CN102348868A - 具有涡轮机喷嘴筒的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

涡轮增压器芯(10、10′)的转子轴支撑组件的轴承壳体(38)安装到并封闭接收和排出内燃机(14、14.1、14.2)的排气(21)的腔体(20、20′、20″)的前端。涡轮机转子(30)以可操作方式联接到转子轴(32)且关联涡轮增压器转子组件的压缩机转子(56)在关联涡轮机喷嘴筒组件(74、74′)的涡轮机转子护罩部分(82)内旋转，其中，由轴承壳体(38)内的至少一个轴承来以可旋转方式支撑转子轴。涡轮机喷嘴筒组件(74、74′)用于引导来自腔体(20、20′、20″)的排气(20)通过通向前壁(76)和后壁(78)之间的多个叶片(80)的周边进口(93)，通过涡轮机转子护罩部分(82)，然后通过在其后部(84.1)上结合了与密封元件(104、104′)协作的外部密封表面(102)的喷嘴排气部分(84)，排气(21)在那里被从腔体(20、20′、20″)排出。

Description

具有涡轮机喷嘴筒的涡轮增压器

相关申请的交叉引用

本申请要求在2009年1月20日提交的在先美国临时申请序号61/145,791的优先权，其被整体地通过引用并入于此。

附图说明

在附图中：

图1图示包括一对汽缸头和与所述一对汽缸头成一体的相应的一对涡轮增压器芯的内燃机的第一方面的等角视图；

图2图示来自图1所示的内燃机的第一方面的汽缸头和涡轮增压器芯的等角视图；

图3图示通过图2所示的汽缸头和涡轮增压器芯的第一横截面图；

图4图示如在图1～3所示的实施例中使用的涡轮增压器芯的等角视图；

图5图示来自图2所示的涡轮增压器芯的喷嘴筒组件的等角视图；

图6图示通过图2所示的汽缸头和涡轮增压器芯的第二横截面图；

图7图示通过图4所示的涡轮增压器芯的涡轮机喷嘴部分的横向横截面图；

图8图示通过图4所示的涡轮增压器芯的轴承壳体部分的横向横截面图；

图9图示通过图2所示的汽缸头和涡轮增压器芯的第三横截面图；

图10图示通过图9所示的汽缸头和涡轮增压器芯的第三横截面图的一部分的放大图；

图11图示来自在汽缸头中具有适合于接收涡轮增压器芯的腔体的多个汽缸中的每一个的多个排气流道的接口的第一替代实施例的示意图；

图12图示来自在汽缸头中具有适合于接收涡轮增压器芯的腔体的多个汽缸中的每一个的多个排气流道的接口的第二替代实施例的示意图；

图13图示结合了以可操作方式联接到关联排气歧管的涡轮增压器组件的第一实施例的内燃机的第二方面的一部分的等角视图；

图14图示与图13所示的内燃机的第二方面一起使用的涡轮增压器组件的第一实施例的各部分和关联壳体的分解图；

图15图示与图13所示的内燃机的第二方面一起使用的涡轮增压器组件的第一实施例和关联壳体的纵向横截面分解视图；

图16图示依照内燃机的第二方面的涡轮增压器组件的第二实施例的不完整纵向横截面图；

图17图示图16所示的涡轮增压器组件的第二实施例的横向横截面图；并且

图18图示依照内燃机的第二方面的结合了具有关联径流式涡轮机的关联涡轮增压器芯的第二方面的涡轮增压器组件的第三实施例。

具体实施方式

参考图1，使一对涡轮增压器芯10与V型结构的内燃机14、14.1、例如V-6内燃机14、14.1′的第一方面的相应的一对汽缸头组件12成一体。例如，依照多种热动力循环中的任何一个，所述多种热动力循环包括但不限于例如奥托(Otto)循环、狄赛尔(Diesel)循环、阿特金森(Atkinson)循环、米勒(Miller)循环或二冲程循环，内燃机14、14.1可以是靠多种类型的燃料中的一种或多种操作的多种设计中的任何一个，所述燃料包括但不限于汽油、柴油、生物柴油、天然气，包括液化天然气(LNG)和压缩天然气(CNG)、包括液化石油(LP)气、乙醇或甲醇的丙烷。还参考图2～10，每个涡轮增压器芯10包括由排气动力涡轮机18驱动的压缩机16，其中，当涡轮增压器芯10例如通过中间冷却器附接到内燃机14、14.1时，每个关联涡轮机18被插入相应汽缸头组件12中的腔体20、例如筒形腔体20′或涡形腔体20″中并与所述腔体20协作，所述汽缸头组件12适合于经由关联排气流道24从与所述汽缸头组件12相关联的关联汽缸22接收排气21。例如，涡轮增压器芯10结合了轴流式涡轮机18′，轴流式涡轮机18′能够构造有相对低的关联转动惯量，从而提供对于内燃机14、14.1的关联操作条件变化的相对快速的动态响应。在内燃机14、14.1的第一方面中，来自每个汽缸22的排气流道24在相对于腔体20的中心轴线28离轴的位置处与在腔体20的侧面中的公共第一排气口26连通，以引起流入其中的排气21循环。

