[發(fā)明專利]具有有效旁路的多級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200580033563.X
• 申請(qǐng)日: 2005-08-15
• 公開（公告）號(hào): CN101091041A
• 公開（公告）日: 2007-12-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: D·J·豪根
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 美國(guó)環(huán)境保護(hù)署
• 主分類號(hào): F02B37/00
• 分類號(hào): F02B37/00;F02B37/12;F02B33/00
• 代理公司: 中國(guó)國(guó)際貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)專利商標(biāo)事務(wù)所
• 代理人: 柴毅敏

相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考

本申請(qǐng)根據(jù)美國(guó)法典111(e)條款要求2004年8月31日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No.60/605,898的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，該美國(guó)專利申請(qǐng)整體地通過參考結(jié)合在本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)總的來說涉及具有多級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，以及多級(jí)渦輪機(jī)的用途。

背景技術(shù)

渦輪增壓系統(tǒng)，比如用于內(nèi)燃機(jī)的，在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。渦輪增壓器包括連接至進(jìn)氣增壓壓縮機(jī)的廢氣渦輪機(jī)。渦輪機(jī)的操作如下：從內(nèi)燃機(jī)接收廢氣并通過使廢氣流經(jīng)過渦輪機(jī)渦輪的葉片而將廢氣流中的一部分能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并且從而使渦輪機(jī)的渦輪旋轉(zhuǎn)。這個(gè)旋轉(zhuǎn)力然后被通過軸連接至渦輪機(jī)渦輪的壓縮機(jī)所利用以將一些空氣壓縮到高于周圍大氣的壓力，這就提供了在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣行程期間可被吸入內(nèi)燃機(jī)汽缸的增大量的空氣。吸入汽缸的額外壓縮空氣(增壓)能允許更多的燃料在汽缸內(nèi)燃燒，并且從而提供了增大發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出的可能性。

在渦輪增壓的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)可操作的寬范圍的速度和動(dòng)力輸出水平對(duì)下述設(shè)計(jì)工作帶來了挑戰(zhàn)：即，設(shè)計(jì)對(duì)于與發(fā)動(dòng)機(jī)一起工作而言具有良好機(jī)械效率的適合匹配的渦輪增壓系統(tǒng)。例如，雖然較小的渦輪增壓器在較低的發(fā)動(dòng)機(jī)速度下快速且更有效地提供增壓，但是較大的渦輪增壓器在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)速度下更有效地提供增壓。因?yàn)闇u輪增壓器有效操作的流量范圍相對(duì)于由內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的較寬流量范圍而言相對(duì)較窄，現(xiàn)有技術(shù)中已知的是(例如在增壓需求較大的情況下)，提供一種多級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)，涉及較小(即高壓)的渦輪增壓器和較大(即低壓)的渦輪增壓器，其中較小的高壓渦輪增壓器在較低的發(fā)動(dòng)機(jī)速度下操作并且較大的低壓渦輪增壓器在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)速度下取而代之。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)根據(jù)需要通過使用旁路系統(tǒng)在兩個(gè)渦輪增壓級(jí)之間切換來將廢氣流轉(zhuǎn)向繞過高壓渦輪增壓器達(dá)到低壓渦輪增壓器是非常有價(jià)值的。

于是，將廢氣流旁路繞過渦輪機(jī)氣體膨脹器在現(xiàn)有技術(shù)中也是公知的。通常，渦輪機(jī)旁路系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)中主要用來調(diào)節(jié)穿過較高級(jí)渦輪機(jī)渦輪的系統(tǒng)壓力，并且在由渦輪機(jī)操作所引起的反壓導(dǎo)致渦輪機(jī)上游的系統(tǒng)壓力超過預(yù)期水平時(shí)能通過經(jīng)由一個(gè)旁路通道選擇性地排出一部分上游廢氣超過一個(gè)壓降來操作。經(jīng)由旁路通道排出廢氣通常由繞過渦輪機(jī)的廢氣管道中的一個(gè)小調(diào)節(jié)閥(稱作“廢氣門”)來控制。一種典型廢氣門閥的操作有些類似于活板門，其通過旁路通道來將一部分廢氣流轉(zhuǎn)向繞過渦輪機(jī)而從高壓渦輪機(jī)進(jìn)口向低壓區(qū)域打開一個(gè)端口，被旁路的廢氣流自然地在旁路通道中的壓降之上膨脹并且然后與被旁路的渦輪機(jī)下游的剩余廢氣流再結(jié)合。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種用于內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的更有效的多級(jí)(例如兩級(jí)或更多級(jí))渦輪增壓系統(tǒng)。

在推動(dòng)本發(fā)明的這個(gè)目標(biāo)中，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)有技術(shù)中的廢氣門和旁路機(jī)構(gòu)是現(xiàn)有技術(shù)的多級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)中有用能量不必要損失的根源。因此，本發(fā)明的又一目標(biāo)是提供一種用于在多級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的各級(jí)之間的旁路中保存、捕獲、利用和/或降低能量的有效方式從而防止了損失，以進(jìn)一步提高利用多級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的效率。

本發(fā)明減少了常規(guī)的多級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)中從一級(jí)到另一級(jí)的旁路廢氣流中出現(xiàn)的廢氣能量的未回收損失。保存這種廢氣能量的優(yōu)選方法是通過讓出現(xiàn)在旁路渦輪機(jī)上游的基本上仍然處于較高廢氣能級(jí)的旁路流經(jīng)過可變幾何形狀閥/噴嘴、渦輪機(jī)VGT葉片、或者其它橫截面減小的噴嘴，并且隨后不允許加速流在達(dá)到后一級(jí)渦輪機(jī)渦輪之前顯著喪失增大的可回收動(dòng)能，來將旁路流的一部分廢氣能量從壓力轉(zhuǎn)換為速度。這可以例如通過將可變幾何形狀的閥或VGT葉片出口布置為臨近低壓渦輪機(jī)渦輪的葉片(或者充分地靠近葉片以避免增大的加速/動(dòng)量作用顯著消散)，并且與低壓渦輪機(jī)渦輪的葉片成適合的入射角。加速流所產(chǎn)生的增大動(dòng)量隨后被賦予低壓渦輪機(jī)的渦輪，并且從而如本領(lǐng)域已知的那樣允許將能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械旋轉(zhuǎn)力。還討論了在多級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)中有效地保存或捕獲各級(jí)之間能量損失的可選裝置和優(yōu)選的渦輪增壓硬件的實(shí)施例。該系統(tǒng)可用于內(nèi)燃機(jī)或其它多級(jí)渦輪機(jī)系統(tǒng)的各級(jí)之間(也包括三級(jí)或四級(jí)或更多級(jí)系統(tǒng))。

附圖說明

在附圖中，同樣的參考數(shù)字標(biāo)識(shí)類似的元件或動(dòng)作。附圖中元件的尺寸和相對(duì)位置不必按比例繪出。

圖1是具有現(xiàn)有技術(shù)的多級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的示意圖。

圖2是具有本發(fā)明的第一渦輪增壓和旁路布置的內(nèi)燃機(jī)的示意圖。

圖3是具有本發(fā)明備選第二旁路布置的內(nèi)燃機(jī)的示意圖。

圖4是圖3所示系統(tǒng)的渦輪增壓和旁路布置的更詳細(xì)視圖。