CN102482989B - 用于空气节流式发动机的涡轮增压器系统 - Google Patents

Abstract

一种用于空气节流式发动机的涡轮增压器系统，在给发动机提供进气的进气管路系统内包括可变流量膨胀器(VFE)。在部分负荷运行中，VFE以可控的量使空气膨胀，并由此根据发动机的需要来调节气流。由VFE从进气流中提取的动力被输送至涡轮增压器，这有助于实现更快的涡轮增压器响应并改善从发动机的废气扫气。VFE可以是可变膨胀比涡轮。

Description

用于空气节流式发动机的涡轮增压器系统

背景技术

本申请主要涉及涡轮增压器系统。更具体地，本申请涉及其中在某些过渡运行状态期间需要用附加能量增强涡轮增压器动态性能的涡轮增压器系统。根据本公开的涡轮增压器系统可以应用于在进气系统中装有用于空气流量控制的节流设备的所有空气节流式发动机(例如燃烧任何类型燃料譬如汽油、乙醇、甲醇、CNG、LNG或LPG的火花点火式发动机，以及非火花点火式发动机譬如均质充量压燃(HCCI)发动机)。

装有空气节流系统的涡轮增压发动机的性能表现出几方面的问题。一个这样的问题是源自在发动机以部分节流模式运行时废气能量的量较低，这会导致涡轮无法足够快地旋转，造成对废气外流的限制。这会在发动机上施加不可接受的背压并且导致相应的性能恶化。另一个问题是对发动机动态性能的不利影响。这种现象是由于“涡轮迟滞”造成的，“涡轮迟滞”是指涡轮增压器在某些状态下当发动机要求快速提速时无法足够快地增加其速度。这种状态的其中一种是在发动机以部分节流模式运行并且节流阀突然移动至全开状态时。在部分节流运行中，废气流量和废气冲击能都非常小。所以，涡轮增压器中的涡轮旋转相对较慢并且因此压缩机就会提供增压非常微弱的空气。当节流阀突然打开以由发动机生成更大动力时，涡轮增压器不能足够快地加速以能提供所需要的空气流量。这种慢速响应导致发动机动力的增加缓慢，给用户造成不便。

发明内容

根据本公开，一种可变流量膨胀器(VFE)被设置在给发动机提供进气的进气管路系统内。VFE可以包括可变膨胀比涡轮。在部分负荷运行中，VFE以可控的量使空气膨胀，并由此根据发动机的需要来调节气流。由VFE从进气流中提取的动力被送回到涡轮增压器，这有助于实现更快的涡轮增压器响应。另外，输送至涡轮增压器的动力特别是在部分负荷运行期间能够有助于改善从发动机燃烧室的废气扫气，从而降低背压并提高发动机的性能。

在本文公开的一个实施例中，介绍了一种用于空气节流式内燃发动机的涡轮增压器系统，空气节流式内燃发动机具有用于给发动机提供进气的进气管路系统和用于从发动机中排出燃烧气体的排气管路系统。涡轮增压器系统包括涡轮增压器，涡轮增压器包括设置在进气管路系统内并且可操作用于压缩接收自进气管路系统的空气和将压缩空气通过进气管路系统提供给发动机的压缩机，以及设置在排气管路系统内并且可操作用于使接收自排气管路系统的废气膨胀以从废气中提取动力的涡轮，涡轮被机械耦合至压缩机用于可旋转地驱动压缩机。系统包括机械耦合至涡轮增压器并且在进气管路系统内与压缩机并联设置的可变流量膨胀器(VFE)。VFE包括可变膨胀比涡轮，其从在进气管路系统内流动的空气中提取动力并且利用该动力来帮助涡轮增压器旋转。可变膨胀比涡轮可控以用于调节通过其的空气流量并由此改变空气的膨胀量。系统进一步包括设置在压缩机和VFE上游的进气管路系统内的分配阀。分配阀能够可变地定位以用于在压缩机和VFE之间可变地分配空气。

在一个实施例中，分配阀被构造和设置为可以定位在第一位置、第二位置以及它们之间的多个位置。在第一位置，进气管路系统内流动的空气的大部分质量流量都被提供给VFE并因此绕过压缩机。在第二位置，进气管路系统内流动的空气的大部分质量流量都被提供给压缩机并因此绕过VFE。

