专利名称：废气涡轮增压器装置、配属驱动系统和驱动系统设计方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的废气涡轮增压器装置，配备 有这种废气涡轮增压器装置的驱动系统和用于设计驱动系统的方法。
背景技术：
由DE 2006 055 814 Al和DE 10 2005 015 151 Al已知开头所述类型的废气涡轮增
压器装置。为了特别是在其NOx排放方面满足内燃机的将来的废气限值，越来越多地使用 具有废气回输或废气再循环的废气涡轮增压器装置。在此涉及内燃机的废气与用于内 燃机的增压空气混合。在废气回输中，通常必须克服"扫气落差"、即在增压空气管道中的压力和在 废气管道中的压力之间的压差，为此例如使用单独的风扇或者废气在相应废气涡轮增压 器装置的压缩机前混合进入增压空气系。无论如何，为了克服扫气落差，需要显著的能 量消耗，其可能会损害废气涡轮增压器装置的效率。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种废气涡轮增压器装置，其中降低或减少用于压 缩回输到增压空气系中的废气流的能量消耗。此外本发明的目的是提供一种配备有这 种废气涡轮增压器装置的驱动系统和用于设计这种驱动系统的方法。上述目的通过根据权利要求1所述的废气涡轮增压器装置、根据权利要求7所述 的驱动系统或者根据权利要求8所述的方法来实现。本发明的改进方案在从属权利要求 中给出。根据本发明的第一方面，一种用于内燃机的废气涡轮增压器装置，其包括废气 涡轮增压器，废气涡轮增压器具有废气涡轮机，所述废气涡轮机设置在废气涡轮增压器 装置的与内燃机的废气出口流体连接的废气系中，其中废气涡轮增压器还具有与废气涡 轮机旋转驱动连接的压缩机，所述压缩机设置在废气涡轮增压器装置的与内燃机的空气 入口流体连接的增压空气系中；废气涡轮增压器装置还包括废气再循环装置，其具有与 废气系流体连接的入口以及与增压空气系流体连接的出口，从而从废气系分出的废气能 经由出口在废气进入位置处进入增压空气系中。根据本发明的废气涡轮增压器装置的特征是废气进入位置位于压缩机中的流 体压缩线路中，从而流入压缩机中的废气在仅平衡在废气进入流体压缩线路中的进入压 力和要实现的增压压力之间的压差的情况下，由进入压力直接被压缩至要实现的增压压 力。换句话说，用于平衡或克服在废气的进入压力和要实现的增压压力之间的压差 的功或能能量被准确地输送至废气。根据本发明，仅局部地为压缩机的限定部分加载废气，其也还处于较小的离心力载荷的区域中或者甚至在压缩机的导引叶栅系统中。 因此能降低或减少用于压缩回输至增压空气系中的废气的能量耗费，由此能改 进废气涡轮增压器装置的效率。因此为了特别是在其NOx排放方面满足内燃机的将来的废气限值，提供一种具 有废气回输或废气再循环的、效率优化的废气涡轮增压器装置，其特别是还可以在重油 运行状态中用于缓慢运行的二冲程发动机和中快速运行的四冲程发动机。根据本发明废气涡轮增压器装置的一种实施方式，废气入口位置位于压缩机的 叶轮流体入口和压缩机的扩散器流体出口之间。这个在压缩机的流体压缩线路中的区域基本上为在压缩机中的压力建立区域， 从而通过选择适合的与废气的进入压力和压缩机特征曲线相关的废气入口位置，可以最 佳地降低或减少用于压缩废气的功或能量。根据本发明废气涡轮增压器装置的一种实施方式，废气入口位置位于压缩机的 叶轮流体入口和压缩机的后导引机构流体出口之间。根据本发明废气涡轮增压器装置的另一种实施方式，废气入口位置位于压缩机 的叶轮流体入口和压缩机的叶轮流体出口之间。如果压差或扫气落差较高，则这种类型的废气入口位置是特别有利的。根据本发明废气涡轮增压器装置的另一种实施方式，废气入口位置位于压缩机 的叶轮流体出口和压缩机的扩散器流体出口之间。如果例如在二冲程发动机中压差或扫气落差较低，则这种类型的废气入口位置 是特别有利的。根据本发明废气涡轮增压器装置的另一种实施方式，所述废气再循环装置的入 口在废气分支位置处与废气系流体连接，其中所述废气分支位置沿着废气系位于涡轮入 口之前。这种废气分支位置确保了 废气的进入压力尽可能高，进而扫气落差或压差尽 可能低。根据本发明废气涡轮增压器装置的另一种实施方式，废气再循环装置可以具有 废气冷却器和/或废气洗涤器。