CN208650973U

CN208650973U - 涡轮旁通阀可调的两级电控气动增压系统

Info

Publication number: CN208650973U
Application number: CN201820785715.6U
Authority: CN
Inventors: 刘瑞林; 刘大川; 张众杰; 周广猛; 董素荣
Original assignee: Military Transportation University of PLA
Current assignee: Military Transportation University of PLA
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2019-03-26
Anticipated expiration: 2028-05-25

Abstract

一种涡轮旁通阀可调的两级电控气动增压系统，包括高、低压级涡轮增压器、高低压级中冷器和调节装置；所述高、低压级涡轮增压器包括串联的高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器，所述高压级涡轮增压器包括高压级旁通阀涡轮机和高压级压气机，所述低压级增压器包括低压级旁通阀涡轮机和低压级压气机；所述高低压级中冷器由高压级压气机中冷器与低压级压气机中冷器组成；所述调节装置包括真空泵、电磁阀、气动执行器、旁通阀和连接管路。该系统能够实现变海拔全工况增压器各阀门开度与开闭进行及时调节，使发动机在海拔5000m标定点功率恢复平原标定点90％目标。

Description

涡轮旁通阀可调的两级电控气动增压系统

技术领域

本实用新型涉及发动机增压技术领域，特别涉及一种涡轮旁通阀可调的两级电控气动增压系统及其变海拔控制方法。

背景技术

涡轮增压器是利用发动机排出的废气的压力来驱动涡轮，然后利用涡轮的扭矩旋转压气机将吸入空气推入发动机，用以提高输出功率。随海拔升高，大气压力降低，增压器增压能力下降，发动机功率随之下降，为了使发动机在5000m海拔高度恢复功率达到平原功率90％的目标，压气机增压压力在最大扭矩点至标定点区间内至少达到平原增压压力水平甚至更高。若采用单级增压，目前没有任何一款压气机能够满足如此高的压比和流量范围要求，因此需要采用二级可调增压。目前可调增压主要有可变截面增压与涡轮旁通阀可调增压，可变截面增压理论优势明显，但其结构的复杂性、可靠性与体积限制了其应用，涡轮旁通阀可调增压器相较可变截面增压器体积小且可靠性高，针对高原环境采用两级涡轮旁通阀可调的增压器更为合适。

目前两级增压变海拔控制方法大多针对固定海拔稳态工况，当两级增压设计匹配点选择为平原地区的发动机，在高原地区运行时，由于空气密度降低，发动机功率也会相应下降。当两级增压设计匹配点选择为高原地区发动机，到了平原地区运行时，发动机低速段的排放性、高速段经济性会严重下降。在发动机瞬态工况时，发动机瞬态性能恶化严重，因此增压器变海拔控制方法需针对全工况进行设计。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有可调两级增压系统存在的技术缺陷，提供一种涡轮旁通阀可调的两级电控气动增压系统，该系统能够实现变海拔全工况增压器各阀门开度与开闭进行及时调节，使发动机在海拔5000m标定点功率恢复平原标定点90％目标。

如上构思，本实用新型的技术方案是：一种涡轮旁通阀可调的两级电控气动增压系统，包括柴油机、柴油机进气歧管(5)、排气总管(9)、ECU(16)、油门位置传感器(4)、发动机转速传感器(1)和大气环境压力传感器(23)，其特征在于：包括高、低压级涡轮增压器、高、低压级中冷器和调节装置；

所述高、低压级涡轮增压器包括串联的高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器，所述高压级涡轮增压器包括高压级旁通阀涡轮机(20)和高压级压气机(19)，所述低压级增压器包括低压级旁通阀涡轮机(28)和低压级压气机(27)；

