带助动器的可变几何形状的涡轮增压系统的制作方法

专利名称：带助动器的可变几何形状的涡轮增压系统的制作方法
技术领域：
本发明基本涉及一种在较大速度和载荷范围内工作的内燃机上的涡轮增压器中所使用的可变几何形状的部件。
背景技术：
固定几何形状的涡轮增压器可设计成能在特定的发动机载荷和速度下进行有效工作。然而，当在较大的发动机速度和载荷范围内工作时，压缩机和涡轮部件被迫在偏离其设计点处工作，并因此造成效率损失，该效率损失对发动机性能会造成不利影响。如果该涡轮增压器与一发动机在额定速度处相匹配，在发动机扭矩下降到使发动机处于低速运行时，该增压器将会在显著偏离其最大效率处运行。相反，如果该涡轮增压器与一发动机的低速范围匹配，则当发动机以最大速度和载荷运行时，该涡轮增压器将易于产生“超速”。
为了防止与一发动机的低速范围相匹配的涡轮增压器产生超速，常常采用一废气门使绕涡轮的废气排出，从而将涡轮的速度限制在发动机高速范围以下。然而，废气门使本可由涡轮增压器的涡轮更好利用的废气能量白白损失，并使系统的效率大大下降。
在商业上广为所知的更有效的系统是一种在涡轮增压器的压缩机，涡轮或两者中包括的可变几何形状部件。最普通的类型是涡轮叶轮前的可变喷嘴叶片和/或压缩机部件中的可变扩散器叶片。
涡轮叶轮前的可变喷嘴叶片连接在一起，从而使每个喷嘴通道的喷口面积能在发动机低速范围内减小，并且随着发动机速度接近最大速度而增加，从而使该涡轮增压器的速度保持在安全运行的范围内。各叶片的位置必须由发动机的速度和载荷精确控制，并且各叶片必须可以在热废气环境下自由地运动并使通过其间隙的泄漏最小。
在涡轮增压器的涡轮中采用的各种可动装置都很复杂并且昂贵，并且耐用性还是个问题。因此它们在商业上的应用受到了限制。
在发动机废气系统中采用可变装置的更实用方法于1971年授予Webster并转让给Caterpillar Tractor公司的美国专利NO.3557549中公开。这个系统采用下述设计的舌形阀，该阀设在一分隔的支管系统中，使得在发动机高速和高载荷时该阀处于中间位置，在发动机低速时它可以运动到第二位置，此时该阀可以将所有的发动机废气流转向导流到分隔涡轮壳体的一条通道中。这就基本上使流过单个涡轮壳体通道的废气流加倍，并且可以将发动机低速时的涡轮速度保持在比其它情况时更高的水平。该装置比复杂的可变喷嘴叶片系统简单得多，并且不需要用于定位的精确控制系统。
采用舌形阀使气流转向，使得当舌形阀处于中间位置时，涡轮增压器可与更高的发动机速度匹配。当发动机在低速下运行时，将全部废气流转向导流到该涡轮前的单个涡轮壳体通道中可使涡轮转子速度增加，从而给发动机气缸提供更高的增压压力，使该发动机可产生比其它情况更多的功率和扭矩。
在发动机低速时，由导流舌形阀产生的增压压力的增加，可能大到足以使该涡轮增压器的压缩机在喘振或不稳定的区域运行。此时，压缩机必须进行再匹配以使喘振线移到更低的流量区，从而使发动机工作点落入稳定工作区。然而，这会使压缩机的效率曲线和节流区移到更低的流量区，并且导致在发动机处于高速和高载荷工作时压缩机效率的降低。
能将压缩机的效率曲线移到低或高的流量区的可变几何形状压缩机，是解决使压缩机在发动机低速时保持离开喘振区，而在发动机高速时仍保持高效的问题的一个方法。可变扩散器叶片采用的是可变几何形状压缩机的一种类型，但该可动叶片使该涡轮增压器的内部机械结构的复查性大大增加，并且必须由相当复杂的控制系统进行精确地定位。
一种更实用的可变几何形状装置是在压缩机叶轮的上游采用可动预旋叶片，以便使进入压缩机叶轮导流器的空气产生正负预旋流。负预旋流使该压缩机的工作区向更高的流量区移动，通常可改善压缩机的效率。正的预旋流使该压缩机的工作区向更低的流量区移动，通常可降低压缩机效率。然而，由于压缩机效率的最大效率曲线也移到更低流量区，因此正预旋流的净效果是为了提高发动机运行区可获得的效率水平。
