CN101245714A - 一种引射补气涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用外源压缩空气对涡轮增压器转子施加补充能量以提高增压压力改善内燃机低工况性能与瞬态特性的涡轮增压器。它由一个普通常规结构的涡轮增压器与两个附件——气体引射器和补气室共三部分组合而成。外源高压压缩空气经气体引射器引射一部分低压增压空气形成补气空气，流入补气室与内燃机排气混合，增加了流入涡轮的燃气流量，从而使涡轮功率和增压压力提高。与现有技术相比，本发明具有技术成熟、结构简单、使用安全可靠、成本低、控压直接、调控力度大、响应快、效果好的优点，并能保持调控后的工况连续运转，可在车、船和工程机械的内燃机上使用。

Description

一种引射补气涡轮增压器

技术领域

本发明涉及内燃机增压技术领域中的涡轮增压器

背景技术

内燃机涡轮增压是旋转式叶轮机械的涡轮增压器与往复式活塞机械的内燃机的配合运行。由于这两种机械本身的工作特性不同，必然会使原本在某一工况参数实现良佳匹配的联合工作，当在工况参数变化后会出现诸多匹配上不相适应的问题。其中，如何改善高增压内燃机低工况(低转速、低负荷工况性能)及瞬态特性(加速性)的问题最令人瞩目。在不断追求高平均有效压力并相应改善低工况性能及瞬态特性的内燃机涡轮增压技术发展过程中，产生了现有技术的多种增压***与改善措施(详见陆家祥主编·柴油机涡轮增压器·北京·机械工业出版社·1999·137～200及朱大鑫编著·涡轮增压与涡轮增压器·北京·机械工业出版社·1992·411～420中的相关介绍与评述)。

鉴于改善低工况性能及瞬态特性的措施都可归结到“提高增压压力”同一技术关键上，因此提高增压压力的幅度大小与增长速率的高低就成为比较所采用改进措施有效性优劣程度的评判标准。在诸多的改进措施中，除去以内燃机本身的改进内容为主体的技术方案不予分析、评判外，在与涡轮增压器本体构造及其附件配置改进紧密相关的方案中，可调喷嘴环涡轮增压器与具有对转子施加补充能量装置组件的涡轮增压器是改善高增压内燃机低工况性能及瞬态特性的最有实用价值与发展前途的技术方案。

◎涡轮喷嘴环叶片角度调节：转动喷嘴叶片(改变喷嘴叶片安装角)让喷嘴环叶片出口截面积减小，可改变内燃机排出废气的能量使涡轮进口燃气的压力升高，涡轮输出功率增加，增压器转速上升，压气机增压压力增大；反之，调节喷嘴叶片安装角让喷嘴环出口截面积加大，则可使涡轮进口燃气压力下降，涡轮输出功率减少，增压器转速相对减小，增压压力降低。这样，在内燃机低转速工况，当转速降低时，可减小喷嘴环出口截面积，使增压压力下降不致过大；对于内燃机高转速工况，当转速升高时，可增大喷嘴环出口面积，使增压压力不致过量增升。该技术的优点是：在低转速工况可以增大低速扭矩；扩大了低燃耗运行区的范围，可以满足内燃机排放与噪声规范的要求。缺点是结构复杂，制造精度高，价昂，因在高温、碳烟的环境下工作，难以保证结构与操作***的可靠性，叶片转动会出现卡滞、咬死而失效，为此，它仅在燃气温度相对较低的柴油机的涡轮增压器上获得应用，至今仍未推广应用在燃气温度更高的汽油机用的涡轮增压器上。此外，由于转动叶片的需要，在叶片与蜗壳壁间须预留的间隙中的燃气泄漏与叶片进口气流冲角的变化和反动度变化，会导致涡轮效率下降，不允许调节幅度过大。尤为重要的是，对于按标定工况参数匹配的高增压(高平均有效压力)涡轮增压内燃机，在低(转速、负荷)工况运行时，排气的能量(燃气压力、温度与流量的综合)会出现严重不足，无法使增压器的涡轮提供压气机产生高增压压力所需要的功率。因此，对于不具有对涡轮转子施加补充能量装置的涡轮增压器，即使采用可调喷嘴环涡轮调节，它对增升低工况增压压力的幅度也是相当有限的。这一情况，当标定工况的平均有效压力值越高时，则在低工况时的增压比与要求值的差额也越大，从而导致进气量不能满足气缸燃烧所需空气量的要求，产生冒黑烟、排气温度过高等不良后果。这样，为了对低工况特性和瞬态特性进行大幅度的改善，就必须采用利用外界能源对转子施加补充能量装置的改进措施。下面，对现有技术中的相关技术方案作简单介绍、评述。