所述高、低压级中冷器由高压级压气机中冷器(12)与低压级压气机中冷器(25)组成；

所述高压级涡轮机入口(20′)和高压级涡轮机旁通阀进气管路(14)连接排气总管(9)；高压级涡轮机出口(20″)和高压级涡轮机旁通阀排气管路(14′)连接低压级涡轮机进口(28′)与低压级涡轮机旁通阀进气管路(26)；低压级涡轮机出口(28″)与低压级涡轮机旁通阀排气管路(26′)连接环境；低压级压气机进口(27′)连接环境，低压级压气机出口(27″)连接低压级压气机中冷器进口(25′)，低压级压气机中冷器出口(25″)连接高压级压气机进口(19′)和高压级旁通管路(11′)；高压级压气机出口(19″)连接高压级压气机中冷器进口(12′)，高压级压气机旁通阀管路(11)和高压级压气机中冷器出口(12″)连接进气歧管(5)；

所述低压级压气机中冷器(25)和高压级压气机(19)之间设置低压级中冷后压力传感器(24)，高压级压气机中冷器(12)和进气歧管(5)间设置高压级中冷后压力传感器(8)和进气温度传感器(6)；排气总管(9)设置排气温度传感器(13)；

所述调节装置由机械式真空泵(2)、电磁阀(3)、高压级涡轮机旁通阀(21)、高压级涡轮机旁通阀气动执行器(22)、低压级涡轮机旁通阀(29)、低压级涡轮机旁通阀气动执行器(30)、高压级压气机旁通阀(18)、高压级压气机旁通阀气动执行器(17)及相应管路组成；所述真空泵(2)由发动机曲轴引出，所述电磁阀(3)内包含三个及以上电磁阀开关，以分别连接真空泵(2)、高压级涡轮机旁通阀气动执行器(22)、低压级涡轮机旁通阀气动执行器(30)、高压级压气机旁通阀气动执行器(17)；

所述电磁阀(3)、高压级中冷后压力传感器(8)、低压级中冷后压力传感器(24)、排气温度传感器(13)、发动机转速传感器(1)、油门位置传感器(4)、进气温度传感器(6)、大气环境压力传感器(23)和高、低压级涡轮旁通阀气动执行器(22)和(30)、高压级压气机旁通阀气动执行器(17)中的内置压力传感器连接发动机总控制器ECU(16)。

上述高压级涡轮机旁通阀(21)和低压级涡轮机旁通阀为内置式调节阀(29)。

上述高压级压气机旁通阀(18)为外置调节阀。

与现有技术相比，本实用新型的优势在于：

本实用新型的高压级涡轮机旁通阀开度、低压级涡轮机旁通阀开度和高压级压气机旁通阀开闭由ECU控制电磁阀来控制气动执行器调节。发动机处在怠速、低速工况，由于废气能量低，所需进气量小，只需高压级涡轮增压器就能满足发动机工作需求。当发动机处于中高转速时，为所需进气量较大，且进气流量均在两级增压器较高效率范围，两级涡轮增压器同时工作既可以提供充足进气量又可以减小排气损失。当发动机处于高转速时，进气量超过高压级压气机高压级增压器运行范围，此时只有低压级增压器工作，高压级涡轮机与高压级压气机旁通阀均处于全开状态。发动机工作在平原时，相较于高原大气压力较高，转速由低到高，低压级增压器介入转速较高，高压级增压器脱离工作转速较高。增压器通过标定MAP进行闭环反馈与开环前馈组合控制，可以实现不同海拔全工况发动机增压压力调节，从而达到发动机在海拔5000m标定点功率恢复平原条件标定点的90％目标。

