CN103016070A - 具有叶片密封装置的涡轮增压器可变喷嘴组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有叶片密封装置的涡轮增压器可变喷嘴组件。一种用于涡轮增压器的可变喷嘴组件包括总体上为环状的喷嘴环以及可旋转地安装到喷嘴环上的一排叶片，从而叶片可以围绕它们的轴线枢转，用于调节流动至涡轮叶轮的排气流量。调和环接合固定到叶片的轴杆上的叶片臂，从而调和环的转动使得叶片在关闭位置与打开位置之间枢转。叶片具有邻近喷嘴环的面的近端。叶片密封构件支承在喷嘴环上并且具有布置在叶片的近端与喷嘴环的面之间的部分。调和环包括接合凸轮随动件的凸轮。调和环的转动运动使得凸轮随动件轴向地移动并且由此推动叶片密封构件靠近叶片的近端。

Description

具有叶片密封装置的涡轮增压器可变喷嘴组件

技术领域

本发明涉及具有可变喷嘴涡轮的涡轮增压器，其中一排活动叶片(vane)布置在涡轮的喷嘴中，用于调节进入涡轮的排气流量。

背景技术

排气驱动涡轮增压器是结合内燃机使用的装置，其通过压缩将与燃料混合并且在发动机中燃烧的、输送给发动机的空气进口的空气以用于增加发动机的功率输出。涡轮增压器包括在压缩机壳体中安装在轴的一端上的压缩机叶轮(compressor wheel)以及在涡轮壳体中安装在轴的另一端上的涡轮叶轮(turbinewheel)。典型的涡轮壳体与压缩机壳体单独地分开形成，并且存在连接在涡轮与压缩机壳体之间的用于容纳轴的轴承的另一中心壳体。涡轮壳体限定了围绕涡轮叶轮而且接收来自发动机的排气的大体上呈环形的腔(chamber)。涡轮组件包括从腔引导至涡轮叶轮的喷嘴。排气从腔通过喷嘴流动至涡轮叶轮与涡轮叶轮并且涡轮叶轮由排气驱动。涡轮因此从排气中提取动力并且驱动压缩机。压缩机接收通过压缩机壳体的进口的环境空气并且空气通过压缩机叶轮压缩然后从壳体排出到发动机空气进口。

具有涡轮增压器的升压发动机所面临的一个挑战是在发动机的整个工作范围中实现发动机功率输出的所需量。已经发现这些目标用具有固定几何形状的涡轮增压器常常不容易实现，并且因此已经发展了具有可变几何形状涡轮增压器，其目标是在由涡轮增压器提供的增压量上提供较大程度的控制。一种典型的可变几何形状涡轮增压器是可变喷嘴涡轮增压器(VNT)，其包括在涡轮喷嘴中的一排可变叶片。叶片枢转地安装在喷嘴中并且连接到使得叶片的装置角(setting angle)能够变化的机构上。改变叶片的装置角具有改变涡轮喷嘴中有效流动面积的效果，并且因此排气至涡轮叶轮的流动(流量)可以通过控制叶片位置而得到调节。相对于具有固定几何形状的涡轮增压器通常可能的调节而言，用这样的方式，涡轮的功率输出可以得到调节，这样就允许发动机功率输出在更大程度上得到控制。

一个这样的可变喷嘴组件包括支承该排叶片的通常为环状的喷嘴环。叶片可旋转地安装到喷嘴环上并且连接到可旋转的致动器环上，从而致动器环的转动使叶片旋转，用于调节流动至涡轮叶轮的排气流量。

上述可变喷嘴组件是有效的，但在寻找进一步的改进。

发明内容

特别地，潜在的改进的范围涉及叶片与由喷嘴环形成的喷嘴的一个壁之间的密封。典型的可变喷嘴组件构造为使得在叶片的端部与喷嘴的相邻壁之间存在缺口/间隙(gap)。大概始终不可能完全消除这样的缺口，因为叶片必须能够枢转，但减小缺口的宽度将使得涡轮性能得到改进，这是因为较少的排气将通过缺口泄漏。这样所面临的挑战然后变为在不削弱叶片枢转的能力的情况下如何减小缺口的尺寸。

