带有可运行在单级模式或两级串联模式的压气机的涡轮增压器的制作方法

本申请总的涉及用于内燃机的涡轮增压器。

背景技术：

废气驱动式涡轮增压器采用涡轮机从来自内燃机的废气流中提取动力，并利用该动力驱动压缩器从而增加供给到汽缸的空气的压力。单级离心式压气机通常设计来产生4.0或更高的峰值压力比。然而，在一些应用中期望更高的压力比，在这种情形下，常见采用两级串联压气机。两级串联压气机具有安装在相同轴上的两个叶轮，两个叶轮有时呈背对背的构造。由第一级叶轮增压的空气被传送到第二级叶轮的进气口，在那儿空气进一步增压，然后被供给到发动机的进气歧管。利用该技术，可实现7.0或更高的峰值压力比。

两级串联压气机的一个缺点是：在具有相对高的流率但低的压力比的运行条件下，压气机的效率急剧下降。

技术实现要素：

本发明的目标是至少部分减轻两级串联压气机在大流量、低压力比条件下效率下降的问题。本公开描述了可运行在单级压缩模式或两级串联压缩模式的涡轮增压器，根据发动机/涡轮增压器的运行条件，运行的模式是可选择的。在本文描述的一个实施例中，涡轮增压器包含涡轮机，所述涡轮机包含涡轮机叶轮和涡轮机壳体，所述涡轮机叶轮被固定到可旋转的轴的一端，所述涡轮机壳体限定穿过其的轴向孔、废气进气口、环绕涡轮机叶轮的大体环形的涡轮机蜗壳和从涡轮机蜗壳引导到涡轮机叶轮中的喷嘴，其中涡轮机叶轮布置在该轴向孔中。涡轮增压器还包含压气机，所述压气机包含压气机叶轮和压气机壳体，压气机叶轮被固定到轴的相反端并被布置在压气机壳体中，压气机叶轮包含第一叶轮和第二叶轮。压气机壳体限定用于将空气引导入第一叶轮的第一空气进气口、用于将空气引导入第二叶轮的第二空气进气口、环绕第一叶轮并构造成接收由第一叶轮增压的空气的第一压气机蜗壳、构造成将增压的空气从第一压气机蜗壳引入第二空气进气口的跨接管、环绕第二叶轮并构造成接收由第二叶轮增压的空气的第二压气机蜗壳，以及构造成引导来自第二压气机蜗壳的空气并将空气引出压气机壳体用于输送到内燃机的进气歧管的空气排出管。

压气机壳体还限定从第一压气机蜗壳和跨接管中的一个延伸到空气排出管的旁通管，和布置在旁通管中的旁通阀，该旁通阀在关闭位置和打开位置之间是可移动的。关闭位置防止在第一压气机蜗壳中的增压空气沿着旁通管行进而绕开第二叶轮，而打开位置允许在第一压气机蜗壳中的增压空气沿着旁通管行进从而绕开第二叶轮。

当发动机运行条件要求中等到高的流率和来自压气机的低压力比时，旁通阀可被移动到打开位置，所述打开位置允许增压空气从第一压气机蜗壳通过旁通管直接行进到空气排出管中。因此，压气机本质上表现得同单级压气机一样，因为第二叶轮对由压气机产生的整个压力比的贡献非常小。从而在这种大流量、低压力比的条件下取得改善的效率。

在其他的运行工况中，旁通阀可被定位在关闭位置以便压气机运行在两级串联模式。

根据一个实施例，旁通阀包含蝶阀。

第一和第二叶轮可被布置成背对背的构造。第一空气进气口引导空气沿第一轴向方向进入第一叶轮，第二空气进气口引导空气沿与第一轴向方向相反的第二轴向方向进入第二叶轮。跨接管构造成将增压空气引出第一压气机蜗壳，然后大体沿着第一轴向方向穿过第二压气机蜗壳，然后进入第二空气进气口，第二空气进气口构造成大体径向向内地引导增压空气，然后使增压空气转向大体沿着第二轴向方向行进进入第二叶轮。

