CN110100084B

CN110100084B - 设计涡轮机的方法

Info

Publication number: CN110100084B
Application number: CN201780078854.3A
Authority: CN
Inventors: 理查德·J·安西默; 约翰·富兰克林·赖特; 锁国涛; 尼古拉斯·肯尼思·夏普; 詹姆士·亚历山大·麦克文; 迈克尔·卡明斯; 加内桑·苏布兰马尼安
Original assignee: Cummins Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2021-06-08
Anticipated expiration: 2037-10-20
Also published as: GB2571653B; CN110100084A; WO2018073608A1; GB201617858D0; GB2571653A; GB201907156D0

Abstract

提出了一种用于设计具有废气再循环(EGR)路径的发动机系统的涡轮增压器的涡轮机的方法。在至少一个发动机速度(诸如峰值扭矩速度)下，确定沿EGR路径的压降，然后选择涡轮机设计，使得不对称因子符合压降的函数。本发明还提出了涡轮机和包含这种涡轮机的发动机，其中，不对称因子与沿EGR路径的压降具有特定关系。

Description

设计涡轮机的方法

技术领域

本发明涉及一种设计具有废气循环(EGR)系统的发动机系统的涡轮机的方法。该方法具体地涉及利用废气再循环的双入口涡轮机。本发明还涉及一种包含具有涡轮机的涡轮增压器的发动机系统。

背景技术

涡轮增压器是众所周知的装置，用于在高于大气压(增压压力)的压力下将空气供应到内燃发动机的进气口。传统的涡轮增压器基本上包括安装在涡轮机壳体内的可旋转轴上的废气驱动的涡轮机轮。涡轮机轮的旋转使安装在压缩机壳体内的轴的另一端上的压缩机轮旋转。压缩机轮将压缩空气传送到发动机的入口歧管，从而增加发动机功率。涡轮增压器轴通常由轴颈和推力轴承支撑，该轴颈和推力轴承包括适当的润滑系统，该润滑系统位于连接在涡轮和压缩机轮壳体之间的中心轴承壳体内。

在已知的涡轮增压器中，涡轮机级包括：涡轮机腔室，涡轮机轮安装在该涡轮机腔室内；环形入口通道，其限定于布置在涡轮机腔室周围的面对的径向壁之间；涡壳(螺旋流动通道)，其具有用于接收来自发动机排气歧管的废气的入口，并且在入口通道的径向外部部分周围与入口通道连通；以及出口通道，其从涡轮机腔室延伸。通道、涡壳和腔室连通，使得被许可进入入口的加压排气经由涡轮机流动通过入口通道而到达出口通道并使涡轮机轮旋转。涡壳和入口通道之间的交叉处被称为“临界面积”。已知通过在入口通道中设置被称为喷嘴叶片的叶片以便使流过入口通道的气体朝向涡轮机轮的旋转方向偏转来改进涡轮机性能。

涡轮机可以是固定几何形状类型或可变几何形状类型。可变几何形状涡轮机与固定几何形状涡轮机的不同之处在于入口通道的尺寸可以改变以优化在一定质量流动速率范围内的气体流动速度，从而可以改变涡轮机的功率输出以适应变化的发动机需求。例如，当传送到涡轮机的废气体积相对低时，通过减小环形入口通道的尺寸来将到达涡轮机轮的气体的速度保持在确保高效涡轮机操作的水平。

在发动机中的燃烧过程期间产生被认为对环境有害的氮氧化物(NO_x)。为了满足旨在限制排放物的法律，使用废气再循环(EGR)系统，其中，一部分发动机废气通过燃烧腔室再循环。这通常通过将一定量的废气从排气歧管引导到发动机的入口歧管来实现。再循环的废气部分地熄灭发动机的燃烧过程，并且因此降低了燃烧期间产生的峰值温度。因为NO_x产生随着峰值温度的增加而增加，所以废气的再循环减少了形成的不期望的NO_x的量。涡轮增压器可以形成EGR系统的一部分。

在一些已知的内燃发动机中，可变几何形状涡轮机(其形成涡轮增压器的一部分)用于增加废气的压力(也称为反压)。这在废气和发动机进气口之间产生压差，使得废气将经由废气再循环通道流动到发动机进气口。然而，通过可变几何形状涡轮机产生反压可能损害内燃发动机的操作性能。

已知类型的涡轮机包括双流动涡轮机(double flow turbine)和双重流动涡轮机(twin flow turbine)。双流动涡轮机和双重流动涡轮机具有入口，该入口包括由分隔壁分开的两个单独的流动通道。限定涡壳的至少一部分的两个单独的流动通道在大致环形的入口通道处相遇。在双重流动涡轮机的情况下，两个单独的流动通道在大致环形的入口通道处相遇，使得每个流动通道供应入口通道的相应部分，两个相应的部分在轴向上彼此隔开。在双流动涡轮机的情况下，两个单独的流动通道在大致环形的入口通道处相遇，使得每个流动通道供应入口通道的相应部分，两个相应的部分基本上在垂直于轴线的同一平面内，但是在周向上分开(也可以称为周向分段)。

当EGR用于控制标准污染物时，具有分开的排气歧管和双重入口涡轮增压器的发动机系统可以通过减少驱动EGR所需的泵送功来提高燃料效率。在该配置中，EGR从一个歧管抽出，从而减少了将排气歧管压力保持在第二歧管中的入口歧管压力之上的需要。该第二歧管被称为Lambda歧管。在涡轮增压器中设置相应的涡壳(“EGR涡壳”和“Lambda涡壳”)以接收来自EGR歧管和Lambda歧管的废气，并且废气再循环系统的再循环管线将流动路径从EGR歧管分支到EGR涡壳中。通过从EGR歧管抽出排气流，从EGR歧管和Lambda歧管到相应涡轮增压器涡壳的流动将是不同的。由于需要保持较高的排气歧管压力(EMP)和较低的进入涡轮机的流动速率，因此EGR涡壳的临界面积通常应小于Lambda涡壳的临界面积。也就是说，涡轮机壳体应该是不对称的。比率“EGR涡壳临界流动面积：Lambda涡壳临界流动面积”对实现期望的EGR流量、空气燃料比和制动燃料效率的能力具有很强的影响。

通常，可以提供阀组件以调节EGR流内的排气压力。阀组件可以包括平衡阀和/或废气门阀。平衡阀可以构造成选择性地允许来自EGR涡壳的排气传递到Lambda涡壳。废气门阀可以构造成选择性地允许来自涡壳之一(虽然最常见的是Lambda涡壳，但可选地是EGR涡壳)的排气绕过涡轮机轮，并且直接传递到涡轮机的外部。设置一个或多个致动器以控制平衡阀和废气门阀。

当前设计不对称壳体以适应特定应用参数的方法耗时且劳动密集。本发明试图解决这个问题。本发明还提供了一种设计涡轮机的替代性方法。

发明内容

本发明人已经开发了一种用于选择涡轮机的参数的系统。出人意料地，发现了可以获得不对称因子F的理想选择作为EGR路径上的压降以及作为环境压力与涡轮机出口处的压力之比的压力比的函数，该不对称因子测量具有EGR的涡轮增压器的两个流动路径中的质量流动参数的比率。

概括地说，本发明提出了一种设计发动机系统的涡轮增压器的涡轮机的方法，其中，在至少一个发动机速度下，确定沿EGR路径的压降，然后选择涡轮机设计使得不对称因子符合压降的函数。可以选择发动机速度为峰值扭矩。本发明还提出了下述发动机：在该发动机中，在至少一个发动机速度下，不对称因子与符合函数的沿EGR路径的压降有关系。

