CN104126056B - 具有能够相对于彼此扭转的导向格栅环的废气涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有涡轮机壳体的废气涡轮增压器，在所述涡轮机壳体中布置了涡轮和将废气流导送给所述涡轮的导送装置。所述导送装置具有两个能够相对于彼此扭转的、分别具有导向叶片的导向格栅环。在所述导向格栅环之间构造了锥状伸展的、朝所述涡轮的方向变细的流动通道。

Description

具有能够相对于彼此扭转的导向格栅环的废气涡轮增压器

本发明涉及一种具有能够相对于彼此扭转的导向格栅环的废气涡轮增压器。

具有可变的涡轮机几何形状（VTG）的废气涡轮增压器已经为人所知。利用这样的VTG，可以相对于常规的废气门涡轮增压器来改进废气涡轮增压器的响应特性。

VTG的一种熟知的实施方式是所谓的旋转叶片机（Drehschaufler）。对于这种旋转叶片机来说，在所述涡轮的前面有一能够调节的导向格栅，借助于该导向格栅可以无级地改变被导送给所述废气涡轮增压器涡轮的废气流的流入横截面及流入角度。所述导向格栅具有导向叶片，所述导向叶片分别通过导向叶片轴以能够旋转的方式支承在叶片轴承环的钻孔中。所述导向叶片一般来说固定地与杠杆相连接，所述杠杆嵌合到与所述叶片轴承环同轴的调节环中。如果使所述调节环围绕着所述废气涡轮增压器的轴扭转，那就通过所述杠杆关于相对于所述涡轮的入流角来调节所述导向叶片。在所述调节环扭转时，被导送给所述废气涡轮增压器的废气流的流动横截面也附加地发生变化。由此，所述废气可以在涡轮机壳体中得到加速，并且以更高的动能被输送给所述涡轮。VTG的这种结构形式尤其可以在柴油机上找到。对于汽油机来说，很少使用VTG的这种结构形式，因为其与较高的成本相关联，所述较高的成本通过较高的部件数目和耐高温的材料的必要性所引起。旋转叶片机VTG的另一缺点在于，一方面叶片后缘（流出边缘）相对于涡轮的间距会变化，并且另一方面相对于所述涡轮的入流角会变化。由此，所述涡轮叶片仅仅在最大一个工作点中最佳地被入流。在这个工作点之前及之后的效率均下降。这使得所述废气涡轮增压器的热力的效率变差。

在VTG的另一种实施方式中，使用轴向的滑阀。这个滑阀关于所述废气涡轮增压器的轴同轴地布置，并且能够相对于涡轮机壳体运动。通过所述滑阀的这种运动，首先改变在所述涡轮机之前的废气流的流入宽度。存在着轴向的滑阀的大量的变型方案，比如轴向的滑阀与双流的（zweiflutig）的涡轮机壳体的组合、滑阀的附加的叶片安装以及一种滑阀，在该滑阀移动时附加地打开废气门通道。

由US 2010/0196145 A1公开了一种用于具有VTG的废气涡轮增压器的涡轮机装置。这种VTG具有两个相对于彼此同轴地布置的、沿着圆周方向中断地构成的环，所述环可以相对于彼此扭转，用于改变用于在所述涡轮之前的废气流的流入横截面。通过这种扭转，此外改变流经废气门通道的废气流通流量。如此安排所述环的设计结构：使得在相邻的元件之间存在着一种孔板，这在热力的方面是不利的。此外，对于在所述涡轮机之前的流动横截面的阻塞程度非常高，这一方面限制了流经所述涡轮的废气流通流量，并且另一方面引起对于所述涡轮的不均匀的、突然的施加载荷。这不利地影响到热力并且影响到所述涡轮的强度或者耐久性。

