CN102272425B - 两级涡轮增压器组件 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于内燃发动机的两级涡轮增压器组件。该组件具有低压涡轮增压器和彼此并联布置的多于两个的高压涡轮增压器组件。低压涡轮增压器的压气机出口在操作上连接于高压涡轮增压器的压气机入口。高压涡轮增压器的涡轮出口在操作上连接于低压涡轮增压器的涡轮入口。

Description

两级涡轮增压器组件
技术领域
本发明涉及一种两级涡轮增压器组件。
背景技术
为了减小NOx和CO2的排放，已知在工业用柴油发动机中使用米勒正时(Miller timing)。这种发动机需要高压力比的涡轮增压器，这大大超过了目前从单级涡轮增压器可获得的压力比。参见例如维克C.和霍尔白克B.的“作为排放减少装置的两级涡轮增压在瓦锡兰四冲程中速柴油发动机中的应用”的论文，2007年维也纳举办的国际内燃机会议的论文101(Wik C.and Hallback B.“Utilisation of 2-stage turbo charging asan emission reduction mean on a Wartsila 4-stroke medium-speed dieselengine”，paper 101，CIMAC Congress，Vienne，2007)。
在卡丹E.和玛斯C.的“排放-涡轮增压的新挑战”，2007年维也纳举办的国际内燃机会议的论文245(Codan，E.and Mathey，C.“Emission-A new Challenge for Turbocharging”Paper 245，CIMAC Congress，Vienne，2007)的图13中总结了实现较高压力比的传统方法。一种办法采用两级涡轮增压器组件，其基于传统设计的两个分离的涡轮增压器：较大的低压(LP)涡轮增压器，其从大气中获取空气并且将中等压力的空气传送至中间冷却器；和较小的高压(HP)涡轮增压器，其从中间冷却器获取中等压力的空气并且将高压空气输送至发动机增压空气冷却器。发动机的排气导至HP涡轮增压器的涡轮(以驱动HP压气机)并且从这里导至LP涡轮增压器的涡轮(以驱动LP压气机)。
具体地，当使用米勒正时时，希望能够改变涡轮增压器组件的压气机和涡轮的特性以提供低负荷下的发动机控制。
实现这的一种方式是采用可变几何形状的HP涡轮，在该HP涡轮中靠近涡轮喉部的定子叶片能够被移动。然而，使用作为发动机燃料的重质燃料油能够导致HP涡轮中沉积很多的灰。这使得可变几何形状的HP涡轮的有效使用变得困难。
典型地，与LP级相比，HP级具有较低的压力比。这确保了LP级的尺寸能够保持为不大于具有较低等级的米勒正时的典型的单级涡轮增压器。在发动机负荷改变时，HP压力比通常是恒定的，而LP涡轮增压器的压力比基本上随着发动机负荷的增加而增加。然而，在发动机瞬变过程中，较小的HP级倾向于产生加速度。因此涡轮迟滞主要受到HP级的惯性的支配。
DE 102006011188 A提出一种涡轮增压器组件，在该涡轮增压器组件中，两个HP涡轮增压器彼此并联地布置。
GB 2294729 A提出了一种涡轮增压器组件，在该涡轮增压器组件中，两个LP涡轮增压器彼此并联地布置。
发明内容
概括地讲，本发明提供了一种两级涡轮增压器组件——低压涡轮增压器和彼此并联布置的多个HP涡轮增压器。
本发明的第一方面提供了一种用于内燃发动机的两级涡轮增压器组件，该组件具有：
