CN108661783A - 一种涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮增压器，包括压气机和涡轮组件；压气机包括壳体和叶轮；压气机的叶轮和涡轮同轴；壳体包括机匣和压气机本体，机匣和压气机本体配置为可拆分的结构；机匣包括内壁和外壁；内壁面形成贯通的进气流道，外壁上布置有至少一组贯通机匣的回流道口；机匣部分插入压气机本体形成压气机壳体，机匣的部分外壁与压气机本体形成环隙，并且部分被压气机叶轮提升至预定压力后的空气由沿环隙经进气旁通口流入所述进气流道，实现了压气机壳体分离设计保证了加工和对于压气机喘振裕度提升的效果。

Description

一种涡轮增压器

技术领域

本发明涉及内燃机涡轮增压器的领域，尤其涉及一种汽车上使用的涡轮增压器的领域。

背景技术

涡轮增压是一种利用内燃机运作转产生的废气驱动空气压缩机的技术，汽车发动机普遍安装涡轮增压器，涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩，让车子更有劲。一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40％甚至更高。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够输出更大的功率。

在实际使用中，相同转速下不同的流量对应不同的出口压力，流量越小出口压力上升越快，导致喘振的出现,使压气机与发动机不能正常工作。所以提高喘振裕度对于发动机运行稳定起了重要的作用。机匣处理是一种常见的提高喘振域度的方法，普通机匣机构包含以下几个结构：机匣处理采用周向360°的进气环槽，周向方向有环槽结构筋，环槽出口直接与压气机总体进口相通，环槽进口为机加工结构。

360°的进气环槽在加工上不容易实现，尤其是狭长的环形槽道，因而其成型多采用注塑工艺，这样成型出的槽道存在结构筋，气流流动中会被严重的节流或者扰动而导致能量损失，环槽的出口直接与压气机总成的进口敞开型连接无法消除对于进气口流动的干扰，使得压气机本体噪音变高或者流动损失较大，利用机加工成型的环槽进口，存在加工上的难度，同时加工孔的尺寸调整较难，统一尺寸和质量也很难保证。

因此针对以上技术问题，亟待开发一种涡轮增压器，提高喘振裕度，保证发动机和压气机的稳定运行。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何保证压气机的回流流道通畅，不发生喘振。

为实现上述目的，本发明提供了一种涡轮增压器，包括压气机和涡轮组件；压气机包括壳体和叶轮；压气机的叶轮与涡轮同轴；壳体包括机匣与压气机本体，机匣与压气机本体配置为可拆分的结构；机匣包括内壁和外壁；内壁面形成贯通的进气流道，外壁上布置有至少一组贯通机匣的回流道口；机匣部分插入压气机本体形成压气机壳体，机匣的部分外壁与所述压气机本体形成环隙，并且部分被所述压气机叶轮提升至预定压力后的空气由沿所述环隙经所述回流道流入所述进气流道。

进一步地，机匣外壁包含凸出部，凸出部与所述压气机本体上的装配部卡接，并形成密封连接。

进一步地，机匣在沿进气流动最下游端与所述压气机本体形成装配环隙。

进一步地，机匣外壁包括所述环向回流道出气导流部。

进一步地，导流部为渐扩型或者曲面型。

进一步地，机匣插入所述压气机本体的并构成环向旁路的外壁由预定的母线绕预定轴线旋转成型。

进一步地，涡轮带动所述压气机的叶轮转动是通过同轴、皮带传动或齿轮传动。

进一步地，压气机本体注塑成型，和/或，所述机匣机加工成型或注塑成型为半成品再将至少部分机加工为成品。

进一步地，机匣与所述压气机本体通过螺纹配合连接、铆接连接或销接方式中的一种方式进行连接。

进一步地，机匣与所述压气机本体配合间隙为圆周间隙。

在本发明的较佳实施方式中，将机匣与压气机本体设置为可拆分的分体结构，机匣与压气机本体分别加工成型，通过插接方式连接，并通过凸起结构保证了每个组装配件均安装配合的精度和尺寸。

在本发明的另一较佳实施方式中，单独加工的机匣可以设计为回转结构，至少插入压气机本体的部分可以被机加工，该部分可以由一条回转的母线构成，装配完成后不会在旁通环槽内部形成扰流作用，另一方面装配后在空气流动通道的空气流动方向的最下游位置形成装配间隙入口。

技术效果，可以保证加工精度，通过装配间隙作为入口可以较为方便的调整间隙尺寸以适应不同的车体车型，最后环槽的出口用机加工方式可以方便地成型出导流结构，环槽内的空气可以被由更小湍动损失的导流部导流至所述机匣的进气流道，补充低吸气量条件下的喘振裕度低的问题。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有技术涡轮增压器结构图；

