CN104884761B - 可变喷嘴单元及可变容量型增压器 - Google Patents

可变喷嘴单元及可变容量型增压器 Download PDF

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Abstract

在第一喷嘴环(47)的相对面(47f)和第二喷嘴环(57)的相对面(57f)之间，多个可变喷嘴(61)以包围涡轮叶轮(29)的方式在圆周方向上配置。各可变喷嘴(61)向旋转范围的打开方向侧端旋转时，各可变喷嘴(61)的后缘(61t)相对于第二喷嘴环(57)的相对面(57f)的内缘(57fe)向径向内侧突出。

Description

可变喷嘴单元及可变容量型增压器
技术领域
本发明涉及调整向可变容量型增压器中的涡轮叶轮侧供给的废气流路面积(喉口面积)的可变喷嘴单元及可变容量型增压器。
背景技术
近年，关于装备于可变容量型增压器的可变喷嘴单元出现多种开发。从专利文献1到专利文献3公开了涉及现有技术的可变喷嘴单元。该具体的结构按照下述。
在涡轮外壳内，第一基座环与涡轮叶轮同心状地配置。在相对于第一基座环沿涡轮叶轮的轴向隔离的位置上，与第一基座环一体地设置第二基座环。另外，在第一基座环的相对面与第二基座环的相对面之间配置多个可变喷嘴。多个可变喷嘴以围绕涡轮叶轮的方式在圆周方向上等间距地配置。各可变喷嘴可在预先设定的旋转范围内绕平行于涡轮叶轮轴心的轴心向打开方向或关闭方向(打开方向及关闭方向)旋转地设置。在第一基座环的相对面的相反面侧形成联杆室。在联杆室配置联杆机构。联杆机构使多个可变喷嘴在上述旋转范围内向打开方向或关闭方向同步旋转。多个可变喷嘴向打开方向同步旋转时，向涡轮叶轮侧供给的废气的流路面积(喉口面积)变大。另一方面，多个可变喷嘴向关闭方向同步旋转时，上述废气的流路面积变小。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-65591号公报
专利文献2：日本特开2009-243431号公报
专利文献3：日本特开2009-243300号公报
发明内容
发明所要解决的问题
可是，在增压发动机系统中使用可变容量型增压器的情况中，为了提高增压发动机系统的发动机燃烧效率，要求以下的两个特性(性能)。即，第一特性是发动机转数低、在废气流量少的低流量区域中的涡轮效率(在发动机低旋转区域中的涡轮效率)的高效率化，第二特性是发动机转数高、在废气流量多的大流量区域中的涡轮容量(发动机高转数区域中的涡轮容量)的大容量化。
可是，位于低流量区域的涡轮效率的高效率化与位于大流量区域的涡轮容量的大容量化有折中选择的关系，并存两个特性很困难。
因此，本发明的目的在于提供一种可变喷嘴单元及可变容量型增压器，能实现在低流量区域的涡轮效率的高效率化和在大流量区域的涡轮容量的大容量化。
用于解决课题的方法
本发明的形式是调整向可变容量型增压器的涡轮叶轮侧供给的废气的流路面积(喉口面积)的可变喷嘴单元，具备：在上述可变容量型增压器中的涡轮机壳内与上述涡轮叶轮同心状地配置的第一基座环；相对于上述第一基座环在上述涡轮叶轮的轴向上隔离，且在相对的位置上与上述第一基座环一体地设置的第二基座环；在上述第一基座环的相对面和上述第二基座环的相对面之间以包围上述涡轮叶轮的方式在圆周方向上配置，能在预先规定的旋转范围内绕平行于上述涡轮叶轮轴心的轴心向打开方向及关闭方向旋转地配置的多个可变喷嘴；用于使多个上述可变喷嘴在上述旋转范围内同步向开闭方向旋转的联杆机构，要旨为：当使各可变喷嘴向上述旋转范围的打开方向侧端旋转时，各可变喷嘴的后缘相对于上述第一基座环及上述第二基座环中的至少任一个的相对面的内缘(内周缘)向径向内侧突出。
