CN106194406A - 具有混流涡轮机的机械增压内燃发动机 - Google Patents

具有混流涡轮机的机械增压内燃发动机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有混流式涡轮机的机械增压内燃发动机。在一个示例中，系统包括具有耦接至压缩机的涡轮机轴的混流式涡轮机，布置在混流式涡轮机入口中的多个导向叶片，每个经由相应导向叶片轴耦接至相应导向叶片的多个锥齿轮，具有与多个锥齿轮啮合的多个齿的小齿轮，以及耦接至所述锥齿轮中的一个的小齿轮驱动装置。

Description

具有混流涡轮机的机械增压内燃发动机
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年8月11日提交的德国专利申请No.102014215885.0的优先权，为了所有目的，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及机械增压内燃发动机。
背景技术
近年来，具有向小型、高度机械增压发动机发展的趋势，其中机械增压主要是增加动力的方法，其中发动机燃烧过程所需的空气被压缩。汽车工程行业的所述发动机的经济意义不断增加。
对于机械增压，时常采用排气涡轮增压器，其中压缩机和涡轮机被布置在同一轴上。热排气流被供应至涡轮机并且在涡轮机中随着能量的释放而膨胀，因此轴经设定旋转。由排气流供应的到达涡轮机并且最终到达轴的能量用于驱动同样布置在该轴上的压缩机。压缩机传送并压缩供应至压缩机的充气，因此获得汽缸的机械增压。充气冷却器被有利地提供在压缩机下游的进气系统中，借助于增压空气冷却器，压缩的充气在其进入至少一个汽缸之前被冷却。冷却器降低了温度并因此增加了充气的密度，使得冷却器也有助于改进汽缸的充入作用，也就是说较大空气质量。发生通过冷却而进行压缩。
排气涡轮增压器相对于机械式增压器的优势在于在增压器和内燃发动机之间没有用于传送动力的机械连接或在增压器和内燃发动机之间不需要传送动力的机械连接。尽管机械式增压器完全从内燃发动机中抽取驱动所需的能量，并因此减少输出动力，结果不利地影响效率，但排气涡轮增压器利用热排气的排气能量。
如前所述，机械增压用于增加动力。燃烧过程所需的空气被压缩，结果能够在每个工作循环将较大空气质量供应至每个汽缸。以这种方式，燃料质量能够增加，因此平均压力能够增加。
机械增压是用于增加内燃发动机动力的同时维持未改变的工作体积(swept volume)或用于减小工作体积的同时维持相同动力的一种合适的方法。在任何情况下，机械增压导致体积动力输出和改进的动力重量比的增加。如果工作体积减小，则因此将聚集的负荷朝向较高负荷转换是可能的，在该情况下燃料消耗率较低。通过机械增压结合合适的变速器配置，实现所谓的降速也是可能的，在降速情况下实现较低的燃料消耗率同样是可能的。
因此机械增压有助于在内燃发动机的发展方面不断努力以使燃料消耗最小化，也就是说改进内燃发动机的效率。
另一基本目标是减少污染物排放。机械增压同样能够有利于解决该问题。通过机械增压的目标配置，具体地获得关于效率和关于排气排放的优势是可能的。
通过多个涡轮增压器的使用，例如通过平行布置的相对小的涡轮横截面的多个涡轮机，其中涡轮机随排气流率的增加而被顺次启动，或通过串联连接的多个排气涡轮增压器，其中的一个排气涡轮增压器用作高压级(high-pressure stage)，一个排气涡轮增压器用作低压级(low-pressurestage)，能够改良机械增压内燃发动机的扭矩特征。
关于排气涡轮增压的配置，基本是寻求将一个涡轮机或多个涡轮机尽可能靠近内燃发动机的出口，也就是说汽缸的出口孔，从而以便能够最佳地使用热排气的排气焓(其很大程度上是由排气压力和排气温度确定)以及确保涡轮增压器的快速响应行为。紧密耦接的布置不仅缩短了热排气到涡轮机的路径，而且还减小了涡轮机上游的排气排出系统的体积。排气排出系统的热惯性同样减小，具体地是因为通向涡轮机的那部分排气排出系统的质量和长度减小。
出于上述原因，根据现有技术还有一种情况是排气歧管通常一体形成在汽缸盖中。排气歧管的一体化附加地允许驱动单元的密集封装，此外，排气歧管能够受益于可被提供在汽缸盖中的液体型冷却布置，使得歧管无需由昂贵且能够经受高热负荷的材料制成。
根据现有技术，被布置在排气排出系统中的涡轮机可以是不同类型的构造。排气涡轮增压器的涡轮机通常是辐流式构造，也就是说接近泵轮的转子刀片的流体基本上径向延伸。“基本上径向”意味着径向方向的速度分量大于轴向速度分量。如果接近的流体恰好径向延伸，则流体的速度矢量相交排气涡轮增压器的轴成直角。例如在EP 1710415A1中描述了辐流式涡轮机。
