CN103392121B - 对往复式内燃机吸入的空气的压力和温度进行模拟的单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对往复式内燃机（1）处于对应于所述往复式内燃机（1）的工作高度的海拔高度时吸入的气流的压力和温度状态进行模拟的单元。根据本发明，所述单元至少包括：(a) 径流向心式涡轮（2），用于将气流膨胀至被所述往复式内燃机吸入的空气的压力和温度；(b) 第一容器（4）；(c) 第二容器（5），所述第二容器（5）通过至少一个连接管（7）与所述第一容器（4）相连，以平衡两个容器之间的压力；(d) 离心式压缩机（3）；以及(e) 真空泵（6），所述真空泵用于保持与由所述往复式内燃机（1）吸入的气流的压力相同的压力。本发明还涉及所述单元在模拟被往复式内燃机吸入的空气的压力和温度状态时的用途。

Description

对往复式内燃机吸入的空气的压力和温度进行模拟的单元
技术领域
本发明涉及再现往复式内燃机吸入的空气的压力和温度状态的***和方法。具体而言，本发明涉及允许对在不同海拔高度运行的往复式内燃机的压力和温度状态进行模拟的***和方法。
背景技术
为了确定大气中不同高度的固定压力和温度，以用于发动机或其它飞机零部件开发及调试的，国际民航组织（ICAO）于1952年成立并规定国际标准大气（ISA）。
在设计用于在特定海拔高度运行的设备时，必须要考虑随着高度的增加大气压力和温度相对于测定点所发生的变化，该变化会影响空气成分和密度。因此，本发明的目的是提供一种适用于飞机引擎或在特定高度运行的其它交通工具的引擎。更具体的，本发明的目的是为了提供一种能够根据运行时海拔高度再现往复式引擎吸入的空气的压力和温度状态的***。
用于检测引擎并将海拔高度纳入考虑范围的***具有多种用途，例如：
·对特定条件下引擎工作中可能出现的故障进行修复；
·对燃料消耗进行优化，所述燃料消耗受到引擎吸入的空气的性质影响；
·确定安装在飞机或类似运输工具上的空调设备的理想操作；
·检查气体循环管的运行。
近年来，为了实现上述的目的业内进行了各种各样的研究。但是，很多时候提供的解决方案都是基于引擎动作的理论模型或在某一个高度的原地测试。并且，这些模型大多是为了优化引擎燃料消耗。
举例说来，US2004186699号专利申请描述了一种方法和***，该方法和***用于控制引擎吸入空气及其废气的压力和温度，平衡压力和温度状态。测试在模拟的高海拔条件（压力低于测定点的压力）和低海拔条件以及不同的温度条件下进行。因此，引擎废气被送往稀释风道，对被稀释气体样本进行分析以确定引擎及其排放部件的性能。
不同于以往的研究，本发明涉及的***能够在海平面再现往复式引擎在工作海拔时的运作状态。
迄今为止，在先技术中没有包含本发明提供的***所限定的技术特征的发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种对往复式内燃机（1）处于对应于所述往复式内燃机（1）的工作高度的海拔高度时吸入的气流的压力和温度状态进行模拟的单元，其中所述单元至少包括以下设备：
(a) 径流向心式涡轮（2），用于将气流从压力为p0和温度为T0的第一状态膨胀至压力为p1和温度为T1的第二状态，其中p0和T0对应于所述往复式内燃机所处的大气A1的压力和温度，而p1和T1对应于所述往复式内燃机（1）吸入的气流的压力和温度；
(b) 第一容器（4），所述第一容器（4）位于所述径流向心式涡轮之后以及所述往复式内燃机（1）的进气口处，用于提供压力为p1和温度为T1的气流；
(c) 第二容器（5），所述第二容器（5）位于所述往复式内燃机（1）的排气口并通过至少一个连接管（7）与所述第一容器相连，以平衡两个容器之间的压力；
(d) 离心式压缩机（3），所述离心式压缩机（3）通过其轴连接至所述径流向心式涡轮（2），从而组成被称为涡轮发电机的***；
(e) 真空泵（6），所述真空泵（6）位于所述第二容器（5）之后，用于将压力保持的与由所述往复式内燃机（1）吸入的气流的压力相等。所述真空泵可以优选的由电机驱动的叶轮泵构成，用于调节所述第二容器（5）中的压力p2，所述电机可以具有或没有变频驱动器。优选的，所述真空泵（6）的容量足以使所述往复式内燃机（1）的废气从所述第二容器（5）中的压力p2变为所述大气A1的压力。同样在本发明的一个优选实施方式中，所述真空泵（6）可以额外包括至少一个用于稀释废气的吸入阀以及至少一个冷凝排水***。
