CN101629495B - 可变流动涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变流动涡轮增压器，包括涡轮壳(15)、涡轮(14)、压壳(21)，所述的涡轮壳(15)内从涡壳进口(17)至涡轮(14)，设有两个并行的流道，即流道A(18)和流道B(19)，在所述的流道A(18)内，设有可将流道A(18)完全关闭的旋转式的阀门(5)。采用上述技术方案，使发动机排气中的能量被充分利用，有效提高了增压器在发动机低工况时的增压度。使增压器从小流量和大流量都可以高效地工作，从而可以实现涡轮增压器和发动机在全工况的理想匹配。

Description

可变流动涡轮增压器

技术领域

本发明属于汽车构造的技术领域，涉及汽车发动机的结构，更具体地说，本发明涉及一种可变流动涡轮增压器。

背景技术

增压技术已经广泛运用在发动机领域，尤其是在柴油机领域。利用增压技术，可以使发动机在不增加排气量的前提下大幅度增加输出功率、扭矩。由于发动机本身尺寸、重量没有显著增加，同时利用其他技术，如废气中冷等，可显著提高效率，从而在增加发动机功率、扭矩的同时，达到显著降低油耗和排放的目的。目前，增压器已经是柴油发动机的标准配置。在汽油机市场上，增压机型也在迅速普及。发动机在高工况时排出的废气质量流量大、流速快、温度高，增压器可利用的能量多。

最早出现的普通涡轮增压器不能与发动机在全工况下理想匹配，在低工况时进气不足、燃烧不良，高工况时增压过量，这样既浪费能量，又产生有害排放。

带旁通阀的涡轮增压器是目前普遍使用的涡轮增压器。当发动机运行到一定工况后，旁通阀就打开，开始放气，避免涡轮转速过高，保证不增压过量。带旁通阀的涡轮增压器解决了发动机在低工况下进气不足、燃烧不良和高工况下增压过量的问题。为了保证在发动机低负荷时有一定的增压量，旁通阀式涡轮增压器在发动机高负荷时旁通释放一部分能量以保证不过量增压，因此旁通阀式的涡轮增压器未能充分利用发动机排放的废气能量，发动机的燃油消耗量和排放都不能有效降低。

所以，带旁通阀的涡轮增压器依然不能与发动机的全工况完全匹配，而且很多高能量的气体通过旁通阀旁通到排气系统，浪费了大量能量，有害气体排放也没有减少。

随着排放法规要求的日益苛刻，能源紧缺状况日益严重，可变截面和可变喷嘴涡轮增压器逐步得到应用。可变截面和可变喷嘴涡轮增压器通过改变涡轮进口面积或改变涡轮进口气流状态，使增压器和发动机在全工况下理想匹配。然而，可变截面和可变喷嘴涡轮增压器的结构和控制机构复杂，制造加工困难，整机价格昂贵。由于零部件多且复杂，整机的可靠性和耐久性很难保证，装机运行后的维护成本高。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种可变流动涡轮增压器，其目的是实现涡轮增压器和发动机全工况的匹配要求，充分利用发动机的废气能量，并有效降低发动机排放，提高发动机的燃油经济性。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明所提供的这种可变流动涡轮增压器，包括涡轮壳、涡轮、压壳，所述的涡轮壳内从涡壳进口至涡轮，设有两个并行的流道，即流道A和流道B，在所述的流道A内，设有可将流道A内腔完全关闭的旋转式的阀门。

所述的阀门的开启关闭结构为：所述的阀门与阀门转轴连接，所述的阀门转轴的轴线与所述的流道A内腔的中心线垂直并相交，所述的阀门转轴从所述的流道A的内腔伸到所述的涡轮壳外，所述的阀门转轴的外端通过曲柄总成与执行器的活塞杆连接。

