CN204357554U - 可切换相继/二级增压结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的在于提供可切换相继/二级增压结构，将相继增压和二级增压两种增压结构通过改动融合在一起，并提出两种增压形式切换的控制方法，实现了相继增压和二级增压有机结合，使两种增压形式优缺点互补。本实用新型可用于两个及以上废气涡轮增压器的增压系统，可实现单涡轮增压器、两涡轮增压器并联-相继增压、两涡轮增压器串联-二级增压三种模式。能够改善废气涡轮增压器与内燃机全工况匹配不够理想的问题，提高内燃机动力性能，提高效率，降低排放，尤其是对于工况范围较宽的内燃机。

Description

可切换相继/二级增压结构

技术领域

本实用新型涉及的是一种内燃机结构，具体地说是增压内燃机结构。

背景技术

为了使内燃机功率密度大、效率高、排放性能好，现在普遍采用废气涡轮增压技术。废气涡轮增压技术，利用内燃机废气能量推动增压器对内燃机进气压缩，提高进气密度，进而增加进气量，并且改善扫气效果。如此就提高了废气能量利用率，提高了内燃机功率密度，一定程度上提高了空燃比，降低了内燃机排放。

随着内燃机增压技术的发展，产生了很多种增压方式以及增压系统，比如二级增压、相继增压等。采用废气涡轮增压的内燃机，由于内燃机工作范围较宽，而增压器流量范围及高效率区较窄，通常不能实现增压器和内燃机全工况较好匹配。二级增压和相继增压均可以有效改善这一问题。

相继增压基本原理是采用两个涡轮增压器，随内燃机转速和负荷的增加，相继按次序地投入并联运行，这样就可以保证工作着的涡轮增压器始终在高效率区运行，以使内燃机的燃油消耗率在整个运行区内都较低，低速大扭矩性能良好。

二级增压基本原理是采用两个涡轮增压器，随内燃机转速和负荷的增加，按次序地投入串联运行，提高增压比，增加进气密度，保证工作着的涡轮增压器运行在高效率区，以使内燃机的燃油消耗率在整个运行区内都较低，低速大扭矩性能良好。

由于相继增压采用两个涡轮增压器并联运行，而二级增压采用两个涡轮增压器串联运行，因此相继增压系统适用于流量范围大压比低的工作条件，二级增压系统适用于流量范围小压比高的工作条件。对于工况范围较宽的内燃机，当处于低转速高负荷时，二级增压系统能更好满足进气要求；当处于高转速低负荷时，相继增压系统能更好满足进气要求。传统的相继增压系统和二级增压系统只是单独采用一种增压系统来匹配内燃机全工况，虽能实现较好匹配，但 是对于工况范围较宽的内燃机来说，仍不够理想。

发明内容

本实用新型的目的在于提供能够解决废气涡轮增压器与内燃机全工况匹配不够理想的问题的可切换相继/二级增压结构及控制方法。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型可切换相继/二级增压结构，包括第一增压器、第二增压器、内燃机组，第一增压器的压气机通过A列进气总管经A列进气歧管连通内燃机组，第一增压器的压气机通过第一压气机进气管连通大气，第一增压器的涡轮通过A列排气总管经A列排气歧管连通内燃机组，第一增压器的涡轮通过第一涡轮排气管连通大气，第二增压器的压气机通过B列进气总管经B列进气歧管连通内燃机组，第二增压器的压气机通过第二压气机进气管连通大气，第二增压器的涡轮通过B列排气总管经B列排气歧管连通内燃机组，第二增压器的涡轮通过第二涡轮排气管连通大气，其特征是：A列进气总管与B列进气总管之间通过安装进气总管连通管从而连通，第一压气机进气管与B列进气总管之间通过安装压气机连通管从而连通，第一涡轮排气管与B列排气总管之间通过安装涡轮连通管从而连通，A列排气总管与B列排气总管之间通过安装排气总管连通管从而连通，第一压气机进气管上安装第一增压器压气机进气阀，第一增压器压气机进气阀处于进气管和压气机连通管接口上游，第一涡轮排气管上安装第一增压器涡轮排气阀，第一增压器涡轮排气阀处于第一涡轮排气管和涡轮连通管接口下游，A列进气总管上安装第一中冷器，B列进气总管上安装第二中冷器，压气机连通管上安装压气机连通阀和第三中冷器，涡轮连通管上安装涡轮连通阀，涡轮连通管和排气总管连通管之间的B列排气总管上安装燃气阀，压气机连通管和进气总管连通管之间的B列进气总管上安装空气阀，内燃机组上安装分别采集其转速和喷油器齿条位置的转速传感器和齿条位置传感器，转速传感器和齿条位置传感器均连接控制第一增压器压气机进气阀、压气机连通阀、第一增压器涡轮排气阀、涡轮连通阀、空气阀、燃气阀开闭的切换控制器。

