具有EGR实现功能的三涡轮增压器三阶段相继涡轮增压装置及其控制方法

摘要

本发明的目的在于提供具有EGR实现功能的三涡轮增压器三阶段相继涡轮增压装置及其控制方法,包括排气集管、进气集管、1号大涡轮增压器、2号大涡轮增压器、小涡轮增压器，1号涡轮的进口端连通排气集管，2号涡轮的进口端连通排气集管，小号涡轮的进口端连通排气集管，1号涡轮的出口端、2号涡轮的出口端、小涡轮的出口端均连通排放总管；1号压气机、2号压气机、小压气机的进口端均连通进气总管，1号压气机的出口端连通出气总管，2号压气机的出口端连通出气总管，小压气机的出口端连通出气总管；本发明既能起到相继增压改善柴油机低工况性能的作用，又能通过EGR满足柴油机在排放控制区的NOx排放要求，能够大大提高柴油机的综合性能。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种柴油机废气利用装置及其控制方法，具体地说是EGR装置及其控制方法。

背景技术

传统的涡轮增压技术可以大大提高柴油机的平均有效压力，但是同时会带来一定的问题，当柴油机运行在低工况时，排气能量较低，增压器效率和增压压力明显降低导致供气量不足，缸内燃烧不良，燃油消耗率升高，排气温度过高以及排放性能恶化，如果所选增压器选择过小，当柴油机运行在高工况时，增压压力以及增压器转速都会过高，影响柴油机和涡轮增压器的使用寿命，相继增压系统采用两个及以上的涡轮增压器，随着增压发动机转速和负荷的增长，相继按顺序投入运行，从而使涡轮增压柴油机能够在整个运转区域内有较高的增压比和较好的经济性，满足不同工况柴油机的空气需求，相继增压阶段越多，切换越平稳，工作越稳定。近年来，柴油机凭借其在热效率、经济性、可靠性等方面的优势备受关注，虽然柴油机的使用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，世界各国纷纷制定了相应的排放法规，对于船用柴油机而言，在排放控制区域要求NOx排放在原来的基础之上在降低70％，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排放并满足排放要求。

发明内容

本发明的目的在于提供能实现柴油机在非排放控制区的相继涡轮增压以及排放控制区的相继涡轮增压联合EGR的具有EGR实现功能的三涡轮增压器三阶段相继涡轮增压装置及其控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明具有EGR实现功能的三涡轮增压器三阶段相继涡轮增压装置，其特征是：包括排气集管、进气集管、1号大涡轮增压器、2号大涡轮增压器、小涡轮增压器，1号大涡轮增压器包括1号压气机、1号涡轮，2号大涡轮增压器包括2号压气机、2号涡轮，小涡轮增压器包括小压气机、小涡轮；1号涡轮的进口端通过1号排气管连通排气集管，2号涡轮的进口端通过2号排气管连通排气集管，小号涡轮的进口端通过小号排气管连通排气集管，1号涡轮的出口端、2号涡轮的出口端、小涡轮的出口端均连通排放总管，排放管连通大气；1号压气机、2号压气机、小压气机的进口端均连通进气总管，进气总管一端连通大气，另一端连通EGR管，EGR管连通排放总管，1号压气机的出口端通过1号出气管连通出气总管，2号压气机的出口端通过2号出气管连通出气总管，小压气机的出口端通过小号出气管连通出气总管，出气总管通过进气连通管连通进气集管；1号排气管上安装1号燃气阀，2号排气管上安装2号燃气阀，小号排气管上安装3号燃气阀，1号出气管上安装1号空气截止阀，2号出气管上安装2号空气截止阀，小号出气管上安装EGR阀。

