CN101313135B - 具有两级涡轮增压***的内燃机 - Google Patents

具有两级涡轮增压***的内燃机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有排气管(15，16)和进气管(12)和的内燃机(10)，所述排气管(15，16)用于排出来自发动机燃烧室(11)的废气；所述进气管(12)用于提供空气至所述燃烧室。内燃机包括具有高压涡轮(17)和低压涡轮(21)的涡轮增压***，所述高压涡轮(17)与高压压缩机(19)相互作用，所述低压涡轮(21)与低压压缩机(23)相互作用，用于从发动机的废气流中提取能量并增加发动机的进气的压力。高压涡轮(17)通过管路(20)连接至低压涡轮(21)。废气压力调节器(20a)位于高压涡轮(17)和低压涡轮(21)之间的管路(20)内。

Description

具有两级涡轮增压***的内燃机
技术领域
本发明涉及具有排气管、进气管和涡轮增压***的内燃机，所述排气管用于排出来自发动机燃烧室的废气，所述进气管用于提供空气至所述燃烧室，所述涡轮增压***具有高压涡轮和低压涡轮，所述高压涡轮与高压压缩机相互作用，所述低压涡轮与低压压缩机相互作用，涡轮增压***用于从发动机的废气气流中提取能量并增加发动机的进气的压力，所述高压涡轮通过管路连接至所述低压涡轮。
背景技术
用于重型车辆的柴油发动机通常要求较大的空间，因为它们具有各种用于增压、冷却和废气后处理的***。例如，存在具有二级增压的涡轮增压***，其通常基于为单级增压而设计的标准装置。
废气压力调节器用于多种类型的发动机中，以在排气***内生成背压，例如以便改善四冲程内燃机的制动力。此外，可以利用来自废气压力调节器的背压，以增加进入进气侧的再循环气体(所谓的EGR气体)的量。此外，当起动时，可以利用背压来更快速地加热发动机。废气压力调节器通常位于涡轮增压***的下游，以免对发动机的效率带来负面影响。
发明内容
因此，本发明的一个目的是实现一种具有两级涡轮增压***和废气压力调节器的内燃机，所述废气压力调节器不会在空间和重量方面形成显著需求。
为实现此目的，根据本发明设计的内燃机包括排气管、进气管和涡轮增压***，所述排气管用于排出来自发动机燃烧室的废气，所述进气管用于提供空气至所述燃烧室，所述涡轮增压***具有高压涡轮和低压涡轮，所述高压涡轮与高压压缩机相互作用，所述低压涡轮与低压压缩机相互作用，用于从发动机的废气流中提取能量并增加发动机的进气的压力，所述高压涡轮通过管路连接至所述低压涡轮，并且，根据本发明，所述内燃机的特征在于：废气压力调节器设置在高压涡轮和低压涡轮之间的管路内。由于根据本发明的废气压力调节器的位置设置，可以利用现有的涡轮增压***中的部件来进行废气压力调节，其结果是节约了空间和重量。
可以从所附的从属权利要求中得出本发明的有利的实施例。
附图说明
下面将参照附图中示出的实施例对本发明进行更详细的描述，其中
图1示意性地示出了根据本发明的具有两级涡轮增压***和废气压力调节器的内燃机，
图2是包含在涡轮增压***内的两个涡轮增压级的纵剖面图，
图3是管路的纵剖面图，所述管路连接包含在涡轮增压***内的两个涡轮增压级，并且包括显示为处于开启工作位置的废气压力调节器，以及
图4是与图3相对应的纵剖面图，其示出了处于关闭工作位置的废气压力调节器。
具体实施方式
本发明主要涉及活塞冲程排量大约为6至20升之间的柴油发动机，优选地是用于重型车辆比如卡车、公共汽车和工程机械。通过具有中间冷却的两个串联的径向型压缩机的两级机构实现增压。第一压缩机级称为低压压缩机，其由轴向式低压涡轮驱动。第二压缩机级称为高压压缩机，其由径向型高压涡轮驱动。
图1示出了具有六个汽缸11的发动机体10，所述汽缸以传统的方式连通进气歧管12和两个分开的排气歧管13、14。这两个排气歧管中的每一个都接收来自三个发动机气缸的排出废气。排出废气通过分开的管路15、16输送至位于高压涡轮单元18内的涡轮17，所述高压涡轮单元18包括与涡轮17一起安装在公共轴上的压缩机19。
排出废气通过具有废气压力调节器20a的管路20输送至位于低压涡轮单元22内的涡轮21，所述低压涡轮单元22包括与涡轮21一起安装在公共轴上的压缩机23。排出废气最终通过管路24输送至发动机的排气***，所述排气***包括用于对排出废气进行后处理的装置。
过滤后的进气通过管路25进入发动机，并且被输送至低压涡轮单元22的压缩机23。通过第一中间冷却器27，管路26将进气输送至高压涡轮单元18的压缩机19。在经过此具有中间冷却的二级增压之后，进气通过管路28输送至第二中间冷却器29，其后，进气通过管路30到达进气歧管12。
