CN101074613B - 以重油为燃料的活塞式内燃机的废气涡轮增压器的导向器 - Google Patents

Abstract

一种特别用于以重油为燃料的活塞式内燃机的废气涡轮增压器的轴流式涡轮机的导向器，包括若干导流叶片(1)，且导流叶片以围绕旋转轴(A)转动的方式支持于废气涡轮增压器进气壳的第一壳体部分(2)之中。导向器具有一个安装于导流叶片(1)和进气壳第二壳体部分(6)之间且可以沿着旋转轴(A)的方向朝向第一壳体部分(2)预紧的补偿环(5)。

Description

以重油为燃料的活塞式内燃机的废气涡轮增压器的导向器

技术领域

本发明涉及一种用于以重油为燃料的活塞式内燃机废气涡轮增压器的涡轮机导向器。

背景技术

内燃机的废气流向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轮，由压缩轮将压缩后的新鲜空气送入内燃机，这样就可提高内燃机的效率。通过导向器将废气导向涡轮机的叶片，以便以最理想地转换其压力能。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 10311 205 B3 US 4,804,316公布了用于可变涡轮机几何形状的径流式涡轮的导向器，其中可以对导向器的叶片进行调整，以便对废气流进行控制。以下所说的“控制”同样也包括“调节”，也就是根据理论参量和实际参量来规定控制参量。

导流叶片安装在流道之中，且可相对于第一壳体部分和第二壳体部分进行摆动，以便对废气流进行控制；导流叶片可旋转地安装于第一壳体部分之中，第二壳体部分在旋转轴方向位于第一壳体部分的对面。第一壳体部分和导流叶片之间，以及导流叶片和第二壳体部分之间的间隙，有使得导流叶片出现溢流的危险，从而对废气流的转向以及废气涡轮增压器的效率形成不利影响。由于各个部件的材料、尺寸和工作温度不同，其热膨胀也有所不同，因此就有可能会产生或者放大这些间隙。

废气涡轮增压器中的压力越高，这种危险性就越大，二冲程柴油发动机上尤其存在这种情况。当压力较高时，主要使用的是具有轴流式涡轮机的废气涡轮增压器，其中的导流叶片扭转成一个弯曲的圆柱面。与可以在两个盘之间调整的导流叶片的径流式涡轮机相比，这种复杂的几何形状使得间隙问题更为突出，从而尤其是带有配有可调导向器的二冲程柴油发动机的轴流式涡轮机的增压器，可能会出现在导流叶片与构成流道的壳体部分之间的间隙上的溢流问题。

DE 103 11 205 B3针对径流式涡轮机提出了下列建议：即通过碟形弹簧组的作用，使得以可转动且可轴向运动的方式安装于第一壳体部分中的导流叶片沿着其旋转轴朝向第二壳体部分预紧。由于每一个导流叶片均要配一组碟形弹簧，这种解决方案不仅制造和装配成本较大，而且由于各弹簧组存在误差，不可能保证所有导流叶片均有同样大的预紧力。

在US 4,804,316中，所涉及的同样也是一种径流式涡轮机，其中导流叶片以可转动但轴向固定的方式安装于第一壳体部分之中，第一壳体部分整体以轴向可运动的方式安装，并且通过碟形弹簧使其朝向第二壳体部分预紧。但是长度大于导流叶片的定距支撑同时也会阻止其紧靠在第一和第二壳体部分上，因此无法密封导流叶片和第一或第二壳体部分之间的间隙。除此之外还有一个缺点，即碟形弹簧必须使得第一壳体部分与安装于其中的导流叶片一起运动。这样就会使弹簧承受负荷，并可能会导致由第一壳体部分以及安装于其中的导流叶片和碟形弹簧所构成的弹簧质量系统有不希望的固有频率。此外，用来使导流叶片转动的调整装置还必须平衡产生的第一壳体部分的轴向运动。

发明内容

本发明的任务在于：实现一种用于以重油为燃料的活塞式内燃机的废气涡轮增压器的涡轮机的导向器，将流道与其中的导流叶片之间的间隙高度减小。

为解决该任务通过一种用于废气涡轮增压器的涡轮机的导向器解决。该导向器具有若干导流叶片，且导流叶片以围绕其旋转轴可转动的方式支承于废气涡轮增压器进气壳的第一壳体部分之中；导向器包括补偿环，补偿环安装于导流叶片和进气壳第二壳体部分之间，并且可以沿旋转轴的方向朝向第一壳体部分预紧。

