CN113741580A - 一种涡轮增压器的气液协同温控系统及温控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮增压器的气液协同温控系统及温控方法，该涡轮增压器的气液协同温控系统包括中间壳、涡轮壳、压气机壳，涡轮壳和压气机壳分别布设在中间壳的两端位置处，中间壳上靠近涡轮壳的位置处设置有冷却管路，冷却管路与散热器连通用于将冷却液引入冷却管路内为涡轮壳内的涡轮转子降温冷却，中间壳上设置有曲轴箱通风管路，曲轴箱通风管路与发动机曲轴箱连通，发动机曲轴箱内的低温空气引入曲轴箱通风管路内，并利用增压器涡轮壳工作时辐射到曲轴箱通风管路内的热量提高空气的温度，本发明能够给涡轮转子进行降温和防止曲轴箱通风管结冰。

Description

一种涡轮增压器的气液协同温控系统及温控方法

技术领域

本发明属于涡轮增压器技术领域，具体的说，涉及一种涡轮增压器的气液协同温控系统及温控方法。

背景技术

涡轮增压器是利用发动机燃烧时产生的废气来推动涡轮进而带动压气机叶轮转动做功，由此达到增大发动机进气压力和进气量，从而达到提升发动机功率的目的；涡轮增压器的涡轮转子是其做功部件，受到高温高压气体及高转速带来的巨大离心力的作用，其工作条件十分严苛，是增压器最重要的关键零部件之一，也是增压器故障率最高的零部件之一；其中涡轮背盘在离心力和热应力的综合作用下，发生热-机械低周疲劳断裂的失效模式占据增压器整机故障的15％以上。

而随着发动机强化要求及排放法规的日益严格，发动机排气温度即涡轮机进口温度不断提升，导致涡轮的热负荷不断增大，热应力相应增加，同时涡轮温度的提升，也使得其材料的力学性能大幅下降；在现有结构上，发动机高速高负荷工况下涡轮背盘的低周疲劳寿命大幅降低。

应对新的增压技术要求，如果对增压器轴系及涡轮进行重新设计，需重新进行大量的轴系验证工作，开发投入大量新的模具；中间壳使用隔热罩隔离来自涡轮壳的高温气体，随着发动机废气温度越来越高，隔热罩作用相对有限；因此，怎样在现有增压器产品平台上，解决发动机高速高负荷工况下增压器涡轮的可靠性，特别是降低高涡前温度下的涡轮背盘热应力，从而提高其低周疲劳寿命，是现有增压技术领域技术人员急需解决的问题。

同时，为防止曲轴箱压力过高，延长机油使用期限，减少零件磨损和腐蚀，防止发动机漏油，必须实行曲轴箱通风。此外，为满足日益严格的排放要求和提高经济性，在汽车发动机设计过程中也必须进行曲轴箱通风系统设计；曲轴箱通风管将多余空气在压气机壳与经过过滤器的新鲜空气进行汇合；发动机在冬季天气使用时，现有的曲轴箱通风系统若没有相应辅助结构，会在压气机壳进口处出现结冰情况，故需要对其进行解冻、防结冰处理。

目前采用电加热和水加热都必须增加额外零部件来实现该功能，增加零部件意味着增加成本，同时增加的零部件在应用时无形中增加冷却液的泄露、控制失效等隐患，另外增加的零部件布置不紧凑等问题。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是提供一种能够给涡轮转子进行降温和防止曲轴箱通风管结冰的涡轮增压器的气液协同温控系统，用以解决传统技术中的增压器，发动机废气温度越来越高，隔热罩作用有限，且不能对涡轮转子冷却的问题，同时发动机在冬季天气使用时，现有的曲轴箱通风系统没有相应辅助结构会出现结冰的情况。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种涡轮增压器的气液协同温控系统，包括中间壳、涡轮壳、压气机壳，涡轮壳和压气机壳分别布设在中间壳的两端位置处，中间壳上靠近涡轮壳的位置处设置有冷却管路，冷却管路与散热器连通用于将冷却液引入冷却管路内为涡轮壳内的涡轮转子降温冷却，中间壳上设置有曲轴箱通风管路，曲轴箱通风管路与发动机曲轴箱连通，发动机曲轴箱内的低温空气引入曲轴箱通风管路内，并利用增压器涡轮壳工作时辐射到曲轴箱通风管路内的热量提高空气的温度。

以下是本发明对上述技术方案的进一步优化：

冷却管路包括中间壳水道，中间壳水道呈环形绕设在中间壳上，中间壳水道的进口端和出口端分别设置在中间壳同侧的同一法兰端面位置处，中间壳水道内的冷却液绕中间壳的壳体360°进行散热。

进一步优化：中间壳水道的进口端和出口端上分别连通有水道进口接头、水道出口接头，水道进口接头上通过水道进口管路与散热器出水口连通，水道出口接头上通过水道出口管路与发动机水箱连通。

