廢氣渦輪增壓器和內燃機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發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燃機。
【背景技術】
[0002]已知使用一個或多個廢氣渦輪增壓器用于提高比功率且用于降低內燃機的比燃料消耗。
[0003]廢氣渦輪增壓器具有集成到內燃機的排氣系中的具有渦輪葉輪(Turbinenlaufrad)的禍輪以及集成到內燃機的新鮮氣體系中的具有壓縮機葉輪的壓縮機。渦輪葉輪和壓縮機葉輪通過軸相連接。在內燃機的運行中，渦輪葉輪被廢氣流動流過并且由此回轉地被驅動，其中，該回轉通過軸被傳遞到壓縮機葉輪上。如此引起的壓縮機葉輪的回轉產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具有與流過其的氣體的質量流相關的效率。引導流動的腔以及葉輪的幾何結構應被設計成使得對于所有在運行中出現的質量流實現足夠好的效率。同時通常嘗試在內燃機的一個或多個較窄地限定的運行范圍中對于渦輪和壓縮機獲得最高可能的效率。在柴油內燃機中典型地設置成在發動機的部分負載運行中實現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計中，應找到在內燃機的響應特性、部分負載運行中的特性和額定功率運行中的特性之間的盡可能好的折中。對于良好的響應特性和部分負載特性，小的廢氣質量流(和由此廢氣焓流)應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小的結構尺寸和相應小的慣性矩的渦輪的幾何設計來實現。相反，在內燃機以額定功率運行時，在適當的壓縮比下應能夠通過渦輪盡可能導引整個廢氣質量流。這原則上要求具有相對大的結構尺寸的渦輪的幾何設計。在實踐中，該目標矛盾造成在渦輪的幾何設計中的折中，以實現廢氣渦輪增壓器在內燃機的整個運行范圍上運行。用于廢氣渦輪增壓器的渦輪的設計的參數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、空氣動力學的實施和調整(Trimm)。
[0006]為了防止由于過高的廢氣質量流引起廢氣渦輪增壓器的渦輪和因此還有壓縮機的超速，此外可使用調節裝置。
[0007]由借助于廢氣渦輪增壓器增壓的奧托發動機一方面已知應用所謂的廢氣門作為調節裝置。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節。在廢氣質量流過高時，借助于廢氣門引導廢氣的一部分繞過渦輪并且由此限制在渦輪中轉化成機械能的廢氣焓。
[0008]相反，在柴油發動機中廣泛使用具有可變渦輪幾何結構(VTG)的廢氣渦輪增壓器，在其中可調整的導葉(Leitschaufel)大多布置在渦輪的輸入側。通過導葉的匹配的調整，一方面改變了在渦輪的進入通道中的自由的流動橫截面，由此尤其在廢氣質量流較低時可提高在進入容納渦輪葉輪的葉輪腔中時的流動速度。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中，通過新鮮氣體系輸送給發動機的新鮮氣體被壓縮。在此，壓力升高與壓縮機葉輪的轉速以及通過葉輪引導的新鮮氣體的質量流相關。由于流入速度相對于圓周速度減小，葉輪葉片的進入棱邊的流入在壓縮機特性場的所謂的栗極限的方向上在壓力側增加，也就是說，流入持續增加。從流入的與運行點相關的極限值、所謂的栗極限起，流動在進入棱邊處剝離并且在壓縮機中的流動變得不穩定。在栗極限的范圍中，在壓縮機的罩殼輪廓的區域中形成脈沖少的流體的回流區。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致壓縮機效率的下降。但是在葉輪的輪轂輪廓的區域中，還接近栗極限相對多脈沖的而少損失的核心流動延伸經過壓縮機，其確定質量流量(Massendurchsatz)和壓力構建(Druckaufbau)。
[0010]所謂的調節器(Trimmsteller)用于在高壓縮比時使壓縮機的栗極限向較低質量流的方向移動。同時，調節器可在栗極限的范圍中引起壓縮機效率的提高。對此，調節器包括一裝置，通過其可改變壓縮機的葉輪被流入的流入橫截面。通過如此實現的調節器的噴嘴效應，隨著調節干預的增加(流入橫截面的減小)可將壓縮機流入更強地聚焦到壓縮機葉輪的靠近輪轂的流動橫截面上。由此，更少的流體流到回流泡的少脈沖的且有損失的區域中，并且使在輪轂附近的區域中的核心流動加速且由此附加地穩定化。附加地，在壓縮機的靠近輪轂的區域中的流動的加速導致壓縮機流入在抽吸側的移動，這可有助于流動的進一步穩定化。核心流動的穩定化導致壓縮機特征場的栗極限向更小的廢氣質量流的期望的移動。在不期望調節干預時(調節器完全打開)，盡可能在壓縮機之前開啟新鮮氣體系的整個橫截面，從而在壓縮機流入中盡可能不產生附加的摩擦或節流損失。因此，壓縮機效率和壓縮機特征場的寬度在堵塞界限的方向上不以重大的程度受調節器負面影響。
[0011]通過借助于調節器使栗極限移動且同時提高壓縮機效率，可改善增壓的內燃機的動態響應特性以及部分負載運行。由于系統效率的改善，在部分負載范圍中的排氣背壓可降低，由此，內燃機的消耗降低。通過栗極限的移動和效率提高，在較低的發動機轉速下已可實現最大的發動機扭矩并且由此可改善內燃機的瞬態響應特性。
[0012]例如由文件DE 10 2010 026 176 Al已知一種用于壓縮機的調節器。
[0013]改善廢氣渦輪增壓器的效率和由此其響應特性的另一可能性可在于在內燃機中設置兩個或更多個廢氣渦輪增壓器(必要時還有機械地或電氣地驅動的壓縮機)，其中，其設計用于內燃機的發動機的不同運行范圍并且也僅僅或主要在這些運行范圍中負責壓縮新鮮氣體。
[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串聯或并聯的廢氣渦輪增壓器的雙重增壓的內燃機的不同設計方案，廢氣渦輪增壓器具有至少兩個自由度。在此，這些文件涉及這兩個廢氣渦輪增壓器彼此借助于這至少兩個自由度盡可能最佳的協調，目標是在內燃機的運行特性方面的盡可能最佳的整體效果。可變的渦輪幾何結構、可變的壓縮機幾何結構以及用于渦輪或壓縮機的廢氣門被稱為用于這兩個廢氣渦輪增壓器的渦輪和壓縮機的可能的自由度。
【發明內容】
[0015]從該現有技術出發，本發明目的在于說明一種用于內燃機的廢氣渦輪增壓器，其特征在于在內燃機的整個運行范圍中盡可能最佳的運行。
[0016]該目的通過一種根據權利要求1所述的廢氣渦輪增壓器來實現。一種具有這樣的廢氣渦輪增壓器的內燃機是權利要求5的內容。根據本發明的廢氣渦輪增壓器和根據本發明的內燃機的有利的設計方案是相應的從屬權利要求的內容并且從本發明的接下來的說明中得到。
[0017]本發明基于該認識，即在廢氣渦輪增壓器設計為整體裝置的情況下應聚焦在渦輪與壓縮機之間的功率平衡。借助于調節器原則上有利地擴大壓縮機特征場可與該設計目標相悖，因為由此對于壓縮機提供了屬于此的渦輪的工作能力可能不充分的運行范圍。相應地，將不再通過壓縮機的栗極限而是通過在廢氣質量