附图说明

图1为涡轮旁通阀可调的两级电控气动增压系统结构示意图；

图2为涡轮旁通阀可调的两级电控气动增压系统控制流程示意图。

图中：1——发动机转速传感器；2——机械式真空泵；3——电磁阀；4——油门位置传感器；5——进气歧管；6——进气温度传感器；7——柴油机；8——高压级中冷后压力传感器；9——排气总管；10——高压级压气机旁通阀调节装置管路；11——高压级压气机旁通阀管路；12——高压级压气机中冷器；12′——高压级压气机中冷器进口；12″——高压级压气机中冷器出口；13——排气温度传感器；14——高压级涡轮机旁通阀进气管路；14′——高压级涡轮机旁通阀排气管路；15——高压级涡轮机旁通阀调节装置管路；16——ECU；17——高压级压气机旁通阀气动执行器；18——高压级压气机旁通阀；19——.高压级压气机；19′——高压级压气机进口；19″——高压级压气机出口；20——高压级旁通阀涡轮机；20′——高压级涡轮机进口；20″——高压级涡轮机出口；21——高压级涡轮机旁通阀；21′——高压级涡轮机旁通阀进口；21″——高压级涡轮机旁通阀出口；22——高压级涡轮机旁通阀气动执行器；23——大气环境压力传感器；24——低压级中冷后压力传感器；25——低压级压气机中冷器；25′——低压级压气机中冷器进口；25″——低压级压气机中冷器出口；26——低压级涡轮机旁通阀进气管路；26′——低压级涡轮机旁通阀排气管路；27——低压级压气机；27′——低压级压气机进口；27″——低压级压气机出口；28——低压级旁通阀涡轮机；28′——低压级涡轮机进口；28″——低压级涡轮机出口；29——低压级涡轮机旁通阀；29′——低压级涡轮机旁通阀进口；29″——低压级涡轮机旁通阀出口；30——低压级涡轮机旁通阀气动执行器；31——低压级涡轮机旁通阀调节装置管路；32——两级涡轮旁通阀增压器系统。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，一种涡轮旁通阀可调的两级电控气动增压系统，包括高、低压级涡轮增压器、高低压级中冷器和调节装置。

所述高、低压级涡轮增压器包括串联的高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器，所述高压级涡轮增压器包括高压级旁通阀涡轮机(20)和高压级压气机(19)，所述低压级增压器包括低压级旁通阀涡轮机(28)和低压级压气机(27)。

所述高低压级中冷器由高压级压气机中冷器(12)与低压级压气机中冷器(25)组成。

所述调节装置由机械式真空泵(2)、电磁阀(3)、高压级涡轮机旁通阀(21)、高压级涡轮机旁通阀气动执行器(22)、低压级涡轮机旁通阀(29)、低压级涡轮机旁通阀气动执行器(30)、高压级压气机旁通阀(18)、高压级压气机旁通阀气动执行器(17)及相应管路组成。上述真空泵(2)由发动机曲轴引出，为执行机构提供动力；所述电磁阀(3)内包含三个及以上电磁阀开关，以分别连接真空泵(2)、高压级涡轮机旁通阀气动执行器(22)、低压级涡轮机旁通阀气动执行器(30)、高压级压气机旁通阀气动执行器(17)，以控制其与真空泵(2)之间的管路、与各个旁通阀气动执行器(22)、(30)和(17)之间管路内空气回路的开闭，从而调节气动执行器内气压。各个旁通阀气动执行器根据内部气压大小产生相应的位移并能稳定在某一位置，从而调节旁通阀开度与开闭；

所述电磁阀(3)、高压级中冷后压力传感器(8)、低压级中冷后压力传感器(24)、排气温度传感器(13)、转速传感器(1)、油门位置传感器(4)、进气温度传感器(6)、大气环境压力传感器(23)和高压、低级涡轮旁通阀气动执行器(22)和(30)、高压级压气机旁通阀气动执行器(17)中的内置压力传感器连接发动机总控制器ECU(16)。通过涡轮旁通阀可调的两级电控气动增压内燃机低气压性能试验，得到全工况最佳增压压力MAP和气动执行器压力MAP；根据发动机工况，利用标定MAP，通过电控气动调节装置控制各旁通阀的开度和开闭，采用闭环反馈及开环前馈两种模式组合进行调节，实现全工况发动机增压压力调节。

本实用新型使用的高压级涡轮机旁通阀和低压级涡轮机旁通阀为内置式调节阀，可实现全开到全关无级调节。本实用新型使用的高压级压气机旁通阀为外置调节阀，只有全开和全闭两种状态。

