废气涡轮增压器和内燃机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种废气涡轮增压器和包括这样的废气涡轮增压器的内燃机。
【背景技术】
[0002]已知使用一个或多个废气涡轮增压器用于提高比功率且用于降低内燃机的比燃料消耗。
[0003]废气涡轮增压器具有集成到内燃机的排气系中的具有涡轮叶轮(Turbinenlaufrad)的祸轮以及集成到内燃机的新鲜气体系中的具有压缩机叶轮的压缩机。涡轮叶轮和压缩机叶轮通过轴相连接。在内燃机的运行中，涡轮叶轮被废气流动流过并且由此回转地被驱动，其中，该回转通过轴被传递到压缩机叶轮上。如此引起的压缩机叶轮的回转产生新鲜气体的期望的压缩。
[0004]不仅废气涡轮增压器的涡轮而且压缩机具有与流过其的气体的质量流相关的效率。引导流动的腔以及叶轮的几何结构应被设计成使得对于所有在运行中出现的质量流实现足够好的效率。同时通常尝试在内燃机的一个或多个较窄地限定的运行范围中对于涡轮和压缩机获得最高可能的效率。在柴油内燃机中典型地设置成在发动机的部分负载运行中实现废气涡轮增压器的尽可能高的效率。
[0005]在废气涡轮增压器的涡轮的设计中，应找到在内燃机的响应特性、部分负载运行中的特性和额定功率运行中的特性之间的尽可能好的折中。对于良好的响应特性和部分负载特性，小的废气质量流(和由此废气焓流)应已引起良好的效率和特别高的涡轮功率。这原则上可通过具有涡轮叶轮的相对小的结构尺寸和相应小的惯性矩的涡轮的几何设计来实现。相反，在内燃机以额定功率运行时，在适当的压缩比下应能够通过涡轮尽可能导引整个废气质量流。这原则上要求具有相对大的结构尺寸的涡轮的几何设计。在实践中，该目标矛盾造成在涡轮的几何设计中的折中，以实现废气涡轮增压器在内燃机的整个运行范围上运行。用于废气涡轮增压器的涡轮的设计的参数通常涉及涡轮壳体的螺旋(Volute)，在此尤其涉及其横截面面积、横截面面积的周缘曲线(Umfangsverlauf)和A/R比，以及涉及涡轮叶轮，在此尤其涉及其直径、空气动力学的实施和调整(Trimm)。
[0006]为了防止由于过高的废气质量流引起废气涡轮增压器的涡轮和因此还有压缩机的超速，此外可使用调节装置。
[0007]由借助于废气涡轮增压器增压的奥托发动机一方面已知应用所谓的废气门作为调节装置。在此，涉及绕开涡轮的用于废气的旁路，其可借助于旁通阀调节。在废气质量流过高时，借助于废气门引导废气的一部分绕过涡轮并且由此限制在涡轮中转化成机械能的废气焓。
[0008]相反，在柴油发动机中广泛使用具有可变涡轮几何结构(VTG)的废气涡轮增压器，在其中可调整的导叶(Leitschaufel)大多布置在涡轮的输入侧。通过导叶的匹配的调整，一方面改变了在涡轮的进入通道中的自由的流动横截面，由此尤其在废气质量流较低时可提高在进入容纳涡轮叶轮的叶轮腔中时的流动速度。另一方面，可匹配涡轮叶轮的叶片的流入的角度，这同样可带来涡轮效率的提高。
[0009]在废气涡轮增压器的压缩机中，通过新鲜气体系输送给发动机的新鲜气体被压缩。在此，压力升高与压缩机叶轮的转速以及通过叶轮引导的新鲜气体的质量流相关。由于流入速度相对于圆周速度减小，叶轮叶片的进入棱边的流入在压缩机特性场的所谓的栗极限的方向上在压力侧增加，也就是说，流入持续增加。从流入的与运行点相关的极限值、所谓的栗极限起，流动在进入棱边处剥离并且在压缩机中的流动变得不稳定。在栗极限的范围中，在压缩机的罩壳轮廓的区域中形成脉冲少的流体的回流区。该所谓的回流泡由于涡旋和混合损失在栗极限的方向上导致压缩机效率的下降。但是在叶轮的轮毂轮廓的区域中，还接近栗极限相对多脉冲的而少损失的核心流动延伸经过压缩机，其确定质量流量(Massendurchsatz)和压力构建(Druckaufbau)。
