CN106870214B - 一种双流道涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种双流道涡轮增压器,包括涡轮机，涡轮机内设有涡轮叶轮、涡壳高压和低压进气流道，发动机上设有高压和低压排气歧管,涡壳高压进气流道和高压排气歧管相连，涡壳低压进气流道和低压排气歧管相连，高压排气歧管和低压排气歧管之间有连接流道并设有调节阀，高压排气歧管连接气缸数大于低压排气歧管。在低速区域，调节阀关闭或具有部分开度，确保涡壳高压进气流道排气背压高于增压后的进气压力，同时更多的排气从涡壳高压进气流道流向涡轮，满足发动机中低转速增压需求。在大负荷中高速区域，在保证足够排气背压的情况下，打开调节阀将高压排气歧管中排气放入低压排气歧管，减小高压流道排气背压，减小泵气损失，提高发动机效率。

Description

一种双流道涡轮增压器

技术领域

本发明属于内燃机领域，具体来说是涉及一种双流道涡流增压器。

背景技术

随着排放法规越来越严格，需要控制氮氧化物的生成，抑制氮氧化物的生成一般需要控制燃烧温度和氧的浓度，为了实现这个目的人们提出了废气再循环技术(EGR)。废气再循环技术是将发动机的部分废气直接(或者经冷却后)重新引入气缸，由于废气中二氧化碳等多原子分子的比热容较高，可有效降低燃烧温度，另外引入的废气可有效降低气缸中进入空气中的氧浓度，从而实现了抑制氮氧化物的生成的目的。但是对于增压柴油机来说，特别是在发动机中低速区域，排气的涡轮前压力往往小于进气增压压力，进气中无法引入EGR。为实现EGR 循环，比较通用的做法是采取可变截面涡轮增压器，通过改变涡轮喷嘴流通面积来改变发动机排气背压，使发动机排气压力高于进气压力。由于可变截面涡轮增压器的控制和执行机构复杂，成本较高，且调节起来比较繁琐，在涡轮增压器高温工作环境下，可靠性存在缺陷。公开号为CN101634244A的发明专利申请公开了涡流增压器非对称分体涡轮机, 本发明中的涡轮增压器非对称分体涡轮机改变了传统涡轮机的对称结构设计,采用了分体非对称结构，涡轮壳的两个流道具有不同的A/R 值（A/R 值为流道流通截面积与流道流通截面几何中心位置的比值），为了在发动机中低速区域能够向增压后进气加入EGR，涡壳高压流道A/R 值小于涡壳低压流道A/R值，使发动机的排气压力与进气压力的压差满足EGR 的需要。在发动机中高速的区域，往往排气中涡轮前压力已经高压增压后进气压力，再加上两个流道具有不同的A/R 值导致的涡壳高压流道涡前排气背压进一步升高，将导致发动机泵气损失更大，同时还需要通过EGR阀减小开度产生一定量的节流损失来控制EGR率，因此发动机效率变低。非对称分体涡轮机两个流道中非对称度（即不同A/R 值实现不同的EGR率）需要和燃烧***匹配，这种增压器因不同的燃烧***需要的EGR率不同，将不能在相同排量的发动机中匹配使用，不具有通用性。

发明内容

本发明目的在于针对可变截面涡轮增压器成本较高、控制复杂、可靠性差的局限性，非对称分体涡轮机类双流道增压器在发动机中高速的区域泵气损失大，发动机效率变低，不能在相同排量的发动机中匹配使用，不具有通用性的问题，提供了一种能有效提供EGR所需排气背压，且排气背压更低，泵气损失更小，发动机效率更高，中低转速增压特性可调节、成本低，结构简单的一种双流道增压器。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种双流道涡轮增压器，包括涡轮机、压气机，与发动机相连；所述涡轮机涡轮壳内设有涡轮叶轮、涡壳高压进气流道和涡壳低压进气流道；发动机上设有高压排气歧管和低压排气歧管；涡壳高压进气流道、涡壳低压进气流道靠近涡轮叶轮的位置设有涡壳喷嘴；涡轮叶轮通过涡轮转子轴和压气机相连，压气机将大气压下的空气从压气机入口流道吸入，经过旋转的压气机叶轮加压后从压气机出口流道流出，经过增压器中冷器后进入发动机进气管；其特征在于：所述高压排气歧管连接的发动机气缸数大于低压排气歧管连接的气缸；所述涡壳高压进气流道和高压排气歧管相连，涡壳低压进气流道和低压排气歧管相连；高压排气歧管和低压排气歧管之间有连接流道并设有调节阀，调节阀通过不同开度调节高压排气歧管流入低压排气歧管的排气量，进而调节控制高压排气歧管排气压力。

