CN101218415B - 废气涡轮增压器中的废气涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种废气涡轮增压器(2)中的废气涡轮机(3)，该废气涡轮机(3)设置有可转动地支承在壳体内的涡轮(14)，可通过进气道(16)将排气输送给所述涡轮，并且使排气能通过出口通道(13)排出废气涡轮机(3)。协同作用的导向叶栅(17)和轴向滑板件(19)在从进气道到涡轮的过渡处设置在涡轮机进口横截面(15)中。导向叶栅固定地安装在壳体上，轴向滑板件设置在面向出口通道的一侧上。涡轮机进口横截面的固定在壳体上并且背向出口通道的分界壁(24)与涡轮叶片轴向齐平。

Description

废气涡轮增压器中的废气涡轮机

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的废气涡轮增压器中的废气涡轮机。

背景技术

文献EP0654587B1描述了一种用于内燃机的废气涡轮增压器，该废气涡轮增压器的废气涡轮机设置在内燃机的排气管路中而压缩机设置在进气管路中，其中废气涡轮机的涡轮由处于一定压力下的排气驱动且所述转动运动通过一根轴传递给压缩机的增压器转子，由此环境压力下的燃烧用空气在该增压器转子中被压缩至一增大的进气压力。废气涡轮机设有可变的涡轮几何形状/几何特征，并包括在涡轮机进口横截面中、在进气道和涡轮之间轴向可动的导向叶栅，通过该导向叶栅涡轮机进口横截面可在最小的阻塞位置和最大的打开位置之间调节。可变的涡轮几何形状使得可以根据当前发动机状态和运行状态可变地调节排气背压。

涡轮机进口横截面中的导向叶栅被保持在可动地支承在壳体的凹部中的轴向滑板件上。轴向滑板件的一个壁形成涡轮机进口横截面的两个侧面分界壁之一。当轴向滑板件运动时，导向叶栅的自由端侧移入涡轮机壳的相对的凹部中。根据轴向滑板件的轴向位置，来调节较大或较小的有效涡轮机进口横截面。

涡轮机进口横截面的形成于轴向滑板件上的可调节的分界壁位于涡轮机的背向废气涡轮机的出口通道的支承侧上。当涡轮机进口横截面完全打开时，轴向滑板件上的分界壁位于与涡轮叶片的轴向端侧对齐的位置。反之，当涡轮机进口横截面减小时，轴向滑板件上的分界壁相对于涡轮叶片的端侧轴向缩进，因此进气道和涡轮之间的流动状况显著地改变了。

WO2004/048755A1公开了一种具有废气涡轮机的废气涡轮增压器，排气能通过进气道被供应给该废气涡轮机，带有导向叶片的固定导向叶栅被设置在从进气道到涡轮的过渡处。另外，在轴向方向上在涡轮机进口横截面中设置有轴向滑板件，通过该轴向滑板件能设定有效涡轮机进口横截面。该轴向滑板件同时还形成环绕涡轮径向接合的轮廓衬套。

一旁路内置在轴向滑板件中，在打开状态时，该旁路允许将排气直接从进气道排出到出口通道中而迂回绕过涡轮。该旁路为固定涡轮机壳的一个壁中的通道，并且由轴向滑板件的外侧面界定。当轴向滑板件完全缩进时，该通道一端与进气道连通，另一端与在出口通道内开口的排泄开口相连通。反之，当轴向滑板件被部分或完全地推入涡轮机进口横截面时，通向进气通道的排泄开口被轴向滑板件关闭。

当轴向滑板件完全打开时，通过旁路和排泄开口直接流入出口通道的排气一开始时被径向地引导到旁路中，随后必须在轴向滑板件的外侧面偏转90°到轴向，此后又转90°回到径向以能通过排泄开口流出。由于所述排气多次偏转，不可能给排气施加能改进流动特性并因此也提高效率的漩涡。

WO2004/113686A1也提出了一种废气涡轮增压器中的废气涡轮机，该废气涡轮机具有被轮廓衬套径向包裹的涡轮，流出开口形成于该轮廓衬套中。轴向滑板件位于轮廓衬套上，并可动地安装在轮廓衬套上，其中，当轴向滑板件处于缩进位置时，排泄开口被打开，排气能从进气道流出，直接进入废气涡轮机的出口通道，而迂回绕过涡轮。

