CN102022180A - 废气涡轮增压器装置、配属驱动***和驱动***设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的废气涡轮增压器装置、配属驱动***和驱动***设计方法，废气涡轮增压器装置包括：废气涡轮增压器，其具有废气涡轮机，其设置在废气涡轮增压器装置与内燃机的废气出口流体连接的废气系中；还具有与废气涡轮机旋转驱动连接的压缩机，其设置在废气涡轮增压器装置与内燃机的空气入口流体连接的增压空气系中；废气再循环装置，其具有与废气系流体连接的入口以及与增压空气系流体连接的出口，从废气系分出的废气经由出口在废气进入位置处进入增压空气系中。废气进入位置位于压缩机中的流体压缩线路中，流入压缩机中的废气在仅平衡在废气进入流体压缩线路中的进入压力和要实现的增压压力之间压差的情况下由进入压力直接被压缩至要实现的增压压力。

Description

废气涡轮增压器装置、配属驱动***和驱动***设计方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的废气涡轮增压器装置，配备有这种废气涡轮增压器装置的驱动***和用于设计驱动***的方法。
背景技术
由DE 2006 055 814 A1和DE 10 2005 015 151 A1已知开头所述类型的废气涡轮增压器装置。
为了特别是在其NOx排放方面满足内燃机的将来的废气限值，越来越多地使用具有废气回输或废气再循环的废气涡轮增压器装置。在此涉及：内燃机的废气与用于内燃机的增压空气混合。
在废气回输中，通常必须克服″扫气落差″、即在增压空气管道中的压力和在废气管道中的压力之间的压差，为此例如使用单独的风扇或者废气在相应废气涡轮增压器装置的压缩机前混合进入增压空气系。无论如何，为了克服扫气落差，需要显著的能量消耗，其可能会损害废气涡轮增压器装置的效率。
发明内容
因此本发明的目的是：提供一种废气涡轮增压器装置，其中降低或减少用于压缩回输到增压空气系中的废气流的能量消耗。此外本发明的目的是：提供一种配备有这种废气涡轮增压器装置的驱动***和用于设计这种驱动***的方法。
上述目的通过根据权利要求1所述的废气涡轮增压器装置、根据权利要求7所述的驱动***或者根据权利要求8所述的方法来实现。本发明的改进方案在从属权利要求中给出。
根据本发明的第一方面，一种用于内燃机的废气涡轮增压器装置，其包括废气涡轮增压器，废气涡轮增压器具有废气涡轮机，所述废气涡轮机设置在废气涡轮增压器装置的与内燃机的废气出口流体连接的废气系中，其中废气涡轮增压器还具有与废气涡轮机旋转驱动连接的压缩机，所述压缩机设置在废气涡轮增压器装置的与内燃机的空气入口流体连接的增压空气系中；废气涡轮增压器装置还包括废气再循环装置，其具有与废气系流体连接的入口以及与增压空气系流体连接的出口，从而从废气系分出的废气能经由出口在废气进入位置处进入增压空气系中。
根据本发明的废气涡轮增压器装置的特征是：废气进入位置位于压缩机中的流体压缩线路中，从而流入压缩机中的废气在仅平衡在废气进入流体压缩线路中的进入压力和要实现的增压压力之间的压差的情况下，由进入压力直接被压缩至要实现的增压压力。
换句话说，用于平衡或克服在废气的进入压力和要实现的增压压力之间的压差的功或能能量被准确地输送至废气。
根据本发明，仅局部地为压缩机的限定部分加载废气，其也还处于较小的离心力载荷的区域中或者甚至在压缩机的导引叶栅***中。
因此能降低或减少用于压缩回输至增压空气系中的废气的能量耗费，由此能改进废气涡轮增压器装置的效率。
因此为了特别是在其NOx排放方面满足内燃机的将来的废气限值，提供一种具有废气回输或废气再循环的、效率优化的废气涡轮增压器装置，其特别是还可以在重油运行状态中用于缓慢运行的二冲程发动机和中快速运行的四冲程发动机。
根据本发明废气涡轮增压器装置的一种实施方式，废气入口位置位于压缩机的叶轮流体入口和压缩机的扩散器流体出口之间。
这个在压缩机的流体压缩线路中的区域基本上为在压缩机中的压力建立区域，从而通过选择适合的与废气的进入压力和压缩机特征曲线相关的废气入口位置，可以最佳地降低或减少用于压缩废气的功或能量。
根据本发明废气涡轮增压器装置的一种实施方式，废气入口位置位于压缩机的叶轮流体入口和压缩机的后导引机构流体出口之间。