涡轮增压器芯10包括涡轮增压器转子组件的涡轮机转子30，涡轮增压器转子组件的涡轮机转子30以可操作方式联接到由转子轴支撑组件以可旋转方式支撑的涡轮增压器转子组件的转子轴32的后端32.1，所述转子轴支撑组件包括位于关联轴承壳体38内且沿着其相互间隔开的后轴颈轴承34和前滚动元件轴承36。轴承壳体38内结合了与进口42和出口44流体连通的冷却套管40，所述进口42和出口44适合于从内燃机14、14.1的水冷却系统46接收冷却水流以用于冷却后轴颈轴承34和前滚动元件轴承36，其中，一组进口42和出口44被用于内燃机14、14.1的一侧，并且另一组进口42′和出口44′被用于内燃机14、14.1的另一侧，在任一侧的进口42′、42和出口44′、44中的未被使用的一组被堵塞。进油口48适合于从内燃机14、14.1的油泵接收一定量的加压机油并经由关联的油分配通道50将此油分配到后轴颈轴承34和前滚动元件轴承36。从后轴颈轴承34和前滚动元件轴承36排出的油被重力收集在轴承壳体38的底座内的回油腔体52中，并经由在轴承壳体38的底座处连接到关联回油口54′的关联回油线路54(在图13中图示)返回到内燃机14、14.1。

应理解的是，转子轴支撑组件不限于后轴颈轴承34和前滚动元件轴承36的组合，而是转子轴支撑组件可以替代地包括轴颈和滚动元件轴承的任何组合或者可以想到的单个延长长度轴颈轴承。

涡轮增压器芯10的压缩机16包括以可操作方式联接到转子轴32的前端32.2并适合于与其一起绕着涡轮增压器芯10的中心轴线28′旋转的涡轮增压器转子组件的压缩机转子56，其中，中心轴线28′基本上与腔体20的中心轴线28对准。例如，在一个实施例中，压缩机转子56——依照所称的无孔轮毂——结合了螺纹连接到转子轴32的前端32.2上的向后延伸内螺纹凸台(boss)58，并且涡轮机转子30沿着涡轮机转子30的前端与转子轴32的后端32.1之间的腔体60的周边被焊接到转子轴32的后端32.1，其用于减少从涡轮机转子30到转子轴32的热传递。前滚动元件轴承36包括在压缩机转子56和台肩32.2之间位于转子轴32上的外座圈62及前内座圈64和后内座圈66，外座圈62及前内座圈64和后内座圈66用于将转子轴32定位于轴承壳体38内。轴承壳体38结合了前密封件70和后密封件72，所述前密封件70和后密封件72用于防止油从轴承壳体38泄漏到涡轮增压器芯10的压缩机16或涡轮机18中。

参考图4、5、6和8～10，涡轮增压器芯10还包括以可操作方式联接到轴承壳体38的后侧38.1的涡轮机喷嘴筒组件74。涡轮机喷嘴筒组件74包括前喷嘴壁76、与前喷嘴壁76向后分离的后喷嘴壁78、设置在前喷嘴壁76和后喷嘴壁78之间的多个叶片80、从后喷嘴壁78向后延伸的涡轮机转子护罩部分82、以及从喉部82向后延伸的喷嘴排气部分84。虽然喷嘴排气部分84图示为具有相对扩大的直径以用于至少部分地扩散关联排气，但喷嘴排气部分84不一定需要在直径方面相对于关联涡轮机转子护罩部分82被相对扩大。

例如，在一个实施例中，前喷嘴壁76被形成为第一金属片元件，并且后喷嘴壁78和涡轮机转子护罩部分82和喷嘴排气部分84的组合被形成为第二金属片元件——例如每个通过冲压或自旋形成；——并且叶片80每个由金属片形成——例如通过冲压——并且被插入且随后被焊接或铜焊到前喷嘴壁76和后喷嘴壁78中的每一个中的多个相应狭槽86。在另一实施例中，后喷嘴壁78、涡轮机转子护罩部分82和喷嘴排气部分84每个由随后例如通过焊接、铜焊和/或通过压配合被接合在一起的两个或更多个分离的金属片件形成。可替代地，可以对涡轮机喷嘴筒组件74进行铸造或烧结，例如激光烧结。涡轮机喷嘴筒组件74由提供抗高温氧化力和强度的、能够耐受高温排气21的材料构成，例如镍合金，例如具有相对高的镍含量的不锈钢，例如310不锈钢。涡轮增压器芯10的其余部分——是水或油冷却的——可以由不那么特殊且更加经济的材料构成，诸如铝或铸铁。例如，除水冷却轴承壳体38之外，可以用与其排气壳体部分88热连通的水冷却通道来修改汽缸头组件12，从而允许将相对低成本的材料(诸如铝)用于其构造。因此，涡轮增压器芯10的分离涡轮机喷嘴筒组件74与可能的其它方式的相比允许耐高温材料的总体更经济的使用——例如局限于涡轮机喷嘴筒组件74，并且还允许将涡轮增压器芯10一体形成到汽缸头组件12中。例如，制造涡轮机喷嘴筒组件74和汽缸头组件12的相对更简单的关联排气壳体部分88所需的原始材料的组合量将小于制造等同的常规涡轮增压器排气壳体所需的材料的量。

