CN110520598A - 用于内燃发动机的涡轮增压器和涡轮壳体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于内燃发动机的涡轮增压器(1)，包括：‑轴承壳体(41)，其中绕转子旋转轴线(15)可旋转地安装有转子轴(14)；‑排气涡轮(20)，其具有涡轮叶轮(12)，所述涡轮叶轮(12)不可旋转地布置在转子轴(14)上并具有包括多个涡轮叶片(122)的轮盘叶片(121)，所述排气涡轮(20)包括涡轮壳体(21)，所述涡轮壳体(21)机械地固定到轴承壳体(41)并围绕涡轮叶轮(12)；其中，相对于排气涡轮(20)的子午视图，涡轮壳体(21)和涡轮叶轮(12)被形成并彼此配合，从而满足下面的条件（I）。（I）。

Description

用于内燃发动机的涡轮增压器和涡轮壳体
技术领域
本发明涉及一种用于内燃发动机的涡轮增压器。
背景技术
排气涡轮增压器越来越多地被用于增加机动车辆内燃发动机的功率。越来越多地，这样做的目的是在相同功率或甚至增加功率的情况下，减小内燃发动机的整体尺寸和重量，同时，根据这方面越来越严格的法律要求，减少消耗，从而减少CO2排放。作用的原理在于利用排气流中包含的能量来增加内燃发动机的进气道中的压力，从而使内燃发动机的燃烧室更好地填充大气氧气。这样，在每个燃烧过程中可以转换更多的燃料，例如汽油或柴油，即内燃发动机的功率可以增加。
为此，排气涡轮增压器具有布置在内燃发动机的排气道中的排气涡轮、布置在进气道中的新鲜空气压缩机以及布置在排气涡轮和新鲜空气压缩机之间的转子轴承。排气涡轮具有涡轮壳体和布置在其中的涡轮轮盘，涡轮轮盘由排气质量流驱动。新鲜空气压缩机具有压缩机壳体和布置在其中的压缩机轮盘，压缩机轮盘累积增压压力。涡轮轮盘和压缩机轮盘被布置成在被称为转子轴的公共轴的相对端上联合旋转，从而形成被称为涡轮增压器转子的部件。转子轴通过布置在排气涡轮和新鲜空气压缩机之间的转子轴承在涡轮轮盘和压缩机轮盘之间轴向延伸，并且相对于转子轴轴线在在径向和轴向方向上可旋转地安装在所述转子轴承中。根据这种构造，由排气质量流驱动的涡轮轮盘通过转子轴驱动压缩机轮盘，从而相对于新鲜空气压缩机后面的新鲜空气质量流增加内燃发动机的进气道中的压力，进而确保燃烧室更好地填充大气氧气。
发明内容
本发明的一个目的是规定有助于涡轮增压器的可靠操作的涡轮增压器的概念。
公开了一种用于内燃发动机的涡轮增压器。涡轮增压器具有轴承壳体，转子轴安装在该轴承壳体中，从而可绕转子旋转轴线旋转，其中转子轴通过至少两个径向轴承安装在轴承壳体中。涡轮增压器具有排气涡轮，该排气涡轮具有涡轮叶轮，该涡轮叶轮可联合旋转地布置在转子轴上，并且具有带有多个涡轮叶片的轮盘叶片布置，该排气涡轮还具有机械地固定到轴承壳体并围绕涡轮叶轮的涡轮壳体。相对于排气涡轮的子午视图，以下内容适用：
- 涡轮叶轮的至少一个涡轮叶片具有用于排气质量流的流入口边缘和流出口边缘。
- 流入口边缘具有最大入口半径Rin，并且流出口边缘具有最大出口半径Rout，在每种情况下都相对于转子旋转轴线而言。
- 所述至少一个涡轮叶片具有面向涡轮壳体的外部轮廓，该外部轮廓从流入口边缘延伸至流出口边缘，并且具有轴向范围长度LaxTip。
- 涡轮壳体具有与外部轮廓相对定位的壳体轮廓。
- 所述至少一个涡轮叶片的外部轮廓具有所述轴向范围LaxTip的轴向长度段Lcover，在该段中至少一个涡轮叶片被涡轮壳体轴向覆盖。
- 在壳体轮廓和外部轮廓之间形成相对于转子旋转轴线的最小径向距离Tipclr。
涡轮壳体和涡轮叶轮被设计并彼此适应，从而满足以下条件或公式：
已经认识到，涡轮增压器损坏可能发生在涡轮增压器的操作期间，例如在涡轮增压器或涡轮增压器的部件(例如转子)的设计的试验台运行期间。例如，可能发生转子轴或轮盘的部件失效，例如轴断裂。
