CN103726928A - 一种涡轮增压***用的排气旁通阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮增压***中用的排气旁通阀(它也是涡前压力调节器/涡轮背压调节器)。本发明采用的核心技术是在涡轮增压器的涡轮叶轮出口后面串接安装一个气体引射抽吸装置，造成涡轮出口燃气压力(背压)的显著下降，从而可大幅改善增压内燃机的变工况性能。本发明实用性很强，技术成熟，结构简单，使用安全、可靠、方便，节能效果显著，技改成本低，值得大力推广普及。

Description

一种涡轮增压***用的排气旁通阀

技术领域

本发明涉及内燃机增压技术领域内涡轮增压***中的排气旁通阀。

背景技术

当转速变化范围宽广的内燃机与一个通流部分截面几何形状固定不变的涡轮增压器进行匹配时，为改善变工况下的内燃机性能，现有技术采用的最广泛、简单和有效的调节方式，是在涡轮增压器的涡轮出口/压气机出口/同时在涡轮和压气机的出口安装放气旁通阀实施放气调节。譬如，

●对于车用内燃机，一般要求涡轮增压器的设计/选配，应使内燃机在低于中等转速以下时能获得最大扭矩，也即增压器与内燃机宜按最大扭矩工况(约50～55％额定转速的外特性工况)的参数匹配。这样，在高转速工况，为了将增压压力/最高爆发压力/增压器转子转速限制在许可的允许范围内，就须将内燃机排出的部分高温、高压燃气(废气)不流过涡轮叶轮作功，经放气阀旁通泄放至大气。而在一些转速变化范围较大的轿车用内燃机的中、低转速工况，为了防止压气机喘振和对增压压力值进行控制，往往也在压气机出口旁通放掉部分增压空气至压气机的空气进口管/大气，实施放气调节。

●如同车用内燃机一样，目前一些高增压中速柴油机也广泛采用高负荷工况旁通泄放部分高温高压燃气排气/增压空气至大气的措施来改善低工况的性能。

以上内容详见陆家祥主编·《柴油机涡轮增压技术》·北京·机械工业出版社·1999年9月·第141～145页和156页，以及朱大鑫编著·《涡轮增压与涡轮增压器》·北京·机械工业出版社·1992年11月·第432～434页中的相关部分。

由现有技术旁通放气阀在涡轮增压***中的“抑压防喘”作用机理与工作过程可知：

■不论是高温、高压燃气排气的旁通放气泄放，还是增压空气的旁通放气泄放，所泄放气体携带的能量(压力、温度)都未能再有效地加以回收利用，造成能量损失，而且该能量损失随“抑压防喘”需求力度的增加而增加。因此，旁通放气阀是一个以浪费旁通泄放气体携带的有用能量为代价获得“抑压防喘”功能的调节元件。

■排气旁通阀泄放部分高温高压排气燃气抑制增压压力/最高爆发压力/增压器转子速度超限的实质是调节降低涡轮箱进口的燃气压力P_T值，因此排气旁通阀也是涡前压力的调节元件。

■增压空气放气旁通阀在压气机出口泄放部分增压空气至大气(或压气机空气吸入管)以控制增压压力值变化与避免出现喘振的调节，实质就是普通常用的压气机特性调节中的“放气调节”。

为了减少旁通排气放气损失，回收利用部分排气泄气的能量，多年前KKK公司(现Borgwarner公司前身)曾在小型车用涡轮增压器的涡轮箱上设置夹层，将旁通泄放的部分排气引至涡轮箱出口，对涡轮出口的气流产生一定的引射作用，以降低涡轮前燃气压力P_T值，从而减少活塞排出功(减少排气损失)，降低燃料耗率。该技术与一般排气旁通相比，结构复杂性增加，性能虽有所改善，但改进幅度很有限，至今未实现商品化。

为了克服现有技术排气旁通阀不能充分有效利用旁通泄放气体(高温高压燃气排气/增压空气)携带的能量，大幅降低涡前燃气压力P_T值/燃料耗率的缺点和不足，本发明公开了一种新的改进方案。

