專利名稱：用于內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓器系統(tǒng)，該內(nèi)燃機(jī)具有至少一根用于從發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室排出廢氣的排氣管，以及至少一根用于給上述燃燒室提供空氣的進(jìn)氣管，該渦輪增壓器系統(tǒng)包括一個(gè)與高壓壓氣機(jī)相互作用的高壓渦輪，以及一個(gè)與低壓壓氣機(jī)相互作用的低壓渦輪，用于從發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流中提取能量并壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣。
背景技術(shù)：
關(guān)于用于柴油內(nèi)燃機(jī)增壓的渦輪增壓器系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)通常包括一個(gè)由單級渦輪驅(qū)動(dòng)的單級壓氣機(jī)，且兩者都是徑流式的，該柴油內(nèi)燃機(jī)優(yōu)選地用于重型車。具有兩級增壓的渦輪增壓器系統(tǒng)也被發(fā)現(xiàn)，有時(shí)也包括中間冷卻，但是其結(jié)構(gòu)通?；谟?jì)劃用于單級增壓的標(biāo)準(zhǔn)組件。
適用于6到20升立體容積的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓器通常有一個(gè)效率，在穩(wěn)定工況下，該效率在50％和60％之間(ηcompressor×ηmechanical×ηturbine)。在當(dāng)代的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上，效率收益比未來的發(fā)動(dòng)機(jī)低，未來的發(fā)動(dòng)機(jī)將要求更高地增壓。提高增壓要求的系統(tǒng)的例子是用于更低的氮氧化物排放的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，或提供進(jìn)氣門可變控制的系統(tǒng)。
在穩(wěn)定工況下，具有高于60％的效率的渦輪增壓器系統(tǒng)提供了一個(gè)滿足未來對環(huán)保的和燃油經(jīng)濟(jì)性高的發(fā)動(dòng)機(jī)的要求的更大的前景。迄今，對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境要求通常導(dǎo)致更低的效率，因此，該效率意味著燃油的能量資源沒有被充分地利用。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是生產(chǎn)一種經(jīng)濟(jì)可行的渦輪增壓器系統(tǒng)，該渦輪增壓器系統(tǒng)為了增加的效率更好地利用發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流中的能量，并且不造成非常大的空間要求。
一種用于內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓器系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)是為了如本發(fā)明所述的目的，該內(nèi)燃機(jī)具有至少一根用于從發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室排出廢氣的排氣管，以及至少一根用于給上述燃燒室提供空氣的進(jìn)氣管，該渦輪增壓器系統(tǒng)包括一個(gè)與高壓壓氣機(jī)相互作用的高壓渦輪，以及一個(gè)與低壓壓氣機(jī)相互作用的低壓渦輪，用于從發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流中提取能量并壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣，并且如本發(fā)明所述，其特征在于，兩個(gè)壓氣機(jī)級都是徑流式的，并提供有壓氣機(jī)葉輪，該壓氣機(jī)葉輪具有后掠的葉片，其間的葉片角βb2至少40度左右，該葉片角角βb2是在葉片在根部截面和頂端截面之間的中心線在出口切線的方向上的一條假想的延長線和一條連接壓氣機(jī)葉輪的中心軸和葉片外部的點(diǎn)的線之間的角度；還在于高壓渦輪是徑流式的，并由一個(gè)短的中間管道連接到低壓渦輪；以及在于低壓渦輪提供有進(jìn)口導(dǎo)軌。渦輪增壓器系統(tǒng)的該種結(jié)構(gòu)允許組件的各自級的效率增加到65％和70％之間。該種兩級系統(tǒng)因此獲得超過70％的有效渦輪效率。
本發(fā)明的有利的具體實(shí)施例能夠從下面的獨(dú)立的權(quán)利要求得到。


