廢氣渦輪增壓器和內(nèi)燃機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種廢氣渦輪增壓器和包括這樣的廢氣渦輪增壓器的內(nèi)燃機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]已知使用一個(gè)或多個(gè)廢氣渦輪增壓器用于提高比功率且用于降低內(nèi)燃機(jī)的比燃料消耗。
[0003]廢氣渦輪增壓器具有集成到內(nèi)燃機(jī)的排氣系中的具有渦輪葉輪(Turbinenlaufrad)的禍輪以及集成到內(nèi)燃機(jī)的新鮮氣體系中的具有壓縮機(jī)葉輪的壓縮機(jī)。渦輪葉輪和壓縮機(jī)葉輪通過軸相連接。在內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行中，渦輪葉輪被廢氣流動(dòng)流過并且由此回轉(zhuǎn)地被驅(qū)動(dòng)，其中，該回轉(zhuǎn)通過軸被傳遞到壓縮機(jī)葉輪上。如此引起的壓縮機(jī)葉輪的回轉(zhuǎn)產(chǎn)生新鮮氣體的期望的壓縮。
[0004]不僅廢氣渦輪增壓器的渦輪而且壓縮機(jī)具有與流過其的氣體的質(zhì)量流相關(guān)的效率。引導(dǎo)流動(dòng)的腔以及葉輪的幾何結(jié)構(gòu)應(yīng)被設(shè)計(jì)成使得對(duì)于所有在運(yùn)行中出現(xiàn)的質(zhì)量流實(shí)現(xiàn)足夠好的效率。同時(shí)通常嘗試在內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)或多個(gè)較窄地限定的運(yùn)行范圍中對(duì)于渦輪和壓縮機(jī)獲得最高可能的效率。在柴油內(nèi)燃機(jī)中典型地設(shè)置成在發(fā)動(dòng)機(jī)的部分負(fù)載運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)廢氣渦輪增壓器的盡可能高的效率。
[0005]在廢氣渦輪增壓器的渦輪的設(shè)計(jì)中，應(yīng)找到在內(nèi)燃機(jī)的響應(yīng)特性、部分負(fù)載運(yùn)行中的特性和額定功率運(yùn)行中的特性之間的盡可能好的折中。對(duì)于良好的響應(yīng)特性和部分負(fù)載特性，小的廢氣質(zhì)量流(和由此廢氣焓流)應(yīng)已引起良好的效率和特別高的渦輪功率。這原則上可通過具有渦輪葉輪的相對(duì)小的結(jié)構(gòu)尺寸和相應(yīng)小的慣性矩的渦輪的幾何設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。相反，在內(nèi)燃機(jī)以額定功率運(yùn)行時(shí)，在適當(dāng)?shù)膲嚎s比下應(yīng)能夠通過渦輪盡可能導(dǎo)引整個(gè)廢氣質(zhì)量流。這原則上要求具有相對(duì)大的結(jié)構(gòu)尺寸的渦輪的幾何設(shè)計(jì)。在實(shí)踐中，該目標(biāo)矛盾造成在渦輪的幾何設(shè)計(jì)中的折中，以實(shí)現(xiàn)廢氣渦輪增壓器在內(nèi)燃機(jī)的整個(gè)運(yùn)行范圍上運(yùn)行。用于廢氣渦輪增壓器的渦輪的設(shè)計(jì)的參數(shù)通常涉及渦輪殼體的螺旋(Volute)，在此尤其涉及其橫截面面積、橫截面面積的周緣曲線(Umfangsverlauf)和A/R比，以及涉及渦輪葉輪，在此尤其涉及其直徑、空氣動(dòng)力學(xué)的實(shí)施和調(diào)整(Trimm)。
[0006]為了防止由于過高的廢氣質(zhì)量流引起廢氣渦輪增壓器的渦輪和因此還有壓縮機(jī)的超速，此外可使用調(diào)節(jié)裝置。
[0007]由借助于廢氣渦輪增壓器增壓的奧托發(fā)動(dòng)機(jī)一方面已知應(yīng)用所謂的廢氣門作為調(diào)節(jié)裝置。在此，涉及繞開渦輪的用于廢氣的旁路，其可借助于旁通閥調(diào)節(jié)。在廢氣質(zhì)量流過高時(shí)，借助于廢氣門引導(dǎo)廢氣的一部分繞過渦輪并且由此限制在渦輪中轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的廢氣焓。
