專利名稱：一種車用內(nèi)燃機用的渦輪增壓器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及汽車、拖拉機、農(nóng)用機械、工程機械和特種車輛(坦克、戰(zhàn)車等)用的增壓內(nèi)燃機技術領域內(nèi)的渦輪增壓器。
車用內(nèi)燃機工況變動頻繁、負荷變化大、輸出功率高、轉速范圍廣。車用內(nèi)燃機按外特性工作，最大扭矩一般出現(xiàn)在55％～60％額定轉速處。為利于車輛在大負荷下迅速起動、加速和爬坡，要求車用增壓內(nèi)燃機在低速工況具有良好的扭矩特性和動態(tài)響應特性。為此，增壓匹配時，一般都選擇最大扭矩轉速附近的工況作為最佳匹配點來確定適用的增壓器通流部分的尺寸，以確保低速工況有足夠高的增壓壓力和扭矩儲備。然而，對于額定轉速附近的工況而言，因進氣質量流量增加很大，所選增壓器尺寸的通流能力則嫌太小，會使增壓器轉速和增壓壓力劇增，產(chǎn)生過高的機械負荷與引起汽油機爆燃。
為了使車用增壓內(nèi)燃機不僅在低轉速工況有較高的增壓壓力從而具有較大的扭矩，而且還要能使其在額定轉速工況附近不出現(xiàn)增壓壓力過高的增壓過度和增壓器嚴重超速現(xiàn)象，就必須對增壓壓力進行適當控制，使內(nèi)燃機在某轉速以上的轉速范圍內(nèi)保持增壓壓力不變或不超過預先設定的限制值。
在現(xiàn)已應用和正在進行研究開發(fā)的控制增壓壓力的眾多已知技術中(參見朱大鑫編著《渦輪增壓與渦輪增壓器》，機械工業(yè)出版社，1992，第431～447頁，及陸家祥編著《車用內(nèi)燃機增壓》，機械工業(yè)出版社，1993，第60～88頁中的有關評述)，最重要和最有效的是增壓器渦輪調(diào)節(jié)中的旁通放氣和可變截面渦輪兩種措施。它們都是通過對增壓器渦輪功率的調(diào)節(jié)，實施對增壓器平衡運行點的移向走勢進行調(diào)控來實現(xiàn)增壓壓力控制的。兩種措施都能有效地防止增壓過度和爆燃，并能獲得滿意的扭矩特性。自增壓匹配的性能指標來看，可變截面渦輪調(diào)節(jié)因可實現(xiàn)電控無級調(diào)節(jié)與無放氣造成的能量浪費，其效果要比旁通放氣更好，但結構復雜、成本高。它們共同具有的缺點是高溫工作環(huán)境對調(diào)節(jié)機構和電控裝置產(chǎn)生的不利影響明顯降低了使用的可靠性并縮短了使用壽命。目前，旁通放氣因方法簡單與技術成熟已獲廣泛應用；而可變截面渦輪調(diào)節(jié)的眾多技術方案中，只有可調(diào)噴嘴方案已進入實用階段，其它方案則因成本或可靠性方面的問題待解決而仍處于開發(fā)研究階段。
本發(fā)明的目的在于為車用增壓內(nèi)燃機提供一種具有新的增壓壓力調(diào)控裝置的渦輪增壓器。它的調(diào)控裝置控壓方法簡單、直接、有效，使用安全可靠、壽命長，并能與電子或液壓自動控制相結合實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。
本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的采用的技術方案是對一個能滿足車用增壓內(nèi)燃機低轉速工況扭矩特性需要的普通常規(guī)結構小型徑流或混流式渦輪增壓器實施壓氣機進氣正預旋調(diào)節(jié)，以對車用增壓內(nèi)燃機高轉速工況出現(xiàn)的過高增壓壓力進行抑制或控制。
所謂壓氣機進氣預旋，是指流入壓氣機旋轉葉輪進口前的氣流絕對速度 在葉輪旋轉圓周速度 方向的分速度 (