在一种可能性中，可以通过选择涡轮机壳体的几何形状的特性来选择不对称因子。例如，可以通过适当选择EGR涡壳和Lambda涡壳的临界面积来产生不对称因子。

替代性地或另外，涡轮增压器设计可以包括：至少一个平衡阀和/或至少一个废气门阀(优选地，废气门阀包括定位成从Lambda涡壳抽出废气的至少一个废气门阀，尽管可选地废气门阀可以包括布置成从EGR涡壳抽出废气的至少一个废气门阀)，以及用于平衡阀和/或废气门阀的控制系统。可以选择控制系统来控制阀，使得不对称因子F符合所述函数。通过采用对平衡阀和/或废气门阀的适当控制，可以使不对称因子服从针对多个发动机速度的函数。

根据本发明的第一方面，提供了一种设计发动机系统的涡轮增压器的涡轮机的方法，所述发动机系统包括：

内燃发动机，所述内燃发动机包括至少一个限定相应膛孔的气缸，活塞布置在所述膛孔内以往复运动，所述气缸具有气体入口、气体出口和燃料入口；

所述内燃发动机具有入口和出口，所述入口和出口包括EGR歧管和Lambda歧管；

废气再循环系统，所述废气再循环系统包括废气再循环路径，所述废气再循环路径布置成使从发动机出口排出的气体的至少一部分传递回发动机入口；

涡轮增压器，所述涡轮增压器包括压缩机和涡轮机；

所述涡轮机包括壳体，所述壳体限定：涡轮机出口、在至少一个涡轮机入口和所述涡轮机出口之间的涡轮机腔室、布置在所述涡轮机腔室周围的环形入口通道、具有用于接收来自发动机排气歧管的废气的第一涡轮机入口的EGR涡壳、以及具有用于接收来自所述Lambda歧管的废气的第二涡轮机入口的Lambda涡壳，

所述EGR涡壳和所述Lambda涡壳在所述入口通道的径向外部部分周围与所述入口通道连通，并限定从相应的涡轮机入口到所述入口通道的相应流动路径，并且

所述涡轮机还包括涡轮机轮，所述涡轮机轮可旋转地安装在所述涡轮机腔室内以绕一轴线旋转，使得从所述涡轮机入口传递到所述涡轮机出口而从所述发动机出口排出的气体旋转所述涡轮机轮；

所述压缩机包括壳体和叶轮，所述壳体限定：与空气源气体连通的压缩机入口、与所述发动机入口气体连通的压缩机出口、在所述压缩机入口和所述压缩机出口之间的腔室，所述叶轮可旋转地安装在所述腔室内以绕一轴线旋转，使得所述叶轮的旋转压缩来自所述压缩机入口的空气并将压缩空气传递到所述压缩机出口；

所述涡轮机轮联接到所述叶轮，使得所述涡轮机轮的旋转可驱动地旋转所述叶轮；

其中，所述方法包括下述步骤：

(i)对于至少一个发动机速度，确定沿所述再循环路径的EGR回路压降(x)；

(ii)由基本上呈下述形式的表达式确定表示沿所述流动路径的质量流动参数的比率的不对称比率：

y＝a ln(x)+b (A)

其中，参数y是所述不对称比率乘以环境压力和涡轮机出口压力的压力比Z，并且a和b是实值常数；

(iii)根据所确定的不对称比率选择具有在所述至少一个发动机速度下的所述质量流动参数的比率的涡轮机设计。

在优选的形式中，公式(A)由下式给出：

y＝-0.131ln(x)+0.8523 (B)。

x和y的值可以实现至少在数值计算的典型精度内精确地观察表达式(A)和(B)。替代性地，应当理解的是，在本发明的第一方面的某些实施例中，可以选择不对称比率的值，使得x、y中的每个值与等式(A)和(B)给出的准确值相差小的相应公差。例如，对于至少一个发动机速度中的每个发动机速度，可以使用y的值，其与等式(A)或(B)给出的值相差不超过公差值δ。公差值的量值可以小于0.1、小于0.05、小于0.04、小于0.02、小于0.01、小于0.005、小于0.001、小于0.0005或者甚至小于0.0001。

在一个选项中，选择所述涡轮机设计的步骤包括选择相应的“临界面积”的面积，所述EGR涡壳和所述Lambda涡壳在所述相应的临界面积处连接所述入口通道。该方法提供了一种相对快速且简单的方法，其基于发动机系统的某些设计参数来确定包括废气再循环的发动机系统的涡轮机的两个临界面积的大小。

可选地，所述方法包括制造涡轮机的步骤，所述涡轮机具有第一入口和第二入口，所述第一入口和第二入口具有所述第一涡轮机入口和第二涡轮机入口的所选临界面积。

根据本发明的第二方面，提供了一种根据本发明的第一方面的方法制造的发动机系统。

根据第三方面，本发明提供了一种根据上述原理生产的发动机系统。

具体地说，本发明的第三方面提供了一种发动机系统，所述发动机系统包括：

内燃发动机，所述内燃发动机包括至少一个限定相应膛孔的气缸，活塞布置在所述膛孔内以往复运动，所述气缸具有气体入口、气体出口和燃料入口，所述内燃发动机具有入口和出口，所述入口和出口包括EGR歧管和Lambda歧管；

涡轮增压器，所述涡轮增压器包括压缩机和涡轮机；

所述涡轮机包括壳体，所述壳体限定：与所述发动机出口气体连通的至少一个涡轮机入口、涡轮机出口、在所述至少一个涡轮机入口和所述涡轮机出口之间的涡轮机腔室、布置在所述涡轮机腔室周围的环形入口通道、具有用于接收来自发动机排气歧管的废气的第一涡轮机入口的EGR涡壳、具有用于接收来自所述Lambda歧管的废气的第二涡轮机入口的Lambda涡壳，

其中，对于至少一个发动机速度，沿着所述再循环路径的EGR回路压降(x)与表示沿着流动路径的质量流动参数的比率的不对称比率之间的关系根据下述表达式：

y＝-0.131ln(x)+0.8523+δ (C)

其中，参数y是所述不对称比率乘以环境压力和涡轮机出口压力的压力比Z，并且δ是具有不大于0.1的量值的公差参数。

更优选地，x的每个值的δ值具有小于0.05、小于0.04、小于0.02、小于0.01、小于0.005、小于0.001、小于0.0005、或者甚至小于0.0001的量值。

所述至少一个发动机速度可以包括所述发动机系统的峰值扭矩发动机速度，和/或所述发动机系统的额定功率速度，和/或一个或多个发动机速度，所述一个或多个发动机速度是第一发动机速度n_lo加上所述第一发动机速度n_lo与第二发动机速度n_hi之间的差值的相应比例X，其中，X选自包括15％、25％、50％和75％的组，并且n_lo和n_hi分别是所述发动机系统针对其能够达到第一预定功率值的最低发动机速度以及所述发动机系统针对其能够达到第二预定功率值的最高发动机速度。

优选地，发动机系统还包括平衡阀，该平衡阀连接EGR涡壳和Lambda涡壳和/或用于将废气从Lambda涡壳转移到涡轮机出口的废气门阀。发动机系统还优选地包括用于控制平衡阀和/或废气门阀的阀控制系统。控制系统优选地布置成使得对于多个发动机速度，不对称比率符合等式(C)。一系列发动机速度优选地包括峰值扭矩发动机速度。它还可以包括额定发动机速度。它可以包括比峰值扭矩速度高出额定发动机速度与峰值扭矩速度之间的差值的50％的发动机速度和比峰值扭矩速度高出额定发动机速度与峰值扭矩速度之间的差值的70％的发动机速度中的任何一个或多个发动机速度。它还可以包括以上使用值X、n_lo和n₁₀定义的发动机速度中的任何一个或多个发动机速度。

