CN102395768B - 带有可变蜗壳流量体积的简化的可变几何形状涡轮增压器 - Google Patents

带有可变蜗壳流量体积的简化的可变几何形状涡轮增压器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种被简化的但能够维持脉冲能量的可变几何形状涡轮增压器。在一个第一实施方案中，一个涡轮机壳体配备有一个枢转壁，这个枢转壁围绕一个在该涡轮机壳体的入口附近的点进行枢转。通过将这个壁围绕这个枢转点移动，该涡轮机壳体蜗壳的有效容积被改变，因此有效地减少了这个蜗壳中的排气体积，从而允许控制流动到达涡轮机叶轮的排气。在本发明的第二实施方案中，在这个蜗壳之内的一个旋转性楔形区段从一个第一位置中被转动到一个第二位置中，从而改变了这个蜗壳的有效容积并且从而允许控制流动到达涡轮机叶轮的排气。

Description

带有可变蜗壳流量体积的简化的可变几何形状涡轮增压器
技术领域
本发明着手解决对于一种能够维持脉冲能量的低成本涡轮机流动装置的需要，并且这是通过设计一种具有可变蜗壳流量体积的、简化的可变几何形状涡轮增压器而实现的。
背景技术
涡轮增压器是一种强制性进气系统。它们将空气以与在正常吸气布置中将有可能的情况相比更大的密度传送到发动机进气系统、从而允许燃烧更多的燃料，因此在没有明显增加发动机重量的情况下提升了发动机的马力。这就能够使用一台较小的涡轮增压的发动机来替代一台较大物理尺寸的正常吸气的发动机，因此减少了车辆的质量以及空气动力学的前端面积。
涡轮增压器(图1)使用来自发动机排气歧管的排气流动100(该排气流动在涡轮机壳体2的涡轮机入口51处进入涡轮机壳体)来驱动一个涡轮机叶轮70，该涡轮机叶轮位于涡轮机壳体内。这种涡轮机叶轮被稳固地附着到一个轴上，该轴的另一端包括一个压缩机叶轮20，该压缩机叶轮被安装到该轴上并且通过来自一个压缩机螺母的夹紧负载而保持在位。该涡轮机叶轮的主要功能是提供驱动该压缩机的旋转能量。一旦排气已经通过涡轮机叶轮70并且涡轮机叶轮已经从该排气中提取了能量，用过的排气101就通过出口导流器52从涡轮机壳体2排出并且被输送到车辆下行管并且通常到达一些后处理装置上，如催化转化器、微粒和NOx收集器。
由涡轮机级产生的动力是跨过涡轮机级的膨胀比的一个函数。这就是从涡轮机入口51到涡轮机出口导流器52的膨胀比。除其他参数外，涡轮机动力的范围是通过该涡轮机级的气流的一个函数。
压缩机级由一个叶轮及其壳体组成。过滤的空气通过压缩机叶轮20的转动被轴向地抽取到压缩机盖件10的入口11中。由涡轮机级产生的、到达轴和叶轮上的动力驱动压缩机叶轮20以便产生静态压力与一些剩余能量和热量的一种组合。被加压的气体穿过压缩机排放口12从压缩机盖件10排出并且通常经由一个中冷器被传送到发动机进气中。
涡轮机级的设计是以下各项的一种折衷，即：在发动机运行范围中在不同流动状况下用来驱动压缩机所要求的动力；该级的空气动力学设计；旋转组件的惯量，其中，涡轮机的惯量是大部分，因为涡轮机叶轮典型地由铬镍铁合金(它具有的密度是压缩机叶轮的铝密度的3倍)制造；涡轮增压器的运行周期，它影响该设计的结构以及材料方面；以及相对于叶片激励而言该涡轮机叶轮的上游以及下游的近场作用(near field)。
涡轮机壳体的物理设计的一部分是一个蜗壳47，其功能是用来控制到达涡轮叶轮的这些进入状态，这样这些进入流动状态提供了与最佳的瞬态响应特征相结合的、从排气中的能量到由该涡轮机叶轮产生的动力的、最有效的动力传递。理论上讲，来自发动机的、进入的排气流是以一种均匀的方式从蜗壳被传送到以涡轮机叶轮轴线为中心的一个涡旋上。为了做到这一点，理想地，该蜗壳的截面面积在垂直于流动的方向上处于一个最大值并且逐渐并连续地减少直到它变为零。蜗壳的内边界可以是定义为基圆71的一个完美的圆；或者在某些情况下，如图2中可见的一个双蜗壳48、49，它可以描绘一条螺旋线，其最小直径不小于该涡轮机叶轮直径的106％。如以上说明的，该蜗壳在如图4中描绘的在由“X-Y”轴线定义的一个平面中是由蜗壳的外边界45、46的不断减少的半径以及由内边界定义的，并且在如图8A和图8B中描绘的在穿过“Z”轴线的平面中是由在每个位置的截面区域定义的。“Z”轴线是垂直于由“X-Y”轴线所定义的平面的、并且还是该涡轮机叶轮的轴线。
出于产品设计的一致性考虑，在此使用了一种系统，其中这种蜗壳的展开起始于切面“A”，该切面被定义为该蜗壳剩余部分的基准。这个基准(切面“A”)被定义为高于该涡轮机壳体的“X”轴线一个“P”度的角度处的切面，该涡轮机壳体包含该蜗壳形状的“X”轴线、“Y”轴线以及“Z”轴线的细节。
该蜗壳的尺寸和形状是按以下列方式定义的：广泛使用的术语A/R代表了切面“A”处的局部面积除以从阴影的流动区域160的形心161到该涡轮中心线的距离之比。在图8A以及图8B中，这些形心161确定了到涡轮中心线的距离RA和RB。对于一个系列的涡轮机壳体的不同构件，总体形状保持相同，但切面“A”处的面积是不同的，距离RA也是不同的。该A/R比率通常被用作一个特定的涡轮机壳体的“名称”，以便将该涡轮机壳体与同一系列中的其他涡轮机壳体(具有不同的A/R比率)相区别。在图8A中，该蜗壳是一个具有适当圆形形状的蜗壳。在图8B中，该蜗壳是一种分开的涡轮机壳体的蜗壳，它迫使该形状成为适当的三角形。虽然在切面“A”处对于两个蜗壳而言面积是相同的，但是形状是不同的并且到形心的半径是不同的(由于蜗壳形状)，所以这些A/R将是不同的。将切面“A”从“X”轴线偏移角度“P”。于是，该涡轮机壳体在几何学上被分为多个相等的径向切面(通常30°，因此在(30x+P°)处)，并且限定了这些面积(AA-M)以及这些半径(RA-M)连同其他几何定义(如拐角半径)。从这个定义开始，产生了沿这些蜗壳壁的点样条(splines of points)，因此，定义了该蜗壳的整个形状。壁的厚度被增加到该内蜗壳形状上，并且通过这种方法定义了一个涡轮机壳体。