根据本发明废气涡轮增压器装置的另一种实施方式，废气入口位置位于压缩机的叶轮流体入口和压缩机的叶轮流体出口之间。
如果压差或扫气落差较高，则这种类型的废气入口位置是特别有利的。
根据本发明废气涡轮增压器装置的另一种实施方式，废气入口位置位于压缩机的叶轮流体出口和压缩机的扩散器流体出口之间。
如果例如在二冲程发动机中压差或扫气落差较低，则这种类型的废气入口位置是特别有利的。
根据本发明废气涡轮增压器装置的另一种实施方式，所述废气再循环装置的入口在废气分支位置处与废气系流体连接，其中所述废气分支位置沿着废气系位于涡轮入口之前。
这种废气分支位置确保了：废气的进入压力尽可能高，进而扫气落差或压差尽可能低。
根据本发明废气涡轮增压器装置的另一种实施方式，废气再循环装置可以具有废气冷却器和/或废气洗涤器。
换句话说，来自废气系的废气可以在″缸前″被混合到增压空气系的位于压缩机中的流体压缩线路中后，由内燃机的“缸后”或“废气涡轮机前”必要时被冷却和清洁。
根据本发明的第二方面，提供具有废气涡轮增压器装置和内燃机的驱动***，其中废气涡轮增压器装置在每个可想象的组合中根据本发明的一个、多个或所有前述确定的实施例实施，其中废气涡轮增压器装置的废气系与内燃机的废气出口流体连接，废气涡轮增压器装置的增压空气系与内燃机的空气入口流体连接。
根据本发明的第三方面，提供一种用于设计根据本发明的驱动***的方法，其中所述方法至少包括下列步骤：确定内燃机的取决于负载的废气压力特征曲线；确定压缩机的取决于负载的增压压力特征曲线；确定内燃机的例如平均的工作负载(例如发动机负载，应该主要利用其来驱动内燃机)；确定在废气压力特征曲线和增压压力特征曲线之间的基于工作负载的压差；根据在流体压缩线路中基于压缩线路长度的长度位置确定压缩机特征的压力建立特征曲线；确定在流体压缩线路中的长度位置，能由压缩机实现的压力建立在该长度位置处等于在废气压力特征曲线和增压压力特征曲线之间的确定的压差；确定废气入口位置，从而废气入口位置与确定的长度位置相应。
最后发明人认识到：因为废气在废气涡轮机前已经在较高的压力水平，仅必须找到一地点或位置(废气入口位置)，在此处剩余压力升高可以直至达到增压压力水平。
根据本发明的实施方式，废气入口位置例如在径向压缩机中在叶轮流体入口后至叶轮流体出口前设在盖轮廓上。在相应较小的扫气落差时，如在二冲程发动机中，废气入口位置可以位于叶轮流体出口和扩散器流体出口之间，因为在那里还提高静态压力。
附图说明
下面借助优选实施例并参考附图详细描述本发明。
图1示出根据本发明实施例的驱动***的示意图。
图2示出根据本发明实施例的驱动***的废气涡轮增压器装置的压缩机的局部示意图。
图3示出根据本发明的实施例的驱动***的废气涡轮增压器装置的压缩机的类似于图2的局部放大图。
图4示出一图表，其中示出了与根据本发明实施例的驱动***的发动机负载相关的废气压力特征曲线和增压压力特征曲线。
图5示出一图表，其中根据在根据本发明实施例的驱动***的废气涡轮增压器装置的压缩机的流体压缩线路中基于压缩线路长度的长度位置，示出压缩机特征的压力建立特征曲线。
附图标记列表
1    驱动***
10   废气涡轮增压器装置
20   废气涡轮增压器
21   废气涡轮机
21a  涡轮入口
21b  涡轮出口
22   废气管道
23   排气管道
25   连接轴
26   压缩机
26a  压缩机入口
26b  压缩机出口
260  壳体
261  叶轮
262  叶轮叶片
263  叶轮流体入口
264  叶轮流体出口
265  扩散器
266  扩散器流体出口
267  螺旋通道
268  后导引机构
27   新鲜空气管道
28   进气管道
29   进气管道
30   废气再循环装置
30a  入口
30b  出口
40   增压空气冷却器
60   内燃机
60a  空气入口
60b  废气出口
AE   废气入口位置
VP   流体压缩线路
a    第一界限
b    第二界限
p    压力
PA   废气压力
PL   增压压力
ΔP  压差
L    发动机负载
AL   工作负载
A    废气
具体实施方式
图1示出根据本发明实施例的驱动***1的示意图。
驱动***1具有一废气涡轮增压器装置10和一例如设计成柴油机和/或煤气机的并且与废气涡轮增压器装置10连接的内燃机60。
