CN102562273B - 具有可变几何增压涡轮的涡轮复合装置及其发动机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮复合装置及具有该装置的发动机系统，其中所述涡轮复合装置包括：具有可分配废气能量的调节机构的可变几何增压涡轮；位于所述可变几何增压涡轮下游的废气驱动的动力涡轮，所述动力涡轮的输出端与所述发动机的曲轴相连；和执行器，所述执行器可根据所述发动机的实际工况来控制所述调节机构工作。所述发动机系统包括：发动机；涡轮复合装置；压气机，所述压气机与所述可变几何增压涡轮连接；以及中冷器，所述中冷器连接在所述压气机和发动机的气缸之间。根据本发明实施例的发动机系统，能够更加充分地利用发动机排出废气所具有的能量，提高发动机全工况下的动力性能和转矩输出，改善燃油经济性，降低排放。

Description

具有可变几何增压涡轮的涡轮复合装置及其发动机系统
技术领域
本发明涉及内燃机排气能量回收领域，尤其是涉及一种具有可变几何增压涡轮的涡轮复合装置及具有该装置的涡轮复合发动机系统。
背景技术
在内燃机技术领域中，涡轮复合是回收内燃机排气能量，提高内燃机效率的技术。复合涡轮增压系统中包括增压涡轮和动力涡轮，前者用于驱动压气机工作，增加进气密度，提高发动机气缸功率密度；后者用于回收排气能量转化为机械功，提高发动机总功率。
传统的涡轮复合系统中，采用固定几何的增压涡轮与动力涡轮匹配，在发动机高速工况，排气能量充足，通过复合涡轮增压系统回收排气能量，能有效改善发动机燃油经济性。在发动机低速工况，排气能量较小，动力涡轮的存在会减小增压涡轮的可用能量，导致增压比减小，低速转矩降低，动力涡轮回收排气能量获得的机械功可能还不能补偿由于增压比减小导致的发动机功率下降。因此，采用固定几何增压涡轮的复合涡轮增压系统较难兼顾发动机的高速工况和低速工况，在发动机低速工况甚至会使发动机性能恶化。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种涡轮复合装置。
本发明的另一个目的在于提出一种具有上述涡轮复合装置的发动机系统，所述发动机系统可充分利用废气能量，改善发动机的动力性能和扭矩输出。
根据本发明第一方面实施例的涡轮复合装置，用于回收发动机排气能量，所述涡轮复合装置包括：可变几何增压涡轮，所述可变几何增压涡轮与所述发动机的排气歧管相连且具有可分配废气能量的调节机构；动力涡轮，所述动力涡轮设在所述可变几何增压涡轮的下游且由流经所述可变几何增压涡轮的废气驱动，其中所述动力涡轮的输出端与所述发动机的曲轴相连以将所述动力涡轮输出的机械功传递至所述曲轴；和执行器，所述执行器可根据所述发动机的实际工况来控制所述调节机构工作以分配给所述可变几何增压涡轮和动力涡轮不同的废气能量比例。
根据本发明实施例的涡轮复合装置还可以具有如下附加技术特征：
在本发明的一个实施例中，所述调节机构包括邻近所述可变几何增压涡轮叶片设置的、且可改变开度大小的导流装置，所述导流装置被构造成其开度的大小可根据所述发动机的实际工况连续改变以分配给所述可变几何增压涡轮和所述动力涡轮不同的废气能量比例。
根据本发明第二方面实施例的发动机系统，包括：发动机，所述发动机具有曲轴、进气歧管和用于排出废气的排气歧管；根据本发明第一方面实施例描述的涡轮复合装置，其中所述可变几何增压涡轮安装在发动机的排气歧管的下游以接收所述发动机排出的气流；压气机，所述压气机与所述可变几何增压涡轮连接且由所述可变几何增压涡轮驱动以对进入其的气流进行增压；以及中冷器，所述中冷器连接在所述压气机和发动机的气缸之间以将所述增压后的气流冷却并送入到所述发动机的气缸中。
根据本发明实施例的发动机系统，通过将可变几何增压涡轮和动力涡轮组合在一起，在发动机的低速工况下可以提高可变几何增压涡轮的功率，改善发动机在低速情况下的扭矩，降低有害气体的排放，在发动机的高速工况下可以提高动力涡轮的功率输出，提高燃油经济性，从而使发动机系统在全工况范围内均能充分地利用发动机排出废气所具有的能量，提高发动机的动力性能和扭矩输出，改善燃油经济性，降低排放，利于环保，同时还提高了车辆的操控性能和通过能力，实用性好。