附图说明

现在将参考附图来描述具体实施例：

图1示意性地描绘了通过可变几何涡轮增压器的轴向横截面；

图2示意性地描绘了具有涡轮机的发动机系统，该涡轮机是本文所述的设计方法的主题；

图3是示出了本文描述的设计涡轮机的方法的步骤的流程图；

图4a至图4c分别是绘制在压缩机图上的示出了图2所示的发动机系统的压缩机的压力比值和质量流动参数值的曲线图，这些值被计算出来以提供所需的通过图2所示的发动机系统的发动机的空气的质量流动速率；

图5是示出了多个不同尺寸的涡轮机的涡轮机膨胀比(P₃/P₄)随涡轮机质量流动参数的变化的曲线图；

图6示意性地示出了具有涡轮机的第二发动机系统，该涡轮机是本文所述的设计方法的主题；

图7示出了示出本文描述的设计涡轮机的方法的步骤的流程图；

图8示意性地描绘了具有涡轮机的第三发动机系统，该涡轮机是本文所述的设计方法的主题；

图9示出了示出本文描述的设计涡轮机的方法的步骤的流程图；

图10是示出了涡轮机的第一入口和第二入口的涡轮机膨胀比(P₃/P₄)随涡轮机质量流动参数的变化的曲线图；

图11是说明执行根据图7和图9的方法的结果的曲线图；以及

图12是示出根据本发明的实施例的设计涡轮机的方法的步骤的流程图。

具体实施方式

图1示出了涡轮增压器100，该涡轮增压器包括涡轮机1和通过中心轴承壳体3互相连接的压缩机2。涡轮增压器轴4通过轴承壳体3从涡轮机1延伸到压缩机2。涡轮机1和压缩机2各自包括相应的壳体101、102。

涡轮机轮5安装在轴4的一端，以用于在涡轮机壳体101内旋转，而压缩机轮6安装在轴4的另一端，以用于在压缩机壳体102内旋转。轴4绕在位于轴承壳体3中的轴承组件上的涡轮增压器轴线V-V旋转。

涡轮机壳体101限定入口7，来自内燃发动机(83-参见下文)的气体被传送到该入口。废气经由轴向出口通道、环形入口通道9和涡轮机轮5从入口7流动到出口81。

进气口7由第一涡壳9a和第二涡壳9b构成。这些涡壳各自在其最径向向内的部分处具有相应的临界面积15a、15b，在那里它们引导涡轮机轮5处的废气。在该示例中，虽然第一涡壳9a和第二涡壳9b是对称的，但是在其他涡轮增压器中，它们的尺寸彼此不同。

可选地，废气门(未示出)可以设置在涡轮机壳体101中，以将一部分废气从废气入口7转移到废气出口81而不通过涡轮机轮5。

从入口7流动到出口81的气体经过涡轮机轮5并且因此扭矩被施加到轴4以驱动压缩机轮6。压缩机轮6在压缩机壳体102内的旋转通过压缩机的入口22吸入空气，并且经由空气出口涡壳23将加压空气传送到出口82，加压空气从该空气出口涡壳被供应给内燃发动机83。

现在我们描述图2、图6和图8所示的涡轮增压器的三种详细可能的实施方案，并且每种实施方案都解释了涡轮增压器的设计方法。图2示出了具有EGR但没有冷却器的对称情况。图3示出了具有EGR和冷却器的对称情况。图8示出了具有EGR和冷却器的不对称情况。使用与图8有关的该方法获得的结果在图11中示出，并且这得到了作为本发明的实施例并在图12中示出的一种设计方法。

涡轮增压器设计方法的第一个示例

参考图2，示出了包括图1的涡轮增压器100的已知发动机系统70的示意图。发动机系统70包括内燃发动机83和所述涡轮增压器100。

内燃发动机83包括六个气缸40。每个气缸都限定一个膛孔，活塞(未示出)布置在该膛孔中以往复运动。每个气缸都具有入口和出口。每个气缸都基本相同。

内燃发动机83还包括入口歧管41，该入口歧管将气缸40的每个入口都连接到入口歧管41的进入端口42。

入口歧管41的进入端口42经由路径43连接到压缩机2的出口82。压缩机轮6通过涡轮机轮5的旋转而被驱动旋转。压缩机轮6经由到压缩机入口22的路径91从处于环境压力(P_amb)和环境温度(T_amb)的空气源(未示出)吸入空气。过滤器89设置在路径91中，在空气源和压缩机入口22之间。

在压缩机2的入口22处，空气处于压力P₁。在压缩机2的出口82处，空气处于压力P₂。压缩机出口82处的空气压力(P₂)与压缩机入口处的空气压力(P₁)之比是压缩机压力比(PR)。

压缩机2将压缩空气从其出口82经由路径43传送到内燃发动机83的入口歧管41并且因此传送到气缸40的入口。

冷却器84(称为增压空气冷却器)设置在路径43中，在压缩机出口82和入口歧管41之间。冷却器84在压缩空气被传送到入口歧管41之前冷却压缩空气。冷却器84上存在压降(ΔP_CAC)。

发动机入口歧管41处的空气压力(“入口歧管压力”)将被称为P_IM。

内燃发动机83还包括排气歧管组件85。

排气歧管组件85将气缸40的出口连接到涡轮机入口7。因此，来自气缸40的排气驱动涡轮机轮5旋转，这又使压缩机轮6经由轴4旋转。如上所述，压缩机2将压缩空气传送到入口歧管41。在离开涡轮机1时，废气在沿着排气出口路径86行进之后从出口释放到大气中。可选地，后处理系统(未示出)可以设置在排气出口路径86上。

设置可选的废气门阀192，其允许一部分废气从涡轮机轮5到排气出口路径86被转移离开。

来自涡轮机入口7处的发动机83的废气的压力和温度将分别被称为P₃和T₃。涡轮机入口7处的废气的质量流动速率将被称为

涡轮机出口81处的废气的压力和温度将分别被称为P₄和T₄。

现在将描述针对内燃发动机83的某些性能计算涡轮机5的所需临界面积的方法。

参考图3，该方法包括下述步骤：

(i)针对发动机的多个速度计算所需的通过发动机的空气的发动机质量流动速率

这些速度优选地包括峰值扭矩发动机速度和额定(即，最大功率)发动机速度；

(ii)计算提供每个发动机速度下的计算出的空气的发动机质量流动速率

所需的压缩机压力比(PR)；

(iii)计算每个发动机速度下的压缩机质量流动参数；

(iv)选择提供每个发动机速度下的所需的压缩机压力比(PR)和压缩机质量流动参数的压缩机设计；

(v)确定压缩机的效率；

(vi)确定每个发动机速度下压缩机所需的功率(P_comp)；

(vii)计算需要由涡轮机产生以便为压缩机提供所需的功率的功率；

(viii)计算提供压缩机所需的功率所需的涡轮机的膨胀比(ER)；

(ix)基于通过涡轮机的流动速率计算涡轮机质量流动参数；

(x)选择具有提供所需的膨胀比(ER)值和涡轮机质量流动参数值的临界入口面积的涡轮机设计，并且确定临界入口面积。

(xi)考虑废气门要求。

(xii)制造具有临界入口面积和任何所需废气门的涡轮机。

现在将更详细地描述该方法的步骤。

关于步骤(i)，在多个所需发动机速度(N)中的每个发动机速度下，根据该发动机速度下的发动机83的发动机功率(P_Eng)、制动比燃料消耗量(BSFC)和空气燃料比(AFR)的所需值，由等式1计算通过发动机83的空气的质量流动速率

(g/s)。

其中：

P_Eng＝内燃发动机的功率(kW)

BSFC＝内燃发动机的制动比燃料消耗量(g/kW.hr)

