CN203925601U - 一种涡轮增压器、喷嘴环及发动机*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种涡轮增压器、喷嘴环及发动机***。所述涡轮增压器具有壳体，其至少部分地限定压缩机护罩和涡轮机护罩。所述涡轮机护罩形成第一螺旋和一第二螺旋，每一个具有被配置为从发动机的在切线方向的排气歧管接收排气的入口和设置在所述入口的下游的轴向通道。涡轮增压器还具有设置在涡轮机护罩内的涡轮机叶轮，其被配置为从所述第一和第二螺旋的轴向通道接收排气，设置在所述压缩机护罩内的压缩机叶轮，以及将涡轮机叶轮连接到压缩机叶轮的轴。涡轮增压器还具有与所述第一和第二螺旋的涡轮机叶轮上游的某一位置的轴向通道流体连通的喷嘴环。本实用新型的发动机***可以导致总体较低的空气动力损失，并能提高涡轮增压器的耐久性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种***，更具体地说，是涉及一种应用在发动机***中的具有轴流涡轮级双螺旋涡轮增压器。
背景技术
通过将空气和燃料的混合物在发动机的汽缸内燃烧，使发动机产生机械动力输出。为了最大限度地利用该燃烧过程中产生的动力输出，发动机通常配备有涡轮增压进气***。涡轮增压进气***通过迫使比实际能进入的空气更多的空气进入汽缸来增加发动机的动力。这些增加的空气量可以增大燃料供应，其可进一步增加发动机产生的动力输出。
对于一些多汽缸发动机，由不同的汽缸生成的排气压力脉冲彼此会产生负面相互影响和降低相关的涡轮增压器的性能。尤其是，当发动机的不同汽缸彼此起火不同相，从汽缸内排出的高压和高温废气的脉冲，在为涡轮增压器供料的共同歧管内彼此衰减。当排气脉冲衰减时，所述涡轮增压器接收具有较低的平均压力和温度下的排气流。这些较低的压力和温度给予涡轮增压器较少的能量。
在某些应用中，独立排气歧管可以与双螺旋涡轮增压器一起使用，以帮助保持排气脉冲能量。独立排气歧管将排气脉冲从混烧缸引导到涡轮增压器内独立的螺旋。这样做抑制了排气脉冲的衰减，导致排气在较高的平均压力和温度下通过涡轮增压器。较高的压力和温度给予涡轮增压器更多的能量。
具有单独的排气歧管和双螺旋涡轮增压器的示例性发动机***在美国专利No.3383092（于1968年5月14日授予Cazier，简称“'092专利”）中公开。具体来说，'092专利公开了一种六缸发动机，其具有两个独立的排气歧管连接在共烧汽缸的两个分组和无叶片的轴流式涡轮增压器的两个独立的螺旋之间。
虽然由于排气脉冲能量的保存，在'092专利中的该***可具有改善的性能，但它仍然可能达不到最佳。具体而言，由于'092专利的发动机***只提供单级涡轮增压，它可能是只适用于低升压应用。此外，在特定应用中，由于涡轮机叶片与流量偏差（大迎角），从两个螺旋流出并进入对应的涡轮增压器的无叶片通道的流量不能被充分引导，因此'092专利的轴流式涡轮增压器具有低效率。此外，'092专利所述的发动机***在柴油发动机的应用中可能具有较差的废气排放。
发明内容
本实用新型所公开的涡轮增压器及发动机***旨在克服上面提出的一个或多个问题。
一方面，本实用新型提出了一种涡轮增压器的喷嘴环，包括内环形带、外环形带以及径向位于内环形带和外环形带之间的中间环形带；所述喷嘴环还包括在内环形带和中间环状带之间延伸的第一叶片组，以及在中间环形带和外环状带之间延伸的第二叶片组。
其中，所述第一叶片组与第二叶片组的数量不同，并且第一叶片组的气动设计和构造不同于第二叶片组的气动设计和构造。
进一步的，喷嘴环还包括至少一个从所述内环形带径向向内延伸的凸片，以及从所述外环形带的外周径向向外延伸的凸缘。