[0010]所谓的调节器(Trimmsteller)用于在高压缩比时使压缩机的栗极限向较低质量流的方向移动。同时，调节器可在栗极限的范围中引起压缩机效率的提高。对此，调节器包括一装置，通过其可改变压缩机的叶轮被流入的流入横截面。通过如此实现的调节器的喷嘴效应，随着调节干预的增加(流入横截面的减小)可将压缩机流入更强地聚焦到压缩机叶轮的靠近轮毂的流动横截面上。由此，更少的流体流到回流泡的少脉冲的且有损失的区域中，并且使在轮毂附近的区域中的核心流动加速且由此附加地稳定化。附加地，在压缩机的靠近轮毂的区域中的流动的加速导致压缩机流入在抽吸侧的移动，这可有助于流动的进一步稳定化。核心流动的稳定化导致压缩机特征场的栗极限向更小的废气质量流的期望的移动。在不期望调节干预时(调节器完全打开)，尽可能在压缩机之前开启新鲜气体系的整个横截面，从而在压缩机流入中尽可能不产生附加的摩擦或节流损失。因此，压缩机效率和压缩机特征场的宽度在堵塞界限的方向上不以重大的程度受调节器负面影响。
[0011]通过借助于调节器使栗极限移动且同时提高压缩机效率，可改善增压的内燃机的动态响应特性以及部分负载运行。由于系统效率的改善，在部分负载范围中的排气背压可降低，由此，内燃机的消耗降低。通过栗极限的移动和效率提高，在较低的发动机转速下已可实现最大的发动机扭矩并且由此可改善内燃机的瞬态响应特性。
[0012]例如由文件DE 10 2010 026 176 Al已知一种用于压缩机的调节器。
[0013]改善废气涡轮增压器的效率和由此其响应特性的另一可能性可在于在内燃机中设置两个或更多个废气涡轮增压器(必要时还有机械地或电气地驱动的压缩机)，其中，其设计用于内燃机的发动机的不同运行范围并且也仅仅或主要在这些运行范围中负责压缩新鲜气体。
[0014]文件US 2007/151, 243 Al和文件DE 20 2005 022 022 Ul例如分别公开了具有两个串联或并联的废气涡轮增压器的双重增压的内燃机的不同设计方案，废气涡轮增压器具有至少两个自由度。在此，这些文件涉及这两个废气涡轮增压器彼此借助于这至少两个自由度尽可能最佳的协调，目标是在内燃机的运行特性方面的尽可能最佳的整体效果。可变的涡轮几何结构、可变的压缩机几何结构以及用于涡轮或压缩机的废气门被称为用于这两个废气涡轮增压器的涡轮和压缩机的可能的自由度。
【发明内容】
[0015]从该现有技术出发，本发明目的在于说明一种用于内燃机的废气涡轮增压器，其特征在于在内燃机的整个运行范围中尽可能最佳的运行。
[0016]该目的通过一种根据权利要求1所述的废气涡轮增压器来实现。一种具有这样的废气涡轮增压器的内燃机是权利要求5的内容。根据本发明的废气涡轮增压器和根据本发明的内燃机的有利的设计方案是相应的从属权利要求的内容并且从本发明的接下来的说明中得到。
[0017]本发明基于该认识，即在废气涡轮增压器设计为整体装置的情况下应聚焦在涡轮与压缩机之间的功率平衡。借助于调节器原则上有利地扩大压缩机特征场可与该设计目标相悖，因为由此对于压缩机提供了属于此的涡轮的工作能力可能不充分的运行范围。相应地，将不再通过压缩机的栗极限而是通过在废气质量