在本发明的一个实施例中，所述压气机与所述可变几何增压涡轮共轴连接。
在本发明的一个实施例中，所述发动机系统进一步包括：液力耦合器，所述液力耦合器的输入轴与所述动力涡轮相连，且输出轴与发动机的曲轴相连以将所述动力涡轮的回收功传递至所述曲轴。
可选地，所述发动机系统进一步包括：第一传动组件，所述第一传动组件连接在所述液力耦合器的输入轴和所述动力涡轮之间。
进一步可选地，所述发动机系统进一步包括：第二传动组件，所述第二传动组件连接在所述液力耦合器的输出轴和所述曲轴之间。
在本发明的一个实施例中，所述第一传动组件和所述第二传动组件分别为一级齿轮传动组件。
根据本发明实施例的发动机系统，可根据发动机的实际工况调节可变几何增压涡轮和动力涡轮的废气能量分配，改善发动机的扭矩输出和动力性能，提高发动机的燃油经济性，节约了能源，同时减少有害气体的排放，保护环境，充分利用废气能量，提高增压效率和废气能量利用率，大大改善了发动机的全工况性能。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的发动机系统的示意图；
图2是调节机构在发动机高速工况下的局部示意图；
图3是调节机构在发动机低速工况下的局部示意图；
图4是采用根据本发明实施例的发动机系统与采用传统VGT和传统涡轮复合系统的发动机系统在全工况范围内制动油耗率的对比图；和
图5是采用根据本发明实施例的发动机系统与采用传统VGT和传统涡轮复合系统的发动机系统在全工况范围内转矩输出对比图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
下面首先参考图1-图5描述根据本发明第二方面实施例的发动机系统1000。
根据本发明实施例的发动机系统1000，包括发动机200、涡轮复合装置100、压气机300和中冷器400，其中发动机200包括曲轴210、进气歧管220和排气歧管230，曲轴210用于输出发动机200的动力，进气歧管220用于向多个汽缸240供气，排气歧管230用于排出发动机200工作后的废气，如图1所示。
下面将参考图1-图5描述根据本发明第一方面实施例的涡轮复合装置100，其中涡轮复合装置100连接在发动机的排气歧管230下游以用于回收发动机200排气能量，即排出废气所具有的能量。
根据本发明实施例的涡轮复合装置100，包括可变几何增压涡轮1、动力涡轮2和执行器，其中可变几何增压涡轮1与发动机200的排气歧管230相连，例如在本发明的一个实施例中，可变几何增压涡轮1安装在发动机200的排气歧管230的下游以接收发动机200排出的气流，其中可变几何增压涡轮1具有可分配废气能量的调节机构11，如图1-图3所示，其中图1中的VGT(Variable geometry turbocharger)即指可变几何增压涡轮1。这里，需要说明的是，上述以及下面有关可变几何增压涡轮1的描述已为本领域内的普通技术人员所熟知，本发明仅以其中一种为例进行简单说明，此外，本领域内的普通技术人员可以理解的是，对于其它类型的可变几何增压涡轮1同样适用于该涡轮复合装置100。
动力涡轮2设在可变几何增压涡轮1的下游且由流经可变几何增压涡轮1的废气驱动，其中动力涡轮2的输出端与发动机200的曲轴210相连以将动力涡轮2输出的机械功传递至曲轴210。执行器可根据发动机200的实际工况来控制调节机构11工作以分配给可变几何增压涡轮1和动力涡轮2不同的废气能量比例。也就是说，在发动机200的全工况下，执行器控制调节机构11完成相应调节工作以提高动力涡轮2和可变几何增压涡轮1的动力性能和扭矩输出，从而使发动机200在不同工况下排出的废气所具有的废气能量能够被更加充分合理地利用。
可选地，调节机构11包括邻近可变几何增压涡轮1叶片(即可变几何增压涡轮1内的涡轮叶片)设置的、且可改变开度大小的导流装置111，导流装置111被构造成其开度的大小可根据发动机200的实际工况连续改变以分配给可变几何增压涡轮1和动力涡轮2不同的废气能量比例。也就是说，导流装置111开度的大小已根据发动机200的相应工况预先设定完成。
