CN1313711C - 可变几何尺寸的涡轮增压器 - Google Patents

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CN1313711C CNB008193304A CN00819330A CN1313711C CN 1313711 C CN1313711 C CN 1313711C CN B008193304 A CNB008193304 A CN B008193304A CN 00819330 A CN00819330 A CN 00819330A CN 1313711 C CN1313711 C CN 1313711C
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Abstract

一种可变几何尺寸涡轮增压器，其在该涡轮机入口中采用多个带有调和环(48)的叶片(36)，以及在该涡轮机壳体内整体铸造的壁，形成喷嘴壁。该调和环接合致动槽(46)，接纳叶片(36)上的突片(44)，用于在该调和环(48)转动时打开和关闭喷嘴区域。一成整体的电动液压致动器通过齿条和齿轮转动该调和环(48)，该齿轮驱动曲柄轴，通过该曲柄轴上的销位置直接反馈到弹簧偏压的可变电流的螺线管。

Description

可变几何尺寸的涡轮增压器
技术领域
本发明总体上涉及具有可变的涡轮机入口几何尺寸的涡轮增压器领域。更具体地说，本发明提供了一种用于在涡轮机壳体的入口喷嘴内定位多个空气动力叶轮的简化结构的装置以及一用于控制叶片轮位置的成整体的致动器。
背景技术
在涡轮增压器中经常希望控制排气进入涡轮机的流量以提高效率或工作范围。已经采用了多种喷嘴结构来控制排气流量。在现有技术的涡轮增压器中已经成功采用的方法是多个枢转叶轮，这些叶轮绕涡轮机入口环状地定位并被共同控制以改变叶轮之间的通道的喉部面积。在授予Swihart等人的题为“Actuation System for Variable NozzleTurbine”的美国专利第4679984号中和与本发明具有共同受让人的授予Fleury的题为“Suspension for the Pivoting Vane ActuationMechanism of a Variable Nozzle Turbocharger”的专利第4803316号中公开了该方法的用于实现可变喷嘴的多种方式。
美国专利文件US4679984更详细地公开了一种具有可变喷嘴叶片组件的涡轮增压器。在一侧上，多个可枢转的叶片安装在涡轮增压器背板和调和环之间，而在另一侧上，环形侧壁独立于涡轮机壳体。每个叶片包括响应于该调和环的转动运动枢转叶片的驱动销。为了实现这一目的，调和环在其内径向表面上具有多个槽，每个槽接纳一个叶片驱动销。
虽然多叶轮可变喷嘴涡轮增压器具有大幅度提高的整体效率和显著提高的涡轮增压器能力，但用于叶轮的支撑和致动的结构的复杂性增加了制造成本而且偶尔还会出现维修问题。因此希望降低复杂性和可变喷嘴结构装置的部件数量，以及提高致动系统，以增加可靠性并降低使用它们的涡轮增压器的制造成本。
发明内容
本发明的可变几何尺寸涡轮增压器包括一涡轮机壳体，该壳体具有一用于排气的标准的入口和一至发动机的排气系统的出口。一蜗壳连接到该入口上，一成整体的外部喷嘴壁在该蜗壳附近结合在涡轮机壳体铸件上。一中心壳体连接到涡轮机壳体上。一轴承装置安装在中心壳体内的一中心孔中。一具有一空气入口和一压缩空气出口的压缩壳体连接到中心壳体上。
一涡轮机叶轮安装在涡轮机壳体内，并连接到一延伸通过中心壳体的轴上，由所述轴承组件支撑。该轴远离涡轮机叶轮连接到一安装在该压缩机壳体内的压缩机叶轮上。
