CN102877898A - 用于强制吸气系统的壳体组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于强制吸气系统的壳体组件。在本发明的一个示例性实施例中，提供了用于内燃机的强制进气系统的壳体组件。所述壳体包括涡轮壳体，该涡轮壳体进一步包括与构造成容纳涡轮叶轮的涡轮箱流体连通的涡轮入口通道。所述壳体组件还包括集成在涡轮壳体中的涡轮出口通道、与涡轮箱流体连通的涡轮出口通道，该涡轮出口通道构造成将废气流引导至联接于涡轮出口通道的催化转化器。另外，所述壳体组件包括与压缩机入口通道集成在一起的压缩机壳体，压缩机入口通道与构造成容纳压缩机叶轮的压缩机蜗壳流体连通，压缩机叶轮联接至涡轮叶轮，压缩机入口通道包括与压缩机蜗壳共用的壁。

Description

用于强制吸气系统的壳体组件

技术领域

本发明涉及涡轮增压器和吸气系统，更特别地，涉及具有一体式压缩机入口通道和一体式涡轮出口通道的涡轮增压器壳体组件。

背景技术

现代内燃机（包括汽油机和柴油机）中强制吸气（特别地，包括涡轮增压器）的使用常常用来提高发动机进气量和发动机的动力输出。期望使涡轮增压发动机有效使用排气系统中可用的能量，以提高整体发动机效率和燃料经济性。引导空气供给至涡轮增压器内的压缩机的管道是影响涡轮增压器效率的诸多因素之一。具体地，涡轮增压器流路中管路、通道或管道交叉处的角度影响进入压缩机叶轮和/或流出涡轮箱的流速。

另外，随着发动机变得越来越复杂，各种涡轮增压器部件的封装使得空气流路、涡轮增压器和发动机系统的设计富有挑战。例如，引导空气进入涡轮增压器的管路或管道会与其它发动机部件干涉，导致封装限制。

另外，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必须协同设计这些系统。例如，随着排放法规变得越加严格和封装限制日益增高，可将紧密联接的催化转化器直接安装在涡轮增压器废气出口。这会影响涡轮增压器和/或废气后处理系统的性能。

因此，涡轮增压器、吸气系统和废气后处理系统的改进设计会改善封装，同时降低部件的复杂性和数量，从而导致降低成本以及效率和性能的提升。

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壳体组件。所述壳体包括涡轮壳体，该涡轮壳体进一步包括与构造成容纳涡轮叶轮的涡轮箱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所述内燃机的排气歧管引导至所述涡轮叶轮。所述壳体组件还包括集成在所述涡轮壳体中的涡轮出口通道，该涡轮出口通道与所述涡轮箱流体连通，并且构造成将废气流引导至连接于所述涡轮出口通道的催化转化器，其中所述涡轮出口通道包括锥形通道。另外，所述壳体组件包括与压缩机入口通道集成在一起的压缩机壳体，所述压缩机入口通道与构造成容纳连接于所述涡轮叶轮的压缩机叶轮的压缩机蜗壳流体连通，所述压缩机入口通道包括与所述压缩机蜗壳共用的壁。

在本发明的另一示例性实施例中，提供了一种用于内燃机的强制进气的方法。该方法包括经由涡轮入口通道将废气流从排气歧管引导至构造成容纳涡轮叶轮的涡轮箱，和将废气流从涡轮箱引导至涡轮出口通道，其中所述涡轮出口通道包括基本上不对称的锥形通道。所述方法还包括将废气流从所述涡轮出口通道引导至联接于所述涡轮出口通道的催化转化器，以及将空气流引导进集成在压缩机壳体中的压缩机入口通道，其中所述压缩机入口通道包括引起进入压缩机蜗壳的涡流空气流的偏置部分。

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壳体组件，所述壳体组件包括：

涡轮壳体，其包括与构造成容纳涡轮叶轮的涡轮箱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所述内燃机的排气歧管引导至所述涡轮叶轮；

集成在所述涡轮壳体中的涡轮出口通道，该涡轮出口通道与所述涡轮箱流体连通，并且构造成将废气流引导至连接于所述涡轮出口通道的催化转化器，其中所述涡轮出口通道包括锥形通道；以及

