CN102192000A - 可变流量的涡轮装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变流量的涡轮装置，包括蜗壳，蜗壳上设有进气流道；进气流道内设有间隔壁和横向截面为弧形的移动挡板；移动挡板在进气流道内可沿蜗壳轴向移动；移动挡板的其中一端从蜗壳的一侧伸出并传动连接有移动挡板控制装置；当移动挡板的另一端移动至蜗壳的另一侧时，移动挡板将蜗壳间隔成互不相通的蜗壳外流道和蜗壳内流道，移动挡板控制装置驱动移动挡板在蜗壳展向方向上移动，从而改变蜗壳内流道和蜗壳外流道的流量分配比例。本发明的蜗壳结构简单，继承性好，成本低，容易快速实现工程化，能够有效解决目前有叶喷嘴可变截面涡轮增压器在可靠性和效率方面存在的问题以及无叶蜗壳可变截面增压器效率过低的问题。

Description

可变流量的涡轮装置

技术领域

本发明涉及一种可变截面增压器，具体地说涉及一种通过不同截面流道之间的共同工作来满足发动机各个工况的性能要求的带移动挡板的可变流量的涡轮装置，属于内燃机领域。

技术背景

随着排放法规的日益严格，要求增压器必须具有增压压力和排气压力可调节的功能，由此可变截面增压器就成为国内外研发的重点。现有的应用较多的可变截面增压器都是在有叶喷嘴环上进行，主要有两种方案，其中旋叶式是调节其喷嘴环叶片的角度(VNT)，轴向移动式是调节喷嘴环盘面的轴向位置(VGT)。在无叶蜗壳上实现可变截面出现过舌形挡板式和移动侧壁式等几种方案，由于其可变装置增加了气流的扰动，造成流动损失增大，涡轮效率降低，因而没有得到推广。

旋叶式可变截面涡轮增压器的结构示意图如附图1所示，旋叶式可变截面增压器的涡轮部分包括蜗壳2、蜗壳喷嘴3、涡轮叶轮7三部分。喷嘴叶片6被安装在喷嘴环支撑盘5上，传动装置4通过控制喷嘴叶片6的旋转角度来改变蜗壳喷嘴3的流通面积和出口气流角度，使废气按照设计的角度吹响涡轮叶轮7的周边，推动涡轮叶轮7高速旋转，完成对涡轮叶轮7的做功过程，进而带动压气机1对轴向进入压气机1的空气压缩做功，提高了进入气缸的空气的进气密度，实现增压的目的。

旋叶式可变截面涡轮增压器通过控制喷嘴叶片6的旋转角度来改变涡轮的进气流通面积，控制方便，但在实际的应用过程中存在着一些缺陷：

发动机在大流量工况下，喷嘴叶片6的开度增大，距离涡轮叶片前缘较近，限制了其开度增大的调节范围。发动机在小流量工况下，喷嘴叶片6的开度很小，这时喷嘴出口气流的周向速度高，涡轮变为冲动式涡轮，撞击损失较大；另外喷嘴出口距离叶轮入口较远，在其中的环形区气流相互干涉，增加了流动损失，从而使增压器效率下降。

发动机的排出废气排温高达650～850度左右，涡轮增压器工作环境恶劣、强烈的振动对传动装置4的可靠性提出了很高的要求，但是截至目前为止传动装置4可靠性的问题一直没有得到有效地解决。

移动喷嘴环盘面轴向位置的方案通过直接改变喷嘴环通道的宽度改变喷嘴流动截面积，大流量工况宽度增大以降低流速，小流量工况宽度减小以增加流速，从而适应不同工况的要求。其缺点主要是：喷嘴环宽度的改变同时改变了喷嘴进出口的宽度，在喷嘴进出口形成阶梯状边缘，带来流动损失，并在出口使叶轮在叶片高度上进气不均匀，增加了气流在叶轮中的流动损失。另外还存在高温调节可靠性和密封的问题。

舌形挡板可变截面涡轮增压器是在无叶蜗壳上实现的方案之一，在公开号为CN101418708A，名称为废气涡轮增压器的发明专利中，详细阐述了舌形挡板可变截面增压器的工作原理，通过调节装置调节舌形挡板的开度，使环形进气道的进口面积发生变化，当舌形挡板向着离开涡轮的方向转动时，环形流道的进口面积减小，进入涡轮的气流速度增大，提高了动能，反之速度减小，动能减小，根据需要对舌形挡板进行调节，达到所需要的动能，满足发动机各个工况的性能要求。但是舌形挡板可变截面增压器也存在着一些缺点：调节装置在加工安装实现上较为复杂，并且最主要的舌形挡板在改变进气流道截面时，使流体的流动线路发生较大的变化，增大了流动损失，并且在舌形挡板后部形成较强的涡流，使增压器的效率较低。在无叶蜗壳上还有移动侧壁等可变截面方案，但这些方案同舌形挡板式一样，都因增大了流动损失，使涡轮效率大幅降低，并没有得到推广应用。可见在无叶蜗壳上实现可变截面存在着较大的难度。

