CN110500174A - 一种并联式电动增压系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种并联式电动增压系统，包括发动机本体、涡轮增压器、电动压气机，涡轮增压器包括一号压气机与涡轮，电动压气机包括集成了电控单元的电机与二号压气机，一号压气机、二号压气机的进气口分别经一号阀、二号阀后与进气管气路连接，一号压气机、二号压气机的出气口依次经中冷器、进气歧管后与发动机本体气路连接，排气歧管经涡轮后与排气管气路连接，排气歧管与排气管之间设有与涡轮并联的旁通管路，旁通管路上设置有旁通阀；低速工况时，电动压气机进行增压，废气通过旁通管路排出；中高速工况时，涡轮增压器进行增压，废气通过涡轮排出。本设计不仅提升了发动机的低速扭矩、改善了发动机的低速动态响应性，而且提升了涡轮增压器的工作效率。

Description

一种并联式电动增压系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及发动机涡轮增压系统，尤其涉及一种并联式电动增压系统及其控制方法，主要适用于提升发动机低速扭矩、改善发动机低速动态响应性、提升涡轮增压器工作效率。
背景技术
现有发动机涡轮增压系统中，大气通过涡轮增压器的压气机增压后进入发动机中冷器，冷却后的增压气体进入气缸进行燃烧做功，做功后的废气通过排气歧管进入涡轮机膨胀做功，同时带动增压器的运转，最终通过后处理系统排出。常见的涡轮增压器主要有三种，FGT（Fixed Gate Turbocharger）固定截面增压器、WGT（Waste Gate Turbocharger）废气旁通阀式增压器和VGT（Variable Geometry Turbocharger）可变截面式增压器。FGT主要是不可调控的增压器；WGT 主要是由压气机压力控制旁通阀的开启与关闭，当压力太大时，部分发动机废气需要通过旁通阀排出；VGT主要是通过喷嘴环位置在打开与关闭之间无限制的变化使得涡流流道出口面积、增压压力等实现可调。涡轮增压器的结构决定了它不可能同时兼顾低速工况和高速工况，WGT废气旁通阀式增压器为了改善发动机的低速性能，必须使用更小的涡壳来提高低速工况的空燃比，因此在高速工况时为了避免增压器超速和发动机爆压超限需要打开旁通阀进行放气。VGT可变截面式涡轮增压器低速性能比WGT稍好，但为了同时匹配低速与高速工况选型时需要折中考虑；WGT和VGT的动态响应性较差。
中国专利，授权公告号为CN203098040U，授权公告日为2013年7月31日的实用新型公开了一种发动机复合增压系统，包括相互并联的涡轮增压器和电动增压器，电动增压器包括第一压气机、电机和电控单元，第一压气机由电机驱动，电机则受与发动机ECU连接的电控单元控制，通过读取发动机参数控制电机的工作，电动增压器还包括设置在第一压气机出气端的单向阀。虽然该实用新型中电动增压器与涡轮增压器并联，但是电动增压器与涡轮增压器均没有单独工作的时候，涡轮增压器是一直在工作的，而电动增压器只在发动机低速工况时才与涡轮增压器一起工作，起到补气的作用，因此，上述设计使得发动机低速扭矩不足、发动机低速动态响应慢、涡轮增压器工作效率低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的发动机低速扭矩不足、发动机低速动态响应慢、涡轮增压器工作效率低且增压器低速易喘振高速易超速的缺陷与问题，提供一种发动机低速扭矩充足、发动机低速动态响应快、且能同时兼顾发动机中高速工况下使涡轮增压器工作效率更高的并联式电动增压系统及其控制方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种并联式电动增压系统，包括发动机本体、中冷器、涡轮增压器、电动压气机，所述涡轮增压器包括机械连接的一号压气机与涡轮，所述一号压气机的出气口依次经中冷器、进气歧管后与发动机本体气路连接，所述涡轮的进气口经排气歧管后与发动机本体气路连接，涡轮的出气口与排气管气路连接，所述电动压气机包括机械连接的集成了电控单元的电机与二号压气机；