对于一个给定面积而言理论上优化的蜗壳形状是一个圆形截面的形状，因为它具有最小的表面积，这使流体摩擦损失最小化。然而，该蜗壳并不是单独起作用而是一个系统的一部分；所以对在从切面“A”(在图4中示出)到切面“M”的平面、以及从“M”到舌部的这些平面中的流动的要求影响了该涡轮机级的性能。这些要求通常导致，多种折衷(如，涡轮机壳体外部的构造要求、涡轮机壳体到支撑壳体上的定位和安装的方法、以及从切面“A”到涡轮机底座51的过渡)相结合而迫使涡轮机壳体蜗壳具有矩形或者三角形截面、以及处于圆形或所有形状的组合。图1中示出一个截面“D-K”，其中蜗壳的矩形形状是以下要求的结果：不仅要求将VTG叶片装入该空间以使得通过这些叶片的流动被优化并且使得这些叶片可以通过涡轮机壳体外部的装置而被移动和控制，而且还要求将该涡轮机壳体的外形线最小化从而将涡轮增压器安装在发动机上。
该涡轮机壳体底座通常具有一种标准设计，因为它与许多发动机的排气歧管相配合。该底座可以被定位为与该“蜗壳”成任何角度或者在相对于它的任何位置上。从这些底座气体通道到达该蜗壳的过渡是以一种提供了最好的空气动力学以及机械折衷的方式来实施。
在图2中该蜗壳的大致三角形的形状(在与以上那些相同的截面处截取的)对于固定的和有废气门的涡轮机壳体而言是更加典型的蜗壳几何形状。增加的分隔壁25是用来减小在这些蜗壳之间的空气动力学的“串扰”，以努力维持来自一个分开的歧管中的脉冲流，以便在由涡轮机叶轮提取的功中收获脉冲能量。排气歧管中的这些压力脉冲是发动机的点火顺序的一个函数。
涡轮机壳体典型地是按系列设计的(在一个系列中典型地有多达5个)，这些系列(在一个给定系列中)使用具有相同直径的涡轮机叶轮或者具有接近相同直径的一组叶轮。它们可以使用相同的涡轮机底座尺寸。例如，用于63mm涡轮机叶轮的一个涡轮机壳体系列可以覆盖从1.8到2.2的A/R范围。图5描绘了用于一个系列的三种蜗壳的面积安排。最大的蜗壳是一个1.2A/R的蜗壳，由虚点线45示出。最小的蜗壳是一个0.8A/R的蜗壳，由短划线46示出，并且在该系列中间的平均蜗壳，由实线示出。X轴线描绘了该切面的角度，从30°(截面“A”)到360°(舌部)；Y轴线描绘了在对应角度处的截面面积。典型地，在一个设计系列中从一个A/R到下一个A/R，在切面“A”处，在截面面积方面存在8％至10％的不同(在给出的情况下是12个区域)。
一些涡轮机叶轮被确切地设计为利用这种脉冲能量并且将它转换为旋转速度。因此，在分开的涡轮机壳体中的一个脉冲流涡轮机叶轮的、来自排气的压力和速度到该涡轮机叶轮速度的转换是大于来自一个稳定状态排气流动的压力和速度到该涡轮机叶轮速度的转换的。这种脉冲能量在商用柴油发动机中比在汽油发动机中更占主导地位，这些商用柴油发动机以约2200RPM运行、在1200至1400RPM时具有峰值扭矩，而这些汽油发动机以更高的旋转速度(通常高达6000RPM)运行、在4000RPM时具有峰值扭矩。因而这种脉冲也不是限定的。
基本的涡轮增压器构形是一个固定的涡轮机壳体的构形。在这种构形中，涡轮机壳体蜗壳的形状和容积是在设计阶段确定的并且铸造在位的。
复杂度的下一个层级是有废气门的涡轮机壳体。在这个构形中，蜗壳被铸造在位，如用以上的固定构形。在图2中，这种有废气门的涡轮机壳体的特征为一个端口54，该端口将涡轮机壳体蜗壳49流体地连接到涡轮机壳体出口导流器52上。因为在该蜗壳侧上的端口是在涡轮机叶轮70的上游，并且在该出口导流器侧上的、该端口的另一侧是在该涡轮机叶轮的下游，经过连接这些端口的导管的流动绕过涡轮机叶轮70，因此不会促进传送到涡轮机叶轮上的动力。
该废气门在其最简单形式下是一个阀门55，该阀门可以是一个提升阀。它可以是类似于图2中的阀门的一种摆动式阀门。典型地，这些阀门是通过一个“假”的致动器来运行，该致动器感测增压压力或真空以启用被连接到该阀门上的一个膜片，并且在没有与发动机ECU特别连通的情况下运行。以此方式，该废气门阀门的作用是将全负载增压曲线的顶部切除，因而限制了到发动机的增压水平。直到该阀门打开之前，该废气门构形对于增压曲线的这些特性没有影响。更加复杂的废气门阀门可以感测大气压的压力或者具有电子超弛补偿或控制，但直到它们致动以开放或关闭该阀门之前，它们全部都对增压曲线不具有任何影响。
图6A描绘了一个固定的涡轮机壳体的增压曲线65。“X”轴线60描绘了膨胀率，“Y”轴线61描绘了压力比。图6B描绘了与用于图6A的A/R相同的一个有废气门的涡轮机壳体67、或者其中该废气门阀门未打开的一个有废气门的涡轮机壳体的增压曲线。在图6B中，可以看到增压曲线67的形状在阀门打开的点66处与在图6A中的增压曲线65完全相同。在该点之后，该增压曲线是平坦的。虽然可以使用一个废气门来限制增压水平，但其涡轮机动力控制特性是不成熟的并且粗糙的。