在另一实施例中，利用允许在其关联涡轮叶片92的故障的情况下容纳涡轮机转子30的容纳套筒90来加固涡轮机喷嘴筒组件74的涡轮机转子护罩部分82。

涡轮机喷嘴筒组件74延伸通过汽缸头组件12中的腔体20、20′、20″。在操作中，来自汽缸22的排气21通过关联排气流道24流入通向腔体20、20′、20″的第一排气口26、即腔体进口排气口26中，其中，第一排气口26相对于腔体20、20′、20″的离轴位置引起在腔体20、20′、20″内流动的排气21的漩涡。排气21然后沿着涡轮机喷嘴筒组件74的叶片80并抵靠着涡轮机转子30的涡轮叶片92以漩涡流入涡轮机喷嘴筒组件74的周边进口93中，从而驱动涡轮机转子30，涡轮机转子30又使转子轴32和附接到转子轴32的压缩机转子56旋转。排气21然后在被排出到并通过从腔体20、20′、20″的后端20.1中的沉孔96开始延伸的第二排气口94、即腔体出口排气口94之前流过涡轮机喷嘴筒组件74的喷嘴排气部分84，其中，第二排气口94连接到发动机排气系统98，发动机排气系统98例如可以包括一个或多个排气处理设备100，例如一个或多个催化转化器或消声器。汽缸头组件12可以结合有在排气流道24与第二排气口94之间操作的废气阀99，从而允许使排气21在不首先流过涡轮机喷嘴筒组件74和关联涡轮机转子30的情况下直接旁通至发动机排气系统98。因此，涡轮机喷嘴筒组件74的前喷嘴壁76和后喷嘴壁78使周向成漩涡的排气21——在涡轮机喷嘴筒组件74外面的腔体20、20′、20″内流动——径向地向内和轴向地向后改向并加速，并且得到的轴向向后流动的漩涡排气21然后撞击在涡轮机转子30的涡轮叶片92上，从而驱动涡轮机转子30，其中，在一个实施例中，与前喷嘴壁76和后喷嘴壁78协作的关联叶片80适合于允许碰撞的排气21相对于涡轮机转子30的适当的向量取向，从而使涡轮机18的效率最大化。

涡轮机喷嘴筒组件74的喷嘴排气部分84的后端84.1结合了外部密封表面102，外部密封表面102与位于沉孔96中的内部凹槽106中的密封环——例如活塞环式密封环104′——协作，从而允许将涡轮机喷嘴筒组件74的排出端108密封到汽缸头组件12的排气壳体部分88，以使基本上所有排气21被从涡轮机喷嘴筒组件74排出到并通过第二排出口94并进入关联发动机排气系统98中，从而基本上使在涡轮机喷嘴筒组件74上游的腔体20、20′、20″中的排气21与从涡轮机喷嘴筒组件74排出的排气21隔离。与外部密封表面102协作的密封环104允许使得涡轮机喷嘴筒组件74的排出端108能够响应于其热致膨胀或收缩在径向方向上膨胀或收缩并在轴向方向上滑动，同时保持在涡轮机喷嘴筒组件74的排出端108处的密封条件，而没有涡轮机喷嘴筒组件74的显著的关联热致加载。

前喷嘴壁76的前端76.2包括配合在从轴承壳体38的后侧38.1向后延伸的相应筒形台阶112上的筒形唇缘110。涡轮机喷嘴筒组件74由延伸通过筒形唇缘110中的相应径向孔116并进入筒形台阶112中的相应盲径向孔118的多个径向销114来保持在轴承壳体38上。径向销114和关联径向孔116、118对称地位于筒形唇缘110和筒形台阶112的圆周周围。可以调整筒形唇缘110的内径和筒形台阶112的外径，使得在环境温度下，筒形唇缘110与筒形台阶112干涉配合。然而，在提高的工作温度下，前喷嘴壁76和关联的筒形唇缘110分别响应于前喷嘴壁76和轴承壳体38的温度或热膨胀速率的差自由地相对于筒形台阶112进行热膨胀，在这种情况下，由径向销114进行的筒形唇缘110的接合允许将涡轮机喷嘴筒组件74保持到轴承壳体38，并且关联径向销114和关联径向孔116、118的对称布置用于保持涡轮机喷嘴筒组件74在其热工作范围内基本上与涡轮增压器芯10的中心轴线28′同心。例如，在正常操作期间，涡轮机喷嘴筒组件74与轴承壳体38相比将相对更快地加热并达到基本上更高的温度，结果，筒形唇缘110的内径典型将膨胀，从而大于筒形台阶112的外径，从而从环境温度下的可能干涉过渡至提高温度下的基本上松动配合，在该情况下，径向销114将用于将筒形唇缘110对称地且同心地保持在筒形台阶112上，从而保持涡轮机喷嘴筒组件74与关联涡轮转子30的相对对准。

可替代地，前喷嘴壁76的前端76.2能够以轴承壳体38为中心，其中，多个向后延伸轴向销或螺栓从轴承壳体38的后侧38.1延伸通过前喷嘴壁76的前端76.2中的相应径向槽，并被螺栓或被腔体20的前端中的台阶保持在轴承壳体38上。

当涡轮机喷嘴筒组件74被组装到轴承壳体38时，涡轮机转子30的涡轮叶片92位于涡轮机喷嘴筒组件74的涡轮机转子护罩部分82内，该涡轮机转子护罩部分82因此用作涡轮叶片叶冠82′，其中，涡轮叶片叶冠82′的内径适合于提供到涡轮叶片92的尖端120的约0.01英寸的余隙，该相对紧密的容限提供否则可能使得余隙更大的涡轮机18的改善效率。因此，利用涡轮叶片叶冠82′，被保持在轴承壳体38上并在腔体20、20′、20″中的沉孔96内自由地漂浮的涡轮机喷嘴筒组件74的一部分，即涡轮叶片叶冠82′不受汽缸头组件12的排气壳体部分88、例如在其中或来自于其的热致应力或其外部机械负载的影响，其否则其可能导致与涡轮叶片92的尖端120干涉，使得能够使用生产硬件和程序来容易地实现涡轮叶片叶冠82′与涡轮叶片92的尖端120之间的相对小的余隙。

