CN102562267B - 具有集成执行器的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有集成执行器的涡轮增压器。一种涡轮增压器，其具有带有排废门的涡轮机和包括压缩机壳体、压缩机轮和排废门执行器的压缩机排废门。该涡轮机叶轮包括界定出进口的叶片。该压缩机壳体具有引导向进口的进口壁，和环绕在叶片周围的导流罩壁。该执行器包括与进口壁集成在一起的基底，和连接在基底上的电马达。该导流罩壁形成第一端口，该第一端口与执行器室直接流体连通，且该进口壁形成第二端口，该第二端口与执行器室直接流体连通。从第一端口流入的空气穿过执行器壳体从第二端口流出。该空气流对流式冷却该执行器的工作零部件，同时该马达连接到进口壁上传导冷却该马达。

Description

具有集成执行器的涡轮增压器

技术领域

本发明主要涉及一种涡轮增压器，具体来说，本发明涉及一种具有集成的、空气冷却的、电动排废门执行器的涡轮增压器。

背景技术

对内燃机涡轮增压器而言更严格的排放要求和提高的性能要求，持续不断地推动涡轮增压器设计的技术进步。一个潜在的改进领域是在排废门设计上。排废门的执行系统设计为提供更快或更强的执行以允许更精确地对排废门的控制，从而使涡轮增压器更高效地运行。排废门执行系统的设计提供了改进的执行强度(对于大小或重量给定的执行器而言)，允许使用的执行器更小和更轻，以及可能在极端运行条件下提供更准确地操作作业。

采用电动执行器(例如，直流马达)的执行系统可以提供快速和强大的执行，但电动执行器有许多弊端。在这些弊端中，与可比的气动系统相对比，其具有更大的封装尺寸和更低的最高工作温度。例如，典型的电动执行器的工作温度被限于160摄氏度，而典型的气动执行器的连续工作温度高达180摄氏度。此外，直流马达在其最高工作温度时必须要降额(降低额定值)，即必须降低马达的负载(例如，降低50％)，以避免定子绕组超过其额定极限。

因此，所需要的是一种快速、强大、结构紧凑的排废门执行系统，其可以在涡轮增压器的热环境中有效地运行而无需降额。本发明的优选实施例满足这些和其他方面的需求，并提供进一步的相关优点。

发明内容

在不同的实施例中，本发明解决了其中一些或所有的上述问题需求，典型地提供一种快速、强大、结构紧凑的排废门执行系统，其可以在涡轮增压器的热环境中有效地运行而无需将降额。

在典型的实施例中，本发明是包括具有排废门的涡轮机，包括压缩机壳体，压缩机轮，和涡轮排废门的执行器的涡轮增压器。涡轮机叶轮可旋转安装于压缩机壳体内，其包括轮毂和多个叶片。每个叶片从轮毂延伸出并且限定出前缘和外缘。旋转的叶片前缘形成压缩机的进口。压缩机外壳上形成进口壁，其限定出导向压缩机进口的进口通道，和导流罩壁，其较密合地符合叶片外缘。

执行器包括如电动马达的执行机构，和形成执行器室的执行器外壳。有利的是，导流罩壁形成直接与所述执行器室流体连通的第一端口，所述进口壁形成直接与所述执行器室流体连通的第二端口。这种端口组合提供部分加压空气通过第一端口喷射入执行器室内，穿过执行机构的热量显著部分，并从第二端口退出并进入进口。空气流对流式冷却执行器的工作部件，使执行器(尤其是电马达)可以在全部或绝大部分运行状况下以全负荷运行。

本发明的另一特点是，执行器外壳包含电动马达，该电动马达热耦合到构成进口壁的压缩机外壳部分的马达表面。电马达通过使用在马达和马达表面之间提供显著的减振效果的机械弹性热偶材料热耦合到进口壁上。有利的是，进口壁热连接允许进气道壁起到散热片的作用，并提供传导冷却马达的作用，以此允许马达可以在全部或绝大部分运行状况下以全负荷运行，而进口壁和马达之间的阻尼结构连接可以降低马达轴承的结构应变，以提高可靠性。

