CN106996320A - 涡轮机壳体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮机壳体。提供一种内燃发动机，其可以包括气缸盖、涡轮机以及涡轮机壳体。涡轮机壳体可以包括排气通道、至少一个冷却剂流体通道以及通道之间的壁。该壁可以具有设置成从通过排气通道的排气流吸收热的第一区域(Aexhaust)和设置成从壁传递热以由通过至少一个冷却剂流体通道的冷却剂流体流吸收的第二区域(Acoolant)，其中适用于以下关系：Acoolant/Aexhaust≤1.2。

Description

涡轮机壳体
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年1月22日提交的德国专利申请No.102016200873.0的优先权。为了所有的目的，将以上引用的专利申请的全部内容以引用方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及涡轮增压器涡轮机壳体，并且具体地涉及能够以单个铸造操作形成的涡轮机壳体，并且该涡轮机壳体能够调节从排气流移除且吸收到冷却剂流中的热量。
背景技术
涡轮机壳体所经受的相当大的热负载通常需要使用相对昂贵的材料。因此，可能期望提供冷却系统以限制涡轮机壳体的温度。然而，对冷却系统增加过多的热对于其他发动机系统可能是不期望的。此外，可能不期望将排气冷却太多。本文所公开的实施例提供热传递机构，其能够有效地从排气流中移除热，同时不会使其他发动机系统过热，或过度冷却发动机排气。
所述内燃发动机具有气缸套和气缸盖，以及内燃发动机的燃烧室。
气缸盖通常可以用于保持阀驱动器。为了控制进气交换，内燃发动机需要控制元件和用于致动控制元件的致动装置。在进气交换期间，废气经由排气口排出，并且燃烧室的填充经由进气口进行。为了控制进气交换，在四冲程发动机中，几乎仅使用提升阀作为控制元件，该提升阀在内燃发动机的操作期间执行振动提升运动，并且这些提升阀以这种方式打开和关闭进气口和排气口。包括阀本身的阀的运动所需的阀致动机构被称为阀驱动器。
通向进气口的进气管线和毗邻排气口的排气管线可以至少部分地集成在气缸盖中。排气管线合并以形成总排气管线通常被称为排气歧管，并且在本发明的上下文中也被称为排气歧管。
一些发动机可以包括排气涡轮增压器，其中在排气口的下游，排气可以供应到至少一个涡轮机。在涡轮机之后，排气可以通过一个或多个排气后处理系统。
涡轮机的生产成本会是相对较高，因为通常用于热负载较高的涡轮机壳体的含镍材料是昂贵的，特别是相对于优选用于气缸盖的铝而言是昂贵的。不仅含镍材料或含镍铸钢本身的成本，而且用于机械加工这些材料的成本会相对较高。
因此，就成本而言，如果能够提供能够由较便宜的材料(例如，灰铸铁或铸铁)制造的涡轮机，特别是如果考虑到寻求涡轮机的紧联接布置并且经常导致相对大尺寸的大体积壳体，则是非常有利的。这可能是因为由于受限制的空间条件，通过法兰和螺钉的涡轮机和气缸盖的连接可以利用大的涡轮机入口区域，并且可能是因为必须为组装工具提供足够的空间。大体积的壳体能够与相应高的材料使用水平相关联。因此，在靠近发动机布置的涡轮机的情况下，由于相对高的材料使用，成本优势特别显著。铝的使用将具有关于涡轮机重量的附加优点。
使用冷却装置可使得能够使用更便宜的材料。例如，利用可以通过热排气显著减少涡轮机和涡轮机壳体的热负载的液体型冷却装置，从而可以允许使用不太耐高热负载的材料。
通常，涡轮机壳体可以具有冷却套，以便形成冷却装置。已经对其中壳体是铸造部件且冷却套在铸造过程中作为整体式壳体的整体组成部分共同形成的概念，和其中壳体具有模块化构造的概念作出了努力，其中在组装期间形成用作冷却套的空腔。
根据后者概念所设计的涡轮机例如被描述在德国公开文献DE 10 2008 011 257A1(也公开为，WO2009106166A1)中。涡轮机的液体型冷却装置借助实际的涡轮机壳体形成，实际的涡轮机壳体具有套管，使得能够引入冷却剂的空腔形成在壳体和与其间隔开布置的至少一个套管元件之间。扩展为包括套管布置的壳体然后包括冷却套。
本文的发明人已经认识到这种方法的许多缺点。例如，由于液体特别是常规使用的水的高比热容，因此可以通过液体型冷却从壳体中提取大量的热。热可以耗散到壳体内部中的冷却剂中，并且可以与冷却剂一起排出。耗散到冷却剂的热可以在热交换器中再次从冷却剂中提取。基本上可能的是，涡轮机的液体型冷却装置配备有单独的热交换器或者在液体冷却的内燃发动机的情况下用于发动机冷却装置的热交换器，即用于该目的的不同液体型冷却装置的热交换器。后者仅需要两个回路之间的相应连接。在这种情况下，必须考虑到涡轮机中的冷却剂所吸收的热量可能高到使得所述大量的热量从热交换器中的冷却剂中提取并通过空气流排放到周围环境中可以成为问题。
现代的机动车辆驱动器通常可以配备有高功率风扇马达，以便在热交换器处提供足够高的热传递所需的空气质量流量。然而，对于热传递有意义的另一参数，特别是为热传递提供的表面积不能任意地大或任意地扩大，因为在通常布置有各种热交换器的车辆的前端区域中的空间可用性受到限制。
已经开发了各种概念来限制涡轮机中的冷却剂所吸收的热量。德国公开文献DE10 2011 002 554 A1描述了一种概念，其中在涡轮机壳体中设置有室，该室布置在涡轮机的排气传导流动管道和冷却剂管道之间，并且用作热屏障，使得从排气或流动管道到冷却剂管道并到冷却剂中的热流被阻碍并且由此减少。通过室的结构设计(特别是成形)，影响热流从而影响涡轮机壳体中的温度分布是可能的。