并且，在本专利申请的说明书及要求保护的范围内，“配置”所包含的意思为除了直接配置外还有通过其他部件间接性配置的意思，“设置”所包含的意思除了直接设置外还有通过其他部件间接性地设置的意思。另外，所谓“后缘”是废气的流动方向的下游端。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能实现位于低流量区域的涡轮效率的高效率化与位于大流量区域的涡轮容量的大容量化的可变喷嘴单元及可变容量型增压器。
附图说明
图1是在图3中的向视部I的放大图。
图2是沿图3中的II-II线的扩大剖视图。
图3是在图7中的向视部III的放大图。
图4是表示涉及本发明的实施方式的可变喷嘴单元的大部分的图。
图5(a)是表示在涉及本发明的实施方式的可变喷嘴单元中的喷嘴环的图，图5(b)是表示沿图5(a)中的VB-VB线的剖视图。
图6(a)是表示在涉及本发明的实施方式的可变喷嘴单元中的支承环的图，图6(b)是沿图6(a)中的VIB-VIB线的剖视图。
图7是涉及本发明的实施方式的可变容量型增压器的主视剖视图。
图8是说明本发明的其他实施方式的特征部分的图，是相当于图1的图。
图9(a)是涉及现有例的可变容量型增压器的示意的局部剖视图，图9(b)是沿图9(a)中的IXB-IXB线的剖视图。
图10(a)是涉及发明例的可变容量型增压器的示意的局部剖视图，图10(b)是沿图10(a)中的XB-XB线的剖视图。
图11是表示关于涉及现有例的可变容量型增压器及涉及发明例的可变容量增压器性能试验的结果的图。
具体实施方式
[新的发现]
首先，关于成为本发明依据的新的发现进行说明。
图9(a)及图9(b)表示涉及现有例的可变容量型增压器200。图10(a)及图10(b)表示涉及发明例(即，本发明的一种实施方式)的可变容量型增压器300。在涉及现有例的可变容量型增压器200中，无论各可变喷嘴26向任何方向旋转，各可变喷嘴261的后缘261t都不会从第一基座环247的相对面247f的内缘247fe及第二基座环257的相对面257f的内缘257fe突出。另一方面，在涉及发明例的可变容量型增压器300中，使各可变喷嘴361向打开方向旋转时，各可变喷嘴361的后缘361t相对于第二基座环357的相对面357f的内缘357fe向径向内侧突出。在图9(b)中，实线表示位于旋转范围内的打开方向侧端的可变喷嘴261，假想线表示位于旋转范围内的关闭方向侧端的可变喷嘴261。同样，在图10(b)中，实线表示位于旋转范围内的打开方向侧端的可变喷嘴361，假想线表示位于旋转范围内的关闭方向侧端的可变喷嘴361。并且，图9(a)中的227、229、237、299分别表示可变容量型增压器200的涡轮外壳、涡轮叶轮、涡轮卷形流路、密封环。同样，图10(a)的327、329、337、399分别表示可变容量型增压器300的涡轮外壳、涡轮叶轮、涡轮卷形流路、密封环。
图11表示关于可变容量型增压器200及可变容量型增压器300的性能试验的结果。该图表示流经两增压器的涡轮的气体流量(试验气体流量)与涡轮效率之间的关系。并且，该流量通过使用涡轮入口温度与压力的所周知的算式补正。
如该图所示，涉及发明例的可变容量型增压器300，在小流量区域维持与涉及现有例的可变容量型增压器200相等的涡轮功率，在大流量区域相比于涉及现有例的可变容量型增压器200增大流量。即，在以旋转至在旋转范围内的打开方向侧端时，各可变喷嘴的后缘相对于第二基座环的相对面的内缘向径向内侧突出的方式构成各可变喷嘴的情况下，得到在小流量区域中维持充足的涡轮功率且能够在大流量区域中增大废气的流量这样的见解。增大该废气的流量的原因推测为，喉口(外观喉口)T的位置向气体的流动方向的上游侧位移，喉口T的面积(外观喉口面积)在大流量区域扩大。另外，各可变喷嘴旋转至旋转范围内的打开方向侧端时，各可变喷嘴的后缘相对于第一基座环的相对面的内缘向径向内侧突出的情况下，推测也能够产生相同的现象。
