CN102817646A - 涡轮壳体和用于引导废气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮壳体和用于引导废气的方法。在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种用于内燃机的强制进气系统的涡轮壳体，该涡轮壳体包括：与构造成容纳涡轮叶轮的涡轮蜗壳流体连通的涡轮入口通道，该涡轮入口通道构造成将废气流从排气歧管引导至所述涡轮叶轮。所述壳体还包括与所述涡轮蜗壳流体连通的涡轮出口通道，所述涡轮出口通道构造成将所述废气流引导至连接在所述涡轮出口通道上的催化转化器，其中所述涡轮出口通道包括锥形通道。

Description

涡轮壳体和用于引导废气的方法

技术领域

本发明的示例性实施例涉及强制进气系统，更特别地，涉及用于涡轮增压器的涡轮壳体。

背景技术

在现代内燃机（包括汽油机和柴油机）中强制进气（包括涡轮增压器）的使用常常用于增大发动机进气空气量和发动机的功率输出。另外，内燃机制造商面临遵守释放氮氧化物（特别是一氧化氮）、以及未燃和部分氧化的碳氢化合物、一氧化碳、颗粒物质和其它污染物质的排放标准的挑战任务。为了降低发动机的污染物质排放，使用废气后处理系统来减少从发动机流出的废气内的污染物质。

另外，涡轮由废气驱动，所以发动机、涡轮增压器和废气后处理系统之间废气的有效连通需要这些系统的协同设计。随着发动机变得越来越复杂，各种部件的封装使得涡轮增压器的设计具有挑战性。例如，由于排放规定变得越加严格和封装限制不断增加，可将紧密联接的催化转化器直接安装于涡轮增压器排气出口。这会影响涡轮增压器和/或废气后处理系统的性能。另外，涡轮增压器和后处理系统的改良封装和设计会降低部件的复杂程度和数量，从而导致降低成本及提高效率和性能。

发明内容

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种用于内燃机的强制进气系统的涡轮壳体，该涡轮壳体包括：与构造成容纳涡轮叶轮的涡轮蜗壳流体连通的涡轮入口通道，该涡轮入口通道构造成将废气流从排气歧管引导至所述涡轮叶轮。所述壳体还包括与所述涡轮蜗壳流体连通的涡轮出口通道，所述涡轮出口通道构造成将所述废气流引导至连接在所述涡轮出口通道上的催化转化器，其中所述涡轮出口通道包括锥形通道。

在本发明的另一示例性实施例中，提供了一种用于在内燃机的强制进行系统中引导废气的方法，其中所述方法包括：通过涡轮入口通道将废气流从排气歧管引导至涡轮蜗壳，该涡轮蜗壳构造成容纳涡轮叶轮；以及将所述废气流从所述涡轮蜗壳引导至涡轮出口通道，其中所述涡轮出口通道包括锥形基本不对称的通道。所述方法还包括将所述废气流从所述涡轮出口通道引导至联接在所述涡轮出口通道上的催化转化器。

