本发明既属于内燃机尾气余能回收利用领域，也属于内燃机进气涡轮增压领域。
背景技术：
随着社会的不断进步和经济的持续增长，能源短缺问题也愈来愈严峻，节能这一世界共同关注的主题也显得越来越重要，内燃机作为一种热效率较高的耗能机械，其热效率也只有百分之四十左右，即有百分之六十左右的热量以不同的形式耗散掉，其中被废气带走的能量占主要部分，基本与输出功相当，所以内燃机废气余能的充分回收利用对于节能减排这一全球重大需求意义重大。
废气涡轮增压系统有效的提高了内燃机的升功率，明显提高了内燃机的动力性和燃油经济性，因此其在汽车上的应用越来越广泛，但是传统废气涡轮增压系统也存在一些缺点:低速时废气流速低，此时涡轮转速较低，不仅起不到增压作用，甚至会阻碍排气，从而导致扭矩不足，高速时排气背压过大，泵气损失加剧，即高速时废气能量过剩，低速时废气能量不足；瞬态工况时涡轮迟滞，响应性不足。本发明针对这些不足，提出了蓄热式复合涡轮增压装置，该装置可以将内燃机高速工况下过剩的能量加以蓄存，并将蓄存的能量应用到低速和瞬态工况，充分改善了传统废气涡轮增压系统的上述问题，同时达到了废气余能回收的目的。
技术实现要素：
本发明提供一种蓄热式复合涡轮增压装置，该装置由废气涡轮增压系统和工质涡轮增压系统并联而成，高速工况下，该系统利用蓄热器蓄存废气涡轮在满足工作需求后剩余的那部分废气能量(高速工况下废气能量过剩)，并用此部分能量在低速和瞬态工况下以工质动能的形式带动工质涡轮压气，从而改善传统废气涡轮增压系统低速扭矩不足，高速排气背压过大，瞬态响应性慢的缺点。
本发明由发动机1、进气总管2、控制单元3、排气总管4、废气比例电磁阀5、废气涡轮6、进气管I7、废气三通电磁阀8、压气机I9、进气控制阀10、后处理器11、温度传感器I12、压力传感器I13、蓄热器I14、保温散热片I15、液位传感器I16、调压阀I17、工质流向控制阀I18、工质出管II19、工质进管I20、工质涡轮21、压气机II22、工质流向控制阀II23、进气管II24、工质进管II25、工质出管I26、工质流向控制阀III27、调压阀II28、液位传感器II29、温度传感器II30、压力传感器II31、蓄热器II32、保温散热片II33构成。
其中排气总管4与废气比例电磁阀5的入口端相连，废气比例电磁阀5的两个出口端通过管道分别与废气涡轮6的进气端和废气三通电磁阀8的进口端相连，废气涡轮6与压气机I9同轴连接，压气机I9的出气口与进气管I7相连，进气管I7与进气总管2串联连接，废气涡轮6的出气端通过管道与后处理器11相连，废气三通电磁阀8的两个出口端通过管道分别与蓄热器I14和蓄热器II32的废气入口端相连，蓄热器I14和蓄热器II32的废气出口端通过管道与后处理器11相连，蓄热器I14和蓄热器II32内装有定量的低沸点工质，并且在它们的出口端分别连有调压阀I17和调压阀II28，工质涡轮21的进口端同时与工质进管I20和工质进管II25相连，工质涡轮21的出口端同时与工质出管I26和工质出管II19相连，工质出管II19、工质进管I20、工质出管I26上分别装有工质流向控制阀I18、工质流向控制阀II23、工质流向控制阀III27，当工质流向控制阀III27、工质流向控制阀II23关闭，调压阀II28、调压阀I17、工质流向控制阀I18打开时，蓄热器II32内的工质可以经过工质进管II25流向工质涡轮，从工质涡轮的涡壳流出后可以经过工质出管II19流入蓄热器I14，同理，当控制调压阀I17、工质流向控制阀II23和工质流向控制阀III27打开，工质流向控制阀I18和调压阀II28关闭时，蓄热器I14内的工质可依次经过工质进管I20、工质涡轮21、质出管I26后流入蓄热器II32。蓄热器I14和蓄热器II32上利用铰链分别装有保温散热片I15和保温散热片II33，并且分别装有温度传感器I12、压力传感器I13、液位传感器I16和温度传感器II30、压力传感器II31、液位传感器II29，保温散热片I15和保温散热片II33的材料为隔热陶瓷，其上连接有可以摇摆的摆臂，摆臂铰接在蓄热器的壳体上，在摆臂的带动下保温散热片可以上下翻动，工质涡轮21与压气机II22同轴连接，压气机II22的出气口与进气管II24连接，进气管II24上装有进气控制阀10，并且与进气总管2串联。
