专利名称：一种动力涡轮混联式复合装置及控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以内燃机排气能量为动力源的动力涡轮混联式复合系统。
背景技术：
根据热力学第一定律，目前，内燃机燃料燃烧所释放的能量只有三分之一左右被有效利用，其余能量最终均以废热的形式耗散到大气当中，因此将内燃机的余热能进行有效回收和利用是进一步提高内燃机效率，降低二氧化碳排放，实现低碳内燃机的一条重要技术途径。基于对内燃机余热能回收利用对减少石油消耗、降低CO2排放的重要性的认识，国际上工业发达国家纷纷将内燃机余热能高效回收利用技术作为提高内燃机效率的未来技术而列入科技研究计划，抢占内燃机节能减排新技术挑战的先机。日本文部省在2005年发布的第八次技术预见调查报告中，将余热能利用列为未来30年技术发展的100个重要课题之一。日本丰田、本田等公司将余热能利用作为汽车内燃机未来技术而投入重金加以研究。在欧洲，欧盟在第七框架行动计划中，启动了“HeatReCar”的汽车内燃机余热能利用研究计划，由德国、法国、意大利、瑞典等国家的大学、研究机构和企业参加。2010年I月11日，美国能源部长朱棣文宣布启动3.75亿美元的提高重型卡车和乘用车效率的研究计划，其中内燃机余热能回收利用是5大关键技术之
O内燃机的余热能主要分为两大类，余热能和余压能。对于余热能的回收主要采用基于温差驱动的能量回收技术；而对于余压能的回收主要采用基于压差驱动的能量回收技术。1915年，瑞士工程师阿尔弗雷德.波希发明了利用排气余压能驱动的涡轮增压器，该技术因为其良好的性能 已被广泛采用。但是涡轮增压技术尚未充分利用内燃机排气的余压能，因此，利用动力涡轮技术继续回收内燃机排气余压能仍具有较大的创新研究空间。目前，动力涡轮技术主要分为动力涡轮机械复合技术和动力涡轮电动复合技术。Cummins公司1991年在Scania DTC Truck engine上首次采用了动力润轮机械复合技术，Volvo公司2002年在欧洲市场的DC12 500TC柴油机上也采用动力涡轮机械复合技术，结果表明该技术可以回收20%左右的排气能量，提高内燃机的峰值功率10%，在大负荷情况下表现出良好的性能。但是仍存在如下两点不足:1.该技术中，动力涡轮会导致内燃机排气背压的升高，且不能主动调节和控制，尤其在小负荷时，动力涡轮转化得到的能量不足以抵消背压增加所导致的内燃机泵气损失。2.该技术中，动力涡轮的转速直接受内燃机转速所控制，即涡轮转速不可调，而动力涡轮的效率又直接受到转速的影响，因此动力涡轮的效率受到极大的限制，尤其在在内燃机低转速小负荷工况，动力涡轮效率较低，动力涡轮转化的能量不足以克服动力涡轮机械复合技术系统的摩擦扭矩，内燃机会对动力涡轮进行倒拖做负功。针对上述问题，动力涡轮电动复合技术表现出较为良好的性能，但是其尚存在诸如高速电机等一系列技术瓶颈。就动力涡轮机械复合技术而言，清华大学在专利CN10253632A中提出了一种对转动力涡轮的布置形式，用于减小动力涡轮对内燃机排气背压的影响；清华大学在专利CN102562273A中提出了一种动力涡轮与VGT涡轮增压器匹配布置方案，能够更充分地回收排气能量，但是仍并不足以解决动力涡轮与内燃机之间机械耦合影响的根本问题；福伊特动力涡轮联合公司在专利CN1910354A中提出了利用液力耦合器将动力涡轮的扭矩耦合到曲轴上进行输出做功，该传动系统扭矩传递较为平稳，但是不能主动控制。此外，我们研究发现动力涡轮串联复合技术和并联复合技术各有优劣。