CN218598262U - 柴油机涡轮可变增压系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柴油机涡轮可变增压系统，包括涡轮增压器、排气管和多个截止阀，各气缸的出口分别与第一排气管和第二排气管相连。第一涡轮增压器涡轮端x进口分成两路，一路通过截止阀与第一排气管一端相连，另一路通过截止阀与附加排气管一端相连，第一排气管另一端、附加排气管另一端合并成一路后通过截止阀和第二涡轮增压器涡轮端a进口相连，第一涡轮增压器涡轮端y进口通过截止阀与第二排气管一端相连，第二排气管另一端通过截止阀与第二涡轮增压器压气机端b进口相连。本实用新型实现了两台涡轮增压器的切换及排气管总容积可变的功能，使排气管容积与涡轮增压器工作状态相匹配，有效提升了柴油机的动力性和经济性。

Description

柴油机涡轮可变增压系统

技术领域

本实用新型涉及一种柴油机的废气涡轮增压系统，特别涉及一种可以改变涡轮增压器与柴油机匹配特性的柴油机废气涡轮增压系统，属于内燃机技术领域。

背景技术

为提升柴油机的动力性和经济性，一般会采用废气涡轮增压装置，利用废气中的能量驱动涡轮转动，涡轮转动带动同轴的压气机转动，对柴油机的进气进行压缩，提高柴油机的过量空气系数，同等进油条件下可以燃烧更多的柴油，提高柴油机的输出功率，有效提升柴油机的动力性和经济性。

但是柴油机是往复式机械，涡轮增压器是回转式机械，两种机械的运行方式的不同导致两种机械的匹配不可能达到全负荷、全工况的优化，只能在一定范围内存在最优匹配区间(一般为10％柴油机负荷区间)。

柴油机运行时，由于各气缸按顺序依次发火通过各自的连杆驱动曲轴旋转，柴油机排放的废气存在脉冲能量。当柴油机低负荷运行时，排出的废气流量较小，涡轮增压器运行对脉冲能量的利用可以有效提升柴油机和涡轮增压器匹配的效果，缩小排气管容积，有利于利用废气排放的脉冲能量，可以提高柴油机低负荷增压器的工作效率。当柴油机高负荷运行时，废气流量大、能量充足，增大排气管容积，可以减小排气管中的脉冲能量，有利于减小增压器涡轮进口前的压力波动，提高涡轮增压器运行的稳定性，进而提高涡轮增压器的工作效率。低负荷时排气管容积小，高负荷排气管容积大，有利于提升涡轮增压器的工作效率。换言之，若排气管的容积能随柴油机负荷升高而增大，即可以更加有效地利用废气中的能量。

现有的柴油机一般根据柴油机最大排气量来确定排气管的容积，排气管容积固定不变，一般为柴油机总排量V的10倍左右，且柴油机和增压器也只能确定某个负荷区间作为匹配点，不能兼顾柴油机工作时的高负荷作业和低负荷作业的不同工况。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种柴油机涡轮可变增压系统，根据柴油机工作时的负荷不同，实现两台涡轮增压器工作的切换和不同容积的排气管的组合，有效提高柴油机与涡轮增压器匹配效果。

本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种柴油机涡轮可变增压系统，包括第一涡轮增压器、第二涡轮增压器、第一排气管、第二排气管、附加排气管、数个三通管和多个截止阀，所述第一涡轮增压器安装在柴油机一端，第二涡轮增压器安装在柴油机另一端；第一涡轮增压器压气机端和第二涡轮增压器压气机端分别与进气管两端相连，进气管上并联的进气支管分别与对应气缸的进口端相连，各气缸的第一出口分别通过第一排气支管与第一排气管相连，各气缸的第二出口分别通过第二排气支管与第二排气管相连；第一涡轮增压器涡轮端x进口通过三通管分成两路，其中一路通过第三截止阀与第一排气管一端相连，另一路通过第二截止阀与附加排气管一端相连，第一排气管另一端、附加排气管另一端通过三通管合并成一路后通过第一截止阀和第二涡轮增压器涡轮端a进口相连，第一涡轮增压器涡轮端 y进口通过第四截止阀与第二排气管一端相连，第二排气管另一端通过第五截止阀与第二涡轮增压器压气机端b进口相连；柴油机CPU的各信号线分别与各截止阀的控制端相连。

进一步的，所述第二涡轮增压器的废气流量大于第一涡轮增压器的废气流量，第一涡轮增压器的最大废气流量Q1＝0.55柴油机废气流量，第二涡轮增压器的最大废气流量Q2＝0.85柴油机废气流量。

进一步的，第一排气管的容积v1与附加排气管的总容积v3相等，第一排气管的容积v1、附加排气管的总容积v3与柴油机总排量V的关系式为：v1＝v3＝ (2.2-2.8)V；第二排气管的容积v2与柴油机总排量V的关系式为：v2＝ (6.2-6.8)V；

