CN1152666A - 用于涡轮增压型内燃机的废气管道系统 - Google Patents

Abstract

用于涡轮增压式内燃机的废气管道系统。本发明的任务是制作一个用于涡轮增压式内燃机的结构简易的废气管道系统，其中具有改进的运行稳定性及延长的使用寿命，据该装置，可以在内燃机的各个运行状态中，利用脉冲增压方法以及脉冲转换器增压方法的优点。据本发明的该装置具有相对于脉冲管道(6、7)的延伸件(12、13)，后者与最远离废气涡轮机(5)的远离连接管(8、9)逆流地相连；每个脉冲管道(6、7)与相对应的一个延伸件(12、13)相连；在延伸件12、13之间形成了连接管件(14)；每个连接管件(14)中装有一个横截面收缩变窄装置(15)。

Description

用于涡轮增压型内燃机的 废气管道系统

本发明涉及一个相应于本发明权利要求1的前述部分的用于涡轮增压式内燃机的废气管道系统。

用于增压式内燃机的废气管道系统的功能在于，将由内燃机排出的废气输向涡轮增压器的废气涡轮机中，如此就可以充分利用好了回收的废气能量。目前已知的内燃机的增压方法包括定压式增压方法，脉动增压方法，以及脉冲转换器方法。

在定压式增压方法中，把发动机的所有汽缸排出的废气输送到一个共同的废气管道中，并紧接着输送到废气涡轮机中。在发动机满负荷运行时，也就是说，在废气涡轮机较大的减压比例状况下，可回收使用的废气能量就可以特别充分地利用好。相反地，如果内燃机降低负荷或转速时，也就是说，主要地在部分负荷范围内运转时，那么在固定不变的运行中的涡轮机功率以及用于加速涡轮机转子的功率剩余量就非常小。

在脉动增压方法中，按装了一个或多个分开的废气管道，各自分别地与两个或更多的汽缸相连接。这些汽缸总只是以其排出一开启时间不相交或几乎不相交的方式彼此相互连接。存在于汽缸中的压缩能是通过压缩波传递到废气涡轮机中，其中只发生很小的压力损失。当内燃机中有更多的燃料燃烧时，即发动机的负荷量突然增高时，更大量的存在于汽缸中的压缩能就会通过压缩波毫不滞延地输送到废气涡轮机中。此外，根据狭窄的废气管道，可使压缩能提前排放。这就是为什么用于刻气涡轮机的能量供给可以特别地在部分载何时提高。因此，内燃机的脉动增压方法总是优选考虑的，因为，当负荷改变时，一个如的部分载荷比例状态或动态的比例状态是必需的。可是这个方法在满负荷运转时其结果是不好的。

德国专利文献DE-A13940992提出一个解决办法，即在使用脉动增压方法时改进满负荷比例状态。为此，将一个四冲程内燃机的通向废气涡轮机的脉动管道彼此相互连接。在该连接管中装有一个可以调节的切断元件，即当该元件处于敞开位置时对应发动机的较高转速，当处于关闭位置时就对应发动机的较低转速。在推送溜放调车时，在部分载荷量和切断元件关闭状态下，该废气管道系统运作。相反地，当满负荷运转时，该切断元件就处于开始状态，以致于使该废气管道系统近似于定压式增压方法。

然而，上述解决方法存在一些缺点，即上述连接管以及该切断元件是直接安装于废气涡轮机前面的。所有的在这区域中存在的较高热应力负荷的元件都严重地损耗。由于可活动元件的坚固性比较少，因此该切断元件必须经常地调换位置。如果不能及时地替换位置，那么上述废气管道系统就不再最佳地适应内燃机的运转状态。因此，降低增压作用，而且内燃机不能达到所要求的功率。此外，基于切断元件靠近废气涡轮机，还会存在危险，即切断元件的部件出现松动，流入涡轮增压器中，导致废气涡轮机的毁坏。

当使用一个脉冲转换器时，可以使两个或更多的废气管道在该气涡轮机前面以喷射状态合并。由于该废气管道发生喷咀状的收缩、变窄，因此使管内气流加速，从而阻碍各自的压缩波向相邻管道的传递。由此，其排出一开启时间相交的汽缸也可以彼此间相互连接，相互间不会有负效应的影响。通过使用一个脉冲转换器，也可以在内燃机进行满负荷运转时，有效地使用脉动增压方法。然而，它接近部分载荷状态下的定压式增压方法。

德国专利文献DE-C2-3200521揭示了一种解决办法。其中可以由脉动增压方式转换成脉冲转换器方法。为此，将事先平行放置的两个废气管道会聚成一个共同的管道零件。在这个管道零件中放置一个可旋转的隔板。当该隔板处于关闭位置时，就会实施脉动增压方法。而当隔板处于开启位置时，内燃机的增压就以脉冲转换器方式实施的。

