CN109072717B - 用于内燃机的涡轮增压器的涡轮机壳体和涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的涡轮增压器（1）的涡轮机壳体（21），其包括：‑环形管道（22），其用于将排气质量流（AM）引导到可布置在所述涡轮机壳体（21）中的涡轮机叶轮（12）；以及‑排气排放管道（26），其用于在流动抵靠所述涡轮机叶轮（12）后将所述排气质量流（AM）从所述涡轮机壳体（21）排出；其中，绝缘元件（211、215）分别被布置在所述环形管道（22）的内壁（221）的区域中并且布置在所述排气排放通道（26）的内壁（261）的区域中。本发明还涉及一种涡轮增压器（1）。

Description

用于内燃机的涡轮增压器的涡轮机壳体和涡轮增压器

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的涡轮增压器的涡轮机壳体。本发明还涉及一种具有这样的涡轮机壳体的涡轮增压器。

背景技术

由DE 10 2008 011 258 A1已知一种用于涡轮增压器的冷却壳体。从EP 2 889455 A1已知一种具有隔热的水冷却涡轮增压器。

排气涡轮增压器越来越多地用于增加机动车辆内燃机的功率。越来越频繁地，这样做的目的是降低内燃机的总体尺寸和重量以用于相同的功率或甚至增加的功率，并且同时降低消耗并因此降低二氧化碳排放，在这方面的法律要求更为严格。作用原理在于使用包含在排气流中的能量来增加内燃机的进气道中的压力，并且从而更好地用大气氧气填充内燃机的燃烧室。以这种方式，可以在每个燃烧过程中转换更多的燃料，例如汽油或柴油，即可以增加内燃机的功率。

为此，排气涡轮增压器具有布置在内燃机的排气道中的排气涡轮机、布置在进气道中的新鲜空气压缩机和布置在它们之间的转子轴承。排气涡轮机具有涡轮机壳体和布置在涡轮机壳体中的涡轮机转子，涡轮机转子由排气质量流驱动。新鲜空气压缩机具有压缩机壳体和布置在压缩机壳体中的压缩机转子，其构建增压压力。涡轮机转子和压缩机转子布置成在共同轴的相对端上共同旋转并且形成所谓的涡轮增压器转子，所述共同轴称为转子轴。转子轴通过布置在排气涡轮机和新鲜空气压缩机之间的转子轴承在涡轮机转子和压缩机转子之间轴向延伸，并且在所述转子轴承中设置有相对于转子轴线在径向和轴向方向上的旋转支撑。根据这种结构，由排气质量流驱动的涡轮机转子经由转子轴驱动压缩机转子，从而基于新鲜空气压缩机下游的新鲜空气质量流增加内燃机的进气道中的压力，并从而确保用大气氧更好地填充燃烧室。

发明内容

本发明的一个目的是详细说明一种用于涡轮增压器的涡轮机壳体的构思，其有助于涡轮增压器的有效操作。

公开了一种用于内燃机的涡轮增压器的涡轮机壳体。涡轮机壳体具有环形管道，用于将排气质量流传导到可布置在涡轮机壳体中的涡轮机叶轮。换句话说，涡轮机壳体中的环形管道形成为使得排气质量流可以有针对性地径向和/或轴向地撞击在涡轮机叶轮上。此外，涡轮机壳体具有排气排放管道，用于在排气质量流撞击在涡轮机叶轮上之后将排气质量流从涡轮机壳体排出。排气排放管道在涡轮机壳体中形成，使得来自涡轮机壳体的排气质量流在流过（撞击在涡轮机叶轮上并流动围绕涡轮机叶轮）之后可以流出。绝缘元件分别布置在环形管道的内壁的区域中和排气排放管道的内壁的区域中。

每个绝缘元件用于使涡轮机壳体在内壁的上述区域中热绝缘。换句话说，所述绝缘元件为隔热的。因此，涡轮机壳体在所述区域中与在涡轮增压器的操作期间引导通过涡轮机壳体的排气质量流的热量绝缘。

