一种混联式电动增压系统及其控制方法与流程

本发明涉及发动机涡轮增压系统，尤其涉及一种混联式电动增压系统及其控制方法，主要适用于提升发动机低速扭矩、改善发动机低速动态响应性、提高中速工况下发动机最大扭矩输出、提升中高速工况下涡轮增压器工作效率。

背景技术：

现有发动机涡轮增压系统中，大气通过涡轮增压器的压气机增压后进入发动机中冷器，冷却后的增压气体进入气缸进行燃烧做功，做功后的废气通过排气歧管进入涡轮机膨胀做功，同时带动增压器的运转，最终通过后处理系统排出。常见的涡轮增压器主要有三种，fgt（fixedgateturbocharger）固定截面增压器、wgt（wastegateturbocharger）废气旁通阀式增压器和vgt（variablegeometryturbocharger）可变截面式增压器。fgt主要是不可调控的增压器；wgt主要是由压气机压力控制旁通阀的开启与关闭，当压力太大时，部分发动机废气需要通过旁通阀排出；vgt主要是通过喷嘴环位置在打开与关闭之间无限制的变化使得涡流流道出口面积、增压压力等实现可调。涡轮增压器的结构决定了它不可能同时兼顾低速工况和高速工况，wgt废气旁通阀式增压器为了改善发动机的低速性能，必须使用更小的涡壳来提高低速工况的空燃比，因此在高速工况时为了避免增压器超速和发动机爆压超限需要打开旁通阀进行放气。vgt可变截面式涡轮增压器低速性能比wgt稍好，但为了同时匹配低速与高速工况选型时需要折中考虑；wgt和vgt的动态响应性较差。

中国专利，授权公告号为cn203098040u，授权公告日为2013年7月31日的实用新型公开了一种发动机复合增压系统，包括相互并联的涡轮增压器和电动增压器，电动增压器包括第一压气机、电机和电控单元，第一压气机由电机驱动，电机则受与发动机ecu连接的电控单元控制，通过读取发动机参数控制电机的工作，电动增压器还包括设置在第一压气机出气端的单向阀。虽然该实用新型中电动增压器与涡轮增压器并联，但是电动增压器与涡轮增压器均没有单独工作的时候，涡轮增压器是一直在工作的，而电动增压器只在发动机低速工况时才与涡轮增压器一起工作，起到补气的作用，因此，上述设计使得发动机低速扭矩不足、发动机低速动态响应慢、中速工况下发动机最大扭矩输出低、中高速工况下涡轮增压器工作效率低。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的发动机低速扭矩不足、发动机低速动态响应慢、中速工况下发动机最大扭矩输出低、中高速工况下涡轮增压器工作效率低的缺陷与问题，提供一种发动机低速扭矩充足、发动机低速动态响应快、中速工况下发动机最大扭矩输出高、中高速工况下涡轮增压器工作效率高的混联式电动增压系统及其控制方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种混联式电动增压系统，包括发动机本体、中冷器、涡轮增压器、电动压气机，所述涡轮增压器包括机械连接的一号压气机与涡轮，所述涡轮的进气口经排气歧管后与发动机本体气路连接，涡轮的出气口与排气管气路连接，所述电动压气机包括机械连接的集成了电控单元的电机与二号压气机；

所述混联式电动增压系统还包括与涡轮并联设置的旁通管路，所述旁通管路的一端经排气歧管后与发动机本体气路连接，旁通管路的另一端与排气管气路连接，旁通管路上设置有旁通阀，所述一号压气机的进气口经一号阀后与进气管气路连接，一号压气机的出气口经二号阀后与二号压气机的进气口气路连接，一号压气机的出气口依次经三号阀、中冷器、进气歧管后与发动机本体气路连接，所述二号压气机的进气口经四号阀后与进气管气路连接，二号压气机的出气口依次经中冷器、进气歧管后与发动机本体气路连接。

所述一号阀、二号阀、三号阀、四号阀都为电磁阀。

所述旁通阀为电控蝶阀。

所述涡轮增压器为固定截面增压器或者废气旁通阀式增压器。

一种混联式电动增压系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

当发动机处于低速工况时，断开一号阀、二号阀、三号阀，接通四号阀和旁通阀，电机控制二号压气机工作，此时，空气依次经进气管、四号阀、二号压气机的进气口后进入二号压气机，二号压气机对空气进行压缩，压缩后的空气依次经二号压气机的出气口、中冷器、进气歧管后进入发动机本体，发动机本体的废气依次经排气歧管、旁通管路后进入排气管；

