具有壓縮機冷卻裝置的渦輪增壓器及方法
【技術領域】
[0001]本專利發明通常涉及空氣壓縮機，并且尤其涉及用于內燃機的渦輪增壓器中的空氣壓縮機。
【背景技術】
[0002]在諸如那些用于內燃機上的傳統空氣壓縮機中，排氣能量用于壓縮發動機進氣。在某些其他應用中，所謂的增壓器由機械發動機動力或電機直接驅動以壓縮空氣，之后將加壓的空氣提供給發動機氣缸。在其他應用中，使用所謂的渦輪增壓器，這種渦輪增壓器包括一個接收來自發動機的加壓排氣的渦輪。排氣通過渦輪的彎曲通道并沖擊到使其轉動的渦輪上。渦輪葉輪連接到一根軸上，該軸連接到設置在壓縮機殼體中的壓縮機葉輪上。渦輪葉輪與軸的動力旋轉使壓縮機葉輪轉動，這使空氣進入具有彎曲形狀的壓縮機殼體中并壓縮空氣。
[0003]過去，在發動機上使用各種型號、尺寸和數量的渦輪增壓器和/或增壓器。在為發動機應用選擇合適的壓縮機時的一個設計考慮是空氣流速以及期望的發動機進氣的理想壓力比。另外，由于空氣壓縮使空氣溫度升高，所以發動機通常使用熱交換器(如空氣-空氣熱交換器)以在壓縮空氣被提供到發動機之前對其進行冷卻。
[0004]選擇用于構造發動機壓縮機部件的材料考慮成本和運行參數。例如，雖然鍛造鋁壓縮機葉輪相對有成本優勢，但是它可能不適合于其中在運行期間壓縮空氣溫度超過或預計超過閾值的應用。過去使用的用以構造能夠耐較高運行溫度的壓縮機葉輪的其他更昂貴的材料包括為用于高溫應用的合金族的鉻鎳鐵合金、鈦合金等。這類材料不僅購買昂貴，而且難以形成和機械加工。然而，使用用于高溫應用的這類材料是普遍的，因為在例如220°C或以上的壓縮機出口空氣溫度的高溫應用中使用另一種材料(如鋁)，可能會導致部件過早失效并導致昂貴的維修費用。以接近其運行參數的臨界值運行的發動機應用尤其如此，如在非常高的海拔(例如在高于海平面15，000英尺處和/或高溫環境中(例如超過110° F(約43.3°C )))處使用的發動機應用。
【發明內容】
[0005]一方面，本發明描述了一種內燃機。所述內燃機包括進氣收集器和選擇性地流體連接到發動機氣缸上的排氣收集器。所述內燃機還包括適于壓縮空氣或空氣混合物且適于向進氣收集器提供壓縮進氣的壓縮機。所述壓縮機包括環繞壓縮機葉輪的殼體和連接到殼體并將壓縮機葉輪封閉在殼體的內部空間內的背板。熱交換器適于冷卻提供到進氣收集器的壓縮進氣。所述熱交換器設置在壓縮機與進氣收集器之間，這樣使得進氣收集器沿著壓縮進氣流從壓縮機到進氣收集器的方向設置在熱交換器的下游。增壓空氣管道將熱交換器與進氣收集器流體互連。
[0006]在一個實施例中，冷卻流體管道流體連接在增壓空氣管道與在壓縮機葉輪與背板之間的位置處的壓縮機的殼體的內部空間之間。壓縮機運行時產生的壓差使壓縮進氣流從增壓空氣管道進入殼體的內部空間中。所述流經過壓縮機葉輪并對流地冷卻壓縮機葉輪。所述流與主壓縮機流混合并被提供回熱交換器。
[0007]另一方面，本發明描述了一種用于與內燃機一起使用的渦輪增壓器。所述渦輪增壓器在內燃機的進氣收集器與排氣收集器之間互連。所述渦輪增壓器包括渦輪和與渦輪相連的壓縮機。所述壓縮機適于壓縮空氣或空氣混合物，并適于向進氣收集器提供壓縮進氣。所述壓縮機包括徑向環繞壓縮機葉輪的殼體以及連接到殼體并將壓縮機葉輪封閉在殼體的內部空間內的背板。冷卻流體管道在壓縮機葉輪與背板之間的位置處流體地連接到壓縮機的背板。由于在壓縮機葉輪后方的位置與壓縮機的出口之間產生的壓差，冷卻流體管道適于通過背板將來自壓縮機的一部分壓縮進氣提供回壓縮機。當壓縮機運行時，使壓縮進氣流進入殼體的內部空間中。所述流在與主壓縮機流混合并通過壓縮機出口提供回之前，經過壓縮機葉輪并對流地冷卻該壓縮機葉輪。
[0008]再一方面，本發明描述了一種用于在壓縮機運行期間冷卻流體壓縮機內的壓縮機葉輪的方法。所述方法包括冷卻壓縮機的一部分壓縮工作流體，以及轉移被冷卻以形成冷卻流的部分壓縮工作流體。將冷卻流提供回壓縮機并通過壓縮機葉輪后方的低壓區域處的壓縮機殼體的背板使冷卻流通過管道流入壓縮機殼體。利用來自冷卻流的冷卻流體填充壓縮機葉輪附近的壓縮機的內部內的流體空腔。然后，該冷卻流體對流地冷卻壓縮機葉輪。
【附圖說明】
[0009]圖1是根據本發明的發動機的方框圖。
[0010]圖2與圖3是根據本發明的來自不同視角的渦輪增壓器的外形視圖。