在相应的内壁的区域中，这意味着环形管道或排气排放管道的内壁分别至少部分地或完全地设置有特定的绝缘元件。换句话说，绝缘元件分别至少部分地内衬环形管道和排气排放管道，或者至少部分地布置在这些内壁上。绝缘元件为分开的、单个元件，其没有连接在一起。换句话说，涡轮机壳体仅在预定区域内部具有绝缘元件。

在所述的涡轮机壳体中，实现了选择性热绝缘，这能够通过使用绝缘元件而容易地产生。例如，省去了将绝缘腔复杂地引入涡轮机壳体中。这有助于由涡轮机壳体占用很少的安装空间。环形管道中的绝缘防止排气质量流固有的不足取的部分热能经由涡轮机壳体排出或者在环形管道周围另外提供的局部冷却。当壳体由确保良好的热传导的金属材料制成时尤其如此。由于环形管道区域中的绝缘元件，与非绝缘环形管道相比，排气质量流可以在更高的温度下（并且因此具有更大的焓）撞击在涡轮机叶轮上，从而有助于特别有效的涡轮功率或高水平的涡轮效率。这尤其有利于改善内燃机所谓的“扭矩时间”（即直到达到期望扭矩的时间）和“低端扭矩”（在此尚未达到所需扭矩）。在涡轮机叶轮撞击之前的热能损失将是热力学上不希望的，尤其会损失用于驱动涡轮机叶轮的此能量。因此，所描述的涡轮机壳体有助于涡轮增压器的有效操作。还有助于将涡轮机壳体的部件温度选择性地降低到期望的水平。

由于两个绝缘元件，与非绝缘涡轮机壳体相比，可以将较低的要求，特别是机械性能的要求放置在涡轮机壳体上。例如，可以使用耐热性较差的材料，导致节省涡轮机壳体的成本。例如，涡轮机壳体没有必要使用特别昂贵的、高度耐热的材料。另一个优点在于，例如，不需要在冷却系统中消散相对大量的热量，为此可能需要对机动车辆的冷却系统进行调整，这在成本和可能的空间要求方面是不利的。此外，没有必要提供全面的、全包含的冷却，例如以具有水冷却的冷却护套的形式，以使部件温度达到适当的低水平，使得材料承受操作中的负载。还可以省去可选的热保护片，其在涡轮增压器的装配期间被引入并且机械地固定（夹紧、拧紧等）。

根据一种构型，相对于涡轮机壳体的纵向轴线，涡轮机壳体在排气排放管道和环形管道之间具有密封轮廓，该密封轮廓没有任何绝缘元件。这有助于上述涡轮机壳体的选择性隔热。绝缘或绝缘元件的装配通常受制于公差，并且这尤其在涡轮增压器的装配期间可能是不利的。密封轮廓为涡轮机壳体部分，其与涡轮机叶轮的外轮廓（突出到延伸通过涡轮机叶轮的旋转轴线的平面中）形成间隙。换句话说，密封轮廓为涡轮机壳体的内壁部分。该密封轮廓加工成使得涡轮机叶轮能够以无摩擦的方式围绕旋转轴线旋转，而与涡轮机壳体具有尽可能小的间距。在这种情况下，间隙应该很小，以至于通过流过涡轮机叶轮或围绕涡轮机叶轮流动几乎不会损失排气质量流的能量。根据该构型，省去了密封轮廓区域中的绝缘元件，以便保持间隙的公差链尽可能小。

根据另一种构型，涡轮机壳体在废气门阀座的区域中、在轴承壳体连接法兰的区域中和/或在排气连接法兰的区域中没有任何绝缘元件。与上述类似，这有助于选择性隔热。如上所述，这些区域为在其上放置高公差要求的加工区域。

根据另一种构型，至少一个绝缘元件为层的形式，该层至少部分地施加到环形管道和/或排气排放管道的相应内壁。涂层有助于涡轮机壳体的隔热。例如，所述层为热障层或涂层。

根据另一种构型，至少一个绝缘元件为嵌入元件的形式，该嵌入元件已经插入涡轮机壳体中或者至少部分地被模制进入或至少部分地被包封。此嵌入元件也可以称为嵌体。这有助于特别简单且成本有效的装配。

