CN101372899B - 具有滑动活塞组件的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有滑动活塞组件的涡轮增压器。一种涡轮增压器，该涡轮增压器具有限定接收废气的腔室的涡轮壳体和从所述腔室导出的喷嘴。来自喷嘴的废气流过所述腔室中的涡轮叶轮并从所述喷嘴的径向向内方向改变为所述涡轮叶轮的轴向下游方向。所述喷嘴中的分隔器将喷嘴分隔为第一级喷嘴和第二级喷嘴。该分隔器具有引导废气流过所述第一级喷嘴的上游表面和引导废气流过所述第二级喷嘴的对立的下游表面。轴向可滑动管状活塞，设置在涡轮壳体内，其具有沿着轴向延伸的径向内表面和非平上游端面。所述活塞还具有引起废气方向变化的弧形导流面。在关闭位置时，所述活塞邻接分隔器以关闭所述第二级喷嘴。

Description

具有滑动活塞组件的涡轮增压器

技术领域

本发明总体上涉及具有滑动活塞技术的涡轮增压器。更具体地说，本发明涉及这样的具有分隔的涡轮喷嘴的涡轮增压器，该喷嘴形成用以帮助调节流过涡轮增压器的废气流量的分开的第一级和第二级喷嘴。

背景技术

流经废气驱动的涡轮增压器的涡轮的废气流量的调节，在提高能力以控制涡轮增压器向有关内燃机输送增压量方面，提供了已知的工作优势。废气流量的调节是由通向涡轮叶轮的可变几何形状喷嘴来完成。通过改变喷嘴流通面积的大小，可调节进入涡轮叶轮的流量，由此调节涡轮增压器的压缩机提供的总增压。

通常，涡轮增压器的可变几何形状喷嘴分为主要两类：可变翼片喷嘴和滑动活塞喷嘴。翼片经常包括在涡轮喷嘴中以引导废气从有利方向进入涡轮。典型地，一排沿圆周间隔排列的翼片轴向延伸过喷嘴。围绕着涡轮叶轮的室出来的废气通常沿径向向内流过这些翼片之间的通道，并且这些翼片使流体转向从而引导流体从希望方向进入涡轮叶轮。在可变翼片喷嘴中，这些翼片可围绕它们的轴线旋转从而改变叶片的设定角度，由此改变翼片之间通道的流通面积。

在滑动活塞型喷嘴中，喷嘴也可包括翼片，但这些翼片位置固定。喷嘴流通面积的变化是通过在涡轮壳体的孔中滑动的轴向滑动活塞来实现。活塞为管状并且仅仅沿径向在喷嘴内部布置。活塞的轴向移动可有效地改变通向涡轮叶轮的喷嘴开口的轴向长度。

一种类型的滑动活塞包括将喷嘴分成分开的第一级和第二级喷嘴的分隔器。当所述活塞处于关闭位置时，活塞邻接分隔器的径向内(即，后)缘，由此有效地关闭第二级喷嘴并仅通过第一级喷嘴导致废气流到涡轮叶轮区域。当活塞处于打开位置时，气体可既流过第一级喷嘴又流过第二级喷嘴。

滑动活塞型可变喷嘴比可变翼片喷嘴具有机械结构更简单的优势。不过，通常，滑动活塞型可变喷嘴也伴随着其它的缺陷。例如，分隔器必须加工到精确的尺寸公差以保证活塞和分隔器能沿着接触面正确密封。分隔器相对较大，因此必须进行大量的精密加工。另外，即使采用精密加工，活塞和分隔器之间的接触面还有可能有两部件间废气的泄漏。

另外，当活塞处于打开位置时，分隔器上游和下游部分的形状不会将废气从有利方向导入涡轮叶轮。由于这些缺陷，涡轮的性能会下降。

发明内容

本发明涉及一种涡轮增压器的涡轮组件，包括涡轮壳体，其限定沿下游轴向方向延伸的孔、围绕该孔以接收废气的腔室和从腔室沿大致径向向内通向该孔的喷嘴。涡轮叶轮可旋转地安装在该孔中，并且包括轮毂和多个从轮毂沿大致径向向外延伸、并终止在叶片顶端的涡轮叶片。构造轮毂和涡轮壳体的孔使得从喷嘴流到和流过涡轮叶轮的废气沿着从喷嘴的大致径向向内的方向到涡轮叶轮下游的下游轴向方向的方向进行变化。