与压缩机入口通道集成在一起的压缩机壳体，所述压缩机入口通道与构造成容纳连接于所述涡轮叶轮的压缩机叶轮的压缩机蜗壳流体连通，所述压缩机入口通道包括与所述压缩机蜗壳共用的壁。

技术方案2：如技术方案1的壳体组件，其中所述压缩机入口通道与供气管道流体连通。

技术方案3：如技术方案1的壳体组件，其中所述压缩机入口通道产生具有相对于所述压缩机叶轮的轴线基本成切向的流动分量的空气流。

技术方案4：如技术方案1的壳体组件，其中所述压缩机入口通道包括相对于所述压缩机蜗壳的孔基本上偏置的部分，以引起进入所述压缩机蜗壳的空气流的涡流。

技术方案5：如技术方案1的壳体组件，其中所述锥形通道构造成将废气流分布在所述催化转化器的基底表面上。

技术方案6：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向外引导废气流的一部分。

技术方案7：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废气流的方向增大的流动面积。

技术方案8：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9：如技术方案1的涡轮壳体，其中所述涡轮出口通道中的废气流在选定操作情形下具有进入所述催化转化器的大于约0.9的流动均匀度值。

技术方案10：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，其构造成从所述内燃机的排气歧管接收废气流；

集成在所述涡轮壳体中的涡轮出口通道，该涡轮出口为与涡轮箱流体连通的基本上不对称的通道，所述涡轮出口通道构造成联接至催化转化器，以从所述涡轮箱向其引导废气流；以及

与压缩机壳体集成在一起的压缩机入口通道，所述压缩机入口通道构造成向可旋转地布置在压缩机蜗壳内的压缩机叶轮引导空气流，其中所述压缩机入口通道包括偏置部分，从而引起进入所述压缩机蜗壳的涡流空气流。

技术方案12：如技术方案11的涡轮增压器，其中所述压缩机入口通道包括与所述压缩机蜗壳共用的壁。

技术方案13：如技术方案11的涡轮增压器，其中所述压缩机入口通道的偏置部分产生沿所述压缩机叶轮旋转方向的涡流空气流。

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包括锥形通道。

技术方案15：如技术方案11的涡轮增压器，其中所述涡轮出口通道的内表面包括基本上弧形的截面。

技术方案16：如技术方案11的涡轮增压器，其中所述涡轮出口的孔通过包括焊接或紧箍的联接方式联接至所述催化转化器。

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废气流分布在所述基底的表面上，以在选定操作情形下引起大于约0.9的流动均匀度值。

