МНОГОКАСКАДНЫЙ ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Настоящая полезная модель относится к многокаскадному турбонагнетателю в двигателе внутреннего сгорания.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Уменьшение габаритов двигателей внутреннего сгорания и повышение требований к мощности ведут к более высокой удельной выходной мощности двигателя для применений с наддувом. По мере того, как возрастают требования, турбонагнетатели также должны повышать пропускную способность и уровни наддува для получения более высоких уровней производительности (Hp), см. например патент US 7,490,594 (опубл. 17.02.2009, МПК F02B33/00). Увеличение размера турбонагнетателя приходит в качестве недостатка у наихудших эксплуатационных показателей, включающих в себя, помпаж, наихудшее пиковое значение крутящего момента и переходные режимы работы, в том числе, время выхода на заданный крутящий момент и разгон при нажатии педали акселератора.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Авторы в материалах настоящего описания выявили вышеуказанные ограничения и разработали многокаскадный турбонагнетатель для двигателя.
В одном из примерных подходов предложен многокаскадный турбонагнетатель, содержащий:
компрессор, включающий в себя множество каскадов компрессора; и
турбину, включающую в себя множество каскадов турбины, которые могут вращаться в одинаковых направлениях вращения или встречных направлениях вращения.
В одном из примеров предложен турбонагнетатель, в котором множество каскадов компрессора включает в себя по меньшей мере первый и второй каскады компрессора, а множество одинаково или встречно вращающихся каскадов турбины включает в себя по меньшей мере первый и второй каскады турбины, причем первый каскад компрессора присоединен ко второму каскаду турбины через первый вал, вращаемый в первом направлении, а второй каскад компрессора присоединен к первому каскаду турбины через второй вал, вращаемый во втором направлении, идентичном или противоположном первому направлению.
В одном из примеров предложен турбонагнетатель, в котором первый каскад компрессора является осевым, второй каскад компрессора является радиальным, первый каскад турбины является радиальным, а второй каскад турбины является осевым.
В одном из примеров предложен турбонагнетатель, в котором первый каскад компрессора является радиальным, второй каскад компрессора является осевым, первый каскад турбины является осевым, а второй каскад турбины является радиальным.
В одном из примеров предложен турбонагнетатель, в котором первый и второй каскады компрессора являются осевыми, и/или первый и второй каскады турбины являются осевыми.
В одном из примеров предложен турбонагнетатель, в котором по меньшей мере один из первого каскада компрессора, второго каскада компрессора, первого каскада турбины и второго каскада турбины является каскадом смешанного течения.
В одном из примеров предложен турбонагнетатель, в котором по меньшей мере один каскад из множества встречно вращающихся каскадов компрессора и множества встречно вращающихся каскадов турбины включает в себя перепускной канал, выполненный с возможностью направления потока газов в сторону от каскада.
В одном из примеров предложен турбонагнетатель, в котором каждый каскад из множества встречно вращающихся каскадов компрессора и множества встречно вращающихся каскадов турбины включает в себя перепускной канал, выполненный с возможностью направления потока газов в сторону от каскада.
В одном из примеров предложен турбонагнетатель, в котором турбонагнетатель не включает в себя направляющие лопатки, расположенные между последовательными каскадами компрессора или последовательными каскадами турбины.
В одном из дополнительных примерных подходов предложен многокаскадный турбонагнетатель, содержащий:
компрессор, включающий в себя по меньшей мере первый и второй каскады компрессора;
турбину, включающую в себя по меньшей мере первый и второй каскады турбины, причем первый каскад компрессора присоединен ко второму каскаду турбины через первый вал, вращаемый в первом направлении, а второй каскад компрессора присоединен к первому каскаду турбины через второй вал, вращаемый во втором направлении, противоположном первому направлению.
В одном из примеров предложен турбонагнетатель, в котором первый каскад компрессора является осевым, второй каскад компрессора является каскадом смешанного течения, первый каскад турбины является каскадом смешанного течения, а второй каскад турбины является осевым.
В одном из примеров предложен турбонагнетатель, в котором первый каскад компрессора является радиальным, второй каскад компрессора является каскадом смешанного течения, первый каскад турбины является каскадом смешанного течения, а второй каскад турбины является радиальным.
В одном из примеров предложен турбонагнетатель, в котором по меньшей мере один из первого каскада компрессора, второго каскада компрессора, первого каскада турбины и второго каскада турбины является каскадом смешанного течения и включает в себя перепускной канал, выполненный с возможностью направления потока газа в сторону от каскада.
В одном из примеров предложен турбонагнетатель, в котором первый каскад компрессора, второй каскад компрессора, первый каскад турбины и второй каскад турбины, каждый включает в себя перепускной канал, выполненный с возможностью направления потока газов в сторону от каскада.
В одном из примеров предложен турбонагнетатель, при этом турбонагнетатель не включает в себя направляющие лопатки, расположенные между первым и вторым каскадами компрессора или первым и вторым каскадами турбины.
