專利名稱：用于空氣節(jié)流式發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器系統(tǒng)的制作方法
用于空氣節(jié)流式發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器系統(tǒng)
背景技術(shù)：
本申請(qǐng)主要涉及渦輪增壓器系統(tǒng)。更具體地，本申請(qǐng)涉及其中在某些過渡運(yùn)行狀態(tài)期間需要用附加能量增強(qiáng)渦輪增壓器動(dòng)態(tài)性能的渦輪增壓器系統(tǒng)。根據(jù)本公開的渦輪增壓器系統(tǒng)可以應(yīng)用于在進(jìn)氣系統(tǒng)中裝有用于空氣流量控制的節(jié)流設(shè)備的所有空氣節(jié)流式發(fā)動(dòng)機(jī)(例如燃燒任何類型燃料譬如汽油、乙醇、甲醇、CNG、LNG或LPG的火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)，以及非火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)譬如均質(zhì)充量壓燃(HCCI)發(fā)動(dòng)機(jī))。裝有空氣節(jié)流系統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能表現(xiàn)出幾方面的問題。一個(gè)這樣的問題是源自在發(fā)動(dòng)機(jī)以部分節(jié)流模式運(yùn)行時(shí)廢氣能量的量較低，這會(huì)導(dǎo)致渦輪無法足夠快地旋轉(zhuǎn)，造成對(duì)廢氣外流的限制。這會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)上施加不可接受的背壓并且導(dǎo)致相應(yīng)的性能惡化。另一個(gè)問題是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能的不利影響。這種現(xiàn)象是由于“渦輪遲滯”造成的， “渦輪遲滯”是指渦輪增壓器在某些狀態(tài)下當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)要求快速提速時(shí)無法足夠快地增加其速度。這種狀態(tài)的其中一種是在發(fā)動(dòng)機(jī)以部分節(jié)流模式運(yùn)行并且節(jié)流閥突然移動(dòng)至全開狀態(tài)時(shí)。在部分節(jié)流運(yùn)行中，廢氣流量和廢氣沖擊能都非常小。所以，渦輪增壓器中的渦輪旋轉(zhuǎn)相對(duì)較慢并且因此壓縮機(jī)就會(huì)提供增壓非常微弱的空氣。當(dāng)節(jié)流閥突然打開以由發(fā)動(dòng)機(jī)生成更大動(dòng)力時(shí)，渦輪增壓器不能足夠快地加速以能提供所需要的空氣流量。這種慢速響應(yīng)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的增加緩慢，給用戶造成不便。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本公開，一種可變流量膨脹器(VFE)被設(shè)置在給發(fā)動(dòng)機(jī)提供進(jìn)氣的進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)。VFE可以包括可變膨脹比渦輪。在部分負(fù)荷運(yùn)行中，VFE以可控的量使空氣膨脹， 并由此根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的需要來調(diào)節(jié)氣流。由VFE從進(jìn)氣流中提取的動(dòng)力被送回到渦輪增壓器，這有助于實(shí)現(xiàn)更快的渦輪增壓器響應(yīng)。另外，輸送至渦輪增壓器的動(dòng)力特別是在部分負(fù)荷運(yùn)行期間能夠有助于改善從發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的廢氣掃氣，從而降低背壓并提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。在本文公開的一個(gè)實(shí)施例中，介紹了一種用于空氣節(jié)流式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器系統(tǒng)，空氣節(jié)流式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)具有用于給發(fā)動(dòng)機(jī)提供進(jìn)氣的進(jìn)氣管路系統(tǒng)和用于從發(fā)動(dòng)機(jī)中排出燃燒氣體的排氣管路系統(tǒng)。渦輪增壓器系統(tǒng)包括渦輪增壓器，渦輪增壓器包括設(shè)置在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)并且可操作用于壓縮接收自進(jìn)氣管路系統(tǒng)的空氣和將壓縮空氣通過進(jìn)氣管路系統(tǒng)提供給發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)，以及設(shè)置在排氣管路系統(tǒng)內(nèi)并且可操作用于使接收自排氣管路系統(tǒng)的廢氣膨脹以從廢氣中提取動(dòng)力的渦輪，渦輪被機(jī)械耦合至壓縮機(jī)用于可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。