CN109790755B - 用于内燃机的废气涡轮增压器的涡轮 - Google Patents
用于内燃机的废气涡轮增压器的涡轮 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于内燃机(10)的废气涡轮增压器(24)的涡轮(26),所述涡轮具有包括容置区域(32)的涡轮壳体(30)、至少部分地布置在所述容置区域(32)中并且可以围绕旋转轴(36)相对所述涡轮壳体(30)转动的涡轮叶轮(34)、至少一个由所述涡轮壳体(30)构成的通道(58,60,114,16),所述通道可以被所述内燃机(10)的废气流过并且与所述容置区域(32)连通,且所述通道用于将流过所述通道(58,60,114,116)的废气送入所述容置区域(32)以及送往所述涡轮叶轮(34),以及所述涡轮具有舌片滑块(66),所述舌片滑块具有至少一个对应于所述通道(58,60,114,116)且可以围绕所述旋转轴(36)相对所述涡轮壳体(30)位移的舌片(68,70),所述通道(58,60,114,116)的通流截面可以借助所述舌片调节,其中流过所述通道(58,60,114,116)的废气可以通过所述通流截面被导入所述容置区域(32)并且输往所述涡轮叶轮(34),其中所述涡轮(26)构建为半轴流式涡轮,其中所述废气在所述涡轮工作期间从所述通道(58,60,114,116)穿过相应的通流截面流入所述容置区域(32)且流向所述涡轮叶轮(34)的相应流向相对所述涡轮叶轮(34)的轴向和其径向倾斜。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的废气涡轮增压器的涡轮。
背景技术
例如已由DE 10 2008 039 085 A1已知这种用于内燃机的废气涡轮增压器的涡轮。
其中,涡轮包括具有容置区域的涡轮壳体。此外,涡轮包括至少部分地、特别是至少主要或完全地布置在容置区域中并且围绕旋转轴相对涡轮壳体可动的涡轮叶轮。
此外,涡轮具有至少一个由涡轮壳体构成的通道,可以借助该通道将流过该通道的废气送入容置区域以及送往涡轮叶轮,或者借助该通道在涡轮工作期间输送废气进入容置区域以及送往涡轮叶轮。流过该通道的废气可以从通道流出以及流入容置区域,使得流入容置区域的废气涌向涡轮叶轮从而驱动涡轮叶轮。
此外,涡轮包括舌片滑块,该舌片滑块具有至少一个对应于通道且可以围绕旋转轴相对涡轮壳体位移的舌片。对应于舌片的通道的通流截面可以借助该舌片调节。其中,流过通道的废气可以通过通流截面被导入容置区域并且输往涡轮叶轮。换言之,通道通过对应的通流截面与容置区域连通,使得从通道流出以及流入容置区域的废气通过通流截面从通道流出以及流入容置区域。
此外,DE 10 2012 016 984 A1同样揭示过一种具有这种舌片滑块的用于内燃机的废气涡轮增压器的涡轮。由DE 199 18 232 A1还已知一种多气缸内燃机。
发明内容
本发明的目的是以某种方式进一步改进本文开篇所述及类型的涡轮,以实现特别高效的运行。
本发明用以达成上述目的的解决方案为具有根据本发明的特征的一种涡轮。
为了进一步前述类型的涡轮,从而实现特别高效以及在效率上特别有利的运行,本发明提出,所述涡轮构建为半轴流式涡轮,其中所述废气在所述涡轮工作期间从所述通道通过通流截面流入所述容置区域从而流向所述涡轮叶轮的流向相对所述涡轮叶轮的轴向和径向倾斜。所述流向特别是在例如由涡轮叶轮的轴向与其径向形成的/限定的平面上相对涡轮叶轮的径向和轴向倾斜,使得并非严格地沿径向以及严格地沿轴向将废气输往涡轮叶轮,特别是输往涡轮叶轮的叶片/叶栅,而是将废气半轴流式地也就是倾斜于轴向和径向从通道输往涡轮叶轮。
本发明基于以下认识:通过持续增大特别是就NOX和碳烟排放而言的排放限值,对增压系统产生强烈影响。在内燃机中使用这种增压系统,其中利用所述增压系统来为内燃机特别是内燃机的至少一个例如构建为气缸的燃烧室提供压缩空气。因此,这种增压系统包括至少一个废气涡轮增压器,其具有可以由内燃机的废气驱动的涡轮以及用于压缩输往内燃机的空气的压缩机。在此过程中,所述压缩机可以由所述涡轮驱动。由于涡轮可以由废气驱动,就可以利用废气中所含有的能量来压缩空气。基于在通过中间负荷范围直至满负荷范围内的较高功率要求和较高EGR率(EGR-废气再循环)来提供增压压力方面不断增长的需求,需要人们不断缩小增压系统的涡轮的几何尺寸。也就是说,通过与相应的内燃机的相互配合来提高涡轮的拦截能力以及减小其吸收能力来实现所需的涡轮功率。
