CN102459843A - 多级涡轮增压器安排 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多级涡轮增压器安排(1)，该安排具有一个高压涡轮增压器(20)，该高压涡轮增压器具有一个涡轮机壳体(26A)、一个轴承壳体(27A)、一个压缩机壳体(28A)；并且具有一个低压涡轮增压器(21)，该低压涡轮增压器具有一个涡轮机壳体(26B)、一个轴承壳体(27B)、一个压缩机壳体(28B)；其中这些涡轮机壳体(26A，26B)配备有一个用于引导排气的整合的内壳(23)。

Description

多级涡轮增压器安排
技术领域
本发明涉及根据权利要求1前序部分所述的一种用于内燃发动机的多级涡轮增压器安排。
背景技术
从现有技术已知的常规多级涡轮增压器安排一般由至少两个串联安排的涡轮增压器构成。在所述系统中、特别是在关闭的高压涡轮机旁路阀的下游处发生的排气泄露阻止了涡轮增压器安排在所有运行状态下最佳地起作用。在现有技术中，所述泄露得以防止是在于所使用的旁路阀在阀座处具有非常轻微的泄露。在现有技术的多级涡轮增压器安排中，这些多级涡轮增压器安排具有一个空气间隙以便减小排气流动管道与涡轮机壳体之间的热传递，并且这些多级涡轮增压器安排具有同样被空气间隙所环绕的一个高压涡轮机旁路阀，但在关闭的高压涡轮机旁路阀的下游还是会通过这个环绕着高压涡轮机旁路阀的空气间隙而发生可观的排气泄露。
发明内容
因此本发明的一个目的是提供一种其效率相对于已知的涡轮增压器安排得到改进的多级涡轮增压器安排。
所述目的是通过权利要求1的这些特征来实现的。
多项从属权利要求涉及本发明的多个有利改进。
在这些涡轮机壳体中安排一个用于引导排气的整合的内壳因为排气至涡轮机的供应得以优化而导致了效率上的改进。此外，这就导致了在涡轮机壳体区域内排气泄露量相对于现有技术的涡轮增压器安排的急剧减小。此外，这种整合的内壳的结果是，特别有可能实现关于这些涡轮机单元和轴承单元的改进的热隔离。
附图说明
本发明的进一步的细节、特征和优点将从以下基于附图的多个示例性实施方案的说明中显现出，在附图中：
图1示出了根据本发明多级涡轮增压器安排的第一实施方案的示意性简化的图示，
图2示出了根据本发明多级涡轮增压器安排的第二实施方案的示意性简化的图示，并且
图3示出了现有技术的一种多级涡轮增压器安排的示意性简化的图示。
具体实施方式
参见图1，下面将对根据本发明的多级涡轮增压器安排1的第一实施方案进行说明。如从图1中可见，多级涡轮增压器安排1具有一个高压涡轮增压器20以及一个低压涡轮增压器21，这个高压涡轮增压器具有一个高压涡轮机4，这个高压涡轮机通过一个轴14连接到一个高压压缩机10上；以及这个低压涡轮增压器具有一个低压涡轮机6，这个低压涡轮机通过一个轴15连接到一个低压压缩机9上。高压涡轮机4和低压涡轮机6被安排在一个共用的涡轮机壳体单元26中，这个共用的涡轮机壳体单元被分为高压涡轮增压器20的一个涡轮机壳体区段26A和低压涡轮增压器21的一个涡轮机壳体区段26B。可以由于热量而膨胀的一个内壳23被插入这个涡轮机壳体单元26的内部，在这个内壳23的内部，热的发动机排气Ag流动通过这个高压涡轮机4以及这个低压涡轮机6。多级涡轮增压器安排1的所述第一实施方案的这种内壳23具有一个全向的密封护套23A，这个密封护套被安排在内壳23的、与这个空气间隙22相邻的这些表面上。
在内壳23的密封护套23A与涡轮机壳体单元26还与轴承壳体单元27之间形成了一个将内壳23隔离开的空气间隙22，相对于涡轮机壳体单元26和轴承壳体单元27而言，这个内壳被发动机排气A加热。此外，这个涡轮机壳体单元26和轴承壳体单元27分别具有在它们中形成的多个冷却管道24和25用于一种在其中流动的冷却剂，这就降低了涡轮机壳体单元26和轴承壳体单元27的温度或者将所述温度保持在一个水平上，这个水平在涡轮增压器安排1的所有运行状态下都是可容许的。
