CN110878713A - 一种用于汽油机的复合涡轮增压系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于汽油机的复合涡轮增压系统，包括发动机、涡轮增压器和余热回收/辅助增压单元，涡轮增压器中第一压气机的排气口连接至发动机的进气端，发动机的排气端连接至涡轮增压器中第一涡轮机的进气口，第一涡轮机的排气口分别连接至废气排气管和余热回收/辅助增压单元，余热回收/辅助增压单元中第二压气机的排气口连接至第一压气机的进气口，余热回收/辅助增压单元中第二涡轮机的进气口与第一涡轮机的排气口连接，第二涡轮机的排气口连接至废气排气管。与现有技术相比，本发明在涡轮增压器基础上设置余热回收/辅助增压单元，能够有效解决发动机低速低扭矩的匹配和瞬态响应迟滞问题，并通过废气能量回收，以改善发动机的排放性能。

Description

一种用于汽油机的复合涡轮增压系统
技术领域
本发明涉及发动机及相关系统技术领域，尤其是涉及一种用于汽油机的复合涡轮增压系统。
背景技术
能源短缺和环境污染是当今汽车工业进一步发展亟待解决的两大问题，由于成本、可靠性和便捷性等因素的制约，现阶段新能源汽车还未得到大量应用，因此，目前条件下低能耗燃油车的研究仍具有现实意义。随着汽车动力装置对发动机动力性、经济性和排放要求的不断提高，增压系统由于能较好地解决以上问题而逐渐成为发动机技术的重要发展方向。
所谓增压，就是借助安装在发动机上的专用增压装置，预先压缩进入气缸的空气，通过提高进入气缸中的充气密度，以增加充气量。涡轮增压技术在发动机中的应用已有几十年的历史，但汽油机采用涡轮增压技术比柴油机晚得多。对于增压汽油机而言，当发动机处于低速时，由于排气能量较低容易造成起步加速时动力不足。采用废气旁通阀式增压器，使得汽油机在中高速时能够基本保持稳定的扭矩，从而有效防止涡轮增压器超速、爆震的问题，但废气旁通造成了一部分能量浪费。
此外，由于涡轮增压器与汽油机之间无机械功传递，而是以气动方式联系在一起，为了使增压器的供气量达到期望值，就需要克服涡轮增压器的转动惯量等惯性因素，由此会出现明显的涡轮“迟滞”效应，使发动机的瞬态响应性能差，进而影响发动机的动力、经济及排放性能。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于汽油机的复合涡轮增压系统，结合涡轮增压器和余热回收/辅助增压，以解决汽油机低速时的低扭矩问题和动态响应滞后问题、高速时的废气能量浪费问题，改善发动机性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于汽油机的复合涡轮增压系统，包括发动机、涡轮增压器和余热回收/辅助增压单元，所述涡轮增压器包括通过第一中间轴连接的第一压气机和第一涡轮机，所述第一压气机的排气口连接至发动机的进气端，所述发动机的排气端连接至第一涡轮机的进气口，所述第一涡轮机的排气口分别连接至废气排气管和余热回收/辅助增压单元，所述余热回收/辅助增压单元包括通过第二中间轴依次连接的第二压气机、第二离合器、电动/发电机、第一离合器和第二涡轮机，所述第二压气机的排气口连接至第一压气机的进气口，所述第二涡轮机的进气口与第一涡轮机的排气口连接，所述第二涡轮机的排气口连接至废气排气管。
进一步地，所述第一压气机的排气口依次通过第二进气管、中冷器和发动机进气管连接至发动机的进气端。
进一步地，所述发动机的排气端通过发动机排气管连接至第一涡轮机的进气口，所述第一涡轮机的排气口通过废气旁通管连接至第二涡轮机的进气口。
进一步地，所述废气旁通管上设置有废气旁通阀，所述废气旁通阀的一端连接至第一涡轮机的排气口，其另一端连接至第二涡轮机的进气口。
进一步地，所述电动/发电机的输入端连接有电控单元，所述电控单元用于控制电动/发电机的工作状态，所述电动/发电机的输出端连接有用于存储和释放电能的蓄电池。
进一步地，所述第二压气机的排气口通过第一进气管连接至第一压气机的进气口，所述第二压气机的进气口与排气口之间还连接有进气旁通管，所述进气旁通管上设置有电控阀门，所述电控阀门与电控单元相连接，由电控单元控制电控阀门的工作状态。
