CN1508410A - 可变几何形状涡轮 - Google Patents

Abstract

一种几何形状可变的涡轮具有在可动壁件(7)的径向壁和涡轮壳体(3)的面对壁(9)之间形成的一个环形输入通道(6)。可动壁件(7)安装在作在壳体(3)内的并具有内、外部环形表面的一个环形空腔(22)内。密封圈(26)安置在可动壁件的环形法兰(21)和空腔的相邻的内部或外部环形表面之间。输入旁通通道(32)作在环形法兰(21)或所述相邻的空腔表面上，当可动壁件移动时，密封圈(26)和旁通通道(32)彼此相对作轴向移动。密封圈(26)和旁通通道(32)轴向安置，使得当环形壁件(7)接近壳体(3)的面对壁(9)时，旁通通道(32)允许废气通过所述空腔流至涡轮叶轮(12)，从而使环形输入通道(6)旁通。

Description

可变几何形状涡轮

本发明涉及一种可变几何形状涡轮。特别是，但不是唯一的，本发明涉及内燃机涡轮增压器涡轮。更具体地说，本发明还涉及可被控制来作为发动机排气制动工作的汽车发动机涡轮增压器。

涡轮增压器是将压力在大气压以上(增压压力)的空气供给内燃机的进气口的一种众所周知的装置。通常的涡轮增压器基本上包括一个安装在涡轮壳体内-回转轴上的用废气驱动的涡轮叶轮。涡轮叶轮的转动，使安装在压缩机壳体内的该轴另一端上的压缩机叶轮转动。压缩机叶轮将压缩空气输送至发动机进气岐管。通常，涡轮增压器的轴由包括适当的润滑系统的轴颈和止推轴承支承。该轴颈和止推轴承配置在连接于该涡轮叶轮壳体压缩机叶轮壳体之间的一个中心轴承内。

在已知的涡轮增压器中，涡轮级包括：内部安装着涡轮叶轮的一个涡轮腔，在围绕着涡轮腔的互相面对的径向壁之间形成的一个环形输入通道，围绕着输入通道形成的入口，和从涡轮腔伸出的一个输出通道。这些通道和腔连通，使得进入输入腔的有压力的废气流过输入通道，并通过涡轮，流至输出通道，使涡轮叶轮转动。还可以通过在输入通道中设置称为喷嘴叶片的叶片，使流过输入通道的气体向涡轮叶轮转动方向偏移，来调整涡轮的性能。

涡轮可以为几何形状固定的或可变的形式。几何形状可变的涡轮与几何形状固定的涡轮的不同在于，输入通道的尺寸可以改变，以便在质量流量范围内，使气体流动速度达到最佳，这样，涡轮的功率输出可以改变，以适应变化的发动机的要求。例如，当输送至涡轮的废气的容积较小时，通过减小环形输入通道的尺寸，可使达到涡轮叶轮的气体速度保持在可保证涡轮有效工作的水平上。

在一个已知形式的几何形状可变的涡轮中，输入通道的一个壁由一般称为喷嘴环的一个可轴向移动的壁零件限定。喷嘴环相对于输入通道的一个面对壁的位置可以调整，以控制输入通道的轴向宽度。这样，例如，为了保持气体速度和使涡轮输出最佳，当流过涡轮的气体减少时，输入通道的宽度也可以减小。这种喷嘴环基本上包括一个沿径向延伸的壁，和沿轴向延伸的内部和外部环形法兰。环形法兰伸入在涡轮壳体中形成的一个环形空腔中(该壳体的一部分实际上由轴承形成)，该涡轮壳体可容纳喷嘴环的轴向移动。

喷嘴环可以带有叶片。该叶片伸入输入通道中，并通过在输入通道的面对壁上作出的槽，以便适应喷嘴环的移动。另一种方案是，叶片可以穿过在喷嘴环上作出的槽从固定的壁伸出。一般，喷嘴环支承在与涡轮叶轮的回转轴线平行延伸的杆上，并且被沿轴向移动该杆的作动器带动移动。在几何形状可变的涡轮中，使用各种形式的作动器，包括气动、液压和电气作动器。这些作动器安装在涡轮增压器的外面，并通过相应的连杆与几何形状可变的涡轮连接。

