[发明专利]具有压缩机冷却装置的涡轮增压器及方法

说明书

技术领域

本专利发明通常涉及空气压缩机，并且尤其涉及用于内燃机的涡轮增压器中的空气压缩机。

背景技术

在诸如那些用于内燃机上的传统空气压缩机中，排气能量用于压缩发动机进气。在某些其他应用中，所谓的增压器由机械发动机动力或电机直接驱动以压缩空气，之后将加压的空气提供给发动机气缸。在其他应用中，使用所谓的涡轮增压器，这种涡轮增压器包括一个接收来自发动机的加压排气的涡轮。排气通过涡轮的弯曲通道并冲击到使其转动的涡轮上。涡轮叶轮连接到一根轴上，该轴连接到设置在压缩机壳体中的压缩机叶轮上。涡轮叶轮与轴的动力旋转使压缩机叶轮转动，这使空气进入具有弯曲形状的压缩机壳体中并压缩空气。

过去，在发动机上使用各种型号、尺寸和数量的涡轮增压器和/或增压器。在为发动机应用选择合适的压缩机时的一个设计考虑是空气流速以及期望的发动机进气的理想压力比。另外，由于空气压缩使空气温度升高，所以发动机通常使用热交换器(如空气-空气热交换器)以在压缩空气被提供到发动机之前对其进行冷却。

选择用于构造发动机压缩机部件的材料考虑成本和运行参数。例如，虽然锻造铝压缩机叶轮相对有成本优势，但是它可能不适合于其中在运行期间压缩空气温度超过或预计超过阈值的应用。过去使用的用以构造能够耐较高运行温度的压缩机叶轮的其他更昂贵的材料包括为用于高温应用的合金族的铬镍铁合金、钛合金等。这类材料不仅购买昂贵，而且难以形成和机械加工。然而，使用用于高温应用的这类材料是普遍的，因为在例如220℃或以上的压缩机出口空气温度的高温应用中使用另一种材料(如铝)，可能会导致部件过早失效并导致昂贵的维修费用。以接近其运行参数的临界值运行的发动机应用尤其如此，如在非常高的海拔(例如在高于海平面15,000英尺处和/或高温环境中(例如超过110°F(约43.3℃)))处使用的发动机应用。

发明内容

一方面，本发明描述了一种内燃机。所述内燃机包括进气收集器和选择性地流体连接到发动机气缸上的排气收集器。所述内燃机还包括适于压缩空气或空气混合物且适于向进气收集器提供压缩进气的压缩机。所述压缩机包括环绕压缩机叶轮的壳体和连接到壳体并将压缩机叶轮封闭在壳体的内部空间内的背板。热交换器适于冷却提供到进气收集器的压缩进气。所述热交换器设置在压缩机与进气收集器之间，这样使得进气收集器沿着压缩进气流从压缩机到进气收集器的方向设置在热交换器的下游。增压空气管道将热交换器与进气收集器流体互连。

在一个实施例中，冷却流体管道流体连接在增压空气管道与在压缩机叶轮与背板之间的位置处的压缩机的壳体的内部空间之间。压缩机运行时产生的压差使压缩进气流从增压空气管道进入壳体的内部空间中。所述流经过压缩机叶轮并对流地冷却压缩机叶轮。所述流与主压缩机流混合并被提供回热交换器。

另一方面，本发明描述了一种用于与内燃机一起使用的涡轮增压器。所述涡轮增压器在内燃机的进气收集器与排气收集器之间互连。所述涡轮增压器包括涡轮和与涡轮相连的压缩机。所述压缩机适于压缩空气或空气混合物，并适于向进气收集器提供压缩进气。所述压缩机包括径向环绕压缩机叶轮的壳体以及连接到壳体并将压缩机叶轮封闭在壳体的内部空间内的背板。冷却流体管道在压缩机叶轮与背板之间的位置处流体地连接到压缩机的背板。由于在压缩机叶轮后方的位置与压缩机的出口之间产生的压差，冷却流体管道适于通过背板将来自压缩机的一部分压缩进气提供回压缩机。当压缩机运行时，使压缩进气流进入壳体的内部空间中。所述流在与主压缩机流混合并通过压缩机出口提供回之前，经过压缩机叶轮并对流地冷却该压缩机叶轮。

再一方面，本发明描述了一种用于在压缩机运行期间冷却流体压缩机内的压缩机叶轮的方法。所述方法包括冷却压缩机的一部分压缩工作流体，以及转移被冷却以形成冷却流的部分压缩工作流体。将冷却流提供回压缩机并通过压缩机叶轮后方的低压区域处的压缩机壳体的背板使冷却流通过管道流入压缩机壳体。利用来自冷却流的冷却流体填充压缩机叶轮附近的压缩机的内部内的流体空腔。然后，该冷却流体对流地冷却压缩机叶轮。

附图说明

图1是根据本发明的发动机的方框图。

图2与图3是根据本发明的来自不同视角的涡轮增压器的外形视图。

图4是根据本发明的移除了压缩机壳体和涡轮壳体的涡轮增压器的局部分解图。

图5是根据本发明的用于涡轮增压器的压缩机背板的横截面图。

图6是根据本发明的用于涡轮增压器的压缩机背板的一个可选实施例的横截面图。