发明内容

本发明的目的在于为排气旁通阀提供一个实用性很强，技术成熟，结构简单，使用安全、可靠、方便、节能效果显著，技改成本低的技术方案。

本发明为实现上述目的采用的核心技术，是在涡轮增压器的涡轮叶轮的出口后面串接安装一个气体引射抽吸装置。该引射器中的高压气体(射流气体)是排气旁通阀/增压空气旁通阀泄放的排气燃气/增压空气；低压气体(被引射气体)则是已通过涡轮级作功、由涡轮叶轮流出的排气燃气。经过气体引射器的气体引射抽吸作用后，在涡轮叶轮流出口处的燃气压力(背压)可出现显著的下降，从而导致涡轮级的可用总焓降增加(涡轮级实际发出的有用功率增加，热效率提高)和涡轮进口燃气压力(涡前压力)P_T的显著下降(下降幅度的量级与背压的降幅相同)，其综合效果是改善了燃烧、减低了泵气损失、降低了燃料耗率，且改善幅度与背压下降的幅度成正比。

下面依据涡轮级的热力工作过程原理，确定背压变化对涡轮级的可用总焓降的影响。

◆背压下降的情况

当将背压从初始值P₁＝P_K降低到P₂时，涡轮级的热降(焓降)增加Δi；燃气的比容也增加：V₂>V_K。在涡轮级流量G_t不变的情况下，由于涡轮叶轮出口的通流面积F_a保持不变，依流动连续方程可确定C₂>C_K。也即，涡轮叶轮出口的燃气流出速度C及动能

相应于背压的下降也有相应的增长：E₂>E_K(附图1)。气流的滞止参数用点1₀和2₀表示。

按通常研究涡轮级变工况性能的惯用假定：变工况时的级效率η_s(不考虑出口速度损失)的变化可略去不计，即η_s保持不变。于是，可确定涡轮级因背压下降使可用焓降的总增量为Δh_p=η_sΔi_s+E_K-E₂=Δi-ΔE

式中，因背压下降导致比容变化而产生的涡轮叶轮出口燃气流出动能变化为

$\mathrm{\ΔE}=E_2-E_K=E_K[{\left(\frac{V_2}{V_K}\right)}^2-1]=E_2[1-{\left(\frac{V_K}{V_2}\right)}^2]$

由此可见，不仅背压降低会影响到涡轮级的可用焓降的总量值Δh_p，而且E_K也会影响到Δh_p值。

经过简单运算，可得出Δh_p的解析表达式，具体过程如下：

$\mathrm{\Δi}={\mathrm{\η}}_s,{\mathrm{\Δi}}_s=\frac{K}{K-1}{P}_K{V}_K[1-{\left(\frac{P_2}{P_K}\right)}^{\frac{n-1}{n}}]$

式中，

(燃气的比热比值)

取如下标记

$\frac{n-1}{n}={\mathrm{\η}}_s\frac{K-1}{K};$

$J=\frac{K}{K-1}\mathrm{PV}=\frac{K}{K-1}\mathrm{RT};$ $\mathrm{\Π}=\frac{p_2}{p_k}$ 后，

上式化为

$\mathrm{\Δi}=J_k(1-{\mathrm{\Π}}^{\frac{n-1}{n}})$

当用Mach数

来表示涡轮叶轮出口的流出速度C后，则得

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Δh}}_p=J_k[1-{\mathrm{\Π}}^{\frac{n-1}{n}}-\frac{K-1}{2}{M}_{\mathrm{ak}}^2({\mathrm{\Π}}^{\frac{-2}{n}}-1)]\\ =J_k[1-{\mathrm{\Π}}^{\frac{n-1}{n}}-\frac{K-1}{2}{M}_{a2}^2{\mathrm{\Π}}^{\frac{2}{n}}(1-{\mathrm{\Π}}^{\frac{2}{n}})]\end{array}$

使Δh_p达到最大值的最佳比压，可由条件得到 ${\mathrm{\Π}}_{\mathrm{opt}}={\left(\frac{K-1}{n-1}{M}_{\mathrm{ak}}^2\right)}^{\frac{n}{n+1}}$

