CN104487675A - 可变容量型排气涡轮增压器 - Google Patents

可变容量型排气涡轮增压器 Download PDF

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Abstract

本发明以提供一种可变容量型排气涡轮(1)为目的，该可变容量型排气涡轮在具有在高温下喷嘴支撑件不会变形的可变喷嘴机构，具有：喷嘴支架(2)；一端与喷嘴支架的一面(2a)连结的喷嘴支撑件(6)；喷嘴板(4)，其与喷嘴支撑件的另一端连结，并从喷嘴支架的一面(2a)离开而被支承，并且，与该喷嘴支撑件所连结的一面(4a)相反侧的另一面(4b)面对排气流动的排气通路(20)配置；能够旋转地被支承在喷嘴支架与喷嘴板之间的多个喷嘴叶片(8)，该可变容量型排气涡轮增压器具有可变喷嘴机构(10)，该可变喷嘴机构通过使喷嘴叶片的翼角发生变化，而控制在喷嘴支架与喷嘴板之间流动的排气的流动，其中，喷嘴板由线膨胀系数比形成喷嘴支架的材料更小的材料形成。

Description

可变容量型排气涡轮增压器
技术领域
本发明涉及具有可变喷嘴机构的可变容量型排气涡轮增压器。
背景技术
在车辆用柴油发动机所使用的排气涡轮增压器中，大多使用可变喷嘴机构，该可变喷嘴机构配置在形成于涡轮壳的涡卷状的排气通路与能够旋转地配置在涡轮壳的中心的涡轮机转子之间，并控制作用于涡轮机转子的排气的流动。
该可变喷嘴机构构成为喷嘴支架和喷嘴板利用喷嘴支撑件以相互离开的状态被支承，并在该喷嘴支架与喷嘴板之间能够旋转地支承有多个喷嘴叶片。并且，通过改变喷嘴叶片的翼角，来控制在喷嘴支架与喷嘴板之间流动的排气的流动，并控制作用于涡轮机转子的排气的流动。
作为具有该可变喷嘴机构的可变容量型排气涡轮增压器的一例，例如，公开了由本申请人申请的专利第4885118号公报。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)专利第4885118号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
可是，从柴油发动机排出的排气有时会有约850℃的高温的情况，因此由不锈钢等形成的喷嘴支架和喷嘴板会产生热变形。此时，由于固定在轴承壳等，并且仅与喷嘴支撑件相对的面与高温的排气接触的喷嘴支架和两面暴露在高温的排气中的喷嘴板的热变形量不同，如图9所示，因此在将喷嘴板4与喷嘴支架2连结的喷嘴支撑件6上作用有切断力、转矩，而不能使喷嘴支撑件6发生变形。
图10是表示温度为850℃和760℃时的不锈钢的线膨胀系数的表。另外图11是表示温度为850℃和760℃时的不锈钢的伸长比和两者的伸长比的差的表。
在此，伸长比是指在基于材料的基准温度T0的温度变化量ΔT，线膨胀系数α时的形变量α×ΔT。
在喷嘴支架2和喷嘴板4使用如图10所示的线膨胀系数相同的同种不锈钢的情况下，如图11所示，在喷嘴板为850℃的情况下的伸长比为1.56％，喷嘴支架在760℃的情况下的伸长比为1.34％，两者伸长比差为0.22％。另外，基准温度T0为20℃。
将来，预计会有具有可变喷嘴机构的可变容量型排气涡轮增压器适用于汽油发动机的情况，而使从汽油发动机排出的排气温度比850℃高，因此上述喷嘴支架与喷嘴板之间的热变形量的差(伸长比差)更大，而可能在喷嘴支撑件上作用有更大的切断力、转矩。
