CN108757143A - 发动机废气动力涡轮驱动水泵的工作装置 - Google Patents

发动机废气动力涡轮驱动水泵的工作装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发动机废气动力涡轮驱动水泵的工作装置，包括径流动力涡轮、离心水泵和公共轴，所述径流动力涡轮包括蜗壳、涡轮叶轮、周向进气口和轴向排气口，所述离心水泵包括壳体、水泵叶轮、轴向进水口和周向出水口，所述涡轮叶轮和水泵叶轮分别设置在公共轴的两端，所述轴向排气口与轴向进水口相背对设置，所述蜗壳通过安装体与所述壳体固定连接，所述公共轴由所述安装体支承。本发明装置改变了离心水泵的驱动方式，不影响原有冷却系统冷却路径，不影响发动机功率。

Description

发动机废气动力涡轮驱动水泵的工作装置
技术领域
本发明涉及一种驱动水泵的工作装置，特别是发动机废气动力涡轮驱动水泵的工作装置，属于汽车节能技术领域。
背景技术
在发动机燃料的总热量中，仅有25％～40％的热量转变为有效功，其余60％～75％都损失掉了。其中，主要由废气带走，其次传给冷却液；冷却液带走的热量占总热量的10％～35％，废气带走的热量占总热量的25％～50％。废能的利用，一直是发动机节能研究的热门课题；纵观国内外对于发动机余热利用的研究，从热源利用上可分为利用排气余热与利用发动机冷却液中的余热这两种方式。大多数汽车装有利用发动机冷却液热量的暖风系统，以达到冬季采暖的目的；而废气涡轮增压技术是有效回收发动机排气废气能量的成功典范。现有的发动机冷却系统的水泵一般是由曲轴皮带轮带动，且与发动机转速成正比，因此发动机存在一定的功率损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种发动机废气动力涡轮驱动水泵的工作装置，解决在现有冷却系统水泵引起发动机功率损失的问题。
本发明的技术方案是这样的：一种发动机废气动力涡轮驱动水泵的工作装置，包括径流动力涡轮、离心水泵和公共轴，所述径流动力涡轮包括蜗壳、涡轮叶轮、周向进气口和轴向排气口，所述离心水泵包括壳体、水泵叶轮、轴向进水口和周向出水口，所述涡轮叶轮和水泵叶轮分别设置在公共轴的两端，所述轴向排气口与轴向进水口相背对设置，所述蜗壳通过安装体与所述壳体固定连接，所述公共轴由所述安装体支承。
本发明中由发动机废气在径流动力涡轮中进行膨胀并推动涡轮叶轮转动，与涡轮叶轮轴连接的公共轴则随着涡轮叶轮同步转动构成离心水泵动力来源，离心水泵接入发动机冷却系实现冷却液的强制循环。
由于涡轮叶轮和水泵叶轮通过公共轴直接连接，离心水泵的运行状态完全由径流动力涡轮控制，为了防止当发动机处于高速大负荷时，造成径流动力涡轮转速过高，离心水泵产生过高压力，可能造成冷却系统的渗漏，进一步的，包括压差膜盒和旁通阀，所述压差膜盒包括外壳、膜片及预紧弹簧，所述膜片将外壳的内部分为压力腔和参照腔，所述预紧弹簧与膜片连接并使对膜片向压力腔方向作用，所述压力腔通过连通管与所述离心水泵的周向出水口连接，所述参照腔与大气连通，所述径流动力涡轮设有旁路，所述旁路用于控制进入所述涡轮叶轮的废气量，所述旁通阀设置于所述旁路，所述膜片通过连接杆与旁通阀连接，所述膜片在壳体的内部移动时控制旁通阀的开度。
进一步的，为了使发动机废气动力涡轮驱动水泵的工作装置结构紧凑并满足摩擦系数小及响应敏捷要求，同时便于对轴承进行冷却，所述安装体的内部两侧设有浮动轴承，所述公共轴由所述浮动轴承支承。
进一步的，所述安装体上部设有润滑油入口，所述润滑油入口通过润滑油道为所述浮动轴承和公共轴提供润滑，所述安装体下部设有润滑油腔和出油口，所述润滑油腔用于收集润滑油。
由于润滑油可直接使用发动机机油，而径流动力涡轮的热负荷较大，为避免发动机在大负荷或高转速工作之后立即停机，可能造成因轴承温度太高而润滑油燃烧的问题，进一步的，在所述公共轴的靠近径流动力涡轮一侧的安装体内设置冷却水套。
本发明所提供的技术方案的优点在于，采用本发明装置仅仅改变了离心水泵的驱动方式，即由原来的发动机曲轴皮带轮带动，改变为发动机废气动力涡轮驱动，不改变发动机原有冷却系统构成，不改变冷却液的流动方向。由于采用发动机废气作为动力来源，离心水泵工作不依赖于发送机输出的机械能，因此不再引起发动机功率损失问题。通过压差膜盒和旁通阀的设置，由离心水泵产生的水压直接控制压差膜盒动作进而控制旁通阀的开度使水压达到符合要求的稳定压力，避免了冷却系统的过度加压产生渗漏问题，控制结构简单稳定。
