CN1147059A - 利用内燃机的排气增压的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

为确保整个内燃机/涡轮增压器***的连续运行特性并使涡轮增压器不断适应内燃机的运行状态，在负荷变化小时至少第一废气涡轮增压器的涡轮横截面首先相应扩大或减小。只在到达超过它负荷变化就不再通过横截面的适应来补偿的开关点时才接通或断开一废气涡轮增压器。同时至少一废气涡轮增压器的涡轮横截面相应缩小或扩大。随后负荷变化通过上述横截面适应来补偿。为此第一废气涡轮增压器设计成可调的而另外的则是可调或不可调。

Description

利用内燃机的排气增压的方法和装置
本发明涉及一种利用带至少两个废气涡轮增压器的内燃机的排气来增压的方法及装置。
一种由废气涡轮增压器所增压的内燃机应该时常在低转速下实现高转矩，也就是说，实现一个相应的增压压力。但是也表明，在借助一废气涡轮增压器直接有较高的增压时，内燃机会出现一种不利的运转特性。
为了改进内燃机的运行特性和转矩特性，公知的有各种措施：—在两个或多个废气涡轮增压器上使内燃机的排气进行转换，亦即所谓的排气用于增压(见，DE-C22537863)；—在废气涡轮增压器上的调节措施，例如通过对废气涡轮之导流栅的导流叶片进行调节(见，DE-A14309637)。
在传统的排气增压情况下，至少两个相互平行安置的废气涡轮增压器与内燃机配合工作。因此，即使在内燃机低转数情况下也可实现高转矩。为了排气用于增压，应用了所谓的固定涡轮增压器，它总具有一个对于其轮廓刚性时也就是不可调的涡轮。
如果内燃机在低的负荷范围内工作，则只有一个废气涡轮增压器与内燃机为作用连接。按照负荷情况，平行地接通一个或多个废气涡轮增压器。为了改变内燃机的部分负荷特性或加速特性或转矩特性，每个首先接通的废气涡轮增压器还可再断开。这一点可借助在进气管和排气管道中安置的截止机构来实现。
但是，由于这种转接过程会产生相当大的增压突跳。与增压相关的运行参数如功率、空气比例，燃料消耗和内燃机及涡轮增压器的热力载荷也因此同样发生脉动变化，进而导致整个内燃机—涡轮增压器***的不连续的运行特性。
为更好地适应于内燃机实际的运行状态，例如采用了具有可变涡轮几何结构的废气涡轮增压器。与已经在上面描述的固定涡轮增压器相反，它标志为调节涡轮增压器。必需的废气涡轮横截面在这种废气涡轮增压器情况下通过调节其导流栅的导流叶片来实现。用其变化的涡轮面积就可使其连续地适应于内燃机，因此，其运行状态及增压总是最佳的。但是这种调节涡轮增压器的基本缺陷是，与涡轮相连的压缩机在容积流或增压压力波动时就倾向于喘振，因为它是相当靠近喘振边界运行的。在这种状态下，内燃机就不再被增压了，也就是说，必需的功率就不可能达到了。
本发明力图所有上述缺陷加以避免。其任务在于，设置一个利用排气为内燃机增压的方法，它可确保整个内燃机涡轮增压器***的连续运行特性以及连续地使涡轮增压器适应于内燃机最佳的运行状态。此外，还表明了按此方法运行的装置。
按照发明要求，如此实现上述任务的：在权利要求1前序部分的方法基础上，在内燃机较小的负荷变化情况下，至少第一废气涡轮增压器的涡轮横截面首先相应地扩大或减小。在达到一个确定的开关点时，另一个废气涡轮增压器才接通或断开，从上述开关点起，负荷变化不可能通过涡轮横截面的适应性加以补偿。在接通的同时，至少第一废气涡轮增压器的涡轮横截面相应地减小或在断开时相应地扩大。以后的负荷变化则重新通过至少第一废气涡轮增压器的涡轮横面的相应地适配性来补偿。
为此，作为第一废气涡轮增压器应用一个调节涡轮增压器，它连续地与内燃机作用连接。另外的废气涡轮增压器则既可为调节涡轮增压器的结构又可为固定涡轮增压器的结构。在每个调节涡轮增压器的废气涡轮中，设置一个公知的带可调导流叶片的导流栅。
通过本发明在排气增压的装置中应用至少一个调节涡轮增压器，就使得这些迄今为改善内燃机转矩特性而分别应用的措施的优点相互有机联系起来。因为，与内燃机连续有效连接的第一废气涡轮增压器设置为调节涡轮增压器，因此，较小的负荷变化就可以毫无问题地被补偿了。