喷嘴中大致环状的分隔器将喷嘴分隔为第一级喷嘴和第二级喷嘴。第一级喷嘴限制在涡轮组件的固定部件和分隔器之间。分隔器具有引导废气流过第一级喷嘴的上游表面和引导废气流过第二级喷嘴的对立的下游表面。

管状活塞设置在涡轮壳体的孔中，并在其中轴向可滑动。活塞具有沿着轴向延伸的径向内表面并包括具有第一半径的非平上游端面，该端面具有使分隔器的一部分与处于关闭位置的活塞相接触的接触区。在关闭位置时，第二级喷嘴基本上是关闭的，并且活塞在下游轴向方向的移动用作将第二级喷嘴打开。该活塞还包括具有第二半径的从接触区继续到内表面的弧形导流表面，该导流表面从大致径向向内的方向变到下游轴向方向以助于引起废气的方向发生变化。

本发明的另一个方面涉及一种通过提供涡轮壳体调节流向涡轮增压器的气体流量的方法，该涡轮壳体限定沿下游轴向方向延伸的孔、围绕该孔以接收废气的腔室和从腔室沿大致径向向内通向该孔的喷嘴。

大致环状的分隔器设置在喷嘴中并且将喷嘴分隔为第一级喷嘴和第二级喷嘴。第一级喷嘴限制在涡轮组件的固定部件和分隔器之间。分隔器具有引导废气流过第一级喷嘴的上游表面和引导废气流过第二级喷嘴的对立的下游表面。

管状活塞也提供且设置在涡轮壳体的孔中，以在其中轴向可滑动。活塞具有沿着轴向延伸的径向内表面并包括具有第一半径的非平上游端面，该端面具有使分隔器的一部分与处于关闭位置的活塞相接触的接触区。在关闭位置时，第二级喷嘴基本上是关闭的，并且活塞在下游轴向方向的移动用作将第二级喷嘴打开。该活塞还构造成包括具有第二半径的从接触区继续到内表面的弧形导流表面，该导流表面从大致径向向内的方向变到下游轴向方向以助于引起废气的方向发生变化。

本发明的另一个方面，一种涡轮增压器系统包括涡轮壳体，其限定沿下游轴向方向延伸的孔、围绕该孔以接收废气的腔室和从腔室沿大致径向向内通向该孔的喷嘴。涡轮叶轮可旋转地安装在该孔中，并且包括轮毂和多个从轮毂沿大致径向向外延伸、并终止在叶片顶端的涡轮叶片。构造轮毂和涡轮壳体的孔使得从喷嘴流到和流过涡轮叶轮的废气沿着从喷嘴的大致径向向内的方向到涡轮叶轮下游的下游轴向方向的方向进行变化。

喷嘴中大致环状的分隔器将喷嘴分隔为第一级喷嘴和第二级喷嘴。第一级喷嘴限制在涡轮组件的固定部件和分隔器之间。分隔器具有引导废气流过第一级喷嘴的上游表面和引导废气流过第二级喷嘴的对立的下游表面。

管状活塞设置在涡轮壳体内的孔中，并在其中轴向可滑动。活塞具有沿着轴向延伸的径向内表面并包括具有第一半径的非平上游端面，该端面具有使分隔器的一部分与处于关闭位置的活塞相接触的接触区。在关闭位置时，第二级喷嘴基本上是关闭的，并且活塞在下游轴向方向的移动用作将第二级喷嘴打开。该活塞还包括具有第二半径的从接触区继续到内表面的弧形导流表面，该导流表面从大致径向向内的方向变到下游轴向方向以助于引起废气的方向发生变化。

本发明的其它目的和优点可以部分地从以下说明中得到、并且部分地可通过说明变得显而易见，或通过本发明的实施可以明白。本发明的目的和优点可以通过尤其在后附权利要求书中指出的元件和组合的方式来实现和获得。