在本发明的一个具体实施方式中，所述径流向心式涡轮（2）由可变几何涡轮（VGT）构成。一般的，可变几何涡轮的构成要素与常规涡轮相同，但是在定子中包括一个可移动叶片环，从而使它们可以改变被传送气流的膨胀率。
所述第一容器（4）和所述第二容器（5）优选的由圆柱形容器构成，优选的为圆柱形钢制容器，更加优选的为长度能够使各个容器的体积至少等于所述往复式内燃机（1）的立体容积的两倍的圆柱形钢制容器。
优选地，所述第一容器（4）能够使气流在进入所述往复式内燃机（1）之前稳定下来，所述第一容器（4）通过进气管与所述往复式内燃机（1）相连，所述进气管用于将压力损失降至最低并且优选的具有与所述第一容器（4）的截面大致相等的截面。类似的，所述第二容器（5）使废气在进入所述往复式内燃机（1）之前稳定下来并通过废气管与所述往复式内燃机（1）相连，所述废气管优选的具有与所述第二容器（5）的截面大致相等的截面。
在本发明的一个优选实施方式中，所述单元还可以包括在真空泵（6）前方的至少一个微粒过滤器（11），优选为至少一个高效微粒过滤器。通过使用所述微粒过滤器（11），能够在废气进入真空泵（6）之前将其中的颗粒过滤掉，特别是在待检引擎为柴油引擎时。另外，如果使用了微粒过滤器（11），作为所述微粒过滤器（11）部件的消耗性零部件将被定期替换。
在本发明的另一个具体实施方式中，所述单元可以包括至少一个热交换器（12），所述热交换器（12）优选的为空气-水热交换器。所述热交换器（12）可以使用来自至少一个冷却塔中的水来将所述废气冷却至所述大气A1的温度。在包括微粒过滤器（11）的优选实施方式中，所述热交换器（12）优选的位于所述微粒过滤器（11）的前方。优选的，所述热交换器（12）还可以包括至少一个冷凝排水器，其在所述单元结束使用时可以被打开。
所述单元的优点在于各设备被完美的耦合在一起，构成了一个多用途并且可靠节能的产品。
因此，该单元可以以低能耗再现由ISA所确立的位于特定海拔高度的往复式内燃机（1）吸入的空气的压力和温度状态。这些状态对应于低于海平面空气的温度和压力（根据ISA，所述压力和所述温度分别为1013.25 hPa和15°C）的温度和压力。举例说来，温度以每1000米6.5°C的速率降低直至11000米（对流层顶），在该高度，温度为-56.5°C，气压为225hPa。
本发明的另一个目的是使用上述的单元来模拟在某一高度工作的往复式内燃机（1）的工作状态。该引擎优选的由飞机引擎或在特定高度工作的其它运输工具的引擎构成。
因此，本发明的另一个目的是提供一种对往复式内燃机（1）处于对应于所述往复式内燃机（1）的工作高度的海拔高度时吸入的气流的压力和温度状态进行模拟的方法，所述方法包括以下步骤：
(a) 将气流从压力为p0和温度为T0的第一状态膨胀至压力为p1和温度为T1的第二状态，其中p0和T0对应于所述往复式内燃机所处的大气A1的压力和温度，而p1和T1对应于所述往复式内燃机（1）吸入的气流的压力和温度；
(b) 将所述压力为p1和温度为T1的气流送往至少一个第一容器（4），所述往复式内燃机（1）从所述第一容器（4）吸入所述气流。
(c)所述往复式内燃机（1）的废气排入至少一个第二容器（5），通过真空泵（6）从所述第二容器（5）吸走所述废气，从而使压力p2与所述往复式内燃机（1）吸入的气流的压力相等。
上述的方法既可以用于干燥的空气条件，也可以用于未经除湿的条件。
尽管上述步骤对应于根据本发明的方法的一般步骤，但是所述方法可以根据本发明所提供的单元的不同具体实施方式包括其它的步骤。部分具体实施例已在说明书附图中显示。
附图说明
图1显示了根据本发明的单元的一个具体实施方式；
图2显示了图1所示的单元，其特征在于其还包括热量回收设备；
图3显示该单元的另一个具体实施方式，其特征在于其还包括在真空泵（6）之前提高压力；
图4显示了该单元的另一个具体实施方式，其特征在于其包括两步膨胀以及在两部涡轮压缩机中压缩，以及将真空泵（6）作为辅助设备在所述往复式内燃机（1）排气时保持压力降低；
图5显示了该单元的另一个具体实施方式，其特征在于其包括利用离心式压缩机（3）中的压力来冷却和/或干燥所述第一容器（4）中的空气的步骤；
图6显示了该单元的另一个具体实施方式，其特征在于其包括利用离心式压缩机（3）和第二离心式压缩机（18）中的压力来冷却和/或干燥所述第一容器（4）和第二容器（5）中的空气。这可能是由于涡轮中的两步膨胀实现的。所述真空泵（6）对于在所述往复式内燃机（1）排气时保持压力降低来说是必需的。