进一步优化：涡轮转子上的涡轮转子背盘与中间壳上的中间壳涡端壁面之间为间隙配合，涡轮转子背盘上一体连接有涡轮转子迷宫凸台，中间壳开设有与涡轮转子迷宫凸台配套使用的中间壳迷宫凹槽。

进一步优化：曲轴箱通风管路包括中间壳气道，中间壳气道呈环形绕设在中间壳上，中间壳气道的进口端和出口端分别设置在中间壳同侧的同一法兰端面位置处，中间壳气道内的冷空气绕中间壳的壳体360°进行加热。

进一步优化：中间壳气道的进口端和出口端上分别连通有气道进口接头和气道出口接头，气道进口接头通过气道进口管路连通有油气分离器，油气分离器的进口端与发动机曲轴箱连通，气道出口接头上连通有气道出口管路，气道出口管路的另一端与压气机壳上设置的气道压气机壳进口接头连通。

进一步优化：气道进口管路上串联有电动三通阀，电动三通阀的出口端与气道进口接头连通，电动三通阀的另一出口端连通有输气管，输气管的另一端与气道出口管路连通。

进一步优化：电动三通阀用于控制气道进口管路与气道进口接头或输气管连通，电动三通阀的控制端与发动机ECU的输出端电性连接，发动机ECU的输入端上电性连接有温度传感器和压力传感器，发动机ECU内设置有最低气温预设阈值和最低压力预设阈值。

本发明还提供一种涡轮增压器的气液协同温控方法，基于上述涡轮增压器的气液协同温控系统，该方法包括涡轮转子冷却步骤，涡轮转子冷却步骤包括如下步骤：

L1、发动机工作，发动机排出的废气进入涡轮壳内并驱动涡轮转子和压气机壳内的压气机叶轮同步转动，压气机叶轮转动用于抽气新鲜空气并加压后输送至发动机内进行供气；

L2、散热器内的冷却液引入到中间壳水道内，冷却液对涡轮壳内的涡轮转子进行降温冷却，而后回流至发动机水箱内。

以下是本发明对上述技术方案的进一步优化：

该方法还包括曲轴箱通风管路加热，曲轴箱通风管路加热包括温度检测控制步骤和压力检测控制步骤；

温度检测控制步骤包括如下步骤：

W1、温度传感器检测得到的大气实时温度发送至发动机ECU内并与最低气温预设阈值进行比较；

W2、当大气实时温度小于最低气温预设阈值时，发动机ECU控制电动三通阀工作使气道进口管路与气道进口接头连通，发动机曲轴箱内的冷空气引入至中间壳气道内进行加热，而后通过气道出口管路和压气机输送至发动机内；

W3、当大气实时温度大于最低气温预设阈值时，发动机ECU控制电动三通阀工作使气道进口管路与输气管连通，发动机曲轴箱内的空气通过输气管引入到气道出口管路内，而后通过压气机输送至发动机内；

压力检测控制步骤包括如下步骤：

Y1、压力传感器检测得到的气道出口管路内的实时气压发送至发动机ECU内并与最低压力预设阈值进行比较；

Y2、当实时气压小于最低压力预设阈值时，发动机ECU控制电动三通阀工作使发动机曲轴箱内的冷空气引入至中间壳气道内进行加热，而后输送至发动机内；

Y3、当实时气压大于最低压力预设阈值时，发动机ECU控制电动三通阀工作使发动机曲轴箱内的空气通过输气管引入到气道出口管路内，而后输送至发动机内。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

将散热器出水口已经冷却的冷却液引入到中间壳水道，此时冷却液冷却中间壳涡端壁面，并与相配合的涡轮转子背盘进行热交换，能够对涡轮转子整体进行降温冷却，因此能够达到降低涡轮热应力，增加涡轮使用寿命的目的。

涡轮转子背盘与中间壳涡端壁面之间设计有迷宫结构，阻碍高温废气进入背盘根部R弧，根部R弧通常是热应力、离心应力最高的位置，这样可减少根部R弧的热梯度，进而降低热应力。

因涡轮转子轴向窜动小，可减少轴向间隙进一步降低进入背盘根部的废气量、废气流速，并且采用迷宫结构、减少轴向间隙的技术方案都可进一步降低根部R弧的热应力，提高涡轮转子的使用寿命，减少安全事故发生。

同时将曲轴箱通风管冷却气引入至中间壳气道，利用增压器涡轮壳工作时辐射到中间壳上的热量提高通风管内的温度，来防止曲轴箱通风管结冰，保证曲轴箱正常运作。

本发明对涡轮增压器的整体结构改动小，方便进行制造，可提高使用效果，能够实现使涡轮背盘应力的大幅降低，并且通风管温度大幅提高，可有效防止结冰，有效改善发动机部件使用中的热平衡，并且本发明整体结构简单、实施容易、产品成本低；装配工艺步骤简便；中间壳、涡轮转子背盘温度降低，增压器工作稳定，改善其可靠性，可延长整体使用寿命。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1为常规通风管、涡轮增压器的结构原理图；