当至少第一调节涡轮增压器的涡轮横截面同时相应地与一个或多个另外的废气涡轮增压器的断开或接通适应时，则废气涡轮的整个横截面就在开关点上获得一个相对连续的变化。以此方式，就可避免增压压力的大跳动并且整个内燃机涡轮增压器的运行特性也是基本连续的。
在本发明有利的实施方案中，两个废气涡轮增压器与内燃机相连接，同时，该第二废气涡轮增压器既可以是一个固定涡轮增压器，而且可以是另一个调节涡轮增压器。在第二废气涡轮增压器的进气管中安置一个单向阀和在其排气管道中安置一个控制阀门。为此最好应用不同结构参数的废气涡轮增压器，因为，这样对于增压***合成的总涡轮面积来说可得到一个较大的可能调节范围。
在本发明又一实施方案中，作为第二废气涡轮增压器同样可应用一个调节涡轮增压器。这个第二调节涡轮增压器具有一个单向阀用于增压空气，它安置在进气管道中。它的废气涡轮的导流栅可调节的导流叶片是完全可封闭的结构，这一点如此实现，即叶片是相互搭叠的。在第二调节涡轮增压器断开时，该导流叶片关闭并在其重新接通时才又打开。作为附加的优点，该第二调节涡轮增压器的废气涡轮可以如此内部地接通或关断，也就是说，一个单独的在排气管道中的控制阀不再需要了。
有利方式是，在两个调节涡轮增压器之压气机出口和涡轮进口之间各安置一个具有组合的控制阀的旁路管道。因此，一个确定部分的增压空气在内燃机之前被分支和导入废气涡轮增压器的废气涡轮中。结果，这个废气涡轮就以冲入一个较大的质量流，这又就确保了压气机的输送量和因此确保了内燃机的增压。
在本发明另一个实施方案中，两个以上的废气涡轮增压器与内燃机相连接。为此，除了第一废气涡轮增压器外，还安置至少一个第二调节涡轮增压器和一个固定涡轮增压器。在每个固定涡轮增压器的进气管中安置一个单向阀和在其排气管中安置一个控制阀。在应用更多个废气涡轮增压器情况下，应在开关点上立即有一个更小的增压跳动，亦即优于只有两个废气涡轮增压器的情况。此外，对于该增压***合成的总涡轮面积来说可能的调节范围就明显扩大了，因此，最好应用相同结构参数的较小的废气涡轮增压器。这样还允许在本发明此实施方案中应用标准化的废气涡轮增压器和由此降低了成本。
另外，还在这个解决方案中有利的是，至少在第二调节涡轮增压器中设置一个可全封闭导流叶片的导流栅，并在每个可全封闭的废气涡轮的进气管中安置一个单向阀。为此，这个废气涡轮的导流叶片是相互搭叠的结构。
在附图中，借助一个带两个或多个单级废气涡轮增压器并在排气管中配置的内燃机描述了本发明的多个实施例。
图1是带两个废气涡轮增压器的内燃机简图，其中，一个设置为调节涡轮增压器，另一个既为固定涡轮增压器又可为调节涡轮增压器，
图2是通过一个调节涡轮增压器的废气涡轮的局部纵剖图，
图3是与图1对应的但具有两个调节涡轮增压器的描述；
图4是第二调节涡轮增压器在完全闭合的状态的导流叶栅之展开放大图，
图5是带有三个废气涡轮增压器的内燃机简图，其中，两个设置成调节涡轮增压器和第三个设置为固定涡轮增压器，
图6是对应于图5但为另一实施方式的内燃机简图。
此处仅描述了为了理解本发明必要的基本元件。工作介质的流动方向是以箭头表示的。
作为狄塞尔发动机并具有两个V型气缸排1的内燃机2与两个相互平行安置的废气涡轮增压器3，4相连接，其中，每个气缸排1对应设置一个废气涡轮增压器3，4。该第一废气涡轮增压器3是调节涡轮增压器的结构和第二废气涡轮增压器为固定涡轮增压器。两个废气涡轮增压器3，4分别包括一个压气机5，6和一个排气涡轮7，8，它们安置在一个共同轴9，10上。不仅调节涡轮增压器3，而且固定涡轮增压器4是通过分别一个进气管11和一排气管12与相应的气缸1相连接。该进气管11具有一个共同的连接管13和排气管12具有一个连接管14。在进气管11中分别安置一个进气冷却器15。在进气管11和气缸排1之间分别构成一个进气积累容积16和在排气管12和气缸排1之间构成一个废气积累容器17。该固定涡轮增压器4具有两个切断机构18，19。它们安置其进气管11以及排气管12中并设置为单向阀或控制阀的结构(图1)。
