CN113864042A - 一种柴油机双压气机并联自循环脉冲增压装置及控制方法 - Google Patents
一种柴油机双压气机并联自循环脉冲增压装置及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种柴油机双压气机并联自循环脉冲增压装置及控制方法，增压装置包括主压气机、涡轮、脉冲进气压气机和脉冲爆震管；空气过滤器依次通过主压气机、进气中冷器和进气总管与发动机进气口相连，发动机排气口通过排气总管与涡轮相连，涡轮通过传动轴连接主压气机，在涡轮与脉冲进气压气机之间设有电磁离合器，脉冲进气压气机通过第一电磁阀与脉冲爆震管相连，脉冲爆震管的排气口通过第二电磁阀与排气总管相连。本发明分别用两个压气机向柴油机及脉冲爆震燃烧室提供进气，避免向柴油机缸内进气的分流并有效提升脉冲爆震燃烧室的进气量，优化了整个系统的设计匹配，提升了柴油机的瞬态性能。
Description
技术领域
本发明涉及发动机燃烧及控制领域，尤其涉及一种柴油机双压气机并联自循环脉冲增压装置及控制方法。
背景技术
传统的增压技术存在增压响应时间长、高原地区增压效果不佳的问题。这些问题能通过使用爆震增压技术得到改善。同Diesel等压相比，循环脉冲爆震燃烧具有循环热效率高、单位推重比大、燃烧过程自增压等优点，如图1。
在常规工况下，脉冲爆震燃烧室(Pulse Detonation Combusiton Chambar，后简称PDC)进口阀门关闭，柴油机正常工作。当在柴油机小负荷运行时，瞬间提升其输出功率，由于废气涡轮增压的响应迟滞，柴油机自身的加速性能无法满足需求。此时提前打开爆震加力燃烧室阀门并控制燃油系统喷射燃油，利用爆震燃烧技术高速燃烧放热、定容升压等技术特点，在极短时间内获得高温高压工质，推动涡轮增压器快速转动，为柴油机提供充足的进气充量。已有的脉冲增压技术通常把脉冲增压爆震管排气端直接连接在排气管，将脉冲爆震气体与发动机废气在排气管混合，以此来提高涡轮进气的压力和温度，使得压气机出口的其他压力更高。但是此种方法存在爆震管进气困难的问题，在爆震管扫气的过程中，排气管的压力高于爆震管本身，使得爆震管无法有效的排出废气，同时脉冲爆震管内部的连续起爆存在困难。因此，研发一种柴油机双压气机并联自循环脉冲增压装置及控制方法是个亟待解决的问题。
发明内容
鉴于传统脉冲增压扫气困难，不能实现连续的稳定起爆的问题，本发明提供了一种用两个压气机并联，并用单涡轮带动的方案，提高了爆震管进气的压力，实现了爆震管的自然扫气，使得爆震管能够稳定的连续起爆。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种柴油机双压气机并联自循环脉冲增压装置，包括主压气机、涡轮、脉冲进气压气机和脉冲爆震管。空气过滤器通过管道与所述主压气机的进气口相连，所述主压气机的排气口通过管道与所述进气中冷器相连，所述进气中冷器通过进气总管与发动机的进气口相连，所述发动机的排气口通过排气总管与所述涡轮相连，所述涡轮通过传动轴连接所述主压气机，在所述涡轮与所述脉冲进气压气机之间设有电磁离合器，所述脉冲进气压气机通过第一连接管道与所述脉冲爆震管相连，在所述第一连接管道上设有第一电磁阀，所述脉冲爆震管的排气口通过第二连接管道与排气总管相连，在所述第二连接管道上设有第二电磁阀。
进一步的，本装置还包括ECU控制单位，所述ECU控制单位分别与所述第一电磁阀、第二电磁阀、电磁离合器以及脉冲爆震管中的喷油器和火花塞电连接。
