CN102482948B - 涡轮增压器及其导向叶片和导向叶片装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特别是用于汽车的配备有可变涡轮机几何形状的涡轮增压器39的导向叶片1，具有带有叶片底面2、叶片顶面4和叶片前边9的型材3，其中设有沿着叶片前边9延伸的凸起13，该凸起从叶片前边9朝向叶片顶面4伸展，在废气冲流导向叶片1时，该凸起在叶片顶面4上形成低压。本发明还涉及一种导向叶片装置20、一种涡轮增压器39、一种汽车和这种涡轮增压器的工作方法。

Description

涡轮增压器及其导向叶片和导向叶片装置

本发明涉及一种用于涡轮增压器的导向叶片。本发明还涉及一种导向叶片装置、一种涡轮增压器、一种汽车和这种涡轮增压器的工作方法。

DE102007018618A1记载了用于提高汽车内燃机功率的涡轮增压器的普遍公知的结构，该涡轮增压器主要由带有涡轮机轮的径流式涡轮机和设置在内燃机进气道上的离心压缩机构成，涡轮机轮被内燃机的废气流驱动，离心压缩机用于利用压缩机轮来压缩新鲜空气，该压缩机轮通过转子轴抗扭地与涡轮机轮连接。

通过涡轮机转速，或者确切地说，通过流经涡轮机的废气质量流，来预先设定离心压缩机的转速，进而设定所谓的增压压力。涡轮机多数情况下是针对内燃机的中等转速和中等功率范围而设计的。由此，通过涡轮机转动部件的足够小的惯性矩来实现涡轮增压器的快速响应特性，进而实现快速地实施汽车转向器所希望的加速。另一方面，在内燃机的中等转速和功率范围内，涡轮机高效率地运行。然而，这种设计的问题是内燃机的满载范围。在满载运行中，涡轮机的转速会急剧上升，致使转子轴的本来就受到严重的转速负荷的支撑结构受损，或者超过内燃机的允许的增压压力。这会引起严重损坏，直至内燃机损毁。

可以对涡轮增压器的转速进行控制，进而控制压缩机的增压压力，据此使用一种带有所谓的可变涡轮机几何形状（VTG）的涡轮增压器。US6,709,232记载了这种VTG涡轮增压器。VTG涡轮增压器具有径向地环绕涡轮机轮的一圈导向叶片。这些导向叶片的转轴固定在支撑环上。在支撑环的背面，导向叶片转轴具有伸到调节环中的引导轴颈。所有导向叶片通过调节环同时转动。调节环要么通过电的伺服电机运动，要么通过低压罐运动。通过叶片的迎角来控制到达涡轮机叶片上的废气的方向和流速。若导向叶片的迎角平坦，就会使得废气的进入横截面减小。但为了使得每单位时间有相同的废气质量流进入涡轮机，必须提高废气的流速。此外，废气质量流冲到涡轮机叶片上的冲角在导向叶片平坦布置的情况下要大于在导向叶片陡峭布置的情况。因而在废气量相同的情况下，导向叶片的平坦迎角相比于陡峭的迎角导致较高的涡轮机转速。由此可以针对VTG涡轮增压器通过导向叶片的迎角，既例如在汽车由静止加速时很快地实现较高的增压压力，又例如在内燃机以恒定的高速满载运行时实现减小的增压压力。VTG涡轮增压器尤其是非常广泛应用于柴油机。

作为导向叶片型材，在最简单的情况下采用型材中线笔直且厚度对称分布的型材。这种导向叶片型材的可调节性良好。但这种型材的热动力的和流体动力的效率特别是在内燃机的起动范围内有限。出于这个原因，为了优化热动力的和流体动力的效率，在VTG涡轮增压器技术中采用了各种不同的例如带有连续弯曲的型材中线、逐段弯曲的型材中线的导向叶片型材、厚度分布不对称的型材、带有S形止挡的型材等。然而视设计方案而定，这些型材在其可调节性方面各有不同的缺点。