圖1)。 相同方向時，稱該 為正預旋；反之，則稱該 為負預旋。預旋由壓氣機進口的預旋器(導流器葉柵或螺旋進氣道)產(chǎn)生。圖1示出了壓氣機進口裝有軸向導流器葉片角度可變裝置在壓氣機葉輪入口形成不同預旋的情況示意圖。圖中畫出了葉輪進、出口處的氣流速度三角形，圖中符號意義如下 葉輪旋轉角速度矢量，rad／sr0-葉輪入口根部半徑，mmr1t-葉輪入口頂部半徑，mmr1-葉輪入口幾何平均半徑，mmr1=(r02+r1t2)/2]]>r2-葉輪出口半徑，mmR0-導流葉片出口根部半徑，mmR1t-導流葉片出口頂部半徑，mm
R1-導流葉片出口幾何平均半徑，mmR1=(R02+R1t2)/2]]> 圓周速度矢量，m／s 圓周速度單位矢量， 氣流相對速度矢量，m／s 氣流絕對速度矢量，m／s 氣流絕對速度的子午向分速度矢量，m／s 氣流絕對速度的徑向分速度矢量，m／s 氣流絕對速度的軸向分速度矢量，m／s 氣流絕對速度在圓周速度方向的分速度矢量，m／sθ-預旋角，θ=Arctg(C1u／C1m，(°)β1-葉輪入口氣流相對流入角，β1=Arctg[C1m／(u1-C1u)]，(°)下角注1-葉輪入口，幾何平均半徑r1位置處的值。
2-葉輪出口，半徑r2位置處的值。
根據(jù)上述符號的含義可知正預旋，C1u＞0，θ＞0；零預旋(又稱無預旋)，C1u＝0，θ=0；負預旋，C1u＜0，θ＜0。
依葉輪機械Euler方程，壓氣機旋轉葉輪的葉片對流經(jīng)葉輪的每千克質量氣體的作功率-輪周功率hth=C2uu2-C1uu1，J／s由此產(chǎn)生的壓氣機出口氣體滯止壓力(增壓壓力)pc*=pa[1+(k-1)(1+β1+βdf)kRTaηad*(C2uu2-C1uu1)]kk-1,bar]]>式中，pa-環(huán)境大氣壓力，barTa-環(huán)境大氣溫度，Kk-比熱比，k=Cp／Cv，空氣k=1．4R-氣體常數(shù)，空氣R=287．04 J／(kg·K)βi-漏氣損失影響系數(shù)，βl＝0．01βdf-輪阻損失影響系數(shù)，βdf＝0．02～0．03ηad*-壓氣機滯止等熵效率由上式可以看出，預旋通過“影響項C1uu1”對增壓壓力值的改變起作用。預旋的正負與量值大小對增壓壓力的變化影響很大，同一預旋值C1u在高增壓壓力工況(這時u1值高)的影響效果要比低增壓壓力工況大得多，因此預旋控壓對車用內(nèi)燃機高轉速工況特別適用。不同預旋對葉輪入口速度三角形的影響，已清楚地示于圖1，可由這些圖直觀地分析預旋對葉輪入口相對速度值︱W︱和相對流入角β1的影響。結論如下正預旋使壓氣機耗功功率減小，增壓壓力降低，流入相對速度值下降，相對流入角增大；負預旋產(chǎn)生的效果則恰好相反。不論正預旋還是負預旋，預旋值｜C1u｜越大，影響越大。與零預旋情況相比，采用正預旋后，由于相對流入角β1的增大(相當于使工況點在離心壓氣機流量～壓比特性曲線圖上沿等轉速線移向流量更大的區(qū)域)，使增壓壓力進一步下降，更加強了正預旋的抑壓效果。根據(jù)預旋的不同功能，可對壓氣機的性能(增壓壓力、喘振工況、堵塞工況、高效率區(qū)流量范圍、高效率工況運行保持)方面的要求進行針對性的調(diào)控。
壓氣機進口導流器葉片角度調(diào)節(jié)，在極少數(shù)的渦輪增壓器上已有應用。這些增壓器采用預旋調(diào)節(jié)的目的主要是擴大壓氣機有效工作的流量使用范圍和實現(xiàn)壓氣機性能的優(yōu)佳匹配。譬如，喘振一般都在內(nèi)燃機低轉速工況時首先出現(xiàn)，為消除或避免發(fā)生喘振，應在低轉速工況采用正預旋調(diào)節(jié)增大流入壓氣機葉輪的氣流相對流入角的量值。再如，對于要求壓氣機性能在全部運行工況都能保持優(yōu)佳匹配的情形，須采用適量的正預旋或負預旋使各工況的葉輪進口氣流相對流入角與對應的最佳值相符合。對于車用增壓內(nèi)燃機的高轉速工況，隨著轉速的增加，由于增壓器進氣質量流量的增加比增壓器轉速的增加快，所以須采用增大的負預旋才能使氣流的相對流入角符合最佳值。