进一步的，所述截止阀均为电控气动蝶阀。

本实用新型结构相对简单、制造安装方便、易于维护，随着柴油机负荷变化，通过相应截止阀的通断组合来实现第一涡轮增压器和第二涡轮增压器的切换功能，并实现了排气管总容积可变的功能，从而使排气管容积与涡轮增压器工作状态相匹配，使涡轮增压器一直工作在最优匹配点附近，有效提升了柴油机的动力性和经济性。

本实用新型的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。

附图说明

图1是本实用新型的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和六缸柴油机的实施例对本实用新型作进一步说明。

在本实用新型的描述中，“左”、“右”、“第一”～“第五”等指示方位或次序的术语是基于附图所示的方位或位置关系，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位。

如图1所示，本实用新型包括包括第一涡轮增压器1、第二涡轮增压器2、第一排气管3、第二排气管4、附加排气管5、2个三通管6、第一截止阀71、第二截止阀72、第三截止阀73、第四截止阀74和第五截止阀75，第一涡轮增压器1安装在柴油机右端，第二涡轮增压器2安装在柴油机左端，第一涡轮增压器压气机端11和第二涡轮增压器压气机端21分别与进气管8两端相连，进气管8上并联的进气支管81分别与对应气缸10的进口端相连，各气缸10的第一出口101分别通过第一排气支管103与第一排气管3相连，各气缸10的第二出口102分别通过第二排气支管104与第二排气管4相连。第一涡轮增压器涡轮端x进口通过三通管6分成两路，其中一路通过第三截止阀73与第一排气管3右端相连，另一路通过第二截止阀72与附加排气管5右端相连，第一排气管3左端、附加排气管5另左端通过三通管6合并成一路后通过第一截止阀71和第二涡轮增压器2的涡轮端a进口相连，第一涡轮增压器涡轮端的y 进口通过第四截止阀74与第二排气管4右端相连，第二排气管4左端通过第五截止阀75与第二涡轮增压器压气机端b进口相连。柴油机CPU20的各信号线201分别与各截止阀的控制端相连。

第二涡轮增压器4的废气流量大于第一涡轮增压器3的废气流量，第一涡轮增压器1的最大废气流量Q1＝0.55Q(柴油机废气流量)，匹配最优点在低负荷的Q1＝0.25～0.35Q区间内。第二涡轮增压器的最大废气流量Q2＝0.85Q，匹配最优点在中负荷Q2＝0.55～0.65Q区间内。

第一排气管3的容积v1与附加排气管5的容积v3相等，第一排气管3的容积v1、附加排气管的容积v3与柴油机总排量V的关系式为：v1＝v3＝ (2.2-2.8)V；第二排气管的容积v2与柴油机总排量V的关系式为：v2＝ (6.2-6.8)V。根据排气管容积v及排气管总长L，即可计算出排气管的管径d。

第一截止阀71～第五截止阀75均采用电控气动蝶阀，柴油机CPU20接收到柴油机负荷信号后发出指令给相应的电控气动蝶阀的电磁阀，改变电磁阀的阀芯位置后通过气缸活塞杆的移动来实现截止阀的通断状态的改变，从而实现第一增压器3和第二增压器4的切换；改变截止阀的通断状态，还能实现排气管总容积可变的功能，使得排气管容积与增压器工作状态相匹配，从而提升柴油机的动力性能。

柴油机涡轮增压系统的控制方式如表1所示：

表1

在装有本实用新型的柴油机运行过程中，柴油机工作在0-20％负荷时，除了第三截止阀73开启外，其余截止阀均关闭。柴油机的废气经由第一排气管3、第三截止阀73、三通管6进入第一涡轮增压器涡轮端x进口，此时柴油机负荷在第一增涡轮压器1的最优匹配区间附近，即Q1＝(－5％～－25％)Q范围内，且由于第一排气管3总容积较小(2.5V)，可以有效利用柴油机排气中的脉冲能量，因此第一增压器1工作效率较高。

柴油机工作在20％-40％负荷时，除了第二截止阀72开启外，其余截止阀均关闭。柴油机排气经由第一排气管3、附加排气管5、第二截止阀72、三通管6进入第一涡轮增压器涡轮端x进口，此时柴油机负荷在第一涡轮增压器1 的最优匹配区间±5％的范围内，且排气管总容积为5V，相较于0-20％的柴油机负荷有所增大，与柴油机排气流量相匹配，第一增压器1工作效率较高。

柴油机工作在40％-50％负荷时，除了第四截止阀74开启外，其余截止阀均关闭。柴油机排气经由第二排气管4、截止阀10进入第一涡轮增压器涡轮端 y进口，此时柴油机负荷在最优匹配区间附近(+5％～+15％范围内)，且第二排气管4总容积为6.5V，相较于柴油机负荷20％-40％有所增大，与柴油机流量相匹配且稍大，且在该负荷区间下，柴油机排气流量已经接近第一增压器3的最大设计排气流量，相对较大的排气容积有利于衰减柴油机排气中的脉冲能量，维持第一涡轮增压器1进口压力稳定，提高第一增压器3的工作效率。