图2是本发明涡轮增压器中的压气机壳体的装配结构图；

图3是本发明涡轮增压器中的压气机壳体的装配前的拆分结构图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，是现有技术涡轮增压器结构图，涡轮和叶轮是同轴的。

如图2和3所示，是本发明涡轮增压器中的压气机壳体的装配图和装配前的拆分结构图，涡轮增压器应用于汽车上，保证了车辆排气过程中利用压气机的作用实现对空气的吸入，在本实施例中，燃烧腔室未示出，涡轮与燃烧腔室排气道相连通，叶轮和涡轮同轴，当燃烧室的烟气以一定的角度冲向涡轮时，推动涡轮旋转，从而带动压气机的叶轮旋转，压气机也将吸入的空气压缩后送入燃烧室，随燃烧产生烟气的量不同，涡轮旋转速度也将不同，当燃烧产生烟气的推动较小时压气机的旋转速度也低，由于本发明中压气机壳体由可拆分的机匣2和压气机本体3构成，并且机匣2和压气机本体3装配后的壳体中有叶轮空间8用于安装叶轮，在叶轮的顶端和底端之间的位置包含了机匣2与压气机本体3装配形成的环隙6，因而被吸入的空气完成了部分升压，此时被部分升压的空气可以在机匣2进气流道1的进气旁通口5和装配间隙7压差驱动下回流至环隙6内，并且在环隙6内的导流部4作用下通过机匣2的进气旁通口5回流至压气机机匣2的进气流道1，通过旁通回流在名义上增加了压气机的进气量，而名义上较大的进气量将使压气机的喘振风险降低，另一方面由于部分回流气流加入空气流动的边界层也被改善，因而使得压气机的喘振裕度得到增强。

进一步地，本实施例中的机匣2与压气机本体3采用插接的方式实现可拆分装配，两者可以采用分别加工的方式成型，尤其对于机匣2部分，分体设计尺寸等的限定将更为精确，因而能够保证生产效率和生产质量，机匣2部分被机械加工或者首先采用注塑方案成型为半成品，再利用机加工方式成型为机匣2成品，加工完成的机匣2包含凸起部，凸起部主要用于定位，通过机加工方式保证每个批量生产的插入部尺寸,当所述机匣2插入压气机本体3后，会由于两者装配和加工中的预留而产生装配间隙7，该装配间隙7即为后续环隙6的进气口，通过分体的装配间隙7形成进气口，可以保证随着车型不同可以进行微调整，进而使得该压气机适用于多种车型，另一方面为了适应不同的要求，所述机匣的端部可以成型为不同的结构或者波浪形或者其他类型。

进一步地，本实施例中的机匣2与压气机本体3插接的部分至少采用同一母线绕芯轴旋转而成，这样保证了机加工的简便性，另外插接部分采用母线回转结构设计保证了其与压气机本体3配合形成的环隙6内部无结构筋，回转母线可以设计为渐缩结构或者不同的其他结构，所述机匣2与所述压气机本体3插入连接后，形成密封连接，可以通过密封圈或者其他方式密封，为了保证两者的容易拆分性和连接可靠性，两者可依靠螺纹方式、铆接方式或者销接方式等进行连接，当然不排除其他密封性连接方式，例如胀接方式连接，当机匣2尺寸足够时可以增加连接法兰保证连接的可靠性，而当机匣2的尺寸较小时通过多颗螺钉对机匣2与压气机本体3进行固定，保证了装配后压气机壳体的通用性解决方案。

进一步地，本实施例中的机匣2成型出贯穿的进气旁通口5，最优化地为机加工成型出的多个间隔布置的开槽，由于采用分体设计，回流气体在机匣2的部分外表面流动，外表面至进气旁通口很容易利用机加工的方式成型出导流部4，所述导流部4可以为逐渐倾斜至进气旁通口5的平面结构，也可以成型为流线型曲面结构，由于该导流结构4的存在使得气流能够更小损失地回流至进气流道1，这样也增加了回流气体的流量，可以最大限度的提升压气机运行的喘振裕度，并且进气旁通口5配合导流结构4将由环隙6回流的气体输送至进气流道1偏中央的位置，并且回流的气流在导流部作用下与进气流道1空气流动方向偏向一致，减少了回流气体和进气之间的对冲耗散，这对于在较低流量下压气机的喘振裕度提升是非常好的。