有废气门的涡轮机壳体的一个有利的副产品是有机会减小涡轮机壳体的A/R。因为增压的上限是由该废气门控制的，A/R的减少能够提供更好的瞬态响应特性。如果有废气门的涡轮增压器具有一个“假”致动器，该致动器仅在压力或真空信号下工作并且在高海拔工作，那么阀门打开时的临界压力比就受到了不利的影响。因为致动器中的膜片感测了一侧上的增压压力以及另一侧上的大气压的压力，其倾向是使致动器较晚打开(因为海拔高度处的大气压的压力比海平面处的低)，从而导致发动机的过度增压。
发动机增压的要求是压缩机级选择的主导性驱动因素。压缩机的选择与设计是以下各项之间的一个折衷，即：发动机的增压压力要求；由发动机所要求的质量流量；由应用要求的效率；由发动机以及应用所要求的映射宽度；发动机经受的海拔高度以及占空比；发动机的汽缸压力限制；等等。
这对于涡轮增压器运转很重要，原因是给涡轮机级增加一个废气门允许用一个更小的涡轮机叶轮和壳体与低速范围相匹配。因此，增加一个废气门随之带来了减小惯量的选项。因为在旋转组件的惯量上的减少典型地导致颗粒物质(PM)的减少，废气门在公路车辆上已经变得常见了。问题是多数废气门在它们的运行中在某种程度上是二元性的，这不会与在发动机输出与发动机速度之间的线性关系很好地相配合。
在涡轮增压器的增压控制中下一个复杂度层级是VTG(对于可变涡轮几何形状的统称)。这些涡轮增压器中的有些具有旋转叶片；而有些具有滑动段或环。用于这些装置的一些名称是：可变涡轮几何形状(VTG)、可变几何形状涡轮机(VGT)、可变喷嘴涡轮机(VNT)、或者仅仅是可变几何形状(VG)。
VTG涡轮增压器利用可调整的导向叶片，如图3A以及图3B，这些导向叶片可转动地连接到一对叶片环上和/或喷嘴壁上。对这些叶片进行调整以便通过调节到达涡轮机叶轮的排气流动来控制排气背压以及涡轮增压器速度。在图3A中，这些叶片31是处于最小开放位置。在图3B中，这些叶片31是处于最大开放位置。这些叶片可以通过接合在一个协调环中的多个指形件而可转动地被驱动，这些指形件可以被定位在上叶片环之上。为了清楚起见，这些细节已经从附图中省略。VTG涡轮增压器具有大量非常昂贵的合金部件，必须将这些合金部件组装和定位在涡轮机壳体中，这样在它们被暴露于其中的热运行条件的范围上，这些导向叶片相对于该排气供应流动通道以及涡轮机叶轮保持了适当的定位。温度以及腐蚀条件迫使在所有内部部件中使用特殊的合金。获得、机加工、以及焊接(在有要求时)它们是非常昂贵的。因为VTG的设计可以非常迅速地改变涡轮增压器速度，对于防止不希望的速度偏移而言大规模的软件和控制是必要的。这转化成了多个昂贵的致动器。虽然已经广泛采用不同类型和构形的VTG来控制涡轮增压器增压水平以及涡轮机背压水平，但硬件成本以及实施成本是较高的。
如果考虑一个有废气门的涡轮作为成本的基线，那么在同一生产量下，一个典型的VTG的成本是相同尺寸的固定的涡轮增压器成本的从270％到300％。这种差异是由于多个相关因素造成的，从部件的数量、这些部件的材料、在制造和机加工这些部件时要求的准确度，到致动器的速度、准确度、以及可重复性。在图7中的图表示出了从固定的到VTG的涡轮增压器的范围的相对成本。柱“A”代表一个固定涡轮增压器对于给定的应用的基准成本。柱“B”代表对于相同应用的一个有废气门的涡轮增压器的成本，并且柱“C”代表对于相同应用的一个VTG的成本。
由此可见，由于技术原因以及成本驱动因素二者，在此所需的是一个相对低成本的涡轮机流动控制装置，该装置就成本而言适合处在有废气门的装置与VTG之间。对于这样一种装置的目标成本价格需要是在一个简单、固定的涡轮增压器的成本的145％到165％范围之内。
发明内容
本发明涉及一种简化的、低成本的涡轮机流动控制装置，这种装置使用了一个枢转性的蜗壳外壁或者一个弯曲的楔形区段，以便控制在涡轮机壳体内的排气流动的有效流量体积的变化。
附图说明
在附图中通过举例而非限制的方式展示了本发明，在附图中类似的参考号表示相似的部件，并且在附图中：
图1描绘了一种典型的VTG涡轮增压器的截面；
图2描绘了一种典型的有废气门的涡轮增压器的一对截面；
图3A和图3B描绘了一种典型的VTG涡轮增压器的一对截面；
图4描绘了示出结构径向线的一个典型的固定涡轮机壳体的截面；
图5是截面面积的发展的图表；
图6A和图6B描绘了对于一种典型的固定式的以及一种有废气门的涡轮增压器的压缩机映射图；
图7是示出了涡轮增压器相对成本的一个图表；
图8A和图8B描绘了在切面“A”处的两类蜗壳的截面；
图9A和图9B描绘了一个枢转性外蜗壳壁处于两个位置中的两个视图；
图10描绘了图9A的截面B-B的视图；
图11A和图11B描绘了一个带有分隔壁的枢转性外蜗壳壁的两个视图；
图12描绘了图11A的截面B-B的视图；
图13描绘了致动器弹簧的截面视图；
图14描绘了带有一个致动器的构形的截面视图；
图15A和图15B描绘了第二实施方案的弯曲的楔形区段的两个视图；
图16A和图16B描绘了示出多个引导凹槽的两个视图；
图17描绘了组件的一个末端视图；
图18A和图18B描绘了图17的两个截面C-C和D-D；
图19A和图19B描绘了带有多个分隔壁的、图17的两个截面C-C和D-D；
图20A、20B和20C描绘了本发明第二实施方案的第一变体的一个末端视图和多个截面；
图21A、21B和21C描绘了本发明第二实施方案的第二变体的一个末端视图和多个截面；并且
