[发明专利]涡轮增压器非对称分体涡轮机

说明书

技术领域

本发明涉及一种非对称涡轮增压器，特别是一种采用流通面积不同的分体涡轮机来改变发动机气缸的排气背压最终实现发动机废气再循环的涡轮增压器非对称分体涡轮机，属于内燃机领域。

背景技术

发动机采用增压技术以后，发动机燃烧得以改善，排放污染物中的碳烟、碳氢化合物大幅度降低，发动机的功率不断提升，减轻了同等功率发动机的体积和重量，增压技术越来越多的被利用在了先进发动机上。随着发动机功率的进一步提升，发动机的增压度也在不断提升，发动机的热负荷进一步加大，发动机排气温度升高。增压技术为发动机提供了高温富氧的工作环境，导致发动机排气污染物中氮氧化物的含量加大，氮氧化物的生成主要与燃烧温度和氧的浓度有关，因此，要控制氮氧化物的生成一般需要控制燃烧温度和氧的浓度，为满足日益严格的排放法规要求，人们提出了废气再循环技术(EGR)，并且在国外得到了有效应用。废气再循环技术是将发动机的部分废气直接(或者经冷却后)重新引入气缸，由于废气中二氧化碳等多原子分子的比热容较高，可有效降低燃烧温度，另外引入的废气可有效降低气缸中进入空气中的氧浓度。由于废气再循环技术在降低发动机排放中氮氧化物方面存在明显的优势，因此国内满足国3排放标准的发动机以及未来满足国4排放标准的新型发动机中根据中国实际情况大多采用了废气再循环技术。

目前，采用的废气再循环技术将废气引入气缸的路径有两种，一种是发动机气缸排出的废气经中冷和过滤后引至压气机入口，经压气机压缩后与新鲜空气一道进入气缸，这种循环为低压循环EGR。如图1所示，由发动机1排出的废气经涡轮增压器的涡轮机2膨胀作功后一部分进入颗粒捕集器3，然后进入后端的EGR阀4，EGR阀4根据发动机工况由控制系统控制再循环的废气量，另一部分排入大气。为了得到更好的效果，通过EGR阀4的高温洁净废气经过EGR冷却器5冷却后于通过空气滤清器6滤清的洁净空气进行混合，然后进入增压器的压气机7进行压缩，压缩后的混合气体通过增压气体中冷器8冷却后进入发动机1中参与燃烧。图1所示的低压循环EGR比较容易实现，为了满足发动机的动力性要求，因为压缩气体为混合气体，所需增压器的压气机7尺寸需要加大，同时，循环的废气中的残余颗粒可能对压气机7中的叶轮造成磨损，压缩的废气还可能对增压器及发动机进气系统造成污染和腐蚀，另外EGR率也受到增压比的限制。因为以上原因，低压循环EGR很少被采用，只能在一下小型轻载发动机上应用。另一种循环是发动机气缸排出的废气经中冷后直接引至发动机进气管，与经压气机压缩的新鲜空气混合后一起进入气缸，这种循环称为高压循环EGR。如图2所示，由发动机1排出的废气在进入涡轮增压器的涡轮机2以前，一部分高温废气在发动机控制系统控制下，经EGR阀4进入EGR冷却器5，经过EGR冷却器5冷却的高压废气与经过压气机7压缩后的洁净高压空气进行混合，然后经过增压气体中冷器8冷却后送入发动机1中参与燃烧。图2所示的高压循环EGR可有效避免引用的废气对增压器和发动机进气系统的污染和腐蚀，并消除了废气中的颗粒对高速旋转的压气机产生磨损的隐患，但高压循环EGR要实现有效循环，必须控制发动机排气背压高于发动机增压压力才行，因此高压循环EGR要求涡轮增压系统必须满足能够提供足够高的排气背压。

为实现高压EGR循环，国外比较通用的做法是采取可变截面涡轮增压器与EGR相结合，通过改变涡轮喷嘴流通面积来改变发动机排气背压，使发动机排气压力高于进气压力以实现废气循环，比较通用的可变截面涡轮增压器如图3、图4所示，包括支撑盘9、喷嘴叶片10、涡轮转子11、涡轮叶片12，喷嘴叶片10安装在支撑盘9上，通过控制系统来调整喷嘴叶片10的角度，从而实现控制进入涡轮叶片12的喷嘴通道截面的面积变化，使涡轮转子11转动速度随之变化。喷嘴叶片大开度a1位置，喷嘴流通截面积变大，发动机排气背压相对较低，喷嘴叶片小开度a2位置，喷嘴流通截面积变小，发动机排气背压相对较高，可变截面涡轮增压器是通过改变喷嘴截面积来控制进入涡轮叶片12的废气的压力，从而能够实现废气压力高于进气增压压力的要求，实现高压循环EGR。同时，因为高压循环EGR的排气背压始终高于进气增压压力的循环条件，导致了高压EGR发动机的工作效率下降。

由于可变截面涡轮增压器的控制和执行机构复杂，成本较高，且调节起来比较繁琐，在涡轮增压器高温工作环境下，可靠性存在缺陷。因此希望设计一种结构简单、调节方便的涡轮增压器，通过将不同数量的发动机气缸接入不同流通面积的通道来提高发动机某一部分气缸的排气背压，使高压EGR的以实现，同时，希望能够照顾到发动机的整体效率。

发明内容