CN108869008A - 具有子午线划分的涡轮壳体和可变涡轮喷嘴的涡轮增压器 - Google Patents

具有子午线划分的涡轮壳体和可变涡轮喷嘴的涡轮增压器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有子午线划分的涡轮壳体和可变涡轮喷嘴的涡轮增压器。涡轮增压器具有限定第一涡道与第一喷嘴和第二涡道与第二喷嘴的子午线划分的涡轮壳体。第一与第二喷嘴由安装在喷嘴内的护罩板彼此分开，用于使流过两个喷嘴的废气流彼此隔离。在第一喷嘴中设置有多个第一叶片，并且在第二喷嘴中设置有多个第二叶片。喷嘴环可旋转地支撑延伸横过第一和第二喷嘴的多个叶片轴，以穿过护罩板中的开口。第一叶片和第二叶片固定至每个叶片轴。叶片轴的旋转使第一叶片和第二叶片枢转，用于调整流过第一和第二喷嘴的两支废气流。

Description

具有子午线划分的涡轮壳体和可变涡轮喷嘴的涡轮增压器
技术领域
本发明涉及涡轮增压器，在所述涡轮增压器中，涡轮增压器的涡轮由来自往复式发动机的废气驱动。本发明更具体地涉及涡轮壳体，所述涡轮壳体被分成各自由单独的排气系统供给的多个大致分隔开的分段。
背景技术
废气驱动的涡轮增压器是与内燃机结合使用的装置，用于通过压缩输送至发动机的空气进气以与燃料混合并在发动机中燃烧的空气来提高发动机的功率输出。涡轮增压器包括安装在压缩机壳体中的轴的一端的压缩机叶轮和安装在涡轮壳体中的轴的另一端的涡轮叶轮。典型地，涡轮壳体与压缩机壳体分开地形成，并且在涡轮壳体与压缩机壳体之间还存在用于包含用于轴的轴承的另一中心壳体。涡轮壳体限定围绕涡轮叶轮并从发动机接收废气的大体上环形的腔室。涡轮组件包括从腔室通向涡轮叶轮的喷嘴。废气从腔室通过喷嘴流向涡轮叶轮，并且涡轮叶轮由废气驱动。涡轮因而从废气提取功率并驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收周围空气，并且空气由压缩机叶轮压缩并且然后从壳体排出至发动机空气进气。
在多活塞往复式发动机中，已知以这样的一种方式将排气系统设计成利用在排气流中出现的压力脉动。尤其地，已知采用所谓的“脉冲分离”，其中，发动机的气缸被分成多个分组，并且来自气缸的每个分组的脉冲通过具有用于每个分组的独立排气通道而大致与来自其他分组的脉冲隔离。为了最好地利用脉冲分离，期望使独立的气缸组之间的连通或“串扰”最小。因此，在涡轮增压发动机的情况下，有利的是一直维持进入涡轮增压器的涡轮的分开的排气通道。因而，废气供给到其中的涡轮壳体典型地被分成多个大致分隔开的部分。
存在将涡轮壳体分开的两种基本方式：(1)子午线划分和(2)扇形划分。在子午线划分的涡轮壳体中，围绕涡轮叶轮并且废气供给到其中的涡道或腔室被划分成在子午平面中的多个通道，使得诸如美国专利No.4,027,994的图4中所示，每个通道大致占有整个圆周，并且通道彼此在轴向方向上接替。
在扇形划分的涡轮壳体中，大体上环形的腔室被划分成角形扇形，每个角形扇形仅占圆周的一部分，使得诸如美国专利No.6,260,358的图2中所示的，通道彼此在周向方向上接替。专利‘358还公开了正好从腔室径向向内定位并将流动引导到涡轮叶轮中的固定引导叶片。
本公开涉及具有子午线划分的涡轮壳体的涡轮增压器。本公开还涉及具有可变涡轮喷嘴的涡轮增压器。
发明内容
本公开描述了涡轮增压器的实施例，所述涡轮增压器具有可变喷嘴涡轮，并且还具有子午线划分的涡轮壳体。根据本发明的实施例，涡轮增压器包括：
