CN102536435A - 混合式可变流量蜗壳 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合式可变流量蜗壳，包括涡轮蜗壳，涡轮蜗壳内设有蜗壳进气流道和涡壳喷嘴环；蜗壳进气流道的其中一端设有一个蜗壳进气口，另一端设有蜗壳出气口；蜗壳进气流道通过隔板间隔成三个流道：第一进气流道、第二进气流道和第三进气流道，第一进气流道、第二进气流道和第三进气流道分别与蜗壳进气口相连通；第一进气流道为常开进气流道；第二进气流道和第三进气流道在靠近蜗壳进气口的位置设有进气调节阀门，进气调节阀门在打开或关闭的同时可以给流入第一进气流道的气流进行导流；本发明继承性好、成本低、容易快速实现工程化，结构中的进气调节装置结构简单，控制方式容易实现，可靠性高。

Description

混合式可变流量蜗壳
技术领域
本发明涉及一种可变流量蜗壳，具体的说是通过一种进气调节装置实现不同流道单独工作和共同工作来满足发动机各工况性能要求，并能改善发动机中速工况性能的混合式可变流量蜗壳，属于内燃机领域。
背景技术
随着排放法规要求的日益严格，人们对能够兼顾发动机全工况性能的增压器的需求越来越强烈，可变截面涡轮增压器（VGT）因能有效控制发动机的排气压力，可使增压器和发动机在各个工况下实现良好的性能匹配，成为了研发的重点。现已设计研发了多种可变截面涡轮增压器结构，主要有可变喷嘴环增压器（VNT）、可变喉口增压器、舌形挡板增压器等。但在实际应用中存在的问题是，发动机的进排气负压差很高，泵气损失过高，导致发动机低速工况油耗量偏高。目前，双流道涡轮增压器（DLP）结构得到了很大发展，专利CN101694166A公开了一种双层流道变截面涡轮机控制装置，该结构包括涡轮壳，涡轮壳内设有内外两个进气流道，发动机中高工况下，该装置通过阀门控制机构调节阀门的开度来调节进入蜗壳进气外流道的进气量，实现了变截面的功能。但该结构在发动机中高速工况下，在蜗壳外流道进气流道内易出现气流混流，并且在蜗壳内流道进气区域角度最大处气流会存在向蜗壳外流道回流的现象，影响了发动机中高工况下的性能。
因此，希望设计一种结构简单、可靠性高的混合式可变流量蜗壳（MVP）结构，用于改善发动机中速工况下的性能，能提高发动机低速工况的进气量和效率，提升发动机高工况下的增压比，满足发动机各个工况下的性能要求。
发明内容
本发明要解决的问题是针对变截面涡轮增压器结构的上述不足，提供一种满足发动机全工况性能要求，特别是改善发动机中速工况范围性能的混合式可变流量蜗壳。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种混合式可变流量蜗壳，包括涡轮蜗壳，涡轮蜗壳内设有蜗壳进气流道和涡壳喷嘴环；蜗壳进气流道的其中一端设有一个蜗壳进气口，另一端设有蜗壳出气口； 
蜗壳进气流道通过隔板间隔成三个流道：第一进气流道、第二进气流道和第三进气流道，第一进气流道、第二进气流道和第三进气流道分别与蜗壳进气口相连通；
第一进气流道为常开进气流道；
第二进气流道和第三进气流道在靠近蜗壳进气口的位置设有进气调节阀门，进气调节阀门在打开或关闭的同时可以给流入第一进气流道的气流进行导流；
当发动机处于低速工况范围时，进气调节阀门关闭，将第二进气流道和第三进气流道关闭，此时第一进气流道处于单独工作状态；
当发动机处于中速工况范围时，进气调节阀门打开一定角度，将第二进气流道打开，第三进气流道处于关闭状态，此时第一进气流道和第二进气流道同时处于工作状态；
