用于多级涡轮增压机的涡轮系统以及内燃发动机系统[实用新型专利]

(12)实用新型专利

(10)授权公告号(10)授权公告号 CN 203769932 U(45)授权公告日 2014.08.13

(21)申请号 201290000343.2(22)申请日 2012.02.24(30)优先权数据

13/043826 2011.03.09 US(85)PCT国际申请进入国家阶段日 2013.09.09

(86)PCT国际申请的申请数据

PCT/US2012/0232 2012.02.24(87)PCT国际申请的公布数据

WO2012/121900 EN 2012.09.13(73)专利权人通用电气公司

地址美国纽约州

(72)发明人R.罗德里格斯埃尔德蒙格

A.斯科蒂德尔格雷科 V.麦克莱西K.R.斯文森 L.W.约翰逊D.E.罗林格 M.T.斯塔布莱恩

(51)Int.Cl.

(74)专利代理机构中国专利代理()有限公

司 72001

代理人肖日松 严志军

F02B 37/013(2006.01)F02B 37/18(2006.01)F02B 37/24(2006.01)F02B 37/00(2006.01)F02C 6/12(2006.01)F02C 9/18(2006.01)

权利要求书2页 说明书5页 附图4页权利要求书2页 说明书5页 附图4页

(54)实用新型名称

用于多级涡轮增压机的涡轮系统以及内燃发动机系统(57)摘要

公开了用于多级涡轮增压机的涡轮系统和用于利用该系统的方法。涡轮系统包括高压涡轮，其具有用于接收流体流的入口和用于在从高压涡轮提取功后传送该流的出口。该系统还包括低压涡轮，其具有用于接收来自高压涡轮的流体流的入口。扩散器连接高压涡轮的出口和低压涡轮的入口。该系统还包括旁路通道，其用于使流的一部分绕过高压涡轮从高压涡轮的上游旁通至高压涡轮的下游。该系统包括用于以减少扩散器中的流分离的方式将旁通流输入扩散器中的喷射器。

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权 利 要 求 书

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1.一种用于多级涡轮增压机的涡轮系统，包括：高压涡轮，其具有用于接收流体流的入口和用于在从所述高压涡轮提取功后传送所述流的出口；

所述高压涡轮下游的低压涡轮，其具有用于接收来自所述高压涡轮的下游的流体流的入口；

所述高压涡轮下游的扩散器，其连接所述高压涡轮的出口和所述低压涡轮的入口；旁路通道，其用于使所述流的一部分绕过所述高压涡轮从所述高压涡轮的上游旁通至所述高压涡轮的下游；以及

喷射器，其用于以减少所述扩散器中的流分离的方式将所述旁通流输入所述扩散器中。

2.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述喷射器在所述扩散器中将所述旁通流以旋涡角喷射到从所述高压涡轮的出口接收的所述流。

3.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述喷射器包括喷嘴。4.根据权利要求3所述的涡轮系统，其特征在于，所述喷嘴为可变几何形状阀门。5.根据权利要求3所述的涡轮系统，其特征在于，所述喷嘴将所述旁通流喷向所述扩散器的纵向轴线的中心。

6.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述喷射器包括半蜗壳。7.根据权利要求6所述的涡轮系统，其特征在于，所述半蜗壳将所述旁通流以一角度喷射到所述扩散器的至少一个表面壁。

8.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，喷射到所述扩散器中的所述旁通流将从所述高压涡轮接收的所述流推向所述低压涡轮的入口。

9.一种内燃发动机系统，包括：内燃发动机，其产生加压排气；排气管线，其流体连接到所述内燃发动机，以用于引导所述加压排气的流；高压涡轮，其具有用于从所述排气管线接收加压排气的入口和用于在从所述高压涡轮提取功后传送所述加压排气的出口；

所述高压涡轮下游的低压涡轮，其具有用于接收来自所述高压涡轮的下游的所述加压排气的入口；

所述高压涡轮下游的扩散器，其连接所述高压涡轮的出口和所述低压涡轮的入口；旁路通道，其用于使所述加压排气的一部分绕过所述高压涡轮从所述高压涡轮的上游旁通至所述高压涡轮的下游；以及