但是，在所述废气涡轮机中没有设置在涡轮机进口横截面中的导向叶栅。两个相互临近且相互隔离的进气道设置在涡轮机壳中，这些进气道由轴向滑板件依次打开或关闭。缺少导向叶栅导致来自进气道的排气冲击涡轮而不具有附加的漩涡。

发明内容

本发明基于以下问题，即，给出一种废气涡轮增压器中的废气涡轮机，该废气涡轮机具有带有轴向滑板件的导向叶栅的形式的可变的涡轮几何形状/几何特征，并且其特征为在宽的运行范围内都有利的流动情况。本发明还可有利地用简单的结构措施来实现废气涡轮机的排泄功能(Abblasefunktion)。

根据本发明，所述问题通过权利要求1的特征来解决。从属权利要求给出有利的改进构型。

在根据本发明的废气涡轮机中，延伸进入涡轮机进口横截面的导向叶栅与壳体固定地安装，其中可以通过轴向滑板件的运动来调节有效涡轮机进口横截面。轴向滑板件布置在面向通过出口通道排出排气的该出口通道的一侧上，导向叶栅相应地在背向出口通道的一侧上位于涡轮机壳内。另外设想，涡轮机进口横截面的背向出口通道且与壳体固定的分界壁与涡轮的涡轮叶片轴向齐平地端接。由此，当轴向滑板件在阻塞位置的方向上关闭时，只留下位于涡轮进口的面向涡轮机支承侧的那部分上方的有效涡轮机进口横截面。所述特征使本发明不同于由现有技术已知的实施例，在已知的实施例中，流动通道的面向支承侧的分界面轴向可动而面向出口通道的分界面是固定的。

利用根据本发明的设计，很容易实现排泄功能，该排泄功能例如通过以下方式实现，即，当轴向滑板件处于缩进位置时——也就是说，当涡轮机进口横截面增大时——直接在进气道和出口通道之间打开排泄路径，通过该排泄路径排气能基本上迂回绕过涡轮叶片地流出。以这种方式实现了所谓的内部排泄，该内部排泄可以例如在发动机转速高时被激活以减小排气背压。可以通过轴向滑板件的轴向位置来无级地调节排出量。

轴向滑板件有利地做成铸件，该铸件在端侧区域具有用于接纳与壳体固定的导向叶栅的接收开口。所述接收开口的深度和轴向滑板件相对于导向叶栅的相对位置这样有利地设计，即，即使轴向滑板件完全被缩进，导向叶栅上的导向叶片仍然在接收开口中被引导。

在一个优选的实施例中，轴向滑板件安放在且可动地支承在包住涡轮的轮廓衬套上。所述轮廓衬套由于被固定和不可动地安装在涡轮机壳中，所以能以最可能的方式与涡轮的轮廓相匹配，因而涡轮叶片和轮廓衬套内侧之间的缝隙被最小化并大大地避免空气流量损失。在另一个有利的实施例中，轮廓衬套具有至少一个排泄开口，该排泄开口至少在轴向滑板件处于最大打开位置时是打开的，从而排气能直接从进气道进入出口通道。导向叶栅有利地轴向延伸超过轮廓衬套中的排泄开口，使得即使当轴向滑板件缩进而排泄开口打开时，流出的排气必须首先经过导向叶栅，并且从导向叶栅获得被施加的漩涡，该漩涡改善涡轮机出口横截面处的流动情况，因而即使是在排泄运行中也提高了效率。

附图说明

从进一步的权利要求、附图说明以及附图中可以得到其它的优点和有利的实施例。在附图中：

图1是带有废气涡轮增压器的内燃机的示意图，该废气涡轮增压器的废气涡轮机配有可变的涡轮几何形状；

图2示出废气涡轮增压器的废气涡轮机处于使涡轮机进口横截面最小的阻塞位置处的一个截面，其中，在涡轮机进口横截面中具有固定的导向叶栅，该导向叶栅与可动的轴向滑板件协同作用；

