CN101091041A - 具有有效旁路的多级涡轮增压系统 - Google Patents

Abstract

这里阐述了一种更有效的多级涡轮增压系统以及用于内燃机系统的方法。本发明回收了多级涡轮增压系统中从一级到另一级的旁路废气流中通常会出现的一部分废气能量损失。保存这种废气能量的优选方法是通过让旁路流通过VGT叶片出口或其它可变几何形状阀/喷嘴而将旁路流的一部分废气能量从压力转换为动能(速度)，并且在随后加速流达到后一级涡轮机涡轮之前不允许加速流散失能量，加速流随后在后一级涡轮机中可被低压涡轮机涡轮转换为机械旋转力。这里还阐述了实现本发明目标的优选硬件，包括仅一个涡轮机涡旋中具有VGT机构的优选的双涡旋型低压涡轮增压系统，或者具有两个位于共同轴上的低压涡轮机的可选低压涡轮增压器(再次，优选地，仅一个涡轮机中具有VGT机构)。

Description

具有有效旁路的多级涡轮增压系统

相关申请的交叉参考

本申请根据美国法典111(e)条款要求2004年8月31日提交的美国临时专利申请No.60/605,898的优先权权益，该美国专利申请整体地通过参考结合在本文中。

技术领域

本申请总的来说涉及具有多级涡轮增压系统的内燃机系统，以及多级涡轮机的用途。

背景技术

涡轮增压系统，比如用于内燃机的，在现有技术中是公知的。涡轮增压器包括连接至进气增压压缩机的废气涡轮机。涡轮机的操作如下：从内燃机接收废气并通过使废气流经过涡轮机涡轮的叶片而将废气流中的一部分能量转换为机械能，并且从而使涡轮机的涡轮旋转。这个旋转力然后被通过轴连接至涡轮机涡轮的压缩机所利用以将一些空气压缩到高于周围大气的压力，这就提供了在发动机的进气行程期间可被吸入内燃机汽缸的增大量的空气。吸入汽缸的额外压缩空气(增压)能允许更多的燃料在汽缸内燃烧，并且从而提供了增大发动机动力输出的可能性。

在涡轮增压的内燃机系统中，内燃机可操作的宽范围的速度和动力输出水平对下述设计工作带来了挑战：即，设计对于与发动机一起工作而言具有良好机械效率的适合匹配的涡轮增压系统。例如，虽然较小的涡轮增压器在较低的发动机速度下快速且更有效地提供增压，但是较大的涡轮增压器在较高的发动机速度下更有效地提供增压。因为涡轮增压器有效操作的流量范围相对于由内燃机产生的较宽流量范围而言相对较窄，现有技术中已知的是(例如在增压需求较大的情况下)，提供一种多级涡轮增压系统，涉及较小(即高压)的涡轮增压器和较大(即低压)的涡轮增压器，其中较小的高压涡轮增压器在较低的发动机速度下操作并且较大的低压涡轮增压器在较高的发动机速度下取而代之。已经发现根据需要通过使用旁路系统在两个涡轮增压级之间切换来将废气流转向绕过高压涡轮增压器达到低压涡轮增压器是非常有价值的。

于是，将废气流旁路绕过涡轮机气体膨胀器在现有技术中也是公知的。通常，涡轮机旁路系统在现有技术中主要用来调节穿过较高级涡轮机涡轮的系统压力，并且在由涡轮机操作所引起的反压导致涡轮机上游的系统压力超过预期水平时能通过经由一个旁路通道选择性地排出一部分上游废气超过一个压降来操作。经由旁路通道排出废气通常由绕过涡轮机的废气管道中的一个小调节阀(称作“废气门”)来控制。一种典型废气门阀的操作有些类似于活板门，其通过旁路通道来将一部分废气流转向绕过涡轮机而从高压涡轮机进口向低压区域打开一个端口，被旁路的废气流自然地在旁路通道中的压降之上膨胀并且然后与被旁路的涡轮机下游的剩余废气流再结合。