标号对照
往复式内燃机（1）
径流向心式涡轮（2）
离心式压缩机（3）
第一容器（4）
第二容器（5）
真空泵（6）
连接管（7）
控制阀（8）
背压阀（9）
温度调节***（10）
微粒过滤器（11）
热交换器（12）
第二热交换器（13）
阀（14）
第三热交换器（15）
气流单向管或止回阀（16）
第二径流向心式涡轮（17）
第二离心式压缩机（18）
废气门（19）
冷冻机和/或除湿机（20）
三通阀（21）
第二冷冻机和/或除湿机（22）。
下文将根据说明书附图、以非限制性实施例的方式、按照成本和复杂程度的升序顺序来介绍本发明的一系列具体实施方式。
具体实施方式
特定实施例 1
在本发明的特定实施例1中，如图1所示，所述单元包括：
(a) 可变几何径流向心式涡轮（2），所述可变几何径流向心式涡轮（2）包括气流调节或控制阀（8），所述气流调节或控制阀（8）可以是所述可变几何径流向心式涡轮（2）的定子。气流在所述径流向心式涡轮（2）中从压力为p0和温度为T0的第一状态膨胀至压力为p1和温度为T1的第二状态，其中p0和T0对应于所述往复式内燃机所处的大气A1的压力和温度，而p1和T1对应于所述往复式内燃机（1）吸入的气流的压力和温度；
(b) 第一容器（4），所述第一容器（4）位于所述径流向心式涡轮（2）之后以及所述往复式内燃机（1）的进气口处，用于提供压力为p1和温度为T1的气流。所述第一容器（4）通过进气管与所述往复式内燃机（1）相连，所述进气管具有与所述第一容器（4）的截面大致相等的截面；
(c) 第二容器（5），所述第二容器（5）位于所述往复式内燃机（1）的排气口处，并通过排气管与所述往复式内燃机（1）相连，所述排气管优选的具有与所述第二容器（5）的截面大致相等的截面。所述第一容器（4）和所述第二容器（5）通过连接管（7）相连以平衡这两个容器之间的压力。另外，所述第一容器（4）和第二容器（5）的体积均为所述往复式内燃机（1）的立体容积的两倍；
(d) 离心式压缩机（3），所述离心式压缩机（3）与所述径流向心式涡轮（2）耦合，从而使所述离心式压缩机（3）的有效范围（在阻塞状态和喘振状态之间）与所述径流向心式涡轮（2）的最大工作范围相一致。可以调节所述涡轮的膨胀率，从而通过所述径流向心式涡轮（2）的控制阀（8）来控制所述第一容器（4）中的压力p1；
(e) 真空泵（6），用于将压力保持的与所述往复式内燃机（1）吸入的所述气流的压力相等。
所述单元还包括背压阀（9），通过所述背压阀（9），所述离心式压缩机将从所述大气A1吸入的气流排回相同的所述大气A1。所述背压阀（9）的压力设定为适当的固定值，从而使所述径流向心式涡轮（2）的平均性能在任何引擎速度下都达到最大值。
所述单元还包括温度调节***（10），所述温度调节***（10）能够将A1的温度改变约±10°C。如果需要加热，所述温度调节***（10）可以由电阻构成。相反的，如果需要冷却，则所述温度调节***（10）可以由具有反向朗肯循环的常规冷却设备构成。所述温度调节***（10）用作所述第一容器（4）中的温度T1的微调器，准确的调整在所述径流向心式涡轮（2）中膨胀之后的空气所需的温度。
在本发明的该实施例中，所述单元进一步包括位于所述真空泵（6）之前的高效微粒过滤器（11），以及空气-水热交换器（12）。
本发明的另一个目的是提供由实施例1的单元所使用的方法。因此，一旦所述往复式内燃机（1）到达工作点，即在所述径流向心式涡轮（2）中膨胀所述大气A1的空气直至所述压力p1达到所模拟的飞行高度的期望压力。将所述往复式内燃机（1）吸入的气流及其密度纳入考虑范围来选择合适的径流向心式涡轮（2），就可以确保达到合适的膨胀效果。另外，由于所述径流向心式涡轮（2）为可变几何涡轮，所以所述单元包括气流调节或控制阀（8）（一般为所述可变几何径流向心式涡轮（2）的定子）。所述控制阀（8）能够确保对所述第一容器（4）中的p1的微调，也可以使用标准PID控制器作用于所述控制阀（8）来实现对p1的精确控制。
所述径流向心式涡轮（2）在气流膨胀时从所述气流提取能量，而所述离心式压缩机（3）消耗所述能量将空气压缩，然后所述离心式压缩机（3）通过将所述被压缩空气排放至所述大气A1中将能量耗散在大气A1中。所述背压阀（9）的压力值被设定为一个适当的固定值，从而使所述离心式压缩机（3）总是在稳定工作条件下、在所述径流向心式涡轮（2）的最佳性能工作点工作。因此，所述背压阀（9）将决定所述离心式压缩机（3）的工作阻力负载曲线。
