用於排氣渦輪增壓器的渦輪機的製作方法

2023-05-25 19:44:46 1

專利名稱：用於排氣渦輪增壓器的渦輪機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種權利要求1前序部分所述類型的排氣渦輪增壓器的渦輪機。
背景技術：
DE 102008039085A1公開了一種汽車用內燃機，具有排氣渦輪增壓器，其包括內燃機進氣系統中的壓縮機和內燃機排氣系統中的渦輪機，其中，渦輪機具有渦輪機殼體，該渦輪機殼體包圍一與排氣系統的排氣管道連接的螺旋通道和一渦輪，該渦輪設置在渦輪機殼體的容納室內並為驅動壓縮機的壓縮機輪而能被加載通過螺旋通道引導的內燃機排氣，該壓縮機輪通過一軸與渦輪以不能相對轉動的方式連接的。渦輪機包括調節裝置，藉助該調節裝置可以一起調整螺旋通道的螺旋入口截面以及螺旋通道的通向容納室的噴口截面。因為這種排氣渦輪增壓器在批量生產內燃機的背景下是一種件數持續上升的大批量產品，所以值得追求的是提供一種排氣渦輪增壓器，其可以使相關的內燃機高效，也就是低能耗和低排放運行以及在極高的溫度和壓力變化下具有高度的運行可靠性。

發明內容
本發明的目的因此在於，提供一種排氣渦輪增壓器的渦輪機，其具有高度的運行可靠性以及可以使配設該排氣渦輪增壓器的內燃機高效運行。該目的通過具有權利要求1所述特徵的、用於排氣渦輪增壓器的渦輪機得以實現。本發明具有優點的實施方式連同依據目的和非顯而易見的改進方案在從屬權利要求中
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5 口 QQ o依據本發明的、用於內燃機排氣渦輪增壓器的渦輪機包括至少一個外殼件，該外殼件包括至少兩個螺旋通道，所述至少兩個螺旋通道能被內燃機的排氣穿流過並且具有各自的螺旋入口截面，其特徵在於，所述外殼件容納在一容納室中，所述容納室是所述各螺旋通道共用的並且通過所述渦輪機的至少一個另外的外殼件形成，內燃機的排氣能從該容納室通過各自的螺旋入口截面流動到螺旋通道中。由於特別是氮氧化物和碳煙排放的排放標準日益嚴格，一方面對用於內燃機增壓的排氣渦輪增壓器產生重大影響。由於在內燃機的中等負荷範圍直至滿負荷範圍內所要實現的高AGR率(AGR-排氣再循環)，由此在排氣渦輪增壓器的增壓壓力提供方面產生高要求。這便要求提供在尺寸或規格方面幾何結構小的、用於排氣渦輪增壓器的渦輪機，其中，所要求的高渦輪機功率通過在與內燃機的共同作用下提高渦輪機的動壓頭能力(Aiifstaufahigkeit)或降低吸收能力實現。此外，需要時通過沿排氣流動方向設置在渦輪機下遊的排氣淨化裝置——特別是碳煙過濾器一的反壓力提高渦輪機的入口壓力水平，這需要在渦輪機尺寸或規格方面進一步縮小渦輪機。這一點帶來的問題是，渦輪機的這種縮小一般同時造成渦輪機的效率變差。但為了滿足排氣渦輪增壓器壓縮機側的功率需求，需要提供所希望的空氣排氣供給並因此提供內燃機的所希望的轉矩或所希望的功率以及低排放。
