CN114033588A - 呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置，包括涡轮增压器，涡轮增压器包括中间壳，中间壳的两端分别布设有压气机壳和涡轮壳，压气机壳内安装有压气机叶轮，压气机壳上设置有集成换热管路，集成换热管路的出口端通过输气管路与压气机壳的内腔连通，所述集成换热管路的进口端通过进气管路与发动机曲轴箱连通，发动机曲轴箱内的低温空气通过进气管路输送至集成换热管路内，此时利用压气机叶轮压缩空气产生的热量传递至集成换热管路内用于提高空气的温度，本发明整体结构简单紧凑、实施容易、产品成本低；装配工艺步骤简便；改善发动机曲轴箱的可靠性，可延长其使用寿命。

Description

呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置
技术领域
本发明属于涡轮增压器的技术领域，具体的说，涉及一种呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置。
背景技术
目前发动机为防止发动机曲轴箱压力过高，延长机油使用期限，减少零件磨损和腐蚀，防止发动机漏油，都需要采用发动机曲轴箱通风技术，如呼吸器闭式循环发动机。
同时，为满足日益严格的排放要求和提高燃油经济性，在国6排放及以上的汽车发动机设计过程中，需要采用发动机曲轴箱闭式循环通风系统设计；发动机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。
呼吸器闭式循环发动机在低温环境、特别是冬季天气或高寒地区使用时，现有的发动机曲轴箱通风系统若没有相应辅助结构，通风系统内水蒸气会在压气机壳进口常常出现冷凝结冰情况，如果结冰严重导致管路堵塞，会使得发动机曲轴箱内压力过高，引起漏油等问题。
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中无形中增加冷却液泄露、控制失效等隐患，且增加的零部件会造成布置不紧凑等问题。
发明内容
本发明要解决的主要技术问题是提供一种能够防发动机曲轴箱通风管结冰的呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置，用以解决传统技术中发动机在冬季等低温环境中使用时，发动机曲轴箱通风管没有相应辅助结构会在压气机壳进口处出现结冰的情况。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置，包括涡轮增压器，涡轮增压器包括中间壳，中间壳的两端分别布设有压气机壳和涡轮壳，压气机壳内安装有压气机叶轮，压气机壳上设置有集成换热管路，集成换热管路的出口端通过输气管路与压气机壳的内腔连通，所述集成换热管路的进口端通过进气管路与发动机曲轴箱连通，发动机曲轴箱内的低温空气通过进气管路输送至集成换热管路内，此时利用压气机叶轮压缩空气产生的热量传递至集成换热管路内用于提高空气的温度。
以下是本发明对上述技术方案的进一步优化：
集成换热管路包括开设在压气机壳上的压气机壳气道，压气机壳气道沿压气机壳的流道方向排布，压气机壳气道的内腔与压气机壳的内腔共壁。
进一步优化：压气机壳气道上开设有气道进口，气道进口布设在靠近压气机壳出气口附近的位置处，压气机壳气道上开设有气道出口，气道出口布设在靠近压气机壳流道小截面附近的位置处。
进一步优化：压气机壳气道的截面形状为环形，压气机壳气道的宽度L2的尺寸随着压气机壳内的流道截面的变小而变小，压气机壳气道的高度L3的尺寸小于宽度L2的尺寸，且在不同压气机流道截面中，压气机壳气道的高度L3保持不变。
进一步优化：气道进口上固定连接有气道进口接头，所述气道出口上固定连接有气道出口接头。
进一步优化：压气机壳的进气口侧面上开设有气道压气机壳进口，气道压气机壳进口呈倾斜布设，且气道压气机壳进口的打孔角度与新鲜空气的气流方向一致，气道压气机壳进口上固定连接有气道压气机壳进口接头。
进一步优化：进气管路包括气道进口管路，气道进口管路的出气端与气道进口接头连通，气道进口管路的进气端与发动机曲轴箱的出气端连通，气道进口管路上串联有油气分离器。
进一步优化：输气管路包括气道出口管路，气道出口管路的进气端与气道出口接头连通，气道出口管路出气端与气道压气机壳进口接头连通。
