CN104632356B - 带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统及具有其的车辆，该系统包括：发动机；大流量增压器，大流量增压器包括大涡轮和大压气机；小流量增压器，小流量增压器包括小涡轮和小压气机，其中大涡轮和小涡轮并联设置且均与发动机的排气管路相连，大压气机和小压气机并联设置且均与发动机的进气管路相连；压缩空气储气装置，压缩空气储气装置与进气管路相连且设置成用于收集并储存经小压气机和/或大压气机压缩后的空气、并可将空气输送给发动机。该带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统不仅提高了发动机废气利用率，还提高了发动机瞬态响应性能。

Description

带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统及车辆

技术领域

本发明涉及车辆工程领域，尤其涉及一种带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统及具有该系统的车辆。

背景技术

目前，车辆的涡轮增压技术得到了广泛的应用，为使小排量增压发动机最大功率达到与大排量自然吸气式发动机相同的水平，与之匹配的涡轮增压器往往需具有较大的设计流量。当发动机在低转速工作时，由于排气能量不足，涡轮作功能力下降，而且压气机远离其高效区工作，效率较低，且受喘振边界限制，导致压气机提供的压缩空气压力降低，发动机进气量减少，发动机低速扭矩不足。另一方面，由于增压发动机进排气管道较长、增压器叶轮转动惯性导致转速上升滞后，小排量增压发动机瞬态响应性能较差，加速滞后，易出现加速冒黑烟等现象。

传统的增压系统在废气流量过大时，通常利用旁通阀直接将部分废气排入大气，导致了废气能量的浪费。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，该系统可用于提高废气能量利用率，同时提高发动机瞬态性能。

此外，本发明还提出了一种应用上述并联式发动机两级增压系统的车辆。

根据本发明实施例的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，包括：发动机；大流量增压器，所述大流量增压器包括大涡轮和大压气机；小流量增压器，所述小流量增压器包括小涡轮和小压气机，其中所述大涡轮和所述小涡轮并联设置且均与所述发动机的排气管路相连，所述大压气机和所述小压气机并联设置且均与所述发动机的进气管路相连；压缩空气储气装置，所述压缩空气储气装置与所述进气管路相连且设置成用于收集并储存经所述小压气机和/或所述大压气机压缩后的空气、并可将所述空气输送给所述发动机。

根据本发明实施例的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，在发动机处于低转速小流量稳态工况时，废气通过小流量增压器为发动机提供压缩空气，在发动机处于较大流量时，废气通过大流量增压器为发动机提供压缩空气，由于大涡轮和小涡轮并联设置，在废气流量持续增大，大流量增压器需要旁通时，可调节阀门，使得部分气体通过低级涡轮增压器产生压缩空气。在压缩空气流量超过发动机所需流量时，通过设置压缩空气储气装置，可将多余压缩空气储存至压缩空气储气装置，从而减少废气的浪费，提高废气利用率，当发动机需要加速时，压缩空气储气装置可迅速为发动机提供压缩空气，从而提高发动机瞬态响应性能，降低瞬态工况发动机排放。

另外，根据本发明实施例的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，还可以具有如下附加技术特征：

根据本发明实施例的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，所述压缩空气储气装置包括：储气罐和储气阀门，所述储气罐通过所述储气阀门连接至所述进气管路。在废气流量过多，当涡轮增压器产生的压缩空气流量多于发动机进气所需流量时，所述储气罐可用于储存过量的压缩空气，从而提高废气能量的利用率。

根据本发明的一些实施例，所述储气阀门包括：储气罐进口阀门和储气罐出口阀门。所述储气罐进口阀门可控制进入储气罐的压缩空气的通断，所述储气罐出口阀门可用于控制储气罐压缩空气输出的通断。从而便于对储气罐压缩空气输入输出的控制。

作为本发明的优选实施例，所述储气阀门还可以包括：气体流量调节阀，所述气体流量调节阀设置在所述储气罐出口阀门的出口端。可适应性调节储气罐输出的压缩空气的流量，从而可根据发动机需要调节提供发动机的压缩空气流量。

