CN115126596A - 一种涡轮增压装置和车辆 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种涡轮增压装置和车辆。涡轮增压装置包括涡轮组件、压轮组件、燃烧室、进气流道、主流道和旁通流道，所述涡轮组件和所述压轮组件刚性连接以同步转动；所述进气流道、所述主流道和所述旁通流道均与所述燃烧室连通，空气经所述进气流道进入所述燃烧室，所述燃烧室内的废气经所述主流道和所述旁通流道排出；所述压轮组件设置在所述进气流道上，设置为将空气加压后送入所述燃烧室；所述涡轮组件设置在所述主流道上，使废气带动所述涡轮组件转动；所述旁通流道与所述主流道上的所述涡轮组件并联，部分废气由所述旁通流道排出。涡轮增压装置的涡端效率高，发动机整体工作效率高。

Description

一种涡轮增压装置和车辆

技术领域

本申请涉及但不限于涡轮增压技术，特别是一种涡轮增压装置和车辆。

背景技术

在内燃机发展前期，想获得更强的动力，通常需要更大的排量，但这意味着更大的体积。上世纪70年代开始涡轮增压器逐步在在内燃机上推广应用，突破了靠单纯增大排量来获取更高动力的限制。目前随着技术的不断发展，相比自然吸气发动机，同等排量下涡轮增压技术可大幅提升发动机动力水平，通常可达70％以上。增压机型在乘用车发动机中的占比逐年增加。

随着技术的发展，内燃机增压技术除传统的涡轮增压外，还衍生出一系列增压方式，如：双流道涡轮增压、VGT(Variable Geometry Turbocharger，可变截面涡轮增压)、机械增压、电动增压以及电辅助增压、两级增压等等。但综合来看，考虑成本和技术收益以及高效率、耐久性、NVH(Noise、Vibration、Harshness，噪声、振动与声振粗糙度)等因素，传统旁通阀结构涡轮增压的方式仍占据增压市场的主导地位。传统旁通阀结构增压器相比VGT及双流道等，由于其涡端可以做到较小的轮壁间隙及确保更多的废气冲击涡轮叶片做功，涡端效率最优。

目前的增压器，涡端效率在某些工况下较低，进而降低了发动机效率。

发明内容

本申请实施例提供了一种涡轮增压装置和车辆，涡端效率高，发动机整体工作效率高。

本申请实施例提供了一种涡轮增压装置，涡轮增压装置包括涡轮组件、压轮组件、燃烧室、进气流道、主流道和旁通流道，所述涡轮组件和所述压轮组件刚性连接以同步转动；

所述进气流道、所述主流道和所述旁通流道均与所述燃烧室连通，空气经所述进气流道进入所述燃烧室，所述燃烧室内的废气经所述主流道和所述旁通流道排出；

所述压轮组件设置在所述进气流道上，设置为将空气加压后送入所述燃烧室；所述涡轮组件设置在所述主流道上，使废气带动所述涡轮组件转动；所述旁通流道与所述主流道上的所述涡轮组件并联，部分废气由所述旁通流道排出。

进一步，所述燃烧室包括主流道排气门和旁通流道排气门，所述主流道的第一端与所述主流道排气门连通，所述旁通流道的第一端与所述旁通流道排气门连通；

所述旁通流道的第二端与所述主流道连通，且连通位置设置在所述主流道上沿气体流动方向的所述涡轮组件的下游。

进一步，所述燃烧室包括主流道排气门，所述主流道的第一端与所述主流道排气门连通；

所述旁通流道的两端均与所述主流道连通，两个连通位置分别设置在所述主流道上沿气体流动方向的所述涡轮组件的上游和下游。

进一步，所述旁通流道的第一端与所述主流道的连通位置处设置有分流阀。

进一步，涡轮增压装置还包括调节流道，所述调节流道与所述主流道上的所述涡轮组件并联，所述调节流道的两端均与所述主流道连通，两个连通位置分别设置在所述主流道上沿气体流动方向的所述涡轮组件的上游和下游；