◎利用外界能量补充供气的方法：向涡轮增压器的压气机叶轮和/或在中冷器出口喷射高压压缩空气是比较方便的。在载重车辆和船舶内燃机装置中一般都带有高压气源，如卡车的制动***和船舶及坦克上的空气启动***。利用车上的高压气源，在加速时进行喷射引气可有效地改善加速性与提高增压压力。该方案由于车载贮气筒罐容积大小的限制，车辆上只能间歇使用(一般连续使用不超过一分钟便须停用，然后须再向贮气筒充气，以备再用)。停用喷射高压空气后，原工况参数(增压空气流量、增压压力、扭矩、功率、排气温度等)就不能继续维持，而变回至接近喷射前的状态。另外，这种向压气机叶轮和/或在中冷器出口喷射压缩空气的技术方案，其依靠引射使压气机流量的增加与增压压力提高的程度都受内燃机工况参数的制约(因进入内燃机气缸的空气流量是高压喷射的压缩空气量与压气机流量之和，进入气缸的空气压力则是压缩空气与压气机出口的空气经引射混合后的混合气压力。由于气缸工作容积一定，致使流入气缸的空气流量与压力之间在给定工况的转速下的依赖变化关系也就确定)。它们变化的幅度范围也相应可由参与高压射流的喷射压缩空气的参数所确定。因受气缸容积的限制，扣去喷射压缩空气的流量后，由“引射”增加的压气机流量是很有限的。因此，本技术方案的引射补气量不大，基本接近高压气射流补气。若要获得高值增压压力并维持较长的时间，则高压气源的耗气量就很大。该方案的优点是射流引射的附加空气也都参与气缸内燃料的燃烧，可以提高瞬态过渡过程功率的输出，有益于加速性的改善。

◎向涡轮转子喷射高压油助推涡轮转子改善低工况性能与瞬态特性的方法：

在涡轮增压器转子轴的中间部位加装一个冲击轮(水轮机中的彼尔顿叶轮构造)，由专门油泵产生的高压油向冲击轮喷射，以助推加速涡轮转子转动，缩短滞后期并提高增压压力，喷油时间由电磁阀控制。这也是一个利用外界能量对转子施加补充能量的装置。由于需新增设一套液压供油及控制***，大大增加了***的复杂性，另外也存在着转子惯量增加的问题，影响加速性的提高。与向涡轮增压器压气机叶轮和出口喷射高压空气的前述方案相比，均较逊差，至今未达实用阶段。

◎利用外界能量对转子施加补充能量的电涡轮复合技术：该技术方案由一台涡轮增压器和集成到涡轮转轴上的电动机/发电机组成。发电机吸收内燃机高转速、高负荷工况下涡轮过剩的动力，所产生的电力被用于驱动安装在内燃机曲轴上的电动机，回收内燃机排气中可能被浪费的能量。当低转速、低负荷工况下提升增压压力的涡轮增压器的压气机所需的功率不能得到满足时，电机可以作为电动机来加速涡轮转轴。这时，电动机运转所需的电能由安装在曲轴上的电机产生，或由电涡轮复合***中的储能装置提供。其典型技术方案可参见美国能源部重型车辆技术局与Caterpillar公司合作开发的公路用卡车柴油机电涡轮复合***(V.Hopmann，M.C.Algrain·柴油机电涡轮复合技术·国外内燃机·2007(1)·46～50)。该方案具有很大的控制灵活性，可改变吸收功率的量，控制增压压力的提升幅度，从而控制空燃比，并可降低燃油耗约5％左右。其缺点是***结构非常复杂，特别是涡轮增压器本身由于在涡轮转子和轴承体(中间壳)上分别加装了电机转子和静子的绕组，其结构更为复杂并增大了体积与转子的转动惯量。此外，该***又比通常的涡轮增压器多增了电路与冷却空气通路(冷却定子绕组散热)，形成气、水、油、电的管路均全，事故率显著增大，制造与维修成本大幅增加。目前，该技术尚处于研发阶段，许多方面需要改进、完善，远未达到商品化的实用程度。

