一种柴油机两级增压系统及增压方法与流程

1.本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种柴油机两级增压系统及增压方法。


背景技术：

2.随着对油耗和排放法规的不断严格，对柴油机涡轮增压系统的要求越来越高。现有的传统的单级涡轮增压器不能很好的匹配柴油机全负荷运行工况，且增压压力比较低，越来越难满足现代柴油机的需求。而现有的两级增压系统，虽然能通过高压级增压器匹配柴油机低速性能、低压级增压器匹配满足柴油机高速需求，但是增压压力不可调。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种柴油机两级增压系统及增压方法，能够匹配柴油机全负荷运行工况，同时实现高增压压力且增压压力可调。
4.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
5.一种柴油机两级增压系统，包括：
6.低压级增压器，所述低压级增压器包括低压级压气机和低压级涡轮机，所述低压级压气机并联有进气旁通阀，所述低压级涡轮机并联有第一废气旁通阀；
7.高压级增压器，所述高压级增压器与所述低压级增压器串联，所述高压级增压器包括高压级压气机和高压级涡轮机，所述高压级涡轮机并联有第二废气旁通阀；
8.控制单元，所述控制单元用于控制所述进气旁通阀、所述第一废气旁通阀和所述第二废气旁通阀。
9.作为优选，所述高压级增压器的所述高压级压气机和所述高压级涡轮机之间设有高压级执行器。
10.作为优选，所述低压级压气机和所述高压级压气机之间设有一级中冷器。
11.作为优选，所述高压级压气机和待增压的柴油机之间设有二级中冷器。
12.作为优选，所述进气旁通阀、所述第一废气旁通阀只有开启和关闭两个状态。
13.作为优选，所述第二废气旁通阀能够实现无极调节。
14.作为优选，所述高压级增压器为可变截面涡轮增压器。
15.作为优选，所述高压级增压器为带电机的机电耦合增压器。
16.一种柴油机增压方法，使用如上所述的柴油机两级增压系统，包括如下步骤：
17.判断柴油机当前运行负荷；
18.若柴油机处于低负荷运行区域，所述控制单元控制所述第一废气旁通阀和所述进气旁通阀开启，控制所述第二废气旁通阀关闭；
19.若柴油机处于中等负荷运行区域，所述控制单元控制所述第一废气旁通阀、所述进气旁通阀和所述第二废气旁通阀均关闭；
20.若柴油机处于高负荷运行区域，所述控制单元控制所述第一废气旁通阀和所述进气旁通阀关闭，控制所述第二废气旁通阀的开度。
21.作为优选，若柴油机处于中等负荷运行区域，通过调节所述高压级执行器实现所述高压级增压器和所述低压级增压器之间的压比分配。
22.本发明的有益效果：本发明通过设置串联的高压级增压器和低压级增压器，并在低压级增压的低压级压气机的旁通管路上设置进气旁通阀，低压级涡轮机的旁通管路上设置第一废气旁通阀，通过控制单元控制进气旁通阀和第一废气旁通阀的启闭，实现单级增压和两级增压的自由切换，精准控制柴油机增压压力，能够匹配柴油机全负荷运行工况，同时在高压级增压器的高压级涡轮机的旁通管路上设置第二废气旁通阀，通过控制单元控制第二废气旁通阀的开度，实现增压压力可调。
附图说明
23.图1是本发明所提供的柴油机两级增压系统结构示意图；
24.图2是本发明柴油机运行区域示意图。
25.图中：
26.1、低压级增压器；11、低压级压气机；111、进气旁通阀；12、低压级涡轮机；121、第一废气旁通阀；
27.2、高压级增压器；21、高压级压气机；22、高压级涡轮机；221、第二废气旁通阀；23、高压级执行器；
28.3、控制单元；
29.4、一级中冷器；
30.5、二级中冷器；
31.6、柴油机。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施方式进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
33.在本发明的描述中，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；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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
35.随着油耗和排放法规的不断加严，对柴油机6涡轮增压技术的要求越来越高。对于传统的单级涡轮增压技术，压气机叶轮与涡轮机叶轮同轴，废气驱动涡轮机叶轮从而带动