当发动机处于高速工况范围时，进气调节阀门完全打开，将第二进气流道和第三进气流道打开，此时第一进气流道、第二进气流道和第三进气流道同时处于工作状态。
以下是本发明对上述方案的进一步改进：
第一进气流道、第二进气流道和第三进气流道上下排列设置。
另一种改进：第二进气流道与第一进气流道上下排列设置；第三进气流道与第二进气流道左右并排设置。
进一步改进：第一进气流道在周向上实现0-360度的全周进气；第二进气流道在周向上的进气区域角度为0-180度之间的任意之进气角度，所对应的第三进气流道在周向上的进气区域角度为180-360度之间的任意之进气角度，第二进气流道和第三进气流道的进气角度之和为360度。
进一步改进：进气调节阀门上靠近蜗壳进气口的一端设有与进气调节阀门一体连接的进气调节阀门轴，进气调节阀门轴与涡轮蜗壳转动连接。
进一步改进：进气调节阀门的截面形状为扇形结构，蜗壳进气流道内具有涡轮蜗壳内壁，涡轮蜗壳内壁上与进气调节阀门相对应的位置设有可容纳进气调节阀门的沉槽。
进一步改进：第二进气流道内具有第二进气流道内壁，第二进气流道内壁上设有与进气调节阀门相配合的进气调节阀门配合面。
进一步改进：第二进气流道和第三进气流道之间的隔板与进气调节阀门的端部之间具有间隙，该间隙控制在0-5mm之间，以保证可靠性和减少泄漏损失。
进一步改进：在所述第二进气流道和所述第三进气流道内靠近涡壳喷嘴环的进气区域内分别设有安装角度不等的若干导流叶片。
本发明采用上述方案，发动机处于低速工况范围时，进气调节控制机构带动进气调节阀门轴转动，从而带动一体连接的进气调节阀门转动，此时，第二进气流道和第三进气流道被关闭处于不工作状态，发动机排出的废气仅流经第一进气流道而带动涡轮叶轮做功，由于第一进气流道的流通截面积小且为360度全周进气，可有效提升涡轮的进气压力，提高废气中的可用能量，减少涡轮迟滞现象，提升低速工况下的压比。
发动机处于中速工况状态时，进气调节控制机构带动进气调节阀门轴转动，从而带动进气调节阀门转动，此时，第二进气流道被打开处于工作状态，第三进气流道被关闭处于不工作状态，发动机排出的废气流经第一进气流道和第二进气流道从而带动涡轮叶轮做功，由于蜗壳进气流道的截面积变大且为进气状态，又由于第二进气流道的进气区域并非全周进气，可有效满足发动机中等转速下进入涡轮叶轮的进气压力，提高发动机排出废气能量的利用率，满足发动机中等转速下的增压要求。
发动机处于高速工况状态时，进气调节控制机构带动进气调节阀门轴转动，从而带动一体连接的进气调节阀门转动，此时，第二进气流道和第三进气流道被打开处于工作状态，发动机排出的废气流经第一进气流道、第二进气流道及第三进气流道从而带动涡轮叶轮做功，由于蜗壳进气流道的截面积最大且为进气状态，又由于第一进气流道为360度全周进气，第二进气流道和第三进气流道的进气区域角度之和为360度，发动机排出的废气分别流经第一进气流道及第二进气流道和第三进气流道并以全周进气方式进入涡轮叶轮。在所有流道的共同工作下，实现涡轮进气流的合理分配，从而提高了增压比。
本发明继承性好、成本低、容易快速实现工程化，结构中的进气调节装置结构简单，控制方式容易实现，可靠性高。
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是本发明实施例1的结构示意图；
附图2是附图1中A-A向截面剖视图；
附图3是本发明实施例1中蜗壳进气口的结构示意图；
附图4是本发明实施例1中的进气调节阀门结构的立体图；
附图5是本发明实施例1中的进气调节阀门结构的平面图；
附图6是本发明实施例2的结构示意图；
附图7是附图6中的B-B向截面剖视图；
