CN101302941A - 具有重叠的固定叶片和活动叶片的滑动活塞涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

一种调节流入涡轮机叶轮的废气的具有滑动活塞的涡轮增压器，包括：一组固定叶片，其安装在涡轮机喷嘴的固定的第一壁上并且在轴向方向朝着喷嘴的相对的第二壁凸起，以及一组活动叶片，其安装在活塞的一端上并且在相反的轴向方向朝着喷嘴的第一壁凸起。两组叶片周向彼此相对地交错布置，并且彼此重叠，重叠度依赖于活塞的轴向位置。涡轮机叶轮可以是具有与长叶片和短叶片交替布置的分流式涡轮机叶轮。

Description

具有重叠的固定叶片和活动叶片的滑动活塞涡轮增压器

背景技术

本发明涉及在涡轮机喷嘴中具有用于调节流入涡轮中的废气的滑动活塞的涡轮增压器。

废气驱动的涡轮增压器是一种与内燃机结合使用的设备，通过压缩空气以增加发动机的输出功率，该空气被传递到发动机进气口与燃料混合并在发动机中燃烧。涡轮增压器包括在压缩机壳体内的一个轴的一端安装的压缩机叶轮和在涡轮机壳体内的该轴的另一端安装的涡轮机叶轮。特别地，独立于压缩机壳体形成涡轮机壳体，并且在涡轮机壳体和压缩机壳体之间连接一个中心壳体，以容纳该轴的轴承。涡轮机壳体限定了一个大致环形室，其环绕涡轮机叶轮并且接收发动机的废气。涡轮装置包括从该室引导到涡轮机叶轮的喷嘴。废气通过喷嘴从该室流入涡轮机叶轮，并且该涡轮机叶轮被废气驱动。由此涡轮机从废气中获取能量并且驱动压缩机。该压缩机通过压缩机壳体的一个入口接收环境空气，并且该空气被压缩机叶轮压缩，然后从壳体中被排放到发动机空气入口。

增加涡轮增压器的发动机性能的一个挑战是，在发动机的整个运行工况范围内获得发动机输出功率的理想值。业已发现，对于固定几何形状的涡轮增压器通常不容易实现该目的，因此，为了提高涡轮增压器的增压量的控制水平，已研发了可变几何形状的涡轮增压器。一种可变几何形状的涡轮增压器在涡轮机喷嘴中使用滑动的活塞。该活塞滑动地安装在涡轮机壳体内，并且其被连接到轴向向前和向后推动活塞的机械装置。改变活塞的位置，具有改变通过涡轮机喷嘴有效流动面积的效果，并且通过控制活塞位置可以调节流入涡轮机叶轮的废气。以这种方式，可以调节涡轮机的输出功率，允许控制发动机的输出功率比具有固定几何形状的涡轮增压器的通常可能的功率输出大。

特别地，滑动活塞机构也包括叶片，其可以附在活塞的一端或者涡轮机喷嘴的固定壁上。当活塞被完全关闭时，在活塞的一端和喷嘴的固定壁之间依然有个开口，并且叶片完全延伸入该开口中。然而，当活塞开始打开时，在一些这样活塞机构中，自由叶片间隙开始在活塞的一端和叶片的一端之间产生(当在固定的喷嘴壁上安装叶片时)，或者在叶片的一端和喷嘴的一端之间产生(当在活塞上安装叶片时)。因为那时开始产生间隙，这是不希望的，环绕叶片端部和通过自由叶片间隙的废气具有较差的空气动力学特性，这不利于涡轮机的效率。在活塞的初始打开运动期间，随着活塞位置的微小变化，流入涡轮机的流量试图突变，这使得转换期间很难控制涡轮机的精确度。