LP涡轮增压器，和
彼此并联布置的多个HP涡轮增压器，LP涡轮增压器的压气机出口在操作上连接于HP涡轮增压器的压气机入口，并且HP涡轮增压器的涡轮出口在操作上连接于LP涡轮增压器的涡轮入口；
其中，该组件具有多于两个的HP涡轮增压器。
该组件可具有下列可选特征中的任何一个或——如果它们是兼容的——任何组合。
优选地，该组件具有四个或更多个HP涡轮增压器。更加优选地，该组件具有六个或更多个或者八个或更多个HP涡轮增压器。
通过采用相对较大数量的并联的HP涡轮增压器，能够使用较小的HP涡轮增压器并且能够显著地减小它们的总重量。例如，在六个HP涡轮增压器的情况下，HP涡轮增压器的总重量可以仅仅是等效的单个HP涡轮增压器的总重量的40％。由于每个HP涡轮增压器较小，所以能够明显地降低HP级的总惯量。因此，六个HP涡轮增压器能够具有等效的单个HP涡轮增压器的惯量的大约1％。这样大大地降低了涡轮迟滞。
采用相对较大数量的小的并联的HP涡轮增压器的另外的优点在于，通常可以以低于较大的涡轮增压器的价格获得以较大数量制造的小的涡轮增压器。因此，尽管HP级包含较多涡轮增压器，仍能够降低总成本。
可替代地，如果并联的HP涡轮增压器的涡轮的尺寸增加(例如，相对于较小的HP涡轮增压器增加大约25％)，能够产生高的效率优势，同时可以将HP惯量保持在等效的单个HP涡轮增压器的惯量的大约2％以内。
因此，HP涡轮增压器的数量能够设定成使得：它们的总重量和惯量低，但是它们也不能太多而使得每个HP涡轮增压器的尺寸太小以至于效率低或用于提供LP涡轮增压器和HP涡轮增压器之间的连接的成本变得太高。
典型地，该组件具有能够在发动机满负荷的情况下提供至少3千克/秒的压缩空气的空气容量。更典型地，该组件具有能够在发动机满负荷的情况下提供至少5千克/秒的压缩空气的空气容量。
典型地，该组件能够在发动机满负荷的情况下提供数值至少为八的LP涡轮增压器的压气机入口和HP涡轮增压器的压气机出口之间的压力比。更加典型地，该组件能够在发动机满负荷的情况下提供数值至少为十的LP涡轮增压器的压气机入口和HP涡轮增压器的压气机出口之间的压力比。
优选地，一个或多个HP涡轮增压器能够被可控制地切换成在线和离线以便改变该组件的压气机和涡轮的特性，特别是HP级的压气机和涡轮的特性。例如，可切换的HP涡轮增压器中的每一个可具有控制排气流入其涡轮入口或从其涡轮出口流出并且由此改变其在线或离线状态的阀。另外地或可替代地，可切换的HP涡轮增压器中的每一个可具有控制压缩气体流入其压气机入口或从其压气机出口流出并且由此改变其在线或离线状态的阀。以这种方式改变组件的压气机和涡轮特性的能力能够有利地用于在低负荷下实施发动机控制，特别是当使用米勒正时的情况下。
该阀能够是蝶形阀、球阀或闸阀。这种阀即使在暴露于积灰时也能够可靠地运行。通常，与具有可移动的定子叶片的单个可变几何形状的HP涡轮相比，可切换的并联的HP涡轮增压器更加坚固并且具有改善了的积灰耐受度。
典型地，每个HP涡轮增压器具有允许排气旁通其涡轮的排废门。典型地，LP涡轮增压器具有允许排气旁通其涡轮的排废门。
典型地，提供有从每个HP涡轮增压器的压气机出口至涡轮入口的空气旁路。空气旁路能够由一个阀或多个阀控制。
该组件可进一步具有将LP涡轮增压器的压气机出口在操作上连接于HP涡轮增压器的压气机入口的一个或多个中间冷却器。一个(或多个)中间冷却器能够显著地增加该组件的性能。此外，为了增强控制，该组件能够具有与一个(或多个)中间冷却器并联并且允许旁通该一个(或多个)中间冷却器的一个或多个分流管道。
