CN106460533B - 用于节约燃料和经由非对称双蜗壳的废气再循环利用的优化脉冲功率分离的双蜗壳涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

一种在涡轮增压器***中使用的产品。涡轮机外壳可限定具有圆周的圆形中心芯。涡轮机外壳可限定第一蜗壳，其仅仅围绕中心芯的圆周的一部分延伸出一定长度；和第二蜗壳，其可轴向地定位在第一蜗壳的外部且可围绕中心芯的整个圆周延伸。第一蜗壳和第二蜗壳可限定非对称的、通过涡轮机外壳的第一废气通道和第二废气通道。第二蜗壳的所有点可以从中心芯越过第一蜗壳的整个长度轴向地位于第一蜗壳的外部。

Description

用于节约燃料和经由非对称双蜗壳的废气再循环利用的优化 脉冲功率分离的双蜗壳涡轮增压器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年5月19日申请的美国临时申请号62/000,315的优先权。
技术领域
本发明通常涉及的领域包括用于内燃机的涡轮增压器***，并且更具体地，包括用于涡轮增压器***的废气驱动的涡轮机装置。
背景技术
发动机进气***典型地可包括充压***，其中，由燃料燃烧产生的废气穿过涡轮机，该涡轮机驱动压缩机。发动机进气空气可以与再循环的废气混合，且可被导向通过压缩机，该压缩机对发动机的进气***充压。
发明内容
多个示意性变型可包括在涡轮增压器***中使用的产品。涡轮机外壳可限定具有圆周的圆形中心芯。涡轮机外壳可限定第一蜗壳，其仅仅围绕中心芯的圆周的一部分延伸出一定长度；和第二蜗壳，其可轴向地定位在第一蜗壳的外部且可围绕中心芯的整个圆周延伸。第一蜗壳和第二蜗壳可限定非对称的、通过涡轮机外壳的第一废气通道和第二废气通道。第二蜗壳的所有点可以从中心芯越过第一蜗壳的整个长度轴向地位于第一蜗壳的外部。
根据本文提供的详细说明，本发明范围内的其它示意性变型将变得显而易见。应该理解，详细的说明和具体的实例在公开本发明的变型的同时仅旨在用于说明的目的而不是旨在限定本发明的范围。
附图说明
通过详细描述和附图将使本发明的范围内的变型的选择实例得到更充分地理解，其中：
图1是根据多个变型的双蜗壳涡轮增压器涡轮机的示意图。
图2是根据多个变型的双蜗壳涡轮增压器涡轮机的示意图。
图3是现有技术中双涡旋涡轮增压器的示意图。
图4是根据多个变型的双蜗壳涡轮增压器涡轮机的示意图。
图5是根据多个变型的发动机通气***的示意图。
具体实施方式
变型的以下描述在本质上仅仅是示意性的，且决不意于限制本发明的范围、其的应用或使用。
在图1所表示的多个变型中，产品涡轮增压器涡轮机11可包括涡轮机叶轮30，该涡轮机叶轮可被构造成用于在废气流中旋转。该废气流可包括来自内燃机的进入流12以及出口流14，该出口流通过相关联的车辆排气***被排出。涡轮机叶轮30可以被设置在涡轮机外壳16中，该涡轮机外壳限定了多个蜗壳10和20，且示出了它们的轮廓。多个蜗壳10和20使废气通过，以使得废气冲击涡轮机叶轮30并扩散至出口流14，涡轮机叶轮从而可将废气流转化为旋转机械能。废气流可以由涡轮机外壳16的流通横截面面积来限制，这导致进入流12与出口流14之间的压降和温度降。该压降被转化为动能，以驱动涡轮机叶轮30。废气压力被转化为动能，且涡轮机叶轮圆周29的废气在涡轮机叶轮30上通过多个蜗壳10和20被导向，所述多个蜗壳的轮廓形式由涡轮机外壳16来限定，且并未示出所围绕涡轮机外壳的剩余部分。随着进入流12与出口流14之间的压力降的增加，涡轮机性能也增加。涡轮机可以设置有可变的涡轮机几何形状，以改变蜗壳通道与涡轮机叶轮入口之间的流动横截面。具有可变的涡轮机几何形状，通过利用可变的导向叶片来改变开口横截面，可以改变至涡轮机叶轮的蜗壳离开面积。为了避免含有可变的涡轮机几何形状的复杂性，根据多个变型的涡轮机11可以设置有具有非对称废气通道23和24的多个蜗壳10和20。