由此可見，現(xiàn)已采用壓氣機進口導流葉片角度調(diào)節(jié)的這些增壓器，它們應用進氣預旋的目的、效果和使用方式，都和本發(fā)明在內(nèi)燃機高轉速工況僅采用正預旋調(diào)節(jié)對增壓壓力實施控制的情況不同。另外，在其中個別采用了壓氣機進口導流器葉片角度調(diào)節(jié)裝置的增壓器上，往往同時也裝了旁通放氣閥(如瑞典的Flygmoter公司的T35GB增壓器)，這也足以說明其應用預旋的目的不是為了控制增壓壓力。
與旁通放氣和可變截面渦輪兩種控壓裝置相比，本發(fā)明采用的預旋控壓裝置具有如下優(yōu)點1)技術成熟。進口導流器葉片角度可調(diào)裝置用于離心式和軸流式通風機的風量調(diào)節(jié)已有近百年的歷史，現(xiàn)在仍在廣泛采用。
2)整個調(diào)控裝置都在室溫環(huán)境下工作，不受燃氣高溫影響，使用安全可靠、壽命長。
3)成本低。結構簡單，對零部件材料、制造與安裝方面的要求也較低。
4)調(diào)控快捷。直接控制增壓壓力，反饋直接，響應性好。
5)高轉速工況控壓效果好。進口導流器葉片同一角度值產(chǎn)生的預旋對壓氣機耗功或增壓壓力的改變幅度，隨內(nèi)燃機轉速的增加而增大。
6)控制方式多樣化。有導流器葉片角度固定的導流環(huán)控壓方式，導流器葉片角度分段式手動控制方式，電子控制自動無級調(diào)節(jié)和液壓控制自動無級調(diào)節(jié)多種形式可供選擇。
本發(fā)明采用的渦輪增壓器是普通常規(guī)結構的小型徑流或混流式渦輪增壓器(它由壓氣機葉輪，壓氣機殼，渦輪，渦輪箱和裝有浮動軸承的軸承體等部件所組成)，按內(nèi)燃機低轉速工況扭矩特性需要設計或選用的，其渦輪與壓氣機的通流部分尺寸都較小，與旁通放氣調(diào)節(jié)方案所用的相近，甚至更小。因此，本發(fā)明方案所用渦輪增壓器的轉子轉動慣量小，對提高車用內(nèi)燃機的加速性能十分有利。
一般用預旋角θ來表征預旋器(進口導流器葉柵或螺旋進氣道)幾何結構形狀在壓氣機葉輪進口截面產(chǎn)生預旋的能力，其定義式為θ=Arctg(C1u／C1m)，式中符號含義如圖1所示。正預旋時，θ為正值；負預旋時，θ為負值。對于同一壓氣機進氣質量流量(即C1m值相同)，預旋角θ越大，預旋器產(chǎn)生的預旋C1u也越大。也即，θ值越大，它改變增壓壓力的幅度也越大。
實用中，預旋角固定不變的預旋器有著非常廣闊的應用前景，因為它結構最簡單、安全可靠、壽命長、成本低，合理選擇θ值后基本上能滿足控壓要求的需要。
本發(fā)明采用的預旋角θ值的合理應用范圍如下預旋角θ值可調(diào)節(jié)的預旋器0°≤θ≤60°；預旋角θ值固定不變的預旋器10°≤θ≤60°。
進口導流器葉柵式預旋器的結構形式與通風機現(xiàn)用的相同，最常用的有軸向導流器和徑向導流器兩種。這兩種導流器的葉片角度均有可調(diào)與固定兩種形式。
以下，結合實施例和附圖對本發(fā)明的技術內(nèi)容進行敘述說明。
圖2示出了具有可變預旋角軸向導流器葉柵預旋裝置的本發(fā)明渦輪增壓器結構。預旋器部分的主要組成部件為1-滾動軸承，2-測角器，3-齒圈，4-扇形齒片，5-套筒，6-導流器葉片。導流器葉柵由多個導流葉片6組成(葉片數(shù)為Zp)，每個葉片的尾軸穿過套筒5與一片扇形齒片4聯(lián)結成一體。當扇形齒片繞套筒軸線轉動時，與齒片固結成一體的導流葉片也一起轉動。每個扇形齒片又共同與一個可轉動的齒圈3嚙合，以保證各齒片轉動保持同步一致，從而使各個導流葉片在預旋角改變時的轉角都相同。為減少齒圈的轉動摩擦，采用滾動軸承1，并安裝了測角器2量測齒圈的轉角。將齒圈或扇形齒片中的一片通過中間齒輪與電控直線位移或角位移執(zhí)行機構相聯(lián)接，就可進行可變預旋角的調(diào)控。電控直線位移或角位移執(zhí)行機構可采用步進電機或直流伺服電機。圖2所示的導流器葉柵出口截面的幾何平均半徑比壓氣機葉輪進口截面的幾何平均半徑大(即R1＞r1)，圖3所示的結構二者則相等(即R1=r1)。這兩種結構均常用，圖2結構預旋效果好，圖3結構緊湊。
