CN103958854B - 二级增压装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的二级增压装置(1)，其包括高压涡轮(2)和低压涡轮(4)。其中，高压涡轮(2)构造为带有螺旋壳体(6)的径流式涡轮，而低压涡轮(4)构造为轴流式涡轮。螺旋壳体(6)具有与排气管路(10)相连接的排气进入接头(9)，排气流通过该排气管路从内燃机流向高压涡轮(2)。排气流的子排气流可在旁通装置(13)中围绕高压涡轮(2)流动并且可利用截止阀(22)进行调整。旁通装置(13)包括分支管路(15)和环形通道壳体(17)，这两者如此模制到螺旋壳体(6)处使得其一起形成一体式的构件。分支管路(15)在分支部位(14)中从排气进入接头(9)分岔并且通到由环形通道壳体(17)形成的环形通道(18)中。在分支部位(14)中布置有作为活门(23)的、调整子排气流的截止阀(22)。子排气流通过分支管路(15)流到环形通道(18)中并且从该处通过沿轴向布置的环形间隙(19)流到排气通道(20)中。在此，子排气流与从高压涡轮(2)中离开的主排气流相结合，以便一起流到低压涡轮(4)中。

Description

二级增压装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的、用于内燃机的、带有高压涡轮和低压涡轮的二级增压装置。
背景技术
现代的内燃机通常配备有二级增压装置。增压装置的第一级为高压级，第二级为低压级。在此，高压级包括高压涡轮和高压压缩机。低压级包括低压涡轮和低压压缩机。增压装置的高压级和低压级相应配备有工作轮，其包括高压涡轮转子或低压涡轮转子、相应的轴和高压压缩机转子或低压压缩机转子。在运行中，排气流从内燃机通过排气管路流到高压涡轮中并且随后通过排气通道流到低压涡轮中。在内燃机的高负载范围中，排气流如此高使得高压级的工作轮如此高速旋转，从而工作轮可由于所出现的离心力而损坏。为了防止这种情况，使排气流在排气管路中的分支部位处分成主排气流和子排气流。主排气流流到高压涡轮中，子排气流在旁通装置中环绕高压涡轮流动。旁通装置在最简单的情况下包括在分支部位处从排气管路分支的分支管路和布置在其中的截止阀。因此，在高负载范围中，在分支管路中将子排气流在高压涡轮上游从排气流分出一部分、利用截止阀进行调节并且将其在高压涡轮下游导引到排气通道中。因此流到高压涡轮中的主排气流下降，并且结果高压级的工作轮并未由此受到损坏。在旁通装置中环绕高压涡轮流动的子排气流在排气通道中与从高压涡轮中流出的主排气流相结合，以便继续流到低压涡轮中。旁通装置连同其连接到排气通道处的结构性的连接部是本发明的主要着眼点并且在下面将进行进一步说明。
从现有技术中已知示出结构上的连接部的不同的实施方式的示例。因此公开DE 10 2007 046 667 A1示出了围绕排气通道的环形通道作为连接部。根据说明，子排气流流到环形通道中、均匀地散布在环形通道中并且然后沿径向流到排气通道中。在本说明中基本上已经讨论了从一种流体到另一种流体中的流入条件的问题，但尚未最优地实现。该公开的缺点是在子排气流沿径向流到排气通道中时在环形通道的边缘处出现很强的涡流。与此相关的是很高的压力损失，并且为了均匀地流入布置在下游的低压涡轮而需要很长的排气通道以用于使结合的排气流平静下来。压力损失对于低压涡轮来说意味着很高的效率损失。布置在高压涡轮下游的环形通道和很长的排气通道导致很大的结构空间需求。效率损失和很大的结构空间需求对于内燃机来说是不利的。
从文献EP 1 710 415 A1中已知另一种现有技术。旁通装置在此包括分支管路、截止阀、联接凸缘和环形通道。在此，子排气流在高压涡轮之前的分支管路中分出一部分。为了调节子排气流，在分支管路中布置有截止阀。子排气流通过联接凸缘通到环形通道中，该环形通道螺旋形地围绕排气通道来布置。在此，此处直至直接在低压涡轮转子之前呈现出主排气流和子排气流的分离的流动引导。在此，缺点是主排气流和子排气流不可在低压涡轮之前相结合。这导致低压涡轮转子的沿径向不均匀的流入。结合子排气流的由于环形通道的螺旋形状引起的旋流而由此导致低压涡轮的更差的效率。另一缺点是旁通装置对于分支管路的管路引导和截止阀以及对于环形通道连同单独的联接凸缘的很大的结构空间需求和构件需求。