由于气流在所述径流向心式涡轮（2）中的压力达到p1所带来的膨胀以及流体的能量损失，所述第一容器（4）内的温度将会降至接近T1的温度。使用所述温度调节***（10）在±10°C的范围内调整所述径流向心式涡轮（2）的上游温度就可以获取期望的温度值T1。可以使用标准PID控制器作用于所述温度调节***（10）来实现对所述径流向心式涡轮（2）的精确控制。
所述叶轮真空泵（6）确保所述第二容器（5）中的压力（p2）按照预期降低。举例说来，驱动所述真空泵（6）的电机的变频驱动器确保了对p2的控制。标准PID控制器作用于所述变频驱动器可以对p2进行微调。被所述真空泵（6）吸入的废气之前已在所述热交换器（12）中被冷却，这些废气中的颗粒被留在所述微粒过滤器（11）中，从而确保所述真空泵（6）的低功耗和高可靠性。所述真空泵（6）可以由商用设备构成。
另一方面，所述连接管（7）作为压力平衡端口来确保第一容器（4）中的压力（p1）与第二容器（5）中的压力（p2）相同。因此，他们可以模拟进气管和废气管中的ISA飞行状态相同，并且辅助控制压力p1和p2。如果所述真空泵（6）吸入更多的由所述往复式内燃机排出的气流，所述真空泵（6）可以不具有变频驱动器，因为过量的气流将通过所述连接管（7），所述压力p2仍然等于p1。
特定实施例 2
根据图2，该第二实施例的特征在于其包括图1所示的单元的设备和第二空气-空气热交换器（13），所述第二空气-空气热交换器（13）用于利用位于所述离心式压缩机（3）排气口的气流来加热位于所述径流向心式涡轮（2）的进气口的气流，并且如果需要利用由电阻构成的温度调节***（10）来进行加热，可以减少所需电量。。
本发明的该特定实施例还可以包括阀（14），所述阀（14）作为所述第二空气-空气热交换器（13）的支路可以在需要利用温度调节***（10）进行冷却时防止对位于所述径流向心式涡轮（2）进气口的气流进行加热。在任何情况下，所述温度调节***（10）都将负责对所述温度T1进行微调。
本发明的另一个目的是提供实施例2的单元所采用的方法。除了实施例1所述的操作，实施例2的单元还进行如下操作：
当所述径流向心式涡轮（2）上游的空气必须被加热以达到目标温度T1时，可以使用从所述离心式压缩机（3）出来的热空气。为此，所述离心式压缩机（3）所提供的空气的热量将在所述第二热交换器（13）中被传递给将要被所述径流向心式涡轮（2）吸入的空气。在该操作模式下，在预先定义的标准状态（类似于实施例1，在这些状态下，所述离心式压缩机（3）工作在与在已确立的工作状态中的所述径流向心式涡轮（2）达到最佳性能时接近的状态。）中，所述阀（14）被关闭，所述背压阀（9）被打开。
当所述径流向心式涡轮（2）上游的空气必须被冷却以到达目标温度T1时，所述第二空气-空气热交换器（13）将不被使用。为此，所述背压阀（9）将关闭，所述阀（14）将打开，直至所述背压阀（9）到达与在单元1的工作模式中所具有的状态相同的状态。
特定实施例3
如图3所示，在该具体实施例中，所述单元可以包括位于所述第二容器（5）之后的所述离心式压缩机（3）。所述离心式压缩机（3）从所述第二容器（5）吸入废气并在所述真空泵（6）的进气口将所述废气的压力提高，为所述真空泵（6）节省能量。但是，仍然可以通过所述真空泵（6）的电马达的变频驱动器来调节压力p2。
由此，本发明的该特定实施例不包括所述背压阀（9），因为已经不需要它了。
所述单元还包括第三空气-水热交换器（15），用于在所述离心式压缩机（3）的进气口将所述废气冷却至所述大气A1的温度。
所述单元还包括气流单向管或止回阀（16），其在该特定实施例3中作为所述离心式压缩机（3）的支路（bypass）。如果所述离心式压缩机（3）上游的压力大于所述离心式压缩机（3）下游的压力，所述气流单向管或止回阀（16）可以打开。
本发明的另一个目的是提供实施例3的单元所采用的方法。除了实施例1所述的操作，所述单元还进行如下操作：
首先，所述压缩机吸收了由所述径流向心式涡轮（2）从空气中提取的能量，但并不将其耗散到所述大气A1的空气中。在本实施例中，所述离心式压缩机（3）将废气从所述第二容器（5）转移至所述真空泵（6）的进气口，从而辅助所述真空泵（6）工作，减少其电能消耗。
所述第三空气-水热交换器（15）将从所述第二容器（5）吸入的所述废气在进入所述离心式压缩机（3）之前冷却，以提高位于所述压缩机进气口的气流的密度，改善其效能并降低所述压缩机的喘振风险。