压气机叶轮产生增压压力，但其不能很好的匹配柴油机6全负荷运行工况，且增压压比较低；对于传统的非对称增压技术，涡轮机为非对称双流道，通过小流道产生较高增压压力，大流道实现废气旁通，虽能一定程度的提高增压压力，但还是不能满足日益严格的排放需求；对于可变截面涡轮增压技术，涡轮机导流叶片角度可调，可以控制流经涡轮机叶片的废气流量和流速，实现涡轮机转速可调，最终达到增压压力可调的目的，虽能实现增压压力可调，一定程度的兼顾低速区域和高速区域，但是增压压力较低；对于现有的两级增压系统，虽能提供较大的增压压力，但是增压压力不可调，仍存在一定的缺陷。
36.本实施例涉及发动机技术领域，提供了一种柴油机两级增压系统，如图1所示，包括相互串联的低压级增压器1和高压级增压器2，以及控制单元3，通过高压级增压器2匹配柴油机6低速性能、低压级增压器1匹配满足柴油机6高速需求，同时两级增压实现的高增压比能有效的降低柴油机6油耗和排放。
37.其中，低压级增压器1包括低压级压气机11和与低压级压气机11同轴的低压级涡轮机12，低压级压气机11并联有进气旁通阀111，低压级涡轮机12并联有第一废气旁通阀121。进气旁通阀111和第一废气旁通阀121均只有开启和关闭两个状态，控制单元3可以控制进气旁通阀111和第一废气旁通阀121处于开启状态或关闭状态，从而实现单级增压和两级增压的自由切换，精准控制柴油机6增压压力，匹配柴油机6全负荷运行工况。
38.而高压级增压器2包括高压级压气机21和与高压级压气机21同轴的高压级涡轮机22，高压级涡轮机22并联有第二废气旁通阀221。第二废气旁通阀221可以实现无极调节，即控制单元3能够控制第二废气旁通阀221的开度，从而实现调节增压压力。作为优选地，本实施例所提供的高压级增压器2为可变截面涡轮增压器，可变截面涡轮增压器可以通过改变喷管出口截面积来调节增压压力，当喷管出口截面积缩小时，喷管出口的排气流速增加，高压级涡轮机22转速随之升高，增压压力也相应增加；相反地，当喷管出口截面积增大时，喷管出口的排气流速减小，高压级涡轮机22转速随之降低，增压压力也相应减小。于其他实施例中，高压级增压器2可以为带电机的机电耦合增压器，在此不作过多限制。
39.进一步地，高压级增压器2还包括高压级执行器23，高压级执行器23设置在高压级压气机21和高压级涡轮机22之间，当只有高压级增压器2工作，对柴油机6进行单级增压时，控制单元3通过控制高压级执行器23提高高压级增压器2的效率，提升高压级增压器2瞬态的响应性；当高压级增压器2和低压级增压器1同时工作，对柴油机6进行两级增压时，可以控制单元3通过控制高压级执行器23，实现高压级增压器2和低压级增压器1之间的增压比分配，提高高压级增压器2和低压级增压器1的效率。
40.进一步地，低压级压气机11和高压级压气机21之间设有一级中冷器4，通过设置一级中冷器4降低由低压级压气机11压缩后的空气的温度，以降低柴油机6的热负荷，提高柴油机6充气效率，进而提高柴油机6功率。
41.更进一步地，高压级压气机21和柴油机6之间设有二级中冷器5，通过设置二级中冷器5降低由高压级压气机21压缩后的空气的温度，以降低柴油机6的热负荷，进一步提高柴油机6充气效率，并且提高柴油机6功率。
42.本实施例还提供了一种柴油机增压方法，使用如上述的柴油机二级增压系统，包括如下步骤：
43.判断柴油机6当前运行负荷；
44.若柴油机6处于低负荷运行区域，控制单元3控制第一废气旁通阀121和进气旁通阀111开启，控制第二废气旁通阀221关闭；
45.若柴油机6处于中等负荷运行区域，控制单元3控制第一废气旁通阀121、进气旁通阀111和第二废气旁通阀221均关闭；
46.若柴油机6处于高负荷运行区域，控制单元3控制第一废气旁通阀121和进气旁通阀111关闭，控制第二废气旁通阀221的开度。
47.具体地，如图2所示，当在柴油机6处于低负荷区域(a区)时，柴油机6的控制单元3控制进气旁通阀111打开、第一废气旁通阀121打开、第二废气旁通阀221关闭，此时进排气只流经高压级增压器2，通过匹配较小的高压级涡轮机22和高压级压气机21、调节高压级执行器23实现低负荷区域(a区)的高压级增压器2高效工作，同时较小的高压级增压器2可提升瞬态的响应性。
48.在柴油机6处于中负荷区域(b区)时，柴油机6的控制单元3控制进气旁通阀111关闭、第一废气旁通阀121关闭、第二废气旁通阀221关闭，实现两级增压。通过调节高压级执行器23，实现高压级增压器2和低压级增压器1之间的增压比分配。
49.在柴油机6处于高负荷区域(c区)时，柴油机6的控制单元3控制进气旁通阀111关闭、第一废气旁通阀121关闭，调节第二废气旁通阀221的开度，避免高压级增压器2由于增压压力过高存在的超速风险。
50.本实施例所提供的柴油机增压方法，可以根据柴油机当前的运行负荷，实现单级增压和两级增压的自由切换，即在低负荷时实现单级增压，在中高负荷时实现两级增压，并且可以精准控制柴油机6增压压力，对于提升柴油机6的egr率、降低排放有着显著的效果。
51.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。