况下，联轴器连接，低压级涡轮增压器与高压级涡轮增压器同时工作实现进气增压。
本发明的有益效果是：
本发明所述系统集成了两级涡轮增压系统与内燃机余热回收系统，且在低压级涡轮与低压级压气机之间设有联轴器，通过余热回收系统回收内燃机余热后的高温高压工质推动低压级涡轮旋转，内燃机低速工况时联轴器连接，实现与高压级涡轮增压器的串联式进气增压，内燃机高速工况时联轴器断开，通过低压级涡轮实现内燃机余热能转化为输出功。对于车辆来说，安装该系统不仅可以改善涡轮增压内燃机低速扭矩性能，而且可以实现内燃机全工况的余热利用，具有显著的经济效益和应用前景。
附图说明
图1是本发明两级涡轮增压系统实施例1的结构示意图；
图2是本发明两级涡轮增压系统实施例2的结构示意图；
图3是本发明两级涡轮增压系统实施例3的结构示意图；
图4是本发明两级涡轮增压系统实施例4的结构示意图；
图5是本发明两级涡轮增压系统实施例5的结构示意图；
图6是本发明两级涡轮增压系统实施例6的结构示意图；
图中：
细实线为内燃机空气进气路径，点线为中冷器二次流体侧路径，虚线为内燃机排气路径，点划线为内燃机缸套水封闭循环路径，粗实线为余热回收系统动力循环工质路径；
1-内燃机，2-中冷器，3-高压级压气机，4-高压级涡轮，5-低压级压气机，6-低压级涡轮，7-冷却器，8-工质罐，9-压缩机，10-缸套水换热器，11-联轴器，12-烟气换热器，13-中间换热器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
实施例1
如图1所示，本发明提出的一种两级涡轮增压系统，其结构是：包括内燃机1、中冷器2、高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器，所述高压级涡轮增压器采用同轴相连的高压级压气机3和高压级涡轮4构成；所述低压级涡轮增压器由低压级压气机5和低压级涡轮6构成；所述高压级压气机3与所述低压级压气机5串联，所述高压级压气机3通过所述中冷器2的增压空气侧连接至所述内燃机1，所述两级增压系统的低压级涡轮6由余热回收系统驱动，所述余热回收系统包括依次串联的冷却器7、工质罐8、压缩机9和缸套水换热器10，所述压缩机9的出口连接至所述缸套水换热器10的工质侧进口，所述缸套水换热器10的工质侧出口经过所述低压级涡轮6后连接至所述冷却器7的工质侧进口；所述内燃机1的缸套水经出水管后进入所述缸套水换热器10的缸套水侧经过充分换热后经过回水管进入内燃机1缸套，形成封闭回路；所述低压级涡轮6与低压级压气机5之间还设有联轴器11。
上述实施例1的两级涡轮增压系统的工作过程为：工质罐8中工质经由压缩机9压缩增压后在缸套水换热器10中吸收内燃机缸套水余热形成高温高压工质气体，随后进入低压级涡轮6中膨胀，推动低压级涡轮6旋转。内燃机缸套水经由缸套水换热器10换热后进入内燃机1，形成封闭回路。在内燃机低速工况下，联轴器11连接，低压级涡轮带动低压级压气机旋转，实现进气的第一级增压，增压后的空气随即进入高压级压气机，实现进气的第二级增压。在内燃机高速工况下，联轴器11断开连接，只采用高压级涡轮增压器实现进气增压，而低压级涡轮6将回收的内燃机余热转化为有效功输出或发电或作为车辆的辅助动力。
本实施例1的特点是：内燃机低速工况下通过完全回收利用缸套水余热而由高温高压工质气体驱动低压级涡轮，联合高压级涡轮增压器改善涡轮增压器低速扭矩性能。内燃机高速工况下发挥余热回收系统功能，将内燃机余热转化为有效功输出或发电或作为车辆的辅助动力。所述系统在内燃机全工况下均能产生净收益。图1仅为本发明的基本构成，当实际应用时，需要增加阀门、管道、旁路系统及控制系统等，这些属于本领域的公知常识，在此不再赘述。
实施例2
为了进一步拓展内燃机高速工况下余热回收系统的性能，如图2所示，该实施例2的两级涡轮增压系统是在实施例1的基础上增加了烟气换热器12，以充分回收高压级涡轮4出口内燃机排气能量，即：所述缸套水换热器10的工质侧出口与低压级涡轮6之间还设有烟气换热器12，所述内燃机1的排气经所述高压级涡轮4后连接至所述烟气换热器12的烟气侧进口，所述烟气侧出口连接至大气环境或是连接至内燃机后处理系统，从而使涡后排气与工质换热。
上述实施例2系统的工作过程与实施例1基本相同，不同的区别仅为：从缸套水换热器10中吸收缸套水能量后的工质进入烟气换热器12回收内燃机排气余热能量，随后再进入低压级涡轮6膨胀做功。
实施例2的特点：该系统在高速工况下能充分利用排气能量，在改善涡轮增压低速扭矩性能的基础上，进一步拓展了余热回收系统在高速工况下的应用，实现内燃机余热能的高效利用，提高内燃机的动力性及经济性，技术适用性广。