本发明提供下列技术方案。

技术方案1：一种用于内燃机的强制进气系统的涡轮壳体，所述涡轮壳体包括：

与构造成容纳涡轮叶轮的涡轮蜗壳流体连通的涡轮入口通道，该涡轮入口通道构造成将废气流从排气歧管引导至所述涡轮叶轮；以及

与所述涡轮蜗壳流体连通的涡轮出口通道，所述涡轮出口通道构造成将所述废气流引导至联接在所述涡轮出口通道上的催化转化器，其中所述涡轮出口通道包括锥形通道。

技术方案2：如技术方案1的涡轮壳体，其中所述锥形通道构造成使所述废气流分布在所述催化转化器的载体面上。

技术方案3：如技术方案1的涡轮壳体，其中所述锥形通道沿着所述锥形通道的内表面引导所述废气流的一部分。

技术方案4：如技术方案1的涡轮壳体，其中所述锥形通道的内表面包括沿着所述废气流的方向增大的流通面积。

技术方案5：如技术方案1的涡轮壳体，其中所述锥形通道的内表面包括基本上弧形的横截面。

技术方案6：如技术方案1的涡轮壳体，其中所述涡轮出口的孔通过联接器联接至所述催化转化器。

技术方案7：如技术方案6的涡轮壳体，其中所述联接器包括焊缝或绑带。

技术方案8：如技术方案1的涡轮壳体，其中所述涡轮出口通道在选定操作条件下具有大于约0.9的进入所述催化转化器的流动均匀性值。

技术方案9：如技术方案1的涡轮壳体，其中所述涡轮出口通道包括基本上不对称的通道。

技术方案10：如技术方案1的涡轮壳体，其中所述涡轮壳体包括传感器壳体，该传感器壳体构造成将传感器基本上定位在沿着所述涡轮出口通道内表面的流动通道内。

技术方案11：一种用于内燃机的涡轮增压器，所述涡轮增压器包括：

涡轮壳体，其构造成从排气歧管接收废气流；以及

集成在所述涡轮壳体内的涡轮出口通道，该涡轮出口通道为与涡轮蜗壳流体连通的基本不对称通道，该涡轮出口通道构造成联接至催化转化器并将所述废气流从所述涡轮蜗壳引导至催化转化器载体。

技术方案12：如技术方案11的涡轮增压器，其中所述涡轮出口通道包括锥形通道。

技术方案13：如技术方案12的涡轮增压器，其中所述锥形通道沿着所述锥形通道的内表面引导所述废气流的一部分。

技术方案14：如技术方案11的涡轮增压器，其中所述涡轮出口通道的内表面包括基本上弧形的横截面。

技术方案15：如技术方案11的涡轮增压器，其中所述涡轮出口的孔通过联接器联接至所述催化转化器。

技术方案16：如技术方案15的涡轮增压器，其中所述联接器包括焊缝或绑带。

技术方案17：如技术方案11的涡轮增压器，其中所述涡轮出口通道包括锥形通道，该锥形通道构造成将所述废气流分布在所述载体的表面上，以产生大于约0.9的流动均匀性值。

技术方案18：如技术方案11的涡轮增压器，其中所述涡轮壳体包括传感器壳体，该传感器壳体构造成将传感器基本上定位在沿着所述涡轮出口通道内表面的流动通道内。

技术方案19：一种用于在内燃机的强制进气系统中引导废气的方法，所述方法包括：

通过涡轮入口通道将废气流从排气歧管引导至涡轮蜗壳，该涡轮蜗壳构造成容纳涡轮叶轮；

将所述废气流从所述涡轮蜗壳引导至涡轮出口通道，其中所述涡轮出口通道包括锥形的基本不对称通道；和

将所述废气流从所述涡轮出口通道引导至联接在所述涡轮出口通道上的催化转化器。

技术方案20：如技术方案19的方法，其中从所述涡轮出口通道引导所述废气流包括将所述废气流分布在催化转化器载体的表面上，以在选定操作条件下产生大于约0.9的流动均匀性值。

结合附图，从下面本发明的详细描述可容易地清楚本发明的上述特征和优点及其它特征和优点。

附图说明

在下面实施例的详细描述中借助于实例呈现了其它特征、优点和细节，所述详细描述参考附图，其中：

图1为包括涡轮增压器的内燃机的示例性视图；

图2为示例性涡轮增压器的侧视图；

图3为图2中涡轮增压器的示例性涡轮部分的截面侧视图；以及

图4为示例性涡轮部分的一部分的详细截面侧视图。

具体实施方式

下面的描述实质上仅仅是示例性的，不意欲限制本公开、其应用或使用。应当理解，在所有附图， 相同的附图标记指代相同或相应的零件和特征。

根据本发明的示例性实施例，图1示出了内燃机10，在该情况下为直列四缸发动机，包括进气系统12和排气系统14。内燃机10包括多个汽缸16，燃烧空气与燃料的混合物被引入汽缸16。燃烧空气/燃料混合物在汽缸16中燃烧，引起活塞（未示出）在其中的往复运动。活塞的往复运动转动曲轴（未示出）以输送动力至车辆动力系（未示出）或发电机或在内燃机10的固定应用情形下输送至该动力的其它固定接收者（未示出）。