AFR＝内燃发动机的空气燃料比

多个发动机速度(操作点)通常至少包括峰值扭矩发动机速度、额定发动机速度。它们优选地包括至少一个低发动机速度，在该速度下获得足够的空气流量是具有挑战性的。

关于步骤(ii)，通过发动机83的空气的质量流动速率

可以被表示为等式2。

其中：

D＝发动机波及体积(m³)

N＝发动机速度(转/秒)

NRPC＝发动机每个循环的转数

η_vol＝发动机体积效率

P_amb＝环境压力(Pa)

ΔP_filter＝过滤器上的压力变化(Pa)

P₂＝压缩机出口处的压力(Pa)

P₁＝压缩机入口处的压力(Pa)

ΔP_CAC＝增压空气冷却器上的压力变化(Pa)

R＝空气的气体常数(＝0.287J/g.K)

IMT＝入口歧管温度(K)

压缩机出口处的压力与压缩机入口处的压力之比(P₂/P₁)被称为压缩机2两端的压力比(PR)。

根据压缩机压力比(PR)重写等式2给出：

该等式提供了计算提供每个发动机速度下的所需的空气的发动机质量流动速率

所需的压缩机压力比(PR)的手段(由等式1计算每个发动机速度下的发动机质量流动速率

)。

每个发动机速度下的发动机每个循环的转速(NRPC)、空气的气体常数(R)、入口歧管温度(IMT)、发动机波及体积(D)、发动机体积效率(η_vol)、增压空气冷却器(ΔP_CAC)上的压力变化、环境压力(P_amb)和过滤器上的压力变化(ΔP_filter)的值都是设计所需的预选值。

关于步骤(iii)，压缩机质量流动参数被计算为：

其中：

MFP_comp＝压缩机质量流动参数

P₁＝压缩机入口处的压力(Pa)

T₁＝压缩机入口处的温度(绝对值)(K)

与等式3一样，由等式1计算每个发动机速度下的发动机质量流动速率

关于步骤(iv)，从一系列已知设计中选择提供每个发动机速度下的所需的压缩机压力比(PR)和压缩机质量流动参数的压缩机设计。

如以上所计算的，通过将已知的压缩机图与每个发动机速度下的所需的压缩机压力比(PR)和压缩机质量流动参数相匹配来选择压缩机设计。

在这方面，压缩机图是针对某一压缩机设计的压缩机压力比(PR)(在y轴上)与压缩机质量流动参数(在x轴上)的曲线图。三个不同压缩机的压缩机图的示例在图4a至图4c中示出。

可以从经验数据、从已知压缩机设计的性能的测量结果和/或从基于其设计计算压缩机的性能的分析方法获得压缩机图。这种分析方法在本领域中是已知的，因此这里不再详细描述。

在该示例中，使用三种不同的发动机速度(N)，并且在每个发动机速度下，由等式3计算提供计算出的空气的发动机质量流动速率

所需的压缩机压力比(PR)，由等式4计算质量流动参数。

如图4a至图4c所示，压缩机压力比(PR)和空气的质量流动速率

的这些值绘制在用于压缩机图的相同坐标轴上。这些值被称为发动机83的“运行点”。

然后，选择运行点符合的压缩机图。这在图4a至图4c中示出。在图4a中，压缩机图太“小”，因为较高质量流动速率参数的较高值处的运行点不包含在压缩机图上或压缩机图内。

在图4b中，压缩机图太“大”，因为较低质量流动速率参数的较低值处的运行点不包含在压缩机图上或压缩机图内。

在图4c中，压缩机图是“匹配”发动机83的所选择的图，因为所有运行点都包含在压缩机图上或压缩机图内。

然后，选择该压缩机图作为与发动机83“匹配”的压缩机图。关于步骤(v)，压缩机图对应于具有压缩机效率(η_comp)的特定压缩机。在这点上，可以从压缩机图的轮廓确定压缩机效率(η_comp)(未示出)。压缩机效率是焓的等熵变化与焓的实际变化之比。对于压力比的给定实现的增加，小于100％的效率将导致压缩机出口温度高于理想值。

关于步骤(vi)，根据压缩机效率(η_comp)，根据下述等式计算这些运行点所需的压缩机功率(Power_Comp)：

其中：

Power_comp＝压缩机功率(kW)

C_pair＝空气恒压下的比热(～1005KJ/kg.K)

T₁＝压缩机入口温度(K)

PR＝运行点处的压缩机压力比

η_comp＝压缩机效率(分数，例如0.7)

γ＝等熵膨胀系数

关于步骤(vii)，考虑到系统中的轴承损失，根据下述等式计算驱动压缩机2所需的涡轮机1的功率：

其中：

Power_turb＝涡轮机功率(kW)

Power_comp＝压缩机功率(kW)

η_bearing＝轴承效率(分数，例如0.97)

涡轮机功率(Power_turb)可以根据下述等式被表示为：

其中：

η_turb＝涡轮机效率(分数，例如0.7)

T₃＝涡轮机入口温度(K)

P₃＝涡轮机入口压力(Pa)

P₄＝涡轮机出口压力(Pa)

关于步骤(viii)，涡轮机入口压力(P₃)与涡轮机出口压力(P₄)之比被称为涡轮机膨胀比(ER)。

来自发动机83的质量流量排气(其等于通过涡轮机1的质量流动速率)是通过发动机83的空气的质量流动速率

和通过发动机83的燃料的质量流动速率

(kg/s))的总和。这是根据下述等式计算的：

其中：

AFR＝空气燃料比

将等式8代入等式7，并重新排列涡轮机膨胀比(P3/P4)给出：

由等式1计算每个发动机速度下的发动机质量流动速率

空气燃料比(AFR)和涡轮机效率(η_turb)的值都是设计所需的预选值。废气在恒定压力下的比热值(C_{P exh})是已知的。注意，废气不仅包括空气，还包括CO₂、H₂O等。涡轮机入口温度(T₃)的值是从热平衡估算的，因为燃料能量部分地转换为工作，部分地放出到冷却剂，以及部分地加热进气，导致T₃。由从等式5计算的提供每个发动机速度下的所需空气质量流动速率

所需的压缩机功率结合等式6计算在每个发动机速度下驱动压缩机所需的涡轮机功率。然后，等式9用于计算每个发动机速度下所需的涡轮机膨胀比。

关于步骤(ix)，根据下述等式计算涡轮机质量流动参数(MFP_turb)：

其中：

MFP_turb＝涡轮机质量流动参数

T₃＝涡轮机入口温度(K)

P₃＝涡轮机入口压力(Pa)

与等式9一样，从已知值估算涡轮机入口温度(T₃)的值。

考虑到涡轮机出口处的条件，可以根据下述等式计算涡轮机排气压力(P₄)：

P₄＝P_ambient+P_{exh BP}

等式11

其中：

P₄＝涡轮机排气压力

P_ambient＝涡轮机出口下游的环境压力(Pa)

P_{exh BP}＝涡轮机排气反压(Pa)

从已知值估算涡轮机排气反压(P_{exh BP})和涡轮机出口下游的环境压力(P_ambient)的值。排气反压取决于操作条件(例如，对于更高的排气流动速率，排气反压就更高)。例如，它可以随排气体积流动速率的平方而变化。其大小还取决于涡轮机下游的东西(如果有的话)；例如，如果提供后处理系统，则会增加反压。

根据等式9中的膨胀比(P₃/P₄)的计算值，以及涡轮机排气压力(P₄)的计算值，然后可以由下述等式计算涡轮机入口压力(P3)的值：

P₃＝ER×P₄

等式12

然后，可以由等式10计算在每个发动机速度下的涡轮机质量流动参数(MFP_turb)。

关于步骤(x)，涡轮机流量图是涡轮机膨胀比(ER)(y轴)的变化与涡轮机质量流动参数(MFP_turb)的变化的曲线图，如图5所示。

图5示出了许多不同的涡轮机流量图，每个涡轮机流量图对应于不同尺寸的涡轮机入口7(每个曲线标记有涡轮机的对应于该曲线的临界面积)。在这一点上，涡轮机的每个尺寸以及因此涡轮机入口7的每个尺寸对应于不同的曲线，随着曲线在x轴上向右移动，涡轮机入口7的尺寸增加。在这一点上，对于某一涡轮机膨胀比(P₃/P₄)，随着涡轮机入口7的尺寸增加，涡轮机质量流动参数(MFP_turb)增加。