当发动机处于中速工况时，接通一号阀和二号阀，断开三号阀、四号阀和旁通阀，发动机本体的废气经排气歧管、涡轮的进气口后进入涡轮，涡轮驱动一号压气机工作，电机控制二号压气机工作，此时，空气依次经进气管、一号阀、一号压气机的进气口后进入一号压气机，一号压气机对空气进行压缩，压缩后的空气依次经二号阀、二号压气机的进气口后进入二号压气机，二号压气机对压缩后的空气进行再次压缩，再次压缩后的空气依次经二号压气机的出气口、中冷器、进气歧管后进入发动机本体，发动机本体的废气依次经排气歧管、涡轮后进入排气管；

当发动机处于高速工况时，接通一号阀和三号阀，断开二号阀、四号阀和旁通阀，发动机本体的废气经排气歧管、涡轮的进气口后进入涡轮，涡轮驱动一号压气机工作，此时，空气依次经进气管、一号阀、一号压气机的进气口后进入一号压气机，一号压气机对空气进行压缩，压缩后的空气依次经一号压气机的出气口、三号阀、中冷器、进气歧管后进入发动机本体，发动机本体的废气依次经排气歧管、涡轮后进入排气管。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种混联式电动增压系统及其控制方法中旁通管路与涡轮并联设置，旁通管路上设置有旁通阀，一号压气机的进气口经一号阀后与进气管气路连接，一号压气机的出气口经二号阀后与二号压气机的进气口气路连接，一号压气机的出气口依次经三号阀、中冷器、进气歧管后与发动机本体气路连接，二号压气机的进气口经四号阀后与进气管气路连接，二号压气机的出气口依次经中冷器、进气歧管后与发动机本体气路连接；上述增压系统匹配原则为低速工况匹配合适的电动压气机，中速工况下电动压气机与涡轮增压器串联工作，高速工况匹配合适的涡轮增压器，这样的设计使得发动机低速动态响应更快，且低速扭矩可以根据匹配需要实现明显提升，同时，中速工况下可以更大的提高发动机最大扭矩输出，中高速工况下的涡轮增压器工作在效率更高的区域。因此，本发明提升了发动机的低速扭矩、改善了发动机的低速动态响应性、提高了中速工况下发动机最大扭矩输出、提升了中高速工况下涡轮增压器的工作效率。

2、本发明一种混联式电动增压系统及其控制方法中一号阀、二号阀、三号阀、四号阀都为电磁阀，旁通阀为电控蝶阀，使得增压系统的控制简便、可靠性高；涡轮增压器为固定截面增压器或者废气旁通阀式增压器，有利于解决可变截面式增压器价格过高的问题，能节约成本。因此，本发明控制简便、可靠性高、成本低。

3、本发明一种混联式电动增压系统及其控制方法中当发动机处于低速工况时，断开一号阀、二号阀、三号阀，接通四号阀和旁通阀，电动压气机单独工作进行增压，废气通过旁通管路排出，整个进气不经过涡轮增压器；当发动机处于中速工况时，接通一号阀和二号阀，断开三号阀、四号阀和旁通阀，电动压气机与涡轮增压器串联工作，进气先通过涡轮增压器增压后再进入电动压气机再次增压，之后进入发动机，废气通过涡轮排出；当发动机处于高速工况时，接通一号阀和三号阀，断开二号阀、四号阀和旁通阀，电动压气机不工作，只通过涡轮增压器的压气机压缩空气，废气通过涡轮排出；上述设计不仅控制简便、可靠性高，而且提升了发动机的性能。因此，本发明不仅控制简便、可靠性高，而且提升了发动机的性能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中发动机万有特性运行工作区示意图。

图中：发动机本体1、进气歧管101、排气歧管102、中冷器2、涡轮增压器3、一号压气机31、涡轮32、电动压气机4、电机41、二号压气机42、排气管5、旁通管路6、旁通阀7、一号阀8、进气管9、二号阀10、三号阀11、四号阀12。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，一种混联式电动增压系统，包括发动机本体1、中冷器2、涡轮增压器3、电动压气机4，所述涡轮增压器3包括机械连接的一号压气机31与涡轮32，所述涡轮32的进气口经排气歧管102后与发动机本体1气路连接，涡轮32的出气口与排气管5气路连接，所述电动压气机4包括机械连接的集成了电控单元的电机41与二号压气机42；

所述混联式电动增压系统还包括与涡轮32并联设置的旁通管路6，所述旁通管路6的一端经排气歧管102后与发动机本体1气路连接，旁通管路6的另一端与排气管5气路连接，旁通管路6上设置有旁通阀7，所述一号压气机31的进气口经一号阀8后与进气管9气路连接，一号压气机31的出气口经二号阀10后与二号压气机42的进气口气路连接，一号压气机31的出气口依次经三号阀11、中冷器2、进气歧管101后与发动机本体1气路连接，所述二号压气机42的进气口经四号阀12后与进气管9气路连接，二号压气机42的出气口依次经中冷器2、进气歧管101后与发动机本体1气路连接。

