CN103348116A - 具有冷却的涡轮机壳体和减小的压力损失的废气涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种废气涡轮增压器，其具有一涡轮机壳体，所述涡轮机壳体具有一冷却剂入口通道和一冷却剂出口通道。所述涡轮机壳体包括一冷却剂分配区域和一冷却剂汇合区域，在所述冷却剂分配区域中分配所述冷却剂，在所述冷却剂汇合区域中所述冷却剂再次汇合。不仅在所述冷却剂分配区域中而且在所述冷却剂汇合区域中分别布置一锥形的导向体。

Description

具有冷却的涡轮机壳体和减小的压力损失的废气涡轮增压器

技术领域

本发明涉及一种废气涡轮增压器，其具有一冷却的涡轮机壳体。

背景技术

废气涡轮增压器用于改进内燃机的效率且因此提高其功率。废气涡轮增压器为此具有一带有涡轮的涡轮机和一带有压缩机轮的压缩机，其中，两个工作轮布置在一共同的轴上。所述涡轮在此经由一联接的内燃机的废气质量流进行驱动并且又驱动所述压缩机轮。所述压缩机压缩所吸入的新鲜空气并且将其向内燃机输送。所述共同的轴支承在所述增压器的轴承壳体中。此外，所述涡轮机的涡轮布置在一涡轮机壳体中并且所述压缩机的压缩机轮布置在一压缩机壳体中。

这种废气涡轮增压器在运行中要满足对于内燃机或者说对于联接的马达的不同的要求。所述要求之一在于，接收高温，所述高温例如会由于增压器壳体中的热的废气质量流而出现。

在此情况下，常见的废气涡轮增压器的结构设有单独的壳体，它们分别由一种与在此产生的温度相匹配的材料构成。在此情况下，压缩机壳体通常由铝制成，而轴承壳体由灰口铸铁制成，其中，所述轴承壳体额外地也可以水冷却地实施。所述涡轮机壳体一般来说由于在该区域中产生的高温而由耐高温的镍合金制成。由于针对单个的壳体的相匹配的、不同的材料，所述壳体构造成单独的部件，它们相互连接且此外在此情况下必须相互密封。

耐高温的镍合金代表了一种显著的成本因素。这样，所述涡轮机壳体由于较高的材料费用而占据了废气涡轮增压器的总费用的最大的单项。

图1示出了近五年来针对镍和铝的价格走势。用于涡轮机壳体的廉价的铸铁材料、例如铝合金的使用大大降低了废气涡轮增压器的总费用。这些材料当然比镍合金的耐温性要差很多。

为了不超过最大许可的材料负载，可以经由内燃机的冷却循环来进行所述废气涡轮增压器的主动的冷却。但在此情况下，必须确保在接入到内燃机的冷却循环中的废气涡轮增压器中出现的冷却剂的压力损失尽可能小。

发明内容

因此本发明的任务在于，提出一种废气涡轮增压器，在所述废气涡轮增压器中减小了冷却剂的压力损失。

该任务通过一具有在权利要求1中记载的特征的废气涡轮增压器解决。本发明的有利的设计方案和改进方案在从属权利要求中记载。

根据本发明的废气涡轮增压器具有一涡轮机壳体，其具有一冷却剂入口通道和/或一冷却剂出口通道。在所述涡轮机壳体中设置一冷却剂分配区域和/或一冷却剂汇合区域，在所述冷却剂分配区域中通过冷却剂入口通道运送的冷却剂被分配，或者说在所述冷却剂汇合区域中冷却剂被汇合成一个共同的冷却剂出口流。此外，在所述冷却剂分配区域和/或所述冷却剂汇合区域中分别布置一锥形的导向体，其使冷却剂流体最佳化。

