本發明涉及渦輪增壓技術領域，特別涉及一種渦輪增壓器的旁通放氣機構及其設計方法，該設計方法通過旁通放氣機構的參數優化進而達到改善渦輪增壓器匹配發動機中高速性能的目的。

背景技術：

渦輪增壓技術是利用發動機排出廢氣的能量，通過渦輪旋轉帶動渦輪葉輪轉動變為機械功，與渦輪葉輪同軸的壓氣機葉輪也以同樣的速度高速運轉，將新鮮空氣壓縮后，送入發動機氣缸，提高發動機氣缸的空氣密度和充氣量，從而提高了發動機的功率，改善了燃油的燃燒條件，使燃油充分燃燒，因而降低了燃油消耗，減少了排入大氣的廢氣中有害物的比例，進而最終實現環保節能，提高發動機功率的作用，同時對發動機在高原工作時起到恢復功率的作用。

影響渦輪增壓器匹配發動機性能的主要增壓器零部件有壓氣機、渦輪機和旁通放氣機構。渦輪增壓器是利用廢氣排出的力量來驅動，當節氣減小或關閉時，渦輪葉片(壓氣機葉輪)在慣性作用下仍舊持續轉動，此時進氣管路中的空氣壓力會迅速提高，為了保護增壓系統，當壓力達到某一限定值后，進氣旁通閥門打開，過剩的空氣則不經過蝸殼，蝸殼增壓器壓力下降，轉速降低，實現降壓保護的功能。因此，旁通放氣機構可通過放氣閥門旁通掉通過渦輪箱內的過多的廢氣，防止增壓器超速，防止增壓壓力和渦前壓力過高，從而防止發動機性能和可靠性惡化。該旁通放氣機構有多個零件，有多個影響參數，參數影響渦輪增壓器增壓壓力和排氣背壓、掃氣壓差等性能、可靠性參數。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的是克服現有技術的上述不足而提供一種渦輪增壓器的旁通放氣機構及其設計方法，該設計方法僅僅需通過改變旁通放氣機構零件參數就可改善渦輪增壓發動機中高速性能，而不會影響增壓器匹配發動機處于低轉速時的性能，不需要另外設計增壓器壓氣機、渦輪機，至多僅需補充加工壓氣機蝸殼的氣嘴孔、渦輪箱的放氣孔。

基于上述目的，本發明提供的一種渦輪增壓器的旁通放氣機構，包括渦輪箱、搖臂、傳動銷、執行器套管、執行器、傳動軸和放氣閥門，所述執行器包括執行器殼體、執行推桿、膜片和彈簧，所述傳動軸設置在所述渦輪箱內，所述傳動軸的一端伸出所述渦輪箱與所述搖臂的一端連接，所述傳動軸的另一端與所述放氣閥門連接，所述渦輪箱上設置有放氣孔，所述放氣孔與所述放氣閥門相連，所述搖臂的另一端通過所述傳動銷與所述執行器套管的一端連接，所述執行器套管的另一端與所述執行推桿連接；所述膜片安裝在所述執行器殼體內并將所述執行器殼體的內腔隔成上方腔體和下方腔體，所述執行器殼體位于所述上方腔體的位置設有能與壓氣機相連通的執行器氣嘴，所述執行推桿的一端與所述下方腔體固定連接，所述執行推桿的另一端從所述執行器殼體的孔中穿出，所述彈簧套裝在所述執行推桿上。

進一步，本發明還提供了所述的渦輪增壓器的旁通放氣機構的設計方法，包括以下步驟：

(1)所述放氣閥門、傳動軸和搖臂繞支點轉動時，對支點產生第一力矩，并且在運動過程中獲取如下參數：大氣對膜片的壓力、渦輪增壓器的增壓壓力、膜片的直徑、彈簧的彈性系數、執行器套管的位移、執行器設定的預緊力和搖臂兩中心孔的距離，根據獲得的參數可確定第一力矩的優化函數；

(2)所述膜片的移動會帶動執行器套管的移動，使傳動銷、搖臂、傳動軸和放氣閥門繞支點轉動，執行器對支點產生第二力矩，并且在運動過程中獲取如下參數：放氣孔的渦前壓力、放氣閥門背面的渦后壓力、放氣孔的直徑、傳動軸兩中心線的距離，根據獲得的參數可確定第二力矩的優化函數；

(3)為了使放氣閥門保持不動，則第一力矩和第二力矩相等，從而得到力矩平衡函數，根據該力矩平衡函數，對渦輪增壓器的旁通放氣機構的參數進行優化設計，進而改善渦輪增壓器匹配發動機的性能。