在转子轴的轴断裂的情况下，涡轮叶轮可能例如不再被轴向轴承轴向地保持在其预期位置。在这种情况下，涡轮叶轮将主要通过空气动力，例如由于占优势的气体压力，在用于排气质量流的涡轮壳体出口的方向上移动。这里，直径大于在涡轮叶轮的下游端处涡轮壳体的出口直径的涡轮叶轮的涡轮叶片的那部分抵靠涡轮壳体，并阻碍涡轮叶轮在涡轮壳体出口的方向上的轴向移动。此外，已经认识到，如果涡轮叶轮叶片的这一部分不够大，则在轴断裂的情况下，涡轮叶片将塑性变形，使得涡轮叶轮可以执行进一步的、不期望的轴向位移。
在这种情况下的一个缺点将尤其是油密封件的活塞环可能偏离其原始轴向位置，从而失去密封作用。这尤其会产生负面后果，即油可能会大量逸出，以致于必须立即关闭涡轮增压器联接到其油路中的内燃发动机，以防止损坏。然而，为了至少确保系统的紧急运行特性，应当强制性地或基本上防止油的逸出。此外，已经认识到油密封件（例如两个密封件的活塞环）之间的轴断裂是不利的，因为除了轮盘和留在其上的轴端之外，密封件还可能离开涡轮增压器，这将进一步促进所述的不利油损失。
所述涡轮增压器规定，涡轮叶轮和涡轮壳体是根据上述条件(公式)设计和布置的。该条件规定涡轮壳体和/或至少一个涡轮叶轮叶片的轮廓型面相对于已知涡轮被具体地重新设计。特别地，由壳体轴向覆盖的涡轮叶轮叶片的长度段(Lcover)增加，使得在轴断裂的情况下，涡轮叶轮叶片的更大部分将在轴向位移的情况下塑性变形，从而使涡轮叶轮相对于转子旋转轴线的进一步轴向移动被阻碍或限制。例如，从涡轮叶轮的区域中的常规壳体轮廓出发，仅通过重新设计，由壳体轴向覆盖的涡轮叶轮叶片的长度段增加。换句话说，该条件限定了轴向覆盖的涡轮叶轮叶片的长度段的最小值。
基于给定公式的这种设计有助于这样一个事实，即在轴断裂之后，也就是在涡轮增压器损坏的情况下，涡轮叶轮在与壳体碰撞的情况下提供对进一步的轴向位移的更大的阻力。因此，该公式允许基于各种参数对涡轮叶轮和涡轮壳体进行最佳设计。根据涡轮增压器的边界条件，例如预期目的、预期用途或其他，可以预先定义涡轮增压器的某些参数，其中一个或多个剩余参数可以通过公式来确定。因此，总是可以根据边界条件实现参数的有利协调。特别地，通过该公式可以容易地确定上述优点和功能所需的轴向重叠长度Lcover。
根据这些条件设计的涡轮增压器有助于避免在损坏情况下的上述缺点，特别是上述轴断裂，特别是如果涡轮叶轮仅径向安装的情况下。这里，并不强制要求后盘和/或涡轮叶轮叶片进行结构加固。换句话说，由于上述条件，没有必要相应地加厚涡轮叶轮叶片。另外，由于上述条件，没有必要提供低的配平（trim）比，即最大出口半径Rout和最大入口半径Rin之间的比。
这样，尤其可以节省材料成本。这两种措施对于涡轮增压器的性能都是不利的，例如由于较高的惯性。
子午视图是指例如平面二维视图，其中示出了涡轮叶轮的最外部轮廓，涡轮叶轮在绕转子旋转轴线旋转期间描绘该轮廓，转子旋转轴线也对应于涡轮叶轮的旋转轴线。该视图还可以涉及或包括涡轮壳体的至少一部分，其中，特别地，在涡轮叶轮的区域中，示出了相对于旋转轴线具有最小半径的内部轮廓，涡轮壳体将在绕旋转轴线旋转期间描绘该轮廓。
与外部轮廓相对定位的涡轮壳体(护罩)的壳体轮廓对应于外部轮廓而形成。相对于转子旋转轴线的最小径向距离Tipclr可以是在入口边缘和出口边缘之间的整个轴向区域上恒定的距离。然而，也可以想象，该距离仅存在于某些部分中，在相对于旋转轴线的单个区域或点中。
