废气涡轮增压器.pdf

本发明涉及一种带有涡轮机的废气涡轮增压器，其中，所述涡轮机具有涡轮机壳(10)，所述涡轮机壳在涡轮机叶轮(12)的上游构成入流通道(18)，并且在涡轮机叶轮(12)的下游构成出流通道(22)。所述涡轮机的特征在于，在出流通道(22)中的横截面面积能够借助调整装置(24)被改变。

权利要求书
1.  一种带有涡轮机的废气涡轮增压器，其中，所述涡轮机具有涡轮机壳(10)，所述涡轮机壳在涡轮机叶轮(12)的上游构成入流通道(18)，并且在涡轮机叶轮(12)的下游构成出流通道(22)，其特征在于，在出流通道(22)中的横截面面积能够借助调整装置(24)被改变。

2.  根据权利要求1所述的废气涡轮增压器，其特征在于，在入流通道(18)中布置一个或多个可调节的导向叶片(20)。

3.  根据权利要求1或2所述的废气涡轮增压器，其特征在于，调整装置(24)具有布置在出流通道(22)的内部的、漏斗形的壁系统，其中，壁系统的入流或出流横截面能够通过壁系统所实施的或多或少的扩张被改变。

4.  根据权利要求3所述的废气涡轮增压器，其特征在于，漏斗形的壁系统沿废气的流动方向扩宽。

5.  根据权利要求3或4所述的废气涡轮增压器，其特征在于，壁系统的入流横截面能够通过壁系统所实施的或多或少的扩张被改变。

6.  根据权利要求3至5中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，壁系统具有多个沿周向方向相互间隔地环形布置的第一壁元件(26)，并且具有多个沿周向方向相互间隔地环形布置的第二壁元件(28)，其中，第二壁元件(28)覆盖第一壁元件(26)之间的间隔，并且设置调节装置(34)，借助所述调节装置，第一壁元件(26)和/或第二壁元件(28)的构成入流或出流横截面的第一端部能够沿径向方向移动。

7.  根据权利要求6所述的废气涡轮增压器，其特征在于，第一和/或第二壁元件(26、28)可旋转地被支承。

8.  根据权利要求7所述的废气涡轮增压器，其特征在于，第一和/或第二壁元件(26、28)中的至少几个被跷板式地支承，从而在壁元件(26、28)的第一端部沿径向向内指向地移动时使壁元件(26、28)的第二端部沿径向向外指向地移动，这带来弹性元件的弹性预紧。

9.  根据权利要求6至8中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，第一和/或第二壁元件(26、28)具有U形的横截面。

10.  根据权利要求6至8中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，调节装置(34)包括带有一个或多个导引槽(38)的调节环(36)，其中，第一和/ 或第二壁元件(26、28)这样在一个或多个导引槽(28)中被导引，从而使调节环(36)的旋转导致壁元件(26、28)在径向方向上的径向移动。

11.  根据上述权利要求中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，调整装置(24)包括片式节流器(44)。