可以从经验数据、从已知涡轮机设计的性能的测量结果和/或从基于其设计计算涡轮机的性能的分析方法获得涡轮机流量图。这种分析方法在本领域中是已知的，因此这里不再详细描述。

通过选择对于某一涡轮机质量流动参数(MFP_turb)提供期望的涡轮机膨胀比(P₃/P₄)的曲线以及因此具有某一尺寸的入口7的涡轮机，从涡轮机流量图中选择所需的涡轮机尺寸。涡轮机膨胀比值(A)和涡轮机质量流动参数值(B)的所需组合在图5中示出为X。在该示例中，提供涡轮机膨胀比(P₃/P₄)和涡轮机质量流动参数(MFP_turb)的所需组合的曲线对应于临界面积为15cm²的涡轮机。

在步骤(x)中，考虑废气门92是否应该包括在设计中，如果是，那么如何控制它。到目前为止，峰值扭矩通常是空气流量和EGR的限制因素。在步骤(x)中，检查我们是否能够满足其他操作点(诸如额定功率)的要求(空气燃料比(AFR)和EGR两者)。还考虑机械限制(例如排气歧管压力和/或涡轮速度)。如果单个压缩机和涡轮机不能满足所有操作点的要求，则可能需要废气门来保护高度。

在步骤(x)中，使用步骤(x)中获得的临界面积和步骤(x)中考虑的废气门构造发动机系统。

上述方法提供了一种相对快速且简单的方法，其基于发动机的某些设计约束即发动机功率、速度、效率、制动比燃料消耗、空气燃料比和入口歧管温度来确定涡轮机的临界面积的大小。该方法还考虑了发动机系统的其他部件上(诸如增压空气冷却器和过滤器上)的压降。将理解，该方法适用于发动机系统不包括增压空气冷却器和/或过滤器的情况，其中，相关等式被修改以适当地移除这些项。

上述方法适用于在没有废气再循环的情况下确定涡轮机的尺寸。现在将描述如何修改该方法以便确定在涡轮机是使用废气再循环的发动机系统的一部分的情况下的涡轮机的尺寸。

修改该方法以包括EGR

参考图6，示出了根据另一示例的发动机系统。除了下面描述的差异之外，图6所示的发动机系统与图2所示的发动机系统相同。对应的特征给出对应的附图标记，但数字增大了100。

图6所示的发动机系统201与图2所示的发动机系统的不同之处在于，废气再循环(EGR)路径203将来自内燃发动机183的气体排气质量

的一部分

传递回发动机入口歧管141。

EGR阀204设置在废气再循环路径203中，其可以选择性地打开和关闭，以及在打开和关闭位置之间节流，以便改变再循环的气体量

废气冷却器202设置在EGR路径203中，在EGR阀204和发动机入口歧管141之间。注意，在图6的配置中，虽然EGR阀被示出在冷却器202的“热”(即，上游)侧上，但是它可以替代性地设置在“冷”侧上。

因此，传递到发动机进气歧管141的气体的质量流动速率是来自压缩机106的气体的质量流动速率

和再循环气体的质量流动速率

的总和。

进入EGR阀204的再循环气体的压力为P₃’。离开EGR阀204的再循环气体的压力是P₃”。

进入EGR冷却器202的再循环气体的压力为P₃”’。离开EGR冷却器202的再循环气体的压力是P₃”’。

由下述等式计算EGR质量流动速率

相对于进入内燃发动机183的气体的质量流动速率

的分数(EGR_frac)：

现在将描述针对内燃发动机183的某些特性计算涡轮机105的所需临界面积的方法。

参考图7，该方法包括下述步骤：

通常包括峰值扭矩和额定功率；

(ii)计算提供计算出的空气的发动机质量流动速率

和EGR分数所需的压缩机压力比(PR)；

(iii)根据计算出的压缩机比计算压缩机出口压力(P2)；

(iv)根据压缩机出口压力(P2)和EGR系统部件上的任何压力变化计算涡轮机入口压力(P3)；

(v)根据计算出的涡轮机入口压力(P3)和涡轮机出口压力(P4)计算涡轮机膨胀比(ER)；

(vi)根据计算出的涡轮机入口压力(P3)计算涡轮机质量流动参数；

(vii)选择具有提供所需的膨胀比值和涡轮机质量流动参数值的临界入口面积的涡轮机设计，并且确定临界入口面积；

(viii)在峰值扭矩发动机速度下执行约束分析。还要检查其他操作点(例如额定功率发动机速度)处的要求，并且必要时添加废气门。

(ix)制造具有计算出的临界面积并且带有任何所需的废气门的涡轮机；

关于步骤(i)，在多个所需发动机速度(N)(通常至少包括峰值扭矩和额定功率发动机速度)中的每个发动机速度下。根据该发动机速度下的发动机183的发动机功率(P_Eng)、制动比燃料消耗量(BSFC)和空气燃料比(AFR)的所需值，由等式14(其对应于等式1)计算来自压缩机(106)的空气的质量流动速率

其中：

P_Eng＝内燃发动机的功率(kW)

BSFC＝内燃发动机的制动比燃料消耗量(g/kW.hr)

AFR＝内燃发动机的空气燃料比

关于步骤(ii)，通过发动机183的空气的质量流动速率

可以被表示为等式15。

其中：

EGR_frac＝从废气再循环系统传递到发动机入口的气体的质量流动速率相对于进入内燃发动机的气体的总质量流动速率的分数

D＝发动机波及体积(m³)

N＝发动机速度(转/秒)

NRPC＝发动机每个循环的转数

η_vol＝发动机体积效率

P_amb＝环境压力(Pa)

ΔP_filter＝过滤器上的压力变化(Pa)

ΔP_CAC＝增压空气冷却器上的压力变化(Pa)

P₂＝压缩机出口处的压力(Pa)

P₁＝压缩机入口处的压力(Pa)

R＝空气和气体混合物的气体常数(仅对空气而言，这是0.287J/g.K)

IMT＝入口歧管温度(K)

等式15虽然对应于等式2，但是经过修改以考虑废气再循环。

根据压缩机压力比(PR)重写等式15给出：

所需的压缩机压力比(PR)的手段(由等式14计算每个发动机速度下的发动机质量流动速率

)。

每个发动机速度下的发动机每个循环的转速(NRPC)、空气和EGR的气体常数(R)(基于输入空气和EGR流量要求计算该特性)、入口歧管温度(IMT)、发动机波及体积(D)，发动机体积效率(η_vol)、增压空气冷却器184上的压力变化(ΔP_CAC)、环境压力(P_amb)和过滤器上的压力变化(ΔP_filter)的值都是设计所需的预选值。

由下述等式计算压缩机入口处的压力(P₁)：

P₁＝P_amb-ΔP_filter

等式17

关于步骤(iii)，然后根据计算出的压缩机压力比(PR)和压缩机入口压力计算压缩机出口压力(P₂)：

P₂＝PR×P₁

等式18

关于步骤(iv)，然后根据下述等式计算涡轮机入口压力(P₃)：

P₃＝P₂+ΔP_CAC+ΔP_{egr cooler}+ΔP_{egr valve}

等式19

关于步骤(v)，根据下述等式计算涡轮机出口压力(P₄)：

P₄＝P_ambient+P_{exh BP}

等式20

其中：

P₄＝涡轮机排气压力

P_ambient＝涡轮机出口下游的环境压力(Pa)

