一种基于大中小三涡轮增压器的柴油机EGR装置及其实现方法与流程

本发明涉及的是一种柴油机尾气处理装置及处理方法，具体地说是egr装置及其实现方法。

背景技术：

柴油机的使用虽然极大地促进了社会的发展与进步，但是其在使用过程中也会带来环境污染等一系列的问题，其中nox是主要的有害污染物之一，能够对人体产生极大的危害。近年来，国际上对船用柴油机nox排放的限制更加严格，国际海事组织规定2016年1月以后下水的船舶在排放控制区域应该满足tieriii标准，nox排放要求在tierii标准的基础之上再降低70％左右，给内燃机研究工作者带来更加严峻的挑战。减少nox生成的措施主要有：废气再循环系统(egr)、掺水燃烧技术、以及废气的后处理(scr等)等。所谓egr技术是将柴油机排气中一部分废气引入到进气管，同新鲜空气混合后进入气缸重新参与燃烧，使进气氧含量和燃烧温度降低，进而能够降低柴油机nox排放。对于增压柴油机而言，柴油机进气压力高于排气压力，导致废气不能自发的从排气集管引入到进气总管，同时在较低工况下实现egr可能会使涡轮增压器压气机出现喘振，在柴油机超负荷非egr运行时可能还会导致涡轮增压器出现超速，影响涡轮增压器的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供在nox排放满足要求的同时，soot排放升高更少，动力性和经济性损失更少的一种基于大中小三涡轮增压器的柴油机egr装置及其实现方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于大中小三涡轮增压器的柴油机egr装置，其特征是：包括柴油机、进气集管、排气集管、大号涡轮增压器、中号涡轮增压器、小号涡轮增压器，大号涡轮增压器包括大号压气机、大号涡轮，中号涡轮增压器包括中号压气机、中号涡轮，小号涡轮增压器包括小号压气机、小号涡轮，大号涡轮、中号涡轮、小号涡轮、小号压气机分别通过各自对应的管路连通排气集管，大号压气机通过大号进气管连通进气集管，中号压气机通过中号进气管连通进气集管，小号压气机通过小号进气管连通中号进气管，中号进气管与大号进气管通过egr管相通，中号涡轮与排气集管之间的管路上安装1号截止阀，中号压气机与小号进气管之间的中号进气管上安装2号截止阀，进气集管与erg管之间的中号进气管上安装3号截止阀，小号压气机与排气集管之间的管路上安装4号截止阀，小号进气管上安装5号截止阀，egr管上安装6号截止阀，小号涡轮与排气集管之间的管路上行安装7号截止阀。

本发明一种基于大中小三涡轮增压器的柴油机egr装置还可以包括：

1、大号涡轮与排气集管之间的管路上支出旁通管路，旁通管路上安装废气旁通阀。

2、小号进气管与egr管之间的中号进气管上安装egr冷却器，6号截止阀之后的egr管上依次安装egr流量传感器、egr压力传感器以及egr阀，大号进气管上依次安装空气冷却器、空气流量传感器。

本发明一种基于大中小三涡轮增压器的柴油机egr实现方法，其特征是：采用如下柴油机egr装置：

包括柴油机、进气集管、排气集管、大号涡轮增压器、中号涡轮增压器、小号涡轮增压器，大号涡轮增压器包括大号压气机、大号涡轮，中号涡轮增压器包括中号压气机、中号涡轮，小号涡轮增压器包括小号压气机、小号涡轮，大号涡轮、中号涡轮、小号涡轮、小号压气机分别通过各自对应的管路连通排气集管，大号压气机通过大号进气管连通进气集管，中号压气机通过中号进气管连通进气集管，小号压气机通过小号进气管连通中号进气管，中号进气管与大号进气管通过egr管相通，中号涡轮与排气集管之间的管路上安装1号截止阀，中号压气机与小号进气管之间的中号进气管上安装2号截止阀，进气集管与erg管之间的中号进气管上安装3号截止阀，小号压气机与排气集管之间的管路上安装4号截止阀，小号进气管上安装5号截止阀，egr管上安装6号截止阀，小号涡轮与排气集管之间的管路上行安装7号截止阀；

大号涡轮与排气集管之间的管路上支出旁通管路，旁通管路上安装废气旁通阀；

小号进气管与egr管之间的中号进气管上安装egr冷却器，6号截止阀之后的egr管上依次安装egr流量传感器、egr压力传感器以及egr阀，大号进气管上依次安装空气冷却器、空气流量传感器；