说明书废气涡轮增压器
本发明涉及一种用于内燃机、尤其柴油内燃机的废气涡轮增压器。
已知使用一个或多个废气涡轮增压器，用于提高比功率并降低内燃机的比油耗。
废气涡轮增压器具有集成在内燃机的废气管线中的具有涡轮机叶轮的涡轮机以及集成在新鲜气体管线中的具有压缩机叶轮的压缩机。所述涡轮机叶轮和压缩机叶轮通过轴相连。在内燃机的运行过程中，废气流流入涡轮机，并且尤其驱动涡轮机叶轮旋转，其中，所述旋转通过轴被传递至压缩机叶轮。压缩机叶轮的这样作用的旋转形成对新鲜气体的期望的压缩。
废气涡轮增压器的涡轮机和压缩机具有与流经涡轮机和压缩机的气体的质量流量有关的效率。用于导引流体的空间的几何形状和尤其叶轮的几何形状必须这样设计，从而使涡轮机和压缩机在内燃机的运行过程中在流经的质量流量的整个范围内都能达到足够好的效率。同时尝试着在内燃机的发动机的一个或多个较小的运行范围内实现涡轮机和压缩机的最高可能效率。在柴油内燃机中通常规定，在发动机部分负载运行时实现废气涡轮增压器的尽可能高的效率。
改善废气涡轮增压器的效率和进而响应特性的可行方案在于，在内燃机中设置两个或多个废气涡轮增压器(必要时还有机械或电气驱动的压缩机)，其中，所述废气涡轮增压器设计用于内燃机的发动机的不同的运行范围，并且还仅仅或主要在所述运行范围内负责新鲜气体的压缩。
所谓具有可变涡轮几何形状(VTG)的废气涡轮增压器的应用被扩展了，其中，可调节的导向叶片布置在涡轮机的输入侧。通过对导向叶片的合适的调整，一方面改变了涡轮机的入流通道(Eintrittkanal)的自由流动横截面，由此尤其在废气质量流量较低的情况下能在进入容纳涡轮机叶轮的叶轮腔时提高流动速度。另一方面，可以调整涡轮机叶轮的叶片的入流方向，这同样能提高涡轮机效率。
在大多数废气涡轮增压器中使用径向涡轮机，其中，流体沿径向入流涡轮机叶轮并且从涡轮机叶轮沿轴向出流。径向涡轮机的VTG设计通常规定， 可调节的导向叶片环状地布置在涡轮机的环绕叶轮的进气道(Einlasskanal)中，其中，所述调节通过与所有导向叶片相连的调节环的旋转实现。
对此，在文献DE10247216A1中已知VTG废气涡轮增压器的一种备选设计，所述VTG废气涡轮增压器应该能够避免环状布置的可调节导向叶片的可以想见的巨大费用。此处在涡轮机的入流侧布置一个或多个直的导向叶片，所述导向叶片对角地或弦状地(sehnenfoermig)穿过入流通道，具有在其长度上可变的横截面并且能借助调节装置轴向移动。由此能够根据发动机的工作点使具有不同横截面的导向叶片的区段定位在入流通道的内部。
此外，文献DE10247216A1还公开了，作为备选或补充，这种可调节的导向叶片装置还可以设置在涡轮机的出流侧。由此，应该可以影响从涡轮机排出的废气流的流动特性。
此外，由文献DE19615237A1还已知一种废气涡轮增压器，该废气涡轮增压器的涡轮机构成不仅径向而且半轴向的入流通道。在所述不仅径向而且半轴向的入流通道中布置导向叶片，然而所述导向叶片被设计为在涡轮机叶轮的开放的流动横截面和/或入流角度方面不可调节。在此规定，入流管道中的一个在必要时一直变小直至闭合，以便在废气质量流量较低的情况下改善涡轮机效率。
最后，对于废气涡轮增压器的压缩机已知应用一种所谓的调整调节器(Trimsteller)，所述调整调节器用于在压力比较高的情况下将压缩机特征曲线的喘振极限朝质量流量较低的方向移动。同时，调整调节器在喘振极限的范围内发挥提高压缩机效率的作用。为此，调整调节器包括一种装置，通过所述装置能够改变压缩机的叶轮入流的入流横截面。通过调整调节器的这样实现的喷嘴效果，可以随着不断增长的调节干预(入流横截面的减小)而使压缩机入流更高程度地集中在压缩机叶轮的轮毂附近的流动横截面上。由此使较少的流体在回流泡的无脉冲且有损失的区域中流动，并且中心流体在轮毂附近的区域中加速并由此还被稳定化。流体在压缩机的轮毂附近的区域中的加速还能导致压缩机入流的抽吸侧的移动，这也促进了流体的进一步的稳定化。中心流体的稳定化使得压缩机特征曲线的喘振极限朝新鲜气体的较低的质量流量符合期望地移动。在不期望的调节作用(调整调节器完全打开)中，尽可能将压缩机之前的新鲜气体管线的整个横截面开放，从而在压缩机入流中尽可能不形成额外的摩擦损失或节流损失。因此，通过调 整调节器并不会沿塞满极限的方向对压缩机效率和压缩机特征曲线的宽度产生明显的负面影响。带有用于压缩机的调整调节器的废气涡轮增压器例如由文献DE102010026176A1已知。