另一方面，本实用新型还提出了一种涡轮增压器，包括：外壳，其至少部分地限定了压缩机护罩和涡轮机护罩；所述涡轮机护罩形成第一螺旋和第二螺旋，每一个螺旋均具有被设置为从发动机在切线方向的排气歧管接收排气的入口，和设置在所述入口下游的轴向通道；所述涡轮增压器还包括设置在涡轮机护罩内的涡轮机叶轮，其被设置为接收第一螺旋和第二螺旋的轴向通道的排气，设置在所述压缩机护罩内的压缩机叶轮，以及连接涡轮机叶轮与压缩机叶轮的轴；所述涡轮增压器还包括与所述第一螺旋和第二螺旋的涡轮机叶轮上游的某一位置的轴向通道流体连通的喷嘴环。
进一步的，所述第一螺旋还具有环形内壁与所述环形内壁同轴向外布置的舌状物，所述第一螺旋的轴向通道在环形内壁和所述舌状物之间形成；所述第二螺旋还具有环形内壁，所述第二螺旋的轴向通道在第二螺旋的环形内壁和所述第一螺旋的环形内壁之间形成。
进一步的，所述压缩机护罩还包括位于所述涡轮增压器的第一轴向端部的入口和位于所述涡轮增压器的第二轴向端部的出口；所述第一螺旋和第二螺旋的入口位于涡轮增压器的第一轴向端部和第二轴向端部之间。
进一步的，所述压缩机护罩还包括出口螺旋，其位于压缩机护罩的入口和所述第一螺旋和第二螺旋的入口之间。
又进一步的，所述涡轮机叶轮还包括环形轮毂和多个从与所述第一螺旋和第二螺旋的轴向通道的喷嘴环流体连通的环形轮毂向外延伸的叶片。
其中，所述喷嘴环包括内环形带、外环形带、径向位于内环形带和外环形带之间的中间环形带、在内环形带和中间环形带之间延伸并只与第一螺旋关联的第一叶片组以及在中间环形带和外环形带之间延伸并只与第二螺旋关联的第二叶片组。
另一方面，本实用新型还提出了一种发动机***，包括涡轮增压器，所述涡轮增压器包括：外壳，其至少部分地限定了压缩机护罩和涡轮机护罩；所述涡轮机护罩形成第一螺旋和第二螺旋，每一个螺旋均具有被设置为从发动机在切线方向的排气歧管接收排气的入口，和设置在所述入口下游的轴向通道；所述涡轮增压器还包括设置在涡轮机护罩内的涡轮机叶轮，其被设置为接收第一螺旋和第二螺旋的轴向通道的排气，设置在所述压缩机护罩内的压缩机叶轮，以及连接涡轮机叶轮与压缩机叶轮的轴；所述涡轮增压器还包括与所述第一螺旋和第二螺旋的涡轮机叶轮上游的某一位置的轴向通道流体连通的喷嘴环。
本实用新型所公开的发动机***可以有许多不同的应用，其发动机的性能、经济性、排放物和耐用性是重要的。发动机的性能和经济性可通过使用一种双螺旋涡轮增压器得以改善，该双螺旋涡轮增压器保留与共烧汽缸的不同组的排气脉冲相关联的能量。排放量可通过使用独特的的废气再循环的配置加以改善。由于对循环气体不断变化的需求不会引起涡轮增压器性能的不稳定或变化，用于排气再循环的原料缸的使用可进一步提高性能。最后，通过本实用新型所公开的喷嘴环，排气均匀和经良好引导的轴向流动，可以导致总体较低的空气动力损失，并提高涡轮增压器的耐久性。
附图说明
图1是一种示例性公开的发动机***的示意图；
图2是可以与图1的发动机***结合使用的涡轮增压器的横截面示意图；
图3是可以与图2的涡轮增压器结合使用的喷嘴环的示意图；
图4是一种替代发动机***的示意图。
具体实施方式
图1所示的发动机***10具有发动机12、进气***14和排气***16。为达到本实用新型的目的，发动机12被描绘和描述成四冲程柴油发动机。然而，本领域技术人员应认识到，发动机12可以是任何其它类型的内燃发动机，例如，两冲程或四冲程汽油或气体燃料动力发动机。进气***14可被设置为引导空气或空气和燃料的混合物进入发动机12用于燃烧。排气***16可被设置成引导燃烧废气从发动机12排放到大气中。
