CN104204450A - 涡轮机机增压器芯座、旁路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：中央壳体旋转组件，该中央壳体旋转组件包括中央壳体、容纳在中央壳体中的轴承、可旋转地支撑在轴承中的轴、以及固结到轴的相对端部的压缩机叶轮和涡轮机叶轮；作为一件式整体结构形成在一起的发动机气缸盖和壳体构件，其中，壳体构件限定接收来自压缩机叶轮的压缩空气的压缩机涡壳、用于接收来自发动机的排气的涡轮机涡壳、用于将排气从涡轮机涡壳导向到涡轮机叶轮内的涡轮机喷嘴、以及涡轮机轮廓；压缩机轮廓塞，其限定压缩机的轴向入口和压缩机轮廓；以及废气门单元，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并且在废气门单元关闭时阻止排气绕过涡轮机叶轮。

Description

涡轮机机增压器芯座、旁路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。
根据本文所述的一个实施例，提供了一种涡轮增压器芯座（cartridge）、旁路和发动机气缸盖组件，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、可旋转地支撑在轴承中的轴、以及固结到轴的相对端部的压缩机叶轮和涡轮机叶轮；(2)作为一件式整体结构形成在一起的发动机气缸盖和壳体构件，其中，壳体构件限定接收来自压缩机叶轮的压缩空气的压缩机涡壳、用于接收来自发动机的排气的涡轮机涡壳、用于将排气从涡轮机涡壳导向到涡轮机叶轮内的涡轮机喷嘴、以及涡轮机轮廓(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)；(3)压缩机轮廓塞，其限定压缩机的轴向入口和压缩机轮廓(即，紧邻压缩机叶轮的叶片的径向外部顶端定位的壁)；以及(4)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并且在废气门单元关闭时阻止排气绕过涡轮机叶轮。
涡轮增压器芯座构造成轴向滑动，首先将涡轮机叶轮进入限定在发动机气缸盖的壳体构件中的接收器内。然后将压缩机轮廓塞固结到壳体构件。废气门单元固结到涡轮机附近的壳体构件。限定在发动机气缸盖的壳体构件中的废气门通路与限定在废气门单元中的对应的废气门通路配合。
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、旁路和发动机气缸盖组件的透视图；
图2是图1的涡轮增压器芯座、旁路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、旁路和发动机气缸盖组件的又一个透视图；
图4是类似于图1的视图，其中，发动机气缸盖的壳体构件被部分地剖开；
图4A是仅发动机气缸盖的透视图，其被部分地剖开以示出内部细节；
图5是图1的涡轮增压器芯座、旁路和发动机气缸盖组件的前视图，但被部分地剖开并且在致动器和废气门单元之间的联动装置被移除；
图6是图1的涡轮增压器芯座、旁路和发动机气缸盖组件的剖视图；
图7是涡轮增压器芯座和压缩机轮廓塞的分解图；
图8是类似于图5的视图，示出了本发明的备选实施例；
图9是大体上从涡轮机侧观察的在图8的实施例中使用的涡轮增压器芯座的透视图；
图10是图9的涡轮增压器芯座的剖视图；以及
图11是大体上从压缩机侧观察且部分剖视的图9的涡轮增压器芯座的透视图。
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、旁路和发动机气缸盖组件10，并且在图7中分开地示出涡轮增压器芯座。首先参照图1-3，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7，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的一个端部的压缩机叶轮50和固结到轴52的相对端部的涡轮机叶轮60；轴承54，其可旋转地支撑轴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轴向地滑入接收器，涡轮机叶轮最先(即，在图5和图6中向右)。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的压缩机侧(在图5和图6中向左)，并且因此接收器在从压缩机朝涡轮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。
