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CN101925725A - 具有热旁路的多级涡轮增压系统 - Google Patents

具有热旁路的多级涡轮增压系统 Download PDF

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CN101925725A CN2009801026631A CN200980102663A CN101925725A CN 101925725 A CN101925725 A CN 101925725A CN 2009801026631 A CN2009801026631 A CN 2009801026631A CN 200980102663 A CN200980102663 A CN 200980102663A CN 101925725 A CN101925725 A CN 101925725A
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Abstract

一种两级涡轮增压系统，带有高压(HP)涡轮机和低压(LP)涡轮机，该HP涡轮机具有一个入口和一个出口，并且该LP涡轮机具有一个入口和一个出口，以及适配为用于将发动机流体连接到所述HP涡轮机入口的E-HP排气管系，将所述HP涡轮机出口流体连接到所述LP涡轮机入口的HP-LP排气管系，将所述LP涡轮机出口流体连接到一个后处理装置上的LP-A排气管系，以及分支的旁通管系，该分支的旁通管系具有一个入口和第一与第二支路，每个支路具有一个出口，其中入口被流体连接到该E-HP排气管系，第一支路出口被流体连接到该LP涡轮机入口，第二支路出口被流体连接到后处理装上，并且在所述第一支路中有一个R2S阀门而在所述第二支路中有一个暖机阀门。通过开放该阀门，排气可以绕过HP和LP涡轮机并流到催化转化器。在本发明的优选的实施方案中，该R2S阀门和该暖机阀门被整合到一个单一的排流动控制单元之中。

Description

具有热旁路的多级涡轮增压系统
技术领域
本发明是针对一种用于内燃发动机的多级涡轮增压系统，更具体地是系统中的流量控制，该流量控制被适配为减少流到后处理装置(例如催化转化器)中的排气中的热损耗。
背景技术
内燃发动机可以配备有一个或多个涡轮增压器，这些涡轮增压器是一种强制进气系统，用于压缩供应到相应的燃烧汽缸内的一个或多个燃烧室中的流体(空气或燃料/空气混合物)，因此提高发动机的性能而不会显著地增加重量。涡轮增压器从来自发动机的排气流中获取热量，并将这种热量转化成为动力以使涡轮机旋转，进而驱动压缩机。
涡轮增压器的一个问题是，当车辆驾驶员踩下加速器踏板时这些涡轮机通常不能提供即时的空气增压，这就是所谓的“涡轮机延迟”或增压延迟。减少涡轮机延迟的一种方法是减少涡轮机级的尺寸。然而，较小的涡轮机(“涡轮”)级具有较低的旋转惯性，虽然改进了瞬时响应，却不能产生在高发动机转速下所要求的质量流动。较大的涡轮增压器能够产生在高发动机转速下所要求的质量流动，但会经受更大的涡轮机延迟，因为旋转部件的惯性更大，因此需要更长时间去加速以达到其所要求的速度。
已经设计了双涡轮系统来解决上述问题。双涡轮机系统可以是并联双涡轮系统、串联双涡轮系统、或混联双涡轮系统。并联双涡轮系统具有两个小涡轮，一个在整个发动机转速范围都运行，而另一个仅在较高发动机转速下才运行。串联双涡轮机系统使用不同尺寸的两个涡轮增压器。具有较低惯性的较小的涡轮增压器很快地旋转到一定速度，减少延迟并且改进低端增压，而较大的涡轮增压器在较高转速下被启动以提供更的的流动能力。混联配置具有阀门装置，该阀门装置可以改变流以并联配置或串联配置到任何一个涡轮机的涡轮机流量。这被称为可调二级(R2S)系统，在这些配置的任何一种中，这些压缩机级可以是并联、串联、混联、或任何配置的组合。
