[发明专利]一种出口流动角度可调节变化的涡轮喷嘴环

说明书

技术领域

本发明涉及内燃机涡轮增压技术领域内涡轮增压器中的涡轮喷嘴环变截面调节技术。

背景技术

对涡轮增压器采用可变喷嘴环涡轮调节技术是近二十年发展起来的提高内燃机扭矩储备和瞬态响应性、降低燃料消耗与有害排放的有效措施。通过改变涡轮喷嘴环出口的流动截面积，可以实现全工况范围内增压器与内燃机的良好匹配。其作用是：当喷嘴环出口截面积减小，可改变内燃机排出废气的能量使涡轮进口燃气的压力升高，涡轮输出功率增加，增压器转速上升，压气机增压压力增大；反之，当喷嘴环出口截面积加大，则可使涡轮进口燃气压力下降，涡轮输出功率减少，增压器转速相对减小，增压压力降低。这样，在内燃机低转速工况，当转速降低时，可减小喷嘴环出口截面积，使增压压力不致下降过大；而对于内燃机高转速工况，当转速升高时，可增大喷嘴环出口截面积，使增压压力不致过量增升。从而保证了低转速工况具有较高的增压压力而获得满意的扭矩特性；在高转速工况也限制了增压压力的增加，不致出现增压过度。另外，对于改变喷嘴环叶片角度调节出口截面积的方式，因可实现电控无级调节增压压力的大小，因而可以根据燃烧和控制排放的需要，调节空燃比和排气背压的大小，改善燃烧降低燃料消耗与调节EGR(废气再循环)率实现达到欧IV和欧V的排放控制要求。

可变喷嘴环调节按涡轮喷嘴环的结构形式可分成喷嘴叶片环(由喷嘴叶片构成的涡轮喷嘴环叶栅，也称有叶喷嘴环)调节和无叶喷嘴环(无叶喷嘴环与涡轮壳做成一体，也称涡轮无叶蜗壳)调节两大类。在可变喷嘴环出口流动截面调节的现有技术中，由于结构的复杂和工作的不可靠等方面的原因，致使迄今为止尚无成熟的无叶蜗壳(无叶喷嘴环)变截面调节技术产品问世；而喷嘴叶片环(有叶喷嘴环)变截面调节技术，无例外地均为利用机械方式转动喷嘴叶片(改变喷嘴叶片在涡轮喷嘴环叶栅内的安装角)，使喷嘴环叶片的出口几何截面积改变的技术方案。却已在各种涡轮增压器商品上获得广泛应用。

喷嘴叶片环变截面调节的现有技术方案如下：

(一)变出口几何截面调节

通过电控(或液、气压控制)的机械调节装置，根据工况变化的需要，转动喷嘴叶片(改变叶片在喷嘴环叶栅中的安装角)，使喷嘴环叶栅的叶片通道的出口几何截面积的大小相应发生改变。

该技术与涡轮增压器现今广泛采用的另一种涡轮调节技术——废气旁通阀放气相比，其优点是：因无放气造成的高温、高压燃气的能量浪费，故可在不增大高转速工况燃料消耗率的条件下增大低速扭矩；扩大了低燃耗的运行区范围；可以满足越来越高的内燃机排放和噪声规范的要求。缺点是：①结构复杂，制造精度高，价格昂贵，体积大；②长期在高温和碳烟的环境下工作，难以保证结构与操作系统的可靠性，会使转动叶片出现卡滞、咬死而失效。为此，它仅在燃气温度相对较低的柴油机的涡轮增压器上获得应用，至今仍未推广应用在燃气温度更高的汽油机用的涡轮增压器上；③喷嘴叶片与涡轮蜗壳内壁之间为转动叶片所留空隙造成的高温燃气泄漏使涡轮级的效率降低；④喷嘴叶片角度变化的调节则会引起叶轮进口气流冲角和涡轮级反动度的变化，调节幅度过大会导致涡轮级效率大幅下降。

目前，涡轮喷嘴环叶片角度调节的实施方案甚多，其动作原理基本相同，但在叶片转动方式上尚有细微差别(关于涡轮喷嘴环变截面调节技术方案的介绍详见朱大鑫编著·《涡轮增压与涡轮增压器》·北京·机械工业出版社·1992·第431～443页和陆家祥编著·《车用内燃机增压》·北京·机械工业出版社·1993·第70～88页的相关内容)，典型结构实例可参见华觉源·《涡轮增压器和增压系统研制的新进展》·大同·车用发动机·1992年第4期·第20～24页的相关介绍。

(二)变出口流动截面调节

■燃气轮机装置中导叶(涡轮喷嘴叶片)环叶栅中的叶片“气膜冷却”衍生技术