发明人在此已经充分地认识到该方法的问题，例如在制造方面。在一些情况下还可容纳工艺流体的室的制造是有问题的，特别是借助于铸造的生产过程所需的芯体(cores)的移除。在一些情况下，涡轮机壳体的模块化(也就是说多部分)构造会是不可避免的。
用于限制由冷却剂吸收的热量的其他概念限制涡轮机壳体中的至少一个冷却剂管道的空间幅度，或者在冷却剂侧提供热绝缘。前者类型的一个概念提供了例如至少一个冷却剂管道不完全地包围(即围绕)涡轮机的叶轮，类似于冷却套，而是仅在有限的角度范围α(其中例如α≤45°)上沿圆周方向在流动管道上延伸。
涡轮机或涡轮机壳体的过度冷却还可能不可避免地导致通过涡轮机传导的排气的相应的显著冷却。然而，这可能从根本上是不可取的。首先，特别寻求能够最佳地利用由排气温度显著确定的用于能源生产的热排气的排气焓。其次，排气通常在涡轮机的下游受到排气后处理，并且所使用的排气后处理系统需要足够高的排气温度用于污染物的转化。
发明内容
根据本公开的实施例可以提供一种内燃发动机，该内燃发动机可以包括气缸盖、涡轮机以及涡轮机壳体。涡轮机壳体可以包括排气通道、至少一个冷却剂流体通道以及在通道之间的壁。该壁可以具有设置成从通过排气通道的排气流吸收热的第一区域(Aexhaust)和设置成从壁传递热以由通过至少一个冷却剂流体通道的冷却剂流体流吸收的第二区域(Acoolant)，其中适用于以下关系：Acoolant/Aexhaust≤1.2。
热可以从排气流进入冷却剂流动所通过的材料可以在横截面上被概念化为梯形，在该梯形中热从排气通过梯形的长基进入材料，然后热离开材料并且通过梯形的短基进入冷却剂。然而，该描述应被理解为概念模型，而并不必局限于严格的梯形形状。“基”中任一或二者可以是直的或弯曲的、连续的或不连续的。类似地，Aexhaust和Acoolant中任一或二者可以是平坦的或减轻的连续或不连续，并且具有根据本公开的相对尺寸。
以这种方式，暴露于涡轮机壳体的液体型冷却装置的冷却剂Acoolant的表面积可以在尺寸方面受到限制，也就是说在范围方面受到限制。这可以用作减少或限制由冷却剂吸收或要吸收的热量。暴露于冷却剂的表面积的大小是热传递的重要参数，特别是对于由于对流引起的热传递。
从涡轮机壳体暴露于排气Aexhaust的表面积出发，诸如可以存在于单独的个案中，并且可以由至少一个排气传导流动管道形成，暴露于至少一个冷却剂管道的冷却剂Acoolant的表面积可以设定为不大于暴露于排气的表面积的1.2倍。暴露于壳体冷却装置的冷却剂的表面积达到，例如暴露于涡轮机壳体的排气的表面积的至多120％。
借助于至少一个排气传导流动管道和至少一个冷却剂管道的结构设计或成形、面积比及其数量和布置，可能影响引入冷却剂中的热量，而且影响热流动本身，且从而影响涡轮机壳体中的温度分布。
在当前情况下，目的不在于利用最大可能的区域上的冷却剂包围至少一个流动管道，并且因此实现最大可能的散热。相反，通过限制暴露于至少一个冷却剂管道的冷却剂Acoolant的表面积的大小，可以减少或限制耗散的热量。因此减轻了必须耗散由冷却剂吸收的大量热量的问题。
首先，根据各种实施例的涡轮机冷却装置可以使得免除用于制造特别是涡轮机壳体的可高热负载的含镍材料是可能的，因为可以减少材料的热负载。其次，冷却功率通常不足以允许使用仅能够经受低热负载的材料(诸如铝)。
对应于中等的冷却功率，对于生产根据本发明的液体冷却涡轮机，选择相应的材料(优选灰铸铁或铸铁)是有利的，在适当的情况下，选择带有添加剂(例如硅钼(SiMo))的灰铸铁或铸铁是有利的。
涡轮机可以被设计为径流式涡轮机，也就是说接近至少一个叶轮的叶轮叶片的流动基本上径向地行进。这里“基本上径向地”是指径向方向上的速度分量大于轴向速度分量。流动的速度矢量与涡轮机的轴或轮轴相交，特别是如果正在接近的流动精确地径向进行则为直角。为了使叶轮叶片由径向流动接近成为可能，用于供应排气的至少一个流动管道通常设计为环绕的螺旋形或蜗壳形壳体，使得排气到涡轮叶轮的流入基本上径向地行进。
然而，涡轮机也可以被设计为轴流式涡轮机，其中轴向方向上的速度分量大于径向方向上的速度分量。
涉及涡轮机的上述实施例包括混流式涡轮机的所有结构形式。
内燃发动机的实施例是有利的，其中提供增压装置，优选为排气涡轮增压装置。
在本文背景下，实施例是有利的，其中至少一个涡轮机是排气涡轮增压器的组成部分。由于相对高的排气温度，增压内燃发动机经受特别高的热负载，因此排气涡轮增压器的涡轮机的冷却是有利的。
增压主要用于增加内燃发动机的功率。这里，燃烧过程所需的空气被压缩，因此能够在每个工作循环中向每个气缸供应更大的空气质量。以这种方式，能够增加燃料质量并且因此增加平均压力。
增压是用于增加内燃发动机的功率同时维持不变的扫掠容积，或者用于减小扫掠容积同时维持相同的功率的合适的方法。在任何情况下，增压导致体积功率输出的增加和更有利的功率重量比。如果减小扫掠容积，则在给定的相同车辆边界条件下，因此可以将负载集中朝着燃料消耗率较低的较高负载移动。增压因此可以有助于内燃发动机的发展中的不断努力以最小化燃料消耗，也就是说，提高内燃发动机的效率。
排气涡轮增压器相对于机械增压器的优点在于，在增压器和内燃发动机之间不需要用于传输功率的机械连接。机械增压器获取从内燃发动机直接驱动它所需的能量，而排气涡轮增压器利用热排气的排气能量。