图3示出轴向滑板件完全缩进时的废气涡轮机的局部放大图，此时涡轮机进口横截面最大；

图4示出废气涡轮机中的轮廓衬套以及带有导向叶片的固定导向叶栅的视图，该轮廓衬套中设有排泄开口；

图4a示出导向叶栅的端侧的视图；

图4b示出导向叶栅沿着图4a的A-A线的剖视图。

具体实施方式

图中，相同的部件配设有相同的附图标记。

图1中示出的内燃机1配备有废气涡轮增压器2，该内燃机1特别是指汽油机，但有时也可指柴油内燃机，该废气涡轮增压器2包括内燃机的排气管路4中的废气涡轮机3和进气管路6中的压缩机5。由处于一定压力的内燃机排气驱动的涡轮可转动地支承在废气涡轮机3中。所述转动运动通过轴7传递给压缩机5中的增压器转子，由此环境压力下的燃烧用空气被吸入并且被压缩至一增大的进气压力。

废气涡轮机3配有可变的涡轮几何形状/几何特征8，该可变的涡轮几何形状8特别是设计成伸入有效涡轮机进口横截面并带有协同作用的轴向滑板件的导向叶栅，其中轴向调节轴向滑板件会引起有效涡轮机进口横截面在最小的阻塞的位置和最大的打开的位置之间变化。

在压缩机5的下游，在进气管路6中设有增压空气冷却器9，所供给的燃烧用空气在该增压空气冷却器9中被冷却。冷却的增压空气随后被输送给内燃机1的气缸。

另外，内燃机1设有排气再循环装置10，该排气再循环装置10包括一在废气涡轮机3上游的排气管路4和增压空气冷却器9下游的进气管路6之间的再循环管路。一排气冷却器和一可调节的调节阀位于所述再循环管路中。

通过调节和控制单元11，根据状态量和运行量来调节内燃机的所有可调节的单元，特别是可变的涡轮几何形状8和排气再循环装置10中的调节阀。

图2以剖视图示出废气涡轮机3。可转动地支承在壳体内的涡轮14通过轴7与增压器转子不可相对转动地联接。排气通过设计在涡轮机壳12内的螺旋形的进气道16输送给废气涡轮机3，该进气道16设计成单向流动的。在径向包围涡轮14的进气道16和涡轮14之间形成一涡轮机进口横截面15，导向叶栅17的导向叶片18伸入该涡轮机进口横截面15中。所述导向叶栅17与壳体固定地设置。导向叶片18保持在一轴向滑板件19的接收开口中，该轴向滑板件19位于轮廓衬套20上，并且在该轮廓衬套上轴向可动。轴向滑板件19通过调节元件21轴向调节。轮廓衬套20包围或包裹涡轮14的涡轮叶片，并且与涡轮叶片的轮廓相匹配。在轮廓衬套20的壁中设有分布在其圆周上的排泄开口22，当轴向滑板件19处于轴向缩进位置——所述轴向缩进位置对应于有效涡轮机进口横截面15的最大打开位置——时，这些排泄开口打开，使得打开了一条直接从进气道16经过导向叶片18到出口通道13的排泄路径，而迂回绕过涡轮叶片。

在图2的图解中，排泄开口22被处于使有效涡轮机进口横截面15最小的阻塞位置的轴向滑板件19遮盖；在所述位置不可能通过这些排泄开口22进行排气，而是位于进气道16中的排气必须走经过涡轮机进口横截面15直接到涡轮14的涡轮叶片的流动路径。

在图3的废气涡轮机3的放大的图解中，轴向滑板件19处于其完全缩进的位置，在该位置处有效涡轮机进口横截面15具有最大值。涡轮机进口横截面15由两个侧面分界壁24和25界定，其中第一分界壁24是导向叶栅17的组成部分，而相对的第二分界壁25由轴向滑板件19的端侧形成。在所述轴向滑板件19的缩进位置，尽管导向叶片18的端侧末端仍然位于轴向滑板件的接收开口23中，但是同时经过排泄开口22的流动路径按照箭头26的方向被打开了，从而排气能从进气道16经过轮廓衬套20中的排泄开口22迂回绕过涡轮叶片而直接流入出口通道13。

从图3还可看出，导向叶栅17上的固定导向叶片轴向延伸进入排泄开口22的区域，使得流经的排气被迫走经过导向叶片18的流动路径，由此排出的排气被形成一个漩涡，该漩涡改善特别是在废气涡轮机出口的区域内的流动情况。