因此，由一机械连接装置将废气流中的可动舌形阀与空气流中的可动预旋叶片连接起来使它们同步运动是很有利的。当舌形阀处于中间位置时，该预旋叶片可给压缩机提供负预旋流，使其流量范围移动，所以，在发动机高速范围可获得最大效率。当该舌形阀处于导流位置时，该预旋叶片运动到正预旋流位置，因此使压缩机的最大压缩效率移到发动机的低速范围。一种简单的液压缸可作为控制装置，从而借助于检测要求进行传动动作的发动机速度，可使机械连接装置运动至高的流量位置或低的流量位置。
舌形阀和预旋叶片两者相对涡轮增压器的结构都是外部部件，从而比其它必须装在涡轮增压器内部结构中的装置的总费用低得多。
利用正负预旋流使压缩机流量范围移动，在由Wallace，Whitfield和Atkey发表于机械工程师协会学报(Proceedings of the Institute ofMechanical Engineers)第18943/75卷上，题为“带进气预旋的径流式涡轮增压器的压缩机的实验性能和理论性能”(Experimental and TheoreticalPerformance of a Radial Flow Turbocharger Compressor with Inlet Pre-whirl)的文中有详细的描述。在1991年6月由Woollenweber发明的美国专利NO.5025629中也有叙述。
在发动机速度极低时，例如在低怠速时，驱动涡轮增压器的废气能量不足以使增压器快速运行以便产生足够的增压压力。结果是，在发动机节流开启和涡轮增压器快速运行足以产生足够的增压压力以便消除诸如加速时的黑烟之间，存在一相当大的滞后时间。采用诸如齿条限位器或无液控制器之类的燃油控制装置限制供到发动机各气缸中的燃油量，直到涡轮增压器能提供足够的空气以形成无烟燃烧时为止。这些燃油限制装置使节流开启的反应减慢，并使发动机和车辆的反应迟后。
发明概述为了帮助理解本发明，概述地说，本发明涉及一种带助动器的可变几何形状涡轮增压系统。该可变几何形状是由流入废气涡轮中的废气流形状和/或流入空气压缩机中的空气进气流提供的，与用于涡轮和压缩机两者驱动的助动器一起提高可变几何形状涡轮增压器系统的性能。
因此，本发明的目的及优点就是提供一种增压器膨胀器轴用的，除了能将废气中获得的动力供给该涡轮增压系统外，还能给该涡轮增压系统供给动力的助动器，甚至采用双蜗壳增压膨胀器提高效率，特别是在废气流量低时。
本发明的另一目的及优点是提供一个助动器，它能将额外动力供给一个带有对增压器压缩机的空气进气口进行控制的涡轮增压器，即使该涡轮增压器在压缩机叶轮的上游装有在空气进入该压缩机叶轮的导流器时使该空气旋转的各预旋叶片，也可提高性能，在废气流量低时也可借助于提供产生足够的预旋流所需要的动力而改善这种系统的性能。
本发明的另一目的及优点是为了给由废气膨胀驱动的涡轮增压器提供动力，包括一个提供扭矩而使涡轮轴在与废气膨胀相同的方向旋转的助动器，并包括一个与流入增压器压缩机中的空气流控制装置相结合以提高叶轮性能的增压助动器。
本发明的另一目的及优点是提供一个连接到增压器压缩机轴上的助动器，并且除控制流入涡轮的废气和/或流入增压器压缩机的空气外，还控制该助动器以改善发动机性能。
本发明的另一目的及优点是提供一个直接装在增压器膨胀器和压缩机中间，并处于机壳内部增压器轴上的电动机，以使上述目的和优点可利用最小的空间而获得，并可作为车辆制造商用原始配件的一项。
本发明的具有新颖性的特征在附属权利要求中具体描述。参照下列说明并结合附图可以更好地理解本发明，即其结构和运行方式及它的目的和优点。
附图简述

图1是一个涡轮增压系统的示意图，它具有能给增压器轴提供额外动力的助动器，并且该系统可对流入双蜗壳增压器膨胀器的废气进行控制，同时该助动器及废气两者都由发动机控制装置控制，图2是一个类似的图，其中涡轮增压器带有一个可帮助驱动增压器轴的助动器，并且带有对流入压缩机的空气进行控制的控制器，该控制器和助动器两者都由发动机控制装置控制，图3是一个与图1类似的示意图，它带有对流入增压器压缩机的空气进行旋转控制的控制器，该控制器和助动器及旋转控制器三者都由发动机控制装置控制，图4是一个与图3类似的示意图，但进入增压器膨胀器的废气与进入增压器压缩机的空气一起受到控制，图5是一个与图3类似的图，废气控制和空气控制是在一起进行的，但助动器控制是单独进行的。
