CN102667098B - 具有用于涡轮的环形旋转旁通阀的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

一种涡轮增压器包括安装在涡轮壳体内且通过轴连接到压缩机叶轮的涡轮叶轮。涡轮壳体限定排气入口和轴向孔，排气入口连接到围绕涡轮叶轮的涡壳，已经通过涡轮叶轮的排气通过轴向孔从涡轮壳体排出。涡轮壳体进一步限定环形旁通通道，其围绕所述孔且布置成允许排气绕过涡轮叶轮。环形旁通阀布置在旁通通道内。旁通阀包括固定环形阀座以及与阀座共轴地布置的旋转环形阀构件。阀构件被布置成抵靠阀座并且可绕轴线旋转以便选择性地改变阀座和阀构件中的各自孔口之间的对准度。

Description

具有用于涡轮的环形旋转旁通阀的涡轮增压器

技术领域

本公开涉及排气驱动的涡轮增压器，并且特别地涉及在某些发动机操作条件下允许排气绕过涡轮的旁通装置。

背景技术

在常规的涡轮增压器中，涡轮壳体限定了旁通导管，该旁通导管通常位于穿过壳体的主孔的一侧，并且该旁通导管经由旁通阀连接到壳体的涡壳或排气入口。旁通阀通常是回转或提升阀的形式，包括圆形阀构件，该圆形阀构件被推靠围绕旁通通道开口的平阀座。该阀通常布置成使得排气压力沿着趋向于打开阀的方向作用在阀构件上。与这种布置有关的一个缺点在于，由于气体压力趋向于打开阀，所以难以将阀完全地密封在关闭位置。经过关闭的旁通阀的泄漏是涡轮性能下降的原因，从而是涡轮增压器及其相关联的发动机性能下降的原因。对于泄漏问题，典型的解决方案是抵靠阀座对旁通阀构件进行预加载，但是这常常不能完全地消除泄漏并且无论如何都会导致附加的问题，例如增大了用于打开阀所需的致动力。

此外，回转或提升阀在可控性方面趋向于很差，尤其是在缝隙打开（crack-open）的位置，这使得难以适当地调节旁通流率。这导致一些问题，例如涡轮增压器和发动机的糟糕的瞬态响应。

发明内容

本公开描述了寻求解决例如上面所指问题的具有新型旁通装置的涡轮增压器的各种实施例。在一个实施例中，涡轮增压器包括安装在压缩机壳体内的压缩机叶轮以及安装在涡轮壳体内且通过轴连接到压缩机叶轮的涡轮叶轮。涡轮壳体限定排气入口，排气入口连接到围绕涡轮叶轮的涡壳，涡轮壳体进一步限定轴向孔，已经通过涡轮叶轮的排气通过该轴向孔从涡轮壳体排出。涡轮壳体进一步限定环形旁通通道，环形旁通通道围绕所述孔且被布置成允许排气绕过涡轮叶轮。环形旁通阀布置在旁通通道中。旁通阀包括环形的固定阀座和环形的旋转阀构件，环形的旋转阀构件相对于轴线与阀座共轴地布置。阀构件布置成抵靠阀座且能够绕轴线旋转以选择性地改变阀座和阀构件中的各自孔口之间的对准度，从限定旁通阀的关闭条件的不对准到限定旁通阀的打开条件的至少部分对准。

该旁通装置的优点在于相比于上述回转和提升类型的旁通阀装置，排气压力沿着趋向于改进而不是阻碍密封的方向作用在阀上。

进一步的优点在于相比回转或提升阀所通常可能实现的可控性，所述阀可实现更好地可控性，特别是在缝隙打开位置。

在一个具体实施例中，阀构件限定穿过其中的多个第一孔口，阀座限定穿过其中的多个第二孔口，并且每个第一孔口具有对应的第二孔口。

在一个实施例中，阀构件是大致平的环形盘，并且第一孔口绕阀构件的圆周周向地间隔开。类似地，阀座是大致平的环形盘，使得第二孔口与第一孔口对应地周向地间隔开，并且在相邻的第二孔口之间有足够的周向距离以在旁通阀的关闭条件下在它们之间容纳第一孔口。

阀可以包括促进阀构件和阀座之间密封的特征。在一个实施例中，阀构件或者阀座包括围绕其内的各自第一或第二孔口的凸起垫，并且该垫与阀构件和阀座中的另一个的基本平的表面接触，从而提供阀构件和阀座之间的密封。