附图说明
图1为本发明发动机废气动力涡轮驱动水泵的工作装置结构示意图。
图2为压差膜盒和旁通阀设置位置结构示意图。
图3为压差膜盒结构示意图。
图4为本发明装置接入发动机冷却系结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
请结合图1、至图3所示，发动机废气动力涡轮驱动水泵的工作装置，包括径流动力涡轮1a、离心水泵1b和安装体1，安装体1固定于径流动力涡轮1a和离心水泵1b之间，公共轴2通过两个浮动轴承3支承在安装体1内。径流动力涡轮1a包括蜗壳4、涡轮叶轮5、周向进气口6和轴向排气口7，蜗壳4设置周向进气口6和轴向排气口7，用于引导废气均匀地进入径流动力涡轮1a并导入排气总管，其用耐热合金铸铁铸造，内表面光洁。涡轮叶轮5的叶片间的通道呈渐缩状，由镍基耐热合金钢制成。涡轮叶轮5内孔与公共轴2外圆精密定位，并通过螺母紧固于公共轴2的一端。
径流动力涡轮1a的工作过程是这样的，发动机废气经与发动机排气总管连接的周向进气口6由进蜗壳4流入，经过一系列工作路径后从涡轮轴向排气口7流出。在涡轮叶轮5中，叶片之间的通道是呈渐缩状，气体在通道中膨胀。当废气气流流过涡轮叶轮5叶片时，气流转弯。由于离心力作用的结果，在叶面的凹面上压力得到提高，而在凸面则降低。作用在叶片表面的压力的合力，产生了转矩。此时，在涡轮叶轮5出口处压力、温度以及速度均下降，而出口处的气体速度已经大大小于进口速度，气体膨胀所获得的部分动能已大部分传给了涡轮叶轮5，从而带动公共轴2旋转。
其能量转换过程如下：排气废气(流速＝动能+压力能+高温热能)→经与发动机排气管连接的周向进气口6→蜗壳4→涡轮叶轮5动能增大+压力能下降+热能略下降)→涡轮叶轮5叶片(气流转弯)由于离心力的作用，动能转化压力能作用在叶片的凹凸面。凹面压力提高，凸面压力下降，合力产生转矩→转化成机械能→公共轴2转动。
离心水泵1b包括壳体8、水泵叶轮9、轴向进水口10和周向出水口11，轴向排气口7与轴向进水口10相背对设置，水泵叶轮9内孔与公共轴2外圆精密定位，并通过螺母紧固于公共轴2另一端。当水泵叶轮9旋转时，水泵中的冷却液在离心力作用下被甩向水泵叶轮9边缘，同时产生一定的压力，压力升高的冷却液从壳体8边缘周向出水口11流出；在水泵叶轮9的中心处，由于压力下降形成真空，冷却液吸入，形成水泵的轴向进水口10，如此完成强制循环冷却。
蜗壳4通过安装体1与壳体8固定连接。安装体1的安装体1上部设有润滑油入口12，润滑油入口12通过润滑油道为浮动轴承3提供润滑，安装体1下部设有润滑油腔13和出油口14，润滑油腔13用于收集润滑油。来自发动机润滑系统主油道的机油，用铜管经安装体1上的润滑油入口12通过扩口管接头，接头螺母进入安装体1，润滑与冷却公共轴2与浮动轴承3，然后，机油通过润滑油腔13和出油口14经铜管返回发动机油底壳。如果只靠机油和空气对本结构进行冷却，则当发动机在大负荷或高转速工作之后，如果立即停机，那么机油可能因轴承温度太高而燃烧，所以在公共轴2的靠近径流动力涡轮1a一侧的安装体1内设置冷却水套15，利用冷却液共同冷却。
请结合图2、图3、4所示，离心水泵1b在冷却系统中的作用是对冷却液施加一定的压力，吸收发动机16热量后在散热器17由冷却风扇18进行空气冷却，随后通过节温器19回流至离心水泵1b，实现强制循环冷却。当发动机处于高速大负荷时，由于废气能量大，径流动力涡轮1a能量转换成旋转机械能的能力大，公共轴2的转速高，带动离心水泵1b高速旋转，造成冷却系统压力过高，易造成系统渗漏。因此设置了压差膜盒19和旁通阀20，其中压差膜盒20包括外壳21、膜片22及预紧弹簧23，膜片22将外壳21的内部分为压力腔24和参照腔25，预紧弹簧23与膜片22连接并使对膜片22向压力腔24方向作用，压力腔24通过连通管26与离心水泵1b的周向出水口11连接，参照腔25与大气连通，径流动力涡轮1a设有旁路27，旁路27用于控制进入涡轮叶轮5的废气量，旁通阀20设置于旁路27内控制旁路27的开度，膜片22通过连接杆28与旁通阀20连接，膜片22在壳体8的内部移动时控制旁通阀20的开度。具体的，离心水泵的进口压力0.1Mpa；出口压力0.16Mpa；冷却系统循环压力0.14Mpa。当离心水泵周向出水口11压力大于预紧弹簧23预紧力时，推动膜片22并经过连接杆28迫使旁通阀20打开，控制冷却系统压力不超过限定值。