本实用新型的优势在于：

1、对转速、喷油器齿条位置、增压模式三者制成的MAP图进行改进。本实用新型能实现相继、二级增压切换，增压模式有三种(单涡轮增压器、两涡轮 增压器串联、两涡轮增压器并联)。对于相继增压只有单涡轮增压器和两涡轮增压器并联两种增压模式，二级增压只有单涡轮增压器和两涡轮增压器串联，均包含于本实用新型的三种增压模式。因此，本实用新型中MAP图存在三个区域和三个切换边界，而相继增压和二级增压均只存在两个区域和一个切换边界。

2、本实用新型有三个切换边界，因此模式切换的种类有6种，而相继增压和二级增压均只有一个切换边界，因此都只有两种模式切换，并且均在本实用新型切换种类包含之内。对于相继增压，具有单涡轮增压器切换至两涡轮增压器并联和两涡轮增压器并联切换至单涡轮增压器两种切换模式，分别对应于本实用新型中的切换种类2和种类6。对于二级增压，具有单涡轮增压器切换至两涡轮增压器串联和两涡轮增压器串联切换至单涡轮增压器两种切换模式，分别对应于本实用新型中的切换种类1和种类4。本实用新型还具有两涡轮增压器串联切换至两涡轮增压器并联和两涡轮增压器并联切换至两涡轮增压器串联两种切换模式，分别为切换种类3和种类5。

3、为避免在切换边界附近反复切换，引入稳定时间，每次最佳增压模式改变之后开始计时，计时时间超过稳定时间再识别最佳增压模式是否产生变化，稳定时间之内不对其进行识别。

附图说明

图1为本实用新型的装置结构示意图；

图2为经典相继增压结构示意图；

图3为经典二级增压结构示意图；

图4为本实用新型流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本实用新型做更详细地描述：

结合图1～4，本实用新型将相继增压和二级增压两种增压结构通过改动融合在一起，并提出两种增压形式切换的控制方法，实现了相继增压和二级增压有机结合，使两种增压形式优缺点互补。本实用新型可用于两个及以上废气涡轮增压器的增压系统，以两个废气涡轮增压器为例，可实现单涡轮增压器、两涡轮增压器并联-相继增压、两涡轮增压器串联-二级增压三种模式。

本实用新型装置结构包括基本增压器压气机进气阀1、压气机连通阀2、基 本增压器压气机3、基本增压器涡轮4、进气总管连通管5、中冷器6、排气总管连通管7、转速传感器8、A列进气总管9、进气歧管10、内燃机组11、排气歧管12、A列排气总管13、B列排气总管14、B列进气总管15、齿条位置传感器16、燃气阀17、空气阀18、切换控制器19、涡轮连通管20、压气机连通管21、受控增压器压气机22、受控增压器涡轮排气管23、受控增压器压气机进气管24、受控增压器涡轮25、涡轮连通阀26、基本增压器涡轮排气阀27、基本增压器涡轮排气管28、基本增压器压气机进气管29。

按图1所示来说明本实用新型主要部件的位置关系：

基本增压器压气机进气管29分别与大气和压气机连通管21连通，压气机3出口与A列进气总管9连通。基本增压器涡轮4进口与A列排气总管13连通，其排气管28分别与大气和涡轮连通管20连通。受控增压器压气机进气管24与大气连通，压气机22出口分别与B列进气总管15和压气机连通管21连通。受控增压器涡轮25进口分别与B列排气总管14和涡轮连通管20连通，其排气管23与大气连通。基本增压器压气机进气阀1安装在压气机进气管29上，处于进气管29和压气机连通管21接口上游。基本增压器涡轮排气阀27安装在涡轮排气管28上，处于涡轮排气管28和涡轮连通管20接口下游。压气机连通管21两端分别与基本增压器压气机进气管29和B列进气总管15连通。涡轮连通管20两端分别与基本增压器涡轮排气管28和B列排气总管14连通。进气总管连通管5两端分别与A列进气总管9和B列进气总管15连通。排气总管连通管7两端分别与A列排气总管13和B列排气总管14连通。燃气阀17安装在处于涡轮连通管20和排气总管连通管7之间的B列排气总管14上。空气阀18安装在处于压气机连通管21和进气总管连通管5之间的B列进气总管15上。

