CN1849456A - 包括具有两个背靠背的叶轮的压缩机的涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

本发明的涡轮增压器包括涡轮机壳体和可旋转地置于其中的涡轮机叶轮。中心壳体连接于涡轮机壳体上，而压缩机壳体连接于中心壳体上。压缩机可旋转地置于压缩机壳体内，并且包括两个背靠背放置的叶轮。可动构件置于压缩机下游的压缩机壳体内以便控制压缩机壳体内的空气流。可动构件的位置可以用于对由压缩机叶轮之一产生的增压空气量进行控制，以便贯穿发动机的整个操作范围和质量流量要求增强压缩机操作效率。

Description

包括具有两个背靠背的叶轮的压缩机的涡轮增压器
技术领域
本发明涉及涡轮增压器，更具体而言，涉及包括双压缩机构造的涡轮增压器，与常规型单压缩机涡轮增压器相比，这种涡轮增压器特别地构置成用于提供所需水平的高效率、高灵敏度并且提供紧凑型涡轮增压器封装。
背景技术
随着涡轮增压柴油机已经向更高的制动平均有效压力(BMEP)水平发展，并且法律规定的排放物水平更低，已经越来越难以匹配常规型单压缩机和/或单涡轮机的涡轮增压器中的涡轮机和压缩机，并且难以达到所需的性能水平。已颁布但尚未实施的排放物条例可能强制实施用于控制NOx的废气再循环的极值水平以及用于控制烟灰和颗粒排放物的颗粒过滤器。通常，压缩机必须提供发动机在其最高功率时需要的质量流量水平，并且这种需求用于设定压缩机的尺寸。一般说来，压缩机进气导流器喷口面积，即压缩机的接触进入的空气并且特征在于包括导流器直径、叶片进口角和叶片堵塞比在内的设计参数的部分，确定了压缩机流量。达到给定质量流量水平所需要的增压压力为发动机设计和流动特征的函数。压缩机的速度由其直径和叶轮叶片后曲度确定。涡轮机必须产生必需的功率来驱动压缩机在压缩机为达到发动机所需求的增压压力和质量流量而要求的速度下运行。因此，总存在折中方案来实现涡轮机匹配。
当涡轮机叶片叶尖速度除以等熵喷射出口速度(通常被称作U/Co)大约为0.7时，径流式涡轮机操作最佳。不幸地，未来发动机的若干设计特点使得这点难以实现。涡轮机的最大修正流量为其尺寸和叶片曲度的函数。超高增压压力减少了所需的最大涡轮机修正流量，包括废气再循环也是如此(EGR)。EGR本质上减少了发动机的新鲜空气容积效率，因此需要更高增压压力来传递所需的新鲜空气。这又需要更大的涡轮机功率，其通过增加发动机上的反压力而实现。
增加了涡轮机上的反压力的其它装置，如柴油机颗粒过滤器、各种类型的催化剂或涡轮机推动的复式涡轮机，也促使减少了所需的涡轮机修正流量。随着涡轮机放出的压力升高，并且涡轮机的压力比保持恒定以便产生需用功率，涡轮机的进口压力就显著增加。这种涡轮机进口压力的增加导致了更高密度的废气，进而导致了更低的修正流量。随着功率密度增加并且上述装置变得越来越常见，正确匹配涡轮机和压缩机的问题就更加突出。
实现良好的低发动机转速性能要求减少涡轮机流量以便产生良好的有效增压压力及最小的排气能量。这导致了变几何涡轮机的使用。在这种变几何涡轮机中，涡轮机几何被构置成受到控制以便减少涡轮机的流动面积并且产生更大的反压力。这种更高的反压力导致涡轮机的膨胀比增加，这样就起到了产生更大涡轮机功率的作用。
当变为极值时，例如当从空转快速地加速发动机时看到的情况，涡轮机性能相当差。这存在若干原因。第一，轮子和涡轮机喷嘴在偏离设计甚远处操作，并且U/Co并未处于最佳操作区。第二，涡轮机流动面积基本上封闭从而导致通过流量控制装置(例如可调叶片式喷嘴叶栅)的高压损失。
由于上述原因，常规型涡轮增压器将必须被构置为具有带有很小涡轮机的较大压缩机。为了消解这种情况，可以使用高纵倾度(大导流器尺寸)压缩机，其具有高后曲度以便增加涡轮增压器速度来改进涡轮机匹配情况。涡轮机还可以被构置为具有低纵倾度涡轮机以便匹配流动特征并迫使涡轮机的直径尽可能大。然而，从其它观点例如疲劳寿命、包装、效率、惯量等等来看，这些设计备选方案可能并不理想。
