具有压缩机冷却装置的涡轮增压器及方法
【技术领域】
[0001]本专利发明通常涉及空气压缩机，并且尤其涉及用于内燃机的涡轮增压器中的空气压缩机。
【背景技术】
[0002]在诸如那些用于内燃机上的传统空气压缩机中，排气能量用于压缩发动机进气。在某些其他应用中，所谓的增压器由机械发动机动力或电机直接驱动以压缩空气，之后将加压的空气提供给发动机气缸。在其他应用中，使用所谓的涡轮增压器，这种涡轮增压器包括一个接收来自发动机的加压排气的涡轮。排气通过涡轮的弯曲通道并冲击到使其转动的涡轮上。涡轮叶轮连接到一根轴上，该轴连接到设置在压缩机壳体中的压缩机叶轮上。涡轮叶轮与轴的动力旋转使压缩机叶轮转动，这使空气进入具有弯曲形状的压缩机壳体中并压缩空气。
[0003]过去，在发动机上使用各种型号、尺寸和数量的涡轮增压器和/或增压器。在为发动机应用选择合适的压缩机时的一个设计考虑是空气流速以及期望的发动机进气的理想压力比。另外，由于空气压缩使空气温度升高，所以发动机通常使用热交换器(如空气-空气热交换器)以在压缩空气被提供到发动机之前对其进行冷却。
[0004]选择用于构造发动机压缩机部件的材料考虑成本和运行参数。例如，虽然锻造铝压缩机叶轮相对有成本优势，但是它可能不适合于其中在运行期间压缩空气温度超过或预计超过阈值的应用。过去使用的用以构造能够耐较高运行温度的压缩机叶轮的其他更昂贵的材料包括为用于高温应用的合金族的铬镍铁合金、钛合金等。这类材料不仅购买昂贵，而且难以形成和机械加工。然而，使用用于高温应用的这类材料是普遍的，因为在例如220°C或以上的压缩机出口空气温度的高温应用中使用另一种材料(如铝)，可能会导致部件过早失效并导致昂贵的维修费用。以接近其运行参数的临界值运行的发动机应用尤其如此，如在非常高的海拔(例如在高于海平面15，000英尺处和/或高温环境中(例如超过110° F(约43.3°C )))处使用的发动机应用。
【发明内容】
[0005]一方面，本发明描述了一种内燃机。所述内燃机包括进气收集器和选择性地流体连接到发动机气缸上的排气收集器。所述内燃机还包括适于压缩空气或空气混合物且适于向进气收集器提供压缩进气的压缩机。所述压缩机包括环绕压缩机叶轮的壳体和连接到壳体并将压缩机叶轮封闭在壳体的内部空间内的背板。热交换器适于冷却提供到进气收集器的压缩进气。所述热交换器设置在压缩机与进气收集器之间，这样使得进气收集器沿着压缩进气流从压缩机到进气收集器的方向设置在热交换器的下游。增压空气管道将热交换器与进气收集器流体互连。
[0006]在一个实施例中，冷却流体管道流体连接在增压空气管道与在压缩机叶轮与背板之间的位置处的压缩机的壳体的内部空间之间。压缩机运行时产生的压差使压缩进气流从增压空气管道进入壳体的内部空间中。所述流经过压缩机叶轮并对流地冷却压缩机叶轮。所述流与主压缩机流混合并被提供回热交换器。
[0007]另一方面，本发明描述了一种用于与内燃机一起使用的涡轮增压器。所述涡轮增压器在内燃机的进气收集器与排气收集器之间互连。所述涡轮增压器包括涡轮和与涡轮相连的压缩机。所述压缩机适于压缩空气或空气混合物，并适于向进气收集器提供压缩进气。所述压缩机包括径向环绕压缩机叶轮的壳体以及连接到壳体并将压缩机叶轮封闭在壳体的内部空间内的背板。冷却流体管道在压缩机叶轮与背板之间的位置处流体地连接到压缩机的背板。由于在压缩机叶轮后方的位置与压缩机的出口之间产生的压差，冷却流体管道适于通过背板将来自压缩机的一部分压缩进气提供回压缩机。当压缩机运行时，使压缩进气流进入壳体的内部空间中。所述流在与主压缩机流混合并通过压缩机出口提供回之前，经过压缩机叶轮并对流地冷却该压缩机叶轮。
[0008]再一方面，本发明描述了一种用于在压缩机运行期间冷却流体压缩机内的压缩机叶轮的方法。所述方法包括冷却压缩机的一部分压缩工作流体，以及转移被冷却以形成冷却流的部分压缩工作流体。将冷却流提供回压缩机并通过压缩机叶轮后方的低压区域处的压缩机壳体的背板使冷却流通过管道流入压缩机壳体。利用来自冷却流的冷却流体填充压缩机叶轮附近的压缩机的内部内的流体空腔。然后，该冷却流体对流地冷却压缩机叶轮。
【附图说明】
[0009]图1是根据本发明的发动机的方框图。
[0010]图2与图3是根据本发明的来自不同视角的涡轮增压器的外形视图。