蜗壳10和20可通过A/R比来表征，其中，A为蜗壳的横截面的面积，且R为涡轮的在横截面的位置处的半径。这可参考图2来看到，其中，A/R比为蜗壳20在18处的开口横截面面积与从中心21到点18的半径19的比。蜗壳20可以设置有更小的A/R比，且蜗壳10可以设置有更大的A/R比(其为蜗壳10在点15处的横截面面积与半径17的比)。蜗壳20的更小的A/R比增加了进入涡轮机叶轮30的废气速率。这提供了更低的发动机速度下增加的涡轮机功率，导致更高的压力。蜗壳20的更大的A/R比降低了废气速率，增加了涡轮机叶轮30的有效流量，导致在进入流12处的较低的压力以及在更高的发动机速度下的更优的功率。由于更大的蜗壳10具有更低的压力，进入流12在发动机排气歧管处的降低的压力(被称作为P3)被有利地降低。由于从排气脉冲管理增加了总体效率，P3还可以被降低。更小的蜗壳20的更高的压力可提高驱动废气再循环(EGR)的能力。针对特别的应用可选择多个蜗壳的A/R比的选择，以满足所需的EGR流和P3水平。
如图2所示，蜗壳10和20径向地层叠，意味着蜗壳10的所有点从中心21越过蜗壳20的整个长度径向地位于蜗壳20的外部。蜗壳20定位成径向地位于蜗壳10的内部，更靠近中心21。径向层叠提供了蜗壳10与蜗壳20之间的分离，因而抑制废气从蜗壳总的更高压力流中泄漏至另一蜗壳中的更低压力流中。参考图3，示出了现有技术中的双涡旋涡轮增压器37的示意图。双涡旋涡轮增压器37包括涡轮机叶轮31和外壳32，该外壳32限定了前涡旋件33和后涡旋件34。前涡旋件33和后涡旋件34的并行布置允许高压泄漏35，或涡旋件之间的气体混合，导致效率降低。另外，由于涡旋件33和涡旋件34的并行布置，沿着它们的围绕涡轮机的360度构造的整个长度可能发生泄漏。与此相反，涡轮机11的蜗壳20沿着它的整个长度与蜗壳10完全地分离，且可仅包括围绕舌状物27的较小的注册件，其通过蜗壳10和20的端部但并不沿着它们的长度。
在图4中示出了根据多个变型的更详细的涡轮机11。参考该图4，涡轮机外壳16限定了圆形的、用于接收涡轮机叶轮30中心芯40，该涡轮机外壳16围绕中心21旋转。中心芯40包括外部圆周41。舌状物27以上述方式设计来提供位于蜗壳20的径向内侧48上的废气引导通道49的起始端与蜗壳10的端部51之间的分隔部。舌状物27的厚度朝着其尖端方向逐渐地减小。涡轮机外壳16还可包括用于安装至相关联的发动机的排气歧管的法兰42。涡轮机外壳16还可限定蜗壳部44，在该蜗壳部内限定了蜗壳10和20。进入废气流12可以被分成两部分，它们的每一部分进入非对称废气通道23和24中的其中一个。例如，进入废气流12可由通过废气通道24进给蜗壳10的成分组成，且可来源于来自四缸发动机的一对汽缸，例如汽缸号1和3、2和3或2和4。汽缸对可以选择为并不相继点火的汽缸，例如具有点火顺序1-3-4-2的发动机的汽缸2和3。在该情况下，蜗壳20可通过离开汽缸1和4的排气流而被进给。基于包括气流量、阀型线或其它规定的发动机设计，被选择用于进给多个蜗壳的每个蜗壳的汽缸可以被最优化。
