[发明专利]具有有效旁路的多级涡轮增压系统

说明书

相关申请的交叉参考

本申请根据美国法典111(e)条款要求2004年8月31日提交的美国临时专利申请No.60/605,898的优先权权益，该美国专利申请整体地通过参考结合在本文中。

技术领域

本申请总的来说涉及具有多级涡轮增压系统的内燃机系统，以及多级涡轮机的用途。

背景技术

涡轮增压系统，比如用于内燃机的，在现有技术中是公知的。涡轮增压器包括连接至进气增压压缩机的废气涡轮机。涡轮机的操作如下：从内燃机接收废气并通过使废气流经过涡轮机涡轮的叶片而将废气流中的一部分能量转换为机械能，并且从而使涡轮机的涡轮旋转。这个旋转力然后被通过轴连接至涡轮机涡轮的压缩机所利用以将一些空气压缩到高于周围大气的压力，这就提供了在发动机的进气行程期间可被吸入内燃机汽缸的增大量的空气。吸入汽缸的额外压缩空气(增压)能允许更多的燃料在汽缸内燃烧，并且从而提供了增大发动机动力输出的可能性。

在涡轮增压的内燃机系统中，内燃机可操作的宽范围的速度和动力输出水平对下述设计工作带来了挑战：即，设计对于与发动机一起工作而言具有良好机械效率的适合匹配的涡轮增压系统。例如，虽然较小的涡轮增压器在较低的发动机速度下快速且更有效地提供增压，但是较大的涡轮增压器在较高的发动机速度下更有效地提供增压。因为涡轮增压器有效操作的流量范围相对于由内燃机产生的较宽流量范围而言相对较窄，现有技术中已知的是(例如在增压需求较大的情况下)，提供一种多级涡轮增压系统，涉及较小(即高压)的涡轮增压器和较大(即低压)的涡轮增压器，其中较小的高压涡轮增压器在较低的发动机速度下操作并且较大的低压涡轮增压器在较高的发动机速度下取而代之。已经发现根据需要通过使用旁路系统在两个涡轮增压级之间切换来将废气流转向绕过高压涡轮增压器达到低压涡轮增压器是非常有价值的。

于是，将废气流旁路绕过涡轮机气体膨胀器在现有技术中也是公知的。通常，涡轮机旁路系统在现有技术中主要用来调节穿过较高级涡轮机涡轮的系统压力，并且在由涡轮机操作所引起的反压导致涡轮机上游的系统压力超过预期水平时能通过经由一个旁路通道选择性地排出一部分上游废气超过一个压降来操作。经由旁路通道排出废气通常由绕过涡轮机的废气管道中的一个小调节阀(称作“废气门”)来控制。一种典型废气门阀的操作有些类似于活板门，其通过旁路通道来将一部分废气流转向绕过涡轮机而从高压涡轮机进口向低压区域打开一个端口，被旁路的废气流自然地在旁路通道中的压降之上膨胀并且然后与被旁路的涡轮机下游的剩余废气流再结合。

发明内容

本发明的目标是提供一种用于内燃机系统的更有效的多级(例如两级或更多级)涡轮增压系统。

在推动本发明的这个目标中，已经认识到，现有技术中的废气门和旁路机构是现有技术的多级涡轮增压系统中有用能量不必要损失的根源。因此，本发明的又一目标是提供一种用于在多级涡轮增压系统的各级之间的旁路中保存、捕获、利用和/或降低能量的有效方式从而防止了损失，以进一步提高利用多级涡轮增压系统的内燃机系统的效率。

本发明减少了常规的多级涡轮增压系统中从一级到另一级的旁路废气流中出现的废气能量的未回收损失。保存这种废气能量的优选方法是通过让出现在旁路涡轮机上游的基本上仍然处于较高废气能级的旁路流经过可变几何形状阀/喷嘴、涡轮机VGT叶片、或者其它横截面减小的喷嘴，并且随后不允许加速流在达到后一级涡轮机涡轮之前显著丧失增大的可回收动能，来将旁路流的一部分废气能量从压力转换为速度。这可以例如通过将可变几何形状的阀或VGT叶片出口布置为临近低压涡轮机涡轮的叶片(或者充分地靠近叶片以避免增大的加速/动量作用显著消散)，并且与低压涡轮机涡轮的叶片成适合的入射角。加速流所产生的增大动量随后被赋予低压涡轮机的涡轮，并且从而如本领域已知的那样允许将能量转换为机械旋转力。还讨论了在多级涡轮增压系统中有效地保存或捕获各级之间能量损失的可选装置和优选的涡轮增压硬件的实施例。该系统可用于内燃机或其它多级涡轮机系统的各级之间(也包括三级或四级或更多级系统)。

附图说明

在附图中，同样的参考数字标识类似的元件或动作。附图中元件的尺寸和相对位置不必按比例绘出。

图1是具有现有技术的多级涡轮增压系统的内燃机系统的示意图。

图2是具有本发明的第一涡轮增压和旁路布置的内燃机的示意图。

图3是具有本发明备选第二旁路布置的内燃机的示意图。

图4是图3所示系统的涡轮增压和旁路布置的更详细视图。