CN104428494B - 用于控制气流的装置、排气后处理***和用于推进车辆的*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制气流通过通道的装置，其中该装置包括多个可枢转的气流控制叶片(27、28)。相邻的第一和第二叶片(27、28)的枢转轴线彼此间隔开，使得当所述相邻的第一和第二叶片(27，28)位于基本限制所述气流通过所述通道(24)的第一相互端部状态时，第一叶片(27)的后缘(47)与第二叶片(28)的前缘(48)重叠。第二叶片(28)包括凹槽(49)，该凹槽(49)的形状使得：当所述相邻的第一和第二叶片(27、28)位于所述第一相互端部状态时，第一叶片(27)的后缘(47)被至少部分接收在所述凹槽中。

Description

用于控制气流的装置、排气后处理***和用于推进车辆的 ***
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于控制气流的装置，更具体地，涉及一种用于内燃机涡轮增压单元的可变几何涡轮。本发明还涉及该装置在排气后处理***中的应用，用于控制排气后处理***中的排气后处理单元的功能。一种应用是实现高的发动机制动性能。
背景技术
涡轮增压器是众所周知的且广泛用于内燃机，以提高功率输出、减少燃料消耗和排放、以及补偿高海拔处的空气密度损失。通常，与通过自然吸气所能引起的空气供应相比，涡轮增压器通过利用排气能量驱动空气压缩机而为燃烧过程提供了增加的增压空气供应。这种增加的空气供应允许更多的燃料燃烧，从而提高了具有给定的气缸排量发动机在自然吸气条件下所不能获得的功率和输出。
可变几何涡轮增压器(VGT)允许进气气流被控制，从而在一定的发动机转速范围上被优化。为此，VGT可以在涡轮定子上设置有多个入口导流叶片。该涡轮的入口通道具有围绕该涡轮的周向延伸部并形成一个环形通路。涡轮定子上的入口导流叶片彼此周向间隔开地布置在该通道中。通过改变涡轮定子上的入口导流叶片的角度来优化进气气流。根据所期望的扭矩响应、燃料经济性和排放要求来共同决定所述入口导流叶片的最佳位置。
更具体地，所述环形通路将限定在涡轮壳体中的涡卷形涡腔(volute)连接到涡轮室，涡轮位于该涡轮室中。每个叶片均连接到被容纳在喷嘴环中的叶片销。叶片销连接到叶片臂，该叶片臂将叶片销与调谐环连接。调谐环的枢转运动使得这些叶片能够在所述环形通路中同时枢转。为了控制叶片的端部位置，特别是当叶片被设定成在叶片尖端之间限定出狭窄间隙时，使用了止动螺钉。
另外，为了执行如今严格的排放规定，经常使用包括柴油微粒过滤器(DPF)和选择性催化还原(SCR)***的排气后处理***(EATS)。当发动机在低负荷下运行时，排气温度并非总是高到足以使该EATS令人满意地发挥作用，这是因为其化学反应需要一定的温度水平。因此，需要提高排气温度来实现该EATS的可接受的性能，即，所谓的热模式或热管理。
可以使用上述类型的设有入口导流叶片的VGT来实现提高的排气温度，从而实现该EATS的可接受的性能。这是通过在某些运行点上将叶片关闭到“零间隙”位置来实现的。然而，关闭这些叶片可能导致对叶片的损坏。由于公差引起的叶片角度的个体差异和如下事实将使得对于不同的个体来说、叶片上泄漏是不同的，因此增压程度也是不同的，上述事实即：由于应力和磨损，不应迫使这些叶片抵靠着彼此被关闭。
发明内容
因此，本发明的目的在于实现一种适合于涡轮单元的气流控制装置，该装置为稳健的控制功能提供了条件。
该目的是通过独立权利要求的特征来实现。其它权利要求及说明书公开了本发明的有利实施例。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制气流通过通道的装置，其中，该装置包括多个可枢转的气流控制叶片，其中，相邻的第一和第二叶片的枢转轴线彼此间隔开，使得当所述相邻的第一和第二叶片位于基本限制所述气流通过所述通道的第一相互端部状态时，第一叶片的后缘与第二叶片的前缘重叠，其特征在于，第二叶片包含凹槽，该凹槽的形状使得：当所述相邻的第一和第二叶片位于所述第一相互端部状态时，第一叶片的后缘被至少部分接收在所述凹槽中。