内燃机10包括与汽缸16流体连通的进气歧管18；其中进气歧管18从进气系统12接收压缩进气充量20，并将该充量输送至多个汽缸16。排气系统14包括也与汽缸16流体连通的排气歧管22，其构造成排掉燃烧空气和燃料的已燃成分（即，废气24），并将其输送至定位成与其流体连通的废气驱动涡轮增压器26。涡轮增压器26包括容纳于涡轮壳体28内的废气涡轮叶轮27。涡轮壳体29包括入口30和出口32。出口32与排气系统14的其余部分流体连通，并将废气24输送至排气管34。排气管34可包括各种废气后处理装置，例如催化转化器50。如图所示，催化转化器50紧密联接至涡轮增压器26的出口32，并构造成在废气24释放至大气之前处理其各种被管制的成分。在实施例中，涡轮增压器26可为任意适当的强制通风进气设备，例如双卷轴涡轮增压器、双涡轮增压器或增压器。

涡轮增压器26还包括容纳在压缩机壳体36中的进气充量压缩机叶轮35。压缩机叶轮35通过轴37联接至涡轮叶轮27，允许压缩机叶轮35、轴37和涡轮叶轮27绕着轴39旋转。压缩机壳体36包括入口38和出口40。入口38为与供气管道41流体连通的通道，供气管道41输送新鲜空气72至压缩机壳体36。出口40与进气系统12流体连通，并通过进气充量管道42输送压缩进气充量20至进气歧管18。进气充量20通过进气歧管18被分配至内燃机10的汽缸16，用以与燃料混合并在其中燃烧。在示例性实施例中，压缩机壳体出口40与进气歧管18之间成一直线地布置压缩进气充量冷却器44。压缩进气充量冷却器44从进气充量管道42接收加热的（由于压缩）压缩进气充量20，并且在其中冷却该压缩进气充量20之后，通过进气充量管道42的后续部分将其输送至进气歧管18。

在图1所示的示例性实施例中，废气再循环（EGR）系统80定位成与排气系统14流体连通。EGR系统80包括EGR供给管道82、EGR入口管道84和EGR阀85。在一个实施例中，EGR供给管道82与涡轮壳体28流体连通并联接在其上。另外，EGR入口管道84与压缩机壳体36流体连通并联接在其上。EGR供给管道82构造成将废气24的一部分从涡轮壳体28改向，并通过废气驱动涡轮增压器26的压缩机壳体36将其再循环回进气系统12。如所示，EGR阀85与控制模块如发动机控制器60信号通信。EGR阀85基于任意给定时间的特定发动机运行条件调节接收的废气24的容积量，该接收的废气24作为再循环的废气81（EGR）被改向至进气系统12。发动机控制器60从传感器61a-61n收集有关内燃机10的运行的信息，例如温度（进气系统、排气系统、发动机冷却剂、环境等）、压力、排气系统条件、驾驶员需求，且因此可调节许多发动机条件和操作，包括通过EGR阀85与新鲜空气72混合以形成压缩进气充量20的废气24的流量。结果，依据控制器60指令的EGR量，压缩进气充量20可包括新鲜空气72与EGR81的连续可变混合。如本文所使用的，术语“控制器”指的是专用集成电路（ASIC）、电子电路、处理器（共享、专用或集群）和执行一个或多个软件或固件程序的内存、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其它适当部件。