依據本發明的渦輪機可以實現，該渦輪機在其尺寸或規格方面是很小的，從而由此提供所希望的動壓頭性能。這一點實現了高排氣再循環率。換句話說，可以將特別大量的排氣從內燃機的排氣側再循環到內燃機的空氣側並輸送到由內燃機吸進的空氣中，由此可以降低內燃機的排放，特別是氮氧化物和碳煙排放。此外，在排氣渦輪增壓器壓縮機側上的所述的高功率需求可以通過該渦輪機得到滿足，這是因為該渦輪機使配備該渦輪機的內燃機能夠恆壓增壓運行。在此方面，通過另外的外殼件形成的容納室起集氣室的功能，在該集氣室中首先收集內燃機的排氣並使之蓄能，然後排氣通過螺旋通道流動並驅動渦輪，渦輪又能通過一軸驅動排氣渦輪增壓器的壓縮機側上的壓縮機輪，該軸與渦輪以不能相對轉動的方式連接。此外，渦輪機具有很低的部件數量，這樣帶來渦輪機的低成本以及高的運行可靠性。在本發明的一種具有優點的實施方式中，螺旋通道各自具有至少一個噴口截面，通過該噴口截面能對渦輪機的容納在第一外殼件中的渦輪施加排氣，其中，各噴口截面沿渦輪的轉動軸線並列設置和/或繞轉動軸線分布設置在渦輪的周部上。因此渦輪機可以匹配於不同要求以滿足在提供所希望的內燃機空氣或空氣排氣供給以及低排放方面的要求。如果渦輪機包括調節裝置，藉助該調節裝置能調節螺旋通道的各自的螺旋入口截面和/或各自的噴口截面，其中，例如所述螺旋通道中的一個螺旋通道的螺旋入口截面和噴口截面能藉助該調節裝置共同地調節和/或其中另外的螺旋通道的螺旋入口截面和噴口截面能藉助該調節裝置共同地調節，那麼至少幾乎是在內燃機的整個特性曲線族中、也就是說既包括在低和中等負荷範圍也包括在滿負荷範圍內都能匹配於不同的運行點。調節裝置特別是還可以調整渦輪機的動壓頭性能，由此可以影響空氣和排氣再循環需求，以便可以在特別寬的範圍內滿足能耗和排放要求。這一點在商用車上使用的框架內具有優點。但渦輪機特別是在乘用車上使用的框架內也具有優點，其中，內燃機具有不穩定的性能。通過渦輪機的可變動壓頭能力，儘管在乘用車行駛期間內燃機的性能不穩定，仍可以獲取可接受的駕駛性能，而且在依據縮減方案具有很低工作容積和很高單位功率的內燃機上亦是如此。調節裝置在此方面例如針對每一個螺旋通道包括至少一個堵擋體，藉助該堵擋體可以調整螺旋入口截面和/或噴口截面，其中，堵擋體是舌形的。渦輪機因此是所謂的舌形滑閥分段式潤輪機(Zungenschieber-Mehrsegment-Turbine),其具有很少的部件數量以及具有成本低廉和堅固的渦輪機殼設計與在流動上重要的螺旋通道的組合。為提供高通過擴展能力，第一外殼具有比所述的兩個更多的螺旋通道並因此具有多於兩個的螺旋段。也稱為多段螺旋的螺旋通道在渦輪機上通過第一外殼件一併因此與第二外殼件分開地——例如通過精密加工方法製造，並與第二外殼件連接，該第二外殼件起收集外殼的作用並且包括多段螺旋並且相對於環境氣密密封。第二外殼件的容納室例如是螺旋形的，第二外殼件除了相對於環境氣密地將內燃機排氣引導到螺旋通道的螺旋入口截面外，還承擔渦輪機的支承功能、或者說整個排氣渦輪增壓器連同在渦輪轉子破壞防護方面的防護裝置的支承功能，其包括排氣渦輪增壓器的渦輪、軸、壓縮機的壓縮機輪以及必要的其他部件。形成螺旋通道的第一外殼件和/或調節裝置的堵擋體例如通過鑄造法，特別是精密鑄造法製成和/或製成有利地具有非常光滑的流動表面的板件，這樣可以非常精確地調節螺旋通道以及必要的堵擋體。包圍第一外殼件的第二外殼件必要時具有相當簡單的幾何結構，從而成本低廉地通過相當粗糙的標準的砂型鑄造法製造。這一點使依據本發明的渦輪機的成本保持得很低。兩個外殼件的連接例如藉助成本低廉的安裝、連接和/或密封技術進行，其中，同樣可以是，第一外殼件是鑄入到另外的外殼件內的。