喷射器，其用于以减少所述扩散器中的流分离的方式将所述旁通流输入所述扩散器中。

10.根据权利要求9所述的内燃发动机系统，其特征在于，所述喷射器在所述扩散器中将所述旁通流以旋涡角输入到从所述高压涡轮的出口接收的所述加压排气流。

11.根据权利要求9所述的内燃发动机系统，其特征在于，所述喷射器包括喷嘴。12.根据权利要求11所述的内燃发动机系统，其特征在于，所述喷嘴为可变几何形状阀门。

13.根据权利要求11所述的内燃发动机系统，其特征在于，所述喷嘴将所述旁通流喷

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向所述扩散器的纵向轴线的中心。

14.根据权利要求9所述的内燃发动机系统，其特征在于，所述喷射器包括半蜗壳。15.根据权利要求14所述的内燃发动机系统，其特征在于，所述半蜗壳将所述旁通流以一角度喷射到所述扩散器的表面壁。

16.根据权利要求9所述的内燃发动机系统，其特征在于，喷射到所述扩散器中的所述旁通流将从所述高压涡轮接收的所述加压排气流推向所述低压涡轮的入口。

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用于多级涡轮增压机的涡轮系统以及内燃发动机系统

背景技术

诸如用于内燃发动机的两级涡轮增压系统是本领域熟知的。两级涡轮增压机包括

高压涡轮增压机和低压涡轮增压机。高压涡轮增压机(高压级)包括联接到压缩机的高压涡轮。类似地，低压涡轮增压机包括联接到压缩机的低压涡轮。涡轮通过以下而操作：从内燃发动机接收排气，并且通过使排气流经过涡轮叶轮的叶片而将该排气流中的能量的一部分转换为机械能，由此导致涡轮叶轮旋转。该旋转力接着被通过轴联接到涡轮叶轮的压缩机利用，以将一定量的空气压缩至高于周围大气的压力。这提供了可用于在发动机进气冲程期间吸入内燃发动机气缸中的增加量的空气。吸入气缸中的额外压缩空气可允许更多燃料在气缸内燃烧，由此提供增加发动机功率输出的机会。 [0002] 在某些情况下，例如为了满足部分负载下的空气流要求，需要通过使用旁路系统而在两个涡轮增压级之间切换，以绕过较高压力涡轮增压机将排气流转向至较低压力涡轮增压机。旁通流一般被称为泄放流。一般而言，旁路系统上的泄放流仅以从包装角度看便利的方式喷入较低压涡轮中。然而，在这样的情况下，泄放流以影响高压涡轮和较低压涡轮的效率的方式被喷射。此外，取决于涡轮增压机布置，高压涡轮增压机下游的扩散器可能需要具有非常陡峭的角度和/或在一些情况下大的弯曲，从而降低低压和高压涡轮增压机两者的效率。

[0003] 出于这些和其它原因，存在对本发明实施例的需要。

[0001]

实用新型内容

[0004] 公开了用于多级涡轮增压机的涡轮系统以及内燃发动机系统。涡轮系统包括高压涡轮，其具有用于接收流体流的入口和用于在从高压涡轮提取功后传送该流的出口。高压涡轮下游的低压涡轮具有用于接收来自高压涡轮下游的流体流的入口。扩散器连接高压涡轮的出口和低压涡轮的入口。旁路用于使流的一部分绕过高压涡轮从高压涡轮的上游旁通至高压涡轮的下游。喷射器用于以减少扩散器中的流分离的方式将旁通流输入扩散器中。 附图说明

[0005] 图1示出根据本发明的实施例的带有多级涡轮增压机的内燃发动机的示意图； [0006] 图2示出根据本发明的实施例的用于在扩散器中喷射旁通流的喷射器；[0007] 图3示出根据本发明的实施例的用于在扩散器中喷射旁通流的另一喷射器；[0008] 图4示出根据本发明的实施例的用于提高多级涡轮增压机的效率的方法。具体实施方式

