專利名稱：順序渦輪增壓系統(tǒng)以及用于內(nèi)燃機順序渦輪增壓的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如順序渦輪增壓系統(tǒng)的增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及用于內(nèi)燃機順序渦輪增壓的方法。本發(fā)明特別涉及多級渦輪增壓器系統(tǒng)，其中渦輪增壓器以并聯(lián)或串聯(lián)的方式連接。
已知的傳統(tǒng)增壓系統(tǒng)使用具有不同結(jié)構(gòu)和功能的渦輪增壓器。例如在某些渦輪增壓器中，當(dāng)其在內(nèi)燃機的不同運行狀態(tài)下使用時，調(diào)節(jié)驅(qū)動渦輪的廢氣流量以便改善渦輪增壓器的效率。為了在渦輪增壓器的渦輪側(cè)實現(xiàn)對通過渦輪的氣體流量的控制，設(shè)置有可變噴嘴裝置，其包括可變幾何形狀的噴嘴通道。
同樣已知的渦輪增壓器包括自由浮動式渦輪，這意味著渦輪側(cè)不包括用于調(diào)節(jié)驅(qū)動渦輪葉輪的氣體流量的任何機構(gòu)。最后，同樣已知的增壓系統(tǒng)包括多于一個的渦輪增壓器，其中渦輪增壓器或者并聯(lián)連接、或者串聯(lián)連接。這種增壓系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)，用于在內(nèi)燃機穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工作狀態(tài)下增加發(fā)動機的性能。
根據(jù)文獻US-6,378,308 B1，已知的一種傳統(tǒng)增壓系統(tǒng)包括兩個渦輪增壓器。該增壓系統(tǒng)包括一個高壓級和一個低壓級，低壓級布置在高壓級的下游。最小的廢氣質(zhì)量流量連續(xù)地流經(jīng)高壓級渦輪增壓器的渦輪，因此渦輪持久旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)還包括旁通管，通過該旁通管完整的廢氣質(zhì)量流量的可變部分流量被分配到高壓渦輪、低壓渦輪以及可選擇的發(fā)動機新鮮空氣側(cè)。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了如權(quán)利要求書定義的改進的順序渦輪增壓系統(tǒng)以及用于內(nèi)燃機順序渦輪增壓的方法。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種順序渦輪增壓系統(tǒng)，其具有至少兩個渦輪增壓器，其中渦輪增壓器之一的至少一個壓縮機設(shè)置空氣再循環(huán)裝置。根據(jù)這種順序渦輪增壓系統(tǒng)的優(yōu)選實施例，空氣再循環(huán)裝置包括用于調(diào)整再循環(huán)通過所述壓縮機的空氣的量的調(diào)節(jié)裝置。在優(yōu)選實施例中，空氣再循環(huán)裝置的調(diào)節(jié)裝置包括布置在用于向壓縮機供給空氣的管道中的止回閥，和布置在旁通壓縮機的通道中的節(jié)流閥。根據(jù)更進一步的優(yōu)選實施例，再循環(huán)裝置形成包括冷卻裝置的回路。
下面參考附圖，通過實施例詳細(xì)解釋了本發(fā)明不同的方面。圖中

圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的順序渦輪增壓系統(tǒng)的第一實施例；圖2顯示根據(jù)本發(fā)明的順序渦輪增壓系統(tǒng)的第二實施例；圖3顯示根據(jù)本發(fā)明的順序渦輪增壓系統(tǒng)的第三實施例；圖4顯示根據(jù)本發(fā)明的順序渦輪增壓系統(tǒng)的第四實施例；圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的順序渦輪增壓系統(tǒng)的第五實施例；圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的順序渦輪增壓系統(tǒng)的第六實施例。