结合着附随的附图，本发明的另一些特点和优势可以从以下对优选实施例的详细说明中变得明显，其示例性地展示出本发明的原理。正如如下所述的优选实施例的详细说明，可以建立和使用本发明实施例，而不旨在限制列举的权利要求，但相反，它们的目的是作为要求保护的发明的特定实施例。

附图说明

图1是体现本发明的涡轮增压内燃机的示意图；

图2是作为在图1中所示实施例中的涡轮增压器一部分的一部分压缩机的前截面图；

图3是图1中所示实施例中的涡轮增压器的示意图；

图4是本发明的第二实施例中的压缩机的一部分的左侧截面图；

图5是图4中所示压缩机的一部分的底部截面图；

图6是图4中所示压缩机的一部分的顶部截面图。

具体实施方式

本发明的上述概括和由例举的权利要求的限定可能会通过下面的详细得到更好的理解，这应结合所附随的附图来理解。本发明的优选实施例的详细说明，载列如下以使人能够建立和使用本发明的特定实施例，不旨在限制所列举的权利要求，但相反，它的目的是提供其中特别的实施例。

本发明的典型实施例在于提供一种快速、强大、结构紧凑的排废门执行系统，其可以在涡轮增压器的热环境中有效地运作，而无需降额。

参照图1，在本发明第一实施例中，涡轮增压器101包括涡轮增压器壳体和配置以在涡轮增压器壳体内旋转的转子，所述转子沿着转子旋转轴线103在止推轴承和两套轴颈轴承(每个转子滚轮各一个)或者可选地，其他类似的支持轴承上旋转。涡轮增压器壳体包括涡轮机壳体105，压缩机壳体107，连接涡轮机壳体到压缩机壳体的轴承壳体109(即包含轴承的中心壳体)。该转子包括大体上位于涡轮机壳体内的涡轮机叶轮111，大体上位于压缩机壳体内的压缩机轮113，和沿转子的旋转轴延伸的轴115，该轴穿过轴承壳体将涡轮机叶轮连接到压缩机轮上。

涡轮机壳体105和涡轮机叶轮111形成涡轮机，所述涡轮机配置为环绕地接收从引擎中排出的高压高温的废气流121，例如从内燃机125的排气歧管123中排出的废气流。该涡轮叶轮(由此该转子)被高压高温的废气流驱动沿着转子旋转轴线103旋转，随后废气流变为较低压力和较低温度的废气流127，然后轴向地释放到排气系统中(未显示)。

压缩机壳体107和压缩机轮113形成压缩机级。通过由废气驱动的涡轮机叶轮111而旋转的该压缩机轮，配置为压缩轴向接收的输入空气(例如，环境空气131，或从多级压缩机的前面的级中接收的已经加压的空气)成为加压空气流133，其从压缩机中周向地喷射出。由于压缩过程，该加压空气流的特点是比输入空气的温度高。

可选的是，该加压空气流可输送通过配置以为压缩空气流散热的对流冷却的增压空气冷却器135，以此来增加其密度。由此产生的冷却和加压的输出空气流137流入到内燃机上的进气歧管139中，或者可选择地，流入到串联压缩机的后续级。该系统的操作是由发动机控制单元151(ECU)控制，其通过通信连接153连接到系统的其余部分。

参考图1和2，压缩机轮113包括轮毂201和多个叶片203，每个叶片从轮毂延伸出并且限定出前缘205，外缘207和尾缘223。该叶片前缘伴随着该压缩机轮旋转时旋转并形成压缩机进口，同时尾缘形成压缩机的出口。

压缩机壳体107形成进口壁213，其限定出引导向压缩机进口的进口通道215。叶片旋转所占据的空间是叶片通道，其从压缩机进口延伸到压缩机出口。当压缩机轮113旋转时，该压缩机壳体上也形成了导流罩壁221，其与叶片外缘207形成的路径紧密地相符合，从而限定出叶片通道的边界壁。导流罩壁精确地延伸叶片通道的长度。