叶片的这种设计为所述叶片处于所述第一相互端部状态(它代表了“关闭”位置)时在两个相邻叶片之间实现基本相同的泄漏创造了条件，因为这种设计允许由于公差而引起的叶片角度的差异。
另外，通过将所有叶片设计有这种凹槽，为实现可控的泄漏创造了条件。更具体地，在该叶片装置的整个延伸范围上，泄漏将基本相同，即，沿着该涡轮增压器应用中的整个环形通路是基本相同的，从而提供了对单独的涡轮增压器单元的稳健而精确的控制。
另外，此解决方案为以下情况创造了条件：即，多个不同的单独涡轮单元将在运行期间在带有小间隙的多个运行点上传递基本相同的背压。因此，降低了多个不同的涡轮增压器单元表现不同的风险。
根据一优选实施例，第一和第二叶片被构造成使得：当所述第一和第二叶片位于所述第一相互端部状态时，第一叶片的后缘的面向所述凹槽的表面离所述凹槽的相对表面有一定距离。通过限定在叶片之间带有间隙的端状态(代表“关闭”状态)，减小了这些叶片在运行期间的磨损，由此增加了寿命。优选地，叶片被锁定在这种端状态下。
根据另一优选的实施例，第二叶片的凹槽和第一叶片的后缘被构造成：当所述第一和第二叶片位于所述第一相互端部状态时，若这些叶片在容许公差内，所述凹槽和所述后缘在彼此相对的表面之间建立基本恒定的间隙。叶片的这种设计将导致在这些叶片处于所述第一相互端部状态时、在两个相邻叶片之间实现基本相同的泄漏。
根据本发明第二方面，提供了一种用于内燃机的排气后处理***，该排气后处理***包括至少一个排气处理装置和根据上文所述的装置，该装置布置在排气处理装置的上游，用于通过使所述气流控制叶片位于所述第一相互端部状态下来实现排气中的提高的温度。通过在该后处理***中使用本发明的装置，为实现所述EATS的稳健性能创造了条件，即，所谓的热模式或热管理。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于推进车辆的***，该***包括内燃机和根据上文所述的装置，该装置被布置在内燃机的排气管线中，用于在所述气流控制叶片位于所述第一相互端部状态时实现高的排气背压。通过在该推进***中使用本发明的装置，为实现与发动机制动有关的稳健性能创造了条件。
附图说明
从以下对实施例的详细描述中，可最好地理解本发明以及上述及其它目的和优点，但本发明不限于这些实施例，其中：
图1示意性地示出了用于推进车辆的***，该***包括内燃机、涡轮增压器单元和排气后处理装置；
图2-3示意性地示出了图1所示的***中的涡轮增压器单元的、从两个不同方向上看到的两个局部剖切透视图；
图4-5示意性地示出了一种用于控制气流控制装置中的叶片角位置的机构，该机构用于控制向图2-3所示的涡轮增压器单元中的涡轮的进气；
图6-9示意性地示出了图4-5中的气流控制装置中的叶片的不同角位置；并且
图10-11示意性地示出了两个其它的单独气流控制装置。
具体实施方式
图1示意地示出了用于推进车辆的***1，该车辆优选是重型商用车辆，例如卡车、大客车或工程机械，该***1包括柴油机形式的内燃机2、涡轮增压器单元3和排气后处理装置4。
该发动机包括具有六个气缸6的发动机缸体5，这六个气缸6以常规方式与进气歧管7和排气歧管8连通。排气歧管8接收来自发动机气缸的排气。排气从排气歧管8通过管9(或涡轮壳体)被引导到涡轮增压器单元3中的涡轮10，并从涡轮10经由管11被进一步引导到排气后处理装置4。
过滤后的进气通过管12被允许进入发动机并被引导到涡轮增压器单元3的压缩机13。压缩机13与涡轮10安装在一个公共轴14上。在运行期间，压缩机13由涡轮10驱动。
管15、17引导所述进气从压缩机13向前通过增压空气冷却器16到达进气歧管7。
***1还包括排气再循环(EGR)装置18，其中，排气的一部分从排气歧管8经由管19被引导、经过EGR阀20和冷却器21回到进气歧管7。
图2示出了涡轮增压器单元3的从第一方向上观察到的局部剖切透视图。涡轮增压器单元3包括涡轮壳体22，该涡轮壳体22限定了涡轮室23，涡轮10位于该涡轮室23中。环形通路形式的通道24形成在涡轮壳体22中且将涡轮壳体22中限定的涡卷形涡腔25连接到其内设有涡轮10的涡轮室23。换言之，所述通道24形成在周向方向上延伸的狭槽。