Claims (5)

1.一种发动机废气动力涡轮驱动水泵的工作装置，其特征在于：包括径流动力涡轮、离心水泵和公共轴，所述径流动力涡轮包括蜗壳、涡轮叶轮、周向进气口和轴向排气口，所述离心水泵包括壳体、水泵叶轮、轴向进水口和周向出水口，所述涡轮叶轮和水泵叶轮分别设置在公共轴的两端，所述轴向排气口与轴向进水口相背对设置，所述蜗壳通过安装体与所述壳体固定连接，所述公共轴由所述安装体支承。
2.根据权利要求1所述的发动机废气动力涡轮驱动水泵的工作装置，其特征在于：包括压差膜盒和旁通阀，所述压差膜盒包括外壳、膜片及预紧弹簧，所述膜片将外壳的内部分为压力腔和参照腔，所述预紧弹簧与膜片连接并使对膜片向压力腔方向作用，所述压力腔通过连通管与所述离心水泵的周向出水口连接，所述参照腔与大气连通，所述径流动力涡轮设有旁路，所述旁路用于控制进入所述涡轮叶轮的废气量，所述旁通阀设置于所述旁路，所述膜片通过连接杆与旁通阀连接，所述膜片在壳体的内部移动时控制旁通阀的开度。
3.根据权利要求1所述的发动机废气动力涡轮驱动水泵的工作装置其特征在于：所述安装体的内部两侧设有浮动轴承，所述公共轴由所述浮动轴承支承。
4.根据权利要求3所述的发动机废气动力涡轮驱动水泵的工作装置，其特征在于：所述安装体上部设有润滑油入口，所述润滑油入口通过润滑油道为所述浮动轴承和公共轴提供润滑，所述安装体下部设有润滑油腔和出油口，所述润滑油腔用于收集润滑油。
5.根据权利要求1所述的发动机废气动力涡轮驱动水泵的工作装置，其特征在于：在所述公共轴的靠近径流动力涡轮一侧的安装体内设置冷却水套。
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