CN109952420B - 发动机系统中的涡轮增压器布置 - Google Patents

发动机系统中的涡轮增压器布置 Download PDF

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Abstract

发动机系统(100)包括具有曲轴(114)的发动机(102)。曲轴(114)可绕曲轴轴线(118)旋转，曲轴轴线(118)限定在第一平面(122)中。涡轮增压器(104)包括涡轮机(130)和压缩机(132)。涡轮机(130)配置为由来自发动机(102)的排气流驱动，并围绕共同涡轮增压器轴线(144)驱动压缩机(132)。在共同涡轮增压器轴线(144)到第一平面(122)上的投影和曲轴轴线(118)之间限定的夹角是锐角。

Description

发动机系统中的涡轮增压器布置
技术领域
本公开涉及发动机系统。更具体地，本公开涉及涡轮增压器相对于发动机系统的发动机的布置和连接，其有助于增强涡轮增压器的包装和涡轮增压器效率。
背景技术
涡轮增压器通常用于内燃机(或简称发动机)以提高发动机的功率。众所周知，涡轮增压器包括涡轮机和压缩机。通常，涡轮机经由排气管道联接到发动机，并且由通过排气管道离开发动机的排气流驱动，而压缩机经由进气管道联接到发动机以通过进气管道将压缩空气输送到发动机。目前可用的几种发动机组装策略使得排气管道和进气管道弯曲并且以相对陡峭的曲率盘旋，这不可避免地增加了相关的材料成本和组装工作。因此，越来越希望将这种连接和涡轮增压器包装在一起，具有更高的空间、材料和成本效率。然而，找到具有所需(或更好)的涡轮增压器性能水平的有效连接策略仍然是一项艰巨的任务。
美国专利第9,228,488号(’488参考文献)涉及一种用于连接排气歧管和限定纵向轴线的高压涡轮机之间的导管。导管包括截头圆锥形出口喷嘴，其连接在导管主体的一端并且从纵向轴线延伸八十到九十度。
发明内容
在一个方面，本公开涉及发动机系统。发动机系统包括发动机和涡轮增压器。发动机包括曲轴。曲轴可围绕曲轴轴线旋转，曲轴轴线限定在第一平面中。涡轮增压器包括涡轮机和压缩机。涡轮机配置为由来自发动机的排气流驱动，并围绕共同涡轮增压器轴线驱动压缩机。在共同涡轮增压器轴线到第一平面上的投影和曲轴轴线之间限定的夹角是锐角。
在另一方面，本公开涉及一种用于发动机系统的布置。发动机系统包括具有曲轴的发动机。曲轴可围绕限定在第一平面中的曲轴轴线旋转。该布置包括具有涡轮机和压缩机的涡轮增压器。涡轮机配置为由来自发动机的排气流驱动，并围绕共同涡轮增压器轴线驱动压缩机。在共同涡轮增压器轴线到第一平面上的投影和曲轴轴线之间限定的夹角是锐角。
在又一方面，本公开涉及一种用于布置具有发动机的涡轮增压器的方法。发动机包括可绕曲轴轴线旋转的曲轴。曲轴轴线限定在第一平面中。涡轮增压器包括涡轮机和压缩机。涡轮机配置为由来自发动机的排气流驱动，并围绕共同涡轮增压器轴线驱动压缩机。该方法包括定位涡轮增压器，使得在共同涡轮增压器轴线到第一平面上的投影和曲轴轴线之间限定的夹角是锐角。
附图说明
图1是根据本公开的概念的示例性发动机系统的等距视图，示出了用作参考的多个平面，并且相对于该平面确定了发动机系统的涡轮增压器的布置；
图2是发动机系统的侧视图，描绘了发动机系统的一个或多个方面；
图3是发动机系统的顶视图，描绘了发动机系统的其他方面；以及
图4是根据本公开的概念的发动机系统的涡轮增压器的透视图，描绘了涡轮增压器的一个或多个方面。
具体实施方式
参考图1、图2和图3，示出了示例性发动机系统100。发动机系统100包括发动机102和涡轮增压器104。发动机系统100可以应用于诸如建筑机械、发电机组、机车、船舶应用和其他基于电力的应用的机器中。在一个示例中，发动机系统的使用还可以扩展到若干家用和商用基于电力的应用。现在将详细参考具体实施例或特征，其示例在附图中示出。只要有可能，在整个附图中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。
发动机102可包括或代表任何类型的内燃机，包括汽油发动机、火花点火发动机、压缩点火发动机、气体燃料动力发动机等。发动机102可包括发动机缸体106，发动机缸体106具有基部108，具有汽缸轴线112的多个燃烧汽缸(或简称汽缸110a、110b、110c、110d和110e)，以及曲轴114(参见图2)。
发动机102可包括多缸配置，例如包括5缸110a、110b、110c、110d和110e，如图所示。汽缸110a、110b、110c、110d和110e可以根据用于发动机102的直列汽缸配置来布置。然而，更多或更少数量的汽缸110a、110b、110c、110d和110e也可以适用。汽缸可以单独地称为第一汽缸110a、第二汽缸110b、第三汽缸110c、第四汽缸110d和第五汽缸110e(参见图3)。为了便于参考和理解，在整个本公开中仅注释并且通常引用汽缸110c。应当理解，关于汽缸110c的讨论也可以等效地应用于其余汽缸中的每一个。