本发明提出了上述需求并且通过提供一种具有可变喷嘴组件的涡轮增压器实现了其他的优点，所述涡轮增压器包括：

压缩机壳体和安装在压缩机壳体中并且连接到可旋转的轴上的压缩机叶轮，以及涡轮壳体和安装在涡轮壳体中并且连接到可旋转的轴上的涡轮叶轮，涡轮壳体限定了腔，所述腔围绕涡轮叶轮用于接收来自发动机的排气并且用于通过从腔总体上径向地向内导向至涡轮叶轮的喷嘴供给排气，涡轮壳体还限定了轴向孔；

具有相对的第一面和第二面的喷嘴环，喷嘴被限定在第二面与相对的壁之间，喷嘴环具有每个都从第一面轴向地延伸至第二面的多个圆周间隔开的轴承孔；

布置在喷嘴中并且每个都具有近端和远端的多个叶片，叶片的近端靠近喷嘴环的第二面，轴杆被连接到近端并且被接收到喷嘴环的轴承孔中并且在轴承孔中可旋转，叶片在关闭位置与打开位置之间可旋转；

邻近喷嘴环的第一面并且分别刚性地固定到轴杆上的多个叶片臂，每个叶片臂都具有自由端；

布置为总体上与喷嘴环同轴的调和环(unisonring)，并且调和环的面与喷嘴环的第一面相对，调和环与叶片臂的自由端接合并且围绕喷嘴环的轴线可旋转从而枢转叶片臂，由此一致地枢转叶片，调和环具有在对应于叶片的关闭位置的关闭位置和对应于叶片的打开位置的打开位置；

具有布置在喷嘴环的第二面与叶片的近端之间的部分的叶片密封构件；以及

凸轮装置，通过该凸轮装置在调和环转动至关闭位置期间调和环与叶片密封构件接合，凸轮装置构成为当调和环移动至关闭位置时相对于叶片的近端在第一轴向方向上移动叶片密封构件，并且构成为当调和环移动出关闭位置时允许叶片密封构件在与第一轴向方向相反的第二轴向方向上移动。

在一些实施例中，凸轮装置包括形成在调和环上的多个圆周间隔开的凸轮，每个凸轮沿当调和环转动至关闭位置时凸轮移动的方向倾斜。凸轮装置还包括多个凸轮随动件，每个凸轮随动件具有与所述凸轮中的相应的一个凸轮接合的第一端以及当调和环转动至关闭位置时在第一轴向方向上推动叶片密封构件的相对的第二端。

在特定的实施例中凸轮随动件包括叶片密封构件的一体形成的部分。叶片密封构件可以总体上为环状的并且凸轮随动件可以包括从叶片密封构件的径向外缘延伸的突起。每个突起可以都具有轴向地延伸并且终止于用于接合所述凸轮中的相应一个凸轮的端部的部分。

在一个实施例中，叶片密封构件包括板材金属部件并且突起包括弯曲以形成总体上轴向地延伸的部分的金属板部分。突起的端部可以选择性地限定脚部分，其弯曲以总体上垂直于总体上轴向地延伸的部分进行延伸，脚部分接合调和环的凸轮。

在另一实施例中，凸轮随动件可以与叶片密封构件分别地形成。例如，喷嘴环可以限定通过其中轴向地延伸的多个孔，以及凸轮随动件可以延伸通过孔。凸轮随动件可以包括销。

附图说明

通过以一般的术语对本发明进行的描述，现在结合附图，该附图并不一定是按比例绘制的，并且其中：

图1是根据本发明的实施例的具有可变喷嘴组件的涡轮增压器的截面图；

图2是根据本发明的实施例的可变喷嘴和挡圈(retainerring)组件的透视图；

图3是图2的可变喷嘴和挡圈组件的侧视图；

图4是没有挡圈的情况下图2的可变喷嘴组件的透视图；

图5是图4的可变喷嘴组件的侧视图；

图6是图2的可变喷嘴和挡圈组件的截面图；

图7以放大比例示出了图6的不完全部分；

图8是根据本发明的另一实施例的可变喷嘴组件的透视图；

图9是图8的可变喷嘴组件的侧视图；

图10是图8的可变喷嘴组件的进一步透视图；

图11是图8的可变喷嘴组件的正视图；以及

图12是以放大比例的图8的可变喷嘴组件的不完全截面图。

具体实施方式

参照附图，现在将下文中更完全地描述本发明，其中示出了本发明的一些并不是全部的实施例。实际上，这些发明可以以许多不同的形式实施并且将不会构成为限制在此提出的实施例；然而，提供这些实施例从而本发明将满足可适用的法律需求。全文中相同的附图标记表示相同的元件。