通過本發明渦輪機實現的、具有容納室的第二外殼件與具有螺旋通道的第一外殼件的組合引起，利用一個第二外殼件和多個彼此不同的第二外殼件作為插入件，該插入件與相匹配的調節裝置的相關地具有例如兩個、三個、四個、五個、六個、七個或更多個螺旋通道，實現了一種有利的、用於產生多樣性的渦輪機性能的組合部件。該組合部件用於在內燃機的較寬應用範圍內提供渦輪機的匹配的熱力性能，其可以利用渦輪機的高效組合和結構系列簡化來實現。換句話說，可以超出渦輪機的不同結構方案，其中，這些結構方案具有彼此不同數量的螺旋通道，第二外殼件作為相同的部件使用，因此使組合部件的成本保持很低。


本發明的其他優點、特徵和細節來自多個優選實施方式以及藉助附圖的下列說明。前面說明書內所稱的特徵和特徵組合以及後面

內所稱的和/或附圖中單獨示出的特徵和特徵組合不僅可以各自所介紹的組合使用，而且也可以其他組合或單獨使用，而不偏離本發明的範圍。其中:圖1示出藉助排氣渦輪增壓器增壓的內燃機的原理草圖，該排氣渦輪增壓器包括可以使內燃機恆壓增壓運行/障壁效應增壓運行的舌形滑閥-多段式渦輪機；以及圖2示出圖1舌形滑閥-多段式渦輪機示意截面圖。
具體實施例方式圖1示出具有6個氣缸12的內燃機10。在內燃機10運行期間，依據方向箭頭14吸入空氣，空氣藉助空氣濾清器16過濾並依據方向箭頭18繼續流動到屬於內燃機10的排氣渦輪增壓器22的壓縮機20中。空氣在此方面通過壓縮機20藉助壓縮機輪24壓縮，由此空氣升溫。為冷卻這樣被壓縮並升溫的空氣，空氣繼續依據方向箭頭26向增壓空氣冷卻器28流動並繼續依據方向箭頭30向空氣收集器32流動，空氣通過該空氣收集器依據方向箭頭34輸送到氣缸12。在氣缸12中，所吸入並被壓縮的空氣被施加燃料並燃燒，由此產生內燃機10的曲軸36依據方向箭頭38的轉動。設置在內燃機10空氣側40上的壓縮機20用於提供所希望的內燃機10空氣供給，以獲取所希望的內燃機10功率或轉矩水平。由此可以使內燃機10在其工作容積/排量方面並因此在其尺寸方面設計得較小，這樣帶來低重量、高單位功率、低燃料消耗並因此低的CO2排放。從氣缸12中的燃燒產生的內燃機10排氣藉助內燃機排氣側44上的排氣管道42首先導向排氣再循環裝置45，藉助該排氣再循環裝置可以將內燃機10的排氣從排氣系統44再循環到空氣側40。排氣再循環裝置45為此包括排氣再循環閥46，藉助其可以設定一確定的、與存在的內燃機10運行點相關的再循環排氣量。排氣依據方向箭頭52向排氣再循環冷卻器50流動，排氣通過該排氣再循環冷卻器被冷卻，然後依據方向箭頭48輸送到由內燃機10吸入的空氣中。這種對吸入空氣的加載再循環的排氣使得內燃機10的排放下降，特別是氮氧化物排放和顆粒排放下降，由此該內燃機不僅具有低燃料消耗、高功率，而且還具有低排放。此外，可以藉助排氣管道42將排氣導向排氣渦輪增壓器22的渦輪機54，其中，渦輪機54設計成單流式的、所謂的舌形滑閥-多段式渦輪機，現結合圖2對其進行說明。渦輪機54包括第一外殼件56，該外殼件具有三個可被內燃機10排氣穿流的螺旋通道58。螺旋通道58具有各自的螺旋入口截面As以及各自的噴口截面Ak。在外殼件56中以可轉動方式容納有渦輪機54的渦輪60。內燃機10的排氣現在通過各自的螺旋入口截面As進入螺旋通道58並通過各自的噴口截面K流動到渦輪60上，由此渦輪60被排氣驅動並轉動。