本发明的任务是，说明一种具有可变的涡轮机几何形状的废气涡轮增压器，它具有较小的部件数目和较高的热的稳定性。

该任务通过一种具有在权利要求1中所说明的特征的废气涡轮增压器得到解决。本发明的有利的设计方案及改进方案在从属权利要求中得到了说明。

按本发明的废气涡轮增压器具有涡轮机壳体，在该涡轮机壳体中布置了涡轮以及将废气流导送给所述涡轮的导送装置。所述导送装置具有能够相对于彼此扭转的、分别具有导向叶片的导向格栅环，在所述导向格栅环之间构造了锥状伸展的、朝所述涡轮的方向变细的流动通道。由此实现这一点：所述废气流经由气流导引路径（Strömungsführung）通过由叶片轮廓构成并且朝涡轮的方向变细的、喷嘴状的流动通道被输送给所述涡轮。通过所述流动通道的这种朝涡轮的方向锥状的设计结构，使废气朝所述涡轮的方向加速。这种加速效应在将所述流动通道构造为孔板的情况下不能得到实现。

优选的是，在关于所述涡轮的旋转轴同轴的情况下以相对于所述涡轮不可相对旋转和平移的方式布置了一种关于入流角固定的、配备了导向叶片的导向格栅环。同样配备了导向叶片的第二导向格栅环关于第一导向格栅环同轴地布置，并且以能够旋转的方式支承在所述废气涡轮增压器中。由此可以相对于所述第一导向格栅环旋转地调节所述第二导向格栅环。在此，所述一个导向格栅环的导向叶片伸入到在所述第二导向格栅环的导向叶片之间的间隙中，并且反之亦可。由此，相应地所述第一导向格栅环的一导向叶片与所述第二导向格栅环的相邻的叶片形成一种流动通道，在该流动通道中废气流通过所述导送装置以一种通过所述导向叶片的弯曲度所确定的角度被导引给所述涡轮。所述导向叶片的、朝涡轮的方向的端部区段可以靠挨着所述涡轮来定位，由此提高废气的、流入到涡轮中的效率。

优选的是，所述两个导向格栅环之一配备了导向叶片，所述导向叶片沿着径向的方向向外比所述第二导向格栅环的导向叶片延伸得远，并且沿着旋转方向或者圆周方向将所述第二导向格栅环的导向叶片覆盖住。

如果现在沿着旋转方向顺时针地调节所述第一导向叶片环，那就扩大所述流动通道。在沿着另一方向调节所述第一导向叶片环时，缩小所述流动通道。所述调节的最终位置相应地通过所述导向叶片的止挡被彼此限制。

本发明的一种有利的设计方案在于，在所述导向格栅环之一中设置配气口，所述配气口自预先给定的、流经所述涡轮机壳体的废气流通流量起，通过所述能够扭转的导向格栅环的进一步的扭转来得到释放。这些配气口与在所述涡轮之后的空间如此连接：使得与废气门通道相类似地使废气的一部分从所述涡轮的旁边经过。

一种作为替代方案的实施方式在于，单独地、比如以p2调节的方式来操控废气门阀或者废气门活门，也就是说用增压压力p2（在压缩机之后的压力）来操控所述废气门阀。

为了能够实现所述能够扭转的导向格栅环的扭转，这个导向格栅环可以以能够旋转的方式支承在所述废气涡轮增压器的涡轮机壳体中和/或轴承壳体中。为了支撑所述在运行中所出现的力，优选使用滚动轴承，该滚动轴承也附加地降低了所出现的摩擦。所述能够扭转的导向格栅环的扭转优选地借助于一种杠杆动力以及一种通过电动的或者气动的调节器所实施的操控来进行。

