CN101074612A - 内燃机废气涡轮增压器的导向器及保证其功能的方法 - Google Patents

Abstract

用于以重油运行的活塞式内燃机的废气涡轮增压器的尤其轴向入流的涡轮机的导向器，包括多个可利用调整环(6)进行调整的导向叶片(2)，其中调整环通过至少两个分布于调整环圆周上的连接元件(8)与调整装置(10)连接在一起。该导向器包括一个测力装置，用来以直接方式和/或者间接方式对调整装置在调整导向叶片时施加给连接元件的作用力进行测量；以及/或者一个位置测量装置，用来以直接方式和/或者间接方式对连接元件所处的位置进行测量。导向器还包括一个监测装置，用来对调整装置施加给连接元件的作用力以及/或者连接元件所处的位置进行比较，并且将比较结果发送给废气涡轮机控制系统。

Description

内燃机废气涡轮增压器的导向器及保证其功能的方法

技术领域

本发明涉及以重油运行的活塞式内燃机的废气涡轮增压器的涡轮机的导向器，以及一种保证此类导向器功能的方法。

背景技术

内燃机的废气流入废气涡轮增压器的涡轮机，并推动与涡轮机连接在一起的压缩机轮，由压缩机轮将压缩后的新鲜空气送入内燃机，由此提高内燃机的效率。通过导向器将废气导向涡轮机的叶片，以便以最理想的方式转换其压力能。

除了仅能够针对某一工作点对其进行最优化设计的刚性导向器之外，由DE 103 11 205 B3和尚未公开的编号为10 2006 023 661.6(标题“废气涡轮增压器的轴向入流的涡轮机的导向器”)的德国专利申请介绍了用于具有可变涡轮机几何形状的涡轮机的导向器，其中可以对导向器的叶片进行调整，以便对废气流量进行控制或者调节。为此在这些已知的导向器中，可借助由连接元件与调整环相连的调整装置使调整环转动，同时使得通过调整杆与调整环相连的导向叶片产生偏转。

在以重油运行的活塞式内燃机中，流过导向器的废气增加了杂质，部分杂质也会在导向叶片、调整杆、调整环、连接元件以及调整装置上沉积下来，从而使其功能受到影响。当通过多个分布于调整环圆周上的调整装置连接元件使调整环动作时，各个连接元件上的不同沉积物，尤其是连接元件与调整环或者调整装置连接部位上的沉积物，可能会使传递到调整环中的作用力不同步，这样不仅使轴承受到负荷、妨碍导向叶片的同步调整，而且可能会导致调整机构发生自锁。

因此DE 103 11 205 B3建议使导向叶片朝向将其安装于其中的流道预紧，使得导向叶片能够在偏转时刮去导向叶片和流道之间沉积的固体颗粒物。但这样并不能识别出沉积物，或者无法阻止在整个调整机构中形成沉积物。

发明内容

因此本发明的任务就在于：提供一种功能可靠性有所提高的导向器，以及一种保证此类导向器功能的方法。

该任务通过权利要求1、3或者说4所述的特征加以解决。

按本发明第一实施方式的导向器包括多个可利用调整环对其进行调整以对废气流进行调节的导向叶片。调整环通过至少两个分布于调整环圆周上的连接元件与调整装置相连。这些连接元件最好对称分布于圆周上，例如：两个连接元件应以大致180°相互错开；三个连接元件则应以120°相互错开，依此类推。

该导向器还包括一个测力装置，用来以直接和/或者间接方式测量调整装置调整导向叶片时施加在连接元件上的作用力。连接元件最好与调整装置的不同执行器连接在一起，例如与气动或者液压调整缸或者电机相连，其中各个执行器最好相互同步。为每一个连接元件均配设了一个或者多个执行器。一个执行器也可以对多个连接元件进行加载。