作为本发明的优选实施例，所述压缩空气储气装置为多个且并联设置。

根据本发明实施例的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，所述压缩空气储气装置可以包括：主压缩空气储气装置和备用压缩空气储气装置，所述主压缩空气储气装置和备用压缩空气储气装置并联设置。因此主压缩空气储气装置与备用压缩空气储气装置互不干涉，互不影响，在主压缩空气储气装置出现故障时，可立即启用备用压缩空气储气装置，从而保证整个系统的正常运行。

根据本发明实施例的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，所述进气管路上设置有中冷器，所述压缩空气储气装置连接在位于所述中冷器与所述小压气机之间的进气管路部分上。所述中冷器可用于冷却涡轮增压器进入发动机的压缩空气，从而可防止爆燃。

根据本发明的一些实施例，所述带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统还可以包括：第一流量控制阀，所述第一流量控制阀设置在位于所述大压气机与所述中冷器之间的进气管路部分上；第二流量控制阀，所述第二流量控制阀设置在所述小压气机与所述中冷器之间的进气管路部分上。所述第一流量控制阀可用于控制进气管路内的压缩空气从大压气机流出，所述第二流量控制阀可用于控制进气管路内的压缩空气从小压气机流出。

根据本发明实施例的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统可以包括：第三流量控制阀，所述第三流量控制阀设置在位于所述大涡轮与所述发动机之间的排气管路部分上；第四流量控制阀，所述第四流量控制阀设置在位于所述小涡轮与所述发动机之间的排气管路部分上。所述第三流量控制阀可用于控制发动机废气流入大涡轮，所述第四流量控制阀可用于控制发动机废气流入小涡轮。

根据本发明实施例的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，所述第一流量控制阀、所述第二流量控制阀、所述第三流量控制阀和所述第四流量控制阀中的每一个均为开度可调的电磁阀。电磁阀反应灵敏，价格较低，且易于控制。优选地，阀门开度设置为可调，可根据系统需要调节阀门开度，即调节进入大流量增压器与小流量增压器的废气流量比例，从而进一步提高废气利用率，也可避免涡轮增压器超速损坏。

作为本发明的优选实施例，所述涡轮为固定几何涡轮或可变几何涡轮。

此外，本发明还提出了一种车辆，所述车辆包括上述带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统。

根据本发明实施例的车辆，通过设置上述带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，有效提高发动机升功率，缩小发动机排量，提高发动机燃油经济性，降低二氧化碳排放，提高了车辆废气能量的利用率，减少了车辆废气的浪费。

附图说明

图1是根据本发明实施例的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统；

图2是发动机工作在低转速小流量稳态工况时系统流通示意图；

图3是发动机工作在大流量稳态工况时系统流通示意图；

图4是发动机工作在更大流量稳态工况时系统流通示意图；

图5是发动机工作在加速工况(补气)时系统流通示意图。

附图标记：

发动机系统100；

发动机1；

大流量增压器2，大涡轮21，第三流量控制阀211，大压气机22，第一流量控制阀221；

小流量增压器3，小涡轮31，第四流量控制阀311，小压气机32，第二流量控制阀321；

压缩空气储气装置4，储气罐41，储气阀门42，储气罐进口阀门421，储气罐出口阀门422；

中冷器5。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参考图1-图5描述根据本发明实施例的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统100以及具有该系统的车辆。

首先描述本发明实施例的发动机系统100，根据本发明实施例的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统100可以包括：发动机1、大流量增压器2、小流量增压器3和压缩空气储气装置4。该发动机系统100可用于提高废气能量利用率。

发动机1是车辆的动力源，为车辆的正常行驶提供动力，发动机1在进行能量转换时会产生大量的废气，废气经排气管路进入涡轮增压器(例如，大流量增压器2和/或小流量增压器3)，利用废气的惯性冲力推动涡轮增压器运行工作，同时为发动机1提供压缩空气，配合额外提供的燃油，从而提高了发动机1的动力性、燃油经济性，同时实现了对废气能量的部分回收和利用。