附图8是本发明实施例2中蜗壳进气口的结构示意图；
附图9是本发明实施例2中进气调节阀门结构的立体图；
附图10是本发明实施例2中进气调节阀门结构的结构示意图；
附图11是本发明实施例3中的蜗壳进气口的结构示意图。
图中：1-涡轮蜗壳；2-蜗壳进气口；3-蜗壳出气口；4-第一进气流道；5-第二进气流道；6-第三进气流道；7-进气调节阀门；8-进气调节阀门轴；9-涡轮蜗壳内壁；10-第二进气流道内壁；11-进气调节阀门配合面；12-沉槽；13-涡壳喷嘴环；14-导流叶片。
具体实施方式
实施例1，如图1、图2、图3所示，一种混合式可变流量蜗壳，包括涡轮蜗壳1，涡轮蜗壳1内设有蜗壳进气流道和涡壳喷嘴环13，蜗壳进气流道的其中一端设有一个蜗壳进气口2，另一端设有蜗壳出气口3。
蜗壳进气流道通过隔板间隔成上下排列设置的三个流道：第一进气流道4、第二进气流道5和第三进气流道6，第一进气流道4、第二进气流道5和第三进气流道6分别与蜗壳进气口2相连通。
第一进气流道4为常开进气流道；第一进气流道4在周向上实现0-360度的全周进气；
第二进气流道5在周向上的进气区域角度α为0-180度之间的任意之进气角度，所对应的第三进气流道6在周向上的进气区域角度β为180-360度之间的任意之进气角度，第二进气流道5和第三进气流道6的进气角度之和为360度；
第二进气流道5和第三进气流道6在靠近蜗壳进气口2的位置设有进气调节阀门7，进气调节阀门7在打开或关闭的同时可以给流入第一进气流道4的气流进行导流。
进气调节阀门7上靠近蜗壳进气口2的一端设有与进气调节阀门7一体连接的进气调节阀门轴8，进气调节阀门轴8与涡轮蜗壳1转动连接，进气调节阀门轴8在进气调节控制机构的带动下转动，带动一体连接的进气调节阀门7转动，从而使第二进气流道5和第三进气流道6处于打开或关闭状态。
当发动机处于低速工况范围时，进气调节阀门7关闭，将第二进气流道5和第三进气流道6关闭，此时第一进气流道4处于单独工作状态；
当发动机处于中速工况范围时，进气调节阀门7打开一定角度，将第二进气流道5打开，第三进气流道6处于关闭状态，此时第一进气流道4和第二进气流道5同时处于工作状态；
当发动机处于高速工况范围时，进气调节阀门7完全打开，将第二进气流道5和第三进气流道6打开，此时第一进气流道4、第二进气流道5和第三进气流道6同时处于工作状态。
如图4、图5所示，进气调节阀门7的截面形状为扇形结构；
如图2所示，所述蜗壳进气流道内具有涡轮蜗壳内壁9，所述涡轮蜗壳内壁9上与进气调节阀门7相对应的位置设有可容纳进气调节阀门的沉槽12。
第二进气流道5内具有第二进气流道内壁10，所述第二进气流道内壁10上设有与进气调节阀门7相配合的进气调节阀门配合面11。
第二进气流道5和第三进气流道6之间的隔板与进气调节阀门7的端部之间具有间隙h，该间隙h控制在0-5mm之间。以保证可靠性和减少泄漏损失。
所述第二进气流道5和所述第三进气流道6内靠近涡壳喷嘴环13的进气区域内分别设有安装角度不等的若干导流叶片（图中未示出），以诱导进入第二进气流道5和第三进气流道6的进气流以合适的气流角进入涡轮。
实施例2，如图6、图7、图8所示，本实施例是在实施例1的基础上进行的另一种改进，一种混合式可变流量蜗壳，包括涡轮蜗壳1，涡轮蜗壳1内设有蜗壳进气流道。
蜗壳进气流道的其中一端设有一个蜗壳进气口2，另一端设有蜗壳出气口3。
蜗壳进气流道包括三个工作流道：第一进气流道4、第二进气流道5和第三进气流道6，第一进气流道4、第二进气流道5和第三进气流道6分别与蜗壳进气口2相连通。