基于现有技术，本发明所要解决的技术问题在于，提供给一种用于内燃机的在效率方面改善的废气涡轮增压器。
所述技术问题通过根据权利要求1的内燃机解决。对此的优选设计方式是其他权利要求的主题并且由以下的发明内容给出。
本发明基于以下认识，即，对于在废气涡轮增压器中所出现的亚声速流动速度，可以借助流动影响器件甚至实现对在其装置上游的流体的影响。由此，通过流动影响器件也能实现在容纳涡轮机叶轮的叶轮腔中的流动，所述流动影响器件布置在涡轮机的出流侧。
根据本发明，这种类型的带有涡轮机(所述涡轮机具有涡轮机壳，所述涡轮机壳在涡轮机叶轮的上游构成入流通道并且在下游构成出流通道)的废气涡轮增压器这样改进，从而能借助(优选沿流动方向可活动地布置的)调整装置来改变出流通道的至少一个区段中的流动横截面。
通过改变流动横截面的调整装置可以改进涡轮机和进而整个废气涡轮增压器的效率，其中，与传统设计的废气涡轮增压器相比，尤其在与根据本发明的废气涡轮增压器协同作用的内燃机的发动机的负载相对较低的情况下，能够实现效率提高。调整装置的根据本发明在涡轮机的出流侧上的定位的主要优点在于，为此在入流侧没有空间要求，从而能够实现在VTG废气涡轮增压器中的有利的集成(因为成本较少)，在VTG废气涡轮增压器中一个或多个可调节的导向叶片布置在入流通道中。
优选地，根据本发明的废气涡轮增压器的调整装置被设计为所谓的调整调节器，其中，所述调整调节器具有布置在出流通道内部的漏斗形的壁系统，并且其中，所述壁系统的入流或出流横截面能通过壁系统所实施的或多或少的扩张而改变。通过这种方式，可以以结构简单且流体技术有效的方式实现流动横截面的可改变性。
在此优选规定，壁系统的入流横截面是可改变的。由此可以将可改变的流动横截面尽可能靠近涡轮机叶轮的出流侧地布置，这可以对涡轮机效率发挥积极影响。
此外还优选规定，漏斗形的壁系统沿废气的流动方向扩张，这可以带来 流体技术上的优点。
在根据本发明的废气涡轮增压器的结构有利的设计方式中规定，壁系统具有多个沿周向方向相互间隔地环形布置的第一壁元件，并且具有多个沿周向方向相互间隔地环形布置的第二壁元件，其中，所述第二壁元件覆盖第一壁元件之间的间隔(并且第一壁元件覆盖第二壁元件之间的间隔)，并且调整装置具有(例如电气、气动或液压操纵的)调节装置，借助所述调节装置，第一壁元件和/或第二壁元件的构成入流或出流横截面的第一端部可沿径向方向移动。
调节装置可以具有位置识别器，所述位置识别器可以向包括废气涡轮增压器的内燃机的调节电子件(例如发动机控制器)反馈壁系统的相应位置，以便在内燃机的发动机的工作点上对调整装置进行符合目的的调整。
此外还优选规定，至少若干个壁元件可旋转地支承。通过这种方式可以以结构简单的方式完成可调节的、漏斗形的壁系统，所述壁系统在不需使用高弹性材料、例如弹性体的情况下就可以发挥作用。由此所述壁元件可以有利地由具有相对较高弹性模量的材料和尤其一种(或多种)金属(例如钢)构成。同时，还可以利用相对较低的力实现相应壁元件的第一端部的径向移动。
然而所述壁元件还可以(至少部分)在其第二端部的周围或附近固定地被夹紧，其中，由于第一端部的径向移动所导致的角度变化通过壁元件的弹性变形被吸收。因为在此的变形可以是相对较小的，这也可以在壁元件由一种(或多种)金属构成的情况下实现，只要所述壁元件的尺寸足够薄即可。由此，在必要时可以省去用于为壁系统在其处于打开位置上时进行加载的附加的弹性元件。