本发明所述的导向器包括若干导流叶片，用来将以重油为燃料的活塞式内燃机的废气流导向涡轮叶片。这些导流叶片均可以围绕旋转轴转动地安装于废气涡轮增压器的进气壳中的流道之中，并且可以通过调整装置使其围绕相应旋转轴转动，以此来改变流道中的流动状态，尤其是改变流向涡轮叶片的气流。

导流叶片以可转动的方式支承于废气涡轮增压器进气壳的第一壳体部分中。轴承可以包括滚动轴承和/或者滑动轴承。第一壳体部分最好是进气壳的组成部分，或者以不可轴向运动和/或者不可转动的方式与其连接在一起。调整装置最好安装于第一壳体部分中或者安装于其上，例如调整装置可以包括一个能够围绕涡轮轴转动的调整环，当通过调整杆使调整环相对于第一壳体部分转动时，就会使得各个导流叶片分别围绕其旋转轴摆动。在这方面所参考的是DE 10 2006 023 661以及DE 100 13 335 A1，其内容也被采纳于本申请之中。

根据本发明，所述的导向器包括一个补偿环，其安装于导流叶片和进气壳第二壳体部分之间，且可以沿着旋转轴朝向第一壳体部分预紧。

通过沿着旋转轴朝向第一壳体部分的预紧，将补偿环并且通过补偿环将导流叶片压向第一壳体部分，从而减小导流叶片以及将导流叶片支承于其中的第一壳体部分之间的间隙。同时也会减小导流叶片和补偿环之间的间隙，从而使导流叶片在流道的彼此对置的两侧上的溢流得以减少或者阻止其发生。

有利的是可以通过补偿环给所有导流叶片施加基本上相同的预紧力。此外，制造与装配成本也比单一预紧的导流叶片明显降低。优选地可以将调整装置安置于固定的第一壳体部分中，这可特别简化其进行连接和支撑。可以省去支承有导流叶片的第一壳体部分与流道之间的密封装置，或者设计成更为简单的结构。

最好使补偿环相对于第二壳体部分进行密封。因为这一壳体部分和补偿环没有导流叶片的轴承，可以更为简单、可靠地设计这种密封装置的构造。

由于通过补偿环将作用力施加在导流叶片位于轴承对面的一侧，因此也可减少与轴承共同作用的调整装置发生自锁的危险。

径流式涡轮机中旋转轴最好基本上平行于涡轮轴，从而在两个平盘之间使导流叶片摆动。轴流式涡轮机中导流叶片旋转轴最好基本上呈径向，并且与涡轮轴构成70°～110°、优选80°～100°范围内的角度，最好是基本上等于90°的角度。

径流式涡轮机中补偿环最好可以沿着涡轮轴方向预紧。例如可以将其以可以在涡轮轴方向上可移动地安装于进气壳的第二壳体部分中，且最好使其相对于该壳体部分密封。同样也可以将其设计成可以沿着该方向弹性变形的形式。

本发明所述的导向器尤其适用于轴流式涡轮机。补偿环最好能够基本上沿着径向变形，以便对流道的径向延伸和导流叶片的延伸之间的差别进行补偿，这一差别是由于导流叶片的和第一壳体部分的以及进气壳第二壳体部分的热膨胀不同而产生的。

可以通过补偿环的弹性或塑性伸长以及收缩来实现这种变形。补偿环最好具有一个贯通的开口，当补偿环沿径向伸展时，此开口就会沿圆周方向扩大。为了使补偿环产生变形，尤其是在与开口相邻的范围内产生变形，补偿环可以在贯通的开口中具有沿圆周方向相互重叠的边缘。这些边缘可在补偿环伸展时相互滑移，使得与开口相邻的部分以滑动支承的形式导引。

当补偿环已相对于第二壳体部分密封时，有利的是将相互重叠的边缘设计成密封唇。这样就会使很少或者根本没有废气从补偿环与第二壳体部分之间的流道，或者从补偿环的开口中流出，而是尽可能将其全部送入涡轮机。反过来则可以通过补偿环与第二壳体部分之间的压力流体，以液压或者气动方式将补偿环预紧，且流体不会泄漏到流道之中。

