CN104169559B - 涡轮泵 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机的排气涡轮泵，该排气涡轮泵具有能够围绕共同的轴线旋转的多对涡轮机叶轮和压缩机叶轮，叶轮的内部对通过能够相对于连接叶轮的外部对的心轴旋转的管状轴连接。叶轮的一对叶轮包括用于入口空气的涡轮增压器，并且叶轮的另一对叶轮包括低压EGR泵。

Description

涡轮泵
技术领域
本发明涉及一种用于车辆发动机的涡轮泵，并且特别地涉及一种包括涡轮增压器的排气驱动涡轮泵。本发明的各方面涉及泵、组件、系统、发动机以及车辆。
背景技术
用于车辆发动机的排气驱动涡轮增压器是众所周知的。通过废气驱动的涡轮增压器的涡轮机在入口侧上驱动压缩机，并且从而增加了发动机的每个燃烧周期的充量容积。
还已知废气再循环(EGR)的技术，由此出于减少有害排放物的目的，废气再循环至发动机的入口侧以在冷发动机起动期间稀释新鲜空气充量。
高压EGR在排气歧管处或邻近排气歧管处提供废气。该布置由于废气流是热的而有些不利，并且从而基于与废气的混合提高了入口充量的温度。另外这种废气是未过滤的，并且因此含有碳以及可能引起发动机润滑剂的劣化的其他污染物。
所谓的低压EGR为从通常的柴油机氧化催化器(DOC)和柴油机微粒过滤器(DPF)的下游排气系统中的点提供废气的替代物。这种气体相对冷的且清洁，但基本处于尾管压力下。相对低压的结果是不足的容量可以流动、或者被抽吸进入到发动机进气道中。因此，可以提供一种泵以确保足量的相对冷的和清洁的废气可以根据需要提供至进气道。
发明内容
鉴于此背景，已经构想出本发明。本发明的实施方式可以提供一种解决以上问题的改进的泵。本发明的其他目的和优点从以下描述、权利要求和附图中将变得显而易见。
根据本发明的一方面提供了一种车辆发动机的排气涡轮泵组件，并且具有能够围绕共同的轴线旋转的成对的压缩机叶轮和涡轮机叶轮，所述叶轮的内部对通过能够相对于穿过所述轴并且连接所述叶轮的外部对的心轴旋转的管状轴连接，叶轮的一对叶轮包括排气驱动涡轮增压器，并且所述叶轮的另一对叶轮包括用于再循环至发动机进气道的废气的排气驱动涡轮泵。这种泵在本文中被称为EGR涡轮泵。
这种布置可以提供紧凑的涡轮泵组件，在该涡轮泵组件中，所述对压缩机叶轮和涡轮机叶轮围绕相同的旋转轴线独立地操作以提供涡轮增压器和EGR涡轮泵。
在一个实施方式中，提供了一种双涡轮泵组件。附加的成对的涡轮机叶轮和压缩机叶轮可以被提供并且通过能够关于共同的轴线旋转的相应的管状轴联接。例如，三涡轮泵组件可以包括两级涡轮增压器和EGR涡轮泵。
在本发明的实施方式中，涡轮泵组件的外部叶轮是环形的，直通通道提供至相应的内部叶轮的气体流动路径。
在本发明的实施方式中，EGR涡轮泵能够根据要求操作，并且包括其涡轮机叶轮上游的关闭阀。该关闭阀可以被关闭，使得EGR泵的涡轮机叶轮的主动旋转被避免并且所有废气均穿过涡轮增压器涡轮机叶轮。关闭阀可以被逐步打开以设置用于增加超过EGR泵涡轮机叶轮的流量，从而根据与EGR泵涡轮机叶轮成对的EGR泵压缩机叶轮来实现期望的泵送效果。
涡轮增压器可以包括常规的废气门等以避免其过压和/或使涡轮增压器涡轮不能适应的流动转向。
在一个实施方式中，涡轮增压器包括叶轮的内部对，而EGR涡轮泵包括叶轮的外部对。
在本发明的实施方式中，EGR涡轮泵的压缩机叶轮的出口以及涡轮增压器的压缩机叶轮的出口是连接的。在该布置中，已经通过EGR涡轮泵加压的废气与来自涡轮增压器的加压的入口空气在两者的压缩机叶轮的下游的位置处混合。
在另一实施方式中，EGR涡轮泵的压缩机叶轮的出口以及涡轮增压器的压缩机叶轮的入口是连接的。在该布置中，相对较低压的废气需要用于在涡轮增压器压缩机叶轮上游的进气道中混合。
EGR涡轮泵的压缩机叶轮定尺寸成在混合位置处提供足够流量的再循环废气，并且可以根据需要提供合适的压力调节器、限流器和/或止回阀。