轴向长度段是指外部轮廓的轴向范围，在该范围中，涡轮叶轮相对于转子旋转轴线的半径或直径大于涡轮壳体在涡轮叶轮的下游端的区域中的最小直径/半径。换句话说，在该区域中，涡轮叶轮的直径大于涡轮壳体的最小直径。换句话说，该区域是涡轮叶轮的轴向区域，如果要将涡轮叶轮和涡轮壳体投影到垂直于转子旋转轴线的平面中，则该区域被涡轮壳体覆盖或与之重叠。换句话说，该区域是相对于转子旋转轴线位于涡轮壳体的阴影中的区域。换句话说，至少一个叶片的外部轮廓具有轴向重叠部分，该轴向重叠部分具有轴向范围LaxTip的轴向长度段Lcover。
以下实施例都有助于上述优点和功能，其中通过一个或多个极限值的规范，有利地进一步发展了上述条件。
根据一个实施例，对于Tipclr与Rin的比率，下式适用：。
根据一个实施例，对于Tipclr与Rin的比率，下式适用：。
根据一个实施例，对于Tipclr与Rin的比率，下式适用：。
根据一个实施例，对于Lcover与Laxtip的比率，下式适用：。
根据一个实施例，对于Lcover与Laxtip的比率，下式适用：。
根据一个实施例，对于Lcover与Laxtip的比率，下式适用：。
根据一个实施例，对于Rout与Rin的比率，下式适用：。
根据一个实施例，对于Rout与Rin的比率，下式适用：。
根据一个实施例，对于Rout与Rin的比率，下式适用：。
根据一个实施例，对于Rout与Rin的比率，下式适用：。
根据一个实施例，对于Rout与Rin的比率，下式适用：。
根据一个实施例，对于Rout与Rin的比率，下式适用：。
Rout与Rin的比率也被称为配平或配平比。
在实施例中，配平比位于0.8和上述其他限值之一之间。
还公开了根据上述实施例之一的用于排气涡轮增压器的涡轮叶轮。涡轮叶轮具有带有多个涡轮叶片的轮盘叶片布置。涡轮叶轮设计成使得以下条件被满足：
这里，相对于涡轮叶轮的子午视图，以下内容适用：
- 涡轮叶轮的至少一个涡轮叶片具有用于排气质量流的流入口边缘和流出口边缘;
- Rin描述了流入口边缘的最大入口半径，并且Rout描述了流出口边缘的最大出口半径，在每种情况下都相对于涡轮叶轮的旋转轴线而言；
- LaxTip描述了至少一个涡轮叶片的外部轮廓的轴向范围长度，其中该外部轮廓从流入口边缘延伸到流出口边缘，并且在预期操作期间面向周围的涡轮壳体；
- Lcover描述了外部轮廓的轴向范围LaxTip的轴向长度段，其中涡轮叶片被涡轮壳体轴向覆盖；
- Tipclr描述了涡轮壳体的壳体轮廓和外部轮廓之间相对于转子旋转轴线的最小径向距离，在预期操作期间，壳体轮廓与外部轮廓相对定位。
上述陈述同样适用。
涡轮叶轮允许上述优点和功能。
还公开了一种用于生产根据前述任一实施例的涡轮增压器的方法。该方法包括以下步骤：
- 确定和/或决定最大入口半径Rin、最大出口半径Rout、轴向范围长度LaxTip、轴向长度段Lcover和最小径向距离Tipclr的参数，使得对于涡轮叶轮和涡轮壳体，满足以下条件：
以及
- 基于通过该条件确定的参数制造涡轮叶轮和涡轮壳体。
上述陈述同样适用。
该方法允许上述优点和功能。
下面将描述本发明的示例性实施例，而不限制其一般性质。
附图说明
下面将借助附图描述示例性实施例。在所有附图中，相同的元件或相同动作的元件由相同的附图标记表示。
在附图中：
图1显示了涡轮增压器的示意性剖视图，
图2和图3示出了涡轮增压器的排气涡轮的两个示意性剖视图，
图4示出了根据示例性实施例的涡轮增压器的排气涡轮的示意性剖视图，
图5示出了用于根据示例性实施例的排气涡轮的设计的公式，以及
图6示出了具有三个示例性参数选择的图5的公式的图解说明。
具体实施方式