第二进气流道5与第一进气流道4上下排列设置；第三进气流道6与第二进气流道5左右并排设置。
在所述第二进气流道5和所述第三进气流道6内靠近涡壳喷嘴环13的进气区域内分别设有安装角度不等的若干导流叶片14。以诱导进入第二进气流道5和第三进气流道6的进气流以合适的气流角进入涡轮。
如图7，图9和图10所示，本实施例进气调节阀门7的布置方式与实施例1中的进气调节阀门7的布置方式相同，都是用于通过控制机构控制进气调节阀门7的打开或闭合从而实现第二进气流道5和第三进气流道6的打开或闭合。
本发明采用上述两种设计方案，其工作过程是相同的。
如图2、图7所示，发动机处于低速工况范围时，进气调节控制机构带动进气调节阀门轴8转动，从而带动一体连接的进气调节阀门7转动，进气调节阀门7的位置如图2、图7实线所示，此时，第二进气流道5和第三进气流道6被关闭处于不工作状态，发动机排出的废气仅流经第一进气流道4而带动涡轮叶轮做功，由于第一进气流道4的流通截面积小且为360度全周进气，可有效提升涡轮的进气压力，提高废气中的可用能量，减少涡轮迟滞现象，提升低速工况下的压比。
发动机处于中速工况状态时，进气调节控制机构带动进气调节阀门轴8转动，从而带动一体连接进气调节阀门7转动，进气调节阀门7的位置如图2、图4双点划线所示，此时，第二进气流道5被打开处于工作状态，第三进气流道6被关闭处于不工作状态，发动机排出的废气流经第一进气流道4和第二进气流道5从而带动涡轮叶轮做功，由于蜗壳进气流道截面积变大且为进气状态，又由于第二进气流道5的进气区域并非全周进气，可有效满足发动机中等转速下进入涡轮叶轮的进气压力，提高发动机排出废气能量的利用率，满足发动机中等转速下的增压要求。
发动机处于高速工况状态时，进气调节控制机构带动进气调节阀门轴8转动，从而带动一体连接进气调节阀门7转动，进气调节阀门7的位置如图2、图7虚线所示，此时，第二进气流道5和第三进气流道6被打开处于工作状态，发动机排出的废气流经第一进气流道4、第二进气流道5及第三进气流道6从而带动涡轮叶轮做功，由于蜗壳进气流道的截面积最大且为进气状态，又由于第一进气流道4为360度全周进气，第二进气流道5和第三进气流道6的进气区域角度之和为360度，发动机排出的废气分别流经第一进气流道4、第二进气流道5和第三进气流道6并以全周进气方式进入涡轮叶轮。在所有流道的共同工作下，实现涡轮进气流的合理分配，从而提高了增压比。
实施例3，上述实施例1和实施例2适应于定压增压发动机，如图11所示，通过将实施例1和实施例2中所设计两个相同结构（两组流道）通过一定方式组合到一起的结构（每一组流道对应一个发动机排气歧管流道）适应于脉冲增压发动机，此时设计的蜗壳进气口为两个。
蜗壳进气流道的设计并不局限于上述三个实施例中将蜗壳进气流道分为第一进气流道、第二进气流道和第三进气流道三个流道，还可以根据特殊需求，将第二进气流道分为若干进气流道分支，将第三进气流道分为若干进气流道分支。按照上述实施例1和实施例2中两种流道结构布置的方式，设定第一进气流道仍为360度全周进气且常开进气流道，设定第二进气流道的若干进气流道的进气区域均为非全周进气，且第二进气流道的若干进气区域角度之和为0～180度非全周进气；设定第三进气流道的若干进气流道的进气区域均为非全周进气，且第二进气流道的若干进气区域角度值和为180～360度非全周进气。在第二进气流道的进气口处设有与上述方案截面形状一致的进气调节阀门，进气调节阀门根据发动机各工况实现开闭，从而实现第二进气流道若干分支和第三进气流道的若干分支的工作或不工作状态。该结构改进的工作原理与上述实施例中的工作原理相同。

