[发明专利]涡轮机及具有该涡轮机的内燃机

说明书

技术领域

本发明总体上涉及涡轮增压器涡轮机，且更具体地涉及在内燃机上使用的涡轮增压器涡轮机。

背景技术

内燃机被供应有空气和燃料的混合物以用于在发动机内燃烧，这种燃烧产生机械功率。为了最大化通过此燃烧过程产生的功率，发动机通常装备有涡轮增压进气系统。

涡轮增压进气系统包括具有涡轮机的涡轮增压器，其使用来自发动机的排气以压缩流入发动机内的空气，从而迫使比自然吸气发动机原本可吸入燃烧室的空气要多的空气进入发动机的燃烧室。这种增加的空气供应允许燃料供给增加，进而导致发动机功率输出增加。

发动机的燃料能量转换效率取决于许多因素，包括发动机的涡轮增压器的效率。先前提出的涡轮增压器设计包括具有形成在它们的壳体中的分开的气体通道的涡轮机。在这种涡轮机中，两个或更多个气体通道可以形成在涡轮机壳体中并且彼此平行延伸，使得当排气通过排气收集器或歧管到涡轮机时，保存来自在不同时间点火的单独发动机气缸的排气脉冲能量波动。这些排气脉冲可以用于改善涡轮机的驱动功能并且增加排气系统的效率。

内燃机还使用各种系统来减少某些化合物和物质，所述化合物和物质是发动机燃烧的副产物。一个这样的系统(其通常称为排气再循环(EGR))被配置为将经计量及通常冷却的排气再循环到发动机的进气系统中。以这种方式再循环的燃烧气体具有明显低于新鲜的进入空气的氧浓度。将再循环气体引入发动机的进气系统且随后引入发动机汽缸导致在发动机中产生较低燃烧温度，继而减少某些燃烧副产物(诸如包含氧和氮的化合物)的产生。

在涡轮增压的发动机上使用的EGR系统的一种公知配置通常称为高压EGR系统。这种高压的命名依据排气再循环于其间的发动机进气系统和排气系统中的位置。在高压EGR系统(HP-EGR)中，排气是从涡轮机上游的位置从排气系统移除并且在压缩机下游的位置被递送至进气系统。在被引入进气系统之后，再循环的排气与燃料和来自压缩器的新鲜空气混合以形成然后在每个发动机气缸中燃烧的混合物。

在缺少推动EGR气体在发动机的排气系统与进气系统之间流动的专用部件(诸如泵)的发动机中，EGR气体通过EGR系统的最大可能流速将取决于发动机的排气系统与进气系统之间的压力差。这种压力差通常称为EGR驱动压力。通常存在这样的情况，即发动机所需要的EGR气体流量高于基于发动机操作期间所存在的EGR驱动压力所可能存在的。

过去，已经提出了多种解决方案来选择性地调整涡轮增压发动机中的EGR驱动压力。一种这样的解决方案是使用可变喷嘴或可变几何形状涡轮机。可变喷嘴涡轮机包括设置在涡轮机叶轮周围的可移动叶片。这些叶片的移动改变涡轮机的有效流速且因此在一个方面产生增加发动机的排气系统在操作期间的压力的一种限制。发动机的增加的排气压力导致增加的EGR驱动压力，继而促进发动机中的EGR气体的流动能力增加。

尽管用以增加发动机的EGR气体流动能力的这种以及其它公知解决方案已经成功并且在过去已经得到广泛使用，但是它们需要使用可变几何形状涡轮机，所述可变几何形状涡轮机是包括在恶劣环境中操作的移动零件的相对昂贵的装置。此外，由于无法使来自不同组气缸的流分离，可变几何形状涡轮机通常损坏或者屏蔽发动机的排气流的脉冲能量，这导致涡轮机效率降低且燃料消耗升高。此外，增加发动机排气回压，具有可变涡轮机几何形状的燃料经济性益处将易于抵消。

发明内容

在一个方面中，本发明描述了一种涡轮机。该涡轮机包括：涡轮机壳体，其包括至少两个气体通道，所述至少两个气体通道具有基本上相同的流动面积，并且设置在分隔壁的相对侧上；以及涡轮机叶轮，其具有多个叶片。喷嘴环连接到涡轮机壳体并且设置在涡轮机叶轮周围。喷嘴环具有第一外环和邻近于第一外环设置的内环。内环具有环形形状并且设置成与分隔壁轴向对准。第二外环邻近于内环设置并且比第一外环具有更厚的横截面。第一多个叶片固定地设置在第一外环和内环之间，并且在它们之间限定第一多个进口开口，第一多个进口开口与形成在喷嘴环中并且包围涡轮机叶轮的狭槽流体连通。第二多个叶片固定地设置在第二外环和内环之间，并且在它们之间限定第二多个进口开口，其与所述狭槽流体连通。第一多个进口开口共同限定第一流动面积，所述第一流动面积大于由第二多个进口开口所共同限定的第二流动面积。