在一个实施例中，旁通管在跨接管和空气排出管之间延伸。替代地，旁通管可在第一压气机蜗壳和空气排出管之间延伸。

本发明可应用于多种类型的废气驱动式涡轮增压器。在一个实施例中，涡轮机的喷嘴还包含调节进入涡轮机叶轮的废气流的可调叶片组件。替代地，本发明可被应用于具有非可调的喷嘴几何形状的涡轮增压器和/或具有用于涡轮机的可调的废气门的涡轮增压器。

附图说明

已经概括地描述了本公开，现将参照附图，附图不一定按照比例绘制，并且其中：

图1是根据本发明的实施例的涡轮增压式发动机系统的示意性绘图；

图2是根据本发明的实施例的涡轮增压器的透视图，其中压气机壳体被部分移除以示出压气机的内部细节；

图3是图2的涡轮增压器的轴向截面图；

图4是沿着图3中的线4－4的截面图，其中旁通阀在关闭位置；以及

图5是相似于图4的视图，但是其中旁通阀处在打开位置。

具体实施方式

现将参照以上描述的图更详细地描述本公开，图绘出了本公开所属的发明的一些实施例但不是全部的实施例。这些发明可以以各种形式来具体化，包括未在本文中明示描述的形式，并且不应解释为限于本文中所描述的特定的示范实施例。在以下的描述中，遍及全文的同样的标号指的是同样的元件。

图1是根据本发明的一个实施例具有本发明的特征的发动机与涡轮增压器系统的示意性图示。内燃机E具有进气歧管IM和排气歧管EM。空气通过进气管ID供给到进气歧管。燃料在发动机的汽缸中与空气混合，并且混合物被燃烧，燃烧气体从汽缸排入排气歧管。废气从排气歧管被引导通过排气管ED。

系统包括用于增加输送到进气歧管的空气的压力的涡轮增压器10。涡轮增压器包含具有压气机壳体14的压气机12，所述压气机壳体14形成用于将空气引入压气机叶轮18的轴向延伸的第一空气进气口16，所述压气机叶轮18安装在压气机壳体中并固定到可旋转的轴20的一端。压气机叶轮包含第一叶轮18A和第二叶轮18B。压气机壳体限定在压气机壳体中用于将由第一叶轮增压的空气引入第二空气进气口26的跨接管24。第二空气进气口将空气引入第二叶轮，所述第二叶轮进一步使空气增压。压气机壳体限定用于将增压的空气引导到压气机壳体外、进入发动机的进气管ID的空气排出管28。通常包括中间冷却器IC用于在增压空气输送到进气歧管IM之前冷却增压空气。

涡轮增压器还包含具有涡轮机壳体44的涡轮机42，所述涡轮机壳体44限定废气进气口46，所述废气进气口46从排气管ED接收来自发动机的排气歧管的废气。涡轮机叶轮48被固定到轴20并被布置在涡轮机壳体内。废气被进给入涡轮机叶轮，所述涡轮机叶轮使气体膨胀并由气体可旋转地驱动，从而通过轴20可旋转地驱动压气机叶轮18。涡轮机壳体限定轴向孔52，已经通过涡轮机叶轮的废气通过所述轴向孔52从涡轮机壳体排出。

压气机壳体14限定旁通管30，所述旁通管30在跨接管24和空气排出管28之间延伸。旁通阀32被布置在旁通管30中。旁通阀32在打开位置和关闭位置之间是可移动的。当旁通阀32被关闭时，空气不能通过旁通管30，因此由第一叶轮18A增压的空气被引导通过跨接管24进入第二空气进气口26，并且从那里进入第二叶轮18B用于额外增压。因而，两级串联压缩发生，然后增压的空气通过空气排出管28进给以供给到发动机的进气歧管。

当旁通阀32被打开时，来自第一叶轮18A的增压空气通过旁通管30进入排出管28，而未首先通过第二叶轮18A。因此，该空气只在第一叶轮中经过了单级增压。少量的空气仍可通过跨接管进入第二空气进气口，然后通过第二叶轮。然而，通过第二叶轮的空气的量与绕过第二叶轮的量相比是微小的。因而，第二叶轮对压气机的总的压力比的贡献是微小的，因此压气机表现得同单级压气机一样。