渦輪60與排氣渦輪增壓器22的軸62連接，壓縮機輪24也與該軸以不能相對轉動的方式連接，由此壓縮機輪24通過軸62由渦輪60驅動。軸62具有轉動軸線63。渦輪機54還包括調節裝置64，該調節裝置還包括調節環66，該調節環與舌形滑閥68形式的三個堵擋體連接，其中為每一個舌形滑閥68分配一個螺旋通道58。調節環66可以依據方向箭頭70繞渦輪60的轉動軸線63轉動，由此可以調節螺旋入口截面As以及沿渦輪60的周向方向在其周部上均勻分布設置的噴口截面Ak。換句話說，這意味著，通過轉動調節環66可以使舌形滑閥68在至少一個使噴口截面Ak變窄或甚至封閉的位置與至少一個相對釋放噴口截面Ak的位置之間移動。通過調節裝置64產生渦輪機54的可變性，由此渦輪機54至少是幾乎能在內燃機10的整個特性曲線族中匹配於不同的運行點，以便獲取內燃機10的高效並因此低燃料消耗以及低排放的運行。通過調節噴口截面Ak，可以可變地設定渦輪機54的動壓頭特性或通過性。通過形成渦輪機54的多個段的螺旋通道58，首先實現了內燃機10的脈衝增壓運行。為實現內燃機10的恆壓增壓運行，渦輪機54現在包括另外的外殼件72，通過其形成由該另外的外殼件72相對環境氣密封閉的並且與螺旋通道58共用的容納室74，在該容納室中容納第一外殼件56,其中，另外的外殼件72可以在支承裝置一側、並因此在朝向壓縮機輪24的一側和/或在與該側相對的一側上，也就是在渦輪機出口的一側上能包圍第一外殼件56。另外的外殼件72具有入流通道76，通過排氣管道42依據方向箭頭78排氣可以流入該入流通道中，該入流通道將排氣繼續導入容納室74中。正如圖2所示，入流通道76在依據方向箭頭78的排氣流動方向上逐漸變細。通過入流通道76導入容納室74中的排氣首先被收集在容納室74中並且能通過螺旋通道58流向渦輪60。排氣的混合以及收集在此方面在排氣的流動方向上通過在第一外殼件56上遊的排氣管道42進行。螺旋通道58在各自螺旋入口截面As的上遊具有各自一個至少基本上喇叭形的入流通道80，排氣通過該通道可以進入螺旋通道58中。渦輪機54具有高度的可變性，由此可以獲取不同的動壓頭性能並因此獲取不同的排氣再循環率。這同樣實現了，對內燃機10提供特定的空氣供給以滿足高功率或轉矩要求。渦輪機54此外具有很少的部件數量，這樣帶來低成本和高度的運行可靠性。原則上也可能的是，提供與渦輪機54的構造類似的雙流式渦輪機，其中，沿渦輪60的轉動軸線63在第一外殼件56的旁邊設置一附加的外殼件，該附加的外殼件包括至少兩個螺旋通道，該附加的外殼件例如是第一外殼件56形式的外殼件,該附加的外殼件容納在一附加的、通過根據另外的外殼件72的附加外殼體形成的、依據容納室74的附加容納室中。因此，(這兩個)容納室並行設置並且彼此氣密地分隔開。在這種情況下，設有兩個並聯的外殼件56，它們各自具有一定的動壓頭作用，在內燃機10氣缸12被分成分隔開的氣缸組的情況下一例如藉助彎管件一產生兩個彼此氣密的收集室的一定的脈衝增壓，由此，利用兩側的依據調節裝置64的調節裝置和相應的舌形滑閥68獲取一種可變的、接近雙流式的脈衝式渦輪機，其根據用途本身也可以產生不對稱的動壓頭性能。渦輪機54的調節裝置64在此方面由內燃機10的控制裝置82控制或調節，該控制裝置對調節裝置64進行調節，以使渦輪機54與內燃機10當前存在的運行點相匹配。在加載和驅動渦輪60後，排氣通過渦輪機出口依據方向箭頭88從渦輪機54排出並穿流過排氣後處理裝置90，該排氣後處理裝置包括例如催化器，例如氮氧化物催化(轉化)器以及需要時包括顆粒過濾器，然後排氣依據方向箭頭92淨化地排到外界。
