CN101943052A - 一种涡轮可变截面与变流量调节的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于车/船/工程机械用增压内燃机改善低工况性能与瞬态特性、且能兼顾满足全转速工况特性需要的具有涡轮可变截面与变流量调节功能的涡轮增压器。它主要由一个具有双流道进口涡轮蜗壳的普通常规结构涡轮增压器和一个“开关/引流阀”及相应的联接管路组成。利用阀箱内阀门启闭动作的联动转换切换，可使流入涡轮的排气燃气的流量和通流截面间的配置关系发生改变。据此可以进行调控，使在低(转速、负荷)工况时能大幅增升增压压力，并在高(转速、负荷)工况时抑限增压压力的增加。与现有技术相比，本发明具有功能齐全、调控度大、技术成熟、结构简单、成本低、易与现有技术融合的优点，极具发展潜力与推广应用价值。

Description

一种涡轮可变截面与变流量调节的涡轮增压器

技术领域

本发明涉及车、船和工程机械用内燃机增压技术领域内的涡轮增压器。

背景技术

内燃机废气涡轮增压是将内燃机排出的废气引入涡轮增压器中的涡轮机，利用废气所包含的能量推动涡轮叶轮旋转，带动涡轮增压器中与其同轴安装的压气机叶轮转动，使进入内燃机参与燃烧的空气在压气机内增压，提高了进气密度(增加了内燃机每工作循环的空气充量数量)后流入内燃机气缸，从而允许向气缸内添加更多数量的燃料进行完全燃烧，结果致使内燃机的输出功率(平均有效压力)得到进一步增加和提高。采用涡轮增压技术除可大幅度提高内燃机的功率外，还可显著改善内燃机的经济性(提高热效率、降低燃料消耗率)、减少有害排放与降低噪声量级。

现代内燃机不断提高升功率密度的现状与未来发展趋势，使内燃机的平均有效压力和涡轮增压器的增压比越来越高。内燃机与涡轮增压器之间，彼此因通流特性不同产生的相互匹配不适应的矛盾更加突出、严重。对于已按内燃机额定工况参数实现了优佳增压匹配的内燃机和涡轮增压器，当内燃机在低(转速、负荷)工况运行时，增压压力和进气空气充量数量会迅速降低，造成进气量不能满足气缸内燃料实现完全燃烧和降低热负荷(排气温度)的需求，从而产生冒黑烟、排气温度过高、有害排放超限、低速扭矩较小和燃料消耗率高等不良后果。这种高、低速工况增压优佳匹配难以兼顾的现象，对运行工况(转速、负荷)变化范围大的车、船和工程机械用高增压(高平均有效压力)增压内燃机尤为普遍和突出，已成为限制高增压、高性能内燃机发展的“瓶颈”与亟需攻关解决的重要难题。

在不断提高平均有效压力并相应改善低(转速、负荷)工况性能及瞬态特性(加速性)的内燃机涡轮增压技术发展的历史进程中，产生了现有技术的多种涡轮增压器和涡轮增压系统与改进措施(详见陆家祥主编《柴油机涡轮增压技术》·北京·机械工业出版社·1999·137～200页及朱大鑫编著《涡轮增压与涡轮增压器》·北京·机械工业出版社·1992·411～420页中的相关介绍与评述)。譬如，现有技术采用的高转速工况放气、变几何截面调节涡轮、进排气旁通、相继(顺序)增压、开关式涡轮增压器、引流式涡轮增压器、引射补气增压等涡轮增压器和涡轮增压系统，都是改善增压内燃机低(转速、负荷)工况性能与瞬态特性的有效方法，它们都能使低工况的增压压力获得明显提高。

上述措施能够有效提升、改善内燃机低(转速、负荷)工况性能的机理与实质在于：它们都对涡轮增压器的涡轮通流截面积和流量相互间配置的量值关系实施了有效的变化调节控制——其中一些采用的是变截面调节控制(譬如变几何截面涡轮喷嘴环、开关式涡轮增压器、相继顺序增压等)；另一些采用的是变流量调节控制(譬如带排气燃气旁通阀在高转速工况放气的车用涡轮增压器、低工况进排气旁通涡轮增压系统、引流涡轮增压器、引射补气涡轮增压器等)。但是上述现有技术也都存在着显而易见的缺点和不足，也即，它们分别在功能单一、调控效果、安全可靠性、结构复杂性及制造成本等诸方面都不同程度地存在着若干问题，影响它们的推广应用。