涡轮增压器可以包括涡轮和压气机，涡轮可以包括涡壳和涡轮本体，涡壳和涡轮本体可以通过锁片或抱箍连接在中间体上，由于废气温度较高，中间一般有隔热罩隔断，废气由于惯性冲力可带动涡轮旋转，涡轮与压气机采用同轴连接，可同步旋转，涡轮旋转可带动压气机旋转工作。

压气机与涡轮同轴相连，涡轮旋转带动压气机叶片转动工作，压气机利用高速旋转的叶片以对进入到压气机壳体内的空气进行压缩，增大进气空气密度，压气机叶片高速旋转，产生的压缩空气温度较高，因此作为可选的实施方式，可以在压气机与发动机1之间安装中冷器5。

本领域技术人员可以理解的是，涡轮增压器的构造并不限于上述实施例中描述的结构。

如图1所示，具体而言，在本发明的实施例中，涡轮增压器可以包括大流量增压器2和小流量增压器3。

大流量增压器2可以包括大涡轮21和大压气机22，其中，大涡轮21与发动机1的排气管路相连，大压气机22与发动机1进气管路相连。在发动机1处于大流量稳态工况时，发动机1排出的废气由排气管路进入大涡轮21，利用废气惯性冲力推动涡轮旋转，涡轮带动大压气机22运行工作，大压气机22可用于压缩空气增加发动机1进气量，提高发动机1的升功率。

小流量增压器3可以包括小涡轮31和小压气机32，小涡轮31与发动机1排气管路相连，小压气机32与发动机1的进气管路相连，废气由排气管路进入小涡轮31，推动涡轮旋转，涡轮与小压气机32同轴连接，带动小压气机32运行工作。

根据本发明的优选实施例，如图1所示，大涡轮21与小涡轮31可并联设置且均与发动机1排气管路相连，大压气机22与小压气机32可并联设置且均与发动机1进气管路相连，换言之，大流量增压器2与小流量增压器3并联设置，彼此独立，互不影响，互不干涉。

如图1所示，在发动机1进气管路上可设置有中冷器5，由压气机提供的压缩空气温度较高，中冷器4可冷却压缩空气，增加进气密度，从而增加发动机1进气量，也可防止爆燃。

压缩空气储气装置4与发动机1进气管路相连，根据一些实施例，压缩空气储气装置4可设置成用于收集并储存经大压气机22的压缩空气，并将压缩空气输送给发动机1。

根据另一些实施例，压缩空气储气装置4可设置成用于收集并储存经小压气机32的压缩空气，或者,压缩空气储气装置4可设置成用于收集并储存经小压气机32和大压气机22的压缩空气，并将压缩空气输送给发动机1。

根据本发明的一些实施例，如图2-图5所示，根据本发明实施例的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统的流通示意图进行描述。

图2是发动机工作在低转速小流量稳态工况时系统流通示意图，当发动机1工作在低转速小流量稳态工况时，第一流量控制阀221、第三流量控制阀211、储气罐进口阀门421和储气罐出口阀门422关闭，废气推动小涡轮31，从而驱动小压气机32为发动机1提供压缩空气。小流量增压器3针对发动机1低转速小流量工况匹配，此时小压气机32和涡轮工作在高效率区，从而发动机1背压较低，泵气损失较小，发动机1热效率高。小压气机32喘振流量小，能在小流量下提高较高的压比，从而提高发动机1的低速扭矩。同时由于小流量增压器3叶轮直径较小，转动惯量小，因此瞬态性能较好。

图3是发动机工作在较大流量稳态工况时系统流通示意图。当发动机1在较大流量工况时，第二流量控制阀321、第四流量控制阀311、储气罐进口阀门421和储气罐出口阀门422关闭，废气推动大涡轮21，从而驱动大压气机22为发动机1提供压缩空气。

当压缩空气流量超过发动机1所需空气流量时，可打开储气罐进口阀门421，将压缩空气储存至储气罐41。大流量增压器2针对发动机1高转速大流量工况相匹配，相比于单级增压系统，针对大流量匹配的增压器工作在高效率区，从而发动机1背压较低，泵气损失较小，发动机1热效率高。

