CN102230418B - 废气再利用电辅助两级增压系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种废气再利用电辅助两级增压系统，属于废气涡轮增压技术领域。具体包括电辅助涡轮一级增压器、废气涡轮二级增压器、电磁三通阀系统、进排气管道系统、增压控制电路和发动机系统。本发明通过三通电磁阀开启关闭的灵活控制，在解决废气涡轮增压器增压迟滞的同时，二级增压系统使发动机进气压力进一步提高，可实现发动机增压的高压比，改善发动机在整个工况下的动力和排放性能；并在二级废气涡轮增压器中做过功的废气在电辅助涡轮一级增压器中得到进一步利用，通过发电给蓄电池充电，充分利用了废气能量，有效的利用了燃料能量，具有重要的节能意义。

Description

废气再利用电辅助两级增压系统

技术领域

本发明涉及一种废气再利用电辅助两级增压系统，属于废气涡轮增压技术领域。

背景技术

废气涡轮增压技术自问世以来，由于其在大幅度提高发动机输出功率、改善燃油经济性、改善排气污染、补偿高原环境的功率损失等方面的良好作用，得到了很大普及，目前绝大部分柴油发动机和部分汽油机都采用了废气涡轮增压技术。

但是车用发动机采用涡轮增压后，发动机的运行特性也存在很多问题需要克服，其中之一就是低速性能。当增压发动机在低速运行时，由于增压器与发动机之间存在着气动关联，在加速和加载过程中，配合运行线的位置出现偏移，进入汽缸的空气量跟不上加油量的变化速率，增压空气压力不足以满足汽缸燃烧所需要的空气量要求，就会产生燃烧冒黑烟、扭矩不足、加速性差、经济性差等后果。而在高速工况下又会产生废气能量过剩，导致涡轮增压器超速、产生过剩的增压能量，多数涡轮增压器采取的是高速工况下废气旁通阀打开释放掉部分废气，涡轮增压器只利用一部分废气能量工作。因此目前车用发动机利用废气涡轮增压技术存在两个主要缺陷：一是低速时进气量不足，形成“涡轮迟滞”效应；二是高速时废气能量得不到完全利用，造成能量浪费。

为了改善增压发动机上述缺陷，人们提出了整体式电辅助一级涡轮增压系统的设计方案，该技术虽然解决了增压器与发动机存在的匹配问题。但整个系统结构主要存在的问题有：(1)具有较大的转动惯量；(2)机械与热负荷大；(3)冷却技术要求高，对于工程实现来说，难度更大；(4)废气能量回收利用不充分；(5)废气涡轮增压器转速高，电机转子与增压器转子同轴，对电机的工作可靠性要求高。

为解决上述存在的问题，人们提出了二级涡轮增压系统，即两个涡轮增压器和内燃机在气路上串联起来，一般分为低压和高压两级，低压级采用尺寸较大的增压器，高压级采用尺寸较小的增压器。这种两级涡轮增压系统在技术上较为简单，整个系统总的效率得到了提高，增压压比较高。但这种增压系统仅适用于高增压柴油机，在平均有效压力2.0MPa以下时采用二级增压并不比单级增压在性能参数上有明显优点。

发明内容

本发明的目的为解决涡轮增压迟滞、废气利用率不高的问题，同时，克服目前整体式电辅助一级涡轮增压方案电机受高温、高速离心力影响以及当前二级增压系统所存在的缺点，提出了一种废气再利用电辅助两级增压系统。

本发明的废气再利用电辅助两级增压系统为机电一体化系统，包括电辅助涡轮一级增压器、废气涡轮二级增压器、电磁三通阀系统、进排气管道系统、增压控制电路和发动机系统。

1、所述的电辅助涡轮一级增压器包括一级增压器压气机蜗壳、一级增压器压气机叶轮、一级增压器涡轮、一级增压器涡轮箱、一级增压器废气旁通阀、一级增压器转子、一级增压器中间体、电机系统。

其中，电机系统由电机转子和电机定子组成，电机系统的作用为：当电机系统为电动机模式时带动一级增压器转子高速旋转，进而带动一级增压器压气机叶轮旋转，压缩空气，提高发动机系统的进气量；电机系统为发电机模块时，一级增压器转子带动电机转子发电，并为发动机系统的蓄电池充电。

