專利名稱：兩級渦輪增壓引擎系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機的兩階,殳渦輪增壓引擎系統(tǒng)。
背景技術：
在US 4930315中公開了這樣兩級渦輪增壓引擎系統(tǒng)。這種渦輪增壓系 統(tǒng)還有缺陷，因為很難為其安裝柴油顆粒過濾器。通常，人們在發(fā)動機附近 設置氧化催化劑，并且在底盤下面安裝柴油顆粒過濾器。裝備有這種發(fā)動機 的汽車具有不必要的低性能，并且在柴油顆粒過濾器(DPF)再生時損失熱能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是在現(xiàn)有的汽車平臺架構范圍內(nèi)提供一種 帶有一清潔并且強勁的發(fā)動機的汽車。
該技術問題通過獨立權利要求的主題加以解決的。各從屬權利要求給出 了各種有利的改進。
本發(fā)明提供了 一種用于內(nèi)燃機的渦輪增壓引擎系統(tǒng)。渦輪增壓器的渦輪 機氣缸包含一用于接納低壓渦輪增壓器的低壓增壓器開口和一用于接納高 壓渦輪增壓器的高壓增壓器開口。低壓增壓器開口和高壓增壓器開口通過一 個低壓排氣管相連，因此，來自高壓渦輪機的氣流和壓力驅動低壓渦輪機。
此外，還設置有一個高壓排氣口，該高壓排氣口通過一高壓排氣管與高 壓增壓器開口相連，高壓排氣口可以連接在發(fā)動機排氣歧管相應的法蘭或凸 緣上，這樣來自于發(fā)動機排氣歧管的氣流和壓力驅動高壓渦輪機。
還設置有一個簡捷排氣口 ，該簡捷排氣口通過捷徑(short-cut)導管與低壓 增壓器開口相連。簡捷排氣口連接到發(fā)動機排氣歧管相應的凸緣或法蘭上， 這樣來自于發(fā)動機排氣歧管的氣流和壓力可以驅動低壓渦輪機。在捷徑 (short-cut)導管上有一高壓渦輪機旁路閥，用于控制氣流如何從發(fā)動機排氣歧 管流動到低壓渦輪機。渦輪機氣缸包括一個連到消聲器的外連接口 。該外連接口與低壓增壓器 相連通，這樣來自低壓渦輪機的氣流和壓力經(jīng)過處理系統(tǒng)和消聲器后就^皮引 到了排氣系統(tǒng)中。
外連接口還通過低壓排氣旁路管與低壓排氣管相連，這樣來自低壓排氣 管的氣流和壓力也被引到消聲器。在低壓排氣旁路管內(nèi)設置有一個廢氣閘門 閥區(qū)，用于控制氣流如何從低壓排氣管流動到消聲器。
這種設計的主要優(yōu)勢是，廢氣可以從排氣歧管到達高壓級渦輪機，也能 夠從排氣歧管直接到達低壓級渦輪機。廢氣從高壓渦輪機出來之后也可以被 引入低壓渦輪機。同時，當系統(tǒng)在不同條件下運行時，高壓渦輪機和低壓渦 輪機之間的同 一連接可以用作廢氣的閘門通道。
更為有利的是，根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選的實施形式，按本發(fā)明的渦輪機氣 缸裝備有 一個帶有低壓渦輪的低壓渦輪增壓器，該低壓渦輪增壓器位于低壓 增壓器開口內(nèi)。按本發(fā)明的渦輪機氣缸還裝備有一個帶有高壓渦輪的高壓渦 輪增壓器，該高壓渦輪增壓器位于高壓增壓器開口內(nèi)。低壓渦輪和高壓渦輪 面對面布置。這使得按本發(fā)明的渦輪增壓引擎系統(tǒng)的設計緊湊并且重量輕， 并因此可以采用緊密結合的柴油顆粒過濾器，特別是當高壓排氣凸緣或法蘭 和簡捷排氣凸緣或法蘭基本平行或者位于同一個平面上時。這種緊密結合的 柴油顆粒過濾器比單獨的催化劑加底盤下面的柴油顆粒過濾器要便宜。相比 具有位于底盤下面的柴油顆粒過濾器系統(tǒng) > 按本發(fā)明的渦輪系統(tǒng)排氣口和柴 油顆粒過濾器之間的距離較近，這意味著在本發(fā)明中柴油顆粒過濾器中將會 獲得更高的溫度，這提高了其性能。本發(fā)明中柴油顆粒過濾器還具有較低的