根据进一步的实施例，涡轮增压器系统还包括将压缩机和VFE下游的一部分进气管路系统与分配阀上游的一部分进气管路系统相连接的旁通管道以及设置在旁通管道内的旁通阀。旁通阀可以在打开和关闭位置之间移动以分别允许和阻止空气流过旁通管道。旁通阀还可以在如果涡轮增压器系统中的其他部件故障的情况下用作供进气系统使用的备用节流阀。

在本说明书中，提及“空气”和“空气节流”并不是要将本发明限制为其中只有纯空气在进气管路系统内流动的应用，而是还包括其中空气混合有另外的流体例如用于内燃发动机的燃料的应用。因此如果在特定应用中需要的话，那么压缩机能够压缩空气和燃料的混合物，并且VFE能够使空气和燃料的混合物膨胀。而且，本发明也可以应用于其中由压缩机和VFE接收的流体是根本不包含任何空气的气体的系统。本发明中VFE能够在某些运行状态下借助来从流体流中提取能量并利用该能量帮助压缩机旋转的基本流体动力学和热力学过程实际上能够应用于经过VFE可膨胀的任何流体。

附图说明

因此，在已经概括性地介绍了本公开之后，现在参照附图来进行说明，附图并非一定是按比例绘制，并且在附图中：

图1是根据现有技术的涡轮增压发动机系统的示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的涡轮增压器系统；

图3示出了图2中处于未增压运行模式下的涡轮增压器系统；

图4示出了处于增压运行模式下的涡轮增压器系统；

图5示出了处于从增压运行模式向未增压运行模式快速过渡期间的某一时刻下的涡轮增压器系统。

具体实施方式

现在下文中参照附图更加完整地介绍本发明，附图中示出了本发明的部分而非全部的实施例。实际上，这些发明可以用多种不同形式实施并且不应被解读为受限于本文中列举的实施例；相反，提供这些实施例以使本公开能够满足可应用的法律要求。类似的附图标记始终表示类似的元件。

图1根据现有技术示出了一种典型的涡轮增压发动机系统。该系统包括空气节流式内燃发动机E和涡轮增压器系统10。发动机包括具有进气歧管11以接收空气的进气系统，空气用于和与空气混合的燃料一起分配至气缸统，燃料在气缸外部或内部与空气混合以形成燃料-空气混合物，通过用火花塞或类似装置点火而使燃料-空气混合物在气缸内燃烧。涡轮增压器系统10包括压缩机12，压缩机12接收来自空气净化器20的空气并压缩空气用于提供给进气歧管11。如果需要，可以设置中冷器14用于在向进气歧管11提供压缩空气之前先冷却压缩空气。节流阀15被设置在进气歧管11上游，并且可操作用于控制被吸入发动机内的空气的质量流量。压缩机12通常由连接至发动机排气歧管17的涡轮16可旋转地驱动。压缩机12和涡轮16被安装在同一根轴杆13上。废气经过涡轮而膨胀并且排放到排气系统18中。旁通阀19可以被设置在进气系统中以在压缩机11后方突然有压力升高的情况下例如在节流阀15突然被关闭时旁通空气返回到压缩机上游的通常是恰好在空气净化器20之后的位置。涡轮16可以包括排废门或旁通阀(未示出)用于在某些运行状态下旁通废气绕过涡轮。

现有技术中的系统在部分负荷的稳态运行期间的一个问题是节流阀处于相对关闭的位置，这就意味着通过发动机的空气质量流量相对较低。这就造成废气中的能量低，并且因此涡轮16无法足够快地运行并在发动机上施加相对较高的背压，导致相对较大的泵送损失和发动机的性能退化。另外，因为经过节流阀15的压降，所以在进气侧经过节流阀15就有能量损失。这就增加了循环抽吸损失，进一步不利地影响到发动机的性能。

而且，在动态运行期间，一个问题是涡轮增压器在要求快速增加发动机动力的指令发出时涡轮增压器不能快速地升高增压。这在发动机以废气流量和能量水平较低的部分节流模式运行时特别明显。涡轮16不能快速增加速度，导致增压的累积缓慢，这种现象通常被称为“涡轮迟滞”。由于对改善性能和降低排放的需求日益提高，因此对提高涡轮增压器稳态和动态性能的解决方案存在需求。