高压涡轮增压器20的涡轮机壳体区段26A中还形成了高压涡轮机4的一个旁路5，这个旁路5具有一个调节阀5a，借助这个调节阀，在调节阀5a打开时，发动机排气A旁路经过这个高压涡轮机4。此外，在低压涡轮增压器21的涡轮机壳体区段26B中形成了一个废气门安排7，在废气门安排7的内部安排有一个废气门阀7a。当废气门阀7a打开时，发动机排气A的流动的一部分可以旁路经过这个低压涡轮机6并且直接流动进入一个排气管8中(见图3)。
高压涡轮增压器20的轴14和低压涡轮增压器21的轴15被安装在一个共用的轴承壳体单元27中，这个共用的轴承壳体单元由高压涡轮增压器20的一个轴承壳体区段27A以及低压涡轮增压器21的一个轴承壳体区段27B组装而成。
高压涡轮增压器20的高压压缩机10和低压涡轮增压器21的低压压缩机9被安排在一个共用的压缩机壳体单元28中，这个共用的压缩机壳体单元由高压涡轮增压器20的一个压缩机壳体区段28A以及低压涡轮增压器21的一个压缩机壳体区段28B组装而成并且通过一个压缩机盖29来关闭。如从图1的图示中可见，高压压缩机10也是部分地形成在这个轴承壳体单元27中并且低压压缩机9也是部分地形成在压缩机盖29中。
如同样从图1中可见的，空气L经过在压缩机盖29内形成的一个管道16从外部被供应至低压压缩机9，这个管道16在其进一步的轮廓上是形成于低压压缩机9与高压压缩机10之间的这个压缩机壳体单元28之中、并且延伸过这个轴承壳体单元27、这个压缩机壳体单元28以及在高压压缩机10下游的这个压缩机盖29。此外，一个压缩机旁路管道11形成于压缩机盖29中、在高压压缩机10的区域内，这个压缩机旁路管道11包括一个压缩机旁路阀11a。穿过所述压缩机旁路管道11，增压空气L可以全部或部分地围绕这个高压压缩机10来引导，以便防止高压压缩机10在大的空气流动量下减压。
共用的涡轮机壳体单元26、轴承壳体单元27以及压缩机壳体单元28的这些基本上平行于彼此地形成的连接表面通过螺钉连接、焊接连接、粘合连接和/或夹钳连接而彼此连接，虽然这在图1中未展示出。
在内壳23带有相对于周围的空气间隙22全向的密封护套23A的情况下，高压涡轮机4的旁路5中的这个调节阀5a就被整合到内壳23之中，这样使得当调节阀5a被关闭时，基本上没有排气可以不穿过高压涡轮机4就从高压涡轮机4上游的一个区域A穿入高压涡轮机4下游的一个区域C中。
此外，低压涡轮机6的废气门阀7a被整合到内壳23之中，这样使得当废气门阀7a被关闭时，基本上没有排气可以不穿过低压涡轮机6就从低压涡轮机6上游的一个区域C穿入低压涡轮机6下游的一个区域D中。
此外，内壳23是完全密闭的，这样使得来自在高压涡轮机4上游和下游的这些区域A、B以及来自在低压涡轮机6上游和下游的这些区域C、D的排气既不能逃逸到这个周围空气间隙23的一个区域E中，所述排气也不能旁路穿过这个高压涡轮机4、或这个低压涡轮机6、或这个高压涡轮机调节阀5a、或这个低压涡轮机旁路阀7a、或是逸出到环境中。内壳23被设计为使其可以按一种依赖于热量的方式来膨胀和收缩，以便对于在一个温度循环过程中发生的热应力进行补偿而不损失其密封能力。在此，内壳23必须能够进行最大可能的热膨胀。
此外，内壳23的所有部件以及以下这些连接处，即内壳23的这些不同部件彼此邻接以及内壳23开始和终止的连接处，都必须经受住高压和压力冲击而不损失其密封能力。
此外，内壳23内的所有连接处都必须提供密封，即使这些热的部件的热膨胀造成了移动。
此外，内壳23的密封表面有可能根据内壳23的部件数目来进行特殊设计。
下面将参考图2来对根据本发明的多级涡轮增压器安排的第二实施方案进行说明。此处，用与图1示出的第一实施方案中的相同的参考号来表示相同的部件。第二实施方案与以上描述的第一实施方案的不同之处在于内壳23在此配备有一个部分密封护套23B，并且在高压涡轮机4的下游配备有一个气体障壁30。