发动机12可以包括发动机机体18，其至少部分地限定多个汽缸20。活塞（未示出）可滑动地设置成在每个汽缸20内的上死点位置和下死点位置之间往复运动，并且汽缸盖（未示出）可与每个汽缸20相关联。每一个汽缸20、活塞和汽缸头可以一起至少部分地限定燃烧室。在图示的实施例中，发动机12包括12个汽缸20，其布置成V型结构（即，具有第一和第二组22、24或排汽缸20的结构）。然而，可以预期的是，发动机12可包括更多或更少数量的汽缸20，并且，如果需要的话，汽缸20可以被布置在内联结构中、相对的活塞结构中或其它结构中。
进气***14可包括，除其它外，至少一个压缩机和至少一个冷却器，其用来在进入发动机12的燃烧室之前，冷却被压缩机压缩的空气。每个压缩机可代表固定几何形状的压缩机、可变几何压缩机或任何其它类型的压缩机，其可构造成接收空气并压缩该空气至所需压力水平。在所公开的示例性实施例中，进气***14具有三台压缩机，其包括彼此平行设置的第一和第二低压压缩机28、30以及高压压缩机32，其被设置在第一和第二低压压缩机28、30的下游。第一和第二低压压缩机28、30可以通过相应的过滤器34将空气吸入，压缩空气到第一压力水平，并通过通道36将加压空气导入高压压缩机32。高压压缩机32可接收来自低压压缩机28、30的加压空气，并将其压力增加到更高的水平。常见的??第一冷却器38可与通道36流体连通，在被高压压缩机32接收之前，冷却被第一和第二低压压缩机28、30加压的空气。附加冷却器40可以位于高压压缩机32的下游 （例如，冷却器40位于高压压缩机32和每一个第一进气歧管42和第二进气歧管44之间），以此在进入发动机12的燃烧室之前进一步冷却该空气。第一进气歧管42可以与汽缸20的第一组22相关联，而第二进气歧管44可与第二组24相关联。
排气***16可包括，除其它外，至少一个由发动机12的排气驱动以旋转进气***14的压缩机的涡轮机。每个涡轮机可以包括固定的几何形状涡轮机，其被配置以接收废气，并将废气中的势能转换为机械旋转。在所公开的示例性实施例中，排气***16具有三个涡轮机，包括高压轴流式涡轮机52，以及彼此平行设置在涡轮机52的下游侧位置的第一和第二低压轴流式涡轮机54、56。排气***16还可以包括第一排气歧管46、第二排气歧管48和第三排气歧管49。第一排歧管46可以与汽缸20的第一组22连通，而第二和第三排气歧管48、49可以与第二组24的汽缸20的不同组连通（例如，共烧汽缸20的不同分组）。涡轮机52可以通过第二和第三排气歧管48、49只从汽缸20的第二组24接收两个单独的排气流，除去其中含有的势能的一部分，然后通过通道58将废气作为混合气流分散到涡轮机54、56。离开涡轮机54、56之后，排气可以通过共用通道60排放到大气中。如果有需要的话，一个或多个排气处理设备，例如烃定量配给器62、柴油机氧化催化剂（DOC）64、柴油机微粒过滤器（DPF）66，和/或本领域中已知的任何其它的处理装置可以被设置在通道60内。
在一些实施例中，旁路通道67可以被提供以选择性地允许从第一和第二排气歧管48、49中任意一个或两者排出的废气，绕过排气***16的涡轮机并直接流入通道60。控制阀69可设置于旁路通道67内，通过旁路通道67来调节排气的流速。通过调节排气的这种旁路流动，涡轮机52-56的运转可以被更严格地控制。
排气***16还可以包括废气再循环（EGR）回路50，其被构造成选择性地从涡轮机52-56的上游的位置转移排气进入进气***14。特别的是， EGR回路50可在第一端部仅与第一排气歧管46流动性地连接，以及在相对的第二端部与进气***14流动性地连接。在所公开的示例性实施例中，EGR回路50包括两个平行的通道68、70，其从第一排气歧管46的端部沿发动机12的两相对侧延伸，并分别连接到位于压缩机32的下游侧（和冷却器40的下游）的进气***14中的第一和第二进气歧管42、44。单独的和实质相同的排气冷却器74可分别位于通道68、70内，以冷却通过的排气。相对较冷的排气再循环可以有助于降低相关燃烧过程的整体温度，从而降低氮氧化物和/或其他受控的排气成分的产生。
