CN105814279A - 废气涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及废气涡轮增压器（1），包括带有涡轮机叶轮（4）的涡轮机（2），其中，涡轮机叶轮（4）轴向地支承在涡轮机壳中（6）并且具有带有用于介质流的各一个输入边缘（10）的涡轮机叶片（8），其中，在涡轮机壳（6）中布置有能够调节的导向栅（12），该导向栅带有多个导向叶片（14），以用于关于涡轮机叶轮（4）的输入边缘（10）能够改变地设定流动横截面（16），并且导向叶片（14）具有各一个朝向涡轮机叶轮（4）的叶片后边缘（18）以及背离于涡轮机叶轮的叶片前边缘（20）。通过涡轮机叶轮（4）的转动轴线（7）和位于输入边缘上的点（P）撑开了一个平面，其中，输入边缘（10）在该平面上的投影至少在一个区域中相对于涡轮机叶轮（4）的转动轴线（7）轴向地倾斜，并且，导向叶片（14）至少在该区域中径向地围绕涡轮机叶轮（4）布置。

Description

废气涡轮增压器

本发明涉及一种按照主权利要求的前序部分所述的废气涡轮增压器。

借助废气涡轮增压器能够给内燃机供应额外的新鲜空气，从而能够燃烧更多的燃料。据此，废气涡轮增压器能够提高内燃机的功率。此外，废气涡轮增压器也能够提高内燃机的效率。

典型地，废气涡轮增压器具有带有涡轮机叶轮的涡轮机以及带有压缩器轮的压缩器，其中涡轮机叶轮和压缩器轮在大多情况下布置在共同的轴上。在此，涡轮机叶轮经过内燃机的废气质量流而驱动，并且该废气质量流又驱动所述压缩器轮。压缩器（也称为压缩机）压缩所抽取的新鲜空气并且将该新鲜空气供给内燃机。压缩器和涡轮机的共同的轴通常支承在涡轮增压器的支承壳中。此外，例如涡轮机的涡轮机叶轮布置在涡轮机壳中，并且相应地，压缩器的压缩器轮布置在压缩器壳中。

为了改善涡轮机功率至内燃机的运行的匹配，尤其在柴油马达中（最近也在汽油马达中），所谓的可变的涡轮机几何特征调节***被开发。在此，可变的涡轮机几何特征的最常见的形状包括带有可变的导向叶片的进口导向栅（Vorleitgitter），所述导向叶片布置在涡轮机叶轮的前方。导向叶片依赖于内燃机的运行状态能够在打开部位和闭合部位之间调节。经过设定导向叶片和导向栅，能够影响排气背压也以及作用至涡轮机叶轮的废气质量流的流入的方式和方法。从而能够改变废气质量流对于涡轮机叶轮的流动横截面。在此，废气质量流对于涡轮机叶轮的流动横截面在导向叶片的打开部位中最大并且在闭合部位中最小。在较小的废气质量流中，导向叶片运动到闭合部位中。由于在闭合部位中的小的流动横截面，故提高了在导向叶片之间的废气质量流的速度。由此，废气质量流以较高的速度碰触涡轮机叶片，从而提高了轴的转速并且因此提高了废气涡轮增压器的功率。由此，在小的废气质量流中，足够的新鲜空气也能够通过压缩器压缩并且加给内燃机。由此，废气涡轮增压器的功率能够按照需求而调整至内燃机的运行状态。

