本发明涉及一种用于废气涡轮增压机(2)、尤其用于机动车的涡轮机(1),其具有控制流过涡轮机(1)的废气量的涡轮机活门(3)、引导废气在涡轮机(1)旁经过的废气门阀门(4)以及控制流过废气门阀门(4)的废气量的废气门活门(5)。本发明还涉及一种废气涡轮增压机(2)、具有这种废气涡轮增压机(2)的机动车以及用于运行这种废气涡轮增压机(2)的方法。
1.用于废气涡轮增压机(2)的涡轮机(1),-其具有涡轮机壳体(6),-其具有控制流过涡轮机(1)的废气量的涡轮机活门(3),所述涡轮机活门(3)布置在涡轮机出口(7)上,-其具有引导废气在涡轮机(1)旁经过的废气门阀门(4),以及-其具有控制流过废气门阀门(4)的废气量的废气门活门(5),其中-所述废气门阀门(4)设置成涡轮机壳体(6)中的缺口,-所述涡轮机活门(3)和废气门活门(5)布置在所述涡轮机壳体(6)中,并且-所述涡轮机活门(3)以及废气门活门(5)布置在废气门心轴(10)上并且与之不可相对旋转地连接。
2.按权利要求1所述的涡轮机,其特征在于,所述涡轮机活门(3)和/或废气门活门(5)具有倒圆过的阀体(8,9)。
3.按权利要求1所述的涡轮机,其特征在于,设置调节机构(11)用于旋转所述废气门心轴(10)。
4.按权利要求1所述的涡轮机,其特征在于,所述涡轮机活门(3)与废气门活门(5)沿着所述废气门心轴(10)的纵向(l)以及圆周方向(u)相互错开地布置。
5.按权利要求1所述的涡轮机,其特征在于,所述废气门心轴(10)可旋转到第一位置(A)中,在所述第一位置中所述涡轮机出口(7)完全关闭并且所述废气门阀门(4)完全打开。
6.按权利要求5所述的涡轮机,其特征在于,所述废气门心轴(10)可旋转到第二位置(B)中,在所述第二位置中所述涡轮机出口(7)至少部分地打开并且所述废气门阀门(4)同样至少部分地打开。
7.按权利要求5所述的涡轮机,其特征在于,所述废气门心轴(10)可旋转到最终位置(E)中,在所述最终位置中所述涡轮机出口(7)完全打开并且所述废气门阀门(4)完全关闭,其中所述废气门活门(5)为了阻止废气泄漏在最终位置(E)中压靠到所述废气门阀门(4)的阀座(12)上。
8.用于机动车的、具有按权利要求1到7中至少一项所述的涡轮机(1)的废气涡轮增压机(2),其具有:-布置在涡轮机壳体(6)中的涡轮(13),-具有压缩机壳体(15)的压缩机(14),-布置在压缩机壳体(15)中的压缩机轮(16),以及-将所述压缩机轮(16)与涡轮(13)不可相对旋转地连接的涡轮增压机轴(17)。
9.具有按权利要求8所述的废气涡轮增压机(2)的机动车。
10.用于运行废气涡轮增压机(2)的方法,所述废气涡轮增压机具有按权利要求1到7中至少一项所述的涡轮机(1),所述方法具有第一运行模式,在所述第一运行模式中所述涡轮机活门(3)完全关闭并且所述废气门活门(5)完全打开,由此全部废气量流过所述废气门阀门(4)。
11.按权利要求10所述的方法,其特征在于,设置了第二运行模式,在所述第二运行模式中所述涡轮机活门(3)与所述废气门活门(5)至少部分地打开,由此废气量部分地流过所述涡轮机(1)并且部分地流过所述废气门阀门(4)。
12.按权利要求10或11所述的方法,其特征在于,设置了第三运行模式,在所述第三运行模式中所述涡轮机活门(3)完全打开并且所述废气门活门(5)完全关闭,由此全部废气量流过所述涡轮机(1)。技术领域
本发明涉及一种用于废气涡轮增压机的涡轮机,一种废气涡轮增压机,一种机动车以及一种用于运行这种废气涡轮增压机的方法。
背景技术
