实现全工况性能改善的两级相继增压系统结构及控制方法与流程

本发明涉及的是一种柴油机，具体地说是柴油机的相继增压结构及其控制方法。

背景技术：

随着能源与环境问题的日益严峻，对于柴油机的经济性能与排放性能的改善问题逐渐提上了日程。作为柴油机发展历程中的里程碑——增压中冷技术的应用成为能够同时改善柴油机的经济性与排放性的行之有效的技术手段。但是这项技术也存在着一些问题：怠速暖机工况下燃烧排放恶劣且运行不稳定、低负荷增压系统的响应性差、高负荷工况下增压器容易超速等。这些问题阻碍了增压技术发展的脚步，对此，需要加入一些辅助手段来改善上述工况下的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供可以提高柴油机运行性能及控制nox排放的实现全工况性能改善的两级相继增压系统结构及控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明实现全工况性能改善的两级相继增压系统结构，其特征是：包括a列高压级涡轮增压器、a列低压级涡轮增压器、b列高压级涡轮增压器、b列低压级涡轮增压器，a列高压级涡轮增压器与a列低压级涡轮增压器串联，b列高压级涡轮增压器与b列低压级涡轮增压器串联，柴油机的a列排气总管连接a列高压级涡轮增压器的涡轮，a列低压级涡轮增压器的涡轮连通大气，柴油机的b列排气总管连接b列高压级涡轮增压器的涡轮，b列低压级涡轮增压器的涡轮连通大气，a列高压级涡轮增压器的压气机通过a列中冷管连接压气机后中冷器，a列低压级涡轮增压器的压气机连通大气，b列高压级涡轮增压器的压气机通过b列中冷管连接压气机后中冷器，b列低压级涡轮增压器的压气机连通大气，压气机后中冷器通过中冷连通管连通柴油机的进气总管，a列排气总管与b列排气总管通过排气连通管相连通，a列排气总管与中冷连通管通过egr管相连通，egr管上安装egr管路单向电磁阀，a列中冷管与a列排气总管之间通过a列排气连通管相通，a列排气连通管上设置a列排气连通电磁阀。

本发明实现全工况性能改善的两级相继增压系统结构还可以包括：

1、b列中冷管上设置空气阀，b列排气总管上设置燃气阀，a列排气总管上设置a列燃气控制阀，排气连通管上设置排气放气阀，a列高压级涡轮增压器的涡轮设置a列高压级涡轮旁通阀，a列低压级涡轮增压器的涡轮设置a列低压级涡轮旁通阀，b列高压级涡轮增压器的涡轮设置b列高压级涡轮旁通阀，b列高压级涡轮增压器的涡轮设置b列高压级涡轮旁通阀，a列中冷管上设置进气吸气阀。

2、egr管路单向电磁阀的前后分别设置egr阀前压力传感器和egr阀后压力传感器。

本发明实现全工况性能改善的两级相继增压控制方法，其特征是：在怠速暖机工况，柴油机为自然吸气状态；过渡负荷工况即0-10％负荷，将a列高压级增压器投入使用，并开启a列排气连通电磁阀并且其开度随负荷增加由25％逐渐调节到10％；低转速负荷工况即10％-25％负荷，将a列高压级增压器与b列高压级增压器并联投入使用，调节a列排气连通电磁阀开度并使其开度随负荷增加由10％逐渐调节到0；中低负荷工况即25％-50％负荷，a列高压级增压器和a列低压级增压器均投入工作，并关闭a列排气连通电磁阀，开启egr管路单向电磁阀并将egr率随负荷增加由0逐渐调节到0.1；中高负荷工况即50％-75％负荷，a列高压级增压器、a列低压级增压器以及b列高压级增压器投入工作，并调节egr管路单向电磁阀将egr率随负荷增加由0.1调节到0.2；高负荷工况即75％-90％负荷，a列高压级增压器、a列低压级增压器以及b列低压级增压器投入工作，并调节egr控制阀将egr率随负荷增加由0.2调节到0.3；接近全负荷工况即90％-100％负荷，a列高压级增压器、a列低压级增压器、b列高压级增压器以及b列低压级增压器全部投入使用，并调节egr管路单向电磁阀将egr率随负荷增加由0.3调节到0.4。