通常还使用颗粒或烟灰过滤器,其可以用来将颗粒特别是烟灰颗粒从内燃机的相应废气中滤除。因此,通过烟灰过滤器的反压力来进一步提高涡轮的入口压力水平,这样就必须再将涡轮设计为较小值从而具有较低的效率,从而使得用于空气-废气传输的压缩机侧上的功率满足要求。在此过程中,例如将双流式的非对称涡轮用作废气再循环系统的核心组件。就结合内燃机的必要的待输送燃烧用空气的EGR能力而言,最大的问题特别是在于下部至中部的发动机工作区域内的较大负荷。也就是说,在同样自内燃机的标称工作点出发由换气侧或消耗侧定义的常规的设计边界条件中,在下发动机转速范围的非对称的双流式的固定几何形状涡轮中无法进行最佳的操作。固定几何形状涡轮是指具有固定的涡轮几何形状的涡轮,也就是涡轮几何形状不可变。
为了将EGR率的比例最佳地调节至较大工作范围内所需的空气-燃料比例数,采用双流式的涡轮类型较为有利,该涡轮类型就气缸组合中的脉冲增压能力而言较为突出。专门设计用于脉冲增压的涡轮具有明显更大的通流截面,以便利用可用的较大温度波动或压力脉动。只有在通过直至涡轮内部的相应几何形状设计来明显减小内燃机的排出阀上和歧管区域内通常所设置的节流和摩擦损失,在废气涡轮增压器的涡轮上才会产生内燃机的这种高压力脉动。涡轮上游的所谓节流和摩擦损失的减小需要达到期望的极限脉冲增压的目标设置,这样尽管涡轮效率具有较大的时间波动,仍可以提高充分利用废气能量的平均总效率。
分段式涡轮提供了用于实现脉冲增压的权重的关键,该分段式涡轮较佳应配设有基本通流截面的变体方案,以便同样在上发动机转速范围内使用。为了有利地实现特点在于进一步利用经过改进的废气后处理的现有潜力的未来发展趋势,在许多应用情形中,可以朝非对称的涡轮特性方向降低涡轮的非对称度,以便进一步影响内燃机的节能。
在可变式涡轮的发展中,多年来,涡轮增压器应用的核心在于纯粹的径流式涡轮,因为相对轴流式涡轮的复杂变化而言,径向的环形喷嘴为入口变体方案的相对简单的设计提供了有利的条件。纯粹的径流式涡轮是指特别是就由涡轮叶轮的轴向与其径向所形成的/限定的平面而言沿严格的径向将废气输往涡轮叶轮。近来半轴流式涡轮的数量不断增加,但其通常在涡轮叶轮上游不设计入口变体方案。半轴流式涡轮的叶轮通道中的空间流动的偏转得到大幅减少,因此,半轴流式涡轮具有明显的效率潜力,其相对在很大程度上已充分发展的径流式涡轮而言提供附加的发展激励。
因此,根据本发明,将半轴流式涡轮与构建为或用作变体方案的舌片滑块结合在一起,其中所述半轴流式涡轮至少部分地布置在所述涡轮叶轮上游。所述舌片滑块为至少部分地布置在所述涡轮叶轮上游的变体方案,因为可以借助舌片滑块来设置,也就是更改或改变例如构建为区段的通道的就废气穿过涡轮的流向而言布置在涡轮叶轮上游的通流截面。为了更改或改变通流截面,使得舌片围绕旋转轴相对涡轮壳体转动或位移。这样就能特别有利地使得涡轮与内燃机的不同工作点相匹配,从而实现特别有利以及在效率上特别有利或高效的运行。
因此,本发明的涡轮为舌片滑块涡轮的进一步发展,其可以提高特别是就MDEG发动机而言的系列相关性。舌片滑块为节省结构空间且廉价的以及热坚固的方案,其用来更改布置在涡轮叶轮上游的通流截面。通道例如沿涡轮叶轮的周向在其整个周边范围内至少大体呈螺旋状地延伸,使得该通道例如构建为涡轮螺旋或螺旋区段。
半轴流式涡轮为纯粹的径流式涡轮与纯粹的轴流式涡轮间的折衷方案。此外,半轴流式涡轮适于特别是在涡轮叶轮的严格沿径向竖立叶片/叶栅中与期望的比转速范围相匹配,而无需经过机械折损,从而实现相对纯粹的径流式涡轮和纯粹的轴流式涡轮的效率优势。其中,舌片滑块为简单的涡轮变体方案,其可以以节省结构空间且廉价的方式实现并且具有较高的热坚固性。
其中,所述舌片特别有利地具有至少一个出口边,在所述涡轮工作期间,废气通过该出口边朝容置区域方向从所述舌片流出。其中,出口边至少部分地沿假想的沿涡轮叶轮的轴向呈锥形的表面延伸。
在本发明的另一实施方式中,所述涡轮叶轮具有包括相应的入口边的叶轮叶片,在所述涡轮工作期间,废气通过该入口边流向涡轮叶轮,其中相应的入口边至少部分地沿假想的沿涡轮叶轮的轴向呈锥形的表面延伸。可以通过入口边或出口边的这个走向实现特别高效的运行。因此,例如在纯粹的径流式涡轮中,涡轮壳体的舌片入口边和舌片的出口边大体放置在圆柱面上,而在半轴流式涡轮中,舌片的出口边和叶轮叶片的入口边至少大体定向在锥面上并且在经线位置上相对旋转轴具有一个角度,该角度明显不等于0且例如在(含)20°至(含)60°的范围内。
