CN103615307A - 两级涡轮增压系统及带两级涡轮增压系统的发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带两级涡轮增压系统的发动机，其包括发动机(1)和两级涡轮增压系统；发动机(1)包括发动机机械总成和发动机电控单元；两级涡轮增压系统包括大涡轮增压器(21)、中涡轮增压器(22)、小涡轮增压器(23)三个流量不相等的涡轮增压器；中涡轮增压器(22)与小涡轮增压器(23)的废气端和进气端分别通过气管相并接然后再与大涡轮增压器(21)或发动机(1)相串接。两级涡轮增压系统可实现三种两级增压状态，增压系统能提供更宽的压气机和涡轮机流量范围，实现更高的升功率并兼顾更大的低速扭矩，提供中低转速更高的增压压力，实现中低速大扭矩、低油耗、低排放，发动机加速响应性、排放和高原适应性更好。

Description

两级涡轮增压系统及带两级涡轮增压系统的发动机

技术领域

本发明涉及一种发动机及其附件，特别是一种两级涡轮增压系统及带两级涡轮增压系统的发动机。

背景技术

为降低温室气体排放，国家大力提倡节能减排。发动机尾气排放已经成为温室气体排放的重要来源。发动机尾气排放主要是汽车发动机尾气排放，因为近年来，汽车产销的已经急剧上涨。另一方面，对于汽车发动机，用户也越来越要求发动机具有相当大的升功率、加速性好、驾乘感好。为解决上述发动机的环保与动力（即发动机的环保性能与动力性能）问题，人们对发动机增设了涡轮增压系统。

在一级涡轮增压的基础上，发动机上已经出现了两级涡轮增压系统，目前的两级增压系统是采用两个大小涡轮增压器串联或并联组成，其虽然可以改善发动机加速性、压气机和涡轮机流量范围、增压系统效率，但是其改善程度有限，所能提供的增压压比、高速性能、加速响应性等方面效果均不是很理想，实现废气再循环的比例和工况范围也有限，还不能很好的兼顾发动机的高低速性能，同时难以达到在高原与平原上性能均稳定的效果。

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两级涡轮增压系统及带两级涡轮增压系统的发动机；两级涡轮增压系统可实现三种两级增压状态，增压系统能提供更宽的压气机和涡轮机流量范围，实现更高的升功率并兼顾更大的低速扭矩，提供中低转速更高的增压压力，实现中低速大扭矩、低油耗、低排放，发动机加速响应性、排放和高原适应性更好。

本发明的技术方案是：一种两级涡轮增压系统包括大涡轮增压器、中涡轮增压器、小涡轮增压器三个流量不相等的涡轮增压器，大涡轮增压器的流量大于中涡轮增压器的流量，中涡轮增压器的流量大于小涡轮增压器的流量，每个涡轮增压器均包括涡轮机和压气机，即大涡轮增压器包括大涡轮机和大压气机，中涡轮增压器包括中涡轮机和中压气机，小涡轮增压器包括小涡轮机和小压气机；中涡轮增压器与小涡轮增压器的废气进出口分别通过气管相并接，中涡轮增压器与小涡轮增压器的空气进出口分别通过气管相并接，中涡轮增压器与小涡轮增压器的废气出口端通过气管相并接后再通过气管与大涡轮增压器的废气进口相串接，中涡轮增压器与小涡轮增压器的空气进口端通过气管相并接后再通过气管与大涡轮增压器的空气出口相串接。

本发明进一步的技术方案是：所述的中涡轮增压器的中涡轮机的废气出口端通过二级废气出管与小涡轮增压器的小涡轮机的废气出口相并接后再通过一级废气进管与大涡轮增压器的大涡轮机的废气进口相串接，二级废气出管与一级废气进管通过三通相连接；中涡轮增压器的中涡轮机的废气进口通过二级废气进管与小涡轮增压器的小涡轮机的废气进口相并接，二级废气进管上连接有三通；中涡轮增压器的中压气机的空气进口通过二级空气进管与小涡轮增压器的小压气机的空气进口相并接后再通过一级空气出管与大涡轮增压器的大压气机空气出口相串接，二级空气进管与一级空气出管通过三通相连接；中涡轮增压器的中压气机的空气出口通过二级空气出管与小涡轮增压器的小压气机的空气出口相并接，二级空气出管上连接有三通。 