本發(fā)明將參照附圖中顯示的具體實(shí)施例在下面被更詳細(xì)地描述，其中圖1概略地顯示了一個(gè)內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)具有根據(jù)本發(fā)明的兩級渦輪增壓器系統(tǒng)，圖2是通過形成渦輪增壓器系統(tǒng)的兩個(gè)渦輪增壓級的縱向剖面圖，圖3在部分不完整的平面圖上顯示了一個(gè)在根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器系統(tǒng)中使用的壓氣機(jī)葉輪，以及圖4在平面圖上顯示了高壓渦輪的渦輪葉輪。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及一種增壓系統(tǒng)，該增壓系統(tǒng)首先用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具有在6升左右和20升左右之間的立體容積，并優(yōu)選地用于在重型車上的使用，例如卡車，公共汽車以及施工機(jī)械。該增壓系統(tǒng)具有特征為其提供比現(xiàn)有系統(tǒng)相當(dāng)大更有效率的增壓。增壓作用在兩級內(nèi)用兩個(gè)串聯(lián)的，徑向式的，帶有中間冷卻的壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)。被稱為低壓壓氣機(jī)的第一壓氣機(jī)級由一個(gè)軸流式低壓渦輪驅(qū)動(dòng)。第二壓氣機(jī)級，即高壓壓氣機(jī)由一個(gè)徑流式高壓渦輪驅(qū)動(dòng)。
圖1所示為一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體10，該發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體10具有六個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸11，這些氣缸用一根進(jìn)氣歧管12和兩根獨(dú)立的排氣歧管13，14以一種傳統(tǒng)的方式連通。該兩根排氣歧管的每一根接收來自三個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的廢氣。廢氣通過獨(dú)立的管15，16被引導(dǎo)向上方，到達(dá)在高壓渦輪單元18內(nèi)的渦輪17，該高壓渦輪單元18包括壓氣機(jī)19，該壓氣機(jī)19與渦輪17安裝在共同的軸上。
廢氣通過一根管20被引導(dǎo)向前方，到達(dá)在低壓渦輪單元22內(nèi)的渦輪21，該低壓渦輪單元22包括壓氣機(jī)23，該壓氣機(jī)23與渦輪21安裝在共同的軸上。廢氣最后通過一根管24被引導(dǎo)向前方，到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)，該發(fā)動(dòng)機(jī)可以包括用于排氣后處理的裝置。
過濾后的進(jìn)氣通過管25被導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)，并被導(dǎo)入低壓渦輪單元22的壓氣機(jī)23。一根管26引導(dǎo)進(jìn)氣向前方，通過第一個(gè)中冷器27，到達(dá)高壓渦輪單元18的壓氣機(jī)19。該種帶中間冷卻的兩級增壓之后，進(jìn)氣通過管28被引導(dǎo)向前方，到達(dá)第二個(gè)中冷器29，此后，進(jìn)氣經(jīng)由管30到達(dá)進(jìn)氣歧管12。
根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器系統(tǒng)在圖2中被更詳細(xì)地顯示，該圖2例示了通到高壓渦輪17的雙重的蝸管入口15，16，每個(gè)入口經(jīng)由進(jìn)口導(dǎo)軌17a為半個(gè)渦輪提供氣流。高壓渦輪17是徑流式的，并由短的中間管道20連接到低壓渦輪21，因?yàn)榈蛪簻u輪是軸流式的，所以該中間管道20是可用的。該短流動(dòng)通道將渦輪級之間的壓力損失減到最小。
高壓渦輪17和高壓壓氣機(jī)19一起安裝在軸31上。相應(yīng)地，低壓渦輪21和低壓壓氣機(jī)23一起安裝在軸32上。兩個(gè)渦輪單元18，22沿實(shí)質(zhì)上相同的縱向軸定位。中間管道20安裝有密封件33，該密封件33通過允許某種軸向和徑向方向上的移動(dòng)防止安裝張力和泄漏，該移動(dòng)吸收熱應(yīng)力以及某種裝配的不足。
軸流式低壓渦輪提供有進(jìn)口導(dǎo)軌34，該進(jìn)口導(dǎo)軌34的結(jié)構(gòu)是為了最大的效率使接近渦輪中心部分的工作最優(yōu)化(帶有一根導(dǎo)軌的所謂的“復(fù)合傾斜(Compound Lean)”結(jié)構(gòu)，在該導(dǎo)軌內(nèi)剖面的重力的中心沿一條曲線延伸，以分散在渦輪級的工作為目的，從而朝著渦輪葉片中心被最優(yōu)化，在該處邊緣效應(yīng)以及損失是最小的)。低壓壓氣機(jī)是徑向式的，具有大大地向后方傾斜的葉片，如同將在下面參照圖3被更詳細(xì)地描述的一樣。高壓壓氣機(jī)19同樣是徑向式的，其葉片有利地以一種與低壓壓氣機(jī)23的葉片相應(yīng)的方式向后方傾斜。