涡轮增压器芯10利用多个螺栓122组装到汽缸头组件12，所述多个螺栓122通过轴承壳体38的或从轴承壳体38延伸的关联凸缘125或凸缘组126′中的相应的多个孔124、通过接头衬套128并进入腔体20、20′、20″的周边周围的汽缸头组件12的排气壳体部分88的前部分132中的相应螺纹孔130中，使得当被安装到汽缸头组件12时，涡轮增压器芯10的轴承壳体38用于关闭腔体20的前端，其在轴承壳体38和接头衬套128的接头处及腔体20、20′、20″的周边周围的汽缸头组件12的排气壳体部分88的前部分132和接头衬套128的接合部处被密封，例如通过配合平坦表面——如所示的——或者通过配合锥形表面。接头衬套128的内径充分地大于涡轮机喷嘴筒组件74的前喷嘴壁76的筒形唇缘110的外径，从而用于筒形唇缘110在其之间的间隙134内的不受限制的热致膨胀，从而防止涡轮机喷嘴筒组件74的热致机械应力，所述热致机械应力否则在筒形唇缘110的向外径向膨胀否则受到接头衬套128的限制的情况下将发生。接头衬套128还用于将径向销114捕获在其在筒形台阶112中的径向孔118内。接头衬套128的后表面136被定位并成形为用于从腔体20′、20″的内表面138到前喷嘴壁76的相对平滑过渡，从而促进排气21从腔体20′、20″到涡轮机喷嘴筒组件74中的流动。例如，在一个实施例中，接头衬套128的后表面136包括凹状环形面136′的一部分，其在横截面方面提供内表面138与前喷嘴壁76之间的1/4圆的圆角。可替代地，可以通过将接头衬套128的材料直接结合到汽缸头组件12的排气壳体部分88中来替代接头衬套128。此外，可替代地，可以利用V形夹而不是螺栓122将涡轮增压器芯10安装到汽缸头组件12的排气壳体部分88的前部分132。

在涡轮增压器芯10的操作中，来自第一排气口26的排气21首先被收集在由在涡轮机喷嘴筒组件74外部的汽缸头组件12的排气壳体部分88的腔体20、20′、20″的部分所限定的环状空间140中，并且然后通过涡轮机喷嘴筒组件74从那里加速到涡轮机转子30的涡轮叶片92中。涡轮机喷嘴筒组件74用于将排气流指引并加速到涡轮机转子30的涡轮叶片92中，并控制这些排气21的关联质量流量。因此，能够构造涡轮机喷嘴筒组件74——独立于汽缸头组件12的关联排气壳体部分88或腔体20、20′、20″的设计，例如通过调整通过涡轮机喷嘴筒组件74的通道140的面积/半径比(A/R)——从而适合于给定内燃机14、14.1的特定涡轮增压要求，其允许简化将涡轮增压器芯10调谐至内燃机14、14.1的过程，这是因为在该过程中将改变的唯一部件是涡轮机喷嘴筒组件74。例如，在一组实施例中，前喷嘴壁76和后喷嘴壁78包括相应的前扫掠曲面76′和后扫掠曲面78′，可以使前扫掠曲面76′和后扫掠曲面78′的形状适合于与关联叶片80协作以用于调谐涡轮增压器芯10。

响应于碰撞在其上的排气21，涡轮增压器芯10的涡轮机18的涡轮机转子30驱动转子轴32，转子轴32在轴承壳体38中的后轴颈轴承34和前滚动元件轴承36中旋转，并且又驱动压缩机转子56，压缩机转子56在关联压缩机16的关联压缩机壳体142内旋转，用于将来自中央进口144的空气压缩到压缩机壳体142中，并通过围绕压缩机转子56的蜗壳扩压器146排出压缩空气。压缩空气被从压缩机16排出到联接到进口高压间150、例如联接到或环绕已联接到内燃机14、14.1的进口歧管154的节流阀主体152的管道148。

参考图11和图12，依照相应第一替代实施例和第二替代实施例，汽缸头组件12的排气壳体部分88的腔体20、20′、20″可以被构造为从多个第一排气口26、26.1、26.2、26.3接收排气21，每个排气口以可操作方式与一个或多个关联排气流道24、24.1、24.2、24.3相关联，每个排气流道24以可操作方式与内燃机14、14.1的一个或多个汽缸22相关联，其中，对于每个第一排气口26、26.1、26.2、26.3而言，每个相应的关联排气流道24、24.1、24.2、24.3被定向为基本上切向地将排气21引入到腔体20、20′、20″中，以使得到的来自每个关联第一排气口26、26.1、26.2、26.3的在腔体20、20′、20″中的排气21流在公共漩涡方向156上形成漩涡。例如，参考图11，在第一替代实施例中，腔体20、20′、20″联接到具有三个不同排气流道24、24.1、24.2、24.3的三个不同汽缸中的每一个，排气流道中的每一个通过分离的相应第一排气口26、26.1、26.2、26.3将排气21排出到腔体20、20′、20″中，其中，关联排气流道24、24.1、24.2、24.3被定向为使得全部的第一排气口26、26.1、26.2、26.3将排气21在公共漩涡方向156上切向地排出到腔体20、20′、20″中。此外，参考图12，在第二替代实施例中，腔体20、20′、20″联接到具有三个不同排气流道24、24.1、24.2、24.3的三个不同汽缸中的每一个，排气流道中的两个排气流道24、24.1、24.2通过分离的相应第一排气口26、26.1、26.2将排气21排出到腔体20、20′、20″中，排气流道中的第三个排气流道24、24.3将排气21排出到第二排气流道24、24.2中，第二排气流道24、24.2又通过所述多个第一排气口中的第二个第一排气口26、26.2将排气21排出到腔体20、20′、20″中，其中，关联的排气流道24、24.1、24.2被定向为使得第一排气口24、24.1和第二排气口24、24.2两者在公共漩涡方向156上将排气21切向地排出到腔体20、20′、20″中。