为了克服上述不利因素，已提出在活塞端部或者在喷嘴壁中设置使叶片延伸到其中的槽。按照这种方式，叶片可以足够长，以便于即使当活塞完全打开时，叶片完全延伸通过喷嘴开口。然而，这也有它自己的缺点。因为流动通过喷嘴的废气非常热，活塞、叶片和喷嘴壁都遭遇热流动引起的空间改变和气温变化引起的收缩。因此，为了阻止运行状态下叶片在槽中粘结，必须提供很大的公差。因此，在叶片和容纳叶片的槽的边缘之间有很大的间隙，废气可以通过这些间隙泄漏。这样不仅部分地消除了叶片上述目的，而且当槽是在固定喷嘴壁中时，它们允许废气进入中心壳体中，在其内气体加热轴承，这是很不希望的。

发明内容

本发明涉及一种具有滑动活塞的涡轮增压器，基本上避免了上面提到的现有涡轮增压器的缺点。涡轮增压器包括一组固定叶片，其安装在涡轮机喷嘴的固定的第一壁上并且朝着喷嘴的相对的第二壁轴向凸起，以及一组活动叶片，其安装在活塞的一端上并且在相反的轴向方向朝着喷嘴的第一壁凸起。两组叶片周向彼此相对地交错布置，并且当活塞关闭和部分开启时彼此重叠。然而，当活塞在全开启位置时，两组叶片不再重叠，以便于在两组叶片的相对端之间存在无叶片(vane-free)空间。当活塞从它的关闭位置朝它的开启位置移动时，这种布置基本上可以提高通过喷嘴的流量变化的平稳度，反之亦然。然而，不必在喷嘴壁或者活塞中提供凹槽，基本上避免了通过这些凹槽的废气泄漏，并避免了废气加热轴承。

在一个实施例中，在活塞处于关闭位置时，两组叶片基本上全部在喷嘴的开口轴向范围延伸(即两组叶片彼此完全重叠)，以向废气提供小范围、高导向的流动路径。在活塞冲程期间，流动面积基本上随着活塞位置线性变化，因此确定不会发生涡轮机流动特性的突跃。

可替换地，当活塞关闭时，两组叶片可能不完全彼此重叠。

根据一个实施例，具有相等数量的固定叶片和活动叶片，并且沿着周向方向每个活动叶片大约处于两个固定叶片之间的中间位置。在一个实施例中，所有的固定叶片和活动叶片在外轮廓和轴向长度上基本上彼此相同。

在一个实施例中，固定叶片安装在一个独立于中心壳体和涡轮机壳体而形成的隔热屏上。该隔热屏安装在中心壳体和涡轮机壳体之间。可替换地，固定叶片安装在不同的部件上，例如分离隔热屏的一个部件，该部件在隔热屏和涡轮机壳体之间。也可以使用变化的其它安装配置。

通过一个实施例，涡轮增压器还包括阻止活塞绕轴旋转的抗转设备，然而允许活塞轴向平移。

附图说明

通过参看附图，概括地描述本发明，但是不能局限于附图的比例，其中：

图1是本发明一个实施例的具有处于关闭位置的活塞的涡轮增压器的横断面视图；

图2是类似于图1的视图，显示了处于部分打开位置的活塞；

图2A是类似于图2的视图，显示了全部打开位置的活塞；

图3是沿着图1的线3-3的横断面视图；

图4是沿着图2的线4-4的横断面视图；

图5是沿着图2的线5-5的横断面视图。

具体实施方式

将参考附图更加全面地描述本发明，但是没有示出本发明的全部实施例。实际上，本发明可以实施不同的形式，不应局限于这里的实施例；相反地，这里提供了这些实施例以便于所公开的将满足适当的要求。相同的附图标记表示相同的元件。

图1至5示出了本发明的一个实施例的涡轮增压器20。涡轮增压器包括容纳轴承24的中心壳体22，该轴承支撑涡轮增压器的旋转轴26。压缩机壳体(未示出)连接中心壳体的一侧。压缩机叶轮30安装在轴26的一端，并且布置在压缩机壳体中。虽然图中没有示出，但是很容易理解到压缩机壳体限定了一个入口，空气通过该入口流入压缩空气的压缩机叶轮30，而且限定了一个扩散器，压缩空气通过该扩散器从压缩机叶轮排入环绕压缩机叶轮的蜗壳。空气从该蜗壳中传送到内燃机的入口(未示出)。涡轮增压器还包括连接到中心壳体22的另一侧的涡轮机壳体38。涡轮机叶轮40安装在压缩机叶轮的轴26的另一端上，并且设置在涡轮机壳体中。涡轮机壳体限定了环绕涡轮机叶轮40的腔室42，并且接收从内燃机排出的废气。废气通过喷嘴43(图2)从腔室42直接进入涡轮机叶轮40中，该涡轮机叶轮膨胀废气并且被驱动，以便于驱动压缩机叶轮。

