专利名称：与涡轮增压活塞发动机有关的方法及结构的制作方法
与涡轮增压活塞发动机有关的方法及结构
本发明涉及与设置有涡轮压缩机的活塞发动机有关的方法。 本发明还涉及与设置有涡轮压缩机的活塞发动机有关的结构。
在高燃烧溫度下，氮氣化物(NO》产生于活塞发动机的气缸内， 并且由废气而夹带到空气中。由于氮氧化物排放的危害性环境影响， 已努力防止产生氮氧化物(主要的方法)，或者将所产生的氮氧化物从 废气中除去(次要的方法)。 . 将水加入到燃烧过程中，并且与燃烧空气一起减少了氮氧化物 的产生。水降低了气缸内的燃烧温度，从而使产生较少的氮氧化物。 在实践中，由两种备选的方法将水加入到活塞发动机的燃烧过程中。 在其进入气缸之前，水既可被直接地供应至发动机的气缸的燃烧腔 室内，也可以与燃烧空气混合起来。
为了增加发动机的动力，活塞发动机上通常设置有涡轮压缩机， 其包括压缩机，加压后的燃烧空气借助该涡轮压缩机而供应至发动 机，此外，满轮压缩机包括涡4仓，该涡轮驱动压縮^几。来自发动机 的废气被导向至涡轮，该涡轮将废气内的能量转化为压缩机的驱动 动力，
涡轮压缩机的压缩机部分的运行一 方面受到与压缩机的最大容 量相对应的极限的限制，而另 一方面受到所谓的喘振极限的限制。 压缩机的喘振对发动机的运行具有危害性，因为供应至发动机的燃 烧空气的压力和流量将在发动机喘振时马上减小。为此，为了确保 压缩机的优化运行及发动机在变化条件内的优化运行，应当在压缩 机的运行点与喘振极限之间具有特定的安全余量。当运行点在自喘 振极限的一定距离处时，压缩机的运行效率也在其最高点。因此，
用于每个特定应用的压缩机选择成在常规运行条件下，在自喘振极 限的所需距离处运行。
如果涡轮增压的活塞发动机上设置有用于减少氮氧化物的系 统，从而使水与燃烧空气在压缩机之后的一个点混合起来，那么水 供应增加了经过涡轮的废气的质量流率。因此，如果发动机运行于 恒定的负荷，那么涡轮的转动速度也得以增加，因此抽吸空气的压 力将在压缩机之后增加。然而，经过压縮机的燃烧空气的流动将维 持恒定，从而使压縮机的运行点与喘振极限之间的安全余量将会减 小或者消失。
因为使发动机也运行于在没有使用燃烧空气增湿的情形中将是 可能的，压缩机需要能够运行于两种不同的运行条件下
1. 当使用燃烧空气的增湿的时候，从而使燃烧空气的温度在70 度-75度之间，而经过涡轮的质量流率已增加至与水已被供应时相同 的程度，
2. 当没有使用燃烧空气的增湿的时候，从而使燃烧空气的溫度 在50度-55度之间，并且没有额外的经过涡轮的质量流率。
通过使用压缩机，其尺寸定制为用于较低的流率，确保针对喘 振的充分安全余量将是可能的，但另一方面，当用于燃料空气增湿 的系统在运行时，这涉及到涡轮压缩机超速转动的风险。当用于燃 料空气的增湿系统没有运行时，压缩机的运行点强烈地向着对应于 最大容量的极限值移动，从而使压缩机的运行效率将会减小。而且， 在那种情况中，与使用根据标准规格的压缩机的情形比较，涡轮压 缩机的转动速度实质更高。
本发明的一个目的是提供一种技术方案，通过该技术方案，设 置有燃烧空气增湿的活塞发动机的涡轮压缩机的运行可被优化。
根据本发明的方法基于一种构想部分流量从燃烧空气流中分 离出来，该燃烧空气流从压缩机流动到发动机内，该部分流量被传
输经过发动机并与进入涡轮的废气流结合起来。
根据本发明的结构包括旁路通道，通过该旁路通道，待传输到 发动机的燃烧空气的 一 部分，可被分流经过发动机并与进入涡轮的 废气流结合起来。