本实用新型高压级涡轮机旁通阀气动执行器(22)内气体压力与旁通阀开度成正比例关系，内气体压力越小，旁通阀开度越小；低压级涡轮机旁通阀气动执行器(30)内气体压力与旁通阀开度成正比例关系，内气体压力越小，旁通阀开度越小；高压级压气机旁通阀气动执行器(17)内气体压力超过上限临界值则旁通阀全关，低于下限临界值旁通阀全开。

如图2所示：上述涡轮旁通阀可调的两级电控气动增压系统变海拔控制方法如下：

发动机停机状态，高压级涡轮机旁通阀(21)全关，低压级涡轮机旁通阀(29)全开，高压级压气机旁通阀(18)全关，为了方便描述，这里定义高压级涡轮机旁通阀开度为A，低压级涡轮机旁通阀开度为B，A与B取值范围0～1，0代表全关，1代表全开，高压级压气机旁通阀开度为C，C只有0全关，1全开两个取值；

发动机低速工况，B＝0，C＝0，高压级涡轮机旁通阀(21)根据高压级增压压力与高压级气动执行器压力MAP进行调节；

发动机处于低转速工况具体变海拔控制方法：

低速工况下高压级增压器工作就可满足进气条件；工作若高压级压气机增压压力目标值(P₍₈₎)相对当前进气歧管(5)处高压级压气机增压压力传感器(8)测得压力值(P₍₈₁₎)较低，判断高压级涡轮机旁通阀(21)是否全关，若未全关则增大高压级涡轮机旁通阀(21)，开度若全关则结束；若高压级压气机增压压力目标值相对当前进气歧管(5)处高压级压气机增压压力传感器(8)测得压力值较高，判断高压级涡轮机旁通阀(21)是否全开，若未全开则增大高压级涡轮机旁通阀(21)开度，若已经全开，则说明此时发动机工况脱离当前工况范围，结束；

ΔP_(T)为环境温度修正值，Δp_(p)为环境压力修正值，P₍₈₀₎为通过发动机转速与负荷查询的到增压压力初始值计算公式为，目标值计算公式为：

P₍₈₎＝P₍₈₀₎+ΔP_(T)+Δp_(p)

ΔP₍₈₎为目标值与当前测量值误差，计算公式为：

ΔP₍₈₎＝P₍₈₎-P₍₈₁₎

若发动机处于中低转速工况，两级增压器同时工作，高压级压气机旁通阀(18)关闭，低压级涡轮机旁通阀(29)和高压级涡轮机旁通阀(21)开度调节依据标定增压压力与气动执行器压力MAP；

发动机处于中低转速工况，增压压力调节计算公式与其他转速工况相同，这里不再详列公式，该工况具体变海拔控制方法：

若低压级压气机增压压力目标值相对当前低压级压气机增压压力传感器(24)测得压力值较高，判断低压级涡轮机旁通阀(29)是否全开，若未全开则增大低压级涡轮机旁通阀(29)的开度，若低压级涡轮机旁通阀(29)已经全开则结束；

若低压级压气机增压压力目标值相对当前低压级压气机增压压力传感器(24)测得压力值较低，判断低压级涡轮机旁通阀(29)是否全关，若未全关则减小低压级涡轮机旁通阀(29)开度，若低压级涡轮机旁通阀(29)已经全关则结束；

若低压级压气机增压压力目标值相对当前低压级压气机增压压力传感器(24)测得压力值没有差别则不作调整；

若高压级压气机增压压力目标值相对当前进气歧管(5)处高压级压气机增压压力传感器(8)测得压力值较高，判断高压级涡轮机旁通阀(21)是否全开，若未全开则增大高压级涡轮机旁通阀(21)开度，若已经全开，判断高压级压气机旁通阀(18)是否打开；

若高压级压气机旁通阀(18)未打开则开启高压级压气机旁通阀(18)，若高压级压气机旁通阀(18)已打开则结束；

若高压级压气机增压压力目标值相对当前进气歧管(5)处高压级压气机增压压力传感器(8)测得压力值较低，判断高压级涡轮机旁通阀(21)是否全关，若未全关则减小高压级涡轮机旁通阀(21)开度，若高压级涡轮机旁通阀(21)已全关则结束；