特别是当仅绝缘元件被插入壳体中时，因此不需要进一步的紧固措施。例如，嵌入元件可以逆着弹簧力插入涡轮机壳体中并因此被夹紧就位。可选地，可以在涡轮机壳体中设置轴环或肩部以用于插入，这些有助于确保绝缘元件的机械固定。由于嵌入元件被模制进入或包封，在模制期间实现了与涡轮机壳体的牢固连接。因此，在模制之前将嵌入元件引入相应的模具中。在模制进入嵌体的情况下，除了可选地存在的形状配合之外，不需要额外的机械固定。这尤其对于具有集成废气门阀的排气涡轮增压器是有利的。

嵌入元件适于涡轮机壳体的成形，特别是环形管道、螺旋壳体部分或排气排放管道的成形。换句话说，实现了嵌入元件在涡轮机壳体中的形状配合。

根据另一种构型，绝缘元件以多层方式形成，其中，第二绝缘层跟随第一层，第一层在操作期间面向排气质量流并且展示出耐高温的材料。因此，保护绝缘层免于与排气质量流直接接触。

根据另一种构型，绝缘元件具有第三层，该第三层跟随第二层并面向环形管道和/或排气排放管道的相应内壁。因此，绝缘层布置在第一层和第三层之间。换句话说，第三层终止绝缘层。例如，绝缘层由第一层和第三层包围。

绝缘层也可以称为绝缘材料或绝缘层。合适的绝缘材料例如为陶瓷材料。第一层和第三层例如为金属层，例如由铝材料制成的层。特别地，使用例如金属材料，该金属材料展现出特别小的磨损并且耐高温。

根据另一种构型，第三层与涡轮机壳体形成牢固的连接。例如，在涡轮机壳体的制造期间，仅类似于上述模制进入第三层，并因此与模制材料形成牢固的连接。

另选地，嵌入元件或嵌体形成为使得其适于内壁轮廓的成形，以用于与涡轮机壳体进行形状配合。换句话说，嵌入元件在几何尺寸方面适合于涡轮机壳体。

根据另一种构型，至少一个绝缘元件展示出金属泡沫。例如，第二层由金属泡沫制成。因此，可以实现隔热。由于多孔结构，与固体材料相比，实现了较低的导热性。例如，孔包括空气，其充当绝缘。

根据另一种构型，涡轮机壳体在密封轮廓的区域中、在轴承壳体连接法兰的区域中和/或在排气连接法兰的区域中具有局部冷却。密封轮廓、轴承壳体连接法兰（例如在所谓的p3侧或所谓的涡轮机壳体的p3空间的区域中）和排气连接法兰（例如在所谓的p4侧或所谓的涡轮机壳体的p4空间的区域中）为涡轮机壳体的区域，由于与其他部件，如上所述与密封轮廓相关的机械连接，而在该区域上放置了高公差要求。在这些区域中，局部地提供冷却，使得涡轮机壳体与绝缘结合选择性地冷却。换句话说，仅在涡轮机壳体的区域中选择性地产生冷却，在涡轮机壳体的区域中，对机械公差放置了很高的要求。因此，涡轮机壳体可以由轻金属材料制成，特别是不耐高温的有利材料，这有助于成本有效地制造涡轮机壳体并因此有助于制造涡轮增压器。由于绝缘和冷却的结合，涡轮机壳体的部件温度可以降低到所需的水平。因此，例如在流体冷却的情况下，可以将引入冷却回路的热量和所需量的冷却剂减少到最小。总的来说，这有助于提高涡轮机效率，特别是与外围完全冷却的壳体相比。此外，由于绝缘元件和冷却的巧妙细分和组合，此外可以以最佳方式校准冷却性能到涡轮机壳体、特别是在密封轮廓的区域中的变形行为。不需要提供整体冷却，而是仅选择性冷却。

局部冷却例如为具有冷却管道或冷却护套的水冷却。例如，这些为涡轮机壳体中的管道，诸如水的冷却剂可以通过该管道流动以便从涡轮机壳体散热。

根据另一种构型，涡轮机壳体在废气门阀座的区域中具有局部冷却。与上述类似，这使得上述优点和功能成为可能。特别地，废气门阀的阀体或阀瓣在涡轮增压器的运行期间变得非常热，并因此可以将热量引入壳体中。这对于在操作期间废气门阀或阀座的磨损是不利的，特别是当不使用耐高温的材料时。为了保护废气门阀座免受磨损和过度变形，通过局部冷却消散热量，所述磨损和过度变形对于座的紧密性是不利的。这使得上述优点和功能特别可行。