该组件可进一步具有在使用中将HP涡轮增压器的压气机出口在操作上连接于内燃发动机的一个(或多个)燃烧室的一个或多个增压空气冷却器。一个(或多个)增压空气冷却器也能够显著地增加该组件的性能。一些发动机可安装有多于一个的两级涡轮增压器组件。例如，V形发动机可具有两个组件，发动机的每一侧装有一个。在这种布置中，多个组件能够共享一个(或多个)中间冷却器和/或一个(或多个)增压空气冷却器。
优选地，各个HP涡轮增压器基本上彼此相同。这能够进一步有助于降低组件的成本。
高压涡轮增压器能够适于安装在内燃发动机的气缸盖处。特别是当采用相对较小的HP涡轮增压器时，HP涡轮增压器的尺寸允许它们安装在该位置，方便地允许减小在操作上连接从HP涡轮增压器的压气机出口和涡轮入口至发动机的一个(或多个)燃烧室的管道的长度。
例如，每个HP涡轮增压器可适于将压缩气体输送至内燃发动机的一个或多个相应的燃烧室并且从内燃发动机的一个或多个相应的燃烧室接收排气，该HP涡轮增压器在组件中布置成使得：每个HP涡轮增压器当被安装在气缸盖处时与其相应的一个(或多个)燃烧室相邻，并且HP涡轮增压器被分成两个或更多个组，每组HP涡轮增压器不服务于其它组的燃烧气缸。优选地，每组包括一个或多个可切换的HP涡轮增压器，由此发动机控制能够应用于发动机的所有燃烧气缸。
可替代地，当组件具有中间冷却器时，HP涡轮增压器能够被安装在该中间冷却器上。
可替代地，HP涡轮增压器能够安装于LP涡轮增压器的壳体上。例如，LP涡轮增压器能够具有与LP涡轮增压器的旋转轴线轴向对齐的涡轮入口，并且每个HP涡轮增压器能够具有与其HP涡轮增压器的旋转轴线轴向对齐的涡轮出口。方便地，该HP涡轮增压器因而能够被安装于LP涡轮增压器的壳体，从而使得HP涡轮出口轴向地对齐或至少在30°内轴向地对齐LP涡轮入口并且直接通向LP涡轮入口。这样能够提供在HP和LP涡轮之间的排出路径上具有低压力损失的紧凑的组件。尽管HP涡轮出口与LP涡轮入口轴向地对齐典型地产生了一种具有最低的压力损失的构造，但是允许HP涡轮出口的轴线与LP涡轮入口的轴线呈较小的角度(即：最大30°)的构造仍能够提供低的压力损失，同时在某些情况下有助于HP涡轮增压器与LP涡轮增压器的更坚固的联接和/或有助于接近联接区域。
本发明的另一方面提供了一种安装有第一方面的两级涡轮增压器组件的内燃发动机。该发动机可以能够提供至少3兆瓦(MW)的发动机功率。
例如，该发动机可具有多个排气歧管，每个排气歧管将排气输送至各子组的高压涡轮增压器。优选地，每个子组包括一个或多个可切换的HP涡轮增压器。当HP涡轮增压器适于被安装在发动机的气缸盖处时，该子组可对应于前述组的HP涡轮增压器。
附图说明
现在，将参考附图以示例的方式描述本发明的实施方式，其中：
图1示意性地示出了根据第一实施方式的两级涡轮增压器组件的空气侧的连接；
图2示意性地示出了根据第一实施方式的两级涡轮增压器组件的排气侧的连接；
图3示意性地示出了根据第二实施方式的两级涡轮增压器组件的排气侧的连接；
图4示意性地示出了根据第三实施方式的两级涡轮增压器组件的排气侧的连接；
图5示意性地示出了根据第四实施方式的两级涡轮增压器组件的排气侧的连接；
图6示意性地示出了根据第五实施方式的两级涡轮增压器组件的空气侧和排放侧的连接；以及
图7示出了两级涡轮增压器组件的安装布置的示意性立体图。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据第一实施方式的两级涡轮增压器组件的空气侧的连接，该组件安装于内燃发动机1。箭头线指示空气穿过该组件的流动。