◎中国专利公开号CN101113678A公告了一种具有补气可调涡轮喷嘴环(喷嘴叶片环或无叶喷嘴环)结构的涡轮增压器。在该技术方案中，利用引自涡轮增压器本身压气机出口和/或外部气源的压缩空气，经过喷嘴叶片环中固定不动的喷嘴叶片的空心内腔或无叶喷嘴环(即涡轮无叶蜗壳)进口管内壁附近的空心夹层，由喷嘴叶片环中喷嘴叶片叶型的背面(或腹面)和/或尾缘部位开割的通流槽缝或无叶蜗壳(无叶喷嘴环)舌尖零度截面附近空心夹层出口的环弧线通流缝隙，顺流射吹喷嘴叶片环或无叶蜗壳流道内和/或出口的燃气(内燃机排气)主流，使缝隙射流(空气)与主流(燃气)混合后的气流在喷嘴环出口产生流向偏转，造成出口气流角(即出口流动截面积)的改变。与现有技术利用转动喷嘴环叶片(有叶喷嘴环)或舌形挡板(无叶蜗壳)改变其安装角度的喷嘴环变出口几何截面的机械调节方式不同，该方案全用压缩空气的射流、引射进行气动调节。该方案原则上属于具有外界能量对转子施加补充能量功能装置的一类涡轮增压器，当利用外源高压空气进行射流引射补气时，可以大幅提高增压压力(提高的程度是不具有补能装置的可变几何截面喷嘴环调节无法达到的)，但在停用外源高压空气后，依靠引流增压器本身压气机出口的气流进行射吹，也可维持增压压力在一个较高的水平，这是前述引射补气方案所不具备的。特别对于采用喷嘴叶片环(有叶喷嘴环)利用涡轮增压器本身的压气机出口的压缩空气经过固定喷嘴叶片空心内腔射吹补气的方案，由于在压气机出口与喷嘴环出口(涡轮叶轮进口)之间一般都存在较大压差，非常有利于引流补气，当要求提高的增压压力值不甚大时，有可能不需采用外源高压空气射流补气而仅靠压差由压气机出口引流补气就可以达到所需的增压压力增升。该方案与用机械方式转动喷嘴叶片或舌形挡板改变安装角度的变几何截面可调涡轮增压器方案相比，具有调控力度大，结构简单，成本低，效率高，安全可靠，调控方便及能适用于汽油机涡轮增压等优点，其缺点是一般需增加外源高压气源装置。这个缺点也是具有对转子施加补充能量功能的现有已知技术方案所共有的。但与前述高压空气/油/电补能装置的***相比，该技术方案是调控效果最好，结构最简单，改动工作量最小就可整合融入车、船现用内燃机动力***的方案，实用性最强。该方案另一不足之处为：它的引入外源高压压缩空气组件的结构，使高压射流空气的流入动量值很低(高压空气由外界气源引入涡轮喷嘴叶片环气室或无叶蜗壳进口几乎全靠静压差的作用，流速不高)，未能发挥高压空气利用气流高速获得的射流引射补气作用，致使为达到同一增压压力耗用的高压空气量显著增大，也令高压气源装备的容量、体积、投资和耗能相应增大。

为了改进该技术存在的缺点与不足，本发明公开了一种新的改进内燃机低工况性能与瞬态特性的射流引射补气涡轮增压器方案。

发明内容

本发明的目的在于为改进内燃机的低工况性能与瞬态特性提供一种射流引射补气功能更好，结构更简单，成本最低，调控最方便，能在全转速工况范围内满足内燃机动力性、经济性和排放要求的射流引射补气涡轮增压器。本发明为实现上述目的采用的技术方案如下：

本方案的核心技术是利用外源压缩空气供气装置的贮气罐中流出的高压压缩空气，引入单级气体引射器的喷管，在喷管出口形成高速空气射流后将涡轮增压器的压气机出口的部分增压空气引射流入气体引射器中并与之混合，然后混合气经扩压管升压，导至安装于内燃机排气管与涡轮增压器涡轮蜗壳之间的补气室，在蜗壳进口管进口部位附近流出，再次对内燃机排气实施引射混合后，流入涡轮蜗壳，完成对涡轮增压器的涡轮进行补气的全过程。