從圖3能夠看到葉片角βb2，該葉片角βb2至少40度左右，有利地為至少45-50度左右，該葉片角βb2在葉片35沿著在根部截面和頂端截面之間的中心線在出口切線的方向上的一條假想的延長線和線36(用點(diǎn)劃線表示)之間，該線36連接壓氣機(jī)葉輪的中心軸和葉片的外點(diǎn)。市場上現(xiàn)有的渦輪壓氣機(jī)具有在25度左右和35度左右之間的葉片角βb2。在根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器系統(tǒng)的試驗(yàn)期間，增加葉片角到至少40度左右已經(jīng)被證明是有利的。葉片角的這種增加的作用主要在于，對于給定壓力比與渦輪相關(guān)的壓氣機(jī)葉輪在較高速度下旋轉(zhuǎn)。速度的增加意味著渦輪葉輪的直徑能夠減小，并且因此渦輪葉輪的質(zhì)量慣性矩也能夠減小。作為其一種副作用，發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬間響應(yīng)也得到提高，因?yàn)闇p小的質(zhì)量慣性矩意味著渦輪葉輪能夠更容易地加速到其有效的速度范圍。另外，壓氣機(jī)效率增加了，尤其由于沿葉片壓力側(cè)和吸氣側(cè)的氣流之間的減小的速度差異，導(dǎo)致更少的二次流以及因此更低的損失，并且由于在轉(zhuǎn)子出口的流速減小，導(dǎo)致在接著的擴(kuò)壓件中更低的損失。
兩個(gè)壓氣機(jī)都在各自的壓氣機(jī)葉輪的下游提供有導(dǎo)軌，以便最優(yōu)化壓力的建立。該擴(kuò)壓件有利地是LSA(低稠度翼面)型，即代表著具有空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)的葉片的擴(kuò)壓件，該葉片的長度對葉片之間的距離(間距)具有在0.75和1.5之間的修正比例。
出口擴(kuò)壓件37放置在低壓渦輪21之后，以便回收離開渦輪的動(dòng)壓力。該擴(kuò)壓件張開通向排氣收集器38，該排氣收集器38引導(dǎo)廢氣向外到達(dá)排氣管24。該擴(kuò)壓件設(shè)計(jì)為一個(gè)環(huán)狀的管道，具有軸向進(jìn)口以及實(shí)質(zhì)上徑向出口。擴(kuò)壓件的外管道用法蘭37a封閉，以防止流出氣體被來自其后的收集器的再循環(huán)氣體干擾。該法蘭37a能夠不對稱放置，以減小收集器的尺寸。法蘭在排氣收集器38出口的前方有其最大的徑向高度，并且在直徑相對側(cè)有其最小的徑向高度。
圖4所示的驅(qū)動(dòng)高壓壓氣機(jī)19的高壓渦輪17是徑流式的，具有用小直徑實(shí)現(xiàn)的渦輪葉輪，該渦輪葉輪用于相對高速的旋轉(zhuǎn)。這使得避免在渦輪輪轂40內(nèi)的那種凹進(jìn)部分39是可能的，該種凹進(jìn)部分39通常在現(xiàn)有技術(shù)中用在該種類型的渦輪中(所謂的“加工成扇形缺口”)。該凹進(jìn)部分39在圖4中用虛線表示，僅僅以便圖示現(xiàn)有技術(shù)。由于消除了這些凹進(jìn)部分，渦輪葉輪能夠更有效率地運(yùn)行，以達(dá)到更高的整體效率。
渦輪具有在每個(gè)葉輪上游的進(jìn)口導(dǎo)軌，以達(dá)到葉輪上的最佳流量。該種包括徑流式高壓渦輪和軸流式低壓渦輪的布置，意味著在渦輪級之間的流動(dòng)損失借助一個(gè)短的中間管道能夠被最小化。高壓渦輪已經(jīng)提供有雙進(jìn)給蝸桿，以便最優(yōu)地利用來自柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣中的能量。但是，本發(fā)明也能夠用于具有單個(gè)，兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣口的傳統(tǒng)的進(jìn)氣口。
為了產(chǎn)生適合于具有6到20升立體容積的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力，4-6巴左右絕對壓力，每個(gè)壓氣機(jī)僅需要有2-2.5倍進(jìn)氣壓力的壓力增加，因此被優(yōu)化，用于比通常的單級壓氣機(jī)更低的壓力比。
上述的渦輪增壓器系統(tǒng)能夠有利地應(yīng)用于具有所謂的密勒凸輪(固定的或可調(diào)節(jié)的)的四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，該密勒凸輪意味著一些有效的壓縮被移出氣缸到渦輪壓氣機(jī)，并帶有隨后在中冷器中的冷卻，因此，空氣量的溫度降低，這會在氣缸中產(chǎn)生更有效的熱力學(xué)過程以及更低的廢氣排放，例如氮氧化物(NOx)。
