[发明专利]一种引射/引流补气涡轮增压系统

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系统。

背景技术

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与涡轮增压器的增压比越来越高。由于内燃机涡轮增压系为旋转式叶轮机械的涡轮增压器与往复式活塞机械的内燃机之间的联合运行，这时，这两种机械彼此因通流特性不同产生的相互匹配不适应的矛盾也就更加突出、严重。其中，如何改善高增压内燃机低(转速、负荷)工况性能及瞬态特性(加速性)的问题最为棘手与令人瞩目。在不断提高平均有效压力并相应改善低工况性能及瞬态特性的内燃机涡轮增压技术发展历史进程中，产生了现有技术的多种涡轮增压器、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页中的相关介绍与叙述)。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。这些措施能够有效提升、改善内燃机低工况性能和瞬态特性的机理与实质在于：它们都对涡轮增压器的涡轮流通截面积和相应的流通流量相互间配置的量值关系实施了合适的变化调节控制——通过截面调节控制(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)和/或变流量调节控制(譬如带放气旁通阀的车用涡轮增压器、低工况进排气旁通涡轮增压系统、引流涡轮增压器、引射补气涡轮增压系统等)，减少或削减了因内燃机低工况造成的气量减少引生的涡轮进口气流总压下降产生的增压压力剧降的影响程度，改善与消除了因增压压力降低招致的内燃机气缸进气空气充量数量的减少所形成的缸内燃料不能充分燃烧和降低热负荷(排气温度)的需要所导致的冒黑烟、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，使内燃机的低工况性能与瞬态特性获得明显提高。

鉴于改善低工况性能及瞬态特性的措施都可归结到“提高增压压力”这一技术关键上，因此提高增压压力的幅度大小与增长速率的高低就成为比较所采用改进措施有效性优劣程度的评判标准。在上述各项改进的技术方案中，当属射流引射补气涡轮增压系统的调控力度最大、效果最佳，它是改善高增压内燃机低工况性能及瞬态特性的最有实用价值与发展前途的一种技术方案。

增压内燃机低工况性能与瞬态特性之所以变坏的直接症结是由于缸内充量空气的数量剧降，射流引射补气涡轮增压系统根据这一关键因素，针对性地采用“强力补气”措施以直接削弱和抵消低工况气量不足对性能所造成的负面影响，从而大幅改善了低工况性能和瞬态特性。现有技术射流引射补气涡轮增压系统采用高压空气引射补气装置将压缩空气喷射到内燃机进气总管、排气总管、涡轮转子或增压器叶轮中去，直接提高低工况性能与瞬态特性。现有技术引射补气的典型方案可参见黄佑生、陈怡《利用空气引射方案改善涡轮增压柴油机加速性的研究》·内燃机学报·1984年第4期，第293～307页和黄鹤、陈天平、黎菁《电控增压技术在柴油机上的应用》·柴油机·2009年第6期，第42、43、49页以及陆家祥主编《柴油机涡轮增压技术》·北京·机械工业出版社·1999·160～161页中相关内容的叙述和介绍。现有技术高压空气引射补气涡轮增压系统最显著的特点与优点是：该系统实质上是一个具有能对涡轮转子施加补充能量功能的装置，因而可在内燃机低工况运行时排气能量(燃气压力、温度与流量的综合)严重不足的情况下，仍能采用“补气”对增压器的涡轮提供压气机产生高增压压力所需要的功率。这一优势是其它任何不具备对涡轮转子施加补充能量装置的涡轮增压器或涡轮增压系统都难以企及与超越的(即使是采用可调喷嘴环的涡轮变几何截面调节，它对增升低工况增压压力的幅度也很有限)。但是，现有技术高压空气引射补气涡轮增压系统也存在下列缺点与不足：