CN105189935B - 用于可变几何形状涡轮增压器机构的整合式叶片停止件 - Google Patents

Abstract

一种带有叶片杆(11)的可变几何形状涡轮增压器(1)，该可变几何形状涡轮增压器提供了这些导向叶片(8)在全开位置的停止功能。该整合式叶片开放停止件控制该VTG机构的全开位置。叶片杆(11)优选地具有一个整合的凸出部(50)，该整合的凸出部在该全开位置作为叶片开放停止件与邻近叶片杆(11)、整合的螺栓(56)、或该上部叶片环(16)接触来调节到该涡轮机叶轮(5)的最大排气流动。

Description

用于可变几何形状涡轮增压器机构的整合式叶片停止件

相关申请的交叉引用

本申请要求在2013年3月15日提交的并且题为“用于可变几何形状涡轮增压器机构的整合式叶片停止件”的美国临时申请号61/786,724的优先权及所有权益。

发明背景

披露领域

本披露涉及用于带有可变涡轮几何形状(VTG)的涡轮增压器的控制部件。更具体地是，本披露涉及整合式叶片开放停止件，这些叶片开放停止件控制VTG机构的全开位置来调节到涡轮机的排气流。

相关技术的说明

涡轮增压的优点包括功率输出增大、燃料消耗较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，而是将其视作一种由于较低的二氧化碳(CO₂)排放而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。在涡轮增压发动机中，燃烧空气在供应至发动机之前被预先压缩。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，但由于较高的压力导致的更高密度，使得更多的空气和燃料质量供应到燃烧室中。因此，可以燃烧更多的燃料，从而使得发动机的功率输出相对于速度和排量而增大。

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。该涡轮机包括一个涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮安装在一个轴上并且被排气流可旋转地驱动。涡轮增压器将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。被涡轮机驱动的一个压缩机吸取经过滤的周围空气、将其压缩、并且然后将它供应给发动机。该压缩机包括安装在同一轴上的一个压缩机叶轮/泵轮，从而使得该涡轮机叶轮的旋转致使压缩机叶轮/泵轮旋转。

本披露的焦点在于涡轮增压器的可变涡轮几何形状(VTG)方面。VTG涡轮增压器(1)利用可调整的多个导向叶片(8)，这些导向叶片枢转连接到下部环(12)和上部叶片环(16)(包括多种不同的可能的环)和/或喷嘴壁上。对这些导向叶片(8)进行调整以便通过调节到涡轮机叶轮(5)的排气流来控制排气背压和涡轮增压器速度。这些导向叶片(8)由多个叶片杆(11)枢转，这些叶片杆可以是定位在上部叶片环(16)的上方。性能和到该涡轮的流动是受到枢转这些导向叶片(8)来改变到涡轮机叶轮(5)的流动角度的影响的。

VTG涡轮增压器(1)的一个目的是在保持高的效率水平的同时，扩大在实际应用中可使用的流速范围。为了实现这一目的，涡轮机的输出是通过改变涡轮机叶轮入口处的排气流的流入角和流入速度来调节的。通过VTG涡轮增压器，这是通过在涡轮机叶轮(5)的前方使用多个导向叶片(8)来改变这些导向叶片与排气流速间的攻角来实现的。这减少了在低速时的滞后，而同时对于防止较高速度的排气背压是开放的。

通过VTG，涡轮增压器的比率可以随条件改变而变化。当这些导向叶片(8)处于关闭位置时，流速的这些高环圆周分量和剧变的焓梯度导致了高的涡轮机输出并且因此导致了高的增压压力。当这些导向叶片(8)处于全开位置时，该涡轮机达到其最大流速并且流动的速度向量具有大的向心分量。这种类型的输出控制优于旁通控制的优点在于，全部排气流总是引导通过该涡轮机并且可以被转换成输出。这些导向叶片(8)的调整可以是由多种不同的气动或电动调节器来控制的。