涡轮增压器单元3包括装置26，该装置26用于控制气流通过所述环形通路形式的通道24，从而控制该排气流通过涡轮10。装置26包括多个可枢转的气流控制叶片27、28。所述多个可枢转的气流控制叶片27、28的枢转轴线在所述环形通路24的方向上彼此沿周向间隔开。更具体地，每个叶片27、28均连接到被容纳在所述涡轮壳体22中的叶片销29、30。用于所有的所述叶片27、28的叶片销29、30被布置成彼此平行。另外，用于所述叶片27、28的叶片销29、30被布置成与公共轴14的轴向方向52平行。可枢转的气流控制叶片27、28基本在通道24的整个宽度上延伸。
气流控制装置26包括用于在不同的枢转位置处一致地设定所述叶片27、28的机构。
换言之，气流控制装置26包括转子(涡轮10)，该转子被构造成从径向方向上接收气体，其中，通道24布置在涡轮10的上游，并且其中，所述多个可枢转的气流控制叶片27、28由布置在该转子周围的入口导流叶片形成。更具体地，所述多个可枢转的气流控制叶片27、28直接布置在涡轮10的上游。另外，所述涡轮10被构造成绕旋转轴线52旋转，并且，气流控制叶片27、28被布置成使得所述枢转轴线与涡轮10的旋转轴线52平行。这样，所述涡轮形成了可变几何涡轮。
图3示出了涡轮增压器单元3的从第二方向上观察到的局部剖切透视图。更具体地，从与图2中相反的另一侧示出了用于控制气流通过环形通路24的装置26。每个叶片销29、30均连接到叶片臂31、32，这些叶片臂31、32将叶片销与调谐控制环33连接。调谐环33的枢转运动使得叶片27、28能够在环形通路24中同时枢转。调谐环33被枢转地布置在形成于涡轮壳体22中的轨道中，或布置在附接到涡轮壳体的凸缘构件中。为了实现调谐环33的枢转运动，设置有用于在不同的枢转位置处一致地设定所述叶片的机构34。
图4-5更详细地示出了移位机构34。该移位机构34包括调谐环。箭头分别表示枢转运动和直线运动。调谐环移位机构34包括：枢轴35，该枢轴35容纳在所述涡轮壳体22中；可枢转布置的销36，该销36在与枢轴35相隔一定径向距离处与调谐环33接合；致动器臂37，该致动器臂37以可操作方式连接到所述枢轴35和销36。
调谐环移位机构34还包括布置在所述销36上的第二致动器臂38，该第二臂经由推杆39连接到致动器。通过使用致动器作用在第二致动器臂38上，使销36旋转，从而使第一致动器臂旋转，该第一致动器臂进而绕枢轴35枢转。该调谐环移位机构34使得调谐环33能够绕其旋转轴线40枢转。
调谐环移位机构34还包括装置41，该装置41用于限制叶片27、28的角运动。所述角运动限制装置41包括可手动操作的止动螺钉42，该止动螺钉42被布置成限制所述调谐环移位机构34中的构件的位移。在图4所示的实施例中，止动螺钉42被布置成作用于致动器臂38上。止动螺钉42布置在底座43上，该底座43一体地形成在涡轮壳体22中。
图6以侧面的剖视图示出了多个可枢转的气流控制叶片27、28。这些可枢转的气流控制叶片27、28的枢转轴线沿着环形通路24的周向方向等距离地布置。在图6中，可枢转的气流控制叶片27、28被示出为处于打开状态，其中，气流44以基本不受限制的方式被允许通过。更具体地，当所述相邻的第一和第二叶片27、28位于允许所述气流通过所述通道的第二相互端部状态(代表“打开状态”)时，第一叶片27的后缘离第二叶片28的前缘有相当大的距离。
图8以与图6相同的视图示出了可枢转的气流控制叶片27、28，区别在于这些叶片布置在第一相互端部状态(代表“关闭状态”)。
图7以放大视图示出了相邻的第一和第二叶片27、28。箭头45、46表示叶片27、28在基本限制所述气流通过所述通道的第一相互端部状态(“关闭状态”)(见虚线标记)与所述第二相互端部状态(“打开状态”)之间的枢转运动。当所述相邻的第一和第二叶片位于所述第一相互端部状态时，相邻的第一和第二叶片27、28的枢转轴线彼此间隔开，使得第一叶片27的后缘47与第二叶片28的前缘48重叠。
图9-11示出了三种不同的单独气流控制装置，其中，三个附图之间的不同之处在于相邻叶片27、28的相互位置在容许公差内是不同的。
图9示出了第一叶片27的后缘47与第二叶片28的前缘48重叠的设计。第二叶片28包括凹槽或槽口49，该凹槽或槽口49的形状使得当所述相邻的第一和第二叶片27、28位于所述第一相互端部状态时，第一叶片27的后缘47被至少部分接收在凹槽49中。