技术方案18：一种用于内燃机的强制进气的方法，该方法包括：

经由涡轮入口通道将废气流从排气歧管引导至构造成容纳涡轮叶轮的涡轮箱；

将废气流从涡轮箱引导至涡轮出口通道，其中所述涡轮出口通道包括基本上不对称的锥形通道；

将废气流从所述涡轮出口通道引导至联接于所述涡轮出口通道的催化转化器；以及

将空气流引导进集成在压缩机壳体中的压缩机入口通道，其中所述压缩机入口通道包括引起进入压缩机蜗壳的涡流空气流的偏置部分。

技术方案19：如技术方案18的方法，其中从所述涡轮出口通道引导废气流包括将废气流分布在催化转化器基底的表面上，以在选定操作情形下引起大于约0.9的流动均匀度值。

技术方案20：如技术方案18的方法，其中将空气流引导进集成在压缩机壳体中的压缩机入口通道包括引导空气流进入与所述压缩机蜗壳共用一壁的压缩机入口通道。

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

其它特征、优点和细节通过仅例子呈现在下面实施例的详细描述中，该详细描述参考附图，其中：

图1为包括涡轮增压器的内燃机的示意图；

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压缩机部分的剖面端视图；

图4为图3中示例性压缩机部分的剖面侧视图；

图5为图3中涡轮增压器的示例性涡轮部分的剖面侧视图；以及

图6为图5中示例性涡轮部分的一部分的详细剖面侧视图。

具体实施方式

下面的详细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，在所有附图中，相应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示出了包括进气系统12和排气系统14的内燃机10，在本案中为直列四缸发动机。内燃机10包括多个汽缸16，燃烧空气与燃料的混合物被吸入汽缸16中。燃烧空气/燃料混合物在汽缸16中燃烧，导致其中的活塞（未示出）往复运动。活塞的往复运动转动曲轴（未示出），将原动力输送至车辆动力系（未示出）或发电机、或者在内燃机10的固定式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与燃料的燃烧成分（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包括容纳在涡轮壳体28中的废气涡轮叶轮27。涡轮壳体28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输送至排气管道34。排气管道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，并且构造成在废气24释放到大气之前处理其各种被规定的成分。实施例中，涡轮增压器26可为任意适当的强制进气设备，例如双涡流涡轮增压器或双涡轮增压器。

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，其中压缩机叶轮35、轴37和涡轮叶轮27绕着轴线39旋转。压缩机壳体36包括入口38和出口40。入口38为与输送新鲜空气72至压缩机壳体36的供气管道41流体连通的通道。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分配至内燃机10的汽缸16，以便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有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接收变热的（由于压缩）压缩进气充量20，然后在其中冷却压缩进气充量20，并通过进气充量管道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构造成使废气24的一部分从涡轮壳体28改向，并经由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。如图所示，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操作情形调节废气24中作为再循环废气81（EGR）转向至进气系统12的容积量。发动机控制器60从传感器61a-61n收集有关内燃机10操作的信息，例如温度（进气系统、排气系统、发动机冷却剂、环境等）、压力、排气系统情形、驾驶员需求，且结果，可调节许多发动机情形和操作，包括废气24通过EGR 阀85以作为EGR 81与新鲜空气72混合从而形成压缩进气充量20的流动。因此，根据控制器60指令的EGR量，压缩进气充量20可包括新鲜空气72与EGR 81的连续可变混合物。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）和执行一种或多种软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路、和/或提供期望功能的其它适当部件。

仍参考图1的示例性实施例，压缩机入口38集成进压缩机壳体36。新鲜空气72朝向压缩机壳体36中的蜗壳流过空气供给管道41，其中压缩机叶轮35压缩空气。通过将压缩机入口38和压缩机壳体36集成为一个部件，新鲜空气72的流路被控制成提供进入压缩机壳体36的改善增强的空气流。示例的压缩机入口38提供了新鲜空气72的流动的切向分量，从而在空气流入压缩机壳体36时引起涡旋效应。另外，压缩机入口38还包括产生新鲜空气72的涡流的偏置部分。涡流的新鲜空气72被配置成沿着与压缩机叶轮35相同的旋转方向涡旋，从而提高涡轮增压器26的进气和效率。另外，压缩机入口38与压缩机壳体36的集成减少了涡轮增压器26中单独部件的数量，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来详述涡轮增压器26的示例性实施例及其各种布置。

图2为包括示例性涡轮增压器26的侧视图，包括压缩机部分200、涡轮部分202和轴壳体204。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“压缩器入口管路”）接收新鲜空气72。PCV阀壳体212可集成进压缩机入口210并接收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压缩新鲜空气72以形成压缩进气充量20，该进气充量20被压缩机壳体出口216引导至进气歧管18（图1）。涡轮部分202包括涡轮壳体28、涡轮箱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“涡轮压缩机出口管路”）集成进涡轮壳体28，并包括构造成引导废气24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被涡轮入口230接收，并被引导至涡轮箱218内的涡轮叶轮27（图1）。废气24经过包括涡轮箱218的涡轮壳体28的流动驱动涡轮叶轮27（图1）旋转，且相应地驱动压缩机叶轮35旋转，从而提供用于内燃机10（图1）的压缩进气充量20。如本文所述，压缩机部分200、涡轮部分202和轴壳体204的组合可称为壳体组件。

