CN111350555A - 带流量控制阀的双涡卷涡轮 - Google Patents

Abstract

一种内燃发动机包括双涡卷涡轮增压器，沿着两个涡卷中较大的涡卷具有流量控制阀。在发动机转速较低时，阀门关闭，以便所有排出气体被引导通过较小的涡卷。在较高的发动机转速下，阀门打开以降低背压，并在发动机的功率带中提供所需的增压。涡轮的总通流能力在涡卷之间不成比例地分配，例如大涡卷和小涡卷之间的比例为75/25。

Description

带流量控制阀的双涡卷涡轮

技术领域

本技术领域一般涉及用于内燃发动机的涡轮增压器。

背景技术

涡轮增压器可以与内燃发动机一起使用，通过回收燃烧室下游的一些可能以其它方式浪费的能量来提高发动机性能和/或效率。涡轮位于发动机排出气体流中，并与位于发动机进气口侧的压缩机联接。流动的排出气体使涡轮转动，进而使压缩机转动，这会增大发动机的进气压力和燃油燃烧能力。涡轮增压器的一个长期问题是在低发动机转速下性能不佳，在低发动机转速下，涡轮以及压缩机的转速不足以明显增大进气压力。已经有人提出了一些解决方案，例如可变几何涡轮(VGT)或两级涡轮增压器系统。但是这种配置复杂且昂贵，并且在汽油发动机中的应用有限，汽油发动机表现出比柴油发动机更高的工作温度。

发明内容

根据一个实施方案，一种内燃发动机包括一个或多个燃烧室的组、涡轮增压器和流量控制阀。燃烧室组具有进气侧和排气侧。涡轮增压器包括排气侧的涡轮和进气侧的与涡轮联接的压缩机。涡轮增压器具有分离的第一和第二涡卷，它们将来自一个或多个燃烧室的排出气体引导通过涡轮。流量控制阀沿着第一涡卷设置，并且可操作用于改变经由第一涡卷流过涡轮的排出气体量。

在各种实施方案中，第一涡卷比第二涡卷大。

在各种实施方案中，涡轮具有通流能力，并且至少65％的通流能力由第一涡卷提供。

在各种实施方案中，流量控制阀位于第一涡卷的入口端。

在各种实施方案中，流量控制阀构造成在第一发动机转速范围内处于关闭状态，而在大于第一发动机转速范围的第二发动机转速范围内处于打开状态。因此，排出气体在第一发动机转速范围内仅通过第二涡卷流过涡轮，在第二发动机转速范围内通过两个涡卷流过涡轮。

在各种实施方案中，流量控制阀构造成在第一和第二发动机转速范围之间的发动机转速下处于部分打开状态。

在各种实施方案中，一个或多个燃烧室的组包括多个燃烧室，来自所有燃烧室的排出气体被引导至与涡轮增压器的两个涡卷流体连接的公共导管。

在各种实施方案中，来自第一和第二涡卷的排出气体在撞击涡轮叶轮之前在涡卷的出口端混合。

在各种实施方案中，涡轮不包括废气门。

内燃发动机的另一个实施方案包括双涡卷涡轮增压器。来自多个燃烧室中的每一个的排出气体在发动机功率带内的发动机转速下经由涡轮增压器的两个涡卷被引导通过涡轮增压器。

在各种实施方案中，一个涡卷中的排出气体与另一个涡卷中的排出气体的比率是可变的。

在各种实施方案中，发动机包括可操作用于改变所述比率的流量控制阀。

在各种实施方案中，来自多个燃烧室中的每一个的排出气体仅通过涡轮增压器的一个涡卷在低于发动机功率带的发动机转速下被引导通过涡轮增压器。

在各种实施方案中，较大的涡卷中的排出气体与较小的涡卷中的排出气体的比率在0和5.7之间变化。

在各种实施方案中，该比率在发动机转速低于发动机功率带时为零，而在功率带内大于零。

预期上面列出的、在附图中示出的和/或下面描述的任何特征都可以与任何一个或多个其他特征相组合，除非特征不兼容。

附图说明

下文将结合附图描述说明性实施方案，其中相同的标记表示相同的元件，并且其中：

图1是内燃发动机的示意图，该内燃发动机包括沿着双涡卷涡轮增压器的一个涡卷的流量控制阀；以及

图2是具有不同尺寸涡卷的示例性双涡卷涡轮外壳的剖视图。

具体实施方式

如下所述，双涡卷涡轮增压器可以以非常规方式构造，以获得与VGT涡轮增压器相比具有竞争力的性能，而没有通常与VGT相关联的复杂性、费用或高温敏感性。在各种实施方案中，涡轮的总通流能力在涡卷之间不成比例地分配，并且流量控制阀调节通过较大涡卷的流量，以在低发动机转速下提供更好的性能，而不牺牲高发动机转速下的性能。