发明内容

本发明的目标是提供一种用于内燃机系统的更有效的多级(例如两级或更多级)涡轮增压系统。

在推动本发明的这个目标中，已经认识到，现有技术中的废气门和旁路机构是现有技术的多级涡轮增压系统中有用能量不必要损失的根源。因此，本发明的又一目标是提供一种用于在多级涡轮增压系统的各级之间的旁路中保存、捕获、利用和/或降低能量的有效方式从而防止了损失，以进一步提高利用多级涡轮增压系统的内燃机系统的效率。

本发明减少了常规的多级涡轮增压系统中从一级到另一级的旁路废气流中出现的废气能量的未回收损失。保存这种废气能量的优选方法是通过让出现在旁路涡轮机上游的基本上仍然处于较高废气能级的旁路流经过可变几何形状阀/喷嘴、涡轮机VGT叶片、或者其它横截面减小的喷嘴，并且随后不允许加速流在达到后一级涡轮机涡轮之前显著丧失增大的可回收动能，来将旁路流的一部分废气能量从压力转换为速度。这可以例如通过将可变几何形状的阀或VGT叶片出口布置为临近低压涡轮机涡轮的叶片(或者充分地靠近叶片以避免增大的加速/动量作用显著消散)，并且与低压涡轮机涡轮的叶片成适合的入射角。加速流所产生的增大动量随后被赋予低压涡轮机的涡轮，并且从而如本领域已知的那样允许将能量转换为机械旋转力。还讨论了在多级涡轮增压系统中有效地保存或捕获各级之间能量损失的可选装置和优选的涡轮增压硬件的实施例。该系统可用于内燃机或其它多级涡轮机系统的各级之间(也包括三级或四级或更多级系统)。

附图说明

在附图中，同样的参考数字标识类似的元件或动作。附图中元件的尺寸和相对位置不必按比例绘出。

图1是具有现有技术的多级涡轮增压系统的内燃机系统的示意图。

图2是具有本发明的第一涡轮增压和旁路布置的内燃机的示意图。

图3是具有本发明备选第二旁路布置的内燃机的示意图。

图4是图3所示系统的涡轮增压和旁路布置的更详细视图。

图5是具有本发明的另外一种备选涡轮增压和旁路布置的内燃机的示意图。

图6A示出了用于双涡旋型低压涡轮机优选的可变几何形状阀/喷嘴装置，阀/喷嘴装置为VGT叶片，示出为处于打开位置，在双涡旋型低压涡轮机的第二涡旋中。

图6B提供了图6A优选的可变几何形状阀/喷嘴装置的另一视图，不过示出为阀/喷嘴装置处于闭合位置。

图6C示出了用于涡轮机的常规旋转VGT叶片。

图6D示出了具有铰接后缘的备选VGT叶片。

图7A和7B是双涡旋型涡轮机的剖视图，示出了本发明用于双涡旋型低压涡轮机的第二涡旋中的备选可变几何形状阀/喷嘴装置的实施例。

图8是双涡旋型涡轮机的剖视图，示出了本发明用于双涡旋型低压涡轮机的第二涡旋中的第二备选的可变几何形状阀/喷嘴装置的实施例。

图9A示出了本发明优选的内燃机多级涡轮增压和旁路布置，本发明中的涡旋53`示出为局部剖视图。

图9B示出了本发明的内燃机多级涡轮增压和旁路布置的优选实施例的双涡旋型涡轮机。

图10示出了并排朝向的双涡旋型涡轮机的剖视图，比如用于本发明的图9A和9B的优选实施例中。

图11是本发明的内燃机系统的另一可选实施例的示意图，两个涡轮机在共同轴上。

图12是本发明如图11所示两个涡轮机在共同轴上的涡轮增压和旁路布置的更详细视图。

具体实施方式

图1示出了现有技术的具有多级涡轮增压和旁路系统的内燃机系统。参照图1，周围空气经由进气管线11进入该系统。进气可选地(optionally)可与再循环的废气(EGR)相混合以形成增压空气混合物。周围空气或EGR/周围空气混合物(“增压空气”)流过第一级低压空气压缩机12并被其压缩。

在压缩机12中压缩之后，进气可流过第二级高压空气压缩机16以进一步压缩。或者，随着可选的旁路阀15的打开或闭合所进行的调节，进气可在端口13处转向到可选的旁路通道14并在端口17处返回到进气管线。