若高压级压气机增压压力目标值相对当前进气歧管(5)处高压级压气机增压压力传感器(8)测得压力值没有差别则不作调整；

若发动机处于高转速工况，仅低压级增压器工作，高压级压气机旁通阀(18)打开，高压级涡轮机旁通阀全开，低压级涡轮机旁通阀(29)开度调节依据标定增压压力与气动执行器压力MAP；

发动机处于高转速工况具体控制方法：

发动机进入高转速工况，若测得低压级压气机增压压力达到当前工况限制值，A＝1，C＝1，此时仅低压级增压器工作，增压压力目标值P₍₂₉₎，根据发动机转速与负荷通过查询MAP得到P₍₂₉₀₎；

P₍₂₉₎＝P₍₂₉₀₎+ΔT+Δp

若低压级压气机增压压力目标值相对当前低压级压气机增压压力传感器(24)测得压力值较高，判断低压级涡轮机旁通阀(29)是否全开，若未全开则增大低压级涡轮机旁通阀(29)的开度，若低压级涡轮机旁通阀(29)已经全开则结束；若低压级压气机增压压力目标值相对当前低压级压气机增压压力传感器(24)测得压力值较低，判断低压级涡轮机旁通阀(29)是否全关，若未全关则减小低压级涡轮机旁通阀(29)开度，若低压级涡轮机旁通阀(29)已经全关则结束；若低压级压气机增压压力目标值相对当前低压级压气机增压压力传感器(24)测得压力值没有差别则不作调整；

若ECU(16)读取发动机转速传感器(1)，油门位置传感器(4)信号变化值及变化速率达到设定值时，判定发动机进入瞬态工况，采用开环前馈控制，控制目标为气动执行器压力，通过查询标定MAP确定目标值，通过电磁阀(3)控制调节装置气路开闭达到目标压力；

电磁阀开闭时间(t)为控制量，这里电磁阀开闭可以直接决定气动执行器内压力，当前值为P₍₁₎,目标值P₍₀₎，差值为△P，K为当前工况瞬态控制比例系数，开闭时间控制信号信号可确定为：

ΔP＝P₍₁₎-P₍₀₎＝Kt

排气温度传感器(13)主要检测排气温度是否超过限制值，若未超过限制值，则ECU(16)固定频率读取排气温度传感器(13)信号；若监测到排气温度超过限制值，则立即减少喷油保护发动机及增压器；

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应理解为可以在示例性实施例中描述的元件布置和功能方面进行各种变化，而不违背所附属权利要求和它们的法律等同体中所述的范围。

Claims

1.一种涡轮旁通阀可调的两级电控气动增压系统，包括柴油机、柴油机进气歧管(5)、排气总管(9)、ECU(16)、油门位置传感器(4)、发动机转速传感器(1)和大气环境压力传感器(23)，其特征在于：包括高、低压级涡轮增压器、高、低压级中冷器和调节装置；

所述电磁阀(3)、高压级中冷后压力传感器(8)、低压级中冷后压力传感器(24)、排气温度传感器(13)、发动机转速传感器(1)、油门位置传感器(4)、进气温度传感器(6)、大气环境压力传感器(23)、高压级涡轮机旁通阀气动执行器(22)、低压级涡轮机旁通阀气动执行器(30)、高压级压气机旁通阀气动执行器(17)中的内置压力传感器连接发动机总控制器ECU(16)。

2.根据根据权利要求1所述的涡轮旁通阀可调的两级电控气动增压系统，其特征在于：上述高压级涡轮机旁通阀(21)和低压级涡轮机旁通阀为内置式调节阀(29)。

3.根据根据权利要求1所述的涡轮旁通阀可调的两级电控气动增压系统，其特征在于：上述高压级压气机旁通阀(18)为外置调节阀。