Предложенный многокаскадный турбонагнетатель имеет потенциальное преимущество работы в качестве меньшей турбины в большем рабочем диапазоне и, фактически, является «уменьшенным по размеру» с точки зрения производительности. Кроме того, такие многокаскадные турбонагнетатели могут повышать пропускную способность турбонагнетателя, не оказывая неблагоприятного влияния на наихудшие эксплуатационные показатели двигателя внутреннего сгорания. Например, такой многокаскадный турбонагнетатель может использоваться вместо системы спаренных турбонагнетателей и может превосходить систему спаренных турбонагнетателей, в особенности в наихудшем рабочем диапазоне двигателя.
Кроме того, компоненты многокаскадного турбонагнетателя могут быть уменьшены по размеру относительно традиционных систем турбонагнетателя, приводя к потенциальному уменьшению диаметра или габаритов турбонагнетателя, делающему его более легким для компоновки, уменьшению массы каскадов в турбонагнетателя, приводящему к увеличению запаса до помпажа, и уменьшению инерции каждого каскада, чтобы обеспечивать возможность легкого разгона для улучшения работы транспортного средства в переходном режиме, подобном разгону, и времени выхода на заданный крутящий момент.
Кроме того, каждый каскад системы многокаскадного турбонагнетателя может быть предназначен для выполнения разных задач в разных рабочих режимах в системе двигателя. Например, два каскада могут быть выполнены так, чтобы заставлять каждый каскад работать в сходном режиме для балансировки аэродинамики и механических нагрузок в системе. Скорость вращения каскада может регулироваться до выбега, или поток воздуха через каскад может перепускаться в системе для снижения насосной работы двигателя и дополнительного расширения наихудшего рабочего диапазона двигателя. Каскады могут быть выполнены для нацеливания на разные задачи и замены сложных систем, подобных комбинациям нагнетателей/турбонагнетателей, систем электрического наддува, последовательно непрерывных систем и систем двойного наддува с существенной экономией затрат, уменьшенным размером и компоновочными улучшениями.
Дополнительно, соосные валы многокаскадного турбонагнетателя могут быть выполнены с возможностью вращения в противоположных направлениях (встречное вращение). Такое встречное вращение может приводить к устранению регулируемых межкаскадных статоров или других компонентов модификации потока, таким образом, снижая потери потока в турбонагнетателе и повышая выход энергии из турбины.
Вышеприведенные преимущества и другие преимущества и признаки настоящего описания будут без труда очевидны из последующего подробного описания, когда воспринимаются по отдельности или в связи с прилагаемыми чертежами.
Следует понимать, что сущность полезной модели, приведенная выше, представлена для ознакомления с упрощенной формой подборки концепций, которые дополнительно описаны в подробном описании. Не предполагается идентифицировать ключевые или существенные признаки заявленного предмета полезной модели, объем которой однозначно определен формулой полезной модели, которая сопровождает подробное описание. Более того, заявленный предмет полезной модели не ограничен вариантами осуществления, которые исключают какие-либо недостатки, отмеченные выше или в любой части этого описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 показывает схематичное изображение двигателя с турбонаддувом.
Фиг.2 показывает схематичное изображение многокаскадного турбонагнетателя в соответствии с полезной моделью.
Фиг.3 показывает примерный многокаскадный турбонагнетатель в соответствии с полезной моделью.
Фиг.4 показывает примерный многокаскадный турбонагнетатель встречного вращения в соответствии с полезной моделью.
Фиг.5 показывает примерные схемы треугольника скоростей турбонагнетателя.
Фиг.6 показывает примерный способ работы многокаскадного турбонагнетателя.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Настоящее описание относится к многокаскадному турбонагнетателю в двигателе внутреннего сгорания, такому как двигатель, показанный на фиг.1. Как показано на фиг.2, 3 и 4, такой многокаскадный турбонагнетатель включает в себя компрессор с множеством каскадов или ступеней компрессора и турбину с множеством каскадов или ступеней турбины. Каждый каскад компрессора может быть присоединен к соответствующему каскаду турбину через вал, и разные валы для разных пар каскадов могут быть выполнены с возможностью вращения в одном и том же или противоположных направлениях, чтобы усиливать поток между разными каскадами компрессора и турбины. Как проиллюстрировано на диаграммах скорости, показанных на фиг.5, такой многокаскадный турбонагнетатель встречного вращения может иметь повышенный выход энергии относительно однокаскадного турбонагнетателя на одних и тех же скоростях вращения. Кроме того, как показано в способе по фиг.6, каждый каскад системы многокаскадного турбонагнетателя может быть предназначен для выполнения разных задач в разных рабочих режимах в системе двигателя.
Со ссылкой на фиг.1, двигатель 10 внутреннего сгорания, содержащий множество цилиндров, один цилиндр которого показан на фиг.1, управляется электронным контроллером 12 двигателя. Двигатель 10 включает в себя камеру 30 сгорания и стенки 32 цилиндра с поршнем 36, расположенным в них и присоединенным к коленчатому валу 40. Камера 30 сгорания показана сообщающейся с впускным коллектором 44 и выпускным коллектором 48 через соответствующий впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. Каждый впускной клапан и выпускной клапан может приводиться в действие кулачком 51 впускного клапана и кулачком 53 выпускного клапана. Положение кулачка 51 впускного клапана может определяться датчиком 55 кулачка впускного клапана. Положение кулачка 53 выпускного клапана может определяться датчиком 57 кулачка выпускного клапана.