可以理解的是，上述概述及以下详细的说明仅是示例性和解释性的，并不限制本发明，如权利要求那样。

并入并作为本说明书一部分的附图举例说明了本发明的多个实施例，并与说明书一起，用以解释本发明的原理。

附图说明

已经用普通术语描述了本发明，现在参考附图，这些附图无需按比例绘制，其中：

图1是根据本发明一个实施例的涡轮增压器的截面图，示出了处于打开位置的活塞；

图2a是与图1相似的视图，活塞处于关闭位置；

图2b是图2a中所示的分隔器和部分活塞组件的放大图；

图3是说明第二级喷嘴的第二个实施例的分隔器和部分活塞组件的放大图；

图4是说明第二级喷嘴的第三个实施例的分隔器和部分活塞组件的放大图；

图5是说明第二级喷嘴的第四个实施例的分隔器和部分活塞组件的放大图。

具体实施方式

下面将参考附图更完整地说明本发明，其中，示出了本发明的一些但不是所有实施例。事实上，这些发明可以体现为不同的形式，而不应该解释为限制于这里提出的实施例。相反地，提出这些实施例是为了公开满足适用的法律要求。相同的数字始终表示相同的元件。

图1至图5示出了根据本发明所述的涡轮增压器20。涡轮增压器包括容纳涡轮增压器20的转轴26的中心壳体22。压缩机壳体(未示出)与中心壳体的一侧相连。压缩机叶轮安装在轴26的一端上，并布置在压缩机壳体内。尽管未作说明，但可以理解的是，压缩器壳体限定可使空气通过其吸入压缩器叶轮中的入口，该压缩器叶轮压缩空气，并且还限定扩压器，通过其压缩空气从所述压缩器叶轮排出到包围压缩器叶轮的蜗壳。空气从蜗壳输送至内燃机的进气口(未示出)。涡轮增压器还包括连接在中心壳体22的对立侧上的涡轮壳体38。涡轮叶轮40安装在轴26的与压缩机叶轮相反的另一端，并布置在涡轮壳体38内。涡轮壳体38限定包围涡轮叶轮40并且接收内燃机废气的腔室42。废气从腔室42通过第一级喷嘴65和可选的第二级喷嘴70(图1-5)导入涡轮叶轮40，该涡轮叶轮使废气扩张并由此被驱动，由此来驱动压缩机叶轮。

涡轮壳体38限定大致圆柱形的轴向孔50，其直径大致相应于腔室42的径向最内层宽度。涡轮叶轮40位于孔50的上游端并具有轮毂41。涡轮叶轮40和轮毂41的旋转轴线基本上与孔50同轴。本文所用术语“上游”是指废气流过孔50的方向，如腔室42中的废气流进涡轮叶轮40，而后转向，以大体轴向地流过(在图1中从左向右)孔50到达其下游端。

涡轮叶轮40包括多个与轮毂41连接、并从涡轮叶轮40的轴线径向延伸的涡轮叶片43。涡轮叶片43终止于形成涡轮叶片顶端44的径向最外点。

涡轮增压器20包括位于涡轮壳体38的孔50内的管状活塞62。围绕管状活塞62的是密封环64，该密封环与安装在孔50内的管状托架52的内表面接触来防止废气在管状活塞62和托架52之间泄漏。管状活塞62的外径稍小于托架52的内径，这样，活塞62就可以相对于固定托架52轴向地来回滑动。

活塞62在如图1所示打开位置、如图2所示关闭位置以及这两者之间的各种部分打开位置之间轴向可滑动，其中，打开位置的活塞62与分隔器68间隔开，关闭位置的活塞62与分隔器68的下游表面69邻接。在关闭位置(图2)时，废气从腔室42经过其流向涡轮叶轮40的喷嘴的总面积大小是最小的，并且废气被强制通过第一级喷嘴65的一排翼片58并沿着分隔器上游表面67流动。在活塞62的打开位置时(图1)，喷嘴流动面积是最大的，并且部分气体流过第一级喷嘴65的翼片58，同时，附加气流流过第二级喷嘴70。第二级喷嘴70也可具有限定在活塞62的上游端的翼片66，这些翼片66之间有开口。

当活塞62处于打开位置时，废气能流过第二级喷嘴70(图1)的这些翼片66之间的开口(图1)。第二级喷嘴70的上游方向基本上由分隔器68限定并且下游方向沿着活塞62。分隔器68在第二级喷嘴70内的部分是下游表面69和径向最内边71，而活塞62在第二级喷嘴70内的部分是非平上游表面63和导流表面72。另外，下游表面69基本上与非平上游表面63和导流表面72互补的，以从最佳方向引导废气流过第二级喷嘴70，从而接合涡轮叶轮40的涡轮叶片43。

