CN106438022A - 一种涡轮增压器的旁通放气机构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮增压器的旁通放气机构及其设计方法，旁通放气机构包括涡轮箱、摇臂、传动销、执行器套管、执行器、传动轴和放气阀门，传动轴设置在涡轮箱内，传动轴的一端与摇臂的一端连接，另一端与放气阀门连接，涡轮箱上设置有放气孔，放气孔与放气阀门相连，摇臂的另一端通过传动销与执行器套管的一端连接，执行器套管的另一端与执行器的执行推杆连接。本发明还公开了该旁通放气机构的设计方法，通过本发明的方法可以比较直观、方便、合理的分析出该旁通放气机构中某参数的改变对其它参数改变的影响，从而设计出更合理的参数，使增压器匹配发动机性能更好，并直观列出了旁通放气机构影响增压器匹配发动机性能的参数。

Description

一种涡轮增压器的旁通放气机构及其设计方法

技术领域

本发明涉及涡轮增压技术领域，特别涉及一种涡轮增压器的旁通放气机构及其设计方法，该设计方法通过旁通放气机构的参数优化进而达到改善涡轮增压器匹配发动机中高速性能的目的。

背景技术

涡轮增压技术是利用发动机排出废气的能量，通过涡轮旋转带动涡轮叶轮转动变为机械功，与涡轮叶轮同轴的压气机叶轮也以同样的速度高速运转，将新鲜空气压缩后，送入发动机气缸，提高发动机气缸的空气密度和充气量，从而提高了发动机的功率，改善了燃油的燃烧条件，使燃油充分燃烧，因而降低了燃油消耗，减少了排入大气的废气中有害物的比例，进而最终实现环保节能，提高发动机功率的作用，同时对发动机在高原工作时起到恢复功率的作用。

影响涡轮增压器匹配发动机性能的主要增压器零部件有压气机、涡轮机和旁通放气机构。涡轮增压器是利用废气排出的力量来驱动，当节气减小或关闭时，涡轮叶片(压气机叶轮)在惯性作用下仍旧持续转动，此时进气管路中的空气压力会迅速提高，为了保护增压系统，当压力达到某一限定值后，进气旁通阀门打开，过剩的空气则不经过蜗壳，蜗壳增压器压力下降，转速降低，实现降压保护的功能。因此，旁通放气机构可通过放气阀门旁通掉通过涡轮箱内的过多的废气，防止增压器超速，防止增压压力和涡前压力过高，从而防止发动机性能和可靠性恶化。该旁通放气机构有多个零件，有多个影响参数，参数影响涡轮增压器增压压力和排气背压、扫气压差等性能、可靠性参数。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种涡轮增压器的旁通放气机构及其设计方法，该设计方法仅仅需通过改变旁通放气机构零件参数就可改善涡轮增压发动机中高速性能，而不会影响增压器匹配发动机处于低转速时的性能，不需要另外设计增压器压气机、涡轮机，至多仅需补充加工压气机蜗壳的气嘴孔、涡轮箱的放气孔。

基于上述目的，本发明提供的一种涡轮增压器的旁通放气机构，包括涡轮箱、摇臂、传动销、执行器套管、执行器、传动轴和放气阀门，所述执行器包括执行器壳体、执行推杆、膜片和弹簧，所述传动轴设置在所述涡轮箱内，所述传动轴的一端伸出所述涡轮箱与所述摇臂的一端连接，所述传动轴的另一端与所述放气阀门连接，所述涡轮箱上设置有放气孔，所述放气孔与所述放气阀门相连，所述摇臂的另一端通过所述传动销与所述执行器套管的一端连接，所述执行器套管的另一端与所述执行推杆连接；所述膜片安装在所述执行器壳体内并将所述执行器壳体的内腔隔成上方腔体和下方腔体，所述执行器壳体位于所述上方腔体的位置设有能与压气机相连通的执行器气嘴，所述执行推杆的一端与所述下方腔体固定连接，所述执行推杆的另一端从所述执行器壳体的孔中穿出，所述弹簧套装在所述执行推杆上。

