CN104321513A - 用于涡轮增压器的压缩机盖件 - Google Patents

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Abstract

一种用于涡轮增压器的压缩机壳体(16)具有一个再循环腔(60)，该再循环腔形成在一个蜗壳底座部分(40)、一个导风叶轮(44)以及一个入口部段(46)之间以使空气流从一个压缩机叶轮(14)逸出回到该入口部段(46)中。逸出空气流可以进入与该压缩机叶轮(14)邻接的一个成角再循环槽缝(70)并且然后穿过形成在该压缩机壳体(16)中的一个再循环腔(60)流动至该入口部段(46)中的一个入口再进入槽缝(72)。这样的再循环空气流可以提高喘振裕度。导风叶轮(44)包括一个环(50)，该环的一个内表面(56)优选地与该入口部段(46)的一个收敛壁(54)对准，该入口部段可以是可附接到该压缩机壳体(16)的一个底座上的一个分开件。来自该压缩机叶轮(14)的正常空气流通过该蜗壳底座部分(40)连续到达一个发动机进气歧管。

Description

用于涡轮增压器的压缩机盖件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年6月18日提交的并且名称为“Compressor Coverfor Turbochargers(用于涡轮增压器的压缩机盖件)”的美国临时申请号61/661,126的优先权及所有权益，将其通过引用结合在此。
背景技术
1.披露领域
本披露涉及一种用于强调乘用车用途的内燃发动机的涡轮增压器的部件。更具体地讲，本披露涉及一种具有用于空气流再循环几何结构的压缩机盖件。
2.相关技术的说明
涡轮增压的优点包括提高的功率输出、较低的燃料消耗以及降低的污染物排放。发动机的涡轮增压不再主要是从高功率性能的角度看到的，而是由于较低的二氧化碳(CO2)排放被认为是减少燃料消耗和环境污染的一种手段。目前，涡轮增压的一个主要原因是利用排气能量来降低燃料消耗和排放。在涡轮增压发动机中，燃烧空气在供应至发动机之前被预压缩。发动机吸取与自然吸气发动机相同体积的空气燃料混合物，但由于较高的压力，从而更高的密度，更多的空气和燃料质量被供应到燃烧室中。因此，可以燃烧更多的燃料，从而相对于速度和排量增大发动机的功率输出。
在排气涡轮增压过程中，使用正常情况下浪费掉的排气能量中的一些排气能量来驱动涡轮机。该涡轮增压器将这些正常情况下浪费掉的排气能量中的一些排气能量返回到发动机中，有助于发动机效率和节约燃料。与该涡轮机安装在相同轴上的一个压缩机抽取过滤后的周围空气、对其压缩、并且然后将其供应至发动机。
涡轮增压器是一种与内燃发动机一起使用的强制进气系统。涡轮增压器将压缩的空气传送到发动机进气端从而允许燃烧更多的燃料，因此增加了发动机的马力而没有明显地增加发动机的重量。因此，涡轮增压器允许使用较小的发动机而形成与较大的正常吸气发动机相同量的马力。在车辆中使用较小发动机具有减小车辆质量并且增强燃料经济性的所希望效果。此外，使用涡轮增压器允许被递送至发动机的燃料的更完全燃烧，这有助于实现更清洁环境的这一高度希望的目标。
涡轮增压器典型地包括连接至发动机的排气歧管上的一个涡轮机壳体、连接至发动机的进气歧管上的一个压缩机壳体、以及将该涡轮机壳体和压缩机壳体联接在一起的一个中央轴承壳体。涡轮机壳体内的一个涡轮机叶轮是由从该排气歧管供应的排气进气流可旋转地驱动的。可旋转地支撑在该中央轴承壳体内的一个轴将该涡轮机叶轮连接至该压缩机壳体内的一个压缩机叶轮上，这样使得该涡轮机叶轮的旋转造成了该压缩机叶轮的旋转。将该涡轮机叶轮与该压缩机叶轮相连接的轴限定了一条旋转轴线。