式中，下角注k表示附图1中等压线P_k上的点1，而下角注2表示点2。

于是，可依附图2示出的涡轮级热力工作过程的i～s图，确定背压由P_k降至P₂时，级等熵效率

因其可用总焓降H₁获得Δh_p的赢利使效率提高后的量值为

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{adt}}^{\′}=\frac{H_1+{\mathrm{\Δh}}_p}{H_S}$

式中，级理论焓降(等熵焓降)

显然η′_ads>η_ads。至于背压由P_k降至P₂时，级前燃气压力(涡前压力)P_T的变化，可利用涡轮级热力工作过程的i～s图，根据己知的燃气流量G_t、喷嘴和动叶的出口截面，自涡轮叶轮出口至喷嘴出口依次运用连续方程式(这里假定级的所有设计特性都是知道的)，就可较准确地算出相应变化的P′_T值。详细过程请参阅[苏联]Г.C.萨莫伊洛维奇、B.M.特罗扬诺夫斯基(张仲方译)·《汽轮机在非设计工况下的运行》·北京·水利电力出版社·1959年2月·第45～53页中的相关内容。

另一简单近似的估计P′_T值的方法，是将涡轮级的通流过程，视作一个流过当量喷管的流动来处理。该喷管的当量流通面积

式中，F_c与F_R分别是喷嘴与动叶出口的最小截面积。这样，根据已知的流量G_t、出口截面积F_eq，就可算出当喷管后压力(背压)变化时所对应的喷嘴流入气体的压力P_T的改变。详细内容请参见朱大鑫编著·《涡轮增压与涡轮增压器》·北京·机械工业出版社·1992年11月·第128～129页中的相关部分。据此，可粗略估计出P′_T≈ΠP_T，也即当背压由P_k降至P₂时，涡前压力P_T也大约下降了相同量级的数值变成P′_T。

◆背压增升的情况

采用与“背压下降的情况”完全相同的原理与方法，可确定涡轮级的背压由初始值P₁=P_k增升至P₂时的涡轮级热力工作过程的i～s图如附图3所示。由该图可以看出，由于背压的上升，使涡轮级的可用总焓降产生了亏损Δh_p，导致涡轮级的等熵效率值由η_adt=H₁/H_s下降至η_adt=(H₁-Δh_p)/H_s，涡前压力P_T增大至P′_T。

这种“背压增升”的情况，在现有技术的排气旁通阀的实用中非常普遍与常见。其中原因主要在于对泄放后的气流流动没有设计组织好，使它与涡轮叶轮流出的燃气流动相混合时形成了较大的损失/阻力所致。譬如，由排气旁通阀泄放出来的气流方向与涡轮叶轮出口燃气流动方向出现不一致造成严重阻截堵滞的情况，就会造成背压的大幅增升，使涡前压力P_T也相应大幅增加，从而对内燃机增压性能的改善极为不利，宜竭力避免与消除。

综上所述，本发明设计方案结构的排气旁通阀与现有技术方案结构的排气旁通阀相比，所赋具的优点/特点归纳如下：

▲众所周知，由于涡轮增压器与内燃机没有直接的机械联系，而是靠进气和排气***与内燃机协调工作，在变工况时，压力波传递需要一定时间。同时增压器转子的惯性也造成一定时滞。内燃机的燃料供给量与增压器所提供的空气量在瞬间不同步。当负荷变化时，虽然燃料的供给量可以迅速增加，但进入气缸的空气量不可能马上增多，导致内燃机烟度增大。所以，常规技术的涡轮增压内燃机普遍存在着低速扭矩不足，瞬态响应差，加速冒烟等缺陷，为了控制排放，广泛采用EGR(废气再循环)技术，但常规的增压技术由于缺乏涡前压力P_T的调节手段，很难满足EGR的技术要求(请参见李骏著·《汽车发动机节能减排先进技术》·北京·北京理工大学出版社·2011年3月·第192页)。现有技术方案虽有降低P_T的功能，但须以浪费泄放气体携带的能量为代价，且调降幅度有限。

