用于内燃发动机的双涡道涡轮增压器装置及其控制方法

申请号 CN201510599643.7 申请日 2015-09-18 公开(公告)号 CN105464789B 公开(公告)日 2019-07-26
申请人 沃尔沃汽车公司; 发明人 G·阿尔姆奎斯特;
摘要 用于内燃 发动机 的双涡道 涡轮 增压 器 装置包括 涡轮机 和 压缩机 ,其中所述涡轮机包括涡轮机第一涡道和涡轮机第二涡道,并且其中至少所述涡轮机第一涡道设置有涡轮机涡道入口 阀 以使穿过涡轮机第一涡道的排气流是可控制的。双涡道 涡轮 增压器 装置的特征还在于旁通管设置在压缩机与至少所述涡轮机第一涡道之间。旁通管设置有旁通管阀以使穿过所述旁通管的流动是可控制的。
权利要求

1.一种用于内燃发动机(3)的双涡道涡轮增压器装置(2”),其包括:
涡轮机(7),所述涡轮机带有由引导自内燃发动机(3)的排气所驱动的涡轮机叶轮(7a),
带有压缩机叶轮(9a)的压缩机(9),所述压缩机叶轮连接于所述涡轮机叶轮(7a)且被所述涡轮机叶轮(7a)驱动以使得所述压缩机(9)送压缩机气体至所述内燃发动机(3),以及
封罩所述涡轮机(7)和所述压缩机(9)的涡轮增压器罩壳(18),
其中,所述涡轮机(7)还包括涡轮机第一涡道(12a”)以及涡轮机第二涡道(12b”),并且其中:
所述涡轮机第一涡道(12a”)在涡轮机第一涡道入口(15a)处设置有涡轮机第一涡道入口(16a)使得排气流穿过所述涡轮机第一涡道(12a”)的所述涡轮机第一涡道入口(15a)是可控制的,
其特征在于:
所述涡轮机第二涡道(12b”)在涡轮机第二涡道入口(15b)处设置有涡轮机第二涡道入口阀(16b),使得排气流穿过涡轮机第二涡道(12b”)的涡轮机第二涡道入口(15b)是可控制的,其中
在涡轮机第一和第二涡道(12a”,12b”)分别相对于所述排气流在涡轮机第一和第二涡道入口阀(16a,16b)的下游的一部分处在所述压缩机(9)的所述增压部分与所述涡轮机第一和所述涡轮机第二涡道(12a”,12b”)之间设置旁通管(13'),其中,所述旁通管(13')允许所述压缩机(9)与所述涡轮机第一和所述涡轮机第二涡道(12a”,12b”)之间流体连通,其中,
所述旁通管(13,13')设置有旁通管阀(14;14'),并且其中,
所述旁通管阀(14')还被配置为控制所述压缩机(9)与所述涡轮机第一和/或所述涡轮机第二涡道(12a”,12b”)是否流体连通。
2.根据权利要求1所述的双涡道涡轮增压器装置(2;2”),其中,所述涡轮机第一和第二涡道(12a;12a”,12b;12b”)相对于所述涡轮机叶轮(7a)的旋转方向并排配置。
3.根据权利要求1或2所述的双涡道涡轮增压器装置(2'),其中,所述涡轮机第一涡道(12a')相对于所述涡轮机第二涡道(12b')的所述涡轮机叶轮(7a)在径向外侧配置。
4.根据权利要求1或2所述的双涡道涡轮增压器装置(2),其中,所述涡轮机第一和第二涡道(12a,12b)具有相同的横截面流动面积。
5.根据权利要求1或2所述的双涡道涡轮增压器装置(2”),其中,所述涡轮机第一涡道(12a”)具有比所述涡轮机第二涡道(12b”)更大的横截面流动面积。
6.根据权利要求1或2所述的双涡道涡轮增压器装置,其中,所述涡轮机第二涡道具有比所述涡轮机第一涡道更大的横截面流动面积。
7.一种控制用于内燃发动机(3)的双涡道涡轮增压器装置(2”)的方法,其中,所述双涡道涡轮增压器装置(2”)包括:
涡轮机(7),所述涡轮机带有由引导自内燃发动机(3)的排气所驱动的涡轮机叶轮(7a),其中,所述涡轮机(7)还包括涡轮机第一涡道(12a”)和涡轮机第二涡道(12b”),带有压缩机叶轮(9a)的压缩机(9),所述压缩机叶轮连接于所述涡轮机叶轮(7a)且被所述涡轮机叶轮(7a)驱动以使得所述压缩机(9)泵送压缩机气体至所述内燃发动机(3),封罩所述涡轮机(7)和所述压缩机(9)的涡轮增压器罩壳(18),
旁通管(13'),其中,所述旁通管(13')设置在所述压缩机(9)的增压部分与所述涡轮机相应的第一涡道和第二涡道(12a”;12b”)的相对于所述排气流在涡轮机第一和第二涡道入口阀(16a,16b)的下游的一部分之间,其中,所述旁通管(13')允许所述压缩机(9)与所述涡轮机第一涡道和/或所述涡轮机第二涡道(12a”;12b”)之间流体连通,并且其中,所述涡轮机第一涡道(12a”)在涡轮机第一涡道入口(15a)处设置所述涡轮机第一涡道入口阀(16a),其中,所述涡轮机第一涡道入口阀(16a)能被控制在打开与关闭位置之间,使得排气流穿过所述涡轮机第一涡道(12a”)是可控制的,并且所述涡轮机第二涡道(12b”)在涡轮机第二涡道入口(15b)处设置有所述涡轮机第二涡道入口阀(16b),其中所述涡轮机第二涡道入口阀(16b)能被控制在打开与关闭位置之间,使得排气流穿过所述涡轮机第二涡道(12b”)是可控制的,并且其中,