总之，未来的高速率、低排放涡轮柴油机将要求与目前常规型涡轮增压器所提供的涡轮增压器设计根本上不同的概念，其中常规型涡轮增压器包括由单径流式涡轮机驱动的单离心式压缩机。
为了克服以上所述不足，已经采取了不同的方法，每一种都涉及使用两个涡轮增压器。三种最盛行的两涡轮增压器构型通常被称作串联、并联/顺序或分级构型。所有三种概念的共同主题为在对应于最佳性能的速率范围的低端使用小涡轮增压器(其大概为标准满量程单级涡轮增压器尺寸的一半或者小于标准满量程单级涡轮增压器)。
由于许多原因，通过起始处使用较小涡轮增压器就实现了增强的瞬态性能。第一，压缩机不在效率很差的喘振线附近操作，而是更靠近峰值效率岛。第二，涡轮机还更小得多并且更好地匹配于低流动性。不管使用的是固定几何、排废门还是变几何涡轮机，这点都为真。对于固定几何和排废门涡轮机，涡轮机壳体A/r(其控制着流动特性)更靠近于效率最佳值。对于变几何涡轮机，涡轮机尺寸减小，并且喷嘴设置变得打开更多并减小了通过叶栅的流动损失。第三，较小的涡轮增压器具有较少的旋转组合惯量，因此消耗的涡轮机功率更少，从而增加了涡轮增压器的速度，并且更少的涡轮机功率应用于压缩机上以用于产生增压压力。
除了这些新式发动机的上述涡轮机匹配问题以外，已知传统型单涡轮机方法存在第二种涡轮增压器匹配问题。改进的低速下的发动机灵敏度与全速下的高功率水平结合产生了压缩机范围问题。使用现代化的空气动力分析来增加压缩机的流量范围产生了可观的改进。然而，它们仍然不符合发动机制造商的期望。这种压缩机喘振线(定义压缩机流量范围的一个参数)限制了许多发动机的低速转矩。
这种流量范围问题导致了如前所述的变几何压缩机的开发工作以及两涡轮增压器的使用。尽管变几何压缩机能够改进压缩机的性能，但它们向发动机增加了更多复杂性、活动部件、成本和控制元件。尽管分级、串联或并联/顺序设置结构中的多涡轮增压器能够帮助改进速率范围低端的发动机性能并且改进了压缩机范围，但它们还为发动机增加了成本、复杂性、重量和包装问题。
因此，就需要将涡轮增压器构造成使得可以提供一定的涡轮增压器匹配程度，这种匹配程度使得发动机能够产生所需BMEP水平并且符合法律规定的排放物限制。需要将此类涡轮增压器构造成能够容许利用最少的辅助改动来进行改进或者新应用。还需要将此类涡轮增压器构造成具有高的空间效率以便促进有效的发动机舱封装。
发明内容
本发明的涡轮增压器组件包括涡轮机壳体和可旋转地置于涡轮机壳体内的涡轮机叶轮。涡轮机壳体连接于轴的一端上。涡轮增压器包括中心壳体，该中心壳体连接于涡轮机壳体一端，并且构置成承载着位于其中的轴。压缩机壳体连接于中心壳体的与涡轮机壳体相对的部分上。
本发明的涡轮增压器包括可旋转地置于压缩机壳体内的压缩机。压缩机连接于轴上并且包括两个互相背靠背放置的叶轮。压缩机可以包括形成一体或者彼此分开的叶轮。压缩机壳体包括至少一个进气口，所述进气口用于将进入空气导入压缩机壳体以及导至压气机叶轮。
涡轮增压器还包括用于控制压缩机壳体内的空气流的装置。在一个示例实施例中，此类装置为可动构件的形式，其位于压缩机的下游并且构置成用于阻挡致动时由压缩机叶轮之一产生的增压空气通过。在优选实施例中，这种可动构件为环形并置于压缩机壳体壁腔内，并且设计成从空腔凸出所需的量以便减少增压空气通过。可动构件用来调节离开压缩机壳体的增压空气量以便贯穿发动机的整个操作范围和质量流量需求增强压缩机操作效率。
附图说明
通过参考以下附图，将会更清楚地理解本发明，其中：
图1示出了在内燃机内使用时的根据本发明的原理构造的涡轮增压器的一个实施例的示意图；
图2示出了在内燃机内使用时的根据本发明的原理构造的涡轮增压器的另一个实施例的示意图；
图3示出了在内燃机内使用时的根据本发明的原理构造的涡轮增压器的另一个实施例的示意图；
