CN103410601A - 采用可变截面增压器的两级涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

一种采用可变截面增压器的两级涡轮增压器，它包括一个可变几何截面增压器和一个固定截面、不带废气旁通阀的增压器，所述的可变几何截面的增压器包括涡轮机、压气机及外部控制系统，所述的固定截面、不带废气旁通阀的增压器包括涡轮机和压气机。将可变几何截面增压器和固定截面、不带废气旁通阀的增压器串联组成两级涡轮增压器，串联后一个为高压级增压器，另一个就为低压级增压器。

Description

采用可变截面增压器的两级涡轮增压器

技术领域

本发明涉及涡轮增压器技术领域，特别是一种采用可变截面增压器的两级涡轮增压器。

背景技术

在环境污染日益严重和能源日益短缺的今天，机动车污染已成为空气污染的重要来源，石油资源也越来越小，因此国家大力提倡低碳生活，非常重视汽车节能减排。从更趋严格的排放标准看，排放标准从国Ⅲ、国Ⅳ提高到国Ⅴ，颗粒和NOX降低的幅度非常大，因此发动机开发的难度越来越大。

高效、节能、环保是发动机技术发展的主要目标，涡轮增压技术可大大改善发动机的动力性、经济性，降低尾气中的污染物排放。我国现有发动机采用普通带阀增压器和高压共轨、SCR、EGR、DOC、POC等技术可满足国Ⅲ、国Ⅳ排放标准要求，但已较难满足国Ⅴ排放标准。纵观国际柴油机技术发展路线，可变几何截面涡轮增压技术（VNT、VGT等）和两级增压技术将成为满足国Ⅴ排放标准非常重要的措施。

目前的两级涡轮增压器结构如附图1所示，它由高压级涡轮增压器1和低压级涡轮增压器2串联组成，高压级涡轮增压器包括高压级涡轮机1-1及高压级压气机1-2，低压级涡轮增压器2包括低压级涡轮机2-1及低压级压气机2-2。高压级涡轮机1-1上设有废气旁通机构3，通过废气旁通机构3控制增压器废气旁通，从而控制增压器转速和增压器增压压力。

上述两级涡轮增压器其增压原理如附图2所示：在发动机4处于低转速运行时，高压级增压器1单独工作，在中间转速点附近高压级增压器1和低压级增压器2开始切换，在标定点附近主要是低压级增压器2工作。从进气看，其空气经低压级压气机2-2压缩后再经高压级压气机1-2压缩，压比进一步提高后进入进气管5。

从排气来看，如果发动机4处在低速，则废气旁通机构3关闭，所有的排气从排气管6依次经高压级涡轮机1-1和低压级涡轮机2-1膨胀后排出。如果发动机4处在高速大负荷工况，则气旁通机构3打开，部分排气不经高压级涡轮机1-1膨胀，直接经低压级涡轮机2-1膨胀后排出，以降低高压级涡轮机1-1的涡轮功和进气压比，使进气压比不至于超过极限要求，增压器不至超速。

目前的两级涡轮增压器都是通过废气旁通机构控制增压器废气旁通，带有废气旁通机构的高压级涡轮增压器1包括涡轮机1-1气机1-2及废气旁通机构3，废气旁通机构3的结构如附图3、4所示，它包括放气阀门组件3-1、摇臂机构3-2、执行器推杆3-3、执行器3-4。它的控制原理为：执行器3-4的气嘴A处通过胶管与发动机进气管5的压缩空气相连，涡轮箱中的废气在B处可通过放气阀门组件3-1的开闭使废气不流经涡轮直接放出；当A处达到一定的压力时，可推动执行器3-4中的弹簧移动，从而带动执行器推杆3-3移动和摇臂机构3-2转动，最终推动放气阀门组件3-1开闭，实现增压器的废气旁通。但这种调节为线性调节、调节范围很有限，增压器设计不能很好地兼顾发动机高低速性能。再就是现有两级涡轮增压器两级都采用固定截面的增压器，或者是两级都采用带废气旁通机构的增压器，或者是一级为固定截面的增压器、另一级为带废气旁通机构的增压器。不管采用那种结构，两级增压器不能很好的兼顾发动机高低速性能，实现发动机的的快速响应性和兼顾高速良好动力性、经济性，实现低排放。