进一步地，所述第一离合器安装在第二涡轮机与电动/发电机之间，所述第二离合器安装在第二压气机与电动/发电机之间，所述第一离合器和第二离合器分别与电控单元相连接，由电控单元分别控制第一离合器与第二离合器的接合与分离。
进一步地，所述第二中间轴为可断开式中间轴。
进一步地，所述第二涡轮机通过第一离合器的接合与电动/发电机连接，并且所述电动/发电机通过第二离合器的分离与第二压气机断开，以实现余热回收发电模式；
所述第二涡轮机通过第一离合器分离与电动/发电机断开，并且所述电动/发电机通过第二离合器结合与第二压气机连接，以实现电动辅助增压模式。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明采用辅助增压方式，将辅助增压单元的压气机端串联在现有涡轮增压器的压气机一侧、将辅助增压单元的涡轮端并联在现有涡轮增压器的涡轮机一侧，从而能够对现有涡轮增压器进行辅助增压，提高汽油发动机低速时的扭矩、解决汽油发动机低速时动态响应迟滞问题。
二、本发明通过设置有废气旁通阀的废气旁通管，能将发动机多余的废气排出，不仅能防止现有涡轮增压器的压气机超速、增压比过大导致发动机爆震，同时结合余热回收/辅助增压单元中的电动/发电机，能将发动机废气能量循环利用进行发电，有效改善发动机的排放性能。
三、本发明利用两级可断开式的中间轴，能够将电动/发电机分别与余热回收/辅助增压单元的压气机和涡轮机同轴连接，利用电动/发电机带动现有涡轮增压器的压气机转动，实现进一步增压，利用余热回收/辅助增压单元的涡轮机使电动/发电机转动发电，输出电能可供余热回收/辅助增压单元的压气机使用，保证了增压的可靠性以及发动机的经济性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图中标记说明：1、发动机，2、中冷器，3、涡轮增压器，31、第一涡轮机，32、第一压气机，4、余热回收/辅助增压单元，41、第二涡轮机，42、第一离合器，43、电动/发电机，44、第二离合器，45、第二压气机，46、电控单元，47、蓄电池，5、发动机排气管，6、发动机进气管，7、废气旁通管，71、废气旁通阀，8、进气旁通管，81、电控阀门，9、第一进气管，10、第二进气管，11、废气排气管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
图1中箭头所指方向为气流方向，如图1所示，一种用于汽油机的复合涡轮增压系统，包括发动机1、中冷器2、涡轮增压器3和余热回收/辅助增压单元4，发动机1的排气端设置有发动机排气管5，发动机1的进气端设置有发动机进气管6，其中，涡轮增压器3包括同轴(即第一中间轴)连接的第一涡轮机31和第一压气机32，第一压气机32的排气口依次通过第二进气管10、中冷器2与发动机进气管6相通，第一涡轮机31的进气口与发动机排气管5相通，第一涡轮机31的排气口分别连接至废气排气管11和余热回收/辅助增压单元4；
余热回收/辅助增压单元4包括同轴(即第二中间轴)连接的第二涡轮机41、第一离合器42、电动/发电机43、第二离合器44以及第二压气机45，电动/发电机43的输入端连接有电控单元46，电控单元46能够根据控制策略分别控制电动/发电机43的工作状态、控制第一离合器42和第二离合器44的接合与分离，电动/发电机43的输出端连接有蓄电池47，以存储和释放电能；
第二涡轮机41的进气口与第一涡轮机31的排气口相连接，第二涡轮机41的排气口连接至废气排气管11，第二压气机45的排气口通过第一进气管9与第一压气机32的进气口相通，第二压气机45的进气口与排气口之间并联有进气旁通管8，进气旁通管8上设置有电控阀门81，电控阀门81的开启和关闭受电控单元46控制；
此外，本发明提出的复合涡轮增压系统在第一涡轮机31处连接有废气旁通管7，废气旁通管7上设置有废气旁通阀71，废气旁通管7的进气口、排气口分别与第一涡轮机31的排气口、第二涡轮机41的进气口相通；
