CN216278137U - 一种柴油机两级涡轮串联自循环脉冲增压装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种柴油机两级涡轮串联自循环脉冲增压装置，包括主压气机、高压级涡轮、低压级涡轮、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相连，发动机通过排气总管与高压级涡轮相连，高压级涡轮与低压级涡轮相连，低压级涡轮与主压气机相连，高压级涡轮旁并联有旁通阀，高压级涡轮与脉冲进气压气机相连，脉冲进气压气机依次通过第一电磁阀、脉冲爆震管、第二电磁阀与排气总管相连。采用两个涡轮串联并使两个压气机分别向柴油机燃烧室和脉冲爆震燃烧室供气，充分利用废气能量，优化涡轮增压器的匹配设计，提高发动机进气压力，加快发动机响应特性。

Description

一种柴油机两级涡轮串联自循环脉冲增压装置

技术领域

本实用新型涉及发动机燃烧及控制领域，尤其涉及一种柴油机两级涡轮串联自循环脉冲增压装置，通过耦合爆震循环及狄塞尔循环联合增压的耦合控制，提升柴油机的瞬态性能。

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。因此，研发一种柴油机两级涡轮串联自循环脉冲增压装置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，本实用新型提供了一种用两个涡轮串联的方案，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，本实用新型采用的技术方案是：

一种柴油机两级涡轮串联自循环脉冲增压装置，包括主压气机、高压级涡轮、低压级涡轮、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高压级涡轮相连，所述高压级涡轮的出口与所述低压级涡轮的进口相连，所述低压级涡轮通过传动轴与所述主压气机相连，实现发动机进气增压。在所述高压级涡轮旁并联有旁通管道，在所述旁通管道上设有旁通阀，所述高压级涡轮通过传动轴与所述脉冲进气压气机相连，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、旁通阀以及脉冲爆震管中的喷油器和火花塞电连接。

进一步的，所述所述旁通管道一端接入排气总管与高压级涡轮之间，另一端接入高压级涡轮与低压级涡轮之间。

现有的脉冲爆震装置要求进气压力不得低于排气端压力，这对脉冲爆震增压的实现是一个挑战。相对于现有技术，本实用新型所述的柴油机两级涡轮串联自循环脉冲增压装置及控制方法具有以下优势：为实现脉冲爆震增压的稳定工作，需要确保脉冲爆震管进气压力足够大，因此在脉冲爆震管进气系统配有单独的涡轮增压器，能实现脉冲爆震增压的压力快速准确地调节，同时脉冲爆震管进气独立于发动机进气，减小脉冲爆震增压系统对发动机的影响。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。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是本实用新型发动机及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。

附图标记说明：

1、发动机；2、进气总管；3、排气总管；4、进气中冷器；5、第一电磁阀；6、脉冲爆震管；7、主压气机；8、低压级涡轮；9、脉冲进气压气机；10、高压级涡轮；11、空气过滤器；12、ECU控制单位；13、第二电磁阀；14、旁通阀

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

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，一种柴油机两级涡轮串联自循环脉冲增压装置，包括主压气机7、高压级涡轮10、低压级涡轮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与高压级涡轮10相连，高压级涡轮10的出口与低压级涡轮8的进口相连，低压级涡轮8通过传动轴与主压气机7相连，实现发动机进气增压。在高压级涡轮10旁并联有旁通管道，旁通管道一端接入排气总管3与高压级涡轮10之间，另一端接入高压级涡轮10与低压级涡轮8之间，在旁通管道上设有旁通阀14，高压级涡轮10通过传动轴与脉冲进气压气机9相连，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。

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、旁通阀14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)。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并推动低压级涡轮8(此时旁通阀14为打开状态)，带动主压气机7工作。当旁通阀14关闭时，高压级涡轮10可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，并向高压级涡轮10排放高温高压气体与发动机排气的混合气体，继而提高了低压级涡轮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和旁通阀14的开关大小，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。

一种柴油机两级涡轮串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控制旁通阀14关闭和第一电磁阀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，向高压级涡轮10排放高温高压气体与发动机排气的混合气体，继而提高了低压级涡轮8前的温度和压力，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，所以在脉冲增压系统脱出或者不工作时，打开旁通阀14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。

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工作。选取如下表2参数作为发动机初始状态参数：

表2发动机初始工况

在发动机突然加速时，脉冲增压系统接入，脉冲增压系统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控制单位12控制脉冲爆震管6进气端第一电磁阀5开启，脉冲进气压气机9压缩空气进入脉冲爆震管6，推走脉冲爆震管6管内的残余废气。在进气的中间阶段，ECU控制单位12控制脉冲爆震管6预燃室的喷油器喷油，与脉冲爆震管6内部的空气混合。在点火起爆阶段，ECU控制单位12控制脉冲爆震管6内部的火花塞点火，混合气发生爆震燃烧并迅速排出推动废气涡轮做功。

脉冲增压接入效果如下：

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9.5秒才能稳定在1.9bar进气，而脉冲增压进气到达1.9bar只需要1.2秒。

本实用新型的技术方案是一种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，同时用两个涡轮串联并使两个压气机分别向柴油机燃烧室和脉冲爆震燃烧室供气，能够充分利用废气能量，优化涡轮增压器的匹配设计，快速提高发动机进气压力，加快发动机响应特性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种柴油机两级涡轮串联自循环脉冲增压装置，其特征在于：包括主压气机、高压级涡轮、低压级涡轮、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高压级涡轮相连，所述高压级涡轮的出口与所述低压级涡轮的进口相连，所述低压级涡轮通过传动轴与所述主压气机相连，在所述高压级涡轮旁并联有旁通管道，在所述旁通管道上设有旁通阀，所述高压级涡轮通过传动轴与所述脉冲进气压气机相连，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所述的一种柴油机两级涡轮串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、旁通阀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所述的一种柴油机两级涡轮串联自循环脉冲增压装置，其特征在于：所述旁通管道一端接入排气总管与高压级涡轮之间，另一端接入高压级涡轮与低压级涡轮之间。

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