为了能够使流体径向地接近转子刀片，根据现有技术，供应排气的入口区域是以环绕方式的螺旋或蜗轮壳体的形式，使得接近涡轮机泵轮的排气流基本上径向地延伸。
为此，排气有时需要重定向或转向，以便使其能被供应至辐流式涡轮机。然而，为了能够以尽可能有效的方式利用排气能量，应当在最小可能程度上进行排气转向。排气流方向的任何改变(例如，因排气排出系统弯曲导致的改变)导致排气流的压力损失，并因此导致焓损失。然而，使辐流式涡轮机有利地成为排气排出系统的部分也是可能的，例如作为多级机械增压式布置的高压涡轮机，并且涡轮机方向的改变能够用于实现机械增压布置和内燃发动机的紧凑设计。
排气涡轮增压器的涡轮机有时也被设计成轴向涡轮机，也就是说接近泵轮叶片的流体基本上沿轴向延伸。“基本上轴向”意味着轴向方向的速度分量大于径向速度分量。如果接近的流体恰好轴向延伸，则泵轮区域中的接近的流体的速度矢量平行于排气涡轮增压器的轴延伸。
根据现有技术，通常情况下，即使在轴流式涡轮机中，供应排气的入口区域是以环绕方式延伸的螺旋或蜗轮壳体的形式，使得，至少在入口区域中，排气流相对于轴倾斜地或径向地延伸或被引导。在轴流式涡轮机的情况下，排气转向导致关于可用排气焓的损失。EP1710415A1描述所述类型的轴流式涡轮机。
一般来说，涡轮机被设计成所谓的混流型构造，其中接近的流体的速度矢量具有径向速度分量和轴向速度分量，其中混流式(mixed flow)涡轮机包括被布置在涡轮机壳体中并且被安装在可旋转涡轮机轴上的至少一个泵轮。对于纯辐流式涡轮机，混流式涡轮机的特征在于较低的惯性，这是由较小的泵轮直径所致。
混流式涡轮机可配有可变涡轮几何形状，这允许通过调节涡轮几何形状或有效涡轮横截面，更精确地适应内燃发动机的相应工作点。在此，影响流动方向的导向叶片被布置在涡轮机的入口区域中。与旋转泵轮的转子刀片相比，导向叶片并不随涡轮机的轴旋转。
如果涡轮机具有固定不变的几何形状，则导向叶片被布置在入口区域，以便不仅是固定的而且也是完全不动的，也就是说刚性地固定。相反，如果使用具有可变几何形状的涡轮机，则导向叶片被布置成固定的，但并非完全不动的，而是围绕它们的轴线可旋转，使得能够影响接近转子刀片的流体。
在一些内燃发动机的混流式涡轮机的示例中，在至少一个泵轮的上游可布置可调节导向装置，该可调节导向装置包括通过调节装置能够旋转的导向叶片。调节装置可以是可旋转调节环，其相对于混流式涡轮机的涡轮机轴而共轴地安装，其中每个导向叶片均被布置在导向叶片专用轴上。导向叶片经由中间元件被运动地耦接至调节环，使得环的旋转致使导向叶片得以调节。
WO 2013/116136A1描述了所述类型的导向装置和调节装置，其中可枢转杠杆用作中间元件，该可枢转杠杆中的每个，在其一端处，通过孔被共同地旋转地连接至导向叶片专用轴，并且在其另一端，其球形端，可移动地安装在调节环的凹入部。
所述调节装置的缺点是杠杆从调节环向内定向，也就是说调节环是位于杠杆外侧的调节环。这导致较大的调节环直径，这不能一体形成于涡轮机壳体中，而是必须邻近壳体布置。因此制成的涡轮机总体上较大，也就是说不紧凑；尤其是涡轮机轴的方向上的长度明显增加。
此外，在WO 2013/116136 A1中，其上布置了导向叶片的导向叶片专用轴是偏置设计。这导致导向叶片在导向叶片专用轴的旋转期间通过调节环的翻转运动，也就是说复杂运动，这使得在入口区域中难以实现可旋转导向叶片的无间隙布置并且使得在多个旋转位置不可能实现导向叶片的无间隙布置。
发明内容
本发明人已认识到上述问题并提供一种机械增压内燃发动机来至少部分地解决该问题。在一个示例中，发动机包括用于供应充气的进气系统；用于排出排气的排气排出系统；以及被布置在排气排出系统中的至少一个混流式涡轮机。混流式涡轮机包括具有入口区域的涡轮机壳体；被布置在涡轮机壳体中并被安装在可旋转涡轮机轴上的至少一个泵轮；被布置在至少一个泵轮上游的入口区域的可调节导向装置，该可调节导向装置包括一个或多个导向叶片，每个导向叶片被布置在导向叶片专用轴上；被配置用于旋转一个或多个导向叶片的调节装置，该调节装置具有相对于混流式涡轮机的涡轮机轴同轴安装的可旋转调节环，该可旋转调节环具有外齿；以及每个都被布置在相应导向叶片专用轴上的一个或多个齿轮，每个齿轮被配置成与调节环的外齿啮合，使得一个或多个导向叶片通过调节环的旋转来调节。
根据本公开的内燃发动机的可旋转调节环具有外齿。作为中间元件，使用被布置在导向叶片专用轴上并与调节环的外齿啮合的齿轮。以这种方式，导向叶片被运动地耦接至调节环。环的旋转致使导向叶片被调节，其中齿确保在调节环的旋转位置和导向叶片位置之间的唯一运动分配。
