一種車用內燃機用的渦輪增壓器的製作方法

2023-06-02 16:26:46 1

專利名稱：一種車用內燃機用的渦輪增壓器的製作方法
技術領域：
本發明涉及汽車、拖拉機、農用機械、工程機械和特種車輛(坦克、戰車等)用的增壓內燃機技術領域內的渦輪增壓器。
車用內燃機工況變動頻繁、負荷變化大、輸出功率高、轉速範圍廣。車用內燃機按外特性工作，最大扭矩一般出現在55％～60％額定轉速處。為利於車輛在大負荷下迅速起動、加速和爬坡，要求車用增壓內燃機在低速工況具有良好的扭矩特性和動態響應特性。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，對於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，產生過高的機械負荷與引起汽油機爆燃。
為了使車用增壓內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增壓壓力過高的增壓過度和增壓器嚴重超速現象，就必須對增壓壓力進行適當控制，使內燃機在某轉速以上的轉速範圍內保持增壓壓力不變或不超過預先設定的限制值。
在現已應用和正在進行研究開發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》，機械工業出版社，1992，第431～447頁，及陸家祥編著《車用內燃機增壓》，機械工業出版社，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節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節，實施對增壓器平衡運行點的移向走勢進行調控來實現增壓壓力控制的。兩種措施都能有效地防止增壓過度和爆燃，並能獲得滿意的扭矩特性。自增壓匹配的性能指標來看，可變截面渦輪調節因可實現電控無級調節與無放氣造成的能量浪費，其效果要比旁通放氣更好，但結構複雜、成本高。它們共同具有的缺點是高溫工作環境對調節機構和電控裝置產生的不利影響明顯降低了使用的可靠性並縮短了使用壽命。目前，旁通放氣因方法簡單與技術成熟已獲廣泛應用；而可變截面渦輪調節的眾多技術方案中，只有可調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於開發研究階段。
本發明的目的在於為車用增壓內燃機提供一種具有新的增壓壓力調控裝置的渦輪增壓器。它的調控裝置控壓方法簡單、直接、有效，使用安全可靠、壽命長，並能與電子或液壓自動控制相結合實現無級調節。
本發明為實現上述目的採用的技術方案是對一個能滿足車用增壓內燃機低轉速工況扭矩特性需要的普通常規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節，以對車用增壓內燃機高轉速工況出現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)產生。圖1示出了壓氣機進口裝有軸嚮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由此產生的壓氣機出口氣體滯止壓力(增壓壓力)pc*=pa1+(k-1)(1+1+df)kRTaad*(C2uu2-C1uu1)kk-1,bar]]>式中，pa-環境大氣壓力，barTa-環境大氣溫度，Kk-比熱比，k=Cp／Cv，空氣k=1．4R-氣體常數，空氣R=287．04 J／(kg·K)βi-漏氣損失影響係數，βl＝0．01βdf-輪阻損失影響係數，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，已清楚地示於圖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，採用正預旋後，由於相對流入角β1的增大(相當於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、高效率區流量範圍、高效率工況運行保持)方面的要求進行針對性的調控。
壓氣機進口導流器葉片角度調節，在極少數的渦輪增壓器上已有應用。這些增壓器採用預旋調節的目的主要是擴大壓氣機有效工作的流量使用範圍和實現壓氣機性能的優佳匹配。譬如，喘振一般都在內燃機低轉速工況時首先出現，為消除或避免發生喘振，應在低轉速工況採用正預旋調節增大流入壓氣機葉輪的氣流相對流入角的量值。再如，對於要求壓氣機性能在全部運行工況都能保持優佳匹配的情形，須採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。對於車用增壓內燃機的高轉速工況，隨著轉速的增加，由於增壓器進氣質量流量的增加比增壓器轉速的增加快，所以須採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，現已採用壓氣機進口導流葉片角度調節的這些增壓器，它們應用進氣預旋的目的、效果和使用方式，都和本發明在內燃機高轉速工況僅採用正預旋調節對增壓壓力實施控制的情況不同。另外，在其中個別採用了壓氣機進口導流器葉片角度調節裝置的增壓器上，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，本發明採用的預旋控壓裝置具有如下優點1)技術成熟。進口導流器葉片角度可調裝置用於離心式和軸流式通風機的風量調節已有近百年的歷史，現在仍在廣泛採用。
2)整個調控裝置都在室溫環境下工作，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、製造與安裝方面的要求也較低。
4)調控快捷。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生的預旋對壓氣機耗功或增壓壓力的改變幅度，隨內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節和液壓控制自動無級調節多種形式可供選擇。
本發明採用的渦輪增壓器是普通常規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，與旁通放氣調節方案所用的相近，甚至更小。因此，本發明方案所用渦輪增壓器的轉子轉動慣量小，對提高車用內燃機的加速性能十分有利。
一般用預旋角θ來表徵預旋器(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。對於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值後基本上能滿足控壓要求的需要。
本發明採用的預旋角θ值的合理應用範圍如下預旋角θ值可調節的預旋器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用的相同，最常用的有軸嚮導流器和徑嚮導流器兩種。這兩種導流器的葉片角度均有可調與固定兩種形式。
以下，結合實施例和附圖對本發明的技術內容進行敘述說明。
圖2示出了具有可變預旋角軸嚮導流器葉柵預旋裝置的本發明渦輪增壓器結構。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(葉片數為Zp)，每個葉片的尾軸穿過套筒5與一片扇形齒片4聯結成一體。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，採用滾動軸承1，並安裝了測角器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行機構相聯接，就可進行可變預旋角的調控。電控直線位移或角位移執行機構可採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嚮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後再展開成平面所得到的平面葉柵形狀。表徵整個導流器葉柵產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的轉換關係為θ=Arctg[(r1t-r0)／(R1t-R0)×tgφ]，(°)對於圖2和圖3所示的可變預旋角軸嚮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嚮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嚮導流器葉柵預旋裝置的本發明渦輪增壓器簡圖。導流葉片環3與進氣道殼壁1和2用螺栓聯結在一起後整體嵌套在壓氣機進氣管上並用半圓螺釘徑向固定。圖7示出了導流葉片環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。與軸嚮導流器葉柵一樣，徑嚮導流器葉柵的幾何預旋角φ=90°-Arcsin(a／t)，(°)式中，t=2πR1／Zp，，Zp-導流環葉片數目，R1-導流環葉片出口半徑。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-導流環葉片出口半徑處的葉片軸向高度(圖7)。
與軸嚮導流器葉柵不同的是當徑嚮導流器的葉片轉動角度時，不僅a發生改變，R1也發生改變。
權利要求
1．一種車用增壓內燃機用的渦輪增壓器，它由一個普通常規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。其特徵在於當車用內燃機按外特性工作，在高於60％額定轉速的高轉速工況範圍內，預旋裝置在正預旋狀態下工作。
2．根據權利要求1所述的渦輪增壓器，其特徵在於使用預旋角θ固定不變的預旋器的，其預旋角的合理範圍為10°≤θ≤60°；使用預旋角θ可變化調節的預旋器的，其預旋角的合理範圍為0°≤θ≤60°。
全文摘要
本發明公開了一種用於車用增壓內燃機的渦輪增壓器,它由一個能滿足車用內燃機低轉速工況扭矩特性需要的普通常規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。該增壓器採用壓氣機進氣正預旋技術對車用內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 優先權日1999年7月6日
發明者孫敏超 申請人:孫敏超