CN104675511A - 两级涡轮增压器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了一种用于内燃发动机(110)的两级涡轮增压器系统(230)，该涡轮增压器系统包括高压涡轮(251)，其联接到内燃发动机的排气歧管(225)；低压涡轮(253)，其入口(253’)联接到高压涡轮且其出口(253”)联接到发动机的排气系统(270)；低压压气机(242)，其入口(242’)联接到环境且其出口(242”)联接到高压压气机(241)，所述高压压气机还联接到内燃发动机的进气歧管(200)，其中高压涡轮设置有包括高压受控旁通阀(252)的高压旁通管线(256)，低压涡轮设置有包括低压受控旁通阀(254)的低压旁通管线(257)，且受控阀(255)设置在高压涡轮和低压涡轮之间。

Description

两级涡轮增压器系统
技术领域
本发明涉及两级涡轮增压器系统的新构造。该新系统特别适用于高功率的内燃发动机，且更特别地适用于具有高单位功率的柴油发动机。
背景技术
涡轮增压器，简称“涡轮”，是用来允许给定尺寸的发动机生产更多功率的强制进气装置。涡轮的益处在于，其压缩大量的进气空气进入燃烧室，由此带来增加的功率和/或效率。涡轮增压器通常用于卡车、汽车、火车和建筑设备发动机上。它们普及地用于奥托循环和柴油循环内燃发动机，且在汽车燃料电池中得到应用。还已知可用于高性能发动机的两级涡轮增压器。
两级涡轮增压器系统的示例在DE 10 2004 061 023 A1中有所描述。其公开了发动机，该发动机具有带有两个排气气体涡轮-增压器的排气气体增压器布置，其中排气气体涡轮-增压器中的一个是可切换的。两个排气气体涡轮增压器彼此连接，使得通过其中一个涡轮-增压器压缩的被增压空气使用另一个涡轮-增压器被间歇地再次加压。中冷器布置用于增压空气的中间冷却。
用于两级增压系统的一个现有解决方案是所称的“串行序列(Serialsequential)”类型。这意味着，峰值功率操作通过使用仅一个涡轮增压器(低压涡轮增压器)进行。当使用仅一个涡轮增压器时，单个的低压压气机必须提供大约为4的压比，以提供空气用于高功率发动机，所述发动机的单位功率输出在90kW/l的范围内。这样的高压比引起压气机出口温度的高数值，和作为结果的压气机中的油焦化。
用于两级增压系统的另一个解决方案是所称的“完全串行(full series)”类型。根据该解决方案，所有进气空气穿过低压压气机和随后高压压气机二者行进。这引起的事实是，每个压气机可提供所需压比的一半(例如2x2＝4)。通过该解决方案，压气机出口温度的高数值可被避免。另一方面，“完全串行”模式的使用产生排气歧管中的非常高的背压，主要是由于高压涡轮，该高压涡轮是较小的涡轮。当然，排气歧管中的高背压意味着发动机功率的损失。如果使用更高压力的涡轮，则这将导致瞬变相的恶化，因此更大的涡轮不是合适的解决方案。
因此，需要一种新的两级增压系统构造用于高功率内燃发动机，特别地用于具有90kW/l和更高的范围内的单位输出的柴油发动机。
本发明的目的是，提供用于高功率内燃发动机的两级涡轮增压系统，其具有两个涡轮增压器，其可根据切换阀的新布置而可切换。
这些目的通过具有在独立权利要求中记述的特征的发动机和两级涡轮增压器而实现。
从属权利要求描述了优选和/或特别有优势的方案。
发明内容
本公开的实施例提供了一种用于内燃发动机的两级涡轮增压器系统，该涡轮增压器系统包括高压涡轮，其联接到内燃发动机的排气歧管；低压涡轮，其入口联接到高压涡轮且其出口联接到发动机的排气系统；低压压气机，其入口联接到环境且其出口联接到高压压气机，所述高压压气机还联接到内燃发动机的进气歧管，其中高压涡轮设置有包括高压受控旁通阀的高压旁通管线，低压涡轮设置有包括低压受控旁通阀的低压旁通管线，且受控阀设置在高压涡轮和低压涡轮之间。