所述一号阀8、二号阀10、三号阀11、四号阀12都为电磁阀。

所述旁通阀7为电控蝶阀。

所述涡轮增压器3为固定截面增压器或者废气旁通阀式增压器。

一种混联式电动增压系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

当发动机处于低速工况时，断开一号阀8、二号阀10、三号阀11，接通四号阀12和旁通阀7，电机41控制二号压气机42工作，此时，空气依次经进气管9、四号阀12、二号压气机42的进气口后进入二号压气机42，二号压气机42对空气进行压缩，压缩后的空气依次经二号压气机42的出气口、中冷器2、进气歧管101后进入发动机本体1，发动机本体1的废气依次经排气歧管102、旁通管路6后进入排气管5；

当发动机处于中速工况时，接通一号阀8和二号阀10，断开三号阀11、四号阀12和旁通阀7，发动机本体1的废气经排气歧管102、涡轮32的进气口后进入涡轮32，涡轮32驱动一号压气机31工作，电机41控制二号压气机42工作，此时，空气依次经进气管9、一号阀8、一号压气机31的进气口后进入一号压气机31，一号压气机31对空气进行压缩，压缩后的空气依次经二号阀10、二号压气机42的进气口后进入二号压气机42，二号压气机42对压缩后的空气进行再次压缩，再次压缩后的空气依次经二号压气机42的出气口、中冷器2、进气歧管101后进入发动机本体1，发动机本体1的废气依次经排气歧管102、涡轮32后进入排气管5；

当发动机处于高速工况时，接通一号阀8和三号阀11，断开二号阀10、四号阀12和旁通阀7，发动机本体1的废气经排气歧管102、涡轮32的进气口后进入涡轮32，涡轮32驱动一号压气机31工作，此时，空气依次经进气管9、一号阀8、一号压气机31的进气口后进入一号压气机31，一号压气机31对空气进行压缩，压缩后的空气依次经一号压气机31的出气口、三号阀11、中冷器2、进气歧管101后进入发动机本体1，发动机本体1的废气依次经排气歧管102、涡轮32后进入排气管5。

本发明的原理说明如下：

带电动压气机和涡轮增压器的发动机增压系统结构主要是串联式，根据电动压气机与涡轮增压器的压气机端的布置关系分为前置式和后置式，电动压气机布置在涡轮增压器的上游称为前置式，电动压气机布置在涡轮增压器的下游称为后置式，无论前置式还是后置式，电动压气机都是为涡轮增压器提供一个双级增压的效果，使得大气通过涡轮增压器的压气机和电动压气机的两级增压后进入发动机中冷器，冷却后的增压气体进入气缸进行燃烧做功，做功后的废气通过排气歧管进入涡轮机膨胀做功，同时带动涡轮增压器的运转，最终通过后处理系统排出。另外，电动压气机与涡轮增压器还可以进行并联布置，通过电磁阀的开关控制气路的切换，从而实现电动压气机和涡轮增压器单独工作策略的切换，实现发动机更好的性能。

电动压气机与涡轮增压器的串联式布置，主要用于提高发动机低速扭矩，低速工况下涡轮增压器与电动压气机共同工作，使进气量得到有效改善，因此低速扭矩明显改善，但通常情况下，中高速工况会采用旁通结构使电动压气机不工作，因此中高速工况时涡轮增压器单独工作；串联布置的结构特点决定了涡轮增压器的选型仍旧需要选择兼顾低速和高速两者的折中方案。电动压气机与涡轮增压器的并联式布置，大气通过进气系统进入，电动压气机和涡轮增压器并联，低速工况时，由于电动压气机低速响应快，通过控制电磁阀，使进气通过电动压气机增压进入发动机后，打开旁通阀，通过旁通管路进行排气；中高速工况时，需要较大的涡轮增压器，电动压气机不能满足，此时再调节电磁阀，且关闭旁通阀，成为常用的涡轮增压发动机使用；并联式布置的结构特点只能实现电动压气机和涡轮增压器各自单独工作，因此电动压气机需要覆盖的转速范围越大，则电动压气机选型则需越大，相比串联成本更高。

考虑到串联布置和并联布置各有优缺点，因此设计了一种电动压气机与涡轮增压器的混联式增压系统，通过电磁阀的联合控制，根据发动机的工作状态可实现串联布置和并联布置两种工作状态的自由切换。大气通过进气系统进入，低速工况时，由于电动压气机低速响应快，这时断开一号阀、二号阀、三号阀，打开四号阀，且打开旁通阀，低速直接由电动压气机进行进气增压；中速工况时，由于发动机最大扭矩区间位于中速工况，这时断开三号阀、四号阀，打开一号阀、二号阀，且关闭旁通阀，进气先通过涡轮增压器压缩后进入电动压气机再次增压后进入发动机；高速工况时，只需匹配一款较大的涡轮增压器满足高速工况且不易发生超速风险，电动压气机不工作，此时断开二号阀、四号阀，打开一号阀、三号阀，且关闭旁通阀，成为常用的涡轮增压发动机使用。