综上可知，本发明在压气机侧将涡轮增压器3和余热回收/辅助增压单元4串联连接，在涡轮机侧将涡轮增压器3和余热回收/辅助增压单元4并联连接。
本发明提出了一种新型的复合涡轮增压系统，该系统分为两部分：传统涡轮增压系统和一种新型的电辅助增压与废气能量回收系统。传统涡轮增压系统中的废气旁通阀设置，可以防止压气机超速、增压比过大引起发动机爆震的倾向；发动机处于低转速时，电辅助增压与废气能量回收系统中的电动/发电机带动压气机转动实现对进气的增压，再经过传统涡轮增压系统中的压气机实现进一步增压，解决发动机低速低扭矩的匹配问题和瞬态响应迟滞问题；发动机达到一定转速时，电动/发电机能够将部分废气能量转化为电能，存储在蓄电池中，实现对废气能量的回收，从而提高发动机能量利用率。
在实际应用中，涡轮增压器3和余热回收/辅助增压单元4在压气机侧采用串联连接，余热回收/辅助增压单元4的第二压气机45并联了进气旁通管8，电控单元46通过进气旁通管8上布置的电控阀门81，以控制进气是否通过第二压气机45；涡轮增压器3和余热回收/辅助增压单元4在涡轮机侧采用并联连接，第二涡轮机41接在涡轮增压器3的废气旁通阀71后侧。发动机排气管5排出的废气推动第一涡轮机31，从而带动第一压气机32工作，当废气能量过高时，废气旁通管7上的废气旁通阀71打开，以排出多余的废气，防止传统涡轮增压器3超速、增压比过大引起发动机爆震。
在发动机1低转速时，余热回收/辅助增压单元4中的第一离合器42将第二涡轮机41与第二中间轴分离，第二离合器44将第二中间轴与第二压气机45接合，电控单元46根据输入信号与控制策略，向第二中间轴上的电动/发电机43输出转速，电动/发电机43带动第二压气机45工作，同时电控单元46控制电控阀门81关闭，进气首先流经第二压气机45得到一定压比，再经过涡轮增压器3的第一压气机32实现进一步增压，从而解决了发动机低转速低扭矩的匹配问题和瞬态响应迟滞问题。
当发动机1达到一定转速时，余热回收/辅助增压单元4的电控单元46控制电动/发电机43输出转速为0，第二压气机45停止工作，第二离合器44将第二压气机45与第二中间轴分离，电控单元46打开电控阀门81，将第二压气机45短路，进气通过与第二压气机45并联的进气旁通管8，直接到达第一压气机32，随着发动机1转速的进一步提高，当发动机1为涡轮增压器3提供过多废气时，废气旁通管7上的废气旁通阀71打开，电控单元46控制第一离合器42将第二涡轮机41与第二中间轴重新接合，排出的废气流经第二涡轮机41，第二涡轮机41的转动带动第二中间轴上电动/发电机43的转动，从而使系统能够利用废气发电，实现对废气中能量的回收，回收得到的电能存储在蓄电池47中供第二压气机45使用。
综上所述，本发明提出的一种用于汽油机的复合涡轮增压系统中，结合了传统涡轮增压器和余热回收/辅助增压单元。在传统涡轮增压器中，发动机排气管排出的废气直接推动第一涡轮机转动，从而带动同轴的第一压气机工作，第一涡轮机连接的废气旁通管上装有废气旁通阀，当废气能量过高时，废气旁通阀打开排出多余废气，从而防止第一压气机超速、增压比过大引起发动机爆震的倾向。因此，本发明可以有效保证发动机的正常工作；
在发动机低转速下，传统涡轮增压器不能为发动机提供足够的压比使发动机发出稳定的扭矩，也不会打开废气旁通阀排出废气，因此余热回收/辅助增压单元中的第一离合器将第二涡轮机与第二中间轴分离，第二离合器将第二中间轴与第二压气机接合，电控单元根据输入信号与控制策略控制中间轴上的电动/发电机输出转速，第二压气机由电动/发电机带动，在其输出转速下工作，此时电控阀门关闭，进气流经第二压气机得到一定的增压比，再经过传统涡轮增压器中的第一压气机进一步增压。因此，本发明可以提高汽油机在低速时的扭矩，使发动机在整个转速下能输出大小几乎不变的扭矩，解决原涡轮增压汽油机的动态响应滞后问题，改善燃料的燃烧状态，提高发动机的动力性与经济性，并改善排放；