另外，径向-轴向凸出部的涡轮叶片顶端44形成了一个轮廓，该轮廓接近第二级喷嘴70并至少有点互补于活塞62的弧形导流表面72。与导流表面72的互补成形有助于改变废气从第一级和第二级喷嘴65/70的大致径向向内方向向涡轮叶轮40的轴向下游且平行于活塞62的径向-内表面71的方向。这种结构有助于提高涡轮增压器20的效率。

为了关闭第二级喷嘴70，活塞62在上游方向轴向滑动，这样，活塞62的非平上游表面63和导流表面72就邻接分隔器68的下游表面69(图2a-b)。当下游表面69基本上互补于非平上游面63和导流表面72时，就形成有效密封。分隔器68与活塞62的这些表面之间形成的密封可有效减小或消除废气经第二级喷嘴70的流动。

通过沿着分隔器68的下游表面69和活塞62的非平上游表面63的各种其它表面形状，能在分隔器68与活塞62之间形成有效密封，从而有效地关闭第二级喷嘴。例如，活塞62的非平上游表面63可以保持如图2a-b所示的相同形状，同时，分隔器的下游表面69形成具有负斜率的大致平坦的表面。在这种结构中，随着分隔器68伸向孔50的轴线(图3)，下游表面69就逐渐移向上游方向。

活塞62的另一个实施例也可用来形成与所述分隔器68之间的有效密封。例如，非平上游表面63可具有凸起部。凸起部本身可沿着非平上游表面63在多个位置形成，并且凸起部具有变化的凸出角度。图4示出了活塞的非平上游表面63，其具有小凸起部。在非平上游表面63的小凸起部存在的地方，分隔器68的下游表面69可具有与凸起部的至少一部分互补的形状(图4)。代替地，图5示出了活塞62的非平上游表面63，其具有大凸起部。有了大凸起部，当第二级喷嘴70处于关闭位置时(图5)，分隔器68的径向最内边71就定位成邻接凸起部的径向外部。有了替代的分隔器68和活塞62设计中的每一种，就在分隔器68与活塞62之间形成有效密封，从而使流过处于关闭位置的第二级喷嘴70的废气量最小。

受益于在上述说明书和相关附图中存在的教导，本领域的技术人员会想到本文所述的本发明的许多改型和其它实施例。因此，可以理解的是，本发明并不局限于公开的具体实施例，而且还旨在包括在附加权利要求范围内的所述改型和其它实施例。尽管本文采用了具体的术语，但使用它们仅仅是一般的和描述性的意义而并不是为了进行限制。

Claims (18)

1.一种涡轮增压器的涡轮组件，包括：

涡轮壳体，其限定沿下游轴向方向延伸的孔且限定围绕该孔以接收废气的腔室和从腔室大致径向向内通向该孔的喷嘴；

涡轮叶轮，其可旋转地安装在该孔中并且包括轮毂和多个从轮毂大致径向向外延伸、并终止在叶片顶端的涡轮叶片，构造涡轮叶轮的轮毂和涡轮壳体的孔使得从喷嘴流到和流过涡轮叶轮的废气沿着从喷嘴的大致径向向内的方向到涡轮叶轮下游的下游轴向方向的方向进行变化；

喷嘴中大致环状的分隔器，其将喷嘴分隔为第一级喷嘴和第二级喷嘴，第一级喷嘴限制在涡轮组件的固定部件和分隔器之间，分隔器具有引导废气流过第一级喷嘴的上游表面和引导废气流过第二级喷嘴的对立的下游表面，分隔器具有径向最内边；

其中，所述叶片的顶端限定径向-轴向凸出的、具有基本与所述第二级喷嘴对齐的部分的轮廓，其是沿径向向外方向的凹面；以及

管状活塞，其设置在涡轮壳体内的孔中并在其中轴向可滑动，活塞具有沿着轴向延伸的径向内表面并包括具有第一半径的非平上游端面，该端面具有使分隔器的一部分与处于关闭位置的活塞相接触的接触区，从而基本上关闭第二级喷嘴，并且活塞在下游轴向方向的移动打开第二级喷嘴，