内燃发动机的实施例可以包括具有至少两个气缸的至少一个气缸盖。如果气缸盖具有两个气缸并且仅一个气缸的排气管线打开或来自一个气缸的排气排入涡轮机中，则这同样是根据本发明的内燃发动机。
在一些情况下，气缸盖具有三个或更多个气缸，并且两个气缸的排气管线可以导入涡轮机。
其中至少一个气缸盖具有例如直列布置的四个气缸，并且外气缸的排气管线和内气缸的排气管线合并，以在每种情况下形成一个总排气管线的实施例同样是根据本公开的内燃发动机。这可以是这种情况，特别是不论两个总排气管线是否通向相同的涡轮机或者在每种情况下彼此分开地进入单独的涡轮机。
至少一个涡轮机可以是双通道涡轮机。双通道涡轮机具有带有两个入口管道和两个通道的入口区域，其中两个总排气管线以这样的方式连接到双通道涡轮机，即在每种情况下，一个总排气管线通向一个入口管道或一个通道。
实施例也可以是有利的，其中至少一个气缸盖的所有气缸的排气管线可以合并以形成单个的，即通向至少一个涡轮机的共用的总排气管线。
内燃发动机的实施例可以是有利的，其中适用于以下关系：Acoolant/Aexhaust≤1.0。
内燃发动机的实施例可以是有利的，其中适用于以下关系：Acoolant/Aexhaust≤0.8。
内燃发动机的实施例可以是有利的，其中适用于以下关系：Acoolant/Aexhaust≤0.65。
内燃发动机的实施例可以是有利的，其中适用于以下关系：Acoolant/Aexhaust≤0.55。
内燃发动机的实施例可以是有利的，其中适用于以下关系：Acoolant/Aexhaust≤0.50。
内燃发动机的实施例可以是有利的，其中适用于以下关系：Acoolant/Aexhaust≤0.48或0.45。
上述实施例可以考虑到适当地选择面积比Acoolant/Aexhaust以便从根本上更小从而减小引入冷却剂的热量的事实，但是还应当适应于相应的个别情况或应用。这里，排气流速和排气温度对能够实现的面积比具有显著影响。
内燃发动机的实施例是有利的，其中至少一个附加的冷却剂管道可以通过壳体舌状件，该壳体舌状件在至少一个排气传导流动管道的端部处形成涡轮机壳体。可构成或可共同形成排气传导流动管道的端部并且可延伸到尽可能接近旋转叶轮的点的壳体舌状件是涡轮机壳体的最高热负载区域。这可能有很多原因。至少在径流式涡轮机的情况下，排气的一部分通过壳体舌状件两次，具体地，首先在进入涡轮机壳体时，也就是说，在进入到以环形方式围绕叶轮延伸的排气传导流动管道的入口处，并且第二次是在最终进入在流动管道的端部处的旋转叶轮时。因此，壳体舌状件可以在两侧暴露于热排气，其中通过排气引入到舌状件中的热能够基本上仅经由窄腹板通过热传导而耗散，舌状件通过该窄腹板连接到涡轮机壳体本身。舌状件可以不仅在两侧而且在其面向叶轮且同样暴露于热排气的自由端处被热排气流加载热负载。
此外，排气流可以通过壳体舌状件以更大或更小的强度转向，以便将排气引导到叶轮。在此，排气流冲击壳体舌状件并且具有垂直于舌状件壁的速度分量，由此通过对流的热传递以及因此壳体舌状件的热负载增加。
如果提供至少一个附加的冷却剂管道，则在其中至少一个附加的冷却剂管道基本上平行于涡轮机的轴延伸的情况下，实施例可以是有利的。附加的冷却剂管道可以在精加工过程期间，例如通过钻孔形成在壳体中，然后优选地直线延伸。暴露于至少一个附加的冷却剂管道的冷却剂的表面积也可以合并到面积比Acoolant/Aexhaust中。
内燃发动机的实施例是有利的，其中提供至少一个旁通管线，该旁通管线从至少一个叶轮上游的至少一个排气传导流动管道分支。
排气涡轮增压的配置可以包括难点，其中其主要上寻求在所有发动机速度范围内获得显著的性能增加。然而，在某一发动机速度下冲(undershot)的情况下观察到扭矩下降。如果考虑到充气压力比取决于涡轮机压力比，则所述扭矩下降是可以理解的。例如，如果发动机速度降低，则这导致较小的排气质量流量并且因此导致较低的涡轮机压力比。这具有的结果是，朝向较低的发动机速度，充气压力比和充气压力同样减小，这等于扭矩下降。
使用各种措施来寻求改善增压的内燃发动机的扭矩特性。这可以例如通过涡轮机横截面的小设计和排气吹出设施的同时供应来实现。这种涡轮机也被称为废气门涡轮机。如果排气质量流量超过临界值，则在所谓的排气吹出的过程中，排气流的一部分经由旁通管线被引导通过涡轮机。然而，所述方法具有在相对高的发动机速度下或在相对高的排气流速的情况下增压行为不充分的缺点。
扭矩特性也可以通过串联连接的多个排气涡轮增压器被有利地影响。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，并且一个排气涡轮增压器用作低压级)，能够有利地扩展压缩机特性图，特别是在较小的压缩机流动方向上和在较大的压缩机流动方向上。
特别地，借助用作高压级的排气涡轮增加器，喘振极限在较小的压缩机流动的方向上变动是可能的，因此即使借助小的压缩机流动也能够获得高的充气压力比，这大大改善了在较低发动机速度范围中的扭矩特性。这通过设计用于小的排气质量流量的高压涡轮机并通过提供旁通管线来实现，通过该旁通管线，随着排气质量流量的增加，增加的排气流速被引导通过高压涡轮机。为此，旁通管线从高压涡轮机的至少一个叶轮上游的排气排放系统分支，并且在低压涡轮机的上游再次通向排气排放系统，其中关闭元件布置在旁通管线中，以便控制被引导通过高压涡轮机的排气流。以这种方式增压的内燃发动机的响应行为相对于具有单级增压的类似内燃发动机可以显著改善，因为较小尺寸的排气涡轮增压器的转子能够更快地加速，从而相对小的高压级较不惰性。
