专利名称：顺序涡轮增压系统以及用于内燃机顺序涡轮增压的方法
技术领域：
本发明涉及诸如顺序涡轮增压系统的增压系统的结构以及用于内燃机顺序涡轮增压的方法。本发明特别涉及多级涡轮增压器系统，其中涡轮增压器以并联或串联的方式连接。
已知的传统增压系统使用具有不同结构和功能的涡轮增压器。例如在某些涡轮增压器中，当其在内燃机的不同运行状态下使用时，调节驱动涡轮的废气流量以便改善涡轮增压器的效率。为了在涡轮增压器的涡轮侧实现对通过涡轮的气体流量的控制，设置有可变喷嘴装置，其包括可变几何形状的喷嘴通道。
同样已知的涡轮增压器包括自由浮动式涡轮，这意味着涡轮侧不包括用于调节驱动涡轮叶轮的气体流量的任何机构。最后，同样已知的增压系统包括多于一个的涡轮增压器，其中涡轮增压器或者并联连接、或者串联连接。这种增压系统已经被开发，用于在内燃机稳态和瞬态工作状态下增加发动机的性能。
根据文献US-6,378,308 B1，已知的一种传统增压系统包括两个涡轮增压器。该增压系统包括一个高压级和一个低压级，低压级布置在高压级的下游。最小的废气质量流量连续地流经高压级涡轮增压器的涡轮，因此涡轮持久旋转。系统还包括旁通管，通过该旁通管完整的废气质量流量的可变部分流量被分配到高压涡轮、低压涡轮以及可选择的发动机新鲜空气侧。
根据本发明的一个方面，提供了如权利要求书定义的改进的顺序涡轮增压系统以及用于内燃机顺序涡轮增压的方法。
根据本发明的另一个方面，提供了一种顺序涡轮增压系统，其具有至少两个涡轮增压器，其中涡轮增压器之一的至少一个压缩机设置空气再循环装置。根据这种顺序涡轮增压系统的优选实施例，空气再循环装置包括用于调整再循环通过所述压缩机的空气的量的调节装置。在优选实施例中，空气再循环装置的调节装置包括布置在用于向压缩机供给空气的管道中的止回阀，和布置在旁通压缩机的通道中的节流阀。根据更进一步的优选实施例，再循环装置形成包括冷却装置的回路。
下面参考附图，通过实施例详细解释了本发明不同的方面。图中
图1显示根据本发明的顺序涡轮增压系统的第一实施例；图2显示根据本发明的顺序涡轮增压系统的第二实施例；图3显示根据本发明的顺序涡轮增压系统的第三实施例；图4显示根据本发明的顺序涡轮增压系统的第四实施例；图5显示根据本发明的顺序涡轮增压系统的第五实施例；图6显示根据本发明的顺序涡轮增压系统的第六实施例。
根据本发明第一实施例的顺序涡轮增压系统显示在图1中。该系统包括第一涡轮增压器1和第二涡轮增压器2，其中两个涡轮增压器相对于内燃机3并联连接。第一涡轮增压器1包括位于其涡轮侧的自由浮动式涡轮5，反之第二涡轮增压器2装配可变几何形状涡轮7。涡轮5、7和各自的压缩机9、11并联连接。根据该实施例的布局，新鲜空气通过第一新鲜空气管道4和第二新鲜空气管道6并联地供应给每个压缩机，从压缩机中排出的空气通过中间冷却器12被导入内燃机3的进气侧。在该布局的涡轮侧，来自发动机3的废气通过从管道或管线23分支的第一废气管道8和第二废气管道10分别供应给第一和第二涡轮5、7，从并联的涡轮5、7中排出的废气被导入催化剂14。
图1所示的多涡轮增压器增压系统中，第二压缩机11设置有使用空气流量调节装置的空气再循环系统，以便调整再循环空气的数量。该实施例中的再循环系统包括具有蝶形阀15的旁通管道13，以便调整再循环返回第二新鲜空气管道6的空气质量-流量，所述第二新鲜空气管道6连接第二压缩机11的入口和空气过滤器19。在第二新鲜空气管道6中布置有止回阀21，其允许空气被吸入第二压缩机11的入口，但避免任何逆向流动到空气过滤器19。
根据图1所示实施例的多涡轮增压器增压系统在内燃机的低、中等和高旋转速度下允许内燃机高效率的功能。
在内燃机3的低旋转速度下，这意味着大约1000-2000rpm，通过废气管道或管线23供给的废气驱动第一涡轮增压器1的自由浮动式涡轮5，反之第二涡轮增压器2的可变几何形状涡轮7几乎保持闭合。在这些状态下，第二涡轮增压器2以非常低的速度旋转，以便正好避免因第二涡轮增压器的轴承系统中的运行油压而引起的油泄漏。在内燃机低旋转速度的阶段，蝶形阀15开启以便允许通过第二压缩机11的再循环，其中在这些运行状态下止回阀21保持闭合。可以理解在该阶段仅仅只有第一涡轮增压器1正常工作以对发动机3增压。
在内燃机的中等旋转速度范围内，这意味着大约2000-2500rpm，第二涡轮增压器2的可变几何形状涡轮7越来越多地地开启，以便调节涡轮前的压力，也就是与废气管道8连接的入口处。在该阶段，第二压缩机11的旁通管道13中的蝶形阀15越来越多地闭合，以便平衡第二压缩机11和第二涡轮7之间的功率，因此通过蝶形阀15的运行，可以调节第二涡轮增压器2的速度。