渦輪系統(tǒng)也能夠用于具有“長線路EGR”型廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，例如，在該系統(tǒng)中，廢氣能夠被在低壓渦輪21出口之后被移動(dòng)，并在低壓壓氣機(jī)進(jìn)口之前再循環(huán)到發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣側(cè)。
本發(fā)明不應(yīng)該被認(rèn)為只限于上述的具體實(shí)施例，而是在下面的權(quán)利要求范圍內(nèi)的許多進(jìn)一步的變化和修改是可以接受的。例如，根據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器系統(tǒng)結(jié)合六缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)被描述，但是該系統(tǒng)適用于所有的各種各樣的從一個(gè)氣缸及以上的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)用兩沖程或四沖程循環(huán)驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明也能夠應(yīng)用于船舶發(fā)動(dòng)機(jī)以及具有不同于上述的其它立體容積的發(fā)動(dòng)機(jī)。一個(gè)包括軸流式低壓渦輪的具體實(shí)施例已經(jīng)在上面被描述，但是本發(fā)明也能夠和徑流式低壓渦輪一起被使用。此外，高壓渦輪17能夠提供有固定或幾何學(xué)上可轉(zhuǎn)動(dòng)的進(jìn)口導(dǎo)軌17a。
權(quán)利要求
1.一種用于內(nèi)燃機(jī)(10)的渦輪增壓器系統(tǒng)，該內(nèi)燃機(jī)(10)具有至少一根用于從發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室(11)排出廢氣的排氣管(15，16)，以及至少一根用于給上述燃燒室提供空氣的進(jìn)氣管(12)，該渦輪增壓器系統(tǒng)包括與高壓壓氣機(jī)(19)相互作用的高壓渦輪(17)以及與低壓壓氣機(jī)(23)相互作用的低壓渦輪(21)，用于從發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流中提取能量并壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣，其特征在于，兩個(gè)壓氣機(jī)級都是徑向式的，并都提供有壓氣機(jī)葉輪，該壓氣機(jī)葉輪具有后掠的葉片(35)，其中葉片角(βb2)為至少40度左右，該葉片角(βb2)是在葉片在根部截面和頂端截面之間的中心線在出口切線方向上的假想延長線和一條連接壓氣機(jī)葉輪的中心軸和葉片外部點(diǎn)的線(36)之間的角度；高壓渦輪(17)是徑流式的，并由短的中間管道(20)連接到低壓渦輪；并且低壓渦輪(21)提供有進(jìn)口導(dǎo)軌(34)。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于，低壓渦輪(21)是軸流式的。
3.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于，低壓渦輪(21)是徑流式的。
4.如權(quán)利要求1-3中任一個(gè)所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于，葉片角(βb2)為至少45度左右。
5.如權(quán)利要求1-3中任一個(gè)所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于，葉片角(βb2)為至少50度左右。
6.如權(quán)利要求1-5中任一個(gè)所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于，高壓渦輪(17)提供有具有固定的進(jìn)口導(dǎo)軌的定子環(huán)。
7.如權(quán)利要求1-5中任一個(gè)所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于，高壓渦輪(17)提供有具有幾何學(xué)上可變的進(jìn)口導(dǎo)軌的定子環(huán)。
8.如權(quán)利要求1到5中任一個(gè)所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于，高壓渦輪(17)提供有具有雙進(jìn)氣口的進(jìn)給蝸桿，在其中每個(gè)進(jìn)氣管道(15，16)經(jīng)由進(jìn)口導(dǎo)軌向半個(gè)渦輪提供氣流。
9.如權(quán)利要求1到8中任一個(gè)所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于，壓氣機(jī)(19和23)中的至少一個(gè)提供有擴(kuò)壓件。