在图1中示出了根据本发明的一个实施例的涡轮增压器100。涡轮增压器包括涡轮，涡轮包括涡轮壳体110和安装在涡轮壳体中并且连接到可旋转的轴114上并与其旋转的涡轮叶轮112。涡轮壳体限定了围绕涡轮叶轮用于接收排气的腔116，并且存在从腔总体上径向地向内导向至涡轮叶轮的喷嘴118。涡轮壳体还限定了轴向延伸孔120，通过该孔排气在通过涡轮叶轮后被排出。

涡轮增压器还包括压缩机，该压缩机包括压缩机壳体130和安装在压缩机壳体中并且连接到可旋转的轴114上与其旋转的压缩机叶轮132。中心壳体140连接在压缩机壳体130与涡轮壳体110之间。轴114通过中心壳体，其支承用于轴的轴承142。

涡轮增压器还包括可变喷嘴组件150，其包括具有接收在涡轮壳体的孔120中的管状部分162并且具有从管状部分的一端总体上径向地延伸出的总体上的环状喷嘴部分164的插件160。可变喷嘴组件150还包括与喷嘴部分164轴向地间隔开的总体上的环状喷嘴环170，以及围绕喷嘴环圆周地间隔开并且可旋转地安装到喷嘴环上的一排叶片180从而为了调节流向涡轮叶轮的排气流量，叶片的装置角是可变的。喷嘴环170刚性地固定到喷嘴部分164上，例如通过在这些部件之间延伸并且在它们之间维持固定间隔的刚性垫圈166(见图2和图3)。

涡轮壳体110包括与在中心壳体140的凸缘144相对的总体上为环状的凸缘111。涡轮壳体凸缘111和中心壳体凸缘144具有成台阶的轴向地面对的表面，从而存在径向的外对对立表面与径向的内对对立表面。总体上为环状的挡圈190的径向外部布置并且夹持在内对对立表面之间。弹性密封环192布置并且轴向压缩在外对对立表面之间。在示出的实施例中，密封环192具有总体上为U形的横截面，定向为U形表面的打开侧径向地向内。然而，可以使用其它结构的密封环。挡圈190的径向内部与喷嘴环170的轴向下游面表面接合并且因此限制喷嘴环170在下游方向(即，图1的右侧)可以轴向地移动的范围。

在示出的实施例中的弹簧元件194还包括防热罩，弹簧元件194布置在喷嘴环170的径向内部与中心壳体140的一部分之间。防热罩194是由弹性金属构成的金属板材零件，并且防热罩具有非平板的构型从而当受到轴向压缩时防热罩起到弹簧元件的作用。防热罩总体上为环状的并且具有接合靠在喷嘴环170的轴向上游面对表面的径向外部以及接合靠在中心壳体140的轴向下游面对表面的径向内部。防热罩在这些表面之间轴向被压缩。

弹性的径向可压缩的定位环196布置在喷嘴环170的径向向内面对的表面与中心壳体140的径向向外面对的表面之间并且接合靠在向内和向外面对的表面上从而相对于中心壳体径向地定位喷嘴环。定位环包括总体上为环状的主体，其具有限定了径向外支腿和径向内支腿的总体上为C形的横截面，径向外支腿接合靠在喷嘴环170的径向向内面对的表面上并且径向内支腿接合靠在中心壳体140的径向向外面对的表面上。

参照图2至7，示出了根据本发明的可变喷嘴组件150的第一实施例。叶片180具有近端182和相对的远端184。叶片的近端182刚性地固定到总体上为圆柱形的轴杆186(图4)上。喷嘴环170包括通过喷嘴环170轴向地延伸的轴承孔。叶片的轴杆186以足够松的配合通过轴承孔以允许轴杆围绕它们的轴线转动，但轴杆与孔之间的间隙足够小以基本上将轴杆的转动轴线的轴向定向固定。

轴杆186具有超出喷嘴环的第一面172的从轴承孔突出的远端。叶片臂188(在图4中部分可见)刚性地连接到轴杆186的远端。叶片臂具有相对的自由端，其接合邻近喷嘴环的第一面172布置的调和环210。调和环210与喷嘴环总体上同轴并且通过适当的致动器(未示出)致动以围绕其轴线可旋转。调和环在一个方向上的转动使得叶片臂188在将叶片180朝向它们的打开位置枢转的方向上枢转；调和环在另一方向上的转动将叶片朝向它们的关闭位置枢转。