进气随后以常规的方式通过常规的阀(未示出))进入进气歧管18并进入内燃机19的燃烧室20。在燃烧室20中燃烧之后，温热的压缩废气以常规方式通过常规的阀(未示出)以第一、较高的废气能级离开燃烧室20，并且从内燃机19经由废气歧管21流到废气管线28。

在离开废气歧管21之后，废气管线28中的废气可流过高压涡轮气体膨胀机25。废气管线28中的高压涡轮气体膨胀机25通过轴29`连接至进气管线11中的高压空气压缩机16，并且组合起来的膨胀机和压缩机设备一起形成了高压涡轮增压器30。对于流过高压涡轮机25而，另外也可以随着通过操作废气门阀24打开或闭合端口22而进行的调节，一部分废气可选择性地在端口22处转向到旁路通道23并在端口26处返回到废气管线，所述废气门阀24响应于系统压力在涡轮机25上游的积累而被(主动或被动地)打开。废气门阀24可位于旁路通道23内的任何位置处。应当注意的是，即使废气门的废气不通过涡轮膨胀机25，旁路废气流和已经经过涡轮膨胀机25的废气之间的压力差也不受任何增大速度的旁路废气(在旁路通道23中或者在端口26处与废气管线28中的较低压力废气流重新结合时)的自然膨胀和消散的影响。

在涡轮空气膨胀机25的下游，处于这个第二、较低废气能级的废气可以随后流过低压涡轮气体膨胀机27以进一步膨胀，并且随后通过废气管线28离开该系统。对于图1，还应当注意的是，废气管线28中的涡轮气体膨胀机27通过轴29连接至进气管线11中的低压气体压缩机12，并且膨胀机27和压缩机12的整体设备形成了低压涡轮增压器31。

图2给出了图1所示现有技术的多级涡轮增压的内燃机系统上的第一种改进，作为根据本发明的原理操作的一个实施例。为了便于讨论本发明该实施例相对于现有技术的突出方面，图2所示实施例在这里示出为在所有方面(例如具有相同的部件、编号、系统结构和操作)都与现有技术的图1相同，除了下文所述的之外。

参照图2，与现有技术的图1相对比，将能注意到，相对于现有技术而言已经作出了一些改变，涉及旁路高压涡轮机25的旁路系统。类似于图1的阀24，图2的阀34调节(例如通过压力差)从废气管线28通过旁路装置通道33转向到端口36的废气量。然而，在图2中，阀34和返回端口36在几何形状上构造为更靠近，并且角度更加互补，以将旁路流朝着涡轮机27的进口导向。

图2中的这些变化是在以下认识之上作出的：转向通过旁路通道33的旁路废气中的一部分能量在阀34处通过让旁路流经过阀34而从压力转变为动能(速度)，阀34其作用为横截面减小的喷嘴。阀/喷嘴34因此在图2中通过为旁路废气提供横截面减小的流路在打开位置时用作喷嘴。举例来说，阀/喷嘴34可打开以形成呈短管形状的流路，所述短管具有设计来加速(以及优选地还导向)废气流的锥形或收缩(减小的横截面)。本领域已知，存在着很多也能执行加速气体或流体流的这种类似“喷嘴”作用的已知可选结构，这些也应当包含在本专利这里所使用的术语“喷嘴”或“喷嘴装置”之内。

如同本领域已知的，离开阀/喷嘴34的加速流在交点36处与废气管线28中的流再结合(或者直接在涡轮机27的进口处)，优选地其朝向使得废气流正好在涡轮机27的涡轮叶片之前产生了最佳的组合方向，并且与涡轮机27的涡轮叶片成适合的入射角。加速流与废气管线28中的废气流一起被涡轮机27转变为机械旋转力。通过将端口36定位为充分地靠近涡轮机27的涡轮叶片，加速流在达到涡轮机27的涡轮之前基本上不会散失能量以便提取功(work extraction)。至于阀/喷嘴34和涡轮机涡轮之间可接受距离的选择，将能理解到，这个距离越近，能量回收越大，并且通过实验发现，这个距离能增大，直到用通常技术的传感器不再能测量到旁路加速所带来的能量回收的增大并且因而将不再落入本发明的范围内。

