CN101634244B - 涡轮增压器非对称分体涡轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡轮增压器非对称分体涡轮机，包括发动机，发动机上设有发动机排气管、涡轮壳、涡轮转子，所述涡轮壳上设有涡壳高压流道和涡壳低压流道，发动机排气管上设有高压排气歧管和低压排气歧管，所述高压排气歧管与涡壳高压流道连接，低压排气歧管与涡壳低压流道连接，涡壳高压流道A/R值小于涡壳低压流道A/R值，本发明采用了分体非对称结构，涡轮壳的两个流道具有不同的A/R值，分别连接不同的发动机排气管路，有效降低了部分发动机气缸的排气背压，减小了EGR工作过程对增压器的影响。本发明继承性好、结构简单，产品容易升级切换、成本低，容易快速实现工程化。
Description
技术领域
本发明涉及一种非对称涡轮增压器，特别是一种采用流通面积不同的分体涡轮机来改变发动机气缸的排气背压最终实现发动机废气再循环的涡轮增压器非对称分体涡轮机，属于内燃机领域。
背景技术
发动机采用增压技术以后，发动机燃烧得以改善，排放污染物中的碳烟、碳氢化合物大幅度降低，发动机的功率不断提升，减轻了同等功率发动机的体积和重量，增压技术越来越多的被利用在了先进发动机上。随着发动机功率的进一步提升，发动机的增压度也在不断提升，发动机的热负荷进一步加大，发动机排气温度升高。增压技术为发动机提供了高温富氧的工作环境，导致发动机排气污染物中氮氧化物的含量加大，氮氧化物的生成主要与燃烧温度和氧的浓度有关，因此，要控制氮氧化物的生成一般需要控制燃烧温度和氧的浓度，为满足日益严格的排放法规要求，人们提出了废气再循环技术(EGR)，并且在国外得到了有效应用。废气再循环技术是将发动机的部分废气直接(或者经冷却后)重新引入气缸，由于废气中二氧化碳等多原子分子的比热容较高，可有效降低燃烧温度，另外引入的废气可有效降低气缸中进入空气中的氧浓度。由于废气再循环技术在降低发动机排放中氮氧化物方面存在明显的优势，因此国内满足国3排放标准的发动机以及未来满足国4排放标准的新型发动机中根据中国实际情况大多采用了废气再循环技术。
目前，采用的废气再循环技术将废气引入气缸的路径有两种，一种是发动机气缸排出的废气经中冷和过滤后引至压气机入口，经压气机压缩后与新鲜空气一道进入气缸，这种循环为低压循环EGR。如图1所示，由发动机1排出的废气经涡轮增压器的涡轮机2膨胀作功后一部分进入颗粒捕集器3，然后进入后端的EGR阀4，EGR阀4根据发动机工况由控制系统控制再循环的废气量，另一部分排入大气。为了得到更好的效果，通过EGR阀4的高温洁净废气经过EGR冷却器5冷却后于通过空气滤清器6滤清的洁净空气进行混合，然后进入增压器的压气机7进行压缩，压缩后的混合气体通过增压气体中冷器8冷却后进入发动机1中参与燃烧。图1所示的低压循环EGR比较容易实现，为了满足发动机的动力性要求，因为压缩气体为混合气体，所需增压器的压气机7尺寸需要加大，同时，循环的废气中的残余颗粒可能对压气机7中的叶轮造成磨损，压缩的废气还可能对增压器及发动机进气系统造成污染和腐蚀，另外EGR率也受到增压比的限制。因为以上原因，低压循环EGR很少被采用，只能在一下小型轻载发动机上应用。另一种循环是发动机气缸排出的废气经中冷后直接引至发动机进气管，与经压气机压缩的新鲜空气混合后一起进入气缸，这种循环称为高压循环EGR。如图2所示，由发动机1排出的废气在进入涡轮增压器的涡轮机2以前，一部分高温废气在发动机控制系统控制下，经EGR阀4进入EGR冷却器5，经过EGR冷却器5冷却的高压废气与经过压气机7压缩后的洁净高压空气进行混合，然后经过增压气体中冷器8冷却后送入发动机1中参与燃烧。图2所示的高压循环EGR可有效避免引用的废气对增压器和发动机进气系统的污染和腐蚀，并消除了废气中的颗粒对高速旋转的压气机产生磨损的隐患，但高压循环EGR要实现有效循环，必须控制发动机排气背压高于发动机增压压力才行，因此高压循环EGR要求涡轮增压系统必须满足能够提供足够高的排气背压。