多个具有转动支柱的叶片提供可变喷嘴，该转动支柱从一第一表面基本上平行于外部喷嘴壁延伸。该支柱容纳在外部喷嘴壁上的沿周向彼此间隔的孔内。叶片还具有从远离第一表面的该叶片的相对表面(即第二表面)延伸的致动突片。一调和环接合在中心壳体和叶片之间，并具有多个加工出轮廓的槽，其数量等于叶片的数量。这些槽倾斜地朝调和环的周边取向并容纳突片。这些槽的具有轮廓的表面在位移过程中在不同的表面上接合突片的基本上平的侧面以提供最佳的控制并减少磨损。所述槽构形成在所述槽的基本上平的侧面和内表面之间提供延伸的接合。
调和环的致动通过一在该调和环中的径向槽和一曲柄轴来实现，该轴具有一与径向槽接合的销。曲柄轴可连续地从一第一位置移动到一第二位置，引起销在径向槽内产生位移并施加垂直于径向槽的力以促使调和环转动。调和环的转动导致突片从槽的一第一端至槽的一第二端经过致动槽。槽的倾斜的定位使得叶片能够从一第一打开位置至一第二关闭位置连续可变地转动。致动槽优选地具有一预先确定的构形，随着突片位于该槽的第一端和第二端，提供与每一突片的一第一侧面的最大接合，而随着位于该槽内的所述突片处在第一端与第二端之间，提供与每一所述突片的一第二侧面的最大接合
一成整体的液压致动器提供用于曲柄轴的致动机构。安装在中心壳体内的一凸台中的致动器使用一活塞和活塞杆由一齿条和齿轮连接至曲柄轴，用于叶片的位置控制。一螺线管操纵多口的阀提供操纵活塞的液压，它带有通过安装在靠近齿轮的曲柄轴上的凸轮的直接反馈。
更详细地，包括在本发明的可变几何尺寸的涡轮增压器内的移动装置优选包括一与中心壳体形成一体的液压致动装置，并具有一容纳在整体铸造在该中心壳体内的一凸台内的活塞，用于垂直于曲柄轴作往复运动；一在一第一端连接到活塞上的活塞杆；还包括用于将活塞杆连接到曲柄轴上的装置，该连接装置将杆的往复运动转变成轴的旋转运动；和此外，液压致动装置包括用于在活塞的相对侧面上可控制地改变液压力的装置，以引起从对应于所述曲柄轴的第一位置的一第一位置移动到对应于曲柄轴的第二位置的一第二位置。
更优选地，上述的用于将活塞杆连接到曲柄轴上的连接装置包括一位于活塞杆上的齿轮齿条；和一位于曲柄轴上的小齿轮。
也是更优选地，上述的用于可控制地改变液压压力的装置包括：一液压阀杆，其具有多个口并可由一可变电流的电螺线管移动，该电螺线管由一偏置弹簧来平衡；此外，该改变装置还一液压压力源，其在杆处于一第一位置时与一第一口连通，而在杆处于一第二位置时与一第二口连通；且还有一液压排出口，其在杆处于一第一位置时与一第三口连通，而在杆处于一第二位置时与一第四口连通；在该改变装置中，还包括有一与活塞的一第一端连通的第一管道，且在杆处于一第一位置时，第一管道与第一口连通，而在杆处于一第二位置时，第一管道与一第四口连通；还包括有一与活塞的一第二端连通的第二管道，且在杆处于一第一位置时，第二管道与第三口连通，而在杆处于一第二位置时，第二管道与一第二口连通。最后，在该改变装置中，还包括一位于曲柄轴上的凸轮，其可操纵地与偏置弹簧接合。
在本发明的进一步的实施例中，可变几何尺寸的涡轮增压器包括为封闭的致动槽，并且其还包括：一在中心壳体内紧密容纳调和环的环状通道；和用于向通道供应空气压力来促使调和环进入与叶片的第二表面紧密接触的装置。
附图说明
通过针对附图对本发明的详细描述可以更清楚地理解本发明的细节和特征，在附图中：
图1是按照本发明的涡轮增压器的一实施例的透视图；
图2是一侧剖视图，示出了涡轮机壳体、中心壳体和压缩机背板，由轴承系统支撑的涡轮机轴叶轮和压缩机叶轮；
图3是通过中心壳体的一端部剖视图，示出了包括成整体的致动阀装置的本发明的实施例；
图4是阀门活塞装置的另一实施例的一局部视图；
图5a是沿图3中的G-G所取的剖视图，图5b-c是从致动阀至与喷嘴叶片接合的调和环延伸的曲柄轴组件的剖视图；
图6a-e是调和环和喷嘴叶片的端视图，示出了可变的叶片位置和致动结构装置；
图7是调和环的另一实施例的反向的端视图，示出了用于压力补偿的一种封闭减压设计；
图8是图7所示的调和环和安装在涡轮机壳体内的叶片的示意性的侧视图，示出了用于叶片公差控制的压力补偿；和
图9a-e是用于控制叶片位置的致动阀开口和活塞结构的示意性的侧视图。
具体实施方式