继续参考图1的示例性实施例，压缩机入口38被集成进压缩机壳体36。新鲜空气72朝着压缩机壳体36内的蜗壳流过供气管道41，压缩机叶轮35在压缩机壳体36中压缩空气。通过将压缩机入口38和压缩机壳体36整合为一个单一部件，新鲜空气72的流道被控制成提供进入压缩机壳体36的改进的增大空气流。示例性压缩机入口38向新鲜空气72的流动提供切向分量，从而在空气流入压缩机壳体36时引起涡流效应。在实施例中，新鲜空气72的涡流由压缩机入口38的偏置部分引起。新鲜空气72配置成沿压缩机叶轮36相同的旋转方向成涡旋，从而增大进入的空气容量，提高涡轮增压器26的效率。另外，涡轮出口220（图2）与涡轮壳体28的集成改善了对进入催化转化器50的废气24的流动的控制。改善的对流动的控制在废气24流入催化转化器50的载体时提高了废气24的散布和均匀性，从而提高了废气处理系统的性能。集成的涡轮出口220与涡轮壳体28也减少了涡轮增压器26中零件的数量，从而降低了涡轮增压器26的成本并简化了其制造。下面参考图2-4详细描述涡轮增压器26以及其各种布置的示例性实施例。

图2为包括压缩机部分200、涡轮部分202和轴壳体204的示例性涡轮增压器26的侧视图。压缩机部分200包括压缩机壳体36、压缩机蜗壳208和压缩机入口210。压缩机蜗壳208容纳压缩机叶轮35（图1），并通过压缩机入口210（也称为“压缩机入口通道”或“压缩机入口管道”）接收新鲜空气72。PCV阀壳体212可集成进压缩机入口210以接收PCV阀。新鲜空气72被引导通过入口孔214，其中压缩机蜗壳208接收新鲜空气72，压缩机叶轮35压缩该空气以形成压缩进气充量20，该充量通过压缩机壳体出口216被引导至进气歧管18（图1）。涡轮部分202包括涡轮壳体28、涡轮蜗壳218、涡轮出口220及可选的传感器壳体222和224。涡轮出口220（也称为“涡轮出口通道”或“涡轮出口管道”）被集成进涡轮壳体28，并包括构造成将废气24引导至废气处理系统（例如催化转化器50）的涡轮出口孔226。废气24通过涡轮入口230被接收，并被引导至涡轮蜗壳218中的涡轮叶轮27（图1）。废气24通过涡轮壳体28（包括涡轮蜗壳218）的流动驱动涡轮叶轮27的旋转，从而驱动压缩机叶轮35的旋转，因而为内燃机10（图1）提供压缩进气充量20。

图3为包括集成进涡轮壳体28的涡轮出口220（也称为“涡轮出口通道”）的示例性涡轮部分202的截面侧视图。涡轮出口220紧密地联接至容纳载体302的催化转化器50，载体302构造成从废气24中减少污染物质。如所示，涡轮出口220中孔的直径304基本上等于载体302的直径。示例性涡轮出口220包括锥形通道306，其中该锥形包括沿着废气24流动的方向逐渐扩大的弧形（以圆弧的形状或成曲线）或锥形孔。因此，锥形通道306的内表面308的横截面包括圆弧或为弧形。另外，锥形通道306包括起自蜗壳218的出口孔310，其中锥形通道306的直径312在废气流24方向上沿着弧形内表面308逐渐增大或扩大。

锥形通道306的几何形状能够对废气24的流动进行控制，从而能够改善废气24在载体302的表面314上的分布。当废气24均匀分布在载体302的表面314上时，它增强了废气后处理系统的性能。所公开的发明增强了污染物质减少以及进入和通过载体302的流动，降低了发动机10经历的废气背压力。示例性涡轮出口220直接联接至催化转化器300，从而将载体302定位在涡轮出口孔226附近。因此，由于至催化转化器300的直接联接316（或紧密联接），所以涡轮出口220控制并均匀分布废气24流。所述联接316可为能承受高温的任意适当的耐用机构，例如构造成连接涡轮出口220与催化转化器300的绑带、焊缝或铜焊。在实施例中，废气24的分布由均匀性指数来描述。示例性涡轮出口220具有大于约0.7的均匀性指数，且该指数比其它涡轮出口结构高约7%。在另一实例中，在排放循环的选定操作条件下，均匀性指数大于约0.9。示例性的操作条件包括在4 bar平均有效压力（活塞上的负载）时的1200-1600 RPM（例如1400 RPM）。流动均匀性指数通常可描述为指示在流动通道内限定平面上的流速相对变化量的计算值。用于计算均匀性指数的公式如下：