本发明的原理是：控制单元3根据发动机的工作状况可以控制废气比例电磁阀5的开度，进而控制流入废气涡轮6和废气三通电磁阀8的废气流量，在满足废气涡轮6对废气流量的要求前提下，使剩余废气流入废气三通电磁阀8。废气涡轮6在废气的冲击下高速旋转并带动与其同轴连接的压气机I9高速旋转压气，被压缩的空气经过进气管I7和进气总管2流进发动机，从而达到进气增压的目的。蓄热器I14和蓄热器II32实际为内部预存有低沸点工质的特殊换热器，其作用是蓄存高温废气的能量，将高温废气的热能转化为工质的压力能。废气三通电磁阀8可以控制来自于废气比例电磁阀5的废气的流向，使废气交替流入蓄热器I14和蓄热器II32，当高温废气流入蓄热器I14时，高温废气会向低沸点工质传热，在高温废气持续的加热作用下，工质逐步吸热蒸发，压力和温度会逐渐升高，并且此时保温散热片I15不翻起，由于保温散热片I15的材料为隔热陶瓷，其传热系数很低，可以削弱蓄热器向大气的传热，从而保证蓄热器的蓄热能力，蓄热器I14此时的作用是蓄热，与此同时，蓄热器II32内的工质为低温液态，保温散热片II33向上翻起90度，加快蓄热器II32向外界散热，蓄热器II32做冷凝器用。温度传感器I12和压力传感器I13时刻检测蓄热器I14内工质的温度和压力，当超过预设值时，为安全起见，控制单元3控制调压阀I17、工质流向控制阀II23、工质流向控制阀III27打开，调压阀II28、工质流向控制阀I18关闭，高压气态工质经工质进管I20、工质涡轮21、工质出管I26流进蓄热器II32后冷凝为液态，实现泄压的目的，从而使蓄热器I14内的工质压力始终保持在某一目标压力值附近，并且当工质经过工质涡轮21时会带动其旋转，进而带动压气机II22旋转压气，进气控制阀10打开，压缩空气经进气管II24和进气总管2后流进发动机，高温废气流经蓄热器I14并把热量传递给工质后会流入后处理器。蓄热器I14内的工质达到目标压力值后，控制单元3根据发动机工作状态，随时控制工质涡轮进入做功模式，进入做功模式后，控制单元3控制调压阀I17、工质流向控制阀II23、工质流向控制阀III27、进气控制阀10打开，调压阀II28、工质流向控制阀I18关闭，蓄热器I14内的高压气态工质会以很高的流速流出，经工质进管I20高速流向工质涡轮21并带动其旋转，然后经过工质出管I26进入蓄热器II32后冷凝为液态，工质涡轮21会带动与其同轴连接的压气机II22旋转压气，被压缩的空气经过进气管II24和进气总管2后流进发动机，从而达到进气增压的目的。液位传感器II29时刻检测蓄热器II32内工质的液位，当液位达到某一预设数值后，控制单元通过废气三通电磁阀8改变废气流向，使废气流进蓄热器II32，保温散热片I15翻起90度，保温散热片II33落下，蓄热器I14和蓄热器II32的角色互换，蓄热器II32承担蓄热任务，蓄热器I14做冷凝器用，蓄热器II32内的工质逐渐蒸发且压力逐步增大，当压力值超过安全上限需要泄压或工质涡轮21需要进入做功模式时，控制单元3控制调压阀I17、工质流向控制阀I18、调压阀II28、进气控制阀10打开，工质流向控制阀II23、工质流向控制阀III27关闭，蓄热器II32内的高压气态工质经工质进管II25后冲击工质涡轮21使其高速旋转，进而带动压气机II22旋转压气，被压缩的空气经过进气管II24和进气总管2后流进发动机，做功后的工质乏气经工质出管II19流进蓄热器I14后冷凝为液态，此时液位传感器I16时刻检测蓄热器I14内的工质液位，当液位达到预设值后控制单元3控制废气三通电磁阀8改变废气流向，使废气流进蓄热器I14，保温散热片I15落下，保温散热片II33翻起90度，蓄热器I14和蓄热器II32的角色互换，蓄热器I14承担蓄热任务，蓄热器II32做冷凝器用，当蓄热器II32内的工质液位达到预设数值后，蓄热器I14和蓄热器II32的角色又会互换，如此循环往复。