曲轴114可以联接到组装在汽缸110a、110b、110c、110d和110e内的一个或多个活塞(未示出)，使得活塞沿着汽缸110a、110b、110c、110d和110e的高度可滑动(或往复)运动，如通常那样，转换成曲轴114的旋转。在这方面，曲轴114可以围绕曲轴轴线118旋转。为了本公开的目的，曲轴轴线118限定在第一平面122中，第一平面122平行于由发动机缸体106的基部108限定的基部平面124。另外，第一平面122也垂直于汽缸轴线112。通常，发动机102可以是四冲程内燃机。然而，发动机102也可以根据二冲程原理操作。此外，发动机102包括增压冷却器116，其被配置为增加由涡轮增压器104输送到发动机102的压缩空气体积的体积效率(方向，C)。尽管公开了发动机102的配置，但是本公开的各方面不必限于任何特定的发动机类型。
涡轮增压器104以已知的方式流体地联接到发动机102。涡轮增压器104配置为通过将来自外部环境128的压缩空气吸入发动机102的汽缸110a、110b、110c、110d和110e来提高发动机102的功率。在这方面，涡轮增压器104包括涡轮机130和压缩机132。
涡轮机130配置为由从发动机102(或从发动机102的一个或多个汽缸110a、110b、110c、110d和110e)接收的排气流驱动。为此，涡轮增压器104包括排气管道136，排气管道136联接在涡轮机130的涡轮机入口138和发动机102的排气口140(参见图2和图3)之间。在每个排气冲程的端部或在发动机102中的四冲程操作循环中，作为燃烧副产物产生的一定量的排气可以经由排气口140排放到排气管道136中，并且经由涡轮机入口138进一步传递到涡轮机130中(见方向，A)。当流入的排气量可能撞击涡轮机130的一组叶片(未示出)时，流入的排气的内部能量可以转换成涡轮机130的叶片的旋转。涡轮机的运动130又可以引起压缩机132的运动；也就是说，涡轮机130的旋转转换成压缩机132的旋转。涡轮机130和压缩机132之间的这种旋转转换可以围绕共同涡轮增压器轴线144发生。更具体地，涡轮机130被配置为由来自发动机102的排气流驱动，并进一步配置成围绕相同的轴，即共同涡轮增压器轴线144驱动压缩机132。在一些实施方式中，共同涡轮增压器轴线144限定在平行于第一平面122的第二平面148中，并且在这样做时，涡轮增压器104的布置(或共同涡轮增压器轴线144)可以相对于发动机102的高度E保持基本水平。
压缩机132包括压缩机出口152。与涡轮机入口138经由排气管道136连接排气口140一样，涡轮增压器104包括联接在压缩机出口152和进气口(未示出)之间的进气管道154。在这样做时，压缩机132能够通过由压缩机132的旋转产生的抽吸力经由空气入口156吸入一定量的空气，并且随后输送(方向，C)一定体积的压缩空气到汽缸110a、110b、110c、110d和110e，用于提高发动机102的功率。如图所示，空气入口156配置为与压缩机132邻接，并且轴向地定位在涡轮机130和压缩机132两者上(即沿着共同涡轮增压器轴线144)-然而，这种配置不需要被视为是以任何方式限制。在一些实施方式中，进气管道154的联接可以经由增压冷却器116从压缩机出口152延伸到进气口。通常，这种布置的细节和涡轮增压器104的工作遵循本领域的一般实践，因此，将不再进一步讨论。
参考图4，在一个实施方式中，涡轮增压器104限定两个连续的象限-第一象限160和第二象限162。更具体地，象限160、162可以沿着涡轮增压器104的曲率限定，从第一外围点延伸(限定在空气入口156上的顶点164)一直到第二外围点(限定在空气入口156的中间的顶点166)。穿过顶点164、166的轴线(未示出)可以将涡轮增压器104分成大致分半-象限160、162组合形成一半(或第一半部168)。如从图4中提供的视图所见，或者从涡轮增压器104的轴向端部170设想(见方向，D)，象限160、162也沿着共同涡轮增压器轴线144沿着涡轮增压器104的扩展部分延伸。以这种方式，第一象限160通常容纳涡轮机入口138，并且第二象限162通常容纳压缩机出口152。以这种方式，由象限160、162限定的涡轮增压器104的第一半部168，基本上容纳压缩机出口152和涡轮机入口138。
涡轮机入口138和压缩机出口152可以从涡轮增压器104的第一半部168布置并基本上切向向外延伸。尽管涡轮机入口138的相应延伸部与压缩机出口152之间可存在最小程度的角度变化，分别由这些延伸部限定的涡轮机入口轴线174和压缩机出口轴线176可以在相同方向上大致平行地延伸。在这样做时，涡轮机入口138和压缩机出口152两者的开口180、182也通常朝向相同方向露出(参见图4)。以这种方式，压缩机出口152和涡轮机入口138从涡轮增压器104的轴向端部170(见方向，D)向涡轮增压器104赋予大致U形轮廓。