优选实施例详述为了改善发动机和车辆对节流阀的开启的响应，为了提高发动机进气系统的增压水平以备快速加速，在发动机怠速时需要一外加动力源使涡轮增压器在高速下运行。该外加动力源可是任何常规的转动动力源，例如电动机，液压马达，气动马达或类似装置，特别是一种动力输出可控的助动嚣。优选实施例和下面给出实例的外加动力源是一电动机，该电动机在发动机怠速时与增压器转子啮合并增加该转动组件的转动怠速速度。
如果在发动机怠速时可获得比涡轮增压器单独由废气能量提供的增压压力更高的增压压力，可使得燃油在加速期间更快地喷入发动机各气缸，并且在过渡期减少黑烟及排放物。该发动机在过渡期可产生更大的输出扭矩，并且加速期间的更高增压压力将免去设置燃油限制装置的必要，例如前述的无液控制器。
发动机启动前，可给连接到涡轮增压器转子上的电动机施加能量。然后，在发动机启动期间将使从进气管至排气管的发动机两边存在一正的压差。在两冲程发动机的情况下，需要一正压差对启动期间的气缸进行扫气。因此，如果一两冲程发动机采用一电动机辅助增压，可取消为了提供启动所需的扫气压差而需要的齿轮驱动的鼓风机。
本发明带助动器的可变几何形状涡轮增压系统在图1中用10表示。柴油机12具有两个分别连接到废气涡轮22的两个蜗壳18和20上的排气支管14和16。阀24控制废气排入或不排入两个蜗壳的一个或两个中。当废气体积小时，废气供给一个蜗壳，产生更高的废气压力，这就会提供更多的动力给废气涡轮转子26。阀24由阀控制器28根据发动机控制装置30的信号控制。诸如各种要求及发动机运行条件之类的各种信号都供给发动机控制装置，所以阀24可适当地设定。
废气涡轮转子26装在增压器轴32上，该轴又驱动增压器压缩机34。该压缩机具有一个装在其中的压缩转子36，所以当该压缩机旋转时，空气被吸入进气口38并被输送到连在发动机进气系统上的出气口40中。
这种结构通常可在Woollenweber的美国专利NO.5025629中看到，可参照其图9，该专利全文在此引入作为参考。出于上述各种原因，除该专利所述的可变几何形状外，还存在着给发动机12输送足够燃烧空气方面的问题，特别是在废气流量低时。因此，设置助动器42使涡轮增压器轴32在增压方向旋转。该助动器42可以是电动机，液压马达，气动马达或其它类型的助动器，只要是可控的。然而，最好该助动器42是电动机，该电动机的转子装在轴32上，其定子装在该增压器壳体的内部，电控线路45向助动器提供各种适当的控制信号。助动器控制器44由发动机控制装置30控制。该发动机控制装置30最好是车辆发动机管理系统的一部分，并管理阀控制器和助动器控制器，以便优化该系统的运行，从而根据发动机的要求和发动机当前的工况给发动机输送最佳的燃烧空气量。当发动机在低速运行并且发动机要求更多的动力和更高的速度时，阀24处于单蜗壳位置，助动器42被施加能量以给涡轮增压器提供额外的动力。当废气体积增加时，阀24可切换到双蜗壳位置，并且在废气足可以提供增压器压缩机的全部动力要求时，则不需要对助动器42提供动力。如果助动器42的结构使它不能与轴42的最大速度一样快地旋转，则助动器42可经控制线45脱离。因此，可将动力供给助动器42，并且阀24可被适当地控制，以便在发动机速度和要求得到满足时使涡轮增压器的工况优化至最佳。
图2表示的是柴油机用的类似的涡轮增压系统46。涡轮增压系统48具有一装在增压器轴52上的废气涡轮膨胀器转子50。压缩机转子54装在压缩机壳体56中并由轴52驱动。空气从出气口58输送到发动机进气口。电动机60如参照助动器42所述的那样，经线路63由电动机控制器62控制，该控制器62又由发动机控制装置64控制。该发动机控制装置接受发动机请求信号和发动机当前工况信号。从这些信号中，电动机控制器62接收适当的信号以便将动力供给助动器60，从而驱动轴52沿压缩机旋转方向转动。另外，涡轮增压器的进气口66具有可调叶片，例如在67处，该可调叶片可给进气口气流提供预旋流。如上所述，该预旋流可改善压缩机性能。该预旋流可通过对产生预旋流的各叶片进行适当的调整来调节，从而调节压缩机性能。因此，该叶片控制器68可使涡轮压缩机内部的几何形状改变。叶片控制器68和助动器控制器62都可由发动机控制装置64来控制。每个控制器都可单独调节，从而在发动机的具体工作参数和性能要求下提供最优化的涡轮增压器性能。通过控制输入预旋流而调节涡轮压缩机的工作状况已在上文中作了讨论。