[0008]相反，在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛使用具有可變渦輪幾何結(jié)構(gòu)(VTG)的廢氣渦輪增壓器，在其中可調(diào)整的導(dǎo)葉(Leitschaufel)大多布置在渦輪的輸入側(cè)。通過導(dǎo)葉的匹配的調(diào)整，一方面改變了在渦輪的進(jìn)入通道中的自由的流動(dòng)橫截面，由此尤其在廢氣質(zhì)量流較低時(shí)可提高在進(jìn)入容納渦輪葉輪的葉輪腔中時(shí)的流動(dòng)速度。另一方面，可匹配渦輪葉輪的葉片的流入的角度，這同樣可帶來渦輪效率的提高。
[0009]在廢氣渦輪增壓器的壓縮機(jī)中，通過新鮮氣體系輸送給發(fā)動(dòng)機(jī)的新鮮氣體被壓縮。在此，壓力升高與壓縮機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速以及通過葉輪引導(dǎo)的新鮮氣體的質(zhì)量流相關(guān)。由于流入速度相對(duì)于圓周速度減小，葉輪葉片的進(jìn)入棱邊的流入在壓縮機(jī)特性場(chǎng)的所謂的栗極限的方向上在壓力側(cè)增加，也就是說，流入持續(xù)增加。從流入的與運(yùn)行點(diǎn)相關(guān)的極限值、所謂的栗極限起，流動(dòng)在進(jìn)入棱邊處剝離并且在壓縮機(jī)中的流動(dòng)變得不穩(wěn)定。在栗極限的范圍中，在壓縮機(jī)的罩殼輪廓的區(qū)域中形成脈沖少的流體的回流區(qū)。該所謂的回流泡由于渦旋和混合損失在栗極限的方向上導(dǎo)致壓縮機(jī)效率的下降。但是在葉輪的輪轂輪廓的區(qū)域中，還接近栗極限相對(duì)多脈沖的而少損失的核心流動(dòng)延伸經(jīng)過壓縮機(jī)，其確定質(zhì)量流量(Massendurchsatz)和壓力構(gòu)建(Druckaufbau)。
[0010]所謂的調(diào)節(jié)器(Trimmsteller)用于在高壓縮比時(shí)使壓縮機(jī)的栗極限向較低質(zhì)量流的方向移動(dòng)。同時(shí)，調(diào)節(jié)器可在栗極限的范圍中引起壓縮機(jī)效率的提高。對(duì)此，調(diào)節(jié)器包括一裝置，通過其可改變壓縮機(jī)的葉輪被流入的流入橫截面。通過如此實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)器的噴嘴效應(yīng)，隨著調(diào)節(jié)干預(yù)的增加(流入橫截面的減小)可將壓縮機(jī)流入更強(qiáng)地聚焦到壓縮機(jī)葉輪的靠近輪轂的流動(dòng)橫截面上。由此，更少的流體流到回流泡的少脈沖的且有損失的區(qū)域中，并且使在輪轂附近的區(qū)域中的核心流動(dòng)加速且由此附加地穩(wěn)定化。附加地，在壓縮機(jī)的靠近輪轂的區(qū)域中的流動(dòng)的加速導(dǎo)致壓縮機(jī)流入在抽吸側(cè)的移動(dòng)，這可有助于流動(dòng)的進(jìn)一步穩(wěn)定化。核心流動(dòng)的穩(wěn)定化導(dǎo)致壓縮機(jī)特征場(chǎng)的栗極限向更小的廢氣質(zhì)量流的期望的移動(dòng)。在不期望調(diào)節(jié)干預(yù)時(shí)(調(diào)節(jié)器完全打開)，盡可能在壓縮機(jī)之前開啟新鮮氣體系的整個(gè)橫截面，從而在壓縮機(jī)流入中盡可能不產(chǎn)生附加的摩擦或節(jié)流損失。因此，壓縮機(jī)效率和壓縮機(jī)特征場(chǎng)的寬度在堵塞界限的方向上不以重大的程度受調(diào)節(jié)器負(fù)面影響。
