[0001] 本
发明涉及一种用于
内燃机的多级式废气
涡轮增压器、特别是高压
涡轮增压器，该涡轮增压器包括具有至少一个
涡轮机转子的废气涡轮机、以及
压缩机，该压缩机包括带有第一压缩机转子部段的第一压缩机级和带有第二压缩机转子部段的第二压缩机级，其中，涡轮机转子和第二以及第一压缩机转子部段布置在围绕旋
转轴线可旋转地支承的共同的轴上，其中，第一压缩机级在第一压缩机转子部段的上游具有用于连接至新鲜空气
导管的轴向压缩机进入
管接头，并且在第一压缩机转子部段的下游具有至少两个第一螺旋通道结构，这些第一螺旋通道结构过渡到第二压缩机级的在第二压缩机转子部段的上游延伸的至少两个第二螺旋通道结构。本发明此外还涉及具有至少一个这种废气涡轮增压器的内燃机。
[0002] 为了提供较高的
燃料经济性、较高的额定功率和改善的排放效率，在内燃机中需要具有高压缩比的涡轮增压器。
[0003] 为了实现高压缩比，可升高废气涡轮增压器的工作轮的旋转速度。然而，在此会造成超出所用材料的负荷能
力的负荷。
[0004] WO 2012/107481 A1描述了一种单级式废气涡轮增压器，该废气涡轮增压器具有涡轮机
外壳和与涡轮机外壳连接的
轴承外壳。经由涡轮机外壳进行冷却剂供给。此外，DE 10 2013 203 376A1描述了用于内燃机的可液体冷却的单级式径向涡轮机，其中冷却剂通道集成到该涡轮机外壳中。
[0005] 已知用两个或更多个废气涡轮增压器来实施增压空气的多级压缩，这些废气涡轮增压器与
串联连接的压缩机一起工作，其中
中间冷却器布置在各压缩机之间。大致从US 2014/0358404 A1已知这种方案。然而缺点在于，这些方案非常复杂并且耗费结构空间。类似方法是将在共同的轴上的多级式压缩机转子用于实现各压缩机级，包括组合轴向压缩机级和径向压缩机级。然而，在此也特别是由于废气涡轮增压器的增加长度而在
包装尺寸方面、以及还在转子动力学和储存问题方面是不利的。
[0006] 对此，DE 699 14 199 T2示出具有两级式压缩机的缓慢运转的高压涡轮机，其中，涡轮机转子和压缩机转子经由共同的轴彼此连接。压缩机转子在接近空气入口的
正面处具有第一
转子叶片并且在背面上具有第二转子叶片。经压缩的空气经由扩散器从前面和背面并且从那里传递到进气系统。EP 1 825 149 B1示出类似的方案。但是由US 6,834,501 B1、US 6,792,755B2或者US 6,920,754 B2已知一种废气涡轮增压器，其中，在两级式压缩机的正面和背面之间构造有环形间隙。
[0007] 尽管由此可实现较高的压缩比，但由于较高的
温度而会对材料造成较大负荷：尽管空气入口处的空气具有约25℃的温度，但是直至第二转子
叶轮的温度在超过4巴的压缩比的情况下明显升高超过200℃。在此，转子叶轮以及涡轮增压器外壳和轴承遭受较高的热负荷。此外，从约180℃的温度起会导致在空气中一起运送的油成分、例如含机油燃气堵住。
[0008] EP 1 957 802 B1在这方面建议了采用耐受温度的材料或者在轴承和轴的设计中涉及这方面的
预防措施。
[0009] 所有已知的方案的缺点在于，一方面是经压缩的空气流的高温度，另一方面是涡轮增压器外壳和所用的各部件由此产生的热负荷。
[0010] 本发明的任务是减小多级式废气涡轮增压器的热负荷。