发明内容

本发明要解决的问题是针对前述各种可变截面涡轮增压器存在的可靠性差、效率低等问题，提供一种结构简单、成本低、工作可靠、可用于无叶蜗壳，在小流量下具有较高的效率和加速响应性同时能有效的兼顾大流量的效率和流通能力的可变流量的涡轮装置。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种可变流量的涡轮装置，

包括蜗壳，所述蜗壳上设有进气流道；

所述进气流道内设有间隔壁和横向截面为弧形的移动挡板；

移动挡板在进气流道内可沿蜗壳轴向移动；

所述移动挡板的其中一端从蜗壳的一侧伸出并传动连接有移动挡板控制装置；

当移动挡板的另一端移动至蜗壳的另一侧时，移动挡板将蜗壳间隔成互不相通的蜗壳外流道和蜗壳内流道。

移动挡板控制装置驱动所述移动挡板在蜗壳展向方向上移动，从而改变所述蜗壳内流道和所述蜗壳外流道的流量分配比例。

以下是本发明对上述方案的进一步改进：

所述蜗壳外流道和蜗壳内流道平行设置。

另一种改进：所述蜗壳外流道和蜗壳内流道交错设置，所述蜗壳外流道和蜗壳内流道之间设有流道通气口，所述流道通气口纵向设置。

进一步改进：

所述移动挡板的纵向截面为直板型。

另一种改进：所述移动挡板的纵向截面为L型。

进一步改进：

所述移动挡板控制装置包括安装在蜗壳外部的第一执行器，所述第一执行器的推杆上连接有与移动挡板弧形一致的连接盘，所述连接盘与移动挡板之间通过连接轴固定连接。

所述移动挡板控制装置工作时，执行器带动所述连接盘进而带动所述移动挡板实现移动。

进一步改进：

所述蜗壳外流道具有进气口，所述进气口设置在间隔壁与蜗壳的外壳壁之间，在进气口处安装有进气阀门。

另一种改进：

所述蜗壳内流道具有进气口，所述进气口设置在间隔壁与蜗壳的内壳壁之间，在进气口处安装有进气阀门。

进一步改进：

所述进气阀门传动连接有进气阀门调节装置，所述进气阀门调节装置包括安装在蜗壳外部的第二执行器，所述第二执行器的推杆与进气阀门传动连接。

进气阀门调节装置能根据发动机的实际工况来实时调节阀门的开度，以实现不同流道的选择。

更进一步改进：

所述蜗壳内流道的进气区域角度为0～360度，相应的所述蜗壳外流道的进气区域角度为360～0度，所述蜗壳内流道和所述蜗壳外流道的进气区域角度之和为360度。

更进一步改进：

所述蜗壳内流道的进气区域角度为330度，蜗壳外流道的进气区域角度为30度。

另一种改进：

所述蜗壳内流道的进气区域角度为150度，蜗壳外流道的进气区域角度为210度。

本发明采用上述方案，发动机在低转速工况下，移动挡板将蜗壳内流道和蜗壳外流道完全分隔开来，此时移动挡板处于关闭状态，蜗壳内、外流道相互隔绝，并且进气阀门处于关闭状态，此时发动机的所有排气全部进入蜗壳内流道或全部进入蜗壳外流道，由于进气截面积减小，可有效地提高涡轮进气流速，提高废气中的可用能量，增大发动机低速时的涡轮输出功，使增压压力升高，满足发动机在低速时的较高增压压力的要求，提高发动机的低速性能并降低排放，同时提高了发动机的加速响应性，降低了增压迟滞的影响。

发动机在中高速工况下，进气阀门处于开启的状态，此时蜗壳内流道和蜗壳外流道相通，并且根据发动机不同工况的要求，移动挡板控制装置驱动移动挡板移动，使部分作功气体从蜗壳外流道进入蜗壳内流道或从蜗壳内流道进入到蜗壳外流道。进气阀门的开度以及移动挡板的移动开度分别由进气阀门调节装置和移动挡板控制装置调节，它们根据发动机的各个工况进行各自相应的调节，两者共同工作实现不同蜗壳流道中废气流量分配的可调节控制，满足发动机中高速下的性能要求。