因而，在图2中，在本实施例中，通过让旁路流刚好在涡轮机27的涡轮机叶片之前处于与主要废气流相互补的方向上，旁路装置33和阀/喷嘴34提供了将来自内燃机的压缩废气旁路绕过高压涡轮机达到低压级涡轮机的进口，而不论(并且因而与这个具体实施例无关)端口36是否作为涡轮机27的直接进口或者作为废气管线28刚好在涡轮机27之前的基本上等同的返回端口。

图3示出了与图2相同的实施例，不过示出了旁路通道33的长度无关紧要并且如果希望的话基本上可以取消。另外，对于图2或3，旁路通道可选地可直接从废气歧管21(代替废气管线28)开始，如果希望的话，比如如图5所示(下面将讨论)。

图4更详细地示出了加速的旁路流与主废气流再结合的一个实施例，如上面图2和3所述在涡轮机27的涡轮叶片之前并且与之成适合的入射角。如图4所示，旁路通道33中的旁路废气流49在旁路通道33的减小横截面(喷嘴)区域和/或端口36处经过阀34，这就产生了加速的旁路废气流51。如本领域已知的，也可使用用于加速旁路废气流的其它“喷嘴装置”。加速的旁路废气流51然后与废气管线28中(或者也可以在涡轮机27本身内)较低速度的主废气流50相结合，形成结合的废气流52。如同本领域已知的，结合的废气流52优选地此后很快以希望的角度撞击涡轮机叶片48从而使涡轮机涡轮47旋转。然而要注意，旁路流在撞击低压涡轮机的涡轮叶片以回收能量之前与主废气流再结合并不是必须的。

图5示出了一个备选实施例，旁路通道43直接连接到废气歧管21，而非废气管线28。这样，对于这些实施例中的每个，将理解到，旁路装置43可以缩短为仅仅是废气歧管21和低压涡轮机27的进口之间的直接流体连接。另外，返回到图5，在图5中，双涡旋型涡轮机27`(例如图10)代替了涡轮机27，涡轮机27`的一个涡旋53接收从高压涡轮机25下游的废气管线28排出的较低速度和能量的废气，并且涡轮机27`的另一个涡旋53`接收直接从废气歧管21排出的较高能量和速度的旁路废气(在撞击低压涡轮机的涡轮叶片之前没有与其它废气再结合)。涡轮机27`的涡旋53和53`无需尺寸相同。双涡轮的涡轮机(比如涡轮机27`)在本领域中是已知的，尽管更常见地是涡轮具有相同的尺寸，比如用于分离的废气歧管。图10示出了示例性的双涡旋型涡轮机27`的剖视图。还将理解到，如果希望的话，就各个流朝向涡轮机涡轮叶片的导向而言，来自涡轮机27`的两个涡轮的流能以各种方式协同。

对于上面的图2至5，已经讨论了，旁路通道中的阀34在本发明中可用作(i)控制旁路流的调节阀，和(ii)将旁路流的一部分废气能量从压力转换为动能(其形式为旁路废气流增大的速度)的喷嘴。假设宽范围的废气流产生于在宽范围的内燃机速度和负荷条件下运行的内燃机中，对于本发明而言优选地是利用在加速旁路废气流中具有可变几何形状能力的阀/喷嘴装置，以扩展该系统在宽范围的内燃机操作中的益处和效率。

很多结构都可实现具有优选的可变几何形状能力的阀/喷嘴装置34。在图6A和6B中，作为用于双涡旋型涡轮机27`(或者也用于下述图12中的双涡轮机布置的单涡旋型涡轮机56)的一个优选实施例，包围涡轮机涡轮47的VGT叶片54用作阀/喷嘴装置。图6C示出了常规VGT叶片54的放大视图。

