基于高压空气二级增压的单缸柴油机EGR装置及控制方法技术领域
本发明涉及的是船舶柴油机后处理装置及方法，具体的说是一种基于高压空气二级增压
的单缸柴油机EGR装置及控制方法。
背景技术
随着船舶有关NOX排放法规的日益严格，如何有效降低柴油机NOX污染物排放成为了研究
的重点。其中，EGR(废气再循环)技术已经成为目前主流的的主要技术，EGR实现中最关键
的技术是EGR废气的回流问题。对于一般的自然吸气柴油机，由于进气压力要比排气压力低，
因此EGR废气很容易进入气缸内实现循环，对于增压型柴油机，由于进气压力要比排气压力
高，因此EGR废气很难正常进入气缸，必须采取一些特殊方式，如运用气泵、文丘里管等，
以上均常应用于多缸柴油机上。
单缸柴油机EGR技术的研究在柴油机研究与开发中占据着重要地位，由于单缸柴油机进、
排气不稳定，特别是排气不连续、排气量不足，导致无法正常使用涡轮增压器来进行单缸机
的增压模式研究。
由于高压外气源具有“增压空气”的效果，且具有较大的调节范围，因此提出用高压外
气源来替代涡轮增压器的作用，实现单缸柴油机的增压模式。但是由于高压外气源压力可调
范围较大，依然存在EGR废气回流的问题，特别是当进气压力较高的时候，EGR废气回流的
问题更加突出，同时不同工况需要进行不同的EGR调节，这也给EGR的实现增加了新的困难，
因此有必要对以上问题进行进一步深入研究。目前现有的单缸柴油机EGR方案主要通过气泵
或者风机来实现EGR废气的升压，如“一种实现柴油单缸机EGR的装置及EGR实现方法”(专
利号：201410804230.3)的专利文件中描述的技术方案等。尚没有结合高压外气源和涡轮增
压器来完成单缸机EGR技术实现的有关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在有效提高EGR废气压力的同时，能够满足不同进气压力、
不同工况下的EGR调节要求的基于高压空气二级增压的单缸柴油机EGR装置。本发明的目的
还在于提供一种基于本发明的基于高压空气二级增压的单缸柴油机EGR装置的控制方法。
本发明的基于高压空气二级增压的单缸柴油机EGR装置包括进气三通阀、排气三通阀、
旁通阀、单向阀、电磁控制阀、第一涡轮增压器、第二涡轮增压、废气稳压罐、EGR冷却器、
温度传感器和流量计，进气三通阀入口与外气源相连且入口处设置有第一压力传感器，进气
三通阀第一端出口与第一涡轮入口相连，第一涡轮出口与第二涡轮入口相连，第二涡轮出口
直接与大气相连，进气三通阀第二端出口直接与柴油机气缸相连且出口处设置有第一流量计；
排气三通阀入口与柴油机排气出口相连，排气三通阀第一端出口与第一压气机入口相连且其
间设置有第二流量计，第一压气机出口与第二压气机入口相连，第二压气机出口与废气稳压
罐入口相连，废气稳压罐出口与电磁控制阀入口相连且其间设置有第二压力传感器，电磁控
制阀出口依次与EGR冷却器、单向阀相连，单向阀出口与柴油机进气管相连，排气三通阀第
二端出口直接与大气相连；第一涡轮进口与出口通过一段连通管连通，连通管上设置有旁通
阀。
基于本发明的基于高压空气二级增压的单缸柴油机EGR装置的控制方法为：
获取第一压力传感器的信号P1、第二压力传感器的信号P2、第一流量计的信号Q1、第
二流量计的信号Q2；
(1)当柴油机处于怠速工况时
保持电磁控制阀关闭、旁通阀关闭，并关闭进气三通阀第一端出口、排气三通阀第一端
出口，打开进气三通阀第二端出口、排气三通阀第二端出口；
(2)当进气压力范围为5-10bar且柴油机处于低、中工况时
同时打开进气三通阀第一端出口、排气三通阀第一端出口、进气三通阀第二端出口、排
气三通阀第二端出口，打开旁通阀，此时压缩空气直接进入第一涡轮或通过连通管直接进入
第二涡轮分别驱动涡轮做功，EGR废气经过第一压气机增压之后，进入第二压气机完成二次
增压；
根据P1和P2的信号值判断：
①若P1＜P2，打开电磁控制阀；②若P1＞P2，关闭电磁控制阀；
(3)当进气压力范围为1-5bar且柴油机处于高工况时
同时打开进气三通阀第一端出口、排气三通阀第一端出口、进气三通阀第二端出口、排
气三通阀第二端出口，关闭旁通阀，此时压缩空气进入第一涡轮完成一次做功之后，再进入
第二涡轮进行做功；
根据P1和P2的信号值判断：
①P1＜P2，打开电磁控制阀；②若P1＞P2。关闭电磁控制阀；
外气源的进气压力范围为1bar-10bar。
本发明旨在解决单缸柴油机EGR废气回流问题，特别是高进气压力下的单缸柴油机EGR
废气回流问题。该装置通过控制两个串联的涡轮增压器，利用高压、高速的压缩空气驱动涡
轮带动压气机对EGR废气进行升压，在有效提高EGR废气压力的同时，能够满足不同进气压
力、不同工况下的EGR调节要求，特别适用于船舶柴油机节能减排或者单缸柴油机试验场所
等。
第一涡轮增压器和第二涡轮增压器为串联连接，二者尺寸不仅限于一大一小或者相等尺
寸，且均运用涡轮增压器“逆向工作”，即高压、高速的压缩空气流经第一涡轮，带动同轴第
一压气机对EGR废气进行一次增压，由第一涡轮出口的压缩空气进入第二涡轮入口或者压缩