本发明技术方案可造成涡轮叶轮出口流出部位燃气压力(背压)的显著下降，结果使涡轮级的可用总焓降增加、等熵效率提高、输出驱动压气机转动的功率增大(涡轮增压器转子转速、增压压力和内燃机扭矩同步相应增升)，同时也使涡前燃气温度和压力、内燃机泵气损失(活塞推出功)、燃料耗率、烟度等相应显著下降、——大幅改善了内燃机的变工况性能。现有技术方案结构排气放气阀只具有增升背压的功能，起“放气安全阀”保障运行安全的作用，它对涡轮增压内燃机变工况性能改善的贡献几乎全是负面性质的。因此，在涡轮增压***中，本发明方案的排气旁通阀是一个节能调节元件；而现有技术方案的排气旁通阀则是一个耗能调节件。

▲与囿于只能利用旁通泄放部分(用气数量有限的)高温、高压内燃机排气(剩余部分排气则通过涡轮级作功)一种气体作为控压用气的现有技术方案排气旁通阀的情况不同，本发明方案排气旁通阀用于引射抽吸涡轮叶轮出口处流出燃气(被引射的低压气体)的高压射流气体来源，可以是下述①～④种来源的单独或几种的组合：

①与现有技术方案一样，由涡轮箱进口部位泄放的部分高温、高压排气燃气；

②在压气机出口部位根据“调压、防喘放气调节”需求泄放的部分增压空气；

③由内燃机起动装置/制动装置/高压空气贮罐供应的高压空气；

④采用停缸节能技术产生的压缩空气。

于是，使本发明技术方案降低涡轮级背压的调节力度和能力，会因参与射流高压气体品种的多元化及用气数量的激增而获大幅提升。这样，就能根据增压内燃机变工况性能对涡轮级背压下降力度(幅度)的具体需求，合理选择高压射流气体的品种和用气的数量，予以有效组织和利用。从而将本发明技术方案“排气旁通阀”的功能扩展成为与现有技术“内燃机排气旁通”含义可以完全无关(也即，甚至可以完全不用一点数量的“内燃机排气旁通泄放气”，而只用上述②～④中单一或组合的气体)进行调节增压内燃机性能的一种广义调节器。因此，不应狭隘、局限地称其为“排气旁通阀”，而应正确、广义地称为“涡前压力/涡轮背压调节器”。例如，一种只用贮瓶/贮罐压缩空气作为高压射流气源的本发明技术方案(在有条件使用高压水的情况下，用高压水代替压缩空气可更节能)，即可成为一种大力度的涡前压力/涡轮背压调节器广泛应用于大、中型舰船/固定式内燃机的变工况性能调节。

▲对比本发明技术方案与现有技术方案“排气旁通阀”二者结构方面的差异，可知：前者仅比后者多了“单级气体引射器”一个简单器件。

如所周知，气体引射器是工程技术中广泛使用的一种流体器件。它利用入射气流与被引射气体间的动量交换来混合两种不同压力的气体，并实现能量交换。引射器主要由喷嘴、接受室、混合室、扩压室组成，其单级气体引射器的工作原理如附图4所示。压力较高的工作气流(高压射流气，又称一次流体)以高速从喷嘴喷射出来后进入接受室，在射流的紊动扩散作用下，卷吸周围压力较低的气体。被吸入的压力较低的气体为被引射气体(又称低压气体或二次流体)。工作气体与被引射气体在混合室内混合，在流动过程中速度场渐渐分布均匀。之后，混合气体进入扩压室，流速降低压力升高。

引射器按喷嘴类型可以分为：中心引射式引射器、环形引射式引射器和多孔引射式引射器，如附图5所示。中心引射式引射器工作时，高压射流气沿管道中心，被引射气流沿管道四周进入混合室，具有尺寸大、效率低等缺点；环形引射式引射器则与之相反，二者都是被广泛应用的基本引射型式。多孔引射式引射器通过多个喷孔将一次流分成若干股气流进入混合室，是中心引射式引射器的进一步改进和强化，在实际中应用最广泛。本发明方案应用时一般采取三种引射型式组合兼用的混合方式。