文献DExa010xa02004xa0041xa0166xa0A1描述了用于机动车的废气涡轮增压机的已知的结构,该废气涡轮增压机基本上由径向涡轮机以及布置在马达吸气侧中的径向压缩机组成,该径向压缩机通过涡轮增压机轴不可相对旋转地与径向涡轮机的涡轮耦合。具有很高动能以及热能的废气流在运行中驱动涡轮,该涡轮通过耦合件连同涡轮增压轴将压缩机轮置于旋转之中。径向压缩机吸入空气并且压缩空气,由此在发动机的吸气侧提供比在传统吸气发动机中相应更大量的新鲜空气压力并且由此提供更多的氧气。由此提高了发动机平均压力并且由此提高了发动机扭矩,这引起了发动机更高的功率输出。根据固定定义的做法测量机动车中内燃机产生的排放。为此特定的行驶循环(新欧洲行驶循环-NEFZ)在转鼓试验台上连续运行并且在此产生的废气积聚在内燃机的排气管上、例如积聚在塑料囊形式的收集容器中。在连续运行行驶循环后,在收集的废气容积中不允许超过一氧化碳、碳氢化合物以及氮氧化物的预先确定的量。作为这种测量过程中的边界条件例如考虑,在测量过程之前不允许内燃机直接处于运行之中,也就是说利用冷的内燃机起动行驶循环。在正常的行驶运行中,也就是说在热运行的催化器中所述内燃机实际上不产生之前所提到的排放。所述排放在催化器中进行转换。然而催化器只有从特定的运行温度起才以有效的方式工作。在达到其温度之前,有害物质到达排气管上的收集容器中。催化器越早达到其工作温度,那么就越早催化有害物质,并且在NEFZ测试中由内燃机产生的有害物质就越少。因此,为了确保尽可能快地达到催化器的工作温度,优选将催化器布置在马达附近,优选直接布置在排气弯管后面。在使用废气涡轮增压机时不能再在内燃机附近安装催化器,因为在此将废气涡轮增压机的径向涡轮机装入了内燃机与催化器之间。通过涡轮机螺旋件和涡轮的由结构引起的较大表面以及所需的更长的管道使得废气在流过涡轮机壳体时不仅损失了热能而且也损失了动能。在起动阶段中使用引导废气的一部分在涡轮机旁经过的、所谓的废气门阀门时,虽然会降低之前所描述的影响,但是在使用这种废气门阀门时也使得废气流量的一部分自然地占据通过涡轮机的路径。由此延长了催化器达到其所需的工作温度所经历的时间。由此,在NEFZ测试中相对于类似的、没有废气涡轮增压机的内燃机检测出更多的有害物质。这当然是要避免的。
发明内容
在该背景下,本发明的任务在于提供一种用于废气涡轮增压机的改善的涡轮机。该任务按本发明通过具有权利要求1所述特征的涡轮机和/或具有权利要求11所述特征的废气涡轮增压机和/或具有权利要求12所述特征的机动车和/或具有权利要求13所述特征的方法得到解决。相应地提出:用于废气涡轮增压机、尤其用于机动车的涡轮机,其具有控制流过涡轮机的废气量的涡轮机活门、引导废气在涡轮机旁经过的废气门阀门以及控制流过废气门阀门的废气量的废气门活门。尤其用于机动车的具有按本发明的涡轮机的废气涡轮增压机,其具有:布置在涡轮机壳体中的涡轮、具有压缩机壳体的压缩机、布置在压缩机壳体中的压缩机轮以及将压缩机轮与涡轮不可相对旋转地连接的涡轮增压机轴。具有这种废气涡轮增压机的机动车。用于运行这种废气涡轮增压机的方法,所述废气涡轮增压机具有按本发明的涡轮机,所述方法具有第一运行模式,其中涡轮机活门完全关闭并且废气门活门完全打开,由此使全部废气量流过废气门阀门。此外,现在本发明的构思在于,在内燃机起动阶段完全关闭废气涡轮增压机的涡轮机。这通过废气门活门与涡轮机活门的相互作用实现。由此,在内燃机的起动阶段实现了:全部废气围绕涡轮机引导通过废气门阀门并且不在流过涡轮机时损失热量。由此,利用按本发明的涡轮机能够非常快地实现对于催化器的有效工作来说所需的工作温度。本发明的有利的设计方案以及改进方案从其它从属权利要求以及结合附图的图示所作的描述中获得。