发明内容
本发明的目的在于改进子排气流从环形通道中到排气通道中的流引导方案并且以优化结构空间和构件的方式来布置旁通装置连同环形通道。
解决方案利用带有权利要求1的特征的二级增压装置来实现。在从属权利要求中示出了本发明的有利的设计方案。
根据本发明设置有用于内燃机的二级增压装置，其包括高压涡轮和低压涡轮，其中，高压涡轮构造为带有螺旋壳体的径流式涡轮，而低压涡轮构造为轴流式涡轮，其中，螺旋壳体具有与排气管路相连接的排气进入接头，排气流通过该排气管路从内燃机流向高压涡轮，其中，高压涡轮和低压涡轮面对面地布置在轴线上，并且高压涡轮的排气离开部在流动技术方面通过排气通道与低压涡轮的排气进入部相连接，其中，排气流的子排气流可在旁通装置中围绕高压涡轮来引导，其中，该旁通装置包括分支管路和环形通道壳体，其中，该环形通道壳体形成环形通道并且分支管路通到该环形通道中，其中，子排气流在高压涡轮的高压涡轮转子上游从排气流中分出一部分，并且环形通道在高压涡轮下游围绕排气通道来布置并且在流动技术方面与该排气通道相连接，从而使得离开高压涡轮的主排气流与旁通装置的子排气流在排气通道中相结合，以便继续流到低压涡轮中，其中，在旁通装置中布置有截止阀。在此，高压涡轮的螺旋壳体与环形通道壳体构造成一体。
优点是成本有利地制造仅仅一个构件以及因此同样在没有很多复杂的装配步骤的情况下进行有利的装配。附加地，单件性(例如作为铸件)使得能够实现短的且节省结构空间的结构类型，这在这方面来表现，即可如此选择由螺旋壳体形成的螺旋通道和环形通道的通道造型使得螺旋通道和环形通道的最大的截面位于一侧上。该通道造型在铸造技术方面是新型的并且在带有在流动技术方面最优的过渡部的情况下与迄今的相比通常负责子排气流的明显更好的流动引导。作为铸造技术的实施方案的结果，还得到子排气流从环形通道中更好地流动引导到排气通道中。
根据本发明的一种优选的设计方案，螺旋壳体和环形通道壳体通过共同的壁区域在端侧(stirnseitig)相连接。
根据本发明的另一优选的设计方案，高压涡轮的螺旋壳体与分支管路构造成一体。
根据本发明的另一优选的设计方案，分支管路从螺旋壳体的排气进入接头分岔并且与螺旋壳体构造成一体。
在一体式的壳体的实施方案中的优点是在其中说明的构件共存于壳体中并且该壳体例如可制成为紧凑的铸件。由此降低构件的数量并且作为结果同样降低构件在制造时高成本的加工。壳体构造成更短且更紧凑并且因此在内燃机处需要很少的结构空间。
根据本发明的另一优选的设计方案，环形通道在分支管路的流入区域中具有其最大的截面，并且该截面以流入区域为起点在环形通道的两个周向方向上减小直至在环形通道处与分支管路的流入区域相对而置的部位。
在此，优点是流到环形通道中的子排气流均匀地散布到环形通道上并且因此同样均匀且无涡旋地流到排气通道中并且与主排气流相结合。由此为低压涡轮同样均匀地加载排气，这提高了其效率。
根据本发明的另一优选的设计方案，截止阀布置在分支管路中。
在此，优点是由此实现构件的紧凑的布置方案且实现构件减少。此外，截止阀在高压涡轮处或在旁通装置中的附近的布置方案实现高压涡轮对在截止阀处进行的调整的快速且无延迟的反应。
根据本发明的另一优选的设计方案，截止阀构造成带有活门，并且该活门在分支管路的分支部位的区域中布置排气进入接头的壁中且在关闭的状态中形成用于排气流的近似沿着排气进入接头的壁轮廓的壁。
在此，优点是排气流可在活门关闭的状态中通过近似无干扰的流动轮廓流到高压涡轮中，这对于很好的效率来说是必要的。
根据本发明的另一优选的设计方案，用于离开高压涡轮的主排气流的导流面集成到形成环形通道和螺旋壳体的构件中。
在此，优点是壳体和导流面的功能由此共存于一个构件中并且形成紧凑的且节省结构空间的布置方案。
根据本发明的另一优选的设计方案，环形通道构造成带有朝低压涡轮的方向上敞开的环形间隙的环形通道，并且环形通道在流动技术方面通过该环形间隙与排气通道相连接。
在此，优点是子排气流通过该环形通道均匀地且无压力损失地朝低压涡轮的方向上流动并且由此提高低压涡轮的效率。