柴油机工作在50％-60％负荷时，除了第五截止阀75开启外，其余截止阀均关闭。柴油机排气经由第二排气管4、第五截止阀75进入第二涡轮增压器涡轮端b进口，此时柴油机负荷全部位于第二涡轮增压器2的最优匹配区间内，第二排气管4的6.5V总容积与柴油机流量相匹配，第二涡轮增压器2工作效率较高。

柴油机工作在60％-80％负荷时，除了第一截止阀71和第五截止阀75开启外，其余截止阀均关闭。柴油机排气经第一排气管3、第一截止阀71、第二排气管4和第五截止阀75分别进入第二涡轮增压器涡轮端a进口和第二涡轮增压器涡轮端b进口，此时柴油机负荷位于第二涡轮增压器4最优匹配区间附近 (+15％的范围之内)，且第一排气管3和第二排气管4的容积之和为9V，相较于50％-60％负荷有所增大，与柴油机排气流量相匹配，第二涡轮增压器2 工作效率较高。

柴油机工作在80％-110％负荷时，除了第二截止阀72和第五截止阀75开启外，其余截止阀均关闭。柴油机排气经由第一排气管3、附加排气管5、第二截止阀72、三通管6进入第一涡轮增压器涡轮进口x，经由大排气管4、截止阀11进入第二涡轮增压器涡轮端b进口，此时流经第一涡轮增压器1的废气流量大致相当于柴油机30％-40％负荷的流量，流经第二涡轮增压器2的废气流量大致相当于柴油机50％-70％负荷的流量，均处于第一涡轮增压器1、第二涡轮增压器2的最优匹配负荷区间附近，此时第一排气管3、第二排气管4和附加排气管5的总流量为11.5V，与柴油机排气流量相匹配，第一涡轮增压器 1和第二涡轮增压器2的效率较高。

本实施例可实现柴油机排气管容积与排气流量的匹配，一方面，排气管容积的变化有利于两台涡轮增压器充分利用排气能量。另一方面，通过相应截止阀的通断组合来实现第一涡轮增压器和第涡轮二增压器的切换，确保柴油机负荷一直处于涡轮增压器最优匹配负荷区间的附近，有效地提高了柴油机与涡轮增压器的匹配特性，提升了柴油机的动力性和经济性。本实施例可在10％-30％的低负荷区间降低柴油机油耗10g/kWh左右，在40％-65％的中负荷区间降低柴油机油耗4g/kWh，在80％-100％高负荷区间降低柴油机油耗2g/kWh左右。节能效果显著。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (4)

1.一种柴油机涡轮可变增压系统，其特征在于，包括第一涡轮增压器、第二涡轮增压器、第一排气管、第二排气管、附加排气管、数个三通管和多个截止阀，所述第一涡轮增压器安装在柴油机一端，第二涡轮增压器安装在柴油机另一端；第一涡轮增压器压气机端和第二涡轮增压器压气机端分别与进气管两端相连，进气管上并联的进气支管分别与对应气缸的进口端相连，各气缸的第一出口分别通过第一排气支管与第一排气管相连，各气缸的第二出口分别通过第二排气支管与第二排气管相连；第一涡轮增压器涡轮端x进口通过三通管分成两路，其中一路通过第三截止阀与第一排气管一端相连，另一路通过第二截止阀与附加排气管一端相连，第一排气管另一端、附加排气管另一端通过三通管合并成一路后通过第一截止阀和第二涡轮增压器涡轮端a进口相连，第一涡轮增压器涡轮端y进口通过第四截止阀与第二排气管一端相连，第二排气管另一端通过第五截止阀与第二涡轮增压器压气机端b进口相连；柴油机CPU的各信号线分别与各截止阀的控制端相连。

2.如权利要求1所述的柴油机涡轮可变增压系统，其特征在于，所述第二涡轮增压器的废气流量大于第一涡轮增压器的废气流量，第一涡轮增压器的最大废气流量Q1＝0.55柴油机废气流量，第二涡轮增压器的最大废气流量Q2＝0.85柴油机废气流量。

3.如权利要求1所述的柴油机涡轮可变增压系统，其特征在于，第一排气管的容积v1与附加排气管的总容积v3相等，第一排气管的容积v1、附加排气管的总容积v3与柴油机总排量V的关系式为：v1＝v3＝(2.2-2.8)V；第二排气管的容积v2与柴油机总排量V的关系式为：v2＝(6.2-6.8)V。

4.如权利要求1所述的柴油机涡轮可变增压系统，其特征在于，所述截止阀均为电控气动蝶阀。

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