例如，在发动机200的工况为高速工况时，执行器控制调节机构11以使导流装置111的开度变大，由此增加了废气气流的通过空间，减小了可变几何增压涡轮1的膨胀比，使相对更多的废气能量用于驱动动力涡轮2，从而有效增加了动力涡轮2的功率输出，避免可变几何增压涡轮1过度增压以至于损坏发动机200，同时还改善了发动机200的燃油经济性，如图2、图4-图5所示，其中图5中的BSFC是Brake Specific FuelConsumption的简称，即有效燃油消耗率，是本领域内衡量汽车燃油经济性的一个指标。
例如，在发动机200的工况为低速工况时，执行器控制调节机构11以使导流装置111的开度变小，由此减小了废气气流的通过空间，增加了可变几何增压涡轮1的膨胀比和输出功率，降低动力涡轮2的输出功率，改善了发动机200在低转速即低速工况下的扭矩(转矩)输出和动力性能，从而提高了车辆的操控性能，如图3-图5所示。
也就是说，在发动机200的全工况下，导流装置111对应相应工况均有一个预先设定的开度大小，从而分配给可变几何增压涡轮1和动力涡轮2最佳的废气能量比例，以使涡轮复合装置100能够最大限度地利用废气能量。
如图1所示，压气机300与可变几何增压涡轮1连接且由可变几何增压涡轮1驱动以对进入其的气流进行增压，也就是说空气从压气机300的进气口进入到压气机300的蜗壳内，压气机300内的叶轮在可变几何增压涡轮1的驱动下对空气进行压缩。
中冷器400连接在压气机300和发动机200之间以将增压后的气流冷却并送入到发动机200的气缸240中。也就是说，经过压气机300压缩后的空气首先经过中冷器400进行冷却，然后经由进气歧管220进入到各个气缸240中。由此，通过设置中冷器400冷却经过压气机300压缩后的空气，使这部分空气的温度降低，从而提高了进入发动机200气缸240内的空气密度，配合供油系统额外的燃油喷射，使发动机200的升功率明显提升，改善了发动机200的动力性能。
根据本发明实施例的发动机系统1000，通过将可变几何增压涡轮1和动力涡轮2组合在一起，在发动机200的低速工况下可以提高可变几何增压涡轮1的功率，改善发动机200在低速情况下的扭矩，降低有害气体的排放，在发动机200的高速工况下可以提高动力涡轮2的功率输出，提高燃油经济性，从而使发动机系统1000在全工况范围内均能充分地利用发动机200排出废气所具有的能量，提高发动机200的动力性能和扭矩输出，改善燃油经济性，降低排放，利于环保。
在本发明的一个实施例中，压气机300与可变几何增压涡轮1共轴连接，由此方便了生产加工。动力涡轮2通过液力耦合器3与发动机200曲轴210连接，即液力耦合器3的输入轴与动力涡轮2相连，且输出轴与发动机200的曲轴210相连以将动力涡轮2的回收功传递至曲轴210。可选地，发动机系统1000进一步包括第一传动组件4和第二传动组件5，其中第一传动组件4连接在液力耦合器3的输入轴和动力涡轮2之间，第二传动组件6连接在液力耦合器3输出轴和曲轴210之间。
其中，可选地，第一传动组件4和第二传动组件5分别为一级齿轮传动组件。当然，本发明并不限于此，在本发明的其它实施例中，第一传动组件4和第二传动组件5还可以是二级齿轮传动组件或三级齿轮传动组件或第一传动组件4为一级齿轮传动组件而第二传动组件5为二级齿轮传动组件，即可根据实际情况来灵活改变第一传动组件4和第二传动组件5的减速传动机构的减速程度以适应不同车辆。
下面参考图1-图5简单描述根据本发明实施例的发动机系统1000的工作过程。