A=要分析的流通面积；dA=所述面积的各部分，其中可在各部分中测量速度；和u=速度量值。

在实施例中，进入催化转化器50的废气24的改善分布增大了来自涡轮蜗壳218的流动。来自涡轮蜗壳218的增大流动增强了从壳体28去除废气，从而在涡轮叶轮27被进入的废气流驱动时降低了旋转的涡轮叶轮27上的阻力。因此，示例性的涡轮增压器26和涡轮壳体28提高了排气系统14的性能。另外，示例性的涡轮出口220包括基本上不对称的几何形状，以提供与催化转化器50的直接联接。

图4为图3中示例性涡轮出口220的一部分的详细侧视图。如图所示，锥形通道306构造成将废气流24的表示为400和402的分量沿着内表面308引导，以增强废气24在涡轮出口孔226的分布。示例性涡轮出口220可包括构造成在腔404中接收传感器的传感器壳体222。传感器构造成从腔404突出，如由线406所示的，其中突出的传感器处于废气流24、402的通道中。通过将传感器置于废气流24、402通道中，提高了传感器测量的精度。示例性传感器可配置成确定各种废气参数，包括但不限于，温度、NOx含量、氧含量或废气中其它成分的量。因此，所公开的涡轮出口220和壳体28的布置增强了涡轮增压器26中状况的测量。

尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明范围的情况下可对其进行各种改变或可用等效物替代其元件。另外，有不脱离其实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定的状况或材料适于本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明包括落入本申请范围内的所有实施方式。

Claims (10)

1.一种用于内燃机的强制进气系统的涡轮壳体，所述涡轮壳体包括：

与构造成容纳涡轮叶轮的涡轮蜗壳流体连通的涡轮入口通道，该涡轮入口通道构造成将废气流从排气歧管引导至所述涡轮叶轮；以及

与所述涡轮蜗壳流体连通的涡轮出口通道，所述涡轮出口通道构造成将所述废气流引导至联接在所述涡轮出口通道上的催化转化器，其中所述涡轮出口通道包括锥形通道。

2.如权利要求1的涡轮壳体，其中所述锥形通道构造成使所述废气流分布在所述催化转化器的载体面上。

3.如权利要求1的涡轮壳体，其中所述锥形通道沿着所述锥形通道的内表面引导所述废气流的一部分。

4.如权利要求1的涡轮壳体，其中所述锥形通道的内表面包括沿着所述废气流的方向增大的流通面积。

5.如权利要求1的涡轮壳体，其中所述锥形通道的内表面包括基本上弧形的横截面。

6.如权利要求1的涡轮壳体，其中所述涡轮出口的孔通过联接器联接至所述催化转化器。

7.如权利要求6的涡轮壳体，其中所述联接器包括焊缝或绑带。

8.如权利要求1的涡轮壳体，其中所述涡轮出口通道在选定操作条件下具有大于约0.9的进入所述催化转化器的流动均匀性值。

9.一种用于内燃机的涡轮增压器，所述涡轮增压器包括：

涡轮壳体，其构造成从排气歧管接收废气流；以及

集成在所述涡轮壳体内的涡轮出口通道，该涡轮出口通道为与涡轮蜗壳流体连通的基本不对称通道，该涡轮出口通道构造成联接至催化转化器并将所述废气流从所述涡轮蜗壳引导至催化转化器载体。

10.一种用于在内燃机的强制进气系统中引导废气的方法，所述方法包括：

通过涡轮入口通道将废气流从排气歧管引导至涡轮蜗壳，该涡轮蜗壳构造成容纳涡轮叶轮；

将所述废气流从所述涡轮蜗壳引导至涡轮出口通道，其中所述涡轮出口通道包括锥形的基本不对称通道；和

将所述废气流从所述涡轮出口通道引导至联接在所述涡轮出口通道上的催化转化器。

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