随着发动机转速的不断提高，发动机中的燃烧加剧，当发动机为传统涡轮增压器提供过多的废气时，第一涡轮机连接的废气旁通管上的废气旁通阀打开，辅助增压单元中的电控单元控制第一离合器将第二涡轮机与第二中间轴重新接合，从废气旁通管中排出的废气流经第二涡轮机，第二涡轮机的转动带动第二中间轴上的电动/发电机转动，从而使系统能够利用废气发电。因此，本发明不仅能够解决发动机低速低扭矩的匹配问题和动态响应迟滞问题，还能利用增压系统中多余的废气能量进行能量回收发电，回收得到的电能可供压气机使用，因此该系统对于发动机的动力性、经济性和排放特性都有很大程度的提高。

Claims (9)

1.一种用于汽油机的复合涡轮增压系统，其特征在于，包括发动机(1)、涡轮增压器(3)和余热回收/辅助增压单元(4)，所述涡轮增压器(3)包括通过第一中间轴连接的第一压气机(32)和第一涡轮机(31)，所述第一压气机(32)的排气口连接至发动机(1)的进气端，所述发动机(1)的排气端连接至第一涡轮机(31)的进气口，所述第一涡轮机(31)的排气口分别连接至废气排气管(11)和余热回收/辅助增压单元(4)，所述余热回收/辅助增压单元(4)包括通过第二中间轴依次连接的第二压气机(45)、第二离合器(44)、电动/发电机(43)、第一离合器(42)和第二涡轮机(41)，所述第二压气机(45)的排气口连接至第一压气机(32)的进气口，所述第二涡轮机(41)的进气口与第一涡轮机(31)的排气口连接，所述第二涡轮机(41)的排气口连接至废气排气管(11)。
2.根据权利要求1所述的一种用于汽油机的复合涡轮增压系统，其特征在于，所述第一压气机(32)的排气口依次通过第二进气管(10)、中冷器(2)和发动机进气管(6)连接至发动机(1)的进气端。
3.根据权利要求1所述的一种用于汽油机的复合涡轮增压系统，其特征在于，所述发动机(1)的排气端通过发动机排气管(5)连接至第一涡轮机(31)的进气口，所述第一涡轮机(31)的排气口通过废气旁通管(7)连接至第二涡轮机(41)的进气口。
4.根据权利要求3所述的一种用于汽油机的复合涡轮增压系统，其特征在于，所述废气旁通管(7)上设置有废气旁通阀(71)，所述废气旁通阀(71)的一端连接至第一涡轮机(31)的排气口，其另一端连接至第二涡轮机(41)的进气口。
5.根据权利要求1所述的一种用于汽油机的复合涡轮增压系统，其特征在于，所述电动/发电机(43)的输入端连接有电控单元(46)，所述电控单元(46)用于控制电动/发电机(43)的工作状态，所述电动/发电机(43)的输出端连接有用于存储和释放电能的蓄电池(47)。
6.根据权利要求5所述的一种用于汽油机的复合涡轮增压系统，其特征在于，所述第二压气机(45)的排气口通过第一进气管(9)连接至第一压气机(32)的进气口，所述第二压气机(45)的进气口与排气口之间还连接有进气旁通管(8)，所述进气旁通管(8)上设置有电控阀门(81)，所述电控阀门(81)与电控单元(46)相连接，由电控单元(46)控制电控阀门(81)的工作状态。
7.根据权利要求5所述的一种用于汽油机的复合涡轮增压系统，其特征在于，所述第一离合器(42)安装在第二涡轮机(41)与电动/发电机(43)之间，所述第二离合器(44)安装在第二压气机(45)与电动/发电机(43)之间，所述第一离合器(42)和第二离合器(44)分别与电控单元(46)相连接，由电控单元(46)分别控制第一离合器(42)与第二离合器(44)的接合与分离。
8.根据权利要求1所述的一种用于汽油机的复合涡轮增压系统，其特征在于，所述第二中间轴为可断开式中间轴。
9.根据权利要求8所述的一种用于汽油机的复合涡轮增压系统，其特征在于，所述第二涡轮机(41)通过第一离合器(42)的接合与电动/发电机(43)连接，并且所述电动/发电机(43)通过第二离合器(44)的分离与第二压气机(45)断开，以实现余热回收发电模式；
所述第二涡轮机(41)通过第一离合器(42)分离与电动/发电机(43)断开，并且所述电动/发电机(43)通过第二离合器(44)结合与第二压气机(45)连接，以实现电动辅助增压模式。
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