在本发明的实施方式中，再循环废气可以被直接提供至涡轮增压器压缩机上游的进气道而没有来自EGR涡轮泵的附加增压。这种布置提供了用于将废气混合和分布至发动机的入口侧的额外的选项，并且可以补充经由EGR涡轮泵引入的废气。可以结合合适的分流阀和/或限流器以确保期望比例的废气流经相应的路径。
在另一实施方式中，来自发动机的进气道的清洁空气可以被引入到EGR涡轮泵的压缩机叶轮上游的废气再循环管道中。因此可以允许流量控制的合适的阀允许稀释再循环废气；这对获得发动机进气口中的再循环废气的期望比例是有用的。
因此，稀释的废气随后穿过EGR涡轮泵压缩机叶轮并且或者被引导至涡轮增压器压缩机上游的进气道，或者被引导至涡轮增压器压缩机下游的点并且优选地在发动机进气道的中间冷却器的上游。
在另一实施方式中，四通阀可以设置在EGR涡轮泵压缩机上游的废气再循环管道中。这种阀包括废气入口、来自进气道的新鲜空气入口、至涡轮增压器压缩机上游的进气道的出口、以及至EGR涡轮泵压缩机的出口。
在使用中，四通阀可以被关闭，以防止废气再循环，或可以被打开以允许下列中的一者：
a)将许可进入的未加压废气引导至发动机的进气道；
b)将许可进入的未加压的废气引导至EGR涡轮泵压缩机；
c)以期望的比例的a)和b)的组合；
d)以来自进气道的新鲜空气稀释再循环废气充量，组合的流传递至EGR涡轮泵压缩机；以及
e)a)和d)的组合。
通过本发明的实施方式提供的各种流动路径允许再循环废气在涡轮增压器压缩机的上游和下游的若干位置处混合。这些变化也允许相对热的气体和相对冷的气体以还可以在发动机入口侧上的位置处实现所期望的气体温度分布的比例有利地混合。
在本申请的范围内，可以设想到在前面段落中、在权利要求中和/或在下文的描述以及附图中所述的各个方面、各实施方式、各示例和各替代方案、并且特别是其各自的特征可以被独立地采用或以任意组合的方式采用。例如，关于一个实施方式所描述的特征能够应用于所有实施方式，除非这样的特征是不相容的。
附图说明
现在将参照附图仅通过示例的方式对本发明的实施方式进行描述，在该附图中：
图1和图2示意性地示出了处于“关闭”状态和“打开”状态的本发明的第一实施方式；
图3和图4示意性地示出了处于“关闭”状态和“打开”状态的本发明的第二实施方式；
图5、图6a和图6b示意性地示出了处于“关闭”状态和“打开”状态的本发明的第三实施方式；
图7和图8示意性地示出了处于“关闭”状态和“打开”状态的本发明的第四实施方式；
图9、图10a和图10b示意性地示出了处于“关闭”状态和“打开”状态的本发明的第五实施方式；以及
图11以及图12a至图12e示意性地示出了处于“关闭”状态和“打开”状态的本发明的第六实施方式。
具体实施方式
在附图中，示意性地示出了双涡轮泵组件。压缩机叶轮11与涡轮机叶轮12的内部对和压缩机叶轮13与涡轮机叶轮14的外部对安装用于围绕共同的轴线旋转，压缩机叶轮11与涡轮机叶轮12的内部对通过管状轴15联接，并且压缩机叶轮13与涡轮机叶轮14的外部对通过在管状轴15内延伸的轴(未图示)联接。
每对叶轮均独立于另一对叶轮，并且压缩机叶轮13与涡轮机叶轮14的外部对是环形的以允许流动至内部对以及从内部对流动，如将从下面的描述中变得显而易见的。
在使用中，提供流量控制阀以将流动引导至一个或另一个涡轮机叶轮，并且引导至一个或另一个压缩机叶轮。压缩机叶轮11与涡轮机叶轮12的内部对包括内燃机的常规涡轮增压器，并且压缩机叶轮13与涡轮机叶轮14的外部对包括用于再循环至发动机入口侧的低压废气的泵(EGR涡轮泵)。
参照图1，双涡轮泵组件由排气驱动涡轮机叶轮12、14构成，该排气驱动涡轮机叶轮12、14供应有来自柴油发动机(未图示)的排气歧管19的废气。废气在穿过涡轮级之后穿过柴油机氧化催化器16和柴油机微粒过滤器17至排气尾管18。与涡轮泵组件上游的废气压力相比较，在尾管中，废气压力可以表征为低的。
