多级涡轮增压器系统的制作方法

专利名称：多级涡轮增压器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多级涡轮增压器系统。特别地而不是排除地，本发明涉及一个两 级涡轮增压器系统和一个运行该系统的方法。
背景技术：
涡轮增压器是公知的装置，用于在高于大气压力的压力(增压)下将空气供给内 燃机的入口。一个常规的涡轮增压器主要地包含安装在可转动轴上的废气驱动的涡轮机叶 轮，其设置在与发动机排出歧管的下游连接的涡轮机壳体内。涡轮机叶轮的转动使安装在 所述轴的另一端且在压缩机壳体内的压缩机叶轮转动。压缩机叶轮传送压缩空气给发动机 进气歧管。涡轮增压器轴通常通过轴颈和止推轴承支撑，包含合适的润滑系统并且位于连 接在涡轮机和压缩机叶轮壳体之间的中间轴承壳体内。在已知的涡轮增压器中，涡轮机级包含其中安装有涡轮机叶轮的涡轮机腔室；在 环绕涡轮机腔室设置的面对的径向壁之间限定的环形入口通道；围绕入口通道设置的入 口 ；从涡轮机腔室延伸的出口通道。通道和腔室连通，以使得进入进气室的增压排气通过涡 轮机由入口通道流到出口通道并且使得涡轮机叶轮转动。还公知地，通过在入口通道中设 置被称为喷嘴叶片的叶片来改善涡轮机性能，从而使得气体朝着涡轮机叶轮旋转的方向偏 转流过入口通道。公知的另一种改进用于具有宽的速度/负载范围的发动机的涡轮增压效率的方 式是提供连续两级涡轮增压系统，包括一个相对小的高压(HP)涡轮增压器和另一个相对 大的低压(LP)涡轮增压器。涡轮增压器串联设置，以使得来自发动机的排气首先流动通 过高压涡轮增压器的较小涡轮机，然后通过低压涡轮增压器的较大涡轮机。阀控制旁通路 径被提供来允许排气以例如在高的发动机速度和/或负载下旁通高压涡轮机。同样地，两 个涡轮增压器的压缩机还被串联设置，空气首先流动通过低压涡轮增压器的相对大的压缩 机，然后通过高压涡轮增压器的相对小的压缩机。此外，提供阀控制旁路来允许进气以例如 在高的发动机速度和/或负载下旁通高压涡轮增压器的压缩机。在W02008/015400中公开的连续的两级涡轮增压系统中，通过高压涡轮机、低压 涡轮机和高压旁通路径的排气流被单个回转阀控制，所述单个回转阀可以设置在高压涡轮 机的上游或者下游。更详细地，主要的排气流动路径包括将排气传送到高压涡轮机的入口 部分和将排气从高压涡轮机传送到低压涡轮机的中间部分。旁通路径将主流动路径的入口 部分和主流动路径的中间部分之间连通。排气流量控制阀是回转阀，位于旁通路径和主路 径的结合处(如果阀位于高压涡轮机的上游，可以是主路径的入口部分；或者如果阀位于 高压涡轮机的下游，可以是主路径的中间部分)。回转阀包含阀转子，其在阀室内转动并且 可操作地容许或者阻止流过旁通路径和/或主路径，也就是说根据阀分别是在高压涡轮机 的上游还是在下游来决定是在主路径的入口部分还是在中间部分。在一个实施例中，阀位 于高压涡轮机的上游，阀包括与主流动路径的入口部分连通的入口、与主流动路径的入口 部分连通的主出口(从而进入高压涡轮机的气流通过入口和主出口流过阀)、和为与低压涡轮机的入口连通的旁通路径提供出口的旁通口(其可以通过主流动路径的中间部分)。 在另一个实施例中，阀位于高压涡轮机的下游，阀包括与主流动路径的中间部分连通的主 入口、和与低压涡轮机入口连通的主出口(通过主流动路径的中间部分)，以及与旁通路径 连通的旁通入口。通过使阀转子旋转到打开、关闭或者部分打开/关闭的单独口，涡轮增压器系统 可以在各种模式下运行，包括用于调节到高压和低压涡轮机的排气流的常规点火模式，操 作阀来在排气系统中提供制动背压的制动模式(非点火模式)，和操作阀来限制排气流从 而加热排气流的排气加热模式(点火操作模式)。W02008/015400的接下来的涡轮增压器系统的实施例可以包括装有废气门 (wastegated)的低压涡轮机。本领域技术人员将明白废气门是一个控制围绕涡轮机的旁通 流动路径的阀。

发明内容
本发明的目的在于提供一种可替换的或者改进的多级涡轮增压器系统。根据本发明提供了一种涡轮增压器系统，包括用于与发动机的排气岐管连通的主 入口和排气口 ；具有第一涡轮机且具有入口和出口的相对小的第一涡轮增压器；具有第二 涡轮机且具有入口和出口的相对大的第二涡轮增压器；主排气流路径包括用于将排气传送 到第一涡轮机入口的入口部分和用于将来自第一涡轮机出口的排气传送到第二涡轮机的 入口的中间部分；与主入口和第二涡轮机的入口连通的第一旁通流动路径，从而旁通过第 一涡轮机；与主入口和排气出口连通的第二旁通流动路径，从而旁通过第二涡轮机；和排 气流控制阀，可操作地有选择地允许或者阻止排气流通过主排气流路径；有选择地允许或 者阻止排气流通过第一旁通路径；和有选择地允许或者阻止排气流通过第二旁通路径。根据本发明的涡轮增压器系统具有前面W02008/015400所描述的涡轮增压器系 统的所有功能，但是此外，排气控制阀可操作地选择排气流旁通过第二涡轮机以及第一涡 轮机。因此，阀可操作地用作第一涡轮机旁通阀并且还可作为第二涡轮机的“废气门”阀。在一个优选实施例中，阀转子在阀室中转动，所述阀室可以设置在第一或第二涡 轮机的壳体的入口段中或者在一个单独的壳体内。阀室可以设置在主入口、主排气流动路 径的入口部分和第一和第二旁通流动路径的交界处。