10.如權(quán)利要求1到9中任一個(gè)所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于，驅(qū)動(dòng)高壓壓氣機(jī)(19)的高壓渦輪(17)是徑流式的，具有用于相對高速的旋轉(zhuǎn)的渦輪葉輪以及無凹進(jìn)部分的輪轂，該渦輪葉輪用小直徑實(shí)現(xiàn)。
11.如權(quán)利要求2所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于，軸流式渦輪的導(dǎo)軌(34)形成為，為了最大的效率使接近渦輪中心部分的工作最優(yōu)化，所謂的“復(fù)合傾斜”結(jié)構(gòu)。
12.如上述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于，兩個(gè)壓氣機(jī)級(19，23)由一個(gè)中冷器(27)流動(dòng)連接。
13.如上述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于，中間管道(20)是環(huán)狀的，具有橫截面在下游的方向上增大的內(nèi)部體(20a)。
14.如上述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于，一個(gè)環(huán)狀的出口擴(kuò)壓件(37)放置在低壓渦輪(21)的下游，用于回收來自氣流的動(dòng)能。
15.如權(quán)利要求14所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于，出口擴(kuò)壓件(37)張開通向排氣收集器(38)。
16.如權(quán)利要求15所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于，出口擴(kuò)壓件的外壁用對稱放置的法蘭(37a)封閉。
17.如權(quán)利要求15所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于，出口擴(kuò)壓件的外壁用不對稱放置的法蘭(37a)封閉，該法蘭具有與排氣收集器出口直徑相對的最小徑向延伸長度。
18.如權(quán)利要求1到17中任一個(gè)所述的渦輪增壓器系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)中的使用，該內(nèi)燃機(jī)與活塞的下止點(diǎn)相關(guān)早或晚關(guān)閉進(jìn)氣門。
19.如權(quán)利要求1到18中任一個(gè)所述的渦輪增壓器系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)中的使用，該內(nèi)燃機(jī)有廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，廢氣能夠在低壓渦輪(21)出口之后被移動(dòng)，并在低壓壓氣機(jī)進(jìn)口之前再循環(huán)到發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓器系統(tǒng)，該內(nèi)燃機(jī)至少有一根用于從發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室排出廢氣的排氣管(15，16)，以及至少有一根用于給上述燃燒室提供空氣的進(jìn)氣管。一個(gè)高壓渦輪(17)與一個(gè)高壓壓氣機(jī)(19)相互作用以及一個(gè)低壓渦輪(21)與一個(gè)低壓壓氣機(jī)(23)相互作用，以便從發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流中提取能量并壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣。兩個(gè)壓氣機(jī)級都是徑向式的，并都提供有壓氣機(jī)葉輪，該壓氣機(jī)葉輪具有后掠的葉片，其中葉片角至少40度左右，該葉片角為在葉片沿根部截面和頂端截面之間的中心線在出口切線的方向上的一條假想的延長線和一條連接壓氣機(jī)葉輪的中心軸和葉片外部的點(diǎn)的線之間的角度。高壓渦輪(17)是徑流式的，并由一個(gè)短的中間管道(20)連接到低壓渦輪。低壓渦輪(21)提供有進(jìn)口導(dǎo)軌(34)。
文檔編號F02D41/00GK1791737SQ200480013221
公開日2006年6月21日 申請日期2004年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月15日
發(fā)明者烏爾里克·戈貝特, 拉爾斯·松丁, 馬格努斯·伊辛, 丹尼爾·格倫迪茨, 佩爾·安德松, 肯特·伊塞爾莫, 塞巴斯蒂安·克勞舍 申請人:沃爾沃拉斯特瓦格納公司