如所指出的，壳体构件40限定在常规涡轮增压器中将由分开的涡轮机壳体和压缩机壳体限定的特征。具体地，壳体构件40至少限定接收来自压缩机叶轮50的压缩空气的压缩机涡壳46、用于接收来自发动机的排气歧管的排气的涡轮机涡壳62、用于将排气从涡轮机涡壳导向到涡轮机叶轮60内的涡轮机喷嘴64、以及大体上遵循涡轮机叶轮60的叶片的外部轮廓的涡轮机轮廓66。
涡轮增压器芯座、旁路和发动机气缸盖组件10还包括压缩机轮廓塞80，其限定压缩机的轴向入口82并且也限定大体上遵循压缩机叶轮50的叶片的外部轮廓的压缩机轮廓84。压缩机轮廓塞80(例如由螺纹紧固件)固结到壳体构件40。塞80的一部分形成压缩机扩散器44的一个壁，由压缩机叶轮50压缩的空气径向向外穿过该壁并且进入压缩机涡壳46中。扩散器44的相对壁由CHRA 32的中央壳体70形成。中央壳体70限定用于接收螺栓86(图7)的多个间隔开的孔87，以将中央壳体紧固到发动机气缸盖的壳体构件40。例如，可存在三个这样的孔87和三个螺栓86(图7中仅可看到其中两个)。
涡轮增压器芯座、旁路和发动机气缸盖组件10的最后一个主要部件是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5和图6，RTB单元90包括阀壳体组件，该阀壳体组件包括主壳体92和壳体插件94。主壳体92限定从其第一侧92a至第二侧92b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。
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、径向地或可旋转地移动。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6)，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5)，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6)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110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110，而致动器杆的回缩造成连杆在相对的方向上旋转驱动臂110。结果，驱动臂110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4A，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5)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，涡轮增压器芯座、旁路和发动机气缸盖组件10具有以下主要部件：CHRA 32、压缩机轮廓塞80、废气门单元90、以及具有其一体化的壳体构件40的气缸盖20。从涡轮增压器供应商的角度来看，仅存在三个主要部件或模块：CHRA 32、压缩机轮廓塞80和废气门单元90。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。
图8至图11示出本发明的另一个实施例。图8中描绘的涡轮增压器芯座、旁路和发动机气缸盖组件10'大体上类似于上文所述组件10，但区别在于CHRA 32'构造成限定涡轮机喷嘴64的翼片（vane）65。翼片65被支撑在大体上环状的构件68上，该构件充当中央壳体70的隔热罩。当CHRA被插入接收器42中时，翼片65的自由端邻接由壳体构件40形成的喷嘴64的相对的壁，并且密封构件67被压缩在隔热罩66和中央壳体70之间。在压缩机轮廓塞80的壁和中央壳体70的相对的壁之间连接有多个间隔件88。间隔件88确保在塞壁和中央壳体的相对的壁之间存在正确的间距，以获得扩散器44的所需尺寸。间隔件88被接收在限定在塞80的壁中的盲孔89中和限定在中央壳体中的对应孔中。间隔件可被压力配合到这些孔中。
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。例如，虽然如上所述将废气门单元包括在组件中是有利的，但根据本发明涡轮增压器在发动机气缸盖中的部分一体化在缺乏这样的废气门单元的应用中具有实用性和优点。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 (11)