通过在关联汽缸头组件12中结合涡轮增压器芯10，并用于将围绕涡轮增压器芯10的关联腔体20、20′、20″的汽缸头组件12的关联排气壳体部分88和轴承壳体38水冷却，涡轮增压器芯10用于与否则相应的可比较独立涡轮增压器组件所需的耐高温材料的量相比减少耐高温材料的量、例如相对高镍含量的合金的量，这与独立涡轮增压器组件相比允许降低成本。此外，在关联汽缸头组件12中结合涡轮增压器芯10用于将来自内燃机14、14.1的汽缸22更紧密地联接到涡轮增压器芯10，这允许有与否则在相应的可比较独立涡轮增压器组件的情况下可能的效率相比改善的效率。

参考图13～15，依照内燃机的第二方面和关联涡轮增压器组件的第一实施例，关联涡轮增压器芯10与分离的涡轮增压器排气壳体158协作，其进口160以可操作方式联接到内燃机14、14.2的排气歧管162，例如，利用通过位于排气歧管162的出口168处的第一凸缘166进入位于涡轮增压器排气壳体158的进口160处的第二凸缘170的多个螺栓164进行所述联接。进口160经由第一排气口26′与涡轮增压器排气壳体158中的腔体20″流体连通，第一排气口26′被定位为指引关联的排气21偏离的中心，从而在腔体20″中引起排气21的涡流。涡轮机喷嘴筒组件74如上文所述那样所附接的涡轮增压器芯10的轴承壳体38利用通过轴承壳体38并进入周面172周围的涡轮增压器排气壳体158上的关联螺纹插座176中的多个螺栓174螺栓连接至围绕腔体20′的涡轮增压器排气壳体158的周面172，使得关联的涡轮机喷嘴筒组件74延伸通过腔体20″并进入在腔体20″的相反侧上的关联第二排气口94′。第二排气口94′结合了在内部凹槽106中的密封环104，密封环104与涡轮机喷嘴筒组件74的喷嘴排气部分84的后端84.1上的关联外部密封表面102协作，从而用于将涡轮机喷嘴筒组件74的排出端108密封到涡轮增压器排气壳体158，以使基本上所有排气21被从涡轮机喷嘴筒组件74排出到第二排气口94并通过第二排气口94并进入关联的发动机排气系统98中，从而基本上将在涡轮机喷嘴筒组件74上游的腔体20″中的排气21与从涡轮机喷嘴筒组件74排出的排气21隔离。与外部密封表面102协作的密封环104用于使得涡轮机喷嘴筒组件74的排出端108能够响应于其热致膨胀或收缩在径向方向上扩展或收缩并在轴向方向上滑动，同时保持在涡轮机喷嘴筒组件74的排出端108处的密封条件，而没有涡轮机喷嘴筒组件74的显著的关联热致加载。

在操作中，来自排气歧管162的排气21流入涡轮增压器排气壳体158的进口160并随后进入关联腔体20″。排气21在腔体20″内绕着涡轮机喷嘴筒组件74的外侧形成漩涡，并且然后沿着其叶片80且抵靠着涡轮机转子30的涡轮叶片92以漩涡流入涡轮机喷嘴筒组件74的周边进口93中，从而驱动涡轮机转子30，涡轮机转子30又使转子轴32和附接到转子轴32的压缩机转子56旋转。排气21然后在被排出到并通过涡轮增压器排气壳体158中的第二排气口94′之前流过涡轮机喷嘴筒组件74的喷嘴排气部分84，并且然后进入发动机排气系统98，发动机排气系统98例如可以包括一个或多个排气处理设备100，例如一个或多个催化转换器或消声器。

涡轮增压器排气壳体158可以由相同类型的材料例如铸铁构成，或者替代地，利用镍含量相对高的合金铸造，如可以对排气歧管162使用的。关于内燃机的第一方面，可以通过修改涡轮机喷嘴筒组件74将涡轮增压器芯10调谐至适合于特定的发动机，与涡轮增压器排气壳体158和关联腔体20″的设计无关。

参考图16和图17，依照适合于与内燃机14、14.2的第二方面一起使用的关联涡轮增压器组件的第二实施例，关联的涡轮增压器排气壳体158结合了内部热屏蔽件178，内部热屏蔽件178例如由能够耐受高温排气21的金属片材料构成，例如镍合金，例如具有相对高的镍含量的不锈钢，例如，310不锈钢，其提供抗高温氧化力和强度。涡轮增压器排气壳体158内的排气21基本上被包含在内部热屏蔽件178的内表面178.1内，其中的后者结合了多个外部突出的凹痕180，所述多个外部突出的凹痕180用于以关联空隙182将内部热屏蔽件178的外表面178.2与涡轮增压器排气壳体158的内表面158.1分离，关联空隙182用于减少从内部热屏蔽件178到涡轮增压器排气壳体158的传导热传递。因此，内部热屏蔽件178提供辐射热屏蔽和传导热屏蔽。

虽然在内燃机14、14.2的第二方面的背景下举例说明了内部热屏蔽件178，即在关联汽缸头组件12的外部，但在内燃机14、14.2的第一方面的背景下内部热屏蔽件178可能是特别有益的，即与关联汽缸头组件12集成，从而用于基本上减少从排气21传递至汽缸头组件12的热量，否则其将需要由内燃机14、14.2的关联水冷却系统46来去除。例如，在具有结合了具有6mm壁厚度且内衬有与关联涡轮增压器芯10协作的1.5mm厚的内部热屏蔽件178的腔体20的关联铝汽缸头组件12的内燃机14、14.1的第一方面的一个模拟实施例中，对于在1050摄氏度下的排气21而言，关联的热传递被从8.20千瓦减少至1.80千瓦，并且关联的热传递系数被从约每开氏温度9瓦减小至约每开氏温度2瓦，内部热屏蔽件178在约904摄氏度下操作。