更精确地，根据本发明的方法的特征在于陈述于权利要求1的 特征部分的内容。
根据本发明的结构的特征在于陈述于权利要求6的特征部分内
容，
本发明提供显著的好处。
利用本发明，防止压缩机的喘振是可能的，当使用燃烧空气增 湿的时候，该压缩机被优化以^^用于常规燃烧空气流和废气流。通 过将经过发动机的气缸的燃烧空气的一部分进行分流，并且通过将 部分流量与进入涡轮的废气流结合起来，当燃烧空气增湿运行的时 候，压缩机的运行点移动到更加远离喘振极限，此外，根椐运行效 率与转动速度，压缩机的运行点可维持于优化的水平。如果没有使 用燃烧空气的增湿，那么旁路通道被关闭，从而使整体燃烧空气流 以常规方式从压縮机传输到发动机。
由本发明导致的能量损失4艮少。根据已执行的测试，当使用根 据本发明的结构时，设置有燃烧空气增湿的涡轮增压活塞发动机的 燃料消耗，在85。/。的发动机负荷水平处增加了大约0.3%。
在本发明的一个实施例中，部分流量从燃烧空气流中分离出来， 并且被传输经过发动机，并且仅在以下情形中与废气流混合起来 压缩机的特性曲线接近于喘振极限，即典型地当发动机负荷为50%-85%的时候。当负荷小于50%和大于85%的时候，旁路系统没有被 使用，从而使所有的燃烧空气从压缩机导向至发动机，然后，考虑 到运行效率，涡轮压缩机的转动速度可维持于优化的水平，并且转 动速度在高负荷时的过分增加得以避免。
以下通过举例的形式并结合附图
对本发明进行更详细地解释。 附图为根据本发明的 一种结构的示意图，
根据附图的结构包括活塞发动机1,其设置有涡轮压缩机2。涡 轮压缩机2包括压缩机3和涡轮4,其利用驱动轴5而互相连接起来。 驱动轴5通过轴承系统而设置在涡轮压缩机2的壳体上。压缩机3 的任务是将加压后的燃烧空气供应至发动机1。压缩机3包括可转动 的转子，转子上设置有叶片，以便将待传输的燃烧空气加压到发动 机1。流动空间6设置在压缩机3的高压侧上，即设置在压缩机3与 发动机气缸的燃烧腔室IO之间，用于将加压后的燃烧空气传输至气 缸10.流动空间6上设置有热交换器7,用于冷却或加热燃烧空气。 此外，流动空间6包括增压空气容器8,其在加压空气的流动方向内 定位于热交换器之后。流动空间6还包括设置在每个气缸10与增压 空气容器8之间的入口通道9，用于将燃烧空气从增压空气容器8传 输到气缸10。
气缸10与涡轮4的高压侧之间设置有废气通道11,用于将发动 机的废气传输至涡轮4。而且涡轮4包括转子，该转子上设置有叶片 并且可被来自发动机1的废气所转动。而且，发动机1包括用于将 燃料供应至气缸10内的燃料进给机构(图未示)。
发动机1上设置有加湿装置，当发动机在运行时，燃烧空气的 潮湿含量可借助加湿装置而增加。燃烧空气的增湿减小了燃烧过程 中产生的氮氧化物(NOx)的数量。燃烧空气通过将水喷射到燃烧空气 上而被加湿化，在燃烧空气传输到热交换器7之前，水与燃烧空气 在流动空间6内混合起来。燃烧空气加湿装置包括进给管12,其连 接到水处理系统上.向流动空间6打开的喷射喷嘴]5连接到进给管 12上，水以水滴或薄雾的形式在定位于热交换器7之前的点处，并 在燃烧空气的流动方向从该喷射喷嘴15供应至流动空间6内。此外， 进给管12上设置有关闭阀16,通过该关闭阀16,可允许或防止水
流到喷射喷嘴5。
