CN114183237A - 基于电动压气机的集成型柴油机两级增压系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供基于电动压气机的集成型柴油机两级增压系统及控制方法，包括低压压气机、高压压气机、动力涡轮、储能系统、电动机、发电机，低压压气机的出口通过连通管路连接高压压气机进口，低压压气机的进口连通大气并通过旁通管路连接连通管路，旁通管路上设置空气旁通阀，电动机分别连接低压压气机的轴和高压压气机的轴，高压压气机的出口连接柴油机的进气管，柴油机的排气总管连接动力涡轮，储能系统分别连接电动机和发电机，发电机连接动力涡轮。本发明极大地降低了两级增压系统的复杂性，既能保证高压比，又具有体积小、噪声低的优点，电驱动相比于传统的废气涡轮驱动效率也有了提升。

Description

基于电动压气机的集成型柴油机两级增压系统及控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种增压系统及控制方法，具体地说是机电复合集成增压系统及控制方法。
背景技术
两级增压技术最早由德国的MTU公司提出并应用，基本原理是将两台大小不同的涡轮增压器串联，空气经过两级压气机压缩；主要优点是提高进气压力，获得更高的平均有效压力，增加发动机的功率范围。此后该项技术被广泛应用于汽车、船舶等大功率的发动机上。而两级涡轮增压技术在低工况时，排气压力和温度较低，涡轮回收的能量较少，增压器转子速度低，压气机增压压力不足，最终导致经济性下降。
发明内容
本发明的目的在于提供能改善低工况特性，同时具有体积小、成本低等优点的基于电动压气机的集成型柴油机两级增压系统及控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明基于电动压气机的集成型柴油机两级增压系统，其特征是包括低压压气机、高压压气机、动力涡轮、储能系统、电动机、发电机，低压压气机的出口通过连通管路连接高压压气机进口，低压压气机的进口连通大气并通过旁通管路连接连通管路，旁通管路上设置空气旁通阀，电动机分别连接低压压气机的轴和高压压气机的轴，高压压气机的出口连接柴油机的进气管，柴油机的排气总管连接动力涡轮，储能系统分别连接电动机和发电机，发电机连接动力涡轮。
本发明基于电动压气机的集成型柴油机两级增压控制方法，其特征是采集柴油机转速和扭矩信息判断柴油机的运行工况：首先判断是否符合高工况，如果符合，设置电动机转速为100％Ns，Ns为匹配过程中电动机的额定转速，空气旁通阀开度为50％；如果不符合高工况，再次判断是否处在中工况，如果符合中工况，设置电动机转速为75％Ns，空气旁通阀开度为30％；如果不符合中工况，判断是否处在低工况，如果符合低工况，设置电动机转速为50％Ns，空气旁通阀开度为10％；以上判断结束后依然不符合，进行报警处理。
本发明的优势在于：本发明采用单轴双压气机实现两级增压，极大地降低了两级增压系统的复杂性，既能保证高压比，又具有体积小、噪声低的优点，电驱动相比于传统的废气涡轮驱动效率也有了提升。在低压压气机位置处加入空气旁通阀，实现了可调二级增压，满足了不同的运行工况。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-2，本发明包括以下装置：进气滤清1、空气旁通阀2、低压压气机3、电动机4、高压压气机5、中冷器6、进气管7、柴油机8、排气总管9、动力涡轮10、发电机11、储能系统12、其他用电13。图中低压压气机3的入口和动力涡轮10的出口和大气相连，箭头方向代表气体流动方向。系统开始工作时，储能部分13向电动机4供电。电动机4带动同轴的两个压气机3、5转动，外界的空气依次经过进气滤清1、低压压气机3、高压压气机5到达进气总管7，经过两级压缩后，空气的压力和密度很大。相同体积下进入气缸的空气量更多，和燃料充分燃烧后输出功率更大。燃烧后高温高压的燃气流经动力涡轮10，同轴的发电机11高速旋转将输出的电能储存在储能系统12中。储能系统12的电能一部分继续提供给电动机4实现上述循环过程，剩余部分可以满足额外的电力需求。