进一步地为了更好地保证导流部4对于回流气体的导流作用，导流部4由机加工方式成型为渐变的回转平面结构或者按照流线型设计为回转流线型曲面结构，设计中主要考虑空气流动中的速度，最优地该导流部4通过CFD模拟技术得到最佳的结构，为了配合导流部4更好的实现效果，所述环隙6沿回流气体流动方向的最下游位置成型出气体汇集部，所述汇集部具有一定的腔室容积，并且所述容积沿回流气体流动方向上布置有比进气旁通口5更下游的容积部分，该部分容积主要起到对回流空气速度调整和缓冲的作用，利用CFD模拟技术发现由于该缓冲部存在，回流空气配合导流部4将实现耗散更小的回流作用，这一设计使得压气机的回流空气量和回流空气混合速度得到进一步的优化，进而实现了最大限度提升压气机喘振裕度的效果。

本实施方式中涡轮与压气机通过共用轴的方式传递涡轮的旋转能量，而在实际使用中其他的传动方式也可以，例如皮带轮结构，齿轮结构，凸轮结构等等而不同的传动结构可以适应不同的要求，例如对于实际汽车的燃烧状态进行优化研究过发现进气量与烟气排气量存在一个较优的关系式，则可以通过齿轮等结构实现两者转速的配比而不用改变现有的涡轮和压气机叶轮结构，最大限度保证了涡轮增压器的成本。

本实施例中机匣2与压气机本体3插接的部分，至少部分为圆柱形回转面，所述压气机本体3与机匣2插接配合的部分也是圆柱形回转面，两者插接形成配合的圆环状空间，该空间可以保证回流气体流动过程中的各向同性效果，两者配型形成的进气环隙6也属于圆周型的进气间隙，保证了回流气体进气的均匀性和一致性。

本实施例中在机匣2与压气机本体3插接连接形成的压气机壳体内配置有压气机叶轮，通过喘振裕度曲线分析，最小进气量与喘振裕度关系被分析得到，为了改善该进气量的影响，回流气体的进气最优压力和最优回流流量被计算得到，通过该流量得到了环隙6进气位置，利用这一设计规则也指导了机匣尺寸设计，以保证装配间隙7与叶轮位置关系，进而保证了最优地提升了压气机的喘振裕度。

对于不同的车型，燃烧参数和燃烧工况，燃烧室均会影响涡轮增压器的设计，为了保证该结构的通用性，本发明的出发点为喘振裕度曲线，进而确定了机匣2的尺寸，完成装配的压气机与涡轮共轴连接，外部环境的空气可以通过压气机的进气流道流入叶轮被增压，由于进气环隙6的存在部分被加速至预定压力的空气回流至进气流道1，被增压的空气保证了进气量的充足，压气机的排气口与发动机的燃烧室相连接，被增压的空气在燃烧室中为燃料燃烧提供了充足的氧化环境，燃烧产生的烟气流向涡轮的进气口，在涡轮蜗壳中实现了对于涡轮的推动，进而产生了旋转动力，经过涡轮的出口烟气可以被导出至大气环境中，完成了整个过程，而其中燃烧产生的能量被用于推动汽车的转轴运动，进而实现发动机的可靠性运行，也保证了汽车的动力。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮增压器，其特征在于，包括压气机和涡轮组件；所述压气机包括壳体和叶轮；所述压气机的叶轮和涡轮同轴；

所述壳体包括机匣和压气机本体，所述机匣和所述压气机本体配置为可拆分的结构；

所述机匣包括内壁和外壁；

所述内壁面形成贯通的进气流道，所述外壁上布置有至少一组贯通机匣的回流道口；

所述机匣部分插入所述压气机本体形成所述压气机壳体，所述机匣的部分外壁与所述压气机本体形成环隙，并且部分被所述压气机叶轮提升至预定压力后的空气由沿所述环隙经所述回流道流入所述进气流道。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述机匣外壁包含凸出部，所述凸出部与所述压气机本体上的装配部卡接，并形成密封连接。

3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述机匣在沿进气流动最下游端与所述压气机本体形成装配环隙。

4.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述机匣外壁包括所述环向回流道出气导流部。

5.如权利要求4所述的涡轮增压器，其特征在于，所述导流部为渐扩型或者曲面型。

6.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述机匣插入所述压气机本体的并构成环向旁路的外壁由预定的母线绕预定轴线旋转成型。

7.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮带动所述压气机的叶轮转动是通过同轴、皮带传动或齿轮传动中的一种传动模式。

8.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述压气机本体注塑成型，和/或，所述机匣机加工成型或注塑成型为半成品再将至少部分机加工为成品。

9.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述机匣与所述压气机本体通过螺纹配合连接、铆接连接或销接方式中的一种方式进行连接。

10.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述机匣与所述压气机本体配合间隙为圆周间隙。