所述真空泵（6）继续利用标准PID控制器来调节所述第二容器（5）中的压力p2。所述热交换器（12）将位于所述离心式压缩机（3）排气口的废气在其进入所述真空泵（6）之前冷却。
所述离心式压缩机（3）的工作状态在实施例3的所述单元中将由所述真空泵（6）所交换的气流以及涡轮发电机的引擎速度来确定。涡轮发电机的引擎速度是所述径流向心式涡轮（2）和所述离心式压缩机（3）之间的能量平衡的结果。因此，有的时候，引擎速度不足，所述离心式压缩机（3）下游的压力可能等于或小于所述第二容器（5）的压力。在这种情况下，所述气流单向管或止回阀（16）将打开并作为一部分废气气流的支路，直至所述压缩机的输出压力等于所述目标压力p2。由于所述气流单向管或止回阀（16）仅在所述离心式压缩机（3）下游的压力小于上流的压力时打开，该阀门为仅可允许气流单向通过的单向管或止回阀。
特定实施例4
根据本发明的实施例4的单元如图4所示。所述实施例4除了实施例3所述的单元的设备之外还包括以下设备：
一个或多个涡轮发电机（所述涡轮发电机应被理解为径流向心式涡轮和离心式压缩机的组合），所述一个或多个涡轮发电机与实施例3所述的单元的由所述可变几何径流向心式涡轮（2）和所述离心式压缩机（3）组成的涡轮发电机串联工作。
在实施例4中，所述第二径流向心式涡轮（17）无需为可变几何涡轮；它可以为固定几何涡轮，例如图4所示的情况。图4仅显示了一个与实施例3所述的涡轮发电机串联的额外涡轮发电机。所述额外涡轮发电机由第二径流向心式涡轮（17）和第二离心式压缩机（18）组成。所述第二径流向心式涡轮（17）和所述第二离心式压缩机（18）的尺寸优选的小于所述径流向心式涡轮（2）和所述离心式压缩机（3）的尺寸，因为所述第二径流向心式涡轮（17）和所述第二离心式压缩机（18）中的气流与所述第一径流向心式涡轮和所述第一离心式压缩机中的气流相比具有更高的密度。
选择所述第二径流向心式涡轮（17）和所述第二离心式压缩机（18）的尺寸时，一方面使所述大气A1与所述第一容器（4）之间的总压力波动被优选的平均分配给所述第二径流向心式涡轮（17）和所述径流向心式涡轮（2）；而另一方面所述大气A1与所述第二容器（5）之间的总压力波动被优选的平均分配给所述第二离心式压缩机（18）和所述离心式压缩机（3）。所述径流向心式涡轮（2）、所述第二径流向心式涡轮（17）、所述离心式压缩机（3）和所述第二离心式压缩机（18）因此能够在压力波动和引擎速度处于最佳性能工作范围内的情况下工作。因此，虽然该单元可能更加昂贵，但因为减少了所述真空泵的能耗（该单元能耗的主要部分），所以可以最大化该单元的性能。
所述第二径流向心式涡轮（17）还可以具有废气门（19），所述废气门（19）可以作为所述第二径流向心式涡轮（17）的支路。所述废气门（19），与所述第一径流向心式涡轮的可变几何结构或控制阀（8）一起，可以负责基于所述第二径流向心式涡轮（17）的所述气流支路来调节所述第一容器（4）中的压力p1，从而调节所述第二径流向心式涡轮（17）下游的气流的膨胀。
所述空气-水热交换器（12）可以位于所述离心式压缩机（3）的下游位置，但是处于所述第二离心式压缩机（18）和所述微粒过滤器（11）的上游。因此所述真空泵（6）和所述离心式压缩机（3）可以并联工作，所述热交换器（12）冷却这两个设备所吸入的废气。
所述单元还包括背压阀（9），所述背压阀（9）的性质和功能与实施例1中所描述的相同。
本发明的另一个目的是提供由实施例4的单元采用的方法。该单元的安装成本最高，但工作能耗最低，因为所述压缩机在更大的压力范围内辅助所述真空泵（6），从而使所述总压力波动被分配给数个设备。除了实施例3所述的单元的操作，该单元还进行以下操作：
图4只显示了一个额外涡轮发电机与实施例3的涡轮发电机串联工作。所述额外涡轮发电机由所述第二径流向心式涡轮（17）和所述第二离心式压缩机（18）组成。当所述废气门（19）完全关闭而所述控制阀（8）处于其最紧闭位置时（可变几何涡轮中的控制阀不可能完全关闭）可以达到最大膨胀。
在此之后，通过先将所述控制阀（8）打开至最大程度再将所述背压阀（9）打开至最大程度来降低膨胀率。然后顺序操作2个标准PID控制器来进行控制，以调节所述第一容器（4）中的压力p1。当所述大气A1和所述第一容器（4）之间的膨胀被降低时，作用于所述控制阀（8）的PID控制器先工作，将其关闭直至动作极限，然后作用于所述废气门（19）的PID控制器再工作。当所述大气A1和所述第一容器（4）之间膨胀升高时则反向操作，作用于所述废气门（19）的PID控制器先工作，将其关闭直至动作极限，然后作用于所述控制阀（8）的PID控制器再工作。