还公开了一种用于内燃机的涡轮增压器，该涡轮增压器具有轴承壳体，转子轴以可旋转的方式安装在该轴承壳体中。涡轮增压器还具有涡轮机叶轮，涡轮机叶轮布置成在转子轴上共同旋转。涡轮增压器还具有根据上述构型中的一种构型的涡轮机壳体，其被机械地固定到轴承壳体。 涡轮增压器基本上允许上述优点和功能。

在以下示例性实施例的详细描述中公开了其他优点和功能。

附图说明

借助于附图在下文中描述了示例性实施例。贯穿附图，相同类型或相同作用的元件设置有相同的附图标记。

在附图中：

图1示出了涡轮增压器的示意剖视图，

图2示出了根据本发明的示例性实施例的涡轮增压器的示意性局部剖视图，以及

图3示出了根据本发明的示例性实施例的涡轮增压器的废气门阀座的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出了排气涡轮增压器1的示例的截面图，该排气涡轮增压器1包括排气涡轮20、新鲜空气压缩机30和转子轴承40。排气涡轮20配备有废气门阀29以及排气质量流AM由箭头表示。新鲜空气压缩机30具有超限空气再循环阀39以及同样由箭头表示的新鲜空气质量流FM。如已知的，排气涡轮增压器1的涡轮增压器转子10具有涡轮机转子12（也称为涡轮机叶轮）、压缩机转子13（也称为压缩机叶轮）和转子轴14（也称为轴）。涡轮增压器转子10在操作期间绕转子轴14的转子旋转轴线15旋转。转子旋转轴线15并且同时涡轮增压器轴线2（也称为纵向轴线）由指示的中心线示出并且标识排气涡轮增压器1的轴向定向。涡轮增压器转子10由其转子轴14通过两个径向轴承42和一个轴向轴承垫圈43支撑。径向轴承42和轴向轴承垫圈43都经由油连接45的供油管道44供应润滑剂。

通常，如图1中所示，传统的排气涡轮增压器1具有多部件结构。这里，可布置在内燃机的排气道中的涡轮机壳体21、可布置在内燃机的进气道中的压缩机壳体31，以及在涡轮机壳体21和压缩机壳体31之间的轴承壳体41相对于共同的涡轮增压器轴线2彼此并排布置并且在装配方面连接在一起。

排气涡轮增压器1的另一结构单元由涡轮增压器转子10表示，涡轮增压器转子10具有转子轴14、布置在涡轮机壳体21中具有转子叶片121的涡轮机转子12、以及布置在压缩机壳体31中具有转子叶片131的压缩机转子13。涡轮机转子12和压缩机转子13布置在共用转子轴14的相对端上并且与其共同旋转地连接。转子轴14在涡轮增压器轴线2的方向上轴向延伸穿过轴承壳体41并且在其中设置有围绕其纵向轴线、转子旋转轴线15的轴向和径向方向上的旋转支撑，其中，转子旋转轴线15位于涡轮增压器轴线2上、即与涡轮增压器轴线2重合。

涡轮机壳体21具有一个或多个排气环形管道，其称为排气通道22或螺旋形路径，该排气环形管道环形地围绕涡轮增压器轴线2和涡轮机转子12布置并且螺旋地朝向涡轮机转子12变窄。这些环形管道22各自具有它们自己的或共同的切向向外指向的排气供给管道23，其具有歧管连接分支24，歧管连接分支24用于连接到内燃机的排气歧管（未示出），排气质量流AM通过该排气歧管流入特定的排气通道22中。此外，排气通道22各自具有至少在内圆周的一部分上延伸的称为排气入口狭缝25的狭缝型开口，其至少部分地在径向方向上朝向涡轮机转子12延伸，并且排气质量流AM通过该狭缝型开口流到涡轮机转子12上。