所述调节流道上设置有调节阀。

进一步，所述主流道内的废气占所述燃烧室排出的废气的70％至80％，所述旁通流道内的废气占所述燃烧室排出的废气的20％至30％。

进一步，所述主流道内的废气占所述燃烧室排出的废气的78％，所述旁通流道内的废气占所述燃烧室排出的废气的22％。

进一步，所述燃烧室的数量为设置多个，所述旁通流道包括多根支管和一根总管，所述支管与所述燃烧室一一对应，多根所述支管汇总后与所述总管的一端连通；

所述总管的另一端作为所述旁通流道的第二端与所述主流道连通。

进一步，涡轮增压装置还包括气体回收管路，所述气体回收管路的第一端与所述主流道连通，且连通位置设置在所述主流道上沿气体流动方向的所述涡轮组件的下游；

所述气体回收管路的第二端与所述进气流道连通，且连通位置设置在所述进气流道上沿气体流动方向的所述压轮组件的上游；

所述气体回收管路上设置有气体处理装置。

本申请实施例还提供了一种车辆，车辆包括前述的涡轮增压装置。

相比于一些技术，本申请具有以下有益效果：

本申请实施例提供的涡轮增压装置，通过旁通流道对燃烧室排出的废气进行部分分流，使废气可以正常带动涡轮组件旋转做功的同时，避免涡轮组件对废气排出造成较大的阻力，在发动机高转速大负荷的工况下，避免废气排放不畅，避免影响发动机的工作效率。本申请实施例提供的涡轮增压装置结构相对简单，工作可靠性高，在传统废气旁通阀结构上进行设计优化，工艺可行性更高，成本投入与技术收益性价比更优。

本申请实施例提供的车辆，具有前述的涡轮增压装置，车辆节能性好，油耗低，用户满意度高。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请实施例一所述的涡轮增压装置的结构示意图一；

图2为本申请实施例一所述的旁通管路的布置示意图；

图3为本申请实施例一所述的涡轮增压装置的结构示意图二；

图4为本申请实施例一所述的涡轮增压装置的结构示意图三；

图5为本申请实施例一所述的涡轮增压装置的结构示意图四；

图6为本申请实施例一所述的涡轮增压装置的结构示意图五；

图7为本申请实施例一所述的涡轮增压装置的结构示意图六；

图8为本申请实施例二所述的涡轮增压装置的结构示意图七；

图9为本申请实施例二所述的涡轮增压装置的结构示意图八。

图示说明：

1-涡轮组件，2-压轮组件，3-燃烧室，31-主流道排气门，32-旁通流道排气门，4-进气流道，41-水冷中冷器，42-电子节气门体，5-主流道，51-三元催化器，6-旁通流道，61-支管，62-总管，63-分流阀，7-调节流道，71-调节阀，8-气体回收管路，81-EGR冷却器，82-EGR流量控制阀，91-涡端出气口，92-压端进气口，93-压端出气口。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

提升排气废气能量利用效率，应使低速时使废气的能量尽可能的得到充分的利用；同时，在高转速大负荷、废气流量较大情况下，尽量减小排气不畅造成的发动机泵气能量损失。为应对日渐严苛的油耗和排放法规，提高发动机热效率，需要降低传统涡轮增压器在发动机高速运行阶段排气阻力，从而减小发动机的泵气能量损失。对于涡轮增压器而言，提高效率意味着发动机的废气能量利用率更高，更能符合发动机提升效率的需求。

发动机高速运行时，进气、排气流量相应增加，此时传统的旁通阀由于结构受限，即使旁通阀门全开，依然会产生一定的排气阻力。由于排气不畅，新鲜空气在相同条件下进入发动机燃烧室受阻，影响燃烧室泵气，进而导致很大一部分的能量损失。之前行业常用的技术解决方案，通常是采用VGT的结构形式，在高速低负荷工况下，喷嘴环组件张开一定的角度，用于减少通过涡轮的废气流量，也能起到一定的降低排气背压、减小泵损的作用，但此结构存在天生缺陷：由于喷嘴环叶片之间的缝隙及喷嘴环叶片与增压器涡轮之间的间隙，在涡端效率方面远不及传统废气旁通阀结构。

此外，为尽量提高涡轮增压器的涡端效率、提升发动机效率，通常还有以下方式：一、减小涡轮组件的废气阻力，以降低排气背压，减小泵损；二、排气道布置顺滑，尽量减小气流冲击壁面造成的能量损失；三、缩小轮壁间隙，减少排气流外泄，使排气集中推动涡轮叶片上做功；四、使用新型摩擦副结构及低粘度机油，减小摩擦功。但上述方式效果并不理想，存在结构复杂、成本高、影响涡轮增压器正常使用等弊端。