具有在权利要求1中记载的特征的废气涡轮增压器具有如下优点，流过所述涡轮机壳体的冷却剂的压力损失被减小。其还具有如下优点，在所述涡轮机壳体的冷却接入到内燃机的冷却循环中的情况下产生的额外的费用很小。在所述涡轮机壳体的冷却接入到内燃机的冷却循环中的情况下，所述涡轮机壳体的冷却系统与所述内燃机的冷却系统串联。在所述涡轮机壳体的冷却系统中产生压力损失的情况下，会对所述内燃机的冷却系统造成影响。例如必要的是，采用一种功率更强的冷却剂泵。一种替选的解决方案在于，针对所述涡轮机壳体的冷却系统采用一种独立于所述内燃机的冷却系统的冷却系统。但两种前述的替选方案以不希望的方式产生了额外的费用。在采用根据本发明的废气涡轮增压器的情况下避免了该额外的费用。

本发明的另一个优点在于，由于所采用的锥形的导向体，在所述涡轮机壳体的冷却剂入口的区域中和在冷却剂出口的区域中的流体几何尺寸比在已知的冷却系统的情况下相对于制造公差更加牢固。所述导向体的张开角（Öffnungswinkel）原则上保持得尽可能小，用以避免松脱。所述导向体的高度可在通过所述涡轮机壳体的冷却罩的厚度所预设的边界（Schranken）内自由选择，并且可以以有利的方式如此选择，使得流过所述涡轮机壳体的冷却剂的压力损失最小化。

附图说明

本发明的其它有利的特性从下面的参照附图2-8的阐述中给出。其中：

图2 示出了用于说明废气涡轮增压器的立体草图，该废气涡轮增压器具有一泄压阀和一水冷却的涡轮机壳体，

图3 示出了用于说明在涡轮机壳体的冷却的情况下的压力损失的减小的图表以及由此产生的对于内燃机的冷却循环的正影响，

图4 示出了废气涡轮增压器的草图，在该废气涡轮增压器的涡轮机壳体中将冷却剂分配成两个冷却剂分支通道，其中一个冷却剂分支通道朝所述涡轮机壳体的冷却罩引导并且另一个冷却剂分支通道朝所述涡轮机壳体的冷却剂分支出口引导，

图5 示出了用于说明锥形的导向体的草图，

图6 示出了涡轮机壳体的一部分的截面图，所述部分具有一冷却剂分配区域，

图7 示出了用于阐述所述锥形的导向体的尺寸设计的草图以及

图8 示出了一图表，在该图表中说明了在涡轮机壳体中产生的压力损失和锥形的导向体的高度之间的相关性。

具体实施方式

图2示出了用于说明废气涡轮增压器的立体草图，该废气涡轮增压器具有一泄压阀和一水冷却的涡轮机壳体。

在图2中展示的废气涡轮增压器具有一压缩机壳体9、一轴承壳体10和一涡轮机壳体11。

在所述压缩机壳体9中以常见的方式布置一压缩机轮，所述压缩机轮布置在一共同的轴上。在所述涡轮机壳体11中以常见的方式布置一涡轮，所述涡轮布置在所述共同的轴上。所述共同的轴支承在所述轴承壳体10中，所述轴承壳体定位在所述压缩机壳体9和所述涡轮机壳体11之间。在所述废气涡轮增压器的运行中，将所述涡轮经由一联接的内燃机的废气质量流进行驱动并且就所述涡轮而言经由所述共同的轴驱动所述压缩机轮。所述压缩机压缩所吸入的新鲜空气并且将其向内燃机输送。

所述压缩机壳体9具有一新鲜空气入口1和一新鲜空气出口2，通过所述新鲜空气入口将新鲜空气从周围环境吸入到所述废气涡轮增压器中，通过所述新鲜空气出口将压缩的新鲜空气输出用于传递到所述内燃机处。此外，所述压缩机壳体9设有一从图2中不可见的疏导空气阀（Schubumluftventil）。该疏导空气阀在所述废气涡轮增压器的运行中具有如下任务，在负的载荷跃变的情况下打开一围绕所述压缩机的旁通管，从而能够排出过量的装载压力。