Топливная форсунка 66 показана расположенной для впрыска топлива непосредственно в цилиндр 30, что известно специалистам в данной области техники как непосредственный впрыск. В качестве альтернативы, топливо может впрыскиваться во впускное отверстие, что известно специалистам в данной области техники как впрыск во впускной канал. Топливная форсунка 66 подает жидкое топливо пропорционально длительности импульса, выдаваемой контроллером 12. Топливо подается в топливную форсунку 66 топливной системой (не показана), включающей в себя топливный бак, топливный насос и направляющую-распределитель для топлива (не показана).
Двигатель 10 включает в себя многокаскадный турбонагнетатель 103, который включает в себя компрессор 162 и турбину 164. Впускной коллектор 44 питается воздухом посредством компрессора 162. Выхлопные газы вращают один или более каскадов внутри турбины 164, которая присоединена к валу 161, тем самым, приводя в движение один или более каскадов в компрессоре 162. Как подробнее описано ниже со ссылкой на фиг.2, 3 и 4, компрессор 162 может включать в себя множество разных каскадов, которые формируют разные ступени внутри компрессора. Например, компрессор 162 может включать в себя радиальные каскады, осевые каскады и/или каскады смешанного течения, причем каскад смешанного течения имеет геометрию, промежуточную между радиальной и осевой конструкцией.
Подобным образом, турбина 164 может включать в себя множество разных каскадов, которые формируют разные каскады внутри турбины. Например, турбина 164 может включать в себя радиальные каскады, осевые каскады и/или каскады смешанного течения. Кроме того, как подробнее описано ниже, вал 161 может включать в себя множество валов, где каждый вал из множества валов соединяет каскад в компрессоре со связанным каскадом в турбине.
В некоторых примерах, перепускной канал 77 может быть включен в состав, так что выхлопные газы могут обходить турбину 164 в выбранных условиях работы. Поток через перепускной канал 77 может регулироваться посредством регулятора 75 давления наддува. Кроме того, перепускной канал 86 компрессора может быть предусмотрен в некоторых примерах, чтобы ограничивать давление, выдаваемое компрессором 162. Поток через перепускной канал 86 может регулироваться посредством клапана 85. В дополнение, впускной коллектор 44 показан сообщающимся с центральным дросселем 62, который регулирует положение дроссельной заслонки 64 для регулирования потока воздуха из воздухозаборника 42 двигателя. Центральный дроссель 62 может быть выполнен с электроприводом.
Система 88 зажигания без распределителя выдает искру зажигания в камеру 30 сгорания для воспламенения топливно-воздушной смеси через свечу 92 зажигания в ответ на действие контроллера 12. В других примерах, двигатель может быть двигателем с воспламенением от сжатия без системы зажигания, таким как дизельный двигатель. Универсальный датчик 126 кислорода выхлопных газов (UEGO) показан присоединенным к выпускному коллектору 48 выше по потоку от каталитического нейтрализатора 70 выхлопных газов. В качестве альтернативы, двухрежимный датчик кислорода выхлопных газов может использоваться вместо датчика 126 UEGO.
Нейтрализатор 70 выхлопных газов, в одном из примеров, включает в себя многочисленные брикеты катализатора. В еще одном примере, могут использоваться многочисленные устройства снижения токсичности выхлопных газов, каждое с многочисленными брикетами. Нейтрализатор 70 выхлопных газов, в одном из примеров, может быть катализатором трехкомпонентного типа.
Контроллер 12 показан на фиг. 1 в качестве традиционного микрокомпьютера, включающего в себя: микропроцессорный блок 102, порты 104 ввода/вывода, постоянное запоминающее устройство 106, оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимую память 110 и традиционную шину данных. Контроллер 12 показан принимающим различные сигналы с датчиков, присоединенных к двигателю 10, в дополнение к тем сигналам, которые обсуждены ранее, в том числе: температуру хладагента двигателя (ECT) с датчика 112 температуры, присоединенного к патрубку 114 охлаждения; датчика 134 положения, присоединенного к педали 130 акселератора для считывания положения, заданного ступней 132; измерение давления во впускном коллекторе двигателя (MAP) с датчика 122 давления, присоединенного к впускному коллектору 44; датчика положения двигателя с датчика 118 на эффекте Холла, считывающего положение коленчатого вала 40; измерение массы воздуха, поступающего в двигатель, с датчика 120 (например, измерителя расхода воздуха с термоэлементом); и измерение положения дросселя с датчика 58. Барометрическое давление также может считываться (датчик не показан) для обработки контроллером 12. В предпочтительном аспекте настоящего описания, датчик 118 положения двигателя вырабатывает заданное количество равномерно разнесенных импульсов каждый оборот коленчатого вала, по которому может определяться скорость вращения двигателя (RPM, в оборотах в минуту).
В некоторых примерах, двигатель может быть присоединен к системе электродвигателя/аккумуляторной батареи в транспортном средстве с гибридным приводом. Транспортное средство с гибридным приводом может иметь параллельную конфигурацию, последовательную конфигурацию, либо их варианты или комбинации. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, могут применяться другие конфигурации двигателя, например, дизельный двигатель.