例如为直接测量调整装置施加在连接元件上的力，可以对调整缸中的压力、连接元件中的作用力或者电机的扭矩进行测量。为此测力装置可以包括相应的压力计、测力计或者扭矩计。

为了间接测量作用力，例如可以对执行器所消耗的电功率或者机械功率进行测量。

该导向器还包括一个监测装置，用来对调整装置施加在连接元件上的作用力进行相互比较，并且将比较结果发送给废气涡轮机的控制系统。

当调整环通过执行器(例如位置控制式电机或者液压缸)运动，并且在此由于各个连接元件上存在不同程度的沉积物或者由于其它原因而使得各个连接元件出现调整不同步时，调整装置就会据此将不同的力施加在各个连接元件上。

通过对调整装置施加在连接元件上的力进行相互比较，监测装置就可识别出此类不同步调整，并且将这种情况的信号发送给废气涡轮机的控制系统。

当调整不同步时，受很大负荷的连接元件中的作用力可能会超过某一在同步调整时不会超过的极限值。因此除了可以对调整装置施加在连接元件上的力进行相互比较之外，作为替代方案或补充方案监测装置也可将各个作用力与极限值进行比较，并且在超过这些极限值时就会识别出调整不同步，并且将不同步的信号发送给废气涡轮机的控制系统。

控制系统将根据施加在连接元件上的作用力之间的偏差大小，或者说根据极限值与超出该极限值的作用力之间的偏差大小，对废气涡轮机的运转进行限制，例如限制负荷；或者完全阻止运转，例如使废气涡轮增压器在受到控制的情况下停止运转。在此例如可以设定第一极限值和较大的第二极限值。当施加在连接元件上的作用力或者说施加在两个连接元件上的作用力之差超过第一极限值时，就输出负荷限制信号。当作用力或者说差值超过第二极限值时，就使得废气涡轮增压器停止运转。

可以在废气涡轮增压器运转之前、运转过程之中以及/或者运转之后，对调整装置施加在连接元件上的作用力进行测量、相互比较，或者与设定的极限值进行比较。可以在运转之前对导向叶片进行试验性调整，并且对各个作用力进行测量、比较。这样可以提前发现并排除功能故障。此外由于在运转之前缺少排气压力，总的调整力明显比较小，从而能够更好地识别出施加在各个连接元件上的作用力之间的细微差别。在运转过程中可以非常早地识别出出现的功能故障，并作出迅速反映。在运转之后还可以对导向叶片进行试验性调整、测量并比较各个作用力，从而例如确定随后的运转过程中是否需要进行清洁。

按本发明第二实施方式的导向器与上述第一实施方式基本相同，区别在于除了测力装置之外，作为替代方案或补充方案包括一个可以对连接元件所处的位置进行直接和/间接测量的位置测量装置。

例如为了直接测量连接元件所处的位置，可测量连接元件的行程和/或者角度。为了间接测量位置，例如可以测量调整缸的升程或者电机的旋转角。

按第二实施方式的导向器的监测装置用来对连接元件所处的位置进行相互比较，并且将比较结果发送给废气涡轮机的控制系统。

当调整环通过执行器(例如作用力控制式电机或者液压缸)运动时，并且在此由于各个连接元件上存在不同程度的沉积物或者由于其它原因而引起各个连接元件出现不同步调整现象时，调整装置就会通过比较连接元件所处的位置来加以识别。在此自然也可考虑各个连接元件的不同传动比或者杠杆比。例如，如果某一个连接元件所掠过的角度必须比另一个连接元件大出两倍，才能使得调整环转动同样的角度范围，则可在与其它连接元件的位置进行比较之前，将其在调整导向叶片时的位置变化减小一半。

控制系统还可以根据连接元件所处的位置之间的偏差大小，对废气涡轮机的运转进行限制，或者完全阻止运转，其中还可以设定不同的极限值，用于例如在超过第一极限值时输出负荷限制信号，而当超过第二极限值时，则使得废气涡轮增压器在受到控制的情况下停止运转。