所述的执行器为膜片式的气缸活塞结构，所述的执行器上的气嘴与发动机上的真空电磁阀的阀口连接，所述的真空电磁阀的控制电路与发动机电控单元(ECU)连接。

所述的执行器通过执行器支架固定在涡轮壳上的涡壳进口处的外壳上。

所述的涡轮壳内设有两个限位螺栓、，分别设在所述的阀门的开启极限位置和关闭极限位置。

在所述的涡轮的轴线方向上，所述的流道A靠近涡壳出口，所述的流道B远离涡壳出口。

在所述的涡轮壳与压壳之间，设中间壳，所述的中间壳上设有润滑油的通道和冷却水的通道。

本发明采用上述技术方案，使发动机排气中的能量被充分利用，有效提高了增压器在发动机低工况时的增压度，使增压器从小流量和大流量都可以高效地工作，从而可以实现涡轮增压器和发动机在全工况的理想匹配。在发动机高工况时阀门完全打开，流道内气流速度不会太高；发动机工况低时阀门逐渐关闭，当发动机转速和负荷降低到某一工况时阀门完全关闭，流道内气流速度不会太低。这样既可以解决发动机低负荷增压不足，高工况增压过量的问题；又可以充分利用发动机排出的废气能量，不存在高工况情况下旁通废气的问题，因此可以有效节约能源，提供发动机效率，降低发动机排放的温室气体。涡轮进口的气流速度可以保证在设计工况附近，涡轮可以保持在高效范围内运行。因此，在发动机整个运行工况内，增压器都是在高效区内运行的。且本发明的结构简单，易于加工制造，结构可靠性和耐久性可以得到有效保证。相比于普通的旁通阀式涡轮增压器，零部件数量并没有增加，整机价格与旁通阀式增压器的整机价格相当，性能却可以与价格昂贵的VNT涡轮增压器相当，因此可变流动涡轮增压器性价比高。可变流动涡轮增压器不仅适用于6缸、8缸等高排量发动机，也适合于3L以下低排量发动机。可根据需要，两个流道的流动截面形状和大小可以完全相同，也可以不同。

附图说明

下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明中阀门与执行器的连接结构示意图；

图2为本发明中的涡壳出口正面结构示意图；

图3为本发明中的涡壳进口侧面结构示意图；

图4为本发明结构的立体示意图。

图中标记为：

1、执行器，2、螺母，3、螺母，4、限位螺栓，5、阀门，6、阀门转轴，7、限位螺栓，8、曲柄总成，9、螺母，10、气嘴，11、执行器支架，12、螺栓，13、涡壳出口，14、涡轮，15、涡轮壳，16、背板，17、涡壳进口，18、流道A，19、流道B，20、中间壳，21、压壳，22、压壳进口，23、压壳出口，24、润滑油出口，25、冷却水口，26、润滑油进口。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1至图4所表达的本发明的结构，为一种可变流动涡轮增压器，包括涡轮壳15、涡轮14、压壳21。所述的涡轮14与压壳内旋转叶轮同轴，且两者均固定安装在该轴上。压壳21上设压壳进口22和压壳出口23，所述的压壳进口22和压壳出口23串接与进气管道上。涡轮壳15安装在背板16上。

涡壳进口17接在发动机的排气管上，涡壳出口13将废气向大气排放。涡轮14在发动机排放废气的驱动下旋转，同时涡轮14驱动压壳内旋转叶轮的旋转，压壳内旋转叶轮对进气管路中的气体进行增压，提高发动机气缸进气压力，实现油气的充分混合和燃烧，提高发动机的效率。

为了解决在本说明书背景技术部分所述的目前公知技术存在的问题并克服其缺陷，实现满足涡轮增压器和发动机全工况的匹配要求，充分利用发动机的废气能量，并有效降低发动机排放，提高发动机的燃油经济性的发明目的，本发明采取的技术方案为：

本发明所提供的这种可变流动涡轮增压器，所述的涡轮壳15内从涡壳进口17至涡轮14，设有两个并行的流道，即流道A18和流道B19，在所述的流道A18内，设有可将流道A18内腔完全关闭的旋转式的阀门5。