进一步的，所述电磁离合器的一端连接第一传动轴，另一端连接第二传动轴，所述涡轮的叶轮和主压气机的叶轮安装在第一传动轴上，所述脉冲进气压气机的叶轮安装在第二传动轴上。
一种柴油机双压气机并联自循环脉冲增压装置的控制方法，其步骤如下：
第一步准备阶段，在发动机启动或者发动机的负荷率从0％-10％低负荷上升至70％-80％高负荷以后，ECU控制单位判断需要增大进气压力以提高进气流量。
第二步增压阶段，ECU控制单位控制电磁离合器吸合和第一电磁阀、第二电磁阀开启，使得部分压缩空气进入脉冲爆震管内，同时ECU控制单位控制脉冲爆震管内喷油器喷油，并在扫气结束后点火并控制第一电磁阀关闭，第二电磁阀保持开启，脉冲爆震管内发生爆震，并排出高温高压气体与发动机排气混合，提高涡轮进气压力和温度，使得压气机出口压力进一步提升，缩短了发动机扭矩响应时间。
第三步脱离阶段，因为脉冲进气压气机在部分工况不需要运行，所以在涡轮与脉冲进气压气机之间安装了电磁离合器，并由ECU控制单位控制。在脉冲增压系统脱出或者不工作时，断开电磁离合器并关闭脉冲爆震管两端的第一电磁阀和第二电磁阀，脉冲增压装置对发动机无影响。
相对于现有技术，本发明所述的一种柴油机双压气机并联自循环脉冲增压装置及控制方法具有以下优势：
(1)本发明相比于传统的废弃增压发动机新增了PDC系统，为涡轮增压器提供了额外的动力来源，大幅度提升了发动机的动力性、机动性与环境适应性。
(2)本发明应用了先进的爆震燃烧技术，有燃烧快，推力大，体积小响应快的特点，适用于一般发动机的安装使用。
(3)本发明在以上的基础上，设计了用单涡轮驱动两个压气机的方案，充分利用了废弃能量，并消除了排气能量相互干扰的问题，大幅度提升了能量转换效率。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是理想爆震循环与理想等压循环的T-S图；
图2是本发明发动机及PDC耦合系统布置图；
图3是基于多种喷射方式的PDC装置布置图；
图4是在不使用本装置和使用本装置的两种情况下，进入发动机气缸的进气压力值数据对比图；
图5是本发明中涡轮与主压气机、脉冲进气压气机的连接示意图。
附图标记说明：
1、发动机；2、进气总管；3、排气总管；4、进气中冷；5、第一电磁阀；6、脉冲爆震管；7、主压气机；8、涡轮；9、脉冲进气压气机；10、电磁离合器；11、空气过滤器；12、ECU控制单位；13、第二电磁阀；14、涡轮的叶轮；15、主压气机的叶轮；16、脉冲进气压气机的叶轮；17、第一传动轴；18、第二传动轴
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
PDC以其高热效率、高推重比的优势已经得到了长足的发展。本装置立足于使用汽油的爆震燃烧。各部件位置如图3所示，控制参数如下表1所示。
表1 PDC装置的控制参数
如图2所示，一种柴油机双压气机并联自循环脉冲增压装置，包括主压气机7、涡轮8、脉冲进气压气机9和脉冲爆震管6。空气过滤器11通过管道与主压气机7的进气口相连，主压气机7的排气口通过管道与进气中冷器4相连，进气中冷器4通过进气总管2与发动机1的进气口相连，发动机1的排气口通过排气总管3与涡轮8相连，涡轮8通过传动轴连接主压气机7，在涡轮8与脉冲进气压气机9之间设有电磁离合器10，脉冲进气压气机9通过第一连接管道与脉冲爆震管6相连，在第一连接管道上设有第一电磁阀5，脉冲爆震管6的排气口通过第二连接管道与排气总管3相连，在第二连接管道上设有第二电磁阀13。