本发明的有益效果在于：本发明针对传统废气涡轮增压系统低速扭矩不足，高速排气背压大，能量过剩，泵气损失大，瞬态响应性不好的缺点，提出了蓄热式复合涡轮增压装置，该装置可以将内燃机高速工况下过剩的废气能量加以蓄存，并在低速和瞬态工况时用蓄存的能量以工质动能的形式带动工质涡轮旋转，进而压气，充分解决了传统废气涡轮增压系统废气能量运用不均匀的问题，同时达到了废气余能回收的目的。
附图说明
图1为蓄热式复合涡轮增压装置的结构示意图。
图中标记：发动机1、进气总管2、控制单元3、排气总管4、废气比例电磁阀5、废气涡轮6、进气管I7、废气三通电磁阀8、压气机I9、进气控制阀10、后处理器11、温度传感器I12、压力传感器I13、蓄热器I14、保温散热片I15、液位传感器I16、调压阀I17、工质流向控制阀I18、工质出管II19、工质进管I20、工质涡轮21、压气机II22、工质流向控制阀II23、进气管II24、工质进管II25、工质出管I26、工质流向控制阀III27、调压阀II28、液位传感器II29、温度传感器II30、压力传感器II31、蓄热器II32、保温散热片II33。
具体实施方式
以下结合附图1对本发明技术方案作进一步详细阐述：
本发明由发动机1、进气总管2、控制单元3、排气总管4、废气比例电磁阀5、废气涡轮6、进气管I7、废气三通电磁阀8、压气机I9、进气控制阀10、后处理器11、温度传感器I12、压力传感器I13、蓄热器I14、保温散热片I15、液位传感器I16、调压阀I17、工质流向控制阀I18、工质出管II19、工质进管I20、工质涡轮21、压气机II22、工质流向控制阀II23、进气管II24、工质进管II25、工质出管I26、工质流向控制阀III27、调压阀II28、液位传感器II29、温度传感器II30、压力传感器II31、蓄热器II32、保温散热片II33构成。
其中排气总管4与废气比例电磁阀5的入口端相连，废气比例电磁阀5的两个出口端通过管道分别与废气涡轮6的进气端和废气三通电磁阀8的进口端相连，废气涡轮6与压气机I9同轴连接，压气机I9的出气口与进气管I7相连，进气管I7与进气总管2串联连接，废气涡轮6的出气端通过管道与后处理器11相连，废气三通电磁阀8的两个出口端通过管道分别与蓄热器I14和蓄热器II32的废气入口端相连，蓄热器I14和蓄热器II32的废气出口端通过管道与后处理器11相连，蓄热器I14和蓄热器II32内装有定量的低沸点工质，并且在它们的出口端分别连有调压阀I17和调压阀II28，工质涡轮21的进口端同时与工质进管I20和工质进管II25相连，工质涡轮21的出口端同时与工质出管I26和工质出管II19相连，工质出管II19、工质进管I20、工质出管I26上分别装有工质流向控制阀I18、工质流向控制阀II23、工质流向控制阀III27，当工质流向控制阀III27、工质流向控制阀II23关闭，调压阀II28、调压阀I17、工质流向控制阀I18打开时，蓄热器II32内的工质可以经过工质进管II25流向工质涡轮，从工质涡轮的涡壳流出后可以经过工质出管II19流入蓄热器I14，同理，当控制调压阀I17、工质流向控制阀II23和工质流向控制阀III27打开，工质流向控制阀I18和调压阀II28关闭时，蓄热器I14内的工质可依次经过工质进管I20、工质涡轮21、质出管I26后流入蓄热器II32。蓄热器I14和蓄热器II32上利用铰链分别装有保温散热片I15和保温散热片II33，并且分别装有温度传感器I12、压力传感器I13、液位传感器I16和温度传感器II30、压力传感器II31、液位传感器II29，保温散热片I15和保温散热片II33的材料为隔热陶瓷，其上连接有可以摇摆的摆臂，摆臂铰接在蓄热器的壳体上，在摆臂的带动下保温散热片可以上下翻动，工质涡轮21与压气机II22同轴连接，压气机II22的出气口与进气管II24连接，进气管II24上装有进气控制阀10，并且与进气总管2串联。