在控制排放的柴油发动机中，催化后处理装置可以用来满足排放标准。污染物转化催化剂典型地要求用于启动和有效工作的一个最低温度。两级涡轮增压系统可以提供高增压并且减小涡轮延迟。然而，在排气穿过两级涡轮机增压的两个涡轮机级之后，取决于形成多少增压以及从排气中吸取了多少功排气已经显著地被冷却。另一个因素是两级涡轮机铸件的热惯性，这可能消耗原本对后处理装置有用的热量。这会导致给在开始启动时难以使催化剂“点燃”并且在空闲和较低功率条件下维持合适的工作温度。
在Turner的美国专利申请公开号US2007/0119168A1中描述了如图1所示的涡轮机增压内然发动机，该涡轮机增压内燃发动机具有一个两级增压系统。每个汽缸具有两个排气阀门“a”和“b”，其中每个排气阀门“b”可以独立于排气阀门“a”开放。所有汽缸的这些排气阀门“a”被连接到一个第一排气管系104上，第一排气管系104将排气引向高压涡轮增压器105的涡轮机部件105A，并且所有汽缸的这些排气阀门“b”被连接到一个第二排气管系106上，排气通过该第二排气管系106，绕过高压涡轮增压器105，流到低压涡轮增压器107的涡轮机部件107A。从低压涡轮增压器107的涡轮机107A排出的排气经催化转化器111穿过排气通道110排到大气中。尽管在发动机启动时可以绕过高压涡轮增压器105以减少点燃催化剂111的时间，这不会解决在开始启动时的延迟“点燃”的问题，因为排气在穿过低压涡轮增压器107之后没有立即将催化剂点燃的足够高的温度。
Turner还公开了如图2所示的另一个实施方案，其中排气可以绕过单一的涡轮增压器15，并直接流到初始的催化转化器17，然后流过主催化转化器21，然而，Turner的这个系统不能提供两级涡轮增压系统，而两级涡轮增压系统可以提供必要的增压，同时减少涡轮机延迟。Turner的这个系统还要求两个分离的催化转化器，催化转化器增加了系统的成本，使流路变得复杂，并占据发动机舱中额外的空间，发动机舱典型地具有较少的剩余空间。
在图3中，授予Gauffres的美国专利号4,444,012公开了类似于上述图2中所示的实施方案的内燃发动机的排气管系安排。如图3中所示，在Gauffres的排气管系安排中，旁通导管7从排气导管1分支并旁通或围绕排气涡轮增压器3。不同于图2中所示的Turner的实施方案，在Gauffres安排中，旁通管系7在排气管道中终止于启动器催化剂4和由泄气阀门8控制的氧气传感器5的下游位置处。然而，Gauffres的系统也不能提供两级增压系统，而两级增压系统可以提供必要的增压同时减少涡轮机延迟。Turner的这种系统也要求两个分离的催化转化器，催化转化器增加了系统的成本，使得流路变得复杂，并且占用发动机舱中的额外的空间，发动机舱典型地具有较少的剩余空间。
因此，对于能够在发动机开始启动时有利于使催化剂即刻点燃的多级涡轮增压系统存在一种需要。此外对于具有成本效率、空间效率、和/或可靠的这样一种系统也存在进一步的需要。
发明内容
两级涡轮增压系统的多个示例性实施方案可具有一个通道或阀门组件，该通道或阀门组件绕过两个涡轮机让排气直接从发动机流到催化转化器或其他的后处理装置上，从而有利于在发动机的开始启动时使催化剂即刻点燃。这些示例性实施方案是成本有效和可靠的。更确切地讲，本发明被体现为一种多级涡轮增压系统，包括：一种高压(HP)涡轮机和一种低压(LP)涡轮机的该HP涡轮机具有入口和出口，该LP涡轮机具有入口和出口；
适配为用于将一种发动机流体连接到所述HP涡轮机入口的E-HP排气管系；
将所述HP涡轮机出口流体连接到所述LP涡轮机入口的HP-LP排气管系；
将所述LP涡轮机出口流体连接到一个后处理装置850上的LP-A排气管系，以及
分支的旁通管系，该分支的旁通管系具有一个入口以及第一和第二支路，每个支路具有一个出口，其中该入口被流体连接到该E-HP排气管系上，该第一支路出口被流体连接到该LP涡轮机入口，该第二支路出口被流体连接到该后处理装置上，并且在所述第一支路中有一种R2S阀门而在所述第二支路中有一种暖机阀门。在本发明的一个优选实施方案中，R2S和暖机阀门被整合到一个单一的排气流量控制单元之中。
