CN212583813U - 一种紧凑型顺序二级增压系统 - Google Patents

Abstract

一种紧凑型顺序二级增压系统，涉及二级增压系统技术领域，包括高压级涡轮机及低压级涡轮机，高压级涡轮机与低压级涡轮机之间连接有紧凑式连接腔道。本实用新型解决了传统技术中如何实现在中重型发动机中，紧凑式布置增压器的同时还降低生产成本；如何保证低转速时提高系统响应；以及如何高转速时有效控制发动机爆压值的问题。

Description

一种紧凑型顺序二级增压系统

技术领域

本实用新型涉及二级增压系统技术领域，具体涉及一种紧凑型顺序二级增压系统。

背景技术

涡轮增压器是利用发动机排出废气的能量来提高发动机进气密度。目前发动机功率不断提高，对增压系统提出更高要求。采用二级增压后的发动机增压压力可大幅提高，高、低压级增压器均可以工作在较高效率的工作区域内，两个增压器工作时，发动机流量范围大大拓宽。在串联二级增压系统中，增压压力可提高到6.0(即发动机进口压力达到6个大气压)左右，是单级增压难以达到的，可以很好满足柴油机提高功率和满足排放的需求。

串联二级增压系统在已有发动机提升功率中应用往往也导致发动机高速爆压高，可靠性受到影响。在现有发动机的爆压等约束条件下，为加强发动机低速性能、响应性，解决高速发动机爆压高问题，顺序二级增压系统是很好的解决方案，顺序二级增压是由高、低压级增压器及其控制机构、连接管路等组成，系统体积重量均会增加，可能导致现有发动机机舱空间难以安放。尤其是在形式较单级增压器发动机上，安装固定两台增压器更为复杂困难，高压级增压器较小，可以由发动机排气管支撑，增压器的重心一般偏向涡轮壳，通常在低压级涡轮箱上另外找固定支撑点，需要关注系统的载荷分布、振动应力等，同时低压级涡轮壳还要实现发动机高速时可以直接与发动机废气连接。压气机端也存在类似的排布设计难题。

中国国家知识产权局公开了一个申请号为200880003872.6的专利，该专利公开了够使排气岐管部和组装有废气控制阀的低压级连接部一体化，由此减少部件数量并减轻重量，减少因螺栓结合等引起的组装工时，进而减少狭窄的发动机室内的分解工时，该排气岐管部为将排气岐管和高压增压器的高压涡轮机壳体一体化的铸造件。在二级增压式排气涡轮增压器中，高压级增压器和低压级增压器串联地配置在废气的流路上，并利用废气控制阀切换控制所述高压级增压器的废气流路和低压级增压器的废气流路的流量，其中高压级增压器具有由自发动机的排气岐管排出的废气驱动的高压涡轮机，低压级增压器具有由驱动该高压级增压器后的废气驱动的低压涡轮机。该二级增压式排气涡轮增压器的特征在于，将所述排气歧管、高压级增压器的高压涡轮机壳体以及收纳有所述废气控制阀的阀外壳一体化并构成排气岐管一体型外壳。

但是该装置是排气管一体型外壳由一体的铸造件构成，在柴油机市场应用中，只在3.0L及以下的轻型柴油机发动机增压系统中少量使用，因为这类大小的排气管尺寸较小，由其适用于小型发动机中的紧凑式设置使用，但是废品率较高；其中中重型发动机增压系统使用，则受限于增压器体积，加工困难，通用性差等因素，因此排气管一体型外壳不适合应用于中重型发动机增压系统。

中国国家知识产权局公开了一个申请号为201711177012.1的专利，该方案包括高压级增压器，高压级涡轮出口排烟管，增压器支撑体和低压级增压器；高压级增压器连接发动机排气管；所述增压器支撑体一端固定在发动机上，另一端通过中空法兰上面支撑连接低压级增压器，下面连接高压级涡轮出口排烟管，法兰的中空部分为气流通道；所述高压级涡轮出口排烟管上设有可以调节长度和角度的软管结构。本实用新型具有以下优势：本实用新型应用于发动机二级增压系统安装支撑，在紧凑性连接过程中，通过一个带中空法兰的增压器支撑体，实现高低压级增压器支撑互不影响；同时高压级增压器的两个支撑中有可调节的波纹管设计结构，可以避免出现支撑过定位。

