專利名稱：用于內燃機的渦輪壓縮機系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于內燃機的渦輪增壓器單元，該內燃機至少有一個排氣管，用于將廢氣從發(fā)動機的燃燒室中引導出去，至少有一個進氣管，用于給所述燃燒室供應空氣。該渦輪增壓器單元包括與壓縮機相互作用的渦輪，用于從發(fā)動機的廢氣流中提取能量，并給發(fā)動機的進氣增壓。
背景技術：
涉及用于給柴油型內燃機增壓的渦輪增壓器系統(tǒng)的現(xiàn)有技術，特別是用于重型車輛，通常包括由單級渦輪驅動的單級壓縮機，這兩者都是徑流式的。
適合于工作容積為6到20升的柴油機的增壓器，在穩(wěn)態(tài)工況下，其效率通常在50％和60％之間(ηcompressor·ηmechanical·ηturbine)。在現(xiàn)有的柴油機中，高效率的好處不如將來需要更高進氣壓力的發(fā)動機。對增壓有增大的需求的系統(tǒng)的實例是用于降低氮氧化合物排放的廢氣再循環(huán)，或是擁有進氣門可變控制的系統(tǒng)。
穩(wěn)態(tài)工況下效率高于60％的渦輪增壓器系統(tǒng)，提供了符合未來發(fā)動機環(huán)保和經(jīng)濟性要求的更大的可能性。此前，對于柴油機的環(huán)境要求通常導致效率的削弱，從而意味著燃油能源更加沒有被充分利用。
現(xiàn)代的葉輪通常設置有后掠的葉片，葉片沿出口切線方向在根部截面和頂端截面之間的中心線的假想延長線和連接葉輪中心軸與葉片外尖端的直線之間的葉片角βb2小于35°。
渦輪增壓器中使用的徑流式渦輪通常在渦輪葉片之間設有扇形切口(如圖4所示)來減小渦輪葉輪質量，這會改善瞬態(tài)響應，也就是說增大了渦輪葉輪對增加的廢氣流起作用的能力。由于扇形切口消除了渦輪葉輪邊緣的材料而降低了極慣性矩，使得對于發(fā)動機來說更快速的增加轉速成為可能。然而，由于在渦輪葉片的外端從加壓端到吸入端的氣流泄漏，扇形切口對于渦輪的效率有負面的影響。另一個在渦輪上設置扇形切口的原因是為了減小由于起動、停車和負荷改變期間的溫度不均勻而導致的壓力。在大直徑葉輪中溫度分布不均勻的問題更大。
增大壓縮機的葉片角βb2的缺點在于對于相同的壓力比，外緣速度增大，從而葉輪中的壓力增大。這就意味著需要更高強度特性的材料。比如，現(xiàn)有的鑄鋁葉輪和轉輪可以用貴很多的鑄造并經(jīng)機械加工的鋁或鈦元件代替。

發(fā)明內容
因此本發(fā)明的目的在于生產一種渦輪增壓器單元，在瞬態(tài)響應和效率方面都有好的特性。
依據(jù)本發(fā)明這個目設計的用于內燃機的渦輪增壓器單元，至少有一個排氣管，用于將廢氣從發(fā)動機的燃燒室中引導出去，并且至少有一個進氣管，用于給所述燃燒室供應空氣；該渦輪增壓器單元包括與壓縮機相互作用的渦輪，用于從發(fā)動機的廢氣流中提取能量，并給發(fā)動機的進氣增壓，其特征在于，壓縮機是徑向式(離心式)的，設置有葉輪，該葉輪有后掠的葉片，沿出口切線方向在根部截面和頂端截面之間的葉片中心線的假想延長線和連接葉輪中心軸與葉片外尖端的直線之間的葉片角βb2至少為大約45°，并且驅動壓縮機的渦輪是徑流式的。由于渦輪增壓器的這種設計，可以保持高的效率，同時改善瞬態(tài)響應。
增大壓縮機的葉片角βb2導致，對于給定的轉速，壓力增量會下降。為了彌補這個，需要更高的速度或更大的葉輪直徑。然而，一個意外的效果是，用于壓縮機結構的最佳轉速比為了保持壓力增大所需要的轉速增加的快，從而正好可以減小直徑。
這可以從圖表1和2中看出，圖表1為葉輪的功系數(shù)h0/U2與葉片角βb2之間的函數(shù)關系，其中h0是焓增量，U是葉輪外緣速度。比如葉片角βb2從45°增大到55°，意味著功系數(shù)下降了大約5％。假定效率不變，為了保持壓力比，外緣速度U必須因此而增加大約2.5％(v1.05＝1.025)。
圖表1 圖表2為效率與比轉速Ns和葉片角βb2之間的函數(shù)關系，從圖表2中可以很快讀出最佳轉速。比轉速Ns在這里定義為Ns＝ω·√V/(Had)3/4，其中ω＝角速度，V＝入口容積流量，Had＝絕熱焓增量(＝Cp·T0，in·((壓力比)((k-1)/k)-1))。從圖表2中可以看出，在容積流量、壓力比和入口條件不變的情況下，當葉片角βb2從45°增大到55°時，最佳Ns增大了大約4％，從而轉速增大了大約4％。