流入涡轮增压器涡轮叶轮的空气燃气混合气，系由内燃机排气燃气和“补气”(外源高压射流空气和由它自增压器的压气机出口旁通管路引射流入到气体引射器中的部分增压空气的混合空气)所组成。由于“补气”的参与，使流过涡轮叶轮的燃气工质数量大幅增加(增加值为补气的空气质量流量值)，并因此导致涡轮功相应大幅增大、压气机出口增压压力获得显著增升。增压压力的提高，使进入内燃机气缸的进气质量流量因进气密度的增加而增加，也使由压气机出口旁通流入引射器的气量因静压差的增大而有所增加。这两种连锁效应，对增大涡轮流量与提高增压压力有“良性循环收敛”的助益，减少工况过渡时间，加速工况参数的稳定。

合理设计气体引射器的几何尺寸与调节高压射流空气进入引射器喷管的气体压力及控制连接压气机出口与气体引射器管路上旁通阀的阀门开度，就可根据内燃机低工况的需要，配制提供所需的增压压力值。

在利用高压射流压缩空气达到内燃机工况所需的增压压力值后，则可关闭高压压缩空气罐的出气阀门，停止对气体引射器喷管的供气，节约高压空气耗量。此时，可适当调节旁通阀的开度，靠在该工况已建立起的内燃机进排气管间的静压差加大由压气机出口旁通流入补气室的引射空气量(在此情况下，补气室中的内燃机排气对该部分空气的流入也有一定的引射作用)补入涡轮。从而可将内燃机的工况参数(包括静压压力)维持在停用高压射流压缩空气前相近的状态(参见陆家祥主编·柴油机涡轮增压技术·北京·机械工业出版社·1999·144～145·图5-19，5-20)。这样，本发明方案就可用外源高压空气射流在短时间内建立起低工况所需的增压压力后，即可利用旁通阀调节控制压气机出口旁通引射到补气室的部分增压空气的“补气”流量长期维持该增压压力值，以实现内燃机在所需的工况能长期稳定的运转。

气体引射器的构造与工作原理如下：气体引射器组件由缸体1、喷管2、收敛段3、混合段4和扩压器5共五部分组成(附图1)。喷管2的壁面型线可为收缩型或收缩——扩张型结构，其出口一般位于收敛段3的进口处。当从贮气罐流出的高压空气经调压阀进入喷管2后，空气膨胀并加速。空气可随喷管2壁面型线的结构和喷管2出口与进口空气压力比值的大小不同而呈亚声速、声速、超声速流动。一般，由于贮气罐空气压力较高，致使喷管2出口空气压力与进口空气压力的比值P₂/P₁一般情况下都小于临界压力比P_cr/P₁＝0.52828，导致喷管2出口的气流呈超声速流动，其喷管壁面型线也宜相应采用收缩——扩张型结构(即Laval喷管结构)。由喷管2出口流出的高速空气射流的扰流剪切力作用在由压气机出口经旁通阀流入引射器缸体1的低速低压增压压力空气上，并带动其与之混合(呈现引射效应)。两股气流动量交换的结果，使射流气流的流速减至亚声速(经过激波作用)，在激波之后，混合气在收敛段3中再次加速，进入混合段4继续混合，达到几乎均匀一致的流速分布。最后，混合气流通过扩压器5把部分动能(速度头)转换成压力，流入补气室。

补气室是安装在内燃机排气管出口法兰与涡轮增压器涡轮蜗壳进气法兰之间的一个箱形通气管道。在该箱形管道中，安放着将气体引射器流出的空气引接流往涡轮蜗壳进口部分的导气管路(对于多流道进口蜗壳，导气管路应与流道一一对应配接)，内燃机排气燃气则在导气管路的外部在箱内由排气管出口法兰流向涡轮蜗壳进口法兰。当进行外源高压空气补气时，由导气管流出的仍具有相当高速度的射流引射混合空气，在流入涡轮蜗壳进口管附近对内燃机排气燃气实施射流引射，减少了排气管流动阻力和排气背压，这对减少内燃机活塞的排气功与降低燃油耗十分有利。如所周知，内燃机与涡轮增压器的良佳匹配应使增压压力尽量高而内燃机排气背压宜尽量低时才会实现。本发明方案恰能符合这一要求。补气室也可设计成让内燃机排气(燃气)在导管内流而补气空气在导入补气室后在包围燃气管道外面流动的结构，但该种结构不利于空气补气引射功能的发挥。