本发明所针对的任务在于，开发改进的废气涡轮增压器，在该废气涡轮增压器的情况中，尤其在内燃机的低的转速范围中提高了功率。

通过具有主权利要求的特征的废气涡轮增压器解决该任务。本发明的其它的实施方式利用从属权利要求的特征和实施例得出。

根据本发明的废气涡轮增压器包括带有涡轮机叶轮的涡轮机，其中，涡轮机叶轮轴向地支承在涡轮机壳中并且具有带有用于介质流的各一个输入边缘的涡轮机叶片。在涡轮机壳中布置有能够调节的导向栅，该导向栅带有多个导向叶片，以用于关于涡轮机叶轮的输入边缘能够改变地设定流动横截面。导向叶片具有各一个朝向涡轮机叶轮的叶片后边缘以及背离于涡轮机叶轮的叶片前边缘。通过涡轮机叶轮的转动轴线和至少一个位于输入边缘上的点撑开了一个平面。输入边缘在该平面上的投影至少在一个区域中相对于涡轮机叶轮的转动轴线轴向地倾斜（倾斜的输入边缘）。此外，导向叶片至少在该区域中径向地围绕涡轮机叶轮布置。在图10中示意地示出了涡轮机叶轮的这样的倾斜的输入边缘的示例。

在本申请的意义中，将输入边缘在所述平面上的投影理解为三维的输入边缘在二维的平面上的映象。带有这样的倾斜的输入边缘的涡轮机也描述为径向-轴向-涡轮机或带有半轴向的流入的涡轮机。典型地，输入边缘的垂直于涡轮机叶轮的转动轴线的径向的间距在所提到的区域中变化。

通过本发明，带有半轴向的流入的涡轮机的优点能够与带有能够调节的导向栅的涡轮机的优点结合，其中，导向栅具有多个导向叶片。由于倾斜的输入边缘，涡轮机叶轮能够具有比带有输入边缘在所提到的平面上的、平行于涡轮机叶轮的转动轴线的投影的涡轮机叶轮（笔直的涡轮机叶轮）的惯性矩更小的惯性矩，该涡轮机叶轮也称为带有径向的流入的涡轮机叶轮。经此，提高了废气涡轮增压器的尤其在内燃机的低的转速的范围中的功率和响应特性。能够调节的导向叶片同样负责在低的转速范围中改善内燃机的功率。

由于较小的惯性矩，根据本发明的涡轮机叶轮能够比带有笔直的输入边缘的涡轮机叶轮更小地构造。经此，进口导向栅能够更小地设计并且设计带有更少的导向叶片。因此能够节省成本。

在所提到的区域的外部，输入边缘在所述平面上的投影也能够至少部分地平行于涡轮机叶轮的转动轴线。

输入边缘的轴向倾斜的投影能够以区段的方式以至少30°的角度相对于涡轮机叶轮的转动轴线倾斜。该角度能够具有恒定的值。在典型的实施方案中，该角度计为少于60°。输入边缘的以角度φ相对于涡轮机叶轮的转动轴线倾斜的投影的示例在图10中示意地示出。

优选地，叶片后边缘在所提到的平面上的投影至少在所提到的区域中同样相对于转动轴线轴向地倾斜。经此，能够改善介质流的从导向叶片向着涡轮机叶轮的流动导引。

以优选的方式，各一个导向叶片的叶片后边缘基本上平行于相应最接近的涡轮机叶片的输入边缘走向。叶片后边缘具有相对于涡轮机叶轮的转动轴线的正如输入边缘那样的相同的倾斜角。在该情况中，因而，叶片后边缘的投影平行于输入边缘的投影。典型地，在叶片后边缘和输入边缘之间的缝隙具有基本上恒定的值。能够由此改善介质流的从导向叶片向着涡轮机叶轮的流动导引。

通常，能够在打开部位和闭合部位之间调节导向叶片。至少在打开部位中，各一个导向叶片的叶片后边缘的垂直于涡轮机叶轮的转动轴线的最小的径向的间距小于相应最接近的涡轮机叶片的输入边缘的垂直于涡轮机叶轮的转动轴线的最大的径向间距。在该情况中，因而，叶片后边缘在径向上背切最接近的涡轮机叶片的输入边缘。经此，介质流能够尽可能靠近地导引至涡轮机叶轮。优选地，在叶片后边缘和输入边缘之间的缝隙宽度最小。例如，缝隙宽度小于2mm。在考虑制造公差和装配公差的情况下，该缝隙宽度典型地却大于0.5mm。在一个优选的实施形式中，缝隙宽度计为1mm。