在内燃机的高旋转速度范围内，这意味着大约2500-4000rpm，可变几何形状涡轮7开启50％，以便以良好的效率工作，同时保持超速余量。在该阶段，蝶形阀15完全闭合，止回阀21开启，以允许供应来自空气过滤器19的新鲜空气。
根据本发明的多涡轮增压器增压系统的第二实施例显示在图2中。根据该实施例的压缩机侧的布局与第一实施例中的一样，其中仅仅涡轮增压器侧被修改，因而在每个涡轮105、107处，设置有分别相应于第一和第二废气闸门阀129、131的第一旁通通道125和第二旁通通道127。另外，第二蝶形阀或节流阀133布置在第二废气管道110中。
在内燃机103的低旋转速度下，这意味着大约1000-2000rpm，通过废气管道或管线123供给的废气驱动第一涡轮增压器101的自由浮动式涡轮105。蝶形阀133接近闭合，以便产生泄漏的废气流量来确保第二涡轮增压器102的空转，这仅为了避免来自其轴承系统的油泄漏。在该状态下，通过废气闸门阀129控制第一涡轮增压器的速度。同时废气闸门阀131保持闭合，第一蝶形阀115开启，以促使通过第二压缩机111的新鲜空气的再循环，同时止回阀121也保持闭合。在该阶段第一涡轮增压器正常工作以对发动机103增压。
在内燃机的中等旋转速度范围内，这意味着大约2000-2500rpm，蝶形阀或节流阀133越来越多地开启以便调节涡轮前的压力，废气流量驱动第二涡轮增压器102。同时蝶形阀115越来越多地闭合，以便平衡第二压缩机111和第二涡轮107之间的功率，因此通过蝶形阀115的运行，可以调节第二涡轮增压器102的速度。
在内燃机的高旋转速度范围内，这意味着大约2500-4000rpm，蝶形阀133完全或几乎完全开启，其中分别通过第一和第二废气闸门阀129、131调节第一和第二涡轮105、107的速度。在该运行过程中，蝶形阀115完全闭合，止回阀121开启。
根据图2所示本发明的多涡轮增压器增压系统的第二实施例优选地根据图3所示的布局修改。根据该图中显示的第三实施例，蝶形阀233从第二废气管道210中移走，布置在第二涡轮207的出口管道235中，并位于第二旁通通道227与出口管道235结合点的下游。通过该布置，在第二涡轮207内部能维持这样的压力其能避免油泄漏。
图4阐述多涡轮增压器增压系统的第四实施例，其涉及根据第一、第二和第三实施例中的每一个的顺序涡轮增压系统的压缩机侧的优选地可作为选择的设计。该设计不同于前面的实施例，因为旁通管道313没有直接在第二压缩机311的下游与新鲜空气供给结合，而是在中间冷却器312的下游。因为来自中间冷却器312的冷却空气被用于再循环，所以这样经修改的布置产生的结果是降低第二压缩机311的温度，因而该压缩机中的焦化风险被有效地最小化。
图5显示多涡轮增压器增压系统的第五实施例，其涉及根据第一、第二和第三实施例中的每一个的顺序涡轮增压系统的压缩机侧的优选地可作为选择的设计。该设计不同于前面的实施例，因为在第二新鲜空气管道406中没有任何止回阀，另外的蝶形阀439布置在连接第二压缩机411和中间冷却器412的管道441中，在第二压缩机411下游的旁通管道413的结合点和管道441中的第一压缩机409的结合点之间。
在内燃机403的低旋转速度下，这意味着大约1000-2000rpm，蝶形阀415开启，因而实现第二压缩机411处的再循环。因为该布局的特殊设计，在再循环过程中，第二压缩机402内的压力可以降低，因而真实的负荷变得不那么重要，可靠性得到改善。另外的蝶形阀439保持闭合，第一压缩机409正常工作以对发动机403增压。
在内燃机的中等旋转速度范围内，这意味着大约2000-2500rpm，蝶形阀415越来越多地闭合，以便平衡第二压缩机411和第二涡轮之间的功率，因此通过蝶形阀415的运行，可以调节第二涡轮增压器402的速度。
在内燃机的高旋转速度范围内，这意味着大约2500-4000rpm，另外的蝶形阀439开启，蝶形阀415完全闭合。
图5所示根据本发明的多涡轮增压器增压系统的第五实施例优选地根据图6所示的布局修改。根据该图中显示的第六实施例，旁通第二压缩机511的管道被移走，蝶形阀515布置在连接第二压缩机511与另外的阀539结合之前的下游侧和第一压缩机509的上游侧的另外的流体通道中。通过该已修改的布局，第一压缩机509中用于再循环的能量被转移到第二压缩机511，因而损失变得不那么重要。