在内壳23带有部分密封护套23B的所述第二实施方案中，至少这个高压涡轮机调节阀5a也有可能被整合到内壳23中。
此外，在此至少一个气体障壁30有可能被实施为使得一个流动不可能从空气间隙22在高压涡轮机4的区域中的这个区域E进入这个空气间隙22在低压涡轮机6的区域中的一个区域F之中。当高压涡轮机调节阀5a是关闭的，一个可观的压力差产生在调节阀5a的上游与下游处，并且因此在高压涡轮机4上游的区域A与空气间隙22在高压涡轮机4的区域内的区域E之间，并且还在高压涡轮机4下游的区域B与低压涡轮机上游和下游的区域C、D、F之间。由于这个气体障壁，排气就不可能经过空气间隙22在高压涡轮机4的区域中的这个区域E并且经过空气间隙22在低压涡轮机6的区域中的这个区域F而旁路穿过这个调节阀5a。
在内壳23的这种更简单且更有成本效益但不是完全无泄露的实施方案中，这个内壳在高压涡轮机4上游的区域A内以及在低压涡轮机6上游的区域C周围不具有密封护套，穿过气体障壁30从区域E到区域F的气体泄露是不可能的，但在气体障壁30上游的区域A、E与气体障壁30下游的区域C、F之间会在小程度上发生微量的泄露或压力均衡化并且因此这种泄露或压力均衡化是可接受的。
内壳23没有密封护套的这些仅仅隔离的区域A和C(在高压涡轮机上游和低压涡轮机上游)可以被设计成多个“浮动”元件，这些元件带有使其无限制地膨胀和收缩的特性。以此方式，在所述元件中仅发生轻微的热应力。
在高压涡轮机4下游的这个区域B以及低压涡轮机6下游的这个区域D周围的这个内壳23必须具有完全密封的能力，以便防止一个流动从空气间隙22的区域E(在高压涡轮机4的区域内)进入区域B(在高压涡轮机4的下游)中。所述区域B和D的尺寸或容积对应地被最小化。
此外，在内壳23内的一个“瓶颈”位置，气体障壁30被形成为使得所要求的密封表面是最小的。
此外，一个金属密封件有可能被用在这个气体障壁上，这个金属密封件可以吸收这种热膨胀但仍然会相对于冷却的邻接壳体来密闭这个内壳23。
替代地，有可能使用一种具有足够流动阻挡功能的弹性隔离材料(例如像纤维毡)来密闭在气体障壁30中的、在高压涡轮机调节阀5a的壳体周围的所要求的空气间隙23，其中也可以替代地使用具有对应的流动阻挡功能的其他材料。
还有利的是将气体障壁30的区域冷却，因为所述区域是热的内壳23与冷却的外部壳体之间相接触的主要区域之一。
这个气体障壁30优选被设计为使得一种自密封功能在运行中由高压涡轮机4上游的区域A与低压涡轮机6上游的区域C之间的压力差来辅助。
此外，这个气体障壁30可以被优选地设计以便通过一个弹簧力的压力来提供密封。
在图1和2展示的根据本发明的多级涡轮增压器安排的实施方案中，这个热的排气仅在内壳23中流动，这个内壳以一种类夹层的方式被安排在涡轮机壳体单元26与轴承壳体单元27之间，这些壳体单元具有冷却管道24和25，以便防止涡轮机壳体单元26和轴承壳体单元27的过热。冷却管道24和25也可以替代地彼此相连接。在另外的可想象的实施方案中，壳体单元26、27和28也可以与在此展示的实施方案中不同地进行划分。此外，替代地也有可能的是使所有这些壳体单元冷却或是通过一个空气间隙来使这些排气流动管道的仅仅多个部分隔离。
在这两个实施方案中，高压涡轮机4以及低压涡轮机6或低压压缩机9以及高压压缩机10可以各自具有一种可变的涡轮机几何形状，在高压涡轮机4的情况下这种几何形状在图3中按举例的方式以参考号4a表示。此外，压缩机旁路阀11a可以是一个自动的或调整的阀，并且废气门阀7a在一些安排中可以省略以节约成本。
图3示出了现有技术的一种多级涡轮增压器安排的示意性简化的图示，如用在例如柴油发动机的一种常规两级涡轮增压器系统中。此处，用与图1和图2中的相同的参考号来表示相同的部件。图3中展示的多级涡轮增压器安排10指示了发动机2的排气A从一个排气歧管3通过一个排气管8来排放的这种流动轮廓、以及吸入的空气L经一个进气管线16到发动机2的进气歧管13的这种流动轮廓。所述常规的涡轮增压器安排在大量相似的设计和变体中是已知的，而其构造在此将不会进行任何更详细的描述。