通过使用半轴流式涡轮,可以实现在叶片入口角的设计方面相对纯粹的径流式涡轮而言的自由度。叶片入口角特别是指在涡轮工作时,废气流向所述涡轮叶轮的相应叶轮叶片的角度。在纯粹的径流式涡轮中,通常出于强度考虑需要相对周向至少大体成90°的叶片入口角。在半轴流式涡轮或半轴流式涡轮的涡轮叶轮与用作入口变体方案的构建为舌片滑块的变体方案相结合的情况下,可以根据针对内燃机特别有利的运行而言的约0.5至0.8的比转速范围来有利地大体调整效率最佳值。
在本发明的另一技术方案中,所述舌片沿所述涡轮的轴向布置在所述舌片滑块的盖环之间、与所述盖环连接并且通过所述盖环以可旋转的方式支承在所述涡轮壳体上。盖环例如构成至少大体呈圆柱形的相应工作面,这些盖环例如至少间接地以可旋转的方式支承在涡轮壳体上。
另一实施方式的特征在于,所述盖环中的至少一个借助至少一个密封元件与所述涡轮壳体隔绝。优选这两个盖环均借助相应的密封元件与所述涡轮壳体隔绝。其中,相应的密封元件例如布置在前述至少大体呈圆柱形的工作面上。通过使得相应的盖环与涡轮壳体隔绝,就能将泄漏损失或流动损失保持在较低水平,从而实现涡轮的特别高效的运行。
此外,所述舌片例如通过所述相应盖环中的一个与致动器耦合,舌片可以借助该致动器相对涡轮壳体围绕旋转轴转动或位移。这样就能将涡轮的空间需求、部件数目和重量保持在极低的水平,从而实现特别高效且节能的运行。
为了实现特别高效的运行,在另一实施方式中,设有至少一个独立于涡轮壳体、独立于舌片滑块构建并且至少间接地保持在涡轮壳体上的轮廓件,涡轮叶轮的至少一部分沿径向朝外以及沿轴向被该轮廓件覆盖。轮廓件独立于涡轮壳体、独立于涡轮叶轮且独立于舌片滑块构建,因此,可以按需要借助该轮廓件调节轮廓件与涡轮叶轮之间的间隙。通过精确地按需要调节该间隙,可以将该间隙保持在极小的水平,从而将流动损失或泄漏损失保持在极低水平。
其中,所述盖环中的一个特别有利地沿所述涡轮叶轮的方向朝内至少部分地被轮廓件覆盖。这样就能将非期望的流动和流动损失保持在极低水平,从而实现特别高效的运行。
另一实施方式的特征在于,所述舌片滑块通过所述盖环中的一个以可旋转的方式支承在所述轮廓件上。这样涡轮就能特别有利从而特别高效地工作。
附图说明
本发明的更多优点、特征和细节参阅下文对优选实施例的说明以及图式。在本发明范围内,此前在说明书中所列特征和特征组合以及下文将在附图描述中提及和/或附图中单独示出的特征和特征组合既可以按本申请所给出的方式进行组合,也可按其他方式组合应用或单独应用。
其中:
图1为汽车的内燃机的示意图,其具有至少一个涡轮,所述涡轮建构为半轴流式涡轮并且具有舌片滑块;
图2局部地示出根据第一实施方式的涡轮的示意性纵向剖面图;
图3为图2中的涡轮沿图2所示剖面线A-A的示意性剖视图;
图4局部地示出所述涡轮的涡轮叶轮的第一实施方式的线框模型;
图5局部地示出所述涡轮叶轮的第二实施方式的线框模型;
图6为用于说明所述涡轮叶轮的实施方式的叶片角度曲线的图表;
图7局部地示出径流式涡轮的侧视剖面示意图;
图8局部示出根据第二实施方式的涡轮的示意性纵向剖面图;以及
图9局部示出根据第二实施方式的涡轮的示意性横截面图。
具体实施方式
在附图中,相同或功能相同的元件用相同的附图标记表示。
图1示出整体用10表示的用于汽车的内燃机,特别是用于例如乘用车或商业用车的汽车的内燃机。其中,所述汽车可以由内燃机10驱动。内燃机10包括至少一个例如构建为气缸壳体的引擎外壳12,内燃机10的未在图1中绘示的至少一个燃烧室由该引擎外壳构成。燃烧室例如构建为气缸,其中特别是以平移的方式可动地容置有活塞。活塞例如与内燃机10的从动轴14铰接,其中如图1中通过箭头16所示,从动轴14可相对引擎外壳12旋转。其中,内燃机10可以通过从动轴14提供用于驱动汽车的转矩。内燃机10特别是具有数个例如构建为气缸的燃烧室。
内燃机10具有可被空气流过的进口段18,借助该进口段将流过进口段18的空气导向且特别是导入这些气缸。其中,在进口段18中布置有空气滤清器20,其用来过滤流过进口段18的空气。内燃机10还具有排气段22,内燃机10的废气可以流过该排气段。此外,内燃机10包括至少一个废气涡轮增压器24,其具有布置在排气段22中且可受废气驱动的涡轮26和布置在进口段18中且可受涡轮26驱动的压缩机28。结合图2可以看出,涡轮26包括涡轮壳体30,容置区域32由该涡轮壳体构成。此外,涡轮26包括涡轮叶轮34,该涡轮叶轮至少部分地,特别是至少主要或完全地容置在容置区域32中从而容置在涡轮壳体30中,并且可以围绕旋转轴36相对涡轮壳体30旋转。