在附图中，可能的流动路径由虚线表示，而实际的流动路径由实线表示。
图1示出了与EGR涡轮泵相关联的涡轮机叶轮14不起作用的构型，在该构型中，排气流供应阀21关闭，并且所有废气流经由形成发动机涡轮增压器的一部分的涡轮机叶轮12。废气流穿过涡轮机叶轮14中的中央孔口，尽管一些自由旋转可能被故意地允许以确保其轴承的润滑，但没有实质的旋转力被给予至该中央孔口。
在该布置中，涡轮增压器的压缩机叶轮11常规地操作成给发动机的入口歧管20充气，并且接纳通过压缩机叶轮13的中央孔口的入口空气，这可以由于至涡轮机叶轮14的连接而自由旋转。
废气再循环道22朝向压缩机叶轮13引导废气，但该道在该实施方式中通过阀23关闭。
因此，在图1的实施方式中，EGR泵是“关闭”的。
在图2中，EGR泵是“开启”的，并且阀21允许流经由涡轮机叶轮14，这进而驱动压缩机叶轮13。阀23也被打开以允许压缩机叶轮13经由管道22抽吸EGR气体并且将其泵送至入口歧管20以补充来自压缩机叶轮11的加压空气。EGR气体和入口空气的混合优选地发生在位于入口歧管20的上游的常规的空气对空气中间冷却器(未图示)的上游。
该实施方式允许在废气的压力过低而不足以有效地流动到入口歧管下的再循环，而不用泵送。
合适的涡轮机叶轮和压缩机叶轮、阀、流量和其他变量的设计和规格是在技术人员的能力范围内的，并且不需要在此进一步描述。
在再循环废气的温度过高的情况下，合适的冷却器24可以及结合到EGR管道中，例如与发动机冷却系统相关联的气体/水冷却器。
图3和图4中示出了替代性布置。相同的部件使用相同的附图标记。
除加压废气从压缩机叶轮13穿过以与压缩机叶轮11的上游的入口空气混合之外，该实施方式与图1和图2的实施方式相对应。图3示出了“关闭”构型，在该“关闭”构型中，阀21和阀23是关闭的。图4示出了“打开”构型，在该“打开”构型中，低压废气泵送至空气入口管道。图3和图4的布置可以提供气体的更好的混合，并且用于安装在拥挤的发动机舱内的替代性构型。
在图5和图6a中示出的构型中，排气侧是不改变的。图5表示“关闭”状态，而图6a示出了“打开”状态，由此废气直接传递至进气道，并且未被推进。EGR管道的第二阀25关闭至压缩机叶轮13的流动路径。
EGR气体和空气的混合物通过压缩机叶轮11推进，以供应入口歧管20。
在图6b的实施方式中，阀25也被打开以允许一定比例的废气被直接推进至压缩机叶轮11下游的进气道。限流器、或其他装置可以被提供以确定用于EGR气体流的两种路径的流量比例。
图7和图8中示出了又一布置。排气侧是不改变的。图7表示“关闭”状态，并且图8表示“打开”状态。
附加阀26被结合在进气道中，由此空气可以被引导以与压缩机叶轮13上游的EGR气体混合。此外，可以提供限流器或其他装置以确定用于与EGR气流混合的朝向阀23引导的空气的比例。
尽管阀26在图7中可以是打开的，但是将理解的是，阀26还可以被关闭以避免穿过EGR管道22回流的任何风险。当阀26和阀23打开时(图8)，EGR气流与新鲜空气以期望的比例混合。
图9、图10a和图10b示出了与图7和图8密切对应的具有阀23、27的另一实施方式，除用于被引导至压缩机叶轮的上游的进气口的被推进的EGR气体的流动路径之外。排气侧是不改变的。
因此，在图9的“关闭”构型中，阀23和阀27是关闭的，并且EGR流被防止。
在图10a的“打开”构型中，阀23被打开以允许废气通过压缩机叶轮13被推进并且允许进入进气道(该实施方式也与图4对应)。
在图10b的“打开”构型中，阀27也被打开以允许进入压缩机叶轮13的废气的稀释。
图11以及图12a至图12e中示出了另一实施方式。图11表示“关闭”构型，而图12a至图12e示出了各种“打开”构型。在这些实施方式中，4通阀28设置在EGR管道中。