根據(jù)本發(fā)明第一實施例的順序渦輪增壓系統(tǒng)顯示在圖1中。該系統(tǒng)包括第一渦輪增壓器1和第二渦輪增壓器2，其中兩個渦輪增壓器相對于內(nèi)燃機3并聯(lián)連接。第一渦輪增壓器1包括位于其渦輪側(cè)的自由浮動式渦輪5，反之第二渦輪增壓器2裝配可變幾何形狀渦輪7。渦輪5、7和各自的壓縮機9、11并聯(lián)連接。根據(jù)該實施例的布局，新鮮空氣通過第一新鮮空氣管道4和第二新鮮空氣管道6并聯(lián)地供應(yīng)給每個壓縮機，從壓縮機中排出的空氣通過中間冷卻器12被導(dǎo)入內(nèi)燃機3的進氣側(cè)。在該布局的渦輪側(cè)，來自發(fā)動機3的廢氣通過從管道或管線23分支的第一廢氣管道8和第二廢氣管道10分別供應(yīng)給第一和第二渦輪5、7，從并聯(lián)的渦輪5、7中排出的廢氣被導(dǎo)入催化劑14。
圖1所示的多渦輪增壓器增壓系統(tǒng)中，第二壓縮機11設(shè)置有使用空氣流量調(diào)節(jié)裝置的空氣再循環(huán)系統(tǒng)，以便調(diào)整再循環(huán)空氣的數(shù)量。該實施例中的再循環(huán)系統(tǒng)包括具有蝶形閥15的旁通管道13，以便調(diào)整再循環(huán)返回第二新鮮空氣管道6的空氣質(zhì)量-流量，所述第二新鮮空氣管道6連接第二壓縮機11的入口和空氣過濾器19。在第二新鮮空氣管道6中布置有止回閥21，其允許空氣被吸入第二壓縮機11的入口，但避免任何逆向流動到空氣過濾器19。
根據(jù)圖1所示實施例的多渦輪增壓器增壓系統(tǒng)在內(nèi)燃機的低、中等和高旋轉(zhuǎn)速度下允許內(nèi)燃機高效率的功能。
在內(nèi)燃機3的低旋轉(zhuǎn)速度下，這意味著大約1000-2000rpm，通過廢氣管道或管線23供給的廢氣驅(qū)動第一渦輪增壓器1的自由浮動式渦輪5，反之第二渦輪增壓器2的可變幾何形狀渦輪7幾乎保持閉合。在這些狀態(tài)下，第二渦輪增壓器2以非常低的速度旋轉(zhuǎn)，以便正好避免因第二渦輪增壓器的軸承系統(tǒng)中的運行油壓而引起的油泄漏。在內(nèi)燃機低旋轉(zhuǎn)速度的階段，蝶形閥15開啟以便允許通過第二壓縮機11的再循環(huán)，其中在這些運行狀態(tài)下止回閥21保持閉合?？梢岳斫庠谠撾A段僅僅只有第一渦輪增壓器1正常工作以對發(fā)動機3增壓。
在內(nèi)燃機的中等旋轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)，這意味著大約2000-2500rpm，第二渦輪增壓器2的可變幾何形狀渦輪7越來越多地地開啟，以便調(diào)節(jié)渦輪前的壓力，也就是與廢氣管道8連接的入口處。在該階段，第二壓縮機11的旁通管道13中的蝶形閥15越來越多地閉合，以便平衡第二壓縮機11和第二渦輪7之間的功率，因此通過蝶形閥15的運行，可以調(diào)節(jié)第二渦輪增壓器2的速度。
在內(nèi)燃機的高旋轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)，這意味著大約2500-4000rpm，可變幾何形狀渦輪7開啟50％，以便以良好的效率工作，同時保持超速余量。在該階段，蝶形閥15完全閉合，止回閥21開啟，以允許供應(yīng)來自空氣過濾器19的新鮮空氣。