优选地，各一个导向叶片的垂直于涡轮机叶轮的转动轴线的第一横截面以一个角度相对于相应的导向叶片的垂直于涡轮机叶轮的转动轴线的第二横截面倾斜。也就是说，导向叶片在这种实施方案中具有扭绞的形状。由于导向叶片的所述扭绞的形状，介质流在碰触到输入边缘之前除了垂直于转动轴线的速度分量之外还获得了平行于转动轴线的也即沿着轴向的速度分量。经此，改善了介质流的从导向叶片至涡轮机叶轮的流动导引。第一横截面能够以大于5°的角度相对于第二横截面倾斜。典型地，该角度计为少于25°。

为了进一步改善流动导引，各一个导向叶片的垂直于转动轴线的至少两个横截面能够分别具有不同的形状。

在本文件中，不同的流动线均定义了在导引所述介质流的导向叶片表面上的从叶片前边缘直至叶片后边缘的最小的间距。优选地，不同的流动线均具有相同的长度。例如，流动线在扭绞成形的导向叶片中或在导向叶片的不同形状的横截面中能够具有不同的各一个相同的长度。然后，在导向叶片上的废气质量流的不同的流动行程是相同的长度。由此，尤其有利地实施了介质流的从导向叶片至涡轮机叶轮的流动导引。

按照另一个定义，各一个导向叶片的轮廓中线将导向叶片的垂直于转动轴线的各一个横截面按照其长度分为两个相同厚度的半部。在此，轮廓中线从导向叶片的叶片后边缘向着叶片前边缘延伸。优选地，轮廓中线至少以区段的方式弯曲。经此，进一步改善了从导向叶片向着涡轮机叶轮的流动导引。

至少以区段的方式弯曲的轮廓中线能够具有唯一的恒定的曲率半径。它能够在其它的实施方案中也以局部的方式分别具有不同的曲率半径。能够设置的是，轮廓中线在第一区域中笔直并且在第二区域中弯曲。各一个导向叶片的全部的轮廓中线优选地形状相同。作为替代方案，轮廓中线在相应的导向叶片内也能够变化。

典型地，导引介质流的并且从导向叶片的叶片后边缘延伸直至叶片前边缘的导向叶片表面是曲形的。

优选地，两个相邻的导向叶片的叶片前边缘和叶片后边缘如此地成形，使得它们在导向叶片的闭合部位中形成用于介质流的流动导引的通往涡轮机叶轮的缺口。优选地，叶片前边缘的形状匹配至叶片后边缘的形状，以便形成有利于流动的喷嘴。经此，能够实现介质流的有利的流动导引。

涡轮机叶轮在典型的实施方案中连同压缩器轮支承在轴上，其中，所述轴支承在支承壳中。通常，导向叶片紧固在导向叶片轴上，其中，导向叶片轴以能转动的方式布置在叶片支承环中。在叶片支承环和轴之间优选地流动导引地布置了隔热屏。隔热屏能够减小进入所提到的支承壳中的热输入并且能够负责介质流的从导向叶片向着涡轮机叶轮的改善的流动导引。