P_{exh BP}＝涡轮机排气反压(Pa)

从已知值估算涡轮机排气反压(P_{exh BP})和涡轮机出口下游的环境压力(P_ambient)的值。基于操作条件估算排气反压(例如，对于更高的排气流动速率，排气反压就更高)。例如，它可以随排气体积流动速率的平方而变化。其大小还取决于涡轮机下游的东西(如果有的话)；例如，如果提供后处理系统，则会增加反压。注意，当比较两个操作点(峰值扭矩和额定功率发动机速度)时，反压将常有显著的差异，因此排气反压是重要的考虑因素。

然后，由下述等式计算涡轮机膨胀比(ER)：

从发动机183进入涡轮机107的排气的净质量流动速率

是来自压缩机106的空气的质量流动速率

和通过发动机183的燃料的质量流动速率

(kg/s)的总和。这是根据下述等式计算的：

其中：

AFR＝空气燃料比

关于步骤(vi)，根据下述等式计算涡轮机质量流动参数(MFP_turb)：

其中：

MFP_turb＝涡轮机质量流动参数

T₃＝涡轮机入口温度(K)

P₃＝涡轮机入口压力(Pa)

由等式22计算在等式23中使用的从发动机进入涡轮机的排气的质量流动速率

的值。使用的涡轮机入口压力(P₃)的值是由等式19计算的值。使用热平衡估算T₃，因为燃料能量部分地转换为工作，部分地放出到冷却剂，以及部分地加热进气，从而导致T₃。

关于步骤(vii)，与前面的示例(见图5)一样，通过选择对于某一涡轮机质量流动参数(MFP_turb)提供期望的涡轮机膨胀比(P₃/P₄)的曲线并且因此具有某一尺寸的入口的涡轮机，从涡轮机流量图中选择所需的涡轮机尺寸。

在步骤(ix)中，执行约束分析。优选的将是基于峰值扭矩要求选择临界面积以满足空气和EGR流量要求，其中，EGR阀完全打开，但我们需要检查压缩机平衡和涡轮机功率。如果不能使这些条件平衡，那么有三个选项：

a)改变空气流量和/或EGR流量要求，或者

b)如果涡轮机功率太低，则部分关闭EGR阀，或者

c)如果涡轮机功率过高，添加废气门。

在决定哪个选项最佳之前，步骤(ix)包括考虑其他关键操作点诸如额定功率，因为关闭EGR阀或在峰值扭矩下添加废气门将可能更多地需要在额定功率下完成，并且这是效率低的。

步骤(ix)通常最终在其他关键操作点处折衷可接受的参数，以获得峰值扭矩下的较低EGR。换句话说，权衡迫使次优配置。

关于步骤(ix)，然后制造具有计算出的临界面积和任何所需的废气门的涡轮机。

上述方法提供了一种相对快速且简单的方法，其基于发动机的某些设计约束即发动机功率、速度、效率、制动比燃料消耗、空气燃料比和入口歧管温度来确定作为使用废气再循环的发动机系统的一部分的涡轮机的临界面积的大小。该方法还考虑了发动机系统的其他部件上的压降。将理解，该方法适用于发动机系统不包括这些部件的情况，可以修改相关等式以适当地去除这些项。

上述方法适用于确定具有单进入涡轮机入口的涡轮机的尺寸，并且还可以用于双入口对称涡轮机入口，其中，EGR从两个歧管均等地抽出。现在将描述如何修改该方法以便确定具有双入口不对称涡轮机入口的涡轮机的尺寸。

修改该方法以包括EGR和不对称涡轮机

参考图8，示出了根据另一示例的发动机系统。除了下面描述的差异之外，图8所示的发动机系统与图6所示的发动机系统相同。对应的特征给出对应的附图标记，但是增大了100。

图8所示的发动机系统301与图6所示的发动机系统的不同之处在于，涡轮机205包括不对称的双重进入入口，具有“大”涡轮机入口和“小”涡轮机入口。这通过将涡轮机205模制为呈小涡轮机201’和大涡轮机201”的形式的两个涡轮机来进行模制。小涡轮机入口207’处的压力为P_3small。大涡轮机入口207”处的压力为P_3large。均衡阀285(或“平衡阀”)设置在涡轮机入口之间。注意，均衡阀285可以在涡轮机壳体的内部。

在这种情况下，废气门292示出在大涡轮机201”上，将废气转移离开大涡轮机入口207”。换句话说，这表示了定位成用于从Lambda涡壳转移气体的废气门。然而，在变型中，废气门292(或附加废气门)可以布置成从EGR涡壳转移气体，即，实际上以避开小涡轮机201’。

现在将描述针对内燃发动机283的某些特性计算涡轮机205的大入口207”和小入口207’中的每个入口的所需临界面积的方法。

参考图9，该方法包括下述步骤：

(i)针对发动机的多个速度(例如额定发动机速度和峰值扭矩发动机速度)计算所需的通过发动机的空气的发动机质量流动速率

(ii)计算提供计算出的空气的发动机质量流动速率

和EGR分数所需的压缩机压力比(PR)；

(iii)根据计算出的压缩机比计算压缩机出口压力(P2)；

(iv)根据压缩机出口压力(P2)和发动机系统中的部件上的任何压力变化计算小涡轮机入口压力(P3small)；

(v)根据计算出的小涡轮机入口压力(P3small)和小涡轮机出口压力(P4)计算小涡轮机膨胀比(ER)；

(vi)计算由于小涡轮机入口中的流量而从涡轮机传送的功率；

(vii)计算由于大涡轮机入口中的流量而从涡轮机传送的功率；

(viii)计算大涡轮机的膨胀比；

(ix)计算大涡轮机入口和小涡轮机入口的质量流动参数；

(x)对于大涡轮机入口和小涡轮机入口中的每个入口，计算提供所需的膨胀比和质量流动参数所必需的涡轮机的临界面积；

(xi)考虑对废气门和平衡阀的需求；

(xii)制造具有带有计算出的临界面积的大入口和小入口以及任何废气门和平衡阀的不对称涡轮机。

关于步骤(i)，在多个所需发动机速度(N)(例如额定功率和峰值扭矩)中的每个发动机速度下，根据该发动机速度下的发动机183的发动机功率(P_Eng)、制动比燃料消耗量(BSFC)和空气燃料比(AFR)的所需值，由等式14(其对应于等式1)计算来自压缩机(106)的空气的质量流动速率

其中：

P_Eng＝内燃发动机的功率(kW)

BSFC＝内燃发动机的制动比燃料消耗量(g/kW.hr)

AFR＝内燃发动机的空气燃料比

关于步骤(ii)，空气的质量流动速率

可以被表示为等式25。

其中：

D＝发动机波及体积(m³)

N＝发动机速度(转/秒)

NRPC＝发动机每个循环的转数

η_vol＝发动机体积效率

P_amb＝环境压力(Pa)

ΔP_filter＝过滤器上的压力变化(Pa)

P₂＝压缩机出口处的压力(Pa)

P₁＝压缩机入口处的压力(Pa)

ΔP_CAC＝增压空气冷却器上的压力变化(Pa)

R＝空气和EGR的气体常数

IMT＝入口歧管温度(K)

等式25对应于等式15，但是经过修改以考虑不对称的涡轮机入口。

根据压缩机压力比(PR)重写等式25给出：

该等式提供了计算提供每个发动机速度(额定功率和峰值扭矩)下的所需的空气的发动机质量流动速率所需的压缩机压力比(PR)的手段(由等式24计算每个发动机速度下的发动机质量流动速率)。