空气通过旁通阀直接进入第二涡轮入口，带动同轴的第二压气机对EGR废气进行二次增压，
可以更大程度的提高EGR废气的压力，满足不同进气压力下EGR废气的回流要求。
本发明的有益效果是：可以有效解决EGR废气的回流问题，特别是进气压力过高时的EGR
废气回流问题；通过控制两个串联的涡轮增压器，利用高压、高速的压缩空气驱动废气涡轮，
带动压气机对EGR废气进行一次增压和二次增压，更大程度的提高了EGR废气压力，可以实
现不同进气压力下的EGR废气回流，同时可以满足不同工况下的EGR调节要求。
附图说明
图1是本发明的基于高压空气二级增压的单缸柴油机EGR装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更详细的描述：
结合图1，本发明的基于高压空气二级增压的单缸柴油机EGR装置包括单缸柴油机本体D、
进气三通阀6、排气三通阀2、旁通阀7、单向阀1、电磁控制阀14、第一涡轮增压器、第二
涡轮增压、EGR废气稳压罐12、EGR冷却器15、温度传感器和流量计。进气三通阀6入口与
高压外气源相连，进气三通阀6第一端出口与第一涡轮8入口相连，第一涡轮8出口与第二
涡轮10入口相连，第二涡轮10出口直接与大气相连，进气三通阀6第二端出口直接与柴油
机气缸相连；排气三通阀2入口与柴油机排气出口相连，排气三通阀2第一端出口与第一压
气9机入口相连，第一压气机9出口与第二压气机11入口相连，第二压气机11出口与EGR
废气稳压罐12入口相连，EGR废气稳压罐12出口与电磁控制阀14入口相连，电磁控制阀14
出口依次与EGR冷却器15、单向阀1相连，单向阀1出口与柴油机进气管相连，排气三通阀
2第二端出口直接与大气相连。
其中，第一涡轮8和第一压气9机组成第一涡轮增压器，第二涡轮10和第二压气机11
组成第二涡轮增压器；第一涡轮8进口和出口处通过一段连通管连通，连通管之间设置有旁
通阀7；进气三通阀6入口处设置有第一压力传感器5；进气三通阀6第二端出口处设置有第
一流量计4；排气三通阀2第一段出口处设置有第二流量计3；EGR废气稳压罐12出口处设
置有第二压力传感器13。
整个装置由空气回路和废气回路构成：
(1)空气回路。高压、高速的压缩空气通过进气三通阀6第一端出口与第一涡轮8入口
相连，压缩空气经过第一涡轮8完成做功之后进入第二涡轮10，完成二次做之后排入大气，
第一涡轮8入口和第二涡轮10入口通过一端连通管连接，连通管中设置有旁通阀7，此为第
一进气支路；进气三通阀6第二端出口直接与柴油机气缸相连，此为第二进气支路；两个进
气支路共同组成了该装置的空气回路。
(2)废气回路。柴油机排气通过排气三通阀2第一端出口与第一压气机9入口相连，EGR
废气进入第一压气机9完成一次增压后进入第二压气机11，完成二次增压后进入EGR废气稳
压罐12，EGR废气稳压罐12出口废气依次流经电磁控制阀14、EGR冷却器15和单向阀1之
后，回流至第一进气支路，此为第一废气支路；排气三通阀2第二端出口直接与大气相连，
此为第二废气支路。
本发明基于高压空气二级增压的单缸柴油机EGR装置控制方法为：首先获取各传感器的
信号，包括第一压力传感器5信号P1、第二压力传感器13信号P2、第一流量计4信号Q1、
第二流量计3信号Q2。
其中，高压外气源的进气压力范围为1bar-10bar，根据不同工况的要求可以进行无级调
节。
(1)当柴油机处于怠速工况时
保持电磁控制阀14关闭、旁通阀7关闭，并关闭进气三通阀6第一端出口、排气三通阀
6第一端出口，打开进气三通阀2第二端出口、排气三通阀2第二端出口，此时不进行EGR
循环。
(2)当柴油机处于低、中工况时或者进气压力范围为:5-10bar
同时打开进气三通阀6第一端出口、排气三通阀2第一端出口、进气三通阀6第二端出
口、排气三通阀2第二端出口，打开旁通阀7，此时压缩空气可以直接进入第一涡轮8，也可
以通过连通管进入第二涡轮10，分别驱动涡轮带动压气机做功，此时EGR废气经过第一压气
机9完成增压之后，压力得到提升，再进入第二压气机11进行二次增压，由第二压气机11
出口的EGR废气压力进一步得到提升，可以满足高进气压力下的EGR废气回流，同时满足低
工况大EGR率的要求。
根据P1和P2的信号值判断：
①若P1＜P2。打开电磁控制阀14；②若P1＞P2。关闭电磁控制阀14。
(3)当柴油机处于高工况时或者进气压力范围为：1-5bar
同时打开进气三通阀6第一端出口、排气三通阀2第一端出口、进气三通阀6第二端出
口、排气三通阀2第二端出口，关闭旁通阀7，此时压缩空气进入第一涡轮8完成一次做功
之后，再进入第二涡轮10进行做功，可以满足中低进气压力下的EGR废气回流，同时满足高
工况低EGR率的要求。
根据P1和P2的信号值判断：
①若P1＜P2。打开电磁控制阀14；②若P1＞P2。关闭电磁控制阀14。
其中，EGR电磁控制阀14的开度对应不同的EGR率，根据Q1和Q2测得的实时信号，进
行相应的计算之后即可得出相应的EGR率。