通过介质流的从导向叶片向着涡轮机叶轮的上述的改善的流动导引，能够产生较小的流动损失，这导致涡轮机的改善的效率。

借助附图阐释实施例。从附图中示出：

图1是废气涡轮增压器的涡轮机侧的区段的横截面；

图2是对涡轮机叶轮和径向地围绕涡轮机叶轮布置的导向叶片的在导向叶片的打开部位中的顶视图；

图3是输入边缘以及最接近的叶片后边缘的透视图；

图4是在中部的叶片部位中的图2中的布置方式；

图5是在导向叶片的闭合部位中的图2中的布置方式的放大视图；

图6A-6D是导向叶片的不同的横截面；

图7是布置在导向叶片轴上的导向叶片的透视图；

图8是对两个导向叶片的正视图；

图9是导向叶片的以角度α倾斜的横截面，并且

图10是图1-5中的涡轮机叶轮的示意图。

在附图中连续地使用相同的附图标记标识了功能相同的部件或者说重复的特征。

图1示出了废气涡轮增压器1的一个区段的横截面。在所示出的区段中，示出了带有涡轮机叶轮4的涡轮机2。涡轮机叶轮4轴向地在定义了转动轴线7的轴5上支承在涡轮机壳6中。同样，在压缩器壳中的未示出的压缩器轮位于轴5上。涡轮机叶轮4的和压缩器轮的轴5支承在支承壳9中。

涡轮机叶轮4具有轮毂3，该轮毂带有布置在其上的涡轮机叶片8。涡轮机叶片8包括各一个输入边缘10和用于将废气质量流从内燃机中输出的输出边缘11。在所示出的示例中，内燃机是柴油马达。作为替代方案，内燃机也当然能够是汽油马达。

废气涡轮增压器1具有可变的涡轮机几何特征，该涡轮机几何特征包括带有多个导向叶片14的能够调节的导向栅12，以用于关于涡轮机叶轮4的所提到的输入边缘10可变地设定流动横截面16，其中，导向栅12布置在涡轮机壳6中。经过导向叶片14，将废气质量流导引至涡轮机叶轮4的涡轮机叶片8上。在此，废气质量流首先碰触到背离于涡轮机叶轮4的叶片前边缘20并且经过叶片表面19和朝向涡轮机叶轮的叶片后边缘18到达至涡轮机叶轮4的输入边缘10。

能够在打开部位和闭合部位之间调节导向叶片14。对此，将导向叶片14布置在导向叶片轴21上，该导向叶片轴能够转动地支承在导向叶片支承环22中。导向叶片14通过导向叶片支承环22和盘15限定。导向栅12的导向叶片14依赖于内燃机的运行状态能够通过未示出的电的执行器调节。执行器能够作为替代方案也构造为测压仪。

在轮毂3和导向叶片支承环22之间布置有隔热屏23，该隔热屏降低了废气质量流至在支承壳9中的轴5的支承部中的热量输入。为了补偿以温度为条件的弯曲，将隔热屏23弹性地布置在弹簧臂24处并且绷紧在叶片支承环22和支承壳9之间。此外，隔热屏23有利于废气质量流至涡轮机叶轮4的流动导引。在导向叶片轴21从闭合部位转动到导向叶片14的打开部位中时，导向叶片14经过隔热屏23枢转。

在图1中，通过涡轮机叶轮4的转动轴线7和位于输入边缘10上的点P撑开了一个平面。可见的是，三维的输入边缘10在该平面上的投影相对于涡轮机叶轮4的转动轴线7轴向地倾斜。导向叶片14围绕涡轮机叶轮4的输入边缘10径向地布置。在所述附图中，整个输入边缘10的投影倾斜。

所描述的输入边缘10在所提到的平面上的轴向倾斜的投影通常描述为倾斜的或斜向的输入边缘10。因此，在图1中所示的涡轮机2是带有半轴向的流入的涡轮机。废气质量流从未示出的涡轮机的流动壳中主要径向地流动至导向叶片14的前边缘20，而它除了径向的流动分量外也以轴向的流动分量碰触至涡轮机叶片8的输入边缘10。

输入边缘10的在所述平面上的轴向倾斜的投影能够以大约48°的角度φ相对于涡轮机叶轮4的转动轴线7倾斜。同样可见的是，叶片后边缘18在所提到的平面上的投影相对于转动轴线7以大约48°的相同的角度φ轴向地倾斜。因此，叶片后边缘10基本上平行于相应最接近的涡轮机叶片8的输入边缘10走向。在输入边缘10和叶片后边缘18之间的缝隙26因此基本上是恒定的厚度并且计为大约1mm。