该调节涡轮增压器3的排气涡轮7设有一个可变化的涡轮横截面其结构为可调导流叶片的导流叶栅21(图2)。该导流叶栅21安置在一个流动通道22中，它由废气涡轮7的壳体23和其叶轮25的轮毂24所限定。每个导流叶片20与一个调节轴26相连接。它安置在一个贯穿壳体23的孔27中。在其从孔27伸出的端部上，调节轴26各设有一个回转杠杆28。回转杠杆28的角度调节是通过未描述的操作装置实现的，例如从压气机结构中所公知的那样。
调节涡轮3是大于固定涡轮4的结构。因此，就可获得一个较大的调节可能范围以适应于整个装置之合成的涡轮面积，也就是说，废气涡轮3，4可以更好地适应于狄塞尔发动机2。
在狄塞尔发动机2全载荷情况下，该固定涡轮增压器4以其排气涡轮8的不变横截面工作，而调节涡轮增压器3以其排气涡轮7的中间或最大打开的横截面工作。由狄塞尔发动机2之气缸排1来的排气首先流入废气积累器17，并从此处通过排气管道12流入废气涡轮7，8。这由后者(废气涡轮)驱动的压气机5，6将从大气抽吸的并压缩的空气通过进气管11输送到相应的一个进气积累容器16中，由此，该增压气到达气缸排1。为了实现必要的增压空气温度，被压气机5，6抽吸的空气通过增压气冷却器15导入。
如果狄塞尔发动机2以较小的负载运行，则调节涡轮增压器3的废气涡轮7之等效横截B就实现减少。这一点是通过相应地调节导流叶片20发生的，该导流叶片20可通过其调节轴26和与之相连的回转杠杆28进行操作。
在达到一个确定的开关点，从此时起，该减少小的负荷不能再通过与调节涡轮增压器3的废气涡轮7的横截面相匹配而得以补偿，由此，通过关闭单向阀18和控制阀19而实现关断固定涡轮增压器4。同时，调节涡轮增压器3的废气涡轮7之横截面被扩大，因此，避免了增压的大跳动。该关断的气缸排1之其余的废气由此时起通过连接管道14到达调节涡轮增压器3的废气涡轮7。以后的载荷变化则重新税通过相应地与该调节涡轮增压器3之废气涡轮7的横截面相匹配来得以补偿。只有到达上述开关点时，该固定涡轮4才又接通。
不用固定涡轮增压器4，还可以将一个第二调节涡轮增压器与狄塞尔发动机2相连接(未图示)。该装置进一步的结构与上面描述的实施例相类似。两个方法的运行基本相同。与第一个方法不同之处仅在于，可调节的第二废气涡轮的横截面在狄塞尔发动机2全负荷时被开启到最大。随后的负荷变化则借助相应地两个废气涡轮的调节来补偿。这样就有利地导致在到达换位点以前有一个较大的调节范围，在开关点时，该第二调节涡轮增压器被关断。
在第二实施例中，除了第一个调节涡轮增压器3以外，一个第二并与第一平行安置的调节涡轮增压器29与狄塞尔发动机相连接。在第二调节涡轮增压器29的进气管道11中(图3)同样安置一个单向阀18。它的废气涡轮30的可调导流叶片20是相互搭接的结构(图4)。在两个调节涡轮增压器3，29的压气机5，31的出口和废气涡轮7，30的进口之间分别安置一个带组合的控制阀33的旁路管道32。
在狄塞尔发动机2全负荷情况下，该第二调节涡轮增压器29以其废气涡轮30之最大开启的截面工作，而第一调节涡轮增压器3以其废气涡轮7的中间的或最大的开启横截面进行工作。如果该狄塞尔发动机2以较小的负载运行，则两个废气涡轮30，7的等效横截面发生一个同时的减小。按照需求，该旁路管道32打开，以便在废气涡轮30，7中导入附加的压缩空气。因此，抽吸进更多的空气以供给狄塞尔发动机2并因此与压气机31，5的喘振效应相反。
在低于一个确定的发动机负荷时，该第二调节涡轮增压器29的压气机31用一个单向阀18关断。其废气涡轮30的关断是通过导流叶片20的完全关闭实现的，导流叶片20为此相互搭接。此后，该第一调节涡轮增压器3的废气涡轮7获得全部的排气量。该进一步的运行过程与上面已述实施例的过程相类似。
