滿足egr循環(huán)需要的可變截面廢氣旁通渦輪機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于渦輪增壓器的廢氣旁通渦輪機(jī)，尤其涉及一種滿足EGR循環(huán)需要的可變截面廢氣旁通渦輪機(jī)，屬于內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，EGR越來(lái)越多的應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上，EGR全稱為ExhaustGas Recirculat1n,中文譯為廢氣再循環(huán),是將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生廢氣的一小部分再送回氣缸參與燃燒，作用是減少NOx的排放量。
[0003]NOx是一種對(duì)人體危害極大的氣體，主要是在高溫富氧的條件下生成，燃燒溫度和氧濃度越高，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，NOx的生成物也越多。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，如果適時(shí)、適量地將部分廢氣再次弓I入氣缸內(nèi)，因廢氣中的主要成份CO2比熱容較大，所以廢氣可將燃燒產(chǎn)生的部分熱量吸收并帶出氣缸，并對(duì)進(jìn)氣有一定的稀釋作用，因此降低了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的最高溫度和氧含量，從而減少了 NOx化合物的生成。
[0004]在增壓中冷柴油機(jī)上，實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)的主要方式是將渦輪前的廢氣引入中冷器之后，稱為高壓廢氣再循環(huán)，為了確保不同工況的EGR率，最好的方式是采用可變截面渦輪增壓器，通過(guò)增壓器的截面變化來(lái)調(diào)節(jié)渦輪前Pt與中冷后Pk的壓差，驅(qū)動(dòng)EGR閥。
[0005]目前采用最多的可變截面渦輪增壓器是在渦輪機(jī)內(nèi)部增加旋轉(zhuǎn)噴嘴葉片，通過(guò)改變噴嘴葉片的開(kāi)度來(lái)改變渦輪機(jī)的流通通道，控制比較方便。但由于發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣具有700攝氏度左右的排氣聞溫，并且有進(jìn)一步提升的趨勢(shì)，排氣聞溫對(duì)噴嘴葉片、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、噴嘴環(huán)支撐盤(pán)及外部的控制系統(tǒng)都有嚴(yán)格的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫廢氣中的雜質(zhì)對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)部件造成了可靠性隱患。
[0006]而且，該類產(chǎn)品由于昂貴的價(jià)格因素，僅被用于高端發(fā)動(dòng)機(jī)增壓領(lǐng)域，該類型可變截面渦輪增壓器從成本和可靠性兩方面限制了市場(chǎng)推廣。除了上述主要因素外，也存在一些其他技術(shù)問(wèn)題:
問(wèn)題1，當(dāng)流量減小時(shí)，需關(guān)小噴嘴葉片開(kāi)度，渦輪進(jìn)氣周向速度加大，渦輪變?yōu)闆_動(dòng)式葉輪，不利于廢氣能量的充分利用，渦輪效率偏低，且造成發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓過(guò)高。
[0007]問(wèn)題2，小葉片開(kāi)度時(shí)，渦輪進(jìn)氣流動(dòng)路徑增加，沿程流動(dòng)損失加大；噴嘴葉片距離渦輪過(guò)遠(yuǎn)，氣流混合損失上升。
[0008]問(wèn)題3，葉片兩端必須留有間隙，以便于葉片旋轉(zhuǎn)，但此間隙會(huì)造成漏氣損失，降低渦輪機(jī)效率。
[0009]另外一種使用較多的可變截面應(yīng)用是康躍科技研發(fā)的雙層流道可變截面渦輪增壓器，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)渦輪殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用內(nèi)外雙層的進(jìn)氣通道組合，形成不同的通流截面，有效的分段利用發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣能量，可以實(shí)現(xiàn)變截面渦輪機(jī)的所有功能，并且不需要設(shè)置復(fù)雜的旋葉式氣動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，成本大大降低、可靠性大大提升，將是未來(lái)的一個(gè)研究方向。
[0010]該類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低速、低負(fù)荷時(shí)，增壓壓力低，調(diào)節(jié)閥門(mén)5關(guān)閉，渦輪殼I只有進(jìn)氣內(nèi)流道3起作用，氣流沿內(nèi)流道流動(dòng)方向4流入，驅(qū)動(dòng)渦輪做功。