实施例一

本申请实施例提供了一种涡轮增压装置，如图1至图7所示，涡轮增压装置包括涡轮组件1、压轮组件2、燃烧室3、进气流道4、主流道5和旁通流道6，涡轮组件1和压轮组件2刚性连接以同步转动；进气流道4、主流道5和旁通流道6均与燃烧室3连通，空气经进气流道4进入燃烧室3，燃烧室3内的废气经主流道5和旁通流道6排出；压轮组件2设置在进气流道4上，设置为将空气加压后送入燃烧室3；涡轮组件1设置在主流道5上，使废气带动涡轮组件1转动；旁通流道6与主流道5上的涡轮组件1并联，部分废气由旁通流道6排出。

本申请实施例提供的涡轮增压装置，可与发动机配合使用，利用发动机排出的废气(即燃烧室3的废气)带动涡轮增压装置中的涡轮组件1转动，压轮组件2与涡轮组件1一同转动，压轮组件2给进气***增压，进而提高发动机进气效率及整体工作效率。

在发动机高转速大负荷、废气流量较大的情况下，部分废气由旁通流道6直接排出，以提高废气排出效率，避免涡轮组件1对整体废气排放造成较大阻碍，进而影响燃烧室3内部气压、降低燃烧室3的进气效率(即发动机的进气效率)。在发动机转速较低时，废气仍可通过主流道5带动涡轮组件1转动，进而实现提高进气***压力，提高进气效率，旁通流道6此时对于涡轮增压装置本身的增压功能影响较小。

本申请实施例提供的涡轮增压装置，在增设旁通流道6后，可同时配合缸盖、凸轮型线优化设计，同时配合缸盖、排气门、凸轮轴***做优化设计，尽量减小排气干扰和高速区域的排气阻力，结合对凸轮轴角度及排气阻力的调节，使最佳燃油消耗点降至最优。

本申请实施例提供的涡轮增压装置，通过旁通流道6对燃烧室3排出的废气进行部分分流，使废气可以正常带动涡轮组件1旋转做功的同时，避免涡轮组件1对废气排出造成较大的阻力，在发动机高转速大负荷的工况下，避免废气排放不畅，避免影响发动机的工作效率。本申请实施例提供的涡轮增压装置结构相对简单，工作可靠性高，在传统废气旁通阀结构上进行设计优化，工艺可行性更高，成本投入与技术收益性价比更优。

在一示例性实施例中，如图1和图5所示，燃烧室3包括主流道排气门31和旁通流道排气门32，主流道5的第一端与主流道排气门31连通，旁通流道6的第一端与旁通流道排气门32连通；旁通流道6的第二端与主流道5连通，且连通位置设置在主流道5上沿气体流动方向的涡轮组件1的下游。

燃烧室3包括与主流道5连通的主流道排气门31以及与旁通流道6连通的旁通流道排气门32，废气在燃烧室3即分别通过主流道排气门31和旁通流道排气门32进入主流道5和旁通流道6进行排放，两条流道互不影响，换言之，旁通流道6与主流道5并联设置，并联的一端位于燃烧室3，另一端位于涡轮组件1的下游，使部分废气可直接经由旁通流道6排出，而不经过涡轮组件1。

在一示例性实施例中，主流道5内的废气占燃烧室3排出的废气的70％至80％，旁通流道6内的废气占燃烧室3排出的废气的20％至30％。

将主要的废气经由主流道5排出，以推动涡轮组件1转动做功，进而带动压轮组件2转动以提高发动机进气效率。将较少的一部分废气经由旁通流道6排出，以降低在发动机高速运转时涡轮组件1对于废气排放的阻力，提高发动机的排气效率，进而提高进气效率及发动机整体工作效率。其中，可以将主流道5内的废气占燃烧室3排出的废气占比设置为78％，将旁通流道6内的废气占燃烧室3排出的废气占比设置为22％，以获得更好的综合效率和性能。

应当理解的是，主流道5和旁通流道6中的废气占比，并不会因涡轮组件1在发动机不同转速时的阻力而改变，在设定完成后主流道5和旁通流道6中的废气占比即保持不变。

在一示例性实施例中，如图5所示，涡轮增压装置还包括调节流道7，调节流道7与主流道5上的涡轮组件1并联，调节流道7的两端均与主流道5连通，两个连通位置分别设置在主流道5上沿气体流动方向的涡轮组件1的上游和下游；调节流道7上设置有调节阀7。

调节流道7与旁通流道6作用不同，调节流道7用于对主流道5经过涡轮组件1的废气量进行微调，以适应不同工况，提高涡轮增压装置的实用性。

如：当流道内的废气占燃烧室3排出的废气占比设置为78％，将旁通流道6内的废气占燃烧室3排出的废气占比设置为22％时，此时主流道5和旁通流道6的废气占比已经确定并保持不变，此时若想调节主流道5上通过涡轮组件1的废气量，通过改变调节阀7的开度即可。例如：希望将通过涡轮组件1的废气占比调整为燃烧室3排出的废气的70％，此时调整调节阀7，使8％的废气经由调节流道7即可。