参照图2－5，现在更详细地描述具有之前提及的特征的涡轮增压器10的实施例。如提到的，压气机叶轮包含第一叶轮18A和第二叶轮18B。压气机壳体限定接收由第一叶轮18A增压的空气的第一压气机蜗壳19A，和接收由第二叶轮18B增压的空气的第二压气机蜗壳19B。跨接管24（如在图2中最佳所见）与第一蜗壳19A连接并大体轴向地越过第二蜗壳19B（并在第二蜗壳19B的径向地向外）延伸，且与第二空气进气口26连接。第二空气进气口26大体径向向内延伸，然后转向约90度以大体轴向地延伸，以沿着与空气进入第一叶轮18A的方向相反的方向将空气引入第二叶轮18B。从而，在第一压气机蜗壳19A中的增压空气通过跨接管24被引入第二空气进气口26，并从那里进入第二叶轮18B用于进一步增压，然后被排入第二压气机蜗壳19B。空气排出管28与第二压气机蜗壳19B连接用于将空气引出压气机壳体以输送到发动机进气口。

压气机壳体限定旁通管30，所述旁通管30在一端处连接到第一压气机壳体19A，在它的相反端处连接到空气排出管28，如在图2和4中最佳所见。旁通阀32被布置在旁通管30中。在图示的实施例中，旁通管是圆的，并且旁通阀包含蝶阀，所述蝶阀具有安装在轴上的大体圆形的阀板，所述轴限定阀板旋转所绕的轴线，该轴沿着圆形阀板的直径。轴连接到布置在压气机壳体外面的柄或杆34，如图2和3中示出的。促动器（未示出）连接到杆34用于在打开位置和关闭位置之间移动阀。在图4中示出的关闭位置，圆形板垂直于旁通管30的轴线并且大致上堵塞了管，因此大致上防止空气穿过板。在图5中所示的打开位置，圆形板平行于管轴线并且仅给在管中流动的空气小的阻塞，从而允许空气绕过第二叶轮18B并直接行进到空气排出管28。将理解的是，尽管在本文所描述的特定的实施例中，旁通阀被描述成是蝶阀，但本发明不限于任何特定类型的阀，并且可使用各种类型的阀来代替。

在图示的实施例中，涡轮机42包括具有一排叶片60的可调喷嘴50，所述叶片60绕着它们相应的轴线是可枢转的以调节进入涡轮机叶轮48的流量。可调喷嘴可大体被构造成如在共同所有的US专利号7,559,199中所描述的，所述专利的全部公开由此通过引用被并入本文中。替代地，本发明可应用于具有固定喷嘴式涡轮机的涡轮增压器。本发明不限于任何特定的涡轮增压器结构。

根据本发明，涡轮增压器10可运行在单级压缩模式或两级串联压缩模式。在一些运行条件（例如，要求中等到高的压力比的那些，比如高于约3.0或3.5）下，通过设置旁通阀30处于关闭位置（图4），压气机可运行在两级串联模式。在其他的运行条件（例如，要求低压力比的那些，比如低于约3.0或3.5，连同中等到高的空气流率）下，通过设置旁通阀处于打开位置（图5），压气机可运行在单级模式。

各种算法可被用于确定旁通阀什么时候应被关闭以及它什么时候应被打开。例如，如提到的，旁通阀位置可取决于空气质量流率（校正到标准温度和压力）和期望的压气机压力比的组合。用于旁通阀的控制器可采用基于校正的流率和压力比的表格查找，或者可存储压力比对校正流量的曲线，所述曲线表现了在阀被关闭的一种压气机映射工况和阀被打开的另一种映射工况之间的界限点的轨迹。

在本公开的基础上，本领域技术人员将认识到：在不脱离本文所描述的发明构思的前提下，可作出本文中所描述的发明的修改及其他的实施例。本文中所使用的特定术语是用作说明性的目的，而非限制的目的。因此，本发明将不限于所公开的特定的实施例，并且修改和其他的实施例意图被包括在所附权利要求的范围内。例如，尽管本文中示出并描述了背对背的双叶轮式压气机叶轮，但是本发明还可应用于具有其他结构的双叶轮式压气机叶轮，例如两个叶轮定向在相同方向上并具有用于将空气从第一叶轮传送到第二叶轮的适当的管道的双叶轮式压气机叶轮。其他不脱离所描述的发明构思的变型也被包括在所附权利要求的范围内。