所述旁通管(13')设置有可控制旁通管阀(14'),其中,所述旁通管阀(14')能被控制在关闭位置或对第一和/或第二涡道入口阀(16a,16b)打开的位置,使得排气流穿过所述旁通管(13')是可控制的,其中,所述方法包括如下步骤:
当来自所述内燃发动机(3)的排气流等于或者小于预定低流量时:
将所述涡轮机第一涡道入口阀(16a)设定为关闭,
将所述旁通管阀(14')设定为对所述涡轮机第一涡道(12a”)打开,
其中,所述排气流流经所述涡轮机第二涡道(12b”)。
8.根据前述权利要求7所述的方法,其中,所述旁通管(13')设置在所述压缩机(9)的所述增压部分与所述涡轮机第一涡道(12a')的相对于所述排气流在所述涡轮机第一涡道入口阀(16a)下游的一部分和所述涡轮机第二涡道(12b”)的相对于所述排气流在涡轮机第二涡道入口阀(16b)下游的一部分之间,其中,所述旁通管(13')允许所述压缩机(9)与所述第一和所述涡轮机第二涡道(12a”,12b”)之间流体连通,并且其中,
所述旁通管(13')设置有旁通管阀(14'),所述旁通管阀被配置为控制穿过所述旁通管(13')的流并控制所述压缩机(9)与所述涡轮机第一和/或第二涡道(12a”,12b”)是否流体连通,其中,
所述涡轮机第二涡道(12b”)在涡轮机第二涡道入口(15b)处设置所述涡轮机第二涡道入口阀(16b),其中,所述涡轮机第二涡道入口阀(16b)能控制在打开与关闭位置之间,使得排气流穿过涡轮机第二涡道(12b”)是可控制的,
其中,所述方法的改进包括如下步骤:
当来自所述内燃发动机(3)的所述排气流增加至高于所述预定低流量但低于预定高流量时:
打开所述涡轮机第一涡道入口阀(16a),
关闭所述涡轮机第二涡道入口阀(16b),并且
设定所述旁通管阀(14')以使所述旁通管(13')对所述涡轮机第二涡道(12b”)打开,其中,所述排气流流经所述涡轮机第一涡道(12a”)。
9.根据前述权利要求7或8所述的方法,还包括如下步骤:
当来自所述内燃发动机(3)的所述排气流等于或者超过预定高流量时:
将全部涡轮机涡道入口阀(16a,16b)设定为打开,并且
将所述旁通管阀(14,14')设定为关闭,
其中,所述排气流流经所述涡轮机第一和第二涡道(12a;12a';12a”,12b;12b';12b”)。
10.根据权利要求7或8所述的方法,其中,所述旁通管(13')设置在所述压缩机(9)的所述增压部分与所述涡轮机第一涡道(12a')的相对于所述排气流在涡轮机第一涡道入口阀(16a)下游的一部分和所述涡轮机第二涡道(12b”)的相对于所述排气流在涡轮机第二涡道入口阀(16b)下游的一部分之间,其中,
所述旁通管(13')设置有旁通管阀(14'),所述旁通管阀被配置为控制穿过所述旁通管(13')的流并控制所述压缩机(9)与所述涡轮机第一和/或第二涡道(12a”,12b”)是否流体连通,其中,
所述涡轮机第一和第二涡道(12a”;12b”)在涡轮机第一和第二涡道入口(15a,15b)处设置所述涡轮机第一和第二涡道入口阀(16a;16b),其中,所述涡轮机第一和第二涡道入口阀(16a,16b)能控制在打开与关闭位置之间,使得排气流穿过所述涡轮机第一和第二涡道(12a”,12b”)是可控制的,其中,
当来自所述内燃发动机(3)的所述排气流降低至低于所述预定高流量但高于所述预定低流量时:
关闭所述涡轮机第二涡道入口阀(16b),并且
设定所述旁通管阀(14')以使所述旁通管(13')对所述涡轮机第二涡道(12b”)打开,其中,所述排气流流经所述涡轮机第一涡道(12a”)。
11.根据权利要求7或8所述的方法,其中,所述旁通管(13')设置在所述压缩机(9)的所述增压部分与所述涡轮机第一涡道(12a')的相对于所述排气流在涡轮机第一涡道入口阀(16a)下游的一部分和所述涡轮机第二涡道(12b”)的相对于所述排气流在涡轮机第二涡道入口阀(16b)下游的一部分之间,其中,
所述旁通管(13')设置有旁通管阀(14'),所述旁通管阀被配置为控制穿过所述旁通管(13')的流并控制所述压缩机(9)与所述涡轮机第一和/或第二涡道(12a”,12b”)是否流体连通,其中,
所述涡轮机第一和第二涡道(12a”;12b”)在涡轮机第一和第二涡道入口(15a,15b)处设置涡轮机第一和第二涡道入口阀(16a;16b),其中,所述涡轮机第一和第二涡道入口阀(16a,16b)能控制在打开与关闭位置之间,使得排气流穿过所述涡轮机第一和第二涡道(12a”,12b”)是可控制的,其中,
当来自所述内燃发动机(3)的所述排气流降低至等于或者低于所述预定低流量时:
关闭所述涡轮机第一涡道入口阀(16a),