При работе, каждый цилиндр в двигателе 10 типично подвергается четырехтактному циклу: цикл включает в себя такт впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выпуска. В течение такта впуска, обычно, выпускной клапан 54 закрывается, а впускной клапан 52 открывается. Воздух вовлекается в камеру 30 сгорания через впускной коллектор 44, поршень 36 перемещается к дну цилиндра, чтобы увеличивать объем внутри камеры 30 сгорания. Положение, в котором поршень 36 находится около дна цилиндра и в конце своего хода (например, когда камера 30 сгорания находится при своем наибольшем объеме), типично указывается специалистами в данной области техники ссылкой как нижняя мертвая точка (НМТ, BDC). Во время такта сжатия, впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 закрыты. Поршень 36 перемещается к головке блока цилиндров, чтобы сжимать воздух внутри камеры 30 сгорания. Точка, в которой поршень 36 находится в конце своего хода и самой близкой к головке блока цилиндров (например, когда камера 30 сгорания находится при своем наименьшем объеме), типично указывается специалистами в данной области техники в качестве верхней мертвой точки (ВМТ, TDC). В процессе, в дальнейшем указываемом ссылкой как впрыск, топливо вводится в камеру сгорания. В процессе, в дальнейшем указываемом ссылкой как воспламенение, впрыснутое топливо воспламеняется известным средством воспламенения, таким как свеча 92 зажигания, приводя к сгоранию. Во время такта расширения, расширяющиеся газы толкают поршень 36 обратно в НМТ. Коленчатый вал 40 преобразует перемещение поршня в крутящий момент вращающегося вала. В заключение, во время такта выпуска, выпускной клапан 54 открывается, чтобы выпускать подвергнутую сгоранию топливно-воздушную смесь в выпускной коллектор 48, и поршень возвращается в ВМТ. Отметим, что вышеприведенное описано просто в качестве примера, и что установки момента открывания и/или закрывания впускного и выпускного клапанов могут меняться так, чтобы давать положительное или отрицательное перекрытие клапанов, позднее закрывание впускного клапана или различные другие примеры.
Фиг. 2 показывает схематичное изображение поперечного разреза многокаскадного турбонагнетателя 103. Турбонагнетатель 103 включает в себя компрессор 162 и турбину 164, соединенные через систему 161 валов. Как подробнее описано ниже, система 161 валов может включать в себя множество концентрических валов, соединяющих разные пары каскадов, включенных в компрессор и турбину. Компрессор 162 включает в себя впуск 218 для воздуха, например, впуск для свежего воздуха, и выпуск 220 для сжатого воздуха. Турбина 164 включает в себя впуск 222 для выхлопных газов и выпуск 224 для выпуска. Например, впуск 218 может принимать свежий воздух из впуска 42, показанного на фиг. 1, и может выводить сжатый воздух через выпуск 220 во впускной коллектор 44 двигателя 10. Впуск 222 турбины может принимать выхлопные газы из выпускного коллектора 48, которые могут использоваться для приведения в движение каскадов турбины в турбине. Выхлопные газы могут выпускаться через выпуск 224 турбины в систему дальнейшей обработки выхлопных газов, например, устройство 70 снижения токсичности выхлопных газов перед выпуском в атмосферу.
Компрессор 162 включает в себя множество каскадов 202 компрессора, например, один или более каскадов компрессора, а турбина 164 включает в себя множество каскадов 204 турбины, например, один или более каскадов турбины. В некоторых примерах, множество каскадов 202 компрессора может включать в себя по меньшей мере первый каскад 206 компрессора и второй каскад 208 компрессора, а множество каскадов 204 турбины могут включать в себя по меньшей мере первый каскад 210 турбины и второй каскад 212 турбины. Каждый из компрессора и турбины может включать в себя любое количество каскадов, например, компрессор может включать в себя два, три или четыре разных каскада, и турбина может включать в себя два, три или четыре разных каскада. Каскады, включенные в компрессор или турбину, могут иметь любую пригодную конфигурацию. Например, множество каскадов 202 компрессора в компрессоре 162 может включать в себя только радиальные или центробежные каскады, только осевые каскады, только каскады смешанного течения или комбинации радиальных, осевых каскадов и/или каскада смешанного течения. Подобным образом, множество каскадов 202 турбины в турбине 164 может включать в себя только радиальные или центробежные каскады, только осевые каскады, только каскады смешанного течения или комбинации радиальных, осевых каскадов и/или каскада смешанного течения.
Например, первая впускная ступень 206 компрессора может быть радиальной, вторая выпускная ступень 208 компрессора может быть осевой, первая впускная ступень 210 турбины может быть осевой, а вторая выпускная ступень 212 турбины может быть радиальной. В качестве еще одного примера, первая впускная ступень 206 компрессора может быть осевой, вторая выпускная ступень 208 компрессора может быть радиальной, первая впускная ступень 210 турбины может быть радиальной, а вторая выпускная ступень 212 турбины может быть осевой. В кроме того еще одном примере, по меньшей мере одна из первой впускной ступени 206 компрессора и второй выпускной ступени 212 компрессора может быть смешанного течения. Следует понимать, что другие комбинации осевого, радиального каскадов и каскада смешанного потока могут быть включены в турбонагнетатель 103. Каждый каскад многокаскадного турбонагнетателя может быть предназначен для выполнения разных задач в разных режимах работы в системе двигателя, как дополнительно описано со ссылкой на фиг.6.