图22描绘了带有一个齿条和小齿轮型致动装置的一个实施方案。
具体实施方式
使用由排气流动“润湿”的多个叶片以及用于控制和移动所述叶片的机构增加了大量的成本。这种增加使得基本涡轮增压器的成本变为两倍以上。因为多个叶片的使用导致了非常昂贵的涡轮增压器并且多个叶片的使用致使排气流动中可供使用的脉冲流分量衰减，诸位发明人试图寻找能够以一种成本有效的方式来调节到达涡轮机叶轮的排气流动同时维持该排气流动中的脉冲能量的能力。因此，诸位发明人生产了带有一个或者多个滑动性或者枢转性蜗壳径向外壁的设计以便提供一种既成本有效又技术有效的替代方案用于控制到涡轮机的排气的流动。除了以上这些益处，诸位发明人力图提供与低流量状况相配合的一种涡轮增压器，这种涡轮增压器会为低流量提供优化的涡轮(以及因此的发动机)的瞬态响应，同时在低流量状态之外能够在同一成本有效的涡轮增压器中传送发动机所要求的高流量。
当一个涡轮增压器与一个发动机的最大流动要求相匹配时，就满足了在发动机的全体运行状态下的流动要求。问题是，将涡轮增压器与最大流动要求相匹配意味着，涡轮机壳体蜗壳(以及因此的流量)的大小对于低发动机流量状态来说是太大的。涡轮增压器的瞬态响应特征是迟钝的，因为整个的蜗壳必须被填满以便将流动传送到涡轮机叶轮上。因为为了符合这个低流量要求而减少一个涡轮增压器涡轮机壳体的A/R意味着正在典型的速度限制之内运行的涡轮增压器不能为发动机运行状态的上端的高流量要求提供足够的流量，所以诸位发明人认识到了提供一种新颖的可变几何形状涡轮增压器的需要。考虑到与现有技术的可变几何形状涡轮增压器相关联的脉冲能量的消耗与损失，诸位发明人力图找到一种新的简单的方式来控制通过涡轮机壳体的气流。
涡轮机壳体蜗壳的形状和尺寸是由截面“A”的面积限定的，并且在截面“A”下游的全部特征以及尺寸都是受在截面“A”处的这些特征以及尺寸控制的。这个系统被用于在由一个涡轮增压器制造厂商设计和生产的这些涡轮增压器内保持设计的一致性。
根据本发明，诸位发明人提供了一种新颖的涡轮机设计，这种涡轮机设计通过对蜗壳外壁的位置的改变起作用而能够对蜗壳形状的改变进行近似，优选地近似于从一个系列的涡轮机壳体中的一个成员到这个系列中的下一个成员的改变。
对蜗壳形状的改变产生了这个蜗壳的有效流量体积的改变。这个“有效流量体积”可以被看做是由被排气流动润湿的这些表面所围成的体积。也就是说，不参与流动的“死区”是没有包括在“有效流量体积”之内的，即使它们在严格意义上来说可能构成了这个涡轮机壳体的部分排量。这个有效流量体积是多个流动动态特性的产物并且是根据该涡轮机级的行为方式而变的。本发明的诸位发明人意识到，改变蜗壳的这个“有效”体积足以改变涡轮机壳体的或者更确切地说是蜗壳的性能。这可以例如通过提供带有一个可移动的壁区段(下文称为一个“可枢转的外蜗壳壁”)的蜗壳来完成。
例如，通过由一个锚定的上游末端以及一个自由的下游末端来限制的一个可枢转的外蜗壳壁(在一个第一位置中，该可枢转的外蜗壳壁是更靠近、并且优选后退进入蜗壳外壁，而在一个第二位置中，该可枢转的外蜗壳壁被枢转从而移动得更靠近舌部和涡轮机叶轮)，这种涡轮增压器的行为几乎排他地由该可枢转的外蜗壳壁的径向向内的空间所决定，即由该涡轮机的“有效流量体积”决定。也就是说，在该第二位置中，在这个可枢转的外蜗壳壁与这个涡轮机壳体壁之间的空间变成一个有效“死区”。这种蜗壳外壁位置的改变因此产生了涡轮增压器蜗壳的有效形状的改变以及因此的涡轮增压器的行为的改变。
通过控制涡轮机壳体的有效流量体积，诸位发明人力图控制通过涡轮机壳体到达涡轮机叶轮上的气体的质量流量。当发动机要求处于低速、低负载条件时，为了符合这些条件所要求的增压水平是相对低的。当发动机要求处于高速、高负载条件时，为了满足这些发动机条件所要求的增压水平是高的。当发动机正从低负载条件向高负载条件转变时，要求该涡轮增压器以一个不断增加的压力比提供一个不断增加的空气体积。因为压缩机级是由涡轮机级驱动的，必须改变为了满足发动机(以及因此的压缩机)的要求所需要的排气的质量流量。在低负载、低速的发动机条件下，就质量流量而言该发动机的排气输出是低的。在高负载、高发动机速度的条件下，就质量流量而言该发动机的输出是高的。在转变阶段，排气质量流量必须从低向高改变。
问题是，必须将涡轮机级与两种发动机条件相匹配以便允许该涡轮增压器在两者中任一种条件下提供所要求的流量和压力比。为了迫使该涡轮增压器快速地改变速度，本领域技术人员将该涡轮增压器与一个较小A/R的涡轮机壳体相匹配。为了在高负载、高速条件下提供所要求的流量和压力比，本领域技术人员将该涡轮增压器与一个较大A/R的涡轮机壳体相匹配。前一种小A/R的涡轮机壳体会提供良好的瞬态响应特征，但是向涡轮机级提供的质量流量不足以生成高速、高负载的压缩机要求。后一种大A/R的涡轮机壳体会向该涡轮机级提供质量流量要求以用于高速高负载的增压要求，但是不会足够快地向该涡轮机级提供加速度以便产生可接受的瞬态响应。
同与高负载高速条件相匹配的一个涡轮机级相比，一个适当匹配的小A/R涡轮机级会提供可接受的瞬态响应，虽然这是以更高的背压为代价的。在一个非EGR发动机中，具有高的背压对横贯该发动机的压力差以及因此对该发动机的效率来说是负面的。在一个高压环路式EGR发动机构形中(与一个低压环路式EGR发动机构形相对)，在该排气系统中高的背压是有必要的，以便将来自该发动机的排气侧的这些排气驱动到该发动机的要增压的入口侧中。对于给定的一套发动机参数，与在同一套发动机参数下的一个较小的A/R涡轮机壳体相比，一个大的涡轮机壳体A/R会形成更低的排气背压。因此能够改变该发动机壳体有效A/R允许了一个单个的涡轮增压器既满足一种低速低负载条件的要求又满足一种高速高负载条件的要求。