涡轮增压器被配置为在一定的工作条件范围内操作，因此其限定出极限工作条件，压缩机配置为在此条件下操作。参考图1至3，在上述涡轮增压器的极限工作条件范围内，其存在可以期望减少通过涡轮所产生的机械能的工作条件。在这些情况下，通过排废门改善了涡轮增压器的有效运行，即通过控制通道141转移废气使其绕过涡轮机叶轮111。该控制通道范围从高压高温废气流121(环形涡轮机叶轮进口145的上游)延伸到以较低压力和较低温度的废气流127(涡轮机叶轮出口147的下游)。众所周知，排废门包括阀143，该阀控制允许通过排废门和旁路绕过该涡轮机叶轮的废气量。

排废门还包括执行系统149，其配置来控制阀143的操作。执行系统可通过简单的来监测压缩空气压力的压力传感装置来控制，但更通常会由闭环控制系统来控制，它一般会是被嵌入ECU151中的软件系统。

在此实施例中，执行系统包括具有直流马达231，多个齿轮233和位置传感器237的执行机构。直流马达231配置为通过驱动多个齿轮233来控制连杆235，这样依次驱动操作阀143。位置传感器237配置向控制系统提供执行位置反馈。该控制系统也可能会收到关于发动机和涡轮增压器运行状态的信息，所述信息允许控制系统以最大效率控制排废门。

电马达和齿轮包含于至少部分地由执行器壳体243形成的执行器室241内。该执行器壳体包括与压缩机壳体热整合的执行器基座245，和提供用于组装和维修而进入到执行器室内的可拆卸的盖247。由于执行器与进口壁的结构连接和热连通，该进口壁以热显著水准冷却该执行器。在本申请中短语“热显著水准”应被理解为所指示的冷却水平，其实质上在贯穿所计划的涡轮增压器的极限工作条件范围内，有助于实现所需要的冷却水平来保持执行器的全面运转。应该指出的是，当壳体传导冷却马达时，进口空气对流同时冷却进口壁。

为了进一步提供对电马达和其他执行系统零部件的冷却，导流罩壁221形成了第一，高压，室进口端口251，其使叶片通道直接与执行器室241流体连通。通常，这第一端口位于比离压缩机出口距离更接近压缩机进口的位置。更特别的是，该第一端口位于该进口的稍下游，提供部分的加压空气(相对于通过压缩机得到的总增压水平)，该加压空气在整个加压过程中不具有成熟的压缩加热水平。

除了第一端口251，上述进口壁形成了第二，低压，室出口端口253，其使进口通道215直接与执行器室241流体连通。该执行器室形成从第一端口到第二端口的冷却通道。第一端口(从叶片通道)处的空气压力高于第二端口(从进口通道)处的空气压力。因此，部分加压空气从叶片通道注入到执行器室内，然后排放回到进口通道中。

因此，执行器配置为如下特点，其执行器室形成冷却通道来串联连接第一端口到第二端口。该冷却通道穿过并在执行机构(例如，电马达，齿轮，位置传感器，和/或类似机构的多个部分)的热显著部分之上延伸。第一端口和第二端口的大小和位置(沿流动方向的和沿周向的)沿着进口通道和叶片通道设置来允许(即，驱动)有效的空气量通过执行器室，从而以热显著水平对流冷却该执行器。可选地，挡板可用于直接引导空气流穿过执行器室，从而使得所有需要对流冷却的部件获得足够的对流冷却气流。

第一端口和第二端口以及马达和压缩机外壳之间的热连接配置成来冷却马达并保持其在足够低的温度，以此当涡轮增压器在工作时在整个工作条件极限范围内使其在全额定功率(即，它不降额)工作。在替代实施方案中，该冷却配置可能只有在适应于为整个工作条件极限范围内的一个子集(例如，仅适用于这样的工作条件下，其中排废门的操作可能是最关键的)以维持这样的温度。

参考图3和4，在本发明的第二实施例中，提供大致相似的涡轮增压器，其具有相似但相比于图2中所示有所不同的排废门执行系统配置。执行器基底401同样与进口壁213(其是压缩机外壳的一部分)密切热连通，且可能与该进口壁结合在一起，由此该进口壁的一侧形成进口通道215的一部分，同时该进口壁的相对一侧形成执行器基底的马达表面403。该电马达231与马达表面连接并通过由可压缩(即，机械弹性)和导热材料组成的热偶405紧密热耦合到马达表面。因此，电马达热耦合到邻接进口壁的压缩机壳体的马达表面上，并以热显著水平通过该壁传导冷却。