排气流控制阀可以位于主排气流路径的入口部分，以便通过允许或者容许气流通 过主流动路径的入口部分，允许或者容许气流通过主流动路径。排气流控制阀可以包括与主入口连通的主入口端口 ；与主流动路径的入口部分 连通的主出口端口 ；与第一旁通路径连通的第一旁通出口端口 ；和与第二旁通路径连通的 第二旁通出口端口。阀可以以第一模式、第二模式和第三模式运行，第一模式阻止气流通过第一和第 二旁通出口端口，在第二模式下气流允许通过第一旁通出口端口，从而容许排气流的至少 一部分单独旁通过第一涡轮机，在第三模式下允许气流通过所述第二旁通出口端口从而容 许排气流的至少一部分旁通过第一和第二涡轮机。在第三模式中排气流可以允许通过第一和第二旁通出口端口。当在所述第二模式下运行时，第一旁通出口端口可以至少部分地未被阻挡，而第二旁通出口端口可以完全被阻挡。在第三模式下，第一旁通出口端口可以完全未被阻挡，而第二旁通出口端口可以 至少部分地未被阻挡。在第三模式下，第二旁通出口端口可以完全未被阻挡。在所述第一、第二和第三模式下的每一个中，主入口端口可以至少大部分未被阻 挡。排气流控制阀可以是包括阀转子的回转阀，其可绕阀轴线转动，从而选择地阻挡 或者不阻挡所述第一和第二旁通出口端口。阀转子可以在第一位置、第二位置和第三位置之间转动，其中在第一位置中第一 和第二旁通出口端口都完全被阻挡，在第二位置中第一旁通出口端口未被阻挡而第二出口 端口被完全阻挡，在第三位置中第一旁通出口端口未被阻挡而第二旁通出口端口至少部分 地未被阻挡。当转子处于所述第三位置时，第二旁通出口端口可以完全未被阻挡。转子可以选择地可放置在所述第一和第二位置之间的多个位置。同样，阀转子可 以选择地可放置在所述第二和第三位置之间的多个位置。阀转子可以选择地可放置在所述第一、第二和第三位置之间的任意位置。阀转子可以包括用于阻挡或者至少部分阻挡第一和第二旁通出口端口的弧形表 面。所述弧形表面可以形成圆柱体的一部分。阀转子可以具有用在主入口端口、和主出口 端口与第一旁通出口端口中的一个或者两个之间提供气流连通孔，以及与孔连通且在第三 位置中与第二旁通出口端口对齐的凹部，以便在主入口端口和第二旁通出口端口之间提供 连通。转子可以是具有轴线的圆柱体形式，其限定转动轴线并且具有切除的部分来限定孔。阀转子可以是筒或者圆柱体的形式。凹部，可以是限定在圆柱体的表面中的凹槽形式，轴向地偏离阀转子转动轴线的 方向上的孔。凹槽可以在基本上平行于转动轴线的方向上延伸并且它可以通过弧形表面限定。第二旁通出口端口可以具有比入口端口或者第一旁通出口端口小的最大流动面 积。主排气流动路径的中间部分可以与第一旁通出口路径连通。特别地，在中间主排 气流动路径和第一旁通出口路径之间存在交界点，所述交接点位于第一涡轮机的下游且位 于第二涡轮机的上游。排气流控制阀可以容纳在第二涡轮机壳体内。阀可以被操作移动到排气加热模式，其中第二旁通出口端口被阀阻挡，第一旁通 出口端口至少部分地被阀阻挡并且主出口端口至少部分地被阻挡。在这个位置，随着燃料 被供给发动机，排气温度能够升高。阀转子可以绕所述轴线转动进入多个位置中的一个，在 所述位置中，第一旁通出口端口至少部分被阻挡，且每个主出口端口至少部分被阻挡来调 节排气加热效果。阀可以被操作移动到发动机制动模式，其中主入口端口至少部分地被阻挡并且发 动机未被点火。这在排气中产生背压。阀转子可以绕所述轴线转动进入多个位置中的一 个，在所述位置中，入口端口至少大部分被阻挡，且至少一个其它端口至少部分被阻挡来调节制动效果。主入口端口可以完全被阻挡。阀转子可以容纳在单独的或者与第一和第二涡轮机壳体任意一个成为一体的壳 体中。第一和第二涡轮机可以具有公共的涡轮机壳体，阀转子容纳在位于第一涡轮机入 口上游的所述公共的涡轮机壳体中。为了绕所述轴线转动，阀转子可以在它的第一和第二端转动地被支撑。电的、气压 的、液压的或者其它形式的致动器可以提供来实行阀转子的转动。例如，回转阀或者致动器 可以适于接收来自控制器例如电子控制装置(EOT)的控制信号。涡轮增压器系统可以包括至少一个来自下述组的传感器，用于监控或者监测第一 涡轮机和/或第二涡轮机的转速的传感器，用于监控或者监测由第一和/或第二涡轮机产 生的增压的传感器；用于监控或者监测在排气旁通路径中的背压的传感器；用于监控或者 监测回转阀室中的压力的传感器；用于监控或者监测与涡轮增压器系统可操作地连接的发 动机转速的传感器；以及用于监控或者监测作用在与涡轮增压器系统可操作地连接的发动 机上的负载的传感器。根据本发明的包括涡轮增压器系统的涡轮增压内燃机可以包括排气再循环系统， 所述排气再循环系统包括从排气侧到发动机的空气入口侧的再循环气体流动路径，和设置 在所述路径中用于控制到发动机空气入口侧的排气再循环的排气再循环阀，其中回转阀被 操作调节排气流背压从而帮助排气再循环。本发明还提供了一种涡轮增压器，包括安装用于在由涡轮机壳体限定的涡轮机腔 室中转动的涡轮机叶轮，限定第一入口通道的壳体，与所述涡轮机腔室连通的第二通道，第 一旁通通道和第二旁通通道，所述第一和第二通道以及第一和第二旁通通道相交在一个交 界点，其中回转阀设置在所述交界点，回转阀包括可绕阀轴线转动的阀转子，从而有选择地 允许或者阻止来自入口通道的排气流通向第一和第二旁通通道。