结合图1、2、3说明本实用新型在结构上将相继增压、二级增压有机结合并实现两者切换的设计。实现相继增压的主要部件包括：基本增压器、受控增压器、燃气阀和空气阀；实现二级增压的主要部件包括：高压级增压器、低压级增压器、低压级涡轮旁通阀和低压级压气机旁通阀。本实用新型采用两台增压器：基本增压器3、4和受控增压器22、25，分别充当相继增压结构中的基本增压器和受控增压器，还充当二级增压结构中的高压级增压器和低压级增压器。采用空气阀18和燃气阀17，分别充当相继增压结构中的空气阀和燃气阀， 还充当二级增压结构中的高压级压气机旁通阀和高压级涡轮旁通阀。采用压气机连通管21和涡轮连通管20，相当于图3中的压气机连通管和涡轮连通管。采用基本增压器压气机进气阀1、基本增压器涡轮排气阀27、压气机连通阀2、涡轮连通阀26、空气阀17和燃气阀18，阀1、阀27开启并且阀2、阀26关闭时，相当于图3中二级增压结构，阀17相当于图3中的高压级涡轮旁通阀，阀18相当于图3中的高压级压气机旁通阀；阀2、阀26开启并且阀1、阀27关闭时，相当于图2中相继增压结构，阀17相当于图2中的燃气阀，阀18相当于图2中的空气阀。

本实用新型实现切换的控制方法：

步骤1：切换控制器19采集转速传感器8、齿条位置传感器16信号。由转速、喷油器齿条位置、最佳增压模式三者制成的切换控制MAP图，其中转速、喷油器齿条位置作为切换控制MAP图的输入信号。切换控制MAP图上存在单涡轮增压器、两涡轮增压器串联、两涡轮增压器并联三种增压模式，分别作为内燃机处于低流量低压比、高流量低压比、低流量高压比三种不同进气需求时的最佳增压模式。用采集到的转速、齿条位置信号，通过查切换控制MAP图得出最佳增压模式。

步骤2：判断稳定时间是否超过设定值t，若超过，采用步骤1得到的最佳增压模式；若未超过，保持上一控制循环的最佳增压模式不变，跳转至步骤1。

步骤3：判断当前控制循环和上一控制循环的最佳增压模式是否改变，若改变，对最佳增压模式切换种类进行识别；若未改变，跳转至步骤1。

步骤4：判断模式切换种类，并执行切换控制。模式切换种类分为单涡轮增压切换至两涡轮增压器串联-种类1、单涡轮增压器切换至两涡轮增压器并联-种类2、两涡轮增压器串联切换至两涡轮增压器并联-种类3、两涡轮增压器串联切换至单涡轮增压器-种类4、两涡轮增压器并联切换至两涡轮增压器串联-种类5、两涡轮增压器并联切换至单涡轮增压器-种类6六种。判断模式切换是否为种类1，若是，同时打开阀门2、26，并同时关闭阀门27，经过延迟时间τ₁后关闭阀门1，跳转至步骤1；若不是，判断是否为种类2。若是，打开阀门17，经过延迟时间τ₂后打开阀门18，跳转至步骤1；若不是，判断是否为种类3。若是，同时打开阀门1、17、27，并同时关闭阀门2、26，经过延迟时间τ₃后打 开阀门(18)，跳转至步骤1；若不是，判断是否为种类4。若是，打开阀门27，并同时关闭阀门26，经过延迟时间τ₄后打开阀门1，并同时关闭阀门2，跳转至步骤1；若不是，判断是否为种类5。若是，同时打开阀门2、26，并关闭阀门1、17、27，经过延迟时间τ₅后关闭阀门18，跳转至步骤1；若不是，为种类6，关闭阀门17，经过延迟时间τ₆后关闭阀门18，跳转至步骤1。

