CN114060142A - 一种柴油机的双涡轮并联脉冲增压装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柴油机的双涡轮并联脉冲增压装置及其控制方法：包括发动机、进气中冷器、空气过滤器、压气机、废气涡轮，废气涡轮通过电磁离合器连接脉冲气体涡轮，压气机和脉冲气体涡轮之间连接电磁阀和脉冲爆震燃烧室；脉冲爆震燃烧室的进气段设置一号喷油器，预混段设置气动阀，点火段设置火花塞，爆震段设置二号喷油器；发动机突然加速时，电磁阀开启，连接电磁离合器；压气机后部分气体进入脉冲爆震燃烧室，ECU控制喷油器喷油，火花塞点火，混合气爆震燃烧并排出燃气推动废气涡轮做功。本发明用两个涡轮并联带动一个压气机，减小PDC出口背压，实现PDC自然扫气，使PDC能稳定连续快速起爆，有利于PDC连续工作的换气过程，快速提高发动机进气压力。
Description
技术领域
本发明属于发动机燃烧及控制领域，更具体的说，是涉及一种脉冲爆震燃烧室和柴油机耦合的双涡轮并联脉冲增压装置及其控制方法。
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，脉冲爆震管内部的连续起爆存在困难。
发明内容
为了克服传统脉冲增压扫气困难，不能实现连续的稳定起爆的问题，本发明提出一种柴油机的双涡轮并联脉冲增压装置及其控制方法，用两个涡轮并联带动一个压气机，减小了PDC出口的背压，实现了PDC的自然扫气，使得PDC能够稳定的连续快速起爆，有利于PDC连续工作的换气过程，快速提高发动机进气压力，加快发动机响应特性。
本发明的目的可通过以下技术方案实现。
本发明柴油机的双涡轮并联脉冲增压装置，包括发动机、进气中冷器、涡轮增压器、空气过滤器，所述涡轮增压器由同轴的压气机和废气涡轮构成，所述发动机进气口通过进气总管与进气中冷器排气口连接，所述进气中冷器进气口通过管路与压气机排气口连接，所述压气机进气口通过管路与空气过滤器排气口连接，所述发动机排气口通过排气总管与废气涡轮进气口连接，所述废气涡轮通过电磁离合器连接脉冲气体涡轮，所述压气机排气口和脉冲气体涡轮进气口之间通过管路连接有电磁阀和脉冲爆震燃烧室，且电磁阀位于脉冲爆震燃烧室进气口端；
所述脉冲爆震燃烧室自进气口至排气口依次为进气段、预混段、点火段、爆震段，所述进气段设置有一号喷油器，所述进气段进气口通过管路与电磁阀排气口连接，所述预混段两端均设置有气动阀，所述气动阀与预混段内壁之间留有供物料通过的间隙，所述点火段设置有火花塞，所述预混段和爆震段内壁沿轴向均匀设置有环形凸台，所述爆震段设置有二号喷油器。
所述压气机排气口和进气中冷器进气口之间连接的管路上设置有三通，所述三通一端口与压气机排气口连接，一端口与进气中冷器进气口连接，另一端口与电磁阀进气口连接，所述电磁阀排气口与脉冲爆震燃烧室进气口连接。
所述脉冲爆震燃烧室采用铁制圆管。
所述气动阀设置采用铁制圆台，分别焊接于预混段两端的内壁。
所述电磁阀、一号喷油器、二号喷油器、火花塞均与ECU连接，在发动机运行的不同工况下，通过ECU调节电磁阀的开关大小进而控制脉冲爆震燃烧室是否接入工作以及脉冲爆震燃烧室的进气量，通过ECU控制喷油量和点火时刻进而改变脉冲增压的爆震频率和功率。
本发明的目的还可通过以下技术方案实现。
本发明柴油机的双涡轮并联脉冲增压装置的控制方法，包括以下过程：
发动机怠速状态时，ECU控制电磁阀关闭，废气涡轮和脉冲气体涡轮之间的电磁离合器断开；发动机进气经过空气过滤器、压气机增压后，直接通过进气中冷器和进气总管，进入发动机参与发动机燃烧做功，经过排气阀进入排气总管，并推动废气涡轮做功；