所述并联式电动增压系统还包括与涡轮并联设置的旁通管路，所述旁通管路的一端经排气歧管后与发动机本体气路连接，旁通管路的另一端与排气管气路连接，旁通管路上设置有旁通阀，所述二号压气机的进气口经二号阀后与进气管气路连接，二号压气机的出气口依次经中冷器、进气歧管后与发动机本体气路连接，所述进气管经一号阀后与一号压气机的进气口气路连接。
所述一号阀、二号阀均为电磁阀。
所述旁通阀为电控蝶阀。
所述涡轮增压器为固定截面增压器或者废气旁通阀式增压器。
一种并联式电动增压系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
当发动机处于低速工况时，断开一号阀，接通二号阀和旁通阀，电机控制二号压气机工作，此时，空气依次经进气管、二号阀、二号压气机的进气口后进入二号压气机，二号压气机对空气进行压缩，压缩后的空气依次经二号压气机的出气口、中冷器、进气歧管后进入发动机本体，发动机本体的废气依次经排气歧管、旁通管路后进入排气管；
当发动机处于中高速工况时，接通一号阀，断开二号阀和旁通阀，发动机本体的废气经排气歧管、涡轮的进气口后进入涡轮，涡轮驱动一号压气机工作，此时，空气依次经进气管、一号阀、一号压气机的进气口后进入一号压气机，一号压气机对空气进行压缩，压缩后的空气依次经一号压气机的出气口、中冷器、进气歧管后进入发动机本体，发动机本体的废气依次经排气歧管、涡轮后进入排气管。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种并联式电动增压系统及其控制方法中旁通管路与涡轮并联设置，旁通管路的一端经排气歧管后与发动机本体气路连接，旁通管路的另一端与排气管气路连接，旁通管路上设置有旁通阀，二号压气机的进气口经二号阀后与进气管气路连接，二号压气机的出气口依次经中冷器、进气歧管后与发动机本体气路连接，进气管经一号阀后与一号压气机的进气口气路连接；上述增压系统匹配原则为低速工况匹配合适的电动压气机，中高速工况匹配合适的涡轮增压器，这样的设计使得发动机低速动态响应更快，且低速扭矩可以根据匹配需要实现明显提升，同时，可以使中高速工况下的涡轮增压器工作在效率更高的区域。因此，本发明提升了发动机的低速扭矩、改善了发动机的低速动态响应性、提升了涡轮增压器的工作效率。
2、本发明一种并联式电动增压系统及其控制方法中一号阀、二号阀均为电磁阀，旁通阀为电控蝶阀，使得增压系统的控制简便、可靠性高；涡轮增压器为固定截面增压器或者废气旁通阀式增压器，有利于解决可变截面式增压器价格过高的问题，能节约成本。因此，本发明控制简便、可靠性高、成本低。
3、本发明一种并联式电动增压系统及其控制方法中电动压气机与涡轮增压器是分别单独工作的，当发动机处于低速工况时，断开一号阀，接通二号阀和旁通阀，电动压气机单独工作进行增压，废气通过旁通管路排出，整个进气不经过涡轮增压器；当发动机处于中高速工况时，接通一号阀，断开二号阀和旁通阀，电动压气机不工作，只通过涡轮增压器的压气机压缩空气，废气通过涡轮排出；上述设计不仅控制简便、可靠性高，而且提升了发动机的性能。因此，本发明不仅控制简便、可靠性高，而且提升了发动机的性能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中发动机万有特性运行工作区示意图。
图3是本发明中中高速工况改善后扭矩情况示意图。
图中：发动机本体1、进气歧管11、排气歧管12、中冷器2、涡轮增压器3、一号压气机31、涡轮32、电动压气机4、电机41、二号压气机42、排气管5、旁通管路6、旁通阀7、二号阀8、进气管9、一号阀10。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，一种并联式电动增压系统，包括发动机本体1、中冷器2、涡轮增压器3、电动压气机4，所述涡轮增压器3包括机械连接的一号压气机31与涡轮32，所述一号压气机31的出气口依次经中冷器2、进气歧管11后与发动机本体1气路连接，所述涡轮32的进气口经排气歧管12后与发动机本体1气路连接，涡轮32的出气口与排气管5气路连接，所述电动压气机4包括机械连接的集成了电控单元的电机41与二号压气机42；