进一步，本发明还提供了所述的涡轮增压器的旁通放气机构的设计方法，包括以下步骤：

(1)所述放气阀门、传动轴和摇臂绕支点转动时，对支点产生第一力矩，并且在运动过程中获取如下参数：大气对膜片的压力、涡轮增压器的增压压力、膜片的直径、弹簧的弹性系数、执行器套管的位移、执行器设定的预紧力和摇臂两中心孔的距离，根据获得的参数可确定第一力矩的优化函数；

(2)所述膜片的移动会带动执行器套管的移动，使传动销、摇臂、传动轴和放气阀门绕支点转动，执行器对支点产生第二力矩，并且在运动过程中获取如下参数：放气孔的涡前压力、放气阀门背面的涡后压力、放气孔的直径、传动轴两中心线的距离，根据获得的参数可确定第二力矩的优化函数；

(3)为了使放气阀门保持不动，则第一力矩和第二力矩相等，从而得到力矩平衡函数，根据该力矩平衡函数，对涡轮增压器的旁通放气机构的参数进行优化设计，进而改善涡轮增压器匹配发动机的性能。

在本发明的一个实施例中，步骤(1)中所述第一力矩的优化函数为：

其中，W_C为第一力矩，P_7a为大气对膜片的压力，即为大气压力，P_7b为涡轮增压器的增压压力，D₇为膜片的直径，k为弹簧的弹性系数，x为执行器套管的位移，F₇为执行器设定的预紧力，L₄为摇臂4两中心孔的距离。

在本发明的一个实施例中，步骤(2)中所述第二力矩的优化函数为：

其中，W_T为第二力矩，P_3a为放气孔的涡前压力，P_3b为放气阀门背面的涡后压力，D₃为放气孔的直径，L₉为传动轴两中心线的距离。

在本发明的一个实施例中，步骤(3)中力矩平衡函数为：

W_C＝W_T

涡轮增压器的旁通放气机构结构参数、压气机蜗壳内的增压压力、涡轮箱放气孔处的涡前压力均能影响放气阀门的开关和开度大小，这些参数相互影响，通过合理、适时调节这些参数来改变涡轮箱放气阀门的放气量，实现对增压压力、涡前压力与增压压力压差的理想、适时控制和调节，从而改善发动机性能。压气机蜗壳内的增压压力、涡轮箱放气孔处的涡前压力、执行器的预紧力均可使旁通放气机构结构绕支点旋转，对支点处产生力矩，两力矩差的大小决定了旋转方向，不过最终会相等、实现平衡。对支点处列出两力矩方程，通过方程就可分析出某参数的改变对其它参数、增压压力、涡前压力与增压压力的影响，从而达到理想的性能参数，理想的结果是发动机在标定工况具有相同增压压力时，其涡前压力更低，其它转速工况增压压力更高，这样就可以设计出合理的旁通放气机构、选取合理的压气机蜗壳气嘴孔位置和涡轮箱放气孔的大小、位置等。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、增压器增压压力、涡前压力、涡前压力与增压压力压差、旁通放气机构各参数相互影响，通过本发明的方法可以比较直观、方便、合理的分析出某参数的改变对其它参数改变的影响，从而设计出更合理的参数，使增压器匹配发动机性能更好。

2、本发明直观列出了旁通放气机构影响增压器匹配发动机性能的参数。

附图说明

附图是结合具体的工艺实施方式，详细的说明了工艺走向。

图1为本发明的涡轮增压器外形主示意图；

图2为本发明的执行器剖视图；

图3为本发明的涡轮增压器外形向视图；

图4为本发明的放气阀门与涡轮箱的装配剖视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例1

本发明的涡轮增压器外形主示意图如图1所示，本发明的涡轮增压器外形向视图如图3所示。

如图1和图3所示，涡轮增压器包含气嘴1、压气机蜗壳2、涡轮箱3、摇臂4、传动销5、执行器套管6、执行器7、执行器支架11、胶管8、传动轴9、放气阀门10。涡轮箱3、摇臂4、传动销5、执行器套管6、执行器7、传动轴9、放气阀门10组成旁通放气机构。气嘴1通过胶管8与执行器7连通，执行器7包括执行推杆7-4，执行器支架11固定在涡轮箱3上，执行器7固定在执行器支架11上，执行器套管6的一端与执行推杆7-4螺纹连接，执行器套管6的另一端与摇臂4上的传动销5连接，传动轴9可通过轴套安装在涡轮箱3内，传动轴9的一端伸出涡轮箱3与摇臂4的一端连接，传动轴9的另一端与放气阀门10连接，摇臂4的一端通过传动销5与执行推杆7-4连接。