图6A示出了处于打开朝向的叶片54，其允许和引导旁路废气流49通向涡轮机叶片48，并且还用作使进入涡轮机叶片48的废气流49加速的可变几何形状喷嘴。相比之下，图6B示出了图6A的叶片54处于完全闭合朝向的情形(即，这里，将“尾部至鼻部(tail to nose)”在涡轮机涡轮47周围排成行)，从而密封和堵塞任何旁路废气流通过涡旋53`达到涡轮机叶片48。这样，VGT叶片54的位置完全能用作打开或关闭流动的调节阀，并且规定施加于该系统的废气管线28和/或废气歧管21的反压，并且从而还控制了允许主废气流通过高压涡轮机25的压降。因此这样就提供了通过备选废气路径的流量控制，包括成比例的流量控制，从而在更宽范围的内燃机速度和负荷操作条件下扩展该系统的益处和效率。

作为双涡旋型涡轮机27`的VGT叶片54的另外一种方案，图7A和7B利用涡旋53`中的滑板机构54执行阀/喷嘴作用来调节和加速涡旋53`中的旁路流通向涡轮机叶片48之中。类似地，图8利用滑动件/机构54``，示出为用于双涡旋型双流涡轮机壳体(其中对于该第二个例子，双涡旋相对于涡轮机涡轮47的圆周同心地布置，与相对于涡轮机涡轮47的圆周并排布置的情况形成对比)。

图9A和9B现在示出了本发明的多级涡轮增压系统的优选实施例。图9A类似于图5的实施例，除了下述之外。在图9A的优选实施例中，阀/喷嘴34由双涡旋型涡轮机27`的一个涡旋，涡旋53`中的可变几何形状涡轮机(VGT)机构54所替换。两个涡旋53和53`构造为就它们在涡轮机涡轮47的圆周周围的走向而言彼此并排地排列，如图9A中局部剖视图所示，并且在图9B和图10中更清楚地示出。VGT机构54在图9A和9B中示出为常规的可调节旋转叶片54(如同图6A-6C中示出的)，但是将能理解到，其它VGT和/或其它喷嘴机构也可等同地应用(例如，举例来说，由Cummins或图7A-7B和8中所使用的滑动喷嘴机构，或者具有铰接后缘的叶片(图6D))，这并没有脱离本发明的范围。

如同本领域已知的，可调节的VGT叶片54用作喷嘴以节流废气流并且利用所产生的限制来形成加速的高速废气流，并且还将该废气流导向进入涡轮机涡轮叶片48(例如，如图6A所示)。因而，在一个实施例中，VGT机构54包括常规的VGT叶片，其是布置在涡轮机涡旋53`中的一个圆中的旋转叶片，并且叶片能一致地旋转以形成废气通向涡轮机叶片48的更宽或更窄通路。如同本领域将理解到的，VGT机构54优选地布置为非常靠近涡轮机叶片48以使得经过叶片的旁路废气流的动能在旁路废气流以最佳角度撞击涡轮机叶片48之前能被完全保存并且不会丧失。相比之下，涡轮机27`的第二涡旋53优选地是没有VGT机构54的固定涡旋，但是可选地如果需要的话也能使用VGT。从涡轮机涡轮叶片48的涡旋53和53`的目标部分按需的流动作为一个例子在图9B的示例性实施例中示出。

再参照图9A，高压涡轮机25(仅以方块形式示出)由废气管线28流体地连接至废气歧管21。高压涡轮机25可选地如果需要的话也可包含VGT机构。废气通过进口和出口以常规的方式(未示出)进入和离开高压涡轮机25，并在废气管线28中持续到低压涡轮机27`的涡旋53，在该处其进一步膨胀。进一步膨胀的废气随后通过出口以常规的方式(未示出)离开低压涡轮机27`，并在废气管线28中继续以便废气再循环或者从废气系统中释放。低压涡轮机27`的旁路装置/涡轮机进口43也流体地连接至废气歧管21，从而允许高压废气绕过高压涡轮机25而达到低压涡轮机27`的涡旋53`。如上所述，VGT机构54(作为一个实施例，在这里示出为可调节的旋转VGT叶片)，在涡旋53`中替代阀来调节旁路废气流49通过涡旋53`的流量，并且还用作喷嘴装置来将旁路废气流49中的废气能量转换为动能(速度)以形成加速的旁路废气流51，并且导向加速的废气流51以适合的入射角撞击涡轮机叶片48(例如如图6A所示)以使涡轮机涡轮47旋转。VGT机构54布置在涡轮机叶片48附近使得旁路废气流的动能和动量增加能被保存住(通过不允许减速和膨胀)以便在涡轮机叶片48处转换为机械力。如上所述，来自涡旋53`的膨胀废气流然后通过出口以常规的方式(未示出)离开低压涡轮机27`，并在废气管线28中持续以便废气再循环或者从废气系统中释放。