也可以在废气涡轮增压器运转之前、运转过程之中以及/或者运转之后，对连接元件所处的位置进行测量和比较。

采用上述按本发明第一或者第二实施方式的导向器，尤其可以识别出由于导向叶片、调整杆、调整环、连接元件或者调整装置上有异物颗粒沉积而引起的各个连接元件的不同步调整情况，这种情况会影响导向器的功能。之后可以为维护和清洁目的采取相应的应对措施例如限制负荷或者使废气涡轮增压器停止运转对此作出反应，从而确保导向器的功能。

但最好做到不仅提前识别此类功能故障，而且还及时清除尤其是引起功能故障的沉积物，从而减少发生此类功能故障的风险。

为此可根据本发明的第三实施方式，在运转之前、运转过程中以及/或者运转之后，将可以在两个极限位置之间利用调整装置进行调整的导向叶片首先调整到两个极限位置中的其中一个中，然后再从这一极限位置出发，将其调整到两个极限位置中的另一个中。换句话说，就是在废气涡轮增压器运转之前、运转过程中以及/或者运转之后，在整个调整范围内对导向叶片进行至少一次调整。尤其是可以通过调整装置控制系统中的机械挡块或者相应的设定值，以固定或者可变方式构成导向叶片设定的终端位置，也就是导向器的最大开启或者闭合位置。同样也可以用与此不同的方式来定义极限位置。例如也可以在略微靠近导向器最大开启或者闭合位置的前端选择本发明意义上的极限位置，以防止碰向机械挡块，从而保护调整装置。

当调整导向叶片时，以机械方式清除沉积在导向叶片或者调整机构元件上的沉积物。例如导向叶片可刮去导向叶片端面以及流道与其相对置的壁面之间所沉积的异物。如果调整装置通过一个或者多个连接元件与调整环相连，而调整环又通过调整杆使各个导向叶片运动(如上述关于本发明的第一与第二实施方式所述的)，则连接元件就会通过其运动对用来与调整装置或者调整环相连的关节进行清洁。例如液压缸柱塞可以在其往复运动过程中刮去密封唇上的异物，或者利用直线螺杆传动装置在螺杆上往复运动的螺母将螺杆螺纹中的异物清除。

正常运转时仅在整个调整范围的较小局部范围内对导向叶片进行调整，使得这种调整方式下并未被扫过的壁面、关节或者螺纹区域会随着运转时间的增加而出现越来越多的沉积物。当必须将导向叶片调整到某一极限位置(例如当负荷减少或者最大负荷突然减少时)，但却由于壁面、关节或者螺纹的最外端区域中所沉积的沉积物妨碍进入这一在正常运转时很少、甚至从未接近过的位置中进行调整时，这种情况尤其危险。因此根据本发明第三实施方式，无论是否实际需要对导向叶片进行调整来控制或者调节废气流，均要将整个调整范围完全清刮至少一次，以便清除正常运转时很少或者从未扫过的区域中的沉积物。

如果在废气涡轮增压器运转之前清刮调整范围，就可以将间隔时间内所积聚的、妨碍运转的沉积物清除掉。此类并非在废气压力下沉积在导向叶片或者调整机构上的异物颗粒由于缺少废气压力不会牢牢固着，可在清刮调整范围时将其轻易清除。

如果在废气涡轮增压器运转过程中对调整范围进行清刮，则可以提前清除沉积物。这样就能够防止积聚、固着过多的沉积物。在此优选通过废气流带走沉积物，并将其从导向器中送出。

如果紧接在废气涡轮增压器运转之后随即对调整范围进行清刮，则可通过并非用于控制废气流的导向器调整来防止发生运转故障。与在运转之前进行清刮的方式一样，仅需要较小的力即可，因为不必克服排气压力。沉积物也不会在运转之后随即因化学作用、干化或者类似情形而发生固着，因此易于将其清除。

在将导向叶片调整到两个极限位置的其中一个和/或者另一个极限位置的过程中，可以用直接方式和/或者间接方式测量为此所需的力。作为附加方案或替代方案还可以用直接方式和/或者间接方式测量导向叶片所处的位置。正如上面关于第一和第二实施方式所述，可以根据调整所需的力或者导向叶片在一定调整力下所处的位置推出调整机构是否受到沉积物阻碍。例如当利用一个或者多个连接元件通过调整装置转动调整环时，如果必须对调整装置的一个或者多个执行器施加异常高的作用力，或者所耗用的功率过高，或者导向叶片在调整机构并未受阻的情况下施加足够充分的作用力时并未达到规定的位置，则表示调整机构已受到沉积物的阻碍。