其中，活塞包括具有第二半径的从接触区继续到内表面的弧形导流表面，该弧形导流表面从大致径向向内的方向变到下游轴向方向以助于引起废气的方向发生所述变化，并且其中所述活塞的弧形导流表面基本上互补并平行于所述叶片顶端轮廓的基本与所述第二级喷嘴对齐的所述部分。

2.根据权利要求1所述的涡轮组件，其中，所述分隔器的上游表面限定基本上在所述孔的上游方向凸出的凸面。

3.根据权利要求1所述的涡轮组件，其中，所述分隔器的下游表面限定基本上在所述孔的下游方向凸出的凹面。

4.根据权利要求1所述的涡轮组件，其中，所述分隔器的径向最内边限定基本上在所述孔的径向方向凸出的凸面。

5.根据权利要求1所述的涡轮组件，其中，所述活塞的非平上游端面限定基本上在所述孔的上游方向凸出的凸面。

6.根据权利要求1所述的涡轮组件，其中，所述活塞的弧形导流表面限定凸面。

7.根据权利要求1所述的涡轮组件，其中，构造所述分隔器的上游和下游表面以从有利方向引导废气流到涡轮叶轮。

8.根据权利要求1所述的涡轮组件，其中，所述分隔器的下游表面限定基本上在所述孔的下游方向凸出的凹面，

其中，所述活塞的非平上游端面限定基本上在所述孔的上游方向凸出的凸面。

9.根据权利要求1所述的涡轮组件，其中，所述分隔器的下游表面限定基本上在所述孔的下游方向凸出的凹面；

其中，所述分隔器的径向最内边限定基本上在所述孔的径向方向凸出的凸面；

其中，活塞的非平上游端面限定基本上在所述孔的上游方向凸出的凸面；并且

其中，所述活塞的弧形导流表面限定凸面。

10.一种调节流向涡轮增压器的废气流的方法，包括：

提供涡轮壳体，该涡轮壳体限定沿下游轴向方向延伸的孔且限定围绕该孔以接收废气的腔室和从腔室大致径向向内通向该孔的喷嘴；

在喷嘴中提供大致环状的分隔器，该大致环状的分隔器将喷嘴分隔为第一级喷嘴和第二级喷嘴，第一级喷嘴限制在涡轮组件的固定部件和分隔器之间，分隔器具有引导废气流过第一级喷嘴的上游表面和引导废气流过第二级喷嘴的对立的下游表面，分隔器具有径向最内边；

提供管状活塞，其设置在涡轮壳体的孔中并在其中轴向可滑动，活塞具有沿着轴向延伸的径向内表面并包括具有第一半径的非平上游端面，该端面具有使分隔器的一部分与处于关闭位置的活塞相接触的接触区，从而基本上关闭第二级喷嘴，并且活塞在下游轴向方向的移动打开第二级喷嘴；以及

该活塞构造成包括具有第二半径的从接触区继续到内表面的弧形导流表面，该弧形导流表面从大致径向向内的方向变到下游轴向方向以助于引起废气的方向发生变化；其中，叶片顶端限定了径向-轴向凸出的、具有基本与所述第二级喷嘴对齐的部分的轮廓，其是沿径向向外方向的凹面，并且所述活塞的弧形导流表面基本上互补并平行于所述叶片顶端的轮廓的所述部分。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述分隔器的上游表面限定基本上在所述孔的上游方向凸出的凸面。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述分隔器的下游表面限定基本上在所述孔的下游方向凸出的凹面。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述分隔器的径向最内边限定基本上在所述孔的径向方向凸出的凸面。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述活塞的非平上游端面限定基本上在所述孔的上游方向凸出的凸面。

15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述活塞的弧形导流表面限定凸面。

16.根据权利要求10所述的方法，其中，构造所述分隔器的上游和下游表面以从有利方向引导废气流到涡轮叶轮。

17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述分隔器的下游表面限定基本上在所述孔的下游方向凸出的凹面；

其中，所述活塞的非平上游端面限定基本上在所述孔的上游方向凸出的凸面。

18.根据权利要求10所述的方法，其中，所述分隔器的下游表面限定基本上在所述孔的下游方向凸出的凹面；

其中，所述分隔器的径向最内边限定基本上在所述孔径向方向凸出的凸面；

其中，活塞的非平上游端面限定基本上在所述孔的上游方向凸出的凸面；并且

其中，所述活塞的弧形导流表面限定凸面。

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