CN103097667A - 用于排气涡轮增压器的涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于内燃机（10）排气涡轮增压器（22）的涡轮机，包括至少一个外壳件（56），该外壳件包括至少两个螺旋通道（58），所述至少两个螺旋通道能被内燃机（10）的排气穿流过并且具有各自的螺旋入口截面（AS），其特征在于，所述外壳件（56）容纳在一容纳室（74）中，所述容纳室是所述各螺旋通道（58）共用的并且通过所述涡轮机（54）的至少一个另外的外壳件（72）形成，内燃机（10）的排气能从该容纳室在各自的螺旋入口截面（AS）上流动到螺旋通道（58）中。

Description

用于排气涡轮增压器的涡轮机

技术领域

本发明涉及一种权利要求1前序部分所述类型的排气涡轮增压器的涡轮机。

背景技术

DE 102008039085A1公开了一种汽车用内燃机，具有排气涡轮增压器，其包括内燃机进气***中的压缩机和内燃机排气***中的涡轮机，其中，涡轮机具有涡轮机壳体，该涡轮机壳体包围一与排气***的排气管道连接的螺旋通道和一涡轮，该涡轮设置在涡轮机壳体的容纳室内并为驱动压缩机的压缩机轮而能被加载通过螺旋通道引导的内燃机排气，该压缩机轮通过一轴与涡轮以不能相对转动的方式连接的。涡轮机包括调节装置，借助该调节装置可以一起调整螺旋通道的螺旋入口截面以及螺旋通道的通向容纳室的喷口截面。

因为这种排气涡轮增压器在批量生产内燃机的背景下是一种件数持续上升的大批量产品，所以值得追求的是提供一种排气涡轮增压器，其可以使相关的内燃机高效，也就是低能耗和低排放运行以及在极高的温度和压力变化下具有高度的运行可靠性。

发明内容

本发明的目的因此在于，提供一种排气涡轮增压器的涡轮机，其具有高度的运行可靠性以及可以使配设该排气涡轮增压器的内燃机高效运行。

该目的通过具有权利要求1所述特征的、用于排气涡轮增压器的涡轮机得以实现。本发明具有优点的实施方式连同依据目的和非显而易见的改进方案在从属权利要求中给出。

依据本发明的、用于内燃机排气涡轮增压器的涡轮机包括至少一个外壳件，该外壳件包括至少两个螺旋通道，所述至少两个螺旋通道能被内燃机的排气穿流过并且具有各自的螺旋入口截面，其特征在于，所述外壳件容纳在一容纳室中，所述容纳室是所述各螺旋通道共用的并且通过所述涡轮机的至少一个另外的外壳件形成，内燃机的排气能从该容纳室通过各自的螺旋入口截面流动到螺旋通道中。

由于特别是氮氧化物和碳烟排放的排放标准日益严格，一方面对用于内燃机增压的排气涡轮增压器产生重大影响。由于在内燃机的中等负荷范围直至满负荷范围内所要实现的高AGR率（AGR-排气再循环），由此在排气涡轮增压器的增压压力提供方面产生高要求。这便要求提供在尺寸或规格方面几何结构小的、用于排气涡轮增压器的涡轮机，其中，所要求的高涡轮机功率通过在与内燃机的共同作用下提高涡轮机的动压头能力

或降低吸收能力实现。

此外，需要时通过沿排气流动方向设置在涡轮机下游的排气净化装置——特别是碳烟过滤器——的反压力提高涡轮机的入口压力水平，这需要在涡轮机尺寸或规格方面进一步缩小涡轮机。这一点带来的问题是，涡轮机的这种缩小一般同时造成涡轮机的效率变差。但为了满足排气涡轮增压器压缩机侧的功率需求，需要提供所希望的空气排气供给并因此提供内燃机的所希望的转矩或所希望的功率以及低排放。

依据本发明的涡轮机可以实现，该涡轮机在其尺寸或规格方面是很小的，从而由此提供所希望的动压头性能。这一点实现了高排气再循环率。换句话说，可以将特别大量的排气从内燃机的排气侧再循环到内燃机的空气侧并输送到由内燃机吸进的空气中，由此可以降低内燃机的排放，特别是氮氧化物和碳烟排放。

此外，在排气涡轮增压器压缩机侧上的所述的高功率需求可以通过该涡轮机得到满足，这是因为该涡轮机使配备该涡轮机的内燃机能够恒压增压运行。在此方面，通过另外的外壳件形成的容纳室起集气室的功能，在该集气室中首先收集内燃机的排气并使之蓄能，然后排气通过螺旋通道流动并驱动涡轮，涡轮又能通过一轴驱动排气涡轮增压器的压缩机侧上的压缩机轮，该轴与涡轮以不能相对转动的方式连接。此外，涡轮机具有很低的部件数量，这样带来涡轮机的低成本以及高的运行可靠性。