每个发动机速度下的发动机每个循环的转速(NRPC)、空气的气体常数(R)、入口歧管温度(IMT)、发动机波及体积(D)、发动机体积效率(η_vol)、环境压力(P_amb)和过滤器上的压力变化(ΔP_filter)以及增压空气冷却器(ΔP_cac)上的压力变化的值都是设计所需的预选值。

由下述等式计算压缩机入口处的压力(P1)：

P₁＝P_amb-ΔP_filter

等式27

P₂＝PR×P₁

等式28

关于步骤(iv)，然后使用等式19的修改版本计算小涡轮机入口207’处的压力(P_3small)，即：

P_3small＝P₂+ΔP_CAC+ΔP_{egr cooler}+ΔP_{egr valve}

等式29

关于步骤(v)，根据下述等式计算小涡轮机出口压力(P_4small)：

P_4small＝P_ambient+P_{exh BP}

等式30

其中：

P_4small＝小涡轮机排气压力

P_ambient＝涡轮机出口下游的环境压力(Pa)

P_{exh BP}＝涡轮机排气反压(Pa)

注意，P_4large与P_4small相同。使用通过排气管和后处理系统的总排气流量(不仅仅是通过小涡轮机的流量)计算反压。

如在上面解释的前两个示例中那样，估算涡轮机排气反压(P_{exh BP})和涡轮机出口下游的环境压力(P_ambient)的值。

然后，由下述等式计算小涡轮机膨胀比(ER)：

关于步骤(vi)，然后在等式32中使用计算出的小涡轮机膨胀比(ER)，以计算所需的小涡轮机的功率：

关于步骤(vii)，考虑到大涡轮机201’和小涡轮机201”在同一轴上，通过下述等式计算大涡轮机的功率：

关于步骤(viii)，然后在等式34中使用计算出的大涡轮机的功率的值，以根据下述等式计算大涡轮机的膨胀比：

根据下述等式计算大涡轮机出口压力(P_4large)：

P_4large＝P_ambient+P_exhBP

等式35

其中：

P_4large＝大涡轮机排气压力

P_ambient＝涡轮机出口下游的环境压力(Pa)

P_{exh BP}＝涡轮机排气反压(Pa)

如上所述，P_4large与P_4small相同。

以与以前相同的方式从已知值估算涡轮机排气反压(P_{exh BP})和涡轮机出口下游的环境压力(P_ambient)的值。

然后，由下述等式计算大涡轮机膨胀比(ER)：

关于步骤(ix)，由下述等式计算大涡轮机质量流动参数的值：

然后，由下述等式计算小涡轮机质量流动参数的值：

关于步骤(x)，与前面的示例一样，对于大涡轮机入口和小涡轮机入口中的每个入口，通过选择对于所需的涡轮机质量流动参数(MFP_turb)提供期望的涡轮机膨胀比(P₃/P₄)的曲线并且因此某一尺寸的入口，从涡轮机流量图中选择所需的涡轮机入口的临界面积。这在图10中说明。

这里的关键参数是“不对称比率”，其将被定义为两个入口中的质量流动参数的流量：

注意，虽然替代性的定义可以基于两个入口的临界面积之比，但是这仅在平衡阀和废气门关闭时才是等效的。

在步骤(x)中，将执行约束分析，类似于图7的步骤(viii)。优选的将是基于峰值扭矩要求选择临界面积以满足空气和EGR流量要求，其中，EGR阀完全打开。然而，还将考虑至少一个第二操作点(例如额定功率发动机速度)，并且做出关于是否添加用于保护的废气门292和/或用以提供更大灵活性的平衡阀285的决定。此外，可以生成平衡阀的尺寸范围。

关于步骤(xi)，然后制造具有带有计算出的临界面积的大入口和小入口以及在步骤(x)中选择的任何废气门和/或平衡阀的不对称涡轮机。

上述方法提供了一种相对快速和简单的方法，其基于发动机的某些设计约束即发动机功率、速度、效率、制动比燃料消耗、空气燃料比和入口歧管温度来确定作为使用废气再循环的发动机系统的一部分的不对称涡轮机的入口的临界面积的大小。该方法还考虑了发动机系统的其他部件上的压降。将理解，该方法适用于发动机系统不包括这些部件的情况，可以修改相关等式以适当地去除这些项。

本发明人执行了图9的分析的许多实例，并且发现当如图11所示绘制结果时，可以在作为在图11的x轴上绘制的值的EGR回路压降与作为等式39的不对称比率乘以环境压力与涡轮机出口处的压力的比率Z的在y轴上绘制的值之间找到良好的配合。注意，EGR回路压降被定义为沿着路径303的压力差，即图8中的点310和320之间的压力差。EGR压力损失降包括由于路径303中的管、EGR阀304、EGR冷却器302引起的压力损失以及在点320处的端口上的压力损失，在该点处，EGR路径303的输出连接到进气歧管242。

图11上所示的线对应于下述等式：

y＝-0.131ln(x)+0.8523

等式40

其中，R²值为0.9241。

因此，出人意料地，EGR回路压降可以被视为选择不对称比率的关键参数。这表明图9的方法的一种更简单的形式，如图12所示。该方法是本发明的实施例。

在该方法的第一步骤(i)中，针对发动机的多个速度计算EGR回路压降。

可以选择发动机速度包括峰值扭矩速度和/或额定功率速度。

另外或替代性地，发动机速度还可以包括ESC调节循环的A速度、B速度和C速度中的任何一个或多个，和/或NTE区域的最低速度。通常，这四种速度定义如下：

发动机速度(rpm)＝n_lo+X(n_hi-n_lo)

等式41

其中，发动机速度A、B和C分别是当X＝0.25、X＝0.50和X＝0.75时等式41右边的值，并且NTE区域的最低速度是当X＝0.15时等式41右边的值。通过计算声明的最大净功率的70％来确定高速度n_hi。具体地说，n_hi被定义为最高发动机速度(即，高于额定功率速度)，针对该最高发动机速度，最大发动机功率的70％仍然可用(即，功率曲线上出现该功率值的最高发动机速度)。通过计算声明的最大净功率的50％来确定低速度n_lo。具体地说，n_lo被定义为最低发动机速度(即，低于额定功率速度)，针对该最低发动机速度，最大发动机功率的50％仍然可用(即，功率曲线上出现该功率值的最低发动机速度)。NTE方法建立了控制区域(“NTE区域”)，该控制区域表示了预期在正常的车辆操作中会遇到的以及由柴油重型发动机使用的发动机速度和负载。

在步骤(ii)中，使用涡轮机出口压力P_top和环境压力P_amb以计算

针对发动机速度中的每个发动机速度考虑任何下游限制(例如管和后处理)。

在步骤(iii)中，使用等式40计算发动机速度中的每个发动机速度的不对称比率。

在步骤(iv)中，计算小涡轮机入口和大涡轮机入口的临界面积以实现计算出的不对称比率。通常，将需要平衡阀285和/或废气门阀292来产生所有发动机速度的计算出的不对称比率，并且在步骤(iv)中得出发动机速度中的每个发动机速度下的阀的所需参数。

在步骤(v)中，制造发动机系统，其包括具有带有计算出的临界面积的大入口和小入口的不对称涡轮机，以及任何废气门和平衡阀。如果存在废气门和/或平衡阀，则提供阀控制系统以控制废气门和平衡阀，使得在发动机速度中的每个发动机速度下，不对称比率如步骤(iv)中所计算的那样。

将涡轮机整合到发动机系统中，产生类似于根据图9的方法设计的系统。在任何一种情况下，至少对于该方法中使用的发动机速度而言，所得到的发动机系统将遵循等式40在一定公差(δ)内。优选地，运转中的发动机系统的不对称比率根据等式40在该方法中使用的所有发动机速度的一定公差范围内，并且实际上在包括该方法中使用的所有发动机速度的范围内的所有发动机速度的一定公差范围内。