本发明实现全工况性能改善的两级相继增压控制方法还可以包括：

1、在egr率调节过程中，若出现egr管路单向电磁阀前后压力差值为负值的情况，则由egr阀前压力传感器和egr阀后压力传感器将差值信号传给电控单元，然后由电控单元开启a列排气连通电磁阀，将一部分进气旁通入a列排气总；当egr管路单向电磁阀前后压力差值为非负时，电控单元关闭a列排气连通电磁阀。

本发明的优势在于：可以使两级相继增压柴油机在从怠速暖机工况到全负荷工况的工作性能整体得到提升：怠速暖机工况切换为自然吸气模式、中低负荷时进排气连通阀打开并且其开度随负荷增大而逐渐减小而egr阀关闭，使排气能量有所提高，改善了低负荷响应性；中负荷到高负荷，egr阀开启并且其开度随负荷增大而增大，进排气连通阀开度取决于egr倒流压力，使高工况的增压压力得到限制，避免了增压器超速并降低nox排放。全工况附近则不使用egr而是单独使用进排气旁通以避免增压器超速及nox排放。并且针对柴油机负荷变化过程中进排气压差不稳定的问题，在egr阀两端设置了egr阀前后压力传感器22。在egr率调节过程中，若出现egr阀前后压力差值为负值的情况，则由egr阀前后压力传感器22将差值信号传给电控单元，然后由电控单元对进排气连通电磁阀驱动器发出开启信号，开启进排气连通阀8，将一部分进气旁通入排气管，不过此时进气旁通的作用与中低负荷时不同，是为了消除egr阀的倒流压力波，防止其对下一个正流压力的影响。当达到控制目的时，egr阀前后压力传感器22再次将压差信号传给电控单元以间接控制进排气连通阀8使其关闭即可。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

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，本发明装置包括柴油机1、气缸2、进气总管3、egr管路9、排气连通管10、排气放气阀11、进气吸气阀21、压气机后中冷器19、egr阀前后压力传感器22、a列增压系统与b列增压系统。其中a列增压系统包括：a列排气总管4、a列进气管5、a列高压级(小)涡轮a1、a列高压级(小)压气机a2、a列低压级(大)涡轮a3、a列低压级(大)压气机a4、a列高压级涡轮旁通阀6、a列低压级涡轮旁通阀7、a列进排气连通(单向)阀8、级间中冷器18、主增压器(a列)燃气控制阀20。b列增压系统包括：b列排气总管12、b列进气管13、b列高压级(小)涡轮b1、b列高压级(小)压气机b2、b列低压级(大)涡轮b3、b列低压级(大)压气机b4、空气阀14、燃气阀15、b列高压级涡轮旁通阀16、b列低压级涡轮旁通阀17、级间中冷器18。

柴油机1分别通过进、排气歧管与a、b两列排气总管和进气总管3相连接，其中a列排气总管4的两端分别与a列增压系统和b列增压系统相连接。a列增压系统分别由a列高压级涡轮a1、a列高压级压气机a2与a列低压级涡轮a3、a列低压级压气机a4串联成的大小涡轮二级增压系统，a列高压级涡轮旁通阀6并联在a列高压级涡轮a1旁，a列低压级涡轮旁通阀7并联在低压级涡轮a2旁，a列进排气连通阀8连接了a列高压级增压器涡轮前与a列高压级压气机后的进、排气管，a列燃气控制阀20位于a列高压级涡轮a1和进排气连通管8之间，进气吸气阀21位于a列高压级压气机与压气机后中冷器19之间。b列增压系统分别由b列高压级涡轮b1、b列高压级压气机b2与b列低压级涡轮b3、b列低压级压气机b4串联成的大小涡轮二级增压系统,b列高压级涡轮旁通阀16并联在b列高压级涡轮b1旁，b列低压级涡轮旁通阀17并联在b列低压级涡轮b3旁。排气连通管10两侧分别连接a列排气总管4和b列排气总管12，排气放气阀11位于排气连通管10上。压气机后中冷器19分别位于a列高压级压气机a2和b列高压级压气机b2与进气总管之间，空气阀14位于b列增压系统高压级压气机b2与压气机后中冷器19之间，燃气阀15位于b列增压系统高压级涡轮b1与排气连通管10之间，级间中冷器18分别位于a列增压系统高压级压气机a2与a列低压级压气机a4、b列增压系统b列高压级压气机b2与低压级压气机b4之间，egr阀9位于a列排气总管4与进气总管3之间，egr阀前后压力传感器22分别接在egr阀9的两端，主增压器涡轮端控制阀两侧分别与进排气连通管8和a列高压级涡轮旁通阀6相连接。