图11示出了本发明的内燃机系统和涡轮增压系统的一个备选的优选实施例，类似于图5以及图9A和9B，但是包括了共同轴29``上的两个低压涡轮机56和57，代替双涡旋的低压涡轮机27`。涡轮机56以类似于图5和9A-9B所示涡旋53`的构造和方式利用VGT机构54，并且以前述方式之一从旁路通道43接收旁路废气流。涡轮机57，另一方面，优选地利用固定的几何形状，并且从废气管线28接收已经经过高压涡轮机25的废气，如同上述的那样。每个低压涡轮机56和57包括分离的涡轮机涡轮布置(标识为涡轮机涡轮47和47`，以及叶片48和48`，如图12所示)，并且旋转涡轮47和47`由共同的旋转轴29``所连接，旋转轴29``也是轴29的一部分，其将两个涡轮机56和57连接至压缩机12(如图11所示)。在该实施例中，压缩机12、轴29和29``、以及两个涡轮机布置56和57包括涡轮增压器31`。

在图9所示的涡轮机56和57中膨胀之后，离开涡轮机56和57的废气此后在废气管线28中的下游相结合(或者在一个备选方案中，在两个涡轮机涡轮增压器布置本身中)。

从前面能理解到，也能形成很多其它实施例来实现本发明的新颖目标和方法，并且这种具有等同功能和目标的变化也将落入本专利的范围内。例如，本发明的目标可在与内燃机涡轮增压系统相结合之外的其它场合中应用于气体或流体流的多级涡轮机。该专利因此应当仅由权利要求以法律允许的方式所限制。

Claims (31)

1.一种内燃机系统，包括：

内燃机，产生具有第一废气能级的压缩废气；

连接至所述内燃机的废气歧管，用于将所述压缩废气朝着废气管线导向流动；

第一高压级涡轮机，其连接至废气管线，具有与废气管线流体地连接的进口和出口，用于从所述压缩废气提取功，并且通过其出口以第二较低废气能级传递所述压缩废气；

至少一个低压级涡轮机，其具有至少一个流体地连接至第一涡轮机出口的进口，用于进一步从第二较低废气能级的所述压缩废气提取功；

旁路装置，用于将一部分具有第一废气能级的所述压缩废气流旁路绕过第一涡轮机，从第一涡轮机的上游到至少一个低压级涡轮机的至少一个进口；和

喷嘴装置，用于将仍然基本上接近第一废气能级的废气旁路流中的一部分废气能量以加速旁路废气流的形式转换为动能，以便在所述加速旁路废气流实质上消散之前在至少一个低压级涡轮机中将动能转换为机械功。

2.如权利要求1的内燃机系统，其中用于将旁路废气流中的一部分废气能量转换为动能的喷嘴装置是可变几何形状机构。

3.如权利要求2的内燃机系统，其中可变几何形状机构是常规的VGT叶片。

4.如权利要求2的内燃机系统，其中可变几何形状机构是可变几何形状阀。

5.如权利要求1的内燃机系统，其中仅有一个低压级涡轮机，但是具有第一和第二涡旋。

6.如权利要求5的内燃机系统，其中低压级涡轮机的第一涡旋流体地连接至旁路装置用于接收压缩废气的旁路流，并且其中低压级涡轮机的第二涡旋流体地连接至第一涡轮机的出口用以接收已经通过第一涡轮机的废气流以进行从压缩废气流的第一级功提取。