该实施例的优势是，其提供具有非常灵活构造的两级涡轮增压器，其可在每种操作条件中支持高功率内燃发动机。事实上，以完全串行方式操作压气机的这种系统允许降低压气机级的出口温度，并通过选择性地切换涡轮受控阀，根据需要令涡轮串行、并行或以混合配置工作，由此将排气歧管中排气气体背压保持在可接受的值。
根据另一实施例，高压涡轮和低压涡轮通过包括所述受控阀的导管联接，高压旁通管线流体地连接在排气歧管的节点和联接涡轮的导管的第一节点之间，低压旁通管线流体地连接在联接涡轮的导管的第二节点和排气系统的排气管的节点之间。
以此方式，可以限定穿过受控阀或受控旁通管线的每一个的三个路径。根据相关的阀打开，气体可流动穿过这些路径中的一个或多个。
根据本发明的另一实施例，所述高压涡轮是可变几何结构涡轮。
本实施例的优势在于，可变几何结构涡轮可根据发动机操作条件、通过改变其分配器的通道叶片的宽度且更具体地通过在排气气体流量增大时增大该宽度而被优化。
根据本发明的另一实施例，所述低压涡轮是固定几何结构涡轮。
该另一实施例的优势在于，第二低压受控旁通可用作废气门阀，因此不需要可变几何结构涡轮。如已知的，固定几何结构涡轮更便宜，且因此这种两级涡轮增压器的成本可保持在可接受的水平。
根据再一实施例，低压中冷器位于空气进气管中，在低压压气机与高压压气机之间。
如已知的，中冷器降低被压缩空气的温度，由此允许被压缩空气针对给定的压力值达到更高的密度值。
根据再一实施例，高压中冷器位于空气进气管中，在高压压气机与进气歧管之间。
对于前一项，该实施例的优势在于，允许被压缩空气针对给定的压力值达到更高的密度值。
根据另一实施例，该两级涡轮增压器系统构造为在低发动机速度值时关闭高压受控旁通阀和低压受控旁通阀并打开受控阀，使得排气气体从排气歧管经由高压涡轮、受控阀和低压涡轮流动到排气系统。
该实施例的优势在于，涡轮在完全串行条件中操作，尽可能地恢复排气气体焓。
根据再一实施例，该两级涡轮增压器系统构造为在中间发动机速度值时关闭低压受控旁通阀并打开高压受控旁通阀和受控阀，使得第一给定量的排气气体从排气歧管经由高压涡轮、受控阀和低压涡轮流到排气系统，而第二给定量的排气气体从排气歧管经由高压受控旁通管线和低压涡轮流到排气系统。
该实施例的优势在于，这种混合串行-并行配置对于将更大排气流量产生的排气歧管中背压保持在可接受的值来说是良好的折中，因为涡轮部分地并行工作。
根据另一实施例，该两级涡轮增压器系统构造为在高发动机速度值时关闭受控阀并打开高压受控旁通阀和低压受控旁通阀，使得第一给定量的排气气体从排气歧管经由高压涡轮和低压受控旁通管线流到排气系统，而第二给定量的排气气体从排气歧管经由高压受控旁通管线和低压涡轮流动至排气系统。
该实施例的优势在于，这种构造是完全并行模式，且非常适用于发动机以峰值功率操作时，因为通过让涡轮完全以并行方式工作补偿了排气歧管中的背压。
根据再一实施例，提供了内燃发动机，发动机包括进气歧管、排气歧管和根据前述任一实施例的两级涡轮增压器系统。
附图说明
现在将通过示例、参考附图来描述各实施例，其中
图1是内燃发动机的截面。
图2是设置有根据本发明的两级涡轮增压器构造的内燃发动机的简化方案图。
图3是图2的涡轮增压器构造的第一操作方案，其显示了受控旁通阀在发动机低载荷下的布置。
图4是图2的涡轮增压器构造的第二操作方案，其显示了受控旁通阀在发动机部分载荷下的布置。
图5是图2的涡轮增压器构造的第三操作方案，其显示了受控旁通阀在发动机高载荷下的布置。
附图标记列表
110   内燃发动机；
120   发动机缸体
125   汽缸
130   汽缸盖
135   凸轮轴
140   活塞
145   曲轴
150   燃烧室
155   凸轮移相器