在本发明的一种具有优点的实施方式中，螺旋通道各自具有至少一个喷口截面，通过该喷口截面能对涡轮机的容纳在第一外壳件中的涡轮施加排气，其中，各喷口截面沿涡轮的转动轴线并列设置和/或绕转动轴线分布设置在涡轮的周部上。因此涡轮机可以匹配于不同要求以满足在提供所希望的内燃机空气或空气排气供给以及低排放方面的要求。

如果涡轮机包括调节装置，借助该调节装置能调节螺旋通道的各自的螺旋入口截面和/或各自的喷口截面，其中，例如所述螺旋通道中的一个螺旋通道的螺旋入口截面和喷口截面能借助该调节装置共同地调节和/或其中另外的螺旋通道的螺旋入口截面和喷口截面能借助该调节装置共同地调节，那么至少几乎是在内燃机的整个特性曲线族中、也就是说既包括在低和中等负荷范围也包括在满负荷范围内都能匹配于不同的运行点。调节装置特别是还可以调整涡轮机的动压头性能，由此可以影响空气和排气再循环需求，以便可以在特别宽的范围内满足能耗和排放要求。

这一点在商用车上使用的框架内具有优点。但涡轮机特别是在乘用车上使用的框架内也具有优点，其中，内燃机具有不稳定的性能。通过涡轮机的可变动压头能力，尽管在乘用车行驶期间内燃机的性能不稳定，仍可以获取可接受的驾驶性能，而且在依据缩减方案具有很低工作容积和很高单位功率的内燃机上亦是如此。

调节装置在此方面例如针对每一个螺旋通道包括至少一个堵挡体，借助该堵挡体可以调整螺旋入口截面和/或喷口截面，其中，堵挡体是舌形的。涡轮机因此是所谓的舌形滑阀分段式涡轮机（Zungenschieber-Mehrsegment-Turbine），其具有很少的部件数量以及具有成本低廉和坚固的涡轮机壳设计与在流动上重要的螺旋通道的组合。为提供高通过扩展能力，第一外壳具有比所述的两个更多的螺旋通道并因此具有多于两个的螺旋段。

也称为多段螺旋的螺旋通道在涡轮机上通过第一外壳件——并因此与第二外壳件分开地——例如通过精密加工方法制造，并与第二外壳件连接，该第二外壳件起收集外壳的作用并且包括多段螺旋并且相对于环境气密密封。第二外壳件的容纳室例如是螺旋形的，第二外壳件除了相对于环境气密地将内燃机排气引导到螺旋通道的螺旋入口截面外，还承担涡轮机的支承功能、或者说整个排气涡轮增压器连同在涡轮转子破坏防护方面的防护装置的支承功能，其包括排气涡轮增压器的涡轮、轴、压缩机的压缩机轮以及必要的其他部件。

形成螺旋通道的第一外壳件和/或调节装置的堵挡体例如通过铸造法，特别是精密铸造法制成和/或制成有利地具有非常光滑的流动表面的板件，这样可以非常精确地调节螺旋通道以及必要的堵挡体。

包围第一外壳件的第二外壳件必要时具有相当简单的几何结构，从而成本低廉地通过相当粗糙的标准的砂型铸造法制造。这一点使依据本发明的涡轮机的成本保持得很低。两个外壳件的连接例如借助成本低廉的安装、连接和/或密封技术进行，其中，同样可以是，第一外壳件是铸入到另外的外壳件内的。

通过本发明涡轮机实现的、具有容纳室的第二外壳件与具有螺旋通道的第一外壳件的组合引起，利用一个第二外壳件和多个彼此不同的第二外壳件作为***件，该***件与相匹配的调节装置的相关地具有例如两个、三个、四个、五个、六个、七个或更多个螺旋通道，实现了一种有利的、用于产生多样性的涡轮机性能的组合部件。该组合部件用于在内燃机的较宽应用范围内提供涡轮机的匹配的热力性能，其可以利用涡轮机的高效组合和结构系列简化来实现。换句话说，可以超出涡轮机的不同结构方案，其中，这些结构方案具有彼此不同数量的螺旋通道，第二外壳件作为相同的部件使用，因此使组合部件的成本保持很低。

附图说明

本发明的其他优点、特征和细节来自多个优选实施方式以及借助附图的下列说明。前面说明书内所称的特征和特征组合以及后面附图说明内所称的和/或附图中单独示出的特征和特征组合不仅可以各自所介绍的组合使用，而且也可以其他组合或单独使用，而不偏离本发明的范围。其中：