在中心壳体22和涡轮机壳体38之间设置了一个隔热屏32。隔热屏包括涡轮机喷嘴43的第一壁；涡轮机壳体38形成喷嘴的相对的第二壁45。隔热屏32支撑一组周向布置的固定叶片34，该固定叶片从隔热屏部分地通过喷嘴43的轴向范围向第二壁45轴向延伸。

涡轮机壳体38限定了基本上为圆柱形的孔44，它的直径基本上相应于腔室42的径向最内区域。涡轮机叶轮40设在孔44的上游端，并且涡轮机叶轮的旋转轴基本上与孔同轴。文中的“上游端”指的是通过孔44的废气流的方向，腔室42中的废气流入涡轮机叶轮40，然后通过孔44转为轴向流动(图1中是从左向右)到它的下游端。

在一个实施例中，涡轮机叶轮可以是“分流式”(splittered)涡轮机叶轮(未示出)，其中具有与部分长叶片交替的全长叶片。于2004年9月2日公开的，Lombard等申请的题为“具有可变喉部的涡轮机”(Turbine Having VariableThroat)的PCT申请WO2004/074642A1的公开中描述了分流式涡轮机叶轮的例子，全部公开内容将在这里参考。全长叶片具有在轴向上比部分长叶片更长的长度。更特别地，如此设置全长叶片，使得当活塞处于图2A的全开启位置时，它们基本上跨越喷嘴43的全部轴向范围。如此设置部分长叶片，使得至少当活塞处于如图1所示的关闭位置时，它们跨越喷嘴的轴向范围。因此，当活塞关闭时，流动通过喷嘴的所有废气遇到全长和部分长的涡轮机叶片。当活塞全开时，一些废气遇到两组叶片，但是剩余的废气只遇到全长叶片(即全长叶片的延伸到部分长叶片的后缘的下游的那部分)。

涡轮增压器包括设在涡轮机壳体的孔44中的滑动活塞系统50。活塞系统包括管状载体52，它的外部直径比涡轮机壳体的孔44的直径小一点，以便于载体52从它的下游端轴向滑入孔44中(即在图1中从右向左滑)。孔44包括径向向内的面对下游的台阶，而且载体包括邻接该台阶的径向向外的凸台或者凸起。在载体52后的孔44的内表面中，将保持器夹或者环56夹入沟槽中，以保持载体在涡轮机壳体中。因此，通过台阶和保持环56阻止载体在孔44中轴向移动。还有利的包括阻止载体绕轴旋转的抗转部件(未示出)。例如，抗转部件可以包括布置在载体和涡轮机壳体之间的键或者花键。

活塞部件50还包括管形活塞62。活塞同轴的设置在载体52的中心孔中，并且在轴向方向可相对于载体滑动。活塞可在图1示出的关闭位置、图2A示出的全打开位置和图2示出的变化的部分打开位置之间轴向滑动，在图1中活塞的端部邻接或者邻近固定叶片34的自由端部，在图2A中活塞的端部与固定叶片的自由端部间隔相对大的距离，在图2中活塞与固定叶片间隔相对小的距离。活塞包括抗转部件(例如键或者花键，未示出)，其基本上阻止活塞绕轴旋转而允许轴向平移。活塞包括一个管状部分64，它的外部直径比载体52的内部直径小一点，以便于该管状部分可以从它的上游端轴向滑入载体(即图1中从左向右滑)。活塞也包括径向向外延伸的凸台部分66，其从管状部分64的上游端向外凸出。