系統(tǒng)包括機(jī)械耦合至渦輪增壓器并且在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)與壓縮機(jī)并聯(lián)設(shè)置的可變流量膨脹器(VFE)。VFE包括可變膨脹比渦輪，其從在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的空氣中提取動(dòng)力并且利用該動(dòng)力來幫助渦輪增壓器旋轉(zhuǎn)?？勺兣蛎洷葴u輪可控以用于調(diào)節(jié)通過其的空氣流量并由此改變空氣的膨脹量。系統(tǒng)進(jìn)一步包括設(shè)置在壓縮機(jī)和VFE上游的進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)的分配閥。分配閥能夠可變地定位以用于在壓縮機(jī)和VFE之間可變地分配空氣。
在一個(gè)實(shí)施例中，分配閥被構(gòu)造和設(shè)置為可以定位在第一位置、第二位置以及它們之間的多個(gè)位置。在第一位置，進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的空氣的大部分質(zhì)量流量都被提供給VFE并因此繞過壓縮機(jī)。在第二位置，進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的空氣的大部分質(zhì)量流量都被提供給壓縮機(jī)并因此繞過VFE。根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)施例，渦輪增壓器系統(tǒng)還包括將壓縮機(jī)和VFE下游的一部分進(jìn)氣管路系統(tǒng)與分配閥上游的一部分進(jìn)氣管路系統(tǒng)相連接的旁通管道以及設(shè)置在旁通管道內(nèi)的旁通閥。旁通閥可以在打開和關(guān)閉位置之間移動(dòng)以分別允許和阻止空氣流過旁通管道。 旁通閥還可以在如果渦輪增壓器系統(tǒng)中的其他部件故障的情況下用作供進(jìn)氣系統(tǒng)使用的備用節(jié)流閥。在本說明書中，提及“空氣”和“空氣節(jié)流”并不是要將本發(fā)明限制為其中只有純空氣在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的應(yīng)用，而是還包括其中空氣混合有另外的流體例如用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料的應(yīng)用。因此如果在特定應(yīng)用中需要的話，那么壓縮機(jī)能夠壓縮空氣和燃料的混合物，并且VFE能夠使空氣和燃料的混合物膨脹。而且，本發(fā)明也可以應(yīng)用于其中由壓縮機(jī)和VFE接收的流體是根本不包含任何空氣的氣體的系統(tǒng)。本發(fā)明中VFE能夠在某些運(yùn)行狀態(tài)下借助來從流體流中提取能量并利用該能量幫助壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)的基本流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過程實(shí)際上能夠應(yīng)用于經(jīng)過VFE可膨脹的任何流體。


因此，在已經(jīng)概括性地介紹了本公開之后，現(xiàn)在參照附圖來進(jìn)行說明，附圖并非一定是按比例繪制，并且在附圖中
圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的示意圖； 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的渦輪增壓器系統(tǒng)； 圖3示出了圖2中處于未增壓運(yùn)行模式下的渦輪增壓器系統(tǒng)； 圖4示出了處于增壓運(yùn)行模式下的渦輪增壓器系統(tǒng)；
圖5示出了處于從增壓運(yùn)行模式向未增壓運(yùn)行模式快速過渡期間的某一時(shí)刻下的渦輪增壓器系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在下文中參照附圖更加完整地介紹本發(fā)明，附圖中示出了本發(fā)明的部分而非全部的實(shí)施例。實(shí)際上，這些發(fā)明可以用多種不同形式實(shí)施并且不應(yīng)被解讀為受限于本文中列舉的實(shí)施例；相反，提供這些實(shí)施例以使本公開能夠滿足可應(yīng)用的法律要求。類似的附圖標(biāo)記始終表示類似的元件。圖1根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)示出了一種典型的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括空氣節(jié)流式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)E和渦輪增壓器系統(tǒng)10。發(fā)動(dòng)機(jī)包括具有進(jìn)氣歧管11以接收空氣的進(jìn)氣系統(tǒng)，空氣用于和與空氣混合的燃料一起分配至氣缸統(tǒng)，燃料在氣缸外部或內(nèi)部與空氣混合以形成燃料-空氣混合物，通過用火花塞或類似裝置點(diǎn)火而使燃料-空氣混合物在氣缸內(nèi)燃燒。渦輪增壓器系統(tǒng)10包括壓縮機(jī)12，壓縮機(jī)12接收來自空氣凈化器20的空氣并壓縮空氣用于提供給進(jìn)氣歧管11。