在本发明的优选设计方案中,所述涡轮机具有涡轮机壳体,其中废气门阀门设置成涡轮机壳体中的缺口并且涡轮机活门和废气门活门布置在涡轮机壳体中。由此能够紧凑地设计按本发明的涡轮机,由此降低了按本发明的涡轮机的空间需求以及重量。在本发明的典型的设计方案中,所述涡轮机活门布置在涡轮机出口上。通过这种布置确保了流入涡轮机中的废气流量不会在进入涡轮机时被涡轮机活门阻碍。由此能够避免效率降低。在本发明的特别优选的设计方案中,所述涡轮机活门和/或废气门活门具有倒圆过的阀体。由此确保了可靠地密封涡轮机出口或者说废气门阀门并且使废气泄漏最小化。在本发明的同样优选的设计方案中,所述涡轮机活门以及废气门活门布置在共同的轴上、尤其布置在废气门心轴上并且与之不可相对旋转地进行连接。由此不仅能够触发涡轮机活门,而且能够共同地触发废气门活门,由此能够省略用于涡轮机活门的附加的调节机构。由此降低了按本发明的涡轮机的部件数量、结构空间以及重量,由此减小了涡轮机的制造成本并且由于降低的重量以及减少的结构空间需求显著增加了应用领域。在本发明的另一优选设计方案中,设置调节机构用于旋转所述轴。该调节机构确保了将该轴可靠地定位在所期望的位置中,由此能够调节涡轮机或者说废气门阀门所期望的开口度并且由此确保了涡轮机的功能性。在本发明的同样优选的设计方案中,所述涡轮机活门与废气门活门沿轴的纵向以及圆周方向相互错开地布置。由此,在轴的被限定的角度位置中确保了涡轮机出口完全关闭而废气门阀门完全打开,或者说涡轮机出口完全打开而废气门阀门完全关闭。在本发明的另一优选设计方案中,所述轴可以旋转到第一位置中,在该位置中涡轮机出口完全关闭并且废气门阀门完全打开。由此确保了全部废气流过废气门阀门,由此使得内燃机的催化器非常快地达到其工作温度。由此在连续运行废气测试循环中确保了尽可能少地排放有害物质。在本发明的同样优选的设计方案中,所述轴可以旋转到第二位置中,在该位置中涡轮机出口至少部分地打开并且废气门阀门同样至少部分地打开。由此,例如在内燃机全负载运行中、也就是在高转速下确保了不是所有废气量都流过涡轮机,不然涡轮机的转速会上升得太多。在本发明的同样优选的设计方案中,所述轴可以旋转到第三位置中,在该位置中涡轮机出口完全打开并且废气门阀门完全关闭,其中废气门活门为了阻止废气泄漏在最终位置中压靠到废气门阀门的阀座上。由此可靠地防止废气例如在内燃机全负载运行中、在低转速下流过废气门阀门。由此,在内燃机的低转速以及全负载时已经提供了所需要的涡轮机功率。此外,例如在很大程度上避免所谓的“涡轮迟滞(Turbolochs)”的情况下,显著改善了具有这种内燃机的机动车的加速特性。在本发明的典型的设计方案中设置了第二运行模式,其中涡轮机活门与废气门活门至少部分地打开,由此使得废气量部分地流过涡轮机并且部分地流过废气门阀门。由此,如前面已经解释的那样,例如在内燃机的全负载运行中确保了不是全部的废气量流过涡轮机,不然涡轮机的转速会以不期望的方式上升得太多。在本发明的另一优选的设计方案中设置了第三运行模式,其中涡轮机活门完全打开并且废气门活门完全关闭,由此全部废气量流过涡轮机。由此可靠地防止废气例如在内燃机的全负载运行中、在低转速下流过废气门阀门。由此,在内燃机的低转速以及全负载中已经提供了所需的涡轮机功率。由此,例如在很大程度上避免“涡轮迟滞”的情况下,显著改善具有这种内燃机的机动车的加速特性。上述设计方案,只要有意义,就可以以任意方式相互组合。
附图说明