图3为包括集成进压缩机壳体36的压缩机入口210的压缩机部分200的剖面端视图。压缩机入口210包括入口壁300，该入口壁300形成接收流入压缩机入口210的新鲜空气72的通道301。示例的压缩机入口210和压缩机壳体36共享至少一部分的共用壁302。该共用壁302减小了压缩机部分200的总尺寸，例如压缩机部分200的轴向长度。另外，压缩机入口210包括偏置或偏离部分304，该部分偏移选定距离306，以便在新鲜空气72流过压缩机入口210时形成涡流或旋转分量308。偏置部分305偏移开距离306，从而形成环绕并进入基本上圆形的蜗壳孔310的非同心腔和流路。偏置部分304形成的空气流的涡流或旋转分量308绕着压缩机叶轮轴线312（垂直于图3，也在图4中示出）涡旋。通过集成压缩机入口210与压缩机壳体36，减小了压缩机部分200的总轴向长度，同时能够改进新鲜空气72进入压缩机蜗壳208的流路的设计和控制，从而提高涡轮增压器26（图1）的性能。集成的压缩机入口210和压缩机壳体36可由金属合金或其它适当的耐用材料形成，例如铸造成单件的钢合金，减少了涡轮增压器部件的数量。示例的共用壁302将壁的至少一部分与压缩机入口共用，并将壁的第二部分与压缩机蜗壳203的内侧共用。

图4为图3中示例性压缩机部分200的剖面侧视图。如图所示，新鲜空气72被压缩机入口210接收，并通过孔310引导至压缩机蜗壳208。新鲜空气72流过由入口壁300形成的通道301，其中流路构造成通过产生绕着压缩机叶轮轴线312的旋转分量或空气流涡流308（图3）来提高涡轮增压器26的性能。在实施例中，空气流涡流308的方向与压缩机叶轮35（图1）的旋转相同，从而增大了压缩机叶轮35压缩的空气容量，使得涡轮增压器26的性能提升。压缩机入口210还可包括构造成允许从压缩机蜗壳208进入压缩机入口210的流体连通和空气流的再循环管路400。示例的再循环管路400也可集成进压缩机壳体36的设计，进一步简化涡轮增压器26组件。具有集成压缩机入口210和压缩机壳体36的示例性压缩机部分200控制新鲜空气72的流路，以提高涡轮增压器26的性能。在一个实施例中，压缩机效率被提高约0.5到约2.5%。在另一实施例中，压缩机效率被提高约1到约2%。在又一实施例中，压缩机效率被提高超过约1%。压缩机效率可定义为计算等熵压缩机温度除以实际压缩机出口温度。由于操控通过压缩机的气体（例如不得不通过压缩机叶轮转动气体）引起的摩擦损耗，实际出口温度通常更高。

图5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的剖面侧视图。涡轮出口220紧密地联接至催化转化器50，该催化转化器50容纳构造成从废气24减少污染物的基底502。如图所示，涡轮出口220中孔的直径504基本上等于催化转化器50的直径。示例的涡轮出口220包括锥形通道506，其中该锥形包括沿着废气24流动的方向逐步扩大的弧形或锥形壁或内表面508。因此，锥形通道506的内表面508的截面包括弧或为弧形。另外，锥形通道506包括起自蜗壳218的出口510，其中锥形通道306的直径512沿着废气228流动的方向沿弧形内表面508逐渐增大。

锥形通道506的几何形状使得能够控制废气24的流动，从而能够改善废气24跨越入口面514和通过基底502的分布。当废气24均匀地分布在整个基底502上时，它提高了废气后处理系统的性能。该系统改进了降污以及进入和通过基底502的流动。示例的涡轮出口220可直接联接至催化转化器50，从而将基底502定位在涡轮出口孔226最近处，并最小化了废气24的温度损耗。因此，由于到催化转化器50的直接联接516，涡轮出口220部分地控制废气24的流动并均匀地分布废气24。实施例中，废气24的分布由均匀度指数来描述。示例的涡轮出口220具有大于约0.7的均匀度指数，与其它涡轮出口结构相比高出约7%。在另一实例中，在排放循环的所选操作情形下，均匀度指数大于约0.9。示例的操作情形包括4 bar平均有效压力（活塞上的载荷）时的1200-1600 RPM，例如1400 RPM。流动均匀度指数通常描述为表示流路中定义平面上流速变化相对量的计算值。用来计算均匀度指数的公式如下：