[实施方式]
关于本发明的实施方式参照图1至图7进行说明。并且，在附图中的“R”表示右方向，“L”表示左方向。
图7表示涉及本实施方式的可变容量型增压器1。可变容量型压缩机1利用来自发动机(图示省略)的废气的能量，对向发动机供给的空气进行增压(压缩)。
可变容量型增压器1具备轴承外壳3。在轴承外壳3内设置向心轴承5及一对推力轴承7。另外在多个轴承5、7中可旋转地设置向左右方向延伸的转子轴(涡轮轴)9。换而言之，在轴承外壳3中，转子轴9通过多个轴承5、7可旋转地设置。
在轴承外壳3的右侧设置压缩机外壳11。在压缩机外壳11内，可绕其轴心(换而言之，转子轴9的轴心)C旋转地设置压缩机叶轮13。压缩机叶轮13利用由旋转而产生的离心力压缩空气。另外，压缩机叶轮13具备一体地连结于转子轴9的右端部的压缩机轮(压缩机盘)15、在该压缩机轮15的外周面沿圆周方向等间距地设置的多个压缩机叶片17。
在位于压缩机外壳11上的压缩机叶轮13的入口侧(空气流动方向的上游侧)形成用于导入空气的空气导入口19。该空气导入口19连接于净化空气的空气净化器(省略图示)。另外，在位于轴承外壳3和压缩机外壳11之间的压缩机叶轮13的出口侧(空气流动方向的下游侧)形成使已压缩的空气升压的环状扩散流路21。而且，在压缩机外壳11的内部形成漩涡状的压缩机涡旋流路23。压缩机涡旋流路23连通于扩散流路21。在压缩机外壳11的适当位置上形成用于排出已压缩空气的空气排出口25，该空气排出口25连通于压缩机涡旋流路23，并连接于发动机的吸气总管(图示省略)。
如图3及图7所示，在轴承外壳3的左侧设置涡轮外壳27。在涡轮外壳27内，涡轮叶轮29可绕轴心(涡轮叶轮29的轴心，换而言之，转子9的轴心)C旋转地设置。涡轮叶轮29利用废气的压力能量产生旋转力(旋转扭矩)。涡轮叶轮29具备一体地设置于转子轴9的左端部的涡轮机轮(涡轮盘)31、在该涡轮机轮31的外周面沿圆周方向等间距地设置的多个涡轮叶片33。因此，多个涡轮叶片33的前端缘33a覆盖于涡轮外壳27的护壁27s。
在涡轮外壳27的适当位置上形成用于导入废气的气体导入口35。气体导入口35连接于发动机的排气总管(图示省略)。在位于涡轮外壳27的内部的涡轮叶轮29的入口侧(废气的流动方向的上游侧)形成旋涡状的涡轮涡旋流路37。涡轮涡旋流路37连通于气体导入口35。而且，在位于涡轮外壳27上的涡轮叶轮29的出口侧(废气的流动方向的下游侧)形成用于排出废气的气体排出口39。气体排出口39连接于净化废气的废气净化装置(图示省略)上。
并且，在轴承外壳3的左侧面上设置隔热板41。隔热板41形成为环状，隔绝来自涡轮叶轮29侧的热量。在轴承外壳3的左侧面和隔热板41的外周缘部(外周端部)之间设置蝶形弹簧或弹垫等的环状的加力部件43。
可变容量型增压器1配备调整向涡轮叶轮29侧供给的废气的流路面积(喉口T的面积，以下只称作喉口面积)的可变喷嘴单元45。
关于可变喷嘴单元45的结构进行说明。如图1、图3至图5(b)所示，在涡轮外壳27内，作为第一基座环的第一喷嘴环47与涡轮叶轮29同心状地配置。在第一喷嘴环47上，多个支撑孔49在圆周方向上等间距地排列。支撑孔49以贯穿第一喷嘴环47的方式形成。另外，第一喷嘴环47的内周缘部(内周端部)嵌合于隔热板41的外周缘部(外周缘侧的台阶部)。
在第一喷嘴环47的右侧面一体形成多个导向爪51。多个导向爪51位于支撑孔49的径向外侧，在第一喷嘴环47的圆周方向上隔着一定间隔放射状地形成。各导向爪51在前端侧(径向外侧)具有剖面U字状的导向槽53。在第一喷嘴环47的右侧面的内周缘部(内周面侧)形成连结凸部55。连结凸部55形成为环状，向右方向(上述轴向的一侧)突出。通过具有这样形状，连结凸部55连结多个导向爪51的基部。