涡轮，其包括涡轮壳体和安装在涡轮壳体中并连接至可旋转的轴用于与之一起旋转的涡轮叶轮，涡轮壳体限定周向地延伸并围绕涡轮叶轮的子午线划分的涡道，子午线划分的涡道限定大致完全围绕涡轮叶轮延伸的第一涡道和大致完全围绕涡轮叶轮延伸的分开的第二涡道；
涡轮壳体，其限定用于第一和第二涡道中的每个涡道的分开的入口，通过分开的入口接收分开的第一和第二废气流；
喷嘴，其从子午线划分的涡道大体上径向向内地通向涡轮叶轮；
压缩机，其包括压缩机壳体和安装在压缩机壳体中并连接至可旋转的轴用于与之一起旋转的压缩机叶轮；
中心壳体，其连接在压缩机壳体与涡轮壳体之间，并包含用于轴的轴承；
大体上环形的喷嘴环，其具有第一面，该第一面包括喷嘴的一个壁并与喷嘴的相对壁轴向间隔开；
护罩板，其安装在喷嘴内，护罩板将喷嘴沿子午线划分成第一喷嘴和第二喷嘴，第一喷嘴从第一涡道接收第一废气流，第二喷嘴从第二涡道接收第二废气流；和
设置在第一喷嘴中的多个周向间隔开的第一叶片和设置在第二喷嘴中的多个周向间隔开的第二叶片，第一和第二叶片可旋转地安装至喷嘴环，以便设定角度是可变的，用于调整向涡轮叶轮的废气流动。
在一个实施例中，涡轮壳体的子午线划分的涡道限定提供第一涡道中的第一废气流与第二涡道中的第二废气流之间的分离的分隔壁。分隔壁的径向最里面的边缘接近护罩板的径向外边缘，使得护罩板延续通过喷嘴的第一与第二废气流之间的分离。
根据一个实施例，喷嘴环限定多个周向间隔开的轴承孔，并且可变喷嘴包括多根叶片轴，其分别设置在轴承孔中并且可在轴承孔内绕叶片轴的相应轴线旋转。每根叶片轴具有固定至第一喷嘴中的第一叶片之一的第一轴部，并且具有延伸通过护罩板中的开口并固定至第二喷嘴中的第二叶片之一的第二轴部。因而，叶片轴围绕其相应轴线的旋转使第一叶片在第一喷嘴内枢转并使第二叶片在第二喷嘴内枢转。因此，能采用单个致动器，用于以同时/同步的方式使两组叶片枢转。
叶片轴的第二轴部可选地可轴向地突出到第二叶片外，并延伸到被限定在喷嘴的相对壁中的盲轴插孔中。以这种方式，能在两端支撑叶片轴。在一个实施例中，盲轴插孔被限定在环形插件中，所述环形插件与涡轮壳体分开地形成，并设置在被限定于涡轮壳体中的环形凹槽中。
在喷嘴环与护罩板之间可设置有多个第一间隔件，以控制喷嘴环的第一面与护罩板之间的第一轴向间隔，并且在护罩板与喷嘴的相对壁之间设置有多个第二间隔件，以控制护罩板与喷嘴的相对壁之间的第二轴向间隔。
在一个实施例中，第一间隔件中的每个包括直径比第一间隔件小的销，销具有从第一间隔件的一侧朝着喷嘴环轴向突出的第一部分，并且喷嘴环限定分别接纳第一间隔件的销的第一部分的多个第一接纳孔。
每根销还可包括从第一间隔件的相对侧朝着喷嘴的相对壁轴向突出的第二部分，销的第二部分穿过护罩板中的销接纳孔，并且喷嘴的相对壁可限定分别接纳第一间隔件的销的第二部分的端部的多个第二接纳孔。
在一个实施例中，第二间隔件包括直径比第一间隔件的销大的套管，每根套管限定中心孔，第一间隔件的销中的相应一根销穿过该中心孔。
喷嘴的相对壁可由环形插件限定，并且涡轮壳体可限定环形凹槽，环形插件设置在其中。环形插件可限定用于销的第二接纳孔。
在一个实施例中，第二接纳孔完全穿过环形插件的轴向厚度，并且涡轮壳体限定与第二接纳孔对准并接纳销的第二部分的末端的多个盲孔。
附图说明