要指出的是，增压的内燃发动机的扭矩特性还可以借助于并联布置的多个涡轮增压器来改善，也就是说借助于平行布置的相对小的涡轮机横截面的多个涡轮机，其中涡轮机随着排气流速的增加而被连续地激活。
如果提供旁通管线，则内燃发动机的实施例在本文中可以是有利的，其中至少一个旁通管线通向至少一个叶轮下游的排气排放系统。简单地关于普通的排气后处理，旁通的排气与已经被引导通过涡轮机的排气的其余部分的合并是方便的和有利的。
在这种情况下，内燃发动机的实施例可以反过来是有利的，其中至少一个旁通管线通向涡轮机的出口区域。这使得实现作为与旁通管线一起的整体的涡轮机单元的紧凑结构是可能的。
在这种情况下，内燃发动机的实施例也是有利的，其中至少在使用冷却装置的区域中冷却至少一个旁通管线。旁通管线和特别是提供在旁通管线中的关闭元件是高热负载的部件。在关闭元件的情况下，冷却装置特别地用于维持关闭元件的功能。
内燃发动机的实施例可以是有利的，其中涡轮机的轴安装在轴承壳体中，其中轴承壳体在叶轮侧具有至少一个冷却剂管道。液体冷却的轴承壳体补充并支撑涡轮机壳体的冷却装置。
在涡轮机具有涡轮机入口区域和/或涡轮机出口区域的内燃发动机的情况下，实施例是有利的，其中在排气侧并且至少在涡轮机入口区域和/或涡轮机出口区域的区域中提供热绝缘。
在本公开的上下文中，涡轮机入口区域和涡轮机出口区域可以属于涡轮机壳体，并且因此也属于涡轮机。
形成涡轮机入口区域和涡轮机出口区域的壁在入口侧和出口侧界定排气排放系统，并且可以至少在区域中配备有热绝缘，即用热绝缘涂覆、衬里、表面处理等。在本发明的上下文中，热绝缘可以与壳体材料区别开，壳体材料由于热绝缘表现出比所述材料更低的导热性的事实而被非常普遍地使用。传热表面的热导率(即壁的热导率)降低，其中这是基本上能够引入热的情况，然而这是较小程度的。
在当前情况下，可以通过引入热绝缘来阻止在入口侧和出口侧将热引入涡轮机中，使得在各种情况下，可以省去涡轮机入口区域和涡轮机出口区域的冷却装置，尽管不是必须的。因此，内燃发动机的实施例也是有利的，其中涡轮机入口区域和涡轮机出口区域不具有冷却装置或冷却剂管道。
内燃发动机的实施例可以是有利的，其中涡轮机壳体和至少一个冷却剂管道以及至少一个流动管道一起是铸造为一体的部件。在各种情况下，涡轮机入口区域和涡轮机出口区域同样属于整体形式(monolithic form)的部件，也可能是废气门。
通过铸造和相应的芯体的使用，能够在一个工作步骤中形成复杂的结构，使得随后仅需要精加工和转子的安装以便形成涡轮机。根据讨论中的实施例的整体形式的部件的优点特别地是紧凑的结构和额外的组装工作步骤的省略等。以这种方式，整体部件由灰口铁或铸铁制成。
内燃发动机的实施例也可以是有利的，其中涡轮机壳体与至少一个冷却剂管道以及至少一个流动管道一起以模块化方式由至少两个部件构成，也就是说是多部分形式。
其中至少两个部件彼此连接的模块化结构具有基本优点，即各个部件能够在根据结构套件原理的不同的实施例中使用。部件的多功能性通常增加所生产的量，由此能够降低制造成本。至少两个部件可以以非锁紧联接、锁紧联接和/或粘接方式彼此连接。
内燃发动机的实施例是有利的，其中每个气缸可以具有用于将排气排出气缸的两个或三个排气口。
阀驱动器的目的是在正确的时间打开和关闭气缸的排气口，其中寻求最大可能的流动横截面的快速打开，以便将流出的排气中的节流损失保持为低，并且以便确保有效地，即完全地将排气排放。因此，气缸具有两个或更多个排气口是有利的。
内燃发动机的实施例可以是有利的，其中排气管线合并以在至少一个气缸盖内形成至少一个总排气管线，从而形成至少一个集成的排气歧管。
可以考虑的是，基本上寻求将至少一个涡轮机，特别是排气涡轮增压器的涡轮机布置成尽可能地靠近气缸的出口，从而能够最佳地利用由排气压力和排气温度显著确定的热排气的排气焓，并且能够确保涡轮机或涡轮增压器的快速响应行为。此外，热排气到不同排气后处理系统的路径也应当尽可能的短，使得可以给予排气很少时间来冷却并且排气后处理系统尽可能快地达到其操作温度或起燃温度，特别是在内燃发动机的冷启动之后。
因此，还寻求最小化在气缸处的排气口和涡轮机之间或者在气缸处的排气口和排气后处理系统之间的排气管线的部分的热惯性，这能够通过减小所述部分的质量和长度来实现。
排气管线可以在气缸盖内合并，以便形成至少一个集成的排气歧管。排气管线的长度可以以这种方式减小。管线容积(即涡轮机上游的排气管线的排气容积)减少，使得响应行为得到改善。缩短的排气管线还导致涡轮机上游的排气系统的热惯性减小，使得在涡轮机入口处的排气的温度增加，由此在涡轮机的入口处的排气的焓也更高。此外，气缸盖内的排气管线的合并允许驱动单元的密集封装。
然而，具有集成的排气歧管的气缸盖可比配备有外部歧管的常规气缸盖热负载更高，且因此可对冷却布置提出更高的要求。因此，内燃发动机的实施例也是有利的，其中至少一个气缸盖具有集成在气缸盖中的至少一个冷却套，以便形成液体型冷却装置。
液体型冷却装置特别是在增压的发动机的情况下可以是有利的，因为增压的发动机的热负载显著地高于常规内燃发动机的热负载。
在这种情况下，内燃发动机的实施例可以是有利的，其中集成在气缸盖中的至少一个冷却套连接到涡轮机壳体的至少一个冷却剂管道。
如果集成在气缸盖中的至少一个冷却套连接到涡轮机壳体的至少一个冷却剂管道，则形成冷却回路所需的其他部件和组件基本上只需要单独提供，因为这些可以用于涡轮机壳体的冷却回路和内燃发动机的冷却回路二者，这可以导致协同效应和成本节约，但也需要减轻重量。