涡轮机进口横截面15的与壳体固定且是导向叶栅17的固定组成部分的分界壁24位于背向出口通道13的一侧上，而包括端侧分界壁25在内的轴向滑板件19设置在涡轮机进口横截面的面向出口通道13的一侧上。分界壁24与涡轮叶片的轴向端侧轴向齐平。分界壁24相对于与涡轮机转子的转动轴线垂直的径向平面略微地倾斜，倾斜角在0°至大约30°的范围之间。

如图4、图4a和图4b所示，导向叶片18的外端侧部段27设置成不同于其它部段的轮廓外形，并且特别是相对于其它部段径向地凹陷。所述导向叶片18的外部段27轴向延伸直到达到排泄开口22的位置。当轴向滑板件19缩进时，排泄开口22被打开，排气能通过这些排泄开口流出。当经过导向叶片18时，排气被施加一个正向漩涡(Mitdrall)，该漩涡对于涡轮机出口处的流动情况是有利的，并且由此导致了排泄运行中的涡轮机效率的提高。

有效涡轮机进口横截面15在轴向滑板件19的轴向路径上的形状可以通过导向叶片的外部段27的径向缩进来适应发动机工作特性的要求。

另外，通过使用轮廓衬套20，可有利地使涡轮叶片的径向外轮廓从轴向长度上看被构造成可变的。根据一有利的实施例，涡轮叶片的出口直径与入口直径的比值TRIM设置在0.6和0.85之间的范围内。在这种情况下，涡轮叶片的出口直径比入口直径小，这有助于动量增强地传递到涡轮上。

Claims (4)

1.一种废气涡轮增压器(2)中的废气涡轮机，所述废气涡轮机具有可转动地支承在壳体中的涡轮(14)，废气通过进气道(16)被输送给所述涡轮，该废气能通过出口通道(13)排出废气涡轮机(3)，所述废气涡轮机具有涡轮机进口横截面(15)，所述涡轮机进口横截面(15)在从进气道(16)到涡轮(14)的过渡处形成于两个侧向分界壁(24，25)之间，并且在内部设置有导向叶栅(17)和与导向叶栅(17)协同作用且轴向可调节的轴向滑板件(19)，涡轮机进口横截面(15)的分界壁(24，25)中的一个设计成可动的并由轴向滑板件(19)形成，并且导向叶栅(17)与壳体固定地安装在涡轮机进口横截面(15)中，轴向滑板件(19)设置在面向出口通道(13)的一侧上，而且涡轮机进口横截面(15)的背向出口通道(13)的和壳体固定的分界壁(24)与涡轮(14)的涡轮叶片轴向齐平，并且当轴向滑板件(19)处于缩进位置时，在涡轮机进口横截面(15)和出口通道(13)之间的排泄路径(26)被打开，其特征在于，轴向滑板件(19)位于并可动地支承在包裹涡轮(14)的轮廓衬套(20)上；在轮廓衬套(20)中设有至少一个排泄开口(22)，当轴向滑板件(19)处于最大的打开位置时，所述排泄开口被打开，并且当轴向滑板件(19)处于使有效涡轮机进口横截面(15)最小的阻塞位置时，所述排泄开口被关闭；导向叶栅(17)轴向地延伸直到达到排泄开口(22)的位置，并且当轴向滑板件(19)处于最大打开位置时，导向叶栅(17)仍然具有与排泄开口(22)的交叠。

2.根据权利要求1所述的废气涡轮机，其特征在于，导向叶片(18)位于排泄开口(22)上方的那部分具有轮廓部段(27)，所述轮廓部段将导向叶片轮廓的弦长缩短达30％。

3.根据权利要求1或2所述的废气涡轮机，其特征在于，涡轮机进口横截面(15)的与壳体固定的且与涡轮叶片轴向齐平的分界壁(24)相对于与涡轮机转子的转动轴线垂直的径向平面形成一个小于30°的角度。

4.根据权利要求1或2所述的废气涡轮机，其特征在于，涡轮叶片的出口直径与入口直径的比值TRIM在0.6和0.85之间的范围内：0.6＜TRIM＜0.85。

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