具体的原理如下：

相继增压系统采用两个废气涡轮增压器根据内燃机转速和扭矩的增加相继依次投入，并联运行，因此该系统流量范围较大，增压比较低。二级增压系统采用两个废气涡轮增压器根据内燃机转速和扭矩的增加相继依次投入，串联运行，因此该系统流量范围较小，增压比较高。对于工况范围比较宽的内燃机，当处于低转速中低负荷工况时，所需进气量和压比较低，采用相继增压和二级增压的单涡轮增压模式均能满足进气要求；当处于低转速高负荷工况时，所需进气量较少而压比较高，采用相继增压不能较好满足进气要求，而采用二级增压可以满足要求；当处于高转速低负荷工况时，所需进气量较多而压比较低，采用二级增压效率较低且容易阻塞，而采用相继增压可以满足要求且效率高不阻塞。由以上分析可知，对于工况范围较宽的内燃机，采用相继增压和二级增压各有优缺点，并且可以互补。相继增压和二级增压在结构上相似，只是串并联方式不同。因此，将相继增压和二级增压融合在一个系统里，根据内燃机工况的变化来对相继增压和二级增压进行切换，能够更好地满足工况范围较宽的内燃机进气需求。基本增压器压气机进气阀1、基本增压器涡轮排气阀27开启，涡轮连通阀26、压气机连通阀2、燃气阀17和空气阀18关闭，可实现只投入基本增压器3、4运行。基本增压器压气机进气阀1、基本增压器涡轮排气阀27、燃气阀17和空气阀18开启，涡轮连通阀26、压气机连通阀2关闭，可实现基本增压器3、4和受控增压器25、22并联运行-相继增压模式。涡轮连通阀26、压气机连通阀2开启，基本增压器压气机进气阀1、基本增压器涡轮排气阀27、燃气阀17和空气阀18关闭，可实现基本增压器3、4和受控增压器25、22串联运行-二级增压模式，调整燃气阀17和空气阀18的开度，可以实现二级增压高低压级间的分配及增压比。如此就可以实现相继/二级增压切换的功能，融合 相继增压和二级增压的优点，提高涡轮增压器效率，拓宽增压系统与内燃机匹配范围，改善内燃机动力性能，减少碳烟等排放。

首先经仿真或者试验找出齿条位置、转速两个变量对应的最佳增压模式，制成表格存储到切换控制器。再对切换过程稳定时间进行设定。本实用新型增压模式可分为单涡轮增压器、两涡轮增压器串联、两涡轮增压器并联三种，模式切换分为单涡轮增压切换至两涡轮增压器串联-种类1、单涡轮增压器切换至两涡轮增压器并联-种类2、两涡轮增压器串联切换至两涡轮增压器并联-种类3、两涡轮增压器串联切换至单涡轮增压器-种类4、两涡轮增压器并联切换至两涡轮增压器串联-种类5、两涡轮增压器并联切换至单涡轮增压器-种类6六种。对六种模式切换设定对应各阀门开关的状态、顺序和延迟时间。内燃机11运行时，转速传感器8和齿条位置传感器16分别将内燃机11的转速和喷油器齿条位置转换为电信号传输给切换控制器19。切换控制器19根据转速大小和齿条位置判断内燃机11工况点，通过查表得出最佳的增压模式。最佳增压模式确定之后，判断最佳增压模式是否改变。如果改变，判断增压器切换种类。切换种类确定后，根据该切换种类下对应的各阀门开关的状态、延迟时间及顺序，切换控制器19发出相应的开关信号给各阀门的执行器，由执行器开或关各阀门。当最佳增压模式为单涡轮增压器时，切换控制器19发出信号使基本增压器压气机进气阀1、基本增压器涡轮排气阀27按给定的顺序及延迟时间开启，使涡轮连通阀26、压气机连通阀2、燃气阀17及空气阀18按给定的顺序及延迟时间关闭，受控增压器切出系统停止工作。当最佳增压模式为两增压器并联运行时，切换控制器19发出信号使基本增压器压气机进气阀1、基本增压器涡轮排气阀27、燃气阀17及空气阀18按给定的顺序及延迟时间开启，使涡轮连通阀26、压气机连通阀2按给定的顺序及延迟时间关闭，基本增压器3、4和受控增压器22、25并联运行。当最佳增压模式为两增压器串联运行时，切换控制器19发出信号使涡轮连通阀20、压气机连通阀2按给定的顺序及延迟时间开启，使基本增压器压气机进气阀1、基本增压器涡轮排气阀27、燃气阀17及空气阀18按给定的顺序及延迟时间关闭，基本增压器3、4和受控增压器22、25串联运行。