本披露的焦点在于一种涡轮增压器的压缩机。该压缩机被设计成用于帮助增大进气歧管压力和密度以允许在每个进气冲程的过程中摄入更大质量的空气至发动机气缸。在一个通常称作“图谱”的图表上示出了压缩机的性能。
压缩机性能图谱基于入口条件限定了该压缩机的就空气流和压力比而言的可用运行特征。这些压缩机RPM线示出了对于一个规定的压缩机速度而言随空气流的变化所传送的压力比。
该图谱的向上延伸至左侧的一条线被称作喘振线。对于每个压力比而言，该喘振线限定了该压缩机能够以充分的空气系统稳定性运行时的最小空气流。该喘振线指示何时存在完全的系统流动逆转。该喘振线的右侧可能发生局部失速状况并且可能传播至该压缩机中的其他地方。
具有“带端口的护罩”的压缩机已经成功用于拓宽该图谱。该压缩机改善了喘振裕度。该压缩机通过允许少量的空气流逸出压缩机叶轮的一个尖端并且再循环而使该喘振线向左移动，以避开叶片失速并用于喘振控制。再循环空气流允许喘振控制，并且正常空气流通过该压缩机壳体/蜗壳连续到达进气歧管。这个特征作为“现有技术”被示意性地展示在图1中。
因此令人希望的是提供一种具有提高的喘振裕度和更宽的压缩机性能图谱的压缩机，从而在一个给定的压力比和/或给定的压缩机叶轮线性尖端速度下，该压缩机图谱的喘振线与扼流线之间可获得空气流值的较大扩展。而且，期望用于乘用车的涡轮增压器以该图谱上的较宽范围和区域运行，还必须考虑噪声、振动和刺耳(NVH)。
概述
本披露提供用于汽车涡轮增压器的压缩机，该压缩机通过允许空气流逸出压缩机叶轮的一个尖端并且再循环到一个压缩机壳体的入口部段中提高了喘振裕度，即：使压缩机性能图谱上的喘振线向左移动。这些再循环特征的几何结构和改进的空气动力学提供了增加的关于空气流、喘振裕度以及噪声特性的益处。
一个压缩机壳体包括与一个再循环腔、成角再循环槽缝以及一个入口再进入槽缝结合的一个收敛的喷嘴入口。该再循环腔可以在一个蜗壳底座部分、一个导风叶轮以及一个入口部段之间形成以便将空气流从一个压缩机叶轮逸出回到该入口部段中。空气流可以进入与该压缩机叶轮邻接的一个成角再循环槽缝并且然后穿过形成在该压缩机壳体中的再循环腔流动至该入口部段中的入口再进入槽缝。该导风叶轮优选地包括一个环部分，该环部分具有与该入口部段的收敛壁对准的多个内表面壁以用于使空气流平稳。该蜗壳底座部分、该轮廓部、该导风叶轮以及该入口部段可以是分开机加工的或模制的零件，这样可以允许容易地生产、测试、组装或者定制用于特定应用的零件。
而且，通过用于再循环空气流的改进的几何结构和改进的喘振控制，对于乘用车在该压缩机性能图谱的极限区域中运行时的喘振而言，噪声被减少而带有更好的性能。这样的图谱确定了噪声降低，其中速度线的负斜率示出更安静的运行(平的或正的斜率可能指示更嘈杂的状况)。
该成角再循环槽缝通过不同的运行范围降低噪声。某些紊乱的空气流被稳定和抚平。而且，通过移除在再循环腔的下部处的支撑柱的一部分使可听到水平的噪声最小化，从而允许在环形带的周围不间断流动。相应地，这样的压缩机壳体再循环几何结构提高了该涡轮增压器的压缩机的喘振裕度和NVH特性。
附图的简要说明
本披露的优点将是容易了解的，因为这些优点通过参照以下详细说明在结合附图考虑时将变得更好理解，在附图中：
图1是根据现有技术的一种具有带端口护罩的压缩机壳体的截面视图，示出了再循环空气流；
图2是根据一个实施例的一种涡轮增压器的一个压缩机端的透视图的一个截面；
图3是根据另一个实施例的涡轮增压器的压缩机端的截面视图；并且