已概括地描述了本公开，现在将参照附图，所述附图不一定按比例绘制，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的涡轮增压器的轴向横截面视图；
图2是图1的一部分，放大以图示涡轮增压器的可变喷嘴；
图3是沿着图2中的线3-3的剖视图；
图4是沿着图3中的线4-4的剖视图；
图5是图1中的涡轮增压器的涡轮的等轴测图，其中，涡轮壳体及其环形插件被拆除，使得可变喷嘴可见；
图6是可变喷嘴的等轴测图，其中，喷嘴环和环形涡轮壳体插件被拆除，以便示出可变喷嘴的细节；和
图7是可变喷嘴的等轴测图，其中，喷嘴环、环形插件和护罩板被拆除，以便示出可变喷嘴的细节。
具体实施方式
现在将参考上述图更详细地描述本公开，上述图描绘了本公开涉及的发明的一些但非全部的实施例。这些发明可以包括本文未明确描述的形式的各种形式被实施，并且不应被解释为限于本文所描述的特定示例性实施例。在以下的说明中，相同的附图标记始终指的是相同的元件。
本发明涉及包括可变喷嘴涡轮(VNT)的涡轮增压器，其中，可变喷嘴包括其设定角度为了调整进入涡轮叶轮的废气的流动能改变的一排可枢转叶片。图1图示了根据本发明的一个实施例的VNT涡轮增压器10。涡轮增压器包括设置在压缩机壳体16中并安装在可旋转的轴18的一端上的压缩机叶轮或叶轮14。轴被支撑在安装于涡轮增压器的中心壳体20中的轴承19中。轴18通过安装在轴18的离开压缩机叶轮的另一端上的涡轮叶轮22旋转，从而可旋转地驱动压缩机叶轮，所述压缩机叶轮压缩通过压缩机入口吸入的空气并将压缩空气输送至蜗壳17，所述蜗壳17收集用于供应至内燃机(未示出)的进气的压缩空气，用于提高发动机的性能。
涡轮增压器还包括容纳涡轮叶轮22的涡轮壳体24。如先前所指出地，在具有多个气缸的往复式内燃机中，有利的是以这样的一种方式设计排气系统，以便利用在从气缸排出的排气流中出现的压力脉动。尤其，有利的是采用所谓的“脉冲分离”，其中，发动机的气缸被分成多个分组，并且来自气缸的每个分组的脉冲通过具有用于每个分组的独立排气通道而大致与来自其他分组的脉冲隔离。为了最好地利用脉冲分离，期望使分开的气缸组之间的连通或“串扰”最小。因此，在涡轮增压发动机的情况下，有利的是一直维持进入涡轮增压器的涡轮的分隔开的排气通道。因此，根据本发明的本实施例的涡轮壳体24限定子午线划分的涡道26，其围绕涡轮叶轮并且从内燃机接收用于驱动涡轮叶轮的废气。尤其，涡轮壳体将涡道限定成两个完全分隔开的第一和第二涡道26a和26b，所述第一和第二涡道26a和26b中的每个涡道分别围绕涡轮叶轮22延伸大致360度。涡轮壳体包括将涡道分成两个分隔开的涡道的分隔壁24d。涡轮壳体还包括子午线划分的涡道的两个分开的废气入口，一个入口将来自第一内燃机气缸组(未示出)的第一废气流引导到第一涡道26a中，并且另一入口将来自第二气缸组(未示出)的第二废气流引导到第二涡道26b中。两支分开的废气流从它们各自的涡道26a和26b大体上径向向内地通过涡轮喷嘴28被引导至涡轮叶轮22。当废气流过涡轮叶轮的叶片之间的通道时，气体膨胀至较低的压力，并且从叶轮排出的气体通过在其中的大体上轴向的孔32离开涡轮壳体。
根据本发明的本实施例，涡轮喷嘴28是用于改变通过喷嘴的横截流动面积和流动方向的可变喷嘴，以便调整进入涡轮叶轮的流动。根据本发明的可变喷嘴有利地大致一直保持两支废气流之间的分离，直到废气流撞在涡轮叶轮22上为止。
