[发明专利]一种车用内燃机用的涡轮增压器

说明书

本发明涉及汽车(轿车、轻型车、载重卡车)、拖拉机、农用机械和工程机械用的增压内燃机技术领域内的涡轮增压器。

车用内燃机工况变动频繁、负荷变化大、转速使用范围宽广(轿车内燃机的额定转速有的高达6000转/分)。车用增压内燃机一般功率不大，进气质量流量小，配用小型径流或混流式涡轮增压器(其涡轮为小轮径尺寸的径流式或混流式叶轮并采用无叶喷嘴环，即无叶蜗壳，以便在宽广的流量变化范围内获得较高的涡轮效率)。

车用内燃机增压不追求内燃机在高转速时有尽量大的功率输出，但要求低转速时产生更大的扭矩或提供更大的牵引力，以利于车辆在大负荷下迅速起动、加速和爬坡。车用增压内燃机按外特性工作，最大扭矩一般出现在55～60％额定转速处。为此，在为车用增压内燃机设计或选配增压器时，一般都选择最大扭矩转速附近的工况作为最佳匹配点来确定适用的涡轮增压器通流部分的尺寸，以确保低转速工况有足够高的增压压力和扭矩储备。然而，当车用内燃机在额定转速附近的高转速工况运行时，会因进气质量流量增加很大，所选增压器通流部分尺寸的通流能力则嫌太小，致使增压器转速和增压压力剧增，产生过高的机械负荷(最大爆发压力)或引起汽油机爆燃。

为了使车用增压内燃机不仅在低转速工况有较高的增压压力从而具有较大的扭矩，而且还要能使其在额定转速工况附近不出现增压压力过高、最大爆压超限的增压过度和增压器严重超速现象，就必须对增压压力进行适当控制，使内燃机在某转速以上的转速范围内保持增压压力不变或不超过预先设定的限制值。于是，车用增压内燃机的涡轮增压器必须在内燃机高转速工况时具有抑压和控压功能这一特定要求形成了车用内燃机的涡轮增压器的特色与技术关键。