如图1至图4所示，与第一喷嘴环47在左右方向(涡轮叶轮29的轴向)上隔离且在相对的位置上设置作为第二基座环的第二喷嘴环57。第二喷嘴环57通过排列在其圆周方向上的多个(3个以上)的连结销59与第一喷嘴环47一体且同心状地设置。在此，多个连结销59设定第一喷嘴环47的相对面(左侧面)47f和第二喷嘴环57的相对面(右侧面)57f的间隔。
如图1至图3所示，在第一喷嘴环47的相对面47f和第二喷嘴环57的相对面57f之间，配置多个可变喷嘴61,。多个可变喷嘴61以围绕涡轮叶轮29的方式在圆周方向上等间距地配置。各可变喷嘴61可在预先设定的旋转范围内绕平行于涡轮叶轮29的轴心C的轴心向打开方向及关闭方向旋转地设置。在各可变喷嘴61的右侧面(上述轴向的一侧的侧面)一体形成喷嘴轴63。各喷嘴轴63被第一喷嘴环47的对应的支撑孔49可旋转地支撑。在此，在图2中，用实线表示的可变喷嘴61位于在旋转范围内的打开方向侧端，用假想线表示的喷嘴61位于在旋转范围内的关闭方向侧端。并且，本实施方式的各可变喷嘴61具有一个喷嘴轴63。可是，也可以在各可变喷嘴61的左侧面(上述轴向的另一侧的侧面)上一体形成其他的喷嘴轴(图示省略)，各其他喷嘴轴被第二喷嘴环57的其他支撑孔(图示省略)可旋转地支持。另外，在本实施方式中，在圆周方向上的可变喷嘴61的间隔(interval)是一定的。可是，这些间隔考虑每个可变喷嘴61的形状等未必一定。这即使关于支撑孔49也是同样的。
在第一喷嘴环47的右侧(相对面47f的相反面侧)上形成环状联杆室65。在联杆室65内配置用于同步使多个可变喷嘴61向打开方向或关闭方向旋转的联杆机构67。联杆机构67连结于多个可变喷嘴61的喷嘴轴63。
关于联杆机构67的具体的结构进行说明。如图1、图3及图4所示，驱动环69通过各导向爪51的导向槽53，可绕涡轮叶轮29的轴心(第一喷嘴环47的轴心)C向正方向或反方向(打开方向或关闭方向)旋转地被引导。驱动环69通过电动电机或负压气缸等的旋转驱动器71的驱动向正方向或反方向旋转。另外，在驱动环69的内缘部等间距地形成配合凹部(配合部)73。配合凹部73向驱动环69的径向外侧凹。配合凹部73的数量与可变喷嘴61为相同数量。在驱动环69的内缘部的适当位置上形成配合凹部(其他的配合部)75。与配合凹部73相同，配合凹部75也向驱动环69的径向外侧凹。而且，在各可变喷嘴61的喷嘴轴63上一体地连结同步联杆部件(喷嘴联杆部件)77的基部。各同步联杆部件77的前端部配合于驱动环69的对应的配合凹部73。并且，在本实施方式中，驱动环69被导向槽53向正方向或反方向可旋转地导向。取而代之，也可以如专利文献2及专利文献3所示，驱动环69被设置于第一喷嘴环47的相对面47f的相反面的导向环(图示省略)向正方向或反方向可旋转地导向。另外，配合凹部73的间隔(interval)适合于可变喷嘴61的间隔(interval)而设定。即，在本实施方式中，通过可变喷嘴61等间距地配置，配合凹部73也等间距地配置。可是，可变喷嘴61的间隔变化的情况下，配合凹部73的间隔也根据可变喷嘴61的各位置而变化。
在轴承外壳3的左侧部，通过套筒81设置驱动轴79。驱动轴79可绕平行于涡轮叶轮29的轴心的轴心旋转地设置。驱动轴79的右端部(一端部)通过动力传动机构83连接于旋转驱动器71。另外，在驱动轴79的左端部(另一端部)一体地连结驱动联杆部件85的基端部。驱动联杆部件85的前端部配合于驱动环69的其他配合凹部(其他的配合部)75。