图1示意性地示出了排气涡轮增压器1的示例的剖视图，该排气涡轮增压器1具有排气涡轮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，并且排气质量流AM由箭头指示。新鲜空气压缩机30具有超限空气再循环阀39，并且新鲜空气质量流FM同样由箭头指示。众所周知，排气涡轮增压器1的涡轮增压器转子10具有涡轮轮盘12(也称为涡轮叶轮)、压缩机轮盘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以及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，并且识别排气涡轮增压器1的轴向取向。
通常，如图1所示，常规的排气涡轮增压器1具有多部件构造。这里，可布置在内燃发动机的排气道中的涡轮壳体21、可布置在内燃发动机的进气道中的压缩机壳体31、以及在涡轮壳体21和压缩机壳体31之间的轴承壳体41相对于公共涡轮增压器轴线2彼此并排布置并且在组装方面连接在一起。
轴承壳体41轴向地布置在涡轮壳体21和压缩机壳体31之间。涡轮增压器转子10的转子轴14以及转子轴14的轴向安装和径向安装所需的轴承布置容纳在轴承壳体41中。
排气涡轮增压器1的另一个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、涡轮轮盘12和压缩机轮盘13，涡轮轮盘12布置在涡轮壳体21中并且具有轮盘叶片布置121，压缩机轮盘13布置在压缩机壳体31中并且具有轮盘叶片布置131。换句话说，涡轮叶轮12和压缩机叶轮13具有布置在相应轮毂上的多个叶片。涡轮轮盘12和压缩机轮盘13布置在公共转子轴14的相对端上，并且连接成与其联合旋转。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，并且轴向和径向地安装在轴承壳体41中，从而可绕其纵向轴线(转子旋转轴线15)旋转，其中转子旋转轴线15与涡轮增压器轴线2重合。涡轮增压器转子10通过两个径向轴承42和一个轴向轴承盘43被其转子轴14支撑。径向轴承42和轴向轴承盘43都通过油接头45的供油通道44供应润滑剂。
涡轮壳体21具有一个或多个排气环形导管，称为排气通道22，其围绕涡轮增压器轴线2和涡轮轮盘12环形布置，并且朝向涡轮轮盘12螺旋变窄。这些排气通道22各自具有它们自己的或者共同的切向向外指向的排气供给导管23，该排气供给导管23具有用于连接到内燃发动机的排气歧管(未示出)的歧管连接分支24，排气质量流AM通过该歧管连接分支24流入特定的排气通道22，然后流到涡轮轮盘12上。涡轮壳体21还具有排气排放导管26，该排气排放导管26在涡轮增压器轴线2的方向上远离涡轮轮盘12的轴向端延伸，并且具有用于连接到内燃发动机的排气系统(未示出)的排气连接分支27。经由该排气排放导管26，从涡轮轮盘12流出的排气质量流AM被排放到内燃发动机的排气系统中。
涡轮增压器1的进一步细节在此不再讨论。需要指出的是，图1中描述的涡轮增压器1应被理解为示例，并且替代地也可以具有其他配置，而这不会对基于图4至图6的本发明的示例性实施例的以下描述产生限制。
图2和图3在每种情况下以子午视图示出了涡轮增压器1的排气涡轮20，该排气涡轮各自具有涡轮壳体21和带有多个涡轮叶片122的涡轮叶轮12。图2以示意性半剖面示出了径向-轴向涡轮叶轮，图3示出了径向涡轮叶轮。在每种情况下，示出了对应于涡轮叶轮12的旋转轴线123的转子旋转轴线15。在图2和图3的图示中，在每种情况下，示出了多个涡轮叶片122中的一个，这些涡轮叶片通常布置在涡轮叶轮12的轮毂上。
将基于图2通过示例的方式描述图2和图3的涡轮20。