本发明方案的引射补气涡轮增压器系由一个普通常规结构的涡轮增压器及其两个附件——气体引射器和补气室共三部分所组成。由它构成的内燃机涡轮增压***示于附图2。在该***中，内燃机1的曲轴带动二级或三级活塞式空气压气机2，将压缩空气送入贮气罐3内，其压力可高达10MP_a。当利用高压空气射流引射时，接通电磁阀4，高压空气由贮气罐3中流出进入引射器5，引射经旁通阀6由涡轮增压器的压气机7出口位于中冷器8前的一支旁通管路流入引射器5的部分低压增压空气，经混合、扩压后流入补气室9，最后再次与内燃机排气引射混合后完成“补气”，流入涡轮增压器的涡轮10。

***中的活塞式空气压气机2与贮气罐3宜尽量与现有载重车辆和船舶内燃机装置的制动或启动***中的压气机和贮气罐整合共用，使其兼具两种功能。对于船舶内燃机因几乎不需改动，所以应无问题；但对载重卡车的活塞压气机则应采用产压更高的型号，并须增厚贮气罐的壁厚尺寸使之能承受10MP_a的高压，至于制动功能，可保留诸贮气罐等原设备配置不变，仅需将贮气罐流出的空气减压至1MP_a即可。对于本发明方案能否在小型车辆上安装得下的疑虑，可用早年曾在小客车上应用过外源高压空气引射器直接提供增压空气的“冲压式增压***”的实例释疑(详见江厚美、潘庆祜、蔡文兴编著·汽车发动机增压技术·北京·人民交通出版社·1984·45～48中的评述介绍)。

如前所述，本发明方案由于旁通阀6具有控制参与引射补气的压气机出口增压空气量大小的功能，可在停用外源高压空气射流气后(即高压射流空气本身的补气量等于零)，仍然能用旁通阀6控制的增压空气补气量继续向涡轮增压器中的涡轮进行加量补气，以弥补因高压射流气停用后带来的补气量的减少，从而使压气机出口增压压力等诸工况参数仍可保持在停用高压射流气前相近的量值，实现运转工况的保持和连续。这一优点是利用外源高压空气射流向涡轮增压器的压气机叶轮和/或压气机出口(中冷器前或中冷器后)的增压空气喷射的现有技术方案所不具备的。

注意到在内燃机低转速工况，采用“向增压器涡轮补气”和“减小涡轮喷嘴环出口面积”两项改善低工况性能措施的实质，都是减少或削弱因内燃机转速下降造成的气量减少对涡轮进口气流总压下降产生的影响程度。补气措施是直接用补气量弥补涡轮进气量的减少，效果非常明显、直接。调小喷嘴环出口面积的调节措施是在涡轮进气量已经减小的情况下，用减少喷嘴环面积的程度抑制、削弱涡轮进口气流总压的下降。二者的功能目标一样，但调节效果与力度不同。但从调升增压器压气机出口空气的增压压力幅度而言，仅采用补气一项措施已足够，不需再附加采用使结构复杂化的喷嘴环调节技术，因此本发明比中国专利号CN101113678A公告的方案结构简单、实用，在调控简单、占位体积小、制造和维修成本低方面也略占优势。但在涡轮变工况效率、流场均匀性、减少叶轮振动、特别是维持高压射流空气停用后的工况参数方面则CN101113678A方案相对本发明方案稍优。另外，由于补气室的结构可以实现：补气空气对内燃机排气燃气的引射(外源高压射流空气工作的情况)和内燃机排气燃气对补气空气的引射(外源高压射流空气停用的情况)，自减少排气管阻力、降低排气背压和利用流入涡轮蜗壳进口的燃气动能方面考虑，本发明方案也较CN101113678A方案优越，尤其适合具有涡轮无叶涡壳结构的涡轮增压器应用。