所述轴承壳体10具有一冷却剂入口7b和一冷却剂出口8a。在所述废气涡轮增压器的运行中，所述冷却剂通过所述冷却剂入口7b进入到所述轴承壳体10中。在所述废气涡轮增压器的运行中，所述冷却剂通过所述冷却剂出口8b从所述轴承壳体10中输出。所述轴承壳体10的冷却剂入口7b与一软管7连接，通过所述软管将冷却剂从所述涡轮机壳体11向所述轴承壳体10传送。所述轴承壳体10的冷却剂出口8b与一软管8连接，通过所述软管将从所述涡轮机壳体10输出的冷却剂向所述轴承壳体11回流。

所述涡轮机壳体11具有一废气入口3、一废气出口4、一冷却剂入口5、一冷却剂出口6、一泄压阀12、一冷却剂分支出口16和一冷却剂回流入口17。所述废气入口3与所述内燃机的废气出口连接，所述废气涡轮增压器是隶属于所述内燃机的，从而在运行中通过所述废气入口3，所述内燃机的热的废气到达所述涡轮机壳体11的内部区域中。在那里通过一布置在所述涡轮前面的蜗形体引导所述废气且之后驱动所述涡轮。所述废气又经由所述共同的轴来驱动布置在所述压缩机壳体中的压缩机轮。通过与所述机动车的催化器连接的废气出口4，所述废气又从所述涡轮机壳体11中离开。

通过布置在所述涡轮机壳体11的下侧面上的冷却剂入口5，在所述废气涡轮增压器的运行中所述冷却剂、例如冷却水进入。所述冷却剂通过所述涡轮机壳体的冷却罩流动并且最后通过设置在所述涡轮机壳体11的上侧面上的冷却剂出口6又从所述涡轮机壳体11中输出。通过所述冷却剂将所述涡轮机壳体11主动地冷却，所述涡轮机壳体在所述废气涡轮增压器的运行中由于其在热的废气流中的定位被暴露在高温下。通过所述冷却剂入口5在所述涡轮机壳体的下侧面上的布置以及所述冷却剂出口6在所述涡轮机壳体的上侧面上的布置，以有利的方式实现了所述冷却剂的自动脱气。防止了可能阻止冷却剂流的气泡在所述涡轮机壳体内部附着。

为了调节所述涡轮的功率，将一泄压阀12集成到所述涡轮机壳体11中。所述泄压阀具有一泄压阀瓣，其可以根据当前的需要或多或少地打开，用以将热的废气的所希望的部分在环绕所述涡轮的情况下直接引向所述废气出口4。所述泄压阀瓣的打开位置的调节通过一调节器14来进行，所述调节器在外地固定在所述涡轮机壳体11上并且经由一联接杆与一测压计13连接。

此外，在图2中所示的涡轮机壳体11具有一冷却剂分支出口16，所述冷却剂分支出口与所述软管7连接。在所述冷却剂分支出口16处，提供在所述涡轮机壳体11内部分支出的冷却剂并且通过所述软管7经由所述轴承壳体10的冷却剂入口7b传送到所述轴承壳体中。此外，在图2中所示的涡轮机壳体11具有一冷却剂回流入口17，所述冷却剂回流入口与所述软管8连接。通过所述冷却剂回流入口17将从所述轴承壳体10输出的冷却剂回流到所述涡轮机壳体11中。

所述涡轮机壳体的冷却系统以如下方式被接入到所述内燃机的冷却循环中，使得所述内燃机的冷却循环和所述涡轮机壳体或者说所述废气涡轮增压器的冷却循环相互串联。由此确保了在所述内燃机的整个运行区域上的足够高的冷却质量流，只要在所述涡轮机壳体或者说所述废气涡轮增压器的冷却系统中出现的冷却剂的压力损失很小。根据本发明，提供一种废气涡轮增压器，其中，确保了在所述涡轮机壳体或者说所述废气涡轮增压器的冷却系统中出现的冷却剂的压力损失很小。这在本发明中通过如下方式实现，即在所述涡轮机壳体的冷却剂入口和冷却剂出口之间的压力损失通过在所述涡轮机壳体的外部的冷却剂接口附近的、所述冷却剂的特殊的流体引导被最小化。这具有对于所述内燃机的整个冷却循环的正效应。