压缩机28具有未在图中绘示的压缩机壳体和布置在该压缩机壳体中的压缩机叶轮38,该压缩机叶轮可围绕旋转轴36相对压缩机壳体旋转。其中,废气涡轮增压器24包括轴40,该轴以抗旋的方式与涡轮叶轮34连接以及以抗旋的方式与压缩机叶轮38连接。涡轮叶轮34可以受内燃机10的废气驱动从而可围绕旋转轴36旋转。压缩机叶轮38可以通过轴40受涡轮叶轮34驱动。通过驱动压缩机叶轮38,借助压缩机叶轮38将流过进口段18的空气的至少一部分压缩。这样就能利用废气中含有的能量来压缩空气。
此外,在进口段18中,同样称为增压空气冷却器的冷却装置42布置在压缩机28下游。借助增压空气冷却器将经过压缩从而升温的空气冷却。内燃机10还包括废气回输装置44,其具有至少一个废气回输管线46。废气回输管线46在分流点上与排气段22流体连接,使得在分流点上可以将流过排气段22的废气的至少一部分从排气段22引出。被引出的废气流入废气回输管线46,并且借助废气回输管线46将其引至输入点,在该输入点上,废气回输管线46与进口段18流体连接。借助废气回输管线46将被引出的废气朝进口段回输且特别是回输入进口段18,废气可以在输入点上流入进口段18。在输入点上流入进口段18的废气被流过进口段18的空气带走,并且特别是被运送入气缸。其中,废气回输装置44包括布置在废气回输管线46中的废气回输管阀48,其可以用来调节流过废气回输管线46的回输废气量。此外,废气回输装置44包括布置在废气回输管线46中的废气回输管冷却器50,其可以用来冷却流过废气回输管线46的废气。
排气段22具有可被废气的第二部分流过的第二溢流/流路54中的可被废气的第一部分流过的第一溢流/流路52,其中例如也将溢流52和54称为废气溢流或歧管溢流。流过溢流52的废气例如来自第一气缸,其中流过溢流54的废气例如来自不同于第一气缸的第二气缸。因此,例如将气缸中的第一组群合并至溢流52,其中将气缸的不同于第一组群的第二组群合并至溢流54。
正如下文将对此进行更精确阐述的那样,涡轮26,特别是涡轮壳体30具有例如至少两个可以被流过溢流52和54的废气流过的由涡轮壳体30构成的通道,其中第一通道例如与溢流52流体连接,第二通道与溢流54流体连接。这样流过溢流52的废气就能从溢流52流出并且流入第一通道。此外,流过溢流40的废气例如可以从溢流54流出并且流入第二通道。借助通道将流入通道的废气输往且特别是输入容置区域32从而输往涡轮叶轮34,使得流过通道的废气可以从通道流出并且流入容置区域32。这样涡轮叶轮34就能受从通道流出并且流入容置区域32的废气驱动。
如图1所示,废气回输管线46与溢流52流体连接。这样例如就能利用溢流52来提供足量的回输废气,这样溢流52也被称为EGR溢流。例如至少大体利用溢流54和流过溢流54的废气来实现涡轮26的足够的功率,以便以足够强烈的方式压缩空气。这样就能按需要在相应的气缸中提供燃烧用空气比例λ,这样溢流54也被称为lambda溢流(λ溢流)。在溢流52中,废气例如具有第一压力,其中废气在溢流54中例如可以具有第二压力。借助涡轮26使得废气膨胀,使得废气在涡轮26下游具有小于第一压力和第二压力的第三压力。在排气段22中,在涡轮26下游布置有废气后处理装置56,其可以用来对废气进行后处理。
废气后处理装置56例如包括颗粒过滤器,其也称作烟灰过滤器。可以借助颗粒过滤器将废气中含有的颗粒从废气中过滤出来。作为替代或补充方案,废气后处理装置56包括用于去除氮氧化物也就是用于为废气脱氮的制剂。废气脱氮指的是将废气中可能含有的氮氧化物(NOX)至少部分地从废气移除。
结合图3可以看出,涡轮26构建为分段式涡轮或多段式涡轮,并且包括至少两个由涡轮壳体30构成的至少部分地相互分离的可被内燃机10的废气流过并且在涡轮叶轮34的周向上依次与容置区域32连通的形式为区段58和60的通道,可以借助这些通道将流过区段58和60的废气送入容置区域32进而送往涡轮叶轮34,或者在内燃机10工作期间输送废气进入容置区域32进而送往涡轮叶轮34。因此,区段58例如为前述第一通道并且与溢流52流体连接,使得流过溢流52的废气可以从溢流52流出并且流入区段58。区段60例如为前述第二通道因而与溢流54流体连接,使得流过溢流54的废气可以从溢流54流出并且流入区段60。
区段58和60例如沿涡轮叶轮34的周向在其整个周边范围内至少大体呈螺旋状地延伸,使得区段58和60构建为螺旋通道。但这些螺旋通道也被称为分段螺旋、螺旋段或涡轮螺旋。
图2局部地示出涡轮26的示意性纵向剖面图,其中在图2中例如用区段58代表区段58和60。特别地,区段58和60特别是就其可被废气流过的相应横截面而言不对称地构建。