此外，涡轮机壳体21具有排气排放管道26，该排气排放管道26在涡轮增压器轴线2的方向上远离涡轮机转子12的轴向端部延伸并且具有排气连接法兰27（也为排气连接分支），用于连接到内燃机的排气系统（未示出）。经由该排气排放管道26，从涡轮机转子12出现的排气质量流AM排出到内燃机的排气系统中。

在特定区域上，在排气入口狭缝25和排气排放管道26之间，涡轮机壳体21的径向内轮廓遵循容纳在该壳体中的涡轮机转子12的外轮廓。涡轮机壳体21的内轮廓的该区域被表示为涡轮机密封轮廓28，并且具有如下效果：排气质量流AM尽可能完全地流过涡轮机转子12的转子叶片121，而不是经过涡轮机转子12的转子叶片121。在这方面，需要在运行期间在涡轮机壳体21的密封轮廓28与涡轮机转子12的外轮廓之间确保尽可能小的间隙，这允许涡轮机转子12的自由旋转但是将环流损失限制为最低。

废气门阀29为涡轮机侧上的相应旁通阀装置。废气门阀29经由涡轮机壳体21中的废气门管道291将在排气质量流AM的流动方向上的涡轮机转子12上游的排气供给管道23连接到在排气质量流AM的流动方向上涡轮机转子12下游的排气排放管道26。废气门阀29可以经由关闭装置、例如废气门翻板292打开或关闭。

没有更具体地说明涡轮增压器1的进一步细节。

图2示出了根据本发明的实施例的涡轮增压器1的截面局部视图，基于该视图，更详细地描述了涡轮机壳体21的构型。涡轮机壳体21的区别在于选择性冷却和隔热。需要指出，图1中所示的涡轮增压器1的细节不同于基于图1说明的涡轮增压器1。

涡轮机壳体21由诸如灰铸铁的轻金属材料制成，但是也可以想到其他材料。

根据图2，环形管道22的内壁221设置有第一绝缘元件211。绝缘元件211与环形管道22的内壁221的成形相匹配，并且至少部分地对后者内衬。绝缘元件211为嵌入部件，其具有三层212至214。第一层212在操作期间面向排气质量流AM并且表示绝缘元件211的内表皮。第一层212由金属材料、例如耐高温的金属材料、例如金属板制成。第二层213呈绝缘层的形式并且展示出绝缘材料、例如陶瓷。第三层214面向涡轮机壳体21、即内壁221。第三层214同样可以由耐高温的金属材料构成。第一绝缘元件211模制到涡轮机壳体21中。例如，仅第三层214模制进入。另选地，层212至214中的两层或全部层模制进入。

以与第一绝缘元件211类似的方式，设置第二绝缘元件215，其布置在涡轮机壳体21的内壁222上的排气排放管道26的区域中。它具有相同的层212至214并且为嵌入部件的形式。第二绝缘元件215同样模制到涡轮机壳体21中。

如从图2中明显的，涡轮机壳体21的密封轮廓28没有任何绝缘元件。此外，在轴承壳体连接法兰217和排气连接法兰14的区域中，不提供进一步的隔热，因为在该区域中存在高的公差要求，如开头所述。此外，废气门阀29、特别是废气门管道291的区域也没有设置任何绝缘。

为了确保涡轮机壳体21的充分冷却，在上述区域中提供局部冷却。这是水冷却，其中，冷却管道216已引入涡轮机壳体21中，在操作期间作为冷却介质的水流过所述冷却管道216，以便吸收热能。

因此，在已经加工并且在其上放置高公差要求的区域中，不提供绝缘元件，而是提供局部冷却。

如从图2和3中明显的，在废气门阀29的废气门阀座293处提供局部冷却。在这种情况下，所述冷却为废气门阀座293的内部水冷却294，废气门阀座293以管道状方式围绕废气门阀座293延伸，使得作为冷却介质的水可以吸收热能。水冷却294具有水流入295和回水流296。这在图3中示意性地示出。