为实现高压EGR循环，国外比较通用的做法是采取可变截面涡轮增压器与EGR相结合，通过改变涡轮喷嘴流通面积来改变发动机排气背压，使发动机排气压力高于进气压力以实现废气循环，比较通用的可变截面涡轮增压器如图3、图4所示，包括支撑盘9、喷嘴叶片10、涡轮转子11、涡轮叶片12，喷嘴叶片10安装在支撑盘9上，通过控制系统来调整喷嘴叶片10的角度，从而实现控制进入涡轮叶片12的喷嘴通道截面的面积变化，使涡轮转子11转动速度随之变化。喷嘴叶片大开度a1位置，喷嘴流通截面积变大，发动机排气背压相对较低，喷嘴叶片小开度a2位置，喷嘴流通截面积变小，发动机排气背压相对较高，可变截面涡轮增压器是通过改变喷嘴截面积来控制进入涡轮叶片12的废气的压力，从而能够实现废气压力高于进气增压压力的要求，实现高压循环EGR。同时，因为高压循环EGR的排气背压始终高于进气增压压力的循环条件，导致了高压EGR发动机的工作效率下降。
由于可变截面涡轮增压器的控制和执行机构复杂，成本较高，且调节起来比较繁琐，在涡轮增压器高温工作环境下，可靠性存在缺陷。因此希望设计一种结构简单、调节方便的涡轮增压器，通过将不同数量的发动机气缸接入不同流通面积的通道来提高发动机某一部分气缸的排气背压，使高压EGR的以实现，同时，希望能够照顾到发动机的整体效率。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对可变截面涡轮增压器成本较高、控制复杂、可靠性差的局限性，提供一种成本较低、结构简单的涡轮增压器非对称分体涡轮机，能够分别利用发动机不同的气缸，有效提供高压循环EGR所需的进排气压差，在满足更高排放要求的基础上，提供更高的发动机效率。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种涡轮增压器非对称分体涡轮机，包括发动机，发动机上设有发动机排气管、涡轮壳、涡轮转子，所述涡轮壳上设有涡壳高压流道和涡壳低压流道，发动机排气管上设有高压排气歧管和低压排气歧管，所述高压排气歧管与涡壳高压流道连接，低压排气歧管与涡壳低压流道连接，涡壳高压流道A/R值小于涡壳低压流道A/R值。
上述方案中，所述低压排气歧管与涡壳低压流道直接连通，废气直接推动涡轮转子做功，A/R值为流道流通截面积与流道流通截面几何中心位置的比值，涡壳高压流道A/R值小于涡壳低压流道A/R值，使发动机的排气压力与进气压力的压差满足高压EGR的需要，因为低压排气歧管不提供废气再循环所需的高压环境，所连接的发动机气缸排气不受影响，可有效降低整机的泵气损失，提高发动机工作效率。
以下是本发明对上述方案的进一步改进：
所述涡轮壳的涡壳高压流道的涡壳截面积小于涡壳低压流道的涡壳截面积。
作为另一种改进：
所述涡轮壳的涡壳低压流道上设有废气旁通通道。
通过在低压流道设置废气旁通通道，可以减小涡壳低压流道与涡壳高压流道的A/R值的差距，进一步改善涡轮增压器的低速运行特点。
所述废气旁通通道的出口端面上设有旁通阀门，所述旁通阀门在发动机低速工况下关闭，在增压压力达到执行器的预设值后开启。
作为更进一步改进：
所述发动机排气管的高压排气歧管上设有EGR阀和EGR冷却器。