内燃机10还包括电子计算装置62,其也被称为控制设备。例如对内燃机10所提供的负荷和或内燃机10特别是从动轴14的转速进行检测并且传输至控制设备,使得控制设备接收该负荷和/或该转速,并且可以根据所测得的负荷和/或根据所测得的转速来操作内燃机10。特别地,控制设备特别是根据所测得的负荷和/或根据所测得的转速来操作、特别是控制或调节废气后处理装置56。此外,控制设备例如特别是根据所测得的负荷和/或根据所测得的转速来操作废气回输管阀48,使得控制设备能够对废气的回输量进行调节。此外,相应的气缸例如对应至少一个恒定节流器/节气门64,其中控制设备特别是可以根据所测得的负荷和/或根据所测得的转速来操作相应的恒定节流器64。相应的恒定节流器64也可以被称为恒定节流器阀。
结合图2与图3可以很好地看出,涡轮26具有构建为舌片滑块66的变体方案,该变体方案沿废气的流向通过涡轮26至少部分地布置在涡轮叶轮34上游,因而也被称为入口变体方案。舌片滑块66在每个区段58或60上包括一个可以很好地从图3中看出的舌片68或70,其中例如舌片68对应于区段58并且舌片70对应于区段60。舌片68或70特别是可以共同地或同时地围绕旋转轴36相对涡轮壳体30位移或旋转。分别对应的区段58或60的相应通流截面可以借助相应的舌片68或70进行调节。通过这些相应的通流截面,废气从相应的区段58或60流出并且流入容置区域32。换言之,流过相应的区段58或60的废气可以通过相应的通流截面被导入容置区域32并且输往涡轮叶轮34。再换言之,流过相应的区段58或60的并且由内燃机10所提供的相应废气从相应的区段58或60穿过相应的通流截面流入容置区域32。其中,相应的通流截面就废气穿过涡轮26的流向而言布置在涡轮叶轮34的上游,使得舌片滑块66用作或构建为入口变体方案。
舌片68和70例如可以在闭合位置与至少一个打开位置之间相对涡轮壳体30位移。在闭合位置中,相应的通流截面的至少一个分区被相应的舌片68或70阻塞,使得废气无法穿过被阻塞的分区。相应的打开位置中,相应的舌片68或70将相应的分区开通,使得废气能够穿过被开通的分区。这一点表明,在闭合位置中设定有相应的通流界面的相应第一值。在打开位置中设定有相应的通流截面的相应第二值,其中第二值大于第一值。这表明,相应的舌片68或70在打开位置中将对应的通流截面与闭合位置相比进一步开通。这样就能使得涡轮26特别有利地与内燃机10的不同工作点相匹配,从而特别是与不同的废气质量流量相匹配。在涡轮叶轮34的周向上,在区段58和60之间布置有涡轮壳体30的相应壁部72和74,其中区段58和60借助壁部72和74相互隔开。壁部72和74也被称为壳体壁或壳体舌片,其中图3示出壳体舌片的相应末端以及例如舌片68和70的相应闭合位置。此外还能看出,相应的舌片68和70从外径D1延伸至内径D2,或从该内径延伸至该外径。此外,在图3中用D3表示涡轮叶轮34的外径。
特别是可以很好地从图2看出,为了实现特别高效的操作,涡轮26构建为半轴流式涡轮,其中在图2中用箭头76表示的相应流向相对涡轮叶轮34的轴向倾斜并且相对其径向倾斜,废气在操作涡轮26期间沿该流向从相应的区段58或60穿过相应的通流段流入容置区域32并且流向涡轮叶轮34。其中,废气的流向在由涡轮叶轮34的轴向与其径向张紧的平面上相对涡轮叶轮34的轴向和其径向倾斜。总体而言,涡轮26构建为半轴流式舌片滑块区段涡轮,其可以用来使得内燃机10以特别高效且燃料消耗低的方式工作。
以舌片68为例,图2中可以看出,相应的舌片68或70具有至少一个出口边78,在涡轮26工作时,废气通过该出口边从相应的舌片68或70朝容置区域32方向流出。其中,相应的出口边78至少部分地沿假想的沿涡轮叶轮34的轴向呈锥形的表面延伸。壳体舌片同样设在这样的沿涡轮叶轮34的轴向呈锥形的假想表面上。
从图2可以看出,涡轮叶轮34包括轮毂80和与轮毂80连接叶栅/叶片82,以及例如与轮毂80一体成型的叶轮叶片,其中从图2中的叶轮叶片中可以看出用84表示的叶轮叶片。叶轮叶片84为涡轮叶轮34的叶轮叶片,因此,叶轮叶片84也被称为涡轮叶片。叶轮叶片84具有出口边86,在涡轮26工作期间,废气通过该出口边从叶轮叶片84流出。此外,叶轮叶片84具有入口边88,其也被称为进气边。在涡轮26工作期间,废气通过入口边88流向叶轮叶片84。其中,相应的出口边88至少部分地沿假想的沿涡轮叶轮34的轴向呈锥形的表面延伸。