当柴油机处于怠速或者暖机工况时，自然吸气式柴油机性能优于涡轮增压柴油机，此时将该装置调节到自然吸气模式。该过程各个控制阀门的开闭情况是这样的：燃气阀15、空气阀14关闭，即将b列增压系统与柴油机断开连接，关闭a列燃气控制阀20、进排气连通阀8以及egr阀9，打开排气放气阀11、进气吸气阀21。此时的气路循环是这样的：新鲜空气经进气吸气阀21、压气机后中冷器19，再经进气总管3后进入柴油机1的气缸2内参与燃烧反应，而后生成的废气分别进入a列排气总管4和b列排气总管12后进入排气连通管10最后经由排气放气阀11排入大气。此时a列增压系统与b列增压系统都未且入工作，柴油机处于自然吸气状态，该运行模式改善了怠速和暖机工作状态下的缸内燃烧情况，降低了排放与油耗。

当柴油机处于由怠速暖机向低负荷工况过渡工况(0-10％左右)时，排气能量不足。此时将a列高压级增压器投入工作，同时打开进排气连通阀8，将一部分新鲜空气不经柴油机气缸直接引入排气管内以增加排气量，此时缸内的瞬时空燃比有所降低(即混合气有所变浓但不影响燃烧)，使得燃烧产生的废气能量有所提高，使得低负荷时的排气能量与排气流量同时有所提高，改善了由启动到低负荷过渡的工况的排气能量不足的问题。同时也使得增压器转速有所提高，使压气机的压比也增加，进气量也有所增加，这部分增加的进气量可以与旁通部分相抵消。该过程对各个阀门的控制方式是这样的：燃气阀15与空气阀14关闭，即b列增压系统不投入使用，关闭排气放气阀11、进气吸气阀21、egr阀9(中低负荷以下工况时egr并不能明显改善柴油机性能指标，且容易导致燃烧恶化等负面影响)、a列高压级涡轮旁通阀6，开启a列燃气控制阀20、进排气连通阀8(将其开度由25％随负荷增加调节到10％)以及a列低压级涡轮旁通阀7。此时的气路循环是这样的：新鲜空气一路经a列低压级压气机a4、级间中冷器18和a列高压级压气机a2，在经进气总管3后进入柴油机1的气缸2内参与燃烧反应，另一路经进排气连通管8后直接流入a列排气管4，而后生成的废气分别进入a列排气总管4和b列排气总管12后进入排气连通管10后汇聚成一路流向a列高压级涡轮a1做功后通过a列低压级涡轮a3后排入大气。此时的工作状态为a列小增压器投入使用，其流通面积及其转动惯量较小，在此工况下全部废气以及一部分旁通空气都经过a列高压级涡轮a1，避免了低负荷下排气能量、流量不足的问题，提高了柴油机低工况响应性，使低速时的扭矩也有所提高。