导向叶片专用齿轮被布置在调节环的外侧周围，也就是说调节环形成位于齿轮内侧的调节环。因此，根据本发明能够形成具有相对小的直径的调节环。相对于现有技术已知的调节环，根据本发明的相对小的直径的调节环能够一体形成于涡轮机壳体，也就是说在螺旋或蜗轮壳体的情况下，在排气导管方向上缩进，也就是说布置成邻近所述管线。因此，制作的涡轮机更为紧凑，体积较小，并且沿涡轮机轴方向较短。调节环本身具有较轻的重量，并且由于其较小的直径，还具有关于其旋转移动的减少的惯性矩。
应当理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念在具体实施方式中被进一步描述。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，要求保护的主题的范围被紧随具体实施方式之后的权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决在以上或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1示意性地示出一个机械增压内燃发动机的示例混流式涡轮机，部分为截面形式。
图2示意性地示出一个示例内燃发动机。
图3是图示说明用于调节混流式涡轮机的方法的流程图。
具体实施方式
与辐流式涡轮机叶轮相比，混流式涡轮机可提供较小的旋转惯性(较小外径)，其中混流式涡轮机例如，在径向和轴向上接收来自内燃发动机排气。可变导向叶片(涡轮机叶轮入口的上游)的应用可以用于增大辐流式涡轮机的工作范围。因此，可变导向叶片也可以应用于混流式涡轮机以增大其运转范围。然而，混流式涡轮机泵轮上的可变导向叶片的旋转轴线与辐流式涡轮机上的水平轴线相比必须倾斜。该倾斜可使叶片的致动变得困难。因此，根据本文公开的实施例，通过包括通过小齿轮可旋转的多个锥齿轮(bevel wheel)的锥齿轮机构，可致动经配置接收混流式排气的可变几何形状涡轮机的导向叶片。每个锥齿轮可耦接至导向叶片轴，使得给定锥齿轮的旋转引起相应导向叶片轴的旋转，并因此调节相应导向叶片的位置。小齿轮可通过多个锥齿轮中的一个来旋转，而该锥齿轮耦接至小齿轮驱动装置或其它合适的齿轮驱动机构。以这种方式，可进行倾斜的导向叶片轴的旋转而不对任何齿轮或其它致动机构施加过度应力。
在本发明的上下文中，表达“内燃发动机”包括柴油发动机和奥托循环发动机以及混合动力内燃发动机，其利用混合燃烧过程，以及混合驱动装置，其不仅包括内燃发动机也还包括电机，所述电机在驱动方面能够连接到内燃发动机，并且接收来自内燃发动机的动力或其作为可切换辅助驱动装置附加地输出动力。
根据本发明，导向装置具有多个可旋转导向叶片，其中，在本发明的上下文中，这意味着导向装置包括至少两个导向叶片，也就是说两个导向叶片、三个导向叶片、四个导向叶片、五个导流叶片、六个导流叶片，或多个导向叶片。
提供机械增压内燃发动机的示例，其中导向叶片专用齿轮被布置在调节环的外圆周上。
提供机械增压内燃发动机的示例，其中被布置在排气排出系统中的至少一个混流式涡轮机是排气涡轮增压器的涡轮机，该涡轮增压器包括被布置在排气排出系统中的涡轮机和被布置在进气系统中的压缩机。参考在开头做出的关于排气涡轮增压装置的陈述。
在该情况下，提供这样的示例，其中排气涡轮增压器的相关联的压缩机同样具有可变压缩机几何形状。压缩机的可变几何形状提供了尤其是在运转状态中的优势，在运转状态中，实际上无排气流经混流式涡轮机，因此实际上混流式涡轮机未提供动力用于压缩充气。在这些情况下，相关联的压缩机仅构成充气的流动阻力。然后，可变压缩机几何形状允许进气系统因压缩机的流动横截面的增加而去节流。
提供机械增压内燃发动机的示例，其中提供至少两个排气涡轮增压器，其每个均包括被布置在排气排出系统中的涡轮机和被布置在进气系统中的压缩机。
在现有技术中，如果使用单个排气涡轮增压器，则在某些发动机速度下冲条件下，观察到相当大的扭矩降。如果人们考虑到充气压力比取决于涡轮机压力比，则可以理解所述扭矩降。如果发动机速度降低，则这导致较小的排气质量流量，并因此导致较低的涡轮机压力比。因此，为了较低的发动机速度，充气压力比同样也减小。这相当于扭矩降。
通过使用平行布置的多个涡轮增压器，也就是说通过平行布置小的涡轮机横截面的多个涡轮机，其中涡轮机随排气流率增加而被连续启动，可改进该机械增压内燃发动机的扭矩特征。
通过串联连接的多个排气涡轮增压器也可以有利地影响扭矩特征。通过串联连接两个排气涡轮增压器，其中一个排气涡轮增压器用作高压级而另一个排气涡轮增压器用作低压级，能够有利地扩展发动机特征映射图，尤其是，沿较小压缩机流动的方向并且也沿较大压缩机流动的方向二者。
具体地，利用用作高压级的排气涡轮增压器，喘振极限沿较小压缩机流动方向移动是可能的，结果，即使具有较小压缩机流动也能够获得高充气压力比，可观地改进较低发动机转速范围内的扭矩特征。这通过如下实现：设计用于小排气质量流量的高压涡轮机并通过提供旁路管线，通过该旁路管线，随着排气质量流量的增加，增加的排气量经引导通过高压涡轮机。为此目的，旁路管线从高压涡轮机上游的排气排出系统分出并通往再次在低压涡轮机上游的排气排出系统。在旁通管线中，布置有切断元件，用于控制经引导通过高压涡轮机的排气流。