在美国专利7,886,536的现有技术图1至图3中示出的一个示例性排气涡轮增压器(1)包括一个涡轮机壳体(2)以及一个轴承壳体(3)，带有一个旋转轴(4)。在一个末端上，轴(4)承载压缩机叶轮/泵轮(33)并且在该轴的另一末端上承载涡轮机叶轮(5)。在涡轮机壳体(2)之内涡轮机叶轮(5)的一侧上形成了一个蜗壳(6)，该蜗壳在径向方向上演化成一个喉管(7)。可调整的多个导向叶片(8)被定位在喉部(7)的内部。

这些导向叶片(8)是从一个叶片支承环(12)并且从一个推力与支承环(28)枢转的，该推力与支承环与叶片支承环(12)通过一个间隔件(29)保持特定距离，并且它们是可通过使协调环(9)致动的一个致动器(32)来调整的。协调环(9)相对于叶片支承环(12)的转动被传递到这些导向叶片(8)上，这些导向叶片可以在打开位置与关闭位置之间的预定范围内调整。

典型地，这些导向叶片(8)的关闭位置被用于建立(获知)这些叶片(8)相对于致动器(32)的位置。当前的叶片获知方法是针对叶片关闭位置“获知”的。当这些导向叶片(8)的关闭位置相对固定时，该致动器相对于这些导向叶片(8)关闭位置的位置由于在这些导向叶片(8)与其他部件(例如致动器(32))之间的部件空隙的大量层叠以及部件公差而变化。由于致动器(32)的有固定极限的行进，该打开叶片位置将取决于所获知的叶片关闭位置而变化。所获知的叶片关闭位置导致在涡轮增压器中的这些导向叶片(8)的打开叶片位置从一个涡轮增压器到另一个涡轮增压器发生变化。

美国专利7,886,536披露了一种“排气涡轮增压器，用于排气涡轮增压器的调节装置以及用于调节装置的叶片杆”。带有轴向凸台(14)的叶片杆(11)具有圆形弯曲轮廓的多个扇段(22)，这些扇段为滚动移动提供了协调环(9)的内部圆周。这允许了叶片杆(11)抵靠协调环(9)滚动，但不能在全开位置处抵靠协调环(9)停止。

美国专利8,328,520披露了带有分开地形成的叶片杆停止件的一种VTG涡轮增压器。停止件(25)被实施成一个分开的部件，该部件可以被固定在引导栅(18)上以用于调整最小贯通流动。

在某些应用中，调节该全开位置可以是关键。某些涡轮增压器要求VTG的全部流动容量，当叶片没有完全打开时，VTG可能具有不充足的最大流动容量。因此令人希望的是，提供一种方法使得该叶片全开位置由一个固定的停止件建立。

概述

本披露提供一种装置，该装置用于通过提供一个整合的固定停止件来控制VTG机构的全开位置。用于VTG涡轮增压器机构的叶片打开停止件可以被整合到控制部件(例如叶片杆)中，其中该停止件在叶片全开位置调节到涡轮机的排气的最大流动。用于VTG机构的叶片打开停止件可以：1)减少该叶片全开角度中的变化，2)减少总体叶片行进跨度中的变化，并且3)防止叶片与涡轮机叶轮之间的接触，由此使间隙层叠最小化并且调节叶片打开位置的贯通流动。用于VTG涡轮增压器的整合的叶片打开停止件可以采取若干形式。

第一实施例用一个共面的凸出部改进叶片杆来在全开位置允许邻近的叶片杆抵靠彼此以及可能的整合的螺栓来停止。这会为打开位置的良好控制提供最小化的层叠。

一个进一步的实施例将整合的螺栓位置提供成其特征为限制了邻近的叶片杆的行进。在各螺栓位置处的这些叶片止动套环可以控制邻近的多个叶片杆，例如与三个临近螺栓相互作用的三个叶片杆。