本文中介绍的改进涡轮增压器系统从进气流中获取能量，否则这部分能量就会在节流阀中损失，并将该能量输送至涡轮增压器以提高其稳态和动态性能。

参照图2，根据本发明的一个实施例示出了涡轮增压器系统110。涡轮增压器系统包括安装在轴杆113上的压缩机112和涡轮116。压缩机112被设置在发动机的进气管路系统130内，并且具体地被设置在进气管路系统的第一支路131内，空气在首先经过空气净化器120之后就由此被提供给压缩机。中冷器114可以被设置在压缩机112下游的第一支路131内。涡轮116被设置在发动机的排气管路系统140内。涡轮增压器系统包括在本文中称作VFE的可变流量膨胀器150。VFE 150被设置在进气管路系统的第二并联支路132内。支路131和132在空气净化器120下游的某个位置分叉并且在中冷器114下游的某个位置彼此重新汇合，它们在此并入通往发动机进气歧管111的进气流管路134内。

VFE可以包括可变膨胀比涡轮，其中膨胀比的改变通过适当地调节流动面积、气流速度以及空气在涡轮叶片上的入射角度实现。例如，VFE可以包括可变喷嘴涡轮(VNT)或者具有可滑动活塞或套管用于调节通往VFE的涡轮机叶轮的流动面积的涡轮。VFE通过提供相同的空气流量控制功能而取代了通常需要的空气节流阀(例如图1的现有技术系统中的节流阀15)。这是通过调节VFE内的空气膨胀度(通过调节VFE的可变喷嘴或活塞)以达到从VFE中排出的空气的期望压力和温度并由此达到期望密度，从而为发动机提供所需的质量流量而实现的。膨胀的空气在VFE的涡轮上做功并生成通过耦合至涡轮增压器的轴杆117输送至涡轮增压器的机械动力。

包括分配阀160以用于在VFE 150和压缩机112之间可变地分配总的空气流量。分配阀160位于进气管路系统中的支路131和132分叉的位置。因此，分配阀160从空气净化器120接收全部的气流并随后将空气分为两部分，一部分送往VFE，而其余部分则送往压缩机。分配阀的位置可以通过由控制器(未示出)控制的适当致动器(未示出)进行调节以使预定部分的空气通过VFE并使其余的空气通过压缩机，从而在发动机的进气歧管111处达到所需的空气质量流量条件和密度条件。

参照图3，当发动机以部分负荷运行时，分配阀160转移大部分气流通过VFE。VFE内的膨胀度决定了达到发动机要求的质量流量所需的外流空气的温度和压力，并因此决定了其密度。空气在引入进气歧管111之前先引入进气管134。根据流过VFE的空气的膨胀度，在VFE的轴杆117处生成机械动力。如此生成的机械动力通过涡轮增压器的轴杆113输送至涡轮116。这就有助于保持涡轮116的运转并且有助于将废气从发动机扫气，由此降低发动机上的背压并因此提高发动机的性能。涡轮还可以根据需要设有旁通装置例如排废门118。

参照图4，当发动机以全负荷运行时，分配阀160被定位成使空气总质量流量中的大部分都流过压缩机112以满足高需气量，同时只有非常少量的空气流过VFE 150。在这种运行状态下，用于运行压缩机的能量是源于由涡轮116从发动机废气中提取的能量。在从部分负荷向全负荷过渡期间，分配阀160和VFE 150以互相协作的方式工作从而使动力首先从VPE流向涡轮116以加速涡轮。在达到合理的涡轮增压器运行速度之后，分配阀160就逐渐停用VFE和大部分空气流过压缩机112。在此条件下，动力从涡轮116通过涡轮增压器轴杆流向压缩机112以实现所需的增压和空气流量。如果发动机需要，那么出自压缩机的空气温度可以通过中间设置的中冷器114而降低。旁通阀170可以被设置在进气管路系统内以允许在进气歧管111内的压力超过安全运行极限的情况下安全地释放压力。旁通阀170被设置在从进气管134分出并且在其相对端连接至分配阀160上游的进气管的旁通管道172内。旁通阀也可以在系统内其他部件失灵的情况下用作备用空气节流阀。旁通管道172的有利之处还在于它在分配阀或下游系统的任一部件无法符合预期地工作的情况下允许空气流动至发动机。

当发动机在不需要增压的状态(例如部分负荷状态)下运行时，大部分空气都通过适当地设置分配阀160而被引导通过VFE。这已在图3中示出。调节VFE的膨胀比以达到需要的空气流量。由VFE生成的动力被输送至涡轮增压器轴杆并保持涡轮运转。来自发动机的废气可以被引导至涡轮116或者可以通过操作排废门阀118而旁通绕过涡轮以实现最小的废气背压和最优的发动机性能。