通过排气涡轮增压器的多级机械增压进一步增强缩小尺寸的效果。此外，以这种方式，机械增压的内燃发动机的响应行为相对于具有单级机械增压的类似内燃发动机得到显著改善。相对小的高压级具有较少惰性，因为较小尺寸的排气涡轮增压器的转子能够更快地加速。
由于上述原因，因此提供所述机械增压内燃发动机的示例，其中第一排气涡轮增压器用作低压级而第二排气涡轮增压器用作高压级，其中第二排气涡轮增压器的第二涡轮机被布置在第一排气涡轮增压器的第一涡轮机的上游，并且第二排气涡轮增压器的第二压缩机被布置在第一排气涡轮增压器的第一压缩机的下游。
提供机械增压内燃发动机的示例，其中可旋转调节环的外齿是直齿。齿轮齿的外侧优选平行于涡轮机轴。直齿的优点是用于补偿因热排气施加的热负载所致的导向叶片专用轴长度的改变。
提供机械增压内燃发动机的示例，其中布置在导向叶片专用轴上的每个齿轮为外部带齿的锥齿轮。作为中间元件的锥齿轮特别适于将调节环运动地耦接至导向叶片，其中调节环相对于涡轮机轴同轴地安装，导向叶片中的每个均被布置在关于涡轮机轴倾斜的轴上。
在该连接中，提供机械增压内燃发动机的示例，其中每个导向叶片专用轴与涡轮机轴形成锐角α，其中角α对应于被布置在导向叶片上的锥齿轮的开口角γ的一半。该实施例确保了平行于涡轮机轴延伸的齿轮的啮合面。
提供机械增压内燃发动机的示例，其中每个导向叶片专用轴与涡轮机轴形成锐角α，以下范围适用于锐角α：15°≤α≤75°。
提供这样的机械增压内燃发动机的示例，其中每个导向叶片专用轴与涡轮机轴形成锐角α，以下范围适用于锐角α：25°≤α≤65°。
提供机械增压内燃发动机的示例，其中每个导向叶片专用轴与涡轮机轴形成锐角α，以下范围适用于锐角α：35°≤α≤55°。
提供这样的机械增压内燃发动机的示例，其中每个导向叶片专用轴与涡轮机轴形成锐角α，以下范围适用于锐角α：40°≤α≤75°。
尤其是，提供机械增压内燃发动机的示例，其中每个导向叶片专用轴与涡轮机轴形成锐角α，以下范围适用于锐角α：40°≤α≤65°，优选45°≤α≤60°。
不同的角度或角度范围允许这样的事实，即混流式涡轮机情况下的接近流体的速度矢量具有径向速度分量和轴向速度分量，并且所述两个速度分量的比相对于彼此可有很大变化，也就是说入口区域相对于涡轮机轴可倾斜较大或较小程度，在该入口区域中布置了导向叶片并且基本上限定了接近流体。因此，涡轮机轴和导向叶片专用轴之间的角度α可以有很大变化。
提供机械增压内燃发动机的示例，其中每个导向叶片专用轴是直线形式。直线形式的轴简化了调节装置的运动，使得在调节环侧端处的导向叶片专用轴的旋转引起相关联的导向叶片的纯旋转运动，而偏移轴引起导向叶片的翻转运动。结果，入口区域中的可旋转导向叶片的无间隙布置是可能的，具体地在所有叶片的旋转位置中。后者相对于现有技术具有显著优势，因为它寻求排气流被引导跨过导向叶片，而不是经由间隙通过导向叶片。
提供机械增压内燃发动机的示例，其中提供包括致动器齿轮的致动装置，该致动器齿轮与布置在导向叶片专用轴上的齿轮啮合，其中，通过致动器齿轮的旋转，旋转与其啮合的齿轮，以及经由所述齿轮，调节环和另一导向叶片专用齿轮作旋转是可能的。
在该示例中，不是为了调节导向叶片而直接驱动即旋转调节环的情况。相反，在当前情况下，调节环仅用于被布置在导向叶片专用轴上的齿轮的运动耦接，其中所述齿轮中的一个被设定为通过致动器齿轮而旋转。
在该连接中，提供机械增压内燃发动机的示例，其中致动器齿轮被布置在与其啮合的齿轮侧上，其背对(faces away from)调节环。致动器齿轮在外侧的布置允许致动器齿轮通过外部施加的旋转(例如通过杆)而致动，也就是说允许良好的可接近性，而根据本公开的调节环是位于内侧的调节环，该调节环因其在内侧的布置而能够适当地具有相对小的尺寸，但其也不容易接近。
提供机械增压内燃发动机的示例，其中混流式涡轮机具有出口区域，该区域相对于涡轮机轴延伸并与其同轴形成，使得离开涡轮机的排气流基本上轴向延伸。
如果混流式涡轮机是(例如)多级机械增压布置的高压涡轮机，在与布置在下游的轴流式低压涡轮机构造的相互作用中，相对于涡轮机轴同轴形成的出口区域允许轴向供应排气到低压涡轮机，其中具有最少可能的压力损失，并因此允许在低压级尽可能富含焓的排气的供给。
提供机械增压内燃发动机的示例，其中提供排气再循环布置。
为了遵守氧化氮排放的将来限制，正在越来越多地利用排气再循环，也就是说从出口侧到入口侧的排气再循环，由此氧化氮排放能够在排气再循环率不断增加时大量减少是可能的。在此，排气再循环率XEGR被确定为XEGR＝mEGR/(mEGR+m新鲜空气)，其中m EGR表示再循环排气的质量，m新鲜空气表示所供应的新鲜空气或燃烧空气，如果适当的话，空气被引导通过压缩机并被压缩。为了实现氧化氮排放的显著减少，需要高排气再循环速率。排气再循环在部分负载范围内也适于减少未燃碳氢化合物的排放。