壓降，這意味著可以獲得更高的性能，這一點在如下情況下非常重要即按 本發(fā)明的內(nèi)燃機被安裝在具有外連接口的汽車上，并且該外連接口^t連接到 了汽車消聲器部分。
本發(fā)明的另 一種有利的實施形式中設置了在渦輪機氣釭作為內(nèi)部通道 的低壓排氣管、高壓排氣管、簡捷排氣管和/或低壓排氣旁路管。實施該發(fā)明 時，特別是當渦輪機氣缸作為一個整體的鑄件時，這一點可以輕易地做到。 這種緊湊集成的渦輪機氣缸所需的貴重的耐高溫材料較少。由于部件數(shù)和連
接數(shù)少，因而泄露的危險降低了，從而質量更高，成本更低。此外，這種渦 輪機氣缸使得通過鑄件中的開口對渦輪輪廓進行切削加工很方便。
實驗表明，當廢氣閘門閥區(qū)位于外連接口附近時，從渦輪機氣缸外面可以很容易的對廢氣閘門閥區(qū)進行切削加工。這有利于減少按本發(fā)明的渴輪增 壓引擎系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。
接下來參照附圖1-8示例性地說明本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施形式。圖中:
圖l是按本發(fā)明的渦輪增壓引擎系統(tǒng)的整體示意圖。
圖2是圖1所示的渦輪-增壓引擎系統(tǒng)的立體的局部剖視圖。
圖3是圖1所示的渦輪-增壓引擎系統(tǒng)立體的局部剖視圖。
圖4是圖1所示的渦輪-增壓引擎系統(tǒng)另一種立體局部剖視圖。
圖5是圖1所示渦輪增壓引擎系統(tǒng)的渦輪機氣缸的立體局部剖視圖。
圖6是圖5所示的渦輪機氣缸的另一種立體局部剖視圖。
圖7是圖5所示的渦輪機氣缸的另一種立體局部剖視圖。
圖8是圖5所示渦輪機氣缸的另一種立體局部剖視圖。
具體實施例方式
圖1示出了按本發(fā)明的渦輪增壓引擎系統(tǒng)的一種實施形式的結構。 渦輪增壓引擎系統(tǒng)具有發(fā)動機E,發(fā)動機E具有4個氣缸Z、高壓渦輪 增壓器l、低壓渦輪增壓器9和柴油顆粒過濾器DPF。為清楚起見，發(fā)動機
E的其它部件在圖1中沒有繪出。
高壓渦輪增壓器1包括高壓渦輪機2和由高壓渦輪機2通過軸3驅動的 高壓壓縮機4。高壓渦輪機入口 la通過高壓排氣管5相通地連到發(fā)動機E 的排氣歧管6。高壓排氣管5也叫做高壓渦輪機連接管。高壓壓縮機出口4a 通過高壓進氣管7相通地連到發(fā)動機E的進氣歧管8。中間冷卻器7a設置 在高壓進氣管7內(nèi)。
低壓渦輪增壓器9包括渦輪機10和相應地由低壓渦輪機10通過軸11 驅動和轉動的壓縮機12。低壓渦輪機入口 10a通過低壓排氣管13(也叫高壓 渦輪機排氣管)與高壓渦輪增壓器1的高壓渦輪機出口 2b相連通。排氣歧管 6通過捷徑(short-cut)導管或者旁路17a(在圖1未示出)直接與低壓渦輪機入 口 10a相連通。捷徑(short-cut)導管17a包括一高壓渦輪旁路閥17。低壓壓 縮機出口 12a通過低壓進氣管14與高壓渦輪增壓器1的高壓壓縮機入口 4b 相連通。低壓渦輪機出口 10b通過連接管段10c與柴油顆粒過濾器DPF相連接。 柴油顆粒過濾器DPF連接到消聲器管100。