200   进气歧管
205   空气进气导管
210   进气端口
215   阀
220   排气端口
225   排气歧管
241   HP压气机
242   LP压气机
242’ LP压气机入口
242” LP压气机出口
251   HP涡轮
252   HP受控旁通阀
253   LP涡轮
253’ LP涡轮入口
253” LP涡轮出口
254   LP受控旁通阀
255   受控阀
256   HP旁通管线
257   LP旁通管线
258   导管
260   HP中冷器
261   LP中冷器
A,B,C,D 节点
具体实施方式
图1和2显示了两级涡轮增压式内燃发动机(ICE)110的实施例，其具有发动机缸体120，所述发动机缸体限定至少一个汽缸125，所述汽缸125具有活塞140，所述活塞140被联接以旋转曲轴145。汽缸盖130与活塞140配合，以限定出燃烧室150。燃料和空气混合物(未示出)被设置在燃烧室150中且被点火，导致引起活塞的往复运动的热膨胀排气140。燃料由至少一个燃料喷射器(未示出)提供，且空气穿过至少一个进气端口210。每一个汽缸125具有至少两个阀215，由凸轮轴135促动，所述凸轮轴135与曲轴145一起正时旋转。阀215选择性地允许空气从端口210进入燃烧室150，并交替地允许排气通过端口220离开。在一些示例中，凸轮移相器155可以选择性地改变凸轮轴135和曲轴145之间的正时。
空气进气导管205可将空气从周围环境提供到进气歧管200，并随后，该空气可穿过进气歧管200被分配到空气进气端口(一个或多个)210。还提供了强制进气系统，如涡轮增压器。涡轮增压器是两级涡轮增压器系统230，其具有一个高压级涡轮增压器和一个低压级涡轮增压器。高压(HP)涡轮251联接排气歧管225，从其接收排气气体。涡轮可具有固定的或可变几何结构，且设置有带有高压受控旁通阀252的高压旁通管线256。该旁通管线直接连接排气歧管与低压涡轮253。低压(LP)涡轮253的入口253’联接到高压涡轮，从所述高压涡轮接收排气气体，且LP涡轮的出口253”联接到内燃发动机的排气系统270，该排气系统可包括排气管275，所述排气管具有一个或多个排气后处理装置280。LP涡轮还可以是VGT涡轮，或在图2的示例中为固定几何结构涡轮，其设置有低压旁通管线257，该低压旁通管线包括低压受控旁通阀254。受控阀225设置在HP涡轮和LP涡轮之间。低压压气机242的入口242’联接到环境，其从环境接收空气并将其压缩。LP压气机出口242"联接到高压压气机241。高压压气机在将增压空气输送至进气歧管200之前完成第二阶段的增压空气压缩。在空气进气管205中，在低压压气机242和高压压气机241之间，可设置低压中冷器261，如图2中的示例那样。还在空气进气管205中，在高压压气机241和进气歧管200之间，也可设置高压中冷器260。如已知的，中冷器降低被压缩空气的温度，由此允许空气在给定的压力值下达到更高的密度值。
本发明的实施例限定了新的受控阀系统，使得能够从串行序列模式切换涡轮操作，并在峰值功率下以并行模式操作涡轮，使得它们可以分享工作载荷。以此方式，大涡轮尺寸的选项可以避免，所述大涡轮尺寸损害瞬态性能。为此目的，高压涡轮251设置有高压旁通管线256，该高压旁通管线包括高压受控阀252且直接连接排气歧管与低压涡轮253；而且低压涡轮253设置有低压旁通管线257，该低压旁通管线包括低压受控旁通阀254且直接连接高压涡轮与发动机的排气系统，受控阀255设置在HP涡轮和LP涡轮之间。以此方式，可以限定穿过受控阀或受控旁通阀的每一个的三个路径。根据相关的阀打开，气体可流动穿过这些路径中的一个或多个。更详细地，如图2所示，高压涡轮和低压涡轮通过导管258联接，受控阀255沿导管258定位，高压旁通管线256连接排气歧管225的节点A和导管258的第一节点B，低压旁通管线257连接导管258的第二节点C和排气系统270的排气管275的节点D。