由于废气冲流导向叶片，故在导向叶片表面上产生一定的压力分布，这种压力分布视导向叶片的角度位置而定引起作用于导向叶片的打开的或关闭的力矩。由于机械系统在一定程度上始终都有间隙，故在这种力矩逆反（Momentumkehr）的角度范围内产生叶片的不确定的角度位置。这种不确定的角度位置出于调节技术的角度应予以避免。

另外，由冲流导向叶片引起的关闭的力矩在导向叶片快要关闭时会导致一种自动增强的效应。也就是说，当叶片已快要关闭时，由于流体断面减小，使得废气流速提高。由此也提高了关闭力矩。于是在不利的情况下，用于调节导向叶片迎角的调节件无法再施加用于打开导向叶片的必需的力，进而使得涡轮增压器转速不受控制地上升。另外，这种关闭的导向叶片几何形体的紧急运行特性非常低劣，这是因为例如在调节件失灵时涡轮机转速不受控制地上升，进而使得压缩机侧的增压压力不受控制地上升。

因此要尽可能地避免上述缺点。

在这种背景下，本发明的目的在于，提供一种改进的导向叶片。

根据本发明，采用一种根据本发明的导向叶片和/或一种根据本发明的导向叶片装置和/或一种根据本发明的涡轮增压器和/或一种根据本发明的汽车和/或一种根据本发明的方法，即可实现所述目的。

据此规定：

一种特别是用于汽车的配备有可变涡轮机几何形状的涡轮增压器的导向叶片，具有带有叶片底面、叶片顶面和叶片前边的型材，其中设有沿着叶片前边延伸的凸起，该凸起从叶片前边朝向叶片顶面伸展，在废气冲流导向叶片时，该凸起在叶片顶面上形成低压。

一种用于带有可调节的涡轮机几何形状的涡轮增压器的导向叶片装置，具有：多个本发明的导向叶片；用于可转动地容纳导向叶片的容纳机构，其中所述导向叶片呈环形地设置在容纳部中，其中所述导向叶片的转轴相互平行地布置；用于相同地调节所述导向叶片的迎角的调节机构，其中该调节机构被构造为调节环；用于调整调节环的调节件；用于使得调节件与调节环连接的耦接件。

一种特别是用于汽车的带有本发明的导向叶片装置的涡轮增压器，具有：涡轮机壳体；带有涡轮机叶片的设置在涡轮机壳体中的涡轮机轮；压缩机壳体；设置在压缩机壳体中的压缩机轮；使得涡轮机轮与压缩机轮抗扭地连接的转子轴，其中通过对所述导向叶片的迎角的调整可调节涡轮机叶片的废气冲角。

一种带有这种涡轮增压器的汽车。

这种涡轮增压器的工作方法，该涡轮增压器具有多个本发明的导向叶片，其中用废气冲流多个导向叶片，使得废气仅在凸起的区域中冲流相应的导向叶片，由此在每个导向叶片的凸起区域中形成低压。

本发明的构思于是特别是在于，在导向叶片的叶片前边上设置有沿着叶片前边延伸的凸起。由于该凸起，在冲流叶片前边时，在叶片顶面上形成低压。由这种低压产生作用方向离开叶片顶面的力。

根据本发明，由此可以提供一种导向叶片，其沿着具有可变涡轮机几何形状的涡轮增压器的整个运行区域都受到具有相同作用方向的力的加载。这种力围绕导向叶片的转轴引起力矩，该力矩朝向使得可变涡轮机几何形体打开的方向。由此可以为了调整导向叶片而使用设计尺寸较小的调节件，从而可在总体上成本低廉地制得涡轮增压器。所述力沿着整个运行区域具有相同的作用方向，由此显著地改善了涡轮增压器的调节特性，这是因为在涡轮增压器的运行中并无具有不确定导向叶片位置的角度区域出现。