圖表2 用于驅動壓縮機的徑流式渦輪至少可以對應于壓縮機更高的轉速而減小其直徑，這導致極慣性矩變小。另一種改善的可能性是減少或消除扇形切口。這意味著效率增加了，這本身意味著可以使用更小的直徑。
本發(fā)明有利的說明性的實施例出現(xiàn)在下面的從屬專利權利要求中。
使用在兩級渦輪系統(tǒng)中所描述的渦輪增壓器的優(yōu)點在于，每個渦輪增壓器的壓力增加較小，從而轉速較低。在這種情況下，盡管有大的后傾角(βb2)，也可以使用現(xiàn)有的材料。


以下將參考附圖中所示的說明性實施例，更加詳細的說明本發(fā)明，其中圖1為擁有兩級渦輪增壓器系統(tǒng)的內燃機示意圖；圖2為通過渦輪增壓器系統(tǒng)中的兩級渦輪增壓器的縱向剖面圖；圖3為用于本發(fā)明渦輪增壓器單元的葉輪的部分剖開的平面圖；以及圖4為高壓渦輪中渦輪葉輪的平面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明主要是應用于柴油機的兩級增壓系統(tǒng)中，所述柴油機具有6到約20升的工作容積，特別是應用于重型車輛，比如卡車、公共汽車和施工機械。增壓系統(tǒng)的特征在于它提供了比現(xiàn)有系統(tǒng)更有效的增壓作用。該增壓作用在中間冷卻的兩個串聯(lián)的徑向式壓縮機(離心式壓縮機)的兩級中進行。作為低壓壓縮機的第一級壓縮機由軸流式低壓渦輪驅動。作為高壓壓縮機的第二級壓縮機由徑流式高壓渦輪驅動。
圖1所示為有六個發(fā)動機氣缸11的發(fā)動機缸體10，該氣缸11以傳統(tǒng)的方式與進氣歧管12和兩個獨立的排氣歧管13、14連接。每個進氣歧管接收三個氣缸排出的廢氣。廢氣通過獨立的管道15、16傳遞到高壓渦輪單元18中的渦輪17，該高壓渦輪單元18包括與渦輪17同軸設置的壓縮機19。
廢氣通過管道20向前傳遞到低壓渦輪單元22中的渦輪21，該低壓渦輪單元22包括與渦輪21同軸設置的壓縮機23。最后，廢氣通過管道24向前傳遞到發(fā)動機的排氣系統(tǒng)，該排氣系統(tǒng)可以包括廢氣后處理單元。
過濾后的空氣被允許通過管道25進入發(fā)動機，并傳遞到低壓渦輪單元22的壓縮機23。管道26向前引導進入的空氣通過第一中冷器27傳遞到高壓渦輪單元18的壓縮機19。在兩級中經(jīng)過中間冷卻之后，進入的空氣通過管道28向前傳遞到第二中冷器29，之后，進入的空氣通過管道30到達進氣歧管12。
在圖2中更詳細的顯示了渦輪增壓器系統(tǒng)，圖中雙蝸管入口15、16連接到高壓渦輪17，每個蝸管入口通過進氣導向葉片17a提供給渦輪一半氣流量。高壓渦輪17為徑流式，通過中間管道20連接到低壓渦輪21。
高壓渦輪17和高壓壓縮機19一起設置在軸31上。低壓渦輪21相應的與低壓壓縮機23一起設置在軸32上。
高壓渦輪依據(jù)說明的本發(fā)明設計，由帶有大后掠角葉片的高壓壓縮機組成，以下將參考圖3說明該葉片。
從圖3中可以看出，葉片35沿根部截面和頂端截面之間中心線在出口切線方向的假想延長線和連接葉輪中心軸與葉片外尖端的線(點劃線)36之間的葉片角βb2至少為大約45°，至少大約50-55°較為合適。市場上可獲得的渦輪壓縮機的葉片角βb2在大約25到大約35°之間。測試依據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器系統(tǒng)顯示，將葉片角增大到至少大約45°是有利的。這種葉片角增大的影響主要在于，在給定的壓力比下，與渦輪連接的葉輪可以以更高的轉速旋轉。這種速度上的增大意味著渦輪葉輪的直徑可以減小，從而渦輪葉輪的質量慣性也可以減小。這種增大的次要影響在于，在質量慣性減小時，發(fā)動機的瞬態(tài)響應也得到改善，這意味著渦輪葉輪可以更容易的加速到有效速度范圍。壓縮機的效率也增加了，其它的，由于沿葉片加壓側和吸入側之間的速度差值降低，導致更小的二次流，從而降低了損失，并且由于轉子出口流速的降低，導致接下來的擴壓件中的損失降低了。
為了使壓力增長最優(yōu)化，兩個壓縮機都在各自的葉輪的下游設置導向葉片。這種擴壓件有利的為LSA(低稠度翼面)型，這意味著其是帶有按空氣動力學設計的葉片的擴壓件，葉片長度與進口圓周方向上葉片之間的間距(節(jié)距)成一定的比例，該比例在0.75-1.5范圍內。這種類型擴壓件的特征在于，它不像帶有長葉片的傳統(tǒng)擴壓件那樣多的限制壓縮機可能的工作范圍(壓力比和容積流量的結合)。