打开所述涡轮机第二涡道入口阀(16b),并且
设定所述旁通管阀(14')以使所述旁通管(13')对所述涡轮机第一涡道(12a”)打开,其中,所述排气流流经所述涡轮机第二涡道(12b”)。

说明书全文

用于内燃发动机的双涡道涡轮增压器装置及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及用于内燃发动机(ICE)的双涡道涡轮增压器装置。这种内燃发动机可配置在适于火花点燃或压燃发动机驱动的任意类型的车辆中。

背景技术

[0002] 用于内燃发动机的常规涡轮增压器当在特定运行条件下运行时通常是最有效的。例如涡轮机叶轮压缩机叶轮和涡轮机涡道的构型都影响涡轮增压器的特性并且确定在什么运行条件下涡轮增压器是尽可能有效的。当来自内燃发动机的排气流较低时,例如当在低转速下运行发动机或当发电机载荷较低时,通常优选涡轮增压器较小,同时在更高的排气流动下通常优选具有更大的涡轮增压器。为了获得可在排气流范围内以合意的性能运行的涡轮增压器,可以使用在此根据当前排气流可采用例如导叶几何形状的涡轮增压器。这种可变几何形状的涡轮增压器可在比常规涡轮增压器更大范围内以最佳流动条件工作。然而,这种涡轮增压器通常较昂贵并且不像固定几何形状的涡轮增压器那么坚固。改进涡轮增压器效率和增加涡轮增压器范围的另一个方法是使用双涡道涡轮增压器。在双涡道涡轮增压器中,在涡轮机叶轮外部上径向延伸的涡轮机涡道被涡轮机罩壳的隔壁划分为两个独立的涡道。当来自内燃发动机的排气流较低时,至一个涡道的流动被关闭。通过关闭一个涡道从而降低排气流可用的总横截面流动面积,穿过其余打开涡道的流速将增加,从而进入涡轮机的排气流的流速或速度增加。增加排气流的速度,则涡轮机叶轮更快地受到涡轮机叶轮加快的影响,特别是如果涡轮机叶片的外缘暴露于排气流亦如此,因此甚至在适度的排气流下也能实现高程度的充电。然而,同时关闭一个涡道导致内燃发动机的效率下降,因为当排气进入部分关闭的涡轮机入口时对于排气来说阻增加。另一缺陷在于:由于关闭涡道的较低压力,从打开的高压涡道至涡道汇合的低压涡道将有一些泄露。涡道之间的泄露对涡轮机效率具有负面影响。因此,仍然需要进一步改进。

发明内容

[0003] 本发明的一个目的是提供一种具有改进效率和改进性能的双涡道涡轮增压器装置(twin scroll turbocharger device),以及提供一种用于控制这种双涡道涡轮增压器装置的方法。通过本发明的双涡道涡轮增压器装置实现具有改进效率的双涡道涡轮增压器装置。通过本发明的方法实现用于控制这种双涡道涡轮增压器装置的方法。
[0004] 本发明涉及用于内燃发动机的双涡道涡轮增压器装置。本发明适用于火花点燃的内燃发动机和压燃内燃发动机。根据本发明的双涡道涡轮增压器装置包括:
[0005] 带有涡轮机叶轮的涡轮机,其中所述涡轮机叶轮被引导自内燃发动机的排气所驱动,
[0006] 带有压缩机叶轮的压缩机,其中所述压缩机叶轮通过轴连接于涡轮机叶轮使得当涡轮机叶轮旋转时压缩机叶轮旋转,以及
[0007] 封罩涡轮机和压缩机的涡轮增压器罩壳。
[0008] 涡轮增压器罩壳分为封罩涡轮机的涡轮机罩壳和封罩压缩机的压气机罩壳。此外,由涡轮增压器罩壳形成涡轮机入口、涡轮机出口、压缩机入口和压缩机出口。涡轮机入口、涡轮机出口、压缩机入口和压缩机出口也可为与涡轮增压器罩壳分离的组件。当运行双涡道涡轮增压器装置时,从内燃发动机的排气歧管排出的排气穿过涡轮机入口进入双涡道涡轮增压器装置,并且在循环和加速涡轮机叶轮之后穿过涡轮机出口从涡轮机排出。涡轮机叶轮通过轴连接于压缩机叶轮,其中当涡轮机叶轮被来自内燃发动机的排气所旋转时,涡轮机叶轮驱动压缩机叶轮旋转。压缩机气体、优选外界空气进入压缩机入口并且在通过压缩机和被压缩机压缩之后穿过压缩机出口排出至进气歧管。这种配置使得来自内燃发动机的排气流驱动双涡道涡轮增压器装置的涡轮机使得压缩机送压缩机气体、优选外界空气至内燃发动机。涡轮增压器的功能通常被认为是现有技术的一部分并且此处不再赘述。
[0009] 根据本发明的双涡道涡轮增压器装置包括涡轮机第一涡道和涡轮机第二涡道。按照双涡道涡轮增压器的常例,涡轮机涡道形成于涡轮增压器罩壳内。此外,涡轮机第一涡道在涡轮机第一涡道入口处设置有涡轮机第一涡道入口。通过在涡轮机第一涡道的入口处设置涡轮机第一涡道入口阀,其中涡轮机第一涡道入口阀能被设定在打开与关闭位置之间,可控制穿过涡轮机第一涡道的排气流。打开位置是当阀被设置成使得排气可自由地流动穿过涡道经过阀的位置。关闭位置是当阀被设置成使得没有排气可流动经过阀的位置。通过控制穿过涡轮机第一涡道的排气流,如前所述穿过其余涡道的流速可增加。
[0010] 根据本发明,双涡道涡轮增压器装置还包括旁通管,其中旁通管设置在所述压缩机的增压部分与涡轮机第一涡道的相对于所述排气流在所述涡轮机第一涡道入口阀的下游的一部分之间,其中提供用于压缩机与涡轮机第一涡道之间流体连通的通道。