下面根据在附图的示意性图示中说明的实施例对本发明进行详细解释。在此,附图示出:图1是按本发明的涡轮机的优选设计方案在第一运行模式中的剖视图;图2是图1中的涡轮机在第二运行模式中的剖视图;图3是图1中的涡轮机在第三运行模式中的剖视图;图4是按图1的涡轮机的废气门心轴的优选设计方案的俯视图;图5是涡轮机出口以及废气门阀门的开口度根据按图4的废气门心轴的旋转角度的视图;以及图6是按本发明的具有根据图1的涡轮机的废气涡轮增压机的优选实施方式。在附图的图示中,只要没有其它说明,相同的部件、元件以及特征设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了按本发明的涡轮机的优选设计方案在第一运行模式中的剖视图。图1首先示出了废气涡轮增压机的涡轮机1,其具有涡轮机壳体6、布置在涡轮机壳体6中的涡轮13、涡轮机出口7以及带有阀体8的涡轮机活门3。此外,涡轮机壳体6具有优选构造成涡轮机壳体6中的缺口(Durchbruch)的废气门阀门4。此外,涡轮机1具有轴10,在该轴上布置涡轮机活门3以及带有阀体9的废气门活门5。所述阀体8、9优选具有倒圆的形状,该形状在涡轮机出口7或废气门阀门4的关闭的状态下无泄漏地密封在涡轮机出口7以及废气门阀门4上互补构造的阀座。在通向催化剂的废气流19中布置的轴10也称作废气门心轴。该轴10优选可旋转地支承在涡轮机壳体6中,例如借助于耐热的滑动支承位置得到支承。所述轴10在涡轮机壳体6中优选具有两个相互间隔距离的支承位置。此外,图1在右侧以废气门阀门4和涡轮机出口7的俯视图示出了轴10。轴10与调节机构11连接,该调节机构通过数据线路或控制线路21与马达控制装置20连接。该调节机构11优选构造成电动或者气动的执行器。该调节机构11或者直接地、通过传动装置或者通过连杆将轴10置于旋转运动中。在此,可以通过马达控制装置20预先确定轴10的所期望的旋转角。所述涡轮机活门3以及废气门活门5优选通过材料、形状或者传力配合连接不可相对扭转地安置在轴10上。所述涡轮机活门3和废气门活门5在轴10的长度l上错开地布置。此外,涡轮机活门3和废气门活门5也关于轴10的圆周错开地布置。所述涡轮机活门3优选布置在涡轮机出口7上,因为用于调节废气门活门5的废气门心轴10已经在涡轮机出口7的侧面上了。由此,为了触发涡轮机活门3不需要附加的调节机构11,也就是说为了轴10的运动已经存在的调节机构11同样可以用于调节涡轮机活门3。如果需要的话则略微更大地设计调节机构11的尺寸。下面描述按本发明的涡轮机1在第一运行模式中的功能:优选设置成涡轮机壳体6中的缺口的废气门阀门4将来自于内燃机的废气流18与通向催化剂的废气流19连接起来。在按本发明的涡轮机1的第一运行模式中,轴10位于第一位置A中。该轴10通过调节机构11送到位置A中。在该第一运行模式中,涡轮机出口7通过涡轮机活门3完全闭合并且完全打开废气门阀门4,也就是说废气门活门5完全从流过废气门阀门4的废气流中偏转出来。也就是说,内燃机的全部废气流18、19围绕涡轮机1通过废气门阀门4导向催化剂。优选在内燃机的起动阶段中调节第一运行模式。通过将全部废气量环绕涡轮机1进行引导,确保了内燃机的催化剂尽可能快地达到其所需的工作温度。图2示出了按图1的涡轮机在第二运行模式中的剖视图。图2首先示出了具有涡轮13和废气门心轴10的涡轮机1,该废气门心轴具有涡轮机活门3和废气门活门5。此外,图2示出了涡轮机出口7和废气门阀门4。为了简化示图,在图2中没有示出马达控制装置和调节机构。然而,可再通过调节机构接近轴10的所期望的旋转角进而接近所期望的位置。下面描述按本发明的涡轮机1在第二运行模式中的功能:在第二运行模式中,所述废气门心轴10位于第二位置B中。在该位置B中,不仅所述涡轮机出口7而且所述废气门阀门4至少部分地打开。