图3说明了该效应。在此情况下，在图3中所示的图表是沿着所述冷却剂的体积流VS的横坐标以及沿着压力P的纵坐标来绘制的。如果所述冷却剂泵的耗用功率（Leistungsaufnahme）保持不变并且所述涡轮机壳体冷却的压力损失下降，则同时所述冷却质量流升高。针对所述冷却剂泵的特性曲线KMP和所述冷却的涡轮机壳体TG的交点从0）向2）移动。相反，如果马达的冷却质量流在所述涡轮机壳体中的冷却损失减小的情况下保持恒定，则同时所述冷却剂泵的耗用功率下降。针对所述冷却剂泵的特性曲线和所述冷却的涡轮机壳体的交点从0）向1）移动。总体上，从不具有涡轮机壳体冷却的废气涡轮增压器到具有优化的涡轮机壳体冷却的废气涡轮增压器的过渡仅需要对于所述马达的冷却系统的很小的改变。在理想情况下甚至可以继续采用迄今存在的内燃机的冷却剂泵，从而通过将所述废气涡轮增压器的冷却循环接入到所述内燃机的冷却循环中充其量会产生很小的额外费用。

在根据本发明的废气涡轮增压器的情况下，所述涡轮机壳体在其冷却剂入口附近具有一冷却剂分配区域并且在其冷却剂出口附近具有一冷却剂汇合区域。在所述冷却剂分配区域中进行所述冷却剂到所述涡轮机壳体的冷却罩上的分配。在此情况下，根据另一种实施方式，以如下方式进行所述冷却剂的分配，使得所述冷却剂分支通道中的一个冷却剂分支通道向所述涡轮机壳体的冷却罩供给冷却剂并且另一个冷却剂分支通道将冷却剂经由所述涡轮机壳体的一冷却剂分支出口运送到所述压缩机壳体处，如在图2中原理性说明。

不仅在所述冷却剂分配区域中，而且在所述冷却剂汇合区域中，分别设置一优化所述流体引导的锥形的导向体，如下面还参照图5-8阐述。

图4 示出了废气涡轮增压器的草图，在该废气涡轮增压器的涡轮机壳体中将冷却剂分配成两个冷却剂分支通道，其中一个冷却剂分支通道朝所述涡轮机壳体的冷却罩引导并且另一个冷却剂分支通道朝所述涡轮机壳体的冷却剂分支出口引导。

所示的废气涡轮增压器具有一涡轮机壳体11和一与所述涡轮机壳体连接的轴承壳体10。所述涡轮机壳体11具有一冷却剂入口5，在所述废气涡轮增压器的运行中通过所述冷却剂入口向所述涡轮机壳体输送冷却水。所述冷却水例如由所述内燃机的冷却系统提供。

此外，所述涡轮机壳体11具有一冷却剂出口6，在所述废气涡轮增压器的运行中通过所述冷却剂出口输出所述冷却水。从所述涡轮机壳体输出的冷却水例如被回流到所述内燃机的冷却系统上。

此外，在所述涡轮机壳体11内部设置一冷却罩23，在所述冷却罩内部在所述废气涡轮增压器的运行中传送冷却剂，用以足够地冷却所述涡轮机壳体的组成部分，特别是泄压阀阀座和涡轮机蜗形体。

所述冷却剂入口5与一冷却剂入口通道5a连接。所述冷却剂出口6与一冷却剂出口通道6a连接。

在一冷却剂分配区域5b中，从设置在所述冷却剂入口5和所述冷却罩23之间的冷却剂入口通道5a分支出第一冷却剂分支通道5d和第二冷却剂分支通道5e。所述冷却剂分支通道5d与所述涡轮机壳体的冷却罩23连接，所述冷却剂分支通道5e直达所述涡轮机壳体的一冷却剂分支出口16。在所述涡轮机壳体的冷却剂分支出口16和所述轴承壳体10的冷却剂入口7b之间布置一连接软管7。