所述离心式压缩机（3）以与实施例3相同的方式工作，其工作受限于所述气流单向管或止回阀（16）。所述离心式压缩机（3）的工作将由所述背压阀（9）的设定压力值来调整，这可以确保如实施例1的所述单元一样在所述第二径流向心式涡轮（17）的良好性能区域内工作。
所述叶轮真空泵（6）将与所述第二离心式压缩机（18）并联工作，而所述第二离心式压缩机（18）无法传输的气流将由所述真空泵（6）传输。所述热交换器（12）将用于冷却由所述真空泵（6）和所述第二离心式压缩机（18）这两个设备所传输的废气。
特定实施例 5
根据本发明实施例5的单元如图5所示。除了实施例1中所公开的内容，该单元通过以下设备和改进进一步包括位于所述离心式压缩机（3）的排气口和所述径流向心式涡轮（2）的进气口之间的联通***：
冷冻机和/或除湿机（20），用于在来自所述离心式压缩机（3）的气流进入所述径流向心式涡轮（2）之前将其冷却；以及
两个三通阀（21），所述三通阀（21）负责将所述离心式压缩机（3）的排气口与所述径流向心式涡轮（2）的进气口断开，并且在进行所述断开操作时将这两处进入的气体送往大气A1。当需要将所述离心式压缩机（3）与所述径流向心式涡轮（2）相连时，所述三通阀（21）的操作则相反。
本发明的另一个目的是提供实施例5的所述单元采用的方法。
根据该实施例，为了减少对所述径流向心式涡轮（2）上游的湿空气进行冷却或冷凝的需要，由所述离心式压缩机（3）压缩的空气通过冷冻机和/或除湿机（20）被送往所述径流向心式涡轮（2）。
当所述离心式压缩机（3）的压缩率或其工作点不适于实施例5的所述单元的工作任务或不适于确保所述离心式压缩机（3）稳定工作时，所述三通阀（21）将打开以允许将所述离心式压缩机（3）的空气排入所述大气A1中以及从所述大气A1吸入所述径流向心式涡轮（2）需要的空气，并相应地（因为是三通阀）关闭所述离心式压缩机（3）与所述径流向心式涡轮（2）的联通。
特定实施例6
本发明在实施例6中所提供的单元如图6所示。除了实施例5所公开的内容，所述单元还包括通过以下设备和改进而实现的在涡轮发电机中分两个或两个以上阶段来进行压缩和膨胀（出于简化的目的，在图6中仅显示了两个阶段）：
第二冷冻机或除湿机（22），用于在来自所述第二离心式压缩机（18）的空气进入所述第二径流向心式涡轮（17）之前对其进行冷却。
所述单元还包括两个三通阀（21），所述三通阀（21）负责将所述第二离心式压缩机（18）的排气口与所述第二径流向心式涡轮（17）的进气口断开，以及在进行所述断开操作时将这两处进入的气体送往大气A1。当需要将所述第二离心式压缩机（18）与所述第二径流向心式涡轮（17）相连时，所述三通阀（21）的操作则相反。
本发明的另一个目的是提供一种由实施例6所述的单元所采用的方法。
除了实施例5所公开的操作外，实施例6所述的单元通过在所述涡轮和压缩机中分两个或两个以上阶段来进行压缩和膨胀，以如下方式工作（图6仅显示了两个阶段）。
为了减少对所述径流向心式涡轮（2）和所述第二径流向心式涡轮（17）上游的湿空气进行冷却或冷凝的需要，所述空气先在所述离心式压缩机（3）和所述第二离心式压缩机（18）中分两个阶段被压缩，然后再在上述涡轮中分两个阶段被膨胀，并在所述压缩阶段通过所述冷冻机和/或除湿机（20）和（22）进行冷却。
当所述离心式压缩机（3）和所述第二离心式压缩机（18）的压缩率或其工作点不适于实施例6的所述单元的工作任务或不适于确保所述离心式压缩机（3）和所述第二离心式压缩机（18）的稳定工作时，所述三通阀（21）将打开以允许将所述第二离心式压缩机（18）的空气排入所述大气A1中以及从所述大气A1吸入所述第二径流向心式涡轮（17）需要的空气，并相应地（因为是三通阀）关闭所述第二离心式压缩机（18）与所述第二径流向心式涡轮（17）的联通。
图6只显示了一个额外涡轮发电机与实施例5的涡轮发电机串联工作。所述额外涡轮发电机由所述第二径流向心式涡轮（17）和所述第二离心式压缩机（18）组成。当所述废气门（19）完全关闭而所述控制阀（8）处于其最紧闭位置时（可变几何涡轮中的控制阀不可能完全关闭）可以达到最大膨胀。在此之后，通过先将所述控制阀（8）打开至最大程度再将所述背压阀（9）打开至最大程度来降低膨胀率。然后顺序操作2个标准PID控制器来进行控制，以调节所述第一容器（4）中的压力p1。当所述大气A1和所述第一容器（4）之间的膨胀被降低时，作用于所述控制阀（8）的PID控制器先工作，将其关闭直至其动作极限，然后作用于所述废气门（19）的PID控制器再工作。当所述大气A1和所述第一容器（4）之间的膨胀升高时则反向操作，作用于所述废气门（19）的PID控制器先工作，将其关闭直至动作极限，然后作用于所述控制阀（8）的PID控制器再工作。