空气流量传感器、空气压力传感器、egr流量传感器、egr压力传感器、1号截止阀、2号截止阀、3号截止阀、4号截止阀、5号截止阀、6号截止阀、7号截止阀、废气旁通阀、egr阀均连接ecu控制系统；

在柴油机处于非egr模式时，ecu控制系统控制1号截止阀、2号截止阀、3号截止阀打开，控制4号截止阀、5号截止阀、6号截止阀、7号截止阀关闭，同时ecu控制系统采集大号涡轮增压器的转速信号、柴油机的负荷信号以及柴油机的转速信号，当柴油机处于超负荷运行、大号涡轮增压器超速时，ecu控制系统闭环反馈控制废气旁通阀的开度直到大号涡轮增压器不超速，之后废气旁通阀保持关闭状态；当柴油机处于egr模式时，ecu控制系统控制1号截止阀、2号截止阀、3号截止阀关闭，控制4号截止阀、5号截止阀、6号截止阀、7号截止阀打开，同时ecu控制系统采集大号涡轮增压器的转速信号、柴油机的负荷信号以及柴油机的转速信号，当柴油机处于超负荷运行、大号涡轮增压器超速时，ecu控制系统闭环反馈控制废气旁通阀的开度直到大号涡轮增压器不超速，之后废气旁通阀保持关闭状态。

本发明一种基于大中小三涡轮增压器的柴油机egr实现方法还可以包括：

1、小号压气机和小号涡轮的废气量之和与非egr模式下通过中号涡轮的废气量相当。

本发明的优势在于：本发明装置中安置了中号涡轮增压器和小号涡轮增压器，在正常非egr模式下，1、2、3号截止阀打开，4、5、6、7号截止阀关闭，大号和中号涡轮增压器投入工作，小号涡轮增压器此时不工作；当柴油机处于egr模式时，1、2、3号截止阀关闭，4、5、6、7号截止阀打开，egr阀根据柴油机负荷和转速开启一定开度，以实现不同工况下达到最佳的egr率，此时中号涡轮增压器退出工作，小号涡轮增压器投入工作，其中通过小号涡轮增压器压气机和涡轮的废气量之和与非egr模式下通过中号涡轮增压器涡轮的废气量相当，这样通过大号涡轮增压器涡轮的废气量相对稳定，同时大号涡轮的功率输出也相对稳定，不会因为egr系统投入工作导致大号涡轮增压器的涡前能量出现较大的波动,柴油机与大号涡轮增压器的联合运行点发生偏移靠近喘振线或进入喘振区。另外在大号涡轮增压器涡轮侧安装了防止大中小三个涡轮增压器超速的废气旁通管路，并由废气旁通阀控制废气旁通的量，当大号涡轮超速时，ecu控制系统闭环控制废气旁通阀开度直到增压器不超速为止。再者，本装置不需要额外增加egr风机就能够克服egr工作时进排气压差，提高了柴油机的机械效率，增加了有效功率的输出。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-2，本发明基于大中小三涡轮增压器的柴油机egr实现装置包括：排气集管1、1号截止阀2、中号涡轮增压器压气机3、2号截止阀4、4号截止阀5、egr冷却器6、,6号截止阀7、小号涡轮增压器压气机8、小号涡轮增压器涡轮9、egr流量传感器10、3号截止阀11、egr阀12、大号涡轮增压器压气机13、大号涡轮增压器涡轮14、废气旁通阀15、空气冷却器16、空气流量传感器17、柴油机18、ecu控制系统19、空气压力传感器25、7号截止阀26、进气集管27、egr压力传感器28、中号涡轮增压器涡轮29以及5号截止阀32，另外ecu控制系统19需要采集的信号包括：大号涡轮增压器的转速信号20、空气流量信号21、空气压力信号22、柴油机转速信号23、柴油机负荷信号24、egr压力信号30、egr流量信号31。柴油机各气缸通过排气支管连接排气集管1、通过进气支管连接进气集管27，大号涡轮增压器涡轮14的入口连接排气集管1、出口通向大气，同时大号涡轮增压器涡轮14侧安装有废气旁通管路并由废气旁通阀15控制其开度；大号涡轮增压器压气机13入口连通大气、出口通过空气冷却器16连接进气集管27，并且大号涡轮增压器压气机13后的进气管路上安装有空气流量传感器17和空气压力传感器25；中号涡轮增压器涡轮29的入口通过1号截止阀2连接排气集管1、出口连通大气；中号涡轮增压器压气机3入口连通大气、出口通过2号截止阀4、egr冷却器6以及3号截止阀11连接进气集管；小号涡轮增压器涡轮9入口通过7号截止阀26连接排气集管、出口连通大气；小号涡轮增压器压气机8入口通过4号截止阀5连接排气集管1、出口通过5号截止阀32连通egr冷却器6入口，在egr冷却器6出口和3号截止阀11之间引出一条egr支路，在egr支路上安装有6号截止阀7、egr流量传感器10、egr压力传感器28以及egr阀12，并且egr支路最后与空气冷却器后的进气管路汇合，使egr废气与新鲜空气混合后进入进气集管27。柴油机ecu控制系统19在柴油机运行时需要采集大号涡轮增压器的转速信号20、空气流量信号21、空气压力信号22、柴油机转速信号23、柴油机负荷信号24、egr流量信号30以及egr压力信号31，通过对采集到的信息以及用户指令进行分析处理，ecu控制系统19自动控制一系列电磁阀的开关或开度，实现不同的功能。

