CN104204449A - 涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件包括涡轮增压器芯座，该涡轮增压器芯座包括涡轮增压器的一些但非全部部件，而发动机气缸盖提供未包括在芯座中的涡轮增压器的部件。芯座包括具有将涡轮机叶轮接合到压缩机叶轮的轴的中央壳体旋转组件，该轴穿过容纳在中央壳体中的轴承。发动机气缸盖限定接收芯座的接收器。气缸盖还限定扩散器和用于压缩机的涡壳，以及涡轮机涡壳。芯座限定涡轮机喷嘴和涡轮机轮廓，并且还包括作为芯座一部分的废气门单元。

Description

涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件
技术领域
本公开涉及排气驱动涡轮增压器，并且具体地涉及涡轮增压器和发动机气缸盖组件。
背景技术
汽油发动机正越来越多地以涡轮机增压发动机的形式制造。希望提供一种能以较低成本制造而不牺牲性能的涡轮增压器。汽油发动机的涡轮增压器的制造成本很大程度上取决于涡轮机壳体的成本。
发明内容
本公开解决了诸如上文所指的问题。
根据本文所描述的一个实施例，提供了一种涡轮增压器芯座（cartridge），其包括：(1)中央壳体旋转组件，其包括中央壳体、容纳在中央壳体中的轴承、能旋转地支撑在轴承中的轴、以及固结到轴的相对两端的压缩机叶轮和涡轮机叶轮；(2)壳体构件，其限定涡轮机喷嘴和涡轮机轮廓(即，在叶片通路的喉部附近和下游紧邻涡轮机叶轮的叶片的径向外部顶端定位的壁)；以及(3)废气门单元，其可操作用于在废气门单元打开时允许排气绕过涡轮机叶轮。
涡轮增压器芯座构造成配合于限定在发动机气缸盖中的接收器中。发动机气缸盖构造成限定在常规涡轮增压器设计中通常将是涡轮增压器的一部分的部件。具体地，发动机气缸盖限定压缩机入口和压缩机轮廓(即，紧邻压缩机叶片的径向外部顶端定位的壁)、用于接收和扩散来自压缩机叶轮的加压空气的扩散器、接收来自扩散器的空气的压缩机涡壳、以及用于接收来自发动机的排气的涡轮机涡壳。
涡轮增压器芯座和在发动机气缸盖中的接收器构造成使得芯座轴向滑动，首先使压缩机叶轮进入接收器中。芯座接着固结到发动机气缸盖，并且在芯座和发动机气缸盖之间的密封件被压缩以密封两者间的界面。
废气门单元包括废气门壳体，并且在一个实施例中废气门壳体和限定涡轮机喷嘴与涡轮机轮廓的壳体构件可以是一件式整体部件，例如通过浇铸形成的部件。
本公开也描述了用于插入限定在发动机气缸盖中的接收器内的涡轮增压器芯座。涡轮增压器芯座包括限定穿过其中的内孔的中央壳体、容纳在内孔中的轴承、能旋转地支撑在轴承中的轴、固结到轴的一端的压缩机叶轮、以及固结到轴的相对端的涡轮机叶轮。芯座还包括废气门单元，该废气门单元安装到中央壳体并且可操作用于在废气门单元打开时允许排气绕过涡轮机叶轮。
附图说明
已经如此概括地描述了本公开，现在将参考未必按比例绘制的附图，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件的透视图；
图1A是部分地剖视的发动机气缸盖的透视图；
图2是图1的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件的另一个透视图；
图3是图1的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件的又一个透视图；
图4是部分地剖视的图1的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件的前视图；
图5是穿过涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件的剖视图；
图6是部分地剖视的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件的透视图；
图7是涡轮增压器芯座的透视图；
图8是涡轮增压器芯座的另一个透视图；以及
图9是涡轮增压器芯座的剖视图。
具体实施方式
现在将在下面参照附图更全面地描述本公开，附图中示出了发明的一些但非全部实施例。当然，这些发明可以许多不同的形式实施且不应该被理解为仅限于本文所阐述的实施方式；相反地，提供这些实施方式使得本公开将满足可适用的法定要求。在全文中相同的附图标记表示相同的元件。