[0011]图4是根据本发明的移除了压缩机壳体和涡轮壳体的涡轮增压器的局部分解图。
[0012]图5是根据本发明的用于涡轮增压器的压缩机背板的横截面图。
[0013]图6是根据本发明的用于涡轮增压器的压缩机背板的一个可选实施例的横截面图。
[0014]图7是根据本发明的具有空气开口的圆盘的外形视图。
[0015]图8、图9和图10是压缩机叶轮在发动机的典型运行条件下的热分布图。
[0016]图11是根据本发明的压缩机冷却装置的温度图。
[0017]图12是根据本发明的冷却压缩机叶轮的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0018]本发明涉及空气压缩机，并且尤其涉及压缩机推进器或压缩机叶轮在运行期间进行冷却的结构和方法，其中所采用的冷却介质是压缩机的工作流体。在一个公开的实施例中，压缩机是内燃机中的机械驱动或涡轮驱动的空气压缩机。所公开的压缩机实施例具有典型的构造，该构造包括具有通常径向延伸的叶片的压缩机叶轮。压缩机叶轮连接到一根轴上，该轴在涡轮或其他机械装置或电子装置提供的动力下旋转。压缩机叶轮在具有通过其中延伸的弯曲通道的壳体内旋转，这样使得经由中心通道进入压缩机壳体的空气被径向引导到弯曲的壳体中，这增加了空气的速度、压力及温度。在公开的实施例中，在将由压缩机提供的压缩空气的相对一小部分提供回压缩机以对流地冷却压缩机叶轮之前，在热交换器中冷却所述压缩空气。在一个实施例中，通过压缩机背板提供冷却空气，以便冲击到旋转的压缩机叶轮的背面或内侧面上。这种压缩机装置在除了压缩机的工作流体之外不再使用任何流体进行冷却的任何应用中具有实用性，这消除了流体与压缩机内的泄漏混合的担忧。本文所公开的实施例涉及在内燃机上布置有涡轮的压缩机，但不应被认为是对本文所描述的压缩机结构和方法的结构或应用的限制。
[0019]更具体地说，图1示出了体现本发明的各方面的发动机100的方框图。发动机100包括形成多个气缸104的缸筒102。虽然示出了直排布置的6个气缸104，但是可以使用设置在不同的缸筒部分内的不同配置中(如在V形配置中)的更少或更多的气缸。虽然为了简明在此并未显示和详细讨论，但是每个气缸104可包括连接到共同机轴的往复式活塞。气缸中的燃料和空气混合物以已知的方式燃烧产生可用的发动机动力。在运行期间将空气或空气与排气的混合物从进气歧管或进气收集器106以已知的方式提供到气缸104，所述进气歧管或进气收集器106选择性地经由相应的进气流道108与每个气缸104流体连接，所述进气流道108在进气阀110打开时向气缸104提供压缩空气。压缩空气，连同例如通过燃料喷射器112提供到气缸104的燃料一起形成可燃混合物，该可燃混合物在被压缩或有火花时被点燃。燃烧副产物通过排气阀114和排气流道116从每个气缸104排出。来自每个气缸104的排气被收集在排气歧管或排气收集器118中。
[0020]在典型的发动机中，在进气收集器106中的发动机进气混合物以及在排气收集器118中的排气处于压力下。为了提供用于压缩进气混合物的动力，不同的发动机应用可使用一个或多个不同的设备。例如，一些发动机使用通常被称为增压器的设备，增压器是由发动机的机轴提供的机械动力、由电机提供的电力等运行的空气压缩机。在图示说明的实施例中，进气歧管中的压缩空气混合物由两组多级涡轮增压器提供。更具体地说，发动机100包括两组多级涡轮增压器120。这两个多级涡轮增压器组120相似，所以将只对一组进行详述。
[0021]因此，每个多级涡轮增压器组120包括在串连电路连接中连接的高压涡轮增压器122和低压涡轮增压器124。高压涡轮增压器122包括高压涡轮126和高压压缩机128，二者通过中央壳体130以已知的方式相互连接。同样，低压涡轮增压器124包括低压涡轮132和低压压缩机134，二者经由中央壳体136进行连接。在为许多可能的涡轮增压器配置的一种的这种布置中，高压涡轮126流体地连接到排气收集器118并布置成从其中接收加压的排气。排出高压涡轮126的排气被提供到低压涡轮132，该低压涡轮132的框架尺寸大于高压涡轮126，这样使得可实现排气的附加膨胀以从中取得附加工作。排出低压涡轮132的排气可以以已知的方式提供到排气处理设备和系统。图1用箭头表示了通过这些设