实施例3
为了进一步回收膨胀做功后工质乏汽能量，如图3所示，实施例3的一种两级涡轮增压系统是在实施例2的基础上增加了中间换热器13，即：所述缸套水换热器10的工质侧出口与烟气换热器12之间还设有中间换热器13，工质经由所述低压级涡轮6后依次连接至所述中间换热器13的低压工质侧和冷却器7，所述缸套水换热器10的工质侧出口连接至所述中间换热器13的高压工质侧进口，从而使得低压级涡轮6出口的低压工质进入所述中间换热器13内与所述缸套水换热器10排出的高压工质换热后进入所述冷却器7，实现膨胀做功后工质乏汽能量的回收。
实施例3系统的工作过程与实施例2基本相同，不同仅为：从缸套水换热器10中吸收缸套水能量后的高压工质先进入中间换热器13再进入烟气换热器12，从低压级涡轮6膨胀做功后的工质进入中间换热器13后再进入冷却器7。
本实施例的特点是：根据余热回收系统性能优化常用方法，通过增加中间换热器以提升余热回收系统的输出功，通过回收涡轮出口工质的乏汽能量实现对能量的进一步利用。本实施例特别适用于通过增加中间换热器后余热回收系统输出功有显著提升的工质场合。
实施例4
图4示出了实现本发明两级涡轮增压系统的另一种实施方案，在实施例1技术方案的基础上将余热回收系统与中冷器2进一步集成，从而降低原中冷器2因采用空冷或水冷而增加的内燃机功耗。其具体结构是：包括内燃机1、中冷器2、高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器，所述高压级涡轮增压器采用同轴相连的高压级压气机3和高压级涡轮4构成；所述低压级涡轮增压器由低压级压气机5和低压级涡轮6构成；所述高压级压气机3与所述低压级压气机5串联，所述高压级压气机3通过所述中冷器2的增压空气侧连接至所述内燃机1，所述两级增压系统的低压级涡轮6由余热回收系统驱动，所述余热回收系统包括依次串联的冷却器7、工质罐8和压缩机9，所述压缩机9的出口连接至所述中冷器2的二次流体侧的进口，所述中冷器2二次流体侧的出口连接至所述缸套水换热器10的工质侧进口，所述缸套水换热器10的工质侧出口经过所述低压级涡轮6后连接至所述冷却器7的工质侧进口；所述内燃机1的缸套水经出水管后进入所述缸套水换热器10的缸套水侧经过充分换热后经过回水管进入内燃机1缸套；所述低压级涡轮6与低压级压气机5之间还设有联轴器11。
实施例4系统的工作过程与实施例1基本相同，不同仅为：经压缩机9压缩增压后的高压工质首先进入中冷器2吸收增压后高温空气能量后再进入缸套水换热器10，实现两级涡轮增压系统与余热回收系统的进一步集成。
本实施例4的特点是：内燃机增压系统中通常会安装中冷器以降低增压后的高温空气温度，提高进气量，获得更大的输出功率。常见的中冷器分为风冷式和水冷式，风冷式风扇耗功、水冷式缸套水泵耗功均给内燃机增加了功率损失。采用实施例4所述系统后，中冷器中增压空气直接由余热回收系统工质冷却，降低了内燃机功耗。
实施例5
如图5所示，在上述实施例4的基础上，所述缸套水换热器10的工质侧出口与低压级涡轮6之间还设有烟气换热器12，所述内燃机1的排气经所述高压级涡轮4后连接至所述烟气换热器12的烟气侧进口，所述烟气侧出口连接至大气环境或是连接至内燃机后处理系统。实施例5的工作过程和特点综合了上述实施例2和实施例4，在此不再赘述。
实施例6
如图6所示，在上述实施例5的基础上，所述缸套水换热器10的工质侧出口与烟气换热器12之间还设有中间换热器13，工质经由所述低压级涡轮6后依次连接至所述中间换热器13的低压工质侧和冷却器7，所述缸套水换热器10的工质侧出口连接至所述中间换热器13的高压工质侧进口，从而使得低压级涡轮6出口的低压工质进入所述中间换热器13内与所述缸套水换热器10排出的高压工质换热后进入所述冷却器7。实施例6的工作过程和特点综合了上述实施例3和实施例4，在此不再赘述。
本发明中，所述余热回收系统的工质是水、CO2和基于CO2的非共沸混合工质中的任何一种。
综上，本发明系统通过余热回收系统驱动低压级涡轮6，低压级涡轮6与低压级压气机5之间设有联轴器11。内燃机1低速工况下，联轴器11连接，通过回收缸套水余热为低压级涡轮6提供动力，采用两级涡轮增压实现进气增压；内燃机1高速工况下，联轴器11断开，仅由高压级涡轮4增压实现进气增压，而通过低压级涡轮6将缸套水、排气、增压空气、工质乏汽能量转化为有效功输出或发电或作为车辆的辅助动力。该系统不仅可解决涡轮增压内燃机低速扭矩小的问题，改善内燃机低速动力性，而且取消原有散热器风扇，减少能量损失，用余热回收系统进行车辆热管理，可实现内燃机全工况下余热能量的有效回收利用，改善内燃机燃油经济性。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内，如因余热回收系统采用工质的种类不同，压缩机9与冷却器7可能相应变形为工质泵与冷凝器。