图1示出借助排气涡轮增压器增压的内燃机的原理草图，该排气涡轮增压器包括可以使内燃机恒压增压运行/障壁效应增压运行的舌形滑阀-多段式涡轮机；以及

图2示出图1舌形滑阀-多段式涡轮机示意截面图。

具体实施方式

图1示出具有6个气缸12的内燃机10。在内燃机10运行期间，依据方向箭头14吸入空气，空气借助空气滤清器16过滤并依据方向箭头18继续流动到属于内燃机10的排气涡轮增压器22的压缩机20中。空气在此方面通过压缩机20借助压缩机轮24压缩，由此空气升温。为冷却这样被压缩并升温的空气，空气继续依据方向箭头26向增压空气冷却器28流动并继续依据方向箭头30向空气收集器32流动，空气通过该空气收集器依据方向箭头34输送到气缸12。在气缸12中，所吸入并被压缩的空气被施加燃料并燃烧，由此产生内燃机10的曲轴36依据方向箭头38的转动。

设置在内燃机10空气侧40上的压缩机20用于提供所希望的内燃机10空气供给，以获取所希望的内燃机10功率或转矩水平。由此可以使内燃机10在其工作容积/排量方面并因此在其尺寸方面设计得较小，这样带来低重量、高单位功率、低燃料消耗并因此低的CO₂排放。

从气缸12中的燃烧产生的内燃机10排气借助内燃机排气侧44上的排气管道42首先导向排气再循环装置45，借助该排气再循环装置可以将内燃机10的排气从排气***44再循环到空气侧40。排气再循环装置45为此包括排气再循环阀46，借助其可以设定一确定的、与存在的内燃机10运行点相关的再循环排气量。排气依据方向箭头52向排气再循环冷却器50流动，排气通过该排气再循环冷却器被冷却，然后依据方向箭头48输送到由内燃机10吸入的空气中。这种对吸入空气的加载再循环的排气使得内燃机10的排放下降，特别是氮氧化物排放和颗粒排放下降，由此该内燃机不仅具有低燃料消耗、高功率，而且还具有低排放。

此外，可以借助排气管道42将排气导向排气涡轮增压器22的涡轮机54，其中，涡轮机54设计成单流式的、所谓的舌形滑阀-多段式涡轮机，现结合图2对其进行说明。涡轮机54包括第一外壳件56，该外壳件具有三个可被内燃机10排气穿流的螺旋通道58。螺旋通道58具有各自的螺旋入口截面A_S以及各自的喷口截面A_R。在外壳件56中以可转动方式容纳有涡轮机54的涡轮60。

内燃机10的排气现在通过各自的螺旋入口截面A_S进入螺旋通道58并通过各自的喷口截面A_R流动到涡轮60上，由此涡轮60被排气驱动并转动。涡轮60与排气涡轮增压器22的轴62连接，压缩机轮24也与该轴以不能相对转动的方式连接，由此压缩机轮24通过轴62由涡轮60驱动。轴62具有转动轴线63。

涡轮机54还包括调节装置64，该调节装置还包括调节环66，该调节环与舌形滑阀68形式的三个堵挡体连接，其中为每一个舌形滑阀68分配一个螺旋通道58。调节环66可以依据方向箭头70绕涡轮60的转动轴线63转动，由此可以调节螺旋入口截面A_S以及沿涡轮60的周向方向在其周部上均匀分布设置的喷口截面A_R。换句话说，这意味着，通过转动调节环66可以使舌形滑阀68在至少一个使喷口截面A_R变窄或甚至封闭的位置与至少一个相对释放喷口截面A_R的位置之间移动。通过调节装置64产生涡轮机54的可变性，由此涡轮机54至少是几乎能在内燃机10的整个特性曲线族中匹配于不同的运行点，以便获取内燃机10的高效并因此低燃料消耗以及低排放的运行。通过调节喷口截面A_R，可以可变地设定涡轮机54的动压头特性或通过性。

通过形成涡轮机54的多个段的螺旋通道58，首先实现了内燃机10的脉冲增压运行。为实现内燃机10的恒压增压运行，涡轮机54现在包括另外的外壳件72，通过其形成由该另外的外壳件72相对环境气密封闭的并且与螺旋通道58共用的容纳室74，在该容纳室中容纳第一外壳件56，其中，另外的外壳件72可以在支承装置一侧、并因此在朝向压缩机轮24的一侧和/或在与该侧相对的一侧上，也就是在涡轮机出口的一侧上能包围第一外壳件56。另外的外壳件72具有入流通道76，通过排气管道42依据方向箭头78排气可以流入该入流通道中，该入流通道将排气继续导入容纳室74中。正如图2所示，入流通道76在依据方向箭头78的排气流动方向上逐渐变细。通过入流通道76导入容纳室74中的排气首先被收集在容纳室74中并且能通过螺旋通道58流向涡轮60。排气的混合以及收集在此方面在排气的流动方向上通过在第一外壳件56上游的排气管道42进行。