所述并联式电动增压系统还包括与涡轮32并联设置的旁通管路6，所述旁通管路6的一端经排气歧管12后与发动机本体1气路连接，旁通管路6的另一端与排气管5气路连接，旁通管路6上设置有旁通阀7，所述二号压气机42的进气口经二号阀8后与进气管9气路连接，二号压气机42的出气口依次经中冷器2、进气歧管11后与发动机本体1气路连接，所述进气管9经一号阀10后与一号压气机31的进气口气路连接。
所述一号阀10、二号阀8均为电磁阀。
所述旁通阀7为电控蝶阀。
所述涡轮增压器3为固定截面增压器或者废气旁通阀式增压器。
一种并联式电动增压系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
当发动机处于低速工况时，断开一号阀10，接通二号阀8和旁通阀7，电机41控制二号压气机42工作，此时，空气依次经进气管9、二号阀8、二号压气机42的进气口后进入二号压气机42，二号压气机42对空气进行压缩，压缩后的空气依次经二号压气机42的出气口、中冷器2、进气歧管11后进入发动机本体1，发动机本体1的废气依次经排气歧管12、旁通管路6后进入排气管5；
当发动机处于中高速工况时，接通一号阀10，断开二号阀8和旁通阀7，发动机本体1的废气经排气歧管12、涡轮32的进气口后进入涡轮32，涡轮32驱动一号压气机31工作，此时，空气依次经进气管9、一号阀10、一号压气机31的进气口后进入一号压气机31，一号压气机31对空气进行压缩，压缩后的空气依次经一号压气机31的出气口、中冷器2、进气歧管11后进入发动机本体1，发动机本体1的废气依次经排气歧管12、涡轮32后进入排气管5。
本发明的原理说明如下：
考虑到现有常用涡轮增压器通常无法兼顾高速工况和低速工况，设计了一种电动压气机与涡轮增压器的并联式增压系统，大气通过进气系统进入，电动压气机和涡轮增压器并联布置，低速工况时，由于电动压气机低速响应快，这时断开一号阀，接通二号阀，进气通过二号压气机增压进入发动机后，打开旁通阀，通过旁通管路进行排气；中高速工况时，需要较大的涡轮增压器，电动压气机不能满足，此时断开二号阀，接通一号阀，且断开旁通阀，成为常用的涡轮增压发动机使用。
增压系统匹配原则为低速工况匹配合适的电动压气机，中高速工况匹配一个合适的涡轮增压器，万有特性运行工作区如图2所示，这样低速响应更快，且低速扭矩可以根据匹配需要实现明显提升，使用户在起步加速和低速爬坡工况有更好的用户体验；同时，中高速工况匹配一个合适的涡轮增压器，一方面，使用WGT或FGT取代VGT的话，有利于解决VGT价格过高的问题，能节约成本；另一方面，只匹配中高速的涡轮增压器效率更高，如图3所示，有利于进气量的提升，利于发动机性能提升，在保证发动机扭矩的同时能有效改善油耗，更好的实现发动机的节能减排。
本设计优点：1、可以解决发动机低速扭矩不足的问题，让客户在低速爬坡路况时感受到发动机动力充足；2、可以解决发动机低速动态响应慢的问题，让客户在起步加速时感受到更快的动态响应性；3、可以解决VGT价格过高的问题，采用WGT甚至FGT替代VGT与电动压气机配合运行，节约成本；4、合理匹配增压器可以使中高速全工况的涡轮增压器工作在效率更高的区域，有利于进气量的提升，在保证发动机扭矩的同时能有效改善油耗，实现节能减排。
实施例：
参见图1，一种并联式电动增压系统，包括发动机本体1、中冷器2、涡轮增压器3、电动压气机4，所述涡轮增压器3包括机械连接的一号压气机31与涡轮32，所述一号压气机31的出气口依次经中冷器2、进气歧管11后与发动机本体1气路连接，所述涡轮32的进气口经排气歧管12后与发动机本体1气路连接，涡轮32的出气口与排气管5气路连接，所述电动压气机4包括机械连接的集成了电控单元的电机41与二号压气机42；所述并联式电动增压系统还包括与涡轮32并联设置的旁通管路6，所述旁通管路6的一端经排气歧管12后与发动机本体1气路连接，旁通管路6的另一端与排气管5气路连接，旁通管路6上设置有旁通阀7，所述二号压气机42的进气口经二号阀8后与进气管9气路连接，二号压气机42的出气口依次经中冷器2、进气歧管11后与发动机本体1气路连接，所述进气管9经一号阀10后与一号压气机31的进气口气路连接；所述一号阀10、二号阀8均为电磁阀；所述旁通阀7为电控蝶阀；所述涡轮增压器3为固定截面增压器或者废气旁通阀式增压器。