图2为本发明实施例中的总体结构原理图

图3为本发明实施例中带三通阀的总体结构原理图；

图4为本发明实施例中控制系统的原理图；

图5为本发明实施例中总体结构的主视图；

图6为图5中I处的局部放大图；

图7为本发明实施例中总体结构的俯视图

图8为本发明实施例中压气机的总成结构图；

图9为本发明实施例中气道和水道的结构图；

图10为本发明实施例中不同设计方案对涡轮转子温度的影响；

图11为本发明实施例中不同设计方案对涡轮转子应力的影响。

图中：1-发动机；2-发动机排气管；3-排气管出口管路；4-油气分离器；5-气道进口管路；6-涡轮壳；7-涡轮转子；8-中间壳水道；9-中间壳气道；10-气道出口管路；11-水道进口管路；12-中间壳；13-空气滤清器；14-压气机壳；15-压气机叶轮；16-中冷器；17-水道出口管路；18-发动机进气管；19-发动机水箱；20-发动机曲轴箱；21-增压器涡端隔热罩；22-电动三通阀；23-气道出口接头；24-环箍；25-气道进口接头；26-水道进口接头；27-压气机壳进口接头；28-水道出口接头；29-涡轮转子背盘；30-涡轮转子迷宫凸台；31-根部R弧；32-中间壳迷宫凹槽；33-中间壳涡端壁面；34-温度传感器；35-发动机ECU；36-压力传感器；37-输气管；38-进气管路。

具体实施方式

实施例：请参阅图1-图11，一种涡轮增压器的气液协同温控系统，包括中间壳12、涡轮壳6、压气机壳14，所述涡轮壳6和压气机壳14分别布设在中间壳12的两端位置处，所述中间壳12上靠近涡轮壳6的位置处设置有冷却管路，所述冷却管路与散热器连通用于将冷却液引入冷却管路内为涡轮壳6内的涡轮转子7降温冷却，所述中间壳12上设置有曲轴箱通风管路，所述曲轴箱通风管路与发动机曲轴箱20连通，所述发动机曲轴箱20内的低温空气引入曲轴箱通风管路内，并利用增压器涡轮壳6工作时辐射到曲轴箱通风管路内的热量提高空气的温度。

这样设计，可通过冷却管路将散热器内的冷却液引入到中间壳12位置处，并且通过该冷却液能够对涡轮壳6内的涡轮转子7进行降温冷却，提高使用效果，避免涡轮转子7温度过高，进而解决发动机高速高负荷工况下增压器涡轮的可靠性，降低高涡前温度下的涡轮背盘热应力，从而提高其低周疲劳寿命。

并且通过曲轴箱通风管路能够将发动机曲轴箱20通风管内的低温空气引入到曲轴箱通风管路内，此时涡轮壳6工作时的热量可辐射到曲轴箱通风管路内，进而通过该热量能够用于加热曲轴箱通风管路内空气，防止通风管内空气结冰，保证曲轴箱正常运作。

所述涡轮转子7转动安装在涡轮壳6内，所述压气机壳14内转动设置有压气机叶轮15，所述涡轮转子7与压气机叶轮15之间通过中间壳12中部的中心轴传动连接。

这样设计，通过冷却管路和曲轴箱通风管路的气液协同温控作业，能够解决发动机高速高负荷工况下增压器涡轮的可靠性，并且能够取消了传统结构中的增压器涡端隔热罩21，提高使用效果。

所述冷却管路包括中间壳水道8，所述中间壳水道8呈环形绕中间壳12的壳体一周圈且布设在中间壳12上，所述中间壳水道8的进口端和出口端分别设置在中间壳12同侧的同一法兰端面位置处，所述中间壳水道8内的冷却液绕中间壳12的壳体一周圈360°进行散热。

所述中间壳水道8的进口端和出口端分别设置在离轴心最远的位置处。

这样设计，通过该中间壳水道8能够用于引导冷却液流动，并且中间壳水道8绕中间壳12的壳体一周圈布设，继而能够加长冷却液的流动路径和提高冷却液的换热面积，使中间壳水道8内的冷却液能够对涡轮壳6内的涡轮转子7进行降温冷却，提高使用效果。