[0011]如圖2所示，當(dāng)增壓壓力達(dá)到一定程度，控制執(zhí)行器7推動(dòng)閥門(mén)銷片組件6，閥門(mén)銷片組件6帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)5打開(kāi)，進(jìn)氣內(nèi)流道3與進(jìn)氣外流道2同時(shí)起作用，氣流沿內(nèi)流道流動(dòng)方向4和外流道流動(dòng)方向8流入，驅(qū)動(dòng)渦輪做功。但這種結(jié)構(gòu)在實(shí)際的配試和應(yīng)用過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了很多問(wèn)題。
[0012]問(wèn)題1，在發(fā)動(dòng)機(jī)的中速、中負(fù)荷段，簡(jiǎn)單的閥門(mén)結(jié)構(gòu)無(wú)法精確控制流量和壓力，流量、壓力的控制偏差不但會(huì)影響匹配性能，更會(huì)影響EGR率的控制，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排放超標(biāo)。
[0013]問(wèn)題2，增壓器的雙層流道總面積做得較大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的高速性能易于保證，但在雙層流道的面積分配上，如果內(nèi)層流道分配較大，則影響發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能和EGR率，如果內(nèi)流道分配較小，則放氣閥門(mén)打開(kāi)時(shí)，瞬間的臌脹損失過(guò)大，發(fā)動(dòng)機(jī)的中速、中負(fù)荷段更難以控制。雙層流道總面積做得較小時(shí)，就又會(huì)受到壓力過(guò)高的困擾。
[0014]問(wèn)題3，鑄造結(jié)構(gòu)復(fù)雜，廢品率高。
[0015]問(wèn)題4，生產(chǎn)一致性很難控制，對(duì)鑄件及工藝管理要求高，達(dá)標(biāo)國(guó)V、國(guó)VI排放一致性要求是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。
[0016]問(wèn)題5，內(nèi)外流道的分配會(huì)產(chǎn)生多個(gè)渦舌，氣體流動(dòng)易于相互影響，導(dǎo)致渦輪機(jī)效率降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)傳統(tǒng)可變截面渦輪增壓器的上述缺點(diǎn)，提供一種滿足EGR循環(huán)需要的可變截面廢氣旁通渦輪機(jī)，將雙層流道設(shè)置成兩段流道，通過(guò)中置閥門(mén)調(diào)整另一段流道介入的時(shí)機(jī)和流量大小，在渦輪周邊排布開(kāi)槽導(dǎo)葉，在排氣管上增加廢氣旁通通道，并通過(guò)中置閥門(mén)軸的聯(lián)動(dòng)控制開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工況的良好匹配，性能、EGR率控制都達(dá)至最優(yōu)。
[0018]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種滿足EGR循環(huán)需要的可變截面廢氣旁通渦輪機(jī)，包括渦輪殼，所述渦輪殼內(nèi)設(shè)置有進(jìn)氣內(nèi)流道和進(jìn)氣外流道，進(jìn)氣內(nèi)流道和進(jìn)氣外流道分別采用非全周結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣內(nèi)流道承擔(dān)動(dòng)力渦輪0°?(150?230) °的進(jìn)氣，進(jìn)氣外流道承擔(dān)(150?230) °?360°的進(jìn)氣；所述渦輪殼內(nèi)還設(shè)有廢氣旁通管路，該廢氣旁通管路與進(jìn)氣外流道、進(jìn)氣內(nèi)流道平行設(shè)置，但不經(jīng)過(guò)動(dòng)力渦輪。
[0019]以下是本發(fā)明對(duì)上述方案的進(jìn)一步優(yōu)化:
該渦輪機(jī)還包括動(dòng)力渦輪、閥門(mén)座、排氣管及其控制附件，所述渦輪殼、閥門(mén)座、排氣管密封連接在一起。
[0020]進(jìn)一步優(yōu)化:所述閥門(mén)座內(nèi)安裝有可調(diào)節(jié)進(jìn)氣外流道進(jìn)氣流量的調(diào)節(jié)閥門(mén)。
[0021]進(jìn)一步優(yōu)化:調(diào)節(jié)閥門(mén)通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)軸套安裝在閥門(mén)座內(nèi)，調(diào)節(jié)閥門(mén)的其中一端與控制附件傳動(dòng)連接。
[0022]進(jìn)一步優(yōu)化:調(diào)節(jié)閥門(mén)的另一端設(shè)有調(diào)節(jié)面，調(diào)節(jié)面為螺旋型結(jié)構(gòu)，其軸向高度繞自身軸心呈螺旋上升。
[0023]進(jìn)一步優(yōu)化: 所述廢氣旁通管路內(nèi)設(shè)置有可與調(diào)節(jié)閥門(mén)相配合動(dòng)作的廢氣旁通閥門(mén)，廢氣旁通閥門(mén)通過(guò)廢氣旁通閥軸套安裝在閥門(mén)座內(nèi)，廢氣旁通閥門(mén)與廢氣旁通閥軸套間安裝有彈簧，廢氣旁通閥門(mén)靠近調(diào)節(jié)閥門(mén)的一側(cè)設(shè)置有與調(diào)節(jié)面相配合動(dòng)作的調(diào)節(jié)桿。