上文已经举例说明了构造有轴流式涡轮机18′的涡轮增压器芯10，其中，从涡轮机喷嘴筒组件74的喷嘴部分74.1排出的排气21被沿着基本上轴向向后方向184向后指引到并抵靠着位于前喷嘴壁76的后面的关联轴流式涡轮机18′的涡轮叶片92、叶片80、以及涡轮机喷嘴筒组件74的喷嘴部分74.1。

可替代地，参考图18，结合具有关联径流式涡轮机18″和相应的关联涡轮机喷嘴筒组件74′的关联涡轮增压器芯10′的第二方面图示依照内燃机的第二方面修改的涡轮增压器组件的第三实施例，其用于在基本上径向向内的方向186上将关联的排气21从涡轮机喷嘴筒组件74的喷嘴部分74.1′排出到并抵靠着位于前喷嘴壁76的径向内侧的关联径流式涡轮机18′的涡轮叶片92′、叶片80、以及涡轮机喷嘴筒组件74′的喷嘴部分74.1′。

此外，可替代地，可以利用混流式涡轮机、即组合的径流式和轴流式涡轮机来修改涡轮增压器芯10，关联涡轮机喷嘴筒组件74适合于与之协作，但是通常被如上文所述地构造，关联的混流式涡轮机转子位于前喷嘴壁76、叶片80、以及涡轮机喷嘴筒组件74的喷嘴部分74.1的后部和径向内侧，且其之间存在关联的锥形边界。

此外，应当理解的是上文所述的关联内燃机的第一方面或第二方面可以适合于允许废气阀99允许在涡轮增压器芯10周围为来自内燃机14、14.1、14.2的排气21设旁路，即以使得某些或全部的排气21能够在不流过涡轮机18的情况下从排气流道24和排气歧管162流到发动机排气系统98。

涡轮机喷嘴筒组件74用于容易地将涡轮增压器芯10匹配或调谐至特定内燃机14、14.1、14.2，这是因为在该过程期间典型将不需要修改涡轮增压器芯10的其它部件——特别是汽缸头组件12的关联排气壳体部分88或关联涡轮增压器排气壳体158。此外，在涡轮机喷嘴筒组件74从汽缸头组件12的关联排气壳体部分88或关联涡轮增压器排气壳体158分离并相对于汽缸头组件12的关联排气壳体部分88或关联涡轮增压器排气壳体158自由地漂浮的情况下，涡轮增压器芯10的生产方式能够适合于利用涡轮叶片叶冠82′与涡轮叶片92的尖端120之间的相对较小的余隙进行工作，而在其寿命内没有涡轮增压器芯10的操作期间的其之间的干涉的危险。

虽然在前述详细说明中详细地描述并在附图中图示了特定的实施例，但本领域的技术人员将认识到根据本公开的总体教导内容可以作出对那些细节的各种修改和替代。应理解的是在本文中对术语“或”的任何参考意图意指“兼或”或者也称为“逻辑或”，其中，如果A或B为真，或者如果A和B两者均为真，则表达式“A或B”为真。因此，所公开的特定布置意图仅仅是说明性的，并且关于本发明的范围的不是限制性的，本发明的范围将被给定所附权利要求书及其任何和所有等同物的完全宽度。

Claims (28)

1.一种涡轮增压器芯，所述涡轮增压器芯适合于与用于接收和排出内燃机的排气的腔体协作，所述涡轮增压器芯包括：

a.涡轮增压器转子组件，包括：

i.涡轮机转子；

ii.压缩机转子；以及

iii.转子轴，所述转子轴将所述涡轮机转子以可操作方式联接到所述压缩机转子，其中，所述涡轮机转子、所述压缩机转子和所述转子轴绕所述涡轮增压器转子组件的公共旋转轴线操作；

b.转子轴支撑组件，包括：

i.轴承壳体；以及

ii.在所述轴承壳体内的至少一个轴承，其中，所述转子轴由所述至少一个轴承沿着所述转子轴以可旋转方式支撑，并且所述轴承壳体被构造成安装到所述腔体的前端，以用于封闭所述腔体的所述前端；以及

c.涡轮机喷嘴筒组件，包括：

i.前喷嘴壁，其中，所述前喷嘴壁包括围绕所述涡轮机喷嘴筒组件中的前开口的第一回转表面，并且所述前喷嘴壁与所述轴承壳体的第一后部协作，以允许从所述轴承壳体的第一后部向后延伸；

ii.后喷嘴壁，其中，所述后喷嘴壁包括与所述前喷嘴壁同心且与所述前喷嘴壁向后间隔开的第二回转表面；

iii.位于在所述前喷嘴壁的前部的径向周边部分与所述后喷嘴壁的径向周边部分之间形成的间隙中的所述涡轮机喷嘴筒组件的周边进口；

iv.在所述前喷嘴壁和所述后喷嘴壁之间的多个叶片；

v.向后连接到所述后喷嘴壁或从所述后喷嘴壁延伸的涡轮机转子护罩部分，其中，所述多个叶片与所述前喷嘴壁及所述后喷嘴壁之间的区域提供所述周边进口与所述涡轮机转子护罩部分之间的流体连通，所述涡轮机转子位于所述涡轮机喷嘴筒组件内，所述涡轮机喷嘴筒组件位于所述轴承壳体的后方；

vi.向后连接到所述涡轮机转子护罩部分或从所述涡轮机转子护罩部分延伸的喷嘴排气部分；以及

vii.在所述喷嘴排气部分的后部的外侧上的外部密封表面。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器芯，其中，所述涡轮机转子包括轴流式涡轮机转子，所述轴流式涡轮机转子位于所述前喷嘴壁的后方和所述多个叶片的后方且在所述涡轮机喷嘴筒组件的所述涡轮机转子护罩部分内操作。