蜗壳20可以围绕中心芯40的120度到130度延伸，优选地为中心芯40的110度到140度，且最优选地为中心芯40的100度到160度，或它们之间的任何子范围或量值。蜗壳20在它的整个角度量值上朝向中心芯40打开，且蜗壳10在360度之外的中心芯40的剩余角度量值上朝向中心芯40打开。在图4的具体实例中，蜗壳20的横截面面积沿着角度距离从舌状物27附近的最大值减小到120度下的蜗壳20的端部45处的最小值。从线46到线47对120度点进行测量，且由附图标记39标识，其中线46从中心21通过舌状物27的尖端延伸，线47从中心21通过端部45延伸。沿着中心芯40的圆周41的蜗壳20的120度长度可增加用于驱动EGR的压力。沿着它的整个长度，蜗壳20通过由涡轮机外壳16形成的壁47与蜗壳10分离。位于蜗壳20的轴向内层48处的废气引入通道49设计成圆周槽，且在它的外部圆周41处从舌状物27到端部45朝向中心芯40打开，以使得进入蜗壳20的废气被导向至涡轮机叶轮30。
蜗壳10的横截面面积沿着从法兰42到靠近位于蜗壳20的端部45处的120度的线47的角度距离是一致的。蜗壳10可继续到位于舌状物27处的线46，其可以是对于围绕中心芯40的圆周41的360度的整个角度距离成另一个240度。蜗壳10的横截面面积沿着从靠近于位于端部45处的线47的最大值到位于舌状物27的360度角度处的最小值的角度距离减小。沿着从线47到线46的240度角度长度，蜗壳10的径向内侧53通过形状为圆周槽的、从端部45到舌状物27的废气引入通道55朝向中心芯40打开，以使得进入蜗壳10的废气被导向至涡轮机叶轮30。在围绕涡轮机外壳的任何角度点(例如，线46或线47延伸通过蜗壳10、20的点)处，蜗壳20具有第一横截面面积且蜗壳10具有第二横截面面积，且第一横截面面积小于第二横截面面积。
在图5的示出为发动机通气***60的示意性变型中，内燃机62可具有用于燃料的受控燃烧以产生功率的多个汽缸1-4。在燃烧过程中产生的废气在排气歧管64处离开发动机62，并可采取两个路径中的一个。汽缸1和4可以被连接至排气通道65，且汽缸2和3可以被连接至排气通道67。排气通道65可以继续至涡轮机11，在这里它与蜗壳10相连接。
废气通道67可以被连接至高压废气再循环(HP-EGR)、可通向热交换器69然后通向阀70的通道68，该阀70用于调节通过HG-EGR回路的废气流。高压设计涉及离开涡轮机11的发动机62上游的未降低的废气压力。通过HP-EGR回路的废气流可继续通过阀70，当打开时，进入进气通道71，且通过进气歧管72至发动机62。在通道68的下游，排气通道67可以继续到涡轮机11并在这里与蜗壳20连接。应当理解的是，如图1、2和4所示，蜗壳20可被径向地设置在蜗壳10内。通过使用连接至更小的蜗壳20的汽缸2和3作为用于HP-EGR的源，通过通道68可获得更高的压力来驱动EGR。
废气可通过通道73流出涡轮机11。通过将废气引导至涡轮机11的作动，压缩机74可通过轴75被旋转。旋转压缩机74可通过进气通道76吸入空气，进行压缩。通过通道77、充压空气冷却器78、进气节流阀79、通道71和进气歧管72来对发动机62的进气***充压。当需要时，进气节流阀79可被选择性地压制以增强通过HP-EGR回路的废气流，且根据多个变型，通过用减少的A/R来驱动EGR流通过蜗壳20可以省略该进气节流阀。压缩机74还可吸入通过低压废气再循环(LP-EGR)回路的废气。LP-EGR通道83可通向热交换器81，然后通向用于调节通过LP-EGR回路的废气流的阀84。低压设计涉及离开涡轮机11的降低的废气压力。通过LP-EGR回路的废气流可继续通过阀84(当打开时)，并进入压缩机74中并与进气空气一起流至发动机62。