可变流动涡轮增压器的涡轮壳15是双流道的涡轮壳，在其中一个流道进口附近设置一个阀门5，阀门5可以90°自由旋转，实现阀门5的开启和关闭。

传统的双流道涡轮增压器一般应用于六缸、八缸等多缸发动机，涡壳的两个流道截面积是相同的，形状也是对称的，这种形状和布置可以充分利用发动机排气脉冲能量，提高增压器的效率。本发明的可变流动涡轮增压器在发动机高速高负荷时，增压器控制阀门5完全打开，就相当于传统的双流道涡轮增压器，可以充分利用发动机脉冲的排气能量，涡轮14的效率高。随着发动机工况的降低，气动膜片式执行器1控制增压器阀门5逐渐关闭，这样可以保证其中一个流道的涡轮进口速度始终基本满足设计工况的要求，因而可以保证在发动机低工况时涡轮也是高效工作，

上述技术方案取消了传统的旁通阀式涡轮增压器中的旁通阀，通过调节涡轮壳15流道的流通面积来改变涡轮壳内的气流速度，使增压器从小流量和大流量都可以高效的工作，从而可以实现涡轮增压器和发动机在全工况的理想匹配。

其工作原理是：

当发动机在高工况条件下运行时，可变流动涡轮增压器流道A18进口处之内的阀门5是打开的，发动机排放的废气是从两个流道一起流向涡轮14做功，每个流道通过的气体量是整个发动机排气量的一半。当发动机工况逐渐减小时，流道A18进口处之内的阀门5逐渐关闭，此时流道A18通过的气体流量逐渐减小，流道B19通过的气体质量基本保持不变。阀门5的开度的大小是根据发动机转速、排气温度、压力、质量流量确定的。

当发动机转速较低时，发动机排气流量小，流道A18内的阀门5是完全关闭的，这时从发动机排出的气体从涡壳进口17进入流道B19内，高温高压的发动机废气对涡轮14充分做功后从涡壳出口13排到后面的排气系统中；当发动机转速增加到一定程度后，阀门5被打开，一部分发动机废气从流道A 18内通过并吹向涡轮14；随着发动机转速的不断提高，阀门开度逐渐加大。

阀门开度随发动机转速的变化需要事先标定。

以下是本发明的具体实施示例，供本领域的技术人员在实施本发明时参考和应用：

阀门5的开启关闭结构的实施例：

本发明所述的阀门5的开启关闭结构为：所述的阀门5与阀门转轴6连接，所述的阀门转轴6的轴线与所述的流道A18内腔的中心线垂直并相交，所述的阀门转轴6从所述的流道A18的内腔伸到所述的涡轮壳15外，所述的阀门转轴6的外端通过曲柄总成8与执行器1的活塞杆连接。

执行器1通过曲柄总成8调节控制阀门5的开度，曲柄总成8与阀门5焊接在一起。曲柄总成8与执行器1的活塞杆通过螺母9进行紧固连接。曲柄总成8将执行器1的直线往复运动转换成阀门转轴6的旋转运动。

为了保证阀门摇臂(阀门转轴6)即穿过涡轮壳15时的密封性，在阀门转轴6穿过涡轮壳15的位置，设密封衬套，使涡轮壳15的孔与阀门转轴6形成密封的配合。

执行器1结构及控制方式的实施例：

本发明所述的执行器1为膜片式的气缸活塞结构，所述的执行器1上的气嘴10与发动机上的真空电磁阀的阀口连接，所述的真空电磁阀的控制电路与发动机电控单元(ECU)连接。

阀门5通过连接机构与气动膜片式执行器1连接在一起，执行器1由发动机ECU(发动机电控单元)控制。发动机ECU根据发动机实际运行工况来控制执行器进而调节阀门5开度。

阀门5的开度是根据发动机转速、排气温度、压力、质量流量，通过发动机ECU向执行器1发出指令。

执行器1上的气嘴10与发动机上真空电磁阀连接在一起，发动机ECU通过电信号调节真空电磁阀中真空度的大小，进而通过执行器1来调节阀门5的开度。

阀门5的开度的大小是根据发动机转速、排气温度、压力、质量流量，通过发动机ECU向执行器1发出指令。当发动机运行工况到达某一条件下时，阀门5完全关闭，此时从发动机排出的废气完全从一个流道流向涡轮做功，另外一个流道没有气体通过。此时增压器通气的那个流道的气流速度是从两个流道平均流过时气流速度的两倍，流体动能则是从两个流道平均流过时流体动能的四倍，涡轮进出口焓降增加，即发动机排气中的能量被充分利用了，有效提高了增压器在发动机低工况时的增压度。