设置有燃烧室3的缸盖可以采用VVL技术(variable valve，可变气门升程)，用以调节排气主流道5与旁通流道6的气体流量，此时主流道5旁可不设置调节流道7和调节阀7，以减少涡轮增压装置的零件数量，提高涡轮增压装置的工作可靠性。当然，在对瞬态响应性要求较高时，应设置有调节流道7和调节阀7。

在一示例性实施例中，如图1、图2和图5所示，燃烧室3的数量为设置多个，旁通流道6包括多根支管61和一根总管62，支管61与燃烧室3一一对应，多根支管61汇总后与总管62的一端连通；总管62的另一端作为旁通流道6的第二端与主流道5连通。

根据发动机类型的不同，燃烧室3的数量可设置为一个或多个，旁通流道6的前端设置多根支管61以对应各个燃烧室3，换言之，本申请实施例提供的涡轮增压装置，可以适用于三缸发动机，也可以用于包含其他数量汽缸的发动机。

应当理解的是，在燃烧室3设置为多个的情况下，主流道5也可同旁通流道6类似设置，即包含多根支管和一根总管的形式，此处对主流道5的结构不再赘述。

在一示例性实施例中，如图1和图5所示，涡轮增压装置还包括气体回收管路8，气体回收管路8的第一端与主流道5连通，且连通位置设置在主流道5上沿气体流动方向的涡轮组件1的下游；气体回收管路8的第二端与进气流道4连通，且连通位置设置在进气流道4上沿气体流动方向的压轮组件2的上游；气体回收管路8上设置有气体处理装置。

气体回收管路8将发动机排出的废气进行部分回收，以提高发动机的效率及环保性。

气体回收管路8的第一端与主流道5连通，且连通位置设置在主流道5上沿气体流动方向的涡轮组件1的下游，换言之，将主流道5、调节流道7、旁通流道6汇合后的总的废气进行部分回收。气体回收管路8的第二端与进气流道4连通，且连通位置设置在进气流道4上沿气体流动方向的压轮组件2的上游，换言之，气体回收管路8回收的气体经压轮组件2加压后进入燃烧室3。

气体处理装置可以包括EGR冷却器81(exhaust gas recirculation废气再循环)、EGR流量控制阀82等。

本申请实施例提供的涡轮增压装置，减小了排气背压，降低了整体泵气损失，进而提高了发动机热效率，不仅保留了传统旁通阀结构涡轮的高效率优点，又减少了高速工况下的排气背压，减小泵气损失，配合深度米勒循环、中冷EGR***、减磨擦技术、低粘度机油等相关技术，为下一代45％热效率的发动机提供可行性技术解决参考方案。涡轮增压装置的缸内残余废气减少，燃烧稳定性变好，可改善油耗。本申请实施例提供的涡轮增压装置在满足增压压力的需求前提下，可优先考虑中、低速效率及响应性，高速排气阻力减弱，发动机泵气能量损失降低，热效率得到有效提升；在传统废气旁通阀结构上进行设计优化，工艺可行性更高，成本投入与技术收益性价比更优；相比压端电辅助增压+能量回收等技术方案的增压形式，成本更优，更具备产业化可行性。

此外，本申请实施例提供的涡轮增压装置，还可具有以下特征：

如图1和图5所示，在进气流道4上设置有水冷中冷器41和电子节气门体42，水冷中冷器41用于降低进气温度，以提高进气气体中的氧气含量，避免爆震等现象；电子节气门阀可调节进气流量。

如图1和图5所示，在主流道5上还可设置三元催化器51，使主流道5、调节流道7、旁通流道6汇合后的废气经三元催化器51进行处理后再排放或回收利用。

本申请实施例还提供了一种车辆，车辆包括前述的涡轮增压装置。

本申请实施例提供的车辆，具有前述的涡轮增压装置，车辆节能性好，油耗低，用户满意度高。

实施例二

本申请实施例提供的涡轮增压装置，其主体结构与实施例一基本相同，此处主要描述不同之处。本申请实施例提供的涡轮增压装置与实施例一中的主要不同之处在于：旁通流道6的布置方式。

在一示例性实施例中，如图8和图9所示，燃烧室3包括主流道排气门31，主流道5的第一端与主流道排气门31连通；旁通流道6的两端均与主流道5连通，两个连通位置分别设置在主流道5上沿气体流动方向的涡轮组件1的上游和下游。