按上述方案，一种并联式电动增压系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
当发动机处于低速工况时，断开一号阀10，接通二号阀8和旁通阀7，电机41控制二号压气机42工作，此时，空气依次经进气管9、二号阀8、二号压气机42的进气口后进入二号压气机42，二号压气机42对空气进行压缩，压缩后的空气依次经二号压气机42的出气口、中冷器2、进气歧管11后进入发动机本体1，发动机本体1的废气依次经排气歧管12、旁通管路6后进入排气管5；
当发动机处于中高速工况时，接通一号阀10，断开二号阀8和旁通阀7，发动机本体1的废气经排气歧管12、涡轮32的进气口后进入涡轮32，涡轮32驱动一号压气机31工作，此时，空气依次经进气管9、一号阀10、一号压气机31的进气口后进入一号压气机31，一号压气机31对空气进行压缩，压缩后的空气依次经一号压气机31的出气口、中冷器2、进气歧管11后进入发动机本体1，发动机本体1的废气依次经排气歧管12、涡轮32后进入排气管5。

Claims (5)

1.一种并联式电动增压系统，包括发动机本体(1)、中冷器(2)、涡轮增压器(3)、电动压气机(4)，所述涡轮增压器(3)包括机械连接的一号压气机(31)与涡轮(32)，所述一号压气机(31)的出气口依次经中冷器(2)、进气歧管(11)后与发动机本体(1)气路连接，所述涡轮(32)的进气口经排气歧管(12)后与发动机本体(1)气路连接，涡轮(32)的出气口与排气管(5)气路连接，所述电动压气机(4)包括机械连接的集成了电控单元的电机(41)与二号压气机(42)，其特征在于：
所述并联式电动增压系统还包括与涡轮(32)并联设置的旁通管路(6)，所述旁通管路(6)的一端经排气歧管(12)后与发动机本体(1)气路连接，旁通管路(6)的另一端与排气管(5)气路连接，旁通管路(6)上设置有旁通阀(7)，所述二号压气机(42)的进气口经二号阀(8)后与进气管(9)气路连接，二号压气机(42)的出气口依次经中冷器(2)、进气歧管(11)后与发动机本体(1)气路连接，所述进气管(9)经一号阀(10)后与一号压气机(31)的进气口气路连接。
2.根据权利要求1所述的一种并联式电动增压系统，其特征在于：所述一号阀(10)、二号阀(8)均为电磁阀。
3.根据权利要求1所述的一种并联式电动增压系统，其特征在于：所述旁通阀(7)为电控蝶阀。
4.根据权利要求1所述的一种并联式电动增压系统，其特征在于：所述涡轮增压器(3)为固定截面增压器或者废气旁通阀式增压器。
5.一种权利要求1所述的并联式电动增压系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：
当发动机处于低速工况时，断开一号阀(10)，接通二号阀(8)和旁通阀(7)，电机(41)控制二号压气机(42)工作，此时，空气依次经进气管(9)、二号阀(8)、二号压气机(42)的进气口后进入二号压气机(42)，二号压气机(42)对空气进行压缩，压缩后的空气依次经二号压气机(42)的出气口、中冷器(2)、进气歧管(11)后进入发动机本体(1)，发动机本体(1)的废气依次经排气歧管(12)、旁通管路(6)后进入排气管(5)；
当发动机处于中高速工况时，接通一号阀(10)，断开二号阀(8)和旁通阀(7)，发动机本体(1)的废气经排气歧管(12)、涡轮(32)的进气口后进入涡轮(32)，涡轮(32)驱动一号压气机(31)工作，此时，空气依次经进气管(9)、一号阀(10)、一号压气机(31)的进气口后进入一号压气机(31)，一号压气机(31)对空气进行压缩，压缩后的空气依次经一号压气机(31)的出气口、中冷器(2)、进气歧管(11)后进入发动机本体(1)，发动机本体(1)的废气依次经排气歧管(12)、涡轮(32)后进入排气管(5)。
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