由于执行器壳体的基底401贴附到和/或与压缩机壳体107结合形成，该执行器可能会受到涡轮增压器工作引起的显著振动。电动机械弹性热偶可提供在马达和马达表面的之间显著的振动阻尼。这种连接可能会减少对电马达231和齿轮233的轴承的机械负载，从而提高了执行器的可靠性。

类似于最后一个实施例，对电马达和其他执行系统零部件提供附加的冷却，导流罩壁形成第一，高压，室进口端口451，其使叶片通道直接与执行器室241流体连通。通常，这第一端口位于比离压缩机出口距离更接近压缩机进口的位置。尤其是，该第一端口典型地位于该进口的稍下游，提供部分加压的空气(相对于通过压缩机得到的总增压水平)，该加压空气在整个加压过程中不具有成熟的压缩加热水平。

除了第一端口451，上述进口壁形成了第二个，低压，室出气端口453，其使进口通道215直接与执行器室241流体连通。该执行器室形成从第一端口到第二端口的冷却通道。第一端口(从叶片通道)处的空气压力高于第二端口(从进口通道)处的空气压力。因此，部分加压的空气从叶片通道注入到执行器室内，然后排放回到进口通道中。

在此实施例中，该执行器室241周向环绕着进口通道215的热显著部分延伸，第一端口451和第二端口253周向隔开，从而通过执行器室驱动的空气必须沿周向通过执行器室来为该执行器提供热显著水平的对流冷却。

因此，执行器配置为如下特点，其执行器室形成冷却通道来串联连接第一端口到第二端口。该冷却通道穿过并在执行机构(例如，电马达，齿轮，位置传感器，和/或类似机构的多个部分)的热显著部分之上延伸。第一端口和第二端口的大小和位置(流动方向的和周向环绕的)沿着进口通道和叶片通道设置来允许(即，驱动)有效的空气量通过执行器室，从而以热显著水平对流冷却该执行器。可选地，挡板可用于引导空气流穿过执行器室，以此所有需要对流冷却的部件获得足够的对流冷却。

参考图3-5，电马达231通过使用安装支架411被保持与热偶405紧密热连通，该支架允许马达相对于与压缩机壳体107进行有限的运动，和压缩设备413(例如，楔弹簧)，其将马达压紧靠在热偶上。这样的布置为热偶提供足够的运动来提供在声学上保护马达的阻尼弹性，但是，在涡轮增压器工作条件下的正常极限范围内，不充分的运动严重阻碍了马达和壳体之间的热连通。

参考图4和6，为了进一步帮助在紧密热连通进口通道215的对电马达231的传导冷却，压缩机壳体107的进口壁213可以选择性地形成在进口通道内的多个流动引导器421(例如，流向矫直装置)。这些流动引导器以一致和优化的取向(例如，直线的或相对于叶片旋转的呈一定角度的)引导入口空气流进入到进口。至少有一些这些流动引导器位于热邻接于(例如，直接地)与马达表面403相对的进口壁的一侧的位置上且典型地，一个或多个位于该进口壁上直接与执行器室241相对。这种配置提供了流动引导器与电马达和/或其他执行器元件之间的紧密热连通，并进一步有助于传导冷却该马达。

由于电动执行器保持与进口壁紧密连通，和进一步由于上述流动引导器提供了在进口壁和穿过进口的空气流之间的增加的热联系，该进口空气提供了对电动执行器显著水平的冷却，显著地降低或消除了电动执行器将需要由ECU控制降额或电动执行器的定子过热的可能性。

可以理解的是，本发明包括执行器，压缩机，涡轮增压器(和各种子零部件)，和涡轮增压内燃机系统，以及相关的设计和生产这些部件的设备和方法，以及方法与设备本身。此外，本发明的各种实施方案可以包括与其他系统通常包括诸如涡轮增压系统的上述功能的各种组合。这些实施方案的替代变化可能包括其他类型的压缩机或涡轮机的布局(例如，轴流式，混流式和双流式)。总之，上述披露的功能特征可以在本发明的预期范围内实现多种配置相结合。