图9-11示出了第二叶片28、128、228的凹槽49、149、249和第一叶片27、127、227的后缘47、147、247被构造成：当所述第一和第二叶片27、127、227；28、128、228位于所述第一相互端部状态时，若这些叶片处于容许公差内，凹槽49、149、249和后缘47、147、247在第一叶片27、127、227的后缘47、147、247的面向凹槽49、149、249的表面50、150、250与凹槽49、149、249的相对表面51、151、251之间建立基本恒定的间隙d。
图10进一步示出了第一和第二叶片127、128被构造成使得：当所述第一和第二叶片127、128位于所述第一相互端部状态时，第一叶片127的后缘147的面向凹槽149的表面150离凹槽149的相对表面151有一定距离。
现在再参见图4，所述角运动限制装置41适于将叶片127、128之间的距离限制为不超过预定距离a。这样，在运行期间、相邻叶片的对向表面(facing surface)之间的磨损将受到限制。
再次参考图1-9的实施例，所述多个叶片中的所有叶片27、28的枢转轴线彼此沿周向间隔开，使得：当所述叶片位于第一相互端部状态时，每个所述叶片的后缘与相邻叶片的前缘重叠。另外，每个所述叶片27、28均包括凹槽49，该凹槽49的形状使得：当所述叶片位于所述第一相互端部状态时，相邻叶片的后缘被至少部分接收在所述凹槽中。
每个所述叶片27、28均具有机翼形的横截面。每个所述叶片27、28均可具有在所述前缘与后缘之间延伸的压力侧和吸力侧，其中，凹槽49设置在该压力侧。术语“压力侧”和“吸力侧”是关于机翼形叶片几何形状的常规定义。应该注意，在极限运行点上，所定义的压力侧可能实际上具有吸力功能，反之亦然。
所述凹槽49设置在前缘附近。所述凹槽49具有在与前缘与后缘之间的弦线有关的横向方向上延伸的细长形状。另外，所述凹槽49在叶片的整个宽度上延伸。另外，所述凹槽在与第一叶片的后缘的宽度相对应的距离上具有恒定宽度。另外，第一叶片的后缘的形状和第二叶片的凹槽的形状被构造成彼此匹配。优选地，所述凹槽在第一叶片的整个宽度上具有恒定宽度。
对于该装置在内燃机的涡轮增压器单元中的应用，凹槽49的深度优选小于2mm，尤其小于1.5mm。另外，对于所述应用，该凹槽的深度优选大于0.2mm。
中弧线被定义为垂直于中弧线本身测量的叶片侧表面之间的中间点的轨迹。叶片具有弧形形状，即，它是非对称的。在这种情况下，中弧线遵循所述前缘和后缘之间的曲线。
根据进一步的拓展，所述凹槽的与第一叶片的后缘面向的表面具有与第一叶片的转角对应的曲率，当所述第一和第二叶片位于所述第一相互端部状态时、若叶片处于容许公差内，该曲率用于在第一叶片的后缘与所述凹槽的表面之间建立基本恒定的间隙。
不应认为本发明局限于前述实施例的示例，在不偏离所附权利要求的范围的情况下，可以进行各种各样的进一步的变形和修正。

Claims (18)

1.一种用于控制气流通过通道(24)的装置(26)，其中所述装置(26)包括多个可枢转的气流控制叶片，其中，相邻的第一叶片(27)和第二叶片(28)的枢转轴线彼此间隔开，使得当所述相邻的第一叶片(27)和第二叶片(28)位于基本限制所述气流通过所述通道(24)的第一相互端部状态时，所述第一叶片(27)的后缘(47)与所述第二叶片(28)的前缘(48)重叠，其特征在于，所述第二叶片(28)包括凹槽(49)，所述凹槽(49)的形状使得：当所述相邻的第一叶片(27)和第二叶片(28)位于所述第一相互端部状态时，所述第一叶片(27)的后缘(47)被至少部分接收在所述凹槽中，并且所述凹槽(49)具有在与所述前缘和所述后缘之间的弦线相关的横向方向上延伸的细长形状，所述第二叶片(28)的所述凹槽(49)和所述第一叶片(27)的后缘(47)被构造成：当所述第一叶片和第二叶片位于所述第一相互端部状态时，若所述第一叶片(27)和第二叶片(28)处于容许公差内，所述凹槽(49)和所述后缘(47)在彼此相对的对向表面(50、51)之间建立基本恒定的间隙(d)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一叶片(27)和第二叶片(28)被构造成使得：当所述第一叶片(27)和第二叶片(28)位于所述第一相互端部状态时，所述第一叶片(27)的后缘(47)的面向所述凹槽(49)的表面(50)离所述凹槽(49)的相对表面(51)有一定距离。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述通道(24)形成在周向方向上延伸的狭槽，并且所述可枢转的气流控制叶片中的所述第一叶片(27)和第二叶片(28)的枢转轴线在所述周向方向上彼此沿周向间隔开。
