[发明专利]一种引流涡轮增压系统

说明书

技术领域

本发明涉及车、船及工程机械用增压内燃机技术领域内的涡轮增压系统。

背景技术

涡轮增压技术对内燃机在提高功率、降低燃料消耗及满足环保要求等方面具有无可比拟的优点。但因增压内燃机是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的复合联合运行，由于这两种机械本身的通流特性不同，虽然二者在内燃机某一工况(转速、负荷)的参数下实现了优佳匹配，也势必在工况参数变化后会造成涡轮增压器与内燃机之间匹配的不适应。因为增压内燃机的增压压力和空气流量不仅受到内燃机转速的影响，也受到负荷的影响，因此，对于按内燃机额定工况参数匹配的增压内燃机，当内燃机在低速低负荷工况运转时，增压压力和空气流量迅速降低。增压压力的降低就会造成进气量不能满足气缸内燃料完全燃烧所需空气量的要求，从而产生冒黑烟、排气温度过高、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，对工况参数(转速、负荷)变化范围大的车、船及工程机械用增压内燃机尤为突出。

上述分析说明，对于船用内燃机，特别是车/工程机械用内燃机，如果增压系统满足了高转速时增压适量的要求，则在低转速时供气就会不足；反之，如果满足了低转速时的供气量，则在高转速时就可能增压过量。因此，须采用一些改善措施，才能缓解这一高、低速工况不能同时满足良佳匹配的矛盾，现有技术采用的高速工况放气、引流涡轮增压器、变几何截面涡轮、进排气旁通、相继增压等涡轮增压器和涡轮增压系统，都是改善内燃机低(转速、负荷)工况性能的有效方法。而将本身压气机端放出的部分增压空气引流至其涡轮端的所谓引流涡轮增压器，其改善低速性能的功能、特点、效果与潜力尤其令人关注。关于引流涡轮增压器的结构与性能介绍请参见朱大鑫编著《涡轮增压与涡轮增压器》·北京·机械工业出版社·1992·第434～435页中的相关内容。

现有技术引流涡轮增压器与普通常规涡轮增压器的本质差异在于：

●前者较后者在构造上多了一条将压气机扩压器区的部分空气旁通放气引流至涡轮端叶轮进口处的“引流补气管路”。因此，“引流涡轮增压器”实质上是一个由涡轮增压器与一条“引流补气管路”组成的涡轮增压系统，应称其为“引流涡轮增压系统”更为准确、合理。

●前者较后者在涡轮增压器本体构造上多了在压气机端扩压器壁、扩压器叶片和涡轮端的隔热板上开割的通流槽缝/喷孔形成的旁通放气/补气结构。

●位于扩压器区的放气孔引出的低能量边界层空气，既抑缓了扩压器中边界层的流动分离从而提高了扩压器/压气机级的效率，也通过空气旁通放气使压气机发生喘振的喘振流量值相应减小；同时，这部分旁通放气的空气经引流管路补进流入涡轮叶轮的燃气流量中后，会使涡轮功率、涡轮增压器转速和增压压力同步增升。结果，导致引流涡轮增压器的性能明显优于普通常规结构的涡轮增压器。

应用现有技术引流涡轮增压器(或引流涡轮增压系统)的主要目的是为了实现压气机的无喘振工作，进而改善内燃机低速时的扭矩，与此同时仍保持内燃机高速时的额定功率。其功能和构造，本质上与低工况进排气旁通涡轮增压系统(参见陆家祥主编《柴油机涡轮增压技术》·北京·机械工业出版社·1999·第144页)基本相同，但因前者较后者拥有更大增加引流补气静压差的潜力，故引流增压系统提高低速扭矩的能力更强。由于现有技术引流涡轮增压系统及低工况进排气旁通涡轮增压系统与内燃机都按额定工况(转速、负荷)参数匹配，并在中、低速工况引流空气补气，因此两种涡轮增压系统中的涡轮和压气机的通流部分的尺寸也都较大。当内燃机在低转速工况运行时，也就需要数量相应较大的旁通引流空气向涡轮补气，以补偿与抑缓因内燃机转速下降造成的涡轮工质流量减少所产生的增压压力下降。这样，除非引流涡轮增压系统在内燃机低工况能有很大的引流补气量，否则会因为其涡轮增压器的通流尺寸较大，而不能像车/工程机械用小型径(混)流涡轮增压器(其通流尺寸很小)那样能在低工况提供足够高的增压压力，从而获得较大扭矩。现有技术引流涡轮增压系统的这一特点，使它很适宜于转速变化范围不很大的大、中功率船用内燃机按螺旋桨特性运行时(在该情况下，低转速工况的增压压力下降幅度不大)改善低工况特性采用；而不适合在转速、负荷变化范围均很大的车/工程机械用内燃机按速度特性运行时，改善其低工况性能的情况中采用，因为这时的增压压力降幅很大，令驱动引流补气的静压差(增压压力与涡轮前压力之差)很小，致使引流空气量也相应甚小，结果导致引流对改善低工况性能的增益剧降。