除了优化涡轮增压器性能的几何形状可变的涡轮的通常控制以外，还可利用减小涡轮增压器入口以形成排气制动功能的有利条件。各种形式的排气制动系统广泛地装在汽车发动机系统，特别是为大型汽车(例如卡车)提供的压缩点火发动机(柴油机)中。通常的排气制动系统包括一个在从发动机出来的排气管路中的阀。当该阀工作时，它基本上堵塞发动机的排气(完全堵塞排气管路会使发动机停转)。这样就形成背压，它产生制动力，阻止发动机转动。该制动力通过汽车驱动系统，送至汽车轮子上。排气制动可以用来增强作用在汽车轮子上的通常的摩擦制动器的作用，或者在某些情况下，与正常的车轮制动系统独立地使用，以控制(例如)汽车的下山速度。在某些排气制动系统中，当发动机的节流阀关闭时(即当司机从节流阀踏板上提起脚时)，制动器自动起动；而在另一些情况下，排气制动器可能要求司机手动起动-例如压下单独的制动器踏板。排气制动阀一般是可以控制的，以调节制动效果-例如保持汽车速度固定不变。

利用几何形状可变的涡轮，不需要设置单独的排气制动阀。当需要制动时，可将涡轮的输入通道关闭至其流动面积为最小。通过适当控制喷嘴环的轴向位置(或其他几何形状可变的机构)来控制输入通道的尺寸，可以调节制动力。虽然不需要设置单独的排气制动阀有优点，但又有与几何形状可变的涡轮工作时排气制动模态有关的问题。

特别是在现代效率很高的涡轮中，当输入通道的宽度减小至最小时，仍有较大的空气流量输送至发动机中。这会导致若输入通道关闭太早会使发动机气缸中的压力接近或超过可接受的极限。因此，实际上在制动时，对输入通道可以关闭的程度有限制，这又限制了通常的几何形状可变的涡轮的控制可以形成的有效制动。

本发明的目的是要避免或减轻上述的缺点。

根据本发明提供了一种几何形状可变的涡轮，它包括被支承在壳体中围绕涡轮轴线转动的一个涡轮叶轮，沿径向向内向涡轮叶轮延伸的一个环形输入通道，该环形输入通道在一个可动壁件的径向壁和该壳体面对壁之间形成，该可动壁件被安装在设在该壳体内的环形空腔内，并具有环形内表面和外表面，该壁件可在每一和第二个位置之间轴向移动，以改变该输入通道的宽度，所述第二个轴向位置比第一个轴向位置更接近所述壳体的所述面对壁，该可动壁件的第一环形法兰沿离开所述壳体的面对壁方向沿轴向从该径向壁伸入所述空腔中，一第一环形密封圈配置在该空腔的所述第一环形法兰和该相邻的环形内表面或外表面之间，所述第一环形密封圈被安装在该空腔的所述第一环形法兰或所述相邻的环形表面中的一个上，

其中，在所述第一环形法兰和所述相邻空腔表面中的另一个上设置一个或多个入口旁通通道，使得随着该可动壁件在所述第一和第二位置之间移动，所述第一环形密封圈和旁通通道彼此相对作轴向移动，并且

其中，所述第一环形密封圈和该旁通通道或每个旁通通道是轴向配置的使得当该壁件在所述第一位置时，该密封圈能防止废气流过该空腔，但当所述可动壁件在第二位置时，该旁通通道或每个旁通通道允许废气流过所述空腔，流至涡轮叶轮，从而将该环形入口通道旁通。

现在，参照附图，只利用例子来说明本发明的实施例。其中：

图1为现在技术的涡轮增压器的横截面图；

图2a和2b表示根据本发明的图1所示的涡轮增压器的改进；

图3a和3b表示本发明的第二个实施例；和

图4a和4b示意性地表示本发明的第三个实施例。

图1表示在美国专利5044880号中所述的一个已知的涡轮增压器。该涡轮增压器包括涡轮级1和压缩机级2。涡轮级1为一个几何形状可变的涡轮，它包括一个涡轮壳体3，该壳体形成一个将内燃机(没有示出)的废气输送至其中的蜗壳或输入腔4。废气从输入腔4，通过一个环形输入通道6流至输出通道5。该输入通道的一个侧面由称为由喷嘴环的一个可动的环形件8的径向壁7构成，而其另一个侧面，由壳体3的面对的径向壁9构成。一组喷嘴叶片10穿过在喷嘴环8上的槽，从叶片支承圆环11延伸，跨越输入通道6。该叶片支承圆环11安装在支承销12上。这种结构是，使叶片10跨越输入通道6的程度，可独立于喷嘴环8控制，这里不作详细说明。