例如，优选地，仅提供用于输送冷却剂的一个泵和用于储存冷却剂的一个容器。耗散到气缸盖中和涡轮机壳体中的冷却剂的热能够从共用热交换器中的冷却剂中提取。此外，涡轮机壳体的至少一个冷却剂管道可以经由气缸盖被供应冷却剂。
内燃发动机的实施例是有利的，其中涡轮机壳体中的至少一个冷却剂管道至少部分地以环形方式围绕轴延伸。在当前情况下，冷却剂管道不需要形成完整的环，而是可以仅形成环的一部分或更多，即位于涡轮机的轴的周围或围绕涡轮机的轴周向地延伸的至少一个弓形部分；在适当的情况下在圆弧上。
内燃发动机的实施例也可以是有利的，其中至少一个冷却剂管道至少部分地延伸到至少一个排气传导流动管道的侧面，以便与所述流动管道沿轴的方向间隔开。这里，冷却剂管道也可以改为侧面，也就是说可以相对于排气传导流动管道侧向地延伸，且然后穿过流动管道到达流动管道的另一侧，以便相对于流动管道在那里侧向地向前延伸。冷却剂管道和流动管道优选地与轴以相同的程度间隔开。
内燃发动机的实施例可以是有利的，其中至少一个冷却剂管道至少部分地周向地在周围延伸，并且以便与至少一个流动管道间隔开。然后冷却剂管道和流动管道至少部分地与轴不同程度地间隔开。实施例还可以是有利的，其中提供至少两个冷却剂管道以形成涡轮机壳体的冷却装置。
多于一个冷却剂管道的供应有助于壳体中的温度分布的均匀化，也就是说有助于与冷却装置结合的原理引起的壳体中出现的温度梯度和应力的消耗。
涡轮机可以配备有可变涡轮机几何形状，其允许通过涡轮机几何形状的调整或有效涡轮机横截面的调整来更精确地适应内燃发动机的相应操作点。在此，用于影响流动方向的可调节的导向叶片布置在涡轮机的入口区域中。与旋转叶轮的叶轮叶片相比，导向叶片不随涡轮机的轴旋转。
如果涡轮机具有固定的不变的几何形状，则导向叶片布置在入口区域中，以便不仅是固定的，而且也是完全不可移动的，也就是说如果提供导向装置，则为刚性固定的。相反，在可变几何形状的情况下，导向叶片适当地布置以便是固定的，但是不是完全不可移动的，而是可绕其轴线旋转，使得能够影响接近叶轮叶片的流。
与固定不变的几何形状相比，可变涡轮机几何形状由于可移动部件而具有甚至更小的热负载，由此配备有可变涡轮机几何形状的涡轮机的冷却是特别有利的。
附图说明
图1是示出包括根据本公开的液体冷却的涡轮机的内燃发动机的示意图。
图2A是示出根据本公开的可用于制造用于液体冷却的涡轮机的示例壳体的示例铸造芯体的俯视截面图。
图2B是示出图2A中所示的铸造芯体的侧视图。
图3是示出排气通道和冷却剂通道的示例性形状和位置的截面图，排气通道和冷却剂通道可以由使用图2A和图2B中所示的铸造芯体的铸造操作形成，并且其中该部分可以认为是从图2B中的线3-3处的相应的铸件切割。(不包括一些材料以显示通道的形状。)
图4是沿图2B中的线4-4截取的类似于图3的截面图。
图5是示出根据本公开的涡轮机壳体的第二实施例的截面图。
具体实施方式
图1是示出多缸发动机10的一个气缸的示意图，该气缸可以被包括在汽车的推进系统中。发动机10可以至少部分地由控制系统(未示出)和来自车辆操作者经由输入装置(未示出)的输入来控制，输入装置例如加速器踏板和与加速器踏板联接用于产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器。发动机10的燃烧室(即，气缸)30可以包括其中定位有活塞36的燃烧室壁32。活塞36可以联接到连接杆40，使得活塞的往复运动经由连接杆40转化为曲轴(未示出)的旋转运动。曲轴可以经由中间传动系统联接到车辆的至少一个驱动轮。进一步地，起动器马达可以经由飞轮(未示出)联接到曲轴，以能够启动发动机10的起动操作。可以提供油分配系统形式的润滑系统来引导油以润滑发动机10。燃烧室30可以经由进气通道42从进气歧管44接收进气，并且可以经由排气通道48排出燃烧气体。进气歧管44和排气通道48能够经由相应的进气门52和排气门54与燃烧室30选择性地连通。在一些实施例中，燃烧室30可以包括两个或更多个进气门和/或两个或更多个排气门。
在该示例中，进气门52和排气门54可以经由相应的凸轮致动系统51和凸轮致动系统53通过凸轮致动控制。凸轮致动系统51和凸轮致动系统53可以各自均包括固定的凸轮正时，或可以包括一个或多个凸轮，并且可以利用可由控制器(未示出)操作的凸轮廓线变换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)系统中的一个或多个来改变气门操作。进气门52和排气门54的位置可以由位置传感器(未示出)来确定。在替代的实施例中，进气门52和/或排气门54可以由电动气门致动控制。例如，气缸30可以替换地包括经由电动气门致动控制的进气门和经由包括CPS和/或VCT系统的凸轮致动控制的排气门。
燃料喷射器66被示出直接联接到燃烧气缸30，用于与经由(例如)电子驱动器从控制器12接收的信号FPW的脉冲宽度成比例地将燃料直接喷射在燃烧气缸30中。以这种方式，燃料喷射器66提供了所谓的燃料到燃烧气缸30中的直接喷射。例如，燃料喷射器可以安装在燃烧气缸的侧面上或者安装在燃烧气缸的顶部中。燃料可以通过燃料输送系统(未包括)被输送到燃料喷射器66。在一些实施例中，燃烧气缸30可以替代地或附加地包括以一种构造布置在进气通道42中的燃料喷射器，该构造提供到燃烧气缸30上游的进气道中的所谓的燃料的进气道喷射。