第一涡轮增压器可以包括安放在第一空气通道中的第一空气压缩机，且第二涡轮 增压器可以包括安放在位于所述第一压缩机上游的所述第一空气流动通道中的第二空气 压缩机。旁通空气流动通道可以与位于第一空气压缩机上游的第一空气流动通道连通，且 空气流动旁通阀可以被操作以控制通过第一压缩机和旁通空气流动通道的空气流。本发明还提供了运行根据本发明的涡轮增压器系统的方法。操作模式可以包括用 于控制到第一和第二涡轮机的排气流的常规点火模式，操作回转阀来在排气系统中提供制 动背压的制动模式(非点火模式)，和操作阀来限制排气流从而加热排气流的排气加热模 式(点火操作模式)。在排气加热模式中，涡轮增压器系统可以是包括排气后处理系统的系 统的一部分。根据本发明的一个方面，提供了一种运行如上所述涡轮增压器系统的方法，该方 法包括i)在第一模式下操作阀从而使所有排气流转向通过第一涡轮机；ii)在第二模式 下操作阀从而容许至少一部分排气流旁通过第一涡轮机；和iii)在第三模式下操作阀从 而容许排气流旁通过第一涡轮机，并且还容许至少一部分排气流旁通过第二涡轮机。在所述第二模式中，阀可以被操作来调整容许旁通过第一涡轮机的排气流量。阀可以在所述第三模式下操作来控制由第二涡轮增压器产生的增压。当由第二涡轮增压器产生的增压达到预设的极限值时，阀可以在所述第三模式下操作从而容许排气流旁通过第二涡轮机。阀可以在所述第三模式下操作来控制第二涡轮增压器的转速。当由第二涡轮增压器的转速达到预设的极限值时，阀可以在所述第三模式下操作。


本发明的具体实施例现在将参照附图仅通过举例的方式来进行描述，其中图1是根据本发明的第一实施例的两级涡轮增压系统的示意图；图2是根据本发明的实施例的阀转子透视图；图3a_;3e是通过图1的两级涡轮增压系统的废气控制阀的横截面示意图，示出了 图2中的阀在系统运行的不同模式下对应的不同位置；图4是根据本发明的两级涡轮增压系统的透视图；图5是图4中的系统的部分透视图，示出了一个腔室，图2中的阀转子可转动地设 置在其中；且图6a和6b是图5的端视图，其中阀转子在合适的位置并且部分地切开来显示出 废气门通道，示出阀转子在不同的位置。
具体实施例方式首先参看图1，示意性地示出的连续两级涡轮增压系统包括相对小的高压(HP)涡 轮增压器1和相对大的低压(LP)涡轮增压器2，串联地连接到内燃机(未示出)例如柴油 机的排气歧管3上。高压涡轮增压器1包括相对小的废气涡轮机4和相对小的压缩机5。 低压涡轮增压器2包括相对大的废气涡轮机6和相对大的压缩机7。排气流量控制阀8位于低压涡轮增压器2的低压涡轮机壳体9内(参见图4-6)， 用于控制到低压涡轮机入口的排气流。排气流控制阀8通过三种可能的流动路径10、11、12 可操作地控制来自歧管3的排气流。第一、主要的排气流动路径10将排气从排气歧管3通 过高压涡轮机4和控制阀8传送到低压涡轮机入口路径13。第一旁通流路径11将排气从 排气歧管3仅通过阀8传送到低压涡轮机入口路径13，从而从高压涡轮机4旁通通过。第 二旁通流路径12将排气从排气歧管传送到低压涡轮机6的排气口路径14，从而以废气门的 方式从高压和低压涡轮机旁通通过。在排气口路径14中的排气(离开低压涡轮机6或者流过旁通流路径1 可被供 给可包括常规的排气后处理系统15的常规的排气系统。后处理系统15可能是各种类型的 后处理系统中的一种，包括通常为本领域技术人员所公知的常规的系统。考虑的后处理系 统类型包括那些设计成能去除颗粒、氮氧化合物、及其他的被调节的排放物。如下面更详细地描述，根据本发明的控制阀8可操作的允许/阻止(并且调整)从 主要流动路径10或者第一旁通路径11到低压入口 13的排气流。它还可操作以允许/阻 止(并且调整)经由第二旁通路径12到低压涡轮机排气出口路径14的排气流，从而允许 一些或者所有的排气以废气门的方式旁通过高压涡轮机4和低压涡轮机6。涡轮增压系统将给发动机(包括任何合适的后冷却器)的压缩空气经由进气口 16 传送给低压压缩机7。流控制阀17位于低压涡轮增压器2的压缩机7和高压涡轮增压器1的压缩机5之间，从而控制从低压压缩机出口路径18到发动机(后冷却器等)的流。气流 控制阀17，例如可以是常规的蝶形阀(或者其他的阀门类型，诸如回转阀、门阀、瓣阀、提升 阀等等)，可操作地控制空气流沿着两个可能的流动路径，经过高压压缩机5的第一流动路 径19、和允许气流旁通过高压压缩机5的第二旁通流动路径20。气流控制阀17因此能被 控制(例如通过发动机管理系统电子控制装置-ECU)以允许气流旁通过高压涡轮增压器1， 同时当排气控制阀8操纵到低压涡轮增压器2的排气流旁通过高压涡轮增压器1。在下面 将进行更详细地描述。在图1中，排气控制阀8在横截面示意图中示出。阀8在图2中详细地示出并且 包含具有主体22和末端短轴23的阀转子21，阀转子21绕在基本上为柱形的阀室24(在 图4和5中详细地示出)内的中央纵轴X转动，所述阀室被限定在低压涡轮机壳体9内，在 位于通向低压涡轮机入口 13的通道、从高压涡轮机4的主排气流动路径10和从排气歧管 3的旁通流路径11、12的会合点处。轴线X通常横向延伸到流动路径10、11和12。阀转子 21的主体22被构造成切去的圆柱体，切掉部分在阀室M中限定出阀门通道25。