如果需要，可以設(shè)置中冷器14用于在向進(jìn)氣歧管11提供壓縮空氣之前先冷卻壓縮空氣。節(jié)流閥15被設(shè)置在進(jìn)氣歧管11上游，并且可操作用于控制被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的空氣的質(zhì)量流量。壓縮機(jī)12通常由連接至發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管17的渦輪 16可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)。壓縮機(jī)12和渦輪16被安裝在同一根軸桿13上。廢氣經(jīng)過渦輪而膨脹并且排放到排氣系統(tǒng)18中。旁通閥19可以被設(shè)置在進(jìn)氣系統(tǒng)中以在壓縮機(jī)11后方突然有壓力升高的情況下例如在節(jié)流閥15突然被關(guān)閉時(shí)旁通空氣返回到壓縮機(jī)上游的通常是恰好在空氣凈化器20之后的位置。渦輪16可以包括排廢門或旁通閥(未示出)用于在某些運(yùn)行狀態(tài)下旁通廢氣繞過渦輪?，F(xiàn)有技術(shù)中的系統(tǒng)在部分負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間的一個(gè)問題是節(jié)流閥處于相對(duì)關(guān)閉的位置，這就意味著通過發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣質(zhì)量流量相對(duì)較低。這就造成廢氣中的能量低，并且因此渦輪16無法足夠快地運(yùn)行并在發(fā)動(dòng)機(jī)上施加相對(duì)較高的背壓，導(dǎo)致相對(duì)較大的泵送損失和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能退化。另外，因?yàn)榻?jīng)過節(jié)流閥15的壓降，所以在進(jìn)氣側(cè)經(jīng)過節(jié)流閥 15就有能量損失。這就增加了循環(huán)抽吸損失，進(jìn)一步不利地影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。而且，在動(dòng)態(tài)運(yùn)行期間，一個(gè)問題是渦輪增壓器在要求快速增加發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的指令發(fā)出時(shí)渦輪增壓器不能快速地升高增壓。這在發(fā)動(dòng)機(jī)以廢氣流量和能量水平較低的部分節(jié)流模式運(yùn)行時(shí)特別明顯。渦輪16不能快速增加速度，導(dǎo)致增壓的累積緩慢，這種現(xiàn)象通常被稱為“渦輪遲滯”。由于對(duì)改善性能和降低排放的需求日益提高，因此對(duì)提高渦輪增壓器穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的解決方案存在需求。本文中介紹的改進(jìn)渦輪增壓器系統(tǒng)從進(jìn)氣流中獲取能量，否則這部分能量就會(huì)在節(jié)流閥中損失，并將該能量輸送至渦輪增壓器以提高其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。參照?qǐng)D2，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例示出了渦輪增壓器系統(tǒng)110。渦輪增壓器系統(tǒng)包括安裝在軸桿113上的壓縮機(jī)112和渦輪116。壓縮機(jī)112被設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管路系統(tǒng)130內(nèi)，并且具體地被設(shè)置在進(jìn)氣管路系統(tǒng)的第一支路131內(nèi)，空氣在首先經(jīng)過空氣凈化器120之后就由此被提供給壓縮機(jī)。中冷器114可以被設(shè)置在壓縮機(jī)112下游的第一支路131內(nèi)。渦輪116被設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管路系統(tǒng)140內(nèi)。渦輪增壓器系統(tǒng)包括在本文中稱作VFE的可變流量膨脹器150。VFE 150被設(shè)置在進(jìn)氣管路系統(tǒng)的第二并聯(lián)支路132 內(nèi)。支路131和132在空氣凈化器120下游的某個(gè)位置分叉并且在中冷器114下游的某個(gè)位置彼此重新匯合，它們?cè)诖瞬⑷胪ㄍl(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管111的進(jìn)氣流管路134內(nèi)。VFE可以包括可變膨脹比渦輪，其中膨脹比的改變通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)流動(dòng)面積、氣流速度以及空氣在渦輪葉片上的入射角度實(shí)現(xiàn)。例如，VFE可以包括可變噴嘴渦輪(VNT)或者具有可滑動(dòng)活塞或套管用于調(diào)節(jié)通往VFE的渦輪機(jī)葉輪的流動(dòng)面積的渦輪。VFE通過提供相同的空氣流量控制功能而取代了通常需要的空氣節(jié)流閥(例如圖1的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中的節(jié)流閥1 。