动力涡轮串联复合技术能够更充分的回收排气能量，但会严重增加内燃机背压，影响内燃机输出功率，其在内燃机高转速大负荷时表现出较优的性能；而动力涡轮并联复合技术对内燃机背压几乎没有影响，但是其膨胀比受到增压涡轮的限制，因此输出功率受到限制，其在内燃机中低转速，中低负荷时表现出较优的性能。因为车用内燃机的面工况运行特性，动力涡轮串、并联切换技术具有重要意义。基于上述分析，为了提高动力涡轮机械复合技术在内燃机全工况范围内的性能，需要从两方面入手:I)对机械动力涡轮与内燃机曲轴之间机械连接进行主动解耦，在全工况范围内优化动力涡轮的运行效率与内燃机排气背压。2)能够在线切换动力涡轮的复合模式，实时主动控制动力涡轮运行状态，充分发挥串联复合技术和并联复合技术的优势，最大限度地回收排气能量。
发明内容
针对动力涡轮机械复合技术不能主动地调节和控制动力涡轮效率及内燃机背压的技术现状，结合动力涡轮串联复合技术和并联复合技术各具优势的技术特点，本发明提供了一种动力涡轮混联式复合装置，旨在提出一种更为合理的动力涡轮机械复合结构以及相应的控制器，其能 够实现:I)将动力涡轮与内燃机曲轴之间的机械连接进行解耦，在全工况范围内优化动力涡轮效率以及内燃机排气背压。2)在内燃机排气能量不足以驱动动力涡轮时，能够停止动力涡轮的工作，避免内燃机倒拖动力涡轮做负功，提高内燃机综合效率。3)充分结合串联复合技术和并联复合技术的特点，依照各自最优的运行区域，在全工况范围内实现串联复合技术与并联复合技术的切换，最大限度地回收排气能量。为了实现上述目的，本发明提供一种动力涡轮混联式复合装置，包括内燃机、涡轮增压器、内燃机控制器E⑶；动力涡轮、旁通阀A、旁通阀B、旁通阀C、动力涡轮控制器以及设置在所述动力涡轮与内燃机的曲轴之间的可变机械传动系统；所述可变机械传动系统由离合器、第一级固定速比变速器、第二级可变速比变速器和第三级动力耦合齿轮组成；所述内燃机控制器E⑶、旁通阀A、旁通阀B、旁通阀C、离合器、动力涡轮和第二级可变速比变速器均与所述动力涡轮控制器电联；所述旁通阀A与所述涡轮增压器并联的设置在内燃机的排气管上，用于调节排气能量分配，满足内燃机增压压力需求；所述动力涡轮采用可变喷嘴的动力涡轮，所述动力涡轮设置在内燃机的排气管上、且位于所述涡轮增压器以及旁通阀A之后的位置上，用于将回收涡轮增压器尚未充分利用的余压能量转换为机械能输出；所述离合器设置在所述动力涡轮的输出端，用于在动力涡轮的功率输出不足以抵消背压增加所导致的内燃机的功率损失，以及可变机械传动系统的机械损失时，断开动力涡轮与内燃机曲轴之间的机械连接，避免内燃机倒拖动力涡轮做负功；所述旁通阀C与动力涡轮并联设置在内燃机的排气管上、且位于所述涡轮增压器之后的位置上，用于在离合器分离时，维持动力涡轮转速；所述旁通阀B设置涡轮增压器和动力涡轮之间的排气管上，与旁通阀A和旁通阀C协调配合实现动力涡轮串、并联复合技术的切换；打开旁通阀A与旁通阀C，关闭旁通阀B，动力涡轮与涡轮增压器形成并联结构；开发旁通阀A和旁通阀B，关闭旁通阀C，动力涡轮与涡轮增压器形成串联结构；所述第一级固定速比变速器设置在所述离合器的输出端，用于对动力涡轮进行大速比降速；所述第二级可变速比变速器设置在所述第一级固定速比变速器的低速端，用于调节动力涡轮与内燃机之间的速比；所述第三级动力耦合齿轮设置在所述内燃机的曲轴端，用于将动力涡轮的扭矩耦合到内燃机的曲轴上输出做功；所述动力涡轮控制器根据内燃机的运行工况实时协调旁通阀A、旁通阀B、旁通阀C，控制动力涡轮的运行状态；在动力涡轮处于怠速状态时，维持动力涡轮的转速；在动力涡轮处于做功状态时，协调控制动力涡轮的喷嘴开度以及第二级可变速比变速器的速比，优化动力涡轮的运行效率及内燃机的排气背压。