CN101896692B - 用于涡轮增压器的具有由径向构件定位的喷嘴环的可变喷嘴 - Google Patents

Abstract

涡轮增压器(10)的可变喷嘴具有喷嘴环(138)，其支持设置角度可变的成排的叶片(134)。喷嘴环(138)通过多个周向间隔设置、径向向外延伸的定位构件(170)可旋转地定位并固定就位，该定位构件与涡轮增压器的凸缘部分(157)的相应定位槽(159)接合。

Description

用于涡轮增压器的具有由径向构件定位的喷嘴环的可变喷嘴

技术领域

本发明涉及涡轮增压器，其在涡轮喷嘴中带有成排的可变叶片，用于调节进入涡轮机的废气流量。 

背景技术

废气驱动涡轮增压器是一种和内燃机联合使用的装置，用于通过压缩空气增加发动机的功率输出，所述空气被传送到发动机的进气口以与燃料混合并在发动机内燃烧。涡轮增压器包括在压气机壳体中安装在轴一端上的压气机叶轮以及在涡轮机壳体中安装在所述轴另一端上的涡轮机叶轮。典型地，涡轮机壳体与压气机壳体分开形成，而且具有中间壳体，其连接在涡轮机壳体和压气机壳体之间用于容纳轴的轴承。涡轮机壳体限定大致环形的腔室，其环绕在涡轮机叶轮周围以及接收来自发动机的废气。涡轮机组件包括喷嘴，其从所述腔室引导到涡轮机叶轮内。废气从所述腔室通过喷嘴流到涡轮机叶轮，从而涡轮机叶轮由废气驱动。因此，涡轮机从废气中吸取能量从而驱动压气机。压气机通过压气机壳体的入口接收环境空气，而且空气被压气机叶轮压缩然后从壳体排出到达发动机进气口。 

提升带有涡轮增压器的发动机性能的一个挑战在于在发动机的整个发动机运行范围内达到所需的发动机功率输出量。已经发现这个目标不能通过固定几何形状的涡轮增压器很容易地实现，因此，可变几何形状的涡轮增压器已经被开发，其目标是对由涡轮增压器提供的增压量提供更大程度控制。一种可变几何形状的涡轮增压器是可变喷嘴涡轮增压器(VNT)，其包括在涡轮机喷嘴中的成排的可变叶片。叶片枢转地安装在喷嘴里，而且连接到能够使叶片设置角度被改变的机构。改变叶片设置角度具有改变涡轮机喷嘴有效流通面积的效果，这样废气向涡轮机叶轮的流量就可以通过控制叶片位置来调整。以这种方式，涡轮机的功率输出可以被调整，与利用固定几何形状涡轮增压器通常可能的范围相比，其使得发动机功率输出被控制在更大范围。 

在如上所述的一种可变喷嘴类型中，可变喷嘴以“卡盘”的形式提供，它 连接在中间壳体和涡轮机壳体之间并且包括大致环形的喷嘴环组件以及围绕喷嘴环圆周地间隔布置的成排的叶片，并且设置在喷嘴内以使叶片间的废气流向涡轮机叶轮，每个叶片被旋转地安装到喷嘴环并被连接到可旋转的致动环以使得致动环的转动致使叶片转动，以调整流到涡轮机叶轮的废气流量。卡盘包括插件，插件具有密封地容纳在涡轮机壳体的孔内的管状部分以及具有从涡轮部分的一端大致径向向外延伸的喷嘴部分，喷嘴部分与喷嘴环轴向间隔布置以使得叶片在喷嘴环和喷嘴部分之间延伸。多个隔离体连接在插件的喷嘴部分和喷嘴环之间，以将喷嘴环固定到插件并且保持插件的喷嘴部分和喷嘴环之间的轴向间距。 

需要适当定位和固定喷嘴环，防止相对于插件以及涡轮机其它固定结构的运动。本发明特别涉及在围绕涡轮机的旋转轴线的旋转意义上喷嘴环的适当定位以及固定。理想地，喷嘴环的旋转固定不应该限制喷嘴环的热增长而且该热增长不应该过分地损害喷嘴环的旋转固定。 