Каждый каскад в турбонагнетателе 103 включает в себя множество лопастей, выполненных с возможностью побуждать каскад вращаться, когда воздух направляется под наклонным углом к лопастям. Направление вращения каскада может диктоваться углом лопастей. Например, первый компрессор 206 включает в себя лопасти 226, второй каскад 208 компрессора включает в себя лопасти 228, первый каскад 210 турбины включает в себя лопасти 230, а второй каскад 212 турбины включает в себя лопасти 232.
Каждая лопасть в турбонагнетателе 103 механически присоединена к валу. Например, первый каскад 206 компрессора присоединен к валу 214, а второй каскад 208 компрессора присоединен к валу 216. Каждый каскад компрессора может иметь связанный каскад турбины и может быть присоединен к общему валу, как его связанный каскад турбины. Например, второй каскад 212 турбины может быть связан с первым каскадом 206 компрессора и также может быть присоединен к валу 214. Подобным образом, первый каскад 210 турбины может быть связан с вторым каскадом 208 компрессора и также может быть присоединен к валу 216. Валы, соединяющие разные пары связанных каскадов компрессора и турбины, могут быть выполнены с возможностью вращения в разных направлениях. Например, вал 214, соединяющий каскады 206 и 212, может быть вращаемым в первом направлении, тогда как вал 216, соединяющий каскады 208 и 210, может быть вращаемым во втором направлении, противоположном первому направлению. Например, вал 214 может быть вращаемым в направлении против часовой стрелки, тогда как вал 216 может быть вращаемым в направлении по часовой стрелке. Таким образом, система 161 валов может включать в себя множество разных валов, соединяющих разные пары каскадов турбины и компрессора, и каждый вал в системе 161 валов может быть выполнен с возможностью вращения независимо от других валов в системе 161 валов, так чтобы чередующиеся пары связанных каскадов турбины и компрессора могли вращаться в разных направлениях вокруг своих соответствующих валов.
Например, первый каскад 206 компрессора и второй каскад 212 турбины могут быть выполнены с возможностью вращения в первом направлении вокруг вала 214, тогда как каскад компрессора, смежный с каскадом 206 компрессора, и каскад турбины, смежный с каскадом 212 турбины, могут быть выполнены с возможностью вращения во втором направлении, противоположном первому направлению. Например, в направлении потока воздуха через компрессор 162, компрессор 162 может включать в себя первый каскад, сопровождаемый вторым каскадом, сопровождаемым третьим каскадом, и так далее. В этом примере, первый каскад может вращаться в первом направлении, второй каскад может вращаться во втором направлении, противоположном от первого направления, а третий каскад также может вращаться в первом направлении, так чтобы направление вращения чередовалось между последовательными ступенями компрессора и турбины. Таким образом, воздух может направляться падающим на лопасти каждой следующей друг за другом ступенью каскада в компрессоре и турбине без использования лопаток или статоров для перенаправления потока воздуха между разными ступенями турбонагнетателя, давая в результате снижение потерь потока газа через турбонагнетатель и повышенную отдачу турбонагнетателя.
В некоторых примерах, в определенных условиях, поток газа через один или более каскадов в турбонагнетателе 103 может перепускаться. Таким образом, в некоторых примерах, по меньшей мере один каскад в турбонагнетателе 103 может включать в себя перепускной трубопровод, выполненный с возможностью направления потока газа в сторону от каскада. Например, перепускной канал 234 может быть включен в турбонагнетатель 103, чтобы направлять поток газа в сторону от или вокруг каскада 206 компрессора, перепускной канал 236 может быть выполнен с возможностью направления потока газа в сторону от каскада 208 компрессора, перепускной канал 238 может быть выполнен с возможностью направления потока газа в сторону от каскада 210 турбины, и перепускной канал 240 может быть выполнен с возможностью направления потока газа в сторону от каскада 212 турбины. Таким образом, в некоторых условиях, разные каскады могут избирательно использоваться для сжатия воздуха или приведения в движение турбонагнетателя.
Например, в первом состоянии, может требоваться подавать сжатый воздух в двигатель с использованием только первого каскада 206. В этом примере, перепускной канал 236 может приводиться в действие, чтобы направлять поток воздуха в сторону от каскада 208 компрессора, так чтобы сжатый воздух из каскада 206 не протекал через каскад 208, а взамен, выдавался в двигатель через выпуск 220. В качестве еще одного примера, во втором состоянии, может требоваться подавать сжатый воздух в двигатель с использованием только второго каскада 208. В этом примере, перепускной канал 234 может приводиться в действие, чтобы направлять поток воздуха в сторону от каскада 208 компрессора, так чтобы всасываемый воздух, принимаемый из трубопровода 218, обходил каскад 206 и направлялся в каскад 208 для сжатия.