其进一步特征在于：所述涡壳高压进气流道和涡壳低压进气流道流通截面面积相同，具有相同的A/R 值。

进一步的：所述涡壳低压进气流道上设有废气旁通通道，并在旁通道内设有旁通阀门。

所述高压排气歧管或涡壳高压进气流道设有EGR取气口，并连接EGR阀和EGR冷却器。

所述的涡壳高压进气流道和低压流道截面形状从同涡轮涡壳连接一端向靠近涡轮叶轮一侧面积逐渐减小。

优选的：所述涡轮喷嘴设置在涡壳高压进气流道和低压流道同涡轮叶轮之间，涡轮喷嘴出口由为环形结构；所述涡壳高压进气流道出口气流方向和涡壳低压进气流道出口气流方向之间夹角小于20°。

本发明的积极效果是：

本发明中的涡轮机，涡壳高压进气流道和高压排气歧管相连，涡壳低压进气流道和低压排气歧管相连，涡壳高压进气流道和低压流道流通截面面积相同，具有相同的A/R值。高压排气歧管连接的发动机气缸数大于低压排气歧管连接的气缸，高压排气歧管和低压排气歧管之间有连接流道并设有调节阀，在发动机中低速区域，调节阀关闭或具有部分开度，确保涡壳高压进气流道排气背压高于增压后的进气压力，满足EGR 的需要。此外，通过控制调节阀开关和开度的大小，可以控制流经涡壳高压进气流道排气流量，从而实现增压器的中低速增压特性可控，扩展增压器匹配发动机使用范围。调节阀关闭或开度很小，将有更多的排气从涡壳高压进气流道流向涡轮，满足发动机中低转速增压需求，提高发动机低速时的增压比。

在发动机运行的中高速区域，在保证足够高压流道排气背压的情况下，打开调节阀将高压流道中排气放入低压流道，减小高压流道排气背压，减小泵气损失，同时因为压差减小可以将EGR阀开度设置的较大来调节EGR率，减小了排气节流损失，进而提高了发动机效率。在调节阀和EGR阀的共同调节作用下，在保证发动机泵气损失较小的情况下，针对具有不同的燃烧***相同排量的发动机匹配使用不同的EGR率，具有通用性。

涡轮喷嘴环带的上下壁面为平行平面，所述涡壳高压进气流道出口气流方向和涡壳低压进气流道出口气流方向之间夹角小于20°，涡壳高压进气流道和涡壳低压进气流道的出口气流方向尽可能朝向涡轮，并有效地减小两股气流流动相互干扰。该双流道涡轮增压器结构简单，容易升级切换、成本低，容易快速实现工程化。

附图说明

图1本发明双流道涡轮增压***示意图。

图2调节阀局部示意图。

图3为双流道涡轮增压器局部结构示意图。

图中：1-压气机入口流道；2-压气机；3-压气机出口流道；4-增压器中冷器；5-发动机进气管； 6-发动机；7-气缸；8-EGR冷却器；9-高压排气歧管；10-低压排气歧管；11-EGR阀；12-调节阀；13-涡轮机；14-连接流道；15-涡轮壳；16-涡壳高压进气流道；17-涡壳低压进气流道；18-喷嘴之间夹角；19-涡轮喷嘴；20-涡轮叶轮；21-涡轮转子轴。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，一种双流道涡轮增压器，包括涡轮机13、压气机2；与发动机6相连。所述涡轮机13涡轮壳15内设有涡轮叶轮20、涡壳高压进气流道16和涡壳低压进气流道17。发动机6上设有高压排气歧管9和低压排气歧管10。涡壳高压进气流道16、涡壳低压进气流道17靠近涡轮叶轮20的位置设有涡轮喷嘴19；涡轮叶轮20通过涡轮转子轴21和压气机2相连，压气机2将大气压下的空气从压气机入口流道1吸入，经过旋转的压气机叶轮加压后从压气机出口流道3流出，经过增压器中冷器4后进入发动机进气管5。所述高压排气歧管9和低压排气歧管10分别连接不同气缸排气道，高压排气歧管9连接的发动机气缸数大于低压排气歧管10连接的气缸，例如示意图1中高压排气歧管连接的发动机1、2、3、4缸排气道共连接4个气缸7，低压排气歧管连接的发动机5、6缸排气道共连接2个气缸7。涡壳高压进气流道16和高压排气歧管9相连，涡壳低压进气流道17和低压排气歧管10相连，涡壳高压进气流道16和涡壳低压进气流道17流通截面面积相同，具有相同的A/R 值。如图1所示，高压排气歧管9和低压排气歧管10之间有连接流道14并设有如图2所示的调节阀12，调节阀12通过不同开度调节高压排气歧管9流入低压排气歧管10的排气量，进而调节控制高压排气歧管9排气压力；也可以在涡壳低压进气流道17和涡壳高压进气流道16之间设有调节阀12，调节阀12通过不同开度调节涡壳高压进气流道16流入涡壳低压进气流道17的排气量，因涡壳高压进气流道16和高压排气歧管9连接，可以调节控制高压排气歧管9排气压力。