提供了其中将切断元件提供在管线中用于排气再循环的示例。所述切断元件用于控制排气再循环率。
在本文中，提供这样的机械增压内燃发动机的示例，其中提供包括管线的排气再循环布置，该管线从混流式涡轮机下游的排气排出系统分支。
与从涡轮机上游的排气排放系统抽取排气的高压EGR布置相比，在低压EGR布置的情况中，已流经涡轮机的排气被再循环到入口侧。为此目的，低压EGR布置包括再循环管线，该管线从涡轮机下游的排气排出系统分支。因此，通过低压EGR布置而被再循环至入口侧的排气预先也被用于在混流式涡轮机中进行能量恢复。
图1示意性地示出一种机械增压内燃发动机的第一实施例的混流式涡轮机1。涡轮机1的入口区域6中的接近流体的速度矢量具有垂直于涡轮机1的轴4的径向分量和沿轴4的轴向分量。轴4具有旋转轴线102。
为了从汽缸排出热排气，内燃发动机具有排气排出系统2。为了汽缸的机械增压，提供包含被布置在排气排出系统2中的混流式涡轮机1的至少一个排气涡轮增压器。
混流式涡轮机1包括泵轮5，该泵轮被布置在涡轮机壳体3中并且被安装在可旋转涡轮机轴4上。螺旋壳体3形式的涡轮机壳体3具有入口区域6，其中在入口区域6中且在泵轮5的上游布置有可调节导向装置8，使得混流式涡轮机1为可变涡轮机1。
导向装置8具有导向叶片8a，每个导向叶片均被布置在相应导向叶片专用轴8b上并且能够通过调节装置9旋转。导向叶片专用轴8b是直线形式，使得导向叶片专用轴8b的调节环侧端处的旋转影响相关关联的导向叶片8a的旋转运动。调节装置9具有可旋转调节环9a，该可旋转调节环位于内侧并且相对于混流式涡轮机1的涡轮机轴4同轴安装并且具有外齿9b。每个导向叶片专用轴相对于涡轮机轴4的旋转轴线呈一定角度，如角度α所示。
在每个导向叶片专用轴8b上，布置有与调节环9a的外齿9b啮合的相应齿轮8c，使得通过调节环9a的旋转能够调节导向叶片8a。
布置在导向叶片专用轴8b上的齿轮8c是外部带齿的锥齿轮8c。相对于对应非锥角的轴线，例如，在此平行于导向叶片专用轴的角的斜齿轮的中心轴线，每个锥齿轮具有锥角γ。每个导向叶片专用轴8b与涡轮机轴4形成锐角α，其中在一个示例中，布置在导向叶片专用轴8b上的锥齿轮8c的开口角γ的一半对应于所述角α。
提供包括致动器齿轮10a的致动装置10，该致动器齿轮10a与布置在导向叶片专用轴8b上的一个锥齿轮8c啮合。通过经由杆10b旋转致动器齿轮10a，与所述致动器齿轮啮合的锥齿轮8c被旋转，以及，经由所述锥齿轮8c，调节环9a和另一导向叶片专用锥齿轮8c被旋转。调节环9a用于运动地耦接被布置在导向叶片专用轴8a上的锥齿轮8c。
涡轮机1具有相对于涡轮机轴4同轴延伸的出口区域7，使得在出口区域7中离开涡轮机1的排气流基本上沿轴向延伸。
因此，接收具有径向分量和轴向分量的排气的混流式涡轮机可具有其经由可调节导向装置调节的入口几何形状，其中可调节导向装置包括由锥齿轮驱动的多个导向叶片。锥齿轮的锥角可由叶片轴线倾斜度(例如，相对于涡轮机轴的导向叶片的角度)来确定，以便提供平行于涡轮机轴的齿平面。例如，如果导向叶片的角度为45°，则锥角可以是22.5°。小齿轮(与涡轮机轴同心)连接所有锥齿轮。叶片旋转(所有叶片同步地)可通过作用在一个锥齿轮上的驱动小齿轮致动。驱动小齿轮可经由来自控制器(诸如以下图2所述的控制器)的信号被液压、气动和/或电气驱动。
可调节导向装置可具有这样的组件，这些组件尺寸和/或形状经形成确保不变的齿轮间隙以避免在组件温度变化条件下的粘着。例如，锥齿轮至叶片轴的连接可以是平坦键型设计，以补偿因温度所致的轴长度的变化。
现在转到图2，示出耦接至图1的排气排出系统2的内燃发动机11。发动机11可包括多个燃烧室(即汽缸)12。尽管图2中所示的示例性发动机包括六个汽缸，但是发动机11可包括任何数量的汽缸，例如四个汽缸或八个汽缸。燃烧室12可接收来自进气歧管14的进气并且可以经由排气通道16排出燃烧气体。节气门18可沿进气通道22被设置在进气歧管14的上游。节气门18可包括节流板20。例如，节流板20的位置可通过控制器24经由被提供到包括节气门18的电动马达或致动器的信号来改变。以这种方式，节气门18可经运转以改变提供至燃烧室12的进气。充气冷却器26可沿进气通道22被设置在节气门18的上游以冷却在28处进入进气通道的新鲜空气。具有多个燃料喷射器32的燃料轨道30可向燃烧室12提供燃料。燃料喷射器32可直接耦接至燃烧室12用于直接燃料喷射或可替代地或除此之外被布置在进气歧管14中，用于将燃料进气道喷射至燃烧室12上游的进气道。燃料可通过例如包括燃料箱和燃料泵的燃料系统(未示出)传送至燃料轨道30。控制器24可控制燃料喷射正时和脉冲宽度。