[0009] 本发明的实施例提供了用于多级涡轮增压机的改进涡轮系统和利用该改进涡轮系统的内燃发动机系统。本发明的实施例还提供了提高内燃发动机中的多级涡轮增压机的效率的方法。

[0010] 图1示出带有多级涡轮增压机102的内燃发动机系统100的示意图。内燃发动机

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系统100(也称为“内燃发动机100”)可为内燃柴油发动机。内燃发动机系统100可包括燃烧室104、进气歧管106和排气歧管108。进气歧管106和排气歧管108中的每一个流体连接到燃烧室104。内燃发动机100还包括进气管线110，进入(环境)空气通过进气管线110进入进气歧管106中。类似地，内燃发动机100包括排气管线112，其与排气歧管108流体连接，以引导在燃烧室104中产生的加压排气的流动。 [0011] 在本发明的一实施例中，进入内燃发动机100中的进入空气可以可选地与再循环的排气(EGR)混合以形成增压空气混合物。进入空气或EGR/进入空气混合物(“增压空气”)流过低压空气压缩机114并被其压缩。低压空气压缩机114可以是离心压缩机。在低压空气压缩机114中压缩之后，进入空气可流过高压空气压缩机116以便进一步压缩。高压空气压缩机116也可以是离心压缩机。在本发明的一实施例中，进入空气可以在其流过高压空气压缩机116之前被转向并直接供入进气歧管106中。内燃发动机系统100可以可选地还包括在低压空气压缩机114和高压空气压缩机116之间的级间冷却器(未示出)以及在高压空气压缩机116和进气歧管106之间的后冷却器(未示出)。 [0012] 随后，进入空气进入进气歧管106并进入内燃发动机系统100的燃烧室104中。在内燃发动机100的燃烧室104中燃烧之后，热加压排气以更高排气能级离开燃烧室104并通过排气歧管108流至排气管线112。

[0013] 来自排气歧管108的这些加压排气被多级涡轮增压机102利用。多级涡轮增压机102包括涡轮系统118。多级涡轮增压机102具有两级涡轮增压，即，高压涡轮增压机和低压涡轮增压机。排气管线112中的高压涡轮120通过第一轴122联接到进气管线110中的高压空气压缩机116，并且与组合的涡轮和压缩机装置一起形成高压涡轮增压机。类似地，排气管线112中的低压涡轮124通过第二轴126联接到进气管线110中的低压空气压缩机114，并且与涡轮和压缩机一起形成低压涡轮增压机。

[0014] 涡轮系统118还包括在高压涡轮120下游的扩散器128。扩散器128连接高压涡轮120的出口和低压涡轮124的入口130。在通过高压涡轮增压机提取功之后，排气流通过扩散器128流入低压涡轮124的入口130中。在本文中，对本领域技术人员而言可能显而易见的是，诸如扩散器128的常规扩散器可以是例如细长的部段。然而，其它构型是可能的。扩散器128常规地保存排气流体的能量并在流体流过扩散器128时将其动能的一部分转换为压力。

[0015] 再次参照图1，在离开排气歧管108之后，排气管线112中的排气可流过高压涡轮120的入口132，其与排气管线112流体连接。在排气经过高压涡轮120期间，从流体提取功借助于高压空气压缩机116完成，并且排气通过高压涡轮120的出口134循环离开并进入扩散器128中，扩散器128连接高压涡轮120的出口134和低压涡轮124的入口130。随后，定位在高压涡轮120下游的低压涡轮124的入口130接收来自扩散器128的排气的流。因此，在排气通过出口146循环离开内燃发动机100之前，排气可在低压涡轮124中进一步膨胀。

[0016] 备选地，取决于各种负载条件，可能需要将高压涡轮120上游的排气的一部分转向至高压涡轮120的下游。因此，涡轮系统118还包括旁路通道136以使来自高压涡轮120上游的排气的一部分转向。旁路通道136从高压涡轮120上游从排气管线112延伸而与高压涡轮120下游的扩散器128连接。具体而言，旁路通道136的第一端部138连接到排气

