CN1290806A - 一种车用内燃机用的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于车用增压内燃机的涡轮增压器,它由一个能满足车用内燃机低转速工况扭矩特性需要的普通常规结构小型径流或混流式涡轮增压器与一个压气机进口预旋装置组合而成。该增压器采用压气机进气正预旋技术对车用内燃机高转速工况的增压压力实施控制,防止增压过度与增压器严重超速。预旋控压的优点为:技术成熟,结构简单,使用安全可靠、寿命长,成本低,控压直接、响应快,效果好。

Description

一种车用内燃机用的涡轮增压器

本发明涉及汽车、拖拉机、农用机械、工程机械和特种车辆(坦克、战车等)用的增压内燃机技术领域内的涡轮增压器。

车用内燃机工况变动频繁、负荷变化大、输出功率高、转速范围广。车用内燃机按外特性工作，最大扭矩一般出现在55％～60％额定转速处。为利于车辆在大负荷下迅速起动、加速和爬坡，要求车用增压内燃机在低速工况具有良好的扭矩特性和动态响应特性。为此，增压匹配时，一般都选择最大扭矩转速附近的工况作为最佳匹配点来确定适用的增压器通流部分的尺寸，以确保低速工况有足够高的增压压力和扭矩储备。然而，对于额定转速附近的工况而言，因进气质量流量增加很大，所选增压器尺寸的通流能力则嫌太小，会使增压器转速和增压压力剧增，产生过高的机械负荷与引起汽油机爆燃。

为了使车用增压内燃机不仅在低转速工况有较高的增压压力从而具有较大的扭矩，而且还要能使其在额定转速工况附近不出现增压压力过高的增压过度和增压器严重超速现象，就必须对增压压力进行适当控制，使内燃机在某转速以上的转速范围内保持增压压力不变或不超过预先设定的限制值。

在现已应用和正在进行研究开发的控制增压压力的众多已知技术中(参见朱大鑫编著《涡轮增压与涡轮增压器》，机械工业出版社，1992，第431～447页，及陆家祥编著《车用内燃机增压》，机械工业出版社，1993，第60～88页中的有关评述)，最重要和最有效的是增压器涡轮调节中的旁通放气和可变截面涡轮两种措施。它们都是通过对增压器涡轮功率的调节，实施对增压器平衡运行点的移向走势进行调控来实现增压压力控制的。两种措施都能有效地防止增压过度和爆燃，并能获得满意的扭矩特性。自增压匹配的性能指标来看，可变截面涡轮调节因可实现电控无级调节与无放气造成的能量浪费，其效果要比旁通放气更好，但结构复杂、成本高。它们共同具有的缺点是高温工作环境对调节机构和电控装置产生的不利影响明显降低了使用的可靠性并缩短了使用寿命。目前，旁通放气因方法简单与技术成熟已获广泛应用；而可变截面涡轮调节的众多技术方案中，只有可调喷嘴方案已进入实用阶段，其它方案则因成本或可靠性方面的问题待解决而仍处于开发研究阶段。

本发明的目的在于为车用增压内燃机提供一种具有新的增压压力调控装置的涡轮增压器。它的调控装置控压方法简单、直接、有效，使用安全可靠、寿命长，并能与电子或液压自动控制相结合实现无级调节。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是对一个能满足车用增压内燃机低转速工况扭矩特性需要的普通常规结构小型径流或混流式涡轮增压器实施压气机进气正预旋调节，以对车用增压内燃机高转速工况出现的过高增压压力进行抑制或控制。

所谓压气机进气预旋，是指流入压气机旋转叶轮进口前的气流绝对速度

在叶轮旋转圆周速度 方向的分速度(图1)。

相同方向时，称该 为正预旋；反之，则称该 为负预旋。预旋由压气机进口的预旋器(导流器叶栅或螺旋进气道)产生。图1示出了压气机进口装有轴向导流器叶片角度可变装置在压气机叶轮入口形成不同预旋的情况示意图。图中画出了叶轮进、出口处的气流速度三角形，图中符号意义如下：