在这种情况下，可以与关于所述第一以及第二实施方式一样，对废气涡轮机的运转进行限制，或者阻止其运转。最好将第三实施方式与第一或者第二实施方式组合使用，采用对整个调整范围进行清刮的方式，尤其是利用同步调整功能来实现清洁目的，同时检查功能。

作为附加方案或替代方案，还可对在将导向叶片调整到两个极限位置中的其中一个和/或者另一个极限位置中时所需的作用力或者导向叶片所处的位置进行监控，以此来确定是否需要进行清洁。这样就可以对导向叶片进行多次调整，使其进入两个极限位置中的其中一个和域者另一个极限位置中，直至根据作用力或者所处的位置识别出调整机构的功能是否受到妨碍，并且不再受到沉积物严重地妨碍。

例如可以将导向叶片从其中一个极限位置调整到另一个极限位置，然后再重新调整到起先的极限位置，直至调整装置为此所施加的作用力不再超过某一表示调整功能受到沉积物严重阻碍的极限值，例如可以直接通过测力计或者扭矩计或者间接通过所消耗的功率对这些作用力进行测量。同样也可以在这两个极限位置之间对导向叶片进行调整，直至可以通过某一设定的作用力将导向叶片调整到某一个最小位置中，例如其中一个和/或另一个极限位置中。

作为替代方案或附加方案还可以在废气涡轮增压器每次运转之前和/或者之后，以及/或者在每次运转过程中的一定时间间隔以内，在整个调整范围内执行规定的最低次数的调整。

当根据作用力或者导向叶片位置识别出导向器受到阻碍时，同样可以对整个调整范围进行清刮以实现清洁目的。

从上述实施方式中可以明显看出，最好但并非一定要将第一、第二以及第三实施方式所述的特征组合使用。

附图说明

本发明的其它任务、优点和特征均在从属权利要求和下述实施例中获得。附图部分示意如下：

图1是根据本发明的一种实施方式的导向器。

具体实施方式

图1所示是，以重油运行的二冲程柴油发动机废气涡轮增压器的轴向入流的涡轮机的根据本发明的一种实施方式的导向器。该导向器包括多个可利用调整环6进行调整且支承于导向叶片支座3中的导向叶片2。围绕涡轮机轴线A转动调整环6，即可使得通过调整杆5与调整环相连的导向叶片2偏转，并以此来调整废气流量。

调整环6通过两个分布于该调整环的圆周上的连接元件8与调整装置相连，在本实施例中该调整装置包括两个执行电机10形式的执行器。调整环6和执行电机10为此以图中并未详细示出的方式相互连接，从而当执行电机10的输出轴转动时(图中并未显示)，连接元件8的螺杆7就会随之转动，从而使得啮合在螺杆7的螺纹中的螺母9相对于螺杆7作轴向移动。连接元件8以及螺母9均固定在调整环6上或者说固定于废气涡轮增压器的(图中并未显示的)进气端壳体上，从而通过直线螺杆转动装置7-9将执行电机10的输出轴的旋转运动转变成调整环6的旋转运动，调整环本身则使得导向叶片2偏转。

连接元件8对称分布于调整环6的圆周上，并且在其所传递的力的作用下使得调整环6自动对中。为此必须保证将作用力同步传递到两个连接元件之中。而如果力传递不同步，则可能导致调整环卡住。

为此本实施例的导向器包括一个测力装置，其用于对调整装置10调整导向叶片2时施加给连接元件8的作用力进行间接测量。该测力装置的功率计(图中并未显示)测量执行电机10所消耗的功率，例如电机所消耗的电功率。可以在考虑到效率、传动比以及类似参数的情况下，将相应施加在连接元件8上的作用力对应于消耗功率。