孔口可以具有各种形状，包括圆形或非圆形。在一个实施例中，第一和第二孔口在径向方向上比在周向方向上更长。孔口可以均匀地或非均匀地周向间隔。

所述涡轮增压器还包括驱动系统，用于实现阀构件所需的旋转运动。在一个实施例中，驱动系统包括旋转驱动构件和驱动臂，旋转驱动构件沿大致横向于阀构件所围绕旋转的轴线的方向穿过涡轮壳体，驱动臂附接到旋转驱动构件的远端。驱动臂的远端接合阀构件使得旋转驱动构件的旋转导致驱动臂使阀构件绕轴线旋转。驱动系统可以进一步包括附接到旋转驱动构件的近端的连杆（link）以及具有致动器杆的线性致动器，该致动器可操作以伸出和缩回致动器杆。致动器杆的远端连接到连杆使得致动器杆的伸出导致连杆使旋转驱动构件在一个方向上旋转并且致动器杆的缩回导致连杆使旋转驱动构件在相反方向上旋转。

附图说明

于是已经大概地描述了本公开，现在将参照附图，附图不必是按比例绘制的，在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的涡轮增压器的轴向剖视图；

图2是图1的涡轮增压器的涡轮组件的侧视图；

图3是图2的涡轮组件的透视图，其中，所示的涡轮壳体被部分地切开以显示内部细节；

图4是图1的涡轮组件在第一轴向平面上的轴向剖视图；

图5是图1的涡轮组件在第二轴向平面上的轴向剖视图；

图6是图1的涡轮增压器的涡轮壳体的轴向剖切的透视图；

图7是图1的涡轮增压器的环形旁通阀的阀座的透视图；

图8是图7的阀座的轴向剖视图；

图9是图1的涡轮增压器的环形旁通阀的旋转阀构件的透视图；

图10是从阀的下游位置轴向地向上游看的环形旁通阀的轴向视图，示出了该阀出于关闭位置；

图11是与图10相似的视图，示出了当阀通过旋转阀构件的旋转而刚刚被缝隙打开时的所述阀；

图12是与图10相似的视图，示出了所述阀在阀构件进一步旋转后处于部分打开位置；

图13是与图10相似的视图，示出了所述阀在阀构件进一步旋转后处于完全打开位置。

具体实施方式

现在将在后文中参照附图更全面地描述本公开，附图中示出了本发明的一些但不是所有的实施例。实际上，这些发明创造可以以许多不同的形式来实现且并不应被理解为限制于在此描述的实施例；相反，这些实施例被提供使得本公开将会满足适当的法定要求。贯穿全文，同样的数字指代同样的元件。

根据本发明的一个实施例的涡轮增压器20在图1中以轴向剖视图示出，并且涡轮增压器的涡轮组件及涡轮组件的部件的各种视图在图2-13中示出。如图1所示，涡轮增压器20的主要子组件包括压缩机组件30、中间壳体组件40和涡轮组件50。压缩机组件30包括压缩机壳体32和压缩机叶轮34，压缩机叶轮34安装在压缩机壳体32中且附接到旋转轴36的一端。中间壳体组件40包括中间壳体42，中间壳体42固定到压缩机壳体32且包含用于旋转轴36的轴承44。涡轮组件50包括涡轮壳体52和涡轮叶轮54，涡轮叶轮54安装在涡轮壳体52中且附接到旋转轴36的相对端。

涡轮壳体52限定排气入口56和涡壳58，来自内燃发动机的排气通过排气入口56被接收，涡壳58接收来自入口56的排气并且围绕360°涡壳分配气体用于向涡轮叶轮54供气。排气入口56还向大致环形旁通通道60打开，旁通通道60被限定在涡轮壳体52中。旁通通道60围绕限定在涡轮壳体内的轴向孔62。已经通过涡轮叶轮54的排气通过孔62从涡轮壳体排出。旁通通道60为排气提供替代的路径进行流动，而不必首先通过涡轮叶轮54。