为了克服上述措施中变几何截面积涡轮喷嘴环调节和引流涡轮增压器两项技术存在的缺陷和不足，中国专利号CN101113678A和CN101560909A分别公开了一种具有补气可调涡轮喷嘴环结构和一种引流新结构的涡轮增压器，它们都兼具了涡轮可变截面与变流量双重调节的功能，大大提高了调控力度，并简化了结构，降低了制造成本和保证了使用的安全可靠。但该两技术方案在克服功能单一、更大幅度提升调控力度及简化结构降低制造成本方面仍存在可以继续改进的发展潜力。为了促使内燃机低工况性能与瞬态特性获得更全面和更完善的改造，本发明公开了一种新的涡轮可变截面与变流量调节的涡轮增压器结构方案。

发明内容

本发明的目的在于为改善内燃机的低工况性能与瞬态特性提供一种功能最齐全(兼具开关/引流补气/旁通放气功能)，调控效果佳(调控方便、力度大)，结构更简单、制造成本最低，能在全转速工况范围内满足内燃机动力性、经济性和排放要求的涡轮可变截面与流量调节的涡轮增压器结构技术方案。

在本发明的技术方案中，它将涡轮变截面调节与变流量调节的功能通过简单的机械结构与简单的调控方式有机地整合在一起，使其兼具了几乎全部已知现有技术(开关增压器、相继顺序增压、排气燃气旁通引流、进排气旁通短接、引射/引流补气增压器……)所具备的单一功能，并将这些功能统一起来相互作用，获得了使增压压力大幅增升的优佳效果。本发明为实现上述目的采用的技术方案如下：

本方案的核心技术是在一个涡轮具有双流道进口蜗壳的涡轮增压器的涡轮蜗壳燃气进口法兰与内燃机的排气管出口法兰的对接部位，增置接入一个“开关/引流阀”。该阀的阀室为一箱形结构，其内在由内燃机排气管出口法兰通往涡轮蜗壳进口法兰的方向，并排安置了两个流道：其中一个流道只通内燃机排气燃气；另一个流道则是一个具有能在内燃机低(转速、负荷)工况时通引流增压空气，而在高(转速、负荷)工况时改通排气燃气功能的公用管道(在该通道的侧壁，开有一个与增压空气出口歧管接通的管孔，由此引流出的部分增压空气与来自内燃机排气管出口的部分排气燃气间的通流切换，可依预先设定增压压力变化的范围由同一个公用的开关式电磁/电动阀同步联动控制“曲柄-摇臂阀门”的启闭变换，使控制二者的通流相互间始终保持“一通一断”(或“彼通此断”的状态)。阀箱内引流增压空气/排气燃气公用通道的排气燃气流道进口的通流面积A₁与排气燃气专用通道的流道进口通流面积A₂之比的合理择值范围为A₁/A₂＝1～2。

在本发明的技术方案中，涡轮增压器的本体结构与现有技术涡轮蜗壳为双流道结构的普通常规涡轮增压器的构造全同(对于具有单流道通道涡轮蜗壳结构的现有技术涡轮增压器，为了与“开关/引流阀”阀箱中的两个流道对接，宜将其涡轮蜗壳中仅在进口管部分的单流道改为双流道即可，其余可保持现有技术的构造不作任何改变)。这样，本发明方案涡轮增压器的构造特征与现有技术涡轮双流道蜗壳普通涡轮增压器结构的差异仅在于它多增加了一个“开关/引流阀”及相应与压气机增压空气出口歧管相连接的管路，结构非常简单，极易与现有技术融合采用，有利普及与推广。