每个散热器74可以是本领域所熟知的任何类型的热交换器，其被配置以冷却流经EGR回路50的排气。例如，每个散热器74可以是空气-液体型热交换器，其从发动机12（例如，发动机机体18）中接收和返回冷却剂。冷却剂可以通过分开的通道传递到每个冷却器74，并用于吸收通过相邻通道的排气的热量。应当指出的是，一个或两个冷却器74根据需要也可以是另一种类型的热交换器，例如空气-空气热交换器。
在一些实施方案中，平衡通道76可以被提供以选择性地允许第一排气歧管46的排气流入到第二和/或第三排气歧管48、49，并与通过涡轮机52-56的排气混合。平衡阀78可布置于平衡通道76内，以帮助调节第一排气歧管46和EGR回路50中的压力。平衡阀78可以是固定的限制孔、可动压力调节阀（例如，弹簧偏压单向阀），或在本领域所熟知的其它类型的阀。通过调节通过旁路通道76的排气流量，可以实现对发动机12内循环的排气压力更严格的控制。
为了用于控制废气再循环，其它的元件可以与发动机***10相关联。具体来说，排气***16可包括再循环控制阀80，其设在每个通道68、70内，与通道68和70中的一个或两个相关联的至少一个流量测定装置82（或者与第一排气歧管46相关联），以及与再循环控制阀80和流量测定装置82连通的控制器84。控制器84可以被设置用来基于流量测定装置82的输入和/或其它与发动机的运行相关的输入调节再循环控制阀80的运行。
再循环控制阀80可以是本领域所熟知的任何类型的阀，例如，蝶形阀、膜片阀、闸阀、球形阀、提升阀或截止阀。每个再循环控制阀80可以是电磁制动、液压制动、气动制动的或由控制器84以任何其他方式的制动，其用来选择性地限制和/或完全阻塞通过流体通道68、70的排气流动。
在所公开的示例性实施例中，每一个测定装置82，包括安装在文丘里管内的一个或多个传感元件（例如，两个压力传感器或单一压差传感器）。由传感元件产生的信号可以被用作通过EGR回路50的排气流速的指示。虽然显示其位于各通道68、70内，可以预期的是，如果有需要，可替换地包含一个测定装置82，其位于流体通道68、70的其中一个或第一排气岐管46中。也可以预期的是，如果有需要的话，可以包括不同类型的测定装置。
图2展示一个特别的涡轮增压器的物理实施例，其具有压缩机32和涡轮机52，并通过共同轴96彼此连接。涡轮增压器可包括一中心壳体86，其至少部分地限定压缩机和涡轮机护罩88、90，其被配置成容纳相应的压缩机和涡轮机叶轮92、94。压缩机护罩88可包括轴向定向的入口98，其位于涡轮增压器的第一轴向端部100，和位于涡轮增压器第一轴向端部100和第二轴向端部104之间的切线定向的出口102。涡轮机护罩90可以包括第一和第二螺旋106、108，其位于涡轮增压器的出口102和第二轴向端部104之间。涡轮机护罩90可以被配置为在第一和第二螺旋入口（未示出）的切线方向接收来自从第二和第三排气歧管48、49的废气流（未示出）。第一和第二螺旋106、108可各自引导在三个方向上的单独分离的排气流量，其分别是：切线方向（绕旋转轴线X）、径向（沿相应螺旋的半径）和沿轴向（沿旋转轴线X）方向通过第一和第二轴向通道110、112。第二轴向通道112可被设置在环形舌114和第一螺旋106的同轴内壁116之间。第一轴向通道110可位于第二轴向通道112向内径向设置，并设置在第一螺旋106的内壁116和同轴内壁118之间。喷嘴环120可以设置在第一和第二轴向通道110、112的端部，其被构造为加速通过的废气流动。