载体52可以具有沿着载体长度方向延伸的轴向裂口(未示出)。该裂口使载体相应于热效应或者其它原因在直径上膨胀和收缩。载体最好具有仅比活塞62的外径略大的内径，以便于在载体和活塞之间存在微小的缝隙。因此，减小了流入缝隙的泄漏。因为载体可能在直径上膨胀和收缩，不必为了组装或者在运行中调节尺寸变化而设置很大的缝隙。载体的膨胀能力也意味着避免了活塞的捆绑(binding)。

载体52包括一些贯穿载体的侧壁轴向延伸的孔60。涡轮增压器还包括具有一个叉形摇臂70的活塞制动连接。摇臂具有一对臂72，它们的末端延伸通过两个孔60并且在活塞的直径上对置的位置处嵌入活塞62。摇臂与载体外表面相邻设置，并且位于具有扩大直径的孔44的一部分中。摇臂可绕水平轴旋转，以便于引起活塞在载体52内轴向推进。图1显示了关闭位置的活塞，其中设置臂72面对孔60的一端。图2A显示了全部打开位置的活塞，其中设置臂的末端面对孔60的另一端。这些孔轴向延伸允许轴向移动臂72到必要角度。摇臂70由连接执行器的执行机构调节，执行器例如为真空室执行器或者类似的装置(未示出)。

一个在活塞的一侧上具有活塞执行机构的替换实施例，可以在活塞的后面设置执行器(图1的右侧)。轴向设置执行器是公知的，例如专利US6694733A中描述的，这里将参考并结合所公开的内容。

一组活动叶片54附着在活塞的一端，特别是附着在凸台部分66上。活动叶片54在与固定叶片34相反的轴向、朝着隔热屏32延伸。如图1所示，当活塞62在关闭位置时(定义该位置为，在活塞的凸台部分66和隔热屏32形成的喷嘴壁之间具有最小的轴向间距)，固定叶片34的自由端邻接或者邻近活塞的凸台部分66，并且类似的，活动叶片54的自由端邻接或者邻近由隔热屏32(或者由安装的固定叶片上的另一个固定部分)形成的固定壁。因此，当活塞处于图1所示的关闭位置时，固定叶片和活动叶片基本上全部延伸通过在隔热屏和活塞凸台部分之间限定的喷嘴的轴向开口。也可能在固定壁中提供浅槽(不贯通的孔或者槽)，在固定壁上安装固定叶片以便于当活塞关闭时，该浅槽接收活动叶片的一端；或者在活塞的端面提供凹槽，以便于当活塞关闭时接收固定叶片的一端(或者在固定壁和活塞中都提供凹槽)。如果一个或者多个叶片比由于制造公差引起的其它叶片略短，这将减少具有微小缝隙的可能性。

固定叶片34沿着360°的环面周向间隔设置，同样地，活动叶片34沿着360°的环面周向间隔设置。活动叶片54周向上相对于固定叶片34交错布置，并且固定叶片34与活动叶片54重叠。重叠的范围依赖于活塞62的位置，下文将详细描述。

在一个实施例中，具有相等数量的固定叶片和活动叶片，每个活动叶片54沿着周向基本上在两个固定叶片34之间的中间部位。最好参见图3。

在所示的一个实施例中，固定叶片和活动叶片在外轮廓和轴向长度上基本上彼此相同。

在一个实施例中，活塞62的最大轴向行程超过叶片的轴向长度，因此当活塞全打开时在固定叶片34和活动叶片54之间具有无叶片(vaneless)缝隙。在这个位置，喷嘴的开启轴向范围具有第一部分、第二部分和第三部分，其中，在第一部分中废气在固定叶片34的部分之间流动，在第二部分中废气在固定叶片和活动叶片之间的无叶片(vaneless)缝隙中流动，在第三部分中废气在活动叶片54的部分之间流动。图4示出了通过第一部分的横断面视图，其特征在于，叶片的较低阻塞以及由此导致的较大的流动面积，以及因为固定叶片34之间的相对大的空间引起的低流动导向。