转子的径 向外表面沈形成圆柱状弧，使得在柱形阀室M内部可自由地转动。阀的通常形态有时被 认为是转阀或者筒阀。短轴23的一端具有变小的直径并具有用于与合适的致动器联接的平面23a(未在 图2中示出)。切除的阀通道25是在轴向上偏移，沿着在每端留下圆柱部分2 和22b的 主体22。部分2 相对粗并且在其外表面上具有凹槽27，也就是说与阀门通道25流通并 且能够被认为是所述通道的延伸。 阀转子21绕轴X的转动使得阀门通道25转动，并且使得转子外表面沈与路径10、 11和12的阀口分别对准，从而部分地或者完全地阻挡气流通过相应的口 /路径的流。阀转 子19的转动有效地使阀门通道25或者凹槽27转动进入带有口的寄存器，从而允许排气流 沿着一个或多个排气流路径10、11和12通过阀室M，或者完全地阻止气流通过阀室24。用于将阀转子21安装在阀室M内的适当的轴承装置(未示出)、和适当的阀致动 机构(未示出)对于本领域技术人员是公知的。例如致动器可以是电致动器，例如步进电 动机或者其他的旋转电致动器，或者可以包括气压的或者液压致动器或者任何其他形式的 致动器。致动器可以直接连接到一个阀转子短轴23，或者连接到可以从轴中的一个延伸出 的阀转子轴(未示出)上。致动器可以直接连接到转子或者经由齿轮箱等等连接到转子。 各种可能的联接装置对于称职的本领域技术人员来说是显而易见的。阀转子的移动和定位一般地通过ECU根据一种或多种控制方式控制。例如阀的位 置可以对应发动机转速和/或负荷、高压和/或低压涡轮机的速度、或者通过涡轮增压器系 统在发动机进气歧管处产生的增压来进行控制。包括排气控制阀8的涡轮增压系统的示范性的工作方式将参照图3a到；^在下面 进行描述。在这些图中，阀转子21和阀室M以横截面图示意地示出。阀室M具有四个 口，单个入口 30和三个出口 31、32、33。入口与发动机排气歧管3连通。第一出口 31与位 于高压涡轮机4的上游的主排气流动路径10连通。第二出口 32与高压涡轮机4的下游而 不是低压涡轮机6的上游的第一旁通路径11连通。第三出口 33轴向地偏离开头两个(因 此用虚线表示)并且与低压涡轮机6下游的第二旁通路径12连通。首先参照图3a，它显示了阀转子21的位置，并且阀门通道25适合于当排气质量流量低时在低发动机转速和/或负荷下进行排气流控制。第二和第三出口(用于第一和第二 旁通排气流动路径)32、33由阀转子21的外表面沈封闭，从而来自发动机歧管3的所有排 气流沿着主排气流动路径10流动到高压涡轮机4的入口，然后通过低压涡轮机。气流旁通 阀17也被封闭或者大致地封闭，从而使得气流通过高压压缩机5 (实际上在涡轮机旁路封 闭之前封闭压缩机旁通阀17，有益于给高压压缩机5提供负载，当涡轮机旁路封闭时防止 了高压涡轮增压器超速)。相对小尺寸的高压涡轮机4意味着流过它的气体达到了比较高 的速度，因而使得涡轮机4(和必然有的高压压缩机幻在相对高的转速下转动，因此尽管有 相对低排气质量流量，也能产生相当大的增压。相对大尺寸的低压涡轮机6意味着几乎不 转动以便低压压缩机7仅产生临界增压。阀转子21在图3a中示出的位置中，在高压和低压涡轮机4、6之间的功分界线是 相应的每个涡轮机流动面积的函数。高压涡轮机4提供大多数的功并且在比大的低压涡轮 机6更高的膨胀率下运行。如果具有在图3a中示出的部分中的阀转子，发动机转速和/或 负荷增加，两个涡轮机的膨胀率将增加，但是高压涡轮增压器1将继续提供大部分增压(假 设没有超过其有效膨胀率极限)。当发动机转速和/或负荷增加时，阀转子21可以转动到遮住部分，或者全部的用 于第一旁通排气路径11的第二出口 32，从而允许至少一部分排气流旁通过高压涡轮机4。 图北示出了阀转子转动到的位置，其中排气旁通气体路径11的第二出口 32几乎完全地敞 开，但是用于第二排气旁通气体路径12的第三出口 33保持盖上。通过控制阀转子21的位 置在两个末端(出口 32如图3a所示的完全闭合，和转子相比于图北所示的位置按顺时针 方向稍稍转动地完全打开)之间，可能根据本发明调整通过旁路气体路径11的旁路气流。 例如，当发动机转速开始从低速和/或负荷条件下升高时，阀转子21可以转动到开始打开 第二出口 32，从而允许一些排气流旁通过高压涡轮机4，以便当发动机转速和/或负荷升高 时通过低压涡轮增压器2增加做功量。阀转子21的精确位置能够根据各种不同的操纵控制策略来控制。例如，可以操作 阀8来使得通过高压涡轮机4保持一个具体的膨胀率，要么使高压涡轮机4保持恒定膨胀 率，要么在发动机的具体的工作条件下保持为一个可接受范围内的膨胀率。为了保持高压 涡轮机转速在某一范围内，或者低于某一最大值来防止超速，阀8能够替代地或者另外运 转。根据另一个可能的控制策略，阀8能够运行在发动机进气歧管处产生一个期望的增压 或者保持增压在一个期望的范围内(例如高于最小值和/或低于最大值)。给ECU提供适 当的控制信号的适当的传感器的设置是直接的，例如涡轮增压器速度或者增压传感器，其 能被称职的本领域技术人员所理解。传感器可以一般地包括传感器，它们用于监控发动机 转速和/或负荷、涡轮增压器速度、由每个涡轮增压器产生的增压、在发动机进气口产生的 增压和在位于控制阀8的上游的排气流路径中产生的背压。