另一方面，压气机总以完全串行模式操作，因此在峰值功率下分享压比。事实上，没有受控旁通阀被设置用于低压压气机242和高压压气机241二者。
图3中解释了低发动机速度下的涡轮增压器系统的操作模式。如已经提到的，压气机以完全串行模式操作。这意味着，低压压气机242从大气获取空气，将其压缩，且将其输送至高压压气机241，且高压压气机级在将该增压空气输送到内燃发动机的进气歧管200之前完成第二阶段的增压空气压缩。对于其他发动机操作条件(中间和高的速度)，压气机操作模式是相同的，且因此将不再重复。压气机在峰值功率下分享压比这一事实避免了压气机出口温度的高数值以及作为结果的压气机中的机油焦化。
在低发动机速度下(即大约从1000至1500rpm)，涡轮级以完全串行模式操作。事实上，如图3所示，高压受控旁通阀252关闭且低压受控旁通阀254也关闭(点划线意思是没有排气气体流动)。因此，排气气体从排气歧管225流动到高压涡轮251，并随后穿过受控阀255(其是打开的)到达低压涡轮253并随后到排气系统。这种构造适用于低发动机速度，因为排气气体流量小，且不产生排气歧管中大的背压，不损害内燃发动机的热力学效率。另一方面，两个涡轮都可工作为尽可能多地恢复排气气体的焓。
在中间发动机操作条件中，即发动机以中间速度(大约从1500至3000rpm)操作的情况下，阀系统的构造如图4中所示。如可观察到的，低压受控旁通阀254关闭(点划线)且没有排气气体流过其，而高压受控旁通阀252和受控阀255二者打开。根据该构造，第一给定量的排气气体从排气歧管225流动到高压涡轮251，并随后穿过受控阀255到低压涡轮253；第二给定量的气体之间从排气歧管225流动穿过高压受控旁通阀252，到低压涡轮253；最后，所有量的排气气体被排放进入排气系统。这样的排布可理解为混合串行-并行配置。在发动机以中间速度值操作的情况中，这样的构造是良好的折中：通过让涡轮部分地并行工作，排气气体的更大流量产生的排气歧管中的背压被补偿。另一方面，两个涡轮都可(高压涡轮至少部分地)工作为尽可能多地恢复排气气体的焓。
最终，在峰值发动机操作条件中，即发动机以高速度(大约从3000至5000rpm)操作的情况下，受控旁通系统的构造如图5中所示。如可观察到的，受控阀255关闭(点划线)且没有排气气体流过其，而高压受控旁通阀252和低压受控旁通阀254二者打开。根据该构造，第一给定量的排气气体从排气歧管225流动到高压涡轮251，并随后穿过低压受控旁通阀254，被排放到排气系统，将低压涡轮253绕过；第二给定量的气体之间从排气歧管225直接流动穿过高压受控旁通阀252，到低压涡轮253，并随后被排放到排气系统。这种构造是完全并行模式且非常适于发动机以峰值功率操作时：通过让涡轮完全并行工作，排气气体的更大流量产生的排气歧管中的背压被补偿。另一方面，两个涡轮都可(至少部分地)工作为尽可能多地恢复排气气体的焊。
总之，该新型两级涡轮增压器系统具有非常灵活构造的两级涡轮增压器，其可在每种操作条件中支持高功率内燃发动机。事实上，从一方面，压气机总是串行操作这一事实允许降低压缩级的出口温度。而且，从涡轮侧，受控旁通系统可实现的不同排布允许使用小尺寸涡轮(在高功率下涡轮可并行工作)由此提高发动机瞬态条件过程中的惯性，且(通过一旦排气气体流量增加则从串行构造切换到并行构造)允许保持排气歧管中排气气体背压处于可接受的值。最后，这种涡轮增压系统可通过两个涡轮增压器工作，对于相同的发动机性能不需要另外的涡轮增压器级。