现在参考图2，喷嘴28中的排气流的该分离通过护罩板SP的提供而实现，该护罩板包括设置在涡轮喷嘴28内的环形板，其中，护罩板的中心轴线与涡轮叶轮22的旋转轴线同轴。根据本发明的图示实施例，可变喷嘴28被限定在安装于涡轮壳体24内的环形喷嘴环38与由设置在限定于涡轮壳体中的环形凹槽24r中的环形插件24i形成的相对壁之间。护罩板SP将涡轮喷嘴分成第一喷嘴28a和第二喷嘴28b。第一喷嘴28a从第一涡道26a接收第一废气流并将气体引导到涡轮叶轮中；相似地，第二喷嘴28b从第二涡道26b接收第二废气流并将气体引导到涡轮叶轮中。护罩板SP的径向外周边尽可能靠近涡道分隔壁24d的径向内边缘。护罩板的径向内周边尽可能靠近涡轮叶轮22，以便大致一直维持至涡轮叶轮的两支废气流之间的分离。
可变喷嘴包括邻近喷嘴环38的第一面定位并且围绕第一喷嘴28a周向地间隔开的多个第一叶片34a。可变喷嘴还包括围绕第二喷嘴28b周向间隔开的多个第二叶片34b。每个第一叶片34a固定至穿过在大体上环形的喷嘴环38中的轴承孔39的叶片轴36的第一部分。每根叶片轴36可在其轴承孔中围绕其轴线旋转，用于使装接的叶片旋转。叶片轴36中的每根叶片轴的第一部分具有固定至从喷嘴环38的第二面突出的叶片轴的端部的叶片臂40，并且被可围绕其轴线旋转并与喷嘴环38同轴的大体上环形的协调环42(还被称为致动器环)接合。致动器(未示出)连接至协调环42，用于使其围绕其轴线旋转。当协调环旋转时，叶片臂40旋转，以使叶片轴36围绕它们的轴线旋转，从而使第一叶片34a旋转，以便改变通过第一喷嘴28a的横截流动面积和流动方向。
如图2所示,第二喷嘴28b包括第二叶片34b。在图示的实施例中，每根叶片轴36具有第二轴部，该第二轴部延伸通过护罩板SP中的开口并固定至第二喷嘴中的第二叶片34b中的一个。因而，叶片轴36围绕其相应轴线的旋转使第一叶片34a在第一喷嘴28a内枢转，并使第二叶片34b在第二喷嘴28b内以同时或同步的方式枢转。单个致动器(未示出)能够使两组叶片枢转。
在本发明的图示实施例中，叶片轴36的第二轴部轴向地突出到第二叶片34b外，并延伸到被限定在喷嘴的相对壁中的盲轴插孔44中。以这种方式，叶片轴在两端被支撑。如所示，盲轴插孔可被限定在环形插件24i中，所述环形插件24i与涡轮壳体分开地形成并设置在被限定于涡轮壳体中的环形凹槽24r中。替代性地，在另一实施例(未示出)中，由环形插件24i形成的喷嘴壁可替代地由涡轮壳体24的整体部分形成，在该情况下，轴插孔44可被限定在涡轮壳体中。
参考图4至6，根据本发明的图示实施例的可变喷嘴包括设置在喷嘴环38与护罩板SP之间的多个第一间隔件50a，以控制喷嘴环的第一面与护罩板之间的第一轴向间隔。第一间隔件50a中的每个间隔件包括直径比第一间隔件小的销52。销具有从第一间隔件的一侧朝着喷嘴环38轴向突出的第一部分。喷嘴环限定分别接纳第一间隔件的销52的第一部分的多个第一接纳孔53。
可变喷嘴还包括设置在护罩板SP与喷嘴的相对壁之间的多个第二间隔件50b，以控制护罩板与喷嘴的相对壁之间的第二轴向间隔。在图示的实施例中，喷嘴的相对壁由插件24i形成。每根销52还包括从第一间隔件50a的相对侧朝着插件24i轴向突出的第二部分。销52的第二部分穿过护罩板中的销接纳孔，并且插件24i限定分别接纳第一间隔件的销的第二部分的端部的多个第二接纳孔54。在图示的实施例中，第二间隔件50b包括直径比第一间隔件的销52大的套管，每根套管限定中心孔，第一间隔件的销52中的相应一根销穿过该中心孔。