在上述的所有实施例中，空气轴承或滚珠轴承优选地用于第二涡轮增压器结构中的压缩机和涡轮轴。当使用空气轴承或滚珠轴承时，第二涡轮增压器的旋转可以被停止，这有利于低的发动机旋转速度，因为在该阶段第二涡轮增压器的运行是不必要的。
此外，空气轴承优选地用于特别是在第六实施例中使用的第一涡轮增压器的轴上，因为进入第二压缩机511的空气温度很重要，空气轴承有助于避免焦化风险。
在涉及涡轮增压系统的压缩机侧设计的实施例中，用于将空气从空气过滤器输送到第二压缩机的入口通道中的止回阀21、121、221、321的布置确保第二涡轮增压器内部维持相对的高压，对于避免来自其轴承系统的油泄漏来说，这是重要的。
此外，在所有实施例中，至少一个速度传感器布置在第二压缩机的轴处，用于向没有特别阐述的控制单元传输数据，所述控制单元用于调节可调整的阀。为了更进一步地改善控制，优选的将速度传感器连接到顺序涡轮增压系统所有涡轮增压器的轴上。
权利要求
1.一种顺序涡轮增压系统，其具有至少两个并联连接的涡轮增压器，其中至少一个涡轮增压器具有设置有可调整的流量调节装置的涡轮。
2.如权利要求1所述的顺序涡轮增压系统，其特征在于，所述可调整的流量调节装置包括整合在所述涡轮增压器中的可变几何形状涡轮。
3.如权利要求1所述的顺序涡轮增压系统，其特征在于，所述可调整的流量调节装置包括提升阀，特别是废气闸门阀。
4.如权利要求1所述的顺序涡轮增压系统，其特征在于，所述可调整的流量调节装置包括节流阀，其布置在所述涡轮增压器的涡轮的入口或出口。
5.如权利要求1-4中任一项所述的顺序涡轮增压系统，其特征在于，至少一个涡轮增压器具有不可调整流量的涡轮，优选为自由浮动式涡轮。
6.如权利要求1-5中任一项所述的顺序涡轮增压系统，其特征在于，涡轮增压器之一的至少一个涡轮设置有旁路，用于至少部分旁通所述涡轮。
7.如权利要求1-6中任一项所述的顺序涡轮增压系统，其特征在于，涡轮增压器之一的至少一个压缩机设置有空气再循环系统，所述系统包括调节装置，其用于调整再循环通过所述压缩机的空气的量。
8.一种顺序涡轮增压系统，其具有至少两个涡轮增压器，其中至少一个涡轮增压器具有压缩机，在所述压缩机的入口处设置有流量调节装置。
9.如权利要求8所述的顺序涡轮增压系统，其特征在于，所述流量调节装置包括可调整的节流阀或蝶形阀。
10.如权利要求8所述的顺序涡轮增压系统，其特征在于，所述流量调节装置包括止回阀。
11.如权利要求7所述的顺序涡轮增压系统，其特征在于，所述再循环系统包括冷却装置，其用于冷却在所述压缩机中再循环的空气。
12.一种顺序涡轮增压系统，其具有至少两个并联连接的涡轮增压器，其中至少一个涡轮增压器具有用于轴的免润滑剂的轴承系统，所述轴支承各自的压缩机和涡轮叶轮。
13.如权利要求12所述的顺序涡轮增压系统，其特征在于，所述免润滑剂的轴承系统是空气轴承系统。
14.如权利要求1-11中任一项所述的顺序涡轮增压系统，其特征在于，至少一个涡轮增压器具有滚珠轴承系统，特别是在涡轮增压器的轴和轴承滚珠之间具有滚动接触的滚珠轴承系统。
15.一种用于通过至少两个涡轮增压器进行内燃机顺序涡轮增压的方法，其中顺序涡轮增压系统的可调整元件通过控制单元调节，所述控制单元使用来自至少一个速度传感器的数据，所述速度传感器用于检测至少一个涡轮增压器的旋转速度。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述可调整元件是可调整阀。
17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，至少在所述内燃机的一个运行阶段，通过所述涡轮增压器之一的一个压缩机再循环空气。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述涡轮增压器是具有可变几何形状涡轮和可变几何形状压缩机的涡轮增压器。
全文摘要
一种顺序涡轮增压系统具有至少两个涡轮增压器，其中一个涡轮增压器具有设置有可调整的流量调节装置的涡轮。涡轮增压器之一的一个压缩机设置空气再循环系统，所述系统包括调节装置，其用于调整再循环通过所述压缩机的空气的量。
文档编号F02B37/16GK1695001SQ02829924
公开日2005年11月9日 申请日期2002年11月20日 优先权日2002年11月20日
发明者K·瓦特金, G·费古拉, F·特鲁科, P·马蒂厄, P·巴特勒特, V·达万佐 申请人:霍尼韦尔国际公司