根据本发明，可变喷嘴组件150包括与喷嘴环170单独地分开形成并且支承在喷嘴环170上的总体上为环状的叶片密封构件220。如图7中最好地看到，叶片密封构件220具有布置在叶片180的近端182与喷嘴环170的第二面174之间的部分222。叶片密封构件220可以是薄片金属部件。

在一个实施例中，叶片密封构件220包括从叶片密封构件的径向外缘总体上轴向地延伸的凸缘226。凸缘226延伸为邻近喷嘴环170的径向外表面。如图7所示，选择性地，密封环227可以布置在凸缘226与喷嘴环170之间，用于密封其间的接合面。还有选择性地，叶片密封构件220可以包括从其径向的内缘轴向地延伸的凸缘228，并且凸缘228可以接合形成在喷嘴环170的第二面174中的凹槽，由此相对于喷嘴环径向地定位叶片密封构件。密封环229可以布置在凸缘228与喷嘴环中的凹槽的对立表面之间，用于密封其间的接合面。

可变喷嘴组件150包括凸轮装置，在调和环转动至叶片180在它们的完全关闭位置的关闭位置期间通过该凸轮装置，调和环210接合叶片密封构件220。凸轮装置构成为当调和环移动至关闭位置时，相对于叶片的近端182在第一轴向方向上移动叶片密封构件220，并且构成为当调和环移动出关闭位置时，在与第一轴向方向相反的第二轴向方向上允许叶片密封构件220移动。

根据图2至7所示的一个实施例中，凸轮装置包括形成在调和环210上(在图3至图5中最佳地看到)的多个圆周间隔开的凸轮212，每个凸轮212沿当调和环210转动至关闭位置时凸轮移动的方向倾斜。凸轮装置还包括多个凸轮随动件230。每个凸轮随动件230具有接合相应的一个凸轮212的第一端和当调和环转动至关闭位置时在第一轴向方向上(相对于叶片的近端182)推动叶片密封构件220的相对的第二端。在附图中示出调和环处于关闭位置。

在图2至7中示出的实施例中，凸轮随动件230包括叶片密封构件220的一体形成的部分。具体地，其中叶片密封构件220总体上为环状的并且具有径向的内缘和径向的外缘，凸轮随动件可以包括从径向的外缘延伸出的突起。每个突起都具有总体上轴向地延伸并且终止于构成为用于接合所述凸轮212中的相应的一个凸轮的的端部232的部分。在示出的实施例中，存在三个凸轮随动件230，但本发明不局限于任何特定的数目。叶片密封构件可以包括板材金属部件并且突起可以包括弯曲以形成总体上轴向地延伸的多个部分的金属板部分。如图2中最佳地看到，挡圈190可以包括用于容纳一体的凸轮跟踪件230的凹口或切口191。

图8示出了总体上与如上所述的实施例相同的可替换的实施例，但是其中突起(凸轮随动件230)的端部232限定了弯曲以总体上垂直于总体上轴向地延伸的部分进行延伸的脚部分234。脚部分234接合调和环210的凸轮212。

图9至12示出了进一步的可替换的实施例，其中凸轮随动件230′与叶片密封构件220’分别地形成。喷嘴环170限定了通过其中轴向地延伸的多个孔175(图12)，以及凸轮随动件230′延伸通过孔175。凸轮随动件230′可以包括，例如，圆柱形销等。每个凸轮随动件230′的一端接合在调和环210′上的所述凸轮212′中的相应的一个凸轮并且凸轮随动件230′的相对端接合叶片密封构件220′。在示出的实施例中凸轮212′是从调和环的径向内缘径向地向内延伸的调和环的一体部分并且形状为从调和环的面的平面轴向地朝向喷嘴环的相对面突出。

在多个如上所述的实施例中，当调和环210，210′在打开位置(将叶片180布置在它们的打开位置)时，凸轮212，212′不与凸轮随动件230，230′接合并且因此叶片密封构件220，220′允许向喷嘴环170移动，从而在叶片密封构件与叶片180的近端182之间可以存在间隙。当所述调和环转动至关闭位置时，凸轮212，212′与凸轮随动件230，230′接合并且朝向叶片密封构件220，220′推动凸轮随动件，使得叶片密封构件靠在叶片的近端182。有利地，叶片自由地轴向移动并且因此叶片密封构件能够轴向地推动叶片从而叶片的远端184被推靠在插件160的喷嘴部分164。用这种方式，在叶片的关闭位置叶片端部与喷嘴壁之间的间隙大体上被减小或除去。