所述中间壳水道8的整体结构呈环形的扁管状。

所述中间壳水道8的进口端和出口端上分别连通有水道进口接头26、水道出口接头28。

所述水道进口接头26上连通有水道进口管路11，所述水道进口管路11的另一端与散热器出水口连通。

所述水道出口接头28上连通有水道出口管路17，所述水道出口管路17的另一端与发动机水箱19连通。

这样设计，可通过水道进口管路11和水道出口管路17能够将散热器、中间壳水道8与发动机水箱19之间连通成闭环回路，并且通过其内部流动的冷却液循环对涡轮壳6内的涡轮转子7进行降温冷却，提高使用效果，进而能够取消掉常规增压器涡端隔热罩21。

所述涡轮转子7靠近中间壳12的一侧设置有涡轮转子背盘29，所述中间壳12靠近涡轮转子7的一侧设置有中间壳涡端壁面33，所述中间壳涡端壁面33与涡轮转子背盘29之间为间隙配合。

所述常规增压器涡端隔热罩21为冲压件，公差大，涡轮转子7的涡轮转子背盘29与所述中间壳的轴向间隙L2涉及零部件多，因此轴向间隙L2为1.2-1.5mm。

取消掉增压器涡端隔热罩21后，根据结构变化重新设计轴向间隙L2的尺寸链，中间壳12与涡轮转子配合面即中间壳涡端壁面33改为加工尺寸，加工基准设置为中间壳与涡轮壳的轴向配合面，即以L1进行尺寸约束。

所述涡轮转子背盘29与所述中间壳配合间隙L2减小到0.3mm左右，可大大减少涡轮转子背部的高温气体质量，降低高温气体热辐射及涡轮转子背部热应力。

同时中间壳12与涡轮转子7的距离减小，高温气体少，可改善中间壳12对高温气体的降温效果，从而改善涡轮转子7的降温效果。

所述涡轮转子7的根部R弧31是热应力、离心应力最高的位置。

所述中间壳12与涡轮转子7背部设计为迷宫式结构。

所述涡轮转子背盘29上一体连接有涡轮转子迷宫凸台30，所述中间壳12开设有与涡轮转子迷宫凸台30配套使用的中间壳迷宫凹槽32，所述涡轮转子迷宫凸台30布设在中间壳迷宫凹槽32内。

这样设计，涡轮转子7转速高，通过设计涡轮转子迷宫凸台30，能够不易增加离心应力，并且通过涡轮转子迷宫凸台30与中间壳迷宫凹槽32的配合，能够阻碍高温废气进入根部R弧31，进而能够减小根部R弧31的热梯度，进一步减少高温气体对涡轮转子根部R弧31处的热辐射。

所述曲轴箱通风管路包括中间壳气道9，所述中间壳气道9呈环形绕中间壳12的壳体一周圈且布设在中间壳12上，所述中间壳气道9的进口端和出口端分别设置在中间壳12同侧的同一法兰端面位置处，所述中间壳气道9内的冷空气绕中间壳12的壳体一周圈360°进行加热。

所述中间壳气道9的进口端和出口端分别设置在离轴心最远的位置处。

这样设计，通过该中间壳气道9能够用于引导冷空气流动，并且中间壳气道9绕中间壳12的壳体一周圈布设，继而能够加长冷空气的流动路径和提高冷空气的换热面积，使中间壳气道9能够与低温冷空气进行充分热交换，使低温冷空气的温度提升幅度大。

所述中间壳气道9的进口端和出口端上分别连通有气道进口接头25和气道出口接头23，所述气道进口接头25上连通有气道进口管路5，所述气道出口接头23上连通有气道出口管路10。

所述气道进口管路5和气道出口管路10采用耐热胶管制成。

这样设计，气道进口管路5和气道出口管路10分别靠近涡轮壳6和压气机壳14布设，因涡轮壳6和压气机壳14上温度高，故气道进口管路5和气道出口管路10采用耐热胶管制成，进而能够提高气道进口管路5和气道出口管路10的使用寿命，提高使用效果。

所述气道进口管路5远离气道进口接头25的一端连接有油气分离器4，所述油气分离器4的进口端与发动机曲轴箱20的通风管连通。

所述发动机曲轴箱20通风管内的冷空气进入油气分离器4内，所述油气分离器4对油和气进分离，使冷空气通过气道进口管路5引入至中间壳气道9内。

此时中间壳气道9内的冷空气利用增压器涡轮壳6工作时辐射到中间壳气道9内的热量提高该空气的温度，防止通风管内空气结冰，保证曲轴箱正常运作。

所述压气机壳14上设置有压气机壳进口接头27，所述压气机壳进口接头27与压气机壳14的内腔连通，所述气道出口管路10远离气道出口接头23的一端与气道压气机壳进口接头27连通。

所述中间壳气道9内经加热完成的空气通过气道出口接头23、气道出口管路10、压气机壳进口接头27输送至压气机内。

所述气道出口管路10排布在靠近中间壳12和压气机壳14的位置处。

这样设计，将气道出口管路10排布在靠近中间壳12和压气机壳14的位置处，能够保证气道出口管路10内的空气温度保持稳定，使经过中间壳气道9加热的空气温度再次降低的幅度小，提高使用效果。