3.如权利要求1所述的涡轮增压器芯，其中，所述涡轮机转子包括径流式涡轮机转子，所述径流式涡轮机转子位于所述前喷嘴壁的径向内侧和所述多个叶片的径向内侧且在所述涡轮机喷嘴筒组件的所述涡轮机转子护罩部分内操作。

4.如权利要求1所述的涡轮增压器芯，其中，所述涡轮机转子包括混流式涡轮机转子，所述混流式涡轮机转子位于所述前喷嘴壁的后方和径向内侧以及所述多个叶片的后方和径向内侧，并且在所述涡轮机喷嘴筒组件的所述涡轮机转子护罩部分内操作。

5.如权利要求1所述的涡轮增压器芯，其中，所述压缩机转子包括径流式压缩机转子。

6.如权利要求1所述的涡轮增压器芯，其中，所述压缩机转子包括无孔轮毂压缩机转子，所述无孔轮毂压缩机转子包括与所述转子轴的前端的螺纹部分协作的向后延伸内螺纹凸台。

7.如权利要求1所述的涡轮增压器芯，进一步包括围绕所述压缩机转子的压缩机壳体，其中，所述压缩机壳体包括：

a.在所述压缩机转子的前方的中央进口；以及

b.在所述压缩机转子的径向外侧的蜗壳扩压器。

8.如权利要求1所述的涡轮增压器芯，其中，所述轴承壳体结合有从所述轴承壳体向后延伸的筒形台阶，所述涡轮机喷嘴筒组件的所述前喷嘴壁结合有被构造成与所述筒形台阶协作的筒形唇缘，所述筒形唇缘的内径和所述筒形台阶的相应外径被构造成在室温下提供干涉配合，同时还提供所述筒形唇缘相对于所述筒形台阶的热致膨胀，进一步包括多个径向销，所述多个径向销通过所述前喷嘴壁的所述筒形唇缘中的相应的多个径向孔，并进入所述筒形台阶，以用于保持并基本使所述涡轮机喷嘴筒组件相对于所述轴承壳体且相对于所述涡轮增压器转子组件的所述公共旋转轴线对中。

9.如权利要求8所述的涡轮增压器芯，其中，所述多个径向孔绕所述筒形台阶对称地定位。

10.如权利要求8所述的涡轮增压器芯，进一步包括位于所述轴承壳体与所述腔体的所述前端处的所述前密封表面之间的接头衬套，其中，所述接头衬套以足够的余隙围绕所述前喷嘴壁的所述筒形唇缘，以用于所述筒形唇缘在所述涡轮增压器芯的操作期间响应于所述内燃机的排气而在所述腔体内的不受限制的热致径向膨胀，并且所述接头衬套用于将所述多个径向销捕获在所述筒形台阶中的相应的多个径向孔内。

11.如权利要求10所述的涡轮增压器芯，其中，所述接头衬套的后表面被定位且以圆角成形，以提供从所述腔体的内壁到所述涡轮机喷嘴筒组件的所述前喷嘴壁的基本上连续过渡。

12.如权利要求1所述的涡轮增压器芯，其中，所述至少一个轴承包括：

a.在所述轴承壳体的前部内的前滚动元件轴承；以及

b.在所述轴承壳体的第二后部内的后轴颈轴承。

13.如权利要求1所述的涡轮增压器芯，进一步包括在所述轴承壳体内的冷却子系统，所述冷却子系统包括：

a.冷却套管；

b.在所述轴承壳体上的与所述冷却套管流体连通的冷却进口；以及

c.在所述轴承壳体上的与所述冷却套管流体连通的冷却出口，其中，所述冷却套管用于响应于从所述冷却进口到所述冷却套管中并从所述冷却套管出来的冷却剂流来冷却所述至少一个轴承。

14.如权利要求12所述的涡轮增压器芯，进一步包括在所述轴承壳体内的润滑系统，所述润滑系统包括：

a.进油口；

b.与所述进油口流体连通的至少一个油分配通道，其中，所述至少一个油分配通道用于将油从所述进油口分配到所述前滚动元件轴承和所述后轴颈轴承；

c.回油腔体，所述回油腔体用于接收由所述至少一个油分配通道分配到所述前滚动元件轴承和所述后轴颈轴承的所述油；以及

d.回油口，所述回油口被构造成使来自所述回油腔体的所述油返回到外部油供应源。

15.如权利要求1所述的涡轮增压器芯，其中，所述涡轮增压器芯被结合在涡轮增压器组件中，所述涡轮增压器组件进一步包括：

a.所述腔体，其中，所述腔体与所述内燃机的至少一个排气导管部分成一体；

b.延伸通过所述腔体的侧壁的第一排气口，其中，在相对于所述公共旋转轴线组装在所述腔体中时所述第一排气口的中心线位于所述涡轮增压器转子组件的旋转轴线的径向外侧；

f.延伸通过所述腔体的后端壁的第二排气口，其中，所述第二排气口用于与所述内燃机的排气系统流体连通，并且所述喷嘴排气部分的出口通过所述腔体的所述后端壁与所述第二排气口流体连通；以及

g.在所述腔体的后部内或与所述腔体的后部邻近的密封元件，其中，所述密封元件与所述涡轮机喷嘴筒组件的所述外部密封表面协作，以用于保持在所述密封元件和所述外部密封表面之间的密封条件基本上不受在所述涡轮增压器组件的操作期间所述涡轮机喷嘴筒组件的热致膨胀或收缩的影响，其中，所述密封条件用于基本上抑制在没有首先通过所述涡轮机喷嘴筒组件的所述涡轮机转子护罩部分的情况下从所述腔体到所述第二排气口的直接流体连通。