所述冷却剂从所述轴承壳体10的冷却剂入口7b经由所述轴承壳体的冷却剂入口通道18继续引导到所述轴承壳体的冷却罩22处。离开所述冷却罩22的冷却剂经由所述轴承壳体的冷却剂出口通道19传递到所述轴承壳体的冷却剂出口8a处。从那里将所述冷却剂经由一连接软管8回流到所述涡轮机壳体的冷却剂回流入口17处。所述涡轮机壳体的冷却剂回流入口17经由所述涡轮机壳体的冷却剂回流通道6e与所述涡轮机壳体的冷却剂汇合区域6b连接。所述涡轮机壳体的冷却罩23经由一冷却剂回流通道6d同样与所述涡轮机壳体的冷却剂汇合区域6b连接。在所述冷却剂汇合区域6b中，经由所述冷却剂回流通道6d和6e回流的冷却剂汇合且之后经由所述涡轮机壳体的冷却剂出口通道6a向所述涡轮机壳体的冷却剂出口6输送并且从那里出来回流到所述内燃机的冷却循环中。

不仅在所述冷却剂分配区域5b中，而且在所述冷却剂汇合区域6b中，分别设置一优化所述流体引导的锥形的导向体15，如下面还参照图5-8阐述。

图5示出了用于说明这种锥形的导向体15的草图，根据本发明，其不仅设置在所述涡轮机壳体的冷却剂分配区域5b中，而且也设置在所述涡轮机壳体的冷却剂汇合区域6b中。

所需的用于一具有冷却的涡轮机壳体的废气涡轮增压器的冷却质量流是比较高的。利用外部的冷却剂接口进行的在废气涡轮增压器的冷却的涡轮机壳体中的冷却剂流体的试验表明，在产生的压力损失方面，两个区域具有特别大的影响。不仅是围绕所述冷却剂入口的区域而且是围绕所述冷却剂出口的区域。这基于如下事实，即这些区域代表了具有提高的流体速度的狭窄部位，通过所述狭窄部位必须传导用于所述涡轮机壳体的总的冷却质量流。在进入以后或者说在离开以前，所述冷却剂流体被更强烈地分配并且具有更小的流体速度。由于所述压力损失随流体速度的平方而增加，所述冷却罩相比于所述冷却剂入口和所述冷却剂出口产生小得多的压力损失。因此，在所述冷却剂入口以及在所述冷却剂出口中的流体引导被优化。为了总体上改进在这些区域中的流体引导，根据本发明采用锥形的导向体。所述导向体使得所述流体几何尺寸相对于制造公差更坚固并且降低了压力损失。所述导向体的张开角原则上保持得尽可能小，用以避免松脱。所述安装空间的几何条件很大程度地规定了所述张开角。所述导向体的高度可在通过所述冷却罩的厚度限定的边界内自由选择。所述锥形的导向体的高度的变化，如在图5中说明，导致了针对整个涡轮机壳体的具有最小化的压力损失的锥体高度的优化。

图6示出了根据另一个实施例的涡轮机壳体的一部分的截面图，其中，所述涡轮机壳体具有一冷却剂分配区域。在该实施例中，经由所述涡轮机壳体的冷却剂入口5向所述涡轮机壳体输送的冷却剂通过所述涡轮机壳体的冷却剂入口通道5a向所述冷却剂分配区域5b输入，并且在那里分配到所述涡轮机壳体的冷却罩23上。在所述冷却剂分配区域5b中设置一锥形的导向体15。此外，在该实施例中设置一冷却剂分支通道5e，经由该冷却剂分支通道例如将所述冷却剂针对所述废气涡轮增压器的轴承壳体进行分支。利用附图标记3标记了所述涡轮机壳体的废气入口。在图6中所示的锥形的导向体15负责使所述冷却剂限定地进入到所述涡轮机壳体的冷却罩中且因此将所述压力损失最小化。