即将进行的描述涉及涡轮增压器104的进一步结构细节。即将进行的描述还包括涡轮增压器104相对于发动机102的布置172。为了设想这些描述，可能需要集体查看图1、图2、图3和图4中的每一个。
再次参考图3，给定这样的涡轮增压器104轮廓，如上所述，本公开的一个方面涉及涡轮增压器104相对于发动机102的布置172。具体地，涡轮增压器104相对于发动机102定位，使得涡轮机入口138和压缩机出口152可以面向或大致或至少部分地朝向发动机102(参见图3)。在这样的布置中，共同涡轮增压器轴线144可以基本上对角地延伸穿过发动机102的平面图(参见图3)。这种定位确保至少在涡轮增压器104和发动机102之间流体地延伸的排气管道136可以避免继承一个或多个轮廓相对陡峭和/或清晰的弯曲或曲率184。通过这种定位，进气管道154也可以避免具有陡峭的曲率。
在一个实施方式中，排气管道136可包括以大于150度的角度限定的一个或多个这样的曲率184。在一些实施方式中，涡轮增压器104的布置和定位使得在共同涡轮增压器轴线144到第一平面122的投影(参见图3)和曲轴轴线118之间限定的夹角(θ'，参见图3)是锐角(参见图)。在这样的实施例中，锐角可以位于50度至70度的示例性角度范围内。在又一个实施例中，锐角可以等于60度。
参考图3，示出了发动机系统100的俯视图或平面图。如在该视图中可以看到和理解的，涡轮增压器104通常相对于发动机102(或曲轴轴线118)成角度地布置。在涡轮增压器104的这种配置中，可以看到并理解涡轮机130通常(对角地)放置得比压缩机132更靠近发动机缸体106。更具体地，纵向平面186由汽缸轴线112和曲轴轴线118限定。纵向平面186可以沿发动机102的长度EL限定和延伸，如图所示。涡轮增压器104的配置使得涡轮机130的中心190与纵向平面186之间的位移B1与压缩机132的中心192和纵向平面186之间的位移B2相比更短。此外，汽缸轴线112也可以限定在横向(或垂直于)发动机102的长度EL设置的横向平面196中。以这种方式，横向平面196垂直于曲轴轴线118和纵向平面186，并且配置涡轮增压器104的涡轮增压器104与涡轮机130的中心190和横向平面196之间的位移L1与压缩机132的中心192和横向平面196之间的位移L2相比更短。此外，横向轴线198由涡轮增压器104限定，该涡轮增压器104垂直于共同涡轮增压器轴线144并且与第二平面148成直线。横向轴线198到第一平面上的投影使得，投影与曲轴轴线118形成一个角度(θ”)，角度(θ”)示例性地位于20度到40度的范围内。在一个实施例中，角度(θ”)可以等于30度。
工业实用性
在组装中，或在涡轮增压器104相对于发动机102的布置期间，涡轮增压器104的宽度W需要适应发动机102的进气口和排气口140之间的距离。因为希望使排气管道136(并且优选地进气管道154)继承可忽略的或相对小的曲率和弯曲，所以涡轮增压器104的定位使得第一平面122保持平行于第二平面148，并且如上所述，共同涡轮增压器轴线144到第一平面122上的投影与曲轴轴线118形成锐角(参见夹角θ’)。以这种方式，涡轮增压器104相对于发动机102的高度E保持基本水平对齐。此外，涡轮增压器104到发动机102的定位还包括定位涡轮增压器104，使得涡轮机130的中心190是与压缩机132的中心192相比，更靠近纵向平面186和横向平面196。
通过这样的布置，涡轮增压器104到达至少部分地将涡轮机入口138和压缩机出口152两者引向发动机102的位置。结果，与常规布置相比，涡轮增压器104占据更靠近发动机102的位置。通过将涡轮增压器104布置或定位成更靠近发动机102，整个发动机系统100的包装和占地面积减小，并且这反过来减轻了与例如在物流和运输期间可能遇到的空间约束相关的挑战。另外，可以适当地避免陡峭的管道曲率、管道回旋、围绕发动机系统100的一部分的管道绕组等。相反，布置172的管道136、154可以包括在150度以上倾斜的曲率184，促进更有效的气流通过管道136、154，并且进而增强涡轮增压器的性能和效率。此外，涡轮增压器104相对于发动机102的更紧密的包装还导致用于组装发动机系统100的相应更小的管道长度、更少的材料和更低的成本。
尽管已经相对于第三汽缸110c讨论了涡轮增压器104的位置和布置，但是应当理解，同样，涡轮增压器104可以相对于其余汽缸110a、110b、110d和110e中的每一个保持相似的定向和位置。
应当理解，以上描述仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。因此，本领域技术人员将理解，可以从对附图、本公开内容和所附权利要求的研究中获得本公开的其他方面。