叶轮旋转角速度矢量，rad／s

r₀-叶轮入口根部半径，mm

r_1t-叶轮入口顶部半径，mm

r₁-叶轮入口几何平均半径，mm $r_1=\sqrt{(r_0^2+r_{1t}^2)/2}$

r₂-叶轮出口半径，mm

R₀-导流叶片出口根部半径，mm

R_1t-导流叶片出口顶部半径，mm

R₁-导流叶片出口几何平均半径，mm $R_1=\sqrt{(R_0^2+R_{1t}^2)/2}$

圆周速度矢量，m／s

圆周速度单位矢量，

气流相对速度矢量，m／s

气流绝对速度矢量，m／s

气流绝对速度的子午向分速度矢量，m／s

气流绝对速度的径向分速度矢量，m／s

气流绝对速度的轴向分速度矢量，m／s

气流绝对速度在圆周速度方向的分速度矢量，m／s

θ-预旋角，θ=Arctg(C_1u／C_1m，(°)

β₁-叶轮入口气流相对流入角，

β₁=Arctg[C_1m／(u₁-C_1u)]，(°)下角注：

1-叶轮入口，几何平均半径r₁位置处的值。

2-叶轮出口，半径r₂位置处的值。

根据上述符号的含义可知：正预旋，C_1u＞0，θ＞0；零预旋(又称无预旋)，C_1u＝0，θ=0；负预旋，C_1u＜0，θ＜0。

依叶轮机械Euler方程，压气机旋转叶轮的叶片对流经叶轮的每千克质量气体的作功率-轮周功率

h_th=C_2uu₂-C_1uu₁，    J／s由此产生的压气机出口气体滞止压力(增压压力)

$p_c^{*}=p_a{\[1+\frac{(k-1)(1+{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{df}})}{{\mathrm{kRT}}_a}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ad}}^{*}(C_{2u}{u}_2-C_{1u}{u}_1)\]}^{\frac{k}{k-1}},\mathrm{bar}$ 式中，

p_a-环境大气压力，bar

T_a-环境大气温度，K

k-比热比，k=C_p／C_v，空气k=1．4

R-气体常数，空气R=287．04 J／(kg·K)

β_i-漏气损失影响系数，β_l＝0．01

β_df-轮阻损失影响系数，β_df＝0．02～0．03

η_ad ^*-压气机滞止等熵效率

由上式可以看出，预旋通过“影响项C_1uu₁”对增压压力值的改变起作用。预旋的正负与量值大小对增压压力的变化影响很大，同一预旋值C_1u在高增压压力工况(这时u₁值高)的影响效果要比低增压压力工况大得多，因此预旋控压对车用内燃机高转速工况特别适用。不同预旋对叶轮入口速度三角形的影响，已清楚地示于图1，可由这些图直观地分析预旋对叶轮入口相对速度值︱W︱和相对流入角β₁的影响。结论如下：正预旋使压气机耗功功率减小，增压压力降低，流入相对速度值下降，相对流入角增大；负预旋产生的效果则恰好相反。不论正预旋还是负预旋，预旋值｜C_1u｜越大，影响越大。与零预旋情况相比，采用正预旋后，由于相对流入角β₁的增大(相当于使工况点在离心压气机流量～压比特性曲线图上沿等转速线移向流量更大的区域)，使增压压力进一步下降，更加强了正预旋的抑压效果。根据预旋的不同功能，可对压气机的性能(增压压力、喘振工况、堵塞工况、高效率区流量范围、高效率工况运行保持)方面的要求进行针对性的调控。