本发明的至少一种实施方式鉴于上述现有技术的课题，其目的在于提供一种具有可变喷嘴机构的可变容量型排气涡轮，该可变喷嘴机构在高温下的喷嘴支架和喷嘴板的热变形量的差小，因此不会有大的切断力、转矩作用在喷嘴支撑件上而不能使喷嘴支撑件发生变形。
用于解决技术问题的方法
本发明的至少一种实施方式为了达成上述目的，具有：
固定在壳上的喷嘴支架；
一端与所述喷嘴支架的一面连结的喷嘴支撑件；
喷嘴板，其与所述喷嘴支撑件的另一端连结，并从所述喷嘴支架的一面离开而被支承，并且，与该喷嘴支撑件所连结的一面相反侧的另一面面对排气流动的排气通路配置；
能够旋转地被支承在所述喷嘴支架与所述喷嘴板之间的多个喷嘴叶片，
该可变容量型排气涡轮增压器具有可变喷嘴机构，该可变喷嘴机构通过使所述喷嘴叶片的翼角发生变化，而控制在所述喷嘴支架与所述喷嘴板之间流动的排气的流动，其特征在于，
所述喷嘴板由线膨胀系数比形成所述喷嘴支架的材料更小的材料形成。
如上所述的可变容量型排气涡轮增压器通过使两面暴露在排气中而变得温度更高的喷嘴板由线膨胀系数比形成喷嘴支架的材料小的材料形成。因此，与喷嘴支架和喷嘴板由相同材料形成的现有可变容量型排气涡轮增压器相比，能够减小高温下的喷嘴支架和喷嘴板的热变形量的差。
另外，本发明一实施方式的可变容量型排气涡轮增压器的特征在于，
所述喷嘴板由耐热Ni基合金形成，
所述喷嘴支架由不锈钢形成。
根据如上所述实施方式的可变容量型排气涡轮增压器，通过使两面暴露在排气中而使温度更高的喷嘴板由线膨胀系数小的耐热Ni基合金形成，并使喷嘴支架由比较廉价的不锈钢形成，能够减小高温下的喷嘴支架和喷嘴板的热变形量的差，并且能够抑制材料成本。
另外，本发明一实施方式的可变容量型排气涡轮增压器的特征在于，
所述喷嘴板和所述喷嘴支架分别由线膨胀系数有差异的种类互不相同的耐热Ni基合金形成。
根据如上所述实施方式的可变容量型排气涡轮增压器，喷嘴板由线膨胀系数较小的耐热Ni基合金形成，喷嘴支架由线膨胀系数较大的耐热Ni基合金形成。这样，通过使喷嘴板和喷嘴支架中的任一个使用耐热Ni基合金，能够减小高温下的喷嘴支架和喷嘴板的热变形量的差，并且能够构成耐热性优越的可变喷嘴机构。
另外，本发明一实施方式的可变容量型排气涡轮增压器的特征在于，
在形成所述喷嘴板的材料的线膨胀系数为α1，
形成所述喷嘴支架的材料的线膨胀系数为α2，
发动机工作时的所述喷嘴板的温度为T1，
发动机工作时的所述喷嘴支架的温度为T2，
基准温度为T0时，
分别选择形成所述喷嘴板和所述喷嘴支架的材料，以使由下式(1)定义的伸长比差A的绝对值为0.20％以下，
A＝α1×(T1-T0)-α2(T2-T0)  ····式(1)。
根据如上所述实施方式的可变容量型排气涡轮增压器，分别选择形成喷嘴板和喷嘴支架的材料，以使由式(1)定义的伸长比差A的绝对值为0.20％以下，因此能够提供一种具有减小高温下的喷嘴支架和喷嘴板的热变形量的差的可变喷嘴机构的可变容量型排气涡轮。
上述本发明一实施方式的可变容量型排气涡轮增压器适用于排气温度高的汽油发动机。
发明效果
根据本发明的至少一种实施方式，缩小高温下的喷嘴支架和喷嘴板的热变形量的差，因此，能够提供一种具有可变喷嘴机构的可变容量型排气涡轮，该可变喷嘴机构不会在喷嘴支撑件上作用大的切断力、转矩而不使喷嘴支撑件发生变形。
附图说明