本发明更进一步的技术方案是：所述的二级废气进管上的三通为电控三通阀，二级空气进管与一级空气出管上的三通为电控三通阀。

本发明另一技术方案是：一种带两级涡轮增压系统的发动机，其包括发动机和两级涡轮增压系统；发动机包括发动机机械总成和发动机电控单元；发动机机械总成的废气出口通过发动机废气出管与二级废气进管上的三通相连接。

发动机机械总成的空气进口通过发动机空气进管与三通相连接。

一级空气出管串接有中冷器，发动机空气进管串接有中冷器。

电控三通阀均通过导线与发动机电控单元相连接，实现发动机电控单元对电控三通阀的集中控制。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

发明可实现三种两级增压状态；由于采用了三个涡轮增压器，较普通两级涡轮增压器增加了一个增压器，可两个或三个涡轮增压器同时工作，小涡轮增压器压气机和涡轮机可以做得更小，大涡轮增压器压气机和涡轮机可以做得更大，增压系统能提供更宽的压气机和涡轮机流量范围，在保证发动机高速良好性能的同时，能提供中低转速更高的增压压力，实现中低速大扭矩、低油耗、低排放，能提供更高的增压系统整机效率，发动机和增压系统加速响应性、排放和高原适应性更好，能实现更高的升功率并兼顾更大的低速扭矩，特别适合大排量、空间布置位置大的高端、豪华商用车和乘用车及满足更高排放的发动机用。 

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

图1为本发明的结构示意图； 

图2为本发明的发动机转速处于低速及小负荷时的空气和废气流向示意图；

图3本发明的发动机转速处于中速及中等负荷时的空气和废气流向示意图；

图4本发明的发动机转速处于高速及大负荷时的空气和废气流向示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示：一种带两级涡轮增压系统的发动机，其包括发动机1和两级涡轮增压系统；发动机1包括发动机机械总成和发动机电控单元；两级涡轮增压系统包括大涡轮增压器21、中涡轮增压器22、小涡轮增压器23三个流量不相等的涡轮增压器（所述的大、中、小是相对而言的，不是绝对值，是为区分三个涡轮增压器的流量不相等；流量不相等是指在相同转速下，涡轮增压器的进气量不相等，在宏观结构上一般表现为涡轮增压器的叶片直径不相等，即大涡轮增压器的流量大于中涡轮增压器的流量（相同转速下，一般是额定流量），中涡轮增压器的流量大于小涡轮增压器的流量（相同转速下，一般是额定流量）），每个涡轮增压器均包括涡轮机和压气机，即大涡轮增压器21包括大涡轮机211和大压气机212，中涡轮增压器22包括中涡轮机221和中压气机222，小涡轮增压器23包括小涡轮机231和小压气机232。

中涡轮增压器22与小涡轮增压器23的废气进出口分别通过气管相并接，中涡轮增压器22与小涡轮增压器23的空气进出口分别通过气管相并接，中涡轮增压器22与小涡轮增压器23的废气出口端通过气管相并接后再通过气管与大涡轮增压器1的废气进口相串接，中涡轮增压器22与小涡轮增压器23的空气进口端通过气管相并接后再通过气管与大涡轮增压器1的空气出口相串接。即中涡轮增压器22的中涡轮机221的废气出口端通过二级废气出管31与小涡轮增压器23的小涡轮机231的废气出口相并接后再通过一级废气进管32与大涡轮增压器21的大涡轮机211的废气进口相连接（其实是串接关系），二级废气出管31与一级废气进管32通过三通311（包括独立的三通、与气管连成为一体的三通结构或者电控三通阀等三通式结构）相连接；中涡轮增压器22的中涡轮机221的废气进口通过二级废气进管37与小涡轮增压器23的小涡轮机231的废气进口相并接后再通过发动机废气出管38与发动机废气出口相连接（串接关系），二级废气进管37通过三通371（包括独立的三通、与气管连成为一体的三通结构或者电控三通阀等三通式结构，各附图示出的三通371为电控三通阀）与发动机废气出管38相连接；中涡轮增压器22的中压气机222的空气进口通过二级空气进管33与小涡轮增压器23的小压气机232的空气进口相并接后再通过一级空气出管34与大涡轮增压器21的大压气机212空气出口相连接（串接关系），二级空气进管33与一级空气出管34通过三通331（包括独立的三通、与气管连成为一体的三通结构或者电控三通阀等三通式结构；各附图示出的三通331为电控三通阀）相连接；中涡轮增压器22的中压气机222的空气出口通过二级空气出管35与小涡轮增压器23的小压气机232的空气出口相并接后再通过发动机空气进管36与发动机1相连接（串接关系），二级空气出管35与发动机空气进管36通过三通351（包括独立的三通、与气管连成为一体的三通结构或者电控三通阀等三通式结构）相连接。