但是该装置系统体积重量均会增加，尤其是两台增压器在发动机上的安装固定形式较单级增压器更为复杂困难。

中国国家知识产权局公开了一个申请号为201711177012.1的专利，该方案包括在缸盖的左右两侧分配配置的排气歧管以及进气歧管、以及利用从排气歧管排出的废气的流体能量对流入于进气歧管的新气进行压缩的增压机。增压机由包括与排气歧管连结的高压增压机和与高压增压机连结的低压增压机的二级增压机构成。高压增压机配置于排气歧管的左右一侧方，并且低压增压机配置于排气歧管上方。

但是该装置仅限于应用于串联增压，不能实现高速时或者希望工况下高压级断开，只有低压级工作的模式。

综上可得知，现有技术的研发人员对均是围绕这如何在中小型发动机进行紧凑式一体设计，缺忽略了受限于其加工成本高，加工困难，无法将其大体积化应用于中重型发动机场合使用；及单一模式的顺序连接，无法保证当发动机低转速时提高系统的响应，及如何在高速转动时有效控制发动机的爆压值，所以现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供一种紧凑型顺序二级增压系统，用以解决传统技术中如何实现在中重型发动机中，紧凑式布置增压器的同时还降低生产成本；如何保证低转速时提高系统响应；以及如何高转速时有效控制发动机爆压值的问题。

为解决上述问题，本实用新型提供如下技术方案：

一种紧凑型顺序二级增压系统，包括高压级涡轮机及低压级涡轮机，所述高压级涡轮机与所述低压级涡轮机之间连接有紧凑式连接腔道，所述紧凑式连接腔道包括连通所述高压级涡轮机的涡前端和所述低压级涡轮机的涡前端的进气三通管。

作为一种改进的方案，所述进气三通管内还设有用以通断阀，并利用所述通断阀将所述进气三通管的气路分为独立连通所述低压级涡轮机的涡前端的第一气路，和独立连通所述高压级涡轮机的涡前端的第二气路。

作为一种改进的方案，所述紧凑式进气腔道还包括将所述高压级涡轮机的涡后端与所述低压级涡轮机的涡前端相连通的低压级进气腔壳，并通过所述低压级进气腔壳形成第三气路。

作为一种改进的方案，所述高压级涡轮机设有旁通阀，所述高压级涡轮机内设有连接所述旁通阀的出气端的旁通流道，所述旁通流道的出口与所述低压级进气腔壳相连通，并通过所述旁通流道形成第四气路。

作为一种改进的方案，所述进气三通管的进口端为支撑平口，并通过所述支撑平口形成支撑连接面。

作为一种改进的方案，所述通断阀包括蝶阀，所述蝶阀设有开与关两个动作，当所述蝶阀处于关动作时，封闭所述第一气路。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

该方案发动机中低速时，使用(小的)高压级增压器为主，提高系统响应性，并改善进气流量和压力；高速时只使用(大的)低压级增压器，有效控制了发动机爆压值；其中低压级涡轮机与高压级涡轮机之间通过进气三通管连接，有效的降低的体积的同时，实现将分体的两者进行连接，并利用进气三通管将两者支撑固定于发动机系统中，便于对其进行支撑；利用通断阀实现的串并联的顺序切换连接使用，满足不同场景下的切换使用；

本实用新型的高低压级增压器可以直接使用现有的系列化增压器，不需要单独开发新增压器壳体模具。尤其是在性能配试阶段，可使用已有增压器进行多方案配试，可快速组合出多种方案，试验成本低，周期短。是一种系统成本低、占用空间少，可靠性高的增压系统解决方案。在进行产品的拓展应用时，该设计方法的增压系统都容易实现系列化；