如果壁元件可旋转地支承，至少几个壁元件的跷板式支承是特别有利的。在所述壁元件的支承中，所述臂元件的第一端部沿径向向内指向的移动导致第二端部沿径向向外指向的移动。第二端部的移动尤其可以带来(至少一个)弹性元件的弹性预紧，由此可以实现壁系统尤其在扩张位置中弹性负载的加载。这使得能够使用仅在一侧发挥作用的调节装置。
优选地可以规定，壁元件具有U形的横截面，其中，每个第一壁元件的自由臂贴靠在相应的第二壁元件上(且反之亦然，即第二壁元件的自由臂贴靠在相应的第一壁元件上)。由此可以使第一壁元件与第二壁元件之间的滑动式相对运动的阻力保持得较小。此外，由此还限制了壁系统的最大扩张。
优选的实施方式由于调节装置的结构简单的设计而可以包括带有一个或多个导引槽的调节环，其中，第一和/或第二壁元件这样在所述导引槽中被导引，从而使调节环的旋转能导致第一和/或第二壁元件的第一端部的径向移动。
根据本发明的废气涡轮增压器的调节装置还可以包括(至少一个)片式节流器，其中环形布置的平行相邻布置的节流片以具有至少一个径向分量的运动方式或多或少地相互插入，并且由此或多或少地释放位于所述节流片之间的中间处的流动横截面。所述片式节流器可以相对于调整调节器作为补充或备选被应用。
在片式节流器和调整调节器组合的情况下，其中，尤其入流横截面通过壁系统的调节而改变，片式节流器还可以用于，根据其宽度合适地覆盖壁系统与出流通道的壁之间的可变的环形腔，由此可以通过所述壁系统对废气流在流体技术上有利地导引。
以下结合附图所示的实施例对本发明进行更详尽的阐述。在附图中：
图1以纵向剖视图方式示出根据本发明的废气涡轮增压器的涡轮机的第一实施方式的示意图；
图2示出在壁系统很大程度上闭合的情况下沿图1中的剖切面II-II剖切涡轮机得到的横截面；
图3示出在壁系统很大程度上打开的情况下沿图1中的剖切面II-II穿过涡轮机得到的横截面；
图4以第一细节立体图方式示出根据图1的涡轮机的打开的壁系统；
图5以第二细节立体图方式示出根据图1的涡轮机的打开的壁系统；
图6以纵向剖视图方式示出根据本发明的废气涡轮增压器的涡轮机的第二实施方式的示意图；
图7示出沿图6中的剖切面VII-VII剖切涡轮机得到的横截面；和
图8示出在根本发明的废气涡轮增压器中涡轮机效率相对于废气质量流量的曲线。
图1以极简示意图方式示出根据本发明的废气涡轮增压器的涡轮机的区段的纵向剖视图。
涡轮机具有涡轮机壳10，所述涡轮机壳构成叶轮腔，(涡轮机)叶轮12可旋转支承地布置在所述叶轮腔中。叶轮12与轴14相连，所述轴此外还与 废气涡轮增压器的未示出的压缩机的(压缩机)叶轮相连。
此外，涡轮机壳10还构成(相对于叶轮12的旋转轴线16)沿径向通入叶轮腔的、环形的入流通道18，在所述入流通道中以环形布设方式布置了多个可调节的导向叶片12。相应地，废气涡轮增压器是所谓的VTG废气涡轮增压器。
此外，涡轮机壳10还构成了出流通道22，所述出流通道在叶轮12的下游(相对于叶轮12的旋转轴线16)沿轴向方向通入叶轮腔或者说从叶轮腔离开。
在出流通道22的内部布置呈调整调节器形式的调整装置24。所述调整装置包括漏斗状的壁系统，所述壁系统沿流动方向扩宽并且在自入流横截面开放的流动横截面方面是可改变的。
所述壁系统可以这样如图4和图5所示地设计。相应地，所述壁系统包括多个纵长的沿周向方向弓形延伸的壁元件26、28。所述壁元件26、28布置在两个共轴的圆环状的层中，并且具有U形的横截面，也就是说除了在横截面中的弓形基础区段之外还分别具有两个自所述基础区段开始大约以直角延伸的臂，其中，位于内部的第一层的(第一)壁元件26的臂沿径向向外指向，相较而言，位于外部的第二层的(第二)壁元件28的臂沿径向向内指向。此外，两个层中每一个的壁元件26、28相互间隔地布置，其中，在这两个层之间设置旋转错移，从而使每个层的壁元件26、28覆盖相应另一个层的间隙。由此得到大体上闭合的漏斗状的壁系统。所述两个层的壁元件26、28通过臂的相对较小面积的端面相接触，由此可以实现壁元件26、28相互间相对低阻力的滑动。此外，壁元件26、28的臂还构成端部止挡，所述端部止挡限制了壁系统的扩张。