一级空气出管34与发动机空气进管36分别串接有中冷器（341、361）。

上述所有的电控三通阀（331、371）均通过导线与发动机电控单元相连接，实现发动机电控单元对各电控三通阀（331、371）的集中控制，发动机电控单元可控制电控三通阀（331、371）阀门的开闭和开闭程度，每个电控三通阀可以接通两个方向，也可以三个阀门方向均接通。

本发明的使用方法及工作原理：采用三个大小不同的涡轮增压器，通过发动机电控单元调节电控三通阀，控制涡轮增压器进排气通路，可实现大涡轮增压器21与中涡轮增压器22和小涡轮增压器23组合通路，从而可形成三个级别空气增压大小的变化，即当发动机1处于低转速和低负荷时，大涡轮增压器21与小涡轮增压器23串联式工作，这时处于最小增压状态，当发动机处于中等转速和中等负荷时，大涡轮增压器21与中涡轮增压器22串联式工作，这时处于中等增压状态，当发动机处于高转速和大负荷时，中涡轮增压器22与小涡轮增压器23并联式工作，再与大涡轮增压器21串联式工作，这时处于大增压状态。具体工作过程是，当发动机处于低转速和低负荷时，如图2中带箭头的虚线所示，此时发动机电控单元同时调节电控三通阀(331、371)，使通向小涡轮增压器23的管路接通，通向中涡轮增压器22管路关闭，涡轮机端废气流向为：发动机1→发动机废气出管38→电控三通阀371 →小涡轮机231→大涡轮机211→大气，压气机空气流向为：大气→大压气机212→中冷器341→电控三通阀331 →小压气机232→中冷器361→发动机空气进管36→发动机1；此时，大涡轮增压器21与小涡轮增压器23处于工作状态，中涡轮增压器22处于关闭状态，由于小涡轮机231和小压气机232可以很小，此时发动机1处于低转速和低负荷时可以产生更高的增压压力和更多的进气流量，发动机低速动力性、经济性和排放特性更好。发动机和增压器涡轮机和压气机流量最大。当发动机1处于中等转速和中等负荷时，如图3带箭头的虚线所示，此时发动机电控单元同时调节电控三通阀(331、371)，使通向小涡轮增压器23的管路关闭，通向中涡轮增压器22管路接通，涡轮机端废气流向为：发动机1→发动机废气出管38→电控三通阀371 →中涡轮机221→大涡轮机211→大气，压气机空气流向为：大气→大压气机212→中冷器341→电控三通阀331 →中压气机222→中冷器361→发动机空气进管36→发动机1；此时，大涡轮增压器21与中涡轮增压器22处于工作状态，小涡轮增压器23处于关闭状态，此时可以产生中等增压压力的进气流量，适合路况的需要，而不至于动力太大或者动力不足。当发动机处于1高转速和大负荷时，如图4带箭头的虚线所示，此时发动机电控单元同时调节电控三通阀(331、371)，使通向小涡轮增压器23的管路与通向中涡轮增压器22管路圴接通，涡轮机端废气流向为：发动机1→发动机废气出管38→电控三通阀371 →小涡轮机231与中涡轮机221→大涡轮机211→大气，压气机空气流向为：大气→大压气机212→中冷器341→电控三通阀331 →小压气机232与中压气机222→中冷器361→发动机空气进管36→发动机1；此时，大涡轮增压器21、中涡轮增压器22与小涡轮增压器23处于工作状态，此时，三个涡轮增压器同时工作，大增压器可以做得很大，涡轮机和压气机流量可以更大，因此发动机的升功率可以达到更大，经济性和排放特性也会更好。