增压系统匹配原则为低速工况匹配合适的电动压气机，电动压气机低速响应更快；中速工况，电动压气机与涡轮增压器串联工作，能够提高最大扭矩；高速工况匹配一个合适的涡轮增压器，有利于提高高速性能，万有特性运行工作区如图2所示。

本设计优点：1、低速工况时使用电动压气机单独工作，可以解决发动机低速扭矩不足的问题，让客户在低速爬坡路况时感受到发动机动力充足；2、低速工况时使用电动压气机单独工作，可以解决发动机低速动态响应慢的问题，让客户在起步加速时感受到更快的动态响应性；3、中速工况时使用电动压气机和涡轮增压器联合工作，可以更大的提高发动机的最大扭矩输出，让客户体验到更好的动力性；4、高速工况时通过更好的匹配涡轮增压器，采用wgt甚至fgt替代vgt与电动压气机配合运行，可以解决vgt价格过高的问题，节约成本；5、高速工况时，通过合理匹配增压器可以使中高速全工况的涡轮增压器工作在效率更高的区域，有利于进气量的提升，在保证发动机扭矩的同时能有效改善油耗，实现节能减排。

实施例：

参见图1，一种混联式电动增压系统，包括发动机本体1、中冷器2、涡轮增压器3、电动压气机4，所述涡轮增压器3包括机械连接的一号压气机31与涡轮32，所述涡轮32的进气口经排气歧管102后与发动机本体1气路连接，涡轮32的出气口与排气管5气路连接，所述电动压气机4包括机械连接的集成了电控单元的电机41与二号压气机42；所述混联式电动增压系统还包括与涡轮32并联设置的旁通管路6，所述旁通管路6的一端经排气歧管102后与发动机本体1气路连接，旁通管路6的另一端与排气管5气路连接，旁通管路6上设置有旁通阀7，所述一号压气机31的进气口经一号阀8后与进气管9气路连接，一号压气机31的出气口经二号阀10后与二号压气机42的进气口气路连接，一号压气机31的出气口依次经三号阀11、中冷器2、进气歧管101后与发动机本体1气路连接，所述二号压气机42的进气口经四号阀12后与进气管9气路连接，二号压气机42的出气口依次经中冷器2、进气歧管101后与发动机本体1气路连接；所述一号阀8、二号阀10、三号阀11、四号阀12都为电磁阀；所述旁通阀7为电控蝶阀；所述涡轮增压器3为固定截面增压器或者废气旁通阀式增压器。

按上述方案，一种混联式电动增压系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

当发动机处于低速工况时，断开一号阀8、二号阀10、三号阀11，接通四号阀12和旁通阀7，电机41控制二号压气机42工作，此时，空气依次经进气管9、四号阀12、二号压气机42的进气口后进入二号压气机42，二号压气机42对空气进行压缩，压缩后的空气依次经二号压气机42的出气口、中冷器2、进气歧管101后进入发动机本体1，发动机本体1的废气依次经排气歧管102、旁通管路6后进入排气管5；

当发动机处于中速工况时，接通一号阀8和二号阀10，断开三号阀11、四号阀12和旁通阀7，发动机本体1的废气经排气歧管102、涡轮32的进气口后进入涡轮32，涡轮32驱动一号压气机31工作，电机41控制二号压气机42工作，此时，空气依次经进气管9、一号阀8、一号压气机31的进气口后进入一号压气机31，一号压气机31对空气进行压缩，压缩后的空气依次经二号阀10、二号压气机42的进气口后进入二号压气机42，二号压气机42对压缩后的空气进行再次压缩，再次压缩后的空气依次经二号压气机42的出气口、中冷器2、进气歧管101后进入发动机本体1，发动机本体1的废气依次经排气歧管102、涡轮32后进入排气管5；

当发动机处于高速工况时，接通一号阀8和三号阀11，断开二号阀10、四号阀12和旁通阀7，发动机本体1的废气经排气歧管102、涡轮32的进气口后进入涡轮32，涡轮32驱动一号压气机31工作，此时，空气依次经进气管9、一号阀8、一号压气机31的进气口后进入一号压气机31，一号压气机31对空气进行压缩，压缩后的空气依次经一号压气机31的出气口、三号阀11、中冷器2、进气歧管101后进入发动机本体1，发动机本体1的废气依次经排气歧管102、涡轮32后进入排气管5。