当发动机在进气系统内需要加压空气的状态下运行时，分配阀160如图4所示被定位成引导大部分空气通过压缩机。如果压缩机出口处的温度高于发动机运行的可接受范围，那么增压空气可以被引导通过中冷器114。来自发动机的废气被输送通过涡轮116并且如此产生的动力被输送至压缩机以实现令人满意且稳定的运行。

在动态运行时，可能需要快速地从未增压运行转移至增压运行。在此情况下，分配阀160和VFE可以用预定方式运行以在VFE中生成更多动力用于快速地加速压缩机112。首先，来自空气净化器120的空气中的预定部分被输送通过VFE以生成用于加速压缩机的能量。其余部分的空气被引导通过压缩机以生成加压空气。分配阀160随后被逐渐移动以逐渐增加通往压缩机的空气流量和逐渐减少通往VFE的空气流量。用这种方式，涡轮增压器系统就能够更加快速地实现用于发动机的期望增压。也可以通过逐渐增加来自涡轮的能量来帮助压缩机加速。

在由涡轮增压器产生的增压大于发动机需求的情况下，可能需要从增压运行快速转移至非增压运行。在这样的情况下，分配阀160被快速操作以将来自空气净化器120的大部分空气引导到VFE 150内。VFE被适当调节以将所需的空气提供给发动机。暂时生成的过高增压压力通过暂时打开旁通阀170而快速释放。与此同时，来自涡轮116的动力也可以通过操作排废门阀118以旁通废气绕过涡轮而减小。

对于本发明所属领域的普通技术人员来说，通过以上说明和相关附图中给出的教导而受益之后，就可以想到本文中阐述的本发明的多种变形和其他的实施例。例如，本发明可以应用于由通过废气驱动涡轮机以外的其他装置驱动的压缩机增压的空气节流设备。因此，本发明包括例如用于空气节流设备(譬如内燃发动机)的供气系统的实施例，包括用于给所述设备提供进气的进气管路系统，设置在进气管路系统内并且可操作用于压缩接收自进气管路系统的空气和将压缩空气通过进气管路系统提供给所述设备的压缩机，机械耦合至压缩机并且在进气管路系统内与压缩机并联设置的可变流量膨胀器(VFE)；以及设置在压缩机和VFE上游的进气管路系统内的分配阀，所述分配阀能够可变地定位以用于可变地在压缩机和VFE之间分配进气管路系统内流动的空气。

因此，应该理解本发明并不局限于公开的具体实施例，并且各种变形和其他的实施例都应视为被包含在所附权利要求的保护范围内。尽管本文中使用了一些专用术语，但是仅仅是以普通的且说明性的含义来使用它们而并不是为了加以限制。

Claims (14)

1.一种用于空气节流式内燃发动机的涡轮增压器系统，空气节流式内燃发动机具有用于给发动机提供进气的进气管路系统和用于从发动机中排出燃烧气体的排气管路系统，所述涡轮增压器系统包括：

涡轮增压器，所述涡轮增压器包括设置在进气管路系统内并且可操作用于压缩接收自进气管路系统的空气和将压缩空气通过进气管路系统提供给发动机的压缩机，以及设置在排气管路系统内并且可操作用于使接收自排气管路系统的废气膨胀以从废气中提取动力的涡轮，所述涡轮被机械耦合至压缩机用于可旋转地驱动压缩机；

机械耦合至涡轮增压器并且在进气管路系统内与压缩机并联设置的可变流量膨胀器，可变流量膨胀器包括可变膨胀比涡轮以从在进气管路系统内流动的空气中提取动力并且利用所述动力来帮助涡轮增压器旋转，所述可变膨胀比涡轮可控以用于调节从其通过的空气流量并由此改变空气的膨胀量；以及

设置在压缩机和可变流量膨胀器上游的进气管路系统内的分配阀，所述分配阀能够可变地定位以用于可变地在压缩机和可变流量膨胀器之间分配进气管路系统内流动的空气。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中所述可变膨胀比涡轮包括可变喷嘴涡轮。

3.如权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中所述分配阀被构造和设置为可以定位在第一位置、第二位置以及其间的多个位置，其中第一位置促使将进气管路系统内流动的空气的大部分质量流量都提供给可变流量膨胀器并因此绕过压缩机，并且其中第二位置促使将进气管路系统内流动的空气的大部分质量流量都提供给压缩机并因此绕过可变流量膨胀器。