[0011] 当下文提及旁通管连接于压缩机的增压部分时,这应当被解读为旁通管连接于(因此压缩机与旁通管流体连通)所述压缩机的增压侧,即在压缩机叶轮开始压缩进给至压缩机的压缩机气体的压缩机部分处。实际上,这意味着旁通管在压缩机叶轮影响压缩机内压力的压缩机下游的部分处连接于压缩机。相应地,当下文提及旁通管连接于涡轮机涡道时,这应当被解读为旁通管在相关涡轮机涡道的相对于排气流在所述涡轮机涡道入口阀的下游的部分处连接于(因此所述旁通管与所述涡轮机涡道流体连通)相关涡轮机涡道,因此相对于排气流在阀之后能够关闭穿过相应涡轮机涡道的流。涡轮机涡道被认为是在流经涡轮机涡道的排气影响涡轮机叶轮之后的涡轮机部分处的终止。
[0012] 旁通管设置有旁通管阀。旁通管阀可被控制为设定在打开与关闭位置之间,打开位置是当阀被设置成使得来自压缩机的压缩机气体、优选外界空气可自由地流动穿过管道经过阀。关闭位置是当阀被设置成使得没有压缩机气体可流动经过阀的位置。因此,所述旁通管阀被配置为控制穿过所述旁通管的流。
[0013] 旁通管连接于压缩机以使旁通管与压缩机流体连通。旁通管在什么位置处连接于压缩机可例如取决于当前的车舱和内燃发动机设计。如前所述,唯一的限制是旁通管连接于压缩器叶轮开始旋转以增加压缩机压力的压缩机下游即压缩机的增压部分。根据本发明的一个优选改进,旁通管在使得旁通管长度最小化的位置处连接于压缩机。根据另一优选改进,压缩机与旁通管之间的连接优选被配置成使得当进入旁通管时压缩机气体的流向基本保持。这将最小化旁通管的背压。
[0014] 相应地,旁通管连接于涡轮机涡道使得旁通管与设置有涡轮机涡道入口阀的至少一个涡轮机涡道流体连通。旁通管在什么位置处连接于相关的涡轮机涡道可例如取决于当前的车舱和内燃发动机设计。如前所述,唯一的限制是旁通管在相应涡轮机涡道入口阀的下游连接于相关涡轮机涡道。根据本发明的一个优选改进,旁通管以使得旁通管长度最小化的方式连接于压缩机。根据另一优选改进,涡轮机罩壳与旁通管之间的连接优选被配置为使得当从旁通管排出时的气体流向基本上指向当处于打开位置时涡轮机涡道的排气流向。这将最小化旁通管背压以及进一步改进带有旁路的双涡道涡轮增压器装置的效率。最小化旁通管的长度最小化了穿过所述旁通管的压力损失。
[0015] 本发明使得当来自内燃发动机的排气流较低并且一个涡轮机涡道关闭时压缩空气可绕过压缩机回到关闭的涡轮机涡道。本发明优点在于:通过使得压缩机气体绕路至关闭的涡轮机涡道,再循环压缩机气体增加了穿过压缩机的质量流量(mass flow)并且由此抵消了压缩机喘振。本发明的另一优点在于:有可能恢复阻塞涡道内旁路升压的能量,藉此增加能源利用率和总内燃发动机效率。此外,在压燃内燃发动机上实现本发明具有额外的优点。压燃内燃发动机通常具有比充气压力更高的排气背压,藉此清除可能是成问题的。通过实现本发明,其中阻塞涡道中的排气背压显著更低,可避免这些问题。
[0016] 本发明适用于包括常规歧管的内燃发动机以及包括脉冲分离歧管(pulse separated manifolds)的内燃发动机。
[0017] 根据本发明的改进,所述涡轮机第二涡道在涡轮机第二涡道入口处设置有涡轮机第二涡道入口阀,由此穿过所述涡轮机第二涡道的所述涡轮机第二涡道入口的排气流也是可控制的。根据该改进,所述旁通管在相应涡轮机涡道相对于所述排气流在各涡轮机涡道入口阀下游的一部分处将所述压缩机的所述增压部分与所述第一和所述涡轮机第二涡道连接起来,使得所述压缩机与所述涡轮机第一和第二涡道之间流体连通。所述旁通管阀还被控制为所述压缩机与所述涡轮机第一和/或第二涡道是否流体连通。因此根据该改进,通过压缩机与相应的涡轮机第一和第二涡道之间的所述旁通管形成三通的通道,其中所述旁通管在相应涡轮机涡道的设置在相应的涡轮机第一和第二涡道入口阀下游的一部分处连接于相应的涡轮机第一和第二涡道。设置在所述旁路内的所述旁通管阀被配置为控制穿过所述旁通管的流。
[0018] 为涡轮机第一和第二涡道均提供涡轮机涡道入口阀还改进了双涡道涡轮增压器装置的可控性,因为它提供了使涡轮机能以三种不同的模式运行的优点;其中涡轮机第一涡道关闭且涡轮机第二涡道打开的第一模式,其中涡轮机第二涡道关闭且涡轮机第一涡道打开的第二模式以及其中两个涡轮机涡道均打开的第三模式。(自然地,涡轮机第一和第二涡道可关闭并且各个涡轮机涡道入口阀可设定在打开或关闭位置,使涡轮机以中间运行模式运行。)
[0019] 包括旁通管阀的旁通管优选被控制为符合涡轮机的模式。当涡轮机第一涡道入口阀关闭时旁通管对涡轮机第一涡道打开,并且当涡轮机第二涡道入口阀关闭时,旁通管对涡轮机第二涡道打开。
[0020] 如果涡轮机第一和第二涡道的横截面流动面积不同,则本发明的该改进是特别有利的。这将随后在说明书中进一步详述。