增压系统总的增压比π由两部分决定，分别是低压压气机的压比π1和高压压气机压比π2。满足关系式π＝π1·π2，其中π是高压压气机出口压力和低压压气机入口压力的比值，π1是低压压气机出口压力和其入口压力的比值，π2是高压压气机出口压力和其入口压力的比值。高压压气机压比π2近似不变，借助压气机的特性图可以得到此结论。入口的空气流量m一定的条件下(不考虑空气流动中泄露等)，无论空气旁通阀的状态怎么变化，这部分空气在到达高压压气机入口时的流量是不变的。压气机的特性用数学函数表示为
π＝f(m，n)
在某一工况下对应一个确定的转速n，因此流量n和转速n决定的高压压气机压比π2是不变的。本系统的压比调节主要通过控制低压压气机压比π1实现。
柴油机增压系统的匹配和设计时会选择额定工况点，该工况点即柴油机工作中的100％工况(高工况)。当柴油机运行在低工况时会出现增压压力不足的现象，控制系统将选择合适的控制方案避免性能下降。本系统中的控制量主要包括电动机的转速和空气阀的开度，在100％工况时电动机转速为额定转速，增压压力将随空气阀的开度减小而增大。控制系统判断工况考量的参数是柴油机的功率，而功率是由转速和扭矩的乘积决定的。传感器通过监测柴油机的转速和扭矩使控制系统获取了柴油机的工况信息。依据柴油机的运行工况动态调节控制量，从而实现了全工况优化。当柴油机运行在高工况时，此时一般为设计工况，根据匹配后的结果选定最优的电动机转速和空气旁通阀开度；当柴油机运行在低工况时，会导致增压压力不足需要提高压比，相应的控制方法是减小空气旁通阀的开度并降低电动机转速；当柴油机运行在中工况时，控制系统将依据高低工况下的控制方案合理选取电动机转速和空气旁通阀开度。
在图2中，以流程图的形式呈现了系统具体的控制过程。系统开始运行后，控制器依据采集到的转速和扭矩信息判断柴油机的运行工况。首先判断是否符合高工况，如果符合将设置电动机转速为100％Ns(Ns为匹配过程中电动机的额定转速)，空气旁通阀开度为50％(适当打开空气阀，避免柴油机爆压过高)；如果不符合高工况再次判断是否处在中工况，符合中工况将设置电动机转速为75％Ns，空气旁通阀开度为30％；如果不符合中工况判断是否处在低工况，符合低工况将设置电动机转速为50％Ns，空气旁通阀开度为10％；以上判断结束后依然不符合，控制系统将报警处理。

Claims (2)

1.基于电动压气机的集成型柴油机两级增压系统，其特征是：包括低压压气机、高压压气机、动力涡轮、储能系统、电动机、发电机，低压压气机的出口通过连通管路连接高压压气机进口，低压压气机的进口连通大气并通过旁通管路连接连通管路，旁通管路上设置空气旁通阀，电动机分别连接低压压气机的轴和高压压气机的轴，高压压气机的出口连接柴油机的进气管，柴油机的排气总管连接动力涡轮，储能系统分别连接电动机和发电机，发电机连接动力涡轮。
2.基于电动压气机的集成型柴油机两级增压控制方法，其特征是：采集柴油机转速和扭矩信息判断柴油机的运行工况：首先判断是否符合高工况，如果符合，设置电动机转速为100％Ns，Ns为匹配过程中电动机的额定转速，空气旁通阀开度为50％；如果不符合高工况，再次判断是否处在中工况，如果符合中工况，设置电动机转速为75％Ns，空气旁通阀开度为30％；如果不符合中工况，判断是否处在低工况，如果符合低工况，设置电动机转速为50％Ns，空气旁通阀开度为10％；以上判断结束后依然不符合，进行报警处理。
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