进气通道42可以包括充气运动控制阀(CMCV)和CMCV板(未示出)，并且还可以包括具有节流板64的节气门62。在该特定示例中，节流板64的位置可以通过例如控制器，经由提供给包括在节气门62内的电动马达或致动器的信号来改变，这种配置可以被称为电子节气门控制(ETC)。以这种方式，可以操作节气门62以改变提供至燃烧气缸30等其他发动机燃烧气缸的进气。进气通道42可包括质量空气流量传感器120和歧管空气压力传感器(未示出)，用于向控制器提供相应的信号MAF和MAP。
发动机10或发动机系统12可以包括涡轮增压器70，其中经配置压缩进气的压缩机72可以由涡轮机76经由轴74驱动。涡轮机76可以由来自燃烧室30的通过排气通道100的排气驱动。旁通管线78可以经配置以允许排气中的一些或全部绕过涡轮机76。排气处理元件80可定位在涡轮机76的下游。
可以提供冷却剂系统82以至少部分地调节涡轮机76和/或涡轮机壳体77的温度。冷却剂系统82可以包括附加元件84，例如一个或多个阀、储存器、泵等。冷却剂流体管道或冷却剂通道102可以引导冷却剂通过和/或围绕涡轮机壳体77，以从壳体77吸收可能已经从通过排气通道100的排气流吸收的热。
如上所述，图1仅示出多缸发动机的一个气缸，然而能够理解，每个气缸可以类似地包括其本身的一组进气门/排气门、燃料喷射器等。
图2A示出在垂直于涡轮机叶轮110(图5)的旋转轴线108的截面中的内燃发动机10的第一实施例的液体冷却的涡轮机76的一些铸造芯体104、106。用于涡轮机76的叶轮110的旋转轴线108因此垂直于附图的平面。图2B示出图2A中所示的铸造芯体104、106旋转90°后的视图，其中视图指向涡轮机叶轮110的轴108。
铸造芯体用于形成涡轮机壳体77的空腔112、114，并且因此特别地用于形成用于形成冷却装置82的排气传导流动管道100和冷却剂管道102。
冷却剂进入冷却剂管道102，该冷却剂管道102以环形方式(在本情况下以圆形方式)围绕轴109分叉并位于其中，并且相对于流动管道100侧向地行进，且以便在轴109的方向上与流动管道100间隔开。冷却剂管道3a在下游改变侧面，也就是说横跨流动管道100引导到流动管道100的另一侧，以便相对于流动管道100或在轴承壳体侧处向前侧向地延伸，直到冷却剂出口(由箭头指示)。
涡轮76供应有来自内燃发动机10的排气。排气经由涡轮机入口区域5a(由双箭头指示)进入涡轮机壳体77或流动管道100。
引导排气通过涡轮机壳体77的流动管道100围绕叶轮110的旋转轴线108以螺旋方式延伸，并且在叶轮110的下游通向圆锥形涡轮机出口区域5b，从中排气沿旋转轴线108的方向(由双箭头指示)轴向地出现。
为了绕过涡轮机或叶轮的目的，提供旁通管线78，旁通管线78从叶轮110上游的排气传导流动管道100分支，并且通向叶轮下游的涡轮机的出口区域118。
在当前的情况下，暴露于排气传导流动管道100的排气Aexhaust的表面积和暴露于冷却剂管道102的冷却剂Acoolant的表面积形成面积比Acoolant/Aexhaust≈0.43。
图5示出在垂直于涡轮机叶轮110的轴6a的截面中的内燃发动机的第二实施例的径流式涡轮机76。轴109形成用于涡轮机76的叶轮110的旋转轴线108，并且垂直于附图的平面。
径流式涡轮机76包括其中布置有叶轮110的涡轮机壳体77，叶轮110可旋转地安装在轴6a上。为了使转子叶片能够由径向流动靠近，用于供应排气的壳体1a是环绕的螺旋壳体的形式。从在法兰120中形成的入口区域116出发，热排气流过围绕叶轮110以螺旋方式延伸的流动管道100。流动管道100的端部形成壳体舌状件122，在当前情况下，壳体舌状件122是涡轮机壳体77的整体组成部分，并且一直延伸到叶轮110的外圆周。
为了在高热负载的壳体舌状件122的区域中形成液体型冷却装置82，涡轮机壳体77具有引导穿过壳体舌状件122的附加冷却剂管道124。所述冷却剂管道124直线地行进并且平行于叶轮110的旋转轴线108延伸。在当前情况下，管道124已经通过钻孔形成在壳体77中或壳体舌状件122中。
各种实施例可以提供具有至少一个气缸盖126并且具有包括涡轮机壳体77的至少一个涡轮机76的内燃发动机10。涡轮机壳体包括排气通道100、至少一个冷却剂流体通道102以及在排气通道100和至少一个冷却剂流体通道102之间的壁128。至少一个冷却剂流体通道102具有设置成从通过排气通道的排气流吸收热的第一区域(Aexhaust)，和设置成从壁传递热以由通过至少一个冷却剂流体通道的冷却剂流体流吸收的第二区域(Acoolant)，其中适用以下关系：Acoolant/Aexhaust≤1.2。在一些实施例中，适用以下关系：Acoolant/Aexhaust≤0.5。
在各种实施例中，容纳排气通道100和至少一个冷却剂流体通道102的涡轮机可以是铸造为单件的单一(unitary)部件。在一些情况下，至少一个冷却剂流体通道102可以至少部分地以环形方式围绕轴线108延伸，叶轮可以在轴线108上旋转。至少一个冷却剂流体通道可以与所述排气通道100间隔开，并且在与叶轮可以在其上旋转的轴线108基本平行的方向上偏移到其一侧。至少一个冷却套可以集成到气缸盖126中，并且经配置接收也通过至少一个冷却剂流体通道100的冷却剂流体流。