发明内容

根据本发明的一个实施例，涡轮增压器的可变喷嘴包括： 

大致环形的喷嘴环，其支撑绕喷嘴环的中心轴线圆周地间隔布置的成排叶片，每个叶片可转动地安装在喷嘴环上以使叶片绕叶片的枢轴线可枢转，喷嘴环具有面对叶片的第一侧和相对的第二侧，以及具有在第一侧和第二侧之间延伸的径向外缘表面； 

插件，其具有被密封地容纳到涡轮机壳体的孔内的管状部分，以及具有从涡轮部分的一端大致径向向外延伸的喷嘴部分，径向向外设置的大致环形的凸缘部分，并且与喷嘴部分轴向间隔布置，多个隔离体，在插件的喷嘴部分和喷嘴环之间延伸并且连接插件的喷嘴部分和喷嘴环，喷嘴环的第一侧面对插件的喷嘴部分的第一侧； 

固定到喷嘴环的多个定位构件，每个定位构件沿大致径向向外的方向延伸超过喷嘴环的径向外缘表面，定位构件沿圆周方向彼此间隔分开布置；以及 

定位槽，形成在插件的凸缘部分上并且相对于定位构件的周向间距沿圆周方向间隔分开布置，每个定位槽沿大致径向向外的方向延伸，而且定位构件位于定位槽内以便相对于插件旋转地定位并固定喷嘴环。 

附图说明

这样已经概括地描述本发明，现在将参考附图，附图不必按比例绘制，其中： 

图1是涡轮机以及涡轮增压器的中间壳体部分的分解图； 

图2是涡轮增压器插件的透视图； 

图2A是依据不同于与本发明的方案的喷嘴环以及中间壳体组件的部分透视图； 

图3是依据本发明的一个实施例的喷嘴环、叶片以及调节环的组件的透视图； 

图4是依据本发明的一个实施例的插件的透视图； 

图5是依据本发明的一个实施例的带有定位构件的喷嘴环的透视图； 

图6是依据本发明的一个实施例的插件、喷嘴环以及定位构件的组件的分解图； 

图7是图6的组件在装配状态下的透视图。 

具体实施方式

现在，以下参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了一些但不是所有的本发明的实施例。实际上，这些发明可以许多不同的方式表现，并且不应解释为被限定为这里所举的实施例；而是，提供这些实施例以便本公开满足申请的法律规定。相同的元件通篇以相同的附图标记指示。 

图1和图2示出了可以应用本发明的一般类型的涡轮增压器10的涡轮机和中间壳体部分，尽管本发明的特征没有在图1和图2中表示。涡轮增压器部分应用在涡轮增压器中，其包括带有安装在可旋转轴18一端并且布置在压气机壳体内的压气机叶轮或者叶轮片的压气机(为清楚和简单的图示，涡轮增压器的压气机部分被略去)。轴支撑在安装在涡轮增压器的中间壳体20中的轴承(图中未具体示出)上。轴18由安装在轴18的另一端上离开压气机叶轮的涡轮机叶轮22旋转，因而可转动驱动压气机叶轮，压气机叶轮压缩通过压气机入口吸入的空气，并把压缩空气传送到内燃机(未示出)的入口用于提升发动机的性能。 

涡轮增压器还包括涡轮机壳体24，其用于容纳涡轮机叶轮22。涡轮机壳体限定大致环形的腔室，该腔室包围涡轮机叶轮而且其从内燃机接收废气用于驱动涡轮机叶轮。废气被从腔室内大致径向向内地通过涡轮机喷嘴引到涡轮机叶 轮22。由于废气流动通过涡轮机叶轮的叶片30之间的通道，因此气体膨胀到较低压力，而且气体从叶轮通过其中的大致轴向孔32排出到涡轮机壳体。 