进一步优化：压气机壳气道内可安装有至少一个气道导叶，气道导叶为弧形板状，气道导叶的弯折方向与压气机壳气道内气流方向相匹配。
进一步优化：压气机壳气道上靠近压气机壳气道的最低端位置处开设有气道回油出口，压气机壳气道内的油液通过气道回油出口流出。
本发明采用上述技术方案，构思巧妙，结构合理，能够将发动机曲轴箱通风管内的低温气体引入至压气机壳气道内，并利用增压器的压气机叶轮工作时压缩空气产生的热量传递至压气机壳气道内，用于提高通风管内空气的温度，继而防止发动机曲轴箱通风管结冰，保证发动机曲轴箱正常运作。
并且压气机壳气道内空气的流向与压气机壳内压缩空气的流向相反，进而可形成对流加热，提高加热效果。
本发明在不改动现有涡轮增压器轴系结构、压气机壳模具外模小幅改动的前提下，实现通风管内气体温度大幅度提高，可有效防止结冰。
本发明整体结构简单紧凑、实施容易、产品成本低；装配工艺步骤简便；改善发动机曲轴箱的可靠性，可延长其使用寿命。
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、涡轮增压器的设计原理图；
图2为本发明实施例中总体结构的原理图；
图3 为本发明实施例中压气机集成换热装置的剖视图；
图4 为本发明实施例中压气机集成换热装置的左视图；
图5 为本发明实施例中压气机集成换热装置主要流道图；
图6 为本发明实施例中压气机壳的结构图；
图7 为本发明实施例中气道进口接头的结构图；
图8为本发明实施例中气道出口接头的结构图；
图9为本发明实施例中压气机壳气道壁面温度场分布图；
图10为本发明实施例中压气机壳气道流场分布图。
图中：1-发动机；2-发动机进气管；3-油底壳；4-中冷器；5-压气机壳气道回油管路；6-中间壳回油管路；7-回油管路接头；8-涡轮增压器；9-中间壳；10-压气机叶轮；11-压气机壳；12-压气机壳气道；13-气道出口管路；14-空气滤清器；15-气道进口管路；16-油气分离器；17-发动机曲轴箱；18-气道进口接头；19-气道出口接头；20-气道压气机壳进口接头；21-气道压气机壳进口；22-气道回油接头；23-环箍；24-气道出口；26-气道进口；27-气道导叶；28-气道回油出口；29-涡轮壳；30-第一凹坑；31-第二凹坑；32-进气管。
具体实施方式
实施例：请参阅图1-8，呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置，包括涡轮增压器8，涡轮增压器8包括中间壳9，所述中间壳9的两端分别布设有压气机壳11和涡轮壳29，压气机壳11内安装有压气机叶轮10，所述压气机壳11上设置有集成换热管路，所述集成换热管路的出口端通过输气管路与压气机壳11的内腔连通，所述集成换热管路的进口端通过进气管路与发动机曲轴箱17连通，发动机曲轴箱17内的低温空气通过进气管路输送至集成换热管路内，此时利用压气机叶轮10压缩空气产生的热量传递至集成换热管路内用于提高空气的温度。
这样设计，所述压气机叶轮10在压气机壳11内进行转动时，可用于压缩空气，此时压缩空气的温度快速升高后可将热量传递至压气机壳11上，使压气机壳11的温度升高，所述集成换热管路安装在压气机壳11上，进而压气机壳11上的热量经热传导传递至集成换热管路内。
所述发动机曲轴箱17内的低温空气通过进气管路输送至集成换热管路内，此时该集成换热管路与低温空气接触面积大，进而能够提高集成换热管路内的气体的温度，防止发动机曲轴箱通风管在压气机壳11或管道接口处结冰，保证发动机曲轴箱17正常运作。
所述压气机壳11上位于其进气端处设置有空气滤清器14。
所述集成换热管路包括开设在压气机壳11上的压气机壳气道12，所述压气机壳气道12沿压气机壳11的流道方向排布，所述压气机壳气道12的内腔与压气机壳11的内腔共壁。
这样设计，所述压气机壳气道12沿压气机壳11的流道方向排布，进而发动机曲轴箱17内的低温气体引入压气机壳气道12后，该低温空气也可沿压气机壳11的外表面近一周圈的加热，提高加热效果。
并且压气机壳气道12是贴附在压气机壳11的壳体外侧，且压气机壳气道12的内腔与压气机壳11的内腔共壁，进而压气机壳气道12与压气机壳11之间的热交换效果好，提高使用效果。
所述压气机壳11的进气口侧面上开设有气道压气机壳进口21，所述气道压气机壳进口21呈倾斜布设，且气道压气机壳进口21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，所述气道压气机壳进口21的打孔角度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。