示为第一涡轮增压器38的部分的混流式涡轮机1可沿排气通道16设置。涡轮机1可以是可变几何形状涡轮机(VGT)，如以上参照图1所述，并且可包括例如废气门阀或可变喷嘴。例如，通过打开或关闭可变几何形状涡轮机或废气门阀，可以控制第一涡轮增压器38的涡轮机两侧的膨胀量。可变几何形状涡轮机或废气门阀可由控制器24控制。第一涡轮增压器38的压缩机40可经由轴42耦接至涡轮机1并且可位于沿进气通道22的充气冷却器26的上游。增加的膨胀可用于从排气抽取更多热并产生更多动力以驱动对应的压缩机，因此增加升压。另一方面，减少的膨胀可用于从排气中抽取较少热并产生较少升压。
第二涡轮增压器46的涡轮机44可沿混流式涡轮机1上游的排气通道16设置。例如，涡轮机44可以是VGT或可包括废气门阀。例如，第二涡轮增压器46的涡轮机两侧的膨胀量也可通过打开或关闭可变几何形状涡轮机或废气门阀来控制。可变几何形状涡轮机或废气门阀可通过控制器24控制。此外，涡轮机44可以是混流式涡轮机，类似于图1的涡轮机，或者它可以是辐流式涡轮机。第二涡轮增压器46的压缩机48可经由轴50被耦接至涡轮机44并且可串联位于沿进气通道22的压缩机40的上游。因此，相对于可被称为是高压涡轮增压器的第二涡轮增压器，包括图1的混流式涡轮机的第一涡轮增压器可以是低压涡轮增压器。
在一个示例中，第一涡轮增压器38的第一涡轮机1可小于第二涡轮增压器46的第二涡轮机44，而在另一些示例中，涡轮机可以是相似的尺寸或第二涡轮增压器的第二涡轮机可以小于第一涡轮增压器的第一涡轮机。
在另一个示例中，涡轮增压器的位置可被转换，使得包括图1中的混流式涡轮机的涡轮增压器是高压涡轮增压器而可以包括或可以不包括混流式涡轮机的第二涡轮增压器是低压涡轮机。
排气系统还可包括排气再循环(EGR)通道80，该通道具有耦接到混流式涡轮机1下游的排气通道的入口，以及耦接到第二压缩机48上游的进气通道的出口，以便提供低压EGR。通过EGR通道的EGR流量可由EGR阀82控制。EGR阀可经由从控制器发送的信号而被打开或关闭(例如，所调节的阀的开度)。EGR阀的开度可通过耦接至到阀元件的致动器来调节，该致动器可以是液压、气动或电动致动器。
控制器24可从耦接到发动机10的传感器接收各种信号，除了上述那些信号外，还包括来自质量空气流量传感器62的引入质量空气流量(MAF)的测量；来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)；来自传感器64的绝对歧管压力信号MAP；以及排气传感器66。传感器66可以是用于提供对排气空气/燃料比的指示的任何合适的传感器，诸如线性氧传感器或者UGEO(通用或宽域氧传感器)、双态氧传感器或EGO、HEGO(加热的EGO)、NOx、HC或者CO传感器。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可用于提供进气歧管中的真空、或压力的指示。在化学计量运转期间，MAP传感器能够给出发动机扭矩的指示。此外，控制器24可与来自车辆操作者68、经由输入装置70的输入连通。在该示例中，输入装置70包括加速器踏板和用于产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器72。
图1-2示出各种组件的相对位置的示例配置。如果示出直接接触彼此，或直接耦接，则至少在一个示例中，此类元件可分别被认为是直接接触或直接耦接。类似地，至少在一个示例中，示出的彼此连续或邻近的元件分别可以是连续的或彼此邻近。作为示例，设置成彼此共面接触的组件可被称为共面接触。作为另一个示例，至少在一个示例中，彼此隔开放置，其间仅有空隙而无其它组件的元件可被称做共面接触。
控制器24接收来自图2的各个传感器的信号并采用图2的各种致动器，从而基于所接收到的信号和存储在控制器的存储器上的指令来调节发动机运转。
现在转到图3，呈现出用于调节混流式涡轮机诸如图1-2的涡轮机1的导向装置的方法300。基于存储在控制器的存储器上的指令并结合从发动机系统的传感器(诸如以上参照图2所述的传感器)接收到的信号，可以通过控制器执行用于实施方法300的指令。根据下面所述的方法，控制器可采用发动机系统的发动机致动器来调节发动机运转。
在302处，方法300包括确定发动机运转参数。所确定的参数可包括发动机转速和负荷、升压压力、排气温度以及其它参数。在304处，方法300确定是否需要调节涡轮机的导向叶片的位置。例如，当发动机速度和/或负荷改变时可以调节导向叶片位置。如果位置无需调节，则方法300返回。