壁元件26、28的流体下游的端部可旋转或可移动地支承，从而不必借助壁元件26、28的变形来补偿由流体上游的端部的移动所设置的角度变化。支承环30作为轴承元件用于可旋转或摆动式支承，所述支承环具有与壁元件26、28的数量相等的狭缝状开口，壁元件26、28的狭窄的端部区段延伸穿过所述狭缝状开口。借助弹性环32、例如由弹性体制成的弹性环使得壁系统在其完全打开的位置(参照图3至图5)中被加载。弹性环32被各个第一壁元件26的端部区段大致半圆状环绕。由于壁元件26、28在支承环30中的摆动式支承，壁元件26、28的向内指向的径向移动导致了端部区段的向外 指向的径向移动和进而弹性环32的周向扩大连同所带来的(不断增长的)弹性预紧。
即使在漏斗状的壁系统完全打开的状态下也能或多或少实现的扩张、也即壁元件26、28的流体上游自由端部的径向移动是借助调节装置34完成的。所述调整装置包括调节环36，所述调节环具有与第二壁元件28的数量相等的倾斜延伸的导引槽38。在每个导引槽38中可移动地支承有导引销40。导引销40分别通过紧固臂42与第二壁元件28相连。由于导引槽38的倾斜定向，调节环36的旋转导致导引销40和进而第二壁元件28的径向移动。第二壁元件28在径向向内移动时夹住第一壁元件26。相反，在径向向外移动时有助于借助弹性环32加载，从而使第一壁元件26随着第二壁元件28移动。
图6和图7示出根据本发明的废气涡轮增压器的涡轮机的调整装置24的备选实施方式。调整装置24包括片式节流器(Lamellenblende)44。所述片式节流器包括多个环状布置的、部分重叠的节流片46。节流片46可以借助未示出的调整装置以至少包括径向分量的运动方式移动，从而使节流片或多或少插入出流通道22中，其中，节流片在对置侧重叠可变的情况下释放或多或少尺寸的流动横截面。
图8显示出通过VTG废气涡轮增压器的涡轮机的出流通道22中的根据本发明的调整装置24的布置而对涡轮机效率的改进。此处，在曲线图中示出针对两个不同的、由调整装置24释放的出流通道22的流体横截面，涡轮机效率η随穿过涡轮机的废气质量流量的曲线，此外还与可调节(VTG)的导向叶片20的位置有关。在此，导向叶片20随着废气质量流量的不断增大而打开，也就是说废气质量流量越大，通过导向叶片20释放的流动横截面也越大。在相应的左端，导向叶片20这样尽可能大程度地闭合；在曲线相应的右端，导向叶片这样尽可能大程度地打开。这两个曲线具有大体上相同的钟形走向。然而所述曲线沿水平方向相互错移。在此，右侧的曲线48示出在出流通道22的流动横截面相对较大(为最大流动横截面的90％)的情况下涡轮机效率η的走向，而左侧的曲线50示出在出流通道22的流动横截面相对较小(为最大流动横截面的85％)的情况下涡轮机效率η的走向。
相应地，通过涡轮机的出流通道22的流动横截面的根据本发明的变化，可以使示出涡轮机效率η的曲线移动，并由此根据实际出现的废气质量流量进行调整。由此针对在包括根据本发明的废气涡轮增压器的内燃机的运行过程中所出现各个废气质量流量得到尽可能高的涡轮机效率η。传统的VTG废气涡轮增压器的曲线通过设置已被确定，并且由此仅针对某个具体的废气质量流量具有效率最大值，与其相比，可以针对所有与该具体的废气质量流量不同的废气质量流量实现更高的涡轮机效率。这使得整体效率提高，所述整体效率通过在运行过程中出现的废气质量流量的整个范围确定。
附图标记清单
10涡轮机壳
12叶轮
14轴
16旋转轴线
18入流通道
20导向叶片
22出流通道
24调整装置
26第一壁元件
28第二壁元件
30支承环
32弹性环
34调节装置
36调节环
38导引槽
40导引销
42紧固臂
44片状节流器
46节流片
48在出流通道的流动横截面打开90％的情况下涡轮机效率η随废气质量流量的曲线
50在出流通道的流动横截面打开85％的情况下涡轮机效率η随废气质量流量的曲线