图4示出了在内燃机内使用时的根据本发明的原理构造的涡轮增压器的另一个实施例的示意图；
图5示出了在内燃机内使用时的根据本发明的原理构造的涡轮增压器的另一个实施例的示意图；
图6示出了在内燃机内使用时的根据本发明的原理构造的涡轮增压器的另一个实施例的示意图；
图7示出了在内燃机内使用时的根据本发明的原理构造的涡轮增压器的另一个实施例的示意图；
图8示出了在内燃机内使用时的根据本发明的原理构造的涡轮增压器的另一个实施例的示意图；
图9示出了本发明的涡轮增压器的一个实施例的示意性侧视图，其包括分离式轴向定位的进气口；
图10示出了本发明的涡轮增压器的另一个实施例的示意性侧视图，其包括分离式轴向定位的进气口和空气流量控制装置；
图11示出了本发明的涡轮增压器的另一个实施例的示意性侧视图，其包括分离式轴向定位的进气口、空气流量控制装置和致动装置；
图12示出了本发明的涡轮增压器的另一个实施例的示意性侧视图，其包括同心轴向定位的进气口和空气流量控制装置；
图13示出了本发明的涡轮增压器的另一个实施例的截面侧视图，其具有同心轴向定位的进气口和空气流量控制装置；
图14示出了本发明的涡轮增压器的另一个实施例的截面侧视图，其包括单个径向进气口；以及
图15示出了本发明的涡轮增压器的另一个实施例的截面侧视图，其包括双径向进气口和空气流量控制装置。
具体实施方式
本发明的涡轮增压器一般包括按照背靠背构型设置的双压缩机，它们特别设计成用于提供改进的涡轮匹配程度以便改进压缩机和涡轮机效率，并且产生所需的发动机空气质量流量速率，同时还满足发动机排放要求。这些涡轮增压器包括压缩机壳体和周围体系结构，该结构特别构造成将双压缩机容纳于其中，并且涡轮增压器设计成便于进气口按照理想地平衡的方式流向两个压缩机。这些涡轮增压器还可以包括用于调节离开压缩机壳体的增压空气量的装置，以便扩大压缩机操作范围，并且贯穿发动机的整个操作范围和质量流量需求增强压缩机操作效率。
图1示意性地示出了包括内燃机12的涡轮增压器型内燃机系统10，内燃机12可以为汽油机或柴油机，具有附连于其上的进气歧管14和排气岐管16。本发明的涡轮增压器18安装于发动机12附近并且包括涡轮机壳体，该涡轮机壳体包括置于其中的涡轮机叶轮或涡轮机20，其安装于置于中心壳体内的轴22上，而中心壳体安装于涡轮机壳体上。涡轮机叶轮20通过适当的连接装置24接收来自发动机的废气，连接装置24将排气歧管连接于涡轮机壳体上。
涡轮增压器18包括连接于中心壳体的相对轴端上的压缩机壳体，压缩机壳体包括可旋转地置于其中的双压缩机叶轮或者压缩机26和28。压缩机处于背靠背方位中，并且两个都连接于轴22上以便由涡轮机20旋转致动。压缩机壳体特别构造成具有进气口30，进气口30构置成用于将空气导向压缩机26和28中每一个。如下文中更详细所述，进气口可以根据特定应用和设计参数/目标情况而按照各种不同方式构置。此外，如下文中更好地说明，与常规型单压缩机涡轮增压器相比，压缩机具有特别的尺寸和构型以便提供改进的涡轮匹配情况，从而产生改进的压缩机效率和所需的BMEP改进。
冷却器32，例如空气对空气式供气冷却器，可用于减小离开压缩机壳体的增压空气的温度，并且其插入压缩机壳体与发动机进气歧管之间。
以上所述与所示的特定系统用于说明根据本发明构造的涡轮增压器的最基本的形式。如果需要的话，其它装置可以与本发明的涡轮增压器一起使用以便实现涡轮增压器性能的所需改变。例如，空气或者气流控制装置可以与本发明的涡轮增压器结合使用以便实现对进出涡轮增压器的空气流的控制。此类装置可以是涡轮增压器自身的一部分，或者可以与涡轮增压器分开。此外，可以理解本发明的涡轮增压器可以配置成使一个或多个变几何构件与涡轮机结合使用以用来控制正被导向涡轮机叶轮的废气量，或者与压缩机结合使用以用来控制离开压缩机壳体的增压气体量。