换句话说，来自废气系的废气可以在"缸前"被混合到增压空气系的位于压缩 机中的流体压缩线路中后，由内燃机的“缸后”或“废气涡轮机前”必要时被冷却和清洁。根据本发明的第二方面，提供具有废气涡轮增压器装置和内燃机的驱动系统， 其中废气涡轮增压器装置在每个可想象的组合中根据本发明的一个、多个或所有前述确 定的实施例实施，其中废气涡轮增压器装置的废气系与内燃机的废气出口流体连接，废 气涡轮增压器装置的增压空气系与内燃机的空气入口流体连接。根据本发明的第三方面，提供一种用于设计根据本发明的驱动系统的方法，其 中所述方法至少包括下列步骤确定内燃机的取决于负载的废气压力特征曲线；确定压 缩机的取决于负载的增压压力特征曲线；确定内燃机的例如平均的工作负载(例如发动 机负载，应该主要利用其来驱动内燃机)；确定在废气压力特征曲线和增压压力特征曲 线之间的基于工作负载的压差；根据在流体压缩线路中基于压缩线路长度的长度位置确定压缩机特征的压力建立特征曲线；确定在流体压缩线路中的长度位置，能由压缩机实 现的压力建立在该长度位置处等于在废气压力特征曲线和增压压力特征曲线之间的确定 的压差；确定废气入口位置，从而废气入口位置与确定的长度位置相应。最后发明人认识到因为废气在废气涡轮机前已经在较高的压力水平，仅必须 找到一地点或位置(废气入口位置)，在此处剩余压力升高可以直至达到增压压力水平。根据本发明的实施方式，废气入口位置例如在径向压缩机中在叶轮流体入口后 至叶轮流体出口前设在盖轮廓上。在相应较小的扫气落差时，如在二冲程发动机中， 废气入口位置可以位于叶轮流体出口和扩散器流体出口之间，因为在那里还提高静态压 力。
下面借助优选实施例并参考附图详细描述本发明。 图1示出根据本发明实施例的驱动系统的示意图。图2示出根据本发明实施例的驱动系统的废气涡轮增压器装置的压缩机的局部 示意图。图3示出根据本发明的实施例的驱动系统的废气涡轮增压器装置的压缩机的类 似于图2的局部放大图。图4示出一图表，其中示出了与根据本发明实施例的驱动系统的发动机负载相 关的废气压力特征曲线和增压压力特征曲线。图5示出一图表，其中根据在根据本发明实施例的驱动系统的废气涡轮增压器 装置的压缩机的流体压缩线路中基于压缩线路长度的长度位置，示出压缩机特征的压力 建立特征曲线。附图标记列表1 驱动系统10废气涡轮增压器装置20废气涡轮增压器21废气涡轮机21a 涡轮入口21b 涡轮出口22废气管道23排气管道25连接轴26压缩机26a压缩机入口26b压缩机出口260 壳体261 叶轮262叶轮叶片263叶轮流体入口
264叶轮流体出口265扩散器266扩散器流体出口267螺旋通道268后导引机构
27新鲜空气管道28进气管道29进气管道30废气再循环装置30a Λ 口30b 出口40增压空气冷却器60内燃机60a 空气入口60b 废气出口AE废气入口位置VP流体压缩线路a第一界限b第二界限ρ 压力PA废气压力PL增压压力Δ P 压差L发动机负载AL工作负载A 废气
具体实施例方式图1示出根据本发明实施例的驱动系统1的示意图。驱动系统1具有一废气涡轮增压器装置10和一例如设计成柴油机和/或煤气机 的并且与废气涡轮增压器装置10连接的内燃机60。废气涡轮增压器装置10具有废气涡轮增压器20、废气再循环装置30和增压空气 冷却器40。废气涡轮增压器20具有一带涡轮入口 21a和涡轮出口 21b的废气涡轮机21以及 一通过连接轴25与废气涡轮机21旋转驱动连接的压缩机26，所述压缩机26具有压缩机 入口 26a和压缩机出口 26b。涡轮入口 21a通过废气管道22与内燃机60的废气出口 60b建立流体连接，从而 废气涡轮机21可以通过内燃机60的废气A的能量旋转驱动。涡轮出口 21b与排气管道23建立流体连接，从而可以将从废气涡轮机21流出的废气A例如引导至大气中。废气 管道22、废气涡轮机21和排气管道23 —起形成废气涡轮增压器装置10的 废气系。压缩机入口 26a与新鲜空气管道27建立流体连接，从而新鲜空气例如可以从大 气通过新鲜空气管道27被输送至压缩机26。压缩机出口 26b通过进气管道28、29和增压空气冷却器40与内燃机60的空气 入口 60a建立流体连接，从而由压缩机26压缩的空气可以通过进气管道28、29输送至内 燃机60。