图1是说明性内燃发动机10的示意图，包括一个或多个燃烧室14的组12、涡轮增压器16和流量控制阀18。燃烧室14的组12具有进气侧20和排气侧22。涡轮增压器16包括排气侧22的涡轮24和进气侧20的与涡轮联接的压缩机26。排出气体沿着排气歧管28从燃烧室14被引导至涡轮24。排出气体使涡轮24中的转子(该转子使压缩机26运行)转动，然后，排出气体离开涡轮，到达车辆排气系统30的其余部分。空气经由进气系统32的部件进入发动机10，并且在到达进气歧管34之前由压缩机26加压，进气歧管34将加压空气分配到燃烧室14，在燃烧室14中空气与燃料混合，以便燃烧。发动机当然是复杂的机器，为了简单起见，省略了其他发动机部件和系统(例如，燃料系统、EGR系统、点火系统等)。图示的示例是4缸发动机，但是任何数量的汽缸都是可能的。在一些实施方案中(例如，V6或V8发动机)，多于一组12的燃烧室14为涡轮增压器16提供动力，或者每个组都可以包括专用且独立可控的涡轮增压器16。

图示的涡轮24是双涡卷涡轮，其具有分离的第一涡卷36和第二涡卷38，第一涡卷36和第二涡卷38将来自燃烧室14的排出气体引导通过涡轮。特别地，排出气体通过排气歧管28到达涡轮24，并在涡卷36、38的入口端40进入涡轮。如图2所示，涡卷36、38在涡轮24的外壳42中形成。涡轮外壳42围绕转子46的叶轮44，这在图2中以透视图示出。排出气体在外壳42内相对的出口端离开涡卷36、38，并撞击叶轮44的叶片。

再次参考图1，流量控制阀18沿着第一涡卷36设置，并且可操作用于改变经由第一涡卷流过涡轮24的排出气体量。阀18可以具有完全关闭的状态(position)，在该状态，排出气体被阻止经由第一涡卷36流过涡轮24。阀18也可以具有部分和完全打开的状态，在该状态，排出气体被允许经由第一涡卷流过涡轮24。在此示例中，排出气体总是被允许流过第二涡卷38。利用这种结构，一个涡卷中的排出气体与另一个涡卷中的排出气体的比率通过阀18的操作是可变的。

图示的阀18位于涡卷36的入口端40，并且可以由致动器48操作，致动器48可控地改变阀18的状态。将阀18放置在涡卷的入口端40减少了涡流或其他不希望的流体流动现象，如果阀位于涡卷的出口端，这些现象可能会发生。致动器48可以集成到阀18和/或在发动机控制模块或其他控制器的控制下。在其他实施方案中，阀18被动地致动，例如通过排气歧管压力。阀18可以是提升阀、节流阀或其他类型的限流阀，并且可以仅具有两种状态(打开/关闭或部分/完全打开)，或者可以具有两种以上的状态，其中至少一种状态是部分打开。在多个部分打开状态的情况下，针对流量限制阀18可以连续可变，或者它可以在打开和关闭状态之间具有几个不同的部分打开状态。更多数量的不同部分打开状态导致对通过第一涡卷36的排出气体流和两个涡卷中的排出气体比例的更高精度的控制。

可用比率的范围是涡卷36、38的相对尺寸的函数。例如，如果涡卷36、38具有相同的尺寸，则50％至100％的排出气体将总是流过第二涡卷38，而0％至50％的排出气体将流过第一涡卷36。第一涡卷36中的排出气体与第二涡卷38中的排出气体的相应比率在0至1的范围内。因此，涡轮24的有效纵横比(A/R)可以通过阀18的操作而改变。在具有相同尺寸涡卷的上述示例中，当阀18从关闭状态改变为打开状态时，涡轮24的纵横比可以有效地翻倍，或者当阀从打开状态改变到关闭状态时，涡轮24的纵横比可以有效地减半。换句话说，当阀18关闭时，图示的涡轮24可以表现得像低A/R涡轮，而当阀打开时，表现得像高A/R涡轮。对于具有多个部分打开状态的阀18，无论是阶梯式还是连续式，有效纵横比都可以作为发动机转速的函数进行优化。