不同于也被称为径流式涡轮的纯粹的径向涡轮,在半轴流式涡轮中,并非严格地沿径向以及并非严格地沿轴向将废气输往涡轮叶轮34,而是倾斜于涡轮叶轮34的轴向以及倾斜于其径向地将废气输往涡轮叶轮34。
其出口边78至少大体沿至少大体平行于入口边88的锥形平面延伸的舌片滑块66具有例如两个一体式的盖环90和92,其例如作为圆柱形的工作面而配设有密封元件94和96。相应的舌片68或70沿涡轮叶轮34的轴向布置在盖环90和92之间并且与盖环90和92连接。舌片68和70特别是可以与盖环90和92一体成型。舌片68和70例如通过盖环90和92以可旋转的方式支承在涡轮壳体30上。盖环90和92例如具有至少大体呈圆柱形的外周侧的相应侧面98和100,盖环90和92可以通过该侧面沿径向朝外支撑在涡轮壳体30上或通过该侧面被支撑在涡轮壳体上。在此过程中,外周侧的侧面98和100例如用作前述工作面,在其上设有密封元件94和96。侧面98和100特别是具有相应的槽,其中例如容置有密封元件94和96。盖环90和92借助密封元件94和96与涡轮壳体30隔绝,从而防止非期望的流动,例如泄漏流动。盖环90和92可以连同舌片68和70一起围绕旋转轴相对涡轮壳体30旋转或位移。在废气涡轮增压器24制造完毕后,涡轮壳体30例如与未在图中绘示的轴承壳体连接。入口边88布置在入口区域内,废气通过该入口区域流向叶轮叶片84。出口边86例如布置在出口区域102内,通过出口边86离开叶轮叶片84的废气流入该出口区域。其中,轴承壳体布置在背离出口区域102的一侧上。盖环92与盖环90相比更靠近轴承壳体,使得盖环92为轴承侧的盖元件。舌片68和70的轴承侧盖元件例如用于将舌片68和70与未在图中绘示的致动器耦合。换言之,舌片68和70例如通过盖环92与致动器耦合,借助该致动器,舌片68和70特别是可以通过盖环92围绕旋转轴36位移。因此,利用致动器来引起舌片68和70的旋转运动且致动器用作调节装置,该调节装置至少部分地布置在轴承壳体中。
同样被称为盖板环的盖环92例如具有齿部,该齿部卡入分离地支承的可旋转齿段。齿段例如与调节装置的杆部连接,该杆部例如可以借助涡轮内部的致动器偏转并且因其偏转而进行绕轴转动。借助杆部将这些绕轴转动转化为例如舌片68和70的旋转运动,从而以定义的方式可控地调节舌片68和70的旋转运动。盖环90例如朝涡轮叶轮34的叶轮外轮廓定向,并且同时用于进行支承,优选支承在涡轮壳体32中。特别是利用密封元件94和96来将相应的盖环90或92的相应周边范围内的泄漏气流保持在较低水平。
涡轮26还具有至少一个独立于涡轮壳体30、独立于舌片滑块66且独立于涡轮叶轮34构建并且保持在涡轮壳体30上的轮廓件104,涡轮叶轮34的至少一部分沿径向朝外以及沿轴向被该轮廓件覆盖。轮廓件104也被称为外轮廓件,其可以安装在涡轮壳体30上或被安装在涡轮壳体上。借助轮廓件104可以实现舌片滑块66的轴向公差,其用于在较高的构件温度下,在内燃机10的整个发动机特性曲线族和不稳定阶段确保舌片滑块66的旋转功能。此外,通过可安装的构建为轮廓构件的轮廓件104产生一个简单的解决方案,其通过下文所阐述的安装顺序来解决舌片滑块66与构建为半轴流式涡轮叶轮的涡轮叶轮34之间的底切问题。在涡轮26的制造中,例如实施如下安装步骤来确保以简单且廉价的方式制造涡轮26:首先,例如将涡轮壳体30与轴承壳体连接在一起。随后,将舌片滑块66安装在涡轮壳体30上。随后,安装涡轮叶轮34。随后,安装轮廓件104,具体方式是,例如将其沿轴向插入涡轮壳体30。
从图2可以看出,盖环90至少部分地沿涡轮叶轮34的径向朝内被轮廓件104覆盖。其中,舌片滑块66例如通过盖环90以可旋转的方式支承在轮廓件104上。与用作变体方案的舌片滑块66无关地,半轴流式涡轮可以配设有双流式的不对称涡轮壳体,并且例如设计为不具有变体方案的固定几何形状涡轮。
舌片滑块66为旋转滑块,其为简单的以及廉价且牢固的变体方案。为了扭转舌片滑块66,例如设有前述调节装置,该调节装置至少部分地,特别是至少主要或完全地布置在轴承壳体中。此外,通过盖环90和92来支承舌片滑块66。此外,通过密封元件94和96形成密封,从而将泄漏和轴向推力保持在特别低的水平。此外,尽管变体方案具有线材入口的几何比例和舌片滑块66的锥形舌片状态/位置,仍可以实现特别简单的安装,从而解决或防止底切问题。