图2更详细地示出了涡轮增压***，其清楚地示出了至高压涡轮17的两个螺旋状的入口15、16，所述各入口经由进气导管17a向涡轮提供气流。高压涡轮17是径向式，并且通过较短的中间管路20连接至低压涡轮21，由于低压涡轮是轴向式，所以可以使用较短的中间管路20。此短的流动通道使涡轮增压级之间的压力损失最小化。
高压涡轮17与高压压缩机19一起安装在轴31上。以相应的方式，低压涡轮21与低压压缩机23一起安装在轴32上。两个涡轮单元18、22基本上沿着相同的纵向轴布置。中间管路20装配密封件，该密封件通过允许由热量力(thermal force)引起的一定程度的轴向运动和径向运动以及一定程度的装配公差，抑制内应力和泄漏。废气压力调节器20a位于管路20内，下面将对其进行更详细的描述。
轴向式低压涡轮设置有具有进气导管的固定环34。高压压缩机19是径向式压缩机。出口扩压器37设置在低压涡轮21后面，以便恢复来自涡轮的动压。扩压器通向废气收集器38，所述废气收集器38引导废气至排气管24。
图3和4中更详细地示出了废气压力调节器20a的设计，管路20具有由外壁39和中心部40构成的环形横截面，所述外壁39环绕其旋转轴线对称且具有这样的横截面，该横截面在朝向低压涡轮21的方向上尺寸增大，所述中心部40同心地设置在壁39内，其横截面同样在朝向低压涡轮的方向上尺寸增大。
中心部40安装在轴41的端部上，与固定环34相距一定的距离，所述轴41接附至固定环，并且，所述中心部40包括控制活塞42，所述控制活塞42以可移动的方式安装在轴41上。控制活塞42包括具有外阀套筒44的内活塞室43。其被设计成一个具有外壁表面和内壁表面的开口汽缸。
控制活塞42可以在中心部和外壁39之间相对于螺旋压簧45的作用而轴向移动，以调节管路20的流通面积。控制活塞42和轴41一起形成环形室43，环形室43通过用于加压介质的管路47连接至用于废气压力调节器外部的加压介质(附图中未示出)的连接部分，所述加压介质部分穿过轴41的具有较大直径的部分以及部分穿过固定环34。
通过改变室43的排量，控制活塞42因此能在加压介质例如压缩空气的作用下，与阀套44一起在不激活的开启位置和激活的封闭位置之间移动，所述加压介质的作用方向与压缩弹簧的作用力的方向相反。在不激活的控制位置(参见图3)，阀套44在中心部和固定环34之间形成中心部40的轴向延伸部分。在激活的控制位置(参见图4)，阀套44的内壁表面在外壁和中心部40之间形成外壁39的轴向延伸部分。
控制活塞42的环形端面48形成活塞表面，在控制活塞运动期间，所述活塞表面与中心部40的圆柱形部分49内的装配密封件一起滑动。因此，中心部的内部形成室50，所述室50通过管路51与高压涡轮17的紧接着的下游的压力相通。此外，存在开口52，其平衡低压涡轮21的上游侧的压力与中心部40的圆柱形部分49外部的空间内的压力。由于室50设置在中心部40内，所以能够以适当的方式确定活塞的面积，以便实现废气压力调节器的压力平衡，使其根据废气流利用自调节功能来自动地进行调节。
当废气压力调节器根据图4激活时，高压涡轮17下游的压力升高(由于气体是可压缩的，所示存在一定的延迟)。压力通过管路51传播入室50。压力平衡后，由于面积相对类似(室50的面积稍大)，所以此压力将大致与室43内的控制压力相同。例如，如果阀上游的压力增加，以致室43内的控制压力过高，那么此压力将通过管路51进入室50，并且将作用在端面48上。当控制活塞42已稍微向左移动时，将出现平衡，并且控制活塞找到平衡位置。
因此，如上所述的废气压力调节器具有自调节功能，并且当在上游侧具有一定压力时自动开启。此外，由于密封件具有气密性，所以能够在废气压力调节器的上游快速地建立起压力。
上面以用于内燃机增压的具有两级涡轮增压***的应用场合对本发明进行了描述。可选地，本发明可用于具有涡轮增压器装置和涡轮组合装置的应用场合，其中力可以在涡轮组合装置和内燃机的曲轴之间传递，以便为不同的目的来利用动能。
不能认为本发明仅仅限于如上所述的实施例，多种变型与改进可能处于所附权利要求的范围之内。例如，本发明是参照六缸柴油机进行描述，但是本***可以用于不同的活塞发动机，从单缸至多缸；可以用于二冲程发动机或四冲程发动机。本发明还可以用于船舶发动机，用于具有不同活塞冲程排量的上述发动机。上面已经描述了轴向式低压涡轮的实施例，但是，本发明还可以用于径向式低压涡轮。气动装置以外的其他装置可以用于操作阀套，例如机械装置。