从输入通道流至输出通道5的气体，通过涡轮叶轮12。结果，该涡轮叶轮通过在位于轴承16内的轴承组件15上转动的涡轮增压器的轴14，驱动压缩机叶轮13。轴承16使涡轮壳体2与压缩机壳体17连接。压缩机叶轮13的转动，通过压缩机入口18吸入空气，并通过出口蜗壳19，将压缩空气输送至发动机(没有示出)入口。轴承还可安置供油和密封装置，其详细情况对了解本发明是必需的。

喷嘴环8包括一个径向延伸的构成径向壁7的环形部分和在轴向延伸的内、外部环形法兰20和21。该内、外部环形法兰分别伸入在涡轮壳体3中作出的一个环形空腔22中。采用图示的涡轮结构，空腔22的大部分由轴承16构成-在这种情况下，这纯粹是采用本发明的特定涡轮增压器结构的结果，并且对于本发明，在这一点上，涡轮壳体和轴承没有区别。空腔22有一个在径向的内、外部环形表面24和25之间的形成的沿径向延伸的环形开口23。密封圈26安置在作在外部环形表面25上的环形槽中，并支承在喷嘴环8的外部环形法兰21上，以防止废气通过空腔22而不是通过输入通道6流过涡轮。

气动作动器27工作，可通过作动器输出轴28控制喷嘴环8的位置。该作动器的输出轴与一个镫形件29连接。该镫形件再与通过连接板31，支承喷嘴环8的轴向延伸的导向杆30(图中只看见一根杆)30接合。因此，适当地控制作动器27，可以控制导向杆，因而也是喷嘴环8的轴向位置。图1表示喷嘴环8在完全打开的位置，这时，输入通道6的宽度最大。

如上所述，当需要制动力时，通过将输入通道6关闭至最小宽度，则如图1所示的几何形状可变的涡轮可起排气制动器的作用。然而，也如上所述，采用这种结构时，在排气制动条件下，输入通道的最小宽度受到需要避免发动机气缸中不可接受的高压力的限制。

图2a和2b表示根据本发明对图1所示的涡轮增压器的改进。只有为了理解本发明需要说明的涡轮零件才表示在图2a和2b中，该圆为分别表示喷嘴环在完全打开和完全关闭位置的涡轮增压器的喷嘴环/输入通道区域的放大图。喷嘴环8的改进是，在圆周上作出一组通过径向的外部法兰21的孔32。孔32的位置是这样：除了喷嘴环6接近孔32通过密封圈(如图2b所示)26的关闭位置以外，孔32位于远离输入通道6(如图2a所示)密封圈26的侧面上。这就打开了旁通流动通道，使一些废气可通过空腔22，而不是通过输入通道6，从输入腔4流动至涡轮叶轮12。使输入通道6和喷嘴叶片10旁通的废气流所作的功，比流过输入通道6的废气流所作的功小，因为叶片10使废气流沿切线方向转动。换句话说，当孔32与输入通道6连通时，涡轮增压器的效率立即降低，压缩机输出流的压力(增压压力)降低，因而发动机汽缸的压力降低。

这样，采用本发明，作出输入旁通孔32，在正常工况下，对涡轮增压器的效率没有影响，但当涡轮在发动机制动模式下工作和输入通道减小至最小时，孔32可使输入通道尺寸比现有技术的输入通道减小更多，而不会使发动机气缸的压力过大。这可以改善发动机的制动性能。

可以理解，适当地选择孔32的数目，尺寸，形状和位置，可以预先确定对涡轮增压器的效率降低的影响。

图3a和3b表示本发明的第二个实施例。如同图2a和2b一样，只表示了涡轮的喷嘴环/输入通道区域的详细结构。在图3a和3b中使用在图1和图2中所用的相同标号。图3a和3b表示将本发明应用在几个方面与图1的涡轮不同的另外一个普通涡轮中。第一，喷嘴叶片10安装在喷嘴环8上，并延伸跨越输入通道6和通过在遮盖板34上作出的相应的槽，进入空腔33中。该遮盖板34与喷嘴环8的径向壁7一起，限定输入通道6的宽度。这是一种众所周知的结构。