新鲜空气管道27、压缩机26、增压空气冷却器40和进气管道28、29 —起形成 废气涡轮增压器装置10的增压空气系。废气再循环装置30可以设计有废气净化装置(未示出)和废气冷却器(未示出) 以及适合的调节装置，并具有一入口 30a，该入口在涡轮入口 21a前与废气管道22流体 连接(在废气分支位置处)；一出口 30b，该出口与压缩机26流体连接。如在图2和图3中示出的那样，在此设计成径向压缩机的压缩机26具有壳体260 和一固定在可旋转地支承在壳体260中的连接轴25上的叶轮261，所述叶轮具有多个叶轮 叶片262。壳体260和叶轮261 (连同其叶轮叶片262) —起形成流体压缩线路VP，通过所 述流体压缩线路或者沿着所述流体压缩线路，压缩流经压缩机26的流体(由新鲜空气和 废气形成)，其界限在其长度中以a和b来标注。更准确地说，流体压缩线路VP从叶轮流体入口 263经由叶轮流体出口 264和形 成扩散器265的径向间隙延伸至扩散器流体出口 266，所述扩散器流体出口 266通至在壳 体260中形成的、具有螺旋通道267的螺旋壳体中，所述螺旋通道267本身与压缩机出口 26b流体连接。在扩散器265中可以设置后导引机构或导引叶栅268。如图1至图3示出的那样，废气再循环装置30的出口 30b如此与增压空气系流 体连接，使得从废气系分出的废气A经由出口 30b在废气入口位置AE处(参见图3)能 进入增压空气系中，更准确地说进入流体压缩线路VP中。如开头所述的那样，废气A具有与内燃机60的发动机负载L相关的废气压力 PA,废气A利用该废气压力进入增压空气系，并且该废气压力在那里显示为废气A的进 入压力。同样如开头所述的那样，废气压力PA通常以压差ΔΡ小于在进气管道28、29 中或在内燃机60的空气入口 60a处要利用压缩机26为内燃机60实现的增压压力PL。这 种相互关系在图4中示出，其中在与内燃机60的发动机负载L相关的压力P的图表中示 出增压压力PL特征曲线和废气压力PA特征曲线。图5示出一图表，其中根据在压缩机26的流体压缩线路VP中基于压缩线路长度 (在此从第一界限a至第二界限b)的长度位置，示出压缩机特征的压力建立特征曲线。如 从图5中示出的那样，压力建立特征曲线在最初曲线形走向后具有几乎线性的走向。由 此可以得出要压缩的流体在流体压缩线路VP中经过的行程越大，所形成的压力越大。 然而在图5中示出的曲线仅展示了原则上的压力走向。现在根据本发明规定废气入口位置AE如此设置在压缩机26中的流体压缩线 路VP中，从而流入压缩机26的废气A(如通过在图3中的粗箭头示出的那样)在仅平衡在废气A进入流体压缩线路VP中的进入压力(废气压力PA)和要实现的增压压力PL之 间的压差ΔΡ(参见图4)的情况下由进入压力直接被压缩至要实现的增压压力PL。根据本发明的实施例以最普遍的方式，废气入口位置AE位于压缩机26的叶轮 流体入口 263和压缩机26的扩散器流体出口 266之间。根据本发明另一实施例以稍微特 殊的方式，废气入口位 置AE可以位于压缩机26的叶轮流体入口 263和压缩机26的后导 引机构268的流体出口之间。根据本发明在图3中示出的实施例，废气入口位置AE位于压缩机26的叶轮流 体入口 263和压缩机26的叶轮流体出口 264之间。根据本发明的未示出的实施例，废气入口位置AE还可以位于压缩机26的叶轮 流体出口 264和压缩机26的扩散器流体出口 266之间。根据上面所述，用于设计根据本发明的驱动系统1的方法至少包括下列步骤 确定内燃机60的取决于负载的废气压力PA特征曲线，确定压缩机26的取决于负载的增 压压力PL特征曲线；确定内燃机60的工作负载AL (例如发动机负载L，应该主要利用 其来驱动内燃机60)；确定在废气压力PA特征曲线和增压压力PL特征曲线之间的(如 在图4中示出的那样)基于工作负载的压差ΔΡ ；根据在流体压缩线路VP中基于压缩线 路长度(在图2中a至b)的长度位置确定压缩机特征的压力建立特征曲线(如在图5中 示出的那样)；确定在流体压缩线路VP中的长度位置，能由压缩机26实现的压力建立在 该长度位置处等于在废气压力PA特征曲线和增压压力PL特征曲线之间的确定压差ΔΡ ； 确定废气入口位置AE，从而废气入口位置AE与确定的长度位置(如在图3中示出的那 样)相应。
权利要求