电辅助涡轮一级增压器的作用为：在发动机启动工况时利用电辅助一级增压器的快速响应性单独向发动机供气，减少增压迟滞，使发动机启动时的排放污染物大幅度降低；发动机低速全负荷工况及加速工况时，配合废气涡轮二级增压器，缓解发动机加速性差、低速性能恶化，进气不足，燃烧不理想，排放性、经济性差等方面的不足；发动机其他工况时，配合废气涡轮二级增压器提高二级增压系统的总压比，增加发动机的进气量，提高发动机的功率。

一级增压器压气机蜗壳与一级增压器压气机叶轮构成一级增压器压气机端，一级增压器涡轮与一级增压器涡轮箱构成一级增压器涡轮端，其连接方式与目前普通的涡轮增压器压气机端和涡轮端一致。电机转子安装在一级增压器转子的中间位置上；一级增压器转子位于一级增压器中间体的中心轴线上，其两轴端分别连接一级增压器压气机叶轮和一级增压器涡轮机涡轮；一级增压器中间体置于电机转子之外，两端分别和一级增压器压气机蜗壳与一级增压器涡轮箱相连；电机定子以与电机转子相对的方向安装在一级增压器中间体内壁上；一级增压器废气旁通阀安装于一级增压器涡轮箱上。所述电机定子和电机转子组成电机系统，该电机系统既可以作为电动机亦可以作为发动机系统使用。

2、所述废气涡轮二级增压器包括二级增压器压气机蜗壳、二级增压器压气机叶轮、二级增压器涡轮、二级增压器涡轮箱、二级增压器转子、二级增压器中间体和二级增压器旁通阀。

废气涡轮二级增压器的作用为：发动机工作时，废气驱动二级增压器涡轮并通过二级增压器转子带动二级增压器压气机叶轮压缩空气，增加发动机进气量，提高发动机功率。

二级增压器压气机蜗壳、二级增压器压气机叶轮、二级增压器涡轮、二级增压器涡轮箱、二级增压器转子、二级增压器中间体和二级增压器旁通阀之间的连接与当前典型的涡轮增压器的连接方式一致。

3、所述的电磁三通阀系统包括进气电磁三通一级阀及其控制端、进气电磁三通二级阀及其控制端、排气电磁三通二级阀及其控制端、排气电磁三通一级阀及其控制端。

系统中的四个电磁三通阀在各自的控制端控制下开启和关闭，实现进排气通道的切换变化。

4、所述的进排气管道系统包括系统进气道、一级增压排气管、二级增压进气支管、二级增压进气主管、二级增压进气歧管、二级增压排气歧管、二级增压排气主管、二级增压排气支管、一级增压进气管和系统排气道。

5、所述的增压控制电路包括A/D转换模块、直流交流逆变模块、电磁三通阀控制模块、变频器控制模块、蓄能控制模块、工况识别模块和整流器模块。

增压控制电路接收来自发动机系统的工况信号，发出电磁三通阀系统的控制信号，并根据发动机的运行工况，通过电磁三通阀系统的控制端，控制各电磁三通阀的开启与闭合。各模块通过电路板上的微电路连接。

6、所述的发动机系统为普通的发动机，包括了当前典型发动机的基本构成，如配气系统、曲轴连杆系统等等。

本发明所述的一种废气再利用电辅助两级增压系统各部分间的机械连接关系为：系统进气管与电辅助涡轮一级增压器压端进口相连；电辅助涡轮一级增压器压气机端出口与一级增压排气管的一端连接，一级增压排气管另一端与进气电磁三通一级阀连接；电磁三通一级阀的另两端分别与二级增压进气支管、二级增压器压气机端进气口连接；二级增压进气支管的另一端与进气电磁三通二级阀连接，进气电磁三通二级阀的另两端分别与二级增压进气歧管、二级增压进气主管连接；二级增压进气主管的另一端与二级增压器压端出口相连，二级增压进气歧管与发动机系统进气口连接；二级增压排气歧管的一端与发动机排气口连接，另一端与排气电磁三通二级阀连；排气电磁三通二级阀的另两端通过二级增压排气主管、二级增压排气支管分别连接二级增压器涡轮端进口、排气电磁三通一级阀；排气电磁三通一级阀的另两端分别与二级增压器涡轮端出口、一级增压器进气管连接；一级增压进气管另一端与一级增压器涡轮端进口相连；一级增压器涡轮端出口与系统排气道连接。