发动机突然加速时，ECU控制电磁阀开启，废气涡轮和脉冲气体涡轮之间连接电磁离合器；发动机进气经过空气过滤器、压气机增压后，在压气机后侧分为两路：一路气体直接通过进气中冷器和进气总管，进入发动机参与发动机燃烧做功，经过排气阀进入排气总管，并推动废气涡轮做功；另一路气体经过ECU控制的电磁阀后进入脉冲爆震燃烧室内，脉冲爆震燃烧室内扫气过程中，ECU控制脉冲爆震燃烧室的一号喷油器、二号喷油器喷油，与脉冲爆震燃烧室内的空气混合，并在扫气完成后ECU控制脉冲爆震燃烧室内部的火花塞点火，混合气发生爆震燃烧并排出高温高压燃气推动脉冲气体涡轮，脉冲气体涡轮转动并带动电磁离合器，和废气涡轮一起带动压气机做功。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明中压气机排气口和脉冲气体涡轮进气口之间连接脉冲爆震燃烧室，脉冲爆震燃烧室以其高热效率、高推重比的优势已经得到了长足的发展，本发明立足于使用汽油的爆震燃烧，气动阀起到大幅度减少爆震压力反传的效果，预混段的障碍物起到加强油气混合的作用，爆震段的障碍物起到促进起爆的作用。
(2)本发明中废气涡轮连接脉冲气体涡轮，废气涡轮和脉冲气体涡轮构成双涡轮并联的耦合增压系统，其能解决PDC扫气时背压过高的问题。
(3)因为脉冲增压的波动性和脉冲增压涡轮在部分工况不需要运行，所以本发明在废气涡轮和脉冲气体涡轮之间安装了电磁离合器，使得脉冲增压涡轮不会随废气涡轮转动而造成能量的浪费。
附图说明
图1是理想爆震循环与理想等压循环的T-S图；
图2是本发明柴油机的双涡轮并联脉冲增压装置示意图；
图3是本声明中电磁离合器的连接示意图；
图4是本发明中脉冲爆震燃烧室的剖视图；
图5是压气机出口压力随时间变化示意图。
附图标记：1-发动机，2-进气总管，3-排气总管，4-进气中冷器，5-电磁阀，6-脉冲爆震燃烧室，601-进气段，602-预混段，603-点火段，604-爆震段，605-气动阀，7-压气机，8-废气涡轮，9-脉冲气体涡轮，10-电磁离合器，11-空气过滤器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图2和图3所示，本发明柴油机的双涡轮并联脉冲增压装置，主要包括发动机1、进气中冷器4、涡轮增压器、空气过滤器11、脉冲爆震燃烧室6、脉冲气体涡轮9。所述涡轮增压器由同轴的压气机7和废气涡轮8构成。所述发动机1进气口通过进气总管2与进气中冷器4排气口连接，所述进气中冷器4进气口通过管路与压气机7排气口连接，所述压气机7进气口通过管路与空气过滤器11排气口连接，所述发动机1排气口通过排气总管3与废气涡轮8进气口连接，所述废气涡轮8通过电磁离合器10连接脉冲气体涡轮9，所述压气机7排气口和脉冲气体涡轮9进气口之间通过管路连接有电磁阀5和脉冲爆震燃烧室6，且电磁阀5位于脉冲爆震燃烧室6进气口端。
其中，所述压气机7排气口和进气中冷器4进气口之间连接的管路上设置有三通，所述三通一端口与压气机7排气口连接，一端口与进气中冷器4进气口连接，另一端口与电磁阀5进气口连接，所述电磁阀5排气口与脉冲爆震燃烧室6进气口连接。
如图4所示，所述脉冲爆震燃烧室6自进气口至排气口依次为进气段601、预混段602、点火段603、爆震段604。所述进气段601设置有一号喷油器，所述进气段601进气口通过管路与电磁阀5排气口连接，所述预混段602两端均设置有气动阀605，所述气动阀605与预混段602内壁之间留有供物料通过的间隙，所述点火段603设置有火花塞，所述预混段602和爆震段604内壁沿轴向均匀设置有环形凸台，所述爆震段604设置有二号喷油器，所述爆震段604的堵塞比为0.5。其中，所述脉冲爆震燃烧室6采用铁制圆管。所述气动阀605设置采用铁制圆台，分别焊接于预混段602两端的内壁。脉冲爆震燃烧室6的控制参数如表1所示。