根据本发明的技术方案的构成，可知本发明是一项技术成熟，结构简单，使用安全、可靠、方便，实用性很强，节能效果显著，技改成本低，值得大力推广的技术。

附图说明

图1示出的是背压降低时涡轮级后燃气状态变化热力工作过程的i～s(焓～熵)示意图。图中，

——燃气膨胀过程线；

——相应的滞止参数线。

图2示出的是背压降低情况下的涡轮级燃气状态变化热力工作过程的i～s(焓～熵)示意图。图中，

与分别是背压P_K=P₁和它下降至P₂时两种情况的热力工作过程线。

图3示出的是背压升高情况下的涡轮级燃气状态变化热力工作过程的i～s(焓～熵)示意图。图中，

与

分别是背压P_K=P₁和它上升至P₂时两种情况的热力工作过程线。

图4示出的是单级引射器工作原理示意图。

图5示出的是不同喷嘴类型的引射器示意图。

图6示出的是一种小型车用增压汽油机的涡轮增压器配装本发明技术方案“排气旁通阀”结构的示意图。其中，图6a示出的是涡轮增压器的结构图；图6b示出的是附接于涡轮箱后的气体引射器的结构图。

图7示出的是一种油田用大功率增压柴油机的涡轮增压器配装本发明技术方案“流体引射器”作为变工况性能调节器的示意图。图中涡轮增压器结构的零件号标示的是：

1，涡轮转轴；2，密封环；3，涡轮箱；4，隔热罩；5，轴承体；6，涡轮箱压板；7，涡轮箱锁垫；8，浮动轴承挡圈；9，浮动轴承；10，螺钉；11，背盘垫圈；12，背盘螺钉；13，间隔套；14，止推片；15，甩油环；16，轴封套；17，压气机叶轮；18，螺母垫片；19，轴端螺母；20，密封环；21，止推轴承板；22，压气机蜗壳；23，挡油板；24，0形圈；25，0形圈；26，扩压器；27，压气机背盘；28，蜗壳压板；29，垫圈；30，螺栓；31，螺栓

具体实施方式

以下，通过实施例与结合附图对本发明的技术内容做进一步的描述。

如上所述，本发明方案的技术核心，是在涡轮增压器涡轮箱体中的涡轮叶轮的出口后面，再串接安装一个气体引射抽吸装置——单级气体引射器，通过引射器中高压射流流体对涡轮叶轮出口流出燃气(被引射气体)的引射抽吸，可造成涡轮级背压的显著下降，从而使增压内燃机的性能获得大幅改善。

车用内燃机(尤其是轿车用的转速变化范围宽广的高转速汽油机)，近年来对降低排量、提高功率和低速扭矩(改善瞬态响应性能、提高加速性)要求的迫切性日益突出。这就需要将涡轮增压器与内燃机在外特性上的匹配点移向更低转速工况。从而导致涡轮增压器的通流部分面积与几何尺寸更加变小，同时也使兼顾满足低速扭矩和高速抑压要求的难度增加。为了在作这种改变时，不使高转速工况的增压压力、涡前压力、最大爆发压力及增压器转速超限，现有技术排气旁通阀就只能采用进一步增大排气旁通泄放数量——更大幅度地降低涡前压力P_T，造成更大排气燃气能量损失的方法进行调控，以至使泄气盘孔直径尺寸和泄气能量损失及燃料耗率大增。本发明技术，由于可通过显著降低涡轮级背压的措施对涡前压力P_T实施大幅调降，故可兼顾满足车用增压内燃机变工况的各项要求。