高壓渦輪機排氣管13通過低壓渦輪機排氣旁路18與低壓渦輪機出口 10b相通。低壓渦輪機排氣旁路18具有一個廢氣閘門閥20。
低壓進氣管14通過進氣旁路21與高壓進氣管7相連通。進氣旁路21 具有一止回閥22。止回閥22具有這樣的功能，即，允許氣流從低壓進氣管 14進入到高壓進氣管7中，但不允許反向流動。
可以從圖2-4中更好得看出，按本發(fā)明的一種實施方式的渦輪增壓引擎 系統(tǒng)包括一設計為單個澆鑄部件和/或單個鑄件的渦輪機氣缸101。
渦輪機氣缸101具有一個用于接收或容納低壓渦輪增壓器9的低壓增壓 器開口 102,還具有一個用于接收或容納高壓渦輪增壓器1的高壓增壓器開 口 103。低壓增壓器開口 102具有連到低壓承壓外殼111的低壓渦輪增壓器 承壓外殼接口，并且，高壓增壓器開口 103具有連到高壓承壓外殼112的高 壓渦輪增壓器承壓外殼接口 。
低壓增壓器開口 102和高壓增壓器開口 103通過低壓排氣管13相連通。 低壓排氣管13作為一通道包含在渦輪機氣缸101中。低壓增壓器開口 102 和高壓增壓器開口 103具有螺栓法蘭，螺栓法蘭的連接平面相互平行。
從圖2中可以較好的看出，廢氣閘門閥20設計為帶有一氣門104的止 回閥。從圖3可以看出，廢氣閘門閥20相應可以由操縱桿19驅動旋轉，操 縱桿19由脈寬調(diào)制的氣動驅動器105驅動。
高壓渦輪機旁路閥17設計為帶有一氣門(vent flap)的止回閥。從圖3可 以看出，高壓渦輪機旁路閥17由操縱桿16旋轉，操縱桿16由脈寬調(diào)制的氣 動驅動器106驅動。
為了清楚起見，在圖2-4中沒有繪出由其它脈寬調(diào)制的氣動驅動器驅動 的進氣旁^各21和止回閥22。
從圖2和圖4中可以看出，高壓排氣管5延伸至高壓排氣法蘭107。高 壓排氣法蘭107用法蘭螺栓108連接到排氣歧管6相應的法蘭上。類似地， 捷徑(short-cut)導管17a延伸至簡捷排氣法蘭109上。簡捷排氣法蘭109用法 蘭螺栓IIO連接到排氣歧管6相應的另一個法蘭上。
高壓排氣法蘭107和簡捷排氣法蘭109位于平行的平面內(nèi)，并且朝向同 一個方向。下面介紹前述實施形式的工作模式。
在按本發(fā)明的渦輪增壓引擎系統(tǒng)中，例如在700轉每分時，由高壓增壓 器1和串接在高壓增壓器1下游的低壓增壓器9增壓。這種狀態(tài)下，高壓渦 輪機旁^各閥17、廢氣閘門閥20和止回閥22都關閉。
隨著發(fā)動機轉速增加，高壓渦輪增壓器的流通能力將達到極限，因此制 約了系統(tǒng)性能的進一步提高。它也將達到渦輪允許的最大轉速。
這時候，操縱桿16打開高壓渦輪機旁路閥17，這就允許部分廢氣從排 氣歧管6通過捷徑(short-cut)導管17b流入低壓排氣管13。這時候，高壓排 氣管5的氣流和壓力帶動高壓渦輪增壓器1，從而產(chǎn)生增壓壓力。同時，來 自捷徑(short-cut)導管17b和渦輪機出口 2b的氣流和壓力導致低壓排氣管13 的氣流和壓力增加，帶動低壓渦輪增壓器9，從而產(chǎn)生增壓壓強。因此，高 壓進氣管中的壓強可以調(diào)節(jié)，使之不超過允許的極限。
當發(fā)動機轉速達到例如2000轉每分時，溢流閥17的開口區(qū)域達到最大， 這樣幾乎所有的廢氣都通過高壓排氣旁路15進入低壓排氣管13，因此使得 高壓渦輪增壓器1失去作用，并帶動低壓渦輪增壓器產(chǎn)生預定的增壓壓力。 這時候，幾乎所有排放到低壓進氣管14的氣體都通過進氣旁路21來打開止 回閥22并流入高壓進氣管7中。