图1是本发明一实施方式的可变容量型排气涡轮增压器的剖视图。
图2是图1的B-B剖视图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是表示不锈钢和耐热Ni基合金A、B的线膨胀系数与温度关系的曲线图。
图5是表示温度为900℃和1000℃时的不锈钢和耐热Ni基材料A、B的线膨胀系数的表。
图6是表示喷嘴支架和喷嘴板分别使用不锈钢和耐热Ni基合金A、B的情况下的喷嘴支架和喷嘴板的热变形量的差(伸长比差)的表。
图7是图6的曲线图。
图8是表示不锈钢和耐热Ni基合金的耐力与温度关系的曲线图。
图9是表示喷嘴板和喷嘴支架伸长变形，而在连结两者的喷嘴支撑件上作用有切断力、转矩的状态的图。
图10是表示温度为850℃和760℃时的不锈钢的线膨胀系数的表。
图11是表示温度为850℃和760℃时的不锈钢的伸长比和两者的伸长比差的表。
具体实施方式
以下，参照附图具体说明本发明的实施方式。
另外，本发明的范围不限于以下实施方式。以下实施方式所记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等只要不是特殊记载，都不是将本发明的范围限定于此的意图，只不过是说明例。
图1是本发明一实施方式的可变容量型排气涡轮增压器的剖视图。图2是图1的B-B剖视图。图3是图2的A-A剖视图。首先，参照图1～图3说明本发明一实施方式的可变容量型排气涡轮增压器1的可变喷嘴机构10的基本结构。
如图1所示，在本发明一实施方式的可变容量型排气涡轮增压器1中，收容涡轮机转子12的涡轮壳16和收容能够旋转地支承涡轮机转子12的旋转轴12a的轴承22的轴承壳18例如由螺栓等联结。另外，未图示，在隔着轴承壳18的涡轮壳16的相反侧，收容与旋转轴12a连结的压缩机转子的压缩机壳与轴承壳18连结。
在涡轮壳16的外周侧形成有与未图示的排气歧管连通，并使从发动机排出的排气流动的涡卷状的排气通路20。另外，在涡卷状的排气通路20与涡轮机转子12之间配置有控制作用于涡轮机转子12的排气的流动的可变喷嘴机构10。
如图1所示，可变喷嘴机构10以夹在涡轮壳16与轴承壳18之间的状态，并通过利用螺栓等将喷嘴支架2联结到轴承壳18而固定在轴承壳18上。另外，如图3所示，在可变喷嘴机构10中，柱状部件的喷嘴支撑件6的一端与喷嘴支架2的一面2a连结。另外，喷嘴板4的一面4a与喷嘴支撑件6的另一端连结。在俯视时，在喷嘴支架2的一面2a和喷嘴板4的一面4a，以周状连结有多个该喷嘴支撑件6。由此，喷嘴板4从喷嘴支架2的一面2a离开而被支承。
另外，如图2和图3所示，在喷嘴支架2的另一面2b能够旋转地配置有形成为圆盘状的驱动环5。并且，多个杆板3的一端侧与驱动环5连结。并且，杆板3的另一端侧经由喷嘴轴8a与喷嘴叶片8连结，通过使驱动环5旋转而使各杆板3旋转，使喷嘴叶片8的翼角发生变化。
在具有如上所述构成的可变喷嘴机构10的可变容量型排气涡轮增压器1中，如图1的箭头f所示，在涡卷状的排气通路20中流动的排气流入喷嘴支架2与喷嘴板4之间，并利用喷嘴叶片8控制流动方向，而向涡轮壳16的中心部流动。并且，在作用于涡轮机转子12后，从排气出口24排出到外部。
此时，如图1所示，在喷嘴板4中，与连结喷嘴支撑件8的一面4a相反侧的另一面4b面对排气流动的排气通路20配置。即，在喷嘴板4中，一面4a和另一面4b这两面暴露在排气中。与此相对，喷嘴支架2仅一面2a与排气接触，另一面2b向轴承壳18侧配置而不暴露在排气中。