本发明的电路连接关系为：发动机的油门踏板传感器、发动机转速传感器输出信号传给增压控制电路的工况识别模块；增压控制电路的电磁三通阀控制模块的输出端分别与进气电磁三通一级阀控制端、进气电磁三通二级阀控制端、排气电磁三通二级阀控制端、排气电磁三通一级阀控制端连接；发动机蓄电池为增压控制电路和电机提供电力；增压控制电路的控制模块输出端与电机系统连接。

本发明所述的一种废气再利用电辅助两级增压系统的工作过程为：发动机系统所带蓄电池为增压控制电路和电机系统提供电力，增压控制电路接收来自发动机系统的工况信号，识别出发动机的工况类别，然后发出电磁三通阀系统的控制信号，根据发动机的不同工况，不同的电磁三通阀执行相应的开启和关闭。发动机的进气流向根据阀门方向改变，即完成增压进气和排气做功过程。电机系统的工作状态转换也是根据发动机的智能工况识别模块进行切换，实现发电机和电动机两种工作状态。当发动机在启动、加速、低速大负荷工况下，电机系统为电动机模式，电机带动电辅助一级增压器转子加速旋转；发动机在中高速部分负荷工况下，电机系统为发电机模式，为蓄电池充电，并通过蓄能控制模块控制对蓄电池充电时最大允许电流和电压极限的操作。

有益效果

本发明的废气再利用电辅助两级增压系统具有以下优点：

(1)改善发动机加速性和提高发动机增压强度。通过三通电磁阀开启关闭的灵活控制，在解决废气涡轮增压器增压迟滞的同时，二级增压系统使发动机进气压力进一步提高，可实现发动机增压的高压比。改善发动机在整个工况下的动力和排放性能。

(2)在二级废气涡轮增压器中做过功的废气在电辅助涡轮一级增压器中得到进一步利用，通过发电给蓄电池充电，充分利用了废气能量，有效的利用了燃料能量，具有重要的节能意义。

(3)本发明的电辅助二级增压装置具有重要的工程意义，由于电辅助涡轮一级增压系统中利用的是做过功的乏气，高温废气经过膨胀做功后，温度降低明显。在一级电辅助装置中，对电机电子电路和永磁铁的高温负荷大大减弱，润滑冷却系统设计简化，电机工作可靠性提高，工程中易于实现。

(4)能最大幅度的回收利用在涡轮做功后的废气能量。

(5)在发动机系统和进气电磁三通二级阀间还可以加入中冷器，用以进一步降低发动机进气温度，提高进气密度，进而增大进气量，提高发动机功率。

附图说明

图1为本发明的废气再利用电辅助两级增压系统机械结构示意图。

标号说明

1-一级增压器压气机蜗壳、2-一级增压器压气机叶轮、3-系统进气道、A-电辅助涡轮一级增压器、4-二级增压器压气机蜗壳、5-二级增压器压气机叶轮、6-一级增压进气管、7-进气电磁三通一级阀、7A-进气电磁三通一级阀控制端、B-废气涡轮二级增压器、8-二级增压进气主管、9-二级增压进气支管、10-进气电磁三通二级阀、10A-进气电磁三通二级阀控制端、11-中冷器、12-二级增压进气歧管、C-发动机系统、13-二级增压排气歧管、14-排气电磁三通二级阀、14A-排气电磁三通二级阀控制端、15-二级增压器旁通阀、16-二级增压排气主管、17-二级增压排气支管、18-排气电磁三通一级阀、18A-排气电磁三通一级阀控制端、19-二级增压器涡轮、20-二级增压器涡轮箱、21-二级增压器转子、22-二级增压器中间体、23-一级增压排气管、24-一级增压器废气旁通阀、25-系统排气道、26-一级增压器涡轮、27-一级增压器涡轮箱、28-一级增压器转子、29-电机转子、30-电机定子、31-一级增压器中间体、M-电机系统。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例做进一步介绍。