当使用燃烧空气加湿装置时，经过涡轮4的废气的质量流率增 加至与当水注入其内时相同的程度。因此，渴轮4的转动速度:^曾力口， 并且流动空间6内的燃烧空气的压力在恒定的发动机负荷处上升。 然而，穿过压缩机3的空气的质量流率保持恒定，从而使压缩才几3 的运行点朝着喘振(surge)极限移动。为了防止压缩机3的喘振，结合 发动机1而提供旁路结构，用于在燃烧空气增湿的过程中移动压缩 机3的运行点。该结构包括从流动空间6延伸到废气通道11的旁路 通道13,燃烧空气的一部分可借助该旁路通道13而从穿过发动才几的 气缸10的流动空间6传输到废气通道11。旁路通道13第一端吾p面 向流动空间6而打开，而第二端部则面向废气通道11而打开。为了 防止注入到流动空间16内的水流入旁路通道13，旁路通道13 6勺第 一端部在定位于喷嘴15的喷射点之前的点处，并在燃烧空气的-危动 方向面向流动空间6而打开。旁路通道13的第二端部在定位于;:呙4仑 4之前的点处，并在废气的流动方向面向废气通道]1而打开。图中 的箭头显示了燃烧空气与废气的流动方向。旁路通道13由控制阀14 提供，用于调节流经旁路通道13的燃烧空气。
当发动机1运行时，燃烧空气导向至压縮机3内，在那里，燃 烧空气的压力借助转子而上升至超过周围压力。加压的空气导向至 压缩机3的高压侧上的流动空间6。如果使用了燃烧空气的加湿，那 么一部分流量将从燃烧空气流分离出来，并且被导向至旁路通道13。 导向至旁路通道13的燃烧空气没有加入到发动机的气缸10内的燃 烧过程中。导向至旁路通道13的部分流量为经过压缩机3的全部空 气流的5%-10%。部分流量的体积由控制阀14所调节，燃烧空气通 过将水经由喷嘴15喷射到燃烧空气上而被增湿，将与燃烧空气';昆合 起来的水的量被调节，从而使传输到气缸10的燃烧空气饱和或基本 饱和。根据当前需要，将要进给到燃烧空气的水的数量，通过打开 和关闭适当数量的水喷射喷嘴15而被调节，而每个喷嘴的喷射压力
大约恒定。因此，这是可能的同时提供有利的水滴的形成，或薄 雾喷溅，并且同时，正确数量的水与燃烧空气混合起来，
加湿后燃烧空气被传输到热交换器7,并且被热交换器7加热或 冷却至典型地为70度-85度之间。燃烧空气可被比如发动机1的低 温冷却水加热或冷却，该冷却水导向至热交换器7。在加热/冷却之 后，燃烧空气被传输至增压空气容器8。燃烧空气借助入口通道9而 从增压空气容器8导向至气缸10。燃料比如重燃油被供应至气缸10 内，并且借助气缸的燃烧腔室10内的燃烧空气而燃烧。在燃烧过程 中产生的废气通过废气通道11而传输至涡轮4。在进入涡轮4之前， 废气流与从流动空间6导向至旁路通道13的燃烧空气结合起来。随 后，废气流及与该废气流结合起来的燃烧空气流传输至渴轮4。在经 过涡轮4的时候，该流动转动涡轮4的转子，该转子的转动i支轴5 传递至压缩机3的转子上。
部分流量从燃烧空气流分离出来，并且在使用燃烧空气增湿的 时候，借助旁路通道13而导向至废气通道11。然后，控制阀14保 持打开。备选的方案是仅仅当发动机的负荷处于特定的水平，并 且不考虑燃烧空气增湿的使用的情况下，将部分流量分离出来。一 般地，当发动机1的负荷水平超过85%或低于50%的时候，压缩机3 的运行点充分地远离喘振极限，从而使旁路系统可通过将阀14关闭 而被关闭，当发动机的负荷为50%-85%的时候，阀4保持打开，从 而使旁路系统13处于使用状态。当负荷水平超过85%的时候，旁路 系统13可被关闭，以便防止涡轮压缩机2的转动速度的过分上升。