另一个实施例用一个横向凸出部改进叶片杆来允许该叶片杆与上部叶片环(包括一个协调环)接触。这会为打开位置的良好控制提供最小化的层叠。

用于叶片打开停止件的每个设计都是整合的并且控制了VTG机构的全开位置来通过可调整的导向叶片调节到涡轮机的最大排气流动。通过使得这种针对叶片打开位置的“认知“作为一个新的策略，就可以将致动器认知软件修改成保证针对新的叶片打开停止件的一致认知。同样，可以改变偏置连杆设计，从而使得在所有条件下都可以达到打开停止件，但是对连杆升高或下降(更加打开或关闭)的调整在使用整合的固定叶片打开停止件时并不是主要手段。

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是一个排气VTG涡轮增压器的现有技术的轴向横截面视图；

图2是插入在涡轮机壳体中的一个导引装置的现有技术的透视图；

图3是没有轴承壳体侧笼罩的该导引装置的现有技术的透视图；

图4示出了一个VTG涡轮增压器的多个部分的端视图，该涡轮增压器带有在全开位置上抵靠邻近叶片杆停止的叶片杆；

图5示出了具有一个基部延伸部以及一个在支腿构件上的凸出部的一个叶片杆；

图6示出了一个VTG涡轮增压器的多个部分的端视图，该涡轮增压器带有在全开位置上停止在叶片止动螺栓上的叶片杆；并且

图7示出了一个VTG涡轮增压器的多个部分的端视图，该涡轮增压器带有通过接触上部叶片环来停止的叶片杆。

实施方案的详细说明

带有可变涡轮几何形状(VTG)机构30的涡轮增压器1(或可变几何形状涡轮增压器)是总体上已知的，其中，压缩机叶轮/泵轮33由涡轮机壳体2中的涡轮机叶轮5通过轴4来可旋转地驱动，其包括多个导向叶片8，这些导向叶片在涡轮机叶轮5的前方改变其攻角。VTG涡轮增压器1可以具有一个叶片环组件17，该叶片环组件包括一个下部叶片环12(例如叶片支承环)、一个上部叶片环16(其可以包括一个协调环(9))、在下部叶片环12与上部叶片环16之间至少部分地枢转安装的一系列导向叶片8、以及定位在下部叶片环12与上部叶片环16之间的多个间隔件29。

图4和图5示出了具有叶片杆11的第一实施例，该叶片杆在全开位置中允许邻近的叶片杆11抵靠彼此来停止。该叶片杆安排的实例允许十三个叶片杆11中的十个叶片杆抵靠邻近叶片杆11来停止，其中，并非每个叶片杆11都需要在两邻近侧上接触邻近叶片杆。叶片杆11具有带一个孔36的一个紧固环34，其中附接了叶片轴(螺柱)38的一个末端。叶片轴38连接到移动来调整排气的流动的导向叶片8上。

叶片杆11进一步具有一个枢转装置40(如在图4中作为虚线圈示出的)，整个叶片杆11在该枢转装置上枢转来将导向叶片8从关闭位置移动到打开位置。如在图4和图5中所示出的，每个叶片杆11都可以包括从叶片杆11与紧固环34和孔36相反的末端延伸的两个臂构件42和44。在臂构件42与44之间形成一个连接槽46，该连接槽与一个控制装置48一起功能性地运行，例如在由致动器32移动的环上的一系列销钉中的一个销钉。

叶片杆11可以具有一个凸出部50以及一个基部延伸部52。凸出部50从臂构件42延伸，并且基部延伸部52在枢转装置40与凸出部50相反一侧上从基部54延伸。凸出部50和基部延伸部52优选与基部54共面。在一个叶片杆11的臂构件42上的凸出部50被设计为与邻近叶片杆11的基部延伸部52接触，以便在导向叶片8的全开位置处提供“止动“。这会为打开位置的良好控制提供最小化的层叠。

如图4中所示出的，凸出部50和基部延伸部52还可以具有可以限制全开导向叶片的行进的多个螺栓56，其中，在一个叶片杆11的臂构件42上的凸出部50与螺栓56接触和/或是邻近的叶片杆11的基部延伸部52与螺栓56接触。