本发明的蜗壳结构简单，继承性好，成本低，容易快速实现工程化。并且本发明的进气阀门调节装置和移动挡板控制装置结构简单，控制方式容易实现，可靠性较高。能够有效解决目前有叶喷嘴可变截面涡轮增压器在可靠性和效率方面存在的问题以及无叶蜗壳可变截面增压器效率过低的问题。

综上所述，采用可变流量的涡轮装置后能有效的满足发动机全工况范围的增压要求，该类型增压器整体结构不发生大的变化，成本低，工作可靠，容易实现，可在无叶蜗壳增压器上应用。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

附图说明

附图1是本发明背景技术中的旋叶式可变截面涡轮增压器的结构示意图；

附图2是本发明实施例1中的可变流量的涡轮装置的结构示意图；

附图3是本发明实施例1中的可变流量的涡轮装置的控制结构的结构示意图；

附图4是本发明实施例1中的可变流量的涡轮装置在小流量工况的结构示意图；

附图5是本发明实施例1中的可变流量的涡轮装置在在大流量工况的结构示意图；

附图6是本发明实施例2中的可变流量的涡轮装置的结构示意图；

附图7是本发明实施例3中的可变流量的涡轮装置的种结构示意图；

附图8是本发明实施例4中的可变流量的涡轮装置的结构示意图；

附图9是本发明实施例5中的可变流量的涡轮装置的结构示意图。

图中：1-压气机；2-蜗壳；3-蜗壳喷嘴；4-传动装置；5-喷嘴环支撑盘；6-喷嘴叶片；7-涡轮叶轮；8-蜗壳外流道；9-蜗壳内流道；10-移动挡板；11-进气阀门；12-移动挡板控制装置；13-进气阀门调节装置；14-连接盘；15-滑槽；16-连接轴；17-第一执行器；18-第二执行器；19-间隔壁；20-流道通气口。

具体实施方式

实施例1，如附图2和附图3所示，一种可变流量的涡轮装置，包括蜗壳2，所述蜗壳2上设有进气流道；所述进气流道内设有间隔壁19和横向截面为弧形的移动挡板10；移动挡板10在进气流道内可沿蜗壳2轴向移动；所述移动挡板10的其中一端从蜗壳2的一侧伸出并传动连接有移动挡板控制装置12；当移动挡板10的另一端移动至蜗壳2的另一侧时，移动挡板10将蜗壳2间隔成互不相通的蜗壳外流道8和蜗壳内流道9。

所述蜗壳外流道8和蜗壳内流道9平行设置，所述移动挡板10的横向截面为直板型。

所述蜗壳2上与移动挡板10相应的位置设有滑槽15，所述移动挡板10可以在滑槽15内往复移动。

所述移动挡板控制装置12包括安装在蜗壳2外部的第一执行器17，所述第一执行器17的推杆上连接有与移动挡板10弧形一致的连接盘14，所述连接盘14与移动挡板10之间通过连接轴16固定连接。

所述移动挡板控制装置12工作时，第一执行器17带动连接盘16进而带动所述移动挡板10实现在滑槽15内的运动。通过移动挡板10的移动来使蜗壳外流道8的气体进入蜗壳内流道9，实现内、外流道流量分配的可调节控制。

所述蜗壳外流道8具有进气口，所述进气口设置在间隔壁19与蜗壳2的外壳壁之间，在进气口处安装有进气阀门11，所述进气阀门11传动连接有进气阀门调节装置13。

进气阀门调节装置13包括安装在蜗壳2外部的第二执行器18，所述第二执行器18的推杆与进气阀门11传动连接。

所述进气阀门调节装置13能根据发动机的实际工况调节所述进气阀门11的开度来实现流道的选择和流量分配的控制。

如附图4所示，蜗壳内流道9的进气区域角度α为330度，蜗壳外流道的进气区域角度为α为30度。

发动机在低速工况下，所述移动挡板10将蜗壳外流道8和蜗壳内流道9完全分隔开来，并且，所述蜗壳外流道8进口的进气阀门11处于关闭状态，此时发动机的所有排气全部进入蜗壳内流道9，由于流通截面积减小，可使更多的压力能转化为动能，提高叶轮入口的气流速度，提高废气中的可用能量，可以有效地增大发动机低速时的涡轮输出功，使增压压力升高，满足发动机在低速时的较高增压压力的要求，提高发动机的低速性能并降低排放，同时提高了发动机的加速响应性，降低了增压迟滞的影响。