[0011] 根据本发明，通过开头提及的多级式废气涡轮增压器如下来解决该任务，即，设有至少在第一螺旋通道结构之间延伸的第一冷却剂通道结构和/或在第二螺旋通道结构之间延伸的第二冷却剂通道结构。
[0012] 通过对第一压缩机级、第二压缩机级或者这两个压缩机级中的经预压缩的空气进行冷却，本发明允许在废气涡轮增压器中对空气进行冷却。在此，还产生更小的压缩机驱动功率和涡轮机输出功率以及减小的废气背压。由于最高的热负荷出现在第二压缩机级的螺旋线中，在此处来自废气涡轮增压器的空气转移到后续的增压空气管路中，由此在任何情况下可减少较高的热负荷。尽管空气以约25℃进入第一压缩机级，但在其出口处空气有几乎200℃，在第二压缩机级中出现不允许的高升温，这种高升温会对涡轮增压器部件造成高负荷。借助冷却剂结构可以将增压空气冷却到约60℃。由此，将空气保持在一温度范围内，在该温度范围中避免了在空气中一起运送的油成分、例如含机油燃气的积
碳。
[0013] 通
过冷却剂通道结构，一方面冷却增压空气，这导致更少的增压空气冷却
散热量以及由此改善的效率，另一方面还冷却压缩机外壳以及其余废气涡轮增压器。
冷却液体能接下来用于冷却废气涡轮增压器的轴承，这使得能够节省连接件和导管。此外，该结构允许特别紧凑的结构类型，以使得例如在压缩机入口之前能布置有其它构件、例如交叉增压器(Cross-Charger)。
[0014] 为了实现特别有效的冷却，有利的是，第一冷却剂通道结构至少部分地延伸到第一压缩机转子部段的第一轮廓区域中，和/或第二冷却剂通道结构至少部分地延伸到第二压缩机转子部段的第二轮廓区域中。在此，将压缩机转子部段的入口和压缩机转子部段的出口之间的通道壁部段称为轮廓区域。因为在此区域中由于对空气的压缩会产生特别高的温度梯度，所以在此有效的冷却是特别有利的。
[0015] 在本发明的一种变型中，第一冷却剂结构从第一螺旋通道结构之间的区域延伸到围绕至少一个或者多个第一螺旋通道结构的周围区域中和/或第二冷却剂结构从第二螺旋通道结构之间的区域延伸到围绕至少一个或者多个第二螺旋通道结构的周围区域中。由此，可以有利地提高冷却效果，因为冷却面积增加，螺旋通道结构随着与
旋转轴线的距离的增大而增大其内表面，该内表面通过由冷却剂结构包围而提供特别多的热量传递
接触面。
[0016] 为了实现有利的流动条件，第一冷却剂通道结构具有第一冷却剂收集器和从第一冷却剂收集器引出的第一冷却剂部分通道和/或第二冷却剂通道结构具有第二冷却剂收集器和从第二冷却剂收集器引出的第二冷却剂部分通道。由此，经由冷却剂收集器提供冷却剂，并且经由部分通道将冷却剂引导到待冷却的区域。在此，冷却剂收集器以及部分通道都包括螺旋通道结构或者在螺旋通道结构之间延伸。
[0017] 当第二冷却剂结构和第一冷却剂结构(有利地是第一冷却剂部分通道和第二冷却剂部分通道)彼此连接时，可实现特别有效的冷却。由此，此外产生简单的冷却结构，因为可节省输入管路和输出管路。
[0018] 根据热负荷的不同，设有用于第二冷却剂通道结构的至少一个冷却剂输入管路和第一冷却剂结构的至少一个冷却剂输出管路，或者反过来(即，设有用于第二冷却剂通道结构的至少一个冷却剂输出管路和第一冷却剂结构的至少一个冷却剂输入管路)。这通过对应的连接件来确保。由此，根据要求的不同，新鲜的冷却剂先引导到第二压缩机级或者先引导到第一压缩机级。
[0019] 为了使得根据本发明的废气涡轮增压器的制造变得容易而有利的是，压缩机具有压缩机外壳，该压缩机外壳带有至少一个第一压缩机外壳部分和至少一个第二压缩机外壳部分。各部分能单独浇铸，然后彼此连接。