图2示意性地示出了涡轮增压器型内燃机系统34，其包括以上所指出的、图1中所示的相同通用部件。另外，该系统34包括位于压缩机26之一上游的流控制装置36。此类流控制装置可以位于压缩机壳体之内或之外，并且可以由发动机控制器或者根据发动机的特定运行条件来控制被导向压缩机的进入空气量的其它装置来致动以便控制喘流的开始发生，由此提供能满足特定发动机质量流量要求的最有效的压缩机操作。
图3示意性地示出了涡轮增压器型内燃机系统38，其包括以上所指出的、图1中所示的相同通用部件。另外，该系统38包括一种位于压缩机26之一下游的流控制装置40。此类流控制装置可以位于压缩机壳体之内或之外，并且可以由发动机控制器或者根据发动机的特定运行条件来控制被导向压缩机的进入空气量的其它装置来致动以便控制喘振流的开始发生，由此提供能满足特定发动机质量流量要求的最有效的压缩机操作。
图4示意性地示出了涡轮增压器型内燃机系统42，其包括以上所指出的、图1中所示的相同通用部件。另外，该系统42既包括图2中所示的位于压缩机26之一上游的流控制装置36，又包括图3中所示的位于压缩机26之一下游的流控制装置40。再次，这些流控制装置可以位于压缩机壳体之内或之外，并且可以由发动机控制器或者根据发动机的特定运行条件来控制被导向压缩机的进入空气量的其它装置来致动以便控制喘振流的开始发生，由此提供能满足特定发动机质量流量要求的最有效的压缩机操作。
图5示意性地示出了涡轮增压器型内燃机系统44，其包括以上所指出的、图1中所示的相同通用部件。另外，该系统44包括位于压缩机出口与入口之间的旁通流路径46和位于旁通流路径内的流控制装置48。在这个特定实施例中，一部分产生于压缩机壳体中的增压空气可以被导回压缩机而不经冷却，例如来自冷却器的上游。提供的旁通流路径容许离开涡轮增压器的增压空气与进入压缩机壳体的进入空气流通并混合。流控制装置48可以位于压缩机壳体之内或之外，并且可以由发动机控制器或者用于根据发动机的特定运行条件来控制被导向压缩机的增压空气量的其它装置致动以便增加压缩机流量范围，由此提供能满足特定发动机质量流量要求的最有效的压缩机操作。
图6示意性地示出了涡轮增压器型内燃机系统50，其包括以上所指出的、图1中所示的相同通用部件。另外，该系统50包括位于供气冷却器32与压缩机进气口之间的旁通流路径52和位于旁通流路径内的控制装置54。在这个特定实施例中，增压空气在受到冷却之后被导回压缩机，例如来自冷却器32的下游。提供的旁通流路径容许离开涡轮增压器的增压空气与进入压缩机壳体的进入空气流通并混合。流控制装置54位于压缩机壳体之内或之外，并且可以由发动机控制器或者用于根据发动机的特定运行条件来控制被导向压缩机的增压空气量的其它装置致动以便增加压缩机流量范围，由此提供能满足特定发动机质量流量要求的最有效的压缩机操作。
图7示意性地示出了涡轮增压器型内燃机系统56，其包括以上所指出的、图1中所示的相同通用部件。另外，该系统56包括位于涡轮机叶轮20上游的流控制装置58。此类流控制装置可以位于涡轮机壳体之内或之外。例如，流控制装置58可以呈位于涡轮增压器内的一个或多个变几何构件的形式，如美国专利No.6,269,642中所公开的流控制装置，它们在此均被引入作为参考。流控制装置可以由发动机控制器或用于根据发动机特定运行条件来控制被导向涡轮机叶轮废气量的其它装置致动。双压缩机和变几何涡轮机构件共同操作以便提供能满足特定发动机质量流量要求的有效涡轮增压器操作。
图8示意性地示出了涡轮增压器型内燃机系统60，其包括以上所指出的、图1和8中所示的相同通用部件。另外，该系统60包括位于压缩机26和28下游的流控制装置62。此类流控制装置62可以位于压缩机壳体之内或之外。例如，流控制装置62可以呈位于涡轮增压器内的一个或多个变几何构件的形式。流控制装置62可以由发动机控制器或用于根据发动机特定运行条件来控制压缩机壳体送出的增压空气量的其它装置致动。双压缩机、变几何压缩机构件和变几何涡轮机构件共同操作以便提供能满足特定发动机质量流量要求的有效涡轮增压器操作。