各种实施例可以提供涡轮机壳体77。涡轮机壳体77可以包括排气通道100，排气通道100具有延伸到大致盘状的叶轮接收部分130中的曲线部分114。盘状叶轮接收部分130可以限定盘状平面132。冷却剂流体通道102可以在铸造操作中与排气通道100整体形成，并且可以具有引导到环形部分134中的第一部分。环形部分134可以定位成与盘状平面132基本平行并且位于盘状平面132的第一侧上。环形部分134可以延伸到可传到盘状平面132的第二侧的曲线区段112。涡轮机壳体77还可以包括在排气通道100和冷却剂流体通道102之间的热传递中间部分128，其中从通过排气通道的排气流传递到可通过冷却剂流体通道的冷却剂流体流中的所有的热量基本上可以传输通过排气管道100的内表面上的排气区域Aexhaust并且传输通过冷却剂流体通道102的内表面上的冷却区域Acoolant，其中适用以下关系：Acoolant/Aexhaust≤1.2。
如图5所示，对于一些实施例，排气通道100可以包括在第一部分112和盘状部分123之间的连接区域136处的舌状部分122。附加的冷却剂管道124可以被限定在舌状部分122中。
在一些实施例中，涡轮机壳体77可以包括至少一个旁通管线78，并且可以经配置从叶轮接收部分130上游的排气通路100分支。至少一个旁通管线78可以通向叶轮接收部分130下游的气体通道100。旁通管线78可经配置由通过冷却剂流体通道102的冷却剂流体流来冷却。
涡轮机壳体77可以包括轴承壳体140，轴承壳体140经配置容纳一个或多个轴承以支撑用于在叶轮接收部分130内旋转的叶轮110。轴承壳体具有经配置由通过冷却剂流体通道102的冷却剂流体流冷却的至少一个冷却剂管道142。至少一个冷却剂管道142可以经配置为从冷却剂流体通道102延伸的连接管线。气缸盖126可以使用与冷却剂流体通道102流体联接的附加连接管线143来冷却。
如所讨论的，涡轮机壳体77可以包括涡轮机入口区域116和涡轮机出口区域118。在一些实施例中，热绝缘可以设置在涡轮机入口区域116处和至少在涡轮机出口区域118的排气侧上。
各种实施例可提供用于形成涡轮增压器涡轮机壳体77的铸造芯体装置142。铸造芯体装置142可包括第一可移除或可破坏的芯体元件104，芯体元件104可定位在模具内以在完成铸造操作时形成排气通道100。第二可移除或可破坏的芯体元件106可定位在模具内，以在完成铸造操作时形成冷却剂流体通道102。实施例可包括限定在第一芯体元件104和第二芯体元件106之间的空间，以在完成铸造操作时在排气通道100和冷却剂流体通道102之间形成热传递壁128。壁128可以具有吸收来自排气流的热的第一表面积(Afirst)和允许通过冷却剂流体流从壁带走热的第二表面积(Asecond)，其中适用(Asecond)/(Afirst)≤1.2。在一些实施例中可以适用(Asecond)/(Afirst)≤1.0。在一些实施例中，可以适用(Asecond)/(Afirst)≤0.8。在一些实施例中可以适用(Asecond)/(Afirst)≤0.65。在一些实施例中可以适用(Asecond)/(Afirst)≤0.55。
排气通道100可以限定叶轮室130和引导到叶轮室130中的流动管道112。舌状件122可以位于流动管道和叶轮室130之间的过渡区域136处。第二芯体元件106可定位在模具内以在舌状件122内形成第二或附加的冷却剂流体通道124。
排气通道100可以限定叶轮室130和引导到叶轮室130中的流动管道112。舌状件122可以位于流动管道112和叶轮室130之间的过渡区域136处。附加的冷却剂流体通道124可以在铸造操作之后形成在舌状件122内，其中(Asecond)可以包括来自附加冷却剂流体通道的内部区域。叶轮室130可以被限定为容纳可在轴109上旋转的叶轮，并且附加冷却剂流体通道124可以定向成与轴109基本平行。冷却剂通道102和附加冷却剂流体通道124可以形成集成的冷却剂通道流路，其中附加冷却剂流体通道可以是冷却剂通道的分支。
本领域的技术人员应该理解，虽然已经参照一个或多个实施例通过示例方式描述了本公开，但是本公开不限于所公开的实施例，并且可以在不脱离本公开的范围的情况下，能够构造对所公开的实施例或替代实施例的一个或多个修改。
因此，应该理解，本文公开的配置和方法本质上是示例性的，并且这些具体实施例不应被认为是限制性的，因为许多变化是可能的。例如，上述技术能够应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其他发动机类型。本公开的主题包括本文公开的各种系统和配置以及其他特征、功能和/或性能的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。
所附权利要求特别地指出被认为是新颖和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可以指“一个”元件或“第一”元件或其等同物。此类权利要求应当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更多个此类元件。所公开的特征、功能、元件和/或性能的其他组合和子组合可以通过修改本权利要求或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来要求保护。此类权利要求，无论是与原始权利要求相比范围更宽、更窄、相等或不同，都被认为包括在本公开的主题内。

Claims (20)

1.一种具有至少一个气缸盖并具有至少一个涡轮机的内燃发动机，其包括：
涡轮机壳体，其包括：
排气通道；
至少一个冷却剂流体通道；