图6示出了叶片杆11的叶片杆安排的另一项变体，这些叶片杆带有螺栓56以用于在叶片全开位置中使这些叶片杆11抵靠停止。这些螺栓56被定位为限制邻近的叶片杆11的行进。在各螺栓位置处的这些叶片止动套环58可以控制邻近的多个叶片杆11，例如与三个叶片止动套环58相互作用的三个叶片杆11。在此实例中，该叶片杆安排允许将仅三个叶片杆11停止。这些整合的螺栓56(例如带有叶片止动套环58)如所示出地仅可以控制这些叶片杆11中的三个。

如所示出的，这些叶片杆11还可以包括两个臂构件42和44，这些臂构件从叶片杆11与基部54相反的末端延伸，该基部带有用于将叶片轴38连接到导向叶片8上的孔36。臂构件42和44使叶片杆11对于与螺栓56接触而言是较宽的，而同时提供了形成在臂构件42与44之间的一个连接槽46，该连接槽与一个控制装置48一起功能性地运行。此实施例示出了与美国专利7,886,536相似的多个轴向凸台14，这些轴向凸台为滚动提供了环9的内部圆周，但是在该叶片打开位置处增加了停止功能。这些叶片杆11可以具有呈不同安排的多种不同凸出部。

图7示出了另一个实施例，该实施例具有被修改以允许这些叶片杆11在全开位置中与上部叶片环16接触的叶片杆11。这些叶片杆11可以在全开位置中停止在上部叶片环16上。叶片杆11具有带一个孔36的一个紧固环34，在该孔中附接了叶片轴38以便容纳可调导向叶片8。叶片轴38连接到移动来调整排气的流动的导向叶片8上。

叶片杆11进一步具有一个枢转装置40，叶片杆11在该枢转装置上枢转来将导向叶片8从关闭位置移动到打开位置。如在图7中所示出的，每个叶片杆11都可以包括从叶片杆11与基部54相反的末端延伸的两个臂构件42和44。在臂构件42与44之间形成了一个连接槽46，该连接槽与一个控制装置48一起功能性地运行。

叶片杆11可以具有在一个臂构件42上的一个横向凸出部50。横向凸出部50从臂构件42基本上垂直向上延伸。横向凸出部50优选地是在枢转装置40的与对应的导向叶片8的尖端相同的一侧上。在每个叶片杆11的臂构件42上的横向凸出部50都被设计为在导向叶片8的全开位置与上部叶片环16接触以便提供“止动“。在横向凸出部50与作为停止件的上部叶片环16接触之后，叶片杆11就不能进一步枢转。在图7中，上部叶片环16被清楚地示出以便对在其他情况下被隐藏的部件加以定向。这会为打开位置的良好控制提供最小化的层叠。

这些叶片杆11被修改为带有优选的整体的并且被整合的凸出部50，这些凸出部在与其他部件接触时作为叶片打开停止件来控制VTG机构30的导向叶片8的全开位置以便调节到涡轮机叶轮5的排气流动。作为停止件起作用的这些整合的凸出部50可以结合到现有的叶片杆设计中来控制该全开位置。当要修改某些叶片杆11时，其他部件可能仅需要最小的改变。

通过使得这种针对叶片打开位置的“认知“作为与叶片关闭位置不同的新策略，就将致动器认知软件修改成保证了针对新的叶片打开停止件的一致认知。该软件可以考虑提供了最大的排气流动的该叶片打开停止件来控制致动器32、以及因此的叶片杆11的运动。随着该叶片打开策略，该偏置拉杆设计也可以变化为使得打开停止件可以在所有条件下达到。伴随叶片杆11的这些特征，例如叶片打开停止件，应该为叶片打开位置提供良好的控制。

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 (14)