当柴油机处于低负荷工况(10％-25％)时，排气能量有所提高。此时应在前一工况的基础上将b列高压级涡轮b1投入使用，即两列增压器的高压级并联投入使用，由于此时仍然处于低负荷工况，进排气连通阀8仍需开启但开度应减小(开度由10％随负荷增大逐渐调节到0)。该过程各个阀门控制方式如下：a列增压系统燃气控制阀20、燃气阀15与空气阀14均处于开启状态，关闭排气放气阀11、进气吸气阀21、egr阀9、a列高压级涡轮旁通阀6、b列高压级涡轮旁通阀16，开启a列低压级涡轮旁通阀7、b列低压级涡轮旁通阀17。此时的气路循环是这样的：新鲜空气一路经a列低压级压气机a4、级间中冷器18和a列高压级压气机a2后再次分成两支，一支经进排气连通管直接进入a列排气管4，一支进入进气总管3；另一路经b列低压级压气机b4、级间中冷器18、b列高压级压气机b2以及压气机后中冷器19后进入进气总管3，两路汇合后进入柴油机1的气缸2内参与燃烧反应，而后生成的废气分别进入a列排气总管4和b列排气总管12后，一路经a列高压级涡轮a1、a列低压级涡轮旁通阀7后流入大气；一路经b列高压级涡轮b1、b列低压级涡轮旁通阀17后流入大气。此时的工作状态为两个小增压器并联投入使用，进一步增大了增压系统流通截面积，提高了进气量，改善了低负荷缸内燃烧情况，降低了低负荷排放以及油耗。

当柴油机处于中低工况(25％-50％负荷)时，需要进一步提高增压系统的流通面积，此时应当在将a列增压系统大小增压器全部投入使用而切出b列增压系统。在中低负荷以上工况下排气能量已经足够提供增压器做功，并且进排气压差已经很小甚至出现负值，此时为提高低负荷排气能量开启进排气连通阀8已经没有意义。但是在该负荷及以上，egr对nox排放的控制作用较为明显，故开启并调节egr阀9将egr率随负荷增加由0逐渐调节到0.1，但是此时的排气压力有可能波动到小于进气压力导致egr无法进行，故当egr阀前压力小于egr阀后压力时由egr阀前后压力传感器22将压差信号传给电控单元，间接控制进排气连通阀8开启，使进气部分旁通，直到排气压力大于进气压力时，egr阀前后压力传感器22再次将压差信号传给电控单元，间接控制进排气连通阀8关闭。其余各个阀门控制方式如下：燃气阀15与空气阀14处于关闭状态，关闭排气放气阀11、进气吸气阀21、a列高压级涡轮旁通阀6以及a列低压级涡轮旁通阀7，开启a列燃气控制阀20。此时的气路循环是这样的：新鲜空气经a列低压级压气机a4、级间中冷器18和a列高压级压气机a2(进排气旁通阀若开启，同中低负荷a列气路一致)以及压气机后中冷器19，再经进气总管3后进入柴油机1的气缸2内参与燃烧反应，而后生成的废气分别进入a列排气总管4和b列排气总管12后进入排气连通管10后汇聚成一路流向a列高压级涡轮a1和a列低压级涡轮a3做功后通过后排入大气。与前一个工况相比进一步提高了增压系统的流通截面积，提高了中低负荷下柴油机的工作性能，并且egr的引入使该负荷下的nox排放得到控制。

当柴油机处于中高工况(50％-75％负荷)时，需在前一个工况的基础上再切入一台小增压器。即a列增压系统全部投入使用，b列增压系统的高压级增压器投入使用。并且由于在中高负荷时nox的排放量较大，egr在中高负荷下降低nox排放的效果明显，故该工况下开启并调节egr阀9使egr率随负荷增加由0.1逐渐增加到0.2。此时的排气压力有可能波动到小于进气压力导致egr无法进行，故当egr阀前压力小于egr阀后压力时由egr阀前后压力传感器22将压差信号传给电控单元，间接控制进排气连通阀8开启，使进气部分旁通，直到排气压力等于进气压力时(即消除egr倒流压差)，egr阀前后压力传感器22再次将压差信号传给电控单元，间接控制进排气连通阀8关闭。其余各个阀门的控制方式如下：燃气阀15与空气阀14开启，关闭排气放气阀11、进气吸气阀21、a列高压级涡轮旁通阀6、a列低压级涡轮旁通阀7、以及b列高压级涡轮旁通阀16，开启a列燃气控制阀20以及b列低压级涡轮旁通阀17。此时的气路循环是这样的：新鲜空气一路经a列低压级压气机a4、级间中冷器18和a列高压级压气机a2后进气总管3(进排气旁通阀若开启，同中低负荷a列气路一致)以及压气机后中冷器19；另一路经b列低压级压气机b4、级间中冷器18、b列高压级压气机b2以及压气机后中冷器19后进入进气总管，两路汇合后进入柴油机1的气缸2内参与燃烧反应，而后生成的废气分别进入a列排气总管4和b列排气总管12后，一路经a列高压级涡轮a1、a列低压级涡轮a3后流入大气；一路经b列高压级涡轮b1、b列低压级涡轮旁通阀17后流入大气。使得增压系统的流通截面积进一步增加，能够为该工况下柴油机的工作提供更多的新鲜充量，使中高负荷工作能力得到提升。并且进一步提高的egr率也可使中高负荷的nox排放降低较为明显。