如图1所示，本发明的废气再利用电辅助两级增压系统包括如下部分：

1、电辅助涡轮一级增压器A：包括一级增压器压气机蜗壳1、一级增压器压气机叶轮2、一级增压器涡轮26、一级增压器涡轮箱27、一级增压器废气旁通阀24、一级增压器转子28、一级增压器中间体31、电机系统M(电机转子29和电机定子30)；

其中一级增压器压气机蜗壳1与一级增压器压气机叶轮2构成一级增压器压气机端，一级增压器涡轮26与一级增压器涡轮箱27构成一级增压器涡轮端，其连接方式与目前普通的涡轮增压器压气机端和涡轮端一致。电机转子29安装在一级增压器转子28的中间位置上；一级增压器转子28位于一级增压器中间体31的中心轴线上，其两轴端分别连接一级增压器压气机叶轮2和一级增压器涡轮机涡轮26；一级增压器中间体31置于电机转子29之外，两端分别和一级增压器压气机蜗壳1与一级增压器涡轮箱27相连；电机定子30以与电机转子29相对的方向安装在一级增压器中间体31内壁上；一级增压器废气旁通阀24安装于一级增压器涡轮箱27上。

2、废气涡轮二级增压器B：包括二级增压器压气机蜗壳4、二级增压器压气机叶轮5、二级增压器涡轮19、二级增压器涡轮箱20、二级增压器转子21、二级增压器中间体22和二级增压器旁通阀15；其连接方式为二级增压器压气机叶轮5安装在二级增压器压气机蜗壳4内，二级增压器涡轮19安装在二级增压器涡轮箱20内，二级增压器压气机叶轮5与二级增压器涡轮19组成二级增压器转子21，二级增压器转子21安装在二级增压器中间体22内，二级增压器中间体22位于包括二级增压器压气机蜗壳4和二级增压器涡轮箱20之间。

3、电磁三通阀系统：包括进气电磁三通一级阀7及其控制端7A、进气电磁三通二级阀10及其控制端10A、排气电磁三通二级阀14及其控制端14A、排气电磁三通一级阀18及其控制端18A、；

4、进排气管道系统：包括系统进气道3、一级增压排气管23、二级增压进气支管9、二级增压进气主管8、二级增压进气歧管12、二级增压排气歧管13、二级增压排气主管17、二级增压排气支管16、一级增压进气管6和系统排气道25：

5、增压控制电路：包括A/D转换模块、直流交流逆变模块、电磁三通阀控制模块、变频器控制模块、蓄能控制模块、工况识别模块和整流器模块；

6、发动机系统C。

本实施例在发动机系统C和进气电磁三通二级阀10间加入了中冷器11，用以进一步降低发动机进气温度，提高进气密度，进而增大进气量，提高发动机功率。

本实施例的系统进气管3与电辅助涡轮一级增压器压端进口相连；一级增压器压气机端出口与一级增压进气管6一端连接，一级增压进气管6另一端与进气电磁三通一级阀连接7；电磁三通一级阀7的另两端分别与二级增压进气主管8、二级增压器压气机端进气口连接；二级增压进气主管8的另一端与进气电磁三通二级阀10连接，进气电磁三通二级阀10的另两端分别与二级增压进气支管9、二级增压进气歧管12连接；二级增压进气支管9的另一端与二级增压器压端出口相连，二级增压进气歧管12与发动机C进气口连接；二级增压排气歧管13的一端与发动机C排气口连接，另一端与排气电磁三通二级阀14连接；排气电磁三通二级阀14的另两端通过二级增压排气主管17、二级增压排气主管17分别连接二级增压器涡轮端进口、排气电磁三通一级阀18；排气电磁三通一级阀18的另两端分别与二级增压器涡轮端出口、二级增压排气主管17连接；一级增压排气管23另一端与一级增压器涡轮端进口相连；一级增压器涡轮端出口与系统排气道25连接。

发动机的油门踏板传感器、发动机转速传感器输出信号传给增压控制电路的工况识别模块；增压控制电路的电磁三通阀控制模块的输出端分别与进气电磁三通一级阀控制端7A、进气电磁三通二级阀控制端10A、排气电磁三通二级阀控制端14A、排气电磁三通一级阀控制端18A连接。