现有技术中，车用内燃机的涡轮增压器可以采用的控制或抑制增压压力的技术方案如下：(一)废气旁通阀放气：放掉内燃机高转速工况时的部分废气，使进入涡轮作功的燃气数量减少，致使涡轮功率减小，从而降低增压器转速，减小增压压力。该方案是现今车用增压内燃机的涡轮增压器普遍采用的控压措施。其优点为：简单易行，技术成熟，安全、成本低。缺点是：放气造成了高温燃气能量的浪费，使高转速工况的内燃机油耗率偏高；放气阀门长期在高温燃气中启闭，易变形和积炭而出现关闭不严与动作卡滞或失效；受放气阀弹簧刚度的制约，增压压力变化规律难以根据扭矩特性需要进行调制。(二)涡轮喷嘴环叶片角度调节：转动喷嘴叶片(改变喷嘴叶片安装角)让喷嘴环叶片出口截面积减小，可改变内燃机排出废气的能量使涡轮进口燃气的压力升高，涡轮输出功率增加，增压器转速上升，压气机增压压力增大；反之，调节喷嘴叶片安装角让喷嘴环叶片出口截面积加大，则可使涡轮进口燃气压力下降，涡轮输出功率减少，增压器转速相对减小，增压压力降低。这样，在内燃机低转速工况，当转速降低时，可减小喷嘴环出口截面积，使增压压力不致下降过大；对于内燃机高转速工况，当转速升高时，可增大喷嘴环出口面积，使增压压力不致过量增升。从而，保证了低转速工况具有较高的增压压力而获得满意的扭矩特性；对于高转速工况，也限制了增压压力的增加，不致出现增压过度。涡轮喷嘴环叶片角度调节因可实现电控无级调节与无放气造成的能量浪费，其效果要比废气旁通阀放气更好。该技术的优点为：在不增大高转速工况油耗率的条件下，增大低速扭矩；扩大了低油耗率的运行区；可以满足要求越来越高的内燃机排放和噪声规范。缺点是：结构复杂、体积大、价格昂贵；结构及操作系统的可靠性较差；喷嘴叶片与涡轮蜗壳之间空隙的高温燃气泄漏使涡轮效率降低；喷嘴叶片角度变化的调节幅度有限，过量调节会引起气流冲角和反动度变化过大导致涡轮效率大幅下降。由于车用内燃机的涡轮增压器结构几无例外地都是标准典型的小型径流或混流式涡轮增压器结构——采用无叶喷嘴环(无叶蜗壳)，没有喷嘴叶片，也不用叶片扩压器。因此，它们几乎都采用废气旁通阀放气技术控压。只有极少数追求极限指标的高性能车辆(如某些坦克、战车等特种车辆)才会不计成本地突破性能价格比的限制，特意加装喷嘴环叶片实施可变角度调节。以上二项现有技术可参见朱大鑫著《涡轮增压与涡轮增压器》，机械工业出版社，北京，1992，第401～447页及陆家祥编著《车用内燃机增压》，机械工业出版社，北京，1993，第60～88页中的有关评述。(三)压气机进口可变导叶角度调节：转动装在涡轮增压器的压气机进口处的预旋器的导流叶片角度，可以改变压气机的进气预旋，使压气机的耗功、增压压力、进气相对速度大小和方向相应发生改变，从而导致压气机效率、涡轮增压器与内燃机联合工作工况参数的改变。●日本专利公报特开平11-82036号公告了一种适于汽车内燃机的涡轮增压器采用的压气机进口可变导叶角度调节控压技术。在该技术中，设置在压气机进口的可变角度导流叶片的角度设定与转动由一个调节器进行控制。这个调节器是一个以增压压力作为自变量的气动控制装置，其结构与废气旁通放气阀的操作结构基本相同，即由膜片、膜杆、摇臂、调节弹簧等组成。在内燃机起动时，导流叶片的安装角度设置在产生负预旋进气的某一角度并由调节器保持住。随着转速的增加，增压压力提高，调节器驱使导流叶片转动，当内燃机转速高于某一转速后，流出导流叶片的气流由负预旋变成正预旋。这样，该技术方案可在内燃机低转速工况利用进气负预旋提高增压压力：而到了高转速工况，则采用进气正预旋抑制增压压力的过度增升。从而实现了采用简单机构在整个工作转速范围取得良好增压压力特性、安全运行的效果。该技术方案的优点是方法简单易行，安全可靠，使用寿命长，控压直接，高转速工况抑压效果好；缺点是结构仍比废气旁通阀方案复杂(因为仅仅一个调节器就和放气阀结构一样)及增压压力的变化受调节器弹簧刚度的制约，难以独立调制。●英国专利公报GB2172340A公告了一种适于船舶内燃机增压采用的具有可变截面涡轮和可变截面压气机调节复杂结构的大、中型轴流涡轮增压器及其调节方法。在该增压器中采用了涡轮喷嘴叶片、压气机进口导流叶片和压气机叶片扩压器叶片共三种叶片角度调节，使在一定转速下运行的船舶内燃机，通过对涡轮增压器的调节控制，以达到内燃机连续输出最大功率时的燃油耗量最小。三种叶片角度调节中，主要用喷嘴叶片角度调节增压压力；压气机进口导流叶片与叶片扩压器叶片的角度调节主要保证压气机在高效率区稳定工作。由于结构复杂、费用昂贵、体积庞大，该增压器不适宜在车用内燃机采用。●中国专利公开号CN1196772A公告了一种带助动器的可变几何形状的涡轮增压系统。它是一种适用于转速和负载范围大的内燃机采用的涡轮增压系统。在该增压系统中，涡轮增压器与内燃机的匹配选择在内燃机的高转速工况。这种增压匹配，在高转速工况不会出现增压压力超限的增压过度与增压器严重超速现象，但却因增压器通流尺寸增大带来了低转速工况增压压力过低和增压器转子惯量增大产生的加速性差的问题。为此，该技术方案采用废气导向阀或外加动力源(助动器)来提高低转速工况的增压压力增大扭矩。废气导向阀的作用是将高转速工况时流向涡轮蜗壳两个通道的内燃机排气在低转速工况时只让它通过一个通道(另一个通道被关闭)，使进入蜗壳的燃气压力增加，涡轮输出功率增大，增压器转速上升，增压压力提高。助动器(电动机、液压马达、气动马达等)的作用是在低转速工况向涡轮增压器的转轴输加动力，增加扭矩，提高增压器转速与增压压力。在该系统中，也在压气机进口采用了导流叶片角度调节装置，以便使进入压气机叶轮的空气产生正、负预旋。其作用如下：在内燃机高转速工况，宜转动导流叶片提供负预旋进气，使压气机的工作区向更高的流量区移动，以获得高效率；在低转速工况，则宜提供正预旋进气，避免出现喘振，并将压气机的最大效率移到内燃机低速范围，有利于匹配。于是，综合看来，该增压系统对以高转速工况作为主要运行工况的内燃机尚可适合，但应用在对低速扭矩特性与加速性有很高要求的车用内燃机则不适宜。另外，车用内燃机的涡轮增压器，体积很小、转速极高、轴承采用内支承结 构、转轴非常细，所以无法在空间极小又充满了润滑油的中间壳(轴承体)中安装电动机类结构的助动器。若采用高压润滑油喷射安装在中间壳部位转轴上的皮尔顿轮(一种水轮机叶轮结构)也存在转子惯量增加的问题，另外还要增设一套液压供油及其控制系统，更增加了结构的复杂性。此外，若内燃机在低速工况运行时间过长，助动器的能量耗费承受也须考虑。