在本發明的一個實施例中，步驟(1)中所述第一力矩的優化函數為：

其中，W_C為第一力矩，P_7a為大氣對膜片的壓力，即為大氣壓力，P_7b為渦輪增壓器的增壓壓力，D₇為膜片的直徑，k為彈簧的彈性系數，x為執行器套管的位移，F₇為執行器設定的預緊力，L₄為搖臂4兩中心孔的距離。

在本發明的一個實施例中，步驟(2)中所述第二力矩的優化函數為：

其中，W_T為第二力矩，P_3a為放氣孔的渦前壓力，P_3b為放氣閥門背面的渦后壓力，D₃為放氣孔的直徑，L₉為傳動軸兩中心線的距離。

在本發明的一個實施例中，步驟(3)中力矩平衡函數為：

W_C＝W_T

渦輪增壓器的旁通放氣機構結構參數、壓氣機蝸殼內的增壓壓力、渦輪箱放氣孔處的渦前壓力均能影響放氣閥門的開關和開度大小，這些參數相互影響，通過合理、適時調節這些參數來改變渦輪箱放氣閥門的放氣量，實現對增壓壓力、渦前壓力與增壓壓力壓差的理想、適時控制和調節，從而改善發動機性能。壓氣機蝸殼內的增壓壓力、渦輪箱放氣孔處的渦前壓力、執行器的預緊力均可使旁通放氣機構結構繞支點旋轉，對支點處產生力矩，兩力矩差的大小決定了旋轉方向，不過最終會相等、實現平衡。對支點處列出兩力矩方程，通過方程就可分析出某參數的改變對其它參數、增壓壓力、渦前壓力與增壓壓力的影響，從而達到理想的性能參數，理想的結果是發動機在標定工況具有相同增壓壓力時，其渦前壓力更低，其它轉速工況增壓壓力更高，這樣就可以設計出合理的旁通放氣機構、選取合理的壓氣機蝸殼氣嘴孔位置和渦輪箱放氣孔的大小、位置等。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1、增壓器增壓壓力、渦前壓力、渦前壓力與增壓壓力壓差、旁通放氣機構各參數相互影響，通過本發明的方法可以比較直觀、方便、合理的分析出某參數的改變對其它參數改變的影響，從而設計出更合理的參數，使增壓器匹配發動機性能更好。

2、本發明直觀列出了旁通放氣機構影響增壓器匹配發動機性能的參數。

附圖說明

附圖是結合具體的工藝實施方式，詳細的說明了工藝走向。

圖1為本發明的渦輪增壓器外形主示意圖；

圖2為本發明的執行器剖視圖；

圖3為本發明的渦輪增壓器外形向視圖；

圖4為本發明的放氣閥門與渦輪箱的裝配剖視圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

實施例1

本發明的渦輪增壓器外形主示意圖如圖1所示，本發明的渦輪增壓器外形向視圖如圖3所示。

如圖1和圖3所示，渦輪增壓器包含氣嘴1、壓氣機蝸殼2、渦輪箱3、搖臂4、傳動銷5、執行器套管6、執行器7、執行器支架11、膠管8、傳動軸9、放氣閥門10。渦輪箱3、搖臂4、傳動銷5、執行器套管6、執行器7、傳動軸9、放氣閥門10組成旁通放氣機構。氣嘴1通過膠管8與執行器7連通，執行器7包括執行推桿7-4，執行器支架11固定在渦輪箱3上，執行器7固定在執行器支架11上，執行器套管6的一端與執行推桿7-4螺紋連接，執行器套管6的另一端與搖臂4上的傳動銷5連接，傳動軸9可通過軸套安裝在渦輪箱3內，傳動軸9的一端伸出渦輪箱3與搖臂4的一端連接，傳動軸9的另一端與放氣閥門10連接，搖臂4的一端通過傳動銷5與執行推桿7-4連接。

在本實施例中，傳動軸9通過傳動銷5和搖臂4與執行器7活動連接，執行器7的執行推桿7-4通過執行器套管6帶動傳動銷5運動，再由搖臂4帶動傳動軸9轉動。工作原理：通過執行器7調節放氣閥門10的開度大小來改變氣流流通面積，從而改變增壓器工作工況，達到改變壓氣機增壓能力的目的。發動機高速運轉時，排氣能量大增，如果不放掉部分氣體，會造成增壓器轉速超速，執行器7會打開放氣閥門10，從而讓部分高溫氣體直接排出不做功，以達到防止增壓器超速的目的。