Claims (23)

1.一种对往复式内燃机（1）吸入的气流的压力和温度状态进行模拟的单元，其特征在于所述单元至少包括以下设备：(a) 径流向心式涡轮（2），用于将气流从压力为p0和温度为T0的第一状态膨胀至压力为p1和温度为T1的第二状态，其中p0和T0对应于所述往复式内燃机所处的大气A1的压力和温度，而p1和T1对应于所述往复式内燃机（1）吸入的气流的压力和温度；(b) 第一容器（4），所述第一容器（4）位于所述径流向心式涡轮之后以及所述往复式内燃机（1）的进气口处，用于提供压力为p1和温度为T1的气流；(c) 第二容器（5），所述第二容器（5）位于所述往复式内燃机（1）的排气口并通过至少一个连接管（7）与所述第一容器相连，以平衡两个容器之间的压力；(d) 离心式压缩机（3），所述离心式压缩机（3）通过其轴连接至所述径流向心式涡轮（2），从而组成被称为涡轮发电机的***；(e) 真空泵（6），所述真空泵（6）位于所述第二容器（5）之后，用于将压力保持得与由所述往复式内燃机（1）吸入的气流的压力相等。
2.根据权利要求1所述的单元，其特征在于：所述第一容器（4）通过截面与所述第一容器（4）截面大小相等的进气管连接至所述往复式内燃机（1）；所述第二容器（5）通过截面与所述第二容器（5）截面大小相等的废气管连接至所述往复式内燃机（1）。
3.根据权利要求1所述的单元，其特征在于所述单元还包括： （a）至少一个位于所述真空泵（6）之前的微粒过滤器（11）； （b）至少一个热交换器（12），所述热交换器（12）位于所述真空泵（6）之前，包括空气-水热交换器，所述空气-水热交换器还包括至少一个冷凝排水***； （c）至少一个控制阀（8），所述控制阀（8）用于控制所述第一容器（4）中的压力p1； （d）至少一个背压阀（9），所述背压阀（9）位于所述离心式压缩机（3）之后； （e）至少一个温度调节***（10），所述温度调节***（10）位于所述径流向心式涡轮（2）之前，所述温度调节***（10）能够将所述大气A1的温度改变±10°C。
4.根据权利要求3所述的单元，其特征在于：所述单元还包括至少一个位于所述径流向心式涡轮（2）之前并与所述离心式压缩机（3）相连的第二热交换器（13），用于利用位于所述离心式压缩机（3）的排气口的气流来加热位于所述径流向心式涡轮（2）的进气口的气流。
5.根据权利要求4所述的单元，其特征在于：所述单元还包括至少一个阀（14），用于作为所述第二热交换器（13）的支路。
6.根据权利要求3中任一项所述的单元，其特征在于：所述离心式压缩机（3）位于所述第二容器（5）的排气口处，但位于所述真空泵（6）的进气口之前。
7.根据权利要求6所述的单元，其中所述单元还包括：（a）第三热交换器（15），用于在所述往复式内燃机的废气进入所述离心式压缩机（3）之前将其冷却至所述大气A1的温度；（b）至少一个位于所述离心式压缩机（3）之前的气流单向管或止回阀（16）。
8.根据权利要求7所述的单元，其特征在于：所述单元还包括与所述径流向心式涡轮（2）和所述离心式压缩机（3）串联工作的至少一个第二径流向心式涡轮（17）和至少一个第二离心式压缩机（18）。
9.根据权利要求8所述的单元，其特征在于：所述第二径流向心式涡轮（17）和所述第二离心式压缩机（18）的尺寸小于所述径流向心式涡轮（2）和所述离心式压缩机（3）的尺寸。
10.根据权利要求8所述的单元，其特征在于：所述第二径流向心式涡轮（17）还包括至少一个废气门（19）。
11.根据权利要求10中任一项所述的单元，其特征在于：所述单元还包括至少一个热交换器（12），所述热交换器（12）位于所述离心式压缩机（3）的下游，但是位于所述第二离心式压缩机（18）和所述微粒过滤器（11）的上游。
12.根据权利要求3中任一项所述的单元，其特征在于：所述单元还包括至少一个冷冻机和/或除湿机（20），用于在来自所述离心式压缩机（3）的气流进入所述径流向心式涡轮（2）之前将其冷却。
13.根据权利要求12所述的单元，其特征在于：所述单元还包括两个三通阀（21），用于将所述离心式压缩机（3）的排气口与所述径流向心式涡轮（2）的进气口断开 。