根据本发明的另一优选的设计方案，环形间隙的外径和排气通道的公称直径与低压涡轮的低压涡轮转子的外径一样大。
在此，优点是从环形间隙中流出的子排气流在没有值得注意的压力损失点的情况下流向低压涡轮并且在此与主排气流相结合。由此为低压涡轮加载相对很高的压力，这引起很高的效率。
根据本发明的另一优选的设计方案，环形通道壳体的沿径向位于外部的壁终止于(auslaufen)用于联接到轴流式涡轮处的补偿器的联接凸缘处。
在此，有利的是联接凸缘例如铸在环形通道壳体处。由此可在没有附加的联接构件的情况下实现直接联接补偿器，或者联接其他构件。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例并且下面对其进行进一步说明。其中：
图1显示了带有高压涡轮和低压涡轮的二级增压装置的纵截面的截段；
图2显示了沿着截面线A-A通过排气离开部、环形通道以及在开始端通过螺旋通道且通过排气进入接头、分支管路和布置在分支部位中的活门的截面；
图3如图2那样显示了沿着截面线A-A的截面，其中，活门打开；
图4显示了沿着截面线B-B通过环形间隙的截面。
具体实施方式
图1显示了带有高压涡轮2和低压涡轮4的二级增压装置1的纵截面的截段。高压涡轮2在此实施为带有由螺旋壳体6形成的螺旋通道7的径流式涡轮，低压涡轮4实施为轴流式涡轮。两个涡轮面对面地布置在轴线8上。可部分地看出模制到螺旋壳体6处的旁通装置13，其包括分支管路15和环形通道壳体17。附加地，在螺旋壳体6处模制有排气进入接头9，分支管路15在分支部位14中从该排气进入接头分岔。在排气进入接头9处联接有排气管路10。在内燃机(未示出)的低负载范围直至中负载范围中，排气从内燃机通过排气管路10、排气进入接头9和螺旋通道7流向高压涡轮转子3。在低负载范围直至中负载范围中，排气流同时为主排气流，其驱动高压涡轮转子3并且通过排气离开部11沿着导流面12离开高压涡轮2。主排气流通过排气通道20并沿着布置在排气通道20中的导引体26进一步流向低压涡轮4的排气进入部25，以便在此驱动低压涡轮转子5。在内燃机的高负载范围中，排气流有时候如此高，从而使得高压涡轮3转速过高并且由此可被损坏。为了防止这种情况，使排气流在分支部位14处分成主排气流和子排气流。主排气流流到高压涡轮2中，子排气流在旁通装置13中围绕高压涡轮2流动。为了调节子排气流，在分支管路15与排气进入接头9的分支部位14中布置有截止阀22。截止阀22实施为活门23，并且在该视图中透视性地且未完整地示出。活门23在高负载范围中通过驱动部(未示出)打开。由此，子排气流通过分支管路15在流入区域16中流到环形通道18中，该环形通道18由环形通道壳体17形成。环形通道壳体17模制到螺旋壳体6处。子排气流散布在环形通道18中并且通过在环形通道18中的环形间隙19均匀地流到排气通道20中。子排气流在排气通道20中与主排气流相结合，并且这两者沿着导引体26流到低压涡轮4的排气进入部25中。环形通道壳体17的沿径向位于外部的壁终止于联接凸缘24处，在该联接凸缘24处联接有形成排气通道20的补偿器21。补偿器21通常用于在在此示出的二级增压装置1中连接高压涡轮2与低压涡轮4。
图2显示了沿着截面线A-A通过排气离开部11、环形通道18以及在开始端通过螺旋通道7且通过排气进入接头9、分支管路15和布置在分支部位14中的活门23的截面。活门23在该位置中封闭分支管路15。因此，活门23对于排气流来说近似形成了壁，其沿着排气进入接头9到螺旋通道7中的壁轮廓。来自内燃机(未示出)的排气流作为主排气流完全流到螺旋通道7中、通过高压涡轮3且通过排气离开部11流到在该视图中未示出的排气通道20中。
图3如图2那样显示了沿着截面线A-A的截面，然而其中，活门23打开。由此，排气流分成主排气流和子排气流。主排气流流到螺旋通道7中。子排气流通过分支管路15在流入区域16中流到环形通道18中。子排气流在两个周向方向上均匀地散布在环形通道18中并且通过环形间隙19(未示出，参见图4)流到在该视图中未示出的排气通道20中。
图4显示了沿着截面线B-B通过环形间隙19的截面。在该视图中隐去了导引体26。环形间隙19具有恒定的宽度并且处成与轴线8同心。子排气流通过环形间隙19沿轴向流到在该视图中未示出的排气通道20中。