圖2為本發明的執行器剖視圖，如圖2所示，執行器7包括執行器殼體7-5、執行推桿7-4、膜片7-2和彈簧7-3，膜片7-2安裝在執行器殼體7-5內并將執行器殼體7-5的內腔隔成上方腔體7-6和下方腔體7-7，執行器殼體7-5位于上方腔體7-6的位置設有能與壓氣機相連通的執行器氣嘴7-1，執行推桿7-4的一端與下方腔體7-7固定連接，執行推桿7-4的另一端從執行器殼體7-5的孔中穿出，彈簧7-3套裝在執行推桿7-4上。

執行器7的工作原理：當壓氣機出口壓力，也就是增壓壓力低于限定值時，膜片7-2在彈簧7-3的作用下上移，并帶動執行推桿7-4將放氣閥門10關閉；當增壓壓力超過限定值時，增壓壓力克服彈簧7-3的彈力，推動膜片7-2下移，并帶動執行推桿7-4將放氣閥門10打開，使部分排氣不經過渦輪機直接排放到大氣中，從而達到控制增壓壓力及增壓器轉速的目的。增壓壓力的變化可以快速反應到放氣閥門10的開度大小，從而及時控制增壓壓力，保護增壓系統。

圖4為放氣閥門與渦輪箱的裝配剖視圖，如圖4所示，渦輪箱3上設置有放氣孔3-1，放氣孔3-1與放氣閥門10相連。放氣閥門10處的壓力可推動放氣閥門10移動，使放氣閥門10、傳動軸9、搖臂4繞支點轉動。

在本實施例中，旁通放氣機構的工作原理：當渦輪增壓器需要排出廢氣時，增壓壓力克服彈簧7-3的彈力，推動膜片7-2下移，并帶動執行器7的執行推桿7-4移動，執行推桿7-4通過執行器套管6帶動傳動銷5運動，再由搖臂4帶動傳動軸9轉動，傳動軸9帶動放氣閥門10轉動，繼而使原來壓合在放氣孔3-1上的放氣閥門10離開放氣孔3-1，實現旁通放氣機構的開啟及氣體的排放。

本實施例的渦輪增壓器的旁通放氣機構對壓力控制精度好、響應性靈敏，且結構簡單可靠。

實施例2

在本實施例中，執行器7包括執行器殼體7-5、執行推桿7-4、膜片7-2和彈簧7-3，膜片7-2安裝在執行器殼體7-5內并將執行器殼體7-5的內腔隔成上方腔體7-6和下方腔體7-7，執行器殼體7-5位于上方腔體7-6的位置設有能與壓氣機相連通的執行器氣嘴7-1，執行推桿7-4的一端與下方腔體7-7固定連接，執行推桿7-4的另一端從執行器殼體7-5的孔中穿出，彈簧7-3套裝在執行推桿7-4上。

壓氣機蝸殼2內的空氣通過氣嘴1、膠管8、執行器氣嘴7-1可流動至執行器7的上方腔體7-6內，形成密閉空間，對膜片7-2產生壓強P_7a。執行器7的下方腔體7-7與大氣相通，對膜片7-2產生壓強P_7b，P_7b與大氣壓力相同。

執行器7的膜片7-2的移動可帶動套管6移動，使傳動銷5、搖臂4、傳動軸9、放氣閥門10繞支點轉動，執行器7對支點產生一力矩W_C。

圖4為放氣閥門與渦輪箱的裝配剖視圖，如圖4所示，渦輪箱3上設置有放氣孔3-1，放氣孔3-1與放氣閥門10連接。渦輪箱3的放氣孔3-1處的渦前壓力P_3a和放氣閥門10背面的渦后壓力P_3b均對放氣閥門10會產生壓力，可推動放氣閥門10移動，使放氣閥門10、傳動軸9、搖臂4繞支點轉動，對支點產生一力矩W_T。

W_C、W_T差值的大小、方向決定了放氣閥門10的開關、開度的大小。兩者相等時則力矩平衡，放氣閥門保持不動。放氣閥門10起封堵渦輪箱3的放氣孔3-1的作用，放氣閥門10的開度決定渦輪箱3的廢氣放氣量(或稱放氣率)。旁通廢氣量的多少影響渦輪增壓器增壓壓力、影響壓力P_7a。W_C、W_T的大小滿足下式。

式中D₇為執行器7膜片7-2的直徑，k為彈簧7-3的彈性系數，x為執行器套管6的位移，F₇為執行器7設定的預緊力，L₄為搖臂4兩中心孔的距離，D₃為渦輪箱3的放氣孔3-1的直徑，L₉為傳動軸9兩中心線的距離。