切换相继/二级增压的控制方法：

步骤1：切换控制器19采集转速传感器8、齿条位置传感器16信号。由转速、喷油器齿条位置、最佳增压模式三者制成的切换控制MAP图，其中转速、喷油器齿条位置作为切换控制MAP图的输入信号。切换控制MAP图上存在单涡轮增压器、两涡轮增压器串联、两涡轮增压器并联三种增压模式，分别作为内燃机处于低流量低压比、高流量低压比、低流量高压比三种不同进气需求时的最佳增压模式。用采集到的转速、齿条位置信号，通过查切换控制MAP图得出最佳增压模式。

步骤2：判断稳定时间是否超过设定值，若超过，采用步骤1得到的最佳增压模式；若未超过，保持上一控制循环的最佳增压模式不变，跳转至步骤1。

步骤3：判断当前控制循环和上一控制循环的最佳增压模式是否改变，若改变，对最佳增压模式切换种类进行识别；若未改变，跳转至步骤1。

步骤4：判断模式切换种类，并执行切换控制。模式切换种类分为单涡轮增压切换至两涡轮增压器串联-种类1、单涡轮增压器切换至两涡轮增压器并联-种类2、两涡轮增压器串联切换至两涡轮增压器并联-种类3、两涡轮增压器串联切换至单涡轮增压器-种类4、两涡轮增压器并联切换至两涡轮增压器串联-种类5、两涡轮增压器并联切换至单涡轮增压器-种类6六种。判断模式切换是否为种类1，若是，同时打开阀门2、26，并同时关闭阀门27，经过延迟时间τ₁后关闭阀门1，跳转至步骤1；若不是，判断是否为种类2。若是，打开阀门17，经过延迟时间τ₂后打开阀门18，跳转至步骤1；若不是，判断是否为种类3。若是，同时打开阀门1、17、27，并同时关闭阀门2、26，经过延迟时间τ₃后打开阀门(18)，跳转至步骤1；若不是，判断是否为种类4。若是，打开阀门27，并同时关闭阀门26，经过延迟时间τ₄后打开阀门1，并同时关闭阀门2，跳转至步骤1；若不是，判断是否为种类5。若是，同时打开阀门2、26，并关闭阀门1、17、27，经过延迟时间τ₅后关闭阀门18，跳转至步骤1；若不是，为种类6，关闭阀门17，经过延迟时间τ₆后关闭阀门18，跳转至步骤1。

Claims (1)

1.可切换相继/二级增压结构，包括第一增压器、第二增压器、内燃机组，第一增压器的压气机通过A列进气总管经A列进气歧管连通内燃机组，第一增压器的压气机通过第一压气机进气管连通大气，第一增压器的涡轮通过A列排气总管经A列排气歧管连通内燃机组，第一增压器的涡轮通过第一涡轮排气管连通大气，第二增压器的压气机通过B列进气总管经B列进气歧管连通内燃机组，第二增压器的压气机通过第二压气机进气管连通大气，第二增压器的涡轮通过B列排气总管经B列排气歧管连通内燃机组，第二增压器的涡轮通过第二涡轮排气管连通大气，其特征是：A列进气总管与B列进气总管之间通过安装进气总管连通管从而连通，第一压气机进气管与B列进气总管之间通过安装压气机连通管从而连通，第一涡轮排气管与B列排气总管之间通过安装涡轮连通管从而连通，A列排气总管与B列排气总管之间通过安装排气总管连通管从而连通，第一压气机进气管上安装第一增压器压气机进气阀，第一增压器压气机进气阀处于进气管和压气机连通管接口上游，第一涡轮排气管上安装第一增压器涡轮排气阀，第一增压器涡轮排气阀处于第一涡轮排气管和涡轮连通管接口下游，A列进气总管上安装第一中冷器，B列进气总管上安装第二中冷器，压气机连通管上安装压气机连通阀和第三中冷器，涡轮连通管上安装涡轮连通阀，涡轮连通管和排气总管连通管之间的B列排气总管上安装燃气阀，压气机连通管和进气总管连通管之间的B列进气总管上安装空气阀，内燃机组上安装分别采集其转速和喷油器齿条位置的转速传感器和齿条位置传感器，转速传感器和齿条位置传感器均连接控制第一增压器压气机进气阀、压气机连通阀、第一增压器涡轮排气阀、涡轮连通阀、空气阀、燃气阀开闭的切换控制器。