根據(jù)本發(fā)明的多渦輪增壓器增壓系統(tǒng)的第二實施例顯示在圖2中。根據(jù)該實施例的壓縮機側(cè)的布局與第一實施例中的一樣，其中僅僅渦輪增壓器側(cè)被修改，因而在每個渦輪105、107處，設(shè)置有分別相應(yīng)于第一和第二廢氣閘門閥129、131的第一旁通通道125和第二旁通通道127。另外，第二蝶形閥或節(jié)流閥133布置在第二廢氣管道110中。
在內(nèi)燃機103的低旋轉(zhuǎn)速度下，這意味著大約1000-2000rpm，通過廢氣管道或管線123供給的廢氣驅(qū)動第一渦輪增壓器101的自由浮動式渦輪105。蝶形閥133接近閉合，以便產(chǎn)生泄漏的廢氣流量來確保第二渦輪增壓器102的空轉(zhuǎn)，這僅為了避免來自其軸承系統(tǒng)的油泄漏。在該狀態(tài)下，通過廢氣閘門閥129控制第一渦輪增壓器的速度。同時廢氣閘門閥131保持閉合，第一蝶形閥115開啟，以促使通過第二壓縮機111的新鮮空氣的再循環(huán)，同時止回閥121也保持閉合。在該階段第一渦輪增壓器正常工作以對發(fā)動機103增壓。
在內(nèi)燃機的中等旋轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)，這意味著大約2000-2500rpm，蝶形閥或節(jié)流閥133越來越多地開啟以便調(diào)節(jié)渦輪前的壓力，廢氣流量驅(qū)動第二渦輪增壓器102。同時蝶形閥115越來越多地閉合，以便平衡第二壓縮機111和第二渦輪107之間的功率，因此通過蝶形閥115的運行，可以調(diào)節(jié)第二渦輪增壓器102的速度。
在內(nèi)燃機的高旋轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)，這意味著大約2500-4000rpm，蝶形閥133完全或幾乎完全開啟，其中分別通過第一和第二廢氣閘門閥129、131調(diào)節(jié)第一和第二渦輪105、107的速度。在該運行過程中，蝶形閥115完全閉合，止回閥121開啟。
根據(jù)圖2所示本發(fā)明的多渦輪增壓器增壓系統(tǒng)的第二實施例優(yōu)選地根據(jù)圖3所示的布局修改。根據(jù)該圖中顯示的第三實施例，蝶形閥233從第二廢氣管道210中移走，布置在第二渦輪207的出口管道235中，并位于第二旁通通道227與出口管道235結(jié)合點的下游。通過該布置，在第二渦輪207內(nèi)部能維持這樣的壓力其能避免油泄漏。
圖4闡述多渦輪增壓器增壓系統(tǒng)的第四實施例，其涉及根據(jù)第一、第二和第三實施例中的每一個的順序渦輪增壓系統(tǒng)的壓縮機側(cè)的優(yōu)選地可作為選擇的設(shè)計。該設(shè)計不同于前面的實施例，因為旁通管道313沒有直接在第二壓縮機311的下游與新鮮空氣供給結(jié)合，而是在中間冷卻器312的下游。因為來自中間冷卻器312的冷卻空氣被用于再循環(huán)，所以這樣經(jīng)修改的布置產(chǎn)生的結(jié)果是降低第二壓縮機311的溫度，因而該壓縮機中的焦化風(fēng)險被有效地最小化。
圖5顯示多渦輪增壓器增壓系統(tǒng)的第五實施例，其涉及根據(jù)第一、第二和第三實施例中的每一個的順序渦輪增壓系統(tǒng)的壓縮機側(cè)的優(yōu)選地可作為選擇的設(shè)計。該設(shè)計不同于前面的實施例，因為在第二新鮮空氣管道406中沒有任何止回閥，另外的蝶形閥439布置在連接第二壓縮機411和中間冷卻器412的管道441中，在第二壓縮機411下游的旁通管道413的結(jié)合點和管道441中的第一壓縮機409的結(jié)合點之間。