本申请提出的本发明的许多变型以及其它实施例将对本领域技术人员提供教导，这些发明涉及在上述具体实施方式以及相关的附图中存在的益处以及教导。因此，应当理解，本发明将不限于公开的具体实施例并且变型以及其它实施例旨在包含在所附的权利要求书的范围内。尽管在此采用了专有术语，它们仅以普通的并且描述的方式使用并且不构成限制。

Claims (10)

1.一种具有可变喷嘴组件的涡轮增压器，包括：

压缩机壳体和安装在压缩机壳体中并且连接到可旋转的轴上的压缩机叶轮，以及涡轮壳体和安装在涡轮壳体中并且连接到可旋转的轴上的涡轮叶轮，涡轮壳体限定了腔，所述腔围绕涡轮叶轮用于接收来自发动机的排气并且用于通过从所述腔大体上径向地向内导向至涡轮叶轮的喷嘴供给排气；

具有相对的第一面和第二面的喷嘴环，喷嘴被限定在第二面与相对的壁之间，喷嘴环具有每个都从第一面轴向地延伸至第二面的多个圆周间隔开的轴承孔；

布置在喷嘴中并且每个都具有近端和远端的多个叶片，叶片的近端靠近喷嘴环的第二面，轴杆被连接到近端并且被接收到喷嘴环的轴承孔中并且在轴承孔中可旋转，叶片在关闭位置与打开位置之间可旋转；

邻近喷嘴环的第一面并且分别刚性地固定到轴杆上的多个叶片臂，每个叶片臂都具有自由端；

布置为总体上与喷嘴环同轴的调和环，并且调和环的面与喷嘴环的第一面相对，调和环与叶片臂的自由端接合并且围绕喷嘴环的轴线可旋转从而枢转叶片臂，由此一致地枢转叶片，调和环在对应于叶片的关闭位置的关闭位置与对应于叶片的打开位置的打开位置之间可旋转；

具有布置在喷嘴环的第二面与叶片的近端之间的部分的叶片密封构件；以及

凸轮装置，通过该凸轮装置在调和环转动至关闭位置期间调和环与叶片密封构件接合，凸轮装置构成为当调和环移动至关闭位置时相对于叶片的近端在第一轴向方向上移动叶片密封构件从而叶片密封构件与近端之间的间隙被减小或消除，并且构成为当调和环移动出关闭位置时允许叶片密封构件在与第一轴向方向相反的第二轴向方向上移动。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中凸轮装置包括形成在调和环上的多个圆周间隔开的凸轮，每个凸轮沿当调和环转动至关闭位置时凸轮移动的方向倾斜，凸轮装置还包括多个凸轮随动件，每个凸轮随动件具有与所述凸轮中的相应的一个凸轮接合的第一端以及当调和环转动至关闭位置时在第一轴向方向上推动叶片密封构件的相对的第二端。

3.如权利要求2所述的涡轮增压器，其中凸轮随动件包括叶片密封构件的一体形成的部分。

4.如权利要求3所述的涡轮增压器，其中叶片密封构件总体上为环状的并且具有径向内缘和径向外缘，并且其中凸轮随动件包括从径向外缘延伸的突起，每个突起具有总体上轴向地延伸并且终止于用于接合所述凸轮中的相应一个凸轮的端部的部分。

5.如权利要求4所述的涡轮增压器，其中叶片密封构件包括板材金属部件并且突起包括弯曲以形成总体上轴向地延伸的部分的金属板部分。

6.如权利要求5所述的涡轮增压器，其中突起的端部限定了脚部分，其弯曲以总体上垂直于总体上轴向地延伸的部分进行延伸，脚部分接合调和环的凸轮。

7.如权利要求2所述的涡轮增压器，其中凸轮随动件与叶片密封构件分别地形成。

8.如权利要求7所述的涡轮增压器，其中喷嘴环限定了通过其中轴向地延伸的多个孔，以及凸轮随动件延伸通过孔。

9.如权利要求8所述的涡轮增压器，其中凸轮随动件包括销。

10.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中叶片相对喷嘴环自由地轴向移动，并且叶片密封构件轴向地推动叶片从而当调和环在关闭位置时叶片的远端被推靠在喷嘴的相对的壁上，从而在相对的壁与远端之间的间隙被减小或消除。

Images