其中

A = 要分析的流动面积；dA = 所述面积的各单独部分，其中可在每个部分中测量速度；和u = 速度大小。

实施例中，改善的进入催化转化器50的废气24分布增大了从涡轮箱218的流量。从涡轮箱218增加的流量增大了通过壳体28的废气24的流量，从而在涡轮叶轮27被进入的废气流驱动时减小了正在旋转的涡轮叶轮27上的阻力。因此，示例的涡轮增压器26和涡轮壳体28提高了性能。另外，示例的涡轮出口220包括基本上不对称的几何形状，进一步增强了气体分布。

图6为图5中所示示例性涡轮出口220的一部分的详细侧视图。如图所示，锥形通道506构造成沿着内表面508将部分的废气流24（600和602）向外引导，以改善废气24在涡轮出口孔226的分布。示例的涡轮出口220可包括构造成在腔604中接收传感器606的传感器壳体222。传感器606构造成从腔604突起，如附图中虚线所示，其中突起的传感器在废气流602的流路中。通过在废气流路602中设置传感器，提高了传感器测量的精度。示例的传感器可配置成确定多个废气参数，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的布置改进了从传感器606获得的测量。

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情形下可对其进行各种修改和使用等效物替换其元件。另外，在不脱离其实质范围情形下，根据本发明的教导可进行许多修改以适应特定的情形或材料。因此，本发明不意欲限制为公开的特定实施例，相反，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壳体组件，所述壳体组件包括：

涡轮壳体，其包括与构造成容纳涡轮叶轮的涡轮箱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所述内燃机的排气歧管引导至所述涡轮叶轮；

集成在所述涡轮壳体中的涡轮出口通道，该涡轮出口通道与所述涡轮箱流体连通，并且构造成将废气流引导至连接于所述涡轮出口通道的催化转化器，其中所述涡轮出口通道包括锥形通道；以及

与压缩机入口通道集成在一起的压缩机壳体，所述压缩机入口通道与构造成容纳连接于所述涡轮叶轮的压缩机叶轮的压缩机蜗壳流体连通，所述压缩机入口通道包括与所述压缩机蜗壳共用的壁。

2.如权利要求1的壳体组件，其中所述压缩机入口通道与供气管道流体连通。

3.如权利要求1的壳体组件，其中所述压缩机入口通道产生具有相对于所述压缩机叶轮的轴线基本成切向的流动分量的空气流。

4.如权利要求1的壳体组件，其中所述压缩机入口通道包括相对于所述压缩机蜗壳的孔基本上偏置的部分，以引起进入所述压缩机蜗壳的空气流的涡流。

5.如权利要求1的壳体组件，其中所述锥形通道构造成将废气流分布在所述催化转化器的基底表面上。

6.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向外引导废气流的一部分。

7.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废气流的方向增大的流动面积。

8.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。

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，其构造成从所述内燃机的排气歧管接收废气流；

集成在所述涡轮壳体中的涡轮出口通道，该涡轮出口为与涡轮箱流体连通的基本上不对称的通道，所述涡轮出口通道构造成联接至催化转化器，以从所述涡轮箱向其引导废气流；以及

与压缩机壳体集成在一起的压缩机入口通道，所述压缩机入口通道构造成向可旋转地布置在压缩机蜗壳内的压缩机叶轮引导空气流，其中所述压缩机入口通道包括偏置部分，从而引起进入所述压缩机蜗壳的涡流空气流。

10.一种用于内燃机的强制进气的方法，该方法包括：

经由涡轮入口通道将废气流从排气歧管引导至构造成容纳涡轮叶轮的涡轮箱；

将废气流从涡轮箱引导至涡轮出口通道，其中所述涡轮出口通道包括基本上不对称的锥形通道；

将废气流从所述涡轮出口通道引导至联接于所述涡轮出口通道的催化转化器；以及

将空气流引导进集成在压缩机壳体中的压缩机入口通道，其中所述压缩机入口通道包括引起进入压缩机蜗壳的涡流空气流的偏置部分。

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