Claims (8)

1.一种具有排气管(15，16)、进气管(12)和涡轮增压***的内燃机(10)，所述排气管(15，16)用于排出来自内燃机燃烧室(11)的废气，所述进气管(12)用于提供空气至所述燃烧室，所述涡轮增压***具有高压涡轮(17)和低压涡轮(21)，所述高压涡轮(17)与高压压缩机(19)相互作用，所述低压涡轮(21)与低压压缩机(23)相互作用，用于从内燃机的废气气流中提取能量并增加内燃机的进气的压力，所述高压涡轮(17)通过管路(20)连接至低压涡轮(21)，废气压力调节器(20a)位于所述高压涡轮(17)和所述低压涡轮(21)之间的管路(20)内，所述低压涡轮(21)为轴向式，所述高压涡轮为径向式，其中，所述管路(20)具有由外壁(39)和中心部(40)构成的环形横截面，所述外壁(39)环绕其旋转轴线对称并且具有在朝向所述低压涡轮(21)的方向上尺寸增大的横截面，其特征在于，所述中心部(40)同心地设置在所述外壁内，且横截面同样在朝向所述低压涡轮的方向上尺寸增大，设置在轴(41)端部上的所述中心部(40)设置有控制活塞(42)，所述轴(41)附接至安装在所述低压涡轮(21)的入口上的固定环(34)，所述控制活塞(42)以能够在所述中心部和所述外壁(39)之间移动的方式安装在所述中心部上，用于调节所述管路的流通面积，且所述控制活塞(42)以能够滑动的方式安装在所述轴(41)上。
2.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于：所述控制活塞(42)能相对于弹簧装置(45)的作用力在两个端部位置之间移动。
3.如权利要求2所述的内燃机，其特征在于：通过加压介质的作用，所述控制活塞(42)能在不激活的开启位置和激活的关闭位置之间移动，所述加压介质的作用方向与所述弹簧装置(45)的作用力的方向相反。
4.如权利要求3所述的内燃机，其特征在于：所述控制活塞(42)和所述轴(41)一起形成环形室(43)，所述环形室(43)对于加压介质具有可变排量。
5.如权利要求4所述的内燃机，其特征在于：所述环形室(43)通过用于加压介质的管路(47)连接至用于连接高压涡轮和低压涡轮的所述管路(20)外部的加压介质的连接部分，所述用于加压介质的管路(47)延伸穿过所述轴(41)和所述固定环(34)。
6.如权利要求1-5中任何一项所述的内燃机，其特征在于：所述控制活塞(42)设置有活塞表面(48)，所述活塞表面(48)能在所述中心部(40)的内部室(50)中移动，并且通过另一管路(51)承受所述废气压力调节器(20a)的上游的压力的作用，用于所述废气压力调节器的控制压力的压力平衡。
7.如权利要求1-5中任何一项所述的内燃机，其特征在于：所述控制活塞(42)被设计成具有外壁表面和内壁表面的开口汽缸，该外壁表面在不激活的控制位置在所述中心部和所述固定环(34)之间形成所述中心部(40)的轴向延伸部分，该内壁表面在激活的控制位置在所述外壁和所述中心部(40)之间形成所述外壁(39)的轴向延伸部分。
8.如权利要求6所述的内燃机，其特征在于：所述控制活塞(42)被设计成具有外壁表面和内壁表面的开口汽缸，该外壁表面在不激活的控制位置在所述中心部和所述固定环(34)之间形成所述中心部(40)的轴向延伸部分，该内壁表面在激活的控制位置在所述外壁和所述中心部(40)之间形成所述外壁(39)的轴向延伸部分。
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