现有的单级可变几何截面涡轮增压器8如附图5所示，包括涡轮机8-1及压气机8-2，它与普通带废气旁通机构增压器的主要区别是在涡轮机8-1的涡轮箱内设有可变喷嘴环总成8-1-1，它的工作原理为：在发动机4低速运转时，外部控制系统7通过传动机构带动可变喷嘴环总成8-1-1转动或轴向滑动，从而减小涡轮机流通截面积，使排气背压和流速增大，使增压器保持相对高速，使发动机获得足够的增压压力。在发动机高速运转时，外部控制系统7通过传动机构带动可变喷嘴环总成8-1-1转动或轴向滑动，增大涡轮喷嘴流通截面积，降低排气背压和流速，减少进气流量，使增压器不致超速或增压压力过高。可以这样说，在发动机全工况范围内，可通过涡轮机流通面积的灵活调节使增压器与发动机保持良好的匹配。

由于单级可变几何截面涡轮增压系统所能达到的压比有限，所能调节的范围有限，又由于两级增压技术具有较高的系统效率和良好的匹配性能，故两级增压技术，特别是带可变截面的两级涡轮增压技术将逐渐成为国Ⅴ柴油机开发中重要的开发方案，特别是高原地区汽车和重型国Ⅴ排放汽车。

现有的单级可变几何截面涡轮增压器8在两级涡轮增压器中，既可以作为高压级涡轮增压器，也可以作为低压级涡轮增压器。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种采用可变截面增压器的两级废气涡轮增压器。

本发明的技术方案是：一种采用可变截面增压器的两级涡轮增压器，它包括一个可变几何截面增压器和一个固定截面、不带废气旁通阀的增压器，所述的可变几何截面的增压器包括涡轮机、压气机及外部控制系统，所述的固定截面、不带废气旁通阀的增压器包括涡轮机和压气机。将可变几何截面增压器和固定截面、不带废气旁通阀的增压器串联组成两级涡轮增压器，串联后一个为高压级增压器，另一个就为低压级增压器。

所述的外部控制系统为气动控制系统或者是电子控制系统或者是液压控制系统。

本发明进一步的技术方案是：一种采用可变截面增压器的两级涡轮增压器，它由两个可变几何截面的增压器串联组成，串联后一个为高压级增压器，另一个为低压级增压器。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

本发明将现有两级废气涡轮增压器的一级或两级都改为可变几何截面的增压器，增压器控制模式也由线性控制变成点控制，废气不需旁通，可完全利用废气能量，因此增压器能调节和工作的范围更广、能更好兼顾发动机高低速性能和改善增压器响应性，实现高增压、更好降低发动机排放和提高发动机功率。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

附图说明

附图1为现有的两级废气涡轮增压器的结构示意图；

附图2为两级废气涡轮增压器的增压原理图；

附图3为附图1中带废气旁通机构的高压级涡轮增压器局部结构图；

附图4为附图3中的A-A局部剖视图；

附图5为现有的单级可变几何截面的涡轮增压器结构示意图；

附图6为本发明提供的采用可变截面增压器的两级废气涡轮增压器结构示意图，其中高压级增压器采用可变几何截面增压器，低压级增压器为固定截面、不带废气旁通阀增压器；

附图7为附图6中的两级废气涡轮增压器增压原理图；

附图8为本发明提供的采用可变截面增压器的两级废气涡轮增压器结构示意图，其中高压级增压器采用固定截面、不带废气旁通阀增压器，低压级增压器为可变几何截面增压器；

附图9为附图8中的两级废气涡轮增压器增压原理图；

附图10为本发明提供的采用可变截面增压器的两级废气涡轮增压器结构示意图，其中高压级增压器和低压级增压器均采用可变几何截面增压器；

附图11为附图10中的两级废气涡轮增压器增压原理图。

具体实施方式

实施例一、一种采用可变截面增压器的两级废气涡轮增压器，它由一个作为高压级的可变几何截面增压器8和一个作为低压级的固定截面、不带废气旁通阀的增压器2串联组成。

所述的可变几何截面增压器8包括涡轮机8-1、压气机8-2及外部控制系统，在涡轮机8-1的涡轮箱内设有可变喷嘴环总成8-1-1；所述的固定截面、不带废气旁通阀的增压器2包括涡轮机2-1及压气机2-2。