如图5所示，本实施例中，电磁离合器10的一端连接第一传动轴17，另一端连接第二传动轴18，涡轮的叶轮14和主压气机的叶轮15安装在第一传动轴17上，脉冲进气压气机的叶轮16安装在第二传动轴18上。电磁离合器10受ECU控制单位12控制，电磁离合器10断电时，第一传动轴和第二传动轴脱离，脉冲进气压气机9不转动；电磁离合器10通电时，第一传动轴17和第二传动轴18同步转动，脉冲进气压气机9跟随涡轮8转动。同时，在上述两种状态下主压气机7始终跟随涡轮8转动。
为了更好的实现本装置的功能，本装置还包括ECU控制单位12，所述ECU控制单位12分别与所述第一电磁阀5、第二电磁阀13、电磁离合器10以及脉冲爆震管6中的喷油器和火花塞电连接。
使用的ECU控制单位12是市场PCB板制作的自主标定并焊接连线的(例如可以是华鑫科技生产的统一件Wise 15)；使用的电磁离合器10是天津市文达恒业DYL-2A电磁离合器；连接用的进气管路与发动机进气常用铝管一致，连接用的排气管路与发动机排气管常用的铁管一致。
本装置使用时的气流走向如下：发动机1的进气是经过空气过滤器11、主压气机7增压以后，通过进气中冷4和进气总管2，进入发动机1参与发动机燃烧做功，经过排气阀进入排气总管3并推动涡轮8，带动主压气机7工作。同时，通过电磁离合器10，涡轮8还带动脉冲进气压气机9压缩空气为脉冲爆震管6供气。这一路气体经过ECU控制单位12控制的第一电磁阀5以后，进入脉冲爆震管6内。脉冲爆震管6内扫气过程中，ECU控制单位12控制脉冲爆震管6内的喷油器喷油，并在扫气完成后使用火花塞点火，脉冲爆震管6内产生高温高压燃气，这些高温高压燃气经过第二电磁阀13进入排气总管3，提高了涡轮8前的温度和压力，使得发动机进气的压力提高。整个脉冲增压系统独立进气，对发动机的影响小，同时能快速的提高发动机的进气压力，使得发动机的扭矩响应时间更短。
在发动机运行的不同工况下，通过ECU控制单位12调节第一电磁阀5、第二电磁阀13的开关大小和电磁离合器10，可以控制脉冲爆震增压系统是否接入工作以及脉冲爆震管6的进气量，通过ECU控制单位12控制喷油量和点火时刻可以改变脉冲增压的爆震频率和功率。
一种柴油机双压气机并联自循环脉冲增压装置的控制方法，其步骤如下：
第一步准备阶段，在发动机1启动或者发动机1的负荷率需求突然增大(比如发动机的负荷率从0％-10％低负荷上升至70％-80％高负荷，是一个典型的加载加速工况)以后，ECU控制单位12判断需要增大进气压力以提高进气流量。
第二步增压阶段，ECU控制单位12控制电磁离合器10介入和第一电磁阀5、第二电磁阀13开启，使得部分压缩空气进入脉冲爆震管6内，同时ECU控制单位12控制脉冲爆震管6内喷油器喷油，并在扫气结束后点火并控制第一电磁阀5关闭，第二电磁阀13保持开启，脉冲爆震管6内发生爆震，并排出高温高压气体与发动机1排气混合，提高涡轮8进气压力和温度，使得主压气机7出口压力进一步提升，缩短了发动机扭矩响应时间，具体操作时间见上表1。
第三步脱离阶段，因为脉冲进气压气机9在部分工况不需要运行，所以在涡轮8与脉冲进气压气机9之间安装了电磁离合器10，并由ECU控制单位12控制。在脉冲增压系统脱出或者不工作时，断开电磁离合器10并关闭脉冲爆震管6两端的第一电磁阀5和第二电磁阀13，此时第一电磁阀5、脉冲爆震管6、第二电磁阀13这一气路为不导通状态，脉冲增压装置对发动机无影响。