所描述的涡轮增压器1的区别在于涡轮机壳体21的选择性绝缘和水冷却的组合。如开头所述，结果可以实现所提到的优点和功能。特别地，耐热性较差的材料、例如轻金属材料，可用于涡轮机壳体21，与耐高温的铸造材料相比，这具有相当大的价格优势。选择性冷却和绝缘的组合导致涡轮机效率提高并因此使得涡轮增压器1的总效率提高，例如与在外围冷却的、例如水冷却的涡轮机壳体的情况下相比。此外，涡轮机壳体21的部件温度可以降低到所需的水平。由于在轴承壳体连接法兰217的区域中提供局部冷却，因此还可以省去集成到轴承壳体41中的局部冷却，因为轴承壳体41经由涡轮机壳体21同时冷却。

另选地，绝缘元件211和215以其他方式构造。例如，绝缘元件211和215中的一者或两者展示出金属泡沫，例如为第二层213。在另一替代方案中，绝缘元件211和215中的一者或两者未被模制到涡轮机壳体21中，而是仅插入。在这种情况下，绝缘元件211和/或215可以在涡轮增压器1的装配期间机械地固定，例如夹紧。此外，还可以设想，绝缘元件211和215中的一者或两者作为涂层施加到涡轮机壳体21的相应内壁。

需指出，基于图2和图3描述的涡轮增压器1可以根据基于图1示意性地说明的涡轮增压器来构造。然而，这不是绝对必要的。根据图2和3的涡轮增压器1可以具有替代构型。

Claims (9)

1.一种用于内燃机的涡轮增压器（1）的涡轮机壳体（21），具有：

- 环形管道（22），其用于将排气质量流（AM）引导到可布置在所述涡轮机壳体（21）中的涡轮机叶轮（12）；以及

- 排气排放管道（26），其用于在所述排气质量流（AM）撞击在所述涡轮机叶轮（12）上之后将所述排气质量流（AM）从所述涡轮机壳体（21）排出；

其中，绝缘元件（211、215）分别布置在所述环形管道（22）的内壁（221）的区域中并且布置在所述排气排放管道（26）的内壁（261）的区域中，

其中，相对于所述涡轮机壳体（21）的纵向轴线（2），所述涡轮机壳体（21）在所述排气排放管道（26）和所述环形管道（22）之间具有密封轮廓（28），所述密封轮廓（28）没有任何绝缘元件，

其中，所述涡轮机壳体（21）在废气门阀座（293）、轴承壳体连接法兰（217）和排气连接法兰（27）的区域中没有任何绝缘元件，并且

其中，所述涡轮机壳体（21）在密封轮廓（28）的区域中、在轴承壳体连接法兰（217）的区域中和在所述排气连接法兰（27）的区域中具有局部冷却。

2.根据权利要求1所述的涡轮机壳体（21），

其中，至少一个所述绝缘元件（211、215）为层的形式，所述层至少部分地施加到所述环形管道（22）和/或所述排气排放管道（26）的相应内壁（221、261）。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮机壳体（21），

其中，至少一个绝缘元件（211、215）为嵌入元件的形式，所述嵌入元件已经插入所述涡轮机壳体（21）中或者已至少部分地模制进入或至少部分地包封。

4.根据权利要求3所述的涡轮机壳体（21），

其中，所述至少一个绝缘元件（211、215）以多层方式形成，其中，第二绝缘层（213）跟随第一层（212），所述第一层（212）在操作期间面向排气质量流（AM）并展示出耐高温的材料。

5.根据权利要求4所述的涡轮机壳体（21），

其中，所述至少一个绝缘元件（211、215）具有第三层（214），所述第三层（214）跟随所述第二层（213）并面向所述环形管道（22）和/或所述排气排放管道（26）的相应内壁（221、261）。

6.根据权利要求5所述的涡轮机壳体（21），

其中，所述第三层（214）与所述涡轮机壳体（21）形成牢固的连接。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮机壳体（21），

其中，至少一个所述绝缘元件（211、215）展示出金属泡沫。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮机壳体（21），

其中，所述涡轮机壳体（21）在废气门阀座（293）的区域中具有局部冷却。

9.一种用于内燃机的涡轮增压器（1），具有：

- 轴承壳体（41），转子轴（14）以可旋转的方式安装在所述轴承壳体中；

- 涡轮机叶轮（12），其布置成在所述转子轴（14）上共同旋转；以及

- 根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮机壳体（21），其机械地固定到所述轴承壳体（41）。

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