本发明技术结构涡轮增压器与车/船/工程机械用内燃机增压匹配运行时，在低(转速、负荷)工况，“开关/引流阀”内通排气燃气的专用流道因无阀门控制通/断，始终都处于“通”的通流状态；但在阀箱内通引流增压空气/排气燃气的共用管道内，“开关/引流阀”的阀门使排气燃气的通流管孔关闭处于“断”的断流状态，而这时的引流增压空气管孔则处于“通”的通流状态。这样，排气燃气全由一个流道通过，其增升增压压力的功能与现有技术的“开关式涡轮增压器”(参见朱大鑫编著《涡轮增压与涡轮增压器》·北京·机械工业出版社·1992·441页)相同，可使增压压力大幅增升(但因在本发明中，增幅的大小可在设计阀内两个流道通流面积比值A₁/A₂的大小时予以控制，故可根据需要获得较“开关式涡轮增压器”高得多的增升值)。由于在此情况下，因为引流增压空气管孔通流补入的增压空气量，使流入涡轮蜗壳的燃气获得补气，增加了涡轮作功的量值，进一步提高了增压压力，这一功能也是现有技术“开关式涡轮增压器”不具备的。对于高(转速、负荷)工况，当增压压力高达到预先设定的限定值时，“开关/引流阀”阀箱内引流增压空气/排气燃气共用通道内的阀门开始动作进行通/断切换，这时，排气燃气管孔处于“通”的状态，而引流增压管孔则呈“断”的状态。由于排气燃气在阀箱内的通流面积骤然增加很多(至少是倍增)，使流入涡轮蜗壳的排气燃气流速剧降，涡轮作功能力下降很大，增压压力大幅降低。

通过对阀箱内两个流道通流面积比A₁/A₂的设计值的适当选择，合理设定“开关/引流阀”启闭的增压压力值和引流增压空气通道管孔直径值的大小，就可控制在全转速工况范围的增压压力变化。

在本发明技术方案结构的涡轮增压器中，“开关/引流阀”的阀门开/关的执行机构是最重要的。为此，本发明采用技术成熟、结构可靠的阀门结构与执行机构作为基本结构组成。首先，考虑阀门启闭执行机构动力源的选择，一般在中、重型客/货汽车和船舶用的内燃机动力装置中，为启动/制动/工作机械装置配置的高压压缩空气源罐、柜是必备设备，因此选用高压压缩空气作为动力源是首选，使用非常方便。对于不具备高压气源装置但却备有液压泵(譬如轿车液力机械变速装置中的配置)或发电机的轻型车与轿车的情况，则可选择液压或电动线性/角位移执行器。采用电磁阀控制气动气缸/液压缸活塞位移执行机构启闭阀门的实例(请参见张哲等《车用柴油机大小涡轮相继增压系统同定转速切换的试验研究》·内燃机工程·2010，31(1)及杨磊等《柴油机增压顺序增压系统进气切换机构的设计与数值模拟》·柴油机·2010，32(4)，34～37页)。其次是阀门结构的选择，根据结构简单、成本低廉、使用可靠的原则筛选，无疑，采用车用涡轮增压器中广泛应用的排气燃气旁通放气阀的“曲柄-摇臂阀门”结构是适宜的。

实用安装时，应尽量避免执行机构的电磁/电动阀及气缸体与高温零件/高温环境接近，(宜尽可能布置在压气机侧附近)，以免电磁/电动阀内的绝缘及缸内橡胶密封失效。

综上所述，本发明技术方案结构涡轮增压器由于“开关/引流阀”的设置，使它可以通过对阀门的启闭实现对引流增压空气补气量及排气燃气通流面积和通流量配置关系变化的控制，从而完成了对涡轮的变截面与变流量调节。

附图说明

图1示出了本发明结构涡轮增压器在内燃机动力装置中的系统总体布置图。

图2示出的是本发明技术方案中的车用涡轮增压器结构示意图。图中示出了在具有双流道涡轮蜗壳构造的现有技术普通常规结构的典型车用小型径(混)流涡轮增压器的涡轮蜗壳进口法兰与内燃机排气管出口法兰之间设置“开关/引流阀”的结构剖视图。图中数字含义：