所述EGR冷却器与发动机之间的连接管道上设有气体加速管。
所述气体加速管呈减缩状，气体加速管进口的截面直径大于气体加速管出口的截面直径。
所述高压排气歧管与涡轮壳之间设有高压循环EGR，从高压排气歧管中取部分废气实现发动机的废气再循环，通过EGR阀的高压气体在气体加速管中流速提升，静压力下降，通过在EGR冷却器后增加气体加速管，可以有效降低通过高压EGR的废气与增压压力的差值，减少气体回流的几率，提升气动效率。
本发明通过对涡轮增压器非对称分体涡轮机的设计开发，有效的解决了高压EGR循环中对涡轮增压器较高排气压力的要求，减少了因为EGR取气导致的增压器控制难度。
本发明中的涡轮增压器非对称分体涡轮机改变了传统涡轮机的对称结构设计，采用了分体非对称结构，涡轮壳的两个流道具有不同的A/R值，分别连接不同的发动机排气管路，有效降低了部分发动机气缸的排气背压，减小了EGR工作过程对增压器的影响。
该发明中的非对称分体涡轮机充分利用了常规的涡轮增压器结构，通过改进传统涡壳流道满足了高压EGR的要求，降低了增压器的控制难度，同时兼顾了常规的无叶扩压器的具有较宽流量范围的优点。
本发明中的非对称分体涡轮机继承性好、结构简单，产品容易升级切换、成本低，容易快速实现工程化。
综上所述，采用涡轮增压器的非对称分体涡轮机，可以有效满足高压循环EGR所需要的工作条件，同时有效兼顾了发动机和增压器的效率，方案可有效满足国3和国4排放要求，成本低且调节简单。
下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步的说明：
附图说明
附图1是背景技术中低压循环EGR的系统示意图；
附图2是背景技术中高压循环EGR的系统示意图；
附图3是背景技术中可变喷嘴涡轮增压器的喷嘴部分大开度结构示意图；
附图4是背景技术中可变喷嘴涡轮增压器的喷嘴部分小开度结构示意图；
附图5是本发明实施例1、实施例3中非对称分体涡轮机的结构示意图；
附图6是本发明实施例2、实施例4中带旁通结构的非对称分体涡轮机的结构示意图；
附图7是本发明实施例1、实施例2中非对称分体涡轮机与EGR相结合的系统示意图；
附图8是本发明实施例3、实施例4中带加速管路的非对称分体涡轮机与EGR相结合的系统示意图。
图中：1-发动机、2-涡轮机、3-颗粒补集器、4-EGR阀、5-EGR冷却器、6-空气滤清器、7-压气机、8-增压气体中冷器、9-支撑盘、10-喷嘴叶片、11-涡轮转子、12-涡轮叶片、13-涡轮壳、14-发动机排气管、15-高压排气歧管、16-低压排气歧管、17-涡壳低压流道、18-涡壳高压流道、19-旁通阀门、20-废气旁通通道、21-气缸、22-气体加速管进口、23-气体加速管、24-气体加速管出口、a1-喷嘴叶片大开度、a2-喷嘴叶片小开度。
具体实施方式
实施例1，如图5所示，一种涡轮增压器非对称分体涡轮机，包括发动机，发动机上设有发动机排气管14、涡轮壳13和涡轮转子11，涡轮壳13内设有涡壳高压流道18和涡壳低压流道17，涡壳高压流道18的A/R值小于涡壳低压流道17的A/R值，所述涡壳高压流道18的涡壳截面积小于涡壳低压流道17的涡壳截面积。
涡壳高压流道18的前端与发动机排气管14的高压排气歧管15连接，涡壳低压流道17前端与发动机排气管14的低压排气歧管16连接，如图7所示，发动机1不同的气缸21中的高温废气分别通过低压排气歧管16和高压排气歧管15进入涡壳低压流道17和涡壳高压流道18中，推动涡轮转子高速旋转，带动压气机7中的做功部件将经过空气滤清器6滤清的空气压缩，经过增压气体中冷器8冷却后进入发动机1的不同气缸21参与燃烧。