本实施例所述电辅助两级增压系统根据发动机工况不同工作方式不同，结合实际道路驾驶情况将发动机工况分为三种形式：启动工况、低速全负荷及加速工况、高中速工况及其他低速工况。故使用该套电辅助两级增压系统对发动机进行进气增压有三套实施方案。

方案一：发动机启动工况下使用电辅助两级增压装置对发动机快速进气。

该工况下，谋求的是发动机快速进气，减少增压迟滞。为了使发动机C进气效果最好，充分利用电辅助的快速响应性，应由电辅助涡轮一级增压器单独供气。

系统的工作过程为：①来自车辆蓄电池的直流电经过直流交流逆变电路转换成三相交流电流，流过电机转子29，由电机转子29旋转带动一级增压器转子28旋转；②压气机叶轮2利用系统气道3中气体向发动机C供气，气流经一级增压进气管6进入进气电磁三通一级阀7；③电磁三通阀控制电路驱动控制端进气电磁三通一级阀控制端7A和进气电磁三通二级阀控制端10A动作，关闭废气涡轮二级增压器进气端和二级增压进气主管8出口端，使气流从二级增压进气主管8经二级增压进气歧管12进入发动机C；④发动机做功后产生的废气流经二级增压排气歧管13后进入二级增压排气主管17；⑤此时电磁三通阀控制电路驱动控制端14A和18A动作，关闭废气涡轮二级增压器的涡轮端出口和二级增压排气主管17入口端；⑥废气进入电辅助涡轮一级增压器的涡轮端，推动一级增压器涡轮机涡轮26做功，带动电辅助涡轮一级增压器转子28旋转，一级增压器压气机叶轮2压缩进气，形成循环，同时节省了电机系统M消耗的能量。

方案二：发动机低速全负荷及加速工况使用电辅助两级增压装置对发动机进气，加大进气量。

该工况下存在发动机加速性差、低速性能恶化，进气不足，燃烧不理想，排放动力性差的问题。为了增大进气量，充分利用电机系统M的工作能力向发动机系统C补气，两级增压器串联工作。

系统的工作过程为：①来自车辆蓄电池的直流电经过直流交流逆变电路转换成三相交流电流后，流过电机定子30，电磁力驱动电机转子29旋转，从而带动一级增压器转子28旋转；②一级增压器压气机叶轮2压缩系统进气道3中气体向发动机C供气。气流经一级增压进气管6进入进气电磁三通一级阀7；③电磁三通阀控制电路驱动控制端进气电磁三通一级阀控制端7A和进气电磁三通二级阀控制端10A动作，开启废气涡轮二级增压器进气端和二级增压进气主管8出口端；④气流经过二级增压器压气机叶轮5压缩后经二级增压进气歧管12进入发动机系统C。发动机做功后产生的废气流经二级增压排气歧管13后进入二级增压排气支管16；⑤此时电磁三通阀控制电路驱动控制端排气电磁三通二级阀14A和排气电磁三通一级阀控制端18A动作，开启废气涡轮二级增压器涡轮端出口和二级增压排气支管16入口端；⑥废气进入废气涡轮二级增压器做功，推动二级增压器涡轮19旋转，带动二级增压器压气机叶轮5对进气做功；⑦在二级增压器涡轮19中做功后的低温废气经一级增压排气管23进入电辅助涡轮一级增压器的涡轮端，推动一级增压器涡轮机涡轮26做功，同样带动一级增压器转子28旋转，一级增压器压气机叶轮2压缩进气，形成循环，同时也节省了电机系统M消耗的能量。

方案三：发动机中高速工况及其他低速工况使用电辅助两级增压装置对发动机进气，利用电机系统M发电蓄能。

该工况下充分利用两级增压的优势，拓宽发动机功率范围，实现增压强度提高和节能发电。

本方案中电磁三通阀控制电路对四个电磁三通阀控制端的实现方式与方案二完全相同，进气流通路径和排气流通路径与方案也完全相同。

Claims (3)