图4是对以虚线示出的无再循环的标准压缩机设计与以实线示出的有再循环几何结构的压缩机设计进行比较的压缩机性能图谱。
实施方式的详细说明
参见图2和图3，涡轮增压器是通常所理解的。一个涡轮增压器的一个压缩机端12可以包括一个压缩机叶轮14以及包括一个压缩机盖件18的一个压缩机壳体16。一个旋转轴20由一个涡轮机叶轮驱动，这样使得该涡轮机叶轮的旋转导致压缩机叶轮14旋转。
压缩机叶轮14被安装在轴20的一端上并且被容纳在压缩机壳体16中。如本领域已知的，该涡轮机叶轮是由从排气歧管供应的排气的流入可旋转地驱动的，该排气使轴20旋转，由此致使压缩机叶轮14旋转。当压缩机叶轮14旋转，空气被抽入并且被压缩以便以升高的压力递送至一个发动机进气歧管中。换言之，压缩机叶轮14是由该涡轮机叶轮可旋转地驱动的。在驱动该涡轮机叶轮之后，排气可以被排出或者在以下情况下被再循环。
压缩机壳体16广义上是指容纳压缩机叶轮14并包括压缩机盖件18的部件。这个部件包括一个蜗壳底座部分40、一个轮廓部42、一个导风叶轮44以及一个入口部段46。如图2和图3中示出的，这些部件可以是分开机加工的或模制的零件，这可以允许容易地生产、测试、组装或者定制用于特定涡轮增压器应用的零件。而且，考虑到了这些零件中的任何零件或所有零件，零件都可以被形成为整体部件或组合部件。
蜗壳底座部分40是相当标准的，具有一个空气通道48，该空气通道在其接近排出口时变大以用于更大的静压。如以下将详述的，蜗壳底座部分40可以被模制或机加工成与导风叶轮44和入口部段46相协作以形成用于再循环空气流的多个腔。蜗壳底座部分40被可操作地连接到压缩机叶轮14上并且与其邻接以便还给该发动机提供正常的空气流。
轮廓部42可以被切割成压缩机壳体16或紧固到蜗壳底座部分40上的一个件，以使得该轮廓部互补地匹配压缩机叶轮14。轮廓部42以紧密公差围绕并环绕压缩机叶轮14上的一部分叶片以防止当压缩机叶轮14旋转时与其相接触。如果导风叶轮44和入口部段46可以切换输出以满足不同的参数，轮廓部42将可能保持紧固到具有与其互补的压缩机叶轮14的蜗壳底座部分40上。
导风叶轮44可以在压缩机叶轮14的一个远端周围形成一个环50，并且一个系列的延伸构件52可以从该环50径向地延伸。这些延伸构件52可以垂直于环50或者它们可以相对于环50或轴20形成角度(在任一轴线上)以通过相对于压缩机叶轮14运动的旋转或反向旋转将再循环空气流引导至入口部段46。
入口部段46是盖件18的最外部分，在此空气流入。如图2和图3中示出的，入口部段46具有一个渐缩锥形壁54，从而形成一个收敛的喷嘴入口。入口部段46的渐缩锥形壁54优选地与导风叶轮44的环50的一个内表面壁56对准以用于平滑的空气流动。内表面壁56的顶部优选地被修圆。盖件18的一个部分58可以从蜗壳底座部分40延伸并且被紧固到其上。
可以围绕导风叶轮44的环50形成一个再循环腔60，并使其邻接该环。再循环腔60可以由空心部62和64形成，这些空心部是由一个蜗壳中间壁66和一个入口部段空心壁68形成的。如在图2和图3中示出的，导风叶轮44的延伸构件52可以延伸至接合入口部段46的入口部段空心壁68。这些延伸构件52可以接合蜗壳中间壁66和入口部段空心壁68中任一或两者并且由其紧固(或者与其整体成形)。
再循环腔60可以包括一个成角的再循环槽缝70和一个入口再进入槽缝72。成角再循环槽缝70围绕压缩机叶轮14的前缘。该成角再循环槽缝的角度可以由导风叶轮44的环50的底部和轮廓部42的一个部分形成。入口再进入槽缝72优选地被开设在渐缩锥形壁54与环50的内表面壁56之间以用于使空气流再循环。成角再循环槽缝70和入口再进入槽缝72的宽度可以变化以实现希望的空气流。