环形旁通阀70安装在旁通通道60中，用于调节通过旁通通道的流量。主要参照图3-9，环形旁通阀70的主要部件包括静止的阀座72以及与阀座邻接接合的旋转阀构件74。阀座72和阀构件74布置在涡轮壳体52的环形外部部分52a和环形内部构件52b之间。如图所示，内部构件52b与涡轮壳体52分离地形成且与涡轮壳体的一体化部分连接，但是在另一个实施例中，内部构件可以是涡轮壳体的一体化部分。外部部分52a和内部构件52b一起限定环形空间用于接收阀构件74和阀座72。阀构件74通过由涡轮壳体的外部部分52a限定的肩部而被防止轴向地向上游移动，尽管在操作期间排气的压力在下游方向上推动阀构件74。阀构件74没有被涡轮壳体束缚，而是自由地绕其轴线旋转并轴向地移动抵靠阀座72。阀座72被防止轴向地、径向地或旋转地移动。阀座72的上游面的径向外边缘部分（即在图5中的左手面）邻接由涡轮壳体的外部部分52a限定的肩部，并且上游面的径向内边缘部分邻接由内部构件52b限定的肩部，从而将阀座置于由这些肩部所决定的精确的轴向位置。

阀座72（在图7和8中最佳地示出）是大致平的环状或环形构件，其具有绕阀座的圆周周向地间隔开的多个孔口73，所述孔口73在阀座的上游和下游面之间大致轴向地延伸。在所示实施例中，孔口73绕阀座的圆周均匀地间隔，但是如下面进一步描述的，孔口的不均匀间距也是可能的且在某些情况下可能是有利的。

旋转阀构件74（在图9中最佳地示出）是大致平的环状或环形构件，其具有绕阀座的圆周周向地间隔开的多个孔口75，所述孔口75在阀构件的上游和下游面之间大致轴向地延伸。在所示实施例中，孔口75绕阀构件的圆周均匀地间隔，并且阀构件中的孔口75的数量和间距与阀座中的孔口73的数量和间距是相同的。但是，如下面进一步描述的，孔口75的不均匀间距也是可能的且在某些情况下可能是有利的；此外，孔口73和75的间距不必须是相同的，并且在一些情况下，不同的间距可能是有利的。阀构件74具有基本圆柱形的外边缘76和基本圆柱形的内边缘78，所述外边缘和内边缘76、78关于阀构件的中心纵轴线是共轴的，该轴线也与阀座72的中心纵轴线基本重合。涡轮壳体的外部部分52a和内部构件52b二者限定用于旋转阀构件74的外边缘和内边缘76、78的基本圆形支承面，并且它们之间具有间隙，使得阀构件可以绕其中心纵轴线在一个方向或相反方向上旋转，以便改变阀构件孔口75和阀座孔口73之间的对准度，如下面进一步描述的。

阀构件74进一步限定了包括一对凸出体80的叉或轭，凸出体80从阀构件的上游面轴向地凸出。凸出体80周向地间隔开一小段距离，该距离足以容纳L形驱动臂90的远端92，L形驱动臂90刚性地固定到旋转驱动构件100的远（径向内）端。旋转驱动构件100通过孔53（见图5和6）基本径向地穿过涡轮壳体52，孔53与大致环形旁通通道60连接。旋转驱动构件100的近（径向外）端位于涡轮壳体52的外侧且刚性地固定到连杆110。连杆110具有连接构件112（图2和3），连接构件112从旋转驱动构件100的旋转轴线偏移且可以耦接到致动器（未示出）的致动器杆，使得致动器杆的伸出导致连杆110使旋转驱动构件100在一个方向上旋转并且致动器杆的缩回导致连杆使旋转驱动构件在相反方向上旋转。结果，固定到旋转驱动构件100的远端的驱动臂90进而导致阀构件74绕其轴线在一个方向上或相反方向上旋转。

特别地参照图4、7和8，阀座72中的孔口73的每一个具有围绕其的凸起垫82。垫82邻接阀构件74（图4）的平面并且充当密封件以帮助密封阀构件和阀座之间的界面。所提供的凸起垫82减少了阀座72与旋转阀构件74摩擦接触的总表面面积，从而减少了致动系统为了使阀构件旋转所必须克服的总摩擦力。

图10-13示出了用于调节旁通流的旁通阀70的各种位置。在图10中，阀构件74定位成使得其每个孔口75位于阀座72中的两个相邻孔口73之间，并且在相邻孔口73之间有足够的周向距离以容纳孔口75而它们之间没有重叠。因此，图10的位置表示了旁通阀的关闭位置，在该位置，实质上没有排气可以流过旁通通道60（除了或许有不可察觉影响的非常小的泄漏之外）。