1——内燃机排气管出口法兰；

2——开关/引流阀进口法兰；

3——曲柄-摇臂阀门；

4——开关/引流阀阀箱；

5——开关/引流阀出口法兰；

6——进口双流道涡轮蜗壳进口法兰；

7——涡轮；

8——压气机；

9——涡轮蜗壳中的专通排气燃气的流道；

10——涡轮蜗壳中的引流增压空气与排气燃气共用的流道。

图3示出了一种“开关/引流阀”的实际设计结构。

具体实施方式

现有技术载重客/货汽车内燃机采用的涡轮增压器的典型结构是一个具有双流道涡轮蜗壳构造并在涡轮壳出口管部分安装了排气燃气旁通放气阀构造的小型径(混)流式涡轮增压器。在该增压器中，除排气燃气旁通放气阀外，未再配置其它可以调节通流截面积和流量配置关系变化的机构和部件供改善内燃机低(转速、负荷)工况的增压配机性能之用。为了大幅提高、改善高增压车用内燃机外特性的低(转速、负荷)工况的性能，则必须大幅增升其在低工况时相应的增压压力值。为此，本发明技术方案首先采用在低速下况关闭一个涡轮蜗壳流道的通道面积，让全部排气燃气都在另一个涡轮蜗壳流道中流过的措施，以抑缓、抵消因内燃机转速下降所造成的流过涡轮的总排气燃气流量减少诱生的增压压力下降的程度。其次，再用在已关闭的涡轮蜗壳流道内开启引流增压空气管道阀门，引入增压空气直接对排气燃气补气，以增大涡轮流量的措施，补偿因内燃机转速下降导致的增压压力下降幅度。上述两种措施应用的效果总和，由于二者的相互作用的良性互补(增压压力的提高有利于补气引流量的增加；而补气力度的提升则又使增压压力增升的幅度进一步增加)故总获益远大于二者分开单独实施效益的累加。本发明技术方案的“开关/引流阀”改善低工况性能的机理就在于此。因此本发明结构技术方案，兼具了现有技术“开关式增压器”和“引流增压器”的功能，但在增升低工况增压压力效果上远较它们优越。此外，由于本发明方案采用了“开关/引流阀”，使它在结构上比“引流增压器”少用一个阀门，简化了构造、降低了成本与提高了安全性。

同样，本发明技术方案，在高(转速、负荷)工况，则会通过“开关/引流阀”的阀门关闭引流增压空气流入涡轮蜗壳流道的管路通孔(停止补气)，而同时这一阀门也将阀箱内该流道中的排气燃气通道开启。这样，阀箱的两个流道中流过的全是排气燃气，使排气燃气的通流面积大幅增加，降低了涡轮功率和增压压力，抑缓、限制了增压压力的增加。图1、图2和图3综合展示了本发明技术方案的涡轮增压系统、涡轮增压器结构以及关键技术部件“开关/引流阀”的构造和布置。据此可见，本发明结构非常简单，成本低廉，功能却极齐全且效果显著并易于实施，是一个极有推广应用价值的技术方案。

Claims (3)

1.一种涡轮可变截面与变流量调节的涡轮增压器，它由一个具有双流道进口涡轮蜗壳的普通常规结构涡轮增压器和一个“开关/引流阀”及相应的联接管路所组成。其特征在于：“开关/引流阀”的阀箱内，在由内燃机排气管出口法兰通往涡轮蜗壳进口法兰的方向，存在下述两个流道——其中一个为专通内燃机排气燃气的流道；剩下的另一个则为引流增压空气与排气燃气共用的流道。

2.按权利要求1所述的涡轮可变截面与变流量调节的涡轮增压器，其特征在于：“开关/引流阀”的进口法兰与内燃机排气管的出口法兰对接；“开关/引流阀”的出口法兰则与涡轮增压器的涡轮蜗壳的进口法兰对接。在“开关/引流阀”阀箱内的引流增压空气与排气燃气的共用流道内，用一个“曲柄-摇臂阀门”对位于该同一流道内的一个排气燃气进气孔和一个引流增压空气进气孔的启闭变换实施联动动作的同步切换(也即，使两个孔相互间始终处于“一通一断”或“彼通此断”的启闭变换联动状态)。

3.按权利要求1所述的涡轮可变截面与变流量调节的涡轮增压器，其特征在于：“开关/引流阀”的阀箱内，通排气燃气与引流增压空气共用流道的排气燃气进口的通流面积A₁与另一个专通排气燃气流道的进口通流面积A₂的比值的合理择用范围为A₁/A₂＝1～2。

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