如果需要调节位置，则方法300前进到306以致动调节装置的小齿轮驱动装置。小齿轮驱动装置可包括旋转第一锥齿轮的可旋转齿轮，并因此方法300包括在308处旋转第一锥齿轮。在310处，与第一锥齿轮啮合的小齿轮旋转。小齿轮的旋转引起所有剩余的锥齿轮旋转，如在312所指示的。锥齿轮的旋转使相应导向叶片轴旋转，如在314所指示，并因此引起每个相应的导向叶片旋转。然后，方法300返回。
致动小齿轮驱动装置以旋转导向叶片轴并因此调节相关联的导向叶片的技术效果是控制通过混流式涡轮机的排气流。
系统(诸如上面关于图1-2所述的系统)的示例包括被布置在排气通道中的混流式涡轮机，所述混流式涡轮机具有耦接至压缩机的涡轮机轴；布置在混流式涡轮机入口区域的多个导向叶片；多个锥齿轮，每个锥齿轮经由相应导向叶片轴耦接至相应导向叶片；具有与多个锥齿轮啮合的多个齿的小齿轮；以及耦接至所述锥齿轮中的一个的小齿轮驱动装置。在第一个示例中，每个导向叶片轴被放置成相对于涡轮机轴呈一定角度。在第二示例中，其可选地包括第一示例，该系统还包括具有被存储在存储器中的非临时性指令的控制器，该指令被执行时引起控制器启动小齿轮驱动装置以调节小齿轮驱动装置耦接的锥齿轮的位置。
运转发动机系统(诸如图1-2的系统)的示例性方法，包括致动耦接至锥齿轮以旋转锥齿轮的小齿轮驱动装置，锥齿轮的旋转使具有多个齿的小齿轮旋转，小齿轮的多个齿与一个或多个额外的锥齿轮相啮合，其中小齿轮的旋转使一个或多个额外的锥齿轮旋转，每个锥齿轮的旋转引起相应导向叶片的位置改变。
注意，本文所包括的示例控制和估计程序能够与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。本文公开的控制方法和程序可作为可执行指令被存储在非临时性存储器中并可通过控制系统执行，该控制系统包括与各种传感器、致动器、和其它发动机硬件结合的控制器。本文所述的具体程序可表示任何数量的处理策略中的一个或多个，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，示出的各种动作、操作和/或功能可以按所示的顺序、并行执行，或在某些情况下被省略。同样，实现本文描述的示例实施例的特点和优点时，处理的顺序不是必须要求的，而是为了便于说明和描述。一个或多个所示的动作、操作和/或功能可根据所使用的特定策略被重复执行。此外，所示的动作、操作和/或功能可以图形地表示被编入发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非临时性存储器内的代码，其中通过结合电子控制器执行包括各种发动机硬件组件的系统中的指令来执行所述动作。
应当理解，本文公开的配置和程序本质上是示例性的，并且这些具体的实施例不应视为具有限制意义，因为许多变体是可能的。例如，上述技术可应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其它发动机类型。本公开的主题包括各种系统和配置的所有新颖和非显而易见的组合和子组合、以及本文公开的其它特征、功能和/或特性。
随附权利要求特别指出视为新颖和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可涉及“一个”元件或“第一”元素或其等效物。此类权利要求应被理解为包括一个或多个此类元件的结合，既不要求也不排除两个或多个此类元素。所公开的特征、功能、元件、和/或特性的其它组合和子组合可通过本权利要求的修正或通过在本申请或相关申请中的新权利要求的陈述加以要求保护。此类权利要求，无论是比原始权利要求的范围更宽、更窄、相等或不同，都应被视为包括在本公开内容的主题内。

Claims (20)

1.一种机械增压内燃发动机，其包括：
用于供应充气的进气系统；
用于排出排气的排气排出系统；和
被布置在所述排气排出系统中的至少一个混流式涡轮机，所述混流式涡轮机包括：
具有入口区域的涡轮机壳体；
被布置在所述涡轮机壳体中并被安装在可旋转涡轮机轴上的至少一个泵轮；
被布置在所述至少一个泵轮上游的所述入口区域的可调节导向装置，所述可调节导向装置包括一个或多个导向叶片，每个导向叶片被布置在导向叶片专用轴上；
被配置用于旋转所述一个或多个导向叶片的调节装置，所述调节装置具有相对于所述混流式涡轮机的涡轮机轴同轴安装的可旋转调节环，所述可旋转调节环具有外齿；和
每个均被布置在相应导向叶片专用轴上的一个或多个齿轮，每个齿轮被配置成与所述调节环的所述外齿啮合，使得所述一个或多个导向叶片通过所述调节环的旋转被调节。
2.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机，其中每个齿轮被布置在所述调节环的外圆周上。