图3表示的是类似于图1和2所示的增压器系统70。该增压器系统70具有一个带转向阀71的双蜗壳废气膨胀器，该阀71将全部废气流从发动机分开的支管中导至一个蜗壳中，以便如前所述那样在废气流量低时获得更高的效率。此外，压缩机72的空气进气口处具有一预旋流控制器74。另外，助动器76直接连在涡轮增压器的主轴77上，以驱动该主轴沿压缩机方向转动。预旋叶片控制器78和助动器控制器80分别控制该预旋叶片和助动器76，但如图3所述，它们相互协调配合，从而在当前条件下使配合的涡轮增压器空气出气口优化到最佳。这种协调配合也存在于图1所示的相对于助动器控制器44的阀控制器28中，也存在于图2所示的叶片控制器68和助动器控制器62中。图3所示的叶片控制器78和助动器控制器80两者都由发动机控制装置82来的信号来驱动，这些信号包括各种要求及工作参数。与之相反，阀控制器78直接由发动机控制装置82来的信号控制。因此，该转向阀71由阀控制器83单独控制，助动器和预旋控制器是同步并协调配合的。
图4表示的是一个与图3非常相似的系统84。在控制该增压系统84时，发动机控制器86将信号供给经线路89控制助动器90的助动器控制器88。通过相互协调配合工作，控制器92通过线路93来控制产生预旋流的叶片94，并通过线路96来控制转向阀97。由于预旋流控制也控制着转向阀，因此两种功能是相互协调的。由于助动器控制器与阀控制器相关，所有这些功能都是根据从发动机控制器86收到的信号来相互协调一致并进行调节的。
图5表示的是一个类似于图4所示的系统98，其原因是它具有增压器系统的所有三个参数。预旋流叶片100和转向阀102两者都由从发动机控制装置106接收信号的控制器104来控制。可以看出这两个变量因其信号都来自于相同的控制器104，所以是相互配合并协调一致的。然而，在这种情况下，助动器108由直接从发动机控制装置106接收信号的助动器控制器110来控制。因此，预旋叶片和废气转向阀是相互协调一致并可配合调节的。助动器108单独由发动机控制信号来控制。
助动器的尺寸使得它在涡轮增压器系统的较大运行范围内可提供扭矩。当发动机以怠速启动时，该助动器对涡轮增压器输出的增加起着第一位且最大的作用。该助动器一直提供扭矩，直到废气与增压器压缩机进气口的控制一起能提供足够的空气来防止发动机处于极浓混合气情况下工作为止。然而，为了防止增压过度，当增压压力增加时，在压缩机进气口被控制以减少或限制增压压力增加前，可将助动器关闭。
至此，根据目前可能想到的最佳方式对本发明作了描述，但很显然，一些本领域的技术人员能对其进行修改，采用其它的形式或实施方案，而无需进行本发明人员的试验。因此，本发明的范围由下列各权利要求限定。
权利要求
1.一种带助动器的可变几何形状涡轮增压系统，包括一个由废气驱动，与压缩机连在一起并一起旋转的增压器膨胀器；一个连到上述增压器压缩机上的外加助动器，使该压缩机在助动器制动时沿压气方向旋转；一个连到上述废气增压器膨胀器进气口上，用于控制上述废气增压器膨胀器的废气控制器；及一个连接用以控制上述助动器的助动器控制器，以及一个连到上述废气阀上的阀控制器，该助动器控制器和阀控制器是相互协调一致的。
2.如权利要求1所述的增压系统，其中上述废气增压器膨胀器是一个双蜗壳膨胀器，并且上述阀控制废气流入蜗壳中的一个或两个。
3.如权利要求2所述的增压系统，还包括一发动机控制装置，该发动机控制装置根据发动机工况和要求作出响应，上述助动器控制器和上述阀控制器由该发动机控制装置控制。
4.如权利要求1所述的增压系统，还包括处于上述增压器压缩机中的预旋进气口控制叶片及一个与之相连以便控制上述叶片的叶片控制器，上述叶片控制器和上述助动器控制器相互协调一致，从而按相互协调一致的方式改变给上述助动器和上述叶片的控制器的信号。