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管线112，且旁路通道136的第二端部140连接到扩散器128。此外，旁路通道136可包括控制阀142，其取决于负载条件而调节必须从高压涡轮120上游转向的排气的部分。控制阀142在其打开状态下引导来自排气管线112的排气的一部分通过旁路通道136，由此阻止全部排气进入高压涡轮120。

[0017] 在排气进入低压涡轮124之前，从高压涡轮120的出口134循环离开的排气和旁通的排气在扩散器128内部混合。来自高压涡轮120和/或来自旁路通道136的流可以是湍流。在这种情况下，扩散器128可经历边界层形成、流分离并因此经历损失，例如但不限于压力损失等。这样的损失可显著妨碍涡轮的性能。在本发明的一实施例中，旁路通道136还包括喷射器144以将旁通流喷入扩散器128中。喷射器144以减少扩散器128中的流分离的方式将旁通流输入扩散器128中。

[0018] 喷射器144设计成使得扩散器128中旁通流的喷射减少扩散器128中的流分离。此外，扩散器128中减少的流分离可使高压涡轮120和低压涡轮124的组装能够更加靠近。因此，扩散器128可在长度上相对较短。备选地，扩散器128可设计有更急剧的弯曲，且因此占用更少空间。有利地，高压涡轮120和低压涡轮124更靠近的组装可使内燃发动机100的更紧凑包装成为可能。

[0019] 图2示出根据本发明的实施例用于在扩散器128中喷射旁通流的喷射器144。在图2的示例性实施例中，喷射器144包括半蜗壳(volute)202。半蜗壳202可将旁通流以一角度喷射到扩散器128的至少一个表面壁204。具体而言，半蜗壳202可将旁通流沿扩散器128的表面壁204喷入扩散器128中。喷入扩散器128中的旁通流可将从高压涡轮120接收的排气流推向低压涡轮124的入口130。边界层的形成可导致在扩散器128的内部边界(或表面壁204)处的流动速度趋于更小。然而，由半蜗壳202沿表面壁204喷射的流再激励从高压涡轮120接收的排气的流，这继而减少边界层的形成，且因此减小压力损失。此外，由半蜗壳202喷射的旁通流还可允许在高压涡轮120和低压涡轮124之间的连接处具有陡峭/高得多的角度，且因此提供紧凑的设计和包装优点。

[0020] 图3示出根据本发明的实施例用于在扩散器128中喷射旁通流的另一喷射器144。在图3的示例性实施例中，喷射器144包括管道302，其螺栓连接到扩散器128且具有朝向入口304的大约90度。在本发明的另一实施例中，喷射器144可包括喷嘴(未示出)。喷嘴可以是可变几何形状的阀门。在一个实施例中，喷射器144可将旁通流以旋涡角喷射到从高压涡轮120接收的排气流。以旋涡角喷射旁通流可再激励从高压涡轮120接收的排气流并因此减小可能由于扩散器128中的流分离而出现的损失。在另一实施例中，喷射器144可将旁通流朝扩散器128的纵向轴线的中心喷射。喷射流可使从高压涡轮120接收的排气流加速并因此减小可能由于扩散器128中的流分离而出现的损失。 [0021] 本文说明的各种实施例为非性的示例性实施例，并且可能存在用作减少扩散器中的流分离的喷射器的其它方法和构型。

[0022] 图4示出根据本发明的实施例用于提高多级涡轮增压机102的效率的方法400。方法400可应用于内燃发动机系统上，例如采用排气再循环系统的内燃发动机100。内燃发动机系统100可包括燃烧室104、进气歧管106和排气歧管108。进气歧管106和排气歧管108中的每一个流体连接到燃烧室104。内燃发动机100还包括进气管线110，进入空气可通过进气管线110进入进气歧管106中。类似地，内燃发动机100包括排气管线112，其与

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排气歧管108流体连接以引导燃烧室104中产生的加压排气的流动。