通过使用一个可枢转的外蜗壳壁来控制被涡轮机壳体引导到涡轮机叶轮上的排气的质量流量，可以用一个单个的涡轮机壳体成本有效地满足两种条件。
在低流量条件下，该可枢转的外蜗壳壁被向内枢转，从而减少了通过这个空间的质量流量，即减少了该蜗壳的有效容积。该可枢转的外蜗壳壁的向内的移动在涡轮机壳体中舌部的下游处导致了该可枢转的外壁的尾随部分的形状，以便引导排气更剧烈地朝着涡轮机叶轮流动。(这个可移动的蜗壳的、弯曲的尾随末端的向内移动还具有引导排气流动使其更接近该涡轮机叶轮的作用。)这两种作用造成了该涡轮增压器的行为的改变。
诸位发明人意识到了，增压与背压的比值连同背压自身在海平面处以及高海拔处均是根据发动机速度以及负载而增加的，这使得在排气系统中的背压成为一个理想的控制参数用于确定可枢转的外蜗壳壁的目标位置。与当该可枢转的外蜗壳壁处于缩回位置时所存在的情况相比，当该可枢转的外蜗壳壁处于伸出位置时该涡轮机壳体如同一个较小A/R的涡轮机壳体而起作用。这导致了排气背压上升，这对于从发动机的排气侧到该发动机的入口侧的EGR流动来说是必要的，如所要求的。因此，可枢转的外蜗壳壁的移动可以被用来形成一个(从发动机的排气侧到该发动机的进气侧的)压力差以便协助从发动机的排气侧到该发动机的入口侧的EGR流动。
在本发明的第一实施方案中，蜗壳的有效流量体积是受从涡轮机壳体入口或者底座附近的一个锚定点枢转或者移动的、蜗壳的一个径向外壁控制的。在这个实施方案中，这个移动的壁的位置是受蜗壳内的排气压力(背压)的净效应控制的，这个排气压力受到一个弹簧的基座和弹簧系数的反作用。当发动机以低流动速度运行时，这些反作用力的净效应是致动器杆被这个弹簧伸长，并且这个可枢转的外壁被推入该蜗壳中，因此减少了通过该蜗壳的有效流量体积。当发动机以高流动速度运行、从而产生了高的背压时，净力效应是致动器弹簧被作用在该可枢转的外蜗壳壁上的压力压缩。这个可枢转的外蜗壳壁缩回其空腔中，并且在这个蜗壳内的有效流量体积被增加为相当于没有可枢转的外壁的一个更大尺寸(A/R)的固定涡轮机壳体的有效流量体积。
在图9A中，以低发动机排气流模式描绘了一个涡轮机壳体50。示出了可枢转的外蜗壳壁33，其中致动器轴14处于伸出位置，这样使得通过涡轮机壳体底座51进入该涡轮机壳体的排气流有效地具有与在图9B的实例情况下相比更小的、通过其中以进行流动的体积，从而模拟了一个更大排量的涡轮机蜗壳。在图9B中，可枢转的外蜗壳壁33处于缩回位置。因此，在该涡轮机壳体内对于排气的有效流量体积是处于最大值，从而模拟了一个更大A/R的涡轮机壳体蜗壳。
这个可枢转的蜗壳壁33被一个枢轴销34限制在该涡轮机壳体中，该枢轴销将这个可枢转的外蜗壳壁安装到涡轮机壳体50上同时允许所述可枢转的蜗壳壁围绕该枢轴销枢转。在这个可枢转的外蜗壳壁的另一端上，致动器轴14用一个紧固件35附接到该可枢转的外蜗壳壁上，该紧固件自由地在该致动器轴内的一个槽缝15中横向地滑动。这个槽缝允许了由于该蜗壳外壁围绕其下枢轴销34枢转而同时该致动器轴在一个支承36内上下滑动的事实所导致的横向位移的差值。
如在图10中可见，图中示出了图9A的截面B-B，一个典型的涡轮增压器活塞环密封件16驻留在致动器凸缘21内的一个凹槽中，在该致动器凸缘上驻留有致动器力机构壳体。这个活塞环被该致动器力壳体保持。这个用于活塞环密封件的凹槽还可以被制造到该致动器力壳体中并且被致动器凸缘21保持。活塞环密封件16径向地作用在致动器轴14上以便防止排气漏泄到环境中。
对于本发明的第一实施方案所要求的目标性能，诸位发明人通过将涡轮机壳体的“被润湿的表面”的体积与在一个系列的涡轮机壳体中邻近的A/R之间的涡轮机壳体的“被润湿的表面”的体积进行关联来限定对有效流量体积变化的要求，在一个系列中从一个小的A/R到下一个更大的A/R这个要求是8％至10％。在图9A和图9B所描绘的本发明示例性实施方案中，“被润湿的表面”体积的变化是8.8％。因此通过如图9A中一样伸出的这个可枢转的外蜗壳壁，这个发动机将具有改进的瞬态响应，这个瞬态响应大致相当于由具有下一个最小的A/R涡轮机壳体的同一个涡轮增压器所提供的瞬态响应。并且通过如图9B中一样被缩回的这个可枢转的外蜗壳壁，这个涡轮增压器可以提供到达该涡轮机叶轮的气体的最大质量流量，以便例如在额定点时生成对发动机所要求的增压水平。
体积变化的这一程度可能大于或者小于诸位发明人对于这一特定产品所限定的值，但是在所要求的质量流量或者增压方面的这些变化可以通过改变这个可枢转的外壁的尺寸和/或位移来满足。
当然，本发明不受限于这个8％-10％的差值，在实践中可以采用具有20％或者30％以及高达50％的截面差值的多种实施方案。真正重要的是允许到达这个TW的质量流量或者质量流量范围，它是一个设计参数，并如以上所讨论的，基于这些参数，本领域技术人员可以设计出利用本发明的这些益处的涡轮增压器。