螺旋通道58在各自螺旋入口截面A_S的上游具有各自一个至少基本上喇叭形的入流通道80，排气通过该通道可以进入螺旋通道58中。涡轮机54具有高度的可变性，由此可以获取不同的动压头性能并因此获取不同的排气再循环率。这同样实现了，对内燃机10提供特定的空气供给以满足高功率或转矩要求。涡轮机54此外具有很少的部件数量，这样带来低成本和高度的运行可靠性。

原则上也可能的是，提供与涡轮机54的构造类似的双流式涡轮机，其中，沿涡轮60的转动轴线63在第一外壳件56的旁边设置一附加的外壳件，该附加的外壳件包括至少两个螺旋通道，该附加的外壳件例如是第一外壳件56形式的外壳件，该附加的外壳件容纳在一附加的、通过根据另外的外壳件72的附加外壳体形成的、依据容纳室74的附加容纳室中。因此，（这两个）容纳室并行设置并且彼此气密地分隔开。在这种情况下，设有两个并联的外壳件56，它们各自具有一定的动压头作用，在内燃机10气缸12被分成分隔开的气缸组的情况下——例如借助弯管件——产生两个彼此气密的收集室的一定的脉冲增压，由此，利用两侧的依据调节装置64的调节装置和相应的舌形滑阀68获取一种可变的、接近双流式的脉冲式涡轮机，其根据用途本身也可以产生不对称的动压头性能。

涡轮机54的调节装置64在此方面由内燃机10的控制装置82控制或调节，该控制装置对调节装置64进行调节，以使涡轮机54与内燃机10当前存在的运行点相匹配。

在加载和驱动涡轮60后，排气通过涡轮机出口依据方向箭头88从涡轮机54排出并穿流过排气后处理装置90，该排气后处理装置包括例如催化器，例如氮氧化物催化（转化）器以及需要时包括颗粒过滤器，然后排气依据方向箭头92净化地排到外界。

Claims (10)

1.一种用于内燃机（10）排气涡轮增压器（22）的涡轮机，包括至少一个外壳件（56），该外壳件包括至少两个螺旋通道（58），所述至少两个螺旋通道能被内燃机（10）的排气穿流过并且具有各自的螺旋入口截面（A_S），其特征在于，所述外壳件（56）容纳在一容纳室（74）中，所述容纳室是所述各螺旋通道（58）共用的并且通过所述涡轮机（54）的至少一个另外的外壳件（72）形成，使内燃机（10）排气能通过相应的螺旋入口截面（A_S）从该容纳室流入所述螺旋通道（58）中。

2.按权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述螺旋通道（58）各自具有至少一个喷口截面（A_R），通过该喷口截面能对涡轮机（54）的容纳在第一外壳件（56）中的涡轮（60）施加排气，其中，各喷口截面（A_R）沿涡轮（60）的转动轴线（62）并列设置和/或绕转动轴线（62）分布设置在涡轮（60）的周部上。

3.按权利要求1或2所述的涡轮机，其特征在于，涡轮机（54）包括调节装置（64），借助该调节装置能调节螺旋通道（58）的各自的螺旋入口截面（A_S）和/或各自的喷口截面（A_R）。

4.按前述权利要求之一所述的涡轮机，其特征在于，所述螺旋通道中的一个螺旋通道（58）和/或其中至少一个另外的螺旋通道（58）设计成——特别是具有大于350°的旋绕角/包容角的——全螺旋通道和/或——特别是具有350°~30°范围内的旋绕角的——部分螺旋通道。

5.按前述权利要求之一所述的涡轮机，其特征在于，包括螺旋通道（58）的第一外壳件（56）通过精密铸造法制成和/或设计成板件。

6.按前述权利要求之一所述的涡轮机，其特征在于，形成容纳室（74）的另外的外壳件（72）通过砂型铸造法制成。

7.按前述权利要求之一所述的涡轮机，其特征在于，所述另外的外壳件（72）是铸入到第一外壳件（56）内的。

8.按前述权利要求之一所述的涡轮机，其特征在于，所述另外的外壳件（72）具有至少一个入流通道（76），通过该至少一个入流通道内燃机（10）的排气能流入容纳室（74）中。

9.按权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，入流通道（76）沿排气流动方向（78）朝向容纳室（74）具有改变的——特别是变细的——流动截面。

10.按前述权利要求之一所述的涡轮机，其特征在于，容纳室（74）是螺旋形的。

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