管道数量少，简化了连接关系，由此大大减轻系统重量并减少部件数量，减少因螺栓结合等而引起的组装工时，进而减少狭窄的发动机室内的分解工时。

本实用新型中高低压级增压器可以直接使用现有的系列化增压器，不需要单独开发新增压器壳体模具。尤其是在性能配试阶段，可使用已有增压器进行多方案配试，可快速组合出多种方案，试验成本低，周期短。是一种系统成本低、占用空间少，可靠性高的增压系统解决方案；

作为增压系统供应商，会面对多客户，发动机排量、功率及后处理策略诸多不同，高低压级增压器的气动参数也会有同样差异；这些发动机的结构排布、接口尺寸等也都有差异，在进行产品变形时，可以通过已有的系列化增压器进行组合使用，设计需要变化的接口管道就可以实现产品变形及多方案的验证。大大减少了模具数量，减少了因不同外观引起的加工工装、刀具成本，从而减少了制作成本及制作周期，在匹配验证阶段，可缩短动力涡轮验证周期，快速响应客户需求；在量产阶段以及在进行产品的拓展应用时，生产效率提高，增加产品的利润率，该设计方法的增压系统都容易实现系列化；实现了通过简单的改进克服了大的技术难题；大大的降低了生产成本；并且克服了传统技术因复杂的部件构建；结构简单，装配工艺步骤简便；结构简单，使用寿命长；结构简单，工作稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型旁通流道的结构示意图；

图3为本实用新型外部结构示意图；

图中：1-低压级涡轮机，2-高压级涡轮机，3-进气三通管，4-第一气路， 5-第二气路，6-第三气路；7-第四气路；8-通断阀；9-支撑连接面；10-低压级进气腔壳；11-旁通流道；12-旁通阀。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1至图3所示，紧凑型顺序二级增压系统，包括高压级涡轮机2及低压级涡轮机1，高压级涡轮机2与低压级涡轮机1之间连接有紧凑式连接腔道。

紧凑式连接腔道包括连通高压级涡轮机2的涡前端和低压级涡轮机1的涡前端的进气三通管3。

进气三通管3内还设有通断阀8，并利用通断阀8将进气三通管3的气路分为独立连通低压级涡轮机1的涡前端的第一气路4，和独立连通高压级涡轮机2 的涡前端的第二气路5。

紧凑式进气腔道还包括将高压级涡轮机2的涡后端与低压级涡轮机1的涡前端相连通的低压级进气腔壳10，并通过低压级进气腔壳10形成第三气路6。

高压级涡轮机2设有旁通阀12，高压级涡轮机2内设有连接旁通阀12的出气端的旁通流道11，旁通流道11的出口与低压级进气腔壳10相连通，并通过旁通流道11形成第四气路7。

进气三通管3的进口端为支撑平口，并通过支撑平口形成支撑连接面9，通过支撑连接面9，对两者进行支撑连接，因为高压级增压器较小，可以由发动机排气管支撑，增压器的重心一般偏向涡轮壳，通常在低压级涡轮箱上另外找固定支撑点，其中通过该结构的设置，支撑位置的选用，满足了系统的载荷分布、振动应力。

通断阀8包括蝶阀，蝶阀设有开与关两个动作，当蝶阀处于关动作时，封闭第一气路4。

本实用新型是针对直列6缸重型发动机，设计了一种紧凑型的顺序二级增压系统管路，由其的适用于重型发动机使用。

其中，高压级增压器具有由自发动机的排气岐管排出的废气驱动的高压涡轮机，低压级增压器低速时由驱动该高压级增压器后的废气驱动的低压级涡轮机。

顺序增压、串联增压等二级增压在结构排布中，低压级支撑是主要约束因素，往往为了寻找可靠的支撑点，增压系统排布的很松散、占用空间大，或者重新设计、生产排气管等高成本零部件，本方案是在相近的顺序增压的原理下进行创新性的结构排布，排气管使用现有排气管即可，不需重新设计；将新设计有效组合零部件，在完全借用现有的系列化的高低压级增压器、通断阀、压只是新设计进气三通管，进气三通管实现气流流通、系统零组件支撑的双重作用，总中冷器使用现有的话，则再添加总中冷器进口三通。