在图1-6中描绘了根据本发明的一个实施例的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件10，并且在图7-9中描绘了该组件的涡轮增压器芯座32。组件10包括发动机气缸盖20(仅示意性地示出)，涡轮增压器30安装在发动机气缸盖20上。发动机气缸盖20包括铸件，该铸件构造成在发动机气缸上方坐放在发动机缸体顶部上。气缸盖20通常容纳气缸的进气阀和排气阀的部件并且分别限定进气通路和排气通路，进气通过进气通路被递送到气缸，并且排气远离气缸被导引通过排气通路。参照图3，例如，气缸盖20被示出为构造用于3气缸发动机，但本发明可适用于具有任何数目的气缸的发动机。对于每个气缸来说，气缸盖限定至少一个进气通路22和至少一个排气通路24。气缸盖构造成将发动机气缸中产生的排气通过排气通路24导引进入排气歧管(未示出)中，排气歧管将排气馈送至涡轮增压器的涡轮机。
气缸盖20限定作为其一体部分的壳体构件40。气缸盖本体和壳体构件总体上可以是例如一件式铸件。如下文进一步描述的，壳体构件40构造成限定多个特征，这些特征常规地将由涡轮增压器30的分开的壳体构件限定。
参照图5至图9，涡轮增压器30包括“芯座”32，在本文中也称为中央壳体旋转组件(CHRA)。CHRA 32包括：固结到轴52的一端的压缩机叶轮50和固结到轴52的相对端的涡轮机叶轮60；轴承54，其能旋转地支撑轴52；以及中央壳体70，其容纳轴承54并且限定用于将油供应至轴承清除来自轴承的油的油通路、以及(可选地)用于使冷却剂循环通过中央壳体的水通路。
根据本发明，气缸盖20的壳体构件40限定接收CHRA 32的接收器42。接收器42是轴向地延伸穿过壳体构件40的梯级的大体上圆柱形的内孔。接收器构造成允许CHRA 32轴向滑动到接收器中，压缩机叶轮最先(即，在图4和图5中向左)。因此，接收器42例如可具有内径不同的各个部分，其具有在具有不同直径的相邻部分之间过渡的梯级。梯级面向涡轮机侧，即，每个梯级轴向地面朝CHRA的涡轮机侧(在图4和图5中向右)，并且因此接收器在从涡轮机朝压缩机的方向上在直径上逐渐变小。CHRA 32的中央壳体70为对应地梯级的，以基本上匹配接收器42的梯级构型。在中央壳体70和接收器42之间存在密封件(例如，O形环)34，以用于密封两者间的界面并且将中央壳体中的油通路和水通路(如存在)分离或隔离。
CHRA 32还包括废气门或涡轮机旁路单元90。废气门单元可操作用于允许排气中的一些或基本上全部在某些操作条件下绕过涡轮机叶轮60。在图示实施例中，废气门单元90为旋转涡轮机旁路(RTB)单元，其大体上描述于本申请人的共同待审的下列专利申请中：提交于2009年11月3日的美国专利申请序列号12/611,816、提交于2010年4月30日的专利申请序列号12/711,434、提交于2010年12月13日的专利申请序列号12/966,343、以及提交于2010年12月13日的专利申请序列号61/422,485，所述申请的全部公开内容以引用方式并入本文中。
参照图4和图5，RTB单元90包括阀壳体组件，该阀壳体组件包括主壳体92(在本文中也称为废气门壳体)和壳体插件94。主壳体92限定轴向地延伸穿过主壳体的通路。壳体插件94包括大体上管状的构件，该构件设置在主壳体的通路中，使得壳体插件94的内部限定中央流动通路96，并且在壳体插件94的外表面和主壳体92的内表面之间的环状空间限定围绕中央流动通路96的环状流动通路(在本文中也称为废气门通路)98。主壳体92还限定一个或多个凸缘93，其构造成例如通过螺纹紧固件(未示出)固结到发动机气缸盖的壳体构件40，该螺纹紧固件穿过(多个)凸缘93中的孔口并且进入壳体构件40中的对应孔口(图5)，以便将RTB单元90固定到壳体构件40。
RTB单元90还包括静止的阀座102和与该阀座抵接结合的旋转的阀构件104。阀座102和阀构件104布置在主壳体92和壳体插件94之间的环状空间中。阀构件104通过由主壳体92限定的肩部阻止向上游轴向地移动，但在操作期间排气的压力在下游方向上推压阀构件104。阀构件104不受主壳体约束，而是可绕其轴线自由旋转并且抵靠阀座102轴向地移动。阀座102被阻止轴向地、径向地或能旋转地移动。阀座102为大体上平坦的环形或环状构件，其具有围绕阀座的周边周向地间隔开的多个小孔103(图4)，小孔103在阀座的上游面和下游面之间大体上轴向地延伸。小孔103可以围绕阀座的周边均匀地或非均匀地间隔开。