另外，通过本发明的导向叶片还改善了涡轮增压器的紧急运行特性，因为在调节件失灵时，通过作用于叶片顶面的力，导向叶片自动地朝向使得可变涡轮机几何形体打开的方向移动。

本发明的有利设计和改进可由说明书结合附图得到。

按照本发明的一种典型设计，凸起形成型材的跳跃式的横截面扩展部。由此保证在用废气冲流导向叶片时在叶片顶面上形成所希望的低压。

根据本发明的一种优选设计，型材具有型材中线，该型材中线确定了导向叶片的型材基本形体。在此，型材中线从在叶片前边区域中的第一圆头的第一曲率中点延伸至在与叶片前边相对的叶片后边区域中的圆端的第二曲率中点。由此能以较小的代价产生导向叶片的型材的基本形体，从而可以进一步减小本发明的导向叶片的制造成本。

据本发明的一种同样优选的设计，在凸起区域中，与型材中线间隔开地设置有第二圆头的第三曲率中点。第三曲率中点经过适当设置，使得叶片前边由第一和第二圆头构成。第二圆头在此大于第一圆头。通过设置曲率中点，确保能利用几何形状简单的形体来确定凸起形状，由此同样减小了本发明的导向叶片的制造成本。

在本发明的另一优选的设计中，在跳跃式的横截面扩展部的区域中，型材经由第二圆头大致垂直地朝向型材中线伸展，并过渡为型材基本形体。由此保证由凸起的较大型材厚度尽快过渡至型材基本形体的较小型材厚度。还在叶片顶面上产生了尽可能大的低压，由此在废气流速较小时就已经能够产生作用方向离开叶片顶面的力。这扩大了本发明的导向叶片的应用区域。

按照本发明的一种同样优选的设计，第三曲率中点设置在型材中线与叶片顶面之间。凸起参照叶片前边设置在型材的前三分之一中。由此产生围绕导向叶片转轴的尽可能大的转矩，因而确保在废气质量流较小时就已经使得可变涡轮机几何形体自动打开。

根据本发明的另一优选的设计，型材中线是直线，或者具有连续的连贯的曲率。由此可借助几何形状设计简单的型材中线制得型材基本形体，从而能简化地制造本发明的导向叶片并减小生产成本。

在本发明的一种同样优选的设计中，凸起的端边有尖棱。由此附加地改善了凸起的有关在叶片顶面上产生低压的作用，从而在冲流导向叶片的速度较小时就已经可以实现在导向叶片上产生打开的力矩。

根据本发明的另一优选的设计，凸起沿着型材的纵向从叶片前边延展型材长度的至多30%-50%，优选30%。由此确保凸起始终都引起围绕导向叶片的转轴的打开力矩而无关闭力矩。

