[发明专利]具有热旁路的多级涡轮增压系统

说明书

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。