所述的外部控制系统采用气动控制系统或者是电子控制系统或者是液压控制系统，本实施例优选采用的是气动控制系统7-1。

可变喷嘴环总成8-1-1的工作原理为：在发动机4低速运转时，气动控制系统7-1通过传动机构带动可变喷嘴环总成8-1-1转动或轴向滑动，从而减小涡轮机流通截面积，使排气背压和流速增大，使增压器保持相对高速，使发动机4获得足够的增压压力。在发动机4高速运转时，气动控制系统7-1通过传动机构带动可变喷嘴环总成8-1-1转动或轴向滑动，增大涡轮喷嘴流通截面积，降低排气背压和流速，减少进气流量，使增压器不致超速或增压压力过高。在发动机4全工况范围内，通过涡轮机流通面积的灵活调节使增压器与发动机4保持良好的匹配。

上述两级涡轮增压器其增压原理为：在发动机4处于低转速运行时，高压级可变几何截面增压器8单独工作，在中间转速点附近高压级可变几何截面增压器8和低压级固定截面、不带废气旁通阀的增压器2开始切换，在标定点附近主要是低压级固定截面、不带废气旁通阀的增压器2工作。从进气看，其空气经低压级压气机2-2压缩后再经高压级压气机8-2压缩，压比进一步提高后进入进气管5。

从排气来看，如果发动机4处在低速，则可变喷嘴环总成8-1-1关闭，所有的排气从排气管6依次经高压级涡轮机8-1和低压级涡轮机2-1膨胀后排出。如果发动机4处在高速大负荷工况，则可变喷嘴环总成8-1-1打开，部分排气不经高压级涡轮机8-1膨胀，直接经低压级涡轮机2-1膨胀后排出，以降低高压级涡轮机8-1的涡轮功和进气压比，使进气压比不至于超过极限要求，增压器不至超速。

实施例二、一种采用可变截面增压器的两级废气涡轮增压器，它由一个作为低压级可变几何截面增压器8和一个作为高压级的固定截面、不带废气旁通阀的增压器2串联组成。

所述的可变几何截面增压器8包括涡轮机8-1、压气机8-2及外部控制系统，在涡轮机8-1的涡轮箱内设有可变喷嘴环总成8-1-1；所述的固定截面、不带废气旁通阀的高压级增压器2包括涡轮机2-1及压气机2-2。

所述的外部控制系统采用气动控制系统或者是电子控制系统或者是液压控制系统，本实施例优选采用的是电子控制系统7-2。

可变喷嘴环总成8-1-1的工作原理为：在发动机4低速运转时，电子控制系统7-2通过传动机构带动可变喷嘴环总成8-1-1转动或轴向滑动，从而减小涡轮机流通截面积，使排气背压和流速增大，使增压器保持相对高速，使发动机4获得足够的增压压力。在发动机4高速运转时，电子控制系统7-2通过传动机构带动可变喷嘴环总成8-1-1转动或轴向滑动，增大涡轮喷嘴流通截面积，降低排气背压和流速，减少进气流量，使增压器不致超速或增压压力过高。在发动机4全工况范围内，通过涡轮机流通面积的灵活调节使增压器与发动机4保持良好的匹配。