具体工作过程如下：
发动机高速工况时，废气流量和流速很大，如果像传统废气涡轮增压那样将废气全部引向废气涡轮，会导致发动机排气背压过大，加剧泵气损失，即废气能量过剩，所以此时控制单元3会根据具体工况点调节废气比例电磁阀5的开度，满足废气涡轮对废气的流量需求后，将多余的高温废气旁通到废气三通电磁阀8，控制单元3首先控制废气三通电磁阀8使高温废气流进蓄热器I14，并且此时蓄热器I14表层的保温散热片I15不会翻起，将蓄热器包络起来，起到保温的作用，高温废气持续通过蓄热器，并将热量传递给蓄热器I14内的工质，工质持续受热后蒸发且压力逐步增大，当压力超过某一预设值时，为安全起见，控制单元3控制调压阀I17、工质流向控制阀II23、工质流向控制阀III27打开，调压阀II28、工质流向控制阀I18关闭，高压气态工质经工质进管I20、工质涡轮21、工质出管I26流进蓄热器II32后冷凝为液态，实现泄压的目的，从而使蓄热器I14内的工质压力始终保持在某一目标压力值附近，并且当工质经过工质涡轮21时会带动其旋转，进而带动压气机II22旋转压气，进气控制阀10打开，压缩空气经进气管II24和进气总管2后流进发动机，高温废气流经蓄热器I14并把热量传递给工质后会流入后处理器，此过程是蓄热器I14的蓄热过程，即将多余高温废气的能量吸收并蓄存，液位传感器II29时刻检测蓄热器II32内工质的液位，当液位达到某一预设数值后(两蓄热器内的工质总量一定，经过标定，蓄热器II32内工质液位达到此数值后则蓄热器I14内的工质基本耗尽，将不能推动工质涡轮旋转)，控制单元通过废气三通电磁阀8改变废气流向，使废气流进蓄热器II32，保温散热片I15翻起90度，保温散热片II33落下，蓄热器I14和蓄热器II32的角色互换，蓄热器II32承担蓄热任务，蓄热器I14做冷凝器用，蓄热器II32内的工质逐渐蒸发且压力逐步增大，当压力值超过安全上限需要泄压时，控制单元3控制调压阀I17、工质流向控制阀I18、调压阀II28、进气控制阀10打开，工质流向控制阀II23、工质流向控制阀III27关闭，蓄热器II32内的高压气态工质经工质进管II25后冲击工质涡轮21使其高速旋转，进而带动压气机II22旋转压气，被压缩的空气经过进气管II24和进气总管2后流进发动机，做功后的工质乏气经工质出管II19流进蓄热器I14后冷凝为液态，此时液位传感器I16时刻检测蓄热器I14内的工质液位，当液位达到预设值后控制单元3控制废气三通电磁阀8改变废气流向，使废气流进蓄热器I14，蓄热器I14和蓄热器II32的角色互换，如此循环往复，此种情况下废气涡轮持续工作，工质涡轮仅在蓄热器泄压时工作。
发动机由高速转向某些低速工况区域(定义为区域1)时，发动机的废气流量和流速相对较小，对于传统涡轮增压系统，废气不仅不能有效带动涡轮旋转甚至会阻碍发动机废气的排出，导致排气不畅，所以在这些工况区域时需要利用控制单元3控制废气比例电磁阀5，使废气全部流入废气三通电磁阀8，然后流入蓄热器I14(假设在高速工况时是蓄热器I14蓄存了能量)，此时废气涡轮不工作，增压任务完全由工质涡轮完成，此时控制单元3控制调压阀I17、工质流向控制阀II23、工质流向控制阀III27和进气控制阀10打开，工质流向控制阀I18和调压阀II28关闭，蓄热器I14内