[0021] 还有当运行带有关闭的涡轮机涡道和关闭的旁通管的发动机时压缩机有效运行的发动机运行状态。根据本发明,运行发动机和双涡道涡轮机涡轮增压器因此也是可能的。对于某些发动机运行条件来说,最有效的构型是驾驶时涡轮机涡道入口阀和旁通管阀均打开。本发明也使得这成为可能。
[0022] 根据本发明的另一改进,阀可被逐步调节,藉此对打开程度没有限制。各个阀可被设定在打开位置与关闭位置之间的任意位置,意味着各个阀也可被完全打开或完全关闭。根据本发明的一个优选改进,所述阀是蝶形阀类型。
[0023] 根据本发明的一个改进,涡轮机第一和第二涡道参照涡轮机叶轮的旋转方向被并排配置。将在下文具体实施方式中进一步公开的涡轮机涡道并排配置是提供双涡道涡轮增压器装置的常规方式,但也可能在一个涡轮机涡道相对涡轮机叶轮在径向外侧配置另一个涡轮机涡道。这种双涡道涡轮增压器设计可能是有利的,因为进入涡轮机的排气流将具有不同的流型,使得排气能够以更有利的方式撞击涡轮机叶片,提供了涡轮机的更快加速。在一个涡道径向外侧配置另一个涡道具有如下优点:涡道之间的泄露低于当涡道并排配置时。特别是在仅运用一个涡轮机涡道时的运行模式下,涡道之间的泄露是考虑的重要因素,因为它影响涡轮机的效率。根据当前的发动机设计,从包装度看这种配置也是有利的。对于某些发动机设计来说,在一个涡轮机涡道的径向外侧配置另一个涡轮机涡道比并排装配两个涡道更容易。
[0024] 对于排气流仅穿过一个涡轮机涡道是可控制的本发明改进来说,优选地,穿过配置在距离压缩机叶轮最远的涡道的流是可控制的。如果一个涡道参照所述涡轮机叶轮在另一个涡道的径向外侧配置,优选穿过外涡道的流是能是可控的,因此涡轮机外涡道在涡轮机涡道入口处设置有涡轮机涡道入口阀。
[0025] 根据本发明的又一改进,涡轮机第一涡道是配置在距离压缩机叶轮最远的涡轮机涡道,藉此涡轮机第二涡道被设置为距离压缩机叶轮最近。
[0026] 参照本发明的涡轮机涡道并排设置的一个改进;意味着涡轮机第二涡道是紧挨着压缩机叶轮设置的涡轮机涡道并且涡轮机第一涡道设置在涡轮机第二涡道背离压缩机叶轮的一侧上。
[0027] 参照一个涡轮机涡道在另一个涡轮机涡道的径向外侧设置的本发明改进;涡轮机第二涡道配置在涡轮机第一涡道内部。
[0028] 根据本发明的一个改进,涡轮机第一和第二涡道具有相同的横截面流动面积。根据本发明的另一改进,涡轮机涡道具有不同的横截面流动面积。根据涡轮增压器和来自内燃发动机的当前排气流的特性,具有不同横截面流动面积的涡轮机涡道提高了优化穿过涡轮机涡道的流动的可能性,其中优化了涡轮增压器的输出。根据当前的车用发动机舱设计和内燃发动机设计,从发动机包装的角度来看不同的涡道设计也是有利的。
[0029] 哪个涡轮机涡道具有较小横截面流动面积和哪个涡轮机涡道具有较大横截面流动面积也可取决于例如涡轮增压器的特性。这也适用于旁通管设置于两个涡轮机涡道中的哪个。
[0030] 因此,根据本发明的一个改进,涡轮机第一涡道具有比所述涡轮机第二涡道更大的横截面流动面积,其中根据另一改进,涡轮机第二涡道具有比涡轮机第一涡道更大的横截面流动面积。
[0031] 各个涡轮机涡道的尺寸和旁通管设置于哪个涡道是例如基于给定车辆和内燃发动机参数并且最重要是基于涡轮增压器特性必须个别确定的参数示例。这些参数优选被选定以使对于各个车辆设计来说获得最好的可能运行参数。
[0032] 根据本发明的另一个改进,设置为最接近压缩机叶轮的涡轮机涡道具有比另一涡轮机涡道更大的横截面面积,因此涡轮机第二涡道具有比涡轮机第一涡道更大的横截面流动面积。根据本发明的另一个改进,设置为最远离压缩机叶轮的涡轮机涡道具有比另一设置为更接近压缩机叶轮的涡轮机涡道更大的横截面面积,因此涡轮机第一涡道具有比涡轮机第二涡道更大的横截面流动面积。
[0033] 本发明的一个目的是还提供了一种用于控制双涡道涡轮增压器装置的方法。
[0034] 根据用于控制前述公开的双涡道涡轮增压器装置的方法,其中:
[0035] 涡轮机第一涡道的涡轮机第一涡道入口设置有涡轮机第一涡道入口阀,因此可控制穿过所述涡轮机第一涡道的流,并且
[0036] 压缩机设置有旁通管,旁通管连接于:
[0037] 压缩机的增压部分与
[0038] 涡轮机第一涡道的相对于排气流在涡轮机第一涡道入口阀下游的一部分,[0039] 其中压缩机和涡轮机第一涡道可流体连通,并且旁通管设置有旁通管阀以控制穿过所述旁通管的流,
[0040] 其中所述方法包括如下步骤:
[0041] 当来自内燃发动机的排气流等于或者小于预定低流量时:
[0042] 关闭涡轮机第一涡道入口阀,并且
[0043] 设定所述旁通管阀以使所述旁通管对涡轮机第一涡道打开。
[0044] 因此,排气将仅流经涡轮机第二涡道。