這是通過調(diào)節(jié)VFE內(nèi)的空氣膨脹度(通過調(diào)節(jié)VFE的可變噴嘴或活塞)以達(dá)到從VFE中排出的空氣的期望壓力和溫度并由此達(dá)到期望密度，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)提供所需的質(zhì)量流量而實(shí)現(xiàn)的。膨脹的空氣在VFE的渦輪上做功并生成通過耦合至渦輪增壓器的軸桿117輸送至渦輪增壓器的機(jī)械動(dòng)力。包括分配閥160以用于在VFE 150和壓縮機(jī)112之間可變地分配總的空氣流量。 分配閥160位于進(jìn)氣管路系統(tǒng)中的支路131和132分叉的位置。因此，分配閥160從空氣凈化器120接收全部的氣流并隨后將空氣分為兩部分，一部分送往VFE，而其余部分則送往壓縮機(jī)。分配閥的位置可以通過由控制器(未示出)控制的適當(dāng)致動(dòng)器(未示出)進(jìn)行調(diào)節(jié)以使預(yù)定部分的空氣通過VFE并使其余的空氣通過壓縮機(jī)，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管ill處達(dá)到所需的空氣質(zhì)量流量條件和密度條件。參照?qǐng)D3，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，分配閥160轉(zhuǎn)移大部分氣流通過VFE。VFE 內(nèi)的膨脹度決定了達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)要求的質(zhì)量流量所需的外流空氣的溫度和壓力，并因此決定了其密度?？諝庠谝脒M(jìn)氣歧管111之前先引入進(jìn)氣管134。根據(jù)流過VFE的空氣的膨脹度，在VFE的軸桿117處生成機(jī)械動(dòng)力。如此生成的機(jī)械動(dòng)力通過渦輪增壓器的軸桿113 輸送至渦輪116。這就有助于保持渦輪116的運(yùn)轉(zhuǎn)并且有助于將廢氣從發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣，由此降低發(fā)動(dòng)機(jī)上的背壓并因此提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。渦輪還可以根據(jù)需要設(shè)有旁通裝置例如排廢門 118。參照?qǐng)D4，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，分配閥160被定位成使空氣總質(zhì)量流量中的大部分都流過壓縮機(jī)112以滿足高需氣量，同時(shí)只有非常少量的空氣流過VFE 150。在這種運(yùn)行狀態(tài)下，用于運(yùn)行壓縮機(jī)的能量是源于由渦輪116從發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中提取的能量。在從部分負(fù)荷向全負(fù)荷過渡期間，分配閥160和VFE 150以互相協(xié)作的方式工作從而使動(dòng)力首先從VPE流向渦輪116以加速渦輪。在達(dá)到合理的渦輪增壓器運(yùn)行速度之后，分配閥160 就逐漸停用VFE和大部分空氣流過壓縮機(jī)112。在此條件下，動(dòng)力從渦輪116通過渦輪增壓器軸桿流向壓縮機(jī)112以實(shí)現(xiàn)所需的增壓和空氣流量。如果發(fā)動(dòng)機(jī)需要，那么出自壓縮機(jī)的空氣溫度可以通過中間設(shè)置的中冷器114而降低。旁通閥170可以被設(shè)置在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)以允許在進(jìn)氣歧管111內(nèi)的壓力超過安全運(yùn)行極限的情況下安全地釋放壓力。旁通閥 170被設(shè)置在從進(jìn)氣管134分出并且在其相對(duì)端連接至分配閥160上游的進(jìn)氣管的旁通管道172內(nèi)。旁通閥也可以在系統(tǒng)內(nèi)其他部件失靈的情況下用作備用空氣節(jié)流閥。旁通管道 172的有利之處還在于它在分配閥或下游系統(tǒng)的任一部件無法符合預(yù)期地工作的情況下允許空氣流動(dòng)至發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在不需要增壓的狀態(tài)(例如部分負(fù)荷狀態(tài))下運(yùn)行時(shí)，大部分空氣都通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置分配閥160而被引導(dǎo)通過VFE。這已在圖3中示出。調(diào)節(jié)VFE的膨脹比以達(dá)到需要的空氣流量。由VFE生成的動(dòng)力被輸送至渦輪增壓器軸桿并保持渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)。來自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣可以被引導(dǎo)至渦輪116或者可以通過操作排廢門閥118而旁通繞過渦輪以實(shí)現(xiàn)最小的廢氣背壓和最優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)需要加壓空氣的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，分配閥160如圖4所示被定位成引導(dǎo)大部分空氣通過壓縮機(jī)。