所述气道压气机壳进口21与输气管路连通，进而压气机壳气道12内经加热完成的空气可通过输气管路和气道压气机壳进口21输送至压气机壳11内，进而使发动机曲轴箱17内的空气与压气机壳11内的空气汇合。
所述压气机壳气道12上开设有气道进口26，所述气道进口26布设在靠近压气机壳11出气口附近的位置处。
所述压气机壳气道12上开设有气道出口24，所述气道出口24布设在靠近压气机壳11流道小截面附近的位置处。
这样设计，能够使压气机壳气道12基本占据压气机壳11的高温部分，进而提高换热效果。
在本实施例外，可将所述气道出口24和气道进口26对调使用。
所述压气机壳气道12在设计时一般不增加涡轮增压器8的外围尺寸L1，所述压气机壳气道12的截面形状为环形，所述压气机壳气道12的宽度L2在尽可能加大，同时压气机壳气道12的宽度L2随着压气机壳11内的流道截面的变小而变小。
所述压气机壳气道12的宽度高度L3的尺寸小于宽度L2的尺寸，且在不同压气机流道截面中，压气机壳气道12的高度L3保持不变。
所述气道进口26上固定连接有气道进口接头18，所述气道出口24上固定连接有气道出口接头19。
在本实施例中，为了减少气道进口接头18和气道出口接头19的尺寸，所述气道进口接头18和气道出口接头19可设计为薄壁件，并采用压装方式安装到压气机壳气道12上。
所述气道压气机壳进口21上固定连接有气道压气机壳进口接头20，所述气道压气机壳进口接头20与气道压气机壳进口21连通。
所述进气管路包括气道进口管路15，所述气道进口管路15的出气端与气道进口接头18连通，所述气道进口管路15的进气端与发动机曲轴箱17的出气端连通。
所述气道进口管路15上串联有油气分离器16。
所述输气管路包括气道出口管路13，所述气道出口管路13的进气端与气道出口接头19连通，所述气道出口管路13出气端与气道压气机壳进口接头20连通。
所述气道进口管路15和气道出口管路13均采用耐热胶管。
这样设计，所述气道进口管路15和气道出口管路13，可以在受到长时间高温压气机壳11热传导的作用下仍可可靠工作。
所述气道进口管路15与气道进口接头18和发动机曲轴箱17的出气端之间采用环箍23紧固。
所述气道出口管路13与气道出口接头19和气道压气机壳进口接头20之间采用环箍23紧固。
所述气道进口26与油气分离器16气体出口尽可能缩短排布距离，
根据发动机排布需要，可以将气道出口24与气道进口26交换。
确定气道进口26的位置，再进行气道出口24与气道压气机壳进口21的排布，减少经过压气机壳气道12加热后空气温度降低的幅度。
所述气道进口管路15较长时，所述气道进口管路15外侧可缠绕保温棉，避免在进入压气机壳气道12前有结冰。
所述气道出口管路13若因排布需要也较长时，所述气道出口管路13的外侧也可缠绕保温棉，进一步降低内部空气温度的衰减。
所述压气机壳气道12的内壁上靠近气道进口26的位置处开设有第一凹坑30，所述第一凹坑30的横截面形状为球形或喇叭状。
所述气道进口接头18安装在气道进口26上后，所述气道进口接头18的下端面位于第一凹坑30与气道进口26连接处的上方。
所述气道进口接头18的下端面与第一凹坑30和气道进口26的连接处之间设置有间隔距离L4，所述间隔距离L4的整体尺寸小于气道进口接头18内表面直径D1的尺寸。
这样设计，可使该气道进口接头18整体结构紧凑。
所述压气机壳气道12的内壁上靠近气道出口24的位置处开设有第二凹坑31，所述第二凹坑31的横截面形状为球形或喇叭状。
所述气道出口接头19安装在气道出口24上后，所述气道出口接头19的下端面位于第二凹坑31与气道出口24连接处的上方。
所述气道出口接头19的下端面与第二凹坑31和气道出口24的连接处之间设置有间隔距离L5，所述间隔距离L5的整体尺寸小于气道出口接头19内表面直径D2的尺寸。
这样设计，通过第一凹坑30和第二凹坑31能够使气体的通流面积是渐变的，为文丘里结构；可保证气流通过时，阻力小，尤其是气道出口24面积若突变，流阻会增加明显；
同时气道进口26面积是扩大的，可减少气体中油滴的粘附，即使发动机低温启动时有少量油滴粘附在壁面并结冰，随着壳体的温度迅速升高，可将局部结冰处融合，有效防止管道阻塞。