[0045] 预定的流量优选被设定为使得根据本发明涡轮增压器的给定特性,排气流低时如果运行时仅打开两个涡轮机涡道中的一个则涡轮机最有效。
[0046] 根据一个改进,方法还包括如下步骤:当来自内燃发动机的排气流超过预定高流量时,
[0047] 所有涡轮机涡道入口阀被设定为打开,并且
[0048] 所述旁通管阀被设定为关闭。
[0049] 因此排气流将流经所述涡轮机第一和第二涡道并且压缩机气体将不绕过压缩机至涡轮机涡道。
[0050] 预定的高流量优选被设定为使得排气流高于其时,根据本发明涡轮增压器的给定特性,如果运行时打开两个涡轮机涡道则涡轮机最有效。
[0051] 根据方法的又一改进,当实施双涡道涡轮机涡轮增压器装置的改进时,所述装置包括:
[0052] 旁通管被配置为与涡轮机第一和第二涡道流体连通,其中
[0053] 旁通管连接:
[0054] 压缩机的增压部分与
[0055] 涡轮机第一涡道的相对于排气流在涡轮机第一涡道入口阀下游的一部分以及与[0056] 涡轮机第二涡道的相对于排气流在涡轮机第二涡道入口阀下游的一部分,并且其中
[0057] 旁通管阀设置有控制穿过旁通管的流和控制从压缩机到哪个涡轮机涡道旁路的功能,并且
[0058] 涡轮机第一和第二涡道在相应的涡轮机涡道入口处均设置有涡轮机涡道入口阀,[0059] 所述方法额外包括如下步骤:
[0060] 当来自内燃发动机的所述排气流从低于预定低排气流变为高于所述预定低流量但低于预定高流量时:
[0061] 打开涡轮机第一涡道入口阀,
[0062] 关闭涡轮机第二涡道入口阀,
[0063] 设定所述旁通管阀以使所述旁通管对涡轮机第二涡道打开。
[0064] (因此,排气流将从流经所述涡轮机第二涡道改为流经涡轮机第一涡道并且旁路将从压缩机设置于涡轮机第二涡道。)
[0065] 当来自内燃发动机的从高于预定高流量的所述排气在运行带有打开的涡轮机第一和第二涡道入口和带有关闭的旁通管阀的双涡道涡轮增压器装置之后变为低于预定高流量但是高于预定低流量时:
[0066] 关闭涡轮机第二涡道入口阀,
[0067] 设定所述旁通管阀以使所述旁通管对涡轮机第二涡道打开。
[0068] (因此,排气流将仅流经所述涡轮机第一涡道并且旁路将从压缩机设置于涡轮机第二涡道。)
[0069] 当来自内燃发动机的从低于所述预定高流量但高于所述预定低流量的所述排气流降低至等于或低于预定低流量时:
[0070] 关闭涡轮机第一涡道入口阀,
[0071] 打开涡轮机第二涡道入口阀,并且
[0072] 设定所述旁通管阀以使所述旁通管对涡轮机第一涡道打开。
[0073] (因此,排气流将流经所述涡轮机第二涡道并且旁路从压缩机设置于涡轮机第一涡道。)
[0074] 当涡轮机第一和第二涡道具有不同的横截面流动面积时,最新描述的本发明的改进是首要有益的。根据等于或低于预定低流量的低排气流下的优选改进,带有更大横截面流动面积的涡轮机涡道的涡轮机涡道入口阀关闭并且旁通管被配置为提供从压缩机至带有更大横截面流动面积的关闭涡轮机涡道的旁路。
[0075] 当排气流增加且超过预定低流量时,带有更大横截面流动面积的涡轮机涡道的关闭涡轮机涡道入口阀被打开,旁通管阀改变旁路从而将压缩机设定为与带有更小横截面流动面积的涡轮机涡道而非带有更大横截面流动面积的涡轮机涡道流体连通并且带有更小横截面流动面积的涡轮机涡道的涡轮机涡道入口阀被关闭(同时或以任意给定顺序完成相应阀的不同关闭/打开)。
[0076] 因此,当排气流增加时来自压缩机的旁路从带有更大横截面流动面积的涡道变化为带有更小横截面流动面积的涡道。当排气流增加时,运行的涡轮机涡道(带有打开的涡轮机涡道入口阀)从带有更小横截面流动面积的涡道在更低排气流下运行变化为带有更大横截面流动面积的涡道运行。
[0077] 当排气流增加至甚至超过预定高流量时,关闭的涡轮机涡道入口阀也被打开并且旁通管阀被关闭,其中涡道都打开和运行且旁通管关闭。
[0078] 如果排气流降低至低于预定高流量但仍然高于预定低流量,则带有更小横截面流动面积的涡轮机涡道的涡轮机涡道入口阀关闭并且旁通管被打开从而提供从压缩机至带有更小横截面流动面积的涡轮机涡道的旁路。
[0079] 如果排气流降低至甚至低于预定低流量,则带有更小横截面流动面积的涡轮机涡道的涡轮机涡道入口阀打开,带有更大横截面流动面积的涡轮机涡道的涡轮机涡道入口阀关闭且旁通管阀变化从而提供从压缩机至带有更大横截面流动面积的涡轮机涡道的旁路。
[0080] 可根据任何可能的顺序或同时完成包括根据当前排气流关闭和打开相应阀的本发明以上例示实施例的方法步骤。
[0081] 本发明的方法具有如下优点:在产生特定排气流的任意给定的内燃发动机运行点,带有旁路的双涡道涡轮增压器装置将在涡轮机涡道特性被选择为产生最好的可能涡轮增压器响应曲线且旁路被设置为尽可能多地恢复能量(否则由于关闭一个涡道入口增加涡轮机的背压而造成能量损失)的运行状态下运行。