当柴油机处于高工况(75％-90％负荷)时，需要将a列增压系统以及b列增压系统的低压级增压器投入工作，并将egr率随负荷增加由0.2逐渐调节到0.3。此时的排气压力有可能波动到小于进气压力导致egr无法进行，故当egr阀前压力小于egr阀后压力时由egr阀前后压力传感器22将压差信号传给电控单元，间接控制进排气连通阀8开启，使进气部分旁通，消除egr倒流压差，egr阀前后压力传感器22再次将压差信号传给电控单元，间接控制进排气连通阀8关闭。其余各个阀门的控制方式如下：燃气阀15与空气阀14开启，关闭排气放气阀11、进气吸气阀21、a列高压级涡轮旁通阀6、a列低压级涡轮旁通阀7、以及b列低压级涡轮旁通阀17。开启a列燃气控制阀20、egr阀9以及b列高压级涡轮旁通阀16。此时的气路循环是这样的：新鲜空气一路经a列低压级压气机a4、级间中冷器18和a列高压级压气机a2后进气总管3(进排气旁通阀若开启，同中低负荷a列气路一致)以及压气机后中冷器19；另一路经b列低压级压气机b4、级间中冷器18、b列高压级压气机b2以及压气机后中冷器19后进入进气总管，两路汇合后进入柴油机1的气缸2内参与燃烧反应，而后生成的废气分别进入a列排气总管4和b列排气总管12后，一路经a列高压级涡轮a1、a列低压级涡轮a3后流入大气；一路经b列高压级涡轮b1、b列低压级涡轮旁通阀17后流入大气。高负荷时空气需求量通过增加工作增压器的数目已经可以满足，而在高负荷工况下egr对nox排放的效果最为明显。

当柴油机处于接近全负荷工况(90％-100％负荷)时，将a列、b列的增压系统全部投入工作，在该工况下进气压力整体高于排气压力，egr不能使用，故关闭egr阀9并开启进排气连通阀(开度随负荷由0-10％调节)旁通一部分进气，其余各个阀门的控制方式如下：开启燃气阀15、空气阀14和a列燃气控制阀20，关闭排气放气阀11、进气吸气阀21、a列高压级涡轮旁通阀6、a列低压级涡轮旁通阀7、b列高压级涡轮旁通阀16以及b列低压级涡轮旁通阀17。此时的气路循环是这样的：新鲜空气一路经a列低压级压气机a4、级间中冷器18、a列高压级压气机a2以及压气机后中冷器19后进气总管3(进排气旁通阀若开启，同中低负荷a列气路一致)；另一路经b列低压级压气机b4、级间中冷器18、b列高压级压气机b2以及压气机后中冷器19后进入进气总管3，两路汇合后进入柴油机1的气缸2内参与燃烧反应，而后生成的废气分别进入a列排气总管4和b列排气总管12后，一路经a列高压级涡轮a1、a列低压级涡轮a3后流入大气；一路经b列高压级涡轮b1、b列低压级涡轮b3后流入大气。该调节方式能够有效避免增压器超速并且降低缸内热负荷以及nox排放。