的高压气态工质依次经过调压阀I17、工质进管I20、工质流向控制阀II23后冲击工质涡轮21，工质涡轮21旋转带动压气机II22旋转压气，增压后的空气经过进气管II24和进气总管2后流进发动机，从而达到进气增压的目的，做功后的工质乏气经工质出管I26和工质流向控制阀III27后流进蓄热器II32，此时保温散热片II33在摇臂的带动下翻起，使蓄热器II32的壳体暴露在空气中，有利于向外界散热，因为此时蓄热器II32内的工质为冷态的，且没有外来热源，所以当工质乏气流进蓄热器II32后会立即冷凝为液态，液位传感器II29会始终检测蓄热器II32内液态工质的液位，待液位达到某一预设数值时，控制单元3控制废气三通电磁阀8变更废气流向，使废气流入蓄热器II32，蓄热器I14和蓄热器II32角色互换，利用蓄热器II32蓄存高温废气的热量，待蓄热器II32蓄满能量后(工质压力在目标值附近持续某一预定时间)，控制单元3控制工质流向控制阀III27、工质流向控制阀II23关闭，调压阀II28、调压阀I17、工质流向控制阀I18、进气控制阀10打开，高压气态工质由蓄热器II32经工质进管II25后带动工质涡轮21旋转，进而带动压气机22旋转压气，做功后的乏气经工质出管II19进入蓄热器I14，然后冷凝，液位传感器I16始终检测蓄热器I14内的液位，待液位达到某一预设数值后，控制单元3控制废气三通电磁阀8变更废气流向，使废气流入蓄热器I14，蓄热器I14和蓄热器II32的角色互换，蓄热器I14承担蓄热任务，蓄热器II32做冷凝器用，如此循环往复。
发动机由高速工况转向另外一些低速工况区域(定义为区域2)时，发动机的废气流量比区域1时的大，但也不能完全满足废气涡轮对废气流量的需求，此时控制单元3控制废气比例电磁阀5使废气全部流向废气涡轮6，此种工况下，废气涡轮和工质涡轮同时介入工作，工质涡轮和蓄热器的工作方式与工况区域1时的方式相同，但是此种情况下工质涡轮工作的时间是有限的，因为此时高温废气不会流进蓄热器I14或蓄热器II32加热工质，做完功后冷凝的工质不会再吸热蒸发，所以此种情况下工质涡轮能利用的能量仅是高速工况下蓄热器蓄存的那部分能量，当蓄热器I14或蓄热器II32内的工质持续排出做功至耗尽或压力过低不能带动工质涡轮后，工质涡轮将停止工作。
加速工况时，发动机需要立即增加进气量，此时需要工质涡轮立即反应，快速介入工作，以改善瞬态响应性，控制模块3控制废气流向维持不变，假设此时是蓄热器I14蓄存了能量，此时控制单元3控制调压阀I17、工质流向控制阀II23、工质流向控制阀III27和进气控制阀10打开，工质流向控制阀I18和调压阀II28关闭，蓄热器I14内的高压气态工质依次经过调压阀I17、工质进管I20、工质流向控制阀II23、工质涡轮21、工质出管I26后流进蓄热器II32，然后冷凝，高速工质流经工质涡轮21时会带动其旋转进而带动压气机II22旋转压气，增压后的空气经过进气管II24和进气总管2后流进发动机，从而达到立即增加进气量的目的。如果此时是蓄热器II32蓄存了能量，则控制单元3控制工质流向控制阀III27、工质流向控制阀II23关闭，调压阀II28、调压阀I17、工质流向控制阀I18、进气控制阀10打开，工质依次经过工质进管II25、工质涡轮21、工质出管II19后进入蓄热器I14冷凝，且经过工质涡轮21时带动其旋转进而带动压气机II22旋转压气。因为工质涡轮的设计直径和质量均小于废气涡轮，即工质涡轮的转动惯量小，所以在高压工质的冲击下，工质涡轮基本不会发生迟滞现象，并且各个阀的打开为电子控制，与废气无直接关系，所以响应性较快，可以较好的改善瞬态响应性。
本发明中利用低沸点工质吸收高温废气的热量，在实际操作中，所有沸点较低的工质均能实现上述功能；本发明中利用蓄热器实现了能量交换，实际操作中，板式换热器、螺旋板式换热器等均能实现上述功能。