[0024]動(dòng)作時(shí)，控制附件帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)進(jìn)氣外流道進(jìn)氣量的同時(shí)，調(diào)節(jié)閥門(mén)的調(diào)節(jié)面推動(dòng)調(diào)節(jié)桿，廢氣旁通閥門(mén)打開(kāi)，并壓縮彈簧，此時(shí)，旁通廢氣從廢氣旁通管路排出，當(dāng)調(diào)節(jié)閥門(mén)回位時(shí)，廢氣旁通閥門(mén)在彈簧彈力作用下回位，廢氣不再旁通。
[0025]進(jìn)一步優(yōu)化:所述渦輪殼內(nèi)靠近動(dòng)力渦輪的位置安裝有導(dǎo)葉支撐盤(pán)，導(dǎo)葉支撐盤(pán)上設(shè)置有若干個(gè)開(kāi)槽導(dǎo)葉，若干個(gè)開(kāi)槽導(dǎo)葉呈環(huán)形均勻排列。
[0026]開(kāi)槽導(dǎo)葉中間位置設(shè)有導(dǎo)流槽，開(kāi)槽導(dǎo)葉的排列角度為68°?80°，導(dǎo)流槽的兩槽邊由切割線圍繞導(dǎo)葉支撐盤(pán)的中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)獲得，槽寬最窄處按3_控制。
[0027]所述開(kāi)槽導(dǎo)葉采用氣固復(fù)合噴嘴形式，發(fā)動(dòng)機(jī)低速低負(fù)荷時(shí)，渦輪機(jī)進(jìn)氣內(nèi)流道起作用，此時(shí)進(jìn)氣內(nèi)流道的進(jìn)氣角由公式tan ( a ) =2 Ji b/ (A/r)獲得，其中b為渦輪進(jìn)口寬度，是定值，進(jìn)氣角由進(jìn)氣內(nèi)流道的A/r決定，
進(jìn)氣內(nèi)流道的導(dǎo)葉角按進(jìn)氣內(nèi)流道進(jìn)氣角進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保兩角度基本一致，氣體沿進(jìn)氣內(nèi)流道進(jìn)入導(dǎo)葉，再沿導(dǎo)葉進(jìn)入動(dòng)力渦輪，中間沒(méi)有轉(zhuǎn)彎損失，氣動(dòng)效率高。
[0028]隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸提升，氣體流量加大，進(jìn)氣外流道會(huì)隨著調(diào)節(jié)閥門(mén)的打開(kāi)參與進(jìn)氣，外流道進(jìn)氣角也由進(jìn)氣外流道的A/r決定，導(dǎo)流槽角度按進(jìn)氣外流道進(jìn)氣角進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保兩角度基本一致，氣體沿進(jìn)氣外流道進(jìn)入導(dǎo)流槽，再沿導(dǎo)流槽進(jìn)入渦輪，避免產(chǎn)生安裝完整導(dǎo)葉(沒(méi)有導(dǎo)流槽)時(shí)的撞擊損失和拐彎損失，不但提高了效率，更是拓寬了流量。而且，隨著氣流速度的加快，徑向速度分量上升更快，導(dǎo)流槽的存在，使高速段的流量拓寬更加明顯。
[0029]實(shí)際工作中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低速、低負(fù)荷時(shí)，調(diào)節(jié)閥門(mén)關(guān)閉，進(jìn)氣沿排氣管、閥門(mén)座氣體入口、閥門(mén)座內(nèi)流道接口、渦輪殼內(nèi)流道入口、進(jìn)氣內(nèi)流道、開(kāi)槽導(dǎo)葉流入渦輪，驅(qū)動(dòng)渦輪做功，此時(shí)，氣流沿兩開(kāi)槽導(dǎo)葉中間區(qū)域流向渦輪，驅(qū)動(dòng)渦輪做功，此時(shí)只有進(jìn)氣內(nèi)流道起作用，截面較小，而且流經(jīng)導(dǎo)葉時(shí)也只沿導(dǎo)葉角流入，氣流集中，可以提高渦前壓力、提升EGR 率。
[0030]當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷逐漸升高時(shí)，調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)始開(kāi)啟，部分氣流流過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)，沿閥門(mén)座外流道接口、渦輪殼外流道入口、進(jìn)氣外流道、開(kāi)槽導(dǎo)葉流入渦輪，以適應(yīng)逐漸增大的流量需求，在此過(guò)程，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度，可以調(diào)整渦前壓力，確定合適的EGR率。
[0031]在調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥門(mén)的過(guò)程中，調(diào)節(jié)閥門(mén)轉(zhuǎn)到一定角度后，會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)面給調(diào)節(jié)桿施加推力，調(diào)節(jié)桿帶動(dòng)廢氣旁通閥門(mén)壓縮彈簧，打開(kāi)廢氣旁通通道，廢氣沿排氣管廢氣旁通出口、閥門(mén)座廢氣旁通入口、閥門(mén)座廢氣旁通出口、渦輪殼廢氣旁通入口、渦輪殼廢氣旁通出口流出，排掉一部分廢氣能量，確保發(fā)動(dòng)機(jī)高速、高負(fù)荷時(shí)增壓