附图6示出的是一种1.4升增压汽油机用的涡轮增压器配装本发明技术方案“排气旁通阀”结构的示意图。本发明方案的引射器直接串接在涡轮增压器的涡轮箱出口部位。引射器分内外两层，其外层将排气旁通阀的泄气盘孔流出的高压高温排气收集在一起；内层的通流则是由涡轮叶轮出口流出的在涡轮级己作过功的排气燃气。外、内两层流道的形状，沿燃气流动方向逐渐分别向同心圆柱/圆锥管形状变化、调整，并在引射器出口形成两个同心圆柱/圆锥管壁。在引射器近出口处，连通内、外层的是六个喷孔环形布置的多孔式引射器，为加强引射效果，还辅助在外壁另外加上了环形型式的引射，形成两种型式组合兼用的混合引射方式。此外，为提高控调泄放气量的调节精度，宜采用具有位置反馈功能真空调节放气阀开度的“负压控制放气阀”替代现有技术广泛应用的“正压控制放气阀”进行调节。

实施例二：

对于按内燃机额定工况参数设计/选配涡轮增压器的中、大型车/船/固定式增压内燃机，在中、低转速工况，会在增压空气供应量与燃料供给量之间出现严重不匹配的情况，致使增压压力过低、增压空气供量不足、低速扭矩下降、燃烧变坏(冒黑烟)、燃料耗率增加——内燃机性能严重变坏。现有技术改善低工况性能的各种方案均因不能简单有效地对涡前压力P_T进行调降，而无法解困。但本发明方案却可轻易通过气体引射器的引射抽吸作用，造成涡轮级的背压显著下降，从而导致涡轮级的可用总焓降的大幅增加(涡轮级输出驱动压气机的功率增加，涡轮级效率提高，压气机转速增加，增压压力与内燃机扭矩也同步增升)，涡前压力P_T、泵气损失与燃料耗率则大幅下降。附图7示出的是一种油田用大功率增压柴油机的涡轮增压器配装本发明技术方案“流体引射器”作为变工况性能调节器的示意图。该“流体引射器”串接在涡轮箱的涡轮叶轮的出口处，由外层圆柱管和一个由曲线母线迥转形成的变截面锥管内层组成。在外层圆柱管与内层锥管形成的空间内通由涡轮叶轮出口流出的燃气；内层锥管中通高压引射流体。在外层圆柱管外侧，加包了一个圆柱状的空心夹层贮放高压流体。该夹层用八根空心肋筋连接内、外层管并起支撑内管的作用。本发明方案采用贮瓶或贮罐中的压缩空气/冷却***中的高压水/压气机出口的部分旁通增压空气作为高压射流流体，并用多根分别通压缩空气/增压空气/高压水的管子与外包圆柱夹层状贮放高压流体的空间相连。高压射流流体进入夹层后，通过流线形肋筋的中空通孔，一面由尾缘开缝喷向下游，一面通向内层锥管以中心射流型式向周围燃气进行喷射引射，形成肋筋条缝状引射与中心孔状引射复合的混合引射型式。

Claims (3)

1.一种涡轮增压***用的排气旁通阀(也是一种涡前压力调节器/涡轮背压调节器)，它由涡轮增压器排气燃气流出部位的涡轮箱体和一个气体引射器共两部分组合而成，其特征在于：二者呈串接连接，引射器附接在涡轮箱体的后方(排气燃气流出的下游)。

2.按权利要求1所述的排气旁通阀，其特征在于：排气燃气流出部位的涡轮箱体中，一般布放两个流道——一个是涡轮叶轮出口流出燃气的排放通道；另一个是旁通泄放排气燃气的通道。但在一些不用旁通泄放排气燃气作为高压流体的涡前压力调节器/涡轮背压调节器的情况里，其涡轮箱体内仅有一个输送涡轮叶轮流出燃气的通道。

3.按权利要求1所述的排气旁通阀，其特征在于：气体引射器是一个单级气体引射器，其工作流体(高压射流流体，一次流体)可以是下述五种来源中的单独一种或几种的组合：①由涡轮箱进口部位旁通泄放的部分内燃机高温高压排气燃气；②压气机出口部位旁通泄放的部分增压空气；③内燃机起动装置/制动装置高压空气贮罐中的压缩空气；④采用内燃机停缸节能技术产生的压缩空气；⑤高压水。引射器中的被引射流体(低压流体，二次流体)是由涡轮级的涡轮叶轮出口流出的燃气。引射器的喷嘴型式可以是①中心引射式；②环形引射式；③多孔引射式中的单独一种或几种的组合。

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