上述解决办法的一个缺点在于：在脉动运转时，在废气的主气流中也有如同脉冲转换器方法所需要的废气管道的收缩、变窄。为此，使主气流出现节流，从而导致能量损失。此外，在该两根废气管道的隔板上也会出现如上已再次描述的损耗问题。

本发明试图避免上述缺点。本发明的目的是荻取一个用于涡轮增压式内燃机的简易的、其运行可靠性有所改进，而且其使用寿命有所延长的废气管道系统。它根据内燃机的运行状态，不单其有脉动增压方法的优点，而且也是有脉冲转换器方法的优点。

据本发明可以在一个据本发明权利要求1的前述部分的装置上安装脉动管件的延伸件，后者与最远离废气涡轮机的远离的连接管道流相接。而每松动管件与上述的一个对应的延伸件相连接。在延伸件之间安置连接管件，每个连接管件上具有一个最好是挡板型的横截面收缩变窄装置。

当装置运转时，从内燃机的汽缸排出的大量废气可以无能量损失地通过脉动管道直接送入到废气涡轮机中。因为上述的连接管是远离废气涡轮机安装的，因此通过它可以在脉动管道之间达到压力平衡。由于在连接管中的横截面收缩变窄作用。因此，在每次的汽缸爆压冲击下，只有少量的废气导入相邻的脉动管道中，不会导致对与后者相连接的汽缸的干扰。上述压力平衡导致被一个或多个汽缸所直接冲击负载的脉动管道的压力的降低，而导致另外脉动管道的压力的提高。从而使脉动管道中的压力波动降低。导致涡轮机效率的改善。据上述方式，在满负荷运转时，用脉动增压方法也可以获得好的结果。因为不采用可动的构件。因此使废气管道系统的结构更加简易，而且使用寿命延长。

如果连接管件与延伸件之间的通道各自形成一个横截面台阶，使每个连接管件具有附加的容量时，本发明就具备独特的优点。因为上述附加的容量，可导致压力波的减振，从而延长其作用时间。也就是说，可以延续更长些，直至其作用从一个脉动管道达到另一个脉动管道中。据这方式，可以进一步降低压力波动，从而在满负荷运转时的状态可以得到改善。

采取如下措施是有利的，即在连接管的横截面收缩变窄处安置一个可调的切断元件，以便当内燃机的转速降低时就处于关闭位置，而当内燃机的转速增加时就处于开启位置。因此，当部分负荷运转时，上述切断元件就处于关闭位置，从而作到完全的脉动增压作用。相反地，当满负荷运转时，该切断元件就处于启开状态。从而出现脉冲转换器式的增压作用。上述切断元件是逆流地安置于内燃机的连接管。这个废气管道系统的与废气涡轮机对应的区域，支配了比连接管的入口与废气涡轮机之间的区域还要明显小的热应力负荷。因此，上述切断元件明显具有更长的使用寿命，甚至一旦该元件损坏时，其组件也不会损害废气涡轮机，因为它是远离废气涡轮机安置的。此外，通过连接管的横截面收缩变窄作用可以保证在内燃机满负荷运行时，也取得有效的运转，以致于当切断元件出现缺损时，上述废气管道系统仍可继续运转。

附图描述了本发明废气管道系统的多个实施方案，其中包括两个脉冲管道和一个具有两个气体入口的废气涡轮机。

图1是废气管道系统的示意图，

图2是据图1的连接管区域的部分扩大示意图，

图3是据图2的本发明的第二实施方案的示意图，

图4是据图2的本发明的第三实施方案的示意图，

图5是据图3的本发明的第四实施方案的示意图，

附图只显示一些便于理解本发明的主要构件，其中工作介质的物流用箭头表示。

图1显示了一个四冲程发动机的内燃机的四个汽缸1、2、3、4。其中通过废气管道系统使其与一个废气涡轮增压器的废气涡轮机5相互作用。上述废气管道系统是由两根脉冲管道6、7所组成，后者通过各自的连接管道8或9与相对应的汽缸1、2或汽缸3、4相连。

上述脉冲管道6、7各自顺流地作用于该气涡轮机5的分开的气体入口10、11上。每个脉冲管道6、7分别有其延伸件12、13，而后者又与最远离废气涡轮机5的远离连接管8、9逆流地相连。其中脉冲管道6与延伸件12相连接，而脉冲管道7又与延伸件13相连接。在上述两个延伸件12、13之间构成一个连接管14。