废气涡轮增压器装置10具有废气涡轮增压器20、废气再循环装置30和增压空气冷却器40。
废气涡轮增压器20具有一带涡轮入口21a和涡轮出口21b的废气涡轮机21以及一通过连接轴25与废气涡轮机21旋转驱动连接的压缩机26，所述压缩机26具有压缩机入口26a和压缩机出口26b。
涡轮入口21a通过废气管道22与内燃机60的废气出口60b建立流体连接，从而废气涡轮机21可以通过内燃机60的废气A的能量旋转驱动。
涡轮出口21b与排气管道23建立流体连接，从而可以将从废气涡轮机21流出的废气A例如引导至大气中。
废气管道22、废气涡轮机21和排气管道23一起形成废气涡轮增压器装置10的废气系。
压缩机入口26a与新鲜空气管道27建立流体连接，从而新鲜空气例如可以从大气通过新鲜空气管道27被输送至压缩机26。
压缩机出口26b通过进气管道28、29和增压空气冷却器40与内燃机60的空气入口60a建立流体连接，从而由压缩机26压缩的空气可以通过进气管道28、29输送至内燃机60。
新鲜空气管道27、压缩机26、增压空气冷却器40和进气管道28、29一起形成废气涡轮增压器装置10的增压空气系。
废气再循环装置30可以设计有废气净化装置(未示出)和废气冷却器(未示出)以及适合的调节装置，并具有：一入口30a，该入口在涡轮入口21a前与废气管道22流体连接(在废气分支位置处)；一出口30b，该出口与压缩机26流体连接。
如在图2和图3中示出的那样，在此设计成径向压缩机的压缩机26具有壳体260和一固定在可旋转地支承在壳体260中的连接轴25上的叶轮261，所述叶轮具有多个叶轮叶片262。
壳体260和叶轮261(连同其叶轮叶片262)一起形成流体压缩线路VP，通过所述流体压缩线路或者沿着所述流体压缩线路，压缩流经压缩机26的流体(由新鲜空气和废气形成)，其界限在其长度中以a和b来标注。
更准确地说，流体压缩线路VP从叶轮流体入口263经由叶轮流体出口264和形成扩散器265的径向间隙延伸至扩散器流体出口266，所述扩散器流体出口266通至在壳体260中形成的、具有螺旋通道267的螺旋壳体中，所述螺旋通道267本身与压缩机出口26b流体连接。在扩散器265中可以设置后导引机构或导引叶栅268。
如图1至图3示出的那样，废气再循环装置30的出口30b如此与增压空气系流体连接，使得从废气系分出的废气A经由出口30b在废气入口位置AE处(参见图3)能进入增压空气系中，更准确地说进入流体压缩线路VP中。
如开头所述的那样，废气A具有与内燃机60的发动机负载L相关的废气压力PA，废气A利用该废气压力进入增压空气系，并且该废气压力在那里显示为废气A的进入压力。同样如开头所述的那样，废气压力PA通常以压差ΔP小于在进气管道28、29中或在内燃机60的空气入口60a处要利用压缩机26为内燃机60实现的增压压力PL。这种相互关系在图4中示出，其中在与内燃机60的发动机负载L相关的压力P的图表中示出增压压力PL特征曲线和废气压力PA特征曲线。
图5示出一图表，其中根据在压缩机26的流体压缩线路VP中基于压缩线路长度(在此从第一界限a至第二界限b)的长度位置，示出压缩机特征的压力建立特征曲线。如从图5中示出的那样，压力建立特征曲线在最初曲线形走向后具有几乎线性的走向。由此可以得出：要压缩的流体在流体压缩线路VP中经过的行程越大，所形成的压力越大。然而在图5中示出的曲线仅展示了原则上的压力走向。
现在根据本发明规定：废气入口位置AE如此设置在压缩机26中的流体压缩线路VP中，从而流入压缩机26的废气A(如通过在图3中的粗箭头示出的那样)在仅平衡在废气A进入流体压缩线路VP中的进入压力(废气压力PA)和要实现的增压压力PL之间的压差ΔP(参见图4)的情况下由进入压力直接被压缩至要实现的增压压力PL。
根据本发明的实施例以最普遍的方式，废气入口位置AE位于压缩机26的叶轮流体入口263和压缩机26的扩散器流体出口266之间。根据本发明另一实施例以稍微特殊的方式，废气入口位置AE可以位于压缩机26的叶轮流体入口263和压缩机26的后导引机构268的流体出口之间。
根据本发明在图3中示出的实施例，废气入口位置AE位于压缩机26的叶轮流体入口263和压缩机26的叶轮流体出口264之间。
根据本发明的未示出的实施例，废气入口位置AE还可以位于压缩机26的叶轮流体出口264和压缩机26的扩散器流体出口266之间。