可以像在常规的VTG中一样，使废气沿着径向的方向流往所述涡轮，但是作为替代于此的方案这一过程也可以半轴向地进行。

本发明的其它有利的特性从下面借助于附图对本发明所作的示范性的解释中获得。附图示出：

图1是用于对两个能够相对于彼此扭转的导向格栅环进行说明的草图；

图2是用于对于气流通过涡轮机壳体流到所述导向格栅环上的情况进行说明的草图；

图3是用于对在熟知的导向格栅环上的流动通道进行说明的草图；

图4是用于对用于本发明的第一种实施例进行说明的草图；

图5是用于对于利用废气来均匀地给涡轮施加载荷的情况进行说明的图示；

图6是用于对按照本发明的导送装置进行说明的剖面图及透视图；

图7是用于对用于本发明的其它实施例进行说明的草图；并且

图8是用于对本发明的一种有利的设计方案进行说明的草图。

图1示出了用于对具有两个能够相对于彼此扭转的导向格栅环的导送装置进行说明的草图，该导送装置在涡轮机壳体中布置在所述涡轮机壳体与能够围绕着涡轮机轴旋转的涡轮之间。

第一导向格栅环具有导向叶片1，第二导向格栅环包括导向叶片2。这两个导向格栅环关于所述涡轮3的旋转轴4同轴地布置。所述涡轮的旋转轴4是所述涡轮机轴。这两个导向格栅环像在图1中通过双箭头所图解示出的那样能够相对于彼此沿着圆周方向扭转。此外，从图1中可以看出，所述第二导向格栅环的导向叶片2沿着径向的方向向外比所述第一导向格栅环的导向叶片1延伸得远。

在图1中示出了所述两个导向格栅环的不同的相对位置，在所述两个导向格栅环之一扭转时可能存在着所述不同的相对位置。

在图1的区域B1中示出了一种相对位置，在该相对位置中所述流动通道完全打开。在这种相对位置中，所述第二导向格栅环的导向叶片2的、在径向上外部的区域完全覆盖所述第一导向格栅环的导向叶片1的、在径向上外部的区域。所述流动通道允许较高的废气质量通过量。

在图1的区域B2中示出了另一种相对位置，在该相对位置中所述流动通道具有降低了的孔口横截面。在这另一种相对位置中，所述第二导向格栅环的导向叶片2的、在径向上外部的区域部分地覆盖所述第一导向格栅环的导向叶片1的、在径向上外部的区域。

在图1的区域B3中示出了另一种相对位置，在该相对位置中所述流动通道关闭。在这另一种相对位置中，废气流的、流往涡轮的路径被封锁。

因此，通过对于所述两个导向格栅环的、相对于彼此的相对位置的控制，可以以相应必要的方式来调节通过所述导送装置流往所述涡轮的废气的量。

优选所述两个导向格栅环之一关于所述涡轮的旋转轴同轴地以相对于所述涡轮不可相对旋转和平移的方式来布置，并且所述第二导向格栅环同样关于所述涡轮的旋转轴同轴地布置，但是以相对于所述第一导向格栅环能够旋转的方式得到了支承。

所述第一导向格栅环的导向叶片伸入到在所述第二导向格栅环的导向叶片之间的间隙中。分别在所述第一和第二导向格栅环的两个相邻的导向叶片之间构成了所述流动通道。

按照一种实施方式，在所述两个导向格栅环之一按顺时针扭转时扩大所述流动通道的横截面，并且在这个导向格栅环按逆时针扭转时缩小所述流动通道的横截面。

按照一种作为替代方案的实施方式，在所述两个导向格栅环之一按顺时针扭转时缩小所述流动通道的横截面，并且在这个导向格栅环按逆时针扭转时扩大所述流动通道的横截面。

按照本发明的一种有利的设计方案，所述两个导向格栅环的相对于彼此扭转的最终位置通过所述两个导向格栅环的导向叶片的彼此止挡被限制。

图2示出了用于对气流通过涡轮机壳体流到所述导向格栅环上的情况进行说明的草图。在该草图中，为了简化而仅仅示出了所述第一导向格栅环的三个导向叶片1和所述第二导向格栅环的三个导向叶片2。正如可以从图2中看出的那样，废气流A流入到所述蜗牛状地构成的涡轮机壳体5中，并且穿过所述由两个导向格栅环所构成的导送装置的、在很大程度上打开的流动通道被朝向所述涡轮3的方向导送，并且驱动着所述涡轮。

图3示出了用于对于在熟知的导向格栅环上的流动通道进行说明的草图。从图3中可以看出，在不取决于所述流动通道是完全打开还是仅仅部分打开的情况下，所述相应的流动通道的、在导送装置的在径向上处于外面的端部区域中的孔口横截面相应地与同一条流动通道的、在导送装置的在径向上处于里面的端部区域中的孔口横截面相一致。