当发动机转速和/或负荷升高并且阀转子21朝着图北所示的位置转动地更多 时，其中第一旁通气体路径11完全地打开，低压涡轮增压器2所做的功相对于高压涡轮增 压器1增加。依靠用于旁路排气流的调节的具体控制策略，当通过较大的低压涡轮机6的 膨胀率增加时，涡轮增压器系统的总压比可以例如上升或者保持恒定。能够理解，当用于旁通排气路径11的第二出口 32通过阀转子21的转动而打开 时，由于低压压缩机提供增压的增加量，高压压缩机旁通阀17也可以打开。当旁路排气路径11依靠用于控制阀8和旁通阀17的具体控制方式打开时，由涡轮增压系统产生的总的 增压可以上升或者可以保持恒定。在高的发动机负荷和/或转速下，阀转子21移动到图北所示的位置，其中第一旁 路排气路径11几乎完全地打开或者稍稍又按顺时针方向移动以便完全地打开。涡轮增压 系统也有效地作为单级涡轮增压器系统具有实际上由大的低压涡轮增压器2现在所做的 所有功。此时高压压缩机旁通阀17 —般地完全地打开旁通过高压压缩机5。然而，当存在 由流动通道10和11的相对的尺寸所决定的其间的压差时，仍然有一些排气流通过高压涡 轮机4。虽然这产生了可以忽略的功，然而保证了高压涡轮机4继续转动，当发动机条件变 化时在高压涡轮增压器1中几乎没有增压涡轮滞后的情况下来帮助提供一个功的平稳传 输，并且阀8被操作地减少了旁通流，传输压缩功回到高压涡轮增压器1。图3c示出了阀转子21转动到的位置，其中第一旁通路径11保持完全地打开并且 凹槽27与第三出口 33对齐以便第二旁通路径12也完全地打开。应当理解，通过控制阀转 子21的精确位置来改变出口 33未遮住的程度(例如在图北和3c之间)，第二旁通路径 12的端口能够按要求被控制，从而限制由低压涡轮机6所做的功并且因此限制低压压缩机 7的增压。第二旁通路径12从而提供一个废气门的选择权，其中气体旁通过涡轮增压器1、 2两者。应当理解，阀转子21可以这样被放置以使得端口 33部分地打开，以便废气门旁通 路径12不能使得整个排气流通过，从而允许一些排气流向低压涡轮机6来产生所需要的增 压。相对于图3a和北所进行的如上所述阀的操作，阀转子21的位置可以经由ECU根据任 何适当的操作方式来进行控制。本发明从而提供了一个包括排气流控制阀8的多级涡轮增压器系统，能够在不同 的工作条件下并且根据各种的可能的控制方式精确地操作来调整到高压和低压涡轮增压 器1、2的排气流。高压涡轮机旁通阀和低压涡轮机废气门的功能合并成单个控制阀。这可 以被认为是根据本发明的涡轮增压系统的常规点火模式。根据本发明，涡轮增压系统可以 在一些实施例中在两个进一步的模式中的一个或者两个中运行，即发动机制动模式和排气 加热模式。各种形式的发动机制动系统广泛地适用于车用发动机系统，尤其适用于给例如卡 车的大的车辆提供动力的压燃式发动机(柴油发动机)。发动机制动系统可以用于增加作 用于车轮的常规摩擦制动器的效果，或者，在一些情况下，可以使用但不依赖于正常的车轮 刹车系统，例如控制车辆的下坡速度。在一些发动机制动系统中，制动器被设置成当发动机 节流阀门关闭时(也就是当司机将他的脚从节流阀踏板上抬起时)自动地触发，在其它发 动机制动中可以需要由司机手动操作，例如压下分离刹车踏板。在常规的发动机制动系统的一种形式中，在排气管中的排气阀被控制，当需要制 动时基本上阻止发动机排气流。通过产生高的背压来产生发动机制动扭矩，这增加了在排气冲程期间在发动机活 塞上所做的功。根据本发明的实施例，排气流控制阀8能够被操作来提供排气制动从而避免必须 提供一个专门的排气制动阀。当根据本发明以发动机制动模式操作排气控制阀8时，阀转 子21顺时针方向转动来阻挡发动机排气歧管3的端口 30，和至少部分地阻挡通向高压涡轮 机4的入口的端口 31，如图3d所示。阻挡高压涡轮机4的入口阻挠了排气流通过涡轮增压器系统从而产生用于发动机制动的背压。产生的背压量能够通过适当的控制阀转子21的位置来改变阀口 30(因此流向高 压涡轮机4)被阻挡的程度来进行调整。可优选提供用于漏流的路径来防止背压超过期望 极限。因为如图北所示在制动模式中阀转子21完全地阻止了通往到高压涡轮机4的入口 的流，在发动机制动模式中任何通过涡轮增压器系统的气流将仅流过低压涡轮机。这确保 了在排气制动期间减少了产生的增压，并且也确保了高压涡轮增压器1不会超速，记住当 车辆下坡行驶很长的距离在这期间发动机仅仅负载很少的负荷但是能够达到非常高的发 动机转速的时候，经常应用排气制动。在发动机制动模式中也可能通过在相反方向上转动 转子21来操作控制阀8，以便阻挡第二出口 32，并且至少部分地阻挡端口 31以引导气流进 入高压涡轮机4的入口。然而制动是不期望的，因为高压涡轮机可能产生不需要的增压，并 且存在高压涡轮机超速的潜在危险。然而排气制动模式一般地是非点火操作模式(在排气制动期间无燃料提供给发 动机)，控制阀8也可以被操作在点火模式中(燃料提供给发动机用于与其结合)限制排气 流来升高废气温度以便恢复催化排气后处理。催化排气后处理系统性能与穿过它的排气的温度直接相关。为了达到预期的 性能，排气温度必须高于在所有的发动机操作条件和环境条件下的阈温(一般地处于约 250°C到370°C范围内)。低于阈温范围的后处理系统的运行将导致后处理系统增加了不希 望的堆积，这必须在再生循环中燃尽来允许后处理系统回到设计的性能水平。