在图中的示例中，第一涡卷36大于第二涡卷38，这允许流经每个涡卷36、38的排出气体的比率的范围更大。例如，涡轮24可以以通流能力为特征，通流能力的一半以上由涡卷36提供，控制阀18沿着涡卷36设置。通流能力是指涡轮涡卷每单位时间能够允许通过涡卷的气体量，可以用千克每秒(kg/s)或任何等效单位表示。如这里所使用的，涡轮24的通流能力等于阀18完全打开时两个涡卷36、38的通流能力的总和。

在各种实施方案中，第一涡卷36可以提供涡轮24的高达85％的通流能力。虽然传统双涡卷涡轮的涡卷固有地具有小的通流能力差异并不罕见，但是，主要是由于封装和部件几何形状的问题，涡卷之间的通流能力分配通常一个涡卷为55％，另一个涡卷为45％。事实上，由于在传统的双涡卷系统中，每个涡卷都与发动机的不同汽缸相关联，因此比该差值高得多的差值往往会导致发动机中的流量不平衡问题。在图示的示例中，来自发动机10的所有汽缸14的排出气体经由公共导管(即排气歧管28)被引导至涡轮24的两个涡卷36、38并与之连接。

第一涡卷36可以提供涡轮24的65％至85％的通流能力。因此，第二涡卷38可以提供涡轮24的15％至35％的通流能力。小涡卷38限定了涡轮的最小有效通流能力，即当控制阀18关闭时的表观通流能力。在其他实施方案中，小涡卷38提供涡轮24通流能力的20％至30％。注意，图2的截面是非限制性的，只是为了便于解释而呈现的。例如，涡卷的横截面形状可以是非圆形和非椭圆形的。

相对涡卷与涡卷的通流能力差也可以表示为类似于上述50/50的比例，其中通过控制阀18的操作，流过第一涡卷36的排出气体量与流过第二涡卷38的排出气体量的比例在从0到1的范围内变化。在第一涡卷提供涡轮24通流能力的85％的示例中，该比率在从0到大约5.7的范围内变化。当阀18构造成带有完全关闭状态时，最低可能比率总是零。比率范围的高端是由第一涡卷36提供的通流能力部分和由小涡卷38提供的通流能力部分的商。

在各种实施方案中，涡卷36、38之间的排出气体比率在发动机功率带之外的发动机转速下为零，而在功率带之内大于零。功率带是发动机转速范围，它只是怠速发动机转速和最大额定发动机转速(即红线)之间发动机转速总范围的一部分。就本说明书而言，功率带被定义为发动机转速总范围的上半部分。在非限制性示例中，以1000转/分和8000转/分达到红线(发动机最大安全转速)的发动机因此具有在4500转/分和8000转/分之间的发动机转速范围内的功率带。这并不意味着流量控制阀18在功率带外的所有发动机转速下都关闭，而在功率带内的所有发动机转速下都打开。阀18的打开或关闭状态将随着特定发动机的功率和/或扭矩曲线而变化。

在一些实施方案中，排出气体在出口端50离开涡卷36、38中的每一个进入公共通道52，在撞击叶轮之前，排出气体在公共通道52中混合。这在图1中仅示意性示出。通道52在涡轮外壳内形成。这将图示的示例与VGT系统区别开来，VGT系统通常包括位于涡卷出口端的一系列叶片，这些叶片移动以改变离开涡卷撞击叶轮的排出气体的方向和/或量。换句话说，涡轮的实施方案不包括VGT单元或筒。所描述的控制阀调节通过涡轮的排出气体流量的另一个优点是没有VGT叶片，VGT叶片不仅制造和操作复杂，而且还占用涡轮外壳内的宝贵的空间——即使叶片完全打开时——否则这些空间会有助于提高通流能力。