所述气道进口管路5和油气分离器4与发动机曲轴箱20之间连接的管路上缠绕布设有保温棉。

这样设计，所述油气分离器4前后的气体温度低，所述气道进口管路5和油气分离器4与发动机曲轴箱20之间连接的管路上缠绕有保温棉，能够减小管路内气体温度的衰减，防止空气在压气机壳进口处结冰，提高使用效果。

为防止气道进口管路5内的空气在进入中间壳水道8内前发生冷凝，可根据发动机的排布，将气道进口管路5与水道出口管路17包扎在一起或者相缠绕。

这样设计，所述水道出口管路17内冷却水的温度高，可在一定程度上提升气道进口管路5内空气的温度，方便使用。

所述管路转折点为不同气流交汇的位置，是易结冰点，因此曲轴箱通风管路应避免出现影响气流流动的转折。

如图7所示，气道出口接头23一体安装在压气机壳14的进口位置处，减少气道出口接头23和气道出口管路10的制造成本。

所述气道出口接头23的打孔角度尽可能与新鲜空气的气流方向一致。

对于带有压气机机匣结构的增压器，打孔可与机匣回流槽方向一致；减小气流阻力、冲击壁面引起的噪声。

所述气道进口管路5上靠近气道进口接头25的位置处串联有电动三通阀22，所述电动三通阀22具有一个进气端和两个出气端，所述电动三通阀22进气端与气道进口管路5连通。

所述电动三通阀22的出口端与气道进口接头25连通，所述电动三通阀22的另一出口端连通有输气管37，所述输气管37的另一端与气道出口管路10的进气端连通。

所述电动三通阀22用于控制气道进口管路5与气道进口接头25或输气管37连通，所述电动三通阀22具有两个工作为，分别为加热工作位和常温工作位。

当电动三通阀22处于加热工作位时，所述电动三通阀22控制气道进口管路5与气道进口接头25连通，所述气道进口管路5与输气管37不连通，此时气道进口管路5内的空气通过气道进口接头25输送至中间壳气道9内，所述中间壳气道9对该空气进行加热。

当电动三通阀22处于常温工作位时，所述电动三通阀22控制气道进口管路5与输气管37连通，所述气道进口管路5与气道进口接头25不连通，此时气道进口管路5内的空气直接通过输气管37输送至气道出口管路10内。

所述电动三通阀22由发动机ECU35进行控制，所述电动三通阀22的控制端与发动机ECU35的输出端电性连接，所述发动机ECU35输出控制信号用于切换电动三通阀22的工作位。

所述发动机ECU35的输入端上电性连接有温度传感器34和压力传感器36。

所述温度传感器34是汽车上已有的温度传感器，所述温度传感器34用于检测汽车外部的大气温度。

所述压力传感器36安装在压气机壳进口接头27位置处，所述压力传感器36用于时刻检测气道出口管路10内靠近压气机壳进口接头27位置处的管路压力。

所述发动机ECU35内设置有最低气温预设阈值，所述温度传感器34检测得到的大气实时温度发送至发动机ECU35内，此时发动机ECU35将大气实时温度与最低气温预设阈值进行比较。

当大气实时温度小于最低气温预设阈值时，此时表示已进入冬季，并且通风管内的温度过低，容易产生结冰现象，所述发动机ECU35发出控制信号控制电动三通阀22工作并移动至加热工作位，此时气道进口管路5通过电动三通阀22与气道进口接头25连通。

所述发动机曲轴箱20通风管内的冷空气经油气分离器4分离完成后，使冷空气通过气道进口管路5和电动三通阀22引入至中间壳气道9内，此时中间壳气道9内的冷空气利用增压器涡轮壳6工作时辐射到中间壳气道9内的热量提高该空气的温度，防止通风管内空气结冰，保证曲轴箱正常运作。

所述中间壳气道9内经加热完成的空气通过气道出口接头23、气道出口管路10、压气机壳进口接头27输送至压气机内，而后通过压气机继续输送至发动机内。

当大气实时温度大于最低气温预设阈值时，此时表示外部温度处于正常，并且通风管内的温度正常，不易产生结冰现象，所述发动机ECU35发出控制信号控制电动三通阀22工作并移动至常温工作位，此时气道进口管路5通过电动三通阀22与输气管37连通。

所述发动机曲轴箱20通风管内的冷空气经油气分离器4分离完成后，使冷空气通过气道进口管路5和电动三通阀22引入至输气管37内，此时输气管37内的空气直接通过气道出口管路10、压气机壳进口接头27输送至压气机内，而后通过压气机继续输送至发动机内。