圖4示出了預旋角固定不變的軸向導流器葉柵預旋裝置的結構安裝圖。導流器葉柵的幾何形狀與軸流渦輪的噴嘴環(huán)非常相似，可用精鑄方法整體鑄造，材質用鋁。圖中示出了用出口平均半徑R1的圓柱面剖截導流器葉柵后再展開成平面所得到的平面葉柵形狀。表征整個導流器葉柵產(chǎn)生預旋能力的幾何預旋角φ就由這個平面葉柵的兩個幾何尺寸-喉部寬度a與柵距t依下式確定φ=90°-Arcsin(a／t)，(°)式中，t=2πR1／Zp，Zp-導流器葉柵的葉片數(shù)目。導流器出口幾何預旋角φ與壓氣機葉輪進口氣流預旋角θ的轉換關系為θ=Arctg[(r1t-r0)／(R1t-R0)×tgφ]，(°)對于圖2和圖3所示的可變預旋角軸向導流器葉柵的每一個導流葉片角度，所對應的整個導流器葉柵的幾何預旋角φ值都可逐一根據(jù)導流器葉柵出口平均半徑R1圓柱面葉柵展開圖上量測的相應a的尺寸依上式算出。
圖5示出了具有可變預旋角徑向導流器葉柵預旋裝置的結構安裝圖。電控或液壓控制直線位移執(zhí)行器1推動齒圈2轉動，從而使與齒圈嚙合的各導向葉片尾軸上的扇弧形齒片同步轉動造成導向葉片角度的改變。
圖6示出了預旋角固定不變的徑向導流器葉柵預旋裝置的本發(fā)明渦輪增壓器簡圖。導流葉片環(huán)3與進氣道殼壁1和2用螺栓聯(lián)結在一起后整體嵌套在壓氣機進氣管上并用半圓螺釘徑向固定。圖7示出了導流葉片環(huán)3的結構圖。為防止在氣流力的作用下轉動，在1和3之間用螺釘或銷釘固定。與軸向導流器葉柵一樣，徑向導流器葉柵的幾何預旋角φ=90°-Arcsin(a／t)，(°)式中，t=2πR1／Zp，，Zp-導流環(huán)葉片數(shù)目，R1-導流環(huán)葉片出口半徑。幾何預旋角φ與氣流預旋角θ的換算式為θ=Arctg[(r1t-r0)／B×tgφ]，(°)式中，B-導流環(huán)葉片出口半徑處的葉片軸向高度(圖7)。
與軸向導流器葉柵不同的是當徑向導流器的葉片轉動角度時，不僅a發(fā)生改變，R1也發(fā)生改變。
權利要求
1．一種車用增壓內(nèi)燃機用的渦輪增壓器，它由一個普通常規(guī)結構的小型徑流或混流式渦輪增壓器與一個壓氣機進口預旋裝置組合而成。其特征在于當車用內(nèi)燃機按外特性工作，在高于60％額定轉速的高轉速工況范圍內(nèi)，預旋裝置在正預旋狀態(tài)下工作。
2．根據(jù)權利要求1所述的渦輪增壓器，其特征在于使用預旋角θ固定不變的預旋器的，其預旋角的合理范圍為10°≤θ≤60°；使用預旋角θ可變化調(diào)節(jié)的預旋器的，其預旋角的合理范圍為0°≤θ≤60°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于車用增壓內(nèi)燃機的渦輪增壓器,它由一個能滿足車用內(nèi)燃機低轉速工況扭矩特性需要的普通常規(guī)結構小型徑流或混流式渦輪增壓器與一個壓氣機進口預旋裝置組合而成。該增壓器采用壓氣機進氣正預旋技術對車用內(nèi)燃機高轉速工況的增壓壓力實施控制,防止增壓過度與增壓器嚴重超速。預旋控壓的優(yōu)點為:技術成熟,結構簡單,使用安全可靠、壽命長,成本低,控壓直接、響應快,效果好。
文檔編號F02B41/10GK1290806SQ9911385
公開日2001年4月11日 申請日期1999年7月6日 優(yōu)先權日1999年7月6日
發(fā)明者孫敏超 申請人:孫敏超