在內(nèi)燃機403的低旋轉(zhuǎn)速度下，這意味著大約1000-2000rpm，蝶形閥415開啟，因而實現(xiàn)第二壓縮機411處的再循環(huán)。因為該布局的特殊設(shè)計，在再循環(huán)過程中，第二壓縮機402內(nèi)的壓力可以降低，因而真實的負(fù)荷變得不那么重要，可靠性得到改善。另外的蝶形閥439保持閉合，第一壓縮機409正常工作以對發(fā)動機403增壓。
在內(nèi)燃機的中等旋轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)，這意味著大約2000-2500rpm，蝶形閥415越來越多地閉合，以便平衡第二壓縮機411和第二渦輪之間的功率，因此通過蝶形閥415的運行，可以調(diào)節(jié)第二渦輪增壓器402的速度。
在內(nèi)燃機的高旋轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)，這意味著大約2500-4000rpm，另外的蝶形閥439開啟，蝶形閥415完全閉合。
圖5所示根據(jù)本發(fā)明的多渦輪增壓器增壓系統(tǒng)的第五實施例優(yōu)選地根據(jù)圖6所示的布局修改。根據(jù)該圖中顯示的第六實施例，旁通第二壓縮機511的管道被移走，蝶形閥515布置在連接第二壓縮機511與另外的閥539結(jié)合之前的下游側(cè)和第一壓縮機509的上游側(cè)的另外的流體通道中。通過該已修改的布局，第一壓縮機509中用于再循環(huán)的能量被轉(zhuǎn)移到第二壓縮機511，因而損失變得不那么重要。
在上述的所有實施例中，空氣軸承或滾珠軸承優(yōu)選地用于第二渦輪增壓器結(jié)構(gòu)中的壓縮機和渦輪軸。當(dāng)使用空氣軸承或滾珠軸承時，第二渦輪增壓器的旋轉(zhuǎn)可以被停止，這有利于低的發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度，因為在該階段第二渦輪增壓器的運行是不必要的。
此外，空氣軸承優(yōu)選地用于特別是在第六實施例中使用的第一渦輪增壓器的軸上，因為進入第二壓縮機511的空氣溫度很重要，空氣軸承有助于避免焦化風(fēng)險。
在涉及渦輪增壓系統(tǒng)的壓縮機側(cè)設(shè)計的實施例中，用于將空氣從空氣過濾器輸送到第二壓縮機的入口通道中的止回閥21、121、221、321的布置確保第二渦輪增壓器內(nèi)部維持相對的高壓，對于避免來自其軸承系統(tǒng)的油泄漏來說，這是重要的。
此外，在所有實施例中，至少一個速度傳感器布置在第二壓縮機的軸處，用于向沒有特別闡述的控制單元傳輸數(shù)據(jù)，所述控制單元用于調(diào)節(jié)可調(diào)整的閥。為了更進一步地改善控制，優(yōu)選的將速度傳感器連接到順序渦輪增壓系統(tǒng)所有渦輪增壓器的軸上。
權(quán)利要求
1.一種順序渦輪增壓系統(tǒng)，其具有至少兩個并聯(lián)連接的渦輪增壓器，其中至少一個渦輪增壓器具有設(shè)置有可調(diào)整的流量調(diào)節(jié)裝置的渦輪。
2.如權(quán)利要求1所述的順序渦輪增壓系統(tǒng)，其特征在于，所述可調(diào)整的流量調(diào)節(jié)裝置包括整合在所述渦輪增壓器中的可變幾何形狀渦輪。
3.如權(quán)利要求1所述的順序渦輪增壓系統(tǒng)，其特征在于，所述可調(diào)整的流量調(diào)節(jié)裝置包括提升閥，特別是廢氣閘門閥。