Подобным образом, разные каскады турбины могут обходиться в некоторых условиях для приведения в движение турбонагнетателя. Например, в первом состоянии, может требоваться приводить в движение турбину с использованием только первого каскада 210 турбины. В этом примере, перепускной канал 240 может приводиться в действие, чтобы направлять поток газа вокруг каскада 212 турбины, так чтобы выхлопные газы из каскада 210 не протекали через каскад 212, а взамен, выпускались в атмосферу через выпуск 224. В качестве еще одного примера, во втором состоянии, может требоваться приводить в движение турбину с использованием только второго каскада 212 турбины. В этом примере, перепускной канал 238 может приводиться в действие, чтобы направлять поток газа в сторону от каскада 210 турбины, так чтобы выхлопные газы, принимаемые из трубопровода 222, обходили каскад 210 и направлялись в каскад 212.
Фиг.3 показывает первый примерный многокаскадный турбонагнетатель 103 с двухкаскадным компрессором 162 и двухкаскадной турбиной 164. Аналогичные номера, показанные на фиг.3, соответствуют элементам с подобными номерами, показанными на фиг.2, описанной выше. В этом примере, компрессор 162 включает в себя осевой каскад 206 первой ступени и каскад 208 смешанного течения второй ступени, а турбина 164 включает в себя каскад 210 смешанного течения первой ступени и осевой каскад 212 второй ступени. Например, каскад 206 может быть осевым рабочим колесом компрессора низкого давления, тогда как каскад 208 может быть радиальным рабочим колесом компрессора высокого давления. Подобным образом, каскад 212 может быть осевым рабочим колесом турбины низкого давления, а каскад 210 может быть радиальным рабочим колесом турбины высокого давления. Хотя фиг.3 показывает осевую первую ступень компрессора, вторую ступень смешанного течения компрессора, первую ступень смешанного течения турбины и осевую вторую ступень турбины, следует понимать, что могут использоваться другие конфигурации, использующие комбинации осевой, радиальной ступеней и/или ступени смешанного течения. Например, первая ступень компрессора и вторая ступень турбины могут быть радиальными, и/или вторая ступень компрессора и первая ступень турбины могут быть радиальной или осевой, и т.д.
Первый каскад 206 компрессора и второй каскад 212 турбины оба присоединены к первому валу 214. Второй каскад 208 компрессора и первый каскад 210 турбины присоединены ко второму валу 216, отличному от первого вала 214. В этом примере, каскады 206 и 212, и вал 214 выполнены с возможностью вращения в направлении 302, например, направлении против часовой стрелки, а каскад 208 и 210, и вал 216 выполнены с возможностью вращения в таком же направлении 304, как направление 302. В этом примере, турбонагнетатель 103 может включать в себя множество статоров или направляющих лопастей 233 и 235 между двумя ступенями каждых из турбины и компрессора, чтобы направлять поток газа между разными ступенями турбонагнетателя.
Фиг.4 показывает еще один примерный многокаскадный турбонагнетатель 103 с двухкаскадным компрессором 162 и двухкаскадной турбиной 164. Аналогичные номера, показанные на фиг.4, соответствуют элементам с подобными номерами, показанными на фиг.2, описанной выше. В этом примере, компрессор 162 включает в себя осевой каскад 206 первой ступени и каскад 208 смешанного течения второй ступени, а турбина 164 включает в себя каскад 210 смешанного течения первой ступени и осевой каскад 212 второй ступени. Например, каскад 206 может быть осевым рабочим колесом компрессора низкого давления, тогда как каскад 208 может быть радиальным рабочим колесом компрессора высокого давления. Подобным образом, каскад 212 может быть осевым рабочим колесом турбины низкого давления, а каскад 210 может быть радиальным рабочим колесом турбины высокого давления. Хотя фиг.4 показывает осевую первую ступень компрессора, вторую ступень смешанного течения компрессора, первую ступень смешанного течения турбины и осевую вторую ступень турбины, следует понимать, что могут использоваться другие конфигурации, использующие комбинации осевой, радиальной ступеней и/или ступени смешанного течения. Например, первая ступень компрессора и вторая ступень турбины могут быть радиальными, и/или вторая ступень компрессора и первая ступень турбины могут быть радиальной или осевой, и т.д.
Первый каскад 206 компрессора и второй каскад 212 турбины оба присоединены к первому валу 214. Второй каскад 208 компрессора и первый каскад 210 турбины присоединены ко второму валу 216, отличному от первого вала 214. В этом примере, каскады 206 и 212, и вал 214 выполнены с возможностью вращения в первом направлении 302, например, направлении против часовой стрелки, тогда как каскад 208 и 210, и вал 216 выполнены с возможностью вращения во втором направлении 304, противоположном первому направлению, например, по часовой стрелке. Поскольку две ступени в компрессоре и турбине выполнены с возможностью вращения встречно, турбонагнетатель 103 может не включать в себя никаких статора или направляющих лопаток между двумя ступенями каждого из турбины и компрессора.