在图示的实施例中，第二接纳孔54完全穿过环形插件24i的轴向厚度，并且涡轮壳体24限定与第二接纳孔54对准并接纳销52的第二部分的末端的多个盲孔56。
在图示的实施例中，如图3所示，用于叶片轴36的护罩板中的开口包括一直延伸至护罩板SP的径向内周边的狭槽37。有利地，每根叶片轴36及其相关的第一叶片34a和第二叶片34b包括整体的一体结构，并且第一与第二叶片之间的轴向间隔稍微比护罩板的厚度大。参考图3和4，狭槽37于是通过允许叶片轴36的在第一与第二叶片之间的部分插入到狭槽37的开口端中并径向向外滑动至狭槽的封闭端来便于可变喷嘴的装配，其中，第一和第二叶片34a、b设置在护罩板的相对两侧。用于第一间隔件50a的销52通过护罩板中的销接纳开口插入，并且第二间隔件50b被套在销上。叶片轴36的第一部分于是可插入到喷嘴环38中的轴承孔39中(图2)，并且间隔件销52可插入到喷嘴环中的第一接纳孔53中(图4)。在同时通过插件24i中的第二接纳孔54插入间隔件销52的同时，叶片轴36的第二部分可插入到插件24i中的盲轴插孔44中。该局部组件于是可通过将插件24i安装到涡轮壳体中的凹槽24r中来与涡轮壳体24组装，以确保从插件24i的相对侧突出的间隔件销52的端部配合到涡轮壳体24中的盲孔56中(图4)。从喷嘴环38的相对侧突出的叶片轴36的端部于是可固定至叶片臂40(图7)，并且协调环42可与叶片臂接合以完成可变喷嘴的组装。
本领域的技术人员基于本公开将认识到的是，在不偏离本文所描述的发明概念的情况下能作出本文所描述的发明的变型及其他实施例。例如，尽管图示的实施例具有相等的轴向宽度的第一和第二喷嘴28a和28b，但替代性地，两个喷嘴可具有不同的宽度。附加地或替代性地，尽管第一叶片34a被图示成具有与第二叶片34b相同的构造，但替代地，第一叶片在构造方面可与第二叶片不同，诸如具有不同的翼面形状和/或不同的设定角度。在本发明的实践中还能够有其他的变化。本文所使用的特定术语用于说明性目的而非限制性目的。因此，本发明不应限于所公开的特定实施例，并且变型及其他的实施例应被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (11)

1.一种具有子午线划分的可变喷嘴涡轮的涡轮增压器，包括：
涡轮，其包括涡轮壳体和安装在所述涡轮壳体中并连接至可旋转的轴用于与之一起旋转的涡轮叶轮，所述涡轮壳体限定周向地延伸并围绕所述涡轮叶轮的子午线划分的涡道，所述子午线划分的涡道限定大致完全围绕所述涡轮叶轮延伸的第一涡道和大致完全围绕所述涡轮叶轮延伸的分开的第二涡道；
所述涡轮壳体限定用于所述第一和第二涡道中的每个涡道的分开的入口，通过所述分开的入口接收分开的第一废气流和第二废气流；
喷嘴，其从所述子午线划分的涡道大体上径向向内地通向所述涡轮叶轮；
压缩机，其包括压缩机壳体和安装在所述压缩机壳体中并连接至所述可旋转的轴用于与之一起旋转的压缩机叶轮；
中心壳体，其连接在所述压缩机壳体与所述涡轮壳体之间，并包含用于所述轴的轴承；
大体上环形的喷嘴环，其具有第一面，所述第一面包括所述喷嘴的一个壁并与所述喷嘴的相对壁轴向间隔开；
安装在所述喷嘴内的护罩板，所述护罩板将所述喷嘴沿子午线划分成第一喷嘴和第二喷嘴，所述第一喷嘴从所述第一涡道接收所述第一废气流，所述第二喷嘴从所述第二涡道接收所述第二废气流；和