当压缩机叶轮92旋转时，空气可沿轴向经由入口98吸入到涡轮增压器，并被引导至压缩机叶轮92。然后压缩机叶轮92的叶片122可径向以螺旋方式将空气推向外部，并通过出口螺旋102进入进气歧管42、44（参照图1）。同样，如排气***16的排气被切向、径向和轴向向内引导至涡轮机叶轮94，这两个不同的废气流可以推压涡轮机叶轮94的叶片124，导致涡轮机叶轮94旋转，并??通过轴96驱动压缩机叶轮92。穿过涡轮机叶轮94后，排气流可结合并通过位于涡轮增压器的第二轴向端部104沿涡轮机出口126的轴向向外排出 ，并通过通道60排入大气（仅在图1中显示）。压缩机和涡轮机叶轮92、94可以是传统的叶轮，该叶轮具有任何数量和配置的叶片122、124，其沿径向设置在对应的轮距上。
虽然涡轮机护罩90的第一和第二螺旋106、108在图2的示例性实施例中展示为对称的，可以预期的是，在一些特别的应用中，如果有需要，第一和第二螺旋106、108可选择性地不对称。为达到本实用新型的目的，第一及第二螺旋106、108的不对称度指的是两个螺旋之间的温度和压力归一化的质量流率之比，如以下公式所定义： 不对称度 ： ，其中：；临界值； = 质量流率；T =温度；P =压力。
第一和第二螺旋106、108通常是对称的，这两个螺旋可以支持大约相同的排气流量。
喷嘴环120的示例性的实施例展示于图3。正如在该图中可以看到的，喷嘴环120可包括内环形带127、外环形带128以及径向位于内环形带和外环形带127、128之间的期望位置的中间环形带130。内环形带和中间环形带127、130可轴向对准并相互沿径向隔开，以形成被配置成与第一螺旋106（参照图3）的第一轴向通道110连通的内环形通道132。同样地，中间环形带和外环形带130、128可轴向对准并相互沿径向隔开，以形成被配置成与第二螺旋108的第二轴向通道112连通的外环形通道134。第一叶片组136可被布置在内环形通道132内，而第二叶片组138可被布置在外环形通道134内。虽然在数量和角度的配置显示出是相同的，可以预期的是，如果有需要的话，第一叶片组136的数量和/或气动设计以及配置可以与第二叶片组138的数量和/或气动设计以及配置有所不同。
轮毂140具有一个或多个沿径向向内凸出的凸片142，其可被连接在内环形带127的内周面并用于将喷嘴环120连接到涡轮机护罩90。同样地，从外环形带128径向向外延伸的凸缘144可以被用于将喷嘴环120轴向定位于涡轮机护罩90内。
虽然喷嘴环120的第一和第二通道132、134在图3中被描绘为，其用于通常对称的螺旋106、108（即，虽然第一和第二通道132、134具有大致相同的大小，以及类似的叶片配置），可以预期的是，如果有需要，第一和第二通道132、134可以选择性地不对称，以支持来自相应的非对称螺旋的排气流。例如，和与较大螺旋相关联的通道相比，与较小螺旋相关联的通道可以具有减小的流动面积和/或更少的叶片。
另一种发动机***146示于图4中，其基本上类似于图1中示出的发动机***10。然而，在这种布置中，涡轮机52是不对称的。相对于发动机***10，为了支持这种不对称的涡轮机52，与发动机***146相关联的通道的布局被调整。例如，平衡通道76（如图4中的配置），仅延伸到第二排气歧管48，其对应于涡轮机52的最里面的或轮毂侧的螺旋。此外，旁路通道只连接到第三排气歧管49，其对应于涡轮机52的最外面的或护罩侧的螺旋。这种替代的发动机***的布局在图4中展示，其可导致排气再循环控制和脉动流条件下的涡轮机性能的进一步改善。
工业实用性