旋转的阀构件104为大体上平坦的环形或环状构件，其具有围绕阀构件的周边周向地间隔开的多个小孔105(图4)，小孔105在阀构件的上游面和下游面之间大体上轴向地延伸。小孔105可以围绕阀构件的周边均匀地或非均匀地间隔开。阀构件中的小孔105的数目和间距可与阀座中的小孔103的数目和间距相同。然而，小孔105的不均一间距也是可能的并且在一些情况下可能是有利的；而且，小孔103和105的间距不一定相同，并且在一些情况下，间距不同可能的有利的。主壳体92和壳体插件94两者为旋转的阀构件104的外边缘和内边缘限定基本上圆形的支承表面，并且在两者间存在间隙，以使得阀构件104能在一个方向上或相对的方向上绕其中心纵向轴线旋转，以便改变阀构件小孔105和阀座小孔103之间的对齐程度。
阀构件104由L形驱动臂110(图9)的远端接合，驱动臂110的一部分穿过安装在限定于主壳体92中的内孔中的衬套，该内孔与环状流动通道98连接。驱动臂的近端(径向外端)位于主壳体92外部并且刚性地固结到连杆130。致动器140提供用于旋转驱动臂110。连杆130具有连接构件132，连接构件132从驱动臂110的旋转轴线偏移并且联接到致动器140的致动器杆142，使得致动器杆的延伸造成连杆130在一个方向上旋转驱动臂，而致动器杆的回缩造成连杆在相对的方向上旋转驱动臂。结果，驱动臂造成阀构件104在一个方向上或在相对的方向上绕其轴线旋转。
参照图4和图5，发动机气缸盖20的壳体构件40限定用于接收和扩散来自压缩机叶轮50的加压空气的扩散器44、接收来自扩散器的空气的压缩机涡壳46、以及用于接收来自发动机的排气的涡轮机涡壳62。这些特征常规地将由涡轮增压器的压缩机壳体和涡轮机壳体限定。该组件也包括压缩机轮廓塞80，其限定压缩机入口82和压缩机轮廓84。在图示实施例中，塞80与壳体构件40分开地形成并且由螺纹紧固件(未示出)附接到壳体构件。然而，备选地，塞80可一体地形成为壳体构件40的一部分。
废气门单元90的壳体构件92包括部分92a，其被接收在发动机气缸壳体构件40的接收器42中并且限定涡轮机喷嘴64和涡轮机轮廓66，如在图4和图5中最清楚地看到的。涡轮机喷嘴包括孔口，该孔口绕壳体构件92延伸基本上360度，并且从壳体构件的径向外表面延伸至径向内表面。周向间隔开的翼片（vane）65的阵列延伸越过涡轮机喷嘴64。翼片65提供导流功能，以用于将排气在有利的方向上导入涡轮机叶轮60内。在图示实施例中，废气门壳体92也包括部分92b，其限定接收中央壳体70的一端的内孔。分开的隔热罩63被捕获在中央壳体的一端和废气门壳体92的部分92b之间。
虽然描述和示出了呈回转阀90形式的废气门，但废气门备选地可以是诸如提升阀的非回转阀。提升阀的壳体构件可包括限定涡轮机喷嘴64、翼片65和涡轮机轮廓66的上文提及的特征。
参照图1A，发动机气缸盖20的壳体构件40限定一体的废气门通路48，其被布置成与废气门单元90的环状废气门通路98(图4)连通。当废气门单元90关闭时，排气基本上被阻止流过废气门通路48和废气门通路98，使得来自排气歧管的排气被导向到涡轮机叶轮60内。当废气门单元90部分地或完全打开时，排气中的一些或大部分绕过涡轮机叶轮。
因此，本文所述的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件10的显著优点在于，具有废气门单元90的CHRA 32构成可简单地插入由气缸盖20的壳体构件40限定的接收器42中的单个部件。该组件通过例如利用螺纹紧固件(未示出)将废气门壳体92和压缩机轮廓塞80固结到气缸盖的壳体构件40来完成。某些特征一体化到上述发动机气缸盖中由此允许将供应给发动机制造商或组装者的涡轮增压器部件的显著简化。
受益于以上描述和相关联的附图中提出的教导的发明所涉及的领域的技术人员将会想到本文阐述的这些发明的许多修改和其它实施例。因此，应当理解本发明不限于公开的具体实施方式，并且修改和其它实施方式旨在涵盖在所附权利要求的范围内。尽管本文使用特定的术语，但是它们是在一般和描述的意义上使用的而非用于限制性的目的。