[0020] 此外由具有至少一个这种废气涡轮增压器的内燃机来解决本发明的任务。
[0021] 接下来，根据非限制性
附图来进一步阐释本发明。在附图中示出：
[0022] 图1以纵剖图示出根据本发明的废气涡轮增压器；
[0023] 图2以详图示出图1的废气涡轮增压器的压缩机侧的上半部分；以及
[0024] 图3以侧视图示出根据图1中线III-III的图1中的废气涡轮增压器的压缩机侧。
[0025] 功能相同的部件在各
实施例中设有相同的附图标记。
[0026] 图1示意地示出多级压缩的废气涡轮增压器1，该废气涡轮增压器包括压缩机2和废气涡轮机3，该废气涡轮机3具有未进一步示出的涡轮机转子。压缩机2具有外侧的第一压缩机级4和内侧的第二压缩机级5。外侧和内侧的命名在此是关于流过压缩机2的新鲜空气的流动方向而言的。第一压缩机级4和第二压缩机级5之间的区分在图1和2中由虚线标示。
[0027] 压缩机转子6经由围绕旋转轴线1a可旋转地支承的并且没有进一步示出的轴与废气涡轮增压器1的废气涡轮机3的涡轮机转子不可旋转地连接。压缩机转子6具有属于第一压缩机级4的第一压缩机转子部段6a和属于第二压缩机级5的第二压缩机转子部段6b。压缩机转子部段6a、6b在所示实施例中布置在共同的压缩机转子6的彼此相对侧上。
[0028] 压缩机2布置在压缩机外壳中，该压缩机外壳具有第一压缩机外壳部分7a和第二压缩机外壳部分7b，这两个外壳部分彼此连接和密封。在第一压缩机外壳部分7a中布置有第一压缩机级4，而第二压缩机级5则位于第二压缩机外壳部分7b中。连接面由图1和2中的上面提及的虚线来标示。设有多个外壳部分的实施例也是可能的。
[0029] 第一压缩机外壳部分7a在第一压缩机转子部段6a的上游具有用于连接至用于吸入新鲜空气的未进一步示出的新鲜空气管路的轴向的压缩机进入接头8。同样也未示出在用于连接至内燃机的增压空气管路的第二压缩机外壳部分7b处的用于增压空气的压缩机出口。
[0030] 从压缩机进入接头8将空气引导到第一压缩机转子部段6a的(外侧的)第一轮廓区域9。轮廓区域在此是指位于压缩机转子部段的入口和压缩机转子部段的出口之间的通道壁部段，特别是空气通道从小直径扩大到更大直径的部段。
[0031] 在第一压缩机转子部段6a的上游，经预压缩的空气被引导到多个第一螺旋通道结构10a、10b、10c、10d、10e或螺旋线中。第一螺旋通道结构10a、10b、10c、10d、10e在此随围绕旋转轴线1a以增大的半径圆形延伸。同时，第一螺旋通道结构10a、10b、10c、10d、10e的直径也沿流动方向增大。
[0032] 第一压缩机级4的第一螺旋通道结构10a、10b、10c、10d、10e过渡到第二压缩机级5的同样数目的第二螺旋通道结构11、11'(仅在附图中示出两个第二螺旋通道结构11、11'，或者接下来进一步讨论仅一个第二螺旋通道结构11)中。如在附图3中可见，在所示实施例中，第一螺旋通道结构10a、10b、10c、10d、10e基本上处于一个圆上，该圆的中心位于旋转轴线1a(在图3中
正交于图平面延伸并且没有画入)上。
[0033] 第二螺旋通道结构11、11'同样也围绕旋转轴线1a圆形延伸，但与第一螺旋通道结构不同的是具有随着流动方向减小的半径，同样也具有减小的直径。第二螺旋通道结构11在旋转轴线1a附近通入第二压缩机转子部段6b或其入口的(内侧的)第二轮廓区域12中。从第二压缩机转子部段6b的出口将经压缩的空气继续引导到未示出的增压空气管路。