Claims (7)

1.一种两级涡轮增压系统，包括内燃机(1)、中冷器(2)、高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器，所述高压级涡轮增压器采用同轴相连的高压级压气机(3)和高压级涡轮(4)构成；所述低压级涡轮增压器由低压级压气机(5)和低压级涡轮(6)构成；所述高压级压气机(3)与所述低压级压气机(5)串联，所述高压级压气机(3)通过所述中冷器(2)的增压空气侧连接至所述内燃机(1)，其特征在于：
所述两级增压系统的低压级涡轮(6)由余热回收系统驱动，所述余热回收系统包括依次串联的冷却器(7)、工质罐(8)、压缩机(9)和缸套水换热器(10)，所述压缩机(9)的出口连接至所述缸套水换热器(10)的工质侧进口，所述缸套水换热器(10)的工质侧出口经过所述低压级涡轮(6)后连接至所述冷却器(7)的工质侧进口；所述内燃机(1)的缸套水经出水管后进入所述缸套水换热器(10)的缸套水侧经过充分换热后经过回水管进入内燃机(1)缸套；所述低压级涡轮(6)与低压级压气机(5)之间还设有联轴器(11)。
2.根据权利要求1所述两级涡轮增压系统，其特征在于：所述缸套水换热器(10)的工质侧出口与低压级涡轮(6)之间还设有烟气换热器(12)，所述内燃机(1)的排气经所述高压级涡轮(4)后连接至所述烟气换热器(12)的烟气侧进口，所述烟气侧出口连接至大气环境或是连接至内燃机后处理系统。
3.根据权利要求2所述两级涡轮增压系统，其特征在于：所述缸套水换热器(10)的工质侧出口与烟气换热器(12)之间还设有中间换热器(13)，工质经由所述低压级涡轮(6)后依次连接至所述中间换热器(13)的低压工质侧和冷却器(7)，所述缸套水换热器(10)的工质侧出口连接至所述中间换热器(13)的高压工质侧进口，从而使得低压级涡轮(6)出口的低压工质进入所述中间换热器(13)内与所述缸套水换热器(10)排出的高压工质换热后进入所述冷却器(7)。
4.一种两级涡轮增压系统，包括内燃机(1)、中冷器(2)、高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器，所述高压级涡轮增压器采用同轴相连的高压级压气机(3)和高压级涡轮(4)构成；所述低压级涡轮增压器由低压级压气机(5)和低压级涡轮(6)构成；所述高压级压气机(3)与所述低压级压气机(5)串联，所述高压级压气机(3)通过所述中冷器(2)的增压空气侧连接至所述内燃机(1)，其特征在于：
所述两级增压系统的低压级涡轮(6)由余热回收系统驱动，所述余热回收系统包括依次串联的冷却器(7)、工质罐(8)和压缩机(9)，所述压缩机(9)的出口连接至所述中冷器(2)的二次流体侧的进口，所述中冷器(2)二次流体侧的出口连接至所述缸套水换热器(10)的工质侧进口，所述缸套水换热器(10)的工质侧出口经过所述低压级涡轮(6)后连接至所述冷却器(7)的工质侧进口；所述内燃机(1)的缸套水经出水管后进入所述缸套水换热器(10)的缸套水侧经过充分换热后经过回水管进入内燃机(1)缸套；所述低压级涡轮(6)与低压级压气机(5)之间还设有联轴器(11)。
5.根据权利要求4所述两级涡轮增压系统，其特征在于：所述缸套水换热器(10)的工质侧出口与低压级涡轮(6)之间还设有烟气换热器(12)，所述内燃机(1)的排气经所述高压级涡轮(4)后连接至所述烟气换热器(12)的烟气侧进口，所述烟气侧出口连接至大气环境或是连接至内燃机后处理系统。
6.根据权利要求5所述两级涡轮增压系统，其特征在于：所述缸套水换热器(10)的工质侧出口与烟气换热器(12)之间还设有中间换热器(13)，工质经由所述低压级涡轮(6)后依次连接至所述中间换热器(13)的低压工质侧和冷却器(7)，所述缸套水换热器(10)的工质侧出口连接至所述中间换热器(13)的高压工质侧进口，从而使得低压级涡轮(6)出口的低压工质进入所述中间换热器(13)内与所述缸套水换热器(10)排出的高压工质换热后进入所述冷却器(7)。
7.根据权利要求1至6任一所述两级涡轮增压系统，其特征在于：所述余热回收系统的工质是水、CO2和基于CO2的非共沸混合工质中的任何一种。
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