Claims (14)

1. 一种涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件，包括：
形成单元的涡轮增压器芯座，其包括：
　　中央壳体旋转组件，其包括：中央壳体，所述中央壳体限定穿过其中的内孔；容纳在所述内孔中的轴承；能旋转地支撑在所述轴承中的轴；固结到所述轴的一端的压缩机叶轮；以及固结到所述轴的相对端的涡轮机叶轮；
　　壳体构件，其限定涡轮机喷嘴和涡轮机轮廓；以及
　　废气门单元，其能操作用于在所述废气门单元打开时允许排气绕过所述涡轮机叶轮；以及
发动机气缸盖，其限定用于接收所述涡轮增压器芯座的接收器，所述发动机气缸盖限定用于接收和扩散来自所述压缩机叶轮的加压空气的扩散器、接收来自所述扩散器的所述空气的压缩机涡壳、以及用于接收来自发动机的排气的涡轮机涡壳；
其中，所述涡轮增压器芯座和在所述发动机气缸盖中的所述接收器构造成使得所述芯座滑动，首先使压缩机叶轮在轴向方向上进入所述接收器，直到所述压缩机叶轮与所述扩散器对齐并且所述涡轮机叶轮与所述涡轮机喷嘴对齐为止。
2. 根据权利要求1所述的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件，还包括在所述芯座和所述发动机气缸盖之间的密封件，所述密封件被压缩以密封所述涡轮增压器芯座和所述发动机气缸盖之间的界面。
3. 根据权利要求1所述的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件，其中，所述废气门单元包括旋转的旁路阀。
4. 根据权利要求1所述的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件，其中，所述废气门单元包括废气门壳体，并且其中，所述废气门壳体和限定所述涡轮机喷嘴及涡轮机轮廓的所述壳体构件是一件式整体结构的部分。
5. 根据权利要求4所述的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件，其中，所述一件式整体结构限定延伸越过所述涡轮机喷嘴的翼片的阵列。
6. 根据权利要求4所述的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件，其中，所述一件式整体结构包括限定内孔的部分，所述内孔接收所述中央壳体的一端。
7. 根据权利要求6所述的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件，还包括分开的隔热罩，所述分开的隔热罩被捕获于所述中央壳体的所述端部和限定所述内孔的所述部分之间。
8. 根据权利要求1所述的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件，还包括限定压缩机入口和压缩机轮廓的压缩机轮廓塞。
9. 根据权利要求8所述的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件，其中，所述压缩机轮廓塞是与所述发动机气缸盖分开地形成的部件。
10. 一种用于插入到限定在发动机气缸盖中的接收器内的涡轮增压器芯座，包括：
中央壳体，其限定穿过其中的内孔；容纳在所述内孔中的轴承；能旋转地支撑在所述轴承中的轴；固结到所述轴的一端的压缩机叶轮；以及固结到所述轴的相对端的涡轮机叶轮；
废气门单元，其安装到所述中央壳体并且能操作用于在所述废气门单元打开时允许排气绕过所述涡轮机叶轮。
11. 根据权利要求10所述的涡轮增压器芯座，其中，所述废气门单元包括废气门壳体，所述废气门壳体的一部分限定内孔，所述中央壳体的端部接收到所述内孔内。
12. 根据权利要求11所述的涡轮增压器芯座，还包括分开的隔热罩，其被捕获于所述中央壳体和所述废气门壳体之间。
13. 根据权利要求11所述的涡轮增压器芯座，其中，所述废气门壳体的所述部分还限定涡轮机喷嘴。
14. 根据权利要求13所述的涡轮增压器芯座，其中，所述废气门壳体的所述部分还限定用于所述涡轮机喷嘴的翼片。
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