[0034] 为了冷却压缩机2，现在根据本发明将冷却剂通道结构13、14实施在压缩机外壳部分7a、7b中。在此，在第一压缩机级4中设有第一冷却剂通道结构13，该第一冷却剂通道结构13具有第一冷却剂收集器15和从该第一冷却剂收集器15引出的第一冷却剂部分通道16a、
16b、16c、16d、16e(在图1和2中虚线示出)并且在所示实施例中与冷却剂输出管路17连接。
第一冷却剂收集器15在所示实施例中围绕第二轮廓区域9环形延伸。
[0035] 第二冷却剂通道结构14设置在第二压缩机级5中并且具有第二冷却剂收集器18以及从第二冷却剂收集器18引出的第二冷却剂部分通道19、19'(在图1和2中虚线示出)。第二冷却剂通道结构14与冷却剂输入管路20连接。在此，将
水或者其它液体或
流体用作冷却剂。
[0036] 冷却剂通道结构13、14或者冷却剂部分通道16a、16b、16c、16d、16e、19在此在对应的螺旋通道结构10a、10b、10c、10d、10e、11、11'之间延伸。由此使得在热关键区域中有效地散热并且经压缩空气的温度可以保持在最佳范围内。如图2中可见，冷却剂通道结构13、14延伸直到对应的压缩机转子部段6a、6b的轮廓区域9、12中，在这些区域处会产生特别高的热负荷并且因此特别需要散热。
[0037] 图3示出沿图1的线III–III的剖视图，在上半部分中，第一冷却剂通道结构13或者第一冷却剂部分通道16a、16b、16c从位于第一螺旋通道结构10a、10b、10c、10d、10e之间的区域延伸到包围螺旋通道结构10a、10b、10c、10d、10e的周围区域中。在此，周围区域是指位于螺旋通道结构之间的中间区域之外的区域，即在螺旋通道结构周围或者在其周边的区域，其中，周围区域从热方面还表示受压缩空气影响的区域。第一冷却剂通道结构13还包括用于最佳导热的螺旋通道结构10a、10b、10c、10d、10e。由此，实现了热的空气通道和冷却结构之间的热量传递面积的增大。足够大量的冷却面积和冷却的与待冷却的流动路径的结合允许充分冷却压缩机2并且将废气涡轮增压器1也用作高压涡轮增压器。对应的实施方式也可针对第二压缩机级5来设置，但出于一目了然的目的而并未示出。
[0038] 第一冷却剂通道结构13和第二冷却剂通道结构14彼此流动连接，其中，在所示实施例中流动连接经由第一冷却剂部分通道16a、16b、16c、16d、16e和第二冷却剂部分通道19进行。由此，可以在第二压缩机级5的区域内布置有冷却剂输入管路20，然后在第一压缩机级4处布置有冷却剂输出管路17。当然，也可以反过来引导冷却剂。
[0039] 如上所述，由空气引导通道和冷却剂通道构成的根据本发明的结构良好地借助具有第一压缩机外壳部分7a和第二压缩机外壳部分7b的压缩机外壳来实现：它们可简单地浇铸而成，例如由特别好地导热的
铝浇铸而成，并且借助合适的
密封件组装成紧凑的介质密封的压缩机2。
[0040] 所描述的本发明通过二级增压和相对于一级压缩来说附加的冷却允许值得一提的热动力优点，同时具有紧凑的结构，该紧凑的结构容适了日益增加的减小结构空间的问题。
[0041] 明显的是，本发明不受限于所描述的实施例，而是在主
权利要求的保护范围内的各种改型是可以的。