Фиг.5 показывает примерные показательные схемы треугольника скоростей турбонагнетателя для одноступенной турбины на 402, двухступенной турбины на 404 и двухступенной турбины встречного вращения на 406. Например, треугольник скоростей, показанный под 406, может быть представляющим треугольник скоростей для турбины 164, показанной на фиг.3, описанной выше. Здесь, V представляет векторы абсолютной скорости, a W - векторы относительной скорости, U - скорость вращения ротора, местоположение 1 является впуском в ступень, а местоположение 2 является выпуском.
Как показано на фиг.5, выпускные векторы V2 и W2 радикально изменяют направление в турбине встречного вращения, показанной под 406 относительно турбин одинакового вращения, показанных под 402 и 404. Посредством использования двухступенной турбины, выход энергии из турбины может повышаться по сравнению с одноступенной турбиной, давая в результате более высокую удельную выходную мощность двигателя с аналогичным качеством переходного процесса, или увеличение запаса до помпажа и уменьшение времени до выхода на заданный крутящий момент для работы двигателя. Кроме того, вследствие устранения межкаскадных статоров и их потерь потока во встречно вращающейся двухступенной турбине, такой как показанная на фиг.3, общий коэффициент полезного действия может находиться выше, чем традиционная турбина, где валы вращаются в одном направлении. Дополнительно, частота встречного вращения могла бы удерживаться постоянной на частоте одинакового вращения, повышая степень повышения давления двухступенного компрессора при сходном запасе до помпажа, и повышая давление наддува, поступающее в двигатель внутреннего сгорания, что может увеличивать удельную выходную мощность. Наоборот, ротор турбины и ротор компрессора могут быть уменьшены по размеру, давая в результате сходный анализ установившегося состояния в отношении одинаково вращающейся турбины. Более низкая инерция рабочих колес двухступенной турбины может давать в результате выигрыш в качестве переходного процесса, такой как уменьшенное запаздывание турбонагнетателя или уменьшенное время выхода на заданный крутящий момент.
Фиг.6 показывает примерный способ 500 работы многокаскадного турбонагнетателя, такого как турбонагнетатели, показанные на фиг.2, 3 и 4, описанные выше. Как замечено выше, каждый каскад системы многокаскадного турбонагнетателя может быть предназначен для выполнения разных задач в разных рабочих режимах в системе двигателя. Например, два каскада могут быть сконструированы, чтобы заставлять каждый каскад работать в сходном режиме для балансировки аэродинамики и механических нагрузок в системе. Скорость вращения каскада может регулироваться до выбега, или поток воздуха через каскад может перепускаться в системе для снижения насосной работы двигателя и дополнительного расширения наихудшего рабочего диапазона двигателя.
На этапе 502, способ 500 включает в себя определение, удовлетворены ли начальные условия. Начальные условия могут включать в себя условия двигателя с наддувом, которые могут инициироваться изменениями различных рабочих параметров двигателя, таких как событие нажатия или отпускания педали акселератора, или изменение скорости вращения и/или нагрузки двигателя.
Если начальные условия удовлетворены на этапе 502, способ 500 переходит на этап 504. На этапе 504, способ 500 включает в себя встречное вращение ступеней турбонагнетателя. Как замечено выше, разные ступени компрессора могут быть выполнены с возможностью вращения в противоположных направлениях, и разные ступени турбины могут быть выполнены с возможностью вращения в разных направлениях. Посредством встречного вращения последующих ступеней в компрессоре или турбине, турбонагнетатель может не включать в себя лопаточные направляющие или статоры, расположенные между последовательными ступенями. Устранение этих компонентов может приводить к снижению потерь потока и повышенной отдаче.
На этапе 506, способ 500 включает в себя определение условий работы. Например, условия работы двигателя, такие как температура двигателя, температура выхлопных газов, скорость вращения двигателя, нагрузка двигателя, и т.д., могут использоваться для регулировки работы многоступенного турбонагнетателя, так чтобы каждая ступень в турбонагнетателе избирательно применялась для работы на основании условий работы двигателя. Например, при низких скорости вращения или нагрузки двигателя, ступень низкого давления в компрессоре и/или турбине может применяться для выдачи сжатого воздуха в двигатель и/или приведения в движение турбины, тогда как в условиях высоких скорости вращения или нагрузки двигателя, ступень высокого давления в компрессоре и/или турбине может применяться для выдачи сжатого воздуха в двигатель и/или для приведения в движение двигателя. В качестве еще одного примера, оба каскада как в компрессоре, так и в турбине могут работать в сходном режиме, например, в переходном состоянии, чтобы балансировать динамические и механические нагрузки в системе.
На этапе 508, способ 500 включает в себя определение, присутствует ли первое состояние. Например, первым состоянием может быть состояние низкой скорости вращения двигателя или низкой нагрузки двигателя. Например, определение, присутствует ли первое состояние, можете включать в себя определение, находится ли скорость вращения двигателя или нагрузка двигателя ниже порогового значения. Если первое состояние присутствует на этапе 508, то способ 500 переходит на этап 510.