图7示出了用于阐述所述锥形的导向体15的尺寸设计的草图。在此情况下，利用字母D表示所述冷却剂入口通道5a的入口横截面或者说所述冷却剂出口通道6a的出口横截面，利用字母α表示所述冷却剂入口通道的张开角，利用标记H₁表示所述锥形的导向体15的高度，以及利用标记H₂表示所述锥体侧壁（Kegelflanken）的流体横截面。

图8示出了一图表，在该图表中说明了在涡轮机壳体中产生的压力损失和所述导向体15的高度之间的相关性。在此情况下，沿着横坐标绘制了无量纲的锥体高度h并且沿着横坐标绘制了同样无量纲的总压力损失PV。所述总压力损失基于直接在所述导向体上的流体横截面D中的动压。显而易见的是，在所述锥形的导向体15的高度h变化的情况下，得出了针对压力损失的不同的值并且存在优化的区域，在这些区域中压力损失最小化。作为优选的区域求得：

0.47 ≤ H₂/D ≤ 0.54

以及

0.28 ≤ H₁/D ≤ 0.41

其中：

H₁ 为所述导向体15的高度；

D 为所述冷却剂入口通道5a或者所述冷却剂出口通道6a的流体横截面以及

H₂ 为在所述锥体侧壁处的流体横截面

Claims (9)

1.废气涡轮增压器，其具有一涡轮机壳体（11），所述涡轮机壳体具有一冷却剂入口通道（5a）和/或一冷却剂出口通道（6a），其特征在于，

在所述涡轮机壳体（11）中设置一冷却剂分配区域（5b），在所述冷却剂分配区域中将通过所述冷却剂入口通道（5a）运送的、所述涡轮机壳体的冷却剂进行分配，和/或

在所述涡轮机壳体（11）中设置一冷却剂汇合区域（6b），在所述冷却剂汇合区域中将所述冷却剂汇合成一共同的冷却剂出口流，并且

在所述冷却剂分配区域（5b）中和/或在所述冷却剂汇合区域（6b）中分别布置一锥形的导向体（15）。

2.按照权利要求1所述的废气涡轮增压器，其特征在于，在所述涡轮机壳体（11）中设置一冷却罩（23），所述冷却罩经由一冷却剂分支通道（5d）被供给冷却剂，并且将所述冷却剂输出到一冷却剂回流通道（6d）处。

3.按照权利要求1所述的废气涡轮增压器，其特征在于，一冷却剂分支通道（5e）与所述涡轮机壳体（11）的一冷却剂分支出口（16）连接，和/或一冷却剂回流通道（6e）与所述涡轮机壳体的一冷却剂回流入口（17）连接（图4）。

4.按照前述权利要求中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述锥形的导向体（15）的张开角（α）位于90°和110°之间的范围中。

5.按照权利要求4所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述锥形的导向体的张开角为100°。

6.按照前述权利要求中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，针对锥体侧壁上的流体横截面与所述冷却剂入口通道的流体横截面的比例适用下面的关系：

0.47 ≤ H₂/D ≤ 0.54，其中，

H₂为所述锥体侧壁上的流体横截面，以及D为所述冷却剂入口通道的流体横截面。

7.按照前述权利要求中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，针对锥体侧壁上的流体横截面与所述冷却剂入口通道的流体横截面的比例适用下面的关系：

0.47 ≤ H₂/D ≤ 0.54，其中，

H₂为所述锥体侧壁上的流体横截面，以及D为所述冷却剂出口通道的流体横截面。

8.按照前述权利要求中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，针对所述导向体的高度与所述冷却剂入口通道的流体横截面的比例适用下面的关系：

0.28 ≤ H₁/D ≤ 0.41，其中，

H₁为所述导向体的高度，以及D为所述冷却剂入口通道的流体横截面。

9.按照前述权利要求中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，针对所述导向体的高度与所述冷却剂入口通道的流体横截面的比例适用下面的关系：

0.28 ≤ H₁/D ≤ 0.41，其中，

H₁为所述导向体的高度，以及D为所述冷却剂出口通道的流体横截面。

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