涡轮叶轮12具有上游轴向端124和下游轴向端125。从子午视图中可以看出，与所有其他涡轮叶片一样，图示的涡轮叶片122在涡轮叶轮12或涡轮叶片122的出口下游具有用于排气质量流AM的流入口边缘126和用于排气质量流AM的流出口边缘127。从图2和图3可以看出，流入口边缘126和/或流出口边缘127可以相对于转子旋转轴线15倾斜或以其他方式(例如平行)延伸。流入口边缘126和流出口边缘127通过外部轮廓128(尖端)连接。外部轮廓128直接与涡轮壳体21的壳体轮廓211相对，壳体轮廓211围绕涡轮叶轮12。壳体轮廓211对应于外部轮廓128形成，其中在所示视图中，两个轮廓128和211的型面相对于旋转轴线123基本上相互平行地延伸。为了清楚起见，未示出另一涡轮壳体21。
已经认识到，图2和图3的图示排气涡轮20可以由多个参数限定，这将在下面讨论。
流入口边缘126具有最大入口半径Rin，并且流出口边缘127具有最大出口半径Rout。外部轮廓128相对于旋转轴线123或转子旋转轴线15具有轴向范围长度LaxTip。外部轮廓128具有轴向范围LaxTip的轴向长度段Lcover，其中涡轮叶片122被涡轮壳体21轴向覆盖。换句话说，这意味着在用于排气质量流AM的涡轮叶片出口129处涡轮叶轮12的直径大于涡轮壳体21的最小直径DA的轴向区域。此外，壳体轮廓211和外部轮廓128以形成最小间隙的方式彼此隔开，其中在壳体轮廓211和外部轮廓128之间存在最小径向距离Tipclr。
如引言中所述，在涡轮增压器的情况下，损坏可能会产生各种不利后果。基于图4至图6，将描述涡轮20的示例性实施例，其在涡轮增压器1损坏的情况下，允许引言中陈述的功能和优点。
图4示出了涡轮20，其基本上对应于图2和图3的涡轮。上述参数定义同样适用。与图2和图3中描述的涡轮相比，涡轮20被设计成使得满足图5中所示的公式。条件如下：
由此实现了引言中陈述的优点和功能。在此需要指出的是，Rout与Rin的比率可以被称为配平(参见图5)。
涡轮20的设计和生产例如以这样的方式进行，即某些参数被预定义并且剩余参数借助于这些条件来确定，以便获得Lcover的所需最小值。
从图4中还可以看出，与图2和图3的示例相比，轴向长度段Lcover已经增加并适应于涡轮壳体21是有利的。结果，涡轮叶轮12具有被涡轮壳体21覆盖的扩大段。
图6示出了图表，其中配平（trim）值在X轴上绘制，Lcover与LaxTip的比率在Y轴上绘制。以举例的方式，示出了根据图5的公式的三条曲线，其不同之处在于图表右侧所示的百分比值，该百分比值是由Tipclr与Rin的比率产生的。

Claims (10)

1.一种用于燃烧机的涡轮增压器(1)，其具有
- 轴承壳体(41)，在所述轴承壳体(41)中安装有转子轴(14)，以便能够绕转子旋转轴线(15)旋转；和
- 排气涡轮(20)，其具有涡轮叶轮(12)，所述涡轮叶轮(12)联合旋转地布置在所述转子轴(14)上并具有带有多个涡轮叶片(122)的轮盘叶片布置(121)，所述排气涡轮(20)具有涡轮壳体(21)，所述涡轮壳体(21)机械地固定到所述轴承壳体(41)并围绕所述涡轮叶轮(12)；
其中，相对于所述排气涡轮(20)的子午视图
- 所述涡轮叶轮(12)的至少一个涡轮叶片(122)具有用于排气质量流(AM)的流入口边缘(126)和流出口边缘(127)，
- 所述流入口边缘(126)具有最大入口半径Rin，并且所述流出口边缘(127)具有最大出口半径Rout，在每种情况下都相对于所述转子旋转轴线(15)而言；
- 所述至少一个涡轮叶片(122)具有外部轮廓(128)，所述外部轮廓(128)面向所述涡轮壳体(21)并且从所述流入口边缘(126)延伸到所述流出口边缘(127)，并且具有轴向范围长度LaxTip；
- 所述涡轮壳体(21)具有与所述外部轮廓(128)相对定位的壳体轮廓(211)；
- 所述至少一个涡轮叶片(122)的所述外部轮廓(128)具有所述轴向范围LaxTip的轴向长度段Lcover，其中所述至少一个涡轮叶片(122)被所述涡轮壳体(21)轴向覆盖；并且