这样设计，可通过该温度传感器34能够用于检测外部大气实时温度，并且将外部大气实时温度与发动机ECU35内的最低气温预设阈值进行时刻比较，可判定曲轴箱通风管路内是否会出现结冰现象，并且通过电动三通阀22能够控制曲轴箱通风管路内的空气是否进行加热，提高使用效果，方便使用，能够避免通风管内空气结冰的现象。

所述发动机ECU35内设置有最低压力预设阈值，所述压力传感器36检测得到的气道出口管路10内的实时气压发送至发动机ECU35内，此时发动机ECU35将实时气压与最低压力预设阈值进行比较。

当实时气压小于最低压力预设阈值时，此时表示曲轴箱通风管路内有结冰堵塞现象，所述发动机ECU35发出控制信号控制电动三通阀22工作并移动至加热工作位，此时气道进口管路5通过电动三通阀22与气道进口接头25连通。

所述发动机曲轴箱20通风管内的冷空气经油气分离器4分离完成后，使冷空气通过气道进口管路5和电动三通阀22引入至中间壳气道9内，此时中间壳气道9内的冷空气利用增压器涡轮壳6工作时辐射到中间壳气道9内的热量提高该空气的温度，该高温气体可用于融化曲轴箱通风管路内的结冰，并且能够防止曲轴箱通风管路内空气结冰，保证曲轴箱正常运作。

所述中间壳气道9内经加热完成的空气通过气道出口接头23、气道出口管路10、压气机壳进口接头27输送至压气机内，而后通过压气机继续输送至发动机内。

当实时气压大于最低压力预设阈值时，此时表示曲轴箱通风管路内的气压正常，且曲轴箱通风管路内没有有结冰堵塞现象，所述发动机ECU35发出控制信号控制电动三通阀22工作并移动至常温工作位，此时气道进口管路5通过电动三通阀22与输气管37连通。

所述发动机曲轴箱20通风管内的空气经油气分离器4分离完成后，使空气通过气道进口管路5和电动三通阀22引入至输气管37内，此时输气管37内的空气直接通过气道出口管路10、压气机壳进口接头27输送至压气机内，而后通过压气机继续输送至发动机内。

这样设计，可通过温度传感器34和压力传感器36以及发动机ECU35的配合工作，能够时刻检测和判定曲轴箱通风管路内是否有结冰现象，进而提高检测精度，方便使用。

所述涡轮壳6上位于其进气端处连通有排气管出口管路3，所述排气管出口管路3的另一端与发动机1的发动机排气管2连通。

所述压气机壳14上位于其出气端处连通有进气管路38，所述进气管路38的另一端与发动机1的发动机进气管18连通。

所述进气管路38上串联有中冷器16。

所述压气机壳14上位于其进气端处设置有空气滤清器13。

在本实施例中，所述气道出口管路10的两端分别通过环箍24与相对应气道出口接头23和压气机壳进口接头27固定连接。

本发明还公开了一种涡轮增压器的气液协同温控方法，该方法包括涡轮转子冷却步骤。

所述涡轮转子冷却步骤包括如下步骤：

L1、发动机1工作后，所述发动机1的发动机排气管2排出的废气通过排气管出口管路3进入涡轮壳6内并驱动涡轮转子7转动，所述涡轮转子7转动带动压气机叶轮15同步转动，所述压气机叶轮15转动用于抽气外部新鲜空气并加压后通过进气管路38和中冷器16输送至发动机进气管18内为发动机1进行供气。

L2、散热器内的冷却液引入到中间壳水道8内，此时中间壳水道8内的冷却液对涡轮壳6内的涡轮转子7进行降温冷却，而后冷却液通过水道出口管路17回流至发动机水箱19内。

所述步骤L1中，所述涡轮转子7在高速转动时，所述涡轮转子迷宫凸台30与中间壳迷宫凹槽32配合，并且通过该配合，能够阻碍高温废气进入根部R弧31，进而能够减小根部R弧31的热梯度，进一步减少高温气体对涡轮转子根部R弧31处的热辐射。

所述中间壳水道8内的冷却液能够对涡轮转子7进行降温冷却，进而能够避免涡轮转子7温度过高，解决发动机高速高负荷工况下增压器涡轮的可靠性，降低高涡前温度下的涡轮背盘热应力，从而提高其低周疲劳寿命。

所述涡轮增压器的气液协同温控方法还包括曲轴箱通风管路加热，所述曲轴箱通风管路加热包括温度检测控制步骤和压力检测控制步骤，所述温度检测控制步骤包括如下步骤：

W1、温度传感器34检测得到的大气实时温度发送至发动机ECU35内，此时发动机ECU35将大气实时温度与最低气温预设阈值进行比较。

W2、当大气实时温度小于最低气温预设阈值时，发动机ECU35发出控制信号控制电动三通阀22工作并移动至加热工作位，气道进口管路5通过电动三通阀22与气道进口接头25连通，发动机曲轴箱20通风管内的冷空气经油气分离器4分离完成后，使冷空气通过气道进口管路5和电动三通阀22引入至中间壳气道9内，此时中间壳气道9内的冷空气利用增压器涡轮壳6工作时辐射到中间壳气道9内的热量提高该空气的温度，中间壳气道9内经加热完成的空气通过气道出口接头23、气道出口管路10、压气机壳进口接头27输送至压气机内，而后通过压气机继续输送至发动机内。

