[发明专利]一种涡轮可变截面与变流量调节的涡轮增压器

说明书

技术领域

本发明涉及车、船和工程机械用内燃机增压技术领域内的涡轮增压器。

背景技术

内燃机废气涡轮增压是将内燃机排出的废气引入涡轮增压器中的涡轮机，利用废气所包含的能量推动涡轮叶轮旋转，带动涡轮增压器中与其同轴安装的压气机叶轮转动，使进入内燃机参与燃烧的空气在压气机内增压，提高了进气密度(增加了内燃机每工作循环的空气充量数量)后流入内燃机气缸，从而允许向气缸内添加更多数量的燃料进行完全燃烧，结果致使内燃机的输出功率(平均有效压力)得到进一步增加和提高。采用涡轮增压技术除可大幅度提高内燃机的功率外，还可显著改善内燃机的经济性(提高热效率、降低燃料消耗率)、减少有害排放与降低噪声量级。

现代内燃机不断提高升功率密度的现状与未来发展趋势，使内燃机的平均有效压力和涡轮增压器的增压比越来越高。内燃机与涡轮增压器之间，彼此因通流特性不同产生的相互匹配不适应的矛盾更加突出、严重。对于已按内燃机额定工况参数实现了优佳增压匹配的内燃机和涡轮增压器，当内燃机在低(转速、负荷)工况运行时，增压压力和进气空气充量数量会迅速降低，造成进气量不能满足气缸内燃料实现完全燃烧和降低热负荷(排气温度)的需求，从而产生冒黑烟、排气温度过高、有害排放超限、低速扭矩较小和燃料消耗率高等不良后果。这种高、低速工况增压优佳匹配难以兼顾的现象，对运行工况(转速、负荷)变化范围大的车、船和工程机械用高增压(高平均有效压力)增压内燃机尤为普遍和突出，已成为限制高增压、高性能内燃机发展的“瓶颈”与亟需攻关解决的重要难题。

在不断提高平均有效压力并相应改善低(转速、负荷)工况性能及瞬态特性(加速性)的内燃机涡轮增压技术发展的历史进程中，产生了现有技术的多种涡轮增压器和涡轮增压系统与改进措施(详见陆家祥主编《柴油机涡轮增压技术》·北京·机械工业出版社·1999·137～200页及朱大鑫编著《涡轮增压与涡轮增压器》·北京·机械工业出版社·1992·411～420页中的相关介绍与评述)。譬如，现有技术采用的高转速工况放气、变几何截面调节涡轮、进排气旁通、相继(顺序)增压、开关式涡轮增压器、引流式涡轮增压器、引射补气增压等涡轮增压器和涡轮增压系统，都是改善增压内燃机低(转速、负荷)工况性能与瞬态特性的有效方法，它们都能使低工况的增压压力获得明显提高。

上述措施能够有效提升、改善内燃机低(转速、负荷)工况性能的机理与实质在于：它们都对涡轮增压器的涡轮通流截面积和流量相互间配置的量值关系实施了有效的变化调节控制——其中一些采用的是变截面调节控制(譬如变几何截面涡轮喷嘴环、开关式涡轮增压器、相继顺序增压等)；另一些采用的是变流量调节控制(譬如带排气燃气旁通阀在高转速工况放气的车用涡轮增压器、低工况进排气旁通涡轮增压系统、引流涡轮增压器、引射补气涡轮增压器等)。但是上述现有技术也都存在着显而易见的缺点和不足，也即，它们分别在功能单一、调控效果、安全可靠性、结构复杂性及制造成本等诸方面都不同程度地存在着若干问题，影响它们的推广应用。

为了克服上述措施中变几何截面积涡轮喷嘴环调节和引流涡轮增压器两项技术存在的缺陷和不足，中国专利号CN101113678A和CN101560909A分别公开了一种具有补气可调涡轮喷嘴环结构和一种引流新结构的涡轮增压器，它们都兼具了涡轮可变截面与变流量双重调节的功能，大大提高了调控力度，并简化了结构，降低了制造成本和保证了使用的安全可靠。但该两技术方案在克服功能单一、更大幅度提升调控力度及简化结构降低制造成本方面仍存在可以继续改进的发展潜力。为了促使内燃机低工况性能与瞬态特性获得更全面和更完善的改造，本发明公开了一种新的涡轮可变截面与变流量调节的涡轮增压器结构方案。

发明内容

本发明的目的在于为改善内燃机的低工况性能与瞬态特性提供一种功能最齐全(兼具开关/引流补气/旁通放气功能)，调控效果佳(调控方便、力度大)，结构更简单、制造成本最低，能在全转速工况范围内满足内燃机动力性、经济性和排放要求的涡轮可变截面与流量调节的涡轮增压器结构技术方案。

在本发明的技术方案中，它将涡轮变截面调节与变流量调节的功能通过简单的机械结构与简单的调控方式有机地整合在一起，使其兼具了几乎全部已知现有技术(开关增压器、相继顺序增压、排气燃气旁通引流、进排气旁通短接、引射/引流补气增压器……)所具备的单一功能，并将这些功能统一起来相互作用，获得了使增压压力大幅增升的优佳效果。本发明为实现上述目的采用的技术方案如下：