當發(fā)動機轉速超過2000轉每分、并且低壓渦輪增壓器達到其極限時， 必須對低壓渦輪增壓器進行保護以免其過速。因此，操縱桿19打開廢氣閘 門閥20,從而保持發(fā)動機最大允許的增壓壓力。
發(fā)動機處于部分負載時，例如轉速為6000轉每分，所需的氣體量會減 少。當發(fā)動機負載或者扭矩低于一預定的程度時，高壓渦輪機旁路閥17不 完全打開，廢氣流入低壓渦輪增壓器9的時候帶動高壓渦輪增壓器渦輪機1。
圖5-8所示的是渦輪機氣缸101的立體局部剖視圖。圖中渦輪機氣缸101 裝有氣門、軸、高壓渦輪機旁路閥17的操縱桿、渦輪機旁路閥20(即廢氣閘 門閥20)。附圖標記所代表的部件名稱 1高壓渦輪增壓器
la高壓渴輪機入口 2高壓渦輪才幾 2b高壓渴輪才幾出口 3軸
4高壓壓縮才幾
4a高壓壓縮才幾出口
4b高壓壓縮岸幾入口
5高壓壓縮機連接管
6排氣歧管
7高壓進氣管
7a中間冷卻器
8進氣歧管
9低壓渦輪增壓器
10a低壓渦輪機入口
10低壓渦輪機
10b低壓渴輪機出口
10c連接管段
11軸
12 j氏壓壓縮才幾 12a ^f氐壓壓縮才幾出口 13低壓渦輪機連接管 14低壓進氣管 17高壓渦庫侖機旁路閥 17b高壓渦輪機旁路管 18渦輪機旁路連接 19操縱桿
20渦輪機旁路閥=廢氣閘門閥 21高壓壓縮機旁路連接 22止回閥100消聲器管 101渦輪^幾氣缸
102低壓渦輪機增壓器承壓外殼接口 103高壓渦輪機增壓器承壓外殼接口 104氣門
105廢氣閘門氣動驅動器
106高壓渦輪機旁路氣動驅動器
107高壓渦輪機排氣法蘭
108法蘭螺栓
109低壓渦輪機排氣法蘭
110法蘭螺栓
111低壓承壓外殼
112高壓承壓外殼
114氣門
DPF柴油顆粒過濾器 E發(fā)動機 Z氣缸
權利要求
1.一種用于內(nèi)燃機(E)的渦輪增壓引擎系統(tǒng)的渦輪機氣缸(101)，所述渦輪機氣缸(101)包括一用于接收低壓渦輪增壓器(9)的低壓增壓器開口(102)和一用于接納高壓渦輪增壓器(1)的高壓增壓器開口(103)，所述低壓增壓器開口(102)和所述高壓增壓器開口(103)通過一低壓排氣管(13)連通，一高壓排氣口(107)通過一高壓排氣管(5)與高壓增壓器開口(103)相連通，所述高壓排氣口(107)可連接到所述發(fā)動機(E)的排氣歧管(6)的相應的凸緣或法蘭上，一簡捷排氣口(109)通過一捷徑導管(17a)與低壓增壓器開口(102)相連通，一高壓渦輪機旁路閥區(qū)(17)位于所述捷徑導管(17a)內(nèi)，所述簡捷排氣口(109)可以連接到所述發(fā)動機(E)排氣歧管(6)相應的凸緣或法蘭上，一可連接到一消聲器的外連接口(10c)，該外連接口(10c)與所述低壓增壓器開口(102)相連通，所述外連接口(10c)還通過一低壓渦輪機排氣旁路管(18)與所述低壓排氣管(13)相連通，一設置在所述低壓渦輪機排氣旁路管(18)中的廢氣閘門閥區(qū)(20)。
2. 如權利要求1所述的渦輪機氣缸(IOI)，其特征在于所述低壓排氣 導管(13)、所述高壓排氣導管(5)、所述捷徑導管(17a)和/或所述低壓渦輪機排 氣旁路管(18)作為內(nèi)部通道設置在所述渦輪機氣缸(101)中。
3. 如權利要求1或2所述的渦輪機氣缸(101),其特征在于所述高壓 排氣法蘭(107)和所述簡捷排氣法蘭(109)基本上朝向同一方向。