参照附图所示，在图1中示出的本发明的实施例包括一压缩机壳体10，该壳体10利用两个或多个由螺栓16固定的夹具14连接到一背板12上。该背板用多个螺栓20和一密封环22连接到一中心壳体18上。涡轮机壳体24利用多个由螺栓28固定的夹具26连接到该中心壳体上。涡轮机叶轮和轴组件30安装在该涡轮机壳体内。供应到涡轮增压器的排出气体或其它的高能量气体通过入口32进入该涡轮机壳体并通过涡轮机壳体内的蜗壳分布，用于通过一周向喷嘴入口34基本上沿径向进入涡轮机叶轮。
多个叶片36利用从叶片延伸的用于与喷嘴壁内的孔42转动接合的支柱40，被安装到在该涡轮机壳体内加工出的喷嘴壁38上。致动突片44从叶片开始延伸至与调和环48内的槽46接合，该调和环作为第二喷嘴壁。突片、槽和调和环的构形将在下面进行更详细的描述。一致动器曲柄轴50在一第一端终止于一杠杆臂52，带有一销钉54，以与调和环内的椭圆槽56接合，用于环的转动，这一点将在下面进一步解释。该致动器曲柄延伸入中心壳体铸件内的一凸台58内，穿过一衬套60和一齿轮62，该齿轮通过一销钉64固定到该致动器曲柄上并容纳在一端轴承66内，该轴承66与曲柄凸台内的孔68配合。一O形环70密封该端轴承，并且一卡环72将该端轴承固定在孔68内。
一具有两个轴颈轴承74和一轴承间隔件76的轴承系统将轴叶轮组件支撑在中心壳体的中心孔78内。该轴承还延伸通过一止推环80，该止推环与一安装在中心壳体和压缩机背板之间的推力轴承82接合。一活塞环83使该止推环与背板上的轴孔密封。图2中更详细地示出了轴叶轮组件在涡轮机壳体、中心壳体和背板内的总装。为清楚起见，未示出调和环和叶片。压缩机叶轮160连接到轴叶轮组件上。
再参见图1所示，用于涡轮增压器的集成的致动器装放在位于中心壳体18的铸件内的致动器凸台58内。一螺线管阀84安装在该凸台的一端的一孔内，而致动部件安装在该凸台的相对端的一第二孔内。致动部件包括一活塞86，该活塞与一杆88相结合，该杆具有一与安装在曲柄轴50上的齿轮62啮合的齿条90。一环形密封件92围绕活塞的周缘，将活塞相对致动器凸台的孔密封。另外的环形密封件94和96将活塞杆密封到一直径小于活塞孔的杆孔内。活塞孔被密封使得一活塞端98用一开口环100保持在该孔内。一螺栓102插入该活塞端的一螺纹孔内，用于操纵该活塞端。一附加的环形密封件104将该活塞端相对孔密封。另一种方案是，用一固定插塞106替换该活塞端。螺线管阀被固定到该凸台上，一支架108由一螺栓110固定。孔塞112和114密封致动器凸台内的致动通道的封闭端，并利用钢珠116密封其它的致动通道，下面将做更详细的描述。
图2是一涡轮增压器的侧剖视图，示出了组装的涡轮机壳体、中心壳体和压缩机背板，涡轮机轴叶轮组件和压缩机叶轮由轴承组件支撑。
图3是通过致动器凸台和组装的致动器部件的端剖视图。图4示出了用于密封活塞孔的另一种固定插塞布置。
如图2中详细示出的，中心壳体包括一铸件主体部分和一涡轮机壳体背板120，用于利用螺栓将中心壳体与涡轮机壳体连接起来，如前面所述。图5a所示的剖视图示出了曲柄轴组件，齿轮62与衬套60安装在中心壳体的铸件主体部分内，曲柄轴延伸穿过铸件主体部分和涡轮机壳体背板之间的空气间隙并进入背板内的一孔内。图5b示出了曲柄轴在背板孔内的密封布置的详细情况。一第一金属环形密封件122具有一第一直径，该密封件用来密封孔124的内直径，而一第二金属环形密封件126与第一密封件相结合，用来密封该孔的一第二较大的直径128。这种布置在运行期间在铸件主体部分和背板的不均衡的热膨胀过程中能够实现持续的密封。图5b示出了运行过程中的构形，背板的温度超过了主体部分的温度，导致更大的膨胀，而图5c示出了常温下铸件主体部分与背板之间具有额定公差的布置。