權利要求
1.一種用於內燃機(10)排氣渦輪增壓器(22)的渦輪機，包括至少一個外殼件(56)，該外殼件包括至少兩個螺旋通道(58)，所述至少兩個螺旋通道能被內燃機(10)的排氣穿流過並且具有各自的螺旋入口截面(As )，其特徵在於，所述外殼件(56)容納在一容納室(74)中，所述容納室是所述各螺旋通道(58)共用的並且通過所述渦輪機(54)的至少一個另外的外殼件(72)形成，使內燃機(10)排氣能通過相應的螺旋入口截面(As)從該容納室流入所述螺旋通道(58)中。
2.按權利要求1所述的渦輪機，其特徵在於，所述螺旋通道(58)各自具有至少一個噴口截面(AK)，通過該噴口截面能對渦輪機(54)的容納在第一外殼件(56)中的渦輪(60)施加排氣，其中，各噴口截面(Ak)沿渦輪(60)的轉動軸線(62)並列設置和/或繞轉動軸線(62)分布設置在渦輪(60)的周部上。
3.按權利要求1或2所述的渦輪機，其特徵在於，渦輪機(54)包括調節裝置(64)，藉助該調節裝置能調節螺旋通道(58)的各自的螺旋入口截面(4)和/或各自的噴口截面(Ak)。
4.根據前述權利要求之一所述的渦輪機，其特徵在於，所述螺旋通道中的一個螺旋通道(58)和/或其中至少一個另外的螺旋通道(58)設計成——特別是具有大於350°的旋繞角/包容角的——全螺旋通道和/或——特別是具有350° ^30°範圍內的旋繞角的——部分螺旋通道。
5.根據前述權利要求之一所述的渦輪機，其特徵在於，包括螺旋通道(58)的第一外殼件(56)通過精密鑄造法製成和/或設計成板件。
6.根據前述權利要求之一所述的渦輪機，其特徵在於，形成容納室(74)的另外的外殼件(72)通過砂型鑄造法製成。
7.根據前述權利要求之一所述的渦輪機，其特徵在於，所述另外的外殼件(72)是鑄入到第一外殼件(56)內的。
8.根據前述權利要求之一所述的渦輪機，其特徵在於，所述另外的外殼件(72)具有至少一個入流通道(76)，通過該至少一個入流通道內燃機(10)的排氣能流入容納室(74)中。
9.按權利要求8所述的渦輪機，其特徵在於，入流通道(76)沿排氣流動方向(78)朝向容納室(74)具有改變的——特別是變細的——流動截面。
10.根據前述權利要求之一所述的渦輪機，其特徵在於，容納室(74)是螺旋形的。
全文摘要
本發明涉及一種用於內燃機(10)排氣渦輪增壓器(22)的渦輪機，包括至少一個外殼件(56)，該外殼件包括至少兩個螺旋通道(58)，所述至少兩個螺旋通道能被內燃機(10)的排氣穿流過並且具有各自的螺旋入口截面(AS)，其特徵在於，所述外殼件(56)容納在一容納室(74)中，所述容納室是所述各螺旋通道(58)共用的並且通過所述渦輪機(54)的至少一個另外的外殼件(72)形成，內燃機(10)的排氣能從該容納室在各自的螺旋入口截面(AS)上流動到螺旋通道(58)中。
文檔編號F01D25/26GK103097667SQ201180026412
公開日2013年5月8日 申請日期2011年4月20日 優先權日2010年5月28日
發明者S·薩姆瑟, T·希爾特 申請人:戴姆勒股份公司