本发明具有EGR实现功能的三涡轮增压器三阶段相继涡轮增压装置还可以包括：

1、2号压气机与小压气机之间的进气总管上安装小压气机空气控制阀，EGR管上安装EGR冷却器、EGR洗涤器、小压气机废气控制阀，进气连通管上安装空气冷却器。

本发明具有EGR实现功能的三涡轮增压器三阶段相继涡轮增压控制方法，其特征是：

当柴油机运行在非排放控制区时：

小压气机空气控制阀打开，小压气机废气控制阀关闭，EGR洗涤器和EGR冷却器不参与工作；

(1)当柴油机处于低工况时：关闭1号燃气截止阀、2号燃气截止阀、1号空气阀以及2号空气阀，打开3号燃气控制阀并全开EGR阀；

(2)当柴油机运行在中等工况时：在柴油机低工况的基础上打开2号燃气阀和2号空气阀，使2号大涡轮增压器开始投入工作，此时2号大涡轮增压器和小涡轮增压器同时工作；

(3)当柴油机运行在高工况时：在柴油机中等工况的基础上打开1号空气截止阀和1号燃气截止阀，此时三台涡轮增压器同时工作。

当柴油机运行在排放控制区时：

(a)当柴油机处在低工况范围内时：关闭1号燃气截止阀、2号燃气截止阀、1号空气截止阀、2号空气截止阀以及小压气机废气控制阀，打开3号燃气控制阀、小压气机空气控制阀并全开EGR阀，；

(b)当柴油机运行在中等工况时：打开3号燃气阀、2号燃气阀、2号空气阀、小压气机废气控制阀、EGR阀，同时关闭小压气机空气控制阀，EGR洗涤器和EGR冷却器开始工作，此时2号大涡轮增压器和小涡轮增压器同时工作，2号压气机入口连接大气，小压气机入口连接经洗涤和冷却后的废气；

(c)当柴油机运行在高工况时：打开1号燃气截止阀、1号空气截止阀、2号燃气阀、2号空气阀、3号燃气阀、小压气机废气控制阀、EGR阀，同时关闭小压气机空气控制阀，EGR洗涤器和EGR冷却器开始工作，此时三涡轮增压器同时工作，1号压气机、2号压气机入口连接大气，小压气机入口连接经洗涤和冷却后的废气。

本发明的优势在于：本发明能够通过两个大涡轮增压器和一个小涡轮增压器实现柴油机在非排放控制区域的三阶段可调相继增压，解决柴油机在低工况时由于排气能量不足，涡轮增压器迟滞严重，涡轮效率较低导致的气缸进气量不足，燃烧恶化，燃油消耗率较高等问题，三阶段相继涡轮增压相对两阶段相继涡轮增压而言，工作更加稳定，切换效果更理想能够兼顾全工况性能。同时在排放控制区还可以在三阶段相继增压的基础上实现EGR，降低进气的氧含量以及最高燃烧温度，进而降低柴油机的NOx排放，从而满足排放控制区的排放要求，此时小号涡轮增压器压气机压缩的不是空气而是涡轮后的废气，不需要额外借助EGR风机就可以克服柴油机进排气之间的压差，提高了柴油机整机效率，柴油机的EGR率是通过借助小涡轮增压器压气机后的EGR阀调节的，调节范围较大可以实现柴油机不同工况的最佳EGR率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的流程图。

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，本发明公开的具有EGR实现功能的三涡轮增压器三阶段相继涡轮增压装置主要包括：排气集管1、进气集管2、柴油机3、3号燃气阀4、1号燃气阀5、2号燃气阀6、小涡轮增压器压气机废气控制阀7、EGR洗涤器8、EGR冷却器9、小涡轮增压器压气机空气控制阀10、1号大涡轮增压器压气机11、1号大涡轮增压器涡轮12、2号大涡轮增压器压气机13、2号大涡轮增压器涡轮14、小涡轮增压器压气机15、小涡轮增压器涡轮16、1号空气截止阀17、2号空气截止阀18、EGR阀19、空气冷却器20以及直径较大废气管路21。柴油机各气缸分别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2；经排气集管1稳压后的废气分别通过1号燃气截止阀5、2号燃气截止阀6、3号燃气截止阀4通向1号大涡轮增压器、2号大涡轮增压器以及小涡轮增压器涡轮12、14、16的入口，从涡轮增压器涡轮12、14、16出来的废气通过一根直径较大的21直接排向大气；1号大涡轮增压器压气机11以及2号大涡轮增压器压气机13入口直接连接大气，小号涡轮增压器压气机15入口既可以直接连接大气也可以连接废气管路末端的废气，其中它们通过小涡轮增压器压气机空气控制阀10和小涡轮增压器压气机废气控制阀7控制，小涡轮增压器压气机15入口连接大气的管路上安装有小涡轮增压器压气机空气控制阀10，小涡轮增压器压气机入口与废气管路21末端之间的EGR管路上安装有小涡轮增压器压气机废气控制阀7、EGR洗涤器8以及EGR冷却器9；1号大涡轮增压器、2号大涡轮增压器压及小涡轮增压器的压气机出口分别通过1号空气截止阀17、2号空气截止阀18及EGR阀19连接空气冷却器20入口，并且从空气冷却器20出来的新鲜空气直接通向进气集管3，进入气缸参与燃烧，柴油机不同工况的EGR率是通过闭环调节EGR阀19的开度来实现的。