压气机进口导流器叶片角度调节，在极少数的涡轮增压器上已有应用。这些增压器采用预旋调节的目的主要是扩大压气机有效工作的流量使用范围和实现压气机性能的优佳匹配。譬如，喘振一般都在内燃机低转速工况时首先出现，为消除或避免发生喘振，应在低转速工况采用正预旋调节增大流入压气机叶轮的气流相对流入角的量值。再如，对于要求压气机性能在全部运行工况都能保持优佳匹配的情形，须采用适量的正预旋或负预旋使各工况的叶轮进口气流相对流入角与对应的最佳值相符合。对于车用增压内燃机的高转速工况，随着转速的增加，由于增压器进气质量流量的增加比增压器转速的增加快，所以须采用增大的负预旋才能使气流的相对流入角符合最佳值。由此可见，现已采用压气机进口导流叶片角度调节的这些增压器，它们应用进气预旋的目的、效果和使用方式，都和本发明在内燃机高转速工况仅采用正预旋调节对增压压力实施控制的情况不同。另外，在其中个别采用了压气机进口导流器叶片角度调节装置的增压器上，往往同时也装了旁通放气阀(如瑞典的Flygmoter公司的T35GB增压器)，这也足以说明其应用预旋的目的不是为了控制增压压力。

与旁通放气和可变截面涡轮两种控压装置相比，本发明采用的预旋控压装置具有如下优点：

1)技术成熟。进口导流器叶片角度可调装置用于离心

式和轴流式通风机的风量调节已有近百年的历史，

现在仍在广泛采用。

2)整个调控装置都在室温环境下工作，不受燃气高温

影响，使用安全可靠、寿命长。

3)成本低。结构简单，对零部件材料、制造与安装方

面的要求也较低。

4)调控快捷。直接控制增压压力，反馈直接，响应性

好。

5)高转速工况控压效果好。进口导流器叶片同一角度

值产生的预旋对压气机耗功或增压压力的改变幅

度，随内燃机转速的增加而增大。

6)控制方式多样化。有导流器叶片角度固定的导流环

控压方式，导流器叶片角度分段式手动控制方式，

电子控制自动无级调节和液压控制自动无级调节多

种形式可供选择。

本发明采用的涡轮增压器是普通常规结构的小型径流或混流式涡轮增压器(它由压气机叶轮，压气机壳，涡轮，涡轮箱和装有浮动轴承的轴承体等部件所组成)，按内燃机低转速工况扭矩特性需要设计或选用的，其涡轮与压气机的通流部分尺寸都较小，与旁通放气调节方案所用的相近，甚至更小。因此，本发明方案所用涡轮增压器的转子转动惯量小，对提高车用内燃机的加速性能十分有利。

一般用预旋角θ来表征预旋器(进口导流器叶栅或螺旋进气道)几何结构形状在压气机叶轮进口截面产生预旋的能力，其定义式为θ=Arctg(C_1u／C_1m)，式中符号含义如图1所示。正预旋时，θ为正值；负预旋时，θ为负值。对于同一压气机进气质量流量(即C_1m值相同)，预旋角θ越大，预旋器产生的预旋C_1u也越大。也即，θ值越大，它改变增压压力的幅度也越大。