成角再循环槽缝70给压缩机叶轮14的较慢的尖端上的空气提供了一条逸出路径。空气被再循环通过再循环腔60并且离开入口再进入槽缝72回到入口部段46中以用于喘振控制。在该过程中，当在该图谱的左侧运行时，提高和扩大了喘振裕度。在该图谱的右侧，还可以扩大运行范围。
这些再循环部件的特定几何结构还可以给该空气流添加稳定性。可以使紊乱的空气噪声平静和稳定。再循环到入口部段46可以使涡轮增压器的整个压缩机级稳定，特别是当压缩机叶轮14是靠近其喘振点运行时。
如在图2的导风叶轮44的截面中示出的，环50具有在某种程度上平行的多条边并且是相当直的。如在图3中示出的，环50的截面可以更加呈现泪珠形状。更加渐进的角度和椭圆形的形状能够以更少的热量促进更好的再循环空气流。
如图2和图3中示出的，入口部段46可以被形成为以一个互补唇缘可附接到蜗壳底座部分40上的一个部件。导风叶轮44还可以是能够安置在蜗壳底座部分40内并由入口部段46封闭的一个分开形成的件，其中这些延伸构件52在盖件18内接合并紧固导风叶轮44。
当这些零件是针对乘用车的涡轮增压器制成的时，与更大的应用相比部件宽度会更窄，这样使得可以期望单独形成严格公差的部件。厚度可以是几毫米。可以针对与乘用车内燃发动机兼容的压缩机和该图谱上乘用车应用可能需要运行的区域调整这些再循环部件的几何结构。而且，随着特征变得更加复杂或者可以变化(例如间隙宽度)，这可以由构成盖件18的分开的多个部件来实现。
在该涡轮增压器的运行过程中压缩机盖件18中的再循环空气流是连续的。该再循环空气流与穿过一个排气再循环阀(EGR阀或有时是CRV压缩机再循环阀)并通常在该排气再循环过程中冷却的排气再循环是不同的但可以与其整合。在排气再循环阀运行过程中，排气与朝向该压缩机的新鲜空气混合并且结合进入发动机的进气歧管。分开的盖件部件还可以有助于结合多个EGR特征和元件。
考虑到该排气再循环可能进入再循环腔60，所以这两个再循环空气流可以在盖件18中结合，其中CRV只在进气门关闭事件中运行以帮助防止压缩机回流和相关的压缩机喘振。排气可以帮助引导入口部段46中的空气流。
图4示出了针对本披露的一个实施例的压缩机性能图谱，通过允许少量的空气流逸出压缩机叶轮14的尖端并且再循环无涡流的空气流使喘振线延伸至左侧以拓宽该图谱。为了比较，该压缩机性能图谱包括以虚线示出的一个无再循环的标准压缩机设计以及以实线示出的有再循环几何结构的本压缩机设计。
已经以展示性的方式描述了本发明，并且应理解的是，所使用的术语旨在本质上是描述词语而非限制词语。鉴于以上的传授内容，本发明的许多修改和变体都是可能的。因此应理解的是，在所附权利要求书的范围内，可以按照与在本说明内具体列举的不同方式来实践本发明。

Claims (11)

1.一种涡轮增压器，具有由一个旋转轴(20)连接的一个压缩机叶轮(14)和一个涡轮机叶轮，改进包括具有再循环几何结构的一个压缩机壳体(16)，该压缩机壳体包括：
一个蜗壳底座部分(40)，该蜗壳底座部分被可操作地邻接该压缩机叶轮(14)；
一个轮廓部(42)，该轮廓部环绕并且互补地匹配该压缩机叶轮(14)；
一个导风叶轮(44)，该导风叶轮包括一个环(50)和多个延伸构件(52)；
一个入口部段(46)，该入口部段从该蜗壳底座部分延伸(40)；以及
一个再循环腔(60)，该再循环腔被形成在该蜗壳底座部分(40)和该入口部段(46)中、具有一个再循环槽缝(70)以及用于使空气流再进入该入口部段(46)中的一个入口槽缝(72)；