在第三实施例中，三个相互平行安置的废气涡轮增压器与狄塞尔发动机2相连接。同时涉及两个调节涡轮增压器3，29和一个固定涡轮增压器34。该固定涡轮增压器34安置在两个调节涡轮增压器3，29之间并且具有两个切断机构18，19，它们又可设置为单向阀或控制阀的结构(图5)。该调节涡轮3，29的废气涡轮7，30是设有可调的导流叶片20的。
在狄塞尔发动机2全负荷时，不仅调节涡轮增压器3，29而且固定涡轮增压器34都与发动机为作用连接。如果狄塞尔发动机以较小的负荷运动，则废气涡轮7，30首先发生一个等效横截面的下降。这一点是通过相应地调节导流叶片20来实现的。在到达开关点以后，该固定涡轮增压器34通过关闭单向阀18和控制阀19而被关断。同时，废气涡轮7的横截面又被扩大，这样以避免增压的大跳动。进一步地适应狄塞尔发动机2之负荷的变化则重新通过调节两个调节涡轮增压器3之涡轮横截面来实现。该关断的固定涡轮增压器34在狄塞尔发动机2有强烈上升的负荷时才又接通。
在下一个实施例中，同样有两个调节涡轮增压器3，29和一个固定涡轮增压器34与狄塞尔发动机2相连接。然而，该第二调节涡轮增压顺29的废气涡轮30设有可完全关闭的并相互搭接的导流叶片20(图4)且同样具有如固定涡轮增压器34那样的一个单向阀18(图6)。
该废气涡轮增压器3，29，34与狄塞尔发动机2的适应性基本上与第三实施例相类似的方式实现的。另外，在第二调节涡轮增压器为强烈减小的负荷情况下，另一个废气涡轮增压器则被关断。这一点是通过完全地关闭导流叶片20和通过关闭其单向阀18实现的。
                           零件编号1  气缸排                                24  轮毂2  内燃机，狄塞尔发动机                  25  运动叶片3  废气涡轮增压器，第一调节涡轮增压器，  26  调节轴4  废气涡轮增压器，固定涡轮增压器        27  孔5  调节涡轮增压器的压气机                28  回转杠杆6  固定涡轮增压器的压气机                29  第二调节涡轮
                                         增压器7  调节涡轮增压器的废气涡轮              30  第二调节涡轮
                                         增压器之废气
                                         涡轮8  固定涡轮增压器的废气涡轮              31  第二调节涡轮
                                         增压器之压气
                                         机9  调节涡轮增压器的轴                    32  旁路管10  固定涡轮增压器的轴                   33  控制阀11  进气管                               34  固定涡轮增压
                                         器12  排气管13  连接管14  连接管15  进气冷却器16  进气积积累器17  排气积累器18  关断机构，单向阀19  关断机构，控制阀20  导流叶片21  导流栅22  流动通道23  壳体

Claims (11)

1.用于内燃机排气增压的方法，其中，至少两平行连接的废气涡轮增压器(3，4或3，29，34)与一个内燃机(2)通过进气及排气管(11，12)而配合作用，但是只有第一废气涡轮增压器(3)连续地与内燃机(2)处于作用连接，同时，另外的废气涡轮增压器(4或29，34)按照内燃机(2)的负荷状态被接通或被关断，其特征在于：