在涡轮机入口喷嘴的喷嘴叶片36由调和环48操纵。图6a示出了由径向槽130内的曲柄轴50的销钉54接合的调和环。曲柄轴的转动引起端销偏置在径向槽内来回移动，进而导致调和环的转动。安装在销40上用于转动的叶片延伸入涡轮机壳体的喷嘴壁内的容纳孔42内，该叶片的导向突片132，其容纳在调和环的槽46中。当调和环转动时，槽的运动引起突片从槽的一端到另一端来回移动，进而导致叶轮的转动，从一第一完全打开的位置通过一图6a所示的中间位置到达一完全关闭的位置。图6b以部分幻影图的形式示出了突片定位于各槽内的完全打开的、中间的和完全关闭的叶片的位置。图6c是带有的图示出多个位置的突片的调和环槽的一放大的视图。突片具有基本上平的侧面134和136，这些侧面提供了突片与槽壁的延长的接合，以降低突片上的点磨损。槽的轮廓不是纯椭圆形的，其预先确定成能够提供与突片的最大的接合程度，而突片在打开和关闭端点与第一侧面134的接合具有最大面积，在叶片位于中间位置期间与第二侧面136接合。
对于图中所示的实施例，图6d示出了叶片的完全打开和完全关闭位置。提供了叶轮的一个22度的转动。
在一些应用条件下，希望得到喷嘴内的叶片的安装的压力平衡。图7示出了调和环48的一实施例，它具有封闭槽46，而在该环的相反面上提供具有压力口140的一封闭减压面138，该压力口140加工在该减压面上。图8示出了与喷嘴内的叶片接合的减压调和环的一侧剖视图的详细情况。对于所示的布置，进入喷嘴的排气压力通过在背板120内的安装通道144的公差提供的间隙142，并通过口140，对调和环的减压背面部分138产生压力。另一种方案是，提供一供给孔146，通过背板进入调和环的安装通道靠近口144的位置。排气的总压力迫使调和环抵靠叶片，进而叶片又被推动抵靠在涡轮机壳体的喷嘴表面38上。容纳叶片销40的孔42具有足够的深度，以保持叶轮与喷嘴表面和调和环紧密接触，以使叶片泄漏最小。
叶片的致动由前述的螺线管阀84和致动部件来实现。图9a至9e示出了致动活塞86及其通过齿条90驱动齿轮62的活塞杆88的各种状态。该螺线管阀受到一弹簧150的反作用力，该弹簧150具有一盖152，该盖152与加工在齿轮本体上的一凸轮154接合。如下面将描述的各口打开和关闭，靠液压定位活塞，通过齿轮齿条的机械闭合回路该活塞提供有关曲柄轴的位置的定位控制，进而提供调和环的相关控制。
螺线管阀是一按比例的伺服4通液压致动控制阀。如图9a中所示，如果没有电流通向螺线管阀，则口A打开，口B(活塞的顶部)与排出口D相连。如图9b所示，当从涡轮增压器安装在其上的发动机施加油压时，油压通过口A导入活塞的底部，将叶片置于完全打开的位置。当电流通向该螺线管阀时，口A被关闭，口A(活塞的底部)与排出口相连，口B打开并且油压被导入活塞的顶部，向左移动活塞，开始关闭叶片。
图9c示出了具有螺线管内低电流平衡状态电流的致动系统的状态。口A被关闭，口B也被关闭，而叶片的位置根据所施加的电流定位。如果电流增加，图9d表示口B被打开，将油压引导到活塞的顶部。口A与排出口相连，并且活塞向左移动，在关闭方向上移动叶片。有限时间过后，系统在高电流下稳定在平衡状态，如图5e所示，口A关闭，口B也关闭，叶片的位置根据所施加的电流定位。全电流施加到螺线管上导致口B被关闭，油压被引导到活塞的顶部，而口A与排出口相连，活塞向左移动，直到达到完全关闭的叶片位置。从螺线管去掉电流则使致动系统恢复到图9a所示的状态，叶片完全打开。
以上按照专利法规所需要的对本发明进行了详细的描述，本领域的技术人员能够实现对这里所公开的特定的实施例所作的改进和替换。这种改进是在下面的权利要求中所限定的本发明的范围内的。

Claims (6)

1.一种可变几何尺寸的涡轮增压器，其包括：
一涡轮机壳体(24)，其具有一用于排气的入口(32)和一出口，一连接到所述入口上的蜗壳及一邻近所述蜗壳的成整体的外部喷嘴壁(38)；
一中心壳体(18)，其连接到所述涡轮机壳体上并具有一安装一轴承组件的中心孔(68)；
一压缩机壳体(10)，其具有一空气入口和一压缩空气出口，所述压缩机壳体(10)连接到所述中心壳体(18)上；