该装置具体的控制方案如下：

当柴油机运行在非排放控制区时

小涡轮增压器压气机空气控制阀10打开，小涡轮增压器压气机废气控制阀7关闭，EGR洗涤器8和EGR冷却器9不参与工作，此时柴油机处于纯相继增压模式。

(1)当柴油机处于低工况时：关闭1号燃气截止阀5、2号燃气截止阀6、1号空气阀17以及2号空气阀18，打开3号燃气控制阀4并全开EGR阀19，此时只有小涡轮增压器工作，涡轮流通面积较小，响应快，涡轮效率高，做功能力强，能够产生较高的压比和流量，提高低工况的加速和加载响应特性。

(2)当柴油机运行在中等工况时：在(1)的基础上打开2号燃气阀6和2号空气阀18，使2号大涡轮增压器开始投入工作，此时2号大涡轮增压器和小涡轮增压器同时工作，涡轮流通面积增大，不会使小涡轮增压器转速超限，同时压比也不会太高，空气流量增加，满足柴油机中等工况的空气需求。

(3)当柴油机运行在高工况时：此时柴油机工作所需要的空气流量增加，在(2)的基础上打开1号空气截止阀17和1号燃气截止阀5，此时三台涡轮增压器同时工作，涡轮流通面积最大，压比不会很高同时总流量较大，满足柴油机高工况的空气需求。

当柴油机运行在排放控制区时

(1)如果柴油机处在低工况范围内时：NOx排放相对较少，同时在低工况下主要满足柴油机的进气量问题，所以当柴油机处于低工况时，没有EGR，此时关闭1号燃气截止阀5、2号燃气截止阀6、1号空气截止阀17、2号空气截止阀18以及小涡轮增压器压气机废气控制阀7，打开3号燃气控制阀4、小涡轮增压器压气机空气控制阀10并全开EGR阀19，EGR冷却器和EGR洗涤器不工作，这时只有小涡轮增压器工作，涡轮流通面积较小，响应快，涡轮效率高，做功能力强，能够产生较高的压比和流量，提高低工况的加速和加载响应特性，满足柴油机低工况的空气需求。

(2)当柴油机运行在中等工况时，打开3号燃气阀4、2号燃气阀6、2号空气阀18、小涡轮增压器压气机废气控制阀7、EGR阀19保持一定开度，同时关闭小涡轮增压器压气机空气控制阀10，这时EGR洗涤器8和EGR冷却器9开始工作，此时2号大涡轮增压器和小涡轮增压器同时工作，2号大涡轮增压器压气机13入口连接大气，小涡轮增压器压气机15入口连接经洗涤和冷却后的废气，这样会导致进入进气集管2内的气体比热容增加，氧含量降低，最终导致最高燃烧温度降低，NOx排放降低，同时由于增压柴油机过量空气系数较大，废气中也含有大量的氧气，所以经过小涡轮增压器压气机15的废体内氧含量也较高不会导致进气集管2内气体氧含量很低进而影响燃烧品质。

(3)当柴油机运行在高工况时，打开1号燃气截止阀5、1号空气截止阀17、2号燃气阀6、2号空气阀18、3号燃气阀4、小涡轮增压器压气机废气控制阀7、EGR阀19保持一定开度，同时关闭小涡轮增压器压气机空气控制阀10，这时EGR洗涤器和EGR冷却器开始工作，此时三涡轮增压器同时工作，1、2号大涡轮增压器压气机11、13入口连接大气，小涡轮增压器压气机15入口连接经洗涤和冷却后的废气，涡轮的总流通面积最大，增压压力不会很高，同时流量最大，满足高工况燃烧所需要的空气，同时通过小涡轮增压器压气机进入进气集管2内的废气会使进气集管2内的气体比热容增加，氧含量降低，最终导致最高燃烧温度降低，NOx排放降低，同时由于增压柴油机过量空气系数很大，废气中也含有大量的氧气，所以经过小涡轮增压器压气机15的废气内氧含量也较高，不会导致进气集管2内气体氧含量很低进而影响燃烧品质。