在图1中所示的导向叶片14位于打开部位中。在该部位中，各一个导向叶片14的叶片后边缘18的垂直于转动轴线7的最小的径向的间距x小于相应地最接近的导向叶片14的输入边缘10的垂直于转动轴线7的最大的径向的间距y。导向叶片14由此在输入边缘10的区域中背切涡轮机叶片8。

图2示出了对涡轮机叶轮4和在导向叶片14的打开部位中的在图1中所示的涡轮机的导向叶片14的俯视图。在这里，为了更好地展示，此外省去了支承壳9和盘15。图3在透视图中示出了图2中的具体情况A的放大视图。正如从图2和3中得知的那样，导向叶片14具有曲形的导向叶片表面19。始于该原因，在图2的俯视图中可见导向叶片表面19。除了涡轮机叶轮4的倾斜的输入边缘10，导向叶片14同样拥有倾斜的叶片后边缘18，以便将废气质量流更整洁地导引直至尽可能靠近涡轮机叶轮4。这尤其从输入边缘10的和叶片后边缘14的图3的透视图中得知。

图4和5示出了在中部的导向叶片部位中的或者说在导向叶片14的闭合部位中的图2中的布置方式。尤其在图5中较好可见的是，两个相邻的导向叶片14的叶片前边缘20和叶片后边缘18如此地成形，使得它们形成用于废气质量流的向着涡轮机叶轮4的流动导引的有利于流动的喷嘴28。喷嘴28在所述附图中作为缺口28可见。

在附图6A至6D中，示出了不同形状的导向叶片14的垂直于转动轴线7的不同的横截面。导向叶片14的轮廓中线30将导向叶片14的横截面按照其长度31分为两个相同的厚度的半部。在此，轮廓中线30从叶片后边缘18向着叶片前边缘20延伸。

在图6A中，轮廓中线是笔直的线，而在图6B中，轮廓中线30是弯曲的并且具有恒定的曲率半径，该曲率半径具有有限的值。不同地，图6C中的轮廓中线30具有两个不同的分别带有不同的曲率半径的弯曲的区域。最后，示出了图6D中的轮廓中线30，其以区段的方式弯曲并且以区段的方式笔直。

来自于图1至5中所示的废气涡轮增压器1的带有导向叶片轴5的尚未装配的导向叶片14的透视图为清楚起见再一次地在图7中示出。在朝向盘15的侧部35'处，导向叶片14具有在图6D中示出的横截面。同样，在朝向叶片支承环的侧部34'处，导向叶片14具有在图6D中示出的横截面，其中，两个横截面彼此相对地以10°的角度α扭绞（参见图9）。作为替代方案同样可行的是，各一个导向叶片14的至少两个横截面垂直于涡轮机叶轮4的转动轴线7分别具有不同的形状。从而能够设置的是，唯一的导向叶片14具有来自图6A至6D的全部的横截面。

不同的流动线33分别通过在导向叶片表面19上的从叶片前边缘20至叶片后边缘18的最小的间距而定义。为了确保废气质量流走过在各一个导向叶片表面19上的向着涡轮机叶轮4的相同长度的流动行程，不同的流动线33均具有相同的长度。

在图8中，示出了来自图1至5和7中的导向叶片14的另一个示意图。

流动线33在图8中具有相同的长度。由此，这一点确保的是，导向叶片14扭绞，也即，导向叶片表面19曲形地实施。

在图9中，示出了在图1-5、7和8中示出的导向叶片14的垂直于涡轮机叶轮4的转动轴线7的两个横截面。在此可见的是，导向叶片14的在朝向叶片支承环的侧部34'处的第一横截面34以10°的角度α相对于导向叶片14的在朝向盘15的侧部35'处的第二横截面35倾斜。

在图10中，再次在示意图中示出了来自图1至5的带有半轴向的流入的涡轮机叶轮4。在该图10中可见的是，通过涡轮转子4的转动轴线7和至少一个位于输入边缘上10的点P撑开了一个平面。输入边缘10的在所述平面上的投影轴向地以角度φ相对于涡轮转子4的转动轴线7倾斜。