本发明动力涡轮混联式复合装置的核心在于动力涡轮串、并联切换技术，可变机械传动系统以及相适应的控制器，旨在对动力涡轮在全工况范围内进行优化。本发明动力涡轮混联式复合装置中动力涡轮控制器的结构，包括五个模块:顶层模块、怠速模块、并联模块、串联模块和过渡模块；所述顶层模块:用于判定动力涡轮最优的目标运行状态，调用相应的功能模块；所述怠速模块:用于在动力涡轮的功率输出不足以抵消背压增加所导致的内燃机的功率损失，以及可变机械传动系统的机械损失时，控制断开离合器，并调节旁通阀C，维持动力涡轮的转速；所述并联模块:用于在内燃机运行在并联复合技术最优的工况区域时，控制动力涡轮工作在并联状态，且优化动力涡轮的功率以及排气背压；所述串联模块:用于在内燃机运行在串联复合技术最优的工况区域时，控制动力涡轮工作在串联状态，且优化动力涡轮的功率以及排气背压；所述过渡模块:用于在并联复合技术和串联复合技术性能接近的工况区域，本着降低动力涡轮运行状态切换频率的原则，不切换动力涡轮的运行状态，控制动力涡轮运行状态与前一时刻的运行状态保持一致。 本发明动力涡轮混联式复合装置的控制方法，包括如下步骤:步骤一:检测所采集的数据的可靠性，剔除错误和意外数据；步骤二:动力涡轮控制器中顶层控制模块根据采集得到的内燃机转速N以及扭矩T，查找动力涡轮运行区域MAP，确定动力涡轮的目标运行状态，调用相应的控制模块；步骤三:根据动力涡轮的目标运行状态，调用相应控制模块，进行如下操作:(3-1)如果动力涡轮的目标运行状态为怠速状态时，则调用怠速控制模块；控制旁通阀B完全打开，断开离合器，并调节旁通阀A满足内燃机增压压力需求，同时调节旁通C维持动力涡轮的转速，等待下一时刻输出功率做功；( 3-2 )如果动力涡轮的目标运行状态为并联状态时，则调用并联控制模块；一方面协调控制旁通阀A、旁通阀B、旁通阀C，即控制旁通阀B完全关闭以及旁通阀C完全打开，使动力涡轮与涡轮增压器构成并联结构；同时控制旁通阀A，调节能量分配，满足内燃机增压压力需求；另一方面协调控制动力涡轮(6)的可变喷嘴角度和第二级可变速比变速器的速t匕，优化动力涡轮的运行效率，其具算法如下:a)根据采集得到的进气流量仏和喷油量Mfml，K，估算内燃机排气流量Μμ，κ ；Mex, κ_Μκ+Mfuelj K(I)b)根据计算得到排气流量Mrai,κ，在动力涡轮的特性MAP中，搜索最优动力涡轮的最优转速Ntjpt以及最佳的喷嘴开度α-作为动力涡轮以及第二级可变速比变速器的控制目标；c)根据最佳的喷嘴开度a opt控制动力涡轮的喷嘴开度；d)根据最优的动力涡轮转速Ntjpt，结合当前内燃机的转速，计算第二级可变速比变速器的速比1:
权利要求
1.一种动力涡轮混联式复合装置，包括内燃机(I)、涡轮增压器(2)、内燃机控制器ECU(9);其特征在于: 还包括动力涡轮(6)、旁通阀A (3)、旁通阀B (4)、旁通阀C (5)、动力涡轮控制器(8)以及设置在所述动力涡轮(6)与内燃机的曲轴(13)之间的可变机械传动系统； 所述可变机械传动系统由离合器(7)、第一级固定速比变速器(10)、第二级可变速比变速器(11)和第三级动力耦合齿轮(12)组成； 所述内燃机控制器E⑶(9)、旁通阀A (3)、旁通阀B (4)、旁通阀C (5)、离合器(7)、动力涡轮(6 )和第二级可变速比变速器(11)均与所述动力涡轮控制器(8 )电联； 所述旁通阀A (3)与所述涡轮增压器(2)并联的设置在内燃机(I)的排气管上，用于调节排气能量分配，满足内燃机增压压力需求； 所述动力涡轮(6)采用可变喷嘴的动力涡轮，所述动力涡轮(6)设置在内燃机(I)的排气管上、且位于所述涡轮增压器(2)以及旁通阀A (3)之后的位置上，用于将回收涡轮增压器(2)尚未充分利用的余压能量转换为机械能输出； 所述离合器(7)设置在所述动力涡轮(6)的输出端，用于在动力涡轮(6)的功率输出不足以抵消背压增加所导致的内燃机(I)的功率损失，以及可变机械传动系统的机械损失时，断开动力涡轮(6)与内燃机曲轴(13)之间的机械连接，避免内燃机(I)倒拖动力涡轮(6)做负功； 所述旁通阀C (5)与动力涡轮(6)并联设置在内燃机(I)的排气管上、且位于所述涡轮增压器(2)之后的位置上，用于在离合器(7)分离时，维持动力涡轮(6)转速； 所述旁通阀B (4)设置涡轮增压器(2)和动力涡轮(6)之间的排气管上，与旁通阀A(3)和旁通阀C(5)协调配合实现动力涡轮串、并联复合技术的切换；打开旁通阀A (3)与旁通阀C (5)，关闭旁通阀B (4)，动力涡轮(6)与涡轮增压器(2)形成并联结构；开发旁通阀A (3)和旁通阀B (4)，关闭旁通阀C (5)，动力涡轮(6)与涡轮增压器(2)形成串联结构； 所述第一级固定速比变速器(10)设置在所述离合器(7)的输出端，用于对动力涡轮(6)进行大速比降速； 所述第二级可变速比变速器(11)设置在所述第一级固定速比变速器(10)的低速端，用于调节动力涡轮(6 )与内燃机(I)之间的速比； 所述第三级动力耦合齿轮(12)设置在所述内燃机(I)的曲轴(13)端，用于将动力涡轮(6)的扭矩耦合到内燃机的曲轴(13)上输出做功； 所述动力涡轮控制器(8)根据内燃机(I)的运行工况实时协调旁通阀A (3)、旁通阀B(4)、旁通阀C(5)，控制动力涡轮(6)的运行状态；在动力涡轮(6)处于怠速状态时，维持动力涡轮(6)的转速；在动力涡轮(6)处于做功状态时，协调控制动力涡轮(6)的喷嘴开度以及第二级可变速比变速器(11)的速比，优化动力涡轮(6)的运行效率及内燃机(I)的排气背压。
2.一种动力涡轮混联式复合装置中动力涡轮控制器的结构，其特征在于，如权利要求1中动力涡轮混联式复合装置的动力涡轮控制器结构包括五个模块:顶层模块、怠速模块、并联模块、串联模块和过渡模块； 所述顶层模块:用于判定动力涡 轮(6)最优的目标运行状态，调用相应的功能模块；所述怠速模块:用于在动力涡轮(6)的功率输出不足以抵消背压增加所导致的内燃机(I)的功率损失，以及可变机械传动系统的机械损失时，控制断开离合器(7)，并调节旁通阀C (5)，维持动力涡轮(6)的转速； 所述并联模块:用于在内燃机(I)运行在并联复合技术最优的工况区域时，控制动力涡轮(6)工作在并联状态，且优化动力涡轮(6)的功率以及排气背压； 所述串联模块:用于在内燃机(I)运行在串联复合技术最优的工况区域时，控制动力涡轮(6)工作在串联状态，且优化动力涡轮(6)的功率以及排气背压； 所述过渡模块:用于在并联复合技术和串联复合技术性能接近的工况区域，本着降低动力涡轮(6)运行状态切换频率的原则，不切换动力涡(6)轮的运行状态，控制动力涡轮(6)运行状态与前一时刻的运行状态保持一致。