该导向器还包括一个(图中并未显示的)监测装置。该监测装置对调整装置10施加给连接元件8的作用力进行相互比较。如果比较结果超过某一设定的极限值，那么监测装置就会将相应的信号发送给废气涡轮机的控制系统。

在运转时，二冲程柴油发动机废气中的异物颗粒可能沉积在导向叶片2、调整环6和连接元件8上，并且会妨碍这些部件的运动。由此一方面会使得导向器的功能受到根本性威胁，另一方面两个连接元件8也会随着时间的推移而不同程度地受到沉积物的影响，使得这两个执行电机10的执行扭矩尽管相同，但却会在两个连接元件8中产生不同的作用力，并因此而导致力传递不同步。

为了防止力传递出现不同步，可按照如上所述，在废气涡轮增压器运转过程中，通过两个执行电机10所消耗的电功率，以间接方式对调整装置10调整导向叶片2时施加给连接元件8的作用力进行测量。两个执行电机10的位置可以进行调节，并可尝试逼近相当于导向叶片2的所需偏转角度的某一设定角度位置。如果某一个连接元件8受到沉积物阻碍的力度大于另一个连接元件，相应的执行电机10就要消耗更多的电功率，才能逼近设定的角度位置，并且在该过程中克服沉积物所引起的摩擦力和挤压阻力。

监测装置对调整装置10施加给连接元件8的作用力进行比较，在测力装置中根据所消耗的电功率以间接方式测定作用力。如果监测装置在此发现存在超过某一设定极限值的差值，就会对废气涡轮机的运转进行限制，并且输出相应的警告信息。之后维护人员就能够据此对导向器进行清洁。只要差值超过设定的极限值，就会在废气涡轮机的控制系统中对负荷进行相应的限制。

除此之外，为了不仅能够识别出导向器是否受到沉积物的妨碍，而且能够防止这种情况发生，从而保证导向器的功能，还可在废气涡轮增压器运转之后，首先将导向叶片调整到两个极限位置中的其中一个中，例如使导向器完全闭合或者几乎完全闭合。然后再从这一极限位置出发，将导向叶片调整到两个极限位置中的另一个中，例如使导向器完全开启或者几乎完全开启。换句话说，就是在废气涡轮增压器运转结束之后，并且沉积物尚未固着在导向叶片2、调整环6和连接元件8上，随即对导向器的整个调整范围进行清刮。其间将以机械方式清除正常运转工况下很少掠过的范围内的沉积物。

在将导向叶片调整到极限位置的过程中(参照上述不同步力传递的说明)，通过执行电机10所消耗的电功率，以间接方式测量为此所需的作用力。但现在并不对这些作用力进行相互比较，而是分别将其与所设定的极限值进行比较。如果至少有某一个作用力超过极限值，则表示尚存在对导向器的调整功能有严重影响的沉积物。因此将在这两个极限位置之间对导向叶片2进行调整，直至所有作用力均低于极限值，也就是显示出导向器不再受到沉积物的严重妨碍。

为了能够提前防止沉积物积聚和固着，还可按照如上所述，附加地在废气涡轮增压器运转过程中，对整个调整范围进行清刮，只要因此而引起的废气涡轮增压器的涡轮机与压缩机功率变化在可接受的范围内即可。如果至少有一个调整导向叶片2所需的作用力超过设定的极限值，可以继续对整个调整范围进行清刮，直至沉积物被充分排除，并且/或者同时限制废气涡轮增压器的负荷，也就是对其运转进行限制。

在本实施例的一种变型方案中，可以用间接方式对在导向叶片调整过程中导向叶片所处的位置或者说与此相当的连接元件8的位置进行测量，方法是用(图中并未显示的)行程测量装置来测量螺母9相对于连接元件8的运动，通过调整杆5将螺母9的相对运动转变成导向叶片2的相应位置。这样(图中并非显示的)位置测量装置就可以根据螺母9的位置来测定导向叶片2所处的位置。同样也可以用测定执行电机的角度位置的方法来替代螺母9的位置。