如果壓縮機(jī)出口處的溫度高于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可接受范圍，那么增壓空氣可以被引導(dǎo)通過中冷器114。來自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣被輸送通過渦輪116并且如此產(chǎn)生的動(dòng)力被輸送至壓縮機(jī)以實(shí)現(xiàn)令人滿意且穩(wěn)定的運(yùn)行。在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，可能需要快速地從未增壓運(yùn)行轉(zhuǎn)移至增壓運(yùn)行。在此情況下，分配閥160和VFE可以用預(yù)定方式運(yùn)行以在VFE中生成更多動(dòng)力用于快速地加速壓縮機(jī)112。 首先，來自空氣凈化器120的空氣中的預(yù)定部分被輸送通過VFE以生成用于加速壓縮機(jī)的能量。其余部分的空氣被引導(dǎo)通過壓縮機(jī)以生成加壓空氣。分配閥160隨后被逐漸移動(dòng)以逐漸增加通往壓縮機(jī)的空氣流量和逐漸減少通往VFE的空氣流量。用這種方式，渦輪增壓器系統(tǒng)就能夠更加快速地實(shí)現(xiàn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的期望增壓。也可以通過逐漸增加來自渦輪的能量來幫助壓縮機(jī)加速。在由渦輪增壓器產(chǎn)生的增壓大于發(fā)動(dòng)機(jī)需求的情況下，可能需要從增壓運(yùn)行快速轉(zhuǎn)移至非增壓運(yùn)行。在這樣的情況下，分配閥160被快速操作以將來自空氣凈化器120的大部分空氣引導(dǎo)到VFE 150內(nèi)。VFE被適當(dāng)調(diào)節(jié)以將所需的空氣提供給發(fā)動(dòng)機(jī)。暫時(shí)生成的過高增壓壓力通過暫時(shí)打開旁通閥170而快速釋放。與此同時(shí)，來自渦輪116的動(dòng)力也可以通過操作排廢門閥118以旁通廢氣繞過渦輪而減小。對(duì)于本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，通過以上說明和相關(guān)附圖中給出的教導(dǎo)而受益之后，就可以想到本文中闡述的本發(fā)明的多種變形和其他的實(shí)施例。例如，本發(fā)明可以應(yīng)用于由通過廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)以外的其他裝置驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)增壓的空氣節(jié)流設(shè)備。因此，本發(fā)明包括例如用于空氣節(jié)流設(shè)備(譬如內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī))的供氣系統(tǒng)的實(shí)施例，包括用于給所述設(shè)備提供進(jìn)氣的進(jìn)氣管路系統(tǒng)，設(shè)置在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)并且可操作用于壓縮接收自進(jìn)氣管路系統(tǒng)的空氣和將壓縮空氣通過進(jìn)氣管路系統(tǒng)提供給所述設(shè)備的壓縮機(jī)，機(jī)械耦合至壓縮機(jī)并且在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)與壓縮機(jī)并聯(lián)設(shè)置的可變流量膨脹器(VFE)；以及設(shè)置在壓縮機(jī)和VFE上游的進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)的分配閥，所述分配閥能夠可變地定位以用于可變地在壓縮機(jī)和VFE之間分配進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的空氣。因此，應(yīng)該理解本發(fā)明并不局限于公開的具體實(shí)施例，并且各種變形和其他的實(shí)施例都應(yīng)視為被包含在所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。盡管本文中使用了一些專用術(shù)語，但是僅僅是以普通的且說明性的含義來使用它們而并不是為了加以限制。
權(quán)利要求
1.一種用于空氣節(jié)流式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器系統(tǒng)，空氣節(jié)流式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)具有用于給發(fā)動(dòng)機(jī)提供進(jìn)氣的進(jìn)氣管路系統(tǒng)和用于從發(fā)動(dòng)機(jī)中排出燃燒氣體的排氣管路系統(tǒng)，所述渦輪增壓器系統(tǒng)包括渦輪增壓器，所述渦輪增壓器包括設(shè)置在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)并且可操作用于壓縮接收自進(jìn)氣管路系統(tǒng)的空氣和將壓縮空氣通過進(jìn)氣管路系統(tǒng)提供給發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)，以及設(shè)置在排氣管路系統(tǒng)內(nèi)并且可操作用于使接收自排氣管路系統(tǒng)的廢氣膨脹以從廢氣中提取動(dòng)力的渦輪，所述渦輪被機(jī)械耦合至壓縮機(jī)用于可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)；機(jī)械耦合至渦輪增壓器并且在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)與壓縮機(jī)并聯(lián)設(shè)置的可變流量膨脹器 (VFE)，VFE包括可變膨脹比渦輪以從在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的空氣中提取動(dòng)力并且利用所述動(dòng)力來幫助渦輪增壓器旋轉(zhuǎn)，所述可變膨脹比渦輪可控以用于調(diào)節(jié)從其通過的空氣流量并由此改變空氣的膨脹量；以及設(shè)置在壓縮機(jī)和VFE上游的進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)的分配閥，所述分配閥能夠可變地定位以用于可變地在壓縮機(jī)和VFE之間分配進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的空氣。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其中所述可變膨脹比渦輪包括可變噴嘴渦輪。
3.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其中所述分配閥被構(gòu)造和設(shè)置為可以定位在第一位置、第二位置以及其間的多個(gè)位置，其中第一位置促使將進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的空氣的大部分質(zhì)量流量都提供給VFE并因此繞過壓縮機(jī)，并且其中第二位置促使將進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的空氣的大部分質(zhì)量流量都提供給壓縮機(jī)并因此繞過VFE。
4.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，進(jìn)一步包括將壓縮機(jī)和VFE下游的一部分進(jìn)氣管路系統(tǒng)與分配閥上游的一部分進(jìn)氣管路系統(tǒng)相連接的旁通管道，旁通管道在分配閥或下游系統(tǒng)的任一部件無法符合預(yù)期地工作的情況下允許空氣流動(dòng)至發(fā)動(dòng)機(jī)。
5.如權(quán)利要求4所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，進(jìn)一步包括設(shè)置在旁通管道內(nèi)的旁通閥，所述旁通閥可以在打開和關(guān)閉位置之間移動(dòng)以分別允許和阻止空氣流過旁通管道。
6.一種用于運(yùn)行渦輪增壓器以提升空氣節(jié)流式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)性能的方法，發(fā)動(dòng)機(jī)具有用于給發(fā)動(dòng)機(jī)提供進(jìn)氣的進(jìn)氣管路系統(tǒng)和用于從發(fā)動(dòng)機(jī)中排出燃燒氣體的排氣管路系統(tǒng)，渦輪增壓器包括設(shè)置在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)并且可操作用于壓縮接收自進(jìn)氣管路系統(tǒng)的空氣和將壓縮空氣通過進(jìn)氣管路系統(tǒng)提供給發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)，以及設(shè)置在排氣管路系統(tǒng)內(nèi)并且可操作用于使接收自排氣管路系統(tǒng)的廢氣膨脹以從廢氣中提取動(dòng)力的渦輪，所述渦輪被機(jī)械耦合至壓縮機(jī)用于可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，所述方法包括以下步驟提供機(jī)械耦合至渦輪增壓器并且在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)與壓縮機(jī)并聯(lián)設(shè)置的可變流量膨脹器(VFE)，VFE包括可變膨脹比渦輪以從在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的空氣中提取動(dòng)力并且利用所述動(dòng)力來幫助渦輪增壓器旋轉(zhuǎn)；控制所述可變膨脹比渦輪以調(diào)節(jié)從其通過的空氣流量并由此改變空氣的膨脹量；以及可變地在壓縮機(jī)和VFE之間分配進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的空氣。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中通過將進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的空氣的大部分質(zhì)量流量都分配給VFE并且控制VFE以使VFE從空氣中提取動(dòng)力并幫助渦輪增壓器旋轉(zhuǎn)而使渦輪增壓器在非增壓模式下運(yùn)行。