在本发明的一个方面中，提供了一种用于两级涡轮增压系统的阀门组件，该两级涡轮增压系统包括高压(HP)涡轮机和低压(LP)涡轮机。该阀门组件包括在HP涡轮机的入口的上游并与HP涡轮机的入口流体连通的一个第一阀门；以及与第一阀门和LP涡轮机的出口流体连通的一个第一通道。该第一阀门可以选择性地开放以绕过环绕HP和LP涡轮机两者的排气的至少一部分。
在本发明的另一方面中，提供了一种两级涡轮增压系统。该系统可以包括一种HP涡轮机，它具有一个HP入口、一个HP出口、和一个HP蜗壳；一种LP涡轮机，它具有一个LP入口、一个LP出口、和有关LP蜗壳；位于LP涡轮机下游的一种催化转化器或其他的后处理装置；以及用于控制排气的流量的一种阀门组件。该阀门组件可以包括从HP入口到LP出口的一个第一通道以及可操作地连接到第一通道上的一个第一阀门。打开该阀门致使排气绕过HP和LP涡轮机两者并流到催化转化器。
在又另一方面中，提供了一种用于控制内燃发动机中的排放的方法。该方法包括：提供一个多级涡轮增压器，该多级涡轮增压器具有至少一个带HP入口和出口的HP涡轮机以及至少一个带LP入口和出口的LP涡轮机；在LP涡轮机的下游提供了一种催化转化器或其他后处理装置，其中催化转化器具有实现催化剂的点燃的温度阈值；并且按照需要使排气绕过该HP涡轮机和LP涡轮机到达该催化转化器，这样使催化剂的温度快速地达到至少该温度阈值。
附图说明
本发明是通过举例而非限制的方式展示在这些附图中，其中类似的参考数字表示相似的部分，并且在这些附图中：图1示意性地示出根据美国申请号2007/0119168A1的涡轮机增压内燃发动机的一个实施方案；
图2示意性地示出根据美国申请号2007/0119168A1的涡轮机增压内燃发动机的另一个实施方案；
图3是根据美国专利号4,444,012的涡轮机增压多汽缸内燃发动机的排气管系设置的示意性平面图；
图4本发明的示例性实施方案的示意图；
图5是一种调节的二级(R2S)涡轮增压器系统的布置的示例性实施方案的平面图；
图6是图5的阀门区域的放大视图；
图7A是阀门区域的端视图，而图7B是阀门区域的侧视图；
图8是示出绕过HP和LP涡轮机级流动的平面图；
图9示出正常运行的R2S系统的流动的平面图；
图10是示出使R2S阀门开放的R2S系统流动的平面图。
具体实施方式
参见图4至图10，如图所示，高压涡轮机级400的一个示例性实施方案具有一个阀门组件，该阀门组件具有在涡轮机壳体411内的R2S阀门420以及暖机阀门430。R2S阀门420可以选择性地通过将排气或排气的一部分从HP入口提供到LP入口而绕过高压(HP)涡轮机401。暖机阀门430可以选择性地通过将来自HP入口的排气或排气的一部分提供到LP导流器或到LP涡轮机的下游一些其他区域(例如车辆下行管)而绕过HP涡轮机401和低压(LP)涡轮机801。在一个实施方案中，在发动机开始启动时，排气的至少一部分可以通过暖机阀门430直接流到后处理装置(例如催化转化器)850以便更快地实现“催化剂点燃”，并保持催化剂的所希望的工作温度。在催化剂已经点燃之后，可以关闭暖机阀门430这样所有的排流动过这些涡轮机以便驱动压缩机向发动机提供所希望的增压水平。在一个实施方案中，例如对于具有相对较低的点燃温度的催化剂，可以使用开放暖机阀门430和开放R2S阀门420的结合，以便到达催化剂850的排气的温度保持足够高以实现所希望的“点燃温度”。R2S阀门420还可以用来控制从HP涡轮机400到LP涡轮机870的流动量，以便将涡轮机动力提供到任意一个或两个涡轮机以便满足增压和涡轮机背压的要求。