在此,部分打开理解为所述涡轮机活门3或者说废气门活门5至少部分地偏转到流过涡轮机出口7或者说废气门阀门4的废气流中。所述第二运行模式也包括废气门心轴10的位置,在该位置中涡轮机活门3和/或废气门活门5完全从相应的废气流中偏转出来。也就是说,废气部分地在涡轮机1中膨胀从而产生旋转能量并且部分地环绕涡轮机1流过废气门阀门4、流到内燃机的排气管中。例如在内燃机全负载运行中、在较高的马达转速下、例如在机动车以较高的恒定速度快速行驶时需要所述第二运行模式。在该运行模式中,废气门阀门4防止涡轮13的转速上升太多,转速上升过多例如会损坏废气涡轮增压机的涡轮或者由过载引起内燃机损坏。图3示出了按图1的涡轮机在第三运行模式中的剖视图。图3再次示出了具有涡轮13、涡轮机出口7以及废气门阀门4的涡轮机1。此外,图3示出了具有涡轮机活门3和废气门活门5的废气门心轴10。为了简化示图,在图3中同样没有示出马达控制装置与调节机构。然而可再次通过调节机构接近轴10的所期望的旋转角进而接近所期望的位置。在涡轮机1的第三运行模式中,所述轴10位于最终位置E。该最终位置E表示废气门活门5碰到废气门阀门4的阀座的止挡位置,在此,废气门活门5固定地压到废气门阀门4的阀座12上,以便将废气泄漏保持得尽可能小。因此,在第三运行模式中完全关闭废气门阀门4并且完全打开涡轮机出口7,由此将全部废气引导通过涡轮机1并且通过涡轮13膨胀从而产生旋转能量。在内燃机全负载运行中、在低转速时、例如在机动车起动时需要所述第三运行模式。在此,需要全部废气流通过涡轮13膨胀并且没有废气在涡轮机1上流过废气门阀门4.图4示出了按图1的涡轮机的废气门心轴的优选设计方案的俯视图。图4以垂直于图1的图纸平面的平面的俯视图示出了废气门心轴10。图4示出了具有旋转轴线22的轴10、具有阀体8和接片24的涡轮机活门3以及具有阀体9和接片23的废气门活门5,所述接片24将阀体8与轴10连接,所述接片23将阀体9与轴10进行连接。材料、形状或者传力配合连接地形成阀体8、9与接片24、23之间的连接。此外,图4示出了轴10的旋转角α以及角度β,所述角度β描绘了接片23和24在轴10的圆周u上的相互间的角度位置。所述接片23和24优选不可相对旋转地与轴10连接,例如通过传力配合的连接、如夹紧连接;形状配合的连接、如楔形轴连接或者材料配合的连接、如钎焊或熔焊连接。所述接片23和24关于圆周u相互间错开角度β。在轴10围绕其旋转轴线22旋转时,该轴运动了旋转角度α。图5示出了涡轮机出口与废气门阀门的开口度根据按图4的废气门心轴的旋转角度的视图。图5首先示出了一张图表,其中在图表的X轴上描绘了废气门心轴的旋转角度α并且在图表的Y轴上描绘了涡轮机活门3或者说废气门活门5的开口度o。此外,图5示出了废气门心轴的三个位置A、B和E、涡轮机出口打开的区域25以及废气门阀门关闭的区域26。在图5中附图标记27表示完全关闭的涡轮机活门3或者说完全关闭的废气门活门5,并且附图标记28表示完全打开的涡轮机活门3或者说完全打开的废气门活门5。附图标记29表示旋转角度α的角度区域,其中不仅所述废气门阀门5而且所述涡轮机活门3都完全打开。在废气门心轴的相应于具有按本发明的涡轮机的废气涡轮增压机的第一运行模式的位置A中,首先完全关闭涡轮机活门3并且完全打开废气门活门5。在废气门心轴以角度α旋转时,涡轮机活门3在区域25中开始逐渐打开并且废气门活门5在该区域25内首先保持完全打开。优选在涡轮机活门3的开口度o与旋转角度α之间存在线性关系。在例如包括大致40°到50°的旋转角度α的角度范围的区域29中,不仅所述废气门活门5而且所述涡轮机活门3都完全打开。