4. 如權利要求3所述的渦輪機氣缸(IOI),其特征在于所述高壓排氣 法蘭(107)和所述簡捷排氣法蘭(109)位于基本上平行的平面內(nèi)。
5. 如權利要求4所述的渦輪機氣缸(IOI),其特征在于所述高壓排氣 法蘭(107)和所述簡捷排氣法蘭(109)基本上位于同一平面內(nèi)。
6. 如前面各項權利要求之一所述的渦輪機氣缸(IOI),其特征在于所 述低壓增壓器開口 (102)和高壓增壓器開口 (103)位于基本上平行的平面內(nèi)。
7. 如前面各項權利要求之一所述的渦輪機氣缸(IOI)，其特征在于所 述渦輪機氣缸設計為一整塊的鑄件。
8. 如前面各項權利要求之一所述的渦輪機氣缸(IOI)，其特征在于所機械加工過程。
9. 如權利要求8所述的渦輪機氣缸(101)，其特征在于所述廢氣閘門 閥區(qū)(20)位于外連接口(10c)附近，這樣可以通過所述外連接口(10c)接近所述 廢氣閘門閥區(qū)對其進行機械加工。
10. —種用于內(nèi)燃機(E)的渦輪增壓引擎系統(tǒng)的高壓增壓器(l),其包括 一按前面任何一項權利要求所述的渦輪機氣缸(IOI)， 一位于低壓增壓器開口(102)內(nèi)的、帶有一低壓渦輪的低壓渦輪增壓器(9)和一位于高壓增壓器開口(103)內(nèi)的、帶有一高壓渦輪的高壓渦輪增壓器(l),所述^氐壓渦^^和所述高壓渦4侖互相朝向對方，一位于所迷捷徑導管(17a)內(nèi)的高壓渦輪機旁路閥(17),一設置在所述低壓渦輪機排氣旁路管(18)中的廢氣閘門閥(20)。
11. 如權利要求10所述的高壓渦輪增壓器(l)，其特征在于所述高壓 渦輪機旁路閥(17)和/或所述廢氣閘門閥(20)包括一可開合的氣門。
12. 如權利要求IO或11所述的高壓渦輪增器(l)，其特征在于設置一 脈沖寬度調(diào)制的氣動驅動器，用于在打開和關閉位置之間移動所述氣門。
13. —種帶有如權利要求10-12中的任何一項所述的高壓增壓器(l)的內(nèi) 燃機(E)，所述高壓排氣口(107)被連接到所述發(fā)動機(E)的排氣歧管(6)的相應 凸緣或法蘭上，所述簡捷排氣口 ( 109)被連接到所述排氣歧管(6)的相應的凸 緣或法蘭上。
14. 一種帶有如權利要求13所述的內(nèi)燃機(E)的汽車，其中，所述外連 接口 (10c)連接到所述汽車的消聲器部分。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機發(fā)動機(E)的兩級渦輪增壓引擎系統(tǒng)。渦輪機氣缸(101)包括一個用于安裝低壓渦輪增壓器(9)的低壓增壓器開口(102)和一個用于安裝高壓渦輪增壓器(1)的高壓增壓器開口(103)。一個高壓排氣口(107)連到發(fā)動機(E)的排氣歧管(6)相應的法蘭上。一個帶有高壓渦輪機旁路閥門區(qū)(17)的簡捷排氣口(109)連到排氣歧管(6)相應的法蘭上。連到外部的開口(10c)連到了一個消聲器。在連到外部的開口(10c)附近，有一個廢氣閘門閥區(qū)(17)。
文檔編號F02B37/013GK101410604SQ200780011424
公開日2009年4月15日 申請日期2007年3月22日 優(yōu)先權日2006年4月5日
發(fā)明者帕爾·阿克塞爾森, 比約恩·林德, 漢斯·德蘭蓋爾 申請人:Gm全球科技運作股份有限公司