图9示出了本发明的涡轮增压器64的一个实施例，从右向左运动，其包括涡轮增压器壳体66，涡轮增压器壳体66包括可旋转地置于其中并且安装于轴70端部的涡轮机叶轮或涡轮机68，轴70穿过中心壳体72。垫板74插入中心壳体72与压缩机壳体76之间。双压缩机78可旋转地置于压缩机壳体内，安装于轴70的相对端上，并且配置成具有背靠背定向的叶轮面80与82。用于本发明的这种及所有涡轮增压器实施例的压缩机78可以构置成使得轴70完全或者仅部分地穿过其延伸。另外，压缩机可以构置成单一零件的形式，例如如所示，或者可以包括一个组件或多于一个零件。
压缩机壳体76特别构置成既容许向每个压缩机传送进入空气，又容许传送来自每个压缩机的增压气体。在这个特定实施例中，压缩机壳体包括两个分离的轴向定位的进气口；即，第一进气口通道84和第二进气口通道86，第一进气口通道84的位置邻近压缩机壳体的端部以便将进入空气沿轴向传送至压缩机面80，而第二进气口通道86与第一进气口84分开并且沿径向离开第一进气口84一定距离。第二进气口86包括第一段88和第二段94，第一段88从入口90沿轴向延伸一定距离进入压缩机壳体中并且限定于蜗壳92的外表面和压缩机壳体的内壁表面之间，而第二段94绕着压缩机壳体成圆形地延伸并且沿径向向内凸出。第二段94由蜗壳92的外表面与垫板74的内表面限定。穿过第二段的进入空气通过形成于蜗壳外壁表面与垫板之间的开口95被输送至压缩机第二面82。由压缩机78提供的增压空气穿过单一通道96而被沿径向从每个面80和82引导至蜗壳92。
图10示出了本发明的涡轮增压器98的一个实施例，其包括与对图9中所示实施例的以上描述相同的通用涡轮机壳体和中心壳体。这个特定实施例包括压缩机壳体，该压缩机壳体包括与上述描述相同的第一和第二进气口84和86，其构置成将空气输送至压缩机第一和第二叶轮面。压缩机壳体还包括置于其中的流控制装置100以便控制从压缩机78传送至蜗壳92的增压空气量。
在这个实施例中，流控制装置100以环形构件的形式提供，该环形构件可移动地置于插入压缩机与蜗壳之间的内侧喷嘴壁102的段之内。环形构件100置于腔104内，腔104的大小与形状适于将构件的一部分容纳于其中。环形构件100优选地具有外表面106，外表面106构置成紧接内侧喷嘴壁的直接相邻段，以便使任何不合需要的空气动力作用最小化。
在这个特定实施例中，环形构件112为具有圆头段的蕈形轮廓，圆头段被构置成用于使从压缩机运动至蜗壳的增压空气的迁移情况最小化，由此促使压缩机壳体内的不合需要的空气动力作用最小化。
示出了处于未致动与致动位置(以假想图形式)中的环形构件100。在未致动位置中，环形构件并不朝向外侧喷嘴壁凸出，就不会限制来自压缩机的增压空气通过。在致动位置中，环形构件朝向外侧喷嘴壁凸出限定距离，以便限制由压缩机第二面82产生的增压空气进入单通道96。环形构件可以由机械、液压、气动或电子装置致动以便按照所述方式凸出。环形构件朝内侧喷嘴壁凸出的程度由适当的限动装置控制。
按照这种方式的构型，环形构件100可以由发动机控制单元等等来操作，以便控制由压缩机产生的增压空气量，从而增加压缩机的流量范围，由此使压缩机效率最大化以便提供能满足发动机质量流量要求的所需BMEP。
图11示出了本发明的涡轮增压器112的一个实施例，包括与对图10中所示的实施例的以上描述相同的通用部件。这个实施例另外还包括用于致动环形构件100的装置114。致动装置114为双通阀的形式，构置成用于通过其运动而在例如位于环形构件和空腔之间的环形构件的背面与蜗壳92之间提供气流连通，或在环形构件的背面与第二空气通道94之间提供气流连通。在示例实施例中，阀116在阀口118内延伸，阀口118与空腔104保持气流连通。阀口118还与第二空气通道94和蜗壳92保持气流连通。这可以通过一两个不同的端口来实现。在所示的实例中，第一端口120将蜗壳92连接于阀口上，而第二端口122连接着第二空气通道94和阀口。