根据本发明的多级涡轮增压器安排相对于现有技术的已知涡轮增压器安排具有显著改进的效率，这是因为在涡轮机壳体的、旁路阀的以及废气门阀的这些区域中泄露被显著减小并且这些排气管道与邻接的壳体部件之间的热隔离得到进一步改进。
为补充本披露，明确地参考了本发明在图1和图2中的图示说明。
参考号清单
1    多级涡轮增压器安排
2    发动机
3    排气歧管
4    高压涡轮机
4a   可变的涡轮机几何形状
5    高压涡轮机的旁路
5a   调节阀
6    低压涡轮机
7    废气门安排
7a   废气门阀
8排气管
9低压压缩机
10高压压缩机
11压缩机旁路管道
11a压缩机旁路阀
12增压空气冷却器
13进气歧管
14高压涡轮增压器的轴
15低压涡轮增压器的轴
16管道
20高压涡轮增压器
21低压涡轮增压器
22空气间隙
23内壳
23A全向的密封护套
23B部分密封护套
24涡轮机壳体单元中的冷却管道
25轴承壳体单元中的冷却管道
26涡轮机壳体单元
26A高压涡轮增压器的涡轮机壳体区段
26B低压涡轮增压器的涡轮机壳体区段
27轴承壳体单元
27A高压涡轮增压器的轴承壳体区段
27B低压涡轮增压器的轴承壳体区段
28压缩机壳体单元
28A高压涡轮增压器的压缩机壳体区段
28B低压涡轮增压器的压缩机壳体区段
29压缩机盖
30气体障壁
Ag发动机排气
L  吸入的空气

Claims (11)

1.一种多级涡轮增压器安排(1)，
具有一个高压涡轮增压器(20)，该高压涡轮增压器具有
一个涡轮机壳体(26A)，
一个轴承壳体(27A)，
一个压缩机壳体(28A)；并且
具有一个低压涡轮增压器(21)，该低压涡轮增压器具有
一个涡轮机壳体(26B)，
一个轴承壳体(27B)，
一个压缩机壳体(28B)；其中
这些涡轮机壳体(26A，26B)配备有一个用于引导排气的整合的内壳(23)。
2.如权利要求1所述的多级涡轮增压器安排(1)，其中该内壳(23)被一个空气间隙(22)环绕。
3.如权利要求1或2所述的多级涡轮增压器安排(1)，其中该内壳(23)具有一个全向的密封护套(23A)。
4.如权利要求3所述的多级涡轮增压器安排(1)，其中该密封护套(23A)被安排在该内壳(23)的、与该空气间隙(22)相邻的那些表面上。
5.如权利要求1所述的多级涡轮增压器安排(1)，其中该内壳(23)配备有一个部分密封护套(23B)，并且在该高压涡轮机(4)的下游配备有一个气体障壁(30)。
6.如权利要求1所述的多级涡轮增压器安排(1)，其中这些涡轮机壳体(26A，26B)是结合的以便形成至少一个涡轮机壳体单元(26)，和/或
其中这些轴承壳体(27A，27B)是结合的以便形成至少一个轴承壳体单元(27)，和/或
其中这些压缩机壳体(28A，28B)是结合的以便形成至少一个压缩机壳体单元(28)。
7.如权利要求6所述的多级涡轮增压器安排(1)，其中该涡轮机壳体单元(26)、该轴承壳体单元(27)以及该压缩机壳体单元(28)通过一种螺钉连接、焊接连接、粘合连接或夹钳连接而彼此相连接。
8.如权利要求1至7之一所述的多级涡轮增压器安排(1)，其中该高压涡轮增压器(20)的一个高压涡轮机(4)具有一个带旁路阀(5a)的整合的旁路(5)。
9.如权利要求1至8之一所述的多级涡轮增压器安排(1)，其中该低压涡轮增压器(21)的一个低压涡轮机(6)具有一个整合的废气门安排(7)。
10.如权利要求1至9之一所述的多级涡轮增压器安排(1)，其中该轴承壳体单元(11)配备有至少一个冷却管道(20)。
11.如权利要求1至10之一所述的多级涡轮增压器安排(1)，其中该涡轮机壳体单元(10)配备有至少一个冷却管道(21)。
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