首先，例如当发动机200的工况为高速工况时，发动机200排出的废气依次经过排气歧管230和可变几何增压涡轮1的进气口进入到可变几何增压涡轮1的蜗壳内，执行器控制调节机构11工作以调节导流装置111的开度，使导流装置111的开度变大，由此减小可变几何增压涡轮1的膨胀比，增加分配给动力涡轮2的废气能量，废气带动可变几何增压涡轮1旋转以带动压气机300压缩空气，压缩后的空气经中冷器400冷却后最终进入到气缸240内，同时经由可变几何增压涡轮1的废气进入到动力涡轮2驱动动力涡轮2工作，动力涡轮2回收的废气能量以机械能的形式传递给曲轴210。由此，一方面相对适度的降低了可变几何增压涡轮1的功率，防止过度增压损坏发动机200，另一方面增加了动力涡轮2的动力输出，从而提高了发动机200的总功率和燃油经济性。
例如，当发动机200的工况为低速工况时，执行器控制调节机构11工作以调节导流装置111的开度，使导流装置111的开度变小，由此增加可变几何增压涡轮1的膨胀比，减小分配给动力涡轮2的废气能量，从而一方面有效提高了可变几何增压涡轮1的功率，另一方面降低了动力涡轮2的动力输出，改善了发动机200在低转速时的扭矩输出及操控性能，其中发动机200在低速工况时的其它工作过程与上述高速工况时的工作过程一致，这里不再详细说明。
也就是说，在发动机200的全工况下导流装置111对应相应工况均有一个预先设定的开度大小，从而分配给可变几何增压涡轮1和动力涡轮2最佳的废气能量比例，以使涡轮复合装置100最大限度的利用废气能量。
根据本发明实施例的发动机系统1000，可根据发动机200的实际工况调节可变几何增压涡轮1和动力涡轮2的废气能量分配，改善发动机200的扭矩输出和动力性能，提高发动机200的燃油经济性，节约了能源，同时减少有害气体的排放，保护环境，充分利用废气能量，提高增压效率和废气能量利用率，大大改善了发动机200的全工况性能。
根据本发明实施例的发动机系统的其它构成例如润滑系统和供油系统等以及操作对于本领域内的普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种具有可变几何增压涡轮的涡轮复合装置，用于回收发动机排气能量，其特征在于，所述涡轮复合装置包括：
可变几何增压涡轮，所述可变几何增压涡轮与所述发动机的排气歧管相连且具有可分配废气能量的调节机构；
动力涡轮，所述动力涡轮设在所述可变几何增压涡轮的下游且由流经所述可变几何增压涡轮的废气驱动，其中所述动力涡轮的输出端与所述发动机的曲轴相连以将所述动力涡轮输出的机械功传递至所述曲轴；和
执行器，所述执行器可根据所述发动机的实际工况来控制所述调节机构工作以分配给所述可变几何增压涡轮和动力涡轮不同的废气能量比例。
2.根据权利要求1所述的涡轮复合装置，其特征在于，所述调节机构包括邻近所述可变几何增压涡轮叶片设置的、且可改变开度大小的导流装置，所述导流装置被构造成其开度的大小可根据所述发动机的实际工况连续改变以分配给所述可变几何增压涡轮和所述动力涡轮不同的废气能量比例。
3.一种发动机系统，其特征在于，包括：
发动机，所述发动机具有曲轴、进气歧管和用于排出废气的排气歧管；
根据权利要求1或2所述的涡轮复合装置，其中所述可变几何增压涡轮安装在发动机的排气歧管的下游以接收所述发动机排出的气流；
压气机，所述压气机与所述可变几何增压涡轮连接且由所述可变几何增压涡轮驱动以对进入其的气流进行增压；以及
中冷器，所述中冷器连接在所述压气机和发动机的气缸之间以将所述增压后的气流冷却并送入到所述发动机的气缸中。
4.根据权利要求3所述的发动机系统，其特征在于，所述压气机与所述可变几何增压涡轮共轴连接。
5.根据权利要求3所述的发动机系统，其特征在于，进一步包括：
液力耦合器，所述液力耦合器的输入轴与所述动力涡轮相连，且输出轴与发动机的曲轴相连以将所述动力涡轮的回收功传递至所述曲轴。
6.根据权利要求5所述的发动机系统，其特征在于，进一步包括：
第一传动组件，所述第一传动组件连接在所述液力耦合器的输入轴和所述动力涡轮之间。
7.根据权利要求6所述的发动机系统，其特征在于，进一步包括：
第二传动组件，所述第二传动组件连接在所述液力耦合器的输出轴和所述曲轴之间。
8.根据权利要求7所述的发动机系统，其特征在于，所述第一传动组件和所述第二传动组件分别为一级齿轮传动组件。
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