具有阀的废气门导管85可提供围绕涡轮机11的旁路。离开***60的废气可前进通过后处理***86和排气节流阀87，并继续通过通道88。当需要时，排气节流阀87可选择性地节流流体，例如增加通过LP-EGR的废气流。
通过将汽缸1和4连接至蜗壳10，以及将汽缸2和3连接至蜗壳20，可以实现改善的脉冲分离。当操作发动机62时，废气被可选地排入蜗壳10和蜗壳20中，且压力或脉动降低(由于发动机被排放至相对的蜗壳)。其中，在低的发动机速度下，废气脉动的动态压力导致可增加增压压力。
通过非对称的、分离的多个蜗壳10和20，通过使用与更小的蜗壳相关联的更高压力的排气可以推动EGR流，通过分离不同汽缸的排气流可实现改善的脉冲分离，且可更加节约燃料，而无需使用可变的涡轮机几何形状。涡轮机的低的排气背压和增加的效率对这些效果有益。
对以下变型的说明仅仅是对部件、元件、动作、产品和方法的示意性描述，它们被认为落在本发明的范围之内并且绝不意在限制这种具体公开的或并未明确阐述的范围。除了本文明确描述的，部件、元件、动作、产品和方法可被组合和再布置，且仍然被认为是在本发明的范围内。
变型1可包括在涡轮增压器***中使用的产品。涡轮机外壳可限定具有圆周的圆形中心芯。涡轮机外壳可限定第一蜗壳，其仅仅围绕中心芯的圆周的一部分延伸出一定长度；和第二蜗壳，其可轴向地定位在第一蜗壳的外部且可围绕中心芯的整个圆周延伸。第一蜗壳和第二蜗壳可限定非对称的、通过涡轮机外壳的第一废气通道和第二废气通道。第二蜗壳的所有点可以从中心芯越过第一蜗壳的整个长度轴向地位于第一蜗壳的外部。
变型2可包括根据变型1的产品，且可包括具有至少四个汽缸的发动机。第一蜗壳可以被连接至至少四个汽缸中的前两个汽缸。第二蜗壳可以被连接至至少四个汽缸的后两个汽缸。至少四个汽缸中没有一个可以被同时连接至第一蜗壳和第二蜗壳。
变型3可包括根据变型2的产品，其中，发动机可具有进气***。高压废气再循环回路可被连接至至少四个汽缸的前两个汽缸。高压废气再循环回路可被选择性地连接至发动机的进气***，以使得由第一蜗壳发展的压力被用于驱动通过高压废气再循环回路的废气再循环流。
变型4可包括根据变型3的产品，其中，进气***并不包括进气节流阀。
变型5可包括根据变型1的产品，其中，第一蜗壳围绕中心芯的120-130度的角度延伸，优选地为围绕中心芯的110-140度的角度，且更优选地为围绕中心芯的100-160度的角度。
变型6可包括根据变型5的产品，其中，第一蜗壳在中心芯的整个角度量值上朝向中心芯，且第二蜗壳在中心芯的剩余角度量值上朝向中心芯。
变型7可包括根据变型1的产品，且可包括设置在中心芯中的涡轮机转子，其中，涡轮机转子并不包括可变的涡轮机几何形状。
变型8可包括根据变型1的产品，其中，第一蜗壳可以完全地沿着第一蜗壳的长度通过壁与第二蜗壳分离。在第一蜗壳的长度上通过第一蜗壳可将第二蜗壳从中心芯的圆周相分隔开。
变型9可包括根据变型1的产品，其中，在沿着围绕涡轮机外壳的第一蜗壳的长度的任何角度点处，第一蜗壳具有第一横截面面积且第二蜗壳具有第二横截面面积，且第一横截面面积小于第二横截面面积。
变型10可包括根据变型1的产品，其中，在围绕中心芯的角度位置处，第一蜗壳可具有第一半径，且第二蜗壳可具有第二半径，其中在第一半径上的第一横截面面积小于第二半径上的第二横截面面积。
变型11可包括根据变型1的产品，其具有将第一蜗壳从第二蜗壳分离的壁，防止第一蜗壳与第二蜗壳之间的泄漏。