该装置具体的控制方案如下：

结合图2，当用户指令为非egr模式时，ecu控制系统19控制1号截止阀2、2号截止阀4以及3号截止阀11打开，同时控制4号截止阀5、5号截止阀32、6号截止阀7以及7号截止阀26关闭，此时egr阀保持关闭状态，中号涡轮增压器投入工作，小号涡轮增压器退出工作，此时大号涡轮增压器相当于主涡轮增压器、中号涡轮增压器相当于受控涡轮增压器，egr冷却器6冷却中号涡轮增压器压气机后的新鲜空气，并且增压后的新鲜空气经冷却后与空气冷却器16之后的新鲜空气混合进入进气集管27，此时ecu控制系统19采集大号涡轮增压器的转速信号20、柴油机转速信号23以及柴油机负荷信号24，当监视到柴油机18超负荷运行，大号涡轮增压器超速时，会进行闭环反馈控制废气旁通阀15的开度直到大号涡轮增压器不超速为止；如果大号涡轮增压器不超速，废气旁通阀15保持关闭状态。

当用户指令为egr模式时，ecu控制系统19控制1号截止阀2、2号截止阀4以及3号截止阀11关闭，同时控制4号截止阀5、5号截止阀32、6号截止阀7以及7号截止阀26打开，此时中号涡轮增压器退出工作，小号涡轮增压器开始投入工作，通过小号涡轮增压器压气机8和涡轮9的废气量之和与非egr模式下通过中号涡轮增压器涡轮2的废气量相当，此时流过大号涡轮增压器涡轮14的废气流量基本不变，涡前能量和大号涡轮的功率输出也都波动不大，克服了由于egr回路的引入导致的通过大号涡轮增压器涡轮14的废气量降低，柴油机18与大号涡轮增压器的联合运行点发生偏移靠近喘振线或进入喘振区的问题。此时ecu控制系统18采集大号涡轮增压器的转速信号20、柴油机转速信号23和负荷信号24，当监测到柴油机18超负荷运行大号涡轮增压器超速时，闭环反馈控制废气旁通阀15的开度，直到大号涡轮增压器不超速，此时中号涡轮增压器和小号涡轮增压器也不会超速，如果大号涡轮增压器不超速，废气旁通阀15保持关闭状态。小号涡轮增压器压气机8能够对部分废气进行加压从而克服进排气集管之间的压差，egr冷却器6冷却加压后的废气，冷却后的废气经过egr支路与空气冷却器16后的新鲜空气混合，一起进入进气集管27，相比传统的利用egr风机克服进排气压差，此装置可以减少一部分机械损失功，使输出的机械功增加，机械效率有所升高。ecu控制系统19采集大号涡轮增压器的转速信号20、空气流量信号21、空气压力信号22、柴油机转速信号23、柴油机负荷信号24、egr流量信号30以及egr压力信号31，根据采集到的信号自动判定柴油机18当前所处的工况和计算当前的egr率，通过和ecu控制系统19里预先设定好的不同工况下的最佳egr率map图数据进行比对，不断的闭环反馈控制egr阀15的开度，实现柴油机18在不同工况下达到最佳的egr率。