在所述排气通道和所述至少一个冷却剂流体通道之间的壁，其包括：
第一区域(Aexhaust)，其设置成从通过所述排气通道的排气流吸收热量，以及
第二区域(Acoolant)，其设置成从所述壁传递热量以由通过所述至少一个冷却剂流体通道的冷却剂流体流吸收；以及
其中以下关系适用：Acoolant/Aexhaust≤1.2。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中以下关系适用：Acoolant/Aexhaust≤0.5。
3.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中容纳所述排气通道和所述至少一个冷却剂流体通道的所述涡轮机是铸造为单件的单一部件。
4.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中所述至少一个冷却剂流体通道至少部分地以环形方式围绕轴线行进，叶轮可在所述轴线上旋转。
5.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中所述至少一个冷却剂流体通道与所述排气通道间隔开，并且在与于其上叶轮可旋转的轴线实质平行的方向上偏移到所述排气通道一侧。
6.根据权利要求1所述的内燃发动机，进一步包括至少一个冷却套，所述至少一个冷却套集成到所述气缸盖中，并且经配置接收也通过所述至少一个冷却剂流体通道的所述冷却剂流体流。
7.一种涡轮机壳体，其包括：
排气通道，其具有延伸到实质盘状叶轮接收部分中的曲线部分，所述盘状叶轮接收部分限定盘形平面；
冷却剂流体通道，其在铸造操作中与所述排气通道整体形成，并且具有引导到环形部分中的第一部分，所述环形部分定位成实质上平行于所述盘状平面并位于所述盘状平面的第一侧上，并且延伸到传到所述盘状平面的第二侧的曲线区段；以及
热传递中间部分，其位于所述排气通道和所述冷却剂流体通道之间，其中从通过所述排气通道的排气流传递到通过所述冷却剂流体通道的冷却剂流体流的所有的热量实质上通过所述排气通道的内表面上的排气区域Aexhaust传输，并且通过所述冷却剂流体通道的内表面上的冷却区域Acoolant传输，其中以下关系适用：Acoolant/Aexhaust≤1.2。
8.根据权利要求7所述的涡轮机壳体，其中所述排气通道包括所述第一部分和所述盘状部分之间的连接区域处的舌状部分，以及被限定在所述舌状件中的附加冷却剂管道。
9.根据权利要求7所述的涡轮机壳体，进一步包括至少一个旁通管线，所述旁通管线经配置从所述叶轮接收部分上游的所述排气通道分支，并且通向所述叶轮接收部分下游的气体通道，其中所述旁通管线经配置由通过所述冷却剂流体通道的所述冷却剂流体流冷却。
10.根据权利要求7所述的涡轮机壳体，进一步包括轴承壳体，所述轴承壳体经配置容纳一个或多个轴承，以支撑用于在所述叶轮接收部分内旋转的叶轮，其中所述轴承壳体具有经配置由通过所述冷却剂流体通道的所述冷却剂流体流冷却的至少一个冷却剂管道。
11.根据权利要求7所述的涡轮机壳体，进一步包括涡轮机入口区域和涡轮机出口区域、热绝缘至少在其排气侧设置在所述涡轮机入口区域和所述涡轮机出口区域。
12.一种用于形成涡轮增压器涡轮机壳体的铸造芯体装置，其包括：
第一可移除或可破坏的芯体元件，其可定位在模具内以在完成铸造操作时形成排气通道；
第二可移除或可破坏的芯体元件，其可定位在所述模具内以在完成所述铸造操作时形成冷却剂流体通道；
空间，其被限定在所述第一芯体元件和所述第二芯体元件之间以在完成铸造操作时在所述排气通道和所述冷却剂流体通道之间形成热传递壁；以及
其中所述壁具有：吸收来自排气流的热的第一表面积(Afirst)和允许通过冷却剂流体流从所述壁带走热的第二表面积(Asecond)，其中以下关系适用：(Asecond)/(Afirst)≤1.2。
13.根据权利要求12所述的铸造芯体装置，其中所述排气通道限定叶轮室和引导到所述叶轮室中的流动管道，舌状件处于所述流动管道和所述叶轮室之间的过渡区域；以及
所述第二芯体元件可定位在所述模具内以在所述舌状件内形成冷却剂流体通道。
14.根据权利要求12所述的铸造芯体装置，其中所述排气通道限定叶轮室和引导到所述叶轮室中的流动管道，舌状件处于所述流动管道和所述叶轮室之间的过渡区域；以及
在所述铸造操作之后在所述舌状件内形成附加冷却剂流体通道，其中所述第二表面积(Asecond)包括来自所述附加冷却剂流体通道的内部区域。
15.根据权利要求14所述的铸造芯体装置，其中所述叶轮室被限定成容纳可在轴上旋转的叶轮，并且所述附加冷却剂流体通道定向成实质上平行于所述轴。
16.根据权利要求14所述的铸造芯体装置，其中所述冷却剂通道和所述附加冷却剂流体通道形成集成的冷却剂通道流路，其中所述附加冷却剂流体通道是所述冷却剂通道的分支。
17.根据权利要求12所述的铸造芯体装置，其中以下关系适用：(Asecond)/(Afirst)≤1.0。
18.根据权利要求12所述的铸造芯体装置，其中以下关系适用：(Asecond)/(Afirst)≤0.8。
19.根据权利要求12所述的铸造芯体装置，其中以下关系适用：(Asecond)/(Afirst)≤0.65。
20.根据权利要求12所述的铸造芯体装置，其中以下关系适用：(Asecond)/(Afirst)≤0.55。
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