1.废气再利用电辅助两级增压系统，其特征在于：包括电辅助涡轮一级增压器、废气涡轮二级增压器、电磁三通阀系统、进排气管道系统、增压控制电路和发动机系统；

所述的电辅助涡轮一级增压器包括一级增压器压气机蜗壳、一级增压器压气机叶轮、一级增压器涡轮、一级增压器涡轮箱、一级增压器废气旁通阀、一级增压器转子、一级增压器中间体、电机系统；其中，电机系统由电机转子和电机定子组成；

一级增压器压气机蜗壳与一级增压器压气机叶轮构成一级增压器压气机端，一级增压器涡轮与一级增压器涡轮箱构成一级增压器涡轮端，其连接方式与目前普通的涡轮增压器压气机端和涡轮端一致；电机转子安装在一级增压器转子的中间位置上；一级增压器转子位于一级增压器中间体的中心轴线上，其两轴端分别连接一级增压器压气机叶轮和一级增压器涡轮机涡轮；一级增压器中间体置于电机转子之外，两端分别和一级增压器压气机蜗壳与一级增压器涡轮箱相连；电机定子以与电机转子相对的方向安装在一级增压器中间体内壁上；一级增压器废气旁通阀安装于一级增压器涡轮箱上；

所述废气涡轮二级增压器包括二级增压器压气机蜗壳、二级增压器压气机叶轮、二级增压器涡轮、二级增压器涡轮箱、二级增压器转子、二级增压器中间体和二级增压器旁通阀；

二级增压器压气机蜗壳、二级增压器压气机叶轮、二级增压器涡轮、二级增压器涡轮箱、二级增压器转子、二级增压器中间体和二级增压器旁通阀之间的连接与当前典型的涡轮增压器的连接方式一致；

所述的电磁三通阀系统包括进气电磁三通一级阀及其控制端、进气电磁三通二级阀及其控制端、排气电磁三通二级阀及其控制端、排气电磁三通一级阀及其控制端；

所述的进排气管道系统包括系统进气道、一级增压排气管、二级增压进气支管、二级增压进气主管、二级增压进气歧管、二级增压排气歧管、二级增压排气主管、二级增压排气支管、一级增压进气管和系统排气道；

所述的增压控制电路包括A/D转换模块、直流交流逆变模块、电磁三通阀控制模块、变频器控制模块、蓄能控制模块、工况识别模块和整流器模块；

所述的发动机系统为普通的发动机；

系统进气管与电辅助涡轮一级增压器压气机端进口相连；电辅助涡轮一级增压器压气机端出口与一级增压排气管的一端连接，一级增压排气管另一端与进气电磁三通一级阀连接；电磁三通一级阀的另两端分别与二级增压进气支管、二级增压器压气机端进气口连接；二级增压进气支管的另一端与进气电磁三通二级阀连接，进气电磁三通二级阀的另两端分别与二级增压进气歧管、二级增压进气主管连接；二级增压进气主管的另一端与二级增压器压端出口相连，二级增压进气歧管与发动机系统进气口连接；二级增压排气歧管的一端与发动机排气口连接，另一端与排气电磁三通二级阀连；排气电磁三通二级阀的另两端通过二级增压排气主管、二级增压排气支管分别连接二级增压器涡轮端进口、排气电磁三通一级阀；排气电磁三通一级阀的另两端分别与二级增压器涡轮端出口、一级增压器进气管连接；一级增压进气管另一端与一级增压器涡轮端进口相连；一级增压器涡轮端出口与系统排气道连接；

发动机的油门踏板传感器、发动机转速传感器输出信号传给增压控制电路的工况识别模块；增压控制电路的电磁三通阀控制模块的输出端分别与进气电磁三通一级阀控制端、进气电磁三通二级阀控制端、排气电磁三通二级阀控制端、排气电磁三通一级阀控制端连接；发动机蓄电池为增压控制电路和电机提供电力；增压控制电路的控制模块输出端与电机系统连接。

2.根据权利要求1所述的废气再利用电辅助两级增压系统，其特征在于：所述电辅助涡轮一级增压器的电机系统既能作为电动机亦能作为发动机系统。

3.根据权利要求1所述的废气再利用电辅助两级增压系统，其特征在于：为进一步提高发动机功率，在所述发动机系统和进气电磁三通二级阀间加入中冷器。

Images