除此之外，补偿环的液压或者气动预紧还具有在补偿环圆周上对其均匀施加作用的优点。此外，还可以通过所使用的流体(例如空气、液压油等)的热膨胀，对补偿环的预紧特性进行调整。例如当选用热膨胀系数较高的流体时，其受热时的膨胀程度要大于周围的部件，尤其是补偿环和第二壳体部分，因此预紧力会随着工作温度的升高而增大。因此即使当废气涡轮机的负荷较高且废气压力和废气温度均较高时，也能可靠阻止导流叶片发生溢流。补偿环的气动和特别是液压预紧的另一个优点就在于所使用的流体的阻尼特性，其可以降低补偿环相对于第二壳体部分的振动，例如可以由此来克服导流叶片所感生的起振原因。还有一个优点就在于能够通过调整确定的流体压力，很容易将预紧力调整到规定的值。

正因为有这些原因，液压或者气动预紧方式均同样有对于径流式涡轮机或者轴流式涡轮机是有利的。为了实现预紧，可以在补偿环和第二壳体部分之间设计一个压力腔，压力流体在其中将补偿环从第二壳体部分朝向第一壳体部分预紧。

附加或选择地也可以在机械方式使补偿环沿着旋转轴方向朝向第一壳体部分预紧，例如通过碟形弹簧或者类似装置。这种机械预紧具有相对可靠的优点，尤其是对补偿环和第二壳体部分之间的泄漏不敏感。

最好适当选择补偿环的预紧，使其能够在运行过程中所有出现的温度范围内，将导流叶片朝向第一壳体部分张紧。由于各个部件具有不同的热膨胀特性，且受热情况不同，从理论上来说，由于热导流叶片和流道之间的间隙会出现变化。因此在运转开始时，废气直接大面积吹向体积较小的导流叶片，其升温速度要比第一和第二壳体部分以及补偿环更快。在运行过程中，温度保持均衡；而当负荷减小时，进气壳储存热量的时间长于迅速冷却的导流叶片。如果预紧力选择适当，使得即使当流道与导流叶片之间在热负荷作用下出现最大容差时，预紧也能将补偿环压向导流叶片，就可阻止通过导流叶片和流道之间的间隙的溢流。反之还可优选地选择用来预紧补偿环的弹簧刚度，使得即使当流道与导流叶片之间在热负荷作用下出现最小容差时，导流叶片也能保持运动不受阻碍。特别是可以通过选择流体和流体流量，设定液压或者气动预紧装置的预紧力和弹簧刚度。

为了对导流叶片和第一壳体部分的不同热膨胀进行补偿，有利的是导流叶片以沿着旋转轴方向可运动的方式支承于第一壳体部分中，且可以在该方向中离开第一壳体部分。被预紧的补偿环在位于轴承对面的一侧压向导流叶片，并且阻止这里出现溢流。通过补偿环在对面一侧的加载，将导流叶片朝向第一壳体部分充分预紧，并且也在导流叶片的这一侧阻止溢流发生。有利地，导流叶片的轴能够被密封导流叶片用该轴以可旋转和轴向运动的方式支承于第一壳体部分之中。

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实施例中阐述。附图以及部分示意图如下：

图1是根据本发明设计的一种导向器的俯视图；

图2所示是沿附图1中的直线II-II剖开的导向器局部剖面图；

图3所示是附图2的上部放大图；

图4所示是沿附图2中的直线IV-IV剖开的导向器局部；

图5所示是沿附图1中的直线V-V剖开的导向器局部；

图6是附图4中所示补偿环的局部放大图。

具体实施方式

图1所示是根据本发明设计的一种导向器的俯视图，该导向器用于以重油为燃料的活塞式内燃机(图中并未显示)废气涡轮增压器(图中并未显示)的轴流式涡轮机，内燃机的形式是一种二冲程柴油发动机。该导向器包括多个导流叶片1，且导流叶片以可围绕旋转轴A转动的方式安装于侧导向环2形式的第一壳体部分中。

外侧导向环2以图中并未详细显示的方式与涡轮增压器的进气壳固定相连，例如用螺丝连接，并且局部限定流经废气涡轮增压器的废气的流道，导流叶片1以可摆动的方式安装于流道之中。

通过采用使导流叶片1围绕其旋转轴A摆动的方式，可以通过柴油发动机的废气对流向废气涡轮增压器涡轮机的气流进行调整，尤其是可以改变加载涡轮机的废气流的流量和方向。

每一个导流叶片1均分别通过一个调整杆3.1与调整环3.2相连，调整环3.2围绕涡轮轴B旋转，使得各导流叶片1围绕其旋转轴A摆动。调整杆3.1和调整环3.2构成调整装置3。