W3、当大气实时温度大于最低气温预设阈值时，发动机ECU35发出控制信号控制电动三通阀22工作并移动至常温工作位，此时气道进口管路5通过电动三通阀22与输气管37连通，发动机曲轴箱20内的空气经油气分离器4分离完成后通过气道进口管路5和电动三通阀22引入至输气管37内，输气管37内的空气直接通过气道出口管路10、压气机壳进口接头27输送至压气机内，而后通过压气机继续输送至发动机内。

所述压力检测控制步骤包括如下步骤：

Y1、压力传感器36检测得到的气道出口管路10内的实时气压发送至发动机ECU35内，此时发动机ECU35将实时气压与最低压力预设阈值进行比较。

Y2、当实时气压小于最低压力预设阈值时，发动机ECU35发出控制信号控制电动三通阀22工作并移动至加热工作位，此时气道进口管路5通过电动三通阀22与气道进口接头25连通，发动机曲轴箱20通风管内的冷空气经油气分离器4分离完成后通过气道进口管路5和电动三通阀22引入至中间壳气道9内，此时中间壳气道9内的冷空气利用增压器涡轮壳6工作时辐射到中间壳气道9内的热量提高该空气的温度，中间壳气道9内经加热完成的空气通过气道出口接头23、气道出口管路10、压气机壳进口接头27输送至压气机内，而后通过压气机继续输送至发动机内。

Y3、当实时气压大于最低压力预设阈值时，发动机ECU35发出控制信号控制电动三通阀22工作并移动至常温工作位，此时气道进口管路5通过电动三通阀22与输气管37连通，发动机曲轴箱20通风管内的空气经油气分离器4分离完成通过气道进口管路5和和电动三通阀22引入至输气管37内，输气管37内的空气直接通过气道出口管路10、压气机壳进口接头27输送至压气机内，而后通过压气机继续输送至发动机内。

涡轮增压器的气液协同温控系统的仿真分析：

对增压器原始设计、中间壳添加水道及气液协同三种方案分别进行了流固耦合分析，仿真结果见表1、表2。

表1不同设计方案的涡轮转子不同位置的温度：

表2不同设计方案的涡轮转子最大应力：

通过数据可看出，在中间壳12上添加中间壳水道8的技术方案，能够使涡轮转子7不同位置的温度、最大热应力及最大综合应力都有明显下降，其中最大综合应力下降20.8%。

气液协同温控系统方案的涡轮转子7不同位置的温度、最大热应力及最大综合应力同样保证有明显下降，其中最大综合应力下降20.8%。

另外设定气道进口管路5内进入中间壳气道9内的空气温度为10℃，经加热完成后的空气温度可提升到56.6℃，故该涡轮增压器的气液协同温控系统可有效预防结冰，提高使用效果。

若进一步改进系统结构还可以满足更苛刻的应用需求。

实施例2：在本实施例中，所述中间壳气道9上的气道进口接头25和气道出口接头23还可以布设在中间壳12的左右两侧。

将气道进口接头25和气道出口接头23布设在中间壳12的左右两侧，使中间壳气道9内的冷空气经过中间壳12的半周进行的加热，进而使中间壳气道9内冷空气的温度提升幅度小。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种涡轮增压器的气液协同温控系统，包括中间壳（12）、涡轮壳（6）、压气机壳（14），涡轮壳（6）和压气机壳（14）分别布设在中间壳（12）的两端位置处，其特征在于：中间壳（12）上靠近涡轮壳（6）的位置处设置有冷却管路，冷却管路与散热器连通用于将冷却液引入冷却管路内为涡轮壳（6）内的涡轮转子（7）降温冷却，中间壳（12）上设置有曲轴箱通风管路，曲轴箱通风管路与发动机曲轴箱（20）连通，发动机曲轴箱（20）内的低温空气引入曲轴箱通风管路内，并利用增压器涡轮壳（6）工作时辐射到曲轴箱通风管路内的热量提高空气的温度。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器的气液协同温控系统，其特征在于：冷却管路包括中间壳水道（8），中间壳水道（8）呈环形绕设在中间壳（12）上，中间壳水道（8）的进口端和出口端分别设置在中间壳（12）同侧的同一法兰端面位置处，中间壳水道（8）内的冷却液绕中间壳（12）的壳体360°进行散热。