在一个实施方案中，阀门420和430可以定位在多部分涡轮机壳体400的一个第一部分410中。而示例性实施方案描述双部分HP涡轮机壳体，本披露包括用于壳体组件的任何数目的部分。一个第一室450可以形成在涡轮机壳体411的第一部分中，一个第二室475也可以形成在第一部分中，如由隔离壁460部分地界定并通过隔离壁460分离。第二部分510(它可以是排气歧管的终端或源自排气歧管的管道可移动地被螺栓固定或可移动地连接到第一部分411上以便允许通入这些阀门420和430。一个通道可以形成或定位在涡轮机壳体411中，如通过连接到第二室450的一个入口，以便通过在R2S阀门420的下游端上的管道610提供到HP涡轮机级400中的流体连通。
阀门420和430中的任意一个或两个可以是圆形板或阀瓣，这种圆形板或阀瓣可以将涡轮机壳体部分411中的相应的开口或出口密封。本披露包括使用其他形状的阀门420和430和/或出口，包括方形阀门和出口。可以向阀门420和430提供金属“O”型圈或其他密封结构以帮助保持密封。在一个实施方案中，可以沿着出口和/或阀门420和430的周围形成一个脊或其他密封结构以便进一步促进适当的密封。
R2S阀门420可以由控制器或致动器425来致动，同时暖机阀门430可以由控制器或致动器435来致动。致动器425、435可以通过联动装置分别连接到这些阀门420，430上，该联动装置将致动器的线性运动转换成阀门的旋转运动。本领域普通技术人员基于几个因素(包括可靠性和成本)来选择联动装置的具体构件。这些致动器425、435可以是气动的，如与发动机系统的高压区域流体连通，包括通过管道或配管(未示出)或从车辆的气压供应系统连接到压缩机860或875中的一个上。本披露还考虑了使用其他用于致动器425、435的压力或动力源。本披露进一步包括使用其他类型的致动器，包括液压和真空致动器。在一个实施方案中，这些致动器425、435中的一个或两个可以是电子致动器。电子致动器可以使用不同的构件如螺线管来驱动联动装置。
在一个放大视图中，在图6中更清晰地示出图5中的阀门。第二部分510可以具有与第一部分411的螺栓孔对齐的螺栓孔。第二部分510可以具有基本上平坦或扁平的面790，它抵靠在第一部分410的基本上平坦或扁平的面490上，以便在第一和第二部分彼此连接时在其间提供密封接合。包括密封圈等的密封结构可以定位在其间以加强密封。通向LP涡轮机级870的蜗壳的开口或通道610可以与第二室450密封接合，而绕过HP和LP涡轮机401、801两者的开口或通道720可以与第一室475密封接合。
如图5和图6中所示，在从排气歧管到涡轮增压器中的管道510中的排气流动300将排气输送到HP涡轮增压器的涡轮机级400的底部中的室450和475。除了这些室之外，还存在一个管道710(图7A和7B)，它使管道510从排气歧管流体连接到蜗壳上、以及HP涡轮机级的涡轮机410上。总是将排气供应到HP涡轮机的这个管道被定义为“流动路径1”。该流动路径通过图8中的实线阴影示出。因为大多数排气流动穿过旁通阀门430而绕过HP涡轮机级400和LP涡轮机级870，在排气中的大多数热能量将到达催化转化器和其他的后处理装置。唯一进入HP和LP涡轮机级的排气是在管道710的阀门两端形成压力差所允许的排气，而该管道将HP涡轮机级400与源自排气歧管的管道301相连接。该流动路径通过旁通阀门430和管道610到LP涡轮机级870的出口导流器802，并因此通过下行管803，该下行管直接将排气流动供应到催化转化器850或其他的后处理装置上，该流动路径被定义为“流动路径2”，并在图8中通过更密的虚线阴影来描绘。
在图9中，R2S阀门420和旁通阀门430二者均处于闭合位置，迫使所有的排气从排气歧管流过管道510，而该管道将排气歧管流体连接到涡轮增压器到管道710上，它又流体连接HP涡轮机级400。HP涡轮机叶轮410与其蜗壳一起从排流动中吸取能量，并且该流动通过HP涡轮机出口导流器410排出。在该腔体中排气然后流过LP涡轮机级870，其中LP涡轮机叶轮801从排流动中吸取进一步的能量。排出LP涡轮机801的排流动通过出口导流器802并进入到下行管803，该下行管直接将排气流引导到催化转化器850或其他的后处理装置上。该流动路径被定义为“流动路径3”。
