CN104471204B - 一种涡轮增压器和用于内燃发动机的涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

一种用于涡轮增压器的压缩机级(12)的且具有多个选择性可伸缩叶片(38)的可伸缩叶片扩压器系统(36)。该可伸缩叶片扩压器系统(36)包括一个可伸缩叶片(38)或可以延伸进入一个扩压器(18)的一个流动路径(34)中的一组叶片(40)，以帮助控制气流并改变该压缩机级(12)的运行特性，例如提高喘振裕度或提高级的峰值效率。当希望作为一个无叶片扩压器运行以使流动最大化，例如减缓扩压器失速或喘振的发作，这些叶片(38)可以优选通过一个叶片环(44)而收缩到该扩压器(18)的一个壁(30或32)的一个腔(42)中。该可伸缩叶片扩压器系统(36)结合了优越的压力比、效率以及具有多个叶片的扩压器的较低质量气流运行特性，这些叶片具有与一个无叶片扩压器的较高质量气流容量。

Description

一种涡轮增压器和用于内燃发动机的涡轮增压器
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年7月27日提交的且题为“用于压缩机的可伸缩叶片扩压器(Retractable Vane Diffuser for Compressors)”的美国临时申请号 61/676,467的优先权及所有权益，其通过引用结合在此。
技术领域
本披露涉及用于内燃发动机的涡轮增压器的一个部件。更具体地讲，本披露涉及用于涡轮增压器的径向或混合流动压缩机级的一个可伸缩叶片扩压器系统。
背景技术
涡轮增压的优点包括功率输出增大、燃料消耗小以及污染物排放减少。不再主要从高功率性能方面来看发动机的涡轮增压，而是视作一种基于较低二氧化碳(CO2)排放的减少燃料消耗和环境污染的手段。当前，涡轮增压的一个主要原因是使用排气能量来减少燃料消耗和排放。在涡轮增压的发动机中，燃烧空气在被供给到发动机之前被预先压缩。该发动机与一个自然吸气发动机相比吸入了相同体积的空气燃料混合物，但由于较高的压力，因此较高的密度的更多的空气和燃料质量被供给到燃烧室中。因此可以燃烧更多的燃料，从而发动机的功率输出相对于速度和工作容积增大。
在排气涡轮增压中，普通情况下被浪费掉的排气能量中的一些能量被用来驱动安装在一个轴上的涡轮机叶轮。涡轮增压器将一些通常被浪费掉的排气能量中的一些能量返回到发动机，从而有助于发动机效率和节省燃料。与涡轮机叶轮安装在同一个轴上的压缩机叶轮吸取过滤的周围空气，将其压缩，并且然后将它供给到发动机。
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。涡轮增压器将压缩过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、自然吸气的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传送至发动机的燃料的更加完全燃烧，这有助于实现更清洁环境的这一高度希望的目标。
涡轮增压器包括一个涡轮机级和一个压缩机级。更确切地说，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(一个叶轮)上，从而使得该涡轮机叶轮的旋转引起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。
本披露把焦点集中在涡轮增压器的压缩机级。压缩机级被设计成帮助增加进气歧管空气压力和密度以允许发动机气缸在每个进气冲程过程中吸入更大量的空气。压缩机级，具体地为压缩机壳体，优选包括一个扩压器。该扩压器将离开压缩机叶轮的高速气流转换成较低速度、较高压力的气流。该扩压器由两个壁限定。一个壁被称作轮毂壁并且最接近该涡轮增压器的中央轴承壳体。另一个壁被称作护罩壁。这两个壁形成了用于空气离开压缩机叶轮时的一个流动路径，并且该流动路径引导气流进入一个蜗壳中。
扩压器中的多个叶片是已知的。在扩压器中提供多个叶片可以提高效率。已经使用了在护罩壁与轮毂壁之间充分延伸的全部叶片。还已知的是，全部叶片被这些壁中的一个壁内的多个槽缝所接受的有槽缝的壁式扩压器。还已知的是在扩压器的这些壁之间未完全延伸的多个肋式叶片。