综上所述，与现有技术相比，本发明方案提供的是一种射流引射补气功能更好、结构最简单、使用安全可靠、制造与维修成本最低、调控最方便、调控力度大、响应快、效果好、能在内燃机全转速工况满足增压压力需要的涡轮增压器。

本发明方案气体引射器装置高压射流空气的压力择用范围一般为(0.25～0.7)MP_a，引射比(即被引射的低压增压空气的质量流量与高压射流空气的质量的比值)的择用范围约为1.5～4。

附图说明

图1示出的是单级超声气体引射器的结构示意图。

图2示出了射流补气涡轮增压***的示意图。

图3示出了一种单级超声气体引射器实际结构例及与其配接的双流道进口涡轮无叶涡壳的补气室实际结构例。

具体实施方法

以下，通过实施例与结合附图对本发明的技术内容作进一步的描述。

如上所述，本发明方案的技术核心是利用外源压缩空气供气装置的贮气罐中流出的高压压缩空气，通过它在气体引射器喷管中的膨胀加速形成的高速射流空气，引射由涡轮增压器的压气机出口旁通流入气体引射器缸体的低压增压空气，二者在引射器的混合段混合并经扩压管升压后形成“补气空气”，导入安装在内燃机排气管出口法兰与涡轮增压器的涡轮蜗壳进口法兰之间的箱形补气室中的导流管，最后在补气室出口(涡轮蜗壳进口)附近，补气空气与内燃机排气燃气引射混合后流入涡轮叶轮。由于“补气空气”的参与，增大了涡轮燃气工质的质量流量，使涡轮的作功能力大幅增加，从而也相应提高了增压器压气机出口的增压压力，使内燃机的低工况性能与瞬态特性获得显著改善。

本发明方案的引射补气涡轮增压器系由一个普通常规结构的涡轮增压器及其附件——气体引射器与补气室共三个部分组成。附图3示出的是一个载重卡车用的引射补气涡轮增压器中的两个附件——单级超声气体引射器及与该引射器配接的补气室的结构设计实例。其中，单级超声气体引射器组件的构造附图3a为典型的同轴单级超声引射器结构(附图1)。它的核心部件喷管2为Laval喷管，对其通流部分的几何形状与尺寸(尤其是最小截面处的尺寸)的精度要求与机械加工光洁度等级的要求都非常高，必须精细设计与加工。由于车用内燃机的涡轮增压器的增压空气流量一般都很小，相应在低工况和负荷变化时耗用的高压射流补气空气量也较小，因此气体引射器组件的尺寸与供应其高压射流空气的空压机和贮气罐的供气容量及相关的设备投资与占位体积均相应变小，这是本发明方案在小型车辆上也可应用的原因所在。图3a示出的气体引射器采用变压引射，其高压射流空气的引射压力范围为(0.3～0.6)MP_a，引射比约为3。图3b示出的是与气体引射器组件对接的补气室构造。补气室实际是一个箱形通气管道。它的进气端法兰1与内燃机排气管的出口法兰连接，而出气端法兰2则与涡轮增压器的涡轮进气蜗壳的进气端法兰相接。由于内燃机排气管出口与涡轮增压器的涡轮进气蜗壳均为双流道结构，所以补气室也须相应并排地布置成两个平行的气室结构进行配接。由气体引射器流出的补气空气，由一个三通接头分成两路，经补气导管3流入补气室，在补气室出口附近与内燃机排气(燃气)引射混合后流入涡轮。补气室结构简单，对形位、尺寸与光洁度等级方面的要求均不高，故可经简单机械加工后焊接合成。

Claims (2)

1，一种引射补气涡轮增压器，它由一个普通常规结构的涡轮增压器与两个附件——气体引射器和补气室共三个部分组合而成。其特征在于：气体引射器喷管的高压射流空气进口与外源高压空气供气管路相接，而气体引射器的低压引射空气的流入口须与涡轮增压器的压气机出口的一支旁通管路接通；补气室的导气管与气体引射器中混合空气的流出口配接，补气室的进口端的法兰与出口端的法兰分别与内燃机排气管的出口法兰和涡轮增压器涡轮蜗壳的进气端法兰对接。

2，按权利要求1所述的引射补气涡轮增压器，其特征在于：气体引射器喷管进口的高压射流空气的压力择用范围为(0.25～0.7)MP_a，引射比范围为1.5～4。

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