3.一种动力涡轮混联式复合装置的控制方法，其特征在于，采用如权利要求2的动力涡轮控制器，实现如权利要求1动力涡轮混联式复合装置的控制包括如下步骤: 步骤一:检测所采集的数据的可靠性，剔除错误和意外数据；步骤二:动力涡轮控制器(8)中顶层控制模块根据采集得到的内燃机转速N以及扭矩T，查找动力涡轮运行区域MAP，确定动力涡轮(6)的目标运行状态，调用相应的控制模块；步骤三:根据动力涡轮(6)的目标运行状态，调用相应控制模块，进行如下操作: (3-1)如果动力涡轮(6)的目标运行状态为怠速状态时，则调用怠速控制模块；控制旁通阀B (4)完全打开，断开离合器(7)，并调节旁通阀A (3)满足内燃机增压压力需求，同时调节旁通C (5)维持动力涡轮(6)的转速，等待下一时刻输出功率做功； (3-2)如果动力涡轮(6)的目标运行状态为并联状态时，则调用并联控制模块；一方面协调控制旁通阀A (3)、旁通阀B (4)、旁通阀C (5)，即控制旁通阀B (4)完全关闭以及旁通阀C (5)完全打开，使动力涡轮(6)与涡轮增压器(2)构成并联结构；同时控制旁通阀A(3)，调节能量分配，满足内燃机增压压力需求；另一方面协调控制动力涡轮(6)的可变喷嘴角度和第二级可变速比变速器(11)的速比，优化动力涡轮(6)的运行效率，其具算法如下: a)根据采集得到的进气流量^和喷油量MflKl，K，估算内燃机排气流量Μ ，Κ；Mex, κ_Μκ+Mfuelj K(I) b)根据计算得到排气流量Mrai,κ，在动力涡轮(6)的特性MAP中，搜索最优动力涡轮(6)的最优转速N_以及最佳的喷嘴开度作为动力涡轮(6)以及第二级可变速比变速器(II)的控制目标； c)根据最佳的喷嘴开度aopt控制动力涡轮(6)的喷嘴开度； d)根据最优的动力涡轮转速Ntjpt，结合当前内燃机(I)的转速，计算第二级可变速比变速器(11)的速比1:1 = ^L(2) NKhh 式(2)中N为内燃机(I)的转速，I1为第一级固定速比变速器(10)的速比，i3为第三级动力耦合齿轮(12)的速比； (3-3 )如果动力涡轮(6 )的目标运行状态为串联状态时，则调用串联控制模块；一方面协调控制旁通阀A (3)、旁通阀B (4)、旁通阀C (5)，即控制旁通阀B (4)完全打开以及旁通阀C (5)完全关闭，使动力涡轮(6)与涡轮增压器(2)构成串联结构；同时控制旁通阀A(3)，调节能量分配，满足内燃机增压压力需求；另一方面协调控制动力涡轮(6)的可变喷嘴角度和第二级可变速比变速器(11)的速比，优化动力涡轮(6)的运行效率，其效率优化算法同步骤(3-2)；(3-4)如果动力涡轮(6)的目标运行状态为过渡状态时，则调用过渡控制模块；根据动力涡轮(6)的当 前运行状态，控制动力涡轮(6)不切换运行状态，与当前运行状态保持一致。
全文摘要
本发明公开了一种动力涡轮混联式复合装置，包括内燃机、增压器及内燃机控制器ECU；动力涡轮，旁通阀A、B、C，动力涡轮控制器以及设置在所述动力涡轮与曲轴之间的可变机械传动系统；可变机械传动系统由离合器、固定速比变速器、可变速比变速器和动力耦合齿轮组成；动力涡轮控制器能够根据内燃机运行工况实时协调旁通阀A、B、C，控制动力涡轮的运行状态；在动力涡轮怠速状态下维持动力涡轮转速；在动力涡轮做功状态下，协调控制动力涡轮喷嘴开度以及可变速比变速器的速比，优化动力涡轮运行效率。本发明的核心在于动力涡轮串、并联切换技术，可变机械传动系统以及相适应的控制器，旨在全工况范围内优化动力涡轮运行效率与内燃机排气背压。
文档编号F02B37/00GK103225552SQ20131011955
公开日2013年7月31日 申请日期2013年4月8日 优先权日2013年4月8日
发明者谢辉, 杨灿, 何诗洁, 何冠璋 申请人:天津大学