如附图5所示，发动机在中高工况下，所述进气阀门处于开启的状态，此时蜗壳外流道8和蜗壳内流道9相通，并且根据发动机不同工况的要求，所述移动挡板控制装置12驱动移动挡板10在滑槽15内移动，使部分作功气体从蜗壳外流道8进入到蜗壳内流道9。所述进气阀门的开度以及所述移动挡板10的移动开度分别由所述进气阀门调节装置13和所述移动挡板控制装置12调节，它们根据发动机的各个工况进行各自相应的调节，两者共同工作实现不同蜗壳流道中废气流量分配的可调节控制，满足发动机中高速下的性能要求。

本发明针对发动机对可变截面涡轮增压器的需求，完成了可变流量的涡轮装置的开发，有效的利用了废气能量，兼顾发动机低速和中高速的增压要求，提高了发动机的加速响应性。该类型可变流量的涡轮装置可以采用现有的普通增压器的铸造及技工技术完成，也可以应用于无叶蜗壳增压器中。

实施例2，本实施例与实施例1的不同之处在于，如图6所示，所述蜗壳外流道8和蜗壳内流道9交错设置，所述蜗壳外流道8和蜗壳内流道9之间设有流道通气口20，所述流道通气口20纵向设置，所述移动挡板10的横向截面为直板型，移动挡板10与流道通气口20垂直，用于分隔蜗壳外流道8和蜗壳内流道9，并且在移动挡板控制机构的作用下，可以沿蜗壳的轴向方向进行移动，以实现蜗壳内不同流道的选择和对气体流量分配的控制。可以根据蜗壳的不同形状，对移动挡板10的位置、形状以及其控制机构进行针对性设计满足蜗壳可变流道的要求。

实施例3，本实施例与实施例2的不同之处在于如图7所示，所述移动挡板10的横向截面为L型，其底部横向部分的截面宽度A≥竖直部分的截面宽度B，移动挡板10移动时，其底部横向部分可将流道通气口20开启，这样使蜗壳外流道8的气体在移动挡板10的导向作用下流入蜗壳内流道9，减少流入蜗壳内流道9气体的轴向方向的速度分量，减少与蜗壳内流道9气流的掺混，以减少流动损失，提高涡轮的效率，并且能减小涡轮的径向尺寸，有利于涡轮在发动机上的安装。

移动挡板10在移动挡板控制机构的作用下，可以沿蜗壳的轴向方向进行移动，以实现蜗壳内不同流道的选择和对气体流量分配的控制。可以根据蜗壳的不同形状，对移动挡板10的位置、形状以及其控制机构进行针对性设计满足蜗壳可变流道的要求。

实施例4，本实施例与实施例1的不同之处在于可以根据发动机的不同要求对蜗壳内流道9和蜗壳外流道8在周向上的进气区域角度进行针对性设计。

通过移动挡板10的合理分割，可以改变内外流道相对应的进气区域角度，可以实现蜗壳内流道9的进气区域角度为0～360之间的任意角度，相应的蜗壳外流道8的进气区域角度为360～0度，蜗壳内流道9和蜗壳外流道8的进气区域角度之和为360度。其余部分与实施例1完全相同。

如附图8所示，蜗壳内流道9的进气区域角度α为150度，相应的蜗壳外流道8的进气区域角度α为210度。

发动机低速工况下，进气阀门11处于关闭状态，只有蜗壳内流道9工作，由于流通截面积减小，可使更多的压力能转化为动能，提高叶轮入口的气流速度，可以有效地增大发动机低速时的涡轮输出功，使增压压力升高，满足发动机在低速时的较高增压压力的要求，提高发动机的低速性能并降低排放，同时提高了发动机的加速响应性，降低了增压迟滞的影响。

发动机在中高速工况下，进气阀门11处于开启状态，作功气体经过蜗壳内流道9和蜗壳外流道8均吹向涡轮做功，并且根据发动机不同工况的要求，移动挡板11在移动挡板控制装置的驱动下进行轴向移动，使部分作功气体从蜗壳外流道8进入到蜗壳内流道9。所述进气阀门11的开度以及所述移动挡板10的移动开度分别由所述进气阀门调节装置和所述移动挡板控制装置12调节，它们根据发动机的各个工况进行各自相应的调节，两者共同工作实现不同蜗壳流道中废气流量分配的可调节控制，满足发动机中高速下的性能要求。

实施例5，本实施例与实施例4的不同之处在于可以将所述进气阀门11的安装位置安装在所述蜗壳内流道9内，如图9所示，所述蜗壳内流道9具有进气口，所述进气口设置在间隔壁19与蜗壳2的内壳壁之间，在进气口处安装有进气阀门11，进气阀门调节装置控制进气阀门11沿气体的流动方向开启。