16.如权利要求15所述的被结合在涡轮增压器中的涡轮增压器芯，其中，所述内燃机的所述至少一个排气导管部分包括所述内燃机的排气歧管部分，并且所述第一排气口直接联接到所述内燃机的所述排气歧管部分的出口。

17.如权利要求16所述的被结合在涡轮增压器中的涡轮增压器芯，其中，所述内燃机的所述排气歧管部分与所述内燃机的相应汽缸头部分成一体。

18.如权利要求17所述的被结合在涡轮增压器中的涡轮增压器芯，其中，所述腔体与所述内燃机的至少一个冷却水通道具有热传递关系。

19.如权利要求18所述的被结合在涡轮增压器中的涡轮增压器芯，进一步包括在所述腔体的至少大部分内的热屏蔽衬里。

20.如权利要求19所述的被结合在涡轮增压器中的涡轮增压器芯，其中，所述热屏蔽衬里由包括多个隔离凹痕的金属片构成，所述多个隔离凹痕用于将所述热屏蔽衬里的大部分与所述腔体的内表面分离。

21.如权利要求16所述的被结合在涡轮增压器中的涡轮增压器芯，其中，所述内燃机的所述排气歧管部分与所述内燃机的相应汽缸头部分分离且能附接于所述相应汽缸头部分。

22.如权利要求15所述的被结合在涡轮增压器中的涡轮增压器芯，其中，所述第一排气口在所述内燃机的汽缸头组件内从所述内燃机的相应的一个或多个汽缸直接联接到一个或多个排气流道。

23.如权利要求15所述的被结合在涡轮增压器中的涡轮增压器芯，其中，在所述涡轮机喷嘴筒组件的所述涡轮机转子护罩部分和所述喷嘴排气部分中的至少一个的外部的所述腔体内的区域包括从所述涡轮机喷嘴筒组件的所述第一排气口至所述周边进口操作的涡形形状。

24.如权利要求15所述的被结合在涡轮增压器中的涡轮增压器芯，进一步包括在所述腔体内的紧邻其所述后端壁的沉孔，其中，所述密封元件包括在所述喷嘴排气部分的所述后部分上的所述外部密封表面的至少一部分周围的密封环，并且所述密封环与所述沉孔内的内部凹槽协作。

25.一种涡轮机喷嘴筒组件，所述涡轮机喷嘴筒组件适合于与关联涡轮增压器芯的涡轮机转子协作，所述涡轮机喷嘴筒组件包括：

a.前喷嘴壁，其中，所述前喷嘴壁包括：

i.围绕所述涡轮机喷嘴筒组件中的前开口的第一回转表面；以及

ii.位于所述第一回转表面的前端处的筒形唇缘，其中，所述筒形唇缘被构造成配合在从所述涡轮增压器芯的关联轴承壳体向后延伸的相应筒形台阶上，所述筒形唇缘结合有多个径向孔，并且所述多个径向孔被构造成与从所述筒形台阶径向向外地延伸的相应的多个径向销协作，以用于在所述筒形唇缘相对于所述筒形台阶热膨胀时保持所述涡轮机喷嘴筒组件相对于所述轴承壳体的同心；

b.后喷嘴壁，其中，所述后喷嘴壁包括与所述前喷嘴壁同心且与所述前喷嘴壁向后间隔开的第二回转表面；

c.位于在所述前喷嘴壁的前部的径向周边部分与所述后喷嘴壁的径向周边部分之间形成的间隙中的到所述涡轮机喷嘴筒组件的周边进口；

d.在所述前喷嘴壁和所述后喷嘴壁之间的多个叶片，其中；

e.向后连接到所述后喷嘴壁或从所述后喷嘴壁延伸的涡轮机转子护罩部分，其中，所述多个叶片与所述前喷嘴壁及所述后喷嘴壁之间的区域提供所述周边进口与所述涡轮机转子护罩部分之间的流体连通，所述涡轮机转子护罩部分用于在其内部接收关联涡轮增压器芯的涡轮机转子的至少一部分；

f.向后连接到所述涡轮机转子护罩部分或从所述涡轮机转子护罩部分延伸的喷嘴排气部分；以及

g.在所述喷嘴排气部分的后部的外侧上的外部密封表面，其中，所述外部密封表面被构造成与相应的密封元件协作，以用于保持在所述外部密封表面和所述相应的密封元件之间的密封条件基本上不受在所述涡轮机喷嘴筒组件的操作期间所述涡轮机喷嘴筒组件的热致膨胀或收缩的影响。

26.如权利要求25所述的涡轮机喷嘴筒组件，其中，所述前喷嘴壁包括第一扫掠回转曲面，并且所述后喷嘴壁的所述前部包括第二扫掠回转曲面。

27.如权利要求25所述的涡轮机喷嘴筒组件，其中，所述涡轮机喷嘴筒组件由金属片形成，并且所述多个叶片由部分延伸通过所述前喷嘴壁中的相应狭槽和所述后喷嘴壁的所述前部的金属片构成。

28.如权利要求25所述的涡轮机喷嘴筒组件，其中，利用容纳套筒来加固所述涡轮机转子护罩部分。

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