Claims (7)

1.一种发动机系统(100)，包括：
发动机(102)，包括曲轴(114)，所述曲轴(114)可绕曲轴轴线(118)旋转，所述曲轴轴线(118)限定在第一平面(122)中，所述发动机(102)包括基部(108)，基部平面(124)由所述基部(108)限定，所述第一平面(122)平行于所述基部平面(124)；
涡轮增压器(104)，包括涡轮机(130)和压缩机(132)，所述涡轮机(130)配置为由来自所述发动机(102)的排气流驱动并且围绕共同涡轮增压器轴线(144)驱动所述压缩机(132)，
其中在所述共同涡轮增压器轴线(144)到所述第一平面(122)的投影和曲轴轴线(118)之间限定的夹角是50度至70度的锐角，
所述共同涡轮增压器轴线(144)限定在第二平面(148)中，该第二平面(148)平行于第一平面(122)，横向轴线(198)由涡轮增压器(104)限定，该横向轴线(198)垂直于共同涡轮增压器轴线(144)并且与第二平面(148)成直线，其中所述横向轴线(198)到所述第一平面(122)上的投影相对于所述曲轴轴线(118)以位于20度至40度的范围内的角度倾斜，
涡轮增压器(104)相对于发动机(102)被定位成，使得涡轮机入口(138)和压缩机出口(152)至少部分地朝向发动机(102)。
2.根据权利要求1所述的发动机系统(100)，其中所述发动机(102)包括至少一个具有汽缸轴线(112)的燃烧汽缸(110)，所述第一平面(122)垂直于所述汽缸轴线(112)。
3.根据权利要求1所述的发动机系统(100)，其中所述发动机(102)包括至少一个具有汽缸轴线(112)的燃烧汽缸(110)，纵向平面(186)由所述汽缸轴线(112)和所述曲轴轴线(118)限定，其中所述涡轮机(130)的中心和所述纵向平面(186)之间的位移与所述压缩机(132)的中心和所述纵向平面(186)之间的位移相比更短。
4.根据权利要求1所述的发动机系统(100)，其中所述发动机(102)包括至少一个具有汽缸轴线(112)的燃烧汽缸(110)，所述汽缸轴线(112)限定在垂直于所述曲轴轴线(118)的横向平面(196)中，其中所述涡轮机(130)的中心与所述横向平面(196)之间的位移与所述压缩机(132)的中心与所述横向平面(196)之间的位移相比更短。
5.根据权利要求1所述的发动机系统(100)，还包括联接在所述发动机(102)的排气口(140)和所述涡轮机(130)的涡轮机入口(138)之间的排气管道(136)，所述排气管道(136)包括以大于150度的角度限定的一个或多个曲率(184)。
6.根据权利要求1所述的发动机系统(100)，其中所述压缩机(132)包括压缩机出口(152)，并且所述涡轮机(130)包括涡轮机入口(138)，所述压缩机出口(152)和所述涡轮机入口(138)从所述涡轮增压器(104)的轴向端部(170)向所述涡轮增压器(104)赋予大致U形轮廓。
7.根据权利要求1所述的发动机系统(100)，其中所述发动机(102)包括多个燃烧汽缸(110)，所述多个燃烧汽缸限定所述发动机(102)的直列汽缸配置。
CN201780063884.7A 2016-10-31 2017-10-25 发动机系统中的涡轮增压器布置 Expired - Fee Related CN109952420B (zh)

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