多个叶片帮助控制较低质量气流时的气流，并且可以减缓流动反向所导致的扩压器失速和喘振的发作。传统可移动的叶片是作为枢转叶片已知的。扩压器的这些壁可以移动以调节这些叶片上的气流。
无叶片扩压器也是已知的。在较高质量气流时，多个叶片可以阻挡气流穿过扩压器。这是因为这些叶片的一个前缘引起声波震动。在某些运行条件下，阻挡任何气流的叶片不是优选的。一种无叶片扩压器在较高质量气流时与在较低质量气流时相比更加有效；而一种肋式壁可以在较低质量气流情况下更加有效。
就气流容量而言，较高质量气流表明压缩机级接近其运行极限。就以一种稳定形式的压缩空气而言，较低质量气流将表明压缩机级接近其运行极限。接近喘振时，一个压缩机叶片像飞机机翼一样失速并且停止了能够有效地压缩空气。从压缩机叶片、扩压器或者蜗壳舌部中的一部分中脱出多个涡流，从而导致压力和质量流速发生波动。当这些涡流变得足够大时，它们会致使这类大的波动穿过压缩机级使得流动实际上反向并且出现在压缩机壳体的入口。这被叫做“激烈喘振”或“喘振”。
因此希望提供一种具有优越的压力比、效率以及扩压器的较低质量气流运行特性的涡轮增压器的压缩机级，该扩压器具有多个叶片，这些叶片具有无叶片扩压器的较高质量气流容量。
发明内容
一个涡轮增压器具有通过一个转轴相连接的一个压缩机叶轮和一个涡轮机叶轮。该压缩机叶轮被可操作地连接到一个可伸缩叶片扩压器系统上并且与该系统相邻，该系统带有多个叶片，这些叶片收缩进入到一个扩压器的一个壁中并且基于该可伸缩叶片扩压器系统的激活而选择性地从扩压器的这个壁延伸进入扩压器的一个流动路径中。当希望作为一个无叶片扩压器运行而使流动容量最大化时，这些叶片可以通过一个叶片环而被完全收缩进入到该扩压器的这个壁内的一个腔中。当这些叶片的效率有利时，这些叶片可以从扩压器的这个壁中延伸，例如在较低质量气流条件下增加效率和压力比并减缓扩压器失速或喘振的发作。
可伸缩叶片扩压器系统改善了涡轮增压器的压缩机级的运行特性并且通过这些可伸缩的叶片有效地且有效率地控制了来自压缩机叶轮的气流。
附图说明
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是涡轮增压器的压缩机级的一个截面部分侧视图；
图2是涡轮增压器的压缩机级的一个截面侧视图，示出了扩压器的每个壁内的多个叶片；
图3是相对于压缩机叶轮的叶片环的一部分的端视图；并且
图4是根据另外一个实施例的具有邻近压缩机叶轮的分开的多个叶片的叶片环的一部分的端视图。
具体实施方式
参照图1至图4，一种用于内燃发动机的涡轮增压器总体应理解为包括一个压缩机级12。涡轮增压器的压缩机级12可以包括一个压缩机叶轮 14和一个压缩机壳体16。一个转轴是由一个涡轮机叶轮驱动的，这样使得涡轮机叶轮的旋转引起压缩机叶轮14的旋转。
压缩机壳体16包括一个通向蜗壳20的扩压器18。压缩机叶轮14是被安装在该轴的一端上并且被容纳在压缩机壳体16中。如本领域已知的，涡轮机叶轮是由从排气歧管供应的流入排气可旋转地驱动的，该涡轮机叶轮使该轴旋转，由此致使压缩机叶轮14旋转。当压缩机叶轮14旋转时，空气被抽入该压缩机壳体16中，被该压缩机叶轮14压缩，被迫进入扩压器18中，并且然后进入蜗壳20，以便以升高的压力传送至发动机的一个进气歧管中。驱动该涡轮机叶轮之后，排气可以被排放或者在一些情况下被再次循环。
扩压器18和蜗壳20建立了在叶轮腔室22(包含压缩机叶轮14的一部分)与发动机之间的流体联通。蜗壳20可以沿着压缩机壳体16的一个外部区域形成，并且该蜗壳在径向上远离压缩机叶轮14。蜗壳20可以标准地带有一个空气通道24，当蜗壳趋于更大静压力排放时，该空气通道变得更大。扩压器18是与蜗壳20的一个入口相关联的。
扩压器18紧邻该压缩机叶轮14、优选在压缩机叶轮14的顶端处具有一个入口26。扩压器18在与入口26的相反的一端处具有一个出口28。扩压器18是由称作轮毂壁30和护罩壁32的两个壁限定的，从而形成了用于空气离开压缩机叶轮14时的一个流动路径34。护罩壁32是压缩机壳体16的一部分，并且轮毂壁30典型地是一个轴承壳体的一部分，但还可以是压缩机壳体16的一个背板。