参考标号列表
1 二级增压装置
2 高压涡轮
3 高压涡轮转子
4 低压涡轮
5 低压涡轮转子
6 螺旋壳体
7 螺旋通道
8 轴线
9 排气进入接头
10 排气管路
11 排气离开部
12 导流面
13 旁通装置
14 分支部位
15 分支管路
16 流入区域
17 环形通道壳体
18 环形通道
19 环形间隙
20 排气通道
21 补偿器
22 截止阀
23 活门
24 联接凸缘
25 排气进入部
26 导引体。

Claims (10)

1.一种用于内燃机的二级增压装置(1)，其包括高压涡轮(2)和低压涡轮(4)，
•其中，所述高压涡轮(2)构造为带有螺旋壳体(6)的径流式涡轮，而所述低压涡轮(4)构造为轴流式涡轮，
•其中，所述螺旋壳体(6)具有与排气管路(10)相连接的排气进入接头(9)，排气流通过该排气管路从所述内燃机流向所述高压涡轮(2)，
•其中，所述高压涡轮(2)和所述低压涡轮(4)面对面地布置在轴线(8)上，并且所述高压涡轮(2)的排气离开部(11)流体地通过排气通道(20)与所述低压涡轮(4)的排气进入部(25)相连接，
•其中，排气流的子排气流可在旁通装置(13)中围绕所述高压涡轮(2)来导引，
•其中，所述旁通装置(13)包括分支管路(15)和环形通道壳体(17)，
•其中，所述环形通道壳体(17)形成环形通道(18)，并且所述分支管路(15)通到所述环形通道(18)中，
•其中，子排气流在所述高压涡轮(2)的高压涡轮转子(3)上游从排气流分出一部分，并且所述环形通道(18)在所述高压涡轮(2)下游围绕所述排气通道(20)来布置并且流体地与该排气通道相连接，从而使得离开所述高压涡轮(2)的主排气流与所述旁通装置(13)的子排气流在所述排气通道(20)中相结合，以便继续流到所述低压涡轮(4)中，
•其中，在所述旁通装置(13)中布置有截止阀(22)，
其特征在于，所述高压涡轮(2)的螺旋壳体(6)与所述环形通道壳体(17)构造成一体，其中所述环形通道壳体(17)的沿径向位于外部的壁终止于用于补偿器(21)的联接凸缘(24)处，该补偿器联接到所述轴流式涡轮处。
2.根据权利要求1所述的增压装置，其特征在于，所述螺旋壳体(6)和所述环形通道壳体(17)通过共同的壁区域在端侧相连接。
3.根据权利要求1或2所述的增压装置，其特征在于，所述高压涡轮(2)的螺旋壳体(6)与所述分支管路(15)构造成一体。
4.根据权利要求3所述的增压装置，其特征在于，所述分支管路(15)从所述螺旋壳体(6)的排气进入接头(9)分岔并且与所述螺旋壳体(6)构造成一体。
5.根据权利要求1或2所述的增压装置，其特征在于，所述环形通道(18)在所述分支管路(15)的流入区域(16)中具有其最大的截面，并且该截面以所述流入区域(16)为起点在所述环形通道(18)的两个周向方向上减小直至在所述环形通道(18)处与所述分支管路(15)的流入区域(16)相对而置的部位。
6.根据权利要求4所述的增压装置，其特征在于，所述截止阀(22)布置在所述分支管路(15)中。
7.根据权利要求6所述的增压装置，其特征在于，所述截止阀(22)构造成带有活门(23)，并且所述活门(23)在所述分支管路(15)的分支部位(14)的区域中布置在所述排气进入接头(9)的壁中，并且在关闭的状态中形成用于排气流的近似沿着所述排气进入接头(9)的壁轮廓的壁。
8.根据权利要求1或2所述的增压装置，其特征在于，用于离开所述高压涡轮(2)的主排气流的导流面(12)集成到形成所述环形通道(18)和所述螺旋壳体(6)的构件中。
9.根据权利要求1或2所述的增压装置，其特征在于，所述环形通道(18)构造成带有朝低压涡轮(4)的方向上敞开的环形间隙(19)，并且所述环形通道(18)流体地通过所述环形间隙(19)与所述排气通道(20)相连接。
10.根据权利要求9所述的增压装置，其特征在于，所述环形间隙(19)的外径和所述排气通道(20)的内径与所述低压涡轮(4)的低压涡轮转子(5)的外径一样大。
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