因此，在流动通道完全地打开时，适用以下关系式：

q1=q2，

其中q1是所述相应的流动通道的、在导送装置的在径向上处于外面的端部区域中的孔口横截面，并且q2是所述相应的流动通道的、在导送装置的在径向上处于里面的端部区域中的孔口横截面。

在流动通道部分地打开时，适用以下关系式：

q3=q4，

其中q3是所述相应的流动通道的、在导送装置的在径向上处于外面的端部区域中的孔口横截面，并且q4是所述相应的流动通道的、在导送装置的在径向上处于里面的端部区域中的孔口横截面。

此外，适用以下关系式：

q1＞q3。

由于所述流动通道的相应恒定的孔口横截面，也就是说由于在形成了所述孔口横截面的、相邻的导向叶片之间的相应相一致的间距，而仅仅存在一种间隙流。在所述导送装置中不会出现废气流的、朝涡轮的方向的加速。

为了实现废气流的、这样的朝涡轮的方向的加速，对于按照本发明的废气涡轮增压器来说，如此构造所述导向格栅环，使得在其之间构成锥状伸展的、朝所述涡轮的方向变细的流动通道。

这一点接下来借助于图4进行详细解释，图4示出了用于对用于本发明的第一种实施例进行说明的草图。在该草图中示出了废气涡轮增压器的部分区域的横截面图示。这个废气涡轮增压器具有涡轮机壳体5，该涡轮机壳体与所述废气涡轮增压器的轴承壳体6相连接。在所述轴承壳体6中包含了为了冷却目的而设置的水核心8。在所述涡轮机壳体5中，设置了涡轮机叶片3a的涡轮3抗扭转地与涡轮增压器轴7相连接。所述蜗轮的旋转轴4相应于涡轮增压器轴。在所述轴承壳体6与所述涡轮3之间设置了密封件10和11。此外，一热保护罩12定位在所述轴承壳体6与所述导送装置的第一导向格栅环之间，其中这个热保护罩12被装入到所述第一导向格栅环的、在图4中示出的导向叶片1的槽中。此外，所述导送装置包括第二导向格栅环，在所述第二导向格栅环中在图4中示出了一导向叶片2。在所述在图4中示出的导向叶片1与2之间设置了轴承结构9。

所述导向叶片1和2按照本发明如此构成，从而在其之间并且由此在所述两个导向格栅环之间分别构成了锥状伸展的、朝向涡轮3的方向变细的流动通道13。由此实现这一点，所述废气流经由流动导引路径通过喷嘴状的、通过叶片轮廓所构成的并且朝向所述蜗轮的方向变细的流动通道被输送给所述涡轮，并且朝所述蜗轮的方向得到加速。

图5示出了用于对所述流动通道的敞开的位置进行说明的示意图。在此，在中间的图示中示出了一种示意性的侧视图，在左侧上示出了沿着剖切线B-B的方向的剖面图，并且在右侧上示出了沿着剖切线A-A的方向的剖面图。

可以看出，在所述导向格栅环的圆周的起到闭锁作用的部分与所述导向格栅环的圆周的被穿流的部分之间存在着相互的布置情况。来自所述涡轮机壳体的废气流对半分开，并且一半通过通道A来流动并且一半沿着圆周方向偏置地通过通道B来流动。由此通过所述废气在通道A和通道B上均匀地向所述涡轮施加载荷。

为了对于按照本发明的导送装置进行说明，图6a示出了一剖面图并且图6b示出了一透视图。从这些图示中可以看出通过所述锥状的通道流入的情况。

图7示出了用于对用于本发明的其它实施例进行说明的草图。

从图7a中可以看出，本发明的主题也可以用在设有隔板14的涡轮机壳体5上。这种实施方式是所谓的双涡流单涡轮（Twin-Scroll single）VTG。

从图7b中可以看出，本发明的主题也可以用在所谓的单涡流双涡轮（Mono-Scroll double）VTG上。这样的一种单涡流双涡轮VTG的突出之处在于，所述导送装置使气流沿着圆周方向均匀地流到所述涡轮上（也参照图5）。