- 在所述壳体轮廓(211)和所述外部轮廓(128)之间形成相对于所述转子旋转轴线(15)的最小径向距离Tipclr；
并且其中，所述涡轮壳体(21)和所述涡轮叶轮(12)被设计并彼此适应，从而满足以下条件：
。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器(1)，其中，对于Tipclr与Rin的比率，下式适用：
。
3.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压器(1)，其中，对于Tipclr与Rin的比率，下式适用：。
4.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压器(1)，其中，对于Tipclr与Rin的比率，下式适用：。
5.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压器(1)，其中，对于Lcover与Laxtip的比率，下式适用：。
6.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压器(1)，其中，对于Lcover与Laxtip的比率，下式适用：。
7.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压器(1)，其中，对于Lcover与Laxtip的比率，下式适用：。
8.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压器(1)，其中，对于Rout与Rin的比率，下式适用：，优选地，特别优选地。
9.一种用于根据前述权利要求中任一项所述的排气涡轮增压器(1)的涡轮叶轮(12)，其具有带有多个涡轮叶片(122)的轮盘叶片布置(121)，其中，所述涡轮叶轮(12)被设计成使得满足以下条件：
其中，相对于所述涡轮叶轮(12)的子午视图，
- 所述涡轮叶轮(12)的至少一个涡轮叶片(122)具有用于所述排气质量流(AM)的流入口边缘(126)和流出口边缘(127)；
- Rin描述了所述流入口边缘(126)的最大入口半径，并且Rout描述了所述流出口边缘(127)的最大出口半径，在每种情况下都相对于所述涡轮叶轮(12)的旋转轴线(123)而言；
- LaxTip描述了所述至少一个涡轮叶片(122)的外部轮廓(128)的轴向范围长度，其中，所述外部轮廓(128)从所述流入口边缘(126)延伸到所述流出口边缘(127)，并且在预期操作期间面向周围的涡轮壳体(21)；
- Lcover描述了所述外部轮廓(128)的所述轴向范围LaxTip的轴向长度段，其中，所述至少一个涡轮叶片(122)被所述涡轮壳体(21)轴向覆盖；
- Tipclr描述了所述涡轮壳体(21)的壳体轮廓(211)和所述外部轮廓(128)之间相对于所述旋转轴线(123)的最小径向距离，在预期操作期间，所述壳体轮廓(211)与所述外部轮廓(128)相对定位。
10.一种用于生产根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮增压器(1)的方法，包括以下步骤：
- 确定和/或决定所述最大入口半径Rin、所述最大出口半径Rout、所述轴向范围长度LaxTip、所述轴向长度段Lcover和所述最小径向距离Tipclr的参数，使得对于所述涡轮叶轮(12)和所述涡轮壳体(21)，满足以下条件：
以及
- 基于通过所述条件确定的所述参数制造所述涡轮叶轮(12)和所述涡轮壳体(21)。
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