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中在以非增壓模式運(yùn)行期間，來自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣被旁通繞過渦輪增壓器的渦輪。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中在部分負(fù)荷運(yùn)行期間，渦輪增壓器的渦輪從VFE接收動(dòng)力，這有助于改善從發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的廢氣掃氣，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)上的背壓并提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中通過將進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的空氣的大部分質(zhì)量流量都分配給壓縮機(jī)而使渦輪增壓器在增壓模式下運(yùn)行。
11.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述渦輪增壓器通過以下步驟從非增壓模式過渡到增壓模式首先使在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的一部分空氣通過VFE以促使VFE向渦輪增壓器增加動(dòng)力從而加速壓縮機(jī)，并利用壓縮機(jī)來壓縮提供給發(fā)動(dòng)機(jī)的其余空氣；以及在增加送往壓縮機(jī)的空氣質(zhì)量流量的同時(shí)逐漸減小送往VFE的空氣質(zhì)量流量。
12.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述渦輪增壓器通過以下步驟從增壓模式過渡到非增壓模式將空氣的大部分質(zhì)量流量分配給VFE，并且調(diào)節(jié)VFE以將空氣提供給發(fā)動(dòng)機(jī)；以及通過將壓縮空氣從壓縮機(jī)下游的一部分進(jìn)氣管路系統(tǒng)臨時(shí)性地轉(zhuǎn)移至壓縮機(jī)和VFE 上游的一部分進(jìn)氣管路系統(tǒng)來緩解由壓縮機(jī)生成的過高增壓。
13.如權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)需要通過旁通廢氣繞過渦輪而降低渦輪輸出的步驟。
14.一種用于空氣節(jié)流式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的供氣系統(tǒng)，包括用于給發(fā)動(dòng)機(jī)提供進(jìn)氣的進(jìn)氣管路系統(tǒng)；設(shè)置在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)并且可操作用于壓縮接收自進(jìn)氣管路系統(tǒng)的空氣和將壓縮空氣通過進(jìn)氣管路系統(tǒng)提供給發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)；機(jī)械耦合至壓縮機(jī)并且在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)與壓縮機(jī)并聯(lián)設(shè)置的可變流量膨脹器 (VFE)，VFE包括可變膨脹比渦輪以從在進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的空氣中提取動(dòng)力并且利用所述動(dòng)力來幫助壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)，所述可變膨脹比渦輪可控以用于調(diào)節(jié)從其通過的空氣流量并由此改變空氣的膨脹量；以及設(shè)置在壓縮機(jī)和VFE上游的進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)的分配閥，所述分配閥能夠可變地定位以用于可變地在壓縮機(jī)和VFE之間分配進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的空氣。
全文摘要
一種用于空氣節(jié)流式發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器系統(tǒng)，在給發(fā)動(dòng)機(jī)提供進(jìn)氣的進(jìn)氣管路系統(tǒng)內(nèi)包括可變流量膨脹器(VFE)。在部分負(fù)荷運(yùn)行中，VFE以可控的量使空氣膨脹，并由此根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的需要來調(diào)節(jié)氣流。由VFE從進(jìn)氣流中提取的動(dòng)力被輸送至渦輪增壓器，這有助于實(shí)現(xiàn)更快的渦輪增壓器響應(yīng)并改善從發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣掃氣。VFE可以是可變膨脹比渦輪。
文檔編號(hào)F02B37/04GK102482989SQ201080038889
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月2日
發(fā)明者維亞納桑 K., 鮑爾 K-H., 沙赫德 S. 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司