为了防止废气通过外侧导向环2中的导流叶片1的轴承从流道中流出，或者阻止废气从扩压器壳体中回流到流道之中，在气流下游一个密封盖4用螺丝与外侧导向环2固定在一起，并且卡在进气壳以及与其相连的扩压器壳体之间。这样就能有利地基本上可控地全部废气通过导流叶片1送入涡轮机，使得涡轮机能够将大部分废气能量转换成废气涡轮机的压缩功。

尤其是密封盖4构造简单地阻止气流通过导流叶片的轴承围绕导向器从旁路流出。

导流叶片也可以沿径向运动的方式支承于外侧导向环2之中。调整杆3.1以不可转动且不可轴向运动的方式与导流叶片1的轴固定在一起，以不可转动且不可轴向运动的方式与调整环3.2连接在一起的销栓3.3穿过调整杆上的孔，当导流叶片1在其旋转轴A的方向上移动时，调整杆3.1就在销栓3.3上沿径向滑动。如图2和图3所示，导流叶片1的旋转轴A和销栓3.3的纵轴并非精确垂直于涡轮轴B，而是与其略微倾斜。

导向器包括一个内侧导向环5形式的补偿环，补偿环位于导流叶片1和固定环6形式的进气壳的第二壳体部分之间。固定环也用螺纹与废气涡轮增压器的进气壳固定在一起。

可以沿径向将内侧导向环5朝向外侧导向环2预紧。在固定环6和以径向可运动的方式安装于其上的内侧导向环5之间有一种流体，例如空气或者液压油，加注在内侧导向环5和固定环6之间所限定的压力腔7之中。在如图所示的实施例中，压力腔7与周围环境，尤其是流道之间基本密封地封闭，而在本实施例的一种变型中，也可以将流体连续送入压力腔之中，然后流体再从这里流出到流道之中。例如可以将由废气涡轮增压器压缩后的新鲜空气送入压力腔。

内侧导向环5可以沿径向运动，该导向环可以弹性变形且具有一个贯通的开口8(图4)，相对的边缘在圆周方向上具有咬边9(图6)。

在未变形、未装配的状态下，这两个边缘被径向间隙隔开(附图6)。进行装配时，将内侧导向环5径向压紧，使得这两个边缘沿圆周方向相对重叠(图4)。此时咬边9相互咬合。

这样一方面有利地可防止在装配时弹性预紧的内侧导向环5意外回弹并简化装配。另一方面还能以机械方式，也就是通过弹性变形使内侧导向环5以该方式径向预紧。由于弹性预紧力，内侧导向环5沿着径向向外伸展的倾向，这种弹性预紧力将会与压力腔7中的压力流体共同发挥作用，从而既可以用机械方式，也可以用液压或者气动方式使得内导向环5沿径向向外预紧。除此之外，这两个咬边还构成一个密封唇，密封唇可减少或者阻止流体从压力腔7流出，或者阻止废气侵入到压力腔7之中。

在位于咬边9对面的一侧上，虽然每一个边缘均已去除了毛刺，以减少装配时受伤的危险，但边缘还是锐边。这样不仅能提高密封唇的密封作用，也有用于从内侧导向环5上刮去废气流中的异物颗粒在开口8中形成的沉积物。

特别如图5所示，内侧导向环5至少在一个部位上以不可旋转和不可轴向运动的方式与固定环6连接在一起。RB螺栓10旋入到固定环6之中，螺栓杆沿径向穿过内侧导向环5中的孔。这样有利于进行装配。通过在螺栓杆和孔之间进行适当配合，就可以减少或者阻止流体从压力腔7中漏出。以相应的方式也可使内侧导向环的端面(图5中左侧，右侧)相对于固定环6或者(图中并未显示的)进气壳密封。

要将压力腔充满时，可将RB螺栓10适当旋出，使螺栓杆露出内侧导向环5中的孔。可以通过这个孔以所需的压力将流体注入到压力腔之中，然后再旋入RB螺栓10将其重新封闭。

导向器的零件具有不同的热膨胀特性。因此在废气涡轮增压器开始运转时，高温废气流首先大面积加载较薄且体积较小的导流叶片1，并使其迅速升温。此时导流叶片的径向膨胀程度也相对较大。废气流仅以比较小的表面积比例吹向其中支承有导流叶片1且体积较大的外侧导向环2，因此该导向环的径向膨胀程度并不强烈，固定环6也是如此。在运转过程中，这两个零件之间将会形成温度平衡。运转结束之后，体积较大的外侧导向环2和固定环6储存热量的时间比导向叶片长，并且收缩速度相应慢于散热面积比较大的导流叶片1。因此零件在热负荷作用下径向膨胀的程度差别很大。如果零件是用热膨胀系数不同的材料制成的，则径向膨胀差别就会放大。