4.如权利要求1所述的涡轮增压器系统，进一步包括将压缩机和可变流量膨胀器下游的一部分进气管路系统与分配阀上游的一部分进气管路系统相连接的旁通管道，旁通管道在分配阀或下游系统的任一部件无法符合预期地工作的情况下允许空气流动至发动机。

5.如权利要求4所述的涡轮增压器系统，进一步包括设置在旁通管道内的旁通阀，所述旁通阀可以在打开和关闭位置之间移动以分别允许和阻止空气流过旁通管道。

6.一种用于运行涡轮增压器以提升空气节流式内燃发动机性能的方法，发动机具有用于给发动机提供进气的进气管路系统和用于从发动机中排出燃烧气体的排气管路系统，涡轮增压器包括设置在进气管路系统内并且可操作用于压缩接收自进气管路系统的空气和将压缩空气通过进气管路系统提供给发动机的压缩机，以及设置在排气管路系统内并且可操作用于使接收自排气管路系统的废气膨胀以从废气中提取动力的涡轮，所述涡轮被机械耦合至压缩机用于可旋转地驱动压缩机，所述方法包括以下步骤：

提供机械耦合至涡轮增压器并且在进气管路系统内与压缩机并联设置的可变流量膨胀器，可变流量膨胀器包括可变膨胀比涡轮以从在进气管路系统内流动的空气中提取动力并且利用所述动力来帮助涡轮增压器旋转；

控制所述可变膨胀比涡轮以调节从其通过的空气流量并由此改变空气的膨胀量；以及

可变地在压缩机和可变流量膨胀器之间分配进气管路系统内流动的空气。

7.如权利要求6所述的方法，其中通过将进气管路系统内流动的空气的大部分质量流量都分配给可变流量膨胀器并且控制可变流量膨胀器以使可变流量膨胀器从空气中提取动力并帮助涡轮增压器旋转而使涡轮增压器在非增压模式下运行。

8.如权利要求7所述的方法，其中在以非增压模式运行期间，来自发动机的废气被旁通绕过涡轮增压器的涡轮。

9.如权利要求6所述的方法，其中在部分负荷运行期间，涡轮增压器的涡轮从可变流量膨胀器接收动力，这有助于改善从发动机燃烧室的废气扫气，从而降低发动机上的背压并提高发动机的性能。

10.如权利要求6所述的方法，其中通过将进气管路系统内流动的空气的大部分质量流量都分配给压缩机而使涡轮增压器在增压模式下运行。

11.如权利要求6所述的方法，其中所述涡轮增压器通过以下步骤从非增压模式过渡到增压模式：

首先使在进气管路系统内流动的一部分空气通过可变流量膨胀器以促使可变流量膨胀器向涡轮增压器增加动力从而加速压缩机，并利用压缩机来压缩提供给发动机的其余空气；以及

在增加送往压缩机的空气质量流量的同时逐渐减小送往可变流量膨胀器的空气质量流量。

12.如权利要求6所述的方法，其中所述涡轮增压器通过以下步骤从增压模式过渡到非增压模式：

将空气的大部分质量流量分配给可变流量膨胀器，并且调节可变流量膨胀器以将空气提供给发动机；以及

通过将压缩空气从压缩机下游的一部分进气管路系统临时性地转移至压缩机和可变流量膨胀器上游的一部分进气管路系统来缓解由压缩机生成的过高增压。

13.如权利要求6所述的方法，进一步包括根据需要通过旁通废气绕过涡轮而降低涡轮输出的步骤。

14.一种用于空气节流式内燃发动机的供气系统，包括：

用于给发动机提供进气的进气管路系统；

设置在进气管路系统内并且可操作用于压缩接收自进气管路系统的空气和将压缩空气通过进气管路系统提供给发动机的压缩机；

机械耦合至压缩机并且在进气管路系统内与压缩机并联设置的可变流量膨胀器，可变流量膨胀器包括可变膨胀比涡轮以从在进气管路系统内流动的空气中提取动力并且利用所述动力来帮助压缩机旋转，所述可变膨胀比涡轮可控以用于调节从其通过的空气流量并由此改变空气的膨胀量；以及

设置在压缩机和可变流量膨胀器上游的进气管路系统内的分配阀，所述分配阀能够可变地定位以用于可变地在压缩机和可变流量膨胀器之间分配进气管路系统内流动的空气。

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