当活塞完全打开时，喷嘴的第二中间部分是没有叶片的，因此具有相对大的流动面积。打开活塞产生无叶片(vaneless)缝隙的能力是本发明的关键。当要求一些极端运行条件时，无叶片(vaneless)缝隙允许较高的最大质量流量通过涡轮机喷嘴。

当处于图2所示的喷嘴部分地打开位置时，喷嘴的第二中间部分具有彼此重叠的固定叶片和活动叶片。

图5示出了喷嘴的第三部分的横断面视图，其特征在于，叶片的较低阻塞以及由此导致的较大的流动面积，以及因为活动叶片54之间的相对大的空间引起的低流动导向。

当活塞处于图1的关闭位置时，喷嘴的完全打开的轴向范围具有基本上一直穿过喷嘴延伸的固定叶片和活动叶片，并且具有较低的流动面积和较高的流动导向，最好参见图3。当活塞开始向打开位置移动时，开始产生喷嘴的第一和第三部分；并且当第一和第三部分增长、以及当叶片的重叠范围在轴向变小时，通过喷嘴的全部流动面积随着活塞的位置线性提高。当活塞处于图2A的全打开位置时，两组叶片不再重叠，并且在两组叶片的端部之间产生一个缝隙。

从该实施例的描述中，将意识到在活塞的关闭和部分打开位置都不具有无叶片(vaneless)缝隙。当活塞打开时，通过喷嘴的流动面积基本上随着活塞的位置线性提高。另外，活塞能充分移动从而在两组叶片之间形成无叶片的缝隙(vaneless gap)。特别地当活塞正要从关闭位置开始打开时，这些特征允许比现有技术的涡轮增压器的布置更好地控制通过喷嘴的流量，由于在两组叶片之间形成无叶片缝隙，所以当活塞在全打开位置时允许较高的最大质量流量。

根据本发明的固定叶片和活动叶片，适用于各种具有滑动活塞的结构的涡轮增压器。在一些涡轮增压器中，活塞可以直接的嵌入涡轮机壳体的孔中；在该情况下，在活塞和涡轮机壳体之间的抗转部件(例如键或者花键)阻止活塞绕它的轴旋转。在该实施例中，在其它的涡轮增压器中，在涡轮机壳体的孔中可以有插入载体或者衬套，并且活塞可以直接地嵌入该载体或者衬套；在该情况下，抗转部件用于阻止载体和活塞的旋转。因此，在该实施例中，在一些涡轮增压器中，固定叶片可以安装在例如隔热屏的分隔部件上。在其它的涡轮增压器中，固定叶片可以直接安装在中心壳体的部分上或者在其它部件上，该其它部件分离中心壳体和隔热屏，并且在隔热屏和涡轮机壳体之间设置。

因而，这里阐述的本发明的修正和其它实施例将使本领域技术人员意识到本发明与上述描述和附图的教导相关。因此，可以理解本发明不局限于所公开的具体实施例，修正和其它的实施例将包括在附属的权利要求的保护范围之内。虽然这里使用了专用名词，但是它们仅是普通的无限制的意义，不应用来限制本发明。

Claims (14)

1、一种涡轮增压器，包括：

一个中心壳体，其包括一个轴承组件和一个安装在所述轴承组件中的旋转轴；

一个连接到所述轴的一端的压缩机叶轮；

一个涡轮机叶轮，其连接在所述轴的另一端并且设置在连接所述中心壳体另一侧的涡轮机壳体的孔内，所述涡轮机壳体限定了一个环绕所述涡轮机叶轮的腔室，用来接收被导入所述涡轮机叶轮的废气，在轴向隔开的固定的第一壁和第二壁之间限定一个涡轮机喷嘴，以便于废气从所述腔室通过所述涡轮机喷嘴流入所述涡轮机叶轮；