涡轮喷嘴是可变喷嘴，用于改变流通横截面面积和通过喷嘴的流动方向，以便调整进入涡轮机叶轮的流量。喷嘴包括绕喷嘴周向地间隔布置的多个叶片34。每个叶片都固定在轴上，该轴通过在大致环形的喷嘴环38内的孔，该喷嘴环相对于涡轮机叶轮22同轴安装。每个轴绕其轴线可旋转以转动固定的叶片。喷嘴环38形成喷嘴的流通通道的一个壁。每个叶片轴都具有固定在轴的一端从喷嘴环38向外突出的叶片臂，并通用大致环形的调节环42(本文中也可以称为致动环)接合，该调节环绕其轴线可旋转并且和喷嘴环38同轴。致动器(未示出)连接到调节环42以便将调节环绕其轴线旋转。当调节环旋转时，叶片臂也旋转，以使得轴绕其轴线旋转，因此旋转叶片34以便改变通过喷嘴的流通横截面面积和流动方向。 

在涡轮增压器10中，可变叶片机构以卡盘50的方式提供，其作为一个单元可安装到涡轮增压器内以及从涡轮增压器拆卸。卡盘50包括喷嘴环38，叶片34，轴，叶片臂和调节环42。卡盘进一步包括插件52(在图2透视图中单独示出)，插件52具有管状部分54，管状部分被密封地接收在涡轮机壳体的孔32的部分内，以及喷嘴部分56，喷嘴部分从管状部分54的一端大致径向向外地延伸，喷嘴部分56与喷嘴环38轴向间隔布置以使叶片34在喷嘴环38和喷嘴部分56之间延伸。涡轮机壳体的孔部分的半径大于孔32的其余部分的半径。管状部分54的径向外表面具有一个或者多个轴向间隔布置的周向槽，在每个槽里保持有密封环用于密封地接合孔部分的内表面。有利地，插件的管状部分54的外径略小于孔部分的内径，以使得在两者之间限定了小间隙，而且因此孔部分的内表面仅仅接触密封环。另外，在喷嘴部分56和孔部分端部处的涡轮机壳体相邻的端部之间存在间隙。以这种方式，插件52与涡轮机壳体24机械脱离以及热脱离。 

多个隔离体62连接在喷嘴环38和插件52的喷嘴部分56之间，以将喷嘴环固定到插件并保持喷嘴环38和喷嘴部分56之间所需要的轴向间距。如图2A所示，用于旋转地定位和固定喷嘴环38的一个方法是利用固定地安装在中间壳体20上的两个轴向延伸的销70，72。柱销70紧密地装配到喷嘴环38的相应孔内，而且直径地与柱销相对定位的第二销72装配到喷嘴环内的径向细长槽74 内。这种布置允许喷嘴环径向热膨胀到一定程度。 

但是，这样布置的问题是喷嘴环在其和柱销70的连接中基本上是不能移动的，以使得相对于这个固定点发生热膨胀。结果，与喷嘴环的几何中心线是固定的而且径向增加是相对于中心线的情况下应有的喷嘴环的总径向位移相比，与柱销直径上相对的位置处的喷嘴环的总径向位移显著地更大。喷嘴环的这种径向偏离的增长会导致叶片设置角度无法接受的大的变化。这尤其对于涡轮机喷嘴的最小流量设置可能是个问题，涡轮机喷嘴的最小流量设置在涡轮增压器的组装期间被设置或者校准从而满足低端性能目标。喷嘴环的热位移是对于从组装过程中设置的最小流量的理想值的改变或“偏移(wandering)”起作用的重要因素。 

本发明是关于相对于插件可旋转地定位以及固定喷嘴环以减小这种最小流量值的偏移的改进方法。本发明的一个实施例如图3至图7所示。图3所示为喷嘴环138以及调节环或者致动器环142的组件，多个叶片134安装到该喷嘴环上，调节环通过曲柄臂144连接到叶片的轴上。叶片134与喷嘴环138第一侧相邻而且调节环142与喷嘴环的相对的第二侧相邻。喷嘴环具有径向外缘表面139。三个定位构件170(其例如可以是如图所示的销)固定在喷嘴环内并从其大致径向向外延伸，径向地超过喷嘴环的外缘表面139。定位构件170沿圆周方向彼此间隔分开布置。有利地，圆周方向间距不一致；例如，两对构件可以115度间隔分开，第三对可以130度间隔分开。 