本实用新型所公开的发动机***可以有许多不同的应用，其发动机的性能、经济性、排放物和耐用性是重要的。发动机的性能和经济性可通过使用一种双螺旋涡轮增压器得以改善，该双螺旋涡轮增压器保留与共烧汽缸的不同组的排气脉冲相关联的能量。排放量可通过使用独特的的废气再循环的配置加以改善。由于对循环气体不断变化的需求不会引起涡轮增压器性能的不稳定或变化，用于排气再循环的原料缸（如汽缸20的第一组22）的使用可进一步提高性能。最后，通过所公开的喷嘴环，排气均匀和经良好引导的轴向流动，可以导致总体较低的空气动力损失，并提高涡轮增压器的耐久性。
很明显，本领域技术人员可以对本实用新型所公开的发动机***进行各种修改和变型。从所公开的发动机***的说明书和实践考虑，其它实施例对本领域技术人员将是显而易见的。说明书和实施例仅被视为示例性的，真正的保护范围体现在权利要求及其等效物上。
Claims (10)
1.一种涡轮增压器的喷嘴环，其特征在于，包括： 内环形带； 外环形带； 径向位于内环形带和外环形带之间的中间环形带； 在内环形带和中间环形带之间延伸的第一叶片组；和 在中间环形带和外环形带之间延伸的第二叶片组。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器的喷嘴环，其特征在于，所述第一叶片组与第二叶片组的数量不同，并且第一叶片组的气动设计和构造不同于第二叶片组的气动设计和构造。
3.如权利要求1所述的涡轮增压器的喷嘴环，其特征在于，进一步包括至少一个从所述内环形带径向向内延伸的凸片，以及从所述外环形带的外周径向向外延伸的凸缘。
4.一种涡轮增压器，其特征在于，包括：壳体，其至少部分地限定压缩机护罩和涡轮机护罩，涡轮机护罩形成有第一螺旋和第二螺旋，每一个螺旋具有： 被配置为从发动机在切线方向的排气歧管接收排气的入口；和 设置在所述入口的下游的轴向通道； 布置在所述涡轮机护罩内的涡轮机叶轮，其被配置为从所述第一螺旋和第二螺旋的轴向通道接收排气； 设置在压缩机护罩内的压缩机叶轮；
将涡轮机叶轮与压缩机叶轮连接的轴；和与所述第一螺旋和第二螺旋的涡轮机叶轮上游的某一位置的轴向通道流体连通的喷嘴环。
5.如权利要求4所述的涡轮增压器，其特征在于，所述第一螺旋还具有：环形内壁；和 与所述环形内壁同轴向外布置的舌状物，所述第一螺旋的轴向通道在环形内壁和所述舌状物之间形成；以及所述第二螺旋进一步具有环形内壁，其中所述第二螺旋的轴向通道在第二螺旋的环形内壁和所述第一螺旋的环形内壁之间形成。
6.如权利要求4所述的涡轮增压器，其特征在于，所述压缩机护罩还包括位于所述涡轮增压器的第一轴向端部的入口；所述涡轮机护罩还包括位于所述涡轮增压器的第二轴向端部的出口；和所述第一螺旋和第二螺旋的入口位于涡轮增压器的第一轴向端部和第二轴向端部之间。
7.根据权利要求4所述的涡轮增压器，其特征在于，所述压缩机护罩还包括出口螺旋，其位于压缩机护罩的入口和所述第一螺旋和第二螺旋的入口之间。
8.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮机叶轮还包括： 环形轮毂；和 多个从与所述第一螺旋和第二螺旋的轴向通道的喷嘴环流体连通的环形轮毂向外延伸的叶片。
9.根据权利要求4所述的涡轮增压器，其特征在于，所述喷嘴环包括： 内环形带； 外环形带； 径向位于内环形带和外环形带之间的中间环形带； 在内环形带和中间环形带之间延伸并只与第一螺旋关联的第一叶片组；和 在中间环形带和外环形带之间延伸并只与第二螺旋关联的第二叶片组。
10.一种发动机***，其特征在于，包括权利要求4至9中任一项所述的涡轮增压器。
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