3.根据权利要求2所述的一种涡轮增压器的气液协同温控系统，其特征在于：中间壳水道（8）的进口端和出口端上分别连通有水道进口接头（26）、水道出口接头（28），水道进口接头（26）上通过水道进口管路（11）与散热器出水口连通，水道出口接头（28）上通过水道出口管路（17）与发动机水箱（19）连通。

4.根据权利要求3所述的一种涡轮增压器的气液协同温控系统，其特征在于：涡轮转子（7）上的涡轮转子背盘（29）与中间壳（12）上的中间壳涡端壁面（33）之间为间隙配合，涡轮转子背盘（29）上一体连接有涡轮转子迷宫凸台（30），中间壳（12）开设有与涡轮转子迷宫凸台（30）配套使用的中间壳迷宫凹槽（32）。

5.根据权利要求4所述的一种涡轮增压器的气液协同温控系统，其特征在于：曲轴箱通风管路包括中间壳气道（9），中间壳气道（9）呈环形绕设在中间壳（12）上，中间壳气道（9）的进口端和出口端分别设置在中间壳（12）同侧的同一法兰端面位置处，中间壳气道（9）内的冷空气绕中间壳（12）的壳体360°进行加热。

6.根据权利要求5所述的一种涡轮增压器的气液协同温控系统，其特征在于：中间壳气道（9）的进口端和出口端上分别连通有气道进口接头（25）和气道出口接头（23），气道进口接头（25）通过气道进口管路（5）连通有油气分离器（4），油气分离器（4）的进口端与发动机曲轴箱（20）连通，气道出口接头（23）上连通有气道出口管路（10），气道出口管路（10）的另一端与压气机壳（14）上设置的气道压气机壳进口接头（27）连通。

7.根据权利要求6所述的一种涡轮增压器的气液协同温控系统，其特征在于：气道进口管路（5）上串联有电动三通阀（22），电动三通阀（22）的出口端与气道进口接头（25）连通，电动三通阀（22）的另一出口端连通有输气管（37），输气管（37）的另一端与气道出口管路（10）连通。

8.根据权利要求7所述的一种涡轮增压器的气液协同温控系统，其特征在于：电动三通阀（22）用于控制气道进口管路（5）与气道进口接头（25）或输气管（37）连通，电动三通阀（22）的控制端与发动机ECU（35）的输出端电性连接，发动机ECU（35）的输入端上电性连接有温度传感器（34）和压力传感器（36），发动机ECU（35）内设置有最低气温预设阈值和最低压力预设阈值。

9.一种涡轮增压器的气液协同温控方法，基于权利要求1-8任一项所述涡轮增压器的气液协同温控系统，该方法包括涡轮转子冷却步骤，涡轮转子冷却步骤包括如下步骤：

L1、发动机（1）工作，发动机（1）排出的废气进入涡轮壳（6）内并驱动涡轮转子（7）和压气机壳（14）内的压气机叶轮（15）同步转动，压气机叶轮（15）转动用于抽气新鲜空气并加压后输送至发动机（1）内进行供气；

L2、散热器内的冷却液引入到中间壳水道（8）内，冷却液对涡轮壳（6）内的涡轮转子（7）进行降温冷却，而后回流至发动机水箱（19）内。

10.根据权利要求9所述的一种涡轮增压器的气液协同温控方法，其特征在于：该方法还包括曲轴箱通风管路加热，曲轴箱通风管路加热包括温度检测控制步骤和压力检测控制步骤；

温度检测控制步骤包括如下步骤：

W1、温度传感器（34）检测得到的大气实时温度发送至发动机ECU（35）内并与最低气温预设阈值进行比较；

W2、当大气实时温度小于最低气温预设阈值时，发动机ECU（35）控制电动三通阀（22）工作使气道进口管路（5）与气道进口接头（25）连通，发动机曲轴箱（20）内的冷空气引入至中间壳气道（9）内进行加热，而后通过气道出口管路（10）和压气机输送至发动机（1）内；

W3、当大气实时温度大于最低气温预设阈值时，发动机ECU（35）控制电动三通阀（22）工作使气道进口管路（5）与输气管（37）连通，发动机曲轴箱（20）内的空气通过输气管（37）引入到气道出口管路（10）内，而后通过压气机输送至发动机（1）内；

压力检测控制步骤包括如下步骤：

Y1、压力传感器（36）检测得到的气道出口管路（10）内的实时气压发送至发动机ECU（35）内并与最低压力预设阈值进行比较；

Y2、当实时气压小于最低压力预设阈值时，发动机ECU（35）控制电动三通阀（22）工作使发动机曲轴箱（20）内的冷空气引入至中间壳气道（9）内进行加热，而后输送至发动机（1）内；

Y3、当实时气压大于最低压力预设阈值时，发动机ECU（35）控制电动三通阀（22）工作使发动机曲轴箱（20）内的空气通过输气管（37）引入到气道出口管路（10）内，而后输送至发动机（1）内。

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