4.如權(quán)利要求1所述的順序渦輪增壓系統(tǒng)，其特征在于，所述可調(diào)整的流量調(diào)節(jié)裝置包括節(jié)流閥，其布置在所述渦輪增壓器的渦輪的入口或出口。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的順序渦輪增壓系統(tǒng)，其特征在于，至少一個渦輪增壓器具有不可調(diào)整流量的渦輪，優(yōu)選為自由浮動式渦輪。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項所述的順序渦輪增壓系統(tǒng)，其特征在于，渦輪增壓器之一的至少一個渦輪設(shè)置有旁路，用于至少部分旁通所述渦輪。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項所述的順序渦輪增壓系統(tǒng)，其特征在于，渦輪增壓器之一的至少一個壓縮機設(shè)置有空氣再循環(huán)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)裝置，其用于調(diào)整再循環(huán)通過所述壓縮機的空氣的量。
8.一種順序渦輪增壓系統(tǒng)，其具有至少兩個渦輪增壓器，其中至少一個渦輪增壓器具有壓縮機，在所述壓縮機的入口處設(shè)置有流量調(diào)節(jié)裝置。
9.如權(quán)利要求8所述的順序渦輪增壓系統(tǒng)，其特征在于，所述流量調(diào)節(jié)裝置包括可調(diào)整的節(jié)流閥或蝶形閥。
10.如權(quán)利要求8所述的順序渦輪增壓系統(tǒng)，其特征在于，所述流量調(diào)節(jié)裝置包括止回閥。
11.如權(quán)利要求7所述的順序渦輪增壓系統(tǒng)，其特征在于，所述再循環(huán)系統(tǒng)包括冷卻裝置，其用于冷卻在所述壓縮機中再循環(huán)的空氣。
12.一種順序渦輪增壓系統(tǒng)，其具有至少兩個并聯(lián)連接的渦輪增壓器，其中至少一個渦輪增壓器具有用于軸的免潤滑劑的軸承系統(tǒng)，所述軸支承各自的壓縮機和渦輪葉輪。
13.如權(quán)利要求12所述的順序渦輪增壓系統(tǒng)，其特征在于，所述免潤滑劑的軸承系統(tǒng)是空氣軸承系統(tǒng)。
14.如權(quán)利要求1-11中任一項所述的順序渦輪增壓系統(tǒng)，其特征在于，至少一個渦輪增壓器具有滾珠軸承系統(tǒng)，特別是在渦輪增壓器的軸和軸承滾珠之間具有滾動接觸的滾珠軸承系統(tǒng)。
15.一種用于通過至少兩個渦輪增壓器進行內(nèi)燃機順序渦輪增壓的方法，其中順序渦輪增壓系統(tǒng)的可調(diào)整元件通過控制單元調(diào)節(jié)，所述控制單元使用來自至少一個速度傳感器的數(shù)據(jù)，所述速度傳感器用于檢測至少一個渦輪增壓器的旋轉(zhuǎn)速度。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述可調(diào)整元件是可調(diào)整閥。
17.如權(quán)利要求15或16所述的方法，其特征在于，至少在所述內(nèi)燃機的一個運行階段，通過所述渦輪增壓器之一的一個壓縮機再循環(huán)空氣。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述渦輪增壓器是具有可變幾何形狀渦輪和可變幾何形狀壓縮機的渦輪增壓器。
全文摘要
一種順序渦輪增壓系統(tǒng)具有至少兩個渦輪增壓器，其中一個渦輪增壓器具有設(shè)置有可調(diào)整的流量調(diào)節(jié)裝置的渦輪。渦輪增壓器之一的一個壓縮機設(shè)置空氣再循環(huán)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)裝置，其用于調(diào)整再循環(huán)通過所述壓縮機的空氣的量。
文檔編號F02B37/16GK1695001SQ02829924
公開日2005年11月9日 申請日期2002年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月20日
發(fā)明者K·瓦特金, G·費古拉, F·特魯科, P·馬蒂厄, P·巴特勒特, V·達(dá)萬佐 申請人:霍尼韋爾國際公司