在继续旋转废气门心轴时,废气门阀门在区域26中开始逐渐关闭,而涡轮机活门3继续地保持完全打开。废气门活门5的开口度o与旋转角度α之间的关系优选是线性的。废气门心轴的位置B相应于废气涡轮增压机的第二运行模式。与例如相应于0°的旋转角度α的位置A相反,废气门心轴的位置B覆盖了例如0°到90°的旋转角度α的角度范围。在废气门心轴的相应于废气涡轮增压机的第三运行模式的最终位置E中,最后完全打开涡轮机活门3并且完全关闭废气门活门5。一旦废气门阀门完全关闭,那么废气门心轴的旋转运动就停止了,因为废气门活门5的阀体碰到了废气门阀门的阀座。为了在内燃机全运行中在低转速时将废气泄漏保持得尽可能小,在此必须将废气门活门5的阀体固定并且优选形状配合连接地压靠到废气门阀门的阀座上。图6示出了按本发明的具有按图1的涡轮机的废气涡轮增压机的优选实施方式的俯视图。具有多个气缸32的内燃机31通过废气管路33与涡轮机1的布置在涡轮机壳体6中的涡轮13流体地耦合。所述涡轮机活门3布置在涡轮机1的涡轮机出口7中。具有废气门活门5的废气门阀门4为废气示出了围绕涡轮机1的旁路。涡轮13通过涡轮增压机轴17与压缩机轮16不可相对旋转地连接。该压缩机轮16布置在废气涡轮增压机2的压缩机14的压缩机壳体15中。压缩机轮16通过吸气侧30与内燃机31流体地耦合。在具有废气涡轮增压机2的内燃机31的运行中,内燃机31通过废气管路33向涡轮13提供废气。通过涡轮13降低了废气的焓并且将废气的动能以及热能转化成旋转能。该旋转能通过涡轮增压机轴17传递到压缩机轮16上。该压缩机轮16吸入新鲜空气、压缩该新鲜空气并且将压缩的新鲜空气通过吸气侧30供给内燃机31。由于在压缩的空气体积中每体积单位中存在多份氧气,能够在内燃机31中每空气体积单位燃烧多份氧气,由此提高了内燃机31的功率收益。根据内燃机31的运行状态可以通过废气门阀门4引导废气在涡轮机1旁通过或者说可以借助于涡轮机活门3关闭涡轮机出口7。在按本发明的废气涡轮增压机2的第一运行模式中完全关闭涡轮机出口7并且完全打开废气门活门5,也就是说全部废气围绕涡轮机1引导。在起动内燃机31时需要这种运行模式,从而将催化器尽可能快地送到其所需的运行温度上。在按本发明的废气涡轮增压机2的第二运行模式中,不仅至少部分地打开涡轮机活门3,而且也至少部分地打开废气门活门5。例如在内燃机31高速旋转时、在机动车快速恒定地行驶时实现该第二运行模式。通过至少部分地打开废气门活门5防止在内燃机31全负载时向涡轮机1供给太多的废气量,由此能够将涡轮13的转速并且因此将压缩机轮16的转速提高到一定程度,从而由于负载太强或者损坏涡轮13或者甚至损坏内燃机31。在按本发明的废气涡轮增压机2的第三运行模式中完全关闭废气门活门5并且完全打开涡轮机活门3。例如在起动机动车时需要这种运行模式。在此,引导全部废气通过涡轮机1,由此在较低转速以及全马达负载中已经实现了足够的马达功率。尽管根据优选实施例完全描述了本发明,但是本发明不限制于所述实施例,而是可以以多种多样的方式方法进行调整。上面提及的各个实施例,只要在技术上有意义,就可以任意地相互组合。在本发明的优选修改方案中,所述涡轮机活门没有布置在涡轮机的涡轮机出口处,而是布置在涡轮机的涡轮机入口处。在如此构造的实施方式中就需要两个调节机构,由此当然可以通过缺少机械耦合使得涡轮机活门以及废气门活门的开口度完全相互独立地运动。示例性地理解所提出的材料、数据以及尺寸并且仅仅用于解释本发明的实施方式以及改进方案。所说明的涡轮机以及具有涡轮机的废气涡轮增压机能够特别有利地用在机动车领域中并且这里优选用在轿车中、例如用在柴油或汽油发动机中,当然在需要时也可以用在其它任意的具有废气门的涡轮增压应用中。