在本发明的第一个实施方案中(附图2)，上述连接管件14中装有一个作为挡板的横截面收缩变窄装置15。在这里试举从汽缸1，2排出的废气流入第一个脉冲管道6中，并因此绝大部分的废气通入废气涡轮机5的气体入口10中。其余的少量废气则通过延伸件12流入上述连接管件14和设在其中的挡板15，12及延伸件13，最后流入第二个脉冲管道7中。为此，使第一个脉冲管道6的压力降低。而第二脉冲管道7的压力提高。也就是说，实现了某种的压力平衡。现在又试举从汽缸3、4排出的废气流入第二个脉冲管道7中，其中后者并不是空管，因为它还存储来自第一个脉冲管道6的废气。为此，它形成较快的压力上升现象，因此，使一部分废气通过连接管件14流入第一个脉冲管道6。据这方式，使脉冲管道6与7之间的压力差降低，导致较少的压力波动。通过上述的废气涡轮机5的无效进气过程，使其效率提高，并以此在满负荷运行时会改进反动机的增压作用。利用上述的挡板15，可以使废气管道系统在部分负荷或满负荷运行时都达到最佳化的运转。

在本发明的第二实施方案中(附图3)，上述延伸件12、13与连接管件14之间的接口各自形成一个横截面台阶16。使该连接管件14形成附加的容量17。

由于上述的容量的扩大，使废气的压力波减振，也就是说，可以延长其作用。这样就使废气从第一脉冲管道6，通过连接管件14，到第二个脉冲管道7的过程，或者与其完全相反的过程，都需要更长的时间。因此，在两个脉冲管道6、7之间的压力波动会进一步降低。从而使废气涡轮机5的效率进一步提高。

附图4显示本发明的第三个实施方案，其中在挡板15中装有一个常规的形如阀瓣的切断元件18。该阀瓣18可调节成两个不同的位置，即当满负荷运行时就处于开启位置，而当部分负荷运行时，就处于关闭位置。它是与图中未示的一个控制装置相连。后者又受增压压力，发动机负荷和/或发动机转速的制约。根据上述系统，就可以根据发动机的运行状态，使废气管道系统由脉动增压方式调换成脉冲转换器方法。

在本发明的第四个实施方案(附图5)中，在挡板15中仍设有一个阀瓣18，而且在连接管件14中也同样有附加的容量17。从而使所有前述的废气管道系统的优点相互结合。因此，这种解决方法可以使发动机的运行状态具备最大的可变性。

当然本发明的废气管道系统不仅适用于四冲程发动机，而且也适用于较小的双冲程发动机。同样地，本发明并不限制于具有四个汽缸的发动机，或者其解决办法也不限制于只有两个脉冲管道6、7以及一个连接管件14的装置系统。

有关图表

1、汽缸

2、汽缸

3、汽缸

4、汽缸

5、废气涡轮机

6、脉冲管道(第一)

7、脉冲管道(第二)

8、连接管道(对于6)

9、连接管道(对于7)

10、气体入口

11、气体入口

12、延伸件(对于6)

13、延伸件(对于7)

14、连接管件

15、横截面收缩变窄，隔板

16、横截面台阶

17、容量

18、切断元件，阀瓣

Claims (4)

1、用于涡轮增压式内燃机的废气管道系统，其中包括：

a).至少两个分开的，受多个内燃机汽缸(1-4)作用的，并与一个废气涡轮增压器的废气涡轮机(5)相连的脉冲管道(6、7)，

b).多个，使各自脉冲管道(6、7)与汽缸(1-4)相连的连接管道(8、9)，

c).至少一个位于脉冲管道(6、7)之间的连接管件(14)，其特征在于，该系统

d).具有相对于脉冲管道(6、7)的延伸件(12、13)，后者与最远离废气涡轮机(5)的远离连接管(8、9)逆流地相连

e).每个脉冲管道(6、7)与相对应的一个延伸件(12、13)分别相连，

j).在延伸件(12、13)之间形成连接管件(14)，

g).每个连接管件(14)中装有一个横截面收缩变窄装置(15)。

2.据权利要求1的废气管道系统，其特征是在延伸件(12、13)与连接管件(14)之间的接口各自形成一个横截面台阶(16)，而且在每个连接管件(14)中形成附加的容量(17)。

3.根据权利要求1或2的废气管道系统，其特征是在连接管件(14)的横截面收缩变窄装置(15)中安置一个可调的切断元件(18)，当内燃机的转速较高时该元件处于开启状态，而当转速较低时该元件就于关闭状态。

4.据权利要求1-3中之一的废气管道系统，其特征是该横截面收缩变窄装置(15)是一个挡板。

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