涡轮机壳体2包括多个缓冲区22和23以便允许在该枢转蜗壳壁的背面上的肋材和总体形状缩回到最小位置中。这个肋材被设计为提供刚度，这样该枢转蜗壳壁可以被成本有效地铸造在韧性铁或者该涡轮机壳体的基体材料中。通过针对第一实施方案的、具有一个蜗壳分隔壁的变体，可能不再需要这个肋材，因为这个分隔壁将提供刚度。
出于铸造涡轮机壳体的目的，在这个涡轮机壳体中蜗壳的形状和尺寸是通过使用对所讨论的这些A/R中的较大的一个所限定的尺寸和形状来限定的。
在本发明的示例性实施方案中，在排气系统中的背压迫使该可枢转的外蜗壳壁抵靠在一个安装在致动器弹簧壳体38中的弹簧18上，如图13详细所示。为了满足对于在这个移动的蜗壳外壁中的不同运动速率的需求，可以通过替换具有不同系数的弹簧来改变弹簧系数。为了改变这个壁相对于蜗壳内的压力而移动时所处的点，可以在反作用凸耳39上添加多个垫片；或者这个弹簧凹陷的深度可以通过机加工致动器壳体38的安装面40的表面来调节，这取决于需要增加还是减少该弹簧座压力。在弹簧18和反作用凸耳39下方添加一个基部垫片允许了在不进行机加工的情况下调整该弹簧座压力。
在本发明的第一实施方案的一个变体中，采用了一种智能控制策略，这种策略使用了一个致动器替换一个弹簧安排以便将该可枢转的外蜗壳壁移动到所希望的位置上。在这个变体中，如图14中所见，致动器13可以受发动机ECU的控制以便命令这个可枢转的外蜗壳壁到达一个位置上，这个位置是通过发动机行为方面的改变而预判的。致动器的动力可以是电动的、气动的、真空的或者液压的。在与此类似的这些情况下，对致动器动力的选择是根据成本以及技术需求而变的。
通过使用本发明，以一种成本有效的方式控制了到达该涡轮机叶轮的排气流动，而没有像在带有多个叶片的VTG的情况下会出现的、排气中脉冲能量的衰减。
在本发明的第一实施方案的另一个变体中，可枢转的外壁33包括一个分隔壁26，该分隔壁被制造到本发明的示例性第一实施方案的可枢转的外壁中。如在图11A、图11B和图12中可见，该分隔壁与被铸造成涡轮机壳体2一部分的一个固定的分隔壁25相符合。使用该分隔壁的原因是为了保持来自该发动机的脉冲能量，因此可移动的分隔壁26以及固定的分隔壁25与固定的分隔壁25的一个偏置特征27相符合，以便确保在这些蜗壳(48与49)之间的串扰最小。
本发明的第二实施方案同样对通过涡轮机壳体蜗壳的有效流量体积的变化进行处理，但是以一种不同方式。在本发明的第二实施方案中，一个区段(包含一段蜗壳壁轮廓)围绕涡轮增压器的几何中心枢转，以便既提供这个蜗壳内的容积的改变又提供面积安排的改变。不同于经过切面“A”并且影响切面“A”处面积的第一实施方案(这是典型的涡轮机壳体设计)，在这个实施方案中这种影响全都在切面“A”的下游。
在本发明的第二实施方案中，涡轮机壳体蜗壳外壁74具有恒定的半径。安装在这个涡轮机壳体之内的是一个弯曲的楔形区段72(这个弯曲的楔形区段的径向内侧表面变成了这个蜗壳的“润湿”的外壁，而螺旋区段的径向外侧表面与这个涡轮机壳体铸件的恒定半径的外侧壁相配合)。在角度上可位移的弯曲楔形区段的这些侧壁是彼此平行的并且部分地在涡轮机壳体的这些侧壁后面行进。涡轮机壳体的这些侧壁保持了一个标准涡轮机壳体的螺旋形状和底部半径以便加强这个涡轮机壳体蜗壳几何结构的热力学效率。
在本发明的第二实施方案中，这个弯曲的楔形区段(在这个示例性实施方案中)被在这个涡轮机壳体铸件内的多个轨道76中运行的两套滚子77导向从而围绕涡轮中心线几何地枢转。为了将这些滚子77组装到弯曲的楔形区段72上，并且将这个弯曲的楔形区段组件组装到这个涡轮机壳体上，有必要将这个涡轮机壳体分成二件。在本发明的这个示例性实施方案中，这个涡轮机壳体被分成两半57和58，这两半可以用多个螺栓、或者多个螺母以及螺栓19紧固到一起，如图17所见。这样使得这个带有多个滚子的弯曲的楔形区段可以被组装到这两半涡轮机壳体57和58内的这些凹槽76中。
为了当这个弯曲的楔形区段围绕涡轮增压器中心被枢转时产生流量体积的变化，在此提供了一个腔室73以便当这个弯曲的楔形区段处于“最小”容积构形时将这个弯曲的楔形区段“隐藏”。当这个弯曲的楔形区段处于其“最大”构形时，这个腔室73的外壁变成了这个弯曲的楔形区段的内壁的连续部分。处于“最大”构形时，该弯曲的楔形区段可以行进直至角度“C”，如在图15A和图15B中所见。
角度“C”是两条线之间的角度。当这个弯曲的楔形区段在其腔室达到最大程度时，第一条线从涡轮增压器轴线延伸到这个弯曲的楔形区段的内表面与末端表面的交点处。第二条线是一条从涡轮增压器轴线到这个腔室的下边缘的线。
在图16A和图16B中，这个弯曲的楔形区段被隐藏以便详细显示滚子和轨道。这些滚子77被安装到弯曲的楔形区段72上并且在这些轨道76中运行。图17描绘了本发明的第二实施方案的组装后的侧视图。图18A和图18B示出了截面“C-C”和“D-D”以便示出弯曲的楔形区段72如何具有多个平行的侧面，这些平行的侧面被包含在每半涡轮机壳体57和58中的蜗壳表面的这些外侧面下方。
在本发明第二实施方案的第一变体中，如在图19A和图19B中所见，这个弯曲的楔形区段承载了一个分隔壁26以便防止在这些蜗壳48、49之间的脉冲能量的串扰从而将此能量传送到这个涡轮机叶轮上。为了使这些蜗壳之间的串扰最小化，在这个弯曲的楔形区段上的分隔壁26针对被铸造到涡轮机壳体中的固定分隔壁25的一种偏置进行了密封。这个分隔壁可以是实心的或者它可以具有在其中形成的多个连通槽缝，以便在要求压力平衡的情况下平衡左侧和右侧蜗壳的压力。