上述设计和改进可以-只要有意义-按任意方式相互组合。

下面借助示意图中给出的实施例详述本发明。其中：

图1为本发明的导向叶片的一个实施例的示意性的剖视图；

图2为本发明的导向叶片的图1中所示的实施例的示意性的放大的剖视图；

图3为本发明的导向叶片装置的一个实施例的示意图；和

图4为本发明的废气涡轮增压器的一个实施例的示意图。

在这些附图中―只要未做其它说明，相同的构件、部件和特征标有相同的附图标记。

图1所示为本发明的导向叶片的一个实施例的示意性的剖视图。

图1首先示出带有叶片底面2和叶片顶面4的导向叶片1。叶片底面2和叶片顶面4与叶片前边9和叶片后边12一起形成导向叶片1的型材3的界限。叶片前边9即为型材3的迎流边。导向叶片1具有型材基本形体6的型材中线5。型材基本形体6的厚度对称分布。型材中线5从叶片前边9的第一圆头8的第一曲率中点7延伸至叶片后边12的圆端11的第二曲率中点10。曲率中线5在此由与型材基本形体6相切的多个圆的多个曲率中点构成。优选型材中线5具有连续的曲率。作为其替代方案，型材中线5也可以由直线构成，或者由任一其它的线形二维形状构成。导向叶片1的型材3还具有凸起13形式的跳跃式的横截面扩展部，该凸起沿着叶片前边9延伸。凸起13从构造成迎流边的叶片前边9在叶片顶面4的方向上伸展至叶片后边12。凸起13由叶片前边9上的第二圆头15确定。第二圆头15在此优选大于第一圆头8。第二圆头15的曲率中点并不位于型材中线5上。也就是说，在叶片前边9的区域中，导向叶片的型材3不同于型材基本形体6的对称的厚度分布。在导向叶片1的纵向17上，凸起13形式的跳跃式的横截面扩展部从叶片前边9最多伸展至型材3的一半。但跳跃式的横截面扩展部优选参照叶片前边9终止于型材3的前三分之一中。导向叶片1还具有转轴41，该转轴在纵向17上优选设置在导向叶片1的前三分之一中。

在内燃机的废气流到导向叶片1的构造成迎流边的叶片前边9上时，通过凸起13在叶片顶面4上形成低压部16。由该低压部16产生的力40的作用方向离开叶片顶面4，并产生围绕转轴41的转矩42。

图2所示为本发明的导向叶片的图1中所示的实施例的示意性的放大的剖视图。

图2以放大的视图示出导向叶片1的叶片前边9。为明了起见，带有第一曲率中点7的第一圆头8和带有第三曲率中点14的第二圆头15被示为圆圈。第三曲率中点14并不位于型材中线5上。优选第三曲率中点设置在型材中线5与叶片顶面4之间。参照型材3的纵向17，第三曲率中点14相对于叶片前边9优选设置在型材3的前三分之一中。凸起13的形状只要由第二圆头15产生。由于第三曲率中点14并不位于型材中线5上，故型材3在叶片前边9区域中的走势既由第一圆头8确定，又由第二圆头15确定。型材3的外轮廓从叶片底面2起，通过第一圆头8和第二圆头15并经由区段18延伸回到叶片顶面4。区段18在此优选垂直于型材中线5。从第二圆头15到垂直的区段18的过渡部19优选有尖棱。

由于区段18垂直于型材中线5，且过渡部19有尖棱，故使得从跳跃式的横截面扩展部到型材基本形体的过渡部特别短促。由此在叶片前边9处的流速较小的情况下就已经产生作用方向离开叶片顶面4的力。

图3所示为本发明的导向叶片装置的一个实施例的示意图。

图3首先示出带有用于容纳多个导向叶片1的容纳部21的导向叶片装置20。为明了起见，图3仅示出一个导向叶片1。导向叶片1具有布置在它们的转轴41上的支撑轴颈，该支撑轴颈设置在容纳部21的圆周25上。图3还示出调节件22，其形式例如为电的执行器或液压缸。调节件22通过耦接件23和在图3中未示出的调节环与导向叶片1耦接。为明了起见，在图3中，耦接件23直接与导向叶片1连接。调节件22通过数据导线26与例如汽车的发动机控制器24连接。在导向叶片装置20的中间示出了涡轮机轮27，其带有涡轮增压器的涡轮机叶片28。导向叶片1在此径向地环绕涡轮机轮27。

下面介绍导向叶片装置20和导向叶片1的工作方式。

利用调节环可以使得所有导向叶片1同时围绕其转轴41摆动。由于导向叶片1径向地环绕涡轮机轮27，故可以通过调整导向叶片1来改变流体断面，该流体断面供流到涡轮机轮27上的废气使用。通过发动机控制器24，根据内燃机的运行状态和内燃机油门踏板的位置对调节件22发出指令，使导向叶片1朝向方向43移调亦即“关闭”或者朝向方向44移调亦即“打开”。