在所述的设计型式中，导流叶片1能眵沿其旋转轴A在外侧导向环2轴承中移动，因此可补偿这些差别。

在位于外侧导向环2对面的一侧上，通过内侧导向环5使导流叶片1朝向外侧导向环2沿径向预紧，也就是向外沿径向预紧。此时一方面会产生机械预紧力，因为内侧导向环5在装配时由其未变形状态(图6)在径向被压紧，所以具有沿径向回位的倾向。另一方面压力腔7中处于压力下的液压油或者处于压力下的空气又会产生液压或者气动预紧。

选择补偿环的预紧，从而其可在运行过程中整个所出现的温度范围内，将导流叶片1压向外侧导向环2。这样一方面可将导流叶片1和内侧导向环5之间的间隙传力连接地减小到最小程度。在对面一侧将导流叶片1压向外侧导向环2，从而在此将导流叶片和导向环之间的间隙也减小到最小程度。这样减少或者阻止导流叶片1的径向内侧或外侧端面上出现溢流。

当导流叶片1、外侧导向环2、内侧导向环5以及固定环6在运转过程中因受热而出现不同程度的膨胀时，导流叶片1就可以在其轴承中沿旋转轴A径向移动，并补偿这些差距。通过总是预紧的内侧导向环5的加载，将外侧导向环2和导流叶片1之间的间隙以及导流叶片1和内侧导向环5之间的间隙减小到最小程度。

在此调整装置3不必相对于外侧导向环2运动，这明显简化了支撑以及导流叶片1的轴承密封。此外还可减少导流叶片1在其轴承中自锁咬死的危险，或者减少调整杆3.1由于通过内侧导向环5在轴承对面一侧上的加载而在销栓3.3上发生自锁咬死的危险。

内侧导向环5在运转过程中会改变其半径，且因此而改变其周长，以便对导向器零件的不同热膨胀进行补偿。此时相互重叠的边缘会在开口8中(附图4)沿圆周方向相向移动。在此有利地可以刮去废气流中的异物优选在开口8中形成的沉积物，并且由废气流将其带走。这样就可以防止沉积物积聚、由其是固着而影响内侧导向环5的径向运动。

附图标记

1   导流叶片

2   外侧导向环(第一壳体部分)

3   调整装置

3.1 调整杆

3.2 调整环

3.3 销栓

4   密封盖

5   内侧导向环(补偿环)

6   固定环(第二壳体部分)

7   压力腔

8   开口

9   咬边

10  RB-螺栓

A   旋转轴

B   涡轮轴

Claims (11)

1.用于废气涡轮增压器的涡轮机的导向器，具有若干导流叶片(1)，且导流叶片以围绕其旋转轴(A)可转动的方式支承于废气涡轮增压器进气壳的第一壳体部分(2)之中；其特征在于：导向器包括补偿环(5)，补偿环安装于导流叶片(1)和进气壳第二壳体部分(6)之间，并且可以沿旋转轴(A)的方向朝向第一壳体部分(2)预紧。

2.根据权利要求1所述的导向器，其特征在于：补偿环可以在旋转轴方向上变形。

3.根据权利要求2所述的导向器，其特征在于：补偿环具有贯通开口(8)。

4.根据权利要求3所述的导向器，其特征在于：补偿环在贯通开口中具有沿圆周方向相互重叠的边缘。

5.根据权利要求4所述的导向器，其特征在于：相互重叠的边缘构成密封唇。

6.根据权利要求4或者5所述的导向器，其它特征在于：相互重叠的边缘具有相互咬合的咬边(9)。

7.根据权利要求1-5之一所述的导向器，其特征在于：可以用液压、气动和/以及机械方式使补偿环沿旋转轴方向朝向第一壳体部分预紧。

8.根据权利要求1-5之一所述的导向器，其特征在于：选择补偿环的预紧方式，使补偿环可在运行过程中所有出现的温度范围内将导流叶片朝向第一壳体部分张紧。

9.根据权利要求1-5之一所述的导向器，其特征在于：导流叶片以可以沿旋转轴方向运动的方式支承于第一壳体部分之中。

10.根据权利要求1所述的导向器，其特征在于，所述涡轮机是轴流式涡轮机。

11.以重油为燃料的活塞式内燃机的废气涡轮增压器，其具有按照上述任一权利要求所述的导向器。

Images