1. 一种涡轮增压器芯座、旁路和发动机气缸盖组件，包括：
中央壳体旋转组件，其包括中央壳体、容纳在所述中央壳体中的轴承、能旋转地支撑在所述轴承中的轴、以及固结到所述轴的相对端部的压缩机叶轮和涡轮机叶轮；
一起形成为一件式整体结构的发动机气缸盖和壳体构件，其中所述壳体构件至少限定接收来自所述压缩机叶轮的压缩空气的压缩机涡壳、用于接收来自所述发动机的排气的涡轮机涡壳、用于将排气从所述涡轮机涡壳导向至所述涡轮机叶轮内的涡轮机喷嘴、以及涡轮机轮廓；
压缩机轮廓塞，其限定用于所述压缩机的轴向入口和压缩机轮廓，其中，所述压缩机轮廓塞与所述中央壳体和所述发动机气缸盖分开地形成；
其中，所述壳体构件限定用于接收所述中央壳体旋转组件的接收器，并且所述接收器和所述中央壳体旋转组件构造成使得所述中央壳体旋转组件轴向滑动，首先使涡轮机叶轮进入所述接收器，之后使所述压缩机轮廓塞固结到所述发动机气缸盖的所述壳体构件；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并且在所述废气门单元关闭时阻止排气绕过所述涡轮机叶轮，所述废气门单元固结到在所述涡轮机叶轮附近的所述壳体构件。
2. 根据权利要求1所述的涡轮增压器芯座、旁路和发动机气缸盖组件，其中，所述发动机气缸盖的所述壳体构件限定废气门通路，并且所述废气门单元限定对应的废气门通路，并且所述壳体构件的所述废气门通路与所述废气门单元的所述废气门通路配合。
3. 根据权利要求1所述的涡轮增压器芯座、旁路和发动机气缸盖组件，其中，所述废气门单元包括旋转旁路阀。
4. 根据权利要求1所述的涡轮增压器芯座、旁路和发动机气缸盖组件，还包括在所述中央壳体旋转组件和所述发动机气缸盖的所述壳体构件之间的密封件，所述密封件被压缩以密封所述中央壳体旋转组件和所述壳体构件之间的界面。
5. 根据权利要求1所述的涡轮增压器芯座、旁路和发动机气缸盖组件，其中，所述涡轮增压器芯座限定用于所述涡轮机喷嘴的翼片。
6. 根据权利要求5所述的涡轮增压器芯座、旁路和发动机气缸盖组件，其中，所述翼片被支撑在与所述中央壳体接合的隔热罩上。
7. 一种涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件，包括：
中央壳体旋转组件，其包括中央壳体、容纳在所述中央壳体中的轴承、能旋转地支撑在所述轴承中的轴、以及固结到所述轴的相对端部的压缩机叶轮和涡轮机叶轮；
一起形成为一件式整体结构的发动机气缸盖和壳体构件，其中所述壳体构件至少限定接收来自所述压缩机叶轮的压缩空气的压缩机涡壳、用于接收来自所述发动机的排气的涡轮机涡壳、用于将排气从所述涡轮机涡壳导向至所述涡轮机叶轮内的涡轮机喷嘴、以及涡轮机轮廓；以及
压缩机轮廓塞，其限定用于所述压缩机的轴向入口和压缩机轮廓，其中，所述压缩机轮廓塞与所述中央壳体和所述发动机气缸盖分开地形成；
其中，所述壳体构件限定用于接收所述中央壳体旋转组件的接收器，并且所述接收器和所述中央壳体旋转组件构造成使得所述中央壳体旋转组件轴向滑动，首先使涡轮机叶轮进入所述接收器，之后使所述压缩机轮廓塞固结到所述发动机气缸盖的所述壳体构件。
8. 根据权利要求7所述的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件，还包括在所述中央壳体旋转组件和所述发动机气缸盖的所述壳体构件之间的密封件，所述密封件被压缩以密封所述中央壳体旋转组件和所述壳体构件之间的界面。
9. 根据权利要求7所述的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件，其中，所述涡轮增压器芯座限定用于所述涡轮机喷嘴的翼片。
10. 根据权利要求9所述的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件，其中，所述翼片被支撑在与所述中央壳体接合的隔热罩上。
11. 根据权利要求7所述的涡轮增压器芯座和发动机气缸盖组件，还包括多个间隔件，所述多个间隔件连接在所述压缩机轮廓塞和所述中央壳体之间以用于保持在所述压缩机轮廓塞的壁和所述中央壳体的相对壁之间的期望间距，其中，所述壁限定用于将所述压缩空气引入所述压缩机涡壳中的扩散器。
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