上述两级涡轮增压器其增压原理为：在发动机4处于低转速运行时，高压级固定截面、不带废气旁通阀的增压器2单独工作，在中间转速点附近高压级固定截面、不带废气旁通阀的增压器2和低压级可变几何截面增压器8开始切换，在标定点附近主要是低压级可变几何截面增压器8工作。从进气看，其空气经低压级压气机8-2压缩后再经高压级压气机2-2压缩，压比进一步提高后进入进气管5。

从排气来看，如果发动机4处在低速，则可变喷嘴环总成8-1-1关闭，所有的排气从排气管6依次经高压级涡轮机2-1和低压级涡轮机8-1膨胀后排出。如果发动机4处在高速大负荷工况，则可变喷嘴环总成8-1-1打开，部分排气不经高压级涡轮机2-1膨胀，直接经低压级涡轮机8-1膨胀后排出，以降低高压级涡轮机2-1的涡轮功和进气压比，使进气压比不至于超过极限要求，增压器不至超速。

实施例三、一种采用可变截面增压器的两级废气涡轮增压器，它由两个可变几何截面增压器8串联组成，其中一个作为高压级的可变几何截面增压器，另一个作为低压级的可变几何截面增压器。

所述的可变几何截面增压器8包括涡轮机8-1、压气机8-2及外部控制系统，在涡轮机8-1的涡轮箱内设有可变喷嘴环总成8-1-1。

所述的外部控制系统采用气动控制系统或者是电子控制系统或者是液压控制系统，本实施例优选采用的是气动控制系统7-1。

可变喷嘴环总成8-1-1的工作原理为：在发动机4低速运转时，气动控制系统7-1通过传动机构带动可变喷嘴环总成8-1-1转动或轴向滑动，从而减小涡轮机流通截面积，使排气背压和流速增大，使增压器保持相对高速，使发动机4获得足够的增压压力。在发动机4高速运转时，气动控制系统7-1通过传动机构带动可变喷嘴环总成8-1-1转动或轴向滑动，增大涡轮喷嘴流通截面积，降低排气背压和流速，减少进气流量，使增压器不致超速或增压压力过高。在发动机4全工况范围内，通过涡轮机流通面积的灵活调节使增压器与发动机4保持良好的匹配。

上述两级涡轮增压器其增压原理为：在发动机4处于低转速运行时，高压级可变几何截面增压器8单独工作，在中间转速点附近高压级可变几何截面增压器8和低压级可变几何截面增压器8开始切换，在标定点附近主要是低压级可变几何截面增压器8工作。从进气看，其空气经低压级压气机8-2压缩后再经高压级压气机8-2压缩，压比进一步提高后进入进气管5。

从排气来看，如果发动机4处在低速，则可变喷嘴环总成8-1-1关闭，所有的排气从排气管6依次经高压级涡轮机8-1和低压级涡轮机8-1膨胀后排出。如果发动机4处在高速大负荷工况，则可变喷嘴环总成8-1-1打开，部分排气不经高压级涡轮机8-1膨胀，直接经低压级涡轮机8-1膨胀后排出，以降低高压级涡轮机8-1的涡轮功和进气压比，使进气压比不至于超过极限要求，增压器不至超速。

Claims (3)

1.一种采用可变截面增压器的两级涡轮增压器，它包括一个可变几何截面增压器和一个固定截面、不带废气旁通阀的增压器，所述的可变几何截面的增压器包括涡轮机、压气机及外部控制系统，所述的固定截面、不带废气旁通阀的增压器包括涡轮机和压气机；其特征是：将可变几何截面增压器和固定截面、不带废气旁通阀的增压器串联组成两级涡轮增压器，串联后一个为高压级增压器，另一个就为低压级增压器。

2.根据权利要求1所述的采用可变截面增压器的两级涡轮增压器，其特征是：用另一个可变几何截面增压器代替固定截面、不带废气旁通阀的增压器，将两个可变几何截面增压器串联组成两级涡轮增压器，串联后一个为高压级增压器，一个为低压级增压器。

3.根据权利要求1或2所述的采用可变截面增压器的两级涡轮增压器，其特征是：所述的外部控制系统为气动控制系统或者是电子控制系统或者是液压控制系统。

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