这样，喷嘴板4的两面4a、4b暴露在排气中，与此相对，喷嘴支架2仅一面2a与排气接触，因此喷嘴板4在发动机工作时，温度比喷嘴支架2高。经本发明者研究，在排气温度为约850℃的柴油发动机的情况下，相对于喷嘴板4上升到850℃，喷嘴支架2在760℃停止上升。另外，在排气温度为约1000℃的汽油发动机的情况下，相对于喷嘴板4上升到1000℃，喷嘴支架2在850℃停止上升。
这样，在喷嘴支架2和喷嘴板4的温度不同时，引起两者的热变形量差，在高温下，在连结两者的喷嘴支撑件6上作用有切断力、转矩，而不能使喷嘴支撑件6发生变形。因此，在本发明的至少一个实施方式中，喷嘴板4由线膨胀系数比形成喷嘴支架2的材料小的材料形成，因此如后所述，使高温下的喷嘴支架2和喷嘴板4的热变形量的差缩小。
在本发明一实施方式中，作为用于喷嘴支架2和喷嘴板4的材料，适合使用不锈钢、铬镍铁合金(注册商标)(铬镍铁合金600、铬镍铁合金625、铬镍铁合金718、铬镍铁合金750X等)和镍基合金(注册商标)(镍基合金C22、镍基合金C276、镍基合金B等)等耐热Ni基合金。
图4是表示不锈钢和两种耐热Ni基合金A、B的线膨胀系数与温度关系的曲线图。图5是表示温度为900℃和1000℃时的不锈钢和两种耐热Ni基合金A、B的线膨胀系数的表。如该图4和图5所示，与不锈钢相比，耐热Ni基合金A、B一方线膨胀系数小。另外，在两种耐热Ni基合金A、B中，B一方比A线膨胀系数小。另外，在本说明书中，“线膨胀系数小”是指在两种材料间，在发动机工作时规定温度下(例如，汽油发动机工作时的排气温度即1000℃)下的线膨胀系数的大小。
图6是表示喷嘴支架2和喷嘴板4分别使用不锈钢和线膨胀系数有差异的两种耐热Ni基合金A、B的情况下的喷嘴支架2和喷嘴板4的热变形量的差(伸长比差)的表。另外图7是图6的曲线图。
在此，伸长比差(A)利用下式(1)算出。
A＝α1×(T1-T0)-α2(T2-T0)  ····式(1)
其中，
α1：形成喷嘴板4的材料的线膨胀系数，
α2：形成喷嘴支架2的材料的线膨胀系数，
T1：发动机工作时的喷嘴板4的温度，
T2：发动机工作时的喷嘴支架2的温度，
T0：基准温度(在此为20℃)。
另外，图6和图7假定可变容量型排气涡轮增压器1适用于汽油发动机的情况，T1设定为1000℃，T2设定为900℃。
如图6和图7所示，在喷嘴板4使用耐热Ni基合金A，喷嘴支架2使用不锈钢的情况下的伸长比差为-0.05％(实施例1)。另外，在喷嘴板4使用耐热Ni基合金B，喷嘴支架2使用不锈钢的情况下的伸长比差为0.02％(实施例2)。另外，在喷嘴板4使用耐热Ni基合金A，喷嘴支架2使用耐热Ni基合金B的情况下的伸长比差为0.14％(实施例3)。
针对于此，在喷嘴支架2和喷嘴板4使用由相同线膨胀系数构成的相同材料的情况下的伸长比差为0.21％～0.27％(参考例1～3)。
为了缩小高温下的喷嘴支架2和喷嘴板4的热变形量的差(伸长比差)，以使得在喷嘴支撑件6上不作用有大切断力、转矩，也可以将喷嘴支架2和喷嘴板4的热变形量的差(伸长比差)抑制为较小。优选将伸长比差(A)抑制为现有(参照图11)的同程度以下，也可以分别选择形成喷嘴支架2和喷嘴板4的材料，以使得伸长比差(A)的绝对值为0.20％以下。