脉冲增压接入效果如下：
本次以发动机运行在怠速状态下为初始状态，在发动机突然加速的情况下接入脉冲爆震系统，讨论其增压响应速度和增压压比。参见表2，选取如下参数作为发动机初始状态参数：
表2发动机初始工况
使用GT-Power进行仿真，在0-5s发动机稳定运行至怠速，在第5s时增大给油量并接入脉冲增压。9秒以后断开脉冲增压，研究脉冲增压开启与关闭对整个系统的影响。接入脉冲增压时发动机的进气压力迅速提高，其主压气机出口压力如图4所示，可知在5秒时脉冲增压启动，PDC开始进气，脉冲增压开始出力，主压气机出口的压力快速上升，普通增压需要7.5秒才能稳定在2.1bar进气，而脉冲增压进气到达2.1bar只需要1.1秒。
本发明的技术方案是基于预混进气及缸内直喷耦合的喷射方式的脉冲爆震燃烧装置及控制方法，同时分别用两个压气机向柴油机及脉冲爆震燃烧室提供进气，避免向柴油机缸内进气的分流并有效地提升了脉冲爆震燃烧室的进气量，有效解决脉冲爆震燃烧室进气时，单级涡轮增压器压气机进入柴油机气缸气量进气分流、压气机与双燃烧室匹配差的问题，从而优化了整个系统的设计匹配，提升了柴油机的瞬态性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种柴油机双压气机并联自循环脉冲增压装置，其特征在于：包括主压气机、涡轮、脉冲进气压气机和脉冲爆震管；空气过滤器通过管道与所述主压气机的进气口相连，所述主压气机的排气口通过管道与所述进气中冷器相连，所述进气中冷器通过进气总管与发动机的进气口相连，所述发动机的排气口通过排气总管与所述涡轮相连，所述涡轮通过传动轴连接所述主压气机，在所述涡轮与所述脉冲进气压气机之间设有电磁离合器，所述脉冲进气压气机通过第一连接管道与所述脉冲爆震管相连，在所述第一连接管道上设有第一电磁阀，所述脉冲爆震管的排气口通过第二连接管道与排气总管相连，在所述第二连接管道上设有第二电磁阀。
2.根据权利要求1所述的一种柴油机双压气机并联自循环脉冲增压装置，其特征在于：本装置还包括ECU控制单位，所述ECU控制单位分别与所述第一电磁阀、第二电磁阀、电磁离合器以及脉冲爆震管中的喷油器和火花塞电连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种柴油机双压气机并联自循环脉冲增压装置，其特征在于：所述电磁离合器的一端连接第一传动轴，另一端连接第二传动轴，所述涡轮的叶轮和主压气机的叶轮安装在第一传动轴上，所述脉冲进气压气机的叶轮安装在第二传动轴上。
4.一种柴油机双压气机并联自循环脉冲增压装置的控制方法，其特征在于，其步骤如下：
第一步准备阶段，在发动机启动或者发动机的负荷率从0％-10％上升至70％-80％时，ECU控制单位判断需要增大进气压力以提高进气流量；
第二步增压阶段，ECU控制单位控制电磁离合器吸合和第一电磁阀、第二电磁阀开启，使得压缩空气进入脉冲爆震管内，同时ECU控制单位控制脉冲爆震管内喷油器喷油，并在扫气结束后点火并控制第一电磁阀关闭，第二电磁阀保持开启，脉冲爆震管内发生爆震，并排出高温高压气体与发动机排气混合，提高涡轮进气压力和温度；
第三步脱离阶段，在脉冲增压装置脱出或者不工作时，断开电磁离合器并关闭脉冲爆震管两端的第一电磁阀和第二电磁阀，脉冲增压装置对发动机无影响。
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