出口擴壓件37位于低壓渦輪21之后，用于恢復來自渦輪的動態(tài)壓力。擴壓件伸進廢氣收集器38，該廢氣收集器將廢氣導出到排氣管24。
如圖4所示，驅動高壓壓縮機19的高壓渦輪17是徑流式的，帶有渦輪葉輪，在轉速相對較高的情況下，該渦輪葉輪直徑制造的較小。這使得可以避免渦輪葉輪輪轂40中的切口39，在這類渦輪中根據(jù)現(xiàn)有工藝水平通常會使用這種切口(已知的扇形缺口)。這些切口39如圖4中的虛線所示，只是為了說明了現(xiàn)有的工藝水平。由于不要求這些切口，渦輪葉輪可以更有效的工作而獲得更高的整體效率。
本發(fā)明并不受上述示例性實施例的限制，更多的變化和修改可以看作是在以下專利權利要求的范圍之內。比如，依據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓器單元是與具有兩級渦輪增壓的六缸柴油機連接的，但是本發(fā)明也可以應用于所有不同的活塞發(fā)動機，從一缸到一缸以上，為兩沖程或四沖程。本發(fā)明也可以應用于船用發(fā)動機和不同于上述工作容積的發(fā)動機。高壓渦輪17可以沒有進氣導向葉片，或者另一種選擇是，可以設置有固定的或幾何上可旋轉進氣導向葉片17a。
權利要求
1.一種用于內燃機(10)的渦輪增壓器單元(18)，該內燃機具有至少一個用于將廢氣從發(fā)動機的燃燒室(11)中引導出去的排氣管(15、16)，以及至少一個用于給所述燃燒室供應空氣的進氣管(12)，該渦輪增壓器單元包括與壓縮機(19)相互作用的渦輪(17)，用于從發(fā)動機的廢氣流中提取能量并給發(fā)動機的進氣增壓，其特征在于壓縮機(19)是徑向式的，設置有葉輪，該葉輪有后掠葉片(35)，沿出口切線方向在根部截面和頂端截面之間的葉片中心線的假想延長線和連接葉輪中心軸與葉片外尖端的線(36)之間的葉片角(βb2)至少為大約45°，并且驅動壓縮機(19)的渦輪(17)是徑流式的。
2.根據(jù)權利要求1所述的渦輪增壓器單元，其特征在于所述葉片角(βb2)至少為大約45°。
3.根據(jù)權利要求1所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于所述葉片角(βb2)至少為大約55°。
4.根據(jù)權利要求1至3所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于所述壓縮機設置有LSA型即低稠度翼面型的擴壓件。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一個所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于所述徑流式渦輪制造有不帶切口的輪轂。
6.根據(jù)權利要求1至4中任一個所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于所述徑流式渦輪制造有帶切口的輪轂，該切口的最大徑向深度相當于葉輪直徑的5％。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一個所述的渦輪增壓器系統(tǒng)，其特征在于所述渦輪增壓器用于具有兩級增壓的渦輪系統(tǒng)，其壓縮機和渦輪串聯(lián)布置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于內燃機(10)的渦輪增壓器單元(18)，該內燃機至少有一個用于將廢氣從發(fā)動機的燃燒室(11)中引導出去的排氣管(15、16)，并且至少有一個用于給所述燃燒室供應空氣的進氣管(12)。該渦輪增壓器單元包括與壓縮機(19)相互作用的渦輪(17)，用于從發(fā)動機的廢氣流中提取能量，并給發(fā)動機的進氣增壓。壓縮機(19)是徑向式的，設置有葉輪，該葉輪有后掠葉片(35)，沿出口切線方向根部截面和頂端截面之間的葉片中心線的假想延長線和連接葉輪中心軸與葉片外尖端的線(36)之間的葉片角(βb2)至少為大約45°。驅動壓縮機(19)的渦輪(17)是徑流式的。
文檔編號F02D41/40GK1791738SQ200480013224
公開日2006年6月21日 申請日期2004年5月13日 優(yōu)先權日2003年5月15日
發(fā)明者拉爾斯·松丁, 馬格努斯·伊辛, 塞巴斯蒂安·克勞舍, 佩爾·安德松 申請人:沃爾沃拉斯特瓦格納公司