如果没有使用燃烧空气增湿系统，那么进给管12的关闭阀16 被关闭，从而不允许水进入喷射喷嘴15内。此外，旁路通道13的 闹14 #_关闭，从而不允许燃烧空气经由旁路通道13而流动到废气 通道11。然后，整体燃烧空气流借助热交换器7而从压缩机3传输 到气缸10。燃烧空气被热交换器7冷却至典型地为50度-55度。
权利要求
1.一种与活塞发动机(1)有关的方法，所述活塞发动机(1)上设置有涡轮压缩机(2)，在所述方法中燃烧空气由所述涡轮压缩机(2)的压缩机(3)加压，加压后的燃烧空气被增湿，燃料借助燃烧空气而在所述发动机(1)的气缸(10)内燃烧，及在燃烧过程中产生的废气被传输至所述涡轮压缩机(2)的涡轮(4)，其特征在于，部分流量从所述加压后的燃烧空气流中分离出来，被传输经过所述发动机(1)，并且与进入到所述涡轮(4)内的废气结合起来。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述部分流量在燃 烧空气的增湿之前从所述燃烧空气流中分离出来。
3. 如权利要求1或2所迷的方法，其特征在于，体积为流经所 述压縮机(3)的全部空气流的5%-10%的部分流量从所述燃烧空气流中 分离出来。
4. 如前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，所述 增湿的燃烧空气在其被传输到所述活塞发动机(l)之前被加热.
5. 如前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，仅仅 在所述发动机(l)的负荷为其最大负荷的50%-85%的情况下，部分流 量从所述燃烧空气流中分离出束。
6.—种与活塞发动机(l)有关的结构，所述活塞发动机(l)包括 涡轮压缩机(2),其包括压缩机(3),用于将待导向至所述发动机(l)的燃烧空气进行加压，还包括涡轮(4),来自所述发动机()的废气传 输至所述涡轮(4),流动空间(6),用于将加压后的燃烧空气从所述压缩机(3)传输到 所述发动机(1), 废气通道(ll),用于将所述废气从所述发动机(l)传输到所述涡轮 (4),以及喷射机构(15),用于将水喷射到所述流动空间(6)内，其特征在于，所述流动空间(6)与所述废气通道(l 1 )之间配置有旁路通道(13),用于将燃烧空气从所述流动空间(6)经过所述发动才几(l)传输至所述废气通道CII)。
7. 如权利要求6所述的结构，其特征在于，所迷旁路通道(13)在 定位于所述压縮机(3)与水喷射点(l5)之间的点处向着所述流动空间(6) 打开。
8. 如权利要求6或7所述的结构，其特征在于，所述旁路通道(13) 内配置有控制装置(14),用于控制将被传输至所述废气通道(l l)的燃 烧空气流的体积。
全文摘要
本发明涉及与一种与活塞发动机(1)有关的方法及结构，活塞发动机(1)上设置有涡轮压缩机(2)。在方法中，来自发动机(1)的燃烧空气由涡轮压缩机(2)的压缩机(3)加压，加压后的燃烧空气被增湿，燃料借助燃烧空气而在发动机(1)的气缸(10)内燃烧，且在燃烧过程中产生的废气利用燃烧空气而被传输至涡轮压缩机(2)的涡轮(4)。部分流量从加压后的燃烧空气流中分离出来，被传输至发动机(1)，并且与进入到涡轮(4)内的废气结合起来。
文档编号F02M25/025GK101184915SQ200680019052
公开日2008年5月21日 申请日期2006年5月11日 优先权日2005年6月2日
发明者B·哈尔巴克, P·塔克拉 申请人:瓦特西拉芬兰有限公司