图4和图5局部地示出根据涡轮叶轮34的不同实施方式的相应线框模型或线框图。根据图4,涡轮叶轮34构建为半轴流式叶轮且构建为十叶片叶轮(Zehnschaufler),使得图4中的涡轮叶轮34包括刚好十个叶轮叶片84。图4中的涡轮叶轮34具有至少大体90度的叶片入口角β1s,其在图4中用箭头106表示。此外,在图4中用虚线109表示涡轮叶轮34的径向。此外,在图4中,箭头112表示涡轮叶轮34在涡轮工作期间旋转的旋转方向。在采用图4中的涡轮叶轮34的情况下,例如设有0.7的比转速U/C0.opt。图4和图5特别是示出涡轮叶轮34的沿旋转轴36看向涡轮叶轮局部的线框图。通过约90度的叶片入口角β1s可以实现极佳的耐用性。
在图5所示的实施方式中,涡轮叶轮34具有121°的叶片入口角β1s,这一点在图5中用箭头106和虚线109表示。例如箭头106表示废气流向相应的入口边88的流向。涡轮叶轮34的叶栅82特别是严格沿径向竖立从而严格沿径向运转。例如在图4和图5所示视图中的流向至少大体平行于径向的情况下,叶片入口角β1s为90度。在图5所示的实施方式中,流向与径向所夹角度为31度,从而形成121度(90度+31度)的叶片入口角β1s。图5中的涡轮叶轮34具有例如≥0.6的比转速U/C0opt。
在图6中,虚线的曲线108表示沿图5中的涡轮叶轮34的轮毂80、面中心和外轮廓相对周向的相应叶片角度曲线,其中实线的曲线110表示沿图4中的涡轮叶轮34的轮毂80、面中心和外轮廓相对周向的相应叶片角度曲线。其中,曲线108a和110a表示沿轮毂80的叶片角度曲线,曲线108b和110b表示沿中心的叶片角度曲线,且曲线108c和110c表示沿外轮廓从而在外部的叶片角度曲线。
图4中的涡轮叶轮34具有90度的叶片入口角β1s,因而与径流式涡轮具有相同的叶片入口角。根据图6,图5中的涡轮叶轮34具有例如<0.62的比转速U/C0opt。就中心而言,角β2n例如为33度。因此,从图6可以看出构建为半轴流式涡轮叶轮的涡轮叶轮34的极为平缓的角度曲线。根据半轴流式涡轮叶轮的该平缓的角度曲线,在径流式涡轮的已知曲线中,半轴流式涡轮叶轮的通道曲线的主要优点是很明显的,因此,半轴流式涡轮相对径流式涡轮的原则上已存在的效率优势可以得到进一步发展。在严格沿径向竖立叶栅中,可以很好地从图5和图6看出叶片入口角β1s的自由度,该自由度可以用来防止出现弯曲力矩。
可以从图2和图3看出的相应区段58或60构建为单螺旋,其布置在涡轮叶轮34上游。因此,涡轮壳体30例如构建为单涡壳。例如通过相应的喷嘴将流过相应的区段58或60的相应废气输往容置区域32,其中特别是在相对单涡壳而言采用多段涡壳的情况下,在布置在相应的喷嘴上游的相应螺旋中形成涡旋。借助可动的舌片滑块66完成入口螺旋截面的面分接,这样就能以期望的方式借助受影响的涡轮通过量能力和拦截性能来改变涡旋形成和涡轮26的功率。也就是说,舌片滑块66处于固定的倾斜壳体舌片下方。
由于通过油或水进行冷却的冷却方案,例如将调节装置布置在轴承侧,其中舌片滑块66特别是借助致动器通过盖环92以可控的方式可动,以便分接相应的通流截面或螺旋面。
在舌片滑块66被从涡轮出口侧安装入涡轮壳体30后,引入具有径向和轴向轴承元件的涡轮发动机并且通过压缩侧进行固定。随后,在外轮廓上推入外轮廓件(轮廓件104)并且例如将其固定在定义的轴向位置上的涡轮出口法兰区域中,这样可旋转的舌片滑块66的轴向公差在相对轮廓件104的距离范围内就为涡轮26在用于舌片滑块66的所有预期的工作阶段中的全部可变的工作能力。这样就能防止涡轮叶轮34与舌片滑块66之间的底切问题。
图7局部地示出传统的径流式涡轮的侧视剖面示意图,其中在该径流式涡轮工作期间严格地沿径向将废气输往在图7中用113表示的涡轮叶轮。
图8局部示出涡轮26的第二实施方式的示意性纵向剖面图,其中第二实施方式中的涡轮26构建为双流式涡轮。在图8所示的第二实施方式中,涡轮26具有至少两个由涡轮壳体30构成的形式为溢流114和116的通道,该溢流同样被称为涡轮溢流并且并非沿涡轮叶轮34的周向相继或依次与容置区域连通,而是沿涡轮叶轮的径向相继或依次与容置区域32连通。溢流114和116特别是通过共用的喷嘴118与容置区域32连通,使得流过溢流114和116的废气从溢流114和116流入喷嘴118并且通过喷嘴118流入容置区域32。