Claims (9)

1.一种混合式可变流量蜗壳，包括涡轮蜗壳（1），所述涡轮蜗壳（1）内设有蜗壳进气流道和涡壳喷嘴环（13）；所述蜗壳进气流道的其中一端设有一个蜗壳进气口（2），另一端设有蜗壳出气口（3）；其特征在于：
所述蜗壳进气流道通过隔板间隔成三个流道：第一进气流道（4）、第二进气流道（5）和第三进气流道（6），所述第一进气流道（4）、第二进气流道（5）和第三进气流道（6）分别与蜗壳进气口（2）相连通；
所述第一进气流道（4）为常开进气流道；
所述第二进气流道（5）和第三进气流道（6）在靠近蜗壳进气口（2）的位置设有进气调节阀门（7），所述进气调节阀门（7）在打开或关闭的同时可以给流入第一进气流道（4）的气流进行导流；
当发动机处于低速工况范围时，所述进气调节阀门（7）关闭，将第二进气流道（5）和第三进气流道（6）关闭，此时第一进气流道（4）处于单独工作状态；
当发动机处于中速工况范围时，所述进气调节阀门（7）打开一定角度，将第二进气流道（5）打开，第三进气流道（6）处于关闭状态，此时第一进气流道（4）和第二进气流道（5）同时处于工作状态；
当发动机处于高速工况范围时，所述进气调节阀门（7）完全打开，将第二进气流道（5）和第三进气流道（6）打开，此时第一进气流道（4）、第二进气流道（5）和第三进气流道（6）同时处于工作状态。
2.根据权利要求1所述的混合式可变流量蜗壳，其特征在于：所述第一进气流道（4）、第二进气流道（5）和第三进气流道（6）上下排列设置。
3.根据权利要求1所述的混合式可变流量蜗壳，其特征在于：所述第二进气流道（5）与第一进气流道（4）上下排列设置；第三进气流道（6）与第二进气流道（5）左右并排设置。
4.根据权利要求2或3所述的混合式可变流量蜗壳，其特征在于：所述第一进气流道（4）在周向上实现0-360度的全周进气；所述第二进气流道（5）在周向上的进气区域角度（α）为0-180度之间的任意之进气角度，所对应的第三进气流道（6）在周向上的进气区域角度（β）为180-360度之间的任意之进气角度，所述第二进气流道（5）和所述第三进气流道（6）的进气角度之和为360度。
5.根据权利要求4所述的混合式可变流量蜗壳，其特征在于：所述进气调节阀门（7）上靠近蜗壳进气口（2）的一端设有与进气调节阀门（7）一体连接的进气调节阀门轴（8），所述进气调节阀门轴（8）与涡轮蜗壳（1）转动连接。
6.根据权利要求5所述的混合式可变流量蜗壳，其特征在于：所述进气调节阀门（7）的截面形状为扇形结构，所述蜗壳进气流道内具有涡轮蜗壳内壁（9），所述涡轮蜗壳内壁（9）上与进气调节阀门（7）相对应的位置设有可容纳进气调节阀门的沉槽（12）。
7.根据权利要求6所述的混合式可变流量蜗壳，其特征在于：第二进气流道（5）内具有第二进气流道内壁（10），所述第二进气流道内壁（10）上设有与进气调节阀门（7）相配合的进气调节阀门配合面（11）。
8.根据权利要求7所述的混合式可变流量蜗壳，其特征在于：
第二进气流道（5）和第三进气流道（6）之间的隔板与进气调节阀门（7）的端部之间具有间隙（h），该间隙（h）控制在0-5mm之间。
9.根据权利要求8所述的混合式可变流量蜗壳，其特征在于：所述第二进气流道（5）和所述第三进气流道（6）内靠近涡壳喷嘴环（13）的进气区域内分别设有安装角度不等的若干导流叶片（14）。
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Denomination of invention: Mixed variable flow volute

Effective date of registration: 20220701

Granted publication date: 20130911

Pledgee: Shandong Shouguang Rural Commercial Bank Co.,Ltd.

Pledgor: Kangyue Technology (Shandong) Co.,Ltd.

Registration number: Y2022980009719