表1 PDC的控制参数
所述电磁阀5、一号喷油器、二号喷油器、火花塞均与ECU连接。在发动机1运行的不同工况下，通过ECU调节电磁阀5的开关大小进而可以控制脉冲爆震燃烧室6是否接入工作以及脉冲爆震燃烧室6的进气量，通过ECU控制喷油量和点火时刻进而可以改变脉冲增压的爆震频率和功率。
本发明柴油机的双涡轮并联脉冲增压装置的控制方法，包括以下过程：
发动机1怠速状态时，ECU控制电磁阀5关闭，废气涡轮8和脉冲气体涡轮9之间的电磁离合器10断开。发动机1进气经过空气过滤器11、压气机7增压后，直接通过进气中冷器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，并推动废气涡轮8做功。
以发动机1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燃烧室6，讨论其增压响应速度和增压压比。发动机1初始状态参数如表2所示。
表2发动机初始状态参数
在发动机1突然加速时，脉冲爆震燃烧室6接入，脉冲爆震燃烧室6工作方式为循环脉冲，在脉冲的每一个循环内分为混合气填充、点火起爆、爆震气体排出三个过程。在混合气填充阶段，ECU控制脉冲爆震燃烧室6进气端电磁阀5开启，压气机7后部分空气进入脉冲爆震燃烧室6内进行扫气，推走脉冲爆震燃烧室6内的残余废气。脉冲爆震燃烧室6内扫气过程中，ECU控制脉冲爆震燃烧室6内的一号喷油器、二号喷油器喷油，与脉冲爆震燃烧室6内部的空气混合。在点火起爆阶段，ECU控制脉冲爆震燃烧室6内部的火花塞点火，混合气发生爆震燃烧。在爆震气体排出阶段，爆震燃烧产生高温高压燃气并迅速排出推动脉冲气体涡轮9，脉冲气体涡轮9转动并带动电磁离合器10，和废气涡轮8一起带动压气机7做功。
在发动机1突然加速时，发动机1功率突然增大，ECU判断需要增大进气压力以提高进气流量，此时ECU控制电磁阀5开启，废气涡轮8和脉冲气体涡轮9之间连接电磁离合器10。发动机1进气经过空气过滤器11、压气机7增压后，在压气机7后侧分为两路：一路气体直接通过进气中冷器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，并推动废气涡轮8做功；另一路气体经过ECU控制的电磁阀5后进入脉冲爆震燃烧室6内，脉冲爆震燃烧室6内扫气过程中，ECU控制脉冲爆震燃烧室6的一号喷油器、二号喷油器喷油，与脉冲爆震燃烧室6内的空气混合，并在扫气完成后ECU控制脉冲爆震燃烧室6内部的火花塞点火，混合气发生爆震燃烧并排出高温高压燃气推动脉冲气体涡轮9，脉冲气体涡轮9转动并带动电磁离合器10，和废气涡轮8一起带动压气机7做功，增大进气压力。
脉冲爆震燃烧室6的接入效果如图5所示。使用GT-Power进行仿真，在第5秒时脉冲爆震燃烧室6接入并开始连续工作。此时发动机1的进气压力迅速提高，在3秒时间内从1.2bar上升到4.5bar。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，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和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种柴油机的双涡轮并联脉冲增压装置，包括发动机(1)、进气中冷器(4)、涡轮增压器、空气过滤器(11)，所述涡轮增压器由同轴的压气机(7)和废气涡轮(8)构成，所述发动机(1)进气口通过进气总管(2)与进气中冷器(4)排气口连接，所述进气中冷器(4)进气口通过管路与压气机(7)排气口连接，所述压气机(7)进气口通过管路与空气过滤器(11)排气口连接，所述发动机(1)排气口通过排气总管(3)与废气涡轮(8)进气口连接，其特征在于，所述废气涡轮(8)通过电磁离合器(10)连接脉冲气体涡轮(9)，所述压气机(7)排气口和脉冲气体涡轮(9)进气口之间通过管路连接有电磁阀(5)和脉冲爆震燃烧室(6)，且电磁阀(5)位于脉冲爆震燃烧室(6)进气口端；