变型12可包括根据变型1的产品，其中，第二蜗壳可具有横截面，其沿着第一蜗壳是不变的，且从第一蜗壳的端部到涡轮机外壳的舌状物减小。
变型13可包括根据变型12的产品，其中，舌状物可将第一蜗壳从第二蜗壳分离。
变型14可包括根据变型1的产品，该产品具有带排气歧管的发动机。第二横截面面积的尺寸可以被设计成用于降低排气歧管内的压力。
变型15可包括驱动废气再循环以及改善涡轮增压器涡轮机中的脉冲分离的方法。涡轮机外壳可设置有中心芯。涡轮机叶轮可定位在中心芯中。涡轮机叶轮的仅一部分可被第一蜗壳环绕。第一蜗壳以及整个中心芯可被第二蜗壳环绕。在涡轮机外壳上可设置有壁，以将第一蜗壳从第二蜗壳分离。在涡轮机外壳上设置有舌状物，以便将进一步将第一蜗壳从第二蜗壳分离。第一蜗壳可设置有第一横截面面积，该横截面面积从舌状物到第一蜗壳的端部减小。第二蜗壳可设置有第二横截面面积，第二横截面面积大于第一横截面面积。从舌状物到端部越过第一蜗壳的整个长度在第一蜗壳与中心芯之间可设置有第一开口。从第一蜗壳的端部到舌状物在第二蜗壳与中心芯之间可以设置有第二开口。通过将高压废气再循环回路连接至第一蜗壳而不是第二蜗壳而不让废气流被高压废气再循环回路驱动。
本发明的范围内的选择变型的以上描述在本质上仅仅是示意性的，且因而，它的变型或变体并不视为脱离本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种在涡轮增压器***中使用的产品，其包括：
涡轮机外壳，其限定具有圆周的圆形中心芯，且所述涡轮机外壳限定第一蜗壳和第二蜗壳，所述第一蜗壳仅仅围绕所述中心芯的所述圆周的一部分延伸出一定长度，所述第二蜗壳径向地定位在所述第一蜗壳的外部且围绕所述中心芯的整个所述圆周延伸，所述第一蜗壳和所述第二蜗壳限定非对称的、通过所述涡轮机外壳的第一废气通道和第二废气通道，其中，所述第二蜗壳的所有点从所述中心芯越过所述第一蜗壳的整个长度径向地位于所述第一蜗壳的外部，其中，所述第一蜗壳围绕所述中心芯的100-160度的角度延伸；
发动机，所述发动机具有至少四个汽缸，其中，所述第一蜗壳被连接至所述至少四个汽缸的前两个汽缸，所述第二蜗壳被连接至所述至少四个汽缸的后两个汽缸，所述至少四个汽缸中没有一个汽缸同时连接至所述第一蜗壳和第二蜗壳，其中，所述发动机具有进气***，且还包括连接至所述至少四个汽缸的所述前两个汽缸的高压废气再循环回路，所述高压废气再循环回路可被选择性地连接至所述发动机的所述进气***，以使得由所述第一蜗壳引起的压力被用于驱动通过所述高压废气再循环回路的废气再循环流；
具有阀的废气门导管，所述废气门导管被构造得用于提供旁路；以及舌状物，所述舌状物将所述第一蜗壳与第二蜗壳分离，所述舌状物用于在位于第一蜗壳的径向内侧上的第一废气通道与所述中心芯之间限定分隔部，从而使得所述第一蜗壳与第二蜗壳仅在通过第一蜗壳和第二蜗壳的端部的较小的注册件处彼此流体连通。
2.根据权利要求1所述的产品，其中，所述进气***并不包括进气节流阀。
3.根据权利要求1所述的产品，其中，所述第一蜗壳围绕所述中心芯的110-140度的角度延伸。
4.根据权利要求3所述的产品，其中，所述第一蜗壳围绕所述中心芯的120-130度的角度延伸。
5.根据权利要求1所述的产品，其中，所述第一蜗壳在所述中心芯的整个角度量上向所述中心芯张开，且所述第二蜗壳在所述中心芯的剩余角度量上向所述中心芯张开。
6.根据权利要求1所述的产品，其还包括设置在所述中心芯中的涡轮机转子，其中，所述涡轮机转子并不包括可变的涡轮机几何形状。