На этапе 510, способ 500 включает в себя подачу сжатого воздуха из первой ступени турбонагнетателя. Например, первая ступень турбонагнетателя может быть ступенью низкого давления, такой как осевые ступени 206 и 212 низкого давления, показанные на фиг. 2. При работе двигателя на низких скорости вращения/нагрузке двигателя, эта первая ступень низкого давления турбонагнетателя может использоваться для выдачи сжатого воздуха, например, через каскад 206, в двигатель и для приведения в движение турбины, например, через каскад 212. В некоторых примерах, вторая ступень в турбонагнетателе может обходиться в первом состоянии. Например, перепускной канал 236 может вводиться в действие, так чтобы каскад 208 не использовался для подачи сжатого воздуха в двигатель. В качестве еще одного примера, перепускной канал 238 может вводиться в действие, так чтобы каскад 210 турбины может не использоваться для приведения в действие турбонагнетателя в первом состоянии.
На этапе 512, способ 500 включает в себя регулировку условий работы двигателя. Примеры рабочих параметров двигателя, которые могут регулироваться, включают в себя топливно-воздушное соотношение, положение дросселя, перекрытие клапанов, установку опережения зажигания, и т.д. Например, перекрытие клапанов может увеличиваться, и/или может увеличиваться задержка воспламенения, например, может подвергаться запаздыванию установка момента зажигания. Например, двигатель может работать с первой величиной положительного перекрытия клапанов в по меньшей мере одном цилиндре двигателя, и/или двигатель может работать с первой величиной запаздывания зажигания в по меньшей мере одном цилиндре двигателя. В некоторых примерах, двигатель может работать с первым, повышенным количеством топлива.
Если, на этапе 508, первое состояние не присутствует, то способ 500 переходит на этап 514, чтобы определять, присутствует ли второе состояние. Например, вторым состоянием может быть состояние высокой скорости вращения двигателя или высокой нагрузки двигателя. Например, определение, присутствует ли второе состояние, может включать в себя определение, находится ли скорость вращения двигателя или нагрузка двигателя выше порогового значения. Если второе состояние присутствует на этапе 514, то способ 500 переходит на этап 516.
На этапе 516, способ 500 включает в себя подачу сжатого воздуха из второй ступени турбонагнетателя. Например, вторая ступень турбонагнетателя может быть ступенью высокого давления, такой как радиальные ступени 208 и 210 высокого давления, показанные на фиг. 2. При работе двигателя на высоких скорости вращения/нагрузке двигателя, эта вторая ступень высокого давления турбонагнетателя может использоваться для выдачи сжатого воздуха, например, через каскад 208, в двигатель и для приведения в движение турбины, например, через каскад 210. В некоторых примерах, первая ступень в турбонагнетателе может обходиться во втором состоянии. Например, перепускной канал 234 может вводиться в действие, так чтобы каскад 206 не использовался для подачи сжатого воздуха в двигатель. В качестве еще одного примера, перепускной канал 240 может вводиться в действие, так чтобы каскад 212 турбины не использовался для приведения в действие турбонагнетателя во втором состоянии. На этапе 518, способ 500 включает в себя регулировку условий работы, как описано выше со ссылкой на этап 512.
Если, на этапе 514, второе состояние не присутствует, то способ 500 переходит на этап 520, чтобы определять, присутствует ли третье состояние. Например, третье состояние может быть переходным состоянием, где турбонагнетатель раскручивается или выбегает, например, в ответ на нажатие или отпускание педали акселератора водителем. Если третье состояние присутствует на этапе 520, то способ 500 переходит на этап 522.
На этапе 522, способ 500 включает в себя подачу сжатого воздуха из первой и второй ступеней турбонагнетателя. Например, оба, первый и второй каскады 206 и 208 компрессора, могут использоваться подряд наряду с встречным вращением, чтобы сжимать воздух для подачи в двигатель. Кроме того, оба, первый и второй каскады 210 и 212 турбины встречного вращения, могут использоваться для приведения в движение турбонагнетателя. Например, посредством использования обоих каскадов в каждом из компрессора и турбины в третьем состоянии, переходная характеристика может возрастать, и могут балансироваться аэродинамические и механические нагрузки в системе. На этапе 524, способ 500 включает в себя регулировку условий работы, как описано выше со ссылкой на этап 512.
Следует принимать во внимание, что конфигурации и способы, раскрытые в материалах настоящего описания, являются примерными по сути, и что эти специфичные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, так как возможны многочисленные варианты. Например, вышеприведенная технология может быть применена к типам двигателя V6, I-4, I-6, V-12, оппозитному 4-цилиндровому и другим типам двигателя. Предмет настоящего раскрытия включает в себя все новейшие и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций, и другие признаки, функции и/или свойства, раскрытые в материалах настоящего описания.
Последующая формула полезной модели подробно указывает некоторые комбинации и подкомбинации, рассматриваемые в качестве новейших и неочевидных. Эти пункты формулы полезной модели могут указывать ссылкой на элемент в единственном числе либо «первый» элемент или его эквивалент. Следует понимать, что такие пункты формулы полезной модели включают в себя объединение одного или более таких элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Другие комбинации и подкомбинации раскрытых признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены формулой полезной модели посредством изменения настоящей формулы полезной модели или представления новой формулы полезной модели в этой или родственной заявке. Такая формула полезной модели, более широкая, более узкая, равная или отличная по объему по отношению к исходной формуле полезной модели, также рассматривается в качестве включенной в предмет полезной модели настоящего раскрытия.