阀116构置成在放置于阀口内的一个旋转位置上时容许空气从蜗壳穿过其传送至空腔104，从而引起环形构件移入致动位置，并且构置成在放置于第二旋转位置上时容许空气从第二空气通道传送至空腔，从而引起环形构件移入未致动位置。按照这种方式的构型，可以例如通过气动、液压、机械或电装置来对阀进行操作，以便致动环形构件。
图12示出了本发明的涡轮增压器118的一个实施例，其包括与对图9中所示实施例的以上描述相同的通用涡轮机壳体和中心壳体部件。这个特定实施例包括具有单一或公共进气口121的压缩机壳体120，进气口121包括同心设置的第一和第二空气通道122和124。进气口121的位置沿轴向与压缩机126相邻。第一空气通道122位于压缩机轴向内侧一定距离处并且构置成用于将空气输送至压缩机第一面128。第二空气通道124的位置同心地绕着第一空气通道122，并且包括第一段130和第二段132，所述段的设计与对图9的实施例的以上描述类似并且被构置成用于将空气输送至压缩机第二面134。如果需要的话，扩散器135可以位于第二段132内以便在压缩机上游提供所需空气处理。
压缩机壳体120还包括置于其中的流控制装置136以便控制从压缩机126传送至蜗壳138的增压空气量。在这个实施例中，流控制装置136以环形构件的形式提供，该环形构件可移动地置于插入压缩机与蜗壳之间的外侧喷嘴壁140的段之内。在示例实施例中，包括有环形构件的外侧喷嘴壁的段可以为压缩机壳体的分离式件。环形构件136置于腔142内，腔142的大小与形状适于将构件的基座部分144容纳于其中。构件136优选地具有外表面145，外表面145构置成紧接外侧喷嘴壁140的直接相邻段、蜗壳138和相对的内侧喷嘴壁146，以便使不合需要的空气动力作用最小化。
在示例实施例中，环形构件136包括置于空腔外侧的沿着其轴端之一的头段。头部包括唇部148，唇部148由此沿径向向外凸出并且大小与形状适于形成蜗壳的边缘部分。唇部用于使得从压缩机移至蜗壳的迁移平滑进行，从而促使压缩机壳体内的不合需要的空气动力作用最小化。
图12中示出了处于致动位置的环形构件136，其朝着内侧喷嘴壁146向外凸出所需距离以便限制来自压缩机的增压空气通过。在示例实施例中，环形构件朝向内侧喷嘴壁凸出限定距离，以便限制由压缩机第一面128产生的增压空气通过。环形构件可以由机械、液压、气动或电子装置致动以便按照所述方式凸出。环形构件朝内侧喷嘴壁凸出的程度由适当的限动装置控制。在示例实施例中，限动装置由一对位于腔中和构件上的配合工作的构件提供。在示例实施例中，限动装置可以为企口接合机构。在一个优选实施例中，舌150在腔内凸出，其大小与形状适于对齐提供于环形构件内的凹槽152中。但这只是配合工作的构件的一种设置结构，应当理解多种其它设置结构也在本发明的范围与精神内。
按照这种方式的构型，环形构件136可以由发动机控制单元等等来操作，以便控制由压缩机产生的增压空气量从而使压缩机压缩机流量改进最大化，由此提供改进的压缩机效率以提供能满足发动机质量流量要求的所需BMEP。
图12中所示的本发明的实施例包括偏置机构154，用于使环形构件136偏置于腔142内的特定位置中。在优选实施例中，偏置机构136可以为一个或多个弹簧156的形式，弹簧156插入环形构件136与腔142之间以便引起环形构件从腔朝喷嘴内侧壁146向外偏置。在优选实施例中，环形构件包括多个弹簧，这些弹簧绕着环形构件等距离分布以便在涡轮增压器内提供所需偏置作用。
如所示，当偏置于这个位置时，环形构件用于减少由压缩机第一面128产生的增压空气进入蜗壳138。一旦压缩机126所产生的压力达到阈值量，就会促使弹簧提供的力偏移并且引起环形构件移进腔中，从而促使恢复传送来自压缩机第一面的增压空气。