发动机在低速工况下，所述移动挡板10将蜗壳外流道8和蜗壳内流道9完全分隔开来，此时移动挡板10处于关闭状态，气流不能从蜗壳外流道进入蜗壳内流道，并且，安装在所述蜗壳内流道9的进气阀门11处于关闭状态，此时发动机的所有排气全部进入蜗壳外流道9，由于流通截面积减小，可使更多的压力能转化为动能，提高叶轮入口的气流速度，提高废气中的可用能量，可以有效地增大发动机低速时的涡轮输出功，使增压压力升高，满足发动机在低速时的较高增压压力的要求，提高发动机的低速性能并降低排放。

发动机在中高工况下，所述进气阀门11处于开启的状态，此时蜗壳外流道8和蜗壳内流道9相通，并且根据发动机不同工况的要求，所述移动挡板控制装置驱动移动挡板10在滑槽内移动，使部分作功气体从蜗壳外流道8进入到蜗壳内流道9。所述进气阀门11的开度以及所述移动挡板10的移动开度分别由所述进气阀门调节装置和所述移动挡板控制装置调节，它们根据发动机的各个工况进行各自相应的调节，两者共同工作实现不同蜗壳流道中废气流量分配的可调节控制，满足发动机中高速下的性能要求。

Claims (12)

1.一种可变流量的涡轮装置，

包括蜗壳(2)，所述蜗壳(2)上设有进气流道；

其特征在于：

所述进气流道内设有间隔壁(19)和横向截面为弧形的移动挡板(10)；

移动挡板(10)在进气流道内可沿蜗壳(2)的轴向移动；

所述移动挡板(10)的其中一端从蜗壳(2)的一侧伸出并传动连接有移动挡板控制装置(12)；

当移动挡板(10)的另一端移动至蜗壳(2)的另一侧时，移动挡板(10)将蜗壳(2)间隔成互不相通的蜗壳外流道(8)和蜗壳内流道(9)。

2.根据权利要求1所述的可变流量的涡轮装置，其特征在于：所述蜗壳外流道(8)和蜗壳内流道(9)平行设置。

3.根据权利要求1所述的可变流量的涡轮装置，其特征在于：所述蜗壳外流道(8)和蜗壳内流道(9)交错设置，所述蜗壳外流道(8)和蜗壳内流道(9)之间设有流道通气口(20)，所述流道通气口(20)纵向设置。

4.根据权利要求2或3所述的可变流量的涡轮装置，其特征在于：所述移动挡板(10)的横向截面为直板型。

5.根据权利要求3所述的可变流量的涡轮装置，其特征在于：所述移动挡板(10)的横向截面为L型。

6.根据权利要求1所述的可变流量的涡轮装置，其特征在于：所述移动挡板控制装置(12)包括安装在蜗壳(2)外部的第一执行器(17)，所述第一执行器(17)的推杆上连接有与移动挡板(10)弧形一致的连接盘(14)，所述连接盘(14)与移动挡板(10)之间通过连接轴(16)固定连接。

7.根据权利要求6所述的可变流量的涡轮装置，其特征在于：所述蜗壳外流道(8)具有进气口，所述进气口设置在间隔壁(19)与蜗壳(2)的外壳壁之间，在进气口处安装有进气阀门(11)。

8.根据权利要求6所述的可变流量的涡轮装置，其特征在于：所述蜗壳内流道(9)具有进气口，所述进气口设置在间隔壁(19)与蜗壳(2)的内壳壁之间，在进气口处安装有进气阀门(11)。

9.根据权利要求7或6所述的可变流量的涡轮装置，其特征在于：所述进气阀门(11)传动连接有进气阀门调节装置(13)，所述进气阀门调节装置(13)包括安装在蜗壳(2)外部的第二执行器(18)，所述第二执行器(18)的推杆与进气阀门(11)传动连接。

10.根据权利要求1所述的可变流量的涡轮装置，其特征在于：所述蜗壳内流道(9)的进气区域角度(α)为0～360度，相应的所述蜗壳外流道(8)的进气区域角度为360～0度，所述蜗壳内流道(9)和所述蜗壳外流道(8)的进气区域角度之和为360度。

11.根据权利要求10所述的可变流量的涡轮装置，其特征在于：所述蜗壳内流道(9)的进气区域角度(α)为330度，蜗壳外流道(8)的进气区域角度(α)为30度。

12.根据权利要求10所述的可变流量的涡轮装置，其特征在于：所述蜗壳内流道(9)的进气区域角度(α)为150度，蜗壳外流道(8)的进气区域角度(α)为210度。

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