从图7c中可以看出，本发明的主题也可以用在双涡流双涡轮（Twin-Scroll double）VTG上。这样的双涡流双涡轮VTG与在图7b中示出的单涡流双涡轮VTG的区别在于，所述涡轮机壳体5设有隔板14。

在图7d中示出的变型方案是一种具有RAAX涡轮的双涡流双涡轮VTG，对于该双涡流双涡轮VTG来说，用废气对角地贯穿流过所述涡轮。在此，所述导送装置的隔板也可以相对于涡轮增压器轴以不等于90°的角度伸展。

图8示出了用于对本发明的一种有利的设计方案进行说明的草图，在该设计方案中所述导向格栅环之一具有配气口或者说控制缝隙15，所述配气口自预先给定的、流经涡轮机壳体的废气流通流量起，通过所述能够扭转的导向格栅环的进一步的扭转来得到释放。所述配气口15如此与在所述蜗轮后面的空间相连接，使得废气的一部分从所述蜗轮的旁边流过。

在此，在图8a中右上方示出了一种扭转位置VP1，在该扭转位置VP1中被设置在所述第二导向格栅环上的配气口15完全地被所述第一导向格栅环的导向叶片1所遮盖，因而所述配气口关闭，并且没有废气从所述涡轮旁边流过。在图8a中在右边在中间示出了一种扭转位置VP2，在该扭转位置VP2中被设置在所述第二导向格栅环上的配气口15打开，从而将废气通过这个配气口导送到在所述涡轮后面的空间中，而没有向所述涡轮施加载荷。

在图8b中示出，所述具有导向叶片2的第二导向格栅环此外包括已经在图8a中示出的配气口15。

在图8c中示出了一种横截面图示，在该横截面图示中示出了打开的配气口15。通过在图8c中示出的箭头来表明，输送给所述涡轮机壳体的废气通过所述打开的配气口15从所述涡轮的旁边被导送到在所述涡轮后面的空间中。

对于具有按本发明的特征的导送装置来说，在所述废气涡轮增压器的运行中与下述废气涡轮增压器——该废气涡轮增压器的导送装置具有一轴向滑阀——不同的是，所述废气流的流入宽度不发生变化。这使得气流流向涡轮的情况得到改进，并且由此引起更好的热动力（Thermodynamik）。

与旋转叶片机（Drehschaufler）VTG不同的是，所述导向叶片后缘的相对于涡轮的间距以及所述相对于涡轮的入流角在运行中不变化。这具有的优点是：一种直至所述涡轮的更长的定向的气流导引以及一种得到改进的热动力，因为即使在所述旋转滑阀关闭时所述叶片后缘也紧挨着在所述涡轮之前终止。

与上面所提到的旋转滑阀VTG不同的是，在敞开的位置中对于流动横截面的阻塞程度以及由此对于在两个相邻的涡轮叶片之间的各个流动室的遮蔽程度（Verschattung）通过所述导向格栅环的叶片状的设计结构来降低。这引起所述废气涡轮增压器的热动力的效率的明显的提高，并且引起利用废气对于所述涡轮进行更加均匀地施加载荷，并且由此引起所述涡轮叶片的更小的振动激励。

为了在敞开的或者部分打开的位置中避免对于所述涡轮进行不均匀地施加载荷，所述导送装置可以具有两个相对于彼此沿着旋转方向扭转的、并且优选沿着轴向的方向更窄的导向机构，对于所述导向机构来说，在中间的叶片环上在两侧、也就是说朝涡轮机壳体的方向以及朝轴承壳体的方向布置了叶片，所述叶片与两个分别单侧地安装了叶片的导向格栅环处于相互作用中。可以垂直于或者倾斜于所述导向格栅环地连接所述叶片。在倾斜的连接的情况下，得到了一种利用废气更为均匀地向所述涡轮施加载荷的结果。