第二，根据欧洲专利0654587号的说明，通过喷嘴环8的径向壁7，作有压力平衡孔35，并且，安置在作在壳体3的径向环形内面部分24上的环形槽中的相应的密封圈36，使内部环形法兰20相对于壳体3密封。设置孔35可保证空腔22内的压力与由流过输入通道6的废气加在喷嘴环8的径向表面7上的静压力相等。这可以减小作用在喷嘴环上的负荷，同时提高喷嘴环8的位置的控制精度，特别是当输入通道6的最小宽度减小时更是如此。

考虑到设置在径向方向的内部密封圈36，本发明的应用要求在喷嘴环8的内部环形法兰20上，作出气体旁通通路32a。通道32a相对于密封圈26安置，使它们同时与密封圈26的输入通道侧连通，同时作为外部环形法兰21的通道32b，从而形成通过空腔22的一条旁通流动通道，这样便完全达到就上面相对于图2a和2b所示的实施例所述的相同的效果。

还已知可通过将内和/或外密封圈放置在喷嘴环上作出的安置槽内，而不是在壳体内作出的安置槽内，来使喷嘴环相对于壳体密封的方法。在这种情况下，密封圈与喷嘴环一起移动。具体地说，图4a和4b表示根据本发明改进的。在欧洲专利0654587(上而提到的)中所述的涡轮的喷嘴环/输入通道区域。在图4a和4b中使用以上使用的相同标号。如同图3a和3b的涡轮结构一样，喷嘴叶片由喷嘴环8支承，并延伸越过输入通道6，通过遮盖板34，并进入空腔33中。通过喷嘴环8的径向壁7作出压力平衡孔35，喷嘴环则利用内、外密封圈26和37，相对于空腔22密封。然而，尽管密封圈26安置在壳体3中作出的槽内，径向外密封圈37则安置在喷嘴环8的外部环形法兰21内作出的槽38内。因此，当喷嘴环移动时，外部密封圈37也移动。

根据本发明，喷嘴环8的环形内法兰20带有输入旁通孔32。当喷嘴环移动，将输入通道6关闭至最小(如图4b所示)时，该输入旁通孔通过密封圈26。然而，外部输入旁通通道不是由通过喷嘴环的孔形成的，而是由在空腔22的开口23的环形外部25上作出的一组圆环形凹部39形成的。从图4a可看出，在正常工况下，密封圈37安置在凹部39内部，以防止废气在喷嘴环8周围通过和通过空腔22。然而，当喷嘴环移动，将输入通道6关闭至最小时，如图4b所示，密封圈37移动，与凹部39轴向在一直线上。因而，可形成围绕密封圈37的一条旁通通道，使气体可通过空腔22流动；并通过在喷嘴环8的环形内法兰上作出的输入旁通孔32，流至涡轮叶轮中。可以理解，凹部39的作用与孔32的作用是直接等效的，并在工作中，本发明的这个实施例的功能，基本上与上述的本发明的其他实施例相同。

应当理解，可以对上述本发明的实施例进行改进。例如，如果在图8的实施例中，只需要一个密封圈，并且密封圈安置在喷嘴环上，则不需要在喷嘴环的内法兰上作出孔32。同样，如果内、外密封圈安置在壳体中，则必需在壳体的环形内面部分和外面部分上，作出旁通凹部，而不是作出通过喷嘴环的旁通孔。

业内行家很容易知道本发明的其他可能的改进和应用。

Claims (18)

1.一种几何形状可变的涡轮，它包括被支承在壳体中围绕涡轮轴线转动的一个涡轮叶轮，沿径向向内向涡轮叶轮延伸的一个环形输入通道，该环形输入通道在一个可动壁件的径向壁和该壳体面对壁之间形成，该可动壁件被安装在设在该壳体内的环形空腔内，并具有环形内表面和外表面，该壁件可在每一和第二个位置之间轴向移动，以改变该输入通道的宽度，所述第二个轴向位置比第一个轴向位置更接近所述壳体的所述面对壁，该可动壁件的第一环形法兰沿离开所述壳体的面对壁方向沿轴向从该径向壁伸入所述空腔中，一第一环形密封圈配置在该空腔的所述第一环形法兰和该相邻的环形内表面或外表面之间，所述第一环形密封圈被安装在该空腔的所述第一环形法兰或所述相邻的环形表面中的一个上，