一涡轮机叶轮(30)，其安装在所述涡轮机壳体(24)内，并连接到一延伸通过所述中心壳体(18)的轴(10)上，由所述轴承组件支撑，所述轴的远离所述涡轮机叶轮(30)的一端连接到安装在所述压缩机壳体(10)内的压缩机叶轮(160)上；
多个具有转动支柱(40)的叶片(36)，所述转动支柱从一第一表面基本上平行于所述外部喷嘴壁延伸，所述支柱容纳在所述外部喷嘴壁上的沿周向彼此间隔的孔(42)内，所述叶片还具有致动突片(44)，所述突片从所述叶片的远离所述第一表面的第二表面延伸；
一调和环(48)，其位于所述中心壳体和所述叶片之间，所述调和环具有多个槽(46)，所述槽的数量与所述叶片的数量相等，所述槽取向倾斜地朝向所述调和环的周边，并容纳所述突片，所述调和环还具有一径向槽(56)；
一曲柄轴(50)，其具有一与所述径向槽接合的销(54)，所述曲柄轴可以从一第一位置连续移动至一第二位置，所述曲柄轴(50)的移动使得所述销(54)在所述径向槽(56)内产生位移，并施加垂直于所述径向槽的力来促使所述调和环(48)产生转动，所述调和环的转动引起所述突片(44)从所述槽的一第一端至所述槽的一第二端在所述致动槽(46)来回移动；和
用于将所述曲柄轴从所述第一位置移动至所述第二位置的装置；
所述突片具有基本上平的侧面，以被容纳在所述致动槽内，所述槽构形成在所述槽(46)的基本上平的侧面和内表面之间提供延伸的接合。
2.如权利要求1所述的可变几何尺寸的涡轮增压器，其特征在于，所述致动槽具有一预先确定的构形，随着所述突片位于所述槽的所述第一端和所述第二端，提供与每一所述突片的一第一侧面(134)的最大接合，而随着位于所述槽内的所述突片处在所述第一端与所述第二端之间，提供与每一所述突片的一第二侧面(136)的最大接合。
3.如权利要求1所述的可变几何尺寸的涡轮增压器，其特征在于，所述移动装置包括一与所述中心壳体形成一体的液压致动装置，并具有
一容纳在整体铸造在所述中心壳体(18)内的一凸台(85)内的活塞(86)，用于垂直于所述曲柄轴(50)作往复运动；
一在一第一端连接到所述活塞上的活塞杆(88)；
用于将所述活塞杆(88)连接到所述曲柄轴(50)上的装置，所述连接装置将所述杆的往复运动转变成所述轴的旋转运动；和
用于在所述活塞的相对侧面上可控制地改变液压力的装置，以引起从对应于所述曲柄轴(50)的第一位置的一第一位置移动到对应于所述曲柄轴(50)的第二位置的一第二位置。
4.如权利要求3所述的可变几何尺寸的涡轮增压器，其特征在于，所述连接装置包括
一位于所述活塞杆(98)上的齿轮齿条(90)；和
一位于所述曲柄轴(50)上的齿轮。
5.如权利要求3所述的可变几何尺寸的涡轮增压器，其特征在于，用于可控制地改变液压压力的装置包括：
一液压阀杆，其具有多个口并可由一可变电流的电螺线管(84)移动，所述电螺线管(84)由一偏置弹簧(150)来平衡；
一液压压力源，其在所述杆处于一第一位置时与一第一口连通，而在所述杆处于一第二位置时与一第二口连通；
一液压排出口，其在所述杆处于一第一位置时与一第三口连通，而在所述杆处于一第二位置时与一第四口连通；
一与所述活塞的一第一端连通的第一管道，在所述杆处于一第一位置时，所述第一管道与所述第一口连通，而在所述杆处于一第二位置时，所述第一管道与一第四口连通；
一与所述活塞的一第二端连通的第二管道，在所述杆处于一第一位置时，所述第二管道与所述第三口连通，而在所述杆处于一第二位置时，所述第二管道与一第二口连通；和
一位于所述曲柄轴上的凸轮，其可操纵地与所述偏置弹簧接合。
6.如权利要求1所述的可变几何尺寸的涡轮增压器，其特征在于，所述致动槽(46)是封闭的，并且其还包括：
一在所述中心壳体内紧密容纳所述调和环的环状通道；和
用于向所述通道供应空气压力来促使所述调和环进入与所述叶片的第二表面紧密接触的装置。
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