根据上面所述，用于设计根据本发明的驱动***1的方法至少包括下列步骤：确定内燃机60的取决于负载的废气压力PA特征曲线，确定压缩机26的取决于负载的增压压力PL特征曲线；确定内燃机60的工作负载AL(例如发动机负载L，应该主要利用其来驱动内燃机60)；确定在废气压力PA特征曲线和增压压力PL特征曲线之间的(如在图4中示出的那样)基于工作负载的压差ΔP；根据在流体压缩线路VP中基于压缩线路长度(在图2中a至b)的长度位置确定压缩机特征的压力建立特征曲线(如在图5中示出的那样)；确定在流体压缩线路VP中的长度位置，能由压缩机26实现的压力建立在该长度位置处等于在废气压力PA特征曲线和增压压力PL特征曲线之间的确定压差ΔP；确定废气入口位置AE，从而废气入口位置AE与确定的长度位置(如在图3中示出的那样)相应。

Claims (8)

1.一种用于内燃机(60)的废气涡轮增压器装置(10)，包括：
废气涡轮增压器(20)，其具有废气涡轮机(21)，所述废气涡轮机设置在废气涡轮增压器装置(10)的与内燃机(60)的废气出口(60b)流体连接的废气系中；废气涡轮增压器(20)还具有与废气涡轮机(21)旋转驱动连接的压缩机(26)，所述压缩机设置在废气涡轮增压器装置(10)的与内燃机(60)的空气入口(60a)流体连接的增压空气系中，
废气再循环装置(30)，其具有与废气系流体连接的入口(30a)以及与增压空气系流体连接的出口(30b)，从而从废气系分出的废气(A)能经由出口(30b)在废气进入位置(AE)处进入增压空气系中，
其特征在于，所述废气进入位置(AE)位于压缩机(26)中的流体压缩线路(VP)中，从而流入压缩机(26)中的废气(A)在仅平衡在废气(A)进入流体压缩线路(VP)中的进入压力和要实现的增压压力(PL)之间的压差(ΔP)的情况下，由进入压力直接被压缩至要实现的增压压力(PL)。
2.根据权利要求1所述的废气涡轮增压器装置(10)，其中，所述废气进入位置(AE)位于压缩机(26)的叶轮流体入口(263)和压缩机(26)的扩散器流体出口(266)之间。
3.根据权利要求2所述的废气涡轮增压器装置(10)，其中，所述废气入口位置(AE)位于压缩机(26)的叶轮流体入口(263)和压缩机(26)的后导引机构(268)的流体出口之间。
4.根据权利要求2所述的废气涡轮增压器装置(10)，其中，所述废气入口位置(AE)位于压缩机(26)的叶轮流体入口(263)和压缩机(26)的叶轮流体出口(264)之间。
5.根据权利要求2所述的废气涡轮增压器装置(10)，其中，所述废气入口位置(AE)位于压缩机(26)的叶轮流体出口(264)和压缩机(26)的扩散器流体出口(266)之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的废气涡轮增压器装置(10)，其中，所述废气再循环装置(30)的入口(30a)在废气分支位置处与废气系流体连接，其中所述废气分支位置沿着废气系位于涡轮入口(21a)之前。
7.驱动***(1)，其具有根据权利要求1至6中任一项所述的废气涡轮增压器装置(10)和内燃机(60)，其中所述废气涡轮增压器装置(10)的废气系与内燃机(60)的废气出口(60b)流体连接，并且所述废气涡轮增压器装置(10)的增压空气系与内燃机(60)的空气入口(60a)流体连接。
8.用于设计根据权利要求7所述的驱动***(1)的方法，包括以下步骤：
确定内燃机(60)的取决于负载的废气压力(PA)特征曲线，
确定压缩机(26)的取决于负载的增压压力(PL)特征曲线，
确定内燃机(60)的工作负载(AL)，
确定在废气压力(PA)特征曲线和增压压力(PL)特征曲线之间的基于工作负载(AL)的压差(ΔP)，
根据在流体压缩线路(VP)中基于压缩线路长度(a→b)的长度位置确定压缩机特征的压力建立特征曲线，
确定在流体压缩线路(VP)中的长度位置，能由压缩机(26)实现的压力建立在该长度位置处等于在废气压力(PA)特征曲线和增压压力(PL)特征曲线之间的确定的压差(ΔP)，以及
确定废气入口位置(AE)，从而废气入口位置(AE)与确定的长度位置相应。
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