7.根据权利要求1所述的产品，其中，所述第一蜗壳完全地沿着所述第一蜗壳的长度通过壁而与所述第二蜗壳分离，通过所述第一蜗壳将所述第二蜗壳从所述中心芯的所述圆周隔开所述第一蜗壳的长度。
8.根据权利要求1所述的产品，其中，在沿着围绕所述涡轮机外壳的所述第一蜗壳的所述长度的任何角度点处，所述第一蜗壳具有第一横截面面积，且所述第二蜗壳具有第二横截面面积，且所述第一横截面面积小于所述第二横截面面积。
9.根据权利要求1所述的产品，其中，在围绕所述中心芯的角度点处，所述第一蜗壳具有第一半径，且所述第二蜗壳具有第二半径，其中，在所述第一半径上的所述第一横截面面积小于所述第二半径上的所述第二横截面面积。
10.根据权利要求1所述的产品，其还包括将所述第一蜗壳从所述第二蜗壳分离的壁，所述壁防止所述第一蜗壳与所述第二蜗壳之间的泄漏。
11.根据权利要求1所述的产品，其中，所述第二横截面面积沿着所述第一蜗壳是不变的，且从所述第一蜗壳的端部到所述涡轮机外壳的所述舌状物减小。
12.根据权利要求1所述的产品，所述产品还包括具有排气歧管的发动机，且其中，所述第二横截面面积的尺寸被设计成用于降低所述排气歧管内的压力。
13.一种驱动废气再循环且改善涡轮增压器中的脉冲分离的方法，所述方法包括以下步骤：
将涡轮机外壳设置具有中心芯；
将涡轮机叶轮定位在所述中心芯中；
用第一蜗壳环绕所述涡轮机叶轮的仅一部分；
用第二蜗壳环绕所述第一蜗壳和整个所述中心芯；
在所述涡轮机外壳上设置壁，以将所述第一蜗壳从所述第二蜗壳分离；
在所述涡轮机外壳上设置舌状物，以便进一步将所述第一蜗壳从所述第二蜗壳分离，所述舌状物在第一蜗壳的第一端和第二蜗壳的第二端限定了较小的注册件，所述舌状物用于在位于第一蜗壳的径向内侧上的第一废气通道与所述中心芯之间限定分隔部，从而使得所述第一蜗壳与第二蜗壳仅在通过第一蜗壳和第二蜗壳的端部的所述较小的注册件处彼此流体连通；
将所述第一蜗壳设置具有第一横截面面积，所述第一横截面面积从所述舌状物到所述第一蜗壳的端部减小；
将所述第二蜗壳设置具有第二横截面面积，所述第二横截面面积大于所述第一横截面面积；
从所述舌状物到所述端部越过所述第一蜗壳的所述整个长度在所述第一蜗壳与所述中心芯之间设置第一开口；
从所述第一蜗壳的所述端部到所述舌状物在所述第二蜗壳与所述中心芯之间设置第二开口；
提供发动机，所述发动机具有至少四个汽缸，其中，所述第一蜗壳被连接至所述至少四个汽缸的前两个汽缸，所述第二蜗壳被连接至所述至少四个汽缸的后两个汽缸，所述至少四个汽缸中没有一个汽缸同时连接至所述第一蜗壳和第二蜗壳，其中，所述发动机具有进气***，且还包括连接至所述至少四个汽缸的所述前两个汽缸的高压废气再循环回路，所述高压废气再循环回路可被选择性地连接至所述发动机的所述进气***，以使得由所述第一蜗壳引起的压力被用于驱动通过所述高压废气再循环回路的废气再循环流；
通过将高压废气再循环回路连接至所述第一蜗壳而不是所述第二蜗壳来驱动通过所述高压废气再循环回路的废气流，
其中，所述第一蜗壳围绕所述中心芯的100-160度的角度延伸。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一蜗壳围绕所述中心芯的110-140度的角度延伸。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一蜗壳围绕所述中心芯的120-130度的角度延伸。
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