[0011]圖4是根據本發明的移除了壓縮機殼體和渦輪殼體的渦輪增壓器的局部分解圖。
[0012]圖5是根據本發明的用于渦輪增壓器的壓縮機背板的橫截面圖。
[0013]圖6是根據本發明的用于渦輪增壓器的壓縮機背板的一個可選實施例的橫截面圖。
[0014]圖7是根據本發明的具有空氣開口的圓盤的外形視圖。
[0015]圖8、圖9和圖10是壓縮機葉輪在發動機的典型運行條件下的熱分布圖。
[0016]圖11是根據本發明的壓縮機冷卻裝置的溫度圖。
[0017]圖12是根據本發明的冷卻壓縮機葉輪的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0018]本發明涉及空氣壓縮機，并且尤其涉及壓縮機推進器或壓縮機葉輪在運行期間進行冷卻的結構和方法，其中所采用的冷卻介質是壓縮機的工作流體。在一個公開的實施例中，壓縮機是內燃機中的機械驅動或渦輪驅動的空氣壓縮機。所公開的壓縮機實施例具有典型的構造，該構造包括具有通常徑向延伸的葉片的壓縮機葉輪。壓縮機葉輪連接到一根軸上，該軸在渦輪或其他機械裝置或電子裝置提供的動力下旋轉。壓縮機葉輪在具有通過其中延伸的彎曲通道的殼體內旋轉，這樣使得經由中心通道進入壓縮機殼體的空氣被徑向引導到彎曲的殼體中，這增加了空氣的速度、壓力及溫度。在公開的實施例中，在將由壓縮機提供的壓縮空氣的相對一小部分提供回壓縮機以對流地冷卻壓縮機葉輪之前，在熱交換器中冷卻所述壓縮空氣。在一個實施例中，通過壓縮機背板提供冷卻空氣，以便沖擊到旋轉的壓縮機葉輪的背面或內側面上。這種壓縮機裝置在除了壓縮機的工作流體之外不再使用任何流體進行冷卻的任何應用中具有實用性，這消除了流體與壓縮機內的泄漏混合的擔憂。本文所公開的實施例涉及在內燃機上布置有渦輪的壓縮機，但不應被認為是對本文所描述的壓縮機結構和方法的結構或應用的限制。
[0019]更具體地說，圖1示出了體現本發明的各方面的發動機100的方框圖。發動機100包括形成多個氣缸104的缸筒102。雖然示出了直排布置的6個氣缸104，但是可以使用設置在不同的缸筒部分內的不同配置中(如在V形配置中)的更少或更多的氣缸。雖然為了簡明在此并未顯示和詳細討論，但是每個氣缸104可包括連接到共同機軸的往復式活塞。氣缸中的燃料和空氣混合物以已知的方式燃燒產生可用的發動機動力。在運行期間將空氣或空氣與排氣的混合物從進氣歧管或進氣收集器106以已知的方式提供到氣缸104，所述進氣歧管或進氣收集器106選擇性地經由相應的進氣流道108與每個氣缸104流體連接，所述進氣流道108在進氣閥110打開時向氣缸104提供壓縮空氣。壓縮空氣，連同例如通過燃料噴射器112提供到氣缸104的燃料一起形成可燃混合物，該可燃混合物在被壓縮或有火花時被點燃。燃燒副產物通過排氣閥114和排氣流道116從每個氣缸104排出。來自每個氣缸104的排氣被收集在排氣歧管或排氣收集器118中。
[0020]在典型的發動機中，在進氣收集器106中的發動機進氣混合物以及在排氣收集器118中的排氣處于壓力下。為了提供用于壓縮進氣混合物的動力，不同的發動機應用可使用一個或多個不同的設備。例如，一些發動機使用通常被稱為增壓器的設備，增壓器是由發動機的機軸提供的機械動力、由電機提供的電力等運行的空氣壓縮機。在圖示說明的實施例中，進氣歧管中的壓縮空氣混合物由兩組多級渦輪增壓器提供。更具體地說，發動機100包括兩組多級渦輪增壓器120。這兩個多級渦輪增壓器組120相似，所以將只對一組進行詳述。
[0021]因此，每個多級渦輪增壓器組120包括在串連電路連接中連接的高壓渦輪增壓器122和低壓渦輪增壓器124。高壓渦輪增壓器122包括高壓渦輪126和高壓壓縮機128，二者通過中央殼體130以已知的方式相互連接。同樣，低壓渦輪增壓器124包括低壓渦輪132和低壓壓縮機134，二者經由中央殼體136進行連接。在為許多可能的渦輪增壓器配置的一種的這種布置中，高壓渦輪126流體地連接到排氣收集器118并布置成從其中接收加壓的排氣。排出高壓渦輪126的排氣被提供到低壓渦輪132，該低壓渦輪132的框架尺寸大于高壓渦輪126，這樣使得可實現排氣的附加膨脹以從中取得附加工作。排出低壓渦輪132的排氣可以以已知的方式提供到排氣處理設備和系統。圖1用箭頭表示了通過這些設