此外，低于阈 温且没有再生的后处理系统的长时间运行将使后处理系统无法使用并且导致发动机变得 不符合政府废气排放规范。例如对于大多数柴油机的工作范围来说，排气温度通常高于所需的阈温。然而在 一些条件中，例如轻负荷条件和/或冷的周围温度条件下，排气温度经常能够低于阈温。在发动机操作条件下例如轻负荷条件中，其中排气温度可以另外降到低于所需阈 温，排气控制阀能够以排气加热模式运行来限制排气流从而减小空气流冷却效果并且增加 排气温度。图3e示出了适合于排气加热的转子的位置，其处于发动机的点火运行模式。这里 转子21放置成阻挡大部分通过端口 31通往高压涡轮机4的排气流，并且阻挡通过出口 32 通往低压涡轮机6的旁通路径11的气流。同时压缩机旁通阀17可以被关闭以便进入的空 气流过高压压缩机。用这种方法操作阀的效果是对于任何假设的燃料供给水平减少通过发动机的气 流(同时保持足够的空气流用于燃烧)，以便增加排气温度例如到催化排气后处理系统的 有效的运行和再生所需的或者分离再生运行所需的水平。如上所述，这在例如轻负荷条件 和/或冷的周围温度条件这样的状况下是适当的。热效应能够通过阀体21的精确控制从 而改变通向高压涡轮机入口的出口 31的阻挡程度来进行调整。当排气控制阀8在其他的运行模式下运行时，阀8的排气加热运行模式一般地通 过E⑶控制。例如，后处理系统可以包括温度检测器，用于确定系统内的温度。温度检测器 可以通过传感器直接确定温度，或者可以通过计算和/或以一种算法或者软件程序来迭代 确定温度。温度检测器可以确定系统内的温度并且提供信号给ECU从而帮助控制排气控制 阀8来根据需要实行排气温度的变化。温度的确定在后处理系统本身内进行，或者在其他的位置例如低压涡轮机的出口处进行。温度的确定可以按规律的时间间隔进行，例如多个密集的时间间隔，或者例如能 够有效地持续进行。ECU可以编程序，无论何时排气系统中的温度确定低于阈温时，在排气 加热模式下操作排气控制阀8。相互连接的高压和低压涡轮增压器1、2的示意性实施例在图4中示出。在图5中 更详细地示出的阀室M与专门改造的低压涡轮机壳体9 一体成型，并且具有安装在一侧的 致动器35用于与阀转子21连接(在图4中为了清楚而被移除)。接收来自发动机排气歧 管3的排气的入口 30被示出是打开的，并且具有法兰36用于连接到合适的管(未示出)。 高压和低压涡轮机4、6通过管37互相连接，所述管在第一出口 31和高压涡轮机入口 38之 间延伸，并且从而成为主排气路径10的一部分。第二出口 32在直径上与入口 30相对并且 与低压涡轮机6的入口 13连通。第三出口 33与第一出口 31并排布置但是从那里轴向地 偏移，并且通向限定在低压涡轮机壳体中的废气门通道39，并且成为通向低压涡轮机的排 气出口 14的旁通路径12的一部分。这个通道在图6a和6b的剖视图能够看到，其中阀转 子21在阀室M中示出。高压涡轮机4具有排气出口，也就是说通过管40连接到低压涡轮 机6的入口 13。图6a和6b示出了在第一位置和第二位置之间的阀转子21的旋转，其中第一位置 对应于图北中的位置，在图北中与废气门通道39(成为第二旁通路径12的一部分)连通 的端口 33关闭，第二位置对应于图3c中的位置，在图3c中阀转子21中的凹槽27与端口 33对齐以便为来自入口 30的排气流打开废气门通道39，从而允许它旁通过高压和低压涡 轮机4、6。本发明的涡轮增压器系统还可以被操作来帮助排气再循环(EGR)。在EGR系统中， 来自排气歧管的一部分排气再次引入发动机的进气歧管用于进一步燃烧，目的在于减少发 动机排出物。EGR再循环路径允许一部分排气通过EGR冷却器流入发动机的进气歧管。通 过排气再循环路径的气流通过EGR控制阀来控制。EGR控制阀可以是通常用于这样一个应 用中的各种常规型中的任何一个，包括蝶形阀、瓣阀、回转阀等等。对于现代的高效率的涡轮增压器系统，进气歧管的增压往往能够在排气歧管处超 过排气压力，使得再循环排气再次引入进气歧管，例如这样存在需要专门的EGR泵等等问 题。在本发明中，排气控制阀能够以这样的方式运转，从而有效地使涡轮增压的效率减小到 低于能够实现任何给定的发动机工作条件下的最大值以便保持背压在一个必需的程度便 于排气再循环。换句话说，排气控制阀8可能以这样的方式运行从而使得用于排气再循环 的发动机进气口和排气歧管条件最优，以便减少排放物同时使得较佳燃料消耗的空气燃料 比最小。所述阀适合位于或者接近于低压涡轮机的壳体。应当理解，在本发明替换的实施 例中，排气流控制阀可以容纳在分离阀套中，所述分离阀套不是两个涡轮增压器任何一个 的一部分。这样的实施例例如将允许将用于两级涡轮增压系统的控制阀8进行改型。在本 发明的其他实施例中，排气流控制阀例如能够容纳在高压涡轮机壳体内。在又一个其它实 施例中，高压涡轮机和低压涡轮机可能合并成一个共同的壳体，排气控制阀位于所述共同 的涡轮机壳体内。涡轮机可以是固定的或者可变几何形状类型。可变几何形状涡轮机与固定几何形状涡轮机的不同之处在于，入口通道的尺寸能够被改变使得气流速度在质量流量范围内最 优，以便涡轮机的功率输出能够改变从而适应变化的发动机需求。例如，当传输到涡轮机的 排气量相对低的时候，通过减小环形入口通道的尺寸使得到达涡轮机叶轮的气体速度保持 在确保涡轮机有效运行的水平。