5.如权利要求4所述的增压系统，其中上述阀控制器的连接使得它由上述发动机控制装置供给信号，从而与上述助动器控制器和上述叶片控制器的协调基本上无关。
6.如权利要求4所述的增压系统，其中上述叶片控制器和上述阀控制器相互协调一致，并由上述发动机控制装置控制。
7.如权利要求4所述的增压系统，其中上述叶片控制器和上述阀控制器相互协调一致起作用，并且上述助动器控制器由上述发动机控制装置控制，从而使上述阀控制器和上述叶片控制器基本上无关。
8.如权利要求4所述的增压系统，包括一增压器轴，上述增压器膨胀器和上述增压器压缩机装在该轴上，助动器是一个电动机，该电动机的转子装在轴上压缩机和膨胀器之间的位置上。
9.一种带助动器的可变几何形状涡轮增压系统，包括一个由发动机废气驱动的增压器膨胀器；一个从进气口吸入空气并将压力空气输送给发动机的增压器压缩机，上述增压器压缩机和上述增压器膨胀器连接在一起并一起旋转；在上述压缩机空气进气口处的用于提供压缩机进气口预旋的各空气进气口控制叶片，上述叶片是可变的，以便控制预旋大小；一个用于控制上述叶片的叶片控制器；一个与上述压缩机一起旋转，以便给压缩机提供动力，并在废气流量低时驱动上述压缩机的助动器；一个控制上述助动器的助动器控制器，该助动器控制器与叶片控制器相连，以使助动器与上述叶片一起相互协调工作；一个能根据发动机工况作出响应的发动机控制装置，它与助动器控制器和叶片控制器相连，从而协调一致地控制助动器和叶片。
10.如权利要求9所述的增压系统，其中阀连接到废气涡轮的进气口上，该废气进气口阀被连接以受控地与上述叶片控制器和上述助动器控制器相互协调一致的工作。
11.如权利要求9所述的增压系统，还包括一个与上述废气涡轮相连的废气进气口阀，一个用于控制废气进气口阀的阀控制器，该阀控制器由上述发动机控制装置控制，并且与助动器控制器和叶片控制器无关。
12.如权利要求9所述的增压系统，包括一增压器轴，上述增压器膨胀器和上述增压器压缩机装在该轴上，上述助动器是一个电动机，该电动机的转子装在轴上压缩机和膨胀器之间的一位置处。
13.一种带助动器的可变几何形状涡轮增压系统，包括一个带有进气口的废气涡轮，该进气口用来接收从内燃机的废气，该废气涡轮中具有一旋转的涡轮叶轮，该涡轮叶轮装在一个轴上并与之旋转，一个装在与废气涡轮连接的废气进气口处的阀以及一个控制上述阀的阀控制器；一个增压器压缩机，上述轴穿入该增压器压缩机，该增压器压缩机具有一进气口和一个装于其中与轴一起旋转从而能将空气压入进气口的叶轮，在上述压缩机进气口中的各个可动预旋叶片，一个与上述阀控制器相互协调工作的叶片控制器，一个发动机控制装置，上述叶片和阀的控制器由上述发动机控制装置控制；一个助动器，该助动器与上述轴相连，助动器使轴沿空气压缩的方向旋转，一个与助动器和发动机控制装置相连的助动器控制器，用于单独控制助动器，使之与阀控制器和叶片控制器分开。
14.如权利要求13所述的增压系统，其中废气叶片是一双蜗壳涡轮，并且当阀被制动时，该阀使基本上所有的废气流入上述蜗壳的一个之中，从而改善涡轮效率。
15.如权利要求14所述的增压系统，其中助动器是一个电动机，该电动机的转子装在轴上压缩机和涡轮叶轮之间的一位置处。
16.如权利要求13所述的增压系统，其中助动器是一个电动机，该电动机的转子装在轴上压缩机和涡轮叶轮之间的一位置处。
全文摘要
一种带助动器的可变几何形状涡轮增压系统,它具有一个特别是在废气体积低时能给增压器轴提供动力的助动器。此外,该涡轮增压器能对压缩机空气进气口方向和/或对流入一个双蜗壳膨胀器的废气进行控制。这些控制都是由发动机控制装置直接或间接控制,以便改善增压器效率。在优选实施例中,该助动器是一个直接装在增压器轴上的电动机,它位于增压器膨胀器和压缩机之间并处于增压器机壳内部。
文档编号F16H7/12GK1196772SQ96197015
公开日1998年10月21日 申请日期1996年7月26日 优先权日1995年7月28日
发明者E·M·哈利米, W·E·乌伦维贝尔, R·P·马鲁夫 申请人:涡轮动力系统有限公司