图4是发动机工作在大流量稳态工况时系统流通示意图。当发动机1废气流量继续增大，大涡轮21需要旁通时，第二流量控制阀321和第四流量控制阀311打开，使得一部分废气驱动小涡轮31，从而驱动小压气机32运行工作，将压缩空气储存在储气罐41内。由此，可利用旁通废气的流量，进一步提高了废气利用率。

图5是发动机工作在加速工况时系统流通示意图。当发动机1需要加速时，储气罐出口阀门422打开，迅速为发动机1提供压缩空气，从而提高发动机1瞬态响应性能，降低瞬态工况发动机1排放。

根据本发明实施例的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统100，通过设置压缩空气储气装置4、大流量增压器2和小流量增压器3，可充分利用废气能量，减少废气能量的浪费，提高废气利用率，在发动机1加速时，压缩空气储气装置4可迅速为发动机1提供压缩气体，从而提高了发动机1瞬态响应性能，降低瞬态工况发动机1排放。

根据本发明的一些实施例，压缩空气储气装置4可以包括储气罐41和储气阀门42，储气罐41通过储气阀门42连接至储气罐41，优选地，其中，储气罐41可为多个，从而可储存更多的压缩空气，进一步提高废气的利用率。

根据本发明的一些实施例，储气阀门42可以包括储气罐进口阀门421和储气罐出口阀门422，储气罐出口阀门422可设置在储气罐41输出压缩空气的出口端，可用于控制输出压缩空气的通断，储气罐进口阀门421可设置在压缩空气进入储气罐41的进口端，可用控制输入储气罐41压缩空气的通断。从而便于对储气罐41内压缩气体输入输出的控制。

作为优选实施方式，在储气罐出口阀门422的出口端可设置有气体流量调节阀(未示出)，气体流量调节阀可用于控制调节储气罐41内压缩空气输出流量，从而实现对储气罐41内压缩空气进入发动机1流量的精确控制。

压缩空气储气装置3可以是多个且并联设置，换言之，多个压缩空气储气装置3可以独立工作，彼此互不影响、互不干涉。例如，每个压缩空气储气装置3均可以独立完成储气和补气动作。特别地，设置多个压缩空气储气装置3后，可以将每个压缩空气储气装置3的体积制作的相对较小，从而便于多个压缩空气储气装置3布置，而且小体积的压缩空气储气装置3能够实现快速储气，达到理想的高压，这样在频繁充气、放气的工况下，采用这种多个压缩空气储气装置3会进一步提高发动机的动力性以及瞬态响应。

根据本发明的一些优选实施例，压缩空气储气装置4可包括：主压缩空气储气装置和备用压缩空气储气装置(未示出)，主压缩空气储气装置和备用压缩空气储气装置可并联设置，由此，主压缩空气储气装置和备用压缩空气储气装置相互独立，互不干涉，互不影响，在主压缩空气储气装置出现问题时，可立即启用备用压缩空气储气装置，从而保证整个系统的正常运行。

在本发明的一些实施例中，发动机1的进气管路上可设置有中冷器5，压缩空气储气装置4连接在位于中冷器5与小压气机32之间的进气管路部分上，压气机产生的压缩空气温度较高，经中冷器冷却，可防止爆燃，冷却后的压缩空气密度增大，同时增加了发动机1的进气量。

根据本发明的一些实施例，在大压气机22与中冷器5之间的进气管路部分上可设置有第一流量控制阀221，第一流量控制阀221可用于防止储气罐41内压缩空气输入发动机1时流入大压气机22，第二流量控制阀321设置在小压气机与中冷器之间的进气管路部分上，第二流量控制阀321可用于防止储气罐41内压缩空气输入发动机1时流入小压气机22。

在大涡轮21与发动机1之间的排气管路部分上可设置有第三流量控制阀211，第三流量控制阀211可用于控制发动机1废气进入大涡轮21，在小涡轮31与发动机1之间的排气管路部分上设置有第四流量控制阀311，第四流量控制阀311可用于控制发动机1废气进入小涡轮31。