实用中，预旋角固定不变的预旋器有着非常广阔的应用前景，因为它结构最简单、安全可靠、寿命长、成本低，合理选择θ值后基本上能满足控压要求的需要。

本发明采用的预旋角θ值的合理应用范围如下：预旋角θ值可调节的预旋器：0°≤θ≤60°；预旋角θ值固定不变的预旋器：10°≤θ≤60°。

进口导流器叶栅式预旋器的结构形式与通风机现用的相同，最常用的有轴向导流器和径向导流器两种。这两种导流器的叶片角度均有可调与固定两种形式。

以下，结合实施例和附图对本发明的技术内容进行叙述说明。

图2示出了具有可变预旋角轴向导流器叶栅预旋装置的本发明涡轮增压器结构。预旋器部分的主要组成部件为：1-滚动轴承，2-测角器，3-齿圈，4-扇形齿片，5-套筒，6-导流器叶片。导流器叶栅由多个导流叶片6组成(叶片数为Z_p)，每个叶片的尾轴穿过套筒5与一片扇形齿片4联结成一体。当扇形齿片绕套筒轴线转动时，与齿片固结成一体的导流叶片也一起转动。每个扇形齿片又共同与一个可转动的齿圈3啮合，以保证各齿片转动保持同步一致，从而使各个导流叶片在预旋角改变时的转角都相同。为减少齿圈的转动摩擦，采用滚动轴承1，并安装了测角器2量测齿圈的转角。将齿圈或扇形齿片中的一片通过中间齿轮与电控直线位移或角位移执行机构相联接，就可进行可变预旋角的调控。电控直线位移或角位移执行机构可采用步进电机或直流伺服电机。图2所示的导流器叶栅出口截面的几何平均半径比压气机叶轮进口截面的几何平均半径大(即R₁＞r₁)，图3所示的结构二者则相等(即R₁=r₁)。这两种结构均常用，图2结构预旋效果好，图3结构紧凑。

图4示出了预旋角固定不变的轴向导流器叶栅预旋装置的结构安装图。导流器叶栅的几何形状与轴流涡轮的喷嘴环非常相似，可用精铸方法整体铸造，材质用铝。图中示出了用出口平均半径R₁的圆柱面剖截导流器叶栅后再展开成平面所得到的平面叶栅形状。表征整个导流器叶栅产生预旋能力的几何预旋角φ就由这个平面叶栅的两个几何尺寸-喉部宽度a与栅距t依下式确定：

φ=90°-Arcsin(a／t)，(°)式中，t=2πR₁／Z_p，Z_p-导流器叶栅的叶片数目。导流器出口几何预旋角φ与压气机叶轮进口气流预旋角θ的转换关系为：

θ=Arctg[(r_1t-r₀)／(R_1t-R₀)×tgφ]，(°)

对于图2和图3所示的可变预旋角轴向导流器叶栅的每一个导流叶片角度，所对应的整个导流器叶栅的几何预旋角φ值都可逐一根据导流器叶栅出口平均半径R₁圆柱面叶栅展开图上量测的相应a的尺寸依上式算出。

图5示出了具有可变预旋角径向导流器叶栅预旋装置的结构安装图。电控或液压控制直线位移执行器1推动齿圈2转动，从而使与齿圈啮合的各导向叶片尾轴上的扇弧形齿片同步转动造成导向叶片角度的改变。

图6示出了预旋角固定不变的径向导流器叶栅预旋装置的本发明涡轮增压器简图。导流叶片环3与进气道壳壁1和2用螺栓联结在一起后整体嵌套在压气机进气管上并用半圆螺钉径向固定。图7示出了导流叶片环3的结构图。为防止在气流力的作用下转动，在1和3之间用螺钉或销钉固定。与轴向导流器叶栅一样，径向导流器叶栅的几何预旋角

φ=90°-Arcsin(a／t)，(°)式中，t=2πR₁／Z_p，，Z_p-导流环叶片数目，

R₁-导流环叶片出口半径。几何预旋角φ与气流预旋角θ的换算式为

θ=Arctg[(r_1t-r₀)／B×tgφ]，(°)式中，B-导流环叶片出口半径处的叶片轴向高度(图7)。

与轴向导流器叶栅不同的是当径向导流器的叶片转动角度时，不仅a发生改变，R₁也发生改变。

Claims (2)

1．一种车用增压内燃机用的涡轮增压器，它由一个普通常规结构的小型径流或混流式涡轮增压器与一个压气机进口预旋装置组合而成。其特征在于：当车用内燃机按外特性工作，在高于60％额定转速的高转速工况范围内，预旋装置在正预旋状态下工作。

2．根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于：使用预旋角θ固定不变的预旋器的，其预旋角的合理范围为10°≤θ≤60°；使用预旋角θ可变化调节的预旋器的，其预旋角的合理范围为0°≤θ≤60°。

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