如图1、图3、图4、图6(a)及图6(b)所示，在第一喷嘴环47的右侧面(相对面47f的相反面)上，一体地接合有支承环87的内周缘部通过多个连结销59的右端部(一端部)。支承环87的外径比第一喷嘴环47的外径大。在支承环87的内周面上，与支承环87一体形成多个接合片89。各接合片89向支承环87的径向内侧突出，且在圆周方向上隔着间隔设置。各接合片89一体地接合于第一喷嘴环47的右侧面。在各接合片89上形成用于插通连接销59的左端部的插通孔91。插通孔91贯穿接合片89。支承环87的外周缘部以在轴承外壳3上由与涡轮外壳27一起动作而夹持的状态安装。通过支承环87的外周缘部安装于轴承外壳3上，将可变喷嘴单元45配置于涡轮外壳27内。
如图1及图3所示，在涡轮外壳27上形成作为收纳第二喷嘴环57的内周侧部分的收纳凹部的收纳台阶部93。收纳台阶部93形成为环状，位于涡轮叶轮29的入口侧。在涡轮外壳27的收纳台阶部93的内壁面(内周面)与第二喷嘴环57的内周面之间形成环状间隙95。另外，在收纳台阶部93的内周面形成圆周槽97。在收纳台阶部93的圆周槽97与第二喷嘴环57的内周面之间，设置多个密封环99。密封环99作为抑制从第二喷嘴环57的左侧(相对面57f的相反面侧)向间隙95的废气泄漏的密封部件而发挥作用。并且，代替设置收纳台阶部93，可以形成收纳第二喷嘴环57整体的环状收纳凹部(图示省略)。
各可变喷嘴61向位于旋转范围内的打开方向侧端旋转时，各可变喷嘴61的后缘61t相对于第二喷嘴环57的相对面57f的内缘57fe向径向内侧突出。使各可变喷嘴61向位于旋转范围内的打开方向侧端旋转时，各可变喷嘴61的后缘61t位于比收纳台阶部93的内侧周缘93e(换而言之，护壁27s的外侧周缘27se)更靠径向内侧。并且，如上述，各可变喷嘴61旋转时，各可变喷嘴61的后缘61t可以位于比收纳台阶部93的内侧周缘93e更靠径向外侧。
接着，关于本发明的实施方式的作用及效果进行说明。
通过使从气体导入口35导入的废气经由涡轮涡旋流路37从涡轮叶轮29的入口侧向出口侧流通，利用废气的压力能量产生旋转力(旋转转矩)，能够使转子轴9及压缩机叶轮13与涡轮叶轮29一体地旋转。由此，能压缩从空气导入口19导入的空气，并经由扩散流路21及压缩机涡旋流路23从空气排出口25排出，能够增压(压缩)向发动机供给的空气。
在可变容量型增压器1的运转中，在发动机转数低、废气流量位于低流量区域中的情况下，通过旋转驱动器71的驱动，驱动环69向相反方向(关闭方向)旋转。驱动环69向相反方向旋转时，多个同步联杆部件77向相反方向摆动，多个可变喷嘴61同步向关闭方向(相反方向)旋转。由此，向涡轮叶轮29侧供给的废气的流路面积(喉口面积)变小，废气的流速变高。因此，能够充分确保涡轮叶轮29的工作量。另一方面，在发动机转数高、废气流量位于大流量区域的情况下，通过旋转驱动器71的驱动，驱动环69向正方向(打开方向)旋转。驱动环69向正方向旋转时，多个同步联杆部件77向正方向摆动，多个可变喷嘴61同步向打开方向(正方向)旋转。由此，向涡轮叶轮29侧供给的废气流路面积变大，向涡轮叶轮29侧的废气供给量增加。因此，与废气流量的多少没有关系，能够充分且稳定地产生由涡轮叶轮29而产生的旋转力。
各可变喷嘴61向位于旋转范围内的打开方向侧端旋转时，各可变喷嘴61的后缘61t相对于第二喷嘴环57的相对面57f的内缘57fe向径向内侧突出。这种情况下，如从上述的见解所理解，能在大流量区域中比现有增大废气的流量。即，可变容量型增压器1的运转中，能够在小流量区域中维持充足的涡轮效率、且在大流量区域中增大废气流量。
因此，能兼具位于低流量区域的涡轮效率的高效率化和位于大流量区域的涡轮容量的大容量化，能够充分提高发动机的燃烧效率。