[0023] 进入空气进入进气歧管106并进入内燃发动机系统100的燃烧室104中。在内燃发动机100的燃烧室104中燃烧之后，热加压排气以更高排气能级离开燃烧室104并通过排气歧管108流至排气管线112。 [0024] 在步骤402，来自排气歧管108的加压排气经过多级涡轮增压机102。多级涡轮增压机102具有两级涡轮增压，即，高压涡轮增压机和低压涡轮增压机。排气管线112中的高压涡轮120通过第一轴122联接到进气管线110中的高压空气压缩机116，并且与组合的涡轮和压缩机装置一起形成高压涡轮增压机。类似地，排气管线112中的低压涡轮124通过第二轴126联接到进气管线110中的低压空气压缩机114，并且与涡轮和压缩机一起形成低压涡轮增压机。

[0025] 涡轮系统118还包括在高压涡轮120下游的扩散器128，其连接高压涡轮120的出口134和低压涡轮124的入口130。在通过高压涡轮增压机提取功之后，排气通过扩散器128流入低压涡轮124的入口130中。 [0026] 在离开排气歧管108之后，排气管线112中的排气可流过高压涡轮120的入口132，其与排气管线112流体连接。在排气经过高压涡轮120期间，从流体提取功借助于高压空气压缩机116完成，并且排气通过高压涡轮120的出口134循环离开并进入扩散器128中，扩散器128连接高压涡轮120和低压涡轮124。随后，定位在高压涡轮120下游的低压涡轮124的入口130接收来自扩散器128的排气的流。因此，在排气通过出口146循环离开内燃发动机100之前，排气可在低压涡轮124中进一步膨胀。 [0027] 备选地，在步骤404，取决于各种负载条件，排气的一部分从高压涡轮120上游被旁通。涡轮系统包括旁路通道136以使来自高压涡轮120上游的排气的一部分转向。旁路通道136从高压涡轮120上游从排气管线112延伸而与高压涡轮120下游的扩散器128连接。此外，旁路通道136包括控制阀142，其取决于负载条件而调节必须从高压涡轮120上游转向的排气的部分。控制阀142在其打开状态下引导来自排气管线112的排气的一部分通过旁路通道136，由此阻止全部排气进入高压涡轮120。 [0028] 在排气进入低压涡轮124之前，从高压涡轮120的出口134循环离开的排气和旁通流在扩散器128内部混合。来自高压涡轮120和/或旁路通道136的流可以是湍流。在这种情况下，扩散器128可经历边界层形成、流分离并因此经历损失，例如但不限于压力损失等。这样的损失可显著妨碍涡轮的性能。在本发明的一实施例中，旁路通道136还包括用于将旁通流喷入扩散器128中的喷射器144。 [0029] 在步骤406，喷射器144以减少扩散器128中的流分离的方式将旁通流输入扩散器128中。喷射器144设计成使得旁通流在扩散器128中的喷射减少了扩散器128中的流分离。因此，在流体经过扩散器128期间在流体中出现的损失减少。此外，扩散器128中减少的流分离可使高压级和低压级的组装能够更加靠近。因此，扩散器128可在长度上相对较短。备选地，扩散器128可具有90度弯曲且因此占用更小空间。有利地，高压级和低压级更加靠近的组装可使内燃发动机100的更紧凑包装成为可能。在本发明的一实施例中，旁通流以一角度喷射到扩散器128的至少一个表面壁204。喷入扩散器128中的旁通流可将从高压涡轮120接收的流推向低压涡轮124的入口130。在本发明的另一实施例中，旁通流以旋涡角喷射到从高压涡轮120接收的流。在又一实施例中，旁通流被喷向扩散器128的

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纵向轴线的中心。对本领域技术人员而言可能显而易见的是，由于边界层的形成，在扩散器128的内部边界处的流动速度趋于变小。然而，本发明的喷射器144以某一方式设计，使得喷射流可再激励来自高压涡轮120的流，这减少了边界层的形成，且因此减小压力损失。此外，喷射旁通流还可允许在高压涡轮120和低压涡轮124之间的连接处具有陡峭/高得多的角度，且因此导致紧凑的设计和包装优点。

[0030] 已经依据仅用于说明目的的若干实施例描述了本发明。本领域技术人员将从本说明书认识到，本发明不限于所描述的实施例，而是可进行仅由所附权利要求的精神和范围的修改和更改。

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