图11示出了阀位于“缝隙打开”位置，在该位置，阀构件74已经相对于图10顺时针旋转了小量，使得孔口75和孔口73之间刚刚开始有一些重叠。

随着阀构件74从图11的位置进一步顺时针旋转，孔口75和73之间存在更大的重叠度，如图12的“部分地打开”位置所示。

图13示出了阀的完全打开位置，在该位置，孔口75和73之间存在最大可能的重叠。

在所述环形旁通阀70的情况下，排气压力沿着朝向固定阀座72的方向作用在阀构件74上，由此趋向于改善阀构件和阀座之间的密封。此外，相比于前述回转和提升类型的旁通阀装置，气体压力不趋向于打开阀，在前述回转和提升类型的旁通阀装置中，气体压力作用在趋向于打开阀的方向上并且导致泄漏。可由阀70产生的改善的密封被认为是重要的，因为它可以通过更好地使用排气流中的瞬时发动机脉冲（特别是在低发动机速度和气体流率时）而提高涡轮增压器的瞬态响应时间，在低发动机速度和气体流率时，在关于涡轮效率方面脉冲冲击是最重要的。

进一步的优点在于相比回转或提升阀所通常可能实现的可控性，阀70可实现更好地可控性，特别是在缝隙打开位置。特别地，当阀构件74旋转时，通过阀的流动通道的形状和尺寸的演变可简单地通过适当地构造阀构件和阀座中的孔口的尺寸、角位置（例如是否均匀地或不均匀地间隔开）和形状而被调整为符合具体应用的需要。因此，虽然在图中孔口73、75显示为圆形，但是替代地，它们可以被制成非圆形，作为改变当阀打开时流动通道的演变的一种方式。例如，孔口可以被制成大致矩形，它们的边缘大致径向地（可能在径向方向比周向方向上具有更大的尺度）延伸，这相比于圆形孔口形状可以导致在阀构件旋转的每度上流动通道尺寸的更大变化。

作为本发明提出的阀流动通道的演化的微调的另一个例子，阀座孔口73可以具有绕圆周的第一周向间距（例如，均匀的），并且阀构件孔口75可以具有不同于第一周向间距的第二周向间距（例如，非均匀的）。进一步可能（虽然不是必要的）的是，在这样的实施例中，孔口73、75具有不同的尺寸和/或形状。这可导致，例如，一个流动通道（或流动通道总数的一些其他子集）在任何其它流动通道开始打开之前开始打开，由此实现旁通阀的非常逐渐的缝隙打开。然后，阀构件74的进一步旋转可导致其它流动通道打开（或许以连续的或阶段的方式，例如在一个时刻打开一个流动通道直到最后所有流动通道都打开）。这仅仅是孔口可以构造成的许多不同方式的一些例子，所述孔口可被构造成根据阀构件的旋转而实现期望的流动通道演变。

受益于前面的描述和附图所呈现的教导，本发明所属领域的技术人员将会明白本文阐述的发明的许多修改和其他实施例。因此，应当理解的是，本发明不限于所公开的特定实施例，并且多种修改和其他实施例将意图被包括在所附权利要求书的范围内。尽管本文采用了特定的术语，但它们仅以广义和描述性的含义使用并且不是出于限制的目的。

Claims (14)

1.一种涡轮增压器，包括：

压缩机叶轮，其安装在压缩机壳体内；

涡轮叶轮，其安装在涡轮壳体内且通过轴连接到所述压缩机叶轮；

所述涡轮壳体限定排气入口，所述排气入口连接到围绕所述涡轮叶轮的涡壳，所述涡轮壳体进一步限定轴向孔，已经通过所述涡轮叶轮的排气通过所述轴向孔从所述涡轮壳体排出；

所述涡轮壳体限定环形旁通通道，所述环形旁通通道围绕所述孔且被布置成允许排气绕过所述涡轮叶轮；

布置在所述旁通通道中的环形旁通阀，所述旁通阀包括固定环形阀座和旋转环形阀构件，所述旋转环形阀构件相对于轴线与所述阀座共轴地布置，所述阀构件布置成抵靠所述阀座且能够绕所述轴线旋转以选择性地改变穿过所述阀座和阀构件的每一个限定的各自孔口之间的对准度，从限定所述旁通阀的关闭条件的不对准到限定所述旁通阀的打开条件的至少部分对准；和