從式中可看出，任一參數的變化都可改變W_C、W_T的大小。因此，在進行增壓器設計、匹配、試驗時，通過以上公式，我們可以通過調整旁通放氣機構的參數P_7a、D₇、k、L₄、P_3a、D₃、L₉來改變放氣閥門10的開度，來改變增壓器的增壓壓力(近似壓力P_7a)、發動機的泵氣損失(近似渦前壓力P_3a與壓力P_7a的壓差)、掃氣壓差(近似壓力P_7a與渦前壓力P_3a的壓差)，從而改善增壓器匹配發動機的性能。

實施例3

本實施例詳細分析旁通放氣機構中的參數改變對發動機性能的影響。力矩W_C、W_T的計算如下：

舉例說明，壓氣機蝸殼2上有A、B兩處氣嘴孔，A氣嘴孔在壓氣機蝸殼2的出口3位置，B氣嘴孔在壓氣機蝸殼2流道的小截面處，如圖1所示。在進行壓氣機內的空氣流場計算時，我們發現氣嘴孔B處的壓力比氣嘴孔A處的壓力低。氣嘴1與壓氣機蝸殼2的氣嘴孔A或B相連通。將執行器7的氣嘴7-1與A處氣嘴孔相連通改為與B處氣嘴孔相連，則P_7a減少，W_C減少，傳動銷5繞支點順時針旋轉，最終達到平衡，平衡時則W_C＝W_T。為達到W_C＝W_T，則套管6的位移x會減少，x減少則放氣閥門10的開度減少，渦輪箱3的放氣量減少，渦輪箱3內的廢氣能量增加了，傳遞給壓氣機的能量就會增加；或者P_7a減少，P_7a減少后可以通過加大執行器7設定的預緊力F₇來減少放氣閥門10的開度，減少渦輪箱3的放氣量，渦輪箱3內的廢氣能量增加了，傳遞給壓氣機的能量就會增加，最終提高增壓器轉速、增壓壓力，改善發動機性能。這種改善不改變渦輪箱3不放氣的低轉速工況，因此不犧牲發動機的低速性能。其它參數改變對發動機性能的影響參照以上分析。

另外，執行器7對支點產生力矩W_C，渦輪箱3的放氣孔3-1處的渦前壓力P_3a和放氣閥門10背面的渦后壓力P_3b的壓差對放氣閥門10會產生壓力，對支點產生力矩W_T。通過分析、計算W_C、W_T差值的大小、方向就可知道放氣閥門10是否開關、旋轉方向、開度大小、旁通廢氣量多少等。

本實施例提供了一種旁通放氣機構改善渦輪增壓發動機中高速性能的方法，包括壓氣機蝸殼2的氣嘴取氣孔位置的選擇方法，就支點采用力矩方程分析增壓器壓力、旁通放氣機構結構參數等對增壓器增壓壓力、渦前壓力、渦前壓力與增壓壓力壓差等的影響，最終分析對發動機性能的影響。這些參數包括渦輪箱3的放氣孔3-1處的渦前壓力P_3a、執行器7膜片7-2的直徑D₇、彈簧7-3的彈性系數k、套管6的位移x、執行器7設定的預緊力F₇、搖臂4兩中心孔的距離L₄、渦輪箱3的放氣孔3-1的直徑D₃、傳動軸9兩中心線的距離L₉、渦前壓力P_3a與壓力P_7a的壓差、增壓壓力P_7a等。

另外，本實施例采用力矩方程分析放氣閥門旋轉方向、開度大小、旁通廢氣量多少等。執行器7對支點產生力矩W_C，渦輪箱3的放氣孔3-1處的渦前壓力P_3a和放氣閥門10背面的渦后壓力P_3b的壓差對放氣閥門10會產生壓力，對支點產生力矩W_T。通過分析、計算W_C、W_T差值的大小、方向就可知道放氣閥門10是否開關、旋轉方向、開度大小、旁通廢氣量多少等。

綜上所述，在本發明中，增壓器增壓壓力、渦前壓力、渦前壓力與增壓壓力壓差、旁通放氣機構各參數相互影響，通過本發明的方法可以比較直觀、方便、合理的分析出某參數的改變對其它參數改變的影響，從而設計出更合理的參數，使增壓器匹配發動機性能更好。本發明直觀列出了旁通放氣機構影響增壓器匹配發動機性能的參數。

所屬領域的普通技術人員應當理解：以上任何實施例的討論僅為示例性的，并非旨在暗示本公開的范圍(包括權利要求)被限于這些例子；在本發明的思路下，以上實施例或者不同實施例中的技術特征之間也可以進行組合，并存在如上所述的本發明的不同方面的許多其它變化，為了簡明它們沒有在細節中提供。因此，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何省略、修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。