尽管本发明的特定形式已经说明和描述过，较为明显的是，在不违背本发明的精神和范围内可以进行各种修改。因此，虽然该发明已通过仅供参考优选实施例被详细地描述，那些具有本领域内的普通基础常识的技术人员将可以在不偏离本发明的范围内进行各种修改。因此，该发明不拟限于上面的所讨论的内容，参考下列权利要求书而定义。

Claims (15)

1.一种压缩机，包括：

压缩机壳体；

可旋转安装于压缩机壳体内的压缩机轮，该压缩机轮包括轮毂和多个叶片，每个叶片从轮毂延伸出并且限定出前缘和外缘，旋转的该叶片前缘形成压缩机的进口；

其特征在于，还包括：

执行器，所述执行器包括形成执行器室的执行器壳体和执行机构；

其中所述压缩机壳体形成限定出引导向压缩机进口的进口通道的进口壁；

其中所述压缩机壳体形成导流罩壁，其紧密地符合叶片外缘；

其中该导流罩壁形成与执行器室直接流体连通的第一端口；和

其中该进口壁形成与执行器室直接流体连通的第二端口。

2.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于：所述执行器形成冷却通道来串联连接第一端口到第二端口，该冷却通道在执行机构的热显著部分之上进行延伸。

3.如权利要求2所述的压缩机，其特征在于：设置第一端口和第二端口的大小和位置以允许一定量的空气在涵盖压缩机配置为工作时的工作条件极限的工作条件范围内足以冷却该执行器。

4.如权利要求2所述的压缩机，其特征在于：所述执行器壳体内包括电马达，齿轮和位置传感器，其中执行机构的热显著部分包括电马达、齿轮和位置传感器中的至少一个的一个或多个表面。

5.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于：所述压缩机壳体与执行器壳体基座集成一体。

6.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于：所述执行器壳体内包括电马达，其中该电马达热耦合于压缩机壳体的马达表面，且该压缩机壳体的马达表面位于所述进口壁上。

7.如权利要求6所述的压缩机，其特征在于：所述进口壁在进口内热邻接于马达表面的位置处形成流动引导器。

8.如权利要求7所述的压缩机，其特征在于：所述电马达通过使用在马达和马达表面之间提供显著的振动阻尼的机械弹性热偶材料，热耦合于压缩机壳体的马达表面。

9.如权利要求6所述的压缩机，其特征在于：所述电马达通过使用在马达和马达表面之间提供显著的振动阻尼的机械弹性热偶材料，热耦合于压缩机壳体的马达表面。

10.一种涡轮增压器，包括涡轮机和如权利要求1所述的压缩机，该涡轮机包括排废门，其中执行器执行该排废门的阀。

11.一种压缩机，包括：

压缩机壳体；

可旋转安装于压缩机壳体内的压缩机轮，该压缩机轮包括轮毂和多个叶片，每个叶片从轮毂延伸出并且限定出前缘和外缘，该旋转的叶片前缘形成压缩机的进口；

其特征在于，还包括：

执行器，其包括形成执行器室的执行器壳体和执行机构；

其中所述压缩机壳体形成限定出引导向压缩机进口的进口通道的进口壁；和

其中所述执行器壳体内包括电马达，该电马达热耦合于压缩机壳体的马达表面，该压缩机壳体的马达表面位于所述进口壁上。

12.如权利要求11所述的压缩机，其特征在于：所述进口壁在进口内热邻接于马达表面的位置处形成流动引导器。

13.如权利要求12所述的压缩机，其特征在于：所述电马达通过使用在马达和马达表面之间提供显著的振动阻尼的机械弹性热偶材料，热耦合于压缩机壳体的马达表面。

14.如权利要求11所述的压缩机，其特征在于：所述电马达通过使用在马达和马达表面之间提供显著的振动阻尼的机械弹性热偶材料，热耦合于压缩机壳体的马达表面。

15.一种涡轮增压器，包括如权利要求11所述的压缩机和涡轮机，该涡轮机包括排废门，其中执行器执行该排废门的阀。