在本发明第二实施方案的第二变体中，这个弯曲的楔形区段被在这个涡轮机壳体蜗壳两侧上制造的一对凹陷引导，这样使得它与这个弯曲的楔形区段的轴向外表面以及内表面相配合。通过这个变体，这个弯曲的楔形区段可以通过这个涡轮机壳体底座被插入一个一件式涡轮机壳体中。
在本发明第二实施方案的第三变体中，如在图20A、20B、20C中所描绘的，涡轮机壳体50被铸造为一个单个铸件，其中一个槽缝79被制造在这个涡轮机壳体蜗壳壁的一侧上。槽缝79被制造为使得它具有一个底部，槽缝插入件80轴向地定位到该底部上。这个槽缝插入件在其内面上承载了用于这些滚子77的凹槽76，这个弯曲的楔形区段定位在该凹槽上。通过开放这个槽缝，在这个弯曲的楔形区段的相对侧上的这些用于滚子的凹槽可以被机加工到这个涡轮机壳体中。通过开放这个槽缝，用于这个弯曲的楔形区段的间隙也可以被机加工到这个涡轮机壳体中。当做好组装的准备时，这个弯曲的楔形区段与这些滚子一起被插入到这个涡轮机壳体中。槽缝插入件80被装配到涡轮机壳体50中，并且这个槽缝插入件被密封到这个涡轮机壳体上。这种密封和保持优选是通过跨过这个槽缝插入件将涡轮机壳体的这些槽缝边缘进行嵌销来执行的。这种密封和保持可以通过使用任何数量的保持方法(例如焊接、压力装配、螺栓连接等)来完成。
在本发明第二实施方案的第四变体中，如图21A、21B、21C中所描绘的，涡轮机壳体59被铸造为一个开放式壳体，其中闭合部分69包含多个外槽缝76特征。涡轮机壳体59被制造为包含内槽缝76的多个特征。在弯曲的楔形区段72、这些滚子77、与涡轮机壳体59以及闭合部分69两者的这些特征之间的侧面间隙是由不同特征(槽缝深度、滚子横向位置)的机加工、以及在内槽缝深度与一个面(闭合部分69与涡轮机壳体面在这个面上配合)之间的关系所确定的。在本发明示例性的第三变体中，闭合部分69是由在多个抽头的孔中的多个螺栓保持的；但是，它可以通过螺栓和螺母、通过锤击、通过嵌销、或者通过焊接得以保持。
在本发明示例性的第二实施方案中，这个弯曲的楔形区段的受命令的运动是由一个齿条82和小齿轮81驱动的，如图22所示。这个小齿轮被安装在这个涡轮机壳体的壁内，并且这个齿条被制造到这个弯曲的楔形区段的内面上。这种运动可以通过齿条以及小齿轮的一种不同构形、或者通过连接到这个弯曲的楔形区段的一个轴销上的一个线性致动器、或者通过以类似方式链接到这个弯曲的楔形区段上的一个旋转致动器来驱动。
现在已经说明了本发明，我们提出了权利要求：

Claims (18)

1.一种用于内燃发动机的涡轮增压器，包括：
    一个涡轮机壳体（2），该涡轮机壳体在一个涡轮机壳体底座（51）处包括一个用于接收排气的入口；
    一个涡轮机叶轮（70），该涡轮机叶轮可转动地安装在所述壳体内；
    一个用于将排气从所述入口引导到所述涡轮机叶轮上的蜗壳，所述蜗壳包括一个径向外壁，所述径向外壁由以下构成：
       该涡轮机壳体的一个固定的径向外壁区段，该固定的径向外壁区段以一个舌部终止，以及
       一个可枢转的径向外壁（33），该可枢转的径向外壁具有一个在该舌部上游被可枢转地安装到该涡轮机壳体（2）上的上游末端、以及一个弯曲的下游末端，所述可枢转的径向外壁可以从一个离该涡轮机叶轮更远的缩回位置枢转到一个更靠近该涡轮机叶轮的伸出位置；以及
    控制装置，以便控制该可枢转的径向外壁的下游末端从所述缩回位置到该伸出位置的移动。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中该涡轮机叶轮被稳固地附着到一个轴上，其中一个压缩机的一个压缩机叶轮（20）被安装到该轴的另一端上，其中来自一个发动机排气歧管的排气流动（100）在该涡轮机壳体（2）的涡轮机入口（51）处进入该涡轮机壳体（2）以便驱动该涡轮机叶轮（70）从而提供旋转动力来驱动该压缩机，由此加压后的气体通过压缩机排放口（12）退出压缩机盖件（10）并且被传送到该发动机进气口，
    其中所述可枢转的径向外壁（33）的轮廓被确定为使得当该可枢转的径向外壁从该缩回位置被移动到该伸出位置时：
    该可枢转的径向外壁（33）的一个上游部分与该舌部协作以便形成用于使排气流动加速的一种收缩，并且
    该可枢转的径向外壁的、弯曲的下游末端引导气体流动使其更接近该涡轮机叶轮，
    由此该蜗壳的有效流量体积被减少以便加强该发动机的瞬态响应。
3.如权利要求1所述的涡轮增压器，包括容纳了一个弹簧（18）的一个致动器弹簧壳体（38），该弹簧施加了一个弹簧力将该可枢转的径向外壁（33）推向该伸出位置，这样使得在背压低时该可枢转的径向外壁被所述弹簧推入到该伸出位置中，而在背压高时该背压克服了该弹簧力并且推动该可枢转的径向外壁以便使其枢转到该缩回位置。
4.如权利要求4所述的涡轮增压器，包括至少一个垫片以便增加弹簧座压力。
5.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述可枢转的径向外壁（33）包括从所述可枢转的径向外壁垂直延伸的至少一个加强肋。
6.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述控制装置选自下组，该组由以下各项组成：金属弹簧、液压致动器装置、气动致动器装置、或者电动致动器装置。