当这两个执行电机10在作用力控制下，也就是将一定的力分别施加在这两个执行电机10上来调整导向叶片2的设定位置时，导向叶片2、调整环6、调整杆5或者连接元件8上的沉积物就会使得阻止调整的运动阻力增大，从而导致无法到达所设定的位置。因此也可以根据位置测量装置所测定的导向叶片位置来推断导向器是否受到沉积物的妨碍。据此可以对运转进行限制，或者将调整范围清刮一次或多次，以清除沉积物。

这种对整个调整范围进行清刮、以及根据所需的作用力或者根据导向叶片或连接元件的实际所处位置来探测是否被沉积物所妨碍的方法还有一个优点，即可以提前识别出正常运转中很少掠过的调整范围的边缘区域附近是否受到沉积物的妨碍，并且能够采取相应的应对措施。因此即使在极限情况下，例如负荷减少等等类似情况，也能保证导向器的功能。

Claims (8)

1.用于废气涡轮增压器的尤其轴向入流的涡轮机的导向器，其具有多个可利用调整环(6)进行调整的导向叶片(2)，其中调整环通过至少两个分布于调整环圆周上的连接元件(8)与调整装置(10)相连，其特征在于：所述导向器包括用于直接和/或者间接对调整装置在调整导向叶片时施加给连接元件的作用力进行测量的测力装置；以及/或者包括用于直接和/或者间接对连接元件所处的位置进行测量的位置测量装置；并且导向器还包括用来对调整装置施加给连接元件的作用力和/或者连接元件所处的位置进行比较、并且将比较结果发送给废气涡轮机控制系统的监测装置。

2.根据权利要求1所述的导向器，其特征在于：所述连接元件与调整装置的不同执行器连接在一起，其中测力装置对执行器所消耗的功率、执行器所输出的力或者扭矩、以及/或者作用在连接元件和/或者调整环中的作用力和/或者扭矩进行测量。

3.根据权利要求1或者2所述的用来保证导向器功能的方法，其中该方法在废气涡轮增压器运转之前、运转过程中以及/或者运转之后包括下列步骤：

直接和/或者间接对调整装置在调整导向叶片时施加给连接元件的作用力进行测量；并且/或者直接和/或者间接对连接元件所处的位置进行测量；

对调整装置施加给连接元件的作用力和/或者连接元件所处的位置进行比较；当导向叶片调整过程中为此所需的作用力、作用力的差值以及/或者连接元件所处的位置与设定位置之间的差值超过设定的极限值时，对废气涡轮机的运转进行限制或者阻止其运转。

4.用于保证以重油运行的活塞式内燃机的废气涡轮增压器的尤其轴向入流的涡轮机的导向器的功能的方法，该导向器具有多个可借助调整装置(10)在两个极限位置之间调整的导向叶片(2)，其中该方法在废气涡轮增压器运转之前、运转过程中以及/或者运转之后包括下列步骤：

将导向叶片调整到两个极限位置中的其中一个极限位置中；并且从这一个极限位置出发，将导向叶片调整到两个极限位置中的另一个极限位置中。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在将导向叶片调整到两个极根位置中的其中一个和/或者另一个极限位置中的过程中，直接和/或者间接测量为此所需的力。

6.根据权利要求4或者5所述的方法，其特征在于：在将导向叶片调整到两个极限位置中的其中一个和/或者另一个极限位置的过程中，直接和/或者间接测量导向叶片所处的位置。

7.根据权利要求5或者6中至少一项所述的方法，其特征在于：在将导向叶片调整到两个极限位置中的其中一个以及/或者另一个极限位置中的过程中，当为此所需的作用力和/或者导向叶片所处的位置与设定位置之间的差值超过设定的极限值时，就对废气涡轮机的运转进行限制或者阻止其运转。

8.根据上述权利要求4～7中任一项所述的方法，其特征在于：在废气涡轮增压器运转之前、运转过程中以及/或者运转之后，将导向叶片多次调整到两个极限位置中的其中一个和/或者另一个极限位置中。

Images