[其他的实施方式]
关于本发明的其他的实施方式参照图8进行说明。并且在附图中的“R”表示右方向、“L”表示左方向。
如图8所示，本实施方式的可变容量型增压器代替可变喷嘴单元45(参照图1)具备可变喷嘴单元101。并且，可变喷嘴单元101具有与可变喷嘴单元45同样的结构。因此，只关于可变喷嘴单元101的结构中与可变喷嘴单元45不同的部分及其周围的结构进行说明。并且，关于可变喷嘴单元101中的多个构成要素中、与在可变喷嘴单元45中的构成要素对应的部件，在附图中标注同一符号。
与第一喷嘴环47在左右方向(涡轮叶轮29的轴向)隔离且与第一喷嘴环47相对的位置上，设置作为第二基座环的第二喷嘴环103。第二喷嘴环103通过排列于其圆周方向上的多个连结销59与第一喷嘴环47一体且同心状地设置。另外，第二喷嘴环103具有覆盖多个涡轮叶片33的前端缘33a的圆筒状的护罩部105。
在涡轮外壳27的内部形成作为收纳护罩部105的环状收纳凹部的收纳台阶部107。收纳台阶部107形成为环状，位于涡轮叶轮29的径向外侧。另外，在护罩部105的外周面形成圆周槽109。在圆周槽109和收纳台阶部107的内壁面(内周面)之间设置多个密封环111。密封环111作为抑制废气从第二喷嘴环103的左侧(相对面103f的相反面侧)泄漏的密封部件而发挥作用。
在第二喷嘴环103的相对面103f侧形成切口(圆周槽)113。切口(圆周槽)113以在使各可变喷嘴61向旋转范围内的打开方向侧端旋转，各可变喷嘴61的后缘61t相对于第二喷嘴环103的相对面103f的内缘103fe向径向内侧突出的方式形成为环状。
因此，由于形成环状的切口113，即使在本实施方式中也能够得到上述的作用及效果。
并且，本发明不限于上述的实施方式。例如，可如下用多种方式实施。即，在上述的实施方式中，各可变喷嘴61向旋转范围内的打开方向侧端旋转时，各可变喷嘴61的后缘61t相对于第二喷嘴环57(103)的内缘57fe(103fe)向径向内侧突出。取而代之，可以各后缘61t相对于第一喷嘴环47的内缘47fe向径向内侧突出。另外，也可以各后缘61t相对于第一喷嘴环47的内缘47fe及第二喷嘴环57(103)的内缘57fe(103fe)向径向内侧突出。并且，包含于本发明的权利范围不限定于这些实施方式。

Claims (2)

1.一种可变容量型增压器，其利用来自发动机的废气的能量增压向上述发动机侧供给的空气，该可变容量型增压器的特征在于，
具备调整向涡轮叶轮侧供给的废气的流路面积的可变喷嘴单元，
上述可变喷嘴单元具备：
以与上述涡轮叶轮同心状设置在涡轮外壳内的第一基座环；
相对于上述第一基座环在上述涡轮叶轮的轴向上隔离，且在相对的位置上与上述第一基座环一体地设置的第二基座环；
在上述第一基座环的相对面和上述第二基座环的相对面之间以包围上述涡轮外壳的方式配置在圆周方向上，且能在预先设定的旋转范围内绕平行于上述涡轮叶轮轴心的轴心向打开方向及关闭方向旋转地配置的多个可变喷嘴；以及
用于使多个上述可变喷嘴在上述旋转范围内同步向开闭方向旋转的联杆机构，
在位于上述涡轮外壳的内部的上述涡轮叶轮的入口侧形成至少收纳上述第二基座环的内周侧部分的环状的收纳凹部，在上述涡轮外壳的上述收纳凹部的内周面和上述第二基座环的内周面之间形成环状的间隙，
当各可变喷嘴向上述旋转范围内的打开方向侧端旋转时，各可变喷嘴的后缘比上述第二基座环的相对面的内缘朝向上述环状的间隙地向径向内侧突出。
2.根据权利要求1所述的可变容量型增压器，其特征在于，
具备抑制废气从上述第二基座环的相对面的相反面侧向上述间隙泄漏的密封部件。
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