1.一种带有可变涡轮几何机构（30）的涡轮增压器（1），该涡轮增压器具有下部叶片环（12）、上部叶片环（16）、以及多个导向叶片（8），这些导向叶片至少部分地枢转定位在该下部叶片环（12）与该上部叶片环（16）之间，这些导向叶片（8）通过一个被致动的叶片杆（11）来在一个涡轮机叶轮（5）的前方改变其攻角，该改进包括一个整合式叶片开放停止件，该整合式叶片开放停止件控制了该可变涡轮几何机构（30）的全开位置，其中，该叶片杆（11）具有一个整合的凸出部（50），该凸出部在与该可变涡轮几何机构（30）的其他部件接触时作为该叶片开放停止件来控制这些导向叶片（8）的全开位置，以便调节到该涡轮机叶轮（5）的排气流动。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器（1），其中，该凸出部（50）从该叶片杆（11）的臂构件（42）延伸以便在该全开位置接触一个邻近叶片杆（11）的基部延伸部（52）。

3.如权利要求2所述的涡轮增压器（1），其中，该叶片杆（11）进一步包括一个枢转装置（40），该叶片杆（11）在该枢转装置上枢转来使该导向叶片（8）移动，并且每个叶片杆（11）都具有所述凸出部（50）以及其自身的基部延伸部（52），该凸出部以及该基部延伸部在该枢转装置（40）的相反两侧上与该叶片杆（11）是共面的。

4.如权利要求1所述的涡轮增压器（1），进一步包括一个螺栓（56），该螺栓限制这些全开导向叶片（8）的行进，其中，在该叶片杆（11）的臂构件（42）上的凸出部（50）与该螺栓（56）接触。

5.如权利要求2所述的涡轮增压器（1），进一步包括一个螺栓（56），在该叶片杆（11）的基部延伸部（52）与该螺栓（56）接触时，该螺栓限制这些全开导向叶片（8）的行进。

6.如权利要求1所述的涡轮增压器（1），其中，该凸出部（50）从该叶片杆（11）横向地延伸，以便在这些导向叶片（8）的全开位置处与该上部叶片环（16）接触。

7.如权利要求6所述的涡轮增压器（1），其中，该凸出部（50）从该叶片杆（11）的臂构件（42）基本上垂直地向上延伸。

8.如权利要求3所述的涡轮增压器（1），其中，该凸出部（50）的接触面从叶片轴（38）基本上径向延伸，并且其中，该基部延伸部（52）的接触面被定向成基本上垂直于该叶片轴（38）的径向。

9.如权利要求1所述的涡轮增压器（1），进一步包括一个枢转装置（40），并且每一个导向叶片（8）进一步包括一个叶片轴（38），其中，每一个导向叶片（8）被安装在叶片轴（38）上，并且其中，该枢转装置（40）具有枢转轴，该枢转轴与叶片轴（38）相偏离并且不共轴。

10.一种可变几何的涡轮增压器（1），该涡轮增压器包括一个压缩机叶轮（33）以及由一个旋转轴（4）连接的一个涡轮机叶轮（5）以及一个叶片环组件（17），该叶片环组件包括一个下部叶片环（12）、一个上部叶片环（16）以及多个导向叶片（8），这些导向叶片至少部分地枢转定位在该下部叶片环（12）与该上部叶片环（16）之间，这些导向叶片（8）在该涡轮机叶轮（5）的前方改变其攻角以及

一系列叶片杆（11），这些叶片杆具有一个整合的凸出部（50），该凸出部从该叶片杆（11）的臂构件（42）延伸，该凸出部在接触该增压器（1）的其他部件时作为多个叶片开放停止件来控制这些导向叶片（8）的全开位置，以便调节到该涡轮机叶轮（5）的排气流动。

11.如权利要求10所述的涡轮增压器（1），其中，该凸出部（50）在该全开位置中与一个邻近叶片杆（11）接触。

12.如权利要求10所述的涡轮增压器（1），进一步包括一个螺栓（56），在该凸出部（50）与该螺栓（56）接触时，该螺栓限制这些全开导向叶片（8）的行进。

13.如权利要求10所述的涡轮增压器（1），其中，该凸出部（50）从该臂构件（42）横向地延伸以便在这些导向叶片（8）的全开位置与该上部叶片环（16）接触。

14.如权利要求13所述的涡轮增压器（1），其中，该凸出部（50）从该臂构件（42）基本上垂直地向上延伸。