14.根据权利要求13所述的单元，其特征在于：所述单元还包括至少一个第二冷冻机和/或除湿机（22），用于在来自第二离心式压缩机（18）的空气进入第二径流向心式涡轮（17）之前将其冷却。
15.将权利要求1～14任一项所述的单元用于对往复式内燃机（1）处于对应于所述往复式内燃机（1）的工作高度的海拔高度时吸入的气流的压力和温度状态进行模拟的用途。
16.一种对往复式内燃机（1）吸入的气流的压力和温度状态进行模拟的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(a) 将气流在由径流向心式涡轮（2）连接至离心式压缩机（3）而形成的涡轮发电机组件中从压力为p0和温度为T0的第一状态膨胀至压力为p1和温度为T1的第二状态，其中p0和T0对应于所述往复式内燃机所处的大气A1的压力和温度，而p1和T1对应于所述往复式内燃机（1）吸入的气流的压力和温度；(b) 将压力为p1和温度为T1的气流送往至少一个第一容器（4），所述往复式内燃机（1）从所述第一容器（4）吸入所述气流；(c)所述往复式内燃机（1）的废气排入至少一个第二容器（5），通过真空泵（6）从所述第二容器（5）吸走所述废气，从而使其中的压力p2与所述往复式内燃机（1）吸入的气流的压力相等； （d）将来自所述离心式压缩机（3）的气流通过背压阀（9）排入所述大气A1。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述方法还包括以下步骤：（a）通过控制阀（8）和驱动所述真空泵（6）的电机的变频驱动器来控制所述第一容器（4）和所述第二容器（5）中的压力；（b）使用至少一个温度调节***（10）来控制所述第一容器（4）中的温度T1；（c）被所述真空泵（6）吸入的废气预先在至少一个热交换器（12）中被冷却，其中所述废气中的微粒被留在至少一个微粒过滤器（11）中。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于：所述方法还包括通过至少一个第二热交换器（13）利用来自所述离心式压缩机（3）排气口的气流加热进入所述径流向心式涡轮（2）进气口的气流的步骤。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述方法还包括以下步骤：（a）利用至少一个离心式压缩机（3）在来自所述第二容器（5）的所述废气进入所述真空泵（6）之前将其压力提高；（b）利用第三热交换器（15）在来自所述第二容器（5）的废气进入所述离心式压缩机（3）之前将其冷却； （c）利用至少一个热交换器（12）在所述废气进入所述真空泵（6）之前将其在所述离心式压缩机（3）的出气口处冷却； （d）利用至少一个气流单向管或止回阀（16）来控制所述离心式压缩机（3）排气口的压力。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：使至少一个第二径流向心式涡轮（17）和至少一个第二离心式压缩机（18）与所述径流向心式涡轮（2）和所述离心式压缩机（3）串联工作。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于所述方法还包括以下步骤：（a）利用至少一个废气门（19）以及至少一个温度调节***（10）来分流送往所述第二径流向心式涡轮（17）的气流，以控制所述第一容器（4）中的压力p1；（b）所述真空泵（6）与所述第二离心式压缩机（18）并联工作；以及 （c）在所述废气进入所述真空泵（6）和/或所述第二离心式压缩机（18）之前在至少一个热交换器（12）中将所述废气冷却。
22.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：被所述离心式压缩机（3）压缩的空气通过冷冻机和/或除湿机（20）送往所述径流向心式涡轮（2）。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于：在所述气流预先在所述离心式压缩机（3）和所述第二离心式压缩机（18）中被压缩后，将所述气流在径流向心式涡轮（2）和第二径流向心式涡轮（17）中进行膨胀，所述气流在压缩步骤中在所述冷冻机和/或除湿机（20）和所述第二冷冻机和/或除湿机（22）中被冷却。
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