根据本发明的一些实施例，第一流量控制阀221、第二流量控制阀321、第三流量控制阀211和第四流量控制阀311中的每一个均为开度可调的电磁阀。电磁阀反应灵敏，价格较低，且方便检修维护。每一个控制阀可设置为开度可调，例如，在废气能量较大时，可根据系统需要，调节第三流量控制阀211和第四流量控制阀311开度，使得废气进入大涡轮21和小涡轮31时，保证系统可正常运行，避免涡轮增压器超速损坏。

在一些实施例中，涡轮21可以是固定几何涡轮，当然也可以是可变几何涡轮(VGT)。

在一些实施例中，储气罐进口阀门421和储气罐出口阀门422可以分别位于第二流量控制阀321的上下游，例如，储气罐进口阀门421可以连接在第二流量控制阀321的进口端，储气罐出口阀门422可以连接在第二流量控制阀321的出口端。

此外，本发明实施例还提出了一种车辆，其包括上述带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统100。

根据本发明实施例的车辆，通过安装该发动机系统100，有效提高发动机1升功率，缩小发动机1排量，提高发动机1燃油经济性，且提高了废气能量利用率，节约资源，同时也提高了车辆迅速启动和加速的能力。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，所述带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统包括发动机、大流量增压器和小流量增压器，所述大流量增压器包括大涡轮和大压气机，所述小流量增压器包括小涡轮和小压气机，其中所述大涡轮和所述小涡轮并联设置且均与所述发动机的排气管路相连，所述大压气机和所述小压气机并联设置且均与所述发动机的进气管路相连，其特征在于，还包括：压缩空气储气装置，所述压缩空气储气装置与所述进气管路相连且设置成用于收集并储存经所述小压气机和/或所述大压气机压缩后的空气、并可将所述空气输送给所述发动机。

2.根据权利要求1所述的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，其特征在于，所述压缩空气储气装置包括：储气罐和储气阀门，所述储气罐通过所述储气阀门连接至所述进气管路。

3.根据权利要求2所述的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，其特征在于，所述储气阀门包括：储气罐进口阀门和储气罐出口阀门。

4.根据权利要求3所述的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，其特征在于，还包括：气体流量调节阀，所述气体流量调节阀设置在所述储气罐出口阀门的出口端。

5.根据权利要求1所述的用于车辆的发动机系统，其特征在于，所述压缩空气储气装置为多个且并联设置。

6.根据权利要求5所述的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，其特征在于，所述压缩空气储气装置包括：主压缩空气储气装置和备用压缩空气储气装置，所述主压缩空气储气装置和备用压缩空气储气装置并联设置。

7.根据权利要求1所述的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，其特征在于，所述进气管路上设置有中冷器，所述压缩空气储气装置连接在位于所述中冷器与所述小压气机之间的进气管路部分上。

8.根据权利要求7所述的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，其特征在于，还包括：

第一流量控制阀，所述第一流量控制阀设置在位于所述大压气机与所述中冷器之间的进气管路部分上；

第二流量控制阀，所述第二流量控制阀设置在所述小压气机与所述中冷器之间的进气管路部分上。

9.根据权利要求8所述的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，其特征在于，还包括：

第三流量控制阀，所述第三流量控制阀设置在位于所述大涡轮与所述发动机之间的排气管路部分上；

第四流量控制阀，所述第四流量控制阀设置在位于所述小涡轮与所述发动机之间的排气管路部分上。

10.根据权利要求9所述的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统，其特征在于，所述第一流量控制阀、所述第二流量控制阀、所述第三流量控制阀和所述第四流量控制阀中的每一个均为开度可调的电磁阀。

11.根据权利要求1所述的用于车辆的发动机系统，其特征在于，所述涡轮为固定几何涡轮或可变几何涡轮。

12.一种车辆，其特征在于，包括根据权利要求1-11中任一项所述的带压缩空气储存装置的并联式发动机两级增压系统。