在本实施例中，传动轴9通过传动销5和摇臂4与执行器7活动连接，执行器7的执行推杆7-4通过执行器套管6带动传动销5运动，再由摇臂4带动传动轴9转动。工作原理：通过执行器7调节放气阀门10的开度大小来改变气流流通面积，从而改变增压器工作工况，达到改变压气机增压能力的目的。发动机高速运转时，排气能量大增，如果不放掉部分气体，会造成增压器转速超速，执行器7会打开放气阀门10，从而让部分高温气体直接排出不做功，以达到防止增压器超速的目的。

图2为本发明的执行器剖视图，如图2所示，执行器7包括执行器壳体7-5、执行推杆7-4、膜片7-2和弹簧7-3，膜片7-2安装在执行器壳体7-5内并将执行器壳体7-5的内腔隔成上方腔体7-6和下方腔体7-7，执行器壳体7-5位于上方腔体7-6的位置设有能与压气机相连通的执行器气嘴7-1，执行推杆7-4的一端与下方腔体7-7固定连接，执行推杆7-4的另一端从执行器壳体7-5的孔中穿出，弹簧7-3套装在执行推杆7-4上。

执行器7的工作原理：当压气机出口压力，也就是增压压力低于限定值时，膜片7-2在弹簧7-3的作用下上移，并带动执行推杆7-4将放气阀门10关闭；当增压压力超过限定值时，增压压力克服弹簧7-3的弹力，推动膜片7-2下移，并带动执行推杆7-4将放气阀门10打开，使部分排气不经过涡轮机直接排放到大气中，从而达到控制增压压力及增压器转速的目的。增压压力的变化可以快速反应到放气阀门10的开度大小，从而及时控制增压压力，保护增压系统。

图4为放气阀门与涡轮箱的装配剖视图，如图4所示，涡轮箱3上设置有放气孔3-1，放气孔3-1与放气阀门10相连。放气阀门10处的压力可推动放气阀门10移动，使放气阀门10、传动轴9、摇臂4绕支点转动。

在本实施例中，旁通放气机构的工作原理：当涡轮增压器需要排出废气时，增压压力克服弹簧7-3的弹力，推动膜片7-2下移，并带动执行器7的执行推杆7-4移动，执行推杆7-4通过执行器套管6带动传动销5运动，再由摇臂4带动传动轴9转动，传动轴9带动放气阀门10转动，继而使原来压合在放气孔3-1上的放气阀门10离开放气孔3-1，实现旁通放气机构的开启及气体的排放。

本实施例的涡轮增压器的旁通放气机构对压力控制精度好、响应性灵敏，且结构简单可靠。

实施例2

在本实施例中，执行器7包括执行器壳体7-5、执行推杆7-4、膜片7-2和弹簧7-3，膜片7-2安装在执行器壳体7-5内并将执行器壳体7-5的内腔隔成上方腔体7-6和下方腔体7-7，执行器壳体7-5位于上方腔体7-6的位置设有能与压气机相连通的执行器气嘴7-1，执行推杆7-4的一端与下方腔体7-7固定连接，执行推杆7-4的另一端从执行器壳体7-5的孔中穿出，弹簧7-3套装在执行推杆7-4上。

压气机蜗壳2内的空气通过气嘴1、胶管8、执行器气嘴7-1可流动至执行器7的上方腔体7-6内，形成密闭空间，对膜片7-2产生压强P_7a。执行器7的下方腔体7-7与大气相通，对膜片7-2产生压强P_7b，P_7b与大气压力相同。

执行器7的膜片7-2的移动可带动套管6移动，使传动销5、摇臂4、传动轴9、放气阀门10绕支点转动，执行器7对支点产生一力矩W_C。

图4为放气阀门与涡轮箱的装配剖视图，如图4所示，涡轮箱3上设置有放气孔3-1，放气孔3-1与放气阀门10连接。涡轮箱3的放气孔3-1处的涡前压力P_3a和放气阀门10背面的涡后压力P_3b均对放气阀门10会产生压力，可推动放气阀门10移动，使放气阀门10、传动轴9、摇臂4绕支点转动，对支点产生一力矩W_T。