除了同样在图1中所示的点P，同样可行的是，在输入边缘10上的另一个部位处选择另一个点P'。在通过点P'和转动轴线7定义的平面上的投影同样在该情况中以角度φ倾斜。

只不过，不同的实施方式的在实施例中公开的特征能够彼此组合且单个地要求保护。

Claims (11)

1.废气涡轮增压器（1），包括带有涡轮机叶轮（4）的涡轮机（2），其中，涡轮机叶轮（4）轴向地支承在涡轮机壳中（6）并且具有均带有用于介质流的输入边缘（10）的涡轮机叶片（8），其中，在涡轮机壳（6）中布置有能够调节的导向栅（12），该导向栅带有多个导向叶片（14），以用于关于涡轮机叶轮（4）的输入边缘（10）能够改变地设定流动横截面（16），并且导向叶片（14）分别具有朝向涡轮机叶轮（4）的叶片后边缘（18）以及背离于涡轮机叶轮（4）的叶片前边缘（20），

其特征在于，

通过涡轮机叶轮（4）的转动轴线（7）和至少一个位于输入边缘上的点（P）撑开了平面，其中，输入边缘（10）在该平面上的投影至少在一个区域中相对于涡轮机叶轮（4）的转动轴线（7）轴向地倾斜，并且，导向叶片（14）至少在该区域中径向地围绕涡轮机叶轮（4）布置。

2.按照权利要求1所述的废气涡轮增压器，其特征在于，输入边缘（10）的轴向倾斜的投影以区段的方式以至少30°的角度φ相对于涡轮机叶轮（4）的转动轴线（7）倾斜。

3.按照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，叶片后边缘（18）在所提到的平面上的投影至少在所提到的区域中相对于转动轴线（7）轴向地倾斜。

4.按照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，各一个导向叶片（14）的叶片后边缘（18）基本上平行于相应最接近的涡轮机叶片（8）的输入边缘（18）走向。

5.按前述权利要求中任一项所述的废气涡轮增压器，其中，能够在打开部位和闭合部位之间调节导向叶片（18），并且，至少在打开部位中，各一个导向叶片（14）的叶片后边缘（18）的垂直地相对于涡轮机叶轮（4）的转动轴线（7）的最小的径向的间距（x）小于相应最接近的涡轮机叶片（8）的输入边缘（10）的垂直地相对于涡轮机叶轮（4）的转动轴线（7）的最大的径向间距（y）。

6.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，不同的流动线（33）定义了各一个在导向叶片表面（19）上的从叶片前边缘（20）至叶片后边缘（18）的最小的间距，其中，不同的流动线（33）均具有相同的长度。

7.按照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，各一个导向叶片（14）的垂直于涡轮机叶轮（4）的转动轴线（7）的第一横截面（34）以角度α相对于相应的导向叶片（14）的垂直于涡轮机叶轮（4）的转动轴线（7）的第二横截面（35）倾斜。

8.按照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，各一个导向叶片（14）的轮廓中线（30）将导向叶片（14）的垂直于转动轴线（7）的各一个横截面按照其长度分为两个相同厚度的半部，并且轮廓中线（30）从导向叶片（14）的叶片前边缘（20）向着叶片后边缘（18）延伸，其中，轮廓中线（30）至少以区段的方式弯曲。

9.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，各一个导向叶片（14）的垂直于转动轴线（7）的至少两个横截面分别具有不同的形状。

10.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，导引介质流的并且从导向叶片（14）的叶片后边缘（20）延伸直至叶片前边缘（18）的导向叶片表面（19）是曲形的。

11.按照权利要求5至10中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，两个相邻的导向叶片（14）的叶片前边缘（20）和叶片后边缘（18）如此地成形，使得它们在导向叶片（14）的闭合部位中形成用于介质流的向着涡轮机叶轮（4）的流动导引的缺口（28）。