Claims

1.一种设计发动机系统的涡轮增压器的涡轮机的方法，所述发动机系统包括：

所述内燃发动机具有入口和出口，所述出口包括第一歧管和第二歧管；

废气再循环系统，所述废气再循环系统包括废气再循环路径，所述废气再循环路径布置成使从所述第一歧管排出的气体的至少一部分传递回发动机入口；

涡轮增压器，所述涡轮增压器包括压缩机和涡轮机；

所述涡轮机包括壳体，所述壳体限定：涡轮机出口、在至少一个涡轮机入口和所述涡轮机出口之间的涡轮机腔室、布置在所述涡轮机腔室周围的环形入口通道、具有用于接收来自发动机排气歧管的废气的第一涡轮机入口的第一涡壳、以及具有用于接收来自所述第二歧管的废气的第二涡轮机入口的第二涡壳，

所述第一涡壳和所述第二涡壳在所述入口通道的径向外部部分周围与所述入口通道连通，并限定从相应的涡轮机入口到所述入口通道的相应流动路径，并且

所述涡轮机还包括涡轮机轮，所述涡轮机轮可旋转地安装在所述涡轮机腔室内以绕一轴线旋转，使得从所述涡轮机入口传递到所述涡轮机出口而从发动机出口排出的气体旋转所述涡轮机轮；

其中，所述方法包括下述步骤：

(i)对于至少一个发动机速度，确定沿所述再循环路径的EGR回路压降(x)，所述EGR回路压降(x)的单位为kPa；

(ii)由基本上呈下述形式的表达式确定不对称比率：

y＝a ln(x)+b (A)

其中，所述不对称比率是用于所述第一涡轮机入口的质量流动参数除以用于所述第二涡轮机入口的质量流动参数，参数y是所述不对称比率乘以环境压力和涡轮机出口压力的压力比Z，并且a和b是实值常数；

(iii)选择涡轮机设计，使得在所述至少一个发动机速度下的不对称比率是所确定的不对称比率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述表达式呈下述形式：

y＝-0.131ln(x)+0.8523 (B)。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，选择所述涡轮机设计的步骤包括选择相应的临界面积的面积，所述第一涡壳和所述第二涡壳在所述相应的临界面积处连接所述入口通道。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括制造涡轮机的步骤，所述涡轮机具有第一入口和第二入口，所述第一入口和第二入口具有所述第一涡轮机入口和第二涡轮机入口的所选临界面积。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发动机系统还包括至少一个控制阀，所述至少一个控制阀包括：

(i)用于控制所述第一涡壳和所述第二涡壳之间的废气流的平衡阀，以及用于所述平衡阀的控制机构，以及

(ii)废气门阀，所述废气门阀用于控制气体从所述第二涡壳到所述涡轮机的输出的避开所述涡轮机轮的转向流；

选择涡轮机设计的步骤包括选择用于所述至少一个控制阀的控制关系，根据所述控制关系，所述不对称比率根据等式(A)随着发动机速度而变化。

6.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括根据所选择的涡轮机设计来制造发动机系统的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，制造所述发动机系统，所述发动机系统包括控制阀控制系统，所述控制阀控制系统用于根据所选择的与所述发动机速度相关的控制关系来控制所述至少一个控制阀。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个发动机速度包括用于所述发动机系统的峰值扭矩速度。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个发动机速度包括用于所述发动机系统的额定功率速度。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个发动机速度包括一个或多个发动机速度，所述一个或多个发动机速度是第一发动机速度n_lo加上所述第一发动机速度n_lo与第二发动机速度n_hi之间的差值的相应比例X，其中，X选自包括15％、25％、50％和75％的组，并且n_lo和n_hi分别是所述发动机系统针对其能够达到第一预定功率值的最低发动机速度以及所述发动机系统针对其能够达到第二预定功率值的最高发动机速度。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一预定功率值是所述发动机系统能够达到的最大功率的50％，并且所述第二预定功率值是所述发动机系统能够达到的最大功率的70％。

12.一种发动机系统，包括：

内燃发动机，所述内燃发动机包括至少一个限定相应膛孔的气缸，活塞布置在所述膛孔内以往复运动，所述气缸具有气体入口、气体出口和燃料入口，所述内燃发动机具有入口和出口，所述出口包括第一歧管和第二歧管；

涡轮增压器，所述涡轮增压器包括压缩机和涡轮机；

所述涡轮机包括壳体，所述壳体限定：与所述发动机出口气体连通的至少一个涡轮机入口、涡轮机出口、在所述至少一个涡轮机入口和所述涡轮机出口之间的涡轮机腔室、布置在所述涡轮机腔室周围的环形入口通道、具有用于接收来自发动机排气歧管的废气的第一涡轮机入口的第一涡壳、具有用于接收来自所述第二歧管的废气的第二涡轮机入口的第二涡壳，

其中，对于至少一个发动机速度，沿着所述再循环路径的EGR回路压降(x)与不对称比率之间的关系根据下述表达式：

y＝-0.131ln(x)+0.8523+δ (C)

其中，所述EGR回路压降(x)的单位为kPa，所述不对称比率是用于所述第一涡轮机入口的质量流动参数与用于所述第二涡轮机入口的质量流动参数的比率，参数y是所述不对称比率乘以环境压力和涡轮机出口压力的压力比Z，并且δ是具有不大于0.1的量值的公差参数。

13.根据权利要求12所述的发动机系统，其中，δ的量值小于0.05。

14.根据权利要求12所述的发动机系统，其中，δ的量值小于0.04。

15.根据权利要求12所述的发动机系统，其中，δ的量值小于0.02。

16.根据权利要求12所述的发动机系统，其中，所述至少一个发动机速度包括用于所述发动机系统的峰值扭矩发动机速度。

17.根据权利要求12所述的发动机系统，其中，所述至少一个发动机速度包括用于所述发动机系统的额定功率速度。

18.根据权利要求12所述的发动机系统，其中，所述至少一个发动机速度包括一个或多个发动机速度，所述一个或多个发动机速度是第一发动机速度n_lo加上所述第一发动机速度n_lo与第二发动机速度n_hi之间的差值的相应比例X，其中，X选自包括15％、25％、50％和75％的组，并且n_lo和n_hi分别是所述发动机系统针对其能够达到第一预定功率值的最低发动机速度以及所述发动机系统针对其能够达到第二预定功率值的最高发动机速度。

19.根据权利要求18所述的发动机系统，其中，所述第一预定功率值是所述发动机系统能够达到的最大功率的50％，并且所述第二预定功率值是所述发动机系统能够达到的最大功率的70％。

20.根据权利要求12所述的发动机系统，还包括：

(A)至少一个控制阀，所述至少一个控制阀包括：

(ii)废气门阀，所述废气门阀用于控制气体从所述第二涡壳到所述涡轮机的输出的避开所述涡轮机轮的转向流；以及

(B)用于控制所述平衡阀和/或所述废气门阀的阀控制系统，所述控制系统可操作以控制所述至少一个控制阀，以对于一系列发动机速度控制所述不对称比率符合等式(C)，其中，所述一系列发动机速度包括峰值扭矩发动机速度和额定发动机速度中的至少一个发动机速度。

21.根据权利要求20所述的发动机系统，其中，所述至少一个发动机速度包括一个或多个发动机速度，所述一个或多个发动机速度是第一发动机速度n_lo加上所述第一发动机速度n_lo与第二发动机速度n_hi之间的差值的相应比例X，其中，X选自包括15％、25％、50％和75％的组，并且n_lo和n_hi分别是所述发动机系统针对其能够达到第一预定功率值的最低发动机速度以及所述发动机系统针对其能够达到第二预定功率值的最高发动机速度，并且所述一系列发动机速度包括所述一个或多个发动机速度。