配有可变几何形状涡轮机的涡轮增压器被认为是可变几何 形状涡轮增压器。在一种公知的可变几何形状涡轮机类型中，轴向可动壁元件限定了入口通道的一 个壁。该元件相对于入口通道的相对壁的位置是可调整的从而控制入口通道的轴向宽度。 从而，例如，当通过涡轮机的气流减小时，入口通道宽度可以减少从而保持气体速度并使涡 轮机输出最优。涡轮机的可变几何形状机构可以包括一排叶片用于引导气流进入涡轮机叶 轮，在本领域中通常被称为“喷嘴环”。这样的叶片可以相对于具有孔的覆板随着可动壁元 件移动，叶片收容在这些孔中，或者它们可以相对于涡轮机壳体固定，并且可动壁元件可以 以罩件的形式存在，从而替换这些叶片。另一个公知的可变几何形状涡轮机的类型是“摆动叶片”类型。这包含了可变导 流叶片排，其具有位于涡轮机入口通道的可调导流叶片。每个叶片绕相应的枢轴枢转，所述 枢轴延伸穿过入口与涡轮机轴平行。提供一个叶片致动机构，所述叶片致动机构与每一叶 片连接并且在某种意义上是可替换的，其使得每一叶片一致移动，这种移动使得入口的横 截面积以及燃气轮机叶轮的进入角能被控制。虽然包含固定几何形状涡轮机的两级涡轮增压系统可以在某些方面提供相对复 杂和昂贵的可变几何形状涡轮增压器的替换使用，根据本发明的两级涡轮增压系统的涡轮 增压器的一个(或者两个)能够是(所有类型的)可变几何形状涡轮增压器。可以期望例 如进一步改进对涡轮增压系统的控制以及在很宽的发动机条件范围内优化涡轮增压性能 的能力。在上面描述的本发明的实施例中存在单个高压涡轮机。然而，应当理解根据本发 明的涡轮增压系统能够例如包括两个平行的高压涡轮机。例如，两个高压涡轮机中的每一 个能够接收来自多缸发动机的相应汽缸组的排气(例如每个接收来自设置成“V”型的发动 机的一组的排气)。包含多于一个的高压涡轮机的实施例中，高压涡轮机能够与共同的高压压缩机连 接或者与单独相应的高压压缩机连接。替代地，与其提供两个单独的高压涡轮机来接收来自两个单独组的发动机气缸的 排气流，不如根据本发明在涡轮增压器系统中包括单个双平行平巷布置(twin entry)的高 压涡轮机。而且，在根据本发明的包括一个或多个高压涡轮机的涡轮增压器系统中，每个高 压涡轮机能够设置成双平行平巷布置的涡轮机。同样地，应当理解，根据本发明的涡轮增压系统能够具有多于一组顺序连接并行 操作的涡轮增压器。例如，如上所述第一涡轮增压系统通常能够接收来自多汽缸的内燃机 的第一组汽缸的排气流，并且如上所述连续的第二涡轮增压装置能够接收来自多汽缸的内 燃机的第二组汽缸的排气流(每个“组”能够包括单个汽缸)。应当进一步理解，本发明不局限于两级连续的涡轮增压系统，而是能够概括在包 含多于两个串联的涡轮机级的涡轮增压系统中。如上所述本发明的其他的应用以及修改对于称职的本领域技术人员来说是显而易见的。 所描述和示出的实施例被认为是说明性的并非在性质上进行限制，应当明白仅有 最优的实施例被示出并且进行了描述，所有如在权利要求中限定的本发明的范围之内变化 和修改期望被保护。应当明白虽然在说明书中采用了例如“可优选的”，“优选地”，“优选” 或者“更优选”这些词语表明如此描述的特征是期望的，然而可以是不必需的而且缺乏这样 的特征的实施例可以认为包含在在附加的权利要求中限定的本发明的范围内。对于权利要 求，当在一个特征前面采用例如“一个”，“至少一个”，或者“至少一部分”这些词语时，并不 意欲将该权利要求仅仅限制为一个这样的特征除非在权利要求中特别说明不同。当采用 “至少一部分”和/或“一部分”这种词语时，该对象能够包括一部分和/或整个对象除非具 体地说明不同。
权利要求
1.一种涡轮增压器系统，包括主入口和排气出口，主入口用于与发动机的排气岐管连通； 相对小的第一涡轮增压器，具有包括入口和出口的第一涡轮机； 相对大的第二涡轮增压器，具有包括入口和出口的第二涡轮机； 主排气流路径，包括用于将排气传送到第一涡轮机入口的入口部分和用于将来自第一 涡轮机出口的排气传送到第二涡轮机的入口的中间部分；第一旁通流动路径，与主入口和第二涡轮机的入口连通从而旁通第一涡轮机；第二旁通流动路径，与主入口和排气出口连通从而旁通第二涡轮机；和排气流控制阀，能够操作以i)有选择地允许或者阻止排气流通过主排气流路径； )有选择地允许或者阻止排气流通过第一旁通路径；和iii)有选择地允许或者阻止排气流通过第二旁通路径。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中排气流控制阀位于主排气流路径的入口 部分中，以便通过允许或者容许气流通过主流动路径的入口部分，允许或者容许气流通过 主流动路径。
3.如权利要求2所述的涡轮增压器系统，其中排气流控制阀包括 主入口端口，与主入口连通；主出口端口，与主流动路径的入口部分连通； 第一旁通出口端口，与第一旁通路径连通；和 第二旁通出口端口，与第二旁通路径连通。
4.如权利要求3所述的涡轮增压器系统，其中阀以第一模式、第二模式和第三模式运 行，以第一模式运行以阻止气流通过第一和第二旁通出口端口，在第二模式下允许气流通 过第一旁通出口端口以容许排气流的至少部分仅旁通第一涡轮机，在第三模式下允许气流 通过所述第二旁通出口端口以容许排气流的至少部分旁通第一和第二涡轮机两者。