a)在内燃机(2)之较小的负荷状态下，至少第一废气涡轮增压器(3)的涡轮横截面首先相应地被扩大或减小；
b)另一个废气涡轮增压器(4或29，34)的接通或关断在达到一个确定的开关时才发生，从此时起，负荷的变化，不能再通过与涡轮横截面的适应性来补偿了；
c)同时随着另一废气涡轮增压器(4或29，34)的接通或关断，至少第一废气涡轮增压器(3)的涡轮横截面相应地减小或扩大；
d)以后的负荷变化又重新通过相应地与至少第一废气涡轮增压器(3)相匹配来补偿。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于：
a)每个可变化的废气涡轮增压器(3，29)的涡轮横截面通过相应地打开或关闭在废气涡轮(7，30)之导流栅(21)中安置的导流叶片(20)而扩大或减小；
b)就其涡轮横截面可变化的废气涡轮增压器(29)的压气机(31)，是通过关断空气输入而被切断，而废气涡轮(30)则通过完全关闭其导流叶片(20)而切断；
c)在废气涡轮增压器(29)重新接通的情况下，到压气机(31)的空气输入以及废气涡轮(30)的导流叶片(20)又被打开。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在两个具有可变化涡轮横截面之结构的废气涡轮增压器(3，29)相组合的情况下，一部分增压空气在进入内燃机(2)之前被分流并直接导入该废气涡轮增压器(3，29)的废气涡轮(7，30)中。
4.用于内燃机排气增压的装置，包括至少两个在内燃机(2)上通过进气及排气管(11，12)相连接的并且相互平行连接的废气涡轮增压器(3，4或3，29，34)，其中，只有第一增压器与内燃机(2)连续地处于作用连接；还包括用于压缩空气以及用于燃烧废气的相应关断机构(18，19)，其特征在于：
作为第一废气涡轮增压器(3)应用一个公知的调节涡轮增压器；而另外的废气涡轮增压器既可为调节涡轮增压器(29)或可为固定涡轮增压器(3，29)。
5.按权利要求4所述的装置，其特征在于：在每个调节涡轮增压器(3，29)的废气涡轮(7，30)中安置一个公知的具有可调导流叶片(20)的导流栅(21)。
6.按权利要求4或5的装置，其特征在于：两个最好不同结构参数的废气涡轮增压器(3，4)与内燃机(2)相连接，同时，在第二废气涡轮增压器(4)进气管道(11)中安置一个单向阀(18)和在其排气管道(12)中安置一个控制阀(19)。
7.按权利要求5所述的装置，其特征在于：a)两个最好不同结构参数的废气涡轮增压器(3，29)与内燃机(2)相连接；b)该第二废气涡轮增压器(29)同样是调节涡轮增压器的结构；c)在第二调节涡轮增压器(29)之废气涡轮(30)中安置的导流栅(21)是完全可调节的结构；d)在第二调节涡轮增压器(29)之进气管(11)中安置一个单向阀(18)。
8.按权利要求7所述的装置，其特征在于：在两个调节涡轮增压器(3，29)之压气机(5，31)的出口和废气涡轮(7，30)的入口之间，分别安置一个旁路管(32)并带一个组合的控制阀(33)。
9.按权利要求4或5所述的装置，其特征在于：
a)两个以上的最好相同结构参数的废气涡轮增压器(3，29，34)与内燃机(2)相连接；
b)除了第一(废气涡轮增压器)外至少设置一个第二调节涡轮增压器(29)和一个固定涡轮增压器(34)，
c)在固定涡轮增压器(34)的进气管道(11)中安置一个单向阀(18)和在其排气管道(12)中安置一个控制阀(19)。
10.按权利要求9所述的装置，其特征在于：至少在第二调节涡轮增压器(29)的废气涡轮(30)中设置一个完全于关闭的导流栅(21)和在每个完全可关闭的废气涡轮(30)的进气管(11)中安置一个单向阀(18)。
11.按权利要求7或10所述的装置，其特征在于：
每个完全可关闭的废气涡轮(30)的导流叶片(20)是相互可搭叠的结构。
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