[0082] 本发明的其它优点在于很容易将包括旁通阀的旁通管改装为常规的双涡道涡轮机涡轮增压器以便获得本发明提供的优点。当安装旁通管至常规的双涡道涡轮机涡轮增压器时,必须考虑的因素是旁通管必须被配置于设置有涡轮机涡道入口阀的涡轮机涡道。自然地,必须在发动机控制单元(ECU)内实施控制旁通管的控制功能。
[0083] 本发明还涉及用于车辆的内燃发动机,其中内燃发动机包括根据此处描述的任何改进的双涡道涡轮增压器装置。包括内燃发动机的车辆也是本发明的一部分。
[0084] 关闭和打开位置此处被认为是也包括基本上关闭或基本上打开的位置。在实现使用阀的涡轮增压系统等时,例如由于制造公差和热效应,各个阀气密性地密封关闭各个管道、入口、出口等不是必须的也是不可能的。附图说明
[0085] 参照附图,下面更详细说明本发明作为示例引用的实施例。
[0086] 图1公开了设置有根据本发明的示例双涡道涡轮增压器装置的内燃发动机(内燃发动机)的示意图,
[0087] 图2a公开了根据本发明的双涡道涡轮增压器装置的优选实施例,[0088] 图2b公开了根据本发明的双涡道涡轮增压器装置的另一优选实施例,[0089] 图3公开了根据本发明的双涡道涡轮增压器装置的又一优选实施例,并且[0090] 图4示意性地公开了根据本发明的双涡道涡轮增压器装置的运行模式的三个示例。

具体实施方式

[0091] 图1公开了包括设置有根据本发明的示例双涡道涡轮增压器装置2的内燃发动机3的示意性发动机设备1。内燃发动机3包括排气歧管4和进气歧管5,其中来自内燃发动机3的排气经由一个或多个管道6a从排气歧管被排至涡轮机入口6内。排气驱动双涡道涡轮增压器装置2的涡轮机7的涡轮机叶轮7a并且随后通过涡轮机出口8被排出。涡轮机叶轮7a通过轴19连接于压缩机9的压缩机叶轮9a。双涡道涡轮增压器装置2被涡轮增压器罩壳18所封罩。
[0092] 从压缩机入口10为压缩机供给压缩机气体、优选外界空气。压缩气体在压缩机9内被压缩并且随后从压缩机9穿过压缩机出口11排出,藉此经由一个或多个管道11a被引导至入口歧管5。此外,双涡道涡轮增压器装置2的涡轮机7包括涡轮机第一和第二涡道12a、12b以及额外的设置有旁通管阀14的旁通管13。旁通管13将压缩机9与涡轮机7的涡轮机第一涡道12a连接以使压缩机9与涡轮机第一涡道12a流体连通,藉此压缩机9与涡轮机第一涡道12a之间的旁路可用。图1还公开了涡轮机第一涡道入口15a,其中涡轮机第一涡道入口15a设置有涡轮机第一涡道入口阀16a。
[0093] 图2a公开了与图1有关的双涡道涡轮增压器装置2的优选实施例,其中双涡道涡轮增压器装置2包括并排设置的涡轮机第一和第二涡道12a、12b。图2a的双涡道涡轮机装置2的实施例公开了如何通过提供从压缩机9至涡轮机7的涡轮机第一涡道12a的旁路功能来获得更好的涡轮增压器效率。图2b公开了涡轮机第一和第二涡道入口15a、15b,其中涡轮机第一涡道入口15a设置有涡轮机第一涡道入口阀16a。涡轮机第一涡道入口阀16a被配置为控制穿过第一涡道12a的流动。双涡道涡轮增压器装置2设置有包括旁通管阀14的旁通管13,其中旁通管阀14被配置为至少控制从压缩机9穿过旁通管13的流动。图2a中公开的双涡道涡轮增压器装置2的实施例使得当低排气从内燃发动机流出时,例如当以低转速运行内燃发动机时,涡轮机第一涡道入口阀16a被设定为关闭。
[0094] 关闭涡轮机涡道入口之一15a将增加穿过其余开放的涡轮机第二涡道入口15b的排气流,其中穿过与开放的涡轮机第二涡道入口15b流体连通的涡轮机第二涡道12b的排气的流速增加。通过将旁通管阀14设定为开放的,获得了穿过旁通管13从涡轮机7至涡轮机第一涡道12a的旁路。提供这种旁路功能具有很多优点,例如抵消了压缩机喘振并且改进了总的内燃发动机效率。
[0095] 图2b公开了根据本发明的双涡道涡轮增压器装置2'的另一优选实施例。双涡道涡轮增压器装置2'的实施例具有与图2a所公开实施例的相同的前述特性,但根据图2b所公开的,涡轮机第一涡道12a'相对于所述涡轮机叶轮7a在所述涡轮机第二涡道12b'的径向外侧配置。根据相对于图2a公开的;涡轮机第一涡道12a'被配置为与涡轮机第一涡道入口15a流体连通。为了提供如前所述来自压缩机9的旁路功能,涡轮机第一涡道入口15a设置有涡轮机第一涡道入口阀16a并且旁通管13与涡轮机第一涡道12a'流体连通。提供在另一涡轮机涡道12b'的径向外侧的涡轮机涡道12a'的优点在于最小化了涡轮机涡道12a'、12b'之间的泄露,因为与并排涡道的实施例相比隔壁更小。