执行器1的安装固定方式的实施例

本发明所述的执行器1通过执行器支架11固定在涡轮壳15上的涡壳进口17处的外壳上。

执行器1通过两个或两个以上的螺母2和执行器支架11固定连接在一起，执行器支架11通过三个螺栓12与涡轮壳15固定连接在一起。

阀门5的启闭限位结构的实施例：

本发明所述的涡轮壳15内设有两个限位螺栓4、限位螺栓7，分别设在所述的阀门5的开启极限位置和关闭极限位置。

限位螺栓4、限位螺栓7分别通过螺母3固定在涡轮壳15上。

限位螺栓4和限位螺栓7主要是保证执行器1在调节阀门5开启或关闭时不超过事先规定的开度和关闭度。

两个流道的分布方式的实施例

在本发明所述的涡轮14的轴线方向上，所述的流道A18靠近涡壳出口13，所述的流道B19远离涡壳出口13。

涡轮壳15是双流道，流道A18靠近涡壳出口13，流道B19远离涡壳出口13，用于调节气体流量的阀门5位于流道A18内。

用于控制流量的阀门5位于靠近涡壳出口端的流道内，当阀门5逐渐关闭时，气流主要从远离涡壳出口的流道进入涡轮内，这样可以增加气流对涡轮的做功，提高涡轮效率。

中间壳15的实施例：

在本发明所述的涡轮壳15与压壳21之间，设中间壳20，所述的中间壳20上设有润滑油的通道和冷却水的通道。

为了适应汽油发动机等排气温度较高的内燃机，本发明在靠近涡轮壳端的中间壳内布置了冷却水腔。

本发明的中间壳20包含润滑油腔和冷却水腔，来自发动机主油道的润滑油从润滑油进口26进入中间壳20，对轴和轴承充分润滑和冷却后，从润滑油出口24流回到发动机的油底壳。为了适应于汽油发动机等排气温度较高的内燃机，本发明在靠近涡壳端的中间壳内布置了冷却水腔。冷却水腔上设有冷却水口25。

如果用于排气温度不高的柴油发动机，在中间壳中可以不布置冷却水腔。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可变流动涡轮增压器，包括涡轮壳(15)、涡轮(14)、压壳(21)，所述的涡轮壳(15)内从涡壳进口(17)至涡轮(14)，设有两个并行的流道，即流道A(18)和流道B(19)，在所述的流道A(18)内，设有可将流道A(18)内腔完全关闭的旋转式的阀门(5)，其特征在于所述的阀门(5)的开启关闭结构为：

所述的阀门(5)与阀门转轴(6)连接，所述的阀门转轴(6)的轴线与所述的流道A(18)内腔的中心线垂直并相交，所述的阀门转轴(6)从所述的流道A(18)的内腔伸到所述的涡轮壳(15)外，所述的阀门转轴(6)的外端通过曲柄总成(8)与执行器(1)的活塞杆连接。

2.按照权利要求1所述的可变流动涡轮增压器，其特征在于：所述的执行器(1)为膜片式的气缸活塞结构，所述的执行器(1)上的气嘴(10)与发动机上的真空电磁阀的阀口连接，所述的真空电磁阀的控制电路与发动机电控单元连接。

3.按照权利要求1或2所述的可变流动涡轮增压器，其特征在于：所述的执行器(1)通过执行器支架(11)固定在涡轮壳(15)上的涡壳进口(17)处的外壳上。

4.按照权利要求1或2所述的可变流动涡轮增压器，其特征在于：所述的涡轮壳(15)内设有两个限位螺栓(4、7)，分别设在所述的阀门(5)的开启极限位置和关闭极限位置。

5.按照权利要求1或2所述的可变流动涡轮增压器，其特征在于：在所述的涡轮(14)的轴线方向上，所述的流道A(18)靠近涡壳出口(13)，所述的流道B(19)远离涡壳出口(13)。

6.按照权利要求1或2所述的可变流动涡轮增压器，其特征在于：在所述的涡轮壳(15)与压壳(21)之间，设中间壳(20)，所述的中间壳(20)上设有润滑油的通道和冷却水的通道。

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