3.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机，其中被布置在所述排气排出系统中的至少一个混流式涡轮机是排气涡轮增压器的涡轮机，所述排气涡轮增压器包括被布置在所述排气排出系统中的混流式涡轮机和被布置在所述进气系统中的压缩机。
4.根据权利要求3所述的机械增压内燃发动机，其中所述排气涡轮增压器是具有第一涡轮机和第一压缩机的第一排气涡轮增压器，并且机械增压内燃发动机还包括至少一个第二排气涡轮增压器，所述第二排气涡轮增压器包括被布置在所述排气排出系统中的第二涡轮机和被布置在所述进气系统中的第二压缩机。
5.根据权利要求4所述的机械增压内燃发动机，其中所述第一排气涡轮增压器用作低压级而所述至少一个第二排气涡轮增压器用作高压级，其中所述第二排气涡轮增压器的所述第二涡轮机被布置在所述第一排气涡轮增压器的第一涡轮机的上游，并且所述第二排气涡轮增压器的所述第二压缩机被布置在所述第一排气涡轮增压器的所述第一压缩机的下游。
6.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机，其中所述可旋转调节环的所述外齿是直齿。
7.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机，其中每个齿轮是外部带齿的锥齿轮。
8.根据权利要求7所述的机械增压内燃发动机，其中每个导向叶片专用轴与所述涡轮机轴形成锐角α，其中所述角α对应于所述锥齿轮的开口角γ的一半。
9.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机，其中每个导向叶片专用轴与所述涡轮机轴形成锐角α，以下范围适用于所述锐角α：15°≤α≤75°。
10.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机，其中每个导向叶片专用轴与所述涡轮机轴形成锐角α，以下范围适用于所述锐角α：25°≤α≤65°。
11.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机，其中每个导向叶片专用轴与所述涡轮机轴形成锐角α，以下范围适用于所述锐角α：35°≤α≤55°。
12.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机，其中每个导向叶片专用轴与所述涡轮机轴形成锐角α，以下范围适用于所述锐角α：40°≤α≤75°。
13.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机，其中每个导向叶片专用轴是直线形式。
14.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机，其中所述混流式涡轮机还包括包含致动器齿轮的致动装置，所述致动器齿轮与所述一个或多个齿轮中的一个啮合，其中，通过所述致动器齿轮的旋转，与所述致动器齿轮啮合的齿轮被旋转，以及经由所述齿轮，所述调节环和其他齿轮被旋转。
15.根据权利要求14所述的机械增压内燃发动机，其中所述致动器齿轮被布置在与其啮合的所述齿轮的那侧上，其背对所述调节环。
16.根据权利要求1所述的机械增压内燃发动机，其中所述混流式涡轮机具有出口区域，所述出口区域相对于所述涡轮机轴延伸并与其同轴形成，使得离开所述涡轮机的排气流基本上沿轴向延伸。
17.一种系统，其包括：
具有耦接至压缩机的涡轮机轴的混流式涡轮机；
布置在所述混流式涡轮机的入口中的多个导向叶片；
每个均经由相应导向叶片轴耦接至相应导向叶片的多个锥齿轮；
具有与所述多个锥齿轮啮合的多个齿的小齿轮；和
耦接至所述锥齿轮中的一个的小齿轮驱动装置。
18.根据权利要求17所述的系统，其中每个导向叶片轴被放置成相对于所述涡轮机轴成角度。
19.根据权利要求17所述的系统，还包括具有被存储在存储器中的非暂时性指令的控制器，在所述指令被执行时引起所述控制器致动所述小齿轮驱动装置以调节所述小齿轮驱动装置耦接的所述锥齿轮的位置。
20.一种方法，其包括：
致动耦接至锥齿轮的小齿轮驱动装置以旋转所述锥齿轮，所述锥齿轮的旋转使具有多个齿的小齿轮旋转，所述小齿轮的多个齿与一个或多个额外的锥齿轮相啮合，其中所述小齿轮的旋转使所述一个或多个额外的锥齿轮旋转，每个锥齿轮的旋转引起相应导向叶片的位置的改变。
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CN107965387A (zh) * 2017-12-12 2018-04-27 沈阳航天三菱汽车发动机制造有限公司 一种增压器进气调节装置及控制方法

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