其中该入口部段(46)的一个收敛壁(54)与该导风叶轮(44)的环(50)的一个内表面(56)对准。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中通过允许空气流在该涡轮压缩机叶轮(14)的一个尖端逸出并且再循环到该入口部段(46)中提高了喘振裕度。
3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中这些再循环部件的几何结构被调整成与一台乘用车内燃发动机兼容。
4.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中该入口部段(46)被形成为可附接到该蜗壳底座部分(40)上的一个部件。
5.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中该导风叶轮(44)的环(50)形成与该环(50)的内表面(56)成一个角度的再循环槽缝(70)。
6.如权利要求5所述的涡轮增压器，其中该环(50)的截面形成一种泪珠形状。
7.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中这些延伸构件(52)径向地延伸至接合该入口部段(46)的再循环腔(60)的一个壁(66和/或68)。
8.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中该导风叶轮(44)的这些延伸构件(52)相对于该环(50)形成角度以通过相对于该压缩机叶轮(14)运动的旋转将再循环空气流引导至该入口部段(46)中。
9.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中该导风叶轮(44)的环(50)形成该再循环槽缝(70)并且这些延伸构件(52)相对于该环(50)形成角度。
10.如权利要求9所述的涡轮增压器，其中该导风叶轮(44)是能够安置在该蜗壳底座部分(40)内并由该入口部段(46)封闭的一个分开件，其中这些延伸构件(52)在该压缩机壳体(16)内接合并紧固该导风叶轮(44)。
11.一种用于乘用车内燃发动机的涡轮增压器，该涡轮增压器包括由一个旋转轴(20)连接的一个压缩机叶轮(14)和一个涡轮机叶轮，该压缩机叶轮(14)被可操作地连接到一个具有再循环几何结构的压缩机壳体(16)上并且与其邻接，该压缩机壳体(16)包括：
一个蜗壳底座部分(40)，该蜗壳底座部分被可操作地连接到该压缩机叶轮(14)上并且与其邻接；
一个导风叶轮(44)，该导风叶轮包括带有多个延伸构件(52)的一个环(50)，其中该导风叶轮(44)的环(50)形成一个成角再循环槽缝(70)的一侧；
一个入口部段(46)，该入口部段形成为附接到该蜗壳底座部分(40)上的一个部件，其中该导风叶轮(44)处于该蜗壳底座部分(40)与该入口部段(46)之间；以及
一个再循环腔(60)，该再循环腔被形成在该蜗壳底座部分(40)和该入口部段(46)中、具有该成角再循环槽缝(70)以及用于使再循环空气流再进入该入口部段(46)中的一个入口槽缝(72)；
其中通过允许空气流逸出该涡轮压缩机叶轮(14)穿过该成角再循环槽缝(70)和该再循环腔(60)经由该入口槽缝(72)进入该入口部段(46)中提高了压缩机喘振裕度。
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