溢流114和116通过涡轮壳体30的布置在溢流114与116之间的间壁120相互隔开。其中,在图9中示出壳体舌片之间或者舌片68与70之间的沿周向的偏移。正如区段58那样,例如将溢流114用作EGR区段或EGR溢流,将回输的废气从该溢流引出。正如区段60那样,例如将溢流116用作lambda溢流或lambda区段来调节燃烧用空气比例。其中,例如舌片68对应于溢流114且舌片70对应于溢流116,其中舌片68与70可以一体成型或相互独立地构建。其中,可以使得舌片68和70共同或同时但是以相对彼此或彼此无关的方式围绕旋转轴36相对涡轮壳体30位移。例如用舌片滑块66示出壳体溢流的对称或非对称的螺旋面,其中舌片68和70特别是沿涡轮叶轮34的周向可以构建为不同的长度。作为替代或补充方案,舌片68和70同样可以相对壳体舌片(壁部72和74)有所偏移。从图8可以看出,在舌片68与70之间例如布置有壁部元件122,间壁120借助该壁部元件被进一步导引,其中壁部元件122可以连同舌片68或70一起运动或一起位移。
为了使得废气后处理装置56迅速起作用,可以在热管理中用废气回输管阀48和相应的恒定节流器阀极为有效地调节构建为可变式涡轮(Varioturbine)的涡轮26。此外,特别是在较小的恒定节流器阀在气缸中被使用并且在发动机制动阶段被打开的情况下,同样可以通过坚固耐用的可变舌片滑块66来实现有利的发动机制动系统。
Claims (6)
1.一种用于内燃机(10)的废气涡轮增压器(24)的涡轮(26),所述涡轮具有包括容置区域(32)的涡轮壳体(30)、至少部分地布置在所述容置区域(32)中并且能围绕旋转轴(36)相对所述涡轮壳体(30)转动的涡轮叶轮(34)、至少一个由所述涡轮壳体(30)构成的通道(58,60,114,116),所述通道能够被所述内燃机(10)的废气流过并且与所述容置区域(32)连通,且所述通道用于将流过所述通道(58,60,114,116)的废气送入所述容置区域(32)以及送往所述涡轮叶轮(34),以及所述涡轮具有舌片滑块(66),所述舌片滑块具有至少一个对应于所述通道(58,60,114,116)且能围绕所述旋转轴(36)相对所述涡轮壳体(30)位移的舌片(68,70),所述通道(58,60,114,116)的通流截面能借助所述舌片调节,其中流过所述通道(58,60,114,116)的废气能通过所述通流截面被导入所述容置区域(32)并且输往所述涡轮叶轮(34),
其特征在于,
所述涡轮(26)构建为半轴流式涡轮,其中输往所述涡轮叶轮(34)的所述废气在所述涡轮(26)工作期间从所述通道(58,60,114,116)穿过相应的通流截面流入所述容置区域(32)从而流向所述涡轮叶轮(34)的相应流向相对所述涡轮叶轮(34)的轴向和径向倾斜,其中
所述舌片(68,70)具有至少一个出口边(78),在所述涡轮(26)工作时,所述废气通过所述出口边朝所述容置区域(32)方向从所述舌片(68,70)流出,其中所述相应的出口边(78)至少部分地沿假想的沿所述涡轮叶轮(34)的轴向呈锥形的表面延伸,其中
所述涡轮叶轮(34)具有包括相应的入口边(88)的叶轮叶片(84),在所述涡轮(26)工作时,所述废气通过所述入口边流向所述涡轮叶轮(34),其中所述相应的入口边(88)至少部分地沿假想的沿所述涡轮叶轮(34)的轴向呈锥形的表面延伸,其中
所述舌片(68,70)沿所述涡轮(26)的轴向布置在所述舌片滑块(66)的盖环(90,92)之间并且与所述盖环(90,92)连接并且通过所述盖环(90,92)以能旋转的方式支承在所述涡轮壳体(30)上。
2.根据权利要求1所述的涡轮(26),
其特征在于,
所述盖环(90,92)中的至少一个借助至少一个密封元件(94,96)与所述涡轮壳体(30)隔绝。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮(26),
其特征在于,
所述舌片(68,70)通过所述盖环(90,92)中的一个与致动器耦合,所述舌片(68,70)能借助所述致动器相对所述涡轮壳体(30)围绕所述旋转轴(36)转动。
4.根据权利要求1所述的涡轮(26),
其特征在于,
设有至少一个独立于所述涡轮壳体(30)、独立于所述舌片滑块(66)构建并且保持在所述涡轮壳体(30)上的轮廓件(104),所述涡轮叶轮(34)的至少一部分沿径向朝外以及沿轴向被所述轮廓件覆盖。
5.根据权利要求4所述的涡轮(26),
其特征在于,
所述盖环(90,92)中的一个沿所述涡轮叶轮(34)的径向朝内至少部分地被所述轮廓件(104)覆盖。
6.根据权利要求4或5所述的涡轮(26),
其特征在于,
所述舌片滑块(66)通过所述盖环(90,92)中的一个以可旋转的方式支承在所述轮廓件(104)上。
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