5.如权利要求4所述的涡轮增压器系统，其中在所述第三模式中允许排气流通过第一 和第二旁通出口端口。
6.如权利要求4或5所述的涡轮增压器系统，其中当在所述第二模式下运行时，第一旁 通出口端口至少部分地未被阻挡，而第二旁通出口端口完全被阻挡。
7.如权利要求4到6任一所述的涡轮增压器系统，其中在所述第三模式下，第一旁通出 口端口完全地未被阻挡，而第二旁通出口端口至少部分地未被阻挡。
8.如权利要求7所述的涡轮增压器系统，其中在所述第三模式下，第二旁通出口端口 完全地未被阻挡。
9.如权利要求4到8任一所述的涡轮增压器系统，其中在所述第一、第二和第三模式下 的每一个中，主入口端口至少大致未被阻挡。
10.如权利要求3到9任一所述的涡轮增压器系统，其中排气流控制阀是包括阀转子 的回转阀，阀转子能够绕阀轴线转动以选择地阻挡或者不阻挡所述第一和第二旁通出口端
11.如权利要求10所述的涡轮增压器系统，其中阀转子能够在第一位置、第二位置和 第三位置之间转动，其中，在第一位置中，第一和第二旁通出口端口都完全被阻挡；在第二2位置中，第一旁通出口端口未被阻挡而第二出口端口被完全阻挡；在第三位置中，第一旁通 出口端口未被阻挡而第二旁通出口端口至少部分地未被阻挡。
12.如权利要求11所述的涡轮增压器系统，其中当转子处于所述第三位置时，第二旁 通出口端口完全未被阻挡。
13.如权利要求11或12所述的涡轮增压器系统，其中转子选择地可放置在所述第一和 第二位置之间的多个位置。
14.如权利要求11到13任一所述的涡轮增压器系统，其中阀转子选择地可放置在所述 第二和第三位置之间的多个位置处。
15.如权利要求11到14任一所述的涡轮增压器系统，其中所述阀转子选择地可放置在 所述第一、第二和第三位置之间的任意位置处。
16.如权利要求10到15任一所述的涡轮增压器系统，其中阀转子包括用于阻挡或者至 少部分阻挡第一和第二旁通出口端口的弧形表面，用在主入口端口和主出口端口与第一旁 通出口端口中的一个或者两个之间提供气流连通的通过转子的孔，以及与孔连通且在第三 位置中与第二旁通出口端口对齐的凹部，以便在主入口端口和第二旁通出口端口之间提供 连通。
17.如权利要求16所述的涡轮增压器系统，其中凹部在阀转子的转动轴线的方向上偏 离所述孔。
18.如权利要求3到17任一所述的涡轮增压器系统，其中第二旁通出口端口具有比入 口端口或者第一旁通出口端口小的最大流动面积。
19.如权利要求3到18任一所述的涡轮增压器系统，其中主排气流动路径的中间部分 与第一旁通出口路径连通。
20.如前面权利要求任一所述的涡轮增压器系统，其中排气流控制阀容纳在第二涡轮 机壳体内。
21.如权利要求3到20任一所述的涡轮增压器系统，其中阀可操作以移动到排气加热 模式，其中第二旁通出口端口被阀阻挡，第一旁通出口端口至少部分地被阀阻挡并且主出 口端口至少部分地被阻挡。
22.如权利要求3到21任一所述的涡轮增压器系统，其中阀可操作以移动到发动机制 动模式，其中主入口端口至少部分地被阻挡。
23.一种运行根据前面权利要求任一所述的涡轮增压器系统的方法，该方法包括i)在第一模式下操作阀以使所有排气流转向通过第一涡轮机； )在第二模式下操作阀以容许至少一部分排气流旁通第一涡轮机；和iii)在第三模式下操作阀以容许排气流旁通过第一涡轮机，并且还容许至少部分排气 流旁通第二涡轮机。
24.如权利要求23所述的方法，其中在所述第二模式中，阀被操作以调整容许旁通第 一涡轮机的排气流量。
25.如权利要求23或M所述的方法，其中阀在所述第三模式下操作以控制由第二涡轮 增压器产生的增压。
26.如权利要求25所述的方法，其中当由第二涡轮增压器产生的增压达到预设的极限 值时，阀在所述第三模式下操作以容许排气流旁通第二涡轮机。
27.如权利要求23到沈任一所述的方法，其中阀在所述第三模式下操作以控制第二涡 轮增压器的转速。
28.如权利要求27所述的方法，其中，当第二涡轮增压器的转速达到预设的极限值时， 阀在所述第三模式下操作。
29.一种在发动机制动模式下运行如权利要求1到22任一所述的涡轮增压器系统的方 法，其中阀被操作以占据主入口端口至少部分被阻挡的位置。
30.一种在排气加热模式下运行如权利要求1到22任一所述的涡轮增压器系统的方 法，其中阀被操作以占据第二旁通出口端口被阻挡、第一旁通出口端口至少部分被阀阻挡、 且主出口端口至少部分被阻挡的位置。
全文摘要
本发明公开一种涡轮增压器系统，包括相对小的第一高压(HP)涡轮增压器和相对大的第二低压(LP)涡轮增压器。低压涡轮增压器的涡轮机串联连接高压涡轮增压器的涡轮机的下游。第一排气旁通流动路径设置围绕高压涡轮机的旁通流动路径。第二排气旁通流动路径设置围绕低压涡轮机的旁通流动路径。回转阀位于第一和第二旁通流动通路和第一排气流动通路的交界处。回转阀包括阀转子，其选择地转动以允许或者阻挡通向低压涡轮机的气流并且允许或者阻挡通向第一和第二旁通流动通路的气流。
文档编号F01L13/06GK102072011SQ201010624489
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月22日 优先权日2009年11月21日
发明者李·J·鲁宾逊 申请人:康明斯涡轮增压技术有限公司