7.如权利要求6的内燃机系统，其中低压级涡轮机的第一涡旋具有可变几何形状机构。

8.如权利要求7的内燃机系统，其中低压级涡轮机的第一涡旋中的可变几何形状机构是常规的旋转VGT叶片。

9.如权利要求7的内燃机系统，其中低压级涡轮机的第一涡旋中的可变几何形状机构是具有铰接后缘的VGT叶片。

10.如权利要求7的内燃机系统，其中低压级涡轮机的第一涡旋中的可变几何形状机构是构造为可变地调节所述第一涡旋中的流动的滑动机构。

11.如权利要求1的内燃机系统，包括两个低压级涡轮机，其中这两个低压级涡轮机之一流体地连接至旁路装置用以接收压缩废气流的旁路流，并且这两个低压级涡轮机中的另一个流体地连接至第一涡轮机的出口用以接收已经通过第一涡轮机的废气流以进行从压缩废气流的第一级功提取。

12.如权利要求11的内燃机系统，其中两个低压级涡轮机由共同轴连接起来。

13.如权利要求1的内燃机系统，包括单个低压级涡轮机，其具有流体地连接至第一涡轮机出口和旁路装置的单个进口。

14.一种为内燃机提供增压的方法，包括：

使由内燃机产生的压缩废气通过具有高压涡轮增压器和至少一个低压涡轮增压器的多级涡轮增压系统；

旁路一部分压缩废气流绕过高压涡轮增压器达到低压涡轮机中的涡轮机；

在将旁路的压缩废气流与任何其余未被旁路的废气再结合之前或者没有再结合而非在再结合之后，将旁路的压缩废气流的一部分废气能量转换为动能；和

利用旁路废气流中转换的动能将增大的动量赋予低压涡轮增压器中涡轮机的涡轮机叶片。

15.一种涡轮增压器，包括空气压缩机以及通过轴连接至空气压缩机的双涡旋型涡轮机气体膨胀机，其中双涡旋型涡轮机气体膨胀机包括：第一可变几何形状涡旋，其具有与膨胀机流体地连接的第一涡轮机进口；和第二固定几何形状涡旋，其具有相应地流体连接至所述第二涡旋的第二涡轮机进口。