此外，涡轮增压器16不需要废气门来排出或以其他方式将多余的排出气体压力从涡轮转移开。配有控制阀的涡轮24可以改为设计成具有最大尺寸，该最大尺寸不会在发动机的最高转速时明显阻塞发动机，当整个涡卷通流能力是不必要的并且实际上是不希望的时，使用控制阀18在较低的发动机转速下至少部分地限制较大的涡卷26。废气门的缺失意味着更多可用的排气能量被用于为涡轮增压器16提供动力。

在示例性操作模式中，当发动机10在对应于部分负载和低端扭矩范围的低质量流率范围内操作时，流量控制阀18处于完全关闭状态。在该低质量流率范围内，整个质量流通过第二涡卷38，以使涡轮转子转动并使压缩机26运行，从而增大进气压力。在向更高的发动机转速和更高的质量流率过渡期间(例如，在加速期间)，关闭的控制阀18将导致发动机背压的增大，并且通过将控制阀移动到部分打开的状态，可以获得更有利的操作条件。其效果是发动机背压降低，压缩机可用压缩量增大。在转换到更高的发动机转速和质量流率期间，流量控制阀18逐渐打开，最终在对应于额定或峰值发动机功率的发动机转速下达到全开状态。随着阀18完全打开，两个涡卷都能够利用它们的全部通流能力来使涡轮转子转动，并在最大增压压力下使压缩机运行。

随着发动机设计者开始考虑用VGT系统代替带废气门的涡轮增压器，试图从发动机中获得更高的效率，上述控制阀系统提供了一种不太复杂和成本较低的系统。汽油发动机尤其如此，因为汽油发动机的工作温度往往高于柴油发动机，因此会对VGT系统的长期耐用性和准确性造成问题。

应当理解，前面的描述不是本发明的定义，而是对本发明的一个或多个示例性实施方案的描述。本发明不限于本文公开的具体实施方案，而是仅由下面的权利要求限定。此外，包含在前述描述中的陈述涉及具体实施方案，并且不应被解释为对本发明的范围或权利要求中使用的术语的定义的限制，除非术语或短语在上面被明确定义。对本领域技术人员来说，各种其他实施方案和对所公开的实施方案的各种改变和修改将变得显而易见。所有这些其他实施方案、变化和修改都将落入所附权利要求的范围内。

如在本说明书和权利要求书中所使用的，当与一个或多个组件或其他项目的列表结合使用时，术语“例如”、“诸如”和“等等”以及动词“包括”、“具有”和它们的其他动词形式均被解释为开放式的，这意味着该列表不被认为排除了其他附加组件或项目。其他术语应使用其最广泛的合理含义进行解释，除非它们在需要不同解释的上下文中使用。

Claims (10)

1.一种内燃发动机，包括：

具有进气侧和排气侧的一个或多个燃烧室的组；

涡轮增压器，包括所述排气侧的涡轮以及在所述进气侧的与所述涡轮联接的压缩机，所述涡轮增压器具有分离的第一涡卷和第二涡卷，所述第一涡卷和第二涡卷将来自所述一个或多个燃烧室的排出气体引导通过所述涡轮；以及

流量控制阀，所述流量控制阀沿着所述第一涡卷设置，所述阀可操作用于改变经由所述第一涡卷流过所述涡轮的排出气体量。

2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述第一涡卷大于所述第二涡卷。

3.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述涡轮具有通流能力，所述通流能力的至少65％由所述第一涡卷提供。

4.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述流量控制阀位于所述第一涡卷的入口端。

5.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述流量控制阀构造成在第一发动机转速范围内处于关闭状态，并且在大于所述第一发动机转速范围的第二发动机转速范围内处于打开状态，由此排出气体在所述第一发动机转速下仅经由所述第二涡卷并且在所述第二发动机转速下经由两个涡卷流过所述涡轮。

6.根据权利要求4所述的内燃发动机，其中，所述流量控制阀构造成在所述第一发动机转速范围和所述第二发动机转速范围之间的发动机转速下处于部分打开状态。

7.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述一个或多个燃烧室的组包括多个燃烧室，来自所有所述燃烧室的排出气体被引导至与所述涡轮增压器的两个涡卷流体连接的公共导管。

8.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，来自所述第一涡卷和所述第二涡卷的排出气体在撞击所述涡轮的叶轮之前在涡卷的出口端混合。

9.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述涡轮不包括废气门。

10.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述涡轮增压器不是可变几何涡轮增压器。

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