所述脉冲爆震燃烧室(6)自进气口至排气口依次为进气段(601)、预混段(602)、点火段(603)、爆震段(604)，所述进气段(601)设置有一号喷油器，所述进气段(601)进气口通过管路与电磁阀(5)排气口连接，所述预混段(602)两端均设置有气动阀(605)，所述气动阀(605)与预混段(602)内壁之间留有供物料通过的间隙，所述点火段(603)设置有火花塞，所述预混段(602)和爆震段(604)内壁沿轴向均匀设置有环形凸台，所述爆震段(604)设置有二号喷油器。
2.根据权利要求1所述的柴油机的双涡轮并联脉冲增压装置，其特征在于，所述压气机(7)排气口和进气中冷器(4)进气口之间连接的管路上设置有三通，所述三通的一端口与压气机(7)排气口连接，一端口与进气中冷器(4)进气口连接，另一端口与电磁阀(5)进气口连接，所述电磁阀(5)排气口与脉冲爆震燃烧室(6)进气口连接。
3.根据权利要求1所述的柴油机的双涡轮并联脉冲增压装置，其特征在于，所述脉冲爆震燃烧室(6)采用铁制圆管。
4.根据权利要求1所述的柴油机的双涡轮并联脉冲增压装置，其特征在于，所述气动阀(605)设置采用铁制圆台，分别焊接于预混段(602)两端的内壁。
5.根据权利要求1所述的柴油机的双涡轮并联脉冲增压装置，其特征在于，所述电磁阀(5)、一号喷油器、二号喷油器、火花塞均与ECU连接，在发动机(1)运行的不同工况下，通过ECU调节电磁阀(5)的开关大小进而控制脉冲爆震燃烧室(6)是否接入工作以及脉冲爆震燃烧室(6)的进气量，通过ECU控制喷油量和点火时刻进而改变脉冲增压的爆震频率和功率。
6.一种上述权利要求1至5中任一项所述柴油机的双涡轮并联脉冲增压装置的控制方法，其特征在于，包括以下过程：
发动机(1)怠速状态时，ECU控制电磁阀(5)关闭，废气涡轮(8)和脉冲气体涡轮(9)之间的电磁离合器(10)断开；发动机(1)进气经过空气过滤器(11)、压气机(7)增压后，直接通过进气中冷器(4)和进气总管(2)，进入发动机(1)参与发动机(1)燃烧做功，经过排气阀进入排气总管(3)，并推动废气涡轮(8)做功；
发动机(1)突然加速时，ECU控制电磁阀(5)开启，废气涡轮(8)和脉冲气体涡轮(9)之间连接电磁离合器(10)；发动机(1)进气经过空气过滤器(11)、压气机(7)增压后，在压气机(7)后侧分为两路：一路气体直接通过进气中冷器(4)和进气总管(2)，进入发动机(1)参与发动机(1)燃烧做功，经过排气阀进入排气总管(3)，并推动废气涡轮(8)做功；另一路气体经过ECU控制的电磁阀(5)后进入脉冲爆震燃烧室(6)内，脉冲爆震燃烧室(6)内扫气过程中，ECU控制脉冲爆震燃烧室(6)的一号喷油器、二号喷油器喷油，与脉冲爆震燃烧室(6)内的空气混合，并在扫气完成后ECU控制脉冲爆震燃烧室(6)内部的火花塞点火，混合气发生爆震燃烧并排出高温高压燃气推动脉冲气体涡轮(9)，脉冲气体涡轮(9)转动并带动电磁离合器(10)，和废气涡轮(8)一起带动压气机(7)做功。
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