图5和图6示出了定位构件170可以包括安装在孔172(图6)中的销，孔172径向向内钻到喷嘴环的外缘表面139内。 

图4示出了根据本发明一个实施例与图3中的组件一起使用的插件152。插件152具有管状部分154以及喷嘴部分156，该管状部分装配到涡轮机壳体孔内，喷嘴部分从管状部分的一端大致径向向外延伸。插件进一步包括大致环形的凸缘部分157，当插件被安装在涡轮增压器上时，该凸缘部分是径向向外的，并且在朝向涡轮增压器的中间壳体方向与喷嘴部分156轴向间隔布置。凸缘部分157通过几个周向间隔部分158连接到喷嘴部分。作为替换，凸缘部分157可以整体地与喷嘴部分和插件的涡轮部分分离而且可以通过其他方式安装在涡轮增压器上。 

凸缘部分限定了三个定位槽159，定位槽以与定位构件170相同的方式周向 间隔布置在喷嘴环上。这样，优选的槽和定位构件的不一致间距可以确保：喷嘴环可以被放置成与插件以唯一一个(适当)方位接合，在该方位所有三个定位构件170都可以放在定位槽159中。 

特别如图7所示。有利的定位槽159大小构造成使得在槽和定位构件之间在圆周方向存在相对小的“间隙”。因此定位构件在槽内的接合可以将喷嘴环138相对于插件152定位和固定。相比之下，沿径向方向槽159比定位构件170长，以允许喷嘴环的径向增长，而基本不会被插件限制。 

描述的布置允许喷嘴环热导致的增长能相对于喷嘴环更固定的中心线更均匀地发生，从而便于显著减小由于喷嘴环位移导致的叶片设置角度的变化。本发明的一个特别的优势在于因为定位构件170以离开中心线相对大的径向距离定位，因此发生在喷嘴环旋转时定位构件上的任何位移的影响都会比较小。另外，与如图2A设置中的中间壳体的“盲”销和喷嘴环上的盲孔相反，定位构件170和定位槽159对于组装涡轮增压器的人员而言是易见的。这样，本发明有助于轻松组装。 

很多改变和本发明别的实施例对于本领域技术人员是可以想象到的，这些已在本发明的详细描述和附图中都有所体现。因此，可以理解本发明不局限于所描述的特定实施例，改变以及别的实施例也在本发明所附的权利要求的范围内。虽然这里采用了特定的术语，但仅仅是一般和描述意义上的使用而不是为了限制。 

Claims (4)

1.涡轮增压器的可变喷嘴，包括：

大致环形的喷嘴环，其支撑沿周向围绕喷嘴环的中心轴线间隔布置的成排的叶片，每个叶片旋转地安装到喷嘴环以使得叶片绕叶片枢轴线可枢转，喷嘴环具有面对叶片的第一侧以及对置的第二侧，并且具有在第一侧和第二侧之间延伸的径向外缘表面；

插件，其具有密封地接收到涡轮机壳体的孔内的管状部分、从管状部分的一端大致径向地向外延伸的喷嘴部分、以及径向向外布置且与喷嘴部分轴向间隔布置的大致环形凸缘部分；

其特征在于，所述可变喷嘴还包括

多个隔离体，其在插件的喷嘴部分和喷嘴环之间延伸并连接插件的喷嘴部分和喷嘴环，其中喷嘴环的第一侧面对插件的喷嘴部分的第一侧；

多个定位构件，其固定到喷嘴环，每个定位构件以大致径向向外的方向延伸超过喷嘴环的径向外缘表面，定位构件沿圆周方向彼此间隔分开布置；以及

定位槽，其形成在插件的凸缘部分处，并且对应于定位构件的周向间距沿圆周方向间隔分开布置，每个定位槽沿大致径向向外方向延伸，而且定位构件位于定位槽内以使得相对于插件旋转地定位并固定喷嘴环。

2.根据权利要求1的可变喷嘴，其中凸缘部分通过多个周向间隔布置部分连接到喷嘴部分。

3.根据权利要求1的可变喷嘴，其中定位构件包括安装在形成于喷嘴环的径向外缘表面内的孔中的定位销。

4.根据权利要求1的可变喷嘴，其中定位构件和定位槽在圆周方向上非均匀间隔布置。

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