所述压气机壳气道12内可安装有至少一个气道导叶27，所述气道导叶27为弧形板状，且气道导叶27的弯折方向与压气机壳气道12内气流方向相匹配。
这样设计，所述气道导叶27可改变气流方向，但气体中油液颗粒密度大，惯性较大，易碰撞到气道导叶27上而汇集成更大液滴。
同时气道导叶27使得压气机壳气道12的通流截面变小，气流速度增加，油液颗粒及液滴碰撞到压气机壳气道12壁面进一步汇集并随气流方向流动。
所述压气机壳气道12上靠近压气机壳气道12的最低端位置处开设有气道回油出口28，所述气道回油出口28与压气机壳气道12连通。
在本实施例中，根据压气机壳11在发动机上的安装角度不同，所述气道回油出口28开设在压气机壳气道12上靠近压气机壳气道12的最低端位置处。
所述压气机壳气道12内的油液可以在重力作用下流向气道回油出口28，并且通过气道回油出口28能够排出该油液，进而减少进入压气机壳11内的油液含量。
并且气道回油出口28开设在压气机壳气道12的最低端位置处，此处流速高、压力低，进而压气机壳气道12内的气体不易流出，方便使用。
所述气道回油出口28上固定安装有气道回油接头22，所述气道回油接头22与气道回油出口28连通。
所述气道回油接头22的另一端上连通有压气机壳气道回油管路5，所述压气机壳气道回油管路5与气道回油接头22之间通过环箍23固定连接。
所述压气机壳气道回油管路5的另一端与回油管路接头7的中部连通。
所述回油管路接头7的上端与中间壳9内的冷却油道连通，所述回油管路接头7的下端连通有中间壳回油管路6，所述中间壳回油管路6的另一端与油底壳3连通。
所述压气机壳11上位于其出气端处连通有进气管32，所述进气管32的另一端与发动机1的发动机进气管2连通。
所述进气管32上串联有中冷器4。
在使用时，所述压气机叶轮10在压气机壳11内进行转动时，可用于压缩空气，此时压缩空气的温度快速升高后可将热量传递至压气机壳11上，使压气机壳11的温度升高，所述压气机壳气道12安装在压气机壳11上，进而压气机壳11上的热量经热传导传递至压气机壳气道12内。
所述发动机曲轴箱17内的低温空气通过气道进口管路15输送至油气分离器16内，此时经油气分离器16分离完成后的低温空气通过气道进口接头18和气道进口26输送至压气机壳气道12内，此时压气机壳气道12内空气的流向与压气机壳11内压缩空气的流向相反，进而可形成对流加热。
此时该压气机壳气道12内的低温空气与压气机壳气道12的内壁充分结合处，进而能够提高压气机壳气道12内的气体的温度，而后经加热完成的气体通过气道出口24和气道出口接头19输送至气道出口管路13内。
而后气道出口管路13内的气体通过气道压气机壳进口21输送至压气机壳11内，进而使发动机曲轴箱17内的空气与压气机壳11内的空气汇合。
由此可见，发动机曲轴箱17内的低温空气可通过压气机壳气道12进行加热，继而防止发动机曲轴箱通风管在压气机壳11或管道接口处结冰，保证发动机曲轴箱17正常运作。
由气道进口管路15输送至压气机壳气道12内的气体中含有油液颗粒，且该油液颗粒密度大，，惯性较大，易碰撞到气道导叶27上而汇集成更大液滴。
同时气道导叶27使得压气机壳气道12的通流截面变小，气流速度增加，油液颗粒及液滴碰撞到压气机壳气道12壁面进一步汇集并随气流方向流动。
并且压气机壳气道12内的油液可以在重力作用下流向气道回油出口28，并且通过气道回油出口28能够排出该油液，进而减少进入压气机壳11内的油液含量。
所述气道回油出口28排出的油液通过压气机壳气道回油管路5和中间壳回油管路6输送至油底壳3内。
呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置的仿真分析：
气道空气温度设定低于-10℃，若无加热方案易在通风管内结冰引起阻塞。
对该呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置进行了流固耦合分析，仿真结果如图8-图9所示。
从图8-图9中可看出，压气机壳气道12的壁面温度远高于大气温度，达到100℃以上；在气道进口26和气道出口24处空气流速较快，但由于气道是文丘里结构，内部气体流速明显缓慢，与压气机壳11热对流时间较长，接触面积大，且该空气到气道出口24且经加热后温度可提升到71℃，故该压气机集成换热装置可有效预防通风管内结冰引起阻塞的问题；若进一步改进系统结构还可以满足更苛刻的应用需求。