W_C、W_T差值的大小、方向决定了放气阀门10的开关、开度的大小。两者相等时则力矩平衡，放气阀门保持不动。放气阀门10起封堵涡轮箱3的放气孔3-1的作用，放气阀门10的开度决定涡轮箱3的废气放气量(或称放气率)。旁通废气量的多少影响涡轮增压器增压压力、影响压力P_7a。W_C、W_T的大小满足下式。

式中D₇为执行器7膜片7-2的直径，k为弹簧7-3的弹性系数，x为执行器套管6的位移，F₇为执行器7设定的预紧力，L₄为摇臂4两中心孔的距离，D₃为涡轮箱3的放气孔3-1的直径，L₉为传动轴9两中心线的距离。

从式中可看出，任一参数的变化都可改变W_C、W_T的大小。因此，在进行增压器设计、匹配、试验时，通过以上公式，我们可以通过调整旁通放气机构的参数P_7a、D₇、k、L₄、P_3a、D₃、L₉来改变放气阀门10的开度，来改变增压器的增压压力(近似压力P_7a)、发动机的泵气损失(近似涡前压力P_3a与压力P_7a的压差)、扫气压差(近似压力P_7a与涡前压力P_3a的压差)，从而改善增压器匹配发动机的性能。

实施例3

本实施例详细分析旁通放气机构中的参数改变对发动机性能的影响。力矩W_C、W_T的计算如下：

举例说明，压气机蜗壳2上有A、B两处气嘴孔，A气嘴孔在压气机蜗壳2的出口3位置，B气嘴孔在压气机蜗壳2流道的小截面处，如图1所示。在进行压气机内的空气流场计算时，我们发现气嘴孔B处的压力比气嘴孔A处的压力低。气嘴1与压气机蜗壳2的气嘴孔A或B相连通。将执行器7的气嘴7-1与A处气嘴孔相连通改为与B处气嘴孔相连，则P_7a减少，W_C减少，传动销5绕支点顺时针旋转，最终达到平衡，平衡时则W_C＝W_T。为达到W_C＝W_T，则套管6的位移x会减少，x减少则放气阀门10的开度减少，涡轮箱3的放气量减少，涡轮箱3内的废气能量增加了，传递给压气机的能量就会增加；或者P_7a减少，P_7a减少后可以通过加大执行器7设定的预紧力F₇来减少放气阀门10的开度，减少涡轮箱3的放气量，涡轮箱3内的废气能量增加了，传递给压气机的能量就会增加，最终提高增压器转速、增压压力，改善发动机性能。这种改善不改变涡轮箱3不放气的低转速工况，因此不牺牲发动机的低速性能。其它参数改变对发动机性能的影响参照以上分析。

另外，执行器7对支点产生力矩W_C，涡轮箱3的放气孔3-1处的涡前压力P_3a和放气阀门10背面的涡后压力P_3b的压差对放气阀门10会产生压力，对支点产生力矩W_T。通过分析、计算W_C、W_T差值的大小、方向就可知道放气阀门10是否开关、旋转方向、开度大小、旁通废气量多少等。

本实施例提供了一种旁通放气机构改善涡轮增压发动机中高速性能的方法，包括压气机蜗壳2的气嘴取气孔位置的选择方法，就支点采用力矩方程分析增压器压力、旁通放气机构结构参数等对增压器增压压力、涡前压力、涡前压力与增压压力压差等的影响，最终分析对发动机性能的影响。这些参数包括涡轮箱3的放气孔3-1处的涡前压力P_3a、执行器7膜片7-2的直径D₇、弹簧7-3的弹性系数k、套管6的位移x、执行器7设定的预紧力F₇、摇臂4两中心孔的距离L₄、涡轮箱3的放气孔3-1的直径D₃、传动轴9两中心线的距离L₉、涡前压力P_3a与压力P_7a的压差、增压压力P_7a等。