该组件具有LP涡轮增压器2和六个并联的相同的HP涡轮增压器3。LP和HP涡轮增压器的压气机被标示为C，LP和HP涡轮增压器的涡轮被标示为T。来自于发动机进气道(未示出)的空气进入LP涡轮增压器的压气机入口。在离开LP涡轮增压器的压气机出口后，压缩空气穿过中间冷却器4并且行进至HP涡轮增压器的压气机入口。进一步压缩的空气然后离开HP涡轮增压器的压气机出口，穿过增压空气冷却器5，并且进入发动机1的燃烧室(未示出)。
与中间冷却器4并联的分流管道10在需要的时候允许对中间冷却器进行旁通。在第一实施方式的变型中，没有设置分流管道。
图2示意性地示出了根据第一实施方式的两级涡轮增压器组件的排气侧的连接。在该示例中，箭头线指示排气穿过组件的流动。
排气离开发动机1的燃烧室并且进入两个排气歧管6a、6b中的任一个。来自歧管6a的排气进入第一子组的三个HP涡轮增压器3a的涡轮入口，而来自歧管6b的排气进入不同的第二子组的三个HP涡轮增压器3b的涡轮入口。由于歧管接收来自不同燃烧气缸的排气，因此效果是：每一子组的HP涡轮增压器不服务于另一子组的燃烧气缸。在离开HP涡轮增压器的涡轮出口后，排气行进至LP涡轮增压器2的涡轮入口。然后其离开LP涡轮增压器的涡轮出口并且输送至发动机排气道(未示出)。
由于具有大量的相对较小的HP涡轮增压器，所以能够降低HP级中的涡轮迟滞。此外，小的相同的HP涡轮增压器的采购相对便宜，降低了组件的成本。
图3示意性地示出了根据第二实施方式的两级涡轮增压器组件的排气侧的连接。相同的参考标记指示与第一实施方式中的那些特征相同的特征。
排气侧的连接除了每一子组的三个HP涡轮增压器中的两个具有例如蝶形阀的隔离阀7之外与图2所示的那些相同，隔离阀7控制排气向各个涡轮入口的流动。可替代地，该阀可以定位在涡轮出口处。具有阀7的每个HP涡轮增压器还具有用于控制压缩空气流至其压气机入口或从其压气机出口流出的另外的隔离阀(未示出)。当HP涡轮增压器的两个阀都关闭时，涡轮增压器被有效地隔离并且离线。因此阀的控制允许具有阀的这些涡轮增压器被可控制地切换成在线和离线。该切换改变了组件的压气机和涡轮的特性，并且对于HP级尤其如此，并且允许在低负荷下实施发动机控制，这在结合采用米勒正时时特别有用。有利地可以采用例如蝶形阀、球阀或闸阀之类的稳健的阀设计，特别是在排气侧，因为它们能抵抗由于积灰而导致的性能下降。
图4示意性地示出了根据第三实施方式的两级涡轮增压器组件的排气侧的连接。相同的参考标记指示与第一和第二实施方式的那些等同的特征。
除了排废门8允许排气旁通HP涡轮增压器3a、3b的涡轮以及另外的排废门9允许排气旁通LP涡轮增压器的涡轮之外，排气侧的连接与图2中所示的那些相同。相似的排废门能够应用于第二实施方式。
图5示意性地示出了根据第四实施方式的两级涡轮增压器组件的排气侧的连接。相同的参考标记指示与前述的实施方式的那些等同的特征。
在本实施方式中，排气离开发动机1的燃烧室并且进入单个排气歧管6c。从这里排气行进至六个HP涡轮增压器3。HP涡轮增压器中的四个在通向它们的涡轮的入口处具有隔离阀7，并且在通向它们的压气机的入口处具有相应的另外的隔离阀(未示出)。再一次提及，阀的控制允许具有阀的这些HP涡轮增压器被可控制地切换成在线和离线。
HP涡轮增压器和LP涡轮增压器能够设置有各自的排废门。