1.一种用于内燃机(60)的废气涡轮增压器装置(10)，包括废气涡轮增压器(20)，其具有废气涡轮机(21)，所述废气涡轮机设置在废气涡轮增 压器装置(10)的与内燃机(60)的废气出口(60b)流体连接的废气系中；废气涡轮增压器 (20)还具有与废气涡轮机(21)旋转驱动连接的压缩机(26)，所述压缩机设置在废气涡轮 增压器装置(10)的与内燃机(60)的空气入口(60a)流体连接的增压空气系中，废气再循环装置(30)，其具有与废气系流体连接的入口(30a)以及与增压空气系流 体连接的出口(30b)，从而从废气系分出的废气(A)能经由出口(30b)在废气进入位置 (AE)处进入增压空气系中，其特征在于，所述废气进入位置(AE)位于压缩机(26)中的流体压缩线路(VP)中， 从而流入压缩机(26)中的废气(A)在仅平衡在废气(A)进入流体压缩线路(VP)中的进 入压力和要实现的增压压力(PL)之间的压差(ΔΡ)的情况下，由进入压力直接被压缩至 要实现的增压压力(PL)。
2.根据权利要求1所述的废气涡轮增压器装置(10)，其中，所述废气进入位置(AE) 位于压缩机(26)的叶轮流体入口(263)和压缩机(26)的扩散器流体出口(266)之间。
3.根据权利要求2所述的废气涡轮增压器装置(10)，其中，所述废气入口位置(AE)位 于压缩机(26)的叶轮流体入口(263)和压缩机(26)的后导引机构(268)的流体出口之间。
4.根据权利要求2所述的废气涡轮增压器装置(10)，其中，所述废气入口位置(AE) 位于压缩机(26)的叶轮流体入口(263)和压缩机(26)的叶轮流体出口(264)之间。
5.根据权利要求2所述的废气涡轮增压器装置(10)，其中，所述废气入口位置(AE) 位于压缩机(26)的叶轮流体出口(264)和压缩机(26)的扩散器流体出口(266)之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的废气涡轮增压器装置(10)，其中，所述废气再 循环装置(30)的入口(30a)在废气分支位置处与废气系流体连接，其中所述废气分支位 置沿着废气系位于涡轮入口(21a)之前。
7.驱动系统(1)，其具有根据权利要求1至6中任一项所述的废气涡轮增压器装置 (10)和内燃机(60)，其中所述废气涡轮增压器装置(10)的废气系与内燃机(60)的废气 出口(60b)流体连接，并且所述废气涡轮增压器装置(10)的增压空气系与内燃机(60)的 空气入口(60a)流体连接。
8.用于设计根据权利要求7所述的驱动系统(1)的方法，包括以下步骤确定内燃机(60)的取决于负载的废气压力(PA)特征曲线，确定压缩机(26)的取决于负载的增压压力(PL)特征曲线，确定内燃机(60)的工作负载(AL)，确定在废气压力(PA)特征曲线和增压压力(PL)特征曲线之间的基于工作负载(AL) 的压差(ΔΡ),根据在流体压缩线路(VP)中基于压缩线路长度(a — b)的长度位置确定压缩机特征 的压力建立特征曲线，确定在流体压缩线路(VP)中的长度位置，能由压缩机(26)实现的压力建立在该长 度位置处等于在废气压力(PA)特征曲线和增压压力(PL)特征曲线之间的确定的压差 (ΔΡ),以及确定废气入口位置(AE)，从而废气入口位置(AE)与确定的长度位置相应。
全文摘要
本发明涉及一种用于内燃机的废气涡轮增压器装置、配属驱动系统和驱动系统设计方法，废气涡轮增压器装置包括废气涡轮增压器，其具有废气涡轮机，其设置在废气涡轮增压器装置与内燃机的废气出口流体连接的废气系中；还具有与废气涡轮机旋转驱动连接的压缩机，其设置在废气涡轮增压器装置与内燃机的空气入口流体连接的增压空气系中；废气再循环装置，其具有与废气系流体连接的入口以及与增压空气系流体连接的出口，从废气系分出的废气经由出口在废气进入位置处进入增压空气系中。废气进入位置位于压缩机中的流体压缩线路中，流入压缩机中的废气在仅平衡在废气进入流体压缩线路中的进入压力和要实现的增压压力之间压差的情况下由进入压力直接被压缩至要实现的增压压力。
文档编号F02B29/04GK102022180SQ20101028282
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月10日 优先权日2009年9月11日
发明者A·里普尔 申请人:曼柴油机和涡轮机欧洲股份公司