16.如权利要求15的涡轮增压器，其中第一可变几何形状涡旋利用常规的旋转VGT叶片。

17。如权利要求15的涡轮增压器，其中第一可变几何形状涡旋利用具有铰接后缘的VGT叶片。

18.如权利要求15的涡轮增压器，其中第一可变几何形状涡旋利用滑动机构来为涡旋提供可变流几何形状。

19.一种多级涡轮增压系统，包括：

第一高压级涡轮增压器，包括第一涡轮机，该第一涡轮机具有构造为与内燃机废气歧管流体地连接的进口，和出口；

第二低压级涡轮增压器，包括第二涡轮机，该第二涡轮机具有至少一个流体地连接至第一涡轮机出口的进口；

用于使废气流在传送到第二涡轮机的进口之前旁路绕过第一涡轮机达到第二涡轮机的至少一个进口而不膨胀经旁路的废气流的装置，以保存经旁路的废气的能量；和

第二涡轮机内用于将经旁路的废气流中保存的废气能量转换为动能以传送到第二涡轮机的涡轮机叶片以便提取功的装置。

20.如权利要求19的多级涡轮增压系统，其中第二涡轮机内用于将经旁路的废气流中保存的废气能量转换为动能的装置是常规的旋转VGT叶片。

21.如权利要求19的多级涡轮增压系统，其中第二涡轮机内用于将经旁路的废气流中保存的废气能量转换为动能的装置是具有铰接后缘的VGT叶片。

22.如权利要求19的多级涡轮增压系统，其中第二涡轮机内用于将经旁路的废气流中保存的废气能量转换为动能的装置是构造为可变地调节所述第二涡轮机中流动的滑动机构。

23.一种多级涡轮增压系统，包括：

第一高压级涡轮增压器，包括高压涡轮机，该高压涡轮机具有构造成与内燃机废气歧管流体地连接的进口，和出口；

第二低压级涡轮增压器，其具有两个低压涡轮机，包括：第一低压涡轮机，具有流体地连接至高压涡轮机出口的进口；和由共同轴机械地连接至第一低压涡轮机的第二低压涡轮机；

用于使废气流在传送到第二低压涡轮机的进口之前旁路绕过高压涡轮机达到第二低压涡轮机的进口而不膨胀经旁路的废气流的装置，以保存经旁路的废气的能量；和

第二低压涡轮机内用于将经旁路的废气流中保存的废气能量转换为动能以传送到第二低压涡轮机的涡轮机叶片以便提取功的装置。

24.如权利要求23的多级涡轮增压系统，其中第二涡轮机内用于将经旁路的废气流中保存的废气能量转换为动能的装置是常规的旋转VGT叶片。

25.如权利要求23的多级涡轮增压系统，其中第二涡轮机内用于将经旁路的废气流中保存的废气能量转换为动能的装置是具有铰接后缘的VGT叶片。

26.如权利要求23的多级涡轮增压系统，其中第二涡轮机内用于将经旁路的废气流中保存的废气能量转换为动能的装置是可变几何形状的滑动机构。

27.一种内燃机系统，包括：

内燃机，产生具有第一废气能级的压缩废气；

连接至所述内燃机的废气歧管，用于将压缩废气朝着废气管线导向流动；

第一高压级涡轮机，其连接至废气管线，具有与废气管线流体地连接的进口和出口，用于从压缩废气提取功，并且通过其出口以第二较低废气能级传递压缩废气；

至少一个低压级涡轮机，其具有至少一个流体地连接至第一涡轮机出口的进口，用于进一步从具有第二较低废气能级的压缩废气提取功；

旁路装置，用于将一部分具有第一废气能级的压缩废气流旁路绕过第一涡轮机，从第一涡轮机的上游到第一涡轮机的下游，刚好在低压级涡轮机的前面；和

喷嘴装置，用于将仍然基本上接近第一废气能级的废气旁路流中的一部分废气能量以加速旁路废气流的形式转换为动能，以便在所述加速的旁路废气流实质上消散之前在至少一个低压级涡轮机中将动能转换为机械功。

28.如权利要求27的内燃机系统，其中用于将旁路废气流中的一部分废气能量转换为动能的喷嘴装置是可变几何形状阀。

29.一种多级涡轮增压系统，包括：

用于从流体或气体流中提取功的第一级涡轮机，其具有用于接收处于第一较高能级流体的进口，以及传递处于第二较低能级流体的出口；

第二较低级涡轮机，具有至少一个流体地连接至第一涡轮机出口的进口，用以进一步从具有第二较低能级的流体流中提取功；

旁路装置，用于使一部分具有第一较高能级的流体流旁路绕过第一级涡轮机，从第一涡轮机的上游到第二较低级涡轮机的至少一个进口；和

喷嘴装置，用于将仍然基本上接近第一较高能级的旁路流中的一部分能量以加速旁路流的形式转换为动能，以便在所述加速旁路流实质上消散之前在第二低压级涡轮机中将动能转换为机械功。

30.如权利要求29的多级涡轮增压系统，其中第二低压级涡轮机还包括用于传递处于第三更低能级流体的出口，并且还包括：

第三级涡轮机，具有至少一个流体地连接至第二涡轮机出口的进口，用以进一步从具有第三更低能级的流体流中提取功；

第二旁路装置，用于使一部分具有较高能级的流体流旁路绕过第二级涡轮机，从第二涡轮机的上游到第三较低级涡轮机的至少一个进口；和

喷嘴装置，用于将仍然基本上接近较高能级的第二旁路流中的一部分能量以加速第二旁路流的形式转换为动能，以便在所述加速旁路流实质消散之前在第三低压级涡轮机中将动能转换为机械功。

31.如权利要求30的多级涡轮增压系统，其中第三级涡轮机还包括用于传递处于第四较低能级流体的出口，并且还包括：

第四级涡轮机，具有至少一个流体地连接至第三涡轮机出口的进口，用以进一步从具有第四较低能级的流体流中提取功；

第三旁路装置，用于使一部分具有较高能级的流体旁路绕过第三级涡轮机，从第三涡轮机的上游到第四级涡轮机的至少一个进口；和

喷嘴装置，用于将仍然基本上接近较高能级的第三旁路流中的一部分能量以加速第三旁路流的形式转换为动能，以便在所述加速旁路流实质上消散之前在第四级涡轮机中将动能转换为机械功。

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