尽管至少一个示例性实施例已经在前述概述和详细描述中呈现，应意识到存在大量变体。应意识到，一个示例性实施例或多个示例性实施例可以仅为示例，且不意图以任何方式限制范围、可用性或构造。更确切地，前述概要和详细描述将为本领域技术人员提供用于实施至少一个示例性实施例的便利的指导，应理解可以在示例性实施例中描述的元件的布置和功能方面进行各种变化，而不违背所附权利要求和它们的法律等同体中所述的范围。

Claims (10)

1.一种用于内燃发动机(110)的两级涡轮增压器系统(230)，该涡轮增压器系统包括：高压涡轮(251)，其联接到内燃发动机的排气歧管(225)；低压涡轮(253)，其入口(253’)联接到高压涡轮且其出口(253”)联接到发动机的排气系统(270)；低压压气机(242)，其入口(242’)联接到环境且其出口(242”)联接到高压压气机(241)，所述高压压气机还联接到内燃发动机的进气歧管(200)，其中高压涡轮设置有包括高压受控旁通阀(252)的高压旁通管线(256)，低压涡轮设置有包括低压受控旁通阀(254)的低压旁通管线(257)，且其中受控阀(255)设置在高压涡轮和低压涡轮之间。
2.如权利要求1所述的两级涡轮增压器系统(230)，其中高压涡轮和低压涡轮通过包括所述受控阀(255)的导管(258)联接，高压旁通管线(256)流体地连接在排气歧管(225)的节点(A)和联接涡轮的导管(258)的第一节点(B)之间，低压旁通管线(257)流体地连接在联接涡轮的导管(258)的第二节点(C)和排气系统的排气管(275)的节点(D)之间。
3.如权利要求1或2所述的两级涡轮增压器系统(230)，其中所述高压涡轮(251)是可变几何结构涡轮。
4.如前述权利要求中任一项所述的两级涡轮增压器系统(230)，其中所述低压涡轮(253)是固定几何结构涡轮。
5.如前述权利要求中任一项所述的两级涡轮增压器系统(230)，其中低压中冷器(261)位于在低压压气机(242)与高压压气机(241)之间的空气进气管(205)中。
6.如前述权利要求中任一项所述的两级涡轮增压器系统(230)，其中高压中冷器(260)位于在高压压气机(241)与进气歧管(200)之间的空气进气管(205)中。
7.如前述权利要求中任一项所述的两级涡轮增压器系统(230)，该系统构造为在低发动机速度值时关闭高压受控旁通阀(252)和低压受控旁通阀(254)并打开受控阀(255)，使得排气气体从排气歧管(255)经由高压涡轮、受控阀(255)和低压涡轮(253)流动到排气系统(270)。
8.如权利要求1-5中任一项所述的两级涡轮增压器系统(230)，该系统构造为在中间发动机速度值时关闭低压受控旁通阀(254)并打开高压受控旁通阀(252)和受控阀(255)，使得第一给定量的排气气体从排气歧管(225)经由高压涡轮(251)、受控阀(255)和低压涡轮(253)流到排气系统(270)，而第二给定量的排气气体从排气歧管(225)经由高压受控旁通管线(256)和低压涡轮(253)流到排气系统(270)。
9.如权利要求1-5中任一项所述的两级涡轮增压器系统(230)，该系统构造为在高发动机速度值时关闭受控阀(255)并打开高压受控旁通阀(252)和低压受控旁通阀(254)，使得第一给定量的排气气体从排气歧管(225)经由高压涡轮(251)、低压受控旁通管线(257)流到排气系统(270)，而第二给定量的排气气体从排气歧管(225)经由高压受控旁通管线(256)和低压涡轮(253)流动至排气系统(270)。
10.一种内燃发动机(110)，其包括进气歧管(200)、排气歧管(225)和根据前述权利要求中任一项所述的两级涡轮增压器系统(230)。
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