扩压器18包括一个适合于径向或混合流动压缩机级12的可伸缩叶片扩压器系统36。可伸缩叶片扩压器系统36包括一个可伸缩叶片38或优选可以嵌入该扩压器18的流动路径34中的一组叶片40以改变压缩机级12 的运行特性，例如提高喘振裕度或提高级的峰值效率。图1示出了叶片38 从收缩的位置(如虚线所示)如何从护罩壁32延伸进入流动路径34中。当希望作为一个无叶片扩压器操作时，叶片38可以收缩进入扩压器18的在轮毂壁30和护罩壁32两者或其中一者上的腔42之中。这些叶片38可以是完全可伸缩的以便完全从流动路径34中出来以避免任何气流阻塞。另一方面，这些叶片38可以单独地或者作为一个组延伸进入流动路径34 中以进一步优化压缩机级12的性能。通过可伸缩叶片扩压器系统36，应当理解的是扩压器18的一个长度可以比典型的短，从而允许一个更加紧凑的涡轮增压器。
可伸缩叶片扩压器系统36允许这些叶片38在例如较低质量气流有效时运行但可以避免较高质量流动时的流动限制。当这些叶片38延伸进入流动路径34中时，在空气离开压缩机叶轮14之后这些叶片38可以帮助积聚压力来增加压缩机级12的效率。这些叶片38帮助控制较低质量气流时的流动，并且延伸进入流动路径34中的这些叶片38可以减缓具有流动反向的扩压器失速和喘振的发作。在较高质量气流时，这些叶片38可以阻止可能导致较早的压缩阻塞的总气流。因此，为了避免气流阻塞，这些叶片38可以从流动路径34上被完全移除(当完全收缩时)。这些叶片38 收缩时使阻流增大而带有较少的空气受阻流动，例如在较高运行速度时是优选的。
这些叶片38被优选地安装在一个可移动的叶片环44上。优选地，使用多个叶片环44来控制这些叶片38的运动。
扩压器18可以被优化用于不同运行点的两组叶片40。这两组叶片40 可以是错开的以便在护罩壁32内不会重叠。这样，在轮毂壁30内的一圈叶片以及在护罩壁32内的一圈叶片可以延伸进入流动路径34中。
同样，两组叶片40可以在扩压器18的每一侧上。这样，一个护罩叶片组40和一个轮毂叶片组140可以从被称作护罩壁32和轮毂壁30的每一个壁上收缩和延伸。如图2所示，这些叶片38被收缩进入轮毂壁30和护罩壁32之中，并且这些叶片38可以从轮毂壁30和护罩壁32延伸进入流动路径34之中。在另外一个实施例中，在轮毂壁30或护罩壁32上或者在这两个壁上，这些叶片38可以是错开的或偏置的。
如图4所示，每个叶片38可以是分开的从而可以改变扩压器18的稠度。交替的叶片38可以是收缩的或延伸的。一组叶片40可以被附接到护罩壁32内的叶片环44上，即在压缩机壳体16内的一个上部环。另外一组叶片140可以被附接到轮毂壁30内的叶片环144上，即在轴承壳体内的一个下部环。该组叶片140的每个叶片可以交替并且是在如图4示出的另一组叶片40的多个叶片之间。
可伸缩叶片扩压器系统36的激活可根据扩压器18以及所寻求的特性而改变。可伸缩叶片扩压器系统36是可以通过质量气流来激活的。这样，较低质量气流将致使这些叶片38延伸进入流动路径34之中。较高质量气流将致使这些叶片38收缩。
同样，通过涡轮增压器的加速或减速可以激活可伸缩叶片扩压器系统 36。这样，快速的加速或减速将致使这些叶片38延伸进入流动路径34之中。因此，在稳定的高速时，这些叶片38将收缩。
这个可伸缩叶片扩压器系统36可以由同时控制一组可变涡轮几何形状(VTG)叶片的一个单一致动器来控制。例如，当该组VTG叶片闭合时，压缩机级12的这些叶片38可以延伸进入流动路径34中。应理解的是，该单一致动器可以可操作地连接到VTG致动机构和可伸缩叶片扩压器系统36上。
涡轮增压器的压缩机级12内的可伸缩叶片扩压器系统36使用多个选择性地可伸缩叶片38或者可以延伸进入扩压器18的流动路径34中的多组叶片40，以帮助控制气流并改变压缩机级12的运行特性，例如使压缩机级12在较低质量气流速度时以稳定的形式运行或提高级的峰值效率。这些叶片38可以收缩进入扩压器18的一个壁(30和/或32)内的腔42 中以便作为无叶片系统使流动容量最大化。
在此以说明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 (15)

1.一种涡轮增压器，其具有通过一个转轴相连接的一个压缩机叶轮和一个涡轮机叶轮，该涡轮增压器包括一个可伸缩叶片扩压器系统，该可伸缩叶片扩压器系统包括：
一个扩压器，该扩压器由一个轮毂壁和一个护罩壁限定，从而形成了空气离开该压缩机叶轮时的一个流动路径；
一个第一叶片，该第一叶片能在收缩位置和延伸位置之间运动，在该收缩位置处该第一叶片被置于该流动路径的外部并且收缩进入该轮毂壁中，在该延伸位置处该第一叶片被至少部分地置于该流动路径中；以及