在R2S涡轮增压器系统的正常运行状况中，R2S阀门420是可控制地打开或关闭的，以便通过引导来自直接包围R2S阀门420的上游区域的腔体450的排气穿过管道610而允许“流动路径3”的流量被改变，而该管道将R2S阀门420的上游端与LP涡轮机级870的入口流体连接，因此向LP涡轮机801提供更多的热能。该模式被定义为“流动路径3A”。这可以如图10所示。
在“流动路径3”和/或“流动路径3A”的模式中，两个涡轮机壳体的许多表面区域都被排气流动润湿。除了涡轮机壳体和连接管道壁的“润湿”之外，通过涡轮机级的运行从排气中吸取功(将热量转化为涡轮机叶轮转矩)，因此从排气中移除了较多热量。由于这种传导和功的传递，到达后处理装置的排气温度低于在“流动路径2”的情况下的温度。
通过使用阀门420、430及其相应的致动器425、435，可以控制阀门组件在任何给定的时间开放或关闭不同的流动路径，以最优化发动机性能和排放。
在发动机开始起动时可以使用“流动路径2”通道以允许至少一部分排气直接流到催化转化器，而不穿过涡轮机，以维持排气的所希望的温度并实现催化转化器的即刻点燃。在催化转化器点燃之后，可以关闭绕过两个涡轮机级400、870的通道“路径2”，以便使所有排气流过这些涡轮机400、870向发动机提供所希望的增压或背压。
在一个实施方案中，致动器425可以与阀门420预先组装和/或致动器435可以与阀门420预先组装。预先组装的组件可以例如通过一个端口或在涡轮机壳体中形成的类似部分定位在涡轮机壳体400的第一部分410中，然后封闭该端口或类似部分。
在图4中示意性地更清晰的示出控制模块825或其他的控制器可以控制致动器425和435用于绕过HP和LP涡轮机400、870中的任意一个或两个。例如，控制模块825可以从相对于内燃发动机800和/或催化转化器850定位的传感器接收数据，并开放阀门420和阀门430中的一个或两个以获得通过涡轮增压系统的所希望的流量。在一个实施方案中，温度传感器可以定位为与催化转化器850热连通以确定通过其中的排气的温度。然后可以开放阀门420和430中的任意一个或两个以便提高流过催化转化器850的排气温度，从而有利于点燃催化转化器。绕过HP和LP涡轮机400、870中的任意一个或两个的排气流的具体的量值可以取决于以下多个因素而改变，包括使用的催化剂的类型和环境条件。在一个实施方案中，如对于高温催化剂，通过开放阀门430排气的实质性部分可以绕过HP以及LP涡轮机400、870。还可以监测与发动机800相关联的其他数据(包括发动机转速)以便实施对多级涡轮增压系统的控制。
已描述了关于两级涡轮增压器的示例性实施方案。然而，本领域普通技术人员应理解在此描述的该系统和方法可以应用到具有多于两级的涡轮增压器中，其中第一级可以视为高压级，最后一级可以视为低压级，在中间的任何数目的其他级为中间压力级。
已经通过参照用于解说目的而选择的特定的实施方案对本发明进行了说明，但应该清楚本领域普通技术人员无需背离本发明的精神和范围即可对其做出很多修改。

Claims (13)

1.一种多级涡轮增压系统，包括一种高压(HP)涡轮机(400)和一种低压(LP)涡轮机(870)，该HP涡轮机具有一个入口和一个出口并且该LP涡轮机具有一个入口和一个出口，
适配为用于将一种发动机流体连接到所述HP涡轮机入口的E-HP排气管系；
将所述HP涡轮机出口流体连接到所述LP涡轮机入口的HP-LP排气管系；
将所述LP涡轮机出口流体连接到一个后处理装置(850)上的LP-A排气管系，以及