图6示意性地示出了根据第五实施方式的两级涡轮增压器组件的空气侧和排气侧的连接。相同的参考标记指示与前述的实施方式的那些等同的特征。
第五实施方式采用多于两个的HP涡轮增压器3，尽管如此，为了简化，图6中只示出了两个HP涡轮增压器。
相对较小的HP涡轮增压器安装在发动机1的气缸盖处。限定数量的气缸(例如1至3个)供给每一个HP涡轮增压器，该每一个HP涡轮增压器不接收来自其它HP涡轮增压器的气缸的排气。HP涡轮增压器因此能够定位成接近它们各自的气缸，在此处它们能够与发动机的气门紧密地联接。此外，能够减小连接气缸与HP涡轮增压器的压气机出口和涡轮入口的管道的长度。
中间歧管11然后将HP涡轮增压器的涡轮出口接合于LP涡轮增压器的涡轮入口。有利地，该歧管处于较低温度和压力并且与前述实施方式的歧管6a-6c相比将经历强度较小的脉动，从而导致较低的损失和改善的性能。
代替单个HP涡轮增压器服务于每一限定数量的气缸，多于一个的HP涡轮增压器能够服务于各自的气缸。那么需要歧管将排气分配至每组HP涡轮增压器。然而，每组的HP涡轮增压器中的某些能够设置有隔离阀，允许涡轮增压器切换和改变该组件的压气机和涡轮的特性。
在第五实施方式中，HP涡轮增压器3和LP涡轮增压器2能够设置有各自的排废门。能够提供分流管道以便可控制地旁通中间冷却器4。
图7示出了两级涡轮增压器组件的安装布置的示意性立体图。该安装布置适于将第一至第四实施方的涡轮增压器组件应用于实际。
该安装布置包括LP涡轮增压器2和六个并联的相同的HP涡轮增压器3。LP涡轮增压器具有与LP涡轮增压器的旋转轴线轴向对齐的涡轮入口，并且每个HP涡轮增压器具有与HP涡轮增压器的旋转轴线轴向对齐的涡轮出口。在HP涡轮增压器安装于LP涡轮增压器的壳体上的情况下，LP和HP涡轮增压器的旋转轴线平行，从而使得轴向流出HP涡轮的排气自然地与LP涡轮的入口对齐且直接流至LP涡轮的入口。HP和LP涡轮的紧密联接能够降低在HP和LP涡轮之间的排气路径上的压力损失。此外，由于LP涡轮增压器是相对较大的涡轮增压器，其为安装HP涡轮增压器形成了稳定的基座。
LP涡轮增压器2压缩后的空气流入中间冷却器4并且从那里进入六个HP压气机3的轴向入口。HP压缩后的空气切向地流入蜗壳12，该蜗壳12将排气排出至发动机(未示出)上的增压空气冷却器(未示出)。发动机排气流入蜗壳13，该蜗壳13通向HP涡轮的切向流入连接部(不可清晰地看到)。如上文所讨论的，HP涡轮出口紧密地联接于LP涡轮入口。在图7的视图中，来自LP涡轮的排气几乎竖直向上地排放。
尽管已结合上述示例性实施方式对本发明进行了描述，但是对于本领域技术人员来说在看到本公开时，做出许多等效的改进和变型将变得显而易见。相应地，上文所阐述的本发明的示例性实施方式被认为是说明性的而不是限制性的。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的实施方式进行各种改变。

Claims (19)

1.一种用于内燃发动机的两级涡轮增压器组件，所述组件包括：
一个低压涡轮增压器，和
彼此并联布置的多个高压涡轮增压器，所述一个低压涡轮增压器的一个压气机出口在操作上连接于所述多个高压涡轮增压器的多个压气机入口，并且所述多个高压涡轮增压器的多个涡轮出口在操作上连接于所述一个低压涡轮增压器的一个涡轮入口；
其中，所述组件具有多于两个的所述多个高压涡轮增压器。
2.根据权利要求1所述的两级涡轮增压器组件，具有四个或更多个所述高压涡轮增压器。
3.根据权利要求1所述的两级涡轮增压器组件，具有六个或更多个所述高压涡轮增压器。