换言之，在燃烧室3中并未设置旁通流道排气门，旁通流道6的第一端设置在在主流道5上沿气体流动方向的涡轮组件1的上游，旁通流道6的第二端设置在在主流道5上沿气体流动方向的涡轮组件1的下游，以实现旁通流道6与主流道5上的涡轮组件1并联设置。这种设置方式可简化缸盖结构，降低制造成本。

在一示例性实施例中，如图8所示，旁通流道6的第一端与主流道5的连通位置处设置有分流阀63。

由于旁通流道6的第一端未通过旁通流道排气门32直接连通至燃烧室3，因此旁通流道6的废气流量占比不能直接保持不变。

为此，在旁通流道6的第一端与主流道5的连通位置处设置分流阀63，通过分流阀63可调整旁通流道6与主流道5之间的废气占比，并可保持不变。

本申请实施例提供的涡轮增压装置，缸盖采用单流道结构，增压器蜗壳入口处对排气进行主流道5与旁通流道6的分流，通过分流阀63调节气体流量比例，并对主流道5进行二次旁通结构设计(即可增加调节流道7)。

在本申请中的描述中，需要说明的是，“上”、“下”、“一端”、“一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“装配”、“安装”应做广义理解，例如，术语“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请描述的实施例是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。

本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的技术方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它技术方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的技术方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种涡轮增压装置，其特征在于，包括涡轮组件、压轮组件、燃烧室、进气流道、主流道和旁通流道，所述涡轮组件和所述压轮组件刚性连接以同步转动；

所述进气流道、所述主流道和所述旁通流道均与所述燃烧室连通，空气经所述进气流道进入所述燃烧室，所述燃烧室内的废气经所述主流道和所述旁通流道排出；

所述压轮组件设置在所述进气流道上，设置为将空气加压后送入所述燃烧室；所述涡轮组件设置在所述主流道上，使废气带动所述涡轮组件转动；所述旁通流道与所述主流道上的所述涡轮组件并联，部分废气由所述旁通流道排出。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压装置，其特征在于，所述燃烧室包括主流道排气门和旁通流道排气门，所述主流道的第一端与所述主流道排气门连通，所述旁通流道的第一端与所述旁通流道排气门连通；

所述旁通流道的第二端与所述主流道连通，且连通位置设置在所述主流道上沿气体流动方向的所述涡轮组件的下游。

3.根据权利要求1所述的涡轮增压装置，其特征在于，所述燃烧室包括主流道排气门，所述主流道的第一端与所述主流道排气门连通；

所述旁通流道的两端均与所述主流道连通，两个连通位置分别设置在所述主流道上沿气体流动方向的所述涡轮组件的上游和下游。

4.根据权利要求3所述的涡轮增压装置，其特征在于，所述旁通流道的第一端与所述主流道的连通位置处设置有分流阀。

5.根据权利要求1至4中任一所述的涡轮增压装置，其特征在于，还包括调节流道，所述调节流道与所述主流道上的所述涡轮组件并联，所述调节流道的两端均与所述主流道连通，两个连通位置分别设置在所述主流道上沿气体流动方向的所述涡轮组件的上游和下游；

所述调节流道上设置有调节阀。

6.根据权利要求1所述的涡轮增压装置，其特征在于，所述主流道内的废气占所述燃烧室排出的废气的70％至80％，所述旁通流道内的废气占所述燃烧室排出的废气的20％至30％。

7.根据权利要求6所述的涡轮增压装置，其特征在于，所述主流道内的废气占所述燃烧室排出的废气的78％，所述旁通流道内的废气占所述燃烧室排出的废气的22％。

8.根据权利要求2所述的涡轮增压装置，其特征在于，所述燃烧室的数量为设置多个，所述旁通流道包括多根支管和一根总管，所述支管与所述燃烧室一一对应，多根所述支管汇总后与所述总管的一端连通；

所述总管的另一端作为所述旁通流道的第二端与所述主流道连通。

9.根据权利要求1所述的涡轮增压装置，其特征在于，还包括气体回收管路，所述气体回收管路的第一端与所述主流道连通，且连通位置设置在所述主流道上沿气体流动方向的所述涡轮组件的下游；

所述气体回收管路的第二端与所述进气流道连通，且连通位置设置在所述进气流道上沿气体流动方向的所述压轮组件的上游；

所述气体回收管路上设置有气体处理装置。

10.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一所述的涡轮增压装置。

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