其中，在所述第一环形法兰和所述相邻环形空腔表面中的另一个上设置一个或多个入口旁通通道，使得随着该可动壁件在所述第一和第二位置之间移动，所述第一环形密封圈和旁通通道彼此相对作轴向移动，并且

其中，所述第一环形密封圈和该旁通通道或每个旁通通道是轴向配置的使得当该壁件在所述第一位置时，该密封圈能防止废气流过该空腔，但当所述可动壁件在第二位置时，该旁通通道或每个旁通通道允许废气流过所述空腔，流至涡轮叶轮，从而将该环形入口通道旁通。

2.如权利要求1所述的几何形状可变的涡轮，其特征为，该环形密封圈被安装在该空腔的所述环形表面上，该旁通通道或每个旁通通道包括一个穿过该可动壁件的所述第一环形法兰的孔。

3.如权利要求2所述的几何形状可变的涡轮，其特征为，该环形密封圈被配置在设在该空腔的所述环形表面内的一条环形槽内。

4.如权利要求1所述的几何形状可变的涡轮，其特征为，所述的环形密封圈被安装在所述第一环形法兰上，该旁通通道或第一个旁通通道包括设在该空腔的相邻环形表面上的一个凹部。

5.如权利要求4所述的几何形状可变的涡轮，其特征为，所述环形密封圈被配置在设在所述第一环形法兰的外表面上的一个环形槽内。

6.如上述权利要求中任何一条所述的几何形状可变的涡轮，其特征为，所述第一环形法兰沿轴向从该可动壁件的径向壁的径向最外周边延伸，并且，所述第一环形密封圈被配置在该第一环形法兰和该空腔的所述外表面之间。

7.如权利要求6所述的几何形状可变的涡轮，其特征为，所述可动壁件包括沿轴向从该径向壁的径向最内周边延伸到所述空腔中的第二环形法兰，并且，一个第二环形密封圈被安装在所述第二个环形法兰或该空腔的所述环形内表面中的一个上，另外，在所述第二环形法兰和所述空腔的内表面中的另一个上，设有一个或多个入口旁通通道。

8.如权利要求1至5之一的几何形状可变的涡轮，其特征在于所述第一环形法兰自该径向壁的径向最内用边沿轴向延伸到所述腔内，所述第一环形密封件被配置在该第一环形法兰和该腔的所述内表面之间。

9.如前述任一权利要求所述的几何形状可变的涡轮，其特征为，设置一些穿通该可动壁件的所述径向壁的孔，因此，该空腔与该入口通道流体上连通，所述孔被设置成能使得在使用中总是沿单一轴向方向作用的合力作用在该可动壁件上。

10.如上述权利要求1所述的几何形状可变的涡轮，其特征为，当该可动壁件处在所述第二位置时，该入口通道的宽度处于最小。

11.如上述权利要求1所述的几何形状可变的涡轮，其特征为，当该可动壁件处在所述第一位置和该第一与第二位置中间的第三个位之间时，该密封圈或每个密封圈可防止气体经所述旁通通道流过所述空腔，其中，当所述可动壁件处所述第三位置和所述第二位置之间时，所述旁通通道允许气体流过所述空腔，其中，所述第三位置离所述第二位置比离所述第一位置更近。

12.如权利要求11所述的几何形状可变的涡轮，其特征为，在所述第一和第三位置之间的位置相应于涡轮正常高效工况，而在所述第三和第二位置之间的位置，相应于涡轮的排气制动工况。

13.如上述权利要求1所述的几何形状可变的涡轮，其特征为，它包括若干围绕该相应的环形法兰或空腔的环形表面沿圆周方向分布的所述旁通通道。

14.如上述权利要求1所述的几何形状可变的涡轮，其特征为，它包括一些伸入该入口通道中的喷嘴叶片。

15.如上述权利要求1所述的几何形状可变的涡轮，其特征为，所述喷嘴叶片从所述喷嘴环延伸。

16.一种包括如上述权利要求中任何一条所述的几何形状可变的涡轮的涡轮增压器。

17.一种包括如权利要求15所述的涡轮增压器的涡轮增压的内燃机。

18.一种装有如权利要求17所述的涡轮增压内燃机动力的汽车，其特征为，在所述第二位置处或邻近所述第二位置处，利用环形壁件操纵所述涡轮增压器可提供排气制动功能。

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