EGR阀4的进口与高压排气歧管15连接，实现了高压EGR循环，从高压排气歧管15中取气实现废气再循环，再循环的废气通过EGR冷却器5中冷后进入发动机1的不同气缸参与燃烧。连接发动机1不同气缸21的低压排气歧管16上不受EGR阀取气影响，管路压力低，发动机1的燃烧效率高。
实施例2，如图6所示，一种涡轮增压器非对称分体涡轮机，包括发动机，发动机上设有发动机排气管14、涡轮壳13和涡轮转子11，涡轮壳13内设有涡壳高压流道18和涡壳低压流道17，涡壳高压流道18的A/R值小于涡壳低压流道17的A/R值，所述涡壳高压流道18的涡壳截面积小于涡壳低压流道17的涡壳截面积。
涡壳高压流道18的前端与发动机排气管14的高压排气歧管15连接，涡壳低压流道17前端与发动机排气管14的低压排气歧管16连接，为了保证高速增压器的可靠性，在涡壳低压流道17上设有废气旁通通道20，所述废气旁通通道20的出口端面上设有旁通阀门19，增压器的执行机构通过控制旁通阀门19来调节涡轮转子11的转速。
如图7所示，发动机1不同的气缸21中的高温废气分别通过低压排气歧管16和高压排气歧管15进入涡壳低压流道17和涡壳高压流道18中，推动涡轮转子高速旋转，带动压气机7中的做功部件将经过空气滤清器6滤清的空气压缩，经过增压气体中冷器8冷却后进入发动机1的不同气缸21参与燃烧。
EGR阀4的进口与高压排气歧管15连接，实现了高压EGR循环，从高压排气歧管15中取气实现废气再循环，再循环的废气通过EGR冷却器5中冷后进入发动机1的不同气缸参与燃烧。连接发动机1不同气缸21的低压排气歧管16上不受EGR阀取气影响，管路压力低，发动机1的燃烧效率高。
本发明可以通过缩小涡壳低压流道17的涡壳截面，达到减小涡轮增压器非对称分体涡轮机中涡壳高压流道18和涡壳低压流道17的A/R差值，进一步改善增压器的低速加速性能。
实施例3，如图5所示，一种涡轮增压器非对称分体涡轮机，包括发动机，发动机上设有发动机排气管14、涡轮壳13和涡轮转子11，涡轮壳13内设有涡壳高压流道18和涡壳低压流道17，涡壳高压流道18的A/R值小于涡壳低压流道17的A/R值，所述涡壳高压流道18的涡壳截面积小于涡壳低压流道17的涡壳截面积。
涡壳高压流道18的前端与发动机排气管14的高压排气歧管15连接，涡壳低压流道17前端与发动机排气管14的低压排气歧管16连接，如图8所示，发动机1不同的气缸21中的高温废气分别通过低压排气歧管16和高压排气歧管15进入涡轮机2的涡壳低压流道17和涡壳高压流道18中，推动涡轮转子11高速旋转，带动压气机7中的做功部件将经过空气滤清器6滤清的空气压缩，经过增压气体中冷器8冷却后进入发动机1的不同气缸21参与燃烧。
EGR阀4的进口与高压排气歧管15连接，实现了高压EGR循环，从高压排气歧管15中取气实现废气再循环，再循环的废气通过EGR冷却器5中冷后进入气体加速管23，气体加速管23呈减缩状，气体加速管进口22的直径大于气体加速管出口24，经EGR冷却器5冷却后的再循环废气经过气体加速管23的加速后，压力降低，与增压后的气体有效混合后进入发动机1的不同气缸参与燃烧。连接发动机1不同气缸21的低压排气歧管16上不受EGR阀取气影响，管路压力低，发动机1的燃烧效率高。
实施例4，如图6所示，一种涡轮增压器非对称分体涡轮机，包括发动机，发动机上设有发动机排气管14、涡轮壳13和涡轮转子11，涡轮壳13内设有涡壳高压流道18和涡壳低压流道17，涡壳高压流道18的A/R值小于涡壳低压流道17的A/R值，所述涡壳高压流道18的涡壳截面积小于涡壳低压流道17的涡壳截面积。