分支的旁通管系，该分支的旁通管系具有一个入口以及第一和第二支路，每个支路具有一个出口，其中该入口被流体连接到该E-HP排气管系上，该第一支路出口被流体连接到该LP涡轮机入口，该第二支路出口被流体连接到该后处理装置(850)上，并且在所述第一支路中有一种R2S阀门(420)而在所述第二支路中有一种暖机阀门(430)。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述R2S阀门(420)和所述暖机阀门(430)容纳在一个单一的壳体中。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述HP涡轮机包括一个涡轮机壳体，并且其中所述R2S阀门(420)和所述暖机阀门(430)被整合在所述HP涡轮机壳体之中。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述HP涡轮机包括一个涡轮机壳体，并且其中所述R2S阀门(420)和所述暖机阀门(430)被提供在与所述HP涡轮机壳体分离的一个壳体中。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述HP涡轮机是一种双蜗壳涡轮机。
6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括控制装置，该控制装置包括用于控制所述阀门的控制单元(825)，其中所述R2S阀门(420)是一种可变阀门，并且其中当所述暖机阀门(430)被关闭时，所述R2S阀门是可变地可控制的以改变在该HP涡轮机和该LP涡轮机之间的排流动之比。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述R2S阀门(420)是由一个控制器或一个致动器(425)致动，并且该暖机阀门(430)是由一个分离的控制器或致动器(435)致动。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，这些致动器(425、435)是由多个联动装置分别连接到这些阀门(420、430)上，这些联动装置将来自该致动器的线性运动转换为这些阀门的旋转运动。
9.根据权利要求7所述的系统，进一步包括：
至少一个传感器，该传感器监测该内燃发动机(800)或该催化转化器(850)的至少一个参数；
控制模块(825)，该控制模块从所述传感器接收输入，并响应于该输入控制这些致动器(425和435)用于开放这些阀门(420)和(430)中的一个或两个，并绕过这些HP和LP涡轮机(400、870)中的一个或两个以获得通过该涡轮增压系统的一种希望的流量。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述传感器是与该催化转化器(850)热连通的一种温度传感器。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，当所述控制模块(825)评估来自该传感器的温度信号是低于一个预定阈值时，所述控制模块(825)控制所述R2S阀门(420)关闭并且所述暖机阀门(430)完全开放，并且当所述控制模块(825)评估来自该传感器的温度信号是高于一个预定阈值时，则控制所述暖机阀门(430)完全关闭。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，当所述控制模块(825)评估来自该传感器的温度信号是低于一个预定阈值时，所述控制模块(825)控制所述暖机阀门完全开放，并且当所述控制模块(825)评估来自该传感器的温度信号是高于一个预定阈值时，则控制所述暖机阀门完全关闭。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述后处理装置是一种催化转化器(850)、一种柴油氧化催化剂、一种微粒过滤器再生装置、或一种挡风玻璃预热装置。
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