4.根据权利要求1-2中的任一项所述的装置，其特征在于，所述通道(24)形成在周向方向上延伸的狭槽，并且所述多个叶片中的所有叶片的枢转轴线彼此沿周向间隔开，使得当所述叶片位于所述第一相互端部状态时，每个所述第一叶片(27)的后缘(47)均与相邻的第二叶片(28)的前缘(48)重叠，并且，每个所述叶片均包括凹槽(49)，所述凹槽(49)的形状使得：当所述叶片位于所述第一相互端部状态时，相邻叶片的所述后缘被接收在所述凹槽中。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述气流控制叶片中的每一个均具有机翼形的横截面。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述凹槽设置在所述前缘附近。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述凹槽(49)在所述第二叶片(28)的整个宽度上延伸。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于在不同的枢转位置处一致地设定所述气流控制叶片的机构(34)。
9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置包括转子(10)，所述转子(10)被构造成从径向方向上接收气体，所述通道(24)布置在所述转子的上游，并且所述多个可枢转的气流控制叶片由布置在所述转子周围的入口导流叶片形成。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述多个可枢转的气流控制叶片直接布置在所述转子的上游。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述转子(10)被构造成绕旋转轴线旋转，并且，所述气流控制叶片被布置成使得所述枢转轴线与所述转子的旋转轴线平行。
12.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置被构造成用于内燃机涡轮增压单元的可变几何涡轮(10)。
13.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述凹槽(49)的深度小于2mm。
14.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述凹槽(49)的深度大于0.2mm。
15.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，当所述相邻的第一叶片(27)和第二叶片(28)位于允许所述气流通过所述通道的第二相互端部状态时，所述第一叶片(27)的后缘(47)离所述第二叶片(28)的前缘(48)有相当大的距离。
16.一种用于内燃机(2)的排气后处理***，所述排气后处理***包括至少一个排气处理装置(4)和根据前述权利要求中的任一项所述的气流控制装置(26)，所述气流控制装置(26)布置在所述排气处理装置(4)的上游，用于通过使所述气流控制叶片位于所述第一相互端部状态下来实现所述排气中的升高的温度。
17.一种用于推进车辆的***(1)，所述***(1)包括内燃机(2)和根据前述权利要求1-15中的任一项所述的气流控制装置(26)，所述气流控制装置(26)布置在所述内燃机的排气管线中，用于在所述气流控制叶片位于所述第一相互端部状态时实现高的排气背压。
18.根据权利要求17所述的***，其中，所述气流控制装置(26)被构造成用于在所述气流控制叶片位于所述第一相互端部状态时实现发动机制动。
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