关于增压器的支撑，增压器是增压系统的重量、受力的主要部分，低压级增压器重量明显高于高压级增压器，本结构中不需要专门设置支撑部件，通过进气三通管上的支撑平口与排气管出口直接相连接，很好地保持了空气滤清器、后处理装置及其管路的排布。

更重要的是系统需要管路排布一定距离，但该方案中没有造成低压级增压器带来的支撑强度不足、系统弯矩大等，也没有额外占用空间。

对于管路排布是影响流体损失的主要方面之一，影响增压系统性能的重要因素，尤其是紧凑型设计时需要关注的，本专利中在空间排布进行了重点考虑，

发动机低速时，通断阀关闭，关闭第一气路，废气沿第二气路进入至高压级涡轮机的涡前端进行做功，之后通过第三管路进入到低压级涡轮机的涡前端进行做功，为使得高压级涡轮机出口废气顺畅进入低压级涡轮机，进气三通管的高压级涡轮机通道接口左移，空间上使得高压级涡轮壳出口也左移，减缓了气流的扭转带来的损失；

发动机中转速时，通断阀依然关闭，第一气路依旧处于关闭状态，旁通阀处于开启状态，废气大部分沿第二气路进入至高压级涡轮机的涡前端进行做功，小部分废气不进入高压级涡轮机的涡前端进行做功，而是通过旁通阀沿第四管路直接输送至第三管路中，之后两部分废气通过第三管路一同输送至低压级涡轮机的涡前端进行做功。

发动机高转速时，通断阀关闭，开通第一气路，由于高压级涡轮机涡前涡后压力相同，所以废气无法通过第二气路进入至高压级涡轮机，而废气则通过第一气路直接进入至低压级涡轮机的涡前端进行做功，三种工作模式下气流通道紧凑、顺畅地实现传递。

压气机侧的结构相同，压气机出口三通材质使用铝合金即可，质量轻，可以依靠低压级压气机壳支撑。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种紧凑型顺序二级增压系统，其特征在于：包括高压级涡轮机(2)及低压级涡轮机(1)，所述高压级涡轮机(2)与所述低压级涡轮机(1)之间连接有紧凑式连接腔道，所述紧凑式连接腔道包括连通所述高压级涡轮机(2)的涡前端和所述低压级涡轮机(1)的涡前端的进气三通管(3)。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型顺序二级增压系统，其特征在于：所述进气三通管(3)内还设有用以通断阀(8)，并利用所述通断阀(8)将所述进气三通管(3)的气路分为独立连通所述低压级涡轮机(1)的涡前端的第一气路(4)，和独立连通所述高压级涡轮机(2)的涡前端的第二气路(5)。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型顺序二级增压系统，其特征在于：所述紧凑式进气腔道还包括将所述高压级涡轮机(2)的涡后端与所述低压级涡轮机(1)的涡前端相连通的低压级进气腔壳(10)，并通过所述低压级进气腔壳(10)形成第三气路(6)。

4.根据权利要求3所述的一种紧凑型顺序二级增压系统，其特征在于：所述高压级涡轮机(2)设有旁通阀(12)，所述高压级涡轮机(2)内设有连接所述旁通阀(12)的出气端的旁通流道(11)，所述旁通流道(11)的出口与所述低压级进气腔壳(10)相连通，并通过所述旁通流道(11)形成第四气路(7)。

5.根据权利要求1所述的一种紧凑型顺序二级增压系统，其特征在于：所述进气三通管(3)的进口端为支撑平口，并通过所述支撑平口形成支撑连接面(9)。

6.根据权利要求2所述的一种紧凑型顺序二级增压系统，其特征在于：所述通断阀(8)包括蝶阀，所述蝶阀设有开与关两个动作，当所述蝶阀处于关动作时，封闭所述第一气路(4)。

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