在导向叶片1关闭时，供废气使用的流体断面减小。但为了能够有相同的废气质量流流经减小了的流体断面，将流速提高。在导向叶片1处于关闭位置时，还将实现使得废气以陡峭的冲角冲到涡轮机叶片28上。由此提高了涡轮机轮27的转速，进而提高内燃机涡轮增压器的压缩机轮的转速。由此使得增压压力和内燃机功率提高。导向叶片装置20的这种运行状态例如在汽车加速时出现。

若导向叶片1朝向方向44摆动，也就是在导向叶片1打开时，供废气使用的流体断面增大。废气流速减小，且废气流到涡轮机叶片28上的迎流角度变得平坦。涡轮机轮27的转速下降，进而使得压缩机轮的转速和内燃机的增压压力下降。这种运行状态例如当汽车在满载情况下以恒定速度快速行驶时产生。

由于在导向叶片1的叶片顶面4上通过导向叶片型材的凸起形式的跳跃式的横截面扩展部产生低压，故有转矩42朝向导向叶片1的“打开”方向施加作用。由此实现沿着涡轮增压器的整个运行区域通过转矩42促使导向叶片1打开。配备有本发明的这种导向叶片1的涡轮增压器的紧急运行特性由此得到改善，因为在调节件22或发动机控制器24失灵时，涡轮机轮27的转速会因导向叶片1打开而自动减小。此外，由于沿着涡轮增压器的整个运行区域在导向叶片1的叶片顶面上产生低压，进而产生打开的转矩42，故相比于公知的产生关闭转矩的导向叶片，防止在导向叶片接近关闭时产生所谓的自动增强的关闭效应。这种效应尤其在产生关闭转矩的导向叶片上会出现。对于这种导向叶片来说，在导向叶片接近关闭时，由于流速提高致使关闭转矩提高，使得调节件有时不能再提供用于打开导向叶片的所必需的力。因而利用本发明的导向叶片1和本发明的导向叶片装置20，可以实现沿着涡轮增压器的整个运行区域在导向叶片1上产生打开的转矩，从而显著地改善涡轮增压器的紧急运行特性。此外，基于导向叶片1的沿着涡轮增压器的整个运行区域规定的角度位置对涡轮增压器进行调节的调节特性得到了改善。

图4所示为本发明的废气涡轮增压器的一个实施例的示意图。

带有四个气缸38的内燃机37通过废气管路35与废气涡轮增压器39的涡轮机29的位于涡轮机壳体30中的涡轮机轮27在流体上耦接。涡轮机轮27通过转子轴34与压缩机轮32抗扭地连接。压缩机轮32设置在废气涡轮增压器39的离心压缩机31的压缩机壳体33中。压缩机轮32通过进气道36与内燃机37在流体上耦接。

在带有废气涡轮增压器39的内燃机37的运行中，内燃机37通过废气管路35给涡轮机轮27提供废气。通过涡轮机轮27，降低了废气的焓，并把废气的动能和热能转换成旋转能量。旋转能量通过转子轴34传递到压缩机轮32上。压缩机轮32吸入新鲜空气，对其压缩，并通过进气道36把压缩后的新鲜空气输送给内燃机37。由于在压缩后的空气体积中每单位的体积存在有更多的氧气，故在内燃机37中每单位体积的空气可以有更多的燃料燃烧。由此提高了内燃机37的输出功率。

通过本发明的导向叶片或本发明的导向叶片装置，可以实现使得废气涡轮增压器39和内燃机37以提高了的安全性和可靠性运行。此外，相比于公知的解决方案，通过本发明的导向叶片可以实现把对于移调叶片所必需的调节件设计得较小，这是因为导向叶片具有自动打开的效应，因而只需较小的力即可使其移调。

尽管已借助优选的实施例对本发明做了全面的阐述，但本发明并不局限于此，而是可以采用各种各样的方式予以改型。特别是可以把上述实施例的各个特征―只要在技术上有意义―任意地相互组合。

根据本发明的一种优选的改型，导向叶片1具有至少一个横截面缩窄部。由此可以在叶片顶面上同样产生低压。由于导向叶片1的型材3的横截面缩窄，而不是跳跃式地扩展，故可以减小型材3的型材厚度。由此减小了导向叶片1的占用空间。