涡壳高压流道18的前端与发动机排气管14的高压排气歧管15连接，涡壳低压流道17前端与发动机排气管14的低压排气歧管16连接。
本发明可以通过缩小涡壳低压流道17的涡壳截面，达到减小涡轮增压器非对称分体涡轮机中涡壳高压流道18和涡壳低压流道17的A/R差值，进一步改善增压器的低速加速性能。
为了保证高速增压器的可靠性，在涡壳低压流道17上设有废气旁通通道20，所述废气旁通通道20的出口端面上设有旁通阀门19，增压器的执行机构通过控制旁通阀门19来调节涡轮转子11的转速。
如图8所示，发动机1不同的气缸21中的高温废气分别通过低压排气歧管16和高压排气歧管15进入涡壳低压流道17和涡壳高压流道18中，推动涡轮转子高速旋转，带动压气机7中的做功部件将经过空气滤清器6滤清的空气压缩，经过增压气体中冷器8冷却后进入发动机1的不同气缸21参与燃烧。
EGR阀4的进口与高压排气歧管15连接，实现了高压EGR循环，从高压排气歧管15中取气实现废气再循环，再循环的废气通过EGR冷却器5中冷后进入气体加速管23，气体加速管23呈减缩状，气体加速管进口22的直径大于气体加速管出口24，经EGR冷却器5冷却后的再循环废气经过气体加速管23的加速后，压力降低，与增压后的气体有效混合后进入发动机1的不同气缸参与燃烧。连接发动机1不同气缸21的低压排气歧管16上不受EGR阀取气影响，管路压力低，发动机1的燃烧效率高。
本发明专利针对高压循环EGR对发动机进排气压差的要求，通过对涡轮增压器非对称分体涡轮机的设计开发，有效的解决了高压EGR循环中对涡轮增压器较高排气压力的要求，减少了因为EGR取气导致的增压器控制难度。解决了传统的可变截面涡轮增压器成本高、控制复杂的不足，大大降低了增压器成本，结构简单、可靠。
Claims (7)
1.一种涡轮增压器非对称分体涡轮机，包括发动机(1)，发动机(1)上设有发动机排气管(14)、涡轮壳(13)、涡轮转子(11)，所述涡轮壳(13)上设有涡壳高压流道(18)和涡壳低压流道(17)，发动机排气管(14)上设有高压排气歧管(15)和低压排气歧管(16)，其特征是：所述高压排气歧管(15)与涡壳高压流道(18)连接，低压排气歧管(16)与涡壳低压流道(17)连接，涡壳高压流道(18)的A/R值小于涡壳低压流道(17)的A/R值。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器非对称分体涡轮机，其特征是：所述涡轮壳(13)的涡壳高压流道(18)的涡壳截面积小于涡壳低压流道(17)的涡壳截面积。
3.根据权利要求2所述的涡轮增压器非对称分体涡轮机，其特征是：所述涡轮壳(13)的涡壳低压流道(17)上设有废气旁通通道(20)。
4.根据权利要求3所述的涡轮增压器非对称分体涡轮机，其特征是：所述废气旁通通道(20)的出口端面上设有旁通阀门(19)。
5.根据权利要求1～3其中之一所述的涡轮增压器非对称分体涡轮机，其特征是：所述发动机排气管(4)的高压排气歧管(15)上设有EGR阀(4)和EGR冷却器(5)。
6.根据权利要求5所述的涡轮增压器非对称分体涡轮机，其特征是：所述EGR冷却器(5)与发动机(1)之间的连接管道上设有气体加速管(23)。
7.根据权利要求6所述的涡轮增压器非对称分体涡轮机，其特征是：所述气体加速管(23)呈减缩状，气体加速管进口(22)的截面直径大于气体加速管出口(24)的截面直径。
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