设置在所述第一喷嘴中的多个周向间隔开的第一叶片和设置在所述第二喷嘴中的多个周向间隔开的第二叶片，所述第一和第二叶片可旋转地安装至所述喷嘴环，以便设定角度是可变的，用于调整向所述涡轮叶轮的废气流动。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述涡轮壳体的所述子午线划分的涡道限定提供所述第一涡道中的所述第一废气流与所述第二涡道中的所述第二废气流之间的分离的分隔壁，并且其中，所述分隔壁的径向最里面的边缘接近所述护罩板的径向外边缘，使得所述护罩板延续通过所述喷嘴的在所述第一与第二废气流之间的分离。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述喷嘴环限定多个周向间隔开的轴承孔，并且还包括多个叶片轴，所述多个叶片轴分别设置在所述轴承孔中并且在所述轴承孔内绕所述叶片轴的相应轴线是可旋转的，每个叶片轴具有固定至所述第一喷嘴中的所述第一叶片之一的第一轴部，并且具有延伸通过所述护罩板中的开口并固定至所述第二喷嘴中的所述第二叶片之一的第二轴部，使得所述叶片轴绕其相应轴线的旋转使所述第一叶片在所述第一喷嘴内枢转并且使所述第二叶片在所述第二喷嘴内枢转。
4.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其中，所述叶片轴的所述第二轴部轴向地突出到所述第二叶片外并延伸到被限定在所述喷嘴的相对壁中的盲轴插孔中。
5.根据权利要求4所述的涡轮增压器，其中，所述盲轴插孔被限定在环形插件中，所述环形插件与所述涡轮壳体分开地形成并设置在被限定于所述涡轮壳体中的环形凹槽中。
6.根据权利要求1所述的涡轮增压器，还包括：多个第一间隔件，其设置在所述喷嘴环与所述护罩板之间，以控制所述喷嘴环的所述第一面与所述护罩板之间的第一轴向间隔；和多个第二间隔件，其设置在所述护罩板与所述喷嘴的所述相对壁之间，以控制所述护罩板与所述喷嘴的所述相对壁之间的第二轴向间隔。
7.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中，所述第一间隔件中的每个包括直径比所述第一间隔件小的销，所述销具有从所述第一间隔件的一侧朝着所述喷嘴环轴向突出的第一部分，并且其中，所述喷嘴环限定分别接纳所述第一间隔件的销的第一部分的多个第一接纳孔。
8.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其中，所述每个销还包括从所述第一间隔件的相对侧朝着所述喷嘴的相对壁轴向突出的第二部分，所述销的第二部分穿过所述护罩板中的销接纳孔，并且其中，所述喷嘴的相对壁限定分别接纳所述第一间隔件的销的第二部分的端部的多个第二接纳孔。
9.根据权利要求8所述的涡轮增压器，其中，所述第二间隔件包括直径比所述第一间隔件的销大的套管，每个套管限定中心孔，所述第一间隔件的所述销中的相应一个销穿过所述中心孔。
10.根据权利要求8所述的涡轮增压器，其中，所述喷嘴的所述相对壁由环形插件限定，并且所述涡轮壳体限定所述环形插件设置在其中的环形凹槽，并且其中，所述环形插件限定用于所述销的所述第二接纳孔。
11.根据权利要求10所述的涡轮增压器，其中，所述第二接纳孔完全穿过所述环形插件的轴向厚度，并且其中，所述涡轮壳体限定与所述第二接纳孔对准并接纳所述销的所述第二部分的末端的多个盲孔。
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