按照本发明的另一优选的改型，导向叶片1具有至少两个跳跃式的横截面扩展部。

所述材料、数字说明和尺寸应做示范性理解，且仅用于阐述本发明的实施方式和改进方案。

所述导向叶片、所述导向叶片装置和所述涡轮增压器可特别有利地应用在汽车领域中，这里优选应用于轿车，例如用于柴油机或汽油机，但在需要时也可以用于任何其它涡轮增压器应用。

Claims (10)

1.一种用于汽车的配备有可变涡轮机几何形状的涡轮增压器（39）的导向叶片（1），具有带有叶片底面（2）、叶片顶面（4）和叶片前边（9）的型材（3），其中，型材（3）具有型材中线（5），该型材中线确定了导向叶片（1）的型材基本形体（6），其中型材中线（5）从在叶片前边（9）区域中的第一圆头（8）的第一曲率中点（7）延伸至在与叶片前边（9）相对的叶片后边（12）区域中的圆端（11）的第二曲率中点（10），其中设有沿着叶片前边（9）延伸的凸起（13），该凸起从叶片前边（9）朝向叶片顶面（4）伸展，其中，在凸起（13）区域中，与型材中线（5）间隔开地适当地设置有第二圆头（15）的第三曲率中点（14），使得叶片前边（9）由第一和第二圆头（8、15）构成，其中第二圆头（15）大于第一圆头（8），型材（3）经由第二圆头（15）大致垂直地朝向型材中线（5）伸展，并过渡为型材基本形体（6），从而凸起（13）在叶片顶面上形成型材（3）的跳跃式的横截面扩展部，由此在废气冲流导向叶片（1）时在叶片顶面（4）上形成低压。

2.如权利要求1所述的导向叶片，其特征在于，第三曲率中点（14）设置在型材中线（5）与叶片顶面（4）之间。

3.如权利要求1所述的导向叶片，其特征在于，凸起（13）参照叶片前边（9）设置在型材（3）的前三分之一中。

4.如权利要求1所述的导向叶片，其特征在于，型材中线（5）是直线。

5.如权利要求1所述的导向叶片，其特征在于，型材中线（5）具有连续的连贯的曲率。

6.如权利要求1-3中任一项所述的导向叶片，其特征在于，凸起（13）的端边（19）有尖棱。

7.如权利要求1所述的导向叶片，其特征在于，凸起（13）沿着型材（3）的纵向（17）从叶片前边（9）延展型材（3）长度的30%-50%。

8.如权利要求7所述的导向叶片，其特征在于，凸起（13）沿着型材（3）的纵向（17）从叶片前边（9）延展型材（3）长度的30%。

9.一种用于带有可调节的涡轮机几何形状的涡轮增压器（39）的导向叶片装置（20），具有：

根据前述权利要求中任一项的多个导向叶片（1）；

用于可转动地容纳导向叶片（1）的容纳机构（21），其中所述导向叶片（1）呈环形地设置在容纳部中，其中所述导向叶片（1）的转轴相互平行地布置；

用于相同地调节所述导向叶片（1）的迎角的调节机构，其中该调节机构被构造为调节环；

用于调整调节环的调节件（22）；和

用于使得调节件（22）与调节环连接的耦接件（23）。

10.一种用于汽车的带有根据权利要求9的导向叶片装置（20）的涡轮增压器（39），具有：

涡轮机壳体（30）；

带有涡轮机叶片（28）的设置在涡轮机壳体（30）中的涡轮机轮（27）；

压缩机壳体（33）；

设置在压缩机壳体（33）中的压缩机轮（32）；和

使得涡轮机轮（27）与压缩机轮（32）抗扭地连接的转子轴（34），其中通过对所述导向叶片（1）的迎角的调整可调节涡轮机叶片（28）的废气冲角。