另外，本实施例采用力矩方程分析放气阀门旋转方向、开度大小、旁通废气量多少等。执行器7对支点产生力矩W_C，涡轮箱3的放气孔3-1处的涡前压力P_3a和放气阀门10背面的涡后压力P_3b的压差对放气阀门10会产生压力，对支点产生力矩W_T。通过分析、计算W_C、W_T差值的大小、方向就可知道放气阀门10是否开关、旋转方向、开度大小、旁通废气量多少等。

综上所述，在本发明中，增压器增压压力、涡前压力、涡前压力与增压压力压差、旁通放气机构各参数相互影响，通过本发明的方法可以比较直观、方便、合理的分析出某参数的改变对其它参数改变的影响，从而设计出更合理的参数，使增压器匹配发动机性能更好。本发明直观列出了旁通放气机构影响增压器匹配发动机性能的参数。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种涡轮增压器的旁通放气机构，其特征在于，包括涡轮箱、摇臂、传动销、执行器套管、执行器、传动轴和放气阀门，所述执行器包括执行器壳体、执行推杆、膜片和弹簧，所述传动轴设置在所述涡轮箱内，所述传动轴的一端伸出所述涡轮箱与所述摇臂的一端连接，所述传动轴的另一端与所述放气阀门连接，所述涡轮箱上设置有放气孔，所述放气孔与所述放气阀门相连，所述摇臂的另一端通过所述传动销与所述执行器套管的一端连接，所述执行器套管的另一端与所述执行推杆连接；所述膜片安装在所述执行器壳体内并将所述执行器壳体的内腔隔成上方腔体和下方腔体，所述执行器壳体位于所述上方腔体的位置设有能与压气机相连通的执行器气嘴，所述执行推杆的一端与所述下方腔体固定连接，所述执行推杆的另一端从所述执行器壳体的孔中穿出，所述弹簧套装在所述执行推杆上。

2.一种如权利要求1所述的涡轮增压器的旁通放气机构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)所述放气阀门、传动轴和摇臂绕支点转动时，对支点产生第一力矩，并且在运动过程中获取如下参数：大气对膜片的压力、涡轮增压器的增压压力、膜片的直径、弹簧的弹性系数、执行器套管的位移、执行器设定的预紧力和摇臂两中心孔的距离，根据获得的参数可确定第一力矩的优化函数；

(2)所述膜片的移动会带动执行器套管的移动，使传动销、摇臂、传动轴和放气阀门绕支点转动，执行器对支点产生第二力矩，并且在运动过程中获取如下参数：放气孔的涡前压力、放气阀门背面的涡后压力、放气孔的直径、传动轴两中心线的距离，根据获得的参数可确定第二力矩的优化函数；

(3)为了使放气阀门保持不动，则第一力矩和第二力矩相等，从而得到力矩平衡函数，根据该力矩平衡函数，对涡轮增压器的旁通放气机构的参数进行优化设计，进而改善涡轮增压器匹配发动机的性能。

3.根据权利要求2所述的涡轮增压器的旁通放气机构的设计方法，其特征在于，步骤(1)中所述第一力矩的优化函数为：

$W_C=\[(P_{7a}-P_{7b})\×\frac{\mathrm{\π}}{4}\×{D_7}^2-k\×x-F_7\]\×L_4$

其中，W_C为第一力矩，P_7a为大气对膜片的压力，即为大气压力，P_7b为涡轮增压器的增压压力，D₇为膜片的直径，k为弹簧的弹性系数，x为执行器套管的位移，F₇为执行器设定的预紧力，L₄为摇臂4两中心孔的距离。

4.根据权利要求2所述的涡轮增压器的旁通放气机构的设计方法，其特征在于，步骤(2)中所述第二力矩的优化函数为：

$W_T=(P_{3a}-P_{3b})\×\frac{\mathrm{\π}}{4}\×{D_3}^2\×L_9$

其中，W_T为第二力矩，P_3a为放气孔的涡前压力，P_3b为放气阀门背面的涡后压力，D₃为放气孔的直径，L₉为传动轴两中心线的距离。

5.根据权利要求2所述的涡轮增压器的旁通放气机构的设计方法，其特征在于，步骤(3)中力矩平衡函数为：

W_C＝W_T。