一个第二叶片，该第二叶片能在该第二叶片被置于该流动路径的外部并且收缩进入该护罩壁中的收缩位置、以及该第二叶片被至少部分地置于该流动路径中的延伸位置之间移动。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中低质量气流时的运行稳定性通过控制气流改善。
3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中该第一叶片是多个叶片中的两个叶片。
4.如权利要求1所述的涡轮增压器，进一步包括在一个叶片环上的一组叶片，该组叶片可完全伸缩进入该轮毂壁或该护罩壁中。
5.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中该第一叶片或该第二叶片中的至少一个叶片与相邻的叶片分开。
6.如权利要求5所述的涡轮增压器，其中该第一叶片或该第二叶片中的所述至少一个叶片处于该收缩位置中，而相邻的叶片处于该延伸位置中。
7.如权利要求1所述的涡轮增压器，进一步包括在该扩压器的护罩壁的一个腔内的一个叶片环，该叶片环包括多个可伸缩进入该护罩壁中的叶片。
8.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中该可伸缩叶片扩压器系统的激活通过质量气流引起，其中较低质量气流致使该第一叶片或该第二叶片中的至少一个叶片运动至该延伸位置，并且其中较高质量气流致使该第一叶片或该第二叶片中的至少一个叶片运动至该收缩位置。
9.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中该可伸缩叶片扩压器系统的激活通过该涡轮增压器的加速或减速引起，其中快速的加速或减速致使该第一叶片或该第二叶片中的至少一个叶片运动至该延伸位置，并且其中该第一叶片或该第二叶片中的至少一个叶片在稳定的高速度时运动至该收缩位置中。
10.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，一个单一致动器控制该可伸缩叶片扩压器系统以及一组可变涡轮几何形状(VTG)叶片，其中当该组可变涡轮几何形状(VTG)叶片处于闭合位置时，该单一致动器致使该第一叶片或该第二叶片中的至少一个叶片运动至该延伸位置，并且其中该单一致动器被可操作地连接到该涡轮机叶轮上。
11.一种用于内燃发动机的涡轮增压器，该涡轮增压器包括通过一个转轴相连接的一个压缩机叶轮和一个涡轮机叶轮，该压缩机叶轮被可操作地连接到一个可伸缩叶片扩压器系统上并且与该可伸缩叶片扩压器系统邻近，该可伸缩叶片扩压器系统具有多个叶片，这些叶片能选择性地在收缩位置和延伸位置之间运动，在该收缩位置处这些叶片被置于一个扩压器的流动路径的外部并且收缩进入限定该扩压器并形成所述流动路径的第一壁和第二壁中，在该延伸位置处这些叶片从该扩压器的所述第一壁和第二壁延伸进入该扩压器的该流动路径中。
12.如权利要求11所述的涡轮增压器，其中该可伸缩叶片扩压器系统的激活通过质量气流驱动，其中较低质量气流致使这些叶片运动至该延伸位置，并且其中较高质量气流致使这些叶片运动至该收缩位置。
13.如权利要求11所述的涡轮增压器，其中该可伸缩叶片扩压器系统的激活通过该涡轮增压器的加速或减速引起，其中快速的加速或减速致使这些叶片运动至该延伸位置，并且其中当加速较慢时这些叶片收缩。
14.如权利要求11所述的涡轮增压器，包括在该扩压器的所述第一壁或第二壁中的至少一个壁的一个腔内的一个可移动的叶片环。
15.如权利要求11所述的涡轮增压器，包括在该扩压器的第一壁内的一个第一可移动叶片环、以及在该扩压器的第二壁内的一个第二可移动叶片环，该第一可移动叶片环被构造成选择性地使收缩进入该第一壁中的这些叶片移动，该第二可移动叶片环被构造成选择性地使收缩进入该第二壁中的这些叶片移动，其中，当该第二可移动叶片环上的这些叶片在该延伸位置中时，该第一可移动叶片环将该第一可移动叶片环上的这些叶片移动进入该收缩位置中，并且当该第一可移动叶片环上的这些叶片在该延伸位置中时，该第二可移动叶片环将该第二可移动叶片环上的这些叶片移动进入该收缩位置中。
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