7.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述可枢转的径向外壁（33）包括从所述可枢转的径向外壁径向向内垂直延伸的一个分隔壁（26）。
8.如权利要求7所述的涡轮增压器，其中，所述分隔壁（26）是一个实心的分隔壁。
9.如权利要求7所述的涡轮增压器，其中，所述分隔壁（26）配备有多个开口。
10.一种用于内燃发动机的涡轮增压器，包括：
    一个涡轮机壳体（2），该涡轮机壳体在一个涡轮机壳体底座（51）处包括一个用于接收排气的入口；
    一个涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮可转动地安装在所述壳体内；
    一个用于将排气从所述入口引导到所述涡轮机叶轮上的蜗壳，所述蜗壳包括一个径向外壁，所述径向外壁由以下构成：
       该涡轮机壳体的一个固定的径向外壁区段，该固定的径向外壁区段以一个舌部终止，以及
       一个柔性的径向外壁，该柔性的径向外壁具有一个在该舌部上游被锚定到该涡轮机壳体（2）上的上游末端、以及一个弯曲的下游末端，所述柔性的径向外壁可以从一个离该涡轮机叶轮更远的缩回位置移动到一个更靠近该涡轮机叶轮的伸出位置；以及
    控制装置，以便控制该柔性的径向外壁的下游末端从所述缩回位置到该伸出位置的移动。
11.一种用于内燃发动机的涡轮增压器，包括：
    一个涡轮机壳体（2），该涡轮机壳体在一个涡轮机壳体底座（51）处包括一个用于接收排气的入口，所述涡轮机壳体包括一个蜗壳，该蜗壳带有一个具有恒定半径的径向外壁（74）；
    一个涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮可转动地安装在所述壳体内；
    一个旋转性的弯曲楔形区段（72），该旋转性的弯曲楔形区段由一个与所述具有恒定半径的涡轮机壳体壁（74）平齐的径向外壁、以及一个在下游方向上具有不断减小的半径的径向内壁所限定，所述弯曲的楔形区段因此具有一个锥形的上游末端以及一个宽的下游末端，所述旋转性的弯曲楔形区段被安装为在一个有效流量体积较低的位置与一个有效流量体积较高的位置之间转动；
    一个固定的弯曲楔形部分（73），该固定的弯曲楔形部分包括一个腔室并且具有一个外部，该腔室用于在该旋转性的弯曲楔形区段（72）被转动到一个有效流量体积高的位置时接收该旋转性的弯曲楔形区段的厚端，该外部在该旋转性的弯曲楔形区段被枢转到该有效流量体积低的位置时限定了该旋转性的弯曲楔形区段的一种连续性。
12.如权利要求11所述的涡轮增压器，其中，所述旋转性的弯曲楔形区段（72）被在该涡轮机壳体铸件内的多个轨道（76）中运行的多套滚动元件（77）引导。
13.如权利要求11所述的涡轮增压器，其中，所述旋转性的弯曲楔形区段（72）被该旋转性的弯曲楔形区段的表面以及在该涡轮机壳体铸件内的多个轨道引导。
14.如权利要求11所述的涡轮增压器，其中，所述控制装置选自下组，该组由以下各项组成：金属弹簧、液压致动器装置、气动致动器装置、或者电动致动器装置。
15.如权利要求11所述的涡轮增压器，其中，所述可枢转的径向外壁（33）包括从所述可枢转的径向外壁径向向内垂直延伸的一个分隔壁（26）。
16.如权利要求15所述的涡轮增压器，其中，所述分隔壁（26）是一个实心的分隔壁。
17.如权利要求15所述的涡轮增压器，其中，所述分隔壁（26）配备有多个开口。
18.一种用于控制用于内燃发动机的涡轮增压器中的背压的方法，该涡轮增压器包括：
    一个涡轮机壳体（2），该涡轮机壳体在一个涡轮机壳体底座（51）处包括一个用于接收排气的入口；
    一个涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮可转动地安装在所述壳体内；
    一个用于将排气从所述入口引导到所述涡轮机叶轮上的蜗壳，所述蜗壳包括一个径向外壁，所述径向外壁由以下构成：
       该涡轮机壳体的一个固定的径向外壁区段，该固定的径向外壁区段以一个舌部终止，以及
       一个可枢转的径向外壁（33），该可枢转的径向外壁具有一个在该舌部上游被可枢转地安装到该涡轮机壳体（2）上的上游末端、以及一个弯曲的下游末端，所述可枢转的径向外壁可以从一个离该涡轮机叶轮更远的缩回位置枢转到一个更靠近该涡轮机叶轮的伸出位置；以及
    控制装置，以便控制该可枢转的径向外壁的下游末端从所述缩回位置到该伸出位置的移动，
    所述方法包括：
    将所述可枢转的径向外壁（33）枢转到该伸出位置，这样使得该可枢转的径向外壁的上游部分与该舌部协作以便形成一个用于使排气流动加速的较小收缩，并且该可枢转的径向外壁的一个弯曲的终端部分引导气体流动使其更接近该涡轮机叶轮，由此减少该蜗壳的有效流量体积以便增加涡轮机背压，从而加强该系统将EGR流动从该发动机的排气侧驱动到该发动机的入口侧的能力，并且
    将所述可枢转的径向外壁（33）枢转到该缩回的位置，这样使得该可枢转的径向外壁的上游部分移动离开舌部以便形成一种受约束较少的流动，并且这样使得该可枢转的径向外壁的、弯曲的终端部分引导气体流动使其离该涡轮机叶轮更远，由此增加该蜗壳的有效容积以便减少涡轮机背压。
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