4.根据权利要求1所述的两级涡轮增压器组件，其中，所述高压涡轮增压器中的一个或多个能够被可控制地切换成在线和离线以改变所述组件的压气机和涡轮的特性。
5.根据权利要求4所述的两级涡轮增压器组件，其中，可切换的所述高压涡轮增压器中的每一个具有控制排气流向其涡轮入口或从其涡轮出口流出并由此改变其在线或离线状态的阀。
6.根据权利要求4所述的两级涡轮增压器组件，其中，可切换的所述高压涡轮增压器中的每一个具有控制压缩气体流向其压气机入口或从其压气机出口流出并因此改变其在线或离线状态的阀。
7.根据权利要求5所述的两级涡轮增压器组件，其中，所述阀是蝶形阀、球阀或闸阀。
8.根据权利要求6所述的两级涡轮增压器组件，其中，所述阀是蝶形阀、球阀或闸阀。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的两级涡轮增压器组件，其中，每个高压涡轮增压器具有允许排气旁通其涡轮的排废门。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的两级涡轮增压器组件，其中，所述低压涡轮增压器具有允许排气旁通其涡轮的排废门。
11.根据权利要求1-8中任一项所述的两级涡轮增压器组件，进一步具有一个或多个中间冷却器，所述中间冷却器将所述低压涡轮增压器的所述压气机出口在操作上连接于所述高压涡轮增压器的所述压气机入口。
12.根据权利要求11所述的两级涡轮增压器组件，进一步具有与所述一个或多个中间冷却器并联且允许旁通所述一个或多个中间冷却器的一个或多个分流管道。
13.根据权利要求1-8中任一项所述的两级涡轮增压器组件，进一步具有一个或多个增压空气冷却器，所述增压空气冷却器在使用中将所述高压涡轮增压器的压气机出口在操作上连接于内燃发动机的一个或多个燃烧室。
14.根据权利要求1-8中任一项所述的两级涡轮增压器组件，其中，各个高压涡轮增压器基本上彼此相同。
15.根据权利要求1-8中任一项所述的两级涡轮增压器组件，其中，所述高压涡轮增压器适于安装在内燃发动机的气缸盖处。
16.根据权利要求15所述的两级涡轮增压器组件，其中，每个高压涡轮增压器适于输送压缩气体至所述内燃发动机的一个或多个相应的燃烧室并且从所述内燃发动机的一个或多个相应的燃烧室接收排气，所述高压涡轮增压器在所述组件中布置成使得每个高压涡轮增压器在安装在所述气缸盖处时与其相应的一个或多个燃烧室相邻，并且所述高压涡轮增压器分成两个或更多个组，每组的高压涡轮增压器不服务于其它组的燃烧气缸。
17.根据权利要求4所述的两级涡轮增压器组件，其中，所述高压涡轮增压器适于安装在内燃发动机的气缸盖处；其中，每个所述高压涡轮增压器适于输送压缩气体至所述内燃发动机的一个或多个相应的燃烧室并且从所述内燃发动机的一个或多个相应的燃烧室接收排气，所述高压涡轮增压器在所述组件中布置成使得每个高压涡轮增压器在安装在所述气缸盖处时与其相应的一个或多个燃烧室相邻，并且所述高压涡轮增压器分成两个或更多个组，每组的高压涡轮增压器不服务于其它组的燃烧气缸；其中，每组包括一个或多个可切换的高压涡轮增压器。
18.一种内燃发动机，其安装有根据前述权利要求中任一项所述的两级涡轮增压器组件。
19.根据权利要求18所述的内燃发动机，具有多个排气歧管，每个排气歧管将排气输送至相应子组的高压涡轮增压器。
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