[0011]通過借助于調(diào)節(jié)器使栗極限移動(dòng)且同時(shí)提高壓縮機(jī)效率，可改善增壓的內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及部分負(fù)載運(yùn)行。由于系統(tǒng)效率的改善，在部分負(fù)載范圍中的排氣背壓可降低，由此，內(nèi)燃機(jī)的消耗降低。通過栗極限的移動(dòng)和效率提高，在較低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下已可實(shí)現(xiàn)最大的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩并且由此可改善內(nèi)燃機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)特性。
[0012]例如由文件DE 10 2010 026 176 Al已知一種用于壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)器。
[0013]改善廢氣渦輪增壓器的效率和由此其響應(yīng)特性的另一可能性可在于在內(nèi)燃機(jī)中設(shè)置兩個(gè)或更多個(gè)廢氣渦輪增壓器(必要時(shí)還有機(jī)械地或電氣地驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī))，其中，其設(shè)計(jì)用于內(nèi)燃機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的不同運(yùn)行范圍并且也僅僅或主要在這些運(yùn)行范圍中負(fù)責(zé)壓縮新鮮氣體。
[0014]文件US 2007/151, 243 Al和文件DE 20 2005 022 022 Ul例如分別公開了具有兩個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的廢氣渦輪增壓器的雙重增壓的內(nèi)燃機(jī)的不同設(shè)計(jì)方案，廢氣渦輪增壓器具有至少兩個(gè)自由度。在此，這些文件涉及這兩個(gè)廢氣渦輪增壓器彼此借助于這至少兩個(gè)自由度盡可能最佳的協(xié)調(diào)，目標(biāo)是在內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行特性方面的盡可能最佳的整體效果?？勺兊臏u輪幾何結(jié)構(gòu)、可變的壓縮機(jī)幾何結(jié)構(gòu)以及用于渦輪或壓縮機(jī)的廢氣門被稱為用于這兩個(gè)廢氣渦輪增壓器的渦輪和壓縮機(jī)的可能的自由度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]從該現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明目的在于說明一種用于內(nèi)燃機(jī)的廢氣渦輪增壓器，其特征在于在內(nèi)燃機(jī)的整個(gè)運(yùn)行范圍中盡可能最佳的運(yùn)行。
[0016]該目的通過一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢氣渦輪增壓器來實(shí)現(xiàn)。一種具有這樣的廢氣渦輪增壓器的內(nèi)燃機(jī)是權(quán)利要求5的內(nèi)容。根據(jù)本發(fā)明的廢氣渦輪增壓器和根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)的有利的設(shè)計(jì)方案是相應(yīng)的從屬權(quán)利要求的內(nèi)容并且從本發(fā)明的接下來的說明中得到。
[0017]本發(fā)明基于該認(rèn)識(shí)，即在廢氣渦輪增壓器設(shè)計(jì)為整體裝置的情況下應(yīng)聚焦在渦輪與壓縮機(jī)之間的功率平衡。借助于調(diào)節(jié)器原則上有利地?cái)U(kuò)大壓縮機(jī)特征場(chǎng)可與該設(shè)計(jì)目標(biāo)相悖，因?yàn)橛纱藢?duì)于壓縮機(jī)提供了屬于此的渦輪的工作能力可能不充分的運(yùn)行范圍。相應(yīng)地，將不再通過壓縮機(jī)的栗極限而是通過在廢氣質(zhì)量