旋转驱动构件和驱动臂，所述旋转驱动构件沿大致横向于所述阀构件所围绕旋转的轴线的方向穿过所述涡轮壳体，所述旋转驱动构件能够绕驱动构件轴线旋转，所述驱动构件轴线大致横向于所述阀构件所围绕旋转的轴线，所述驱动臂附接到所述旋转驱动构件的远端，所述驱动臂的远端接合所述阀构件使得所述旋转驱动构件的旋转导致所述驱动臂使所述阀构件绕所述轴线旋转。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，所述阀构件限定穿过其中的多个第一孔口，所述阀座限定穿过其中的多个第二孔口，每个第一孔口具有对应的第二孔口。

3.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其中，所述阀构件是大致平的环形盘，使得所述第一孔口绕所述阀构件的圆周周向地间隔开，并且所述阀座是大致平的环形盘，使得所述第二孔口绕所述阀座的圆周周向地间隔开，在相邻的第二孔口之间有足够的周向距离以在所述旁通阀的关闭条件下在它们之间容纳所述第一孔口。

4.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其中，所述阀构件和所述阀座中的一个包括围绕其内的各自第一或第二孔口的凸起垫，所述垫与所述阀构件和所述阀座中的另一个的基本平的表面接触，从而提供所述阀构件和所述阀座之间的密封。

5.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其中，所述第一和第二孔口是圆形的。

6.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其中，所述第一和第二孔口是非圆形的。

7.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中，所述第一和第二孔口在径向方向上比在周向方向上更长。

8.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其中，所述第一孔口具有第一周向间距并且所述第二孔口具有第二周向间距，所述第一周向间距基本等于所述第二周向间距。

9.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其中，所述第一孔口具有第一周向间距并且所述第二孔口具有第二周向间距，所述第一周向间距不同于所述第二周向间距。

10.根据权利要求1所述的涡轮增压器，进一步包括附接到所述旋转驱动构件的近端的连杆以及具有致动器杆的致动器，所述致动器能够操作以伸出和缩回所述致动器杆，所述致动器杆的远端连接到所述连杆使得所述致动器杆的伸出导致所述连杆使所述旋转驱动构件在一个方向上旋转并且所述致动器杆的缩回导致所述连杆使所述旋转驱动构件在相反方向上旋转。

11.一种用于涡轮增压器的涡轮组件，包括：

涡轮壳体；

涡轮叶轮，其可旋转地安装在所述涡轮壳体内；

所述涡轮壳体限定排气入口，所述排气入口连接到围绕所述涡轮叶轮的涡壳，所述涡轮壳体进一步限定轴向孔，已经通过所述涡轮叶轮的排气通过所述轴向孔从所述涡轮壳体排出；

所述涡轮壳体限定环形旁通通道，所述环形旁通通道围绕所述孔且被布置成允许排气绕过所述涡轮叶轮；

布置在所述旁通通道中的环形旁通阀，所述旁通阀包括固定环形阀座和旋转环形阀构件，所述旋转环形阀构件相对于轴线与所述阀座共轴地布置，所述阀构件布置成抵靠所述阀座且能够绕所述轴线旋转以选择性地改变穿过所述阀座和阀构件的每一个限定的各自孔口之间的对准度，从限定所述旁通阀的关闭条件的不对准到限定所述旁通阀的打开条件的至少部分对准；和

旋转驱动构件和驱动臂，所述旋转驱动构件沿大致横向于所述阀构件所围绕旋转的轴线的方向穿过所述涡轮壳体，所述旋转驱动构件能够绕驱动构件轴线旋转，所述驱动构件轴线大致横向于所述阀构件所围绕旋转的轴线，所述驱动臂附接到所述旋转驱动构件的远端，所述驱动臂的远端接合所述阀构件使得所述旋转驱动构件的旋转导致所述驱动臂使所述阀构件绕所述轴线旋转。

12.根据权利要求11所述的涡轮组件，所述阀构件限定穿过其中的多个第一孔口，所述阀座限定穿过其中的多个第二孔口，每个第一孔口具有对应的第二孔口。

13.根据权利要求12所述的涡轮组件，其中，所述阀构件是大致平的环形盘，使得所述第一孔口绕所述阀构件的圆周周向地间隔开，并且所述阀座是大致平的环形盘，使得所述第二孔口绕所述阀座的圆周周向地间隔开，在相邻的第二孔口之间有足够的周向距离以在所述旁通阀的关闭条件下在它们之间容纳所述第一孔口。

14.根据权利要求13所述的涡轮组件，其中，所述阀构件和所述阀座中的一个包括围绕其内的各自第一或第二孔口的凸起垫，所述垫与所述阀构件和所述阀座中的另一个的基本平的表面接触，从而提供所述阀构件和所述阀座之间的密封。