一个滑动活塞，其设置在所述涡轮机壳体的所述孔中，以便于所述活塞在关闭位置和开启位置之间轴向滑动，该活塞具有一个端部，在该活塞的关闭位置，所述端部与所述第一壁间隔相对小的距离，在该活塞的开启位置，所述端部与所述第一壁间隔相对大的距离，在所述第一壁和所述活塞的所述端部之间限定所述喷嘴的开口轴向范围；

一组周向间隔设置的固定叶片，其安装在所述第一壁上并且在轴向方向朝着所述第二壁凸起；以及

一组周向间隔设置的活动叶片，其安装在所述活塞的所述端部上并且在相反的轴向方向朝着所述第一壁凸起；

所述固定叶片相对于所述活动叶片周向地交错布置，并且当活塞关闭和部分开启时与所述活动叶片重叠，当活塞在全开启位置时所述固定叶片和活动叶片不再重叠，以便于在固定叶片和活动叶片之间存在无叶片缝隙。

2、如权利要求1所述的涡轮增压器，如此设置以便于在所述活塞的关闭位置时，两组叶片基本上延伸到整个所述喷嘴的所述开口轴向范围，以向废气提供小面积、高导向的流动路径。

3、如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述活塞基本上被阻止相对于所述涡轮机壳体的轴旋转。

4、如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述第一壁包括独立于所述中心壳体和所述涡轮机壳体而形成的一个隔热屏，该隔热屏安装在所述中心壳体和所述涡轮机壳体之间。

5、如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述固定叶片绕360°的环均匀的设置。

6、如权利要求5所述的涡轮增压器，其中所述活动叶片绕360°的环均匀的设置。

7、如权利要求6所述的涡轮增压器，其中具有相等数量的固定叶片和活动叶片，并且沿着周向方向每个活动叶片大约处于两个固定叶片之间的中间位置。

8、如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述固定叶片和所述活动叶片在外轮廓和轴向长度上基本上彼此相同。

9、如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述涡轮机叶轮包括一个分流式涡轮机叶轮，其具有相对长的轴向长度的第一叶片，其和相对短的轴向长度的第二叶片交替。

10、一种在涡轮增压器中使用的装置，包括：

一个限定一个轴向孔的涡轮机壳体，该涡轮机壳体限定了一个环绕所述孔的腔室，用于接收导入所述孔的废气，在轴向隔开的固定的第一壁和第二壁之间限定一个涡轮机喷嘴，以便于废气从所述腔室通过所述涡轮机喷嘴流入所述孔；

一个滑动活塞，其设置在所述涡轮机壳体的所述孔中，以便于所述活塞在关闭位置和开启位置之间轴向滑动，该活塞具有一个端部，在该活塞的关闭位置，所述端部与所述第一壁间隔相对小的距离，在该活塞的开启位置，所述端部与所述第一壁间隔相对大的距离，在所述第一壁和所述活塞的所述端部之间限定所述喷嘴的开口轴向范围；

一组周向间隔设置的固定叶片，其安装在所述第一壁上并且在轴向方向朝着所述第二壁凸起；以及

一组周向间隔设置的活动叶片，其安装在所述活塞的一端上并且在相反的轴向方向朝着所述第一壁凸起；

所述固定叶片相对于所述活动叶片周向地交错布置，并且当活塞关闭和部分开启时与所述活动叶片重叠，当活塞在全开启位置时所述固定叶片和活动叶片不再重叠，以便于在固定叶片和活动叶片之间存在无叶片缝隙。

11、如权利要求10所述的装置，其中所述第一壁包括独立于所述涡轮机壳体而形成的一个隔热屏。

12、如权利要求10所述的装置，其中具有相等数量的固定叶片和活动叶片，并且沿着周向方向每个活动叶片大约处于两个固定叶片之间的中间位置。

13、如权利要求10所述的装置，其中所述固定叶片和所述活动叶片在外轮廓和轴向长度上基本上彼此相同。

14、如权利要求10所述的装置，其中所述活塞包括一个嵌在所述涡轮机壳体的所述孔中的管状部分、以及一个从所述管状部分的上游端径向向外延伸的凸台部分，其中所述活动叶片安装在所述凸台部分上。

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