另外，如实施例1和实施例2所示，通过使两面暴露在排气中而变得温度更高的喷嘴板4由线膨胀系数的小的耐热Ni基合金形成，喷嘴支架2由比较廉价的不锈钢形成，能够减小高温下的喷嘴支架2和喷嘴板4的热变形量的差(伸长比差)，并且，能够抑制材料成本。
另外，如图8所示，与不锈钢相比，耐热Ni基合金一方在高温时的耐力优越。因此，如实施例3所示，通过使喷嘴板4和喷嘴支架2都由耐热Ni基合金形成，喷嘴板4使用较小的线膨胀系数的耐热Ni基合金A，喷嘴支架2使用较大的线膨胀系数的耐热Ni基合金B，能够缩小高温下的喷嘴支架2和喷嘴板4的热变形量的差(伸长比差)，并且能够构成耐热性优越的可变喷嘴机构10。
另外，在本发明一实施方式中，将喷嘴支架2和喷嘴板4连结的柱状的部件即喷嘴支撑件6能够由耐热Ni基合金形成。因此，能够构成高温下的耐力优越的可变喷嘴机构10。
以上，说明了本发明的优选实施方式，本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明目的范围内能够进行各种变更。
工业实用性
本发明的至少一种实施方式能够特别适用于发动机，优选适用于车辆用的汽油发动机所使用的可变容量型排气涡轮增压器。
附图标记说明
1  可变容量型排气涡轮增压器
2  喷嘴支架
3  杆板
4  喷嘴板
5  驱动环
6  喷嘴支撑件
8  喷嘴叶片
8a  喷嘴轴
10  可变喷嘴机构
12  涡轮机转子
12a  旋转轴
16  涡轮壳
18  轴承壳
20  排气通路
22  轴承
24  排气出口

Claims (5)

1.一种可变容量型排气涡轮增压器，具有：
固定在壳上的喷嘴支架；
一端与所述喷嘴支架的一面连结的喷嘴支撑件；
喷嘴板，其与所述喷嘴支撑件的另一端连结，并从所述喷嘴支架的一面离开而被支承，并且，与该喷嘴支撑件所连结的一面相反侧的另一面面对排气流动的排气通路配置；
能够旋转地被支承在所述喷嘴支架与所述喷嘴板之间的多个喷嘴叶片，
该可变容量型排气涡轮增压器具有可变喷嘴机构，该可变喷嘴机构通过使所述喷嘴叶片的翼角发生变化，而控制在所述喷嘴支架与所述喷嘴板之间流动的排气的流动，其特征在于，
所述喷嘴板由线膨胀系数比形成所述喷嘴支架的材料更小的材料形成。
2.如权利要求1所述的可变容量型排气涡轮增压器，其特征在于，
所述喷嘴板由耐热Ni基合金形成，
所述喷嘴支架由不锈钢形成。
3.如权利要求1所述的可变容量型排气涡轮增压器，其特征在于，
所述喷嘴板和所述喷嘴支架分别由线膨胀系数有差异的种类互不相同的耐热Ni基合金形成。
4.如权利要求1至3中任一项所述的可变容量型排气涡轮增压器，其特征在于，
在形成所述喷嘴板的材料的线膨胀系数为α1，
形成所述喷嘴支架的材料的线膨胀系数为α2，
发动机工作时的所述喷嘴板的温度为T1，
发动机工作时的所述喷嘴支架的温度为T2，
基准温度为T时，
分别选择形成所述喷嘴板和所述喷嘴支架的材料，以使由下式(1)定义的伸长比差A的绝对值为0.20％以下，
A＝α1×(T1-T)-α2(T2-T)····式(1)。
5.如权利要求1至4中任一项所述的可变容量型排气涡轮增压器，其特征在于，
所述可变容量型排气涡轮增压器用于汽油发动机。
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