在第一“打开”情况下(图12a)，废气被引导至压缩机叶轮11上游的入口管道(也与图6a对应)并且未被推进。
在图12b中，废气经由压缩机叶轮13推进(也与图2对应)。
在图12c中，废气被推进并且被直接供应至进气道(也与图6b对应)。
在图12d中，阀28引导入口空气以与压缩机叶轮13上游的废气混合(也与图8对应)。
在图12e中，入口空气和废气是混合的，并且按比例供应至压缩机叶轮13上游的进气道以及供应至压缩机叶轮11。
由本文中所述的构型允许的不同流动路径既可以适应拥挤的发动机舱中的安装，并且也允许废气和新鲜空气以合适的比例混合，以获得对入口歧管的所期望的充量。特别地，除废气和空气的所期望的比例之外，获得入口充量的所期望的温度是可能的。

Claims (16)

1.一种用于内燃机的泵组件，所述泵组件包括能够围绕共同的轴线旋转的成对的涡轮机叶轮和成对的压缩机叶轮，所述叶轮的内部对通过能够相对于心轴旋转的管状轴连接，所述心轴穿过所述管状轴并且连接所述叶轮的外部对，所述叶轮的外部对中的每个叶轮均具有限定用于至所述叶轮的内部对的气流的直通通道的中央孔口，所述叶轮的一对叶轮包括用于所述内燃机的入口的涡轮增压器，并且所述叶轮的另一对叶轮包括用于再循环至所述入口的废气的泵。
2.根据权利要求1所述的泵组件，其中，所述泵组件具有两对涡轮机叶轮和压缩机叶轮。
3.根据权利要求2所述的泵组件，其中，所述涡轮增压器包括所述叶轮的内部对。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的泵组件，其中，所述心轴以轴颈方式位于所述管状轴中。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的泵组件，其中，所述泵组件包括能够操作成控制废气流过用于废气的所述泵的所述涡轮机的阀。
6.一种包括根据权利要求1所述的泵组件以及其中具有关闭阀的废气返回管道的EGR系统。
7.根据权利要求6所述的EGR系统，其中，所述管道结合有降低流过所述管道的气体的温度的冷却器。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的EGR系统，其中，所述关闭阀能够操作成将废气引导至用于废气的所述泵的所述压缩机叶轮，用于废气的所述泵的出口连接至所述涡轮增压器的所述压缩机叶轮下游的发动机的进气道。
9.根据权利要求6或权利要求7所述的EGR系统，其中，所述关闭阀能够操作成将废气引导至用于废气的所述泵的所述压缩机叶轮，用于废气的所述泵的出口连接至所述涡轮增压器的所述压缩机叶轮上游的发动机的进气道。
10.根据权利要求8所述的EGR系统，其中，所述关闭阀能够操作成将能够选择的比例的废气流引导至所述涡轮增压器的所述压缩机叶轮上游的所述进气道。
11.根据权利要求8所述的EGR系统，其中，所述关闭阀能够操作成允许来自所述发动机的所述进气道的空气来补充引导至用于废气的所述泵的所述压缩机叶轮的废气。
12.根据权利要求6或权利要求7所述的EGR系统，其中，所述关闭阀包括能够操作成以组合的方式获得所期望的流动路径的多个阀元件。
13.根据权利要求6或权利要求7所述的EGR系统，其中，所述关闭阀包括多路径阀，所述多路径阀具有能够切换的阀元件以获得所期望的流动路径。
14.根据权利要求6或权利要求7所述的EGR系统，并且包括壳体，所述壳体具有单个进气口、单个排气口、用于进气歧管的单个连接件以及用于排气歧管的单个连接件。
15.一种具有根据权利要求1至3中的任一项所述的泵组件或权利要求6所述的EGR系统的发动机。
16.一种具有根据权利要求1至3中的任一项所述的泵组件或权利要求6所述的EGR系统的车辆。
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