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.呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置，包括涡轮增压器（8），涡轮增压器（8）包括中间壳（9），中间壳（9）的两端分别布设有压气机壳（11）和涡轮壳（29），压气机壳（11）内安装有压气机叶轮（10），其特征在于：压气机壳（11）上设置有集成换热管路，集成换热管路的出口端通过输气管路与压气机壳（11）的内腔连通，所述集成换热管路的进口端通过进气管路与发动机曲轴箱（17）连通，发动机曲轴箱（17）内的低温空气通过进气管路输送至集成换热管路内，此时利用压气机叶轮（10）压缩空气产生的热量传递至集成换热管路内用于提高空气的温度。
2.根据权利要求1所述的呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置，其特征在于：集成换热管路包括开设在压气机壳（11）上的压气机壳气道（12），压气机壳气道（12）沿压气机壳（11）的流道方向排布，压气机壳气道（12）的内腔与压气机壳（11）的内腔共壁。
3.根据权利要求2所述的呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置，其特征在于：压气机壳气道（12）上开设有气道进口（26），气道进口（26）布设在靠近压气机壳（11）出气口附近的位置处，压气机壳气道（12）上开设有气道出口（24），气道出口（24）布设在靠近压气机壳（11）流道小截面附近的位置处。
4.根据权利要求3所述的呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置，其特征在于：压气机壳气道（12）的截面形状为环形，压气机壳气道（12）的宽度L2的尺寸随着压气机壳（11）内的流道截面的变小而变小，压气机壳气道（12）的高度L3的尺寸小于宽度L2的尺寸，且在不同压气机流道截面中，压气机壳气道（12）的高度L3保持不变。
5.根据权利要求4所述的呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置，其特征在于：气道进口（26）上固定连接有气道进口接头（18），所述气道出口（24）上固定连接有气道出口接头（19）。
6.根据权利要求5所述的呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置，其特征在于：压气机壳（11）的进气口侧面上开设有气道压气机壳进口（21），气道压气机壳进口（21）呈倾斜布设，且气道压气机壳进口（21）的打孔角度与新鲜空气的气流方向一致，气道压气机壳进口（21）上固定连接有气道压气机壳进口接头（20）。
7.根据权利要求6所述的呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置，其特征在于：进气管路包括气道进口管路（15），气道进口管路（15）的出气端与气道进口接头（18）连通，气道进口管路（15）的进气端与发动机曲轴箱（17）的出气端连通，气道进口管路（15）上串联有油气分离器（16）。
8.根据权利要求7所述的呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置，其特征在于：输气管路包括气道出口管路（13），气道出口管路（13）的进气端与气道出口接头（19）连通，气道出口管路（13）出气端与气道压气机壳进口接头（20）连通。
9.根据权利要求8所述的呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置，其特征在于：压气机壳气道（12）内可安装有至少一个气道导叶（27），气道导叶（27）为弧形板状，气道导叶（27）的弯折方向与压气机壳气道（12）内气流方向相匹配。
10.根据权利要求9所述的呼吸器闭式循环发动机用增压器的压气机集成换热装置，其特征在于：压气机壳气道（12）上靠近压气机壳气道（12）的最低端位置处开设有气道回油出口（28），压气机壳气道（12）内的油液通过气道回油出口（28）流出。
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