所述高压排气歧管9或涡壳高压进气流道16设有EGR取气口，并连接EGR阀11和EGR冷却器8。经过EGR冷却器8的排气进入增压器中冷器4后的发动机进气管5，然后和新鲜空进入发动机6的气缸7内。

在发动机6中低速区域，调节阀12关闭或具有部分开度，发动机6流入高压排气歧管9、涡壳高压进气流道16的排气流量将大于涡壳低压进气流道17，确保涡壳高压进气流道16排气背压高于增压后的进气压力，满足EGR 的需要。此外，通过控制调节阀12开关和开度的大小，可以控制流经涡壳高压进气流道16排气流量，从而实现增压器的中低速增压特性可控，扩展增压器匹配发动机使用范围。调节阀12关闭或开度很小，将有更多的排气从涡壳高压进气流道16流向涡轮，满足发动机6中低转速增压需求，提高发动机6低速时的增压比。

在发动机6运行的中高速区域，在保证足够高压流道排气背压的情况下，打开调节阀12将高压进气流道中排气放入低压进气流道，减小高压进气流道排气背压，减小泵气损失，同时因为压差减小可以将EGR阀11开度设置的较大来调节EGR率，减小了排气节流损失，进而提高了发动机6效率。在调节阀12和EGR阀11的共同调节作用下，在保证发动机6泵气损失较小的情况下，针对具有不同的燃烧***相同排量的发动机匹配使用不同的EGR率，具有通用性。

为了保证高速增压器的可靠性，可以在涡壳低压进气流道16上设有废气旁通通道，并在旁通道内设有旁通阀门。在发动机高速时，旁通阀门打开，其通过节流控制流量，将涡壳内低压流道内的一部分发动机排气及经过调节阀从高压流道中流入的排气引入涡轮机后的排气管，实现增压器的执行机构通过控制旁通阀门来调节涡轮的转速。

所述涡壳高压进气流道16和涡壳低压进气流道17截面形状从同涡轮壳15连接一端向靠近涡轮叶轮20一侧面积逐渐减小。

所述涡壳高压进气流道16和涡壳低压进气流道17同涡轮叶轮20之间设有涡轮喷嘴19，涡轮喷嘴19出口由环形结构构成，且和涡壳高压进气流道16、涡壳低压进气流道17相连的涡轮喷嘴19之间夹角小于20°，涡壳高压进气流道16和涡壳低压进气流道17的出口气流方向尽可能朝向涡轮叶轮20，有效地减小两股气流流动相互干扰。

本发明有效的解决了EGR循环中对涡轮增压器较高排气压力的要求，解决了传统的可变截面涡轮增压器成本高、控制复杂的不足，结构简单、可靠、继承性好，容易升级切换、成本低，容易快速实现工程化。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种双流道涡轮增压器，包括涡轮机、压气机，与发动机相连；所述涡轮机涡轮壳内设有涡轮叶轮、涡壳高压进气流道和涡壳低压进气流道；发动机上设有高压排气歧管和低压排气歧管；涡壳高压进气流道、涡壳低压进气流道靠近涡轮叶轮的位置设有涡壳喷嘴；涡轮叶轮通过涡轮转子轴和压气机相连，压气机将大气压下的空气从压气机入口流道吸入，经过旋转的压气机叶轮加压后从压气机出口流道流出，经过增压器中冷器后进入发动机进气管；其特征在于：所述高压排气歧管连接的发动机气缸数大于低压排气歧管连接的气缸；所述涡壳高压进气流道和高压排气歧管相连，涡壳低压进气流道和低压排气歧管相连；高压排气歧管和低压排气歧管之间有连接流道并设有调节阀，调节阀通过不同开度调节高压排气歧管流入低压排气歧管的排气量，进而调节控制高压排气歧管排气压力；

所述高压排气歧管或涡壳高压进气流道设有EGR取气口，并连接EGR阀和EGR冷却器；

所述涡壳高压进气流道和涡壳低压进气流道流通截面面积相同，具有相同的A/R 值。

2.根据权利要求1所述的双流道涡轮增压器，其特征在于：所述涡壳低压进气流道上设有废气旁通通道，并在旁通道内设有旁通阀门。

3.根据权利要求1所述的双流道涡轮增压器，其特征在于：所述的涡壳高压进气流道和低压流道截面形状从同涡轮涡壳连接一端向靠近涡轮叶轮一侧面积逐渐减小。

4.根据权利要求3所述的双流道涡轮增压器，其特征在于：所述涡壳喷嘴设置在涡壳高压进气流道和低压流道同涡轮叶轮之间，涡轮喷嘴出口为环形结构；所述涡壳高压进气流道出口气流方向和涡壳低压进气流道出口气流方向之间夹角小于20°。

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