本发明不局限于上述的具体结构，只要采用三个流量不相等的涡轮增压器并按照本发明相同的连接方式构成的两级涡轮增压系统或带两级涡轮增压系统的发动机就落在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种两级涡轮增压系统，其特征是：其包括大涡轮增压器(21)、中涡轮增压器(22)、小涡轮增压器(23)三个流量不相等的涡轮增压器，大涡轮增压器(21)的流量大于中涡轮增压器(22)的流量，中涡轮增压器(22)的流量大于小涡轮增压器的流量(23)，每个涡轮增压器均包括涡轮机和压气机，即大涡轮增压器(21)包括大涡轮机(211)和大压气机(212)，中涡轮增压器(22)包括中涡轮机(221)和中压气机(222)，小涡轮增压器(23)包括小涡轮机(231)和小压气机(232)；中涡轮增压器(22)与小涡轮增压器(23)的废气进出口分别通过气管相并接，中涡轮增压器(22)与小涡轮增压器(23)的空气进出口分别通过气管相并接，中涡轮增压器(22)与小涡轮增压器(23)的废气出口端通过气管相并接后再通过气管与大涡轮增压器(1)的废气进口相串接，中涡轮增压器(22)与小涡轮增压器(23)的空气进口端通过气管相并接后再通过气管与大涡轮增压器(1)的空气出口相串接。

2.根据权利要求1所述的两级涡轮增压系统，其特征是：所述的中涡轮增压器(22)的中涡轮机(221)的废气出口端通过二级废气出管(31)与小涡轮增压器(23)的小涡轮机(231)的废气出口相并接后再通过一级废气进管(32)与大涡轮增压器(21)的大涡轮机(211)的废气进口相串接，二级废气出管(31)与一级废气进管(32)通过三通(311)相连接；中涡轮增压器(22)的中涡轮机(221)的废气进口通过二级废气进管(37)与小涡轮增压器(23)的小涡轮机(231)的废气进口相并接，二级废气进管(37)上连接有三通(371)；中涡轮增压器(22)的中压气机(222)的空气进口通过二级空气进管(33)与小涡轮增压器(23)的小压气机(232)的空气进口相并接后再通过一级空气出管(34)与大涡轮增压器(21)的大压气机(212)空气出口相串接，二级空气进管(33)与一级空气出管(34)通过三通(331)相连接；中涡轮增压器(22)的中压气机(222)的空气出口通过二级空气出管(35)与小涡轮增压器(23)的小压气机(232)的空气出口相并接，二级空气出管(35)上连接有三通(351)。

3.根据权利要求2所述的两级涡轮增压系统，其特征是：所述二级废气进管(37)上的三通(371)为电控三通阀，二级空气进管(33)与一级空气出管(34)上的三通(331)为电控三通阀。

4.一种带两级涡轮增压系统的发动机，其包括发动机(1)和两级涡轮增压系统；发动机(1)包括发动机机械总成和发动机电控单元；其特征是：两级涡轮增压系统为权利要求2所述的两级涡轮增压系统；发动机机械总成的废气出口通过发动机废气出管(38)与二级废气进管(37)上的三通(371)相连接。

5.一种带两级涡轮增压系统的发动机，其包括发动机(1)和两级涡轮增压系统；发动机(1)包括发动机机械总成和发动机电控单元；其特征是：两级涡轮增压系统为权利要求3所述的两级涡轮增压系统；发动机机械总成的废气出口通过发动机废气出管(38)与二级废气进管(37)上的三通(371)相连接。

6.根据权利要求4所述的带两级涡轮增压系统的发动机，其特征是：所述的发动机机械总成的空气进口通过发动机空气进管(36)与三通(351)相连接。

7.根据权利要求5所述的带两级涡轮增压系统的发动机，其特征是：所述的发动机机械总成的空气进口通过发动机空气进管(36)与三通(351)相连接。

8.根据权利要求7所述的带两级涡轮增压系统的发动机，其特征是：所述的电控三通阀（331、371）均通过导线与发动机电控单元相连接，实现发动机电控单元对电控三通阀（331、371）的集中控制。

9.根据权利要求6或7所述的带两级涡轮增压系统的发动机，其特征是：所述的一级空气出管(34)串接有中冷器(341)，发动机空气进管(36)串接有中冷器(361)。

10.根据权利要求8所述的带两级涡轮增压系统的发动机，其特征是：所述的一级空气出管(34)串接有中冷器(341)，发动机空气进管(36)串接有中冷器(361)。

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