[0096] 现在参照图3,公开了本发明的又一优选实施例。图3中公开的双涡道涡轮增压器装置2”的实施例公开了涡轮机第一和第二涡道12a和12b”可被如何配置以进一步改进双涡道涡轮增压器装置2”的效率。根据图3所公开的实施例,双涡道涡轮增压器装置2”包括带有不同横截面流动面积的涡轮机第一和第二涡道12a”、12b”,其中涡轮机第一涡道12a”具有比涡轮机第二涡道12b”更大的横截面流动面积。此外,旁通管13'被设置为连接于压缩机9并连接于涡轮机第一和第二涡道12a”、12b”二者使得涡轮机第一和第二涡道12a”、12b”二者可与压缩机9流体连通。此外,根据图3中公开的双涡道涡轮增压器装置2”的实施例,旁通管13'设置有旁通管阀14'。根据本发明的优选实施例,旁通管阀14'具有以下功能:
[0097] 控制穿过旁通管13'的旁路流动,以及
[0098] 控制涡轮机第一涡道12a”、涡轮机第二涡道12b”或涡轮机第一和第二涡道12a”、12b”二者是否被设定为与压缩机9流体连通(当启用旁路时)。
[0099] 双涡道涡轮增压器装置2”的实施例还包括带有涡轮机第一和第二涡道入口阀16a、16b的涡轮机第一和第二涡道入口15a、15b。涡轮机第一涡道入口15a优选连接于涡轮机第一涡道12a”并且涡轮机第二涡道入口15b优选连接于涡轮机第二涡道12b”,使得相应的涡轮机涡道入口15a、15b与相应的涡轮机涡道12a”、12b”流体连通。提供带有涡轮机第一和第二涡道入口阀16a、16b的涡轮机第一和第二涡道入口15a、15b并且提供带有旁通管阀
14'的旁通管13'使得双涡道涡轮增压器装置2”能以至少3个不连续运行模式运行;
[0100] 第一运行模式,其中涡轮机第二涡道入口阀16b打开,涡轮机第一涡道入口阀16a关闭并且旁通管阀14'被设定为使得为涡轮机第一涡道12a”提供旁路,
[0101] 第二运行模式,其中涡轮机第一涡道入口阀16a打开,涡轮机第二涡道入口阀16b关闭并且旁通管阀14'被设定为使得为涡轮机第一涡道12b”提供旁路,以及[0102] 第三运行模式,其中涡轮机第一和第二涡道入口阀16a、16b打开并且旁通管阀14'被设定为关闭。
[0103] 当进入涡轮机入口的排气流低时优选第一运行模式,当进入涡轮机入口的排气流中等时优选第二运行模式,并且当排气流相对高时优选第三运行模式。实际排气流分别为低、中等和高排气流所代表的可例如取决于涡轮增压器特有的特性。这将在下面参照图4进一步公开。
[0104] 在特定的运行条件下,将涡轮机第一和第二涡道入口阀16a、16b以及旁通管阀14'设定为打开也可能是有利的。对所属技术领域的技术人员显而易见的是,双涡道涡轮增压器装置2”也可在相应的阀部分地关闭和/或部分地打开的第一、第二和第三模式之间的运行模式下运行。这适用于此处公开的全部实施例。
[0105] 图4涉及关于图2a之前公开的实施例,但带有关于图3公开的旁通管阀14'。此外,图4公开了在关于图3之前公开的三个运行模式OM1、OM2、OM3下穿过第一和第二涡道12a、12b以及旁通管13'的流动。在图4公开的实施例中,涡轮机第一和第二涡道12a、12b具有相同的横截面流动面积,并且相应的涡道设置有带有相应的涡轮机第一和第二涡道入口阀
16a、16b的涡轮机第一和第二涡道入口15a、15b。旁通管13'设置有旁通阀14'使得穿过旁通管13'至相应涡轮机涡道12a、12b的流动是可控制的。
[0106] 在第一运行模式OM1下,涡轮机第二涡道入口阀16b打开,涡轮机第一涡道入口阀16a关闭并且旁通管阀14'被设定为使得为涡轮机第一涡道12a提供旁路。
[0107] 在第二运行模式OM2下,涡轮机第一涡道入口阀16a打开,涡轮机第二涡道入口阀16b关闭并且旁通管阀14'被设定为使得为涡轮机第二涡道12b提供旁路。
[0108] 在第三运行模式OM3下,涡轮机第一和第二涡道入口阀16a、16b打开并且旁通管阀14'被设定为关闭。
[0109] 如果实施图3所公开的双涡道涡轮增压器装置2”,其中涡轮机第一和第二涡道12a”、12b”被设置为具有不同的横截面流动面积,则在图3和4中所公开和描述的本发明的运行模式OM1、OM2、OM3是特别有利的。然而,即使第一和第二涡道12a、12b具有与图4相同的横截面流动面积,相应地控制旁路也是有利的,因为它例如能够运用脉冲间隔从而改进双涡道涡轮增压器装置的效率。
[0110] 在参照上述的实施例中,通过将阀等设置在从关闭到打开位置的位置中或它们之间任何部分关闭或部分打开的位置,控制流动意指控制在横截面流动面积上的流体流。
[0111] 上述公开内容仅为示出本发明而不意图限制。由于本领域技术人员很容易想到对包括本发明精神和实质的公开实施例的改进,本发明应当被诠释为包括所附权利要求及其等价物范围内的任何内容。所有附图是示意性的。
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