此外，随着对于废气的脉动的充分利用，可以相对容易地实现或者转换双涡流的VTG，方法是：这个导向格栅装置单一地映射（spiegeln），也就是说将所述涡轮机壳体的每个流体（Flut）的废气通过所述导向格栅的半体一直靠近地导引到所述涡轮上。经过每个流体的流量可以通过所述导向格栅几何形状的变化而设计得不同。通过旋转滑阀的使用，可以非常容易地实现具有对角的入流方式（RAAX）的涡轮用的VTG。

在柴油机应用中使用旋转滑阀VTG时，对于涡轮机的调节可以用于：在具有废气再循环***的发动机上调节废气再循环率。另一个优点在于，在不使用附加的排气门的情况下，表现为（darstellen）发动机制动运行（在位置“旋转滑阀关闭”中）。

通过一种具有在废气门功能中的配气口的设计方案，可以使用较小的涡轮，所述涡轮具有更小的惯性矩和更好的响应特性。

在使用旋转滑阀的情况下，可以明显地降低所述VTG的部件数目，这首先在用在汽油机中时不仅节省成本而且实现更加坚稳的结构。

Claims (10)

1.具有涡轮机壳体（5）的废气涡轮增压器，在所述涡轮机壳体中布置了涡轮（3）和将废气流导送给所述涡轮的导送装置，其中所述导送装置具有由第一导向格栅环和第二导向格栅环构成的能够相对于彼此扭转的、分别具有导向叶片（1、2）的两个导向格栅环，其特征在于，在所述两个导向格栅环之间构造了锥状伸展的、朝所述涡轮（3）的方向变细的流动通道（13），并且所述第一导向格栅环的导向叶片（1）伸入到在所述第二导向格栅环的导向叶片（2）之间的间隙中，并且在所述第一导向格栅环和第二导向格栅环的相应相邻的导向叶片之间构成朝涡轮（3）的方向变细的所述流动通道（13）。

2.按权利要求1所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述第一导向格栅环关于所述涡轮（3）的旋转轴（4）同轴地以相对于所述涡轮不可相对旋转和不可平移的方式来布置，所述第二导向格栅环同样关于所述涡轮（3）的旋转轴（4）同轴地布置，并且所述第二导向格栅环以相对于所述第一导向格栅环能够旋转的方式得以支承。

3.按前述权利要求中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述两个导向格栅环之一的导向叶片沿着径向的方向向外比另一个导向格栅环的导向叶片延伸得远，并且沿着径向方向向外在部分打开流动通道的情况下部分地覆盖另一个导向格栅环的导向叶片，并且在完全打开所述流动通道的情况下完全地覆盖所述另一个导向格栅环的导向叶片。

4.按前述权利要求1所述的废气涡轮增压器，其特征在于，在顺时针扭转所述两个导向格栅环之一时扩大所述流动通道的横截面，并且在逆时针扭转这个导向格栅环时缩小所述流动通道的横截面，或者相反地进行。

5.按前述权利要求1-2中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述两个导向格栅环的、相对于彼此的扭转的最终位置通过所述两个导向格栅环的导向叶片的相互止挡被限制。

6.按前述权利要求1-2中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述两个导向格栅环之一具有配气口，通过所述配气口能够使废气流的一部分从所述涡轮的旁边流过。

7.按前述权利要求1-2中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述导向格栅环构造为双流的结构，并且来自所述涡轮机壳体的废气相应地通过导向格栅环的一部分被导引给所述涡轮。

8.按前述权利要求1-2中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述导送装置具有两个相对于彼此沿着旋转方向扭转的导向机构，其中在中间叶片环上在两侧布置了中间叶片，所述中间叶片与两个相应单侧地安装了导向叶片的导向格栅环处于相互作用中。

9.按权利要求8所述的废气涡轮增压器，其特征在于，垂直于或者倾斜于所述两个导向格栅环地连接所述导向叶片。

10.按前述权利要求1-2中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，如此构成所述导送装置，使得对角地或者以轴向的份额对于所述涡轮实现入流。