图13示出了本发明的涡轮增压器160的一个实施例，其包括与对图12中所示实施例的以上描述相同的通用部件。这个特定实施例包括环形构件162，其不同于图12中所公开与所示的环形构件之处在于其不包括具有形成为蜗壳的一部分的唇部的头部分。相反地，其包括具有带边缘部分的表面的头部分，这些边缘部分的形状适于同外侧喷嘴壁140与蜗壳唇部166的相邻表面特征配合。另外，这个实施例的环形构件限动装置的不同之处在于环形构件构置成具有在形成于腔142的壁部分中的狭槽170内配合工作的销168。
为了进行参考与说明，在图13中，示出了处于致动与未致动位置的环形构件162。将会理解压缩机壳体内只有一个环形构件，并且其将处于致动或未致动位置而非同时处于这两个位置中。当放置于致动位置172中时，销168承靠着狭槽170的壁接合就促使限制环形构件向外行进，从而容许环形构件朝内侧喷嘴壁凸出所需距离以便减少从压缩机第一面128向蜗壳138传送增压空气。
图14示出了本发明的涡轮增压器174的另一个实施例，其包括与对以上所述和所示的这些实施例的描述相同的通用涡轮机壳体与中心壳体部件。这个特定实施例包括具有单个进气口178的压缩机壳体176，进气口178定位成用于相对于压缩机180沿径向引入进入空气。进气口178包括用于将进入空气分成两个不同气流通道182和184的隔板180，每个通道均绕着压缩机成圆形延伸以便将空气输送至相应的压缩机面186与188。在示例实施例中，两个气流通道构置成基本上互相对称。增压空气通过公共通道192从压缩机第一面186和第二面188移至蜗壳190。按照这种方式的构型，压缩机壳体按照对两个压缩机面而言基本上相同的条件提供进入空气以便保证压缩机性能。
图15示出了本发明的涡轮增压器194的另一个实施例，其包括与对以上所述和所示的这些实施例的描述相同的通用涡轮机壳体与中心壳体部件。这个特定实施例包括具有一个或多个进气口(未示出)的压缩机壳体196，其定位成用于相对于压缩机198沿径向引入进入空气。进气口导入两个不同的气流通道200与202中，每个通道均绕着压缩机成圆形延伸以便将空气输送至相应的压缩机面204与206。气流通道设计按叠放方位具有基本上相同的构型，即它们并不互相对称，以便在基本上相同的条件下向每个相应压缩机面204和206提供进入空气。
压缩机壳体198还包括置于其中的环形构件208以用于控制从压缩机导入蜗壳210的增压空气量。环形构件208可移动地置于外侧喷嘴壁214的腔212中。环形构件208包括表面部分216，表面部分216构置成在未致动位置中提供沿着外侧喷嘴壁面的平滑过渡。环形构件还包括邻近表面部分216的沿径向向内凸出的唇部218，其在致动位置中从腔凸出时用于阻挡来自压缩机第一面204的流或增压空气。
致动构件从腔凸出的程度由限动装置例如呈企口接合配合构件形式的限动装置来控制。在这个特定实施例中，环形构件包括从基座部分凸出的舌220，而腔包括具有与轴向环形构件运动的所需程度相适应的确定轴向长度的凹槽222。环形构件可以通过上述的相同方法来致动。
本发明的涡轮增压器包括压缩机，其尺寸和构型与常规型单压缩机涡轮增压器相比提供了改进的涡轮机匹配程度，以便产生能满足发动机质量流量要求的所需BMEP。本发明所使用的压缩机的关键特征在于它们的尺寸和构型适于提供改进的涡轮机转速匹配。具有单个压缩机的常规型涡轮增压器迫使涡轮机操作过慢，在低发动机转速范围中尤其如此。一个解决方案是增加压缩机相对于涡轮机的速度。空气动力学家可以通过增加出口导流器叶片的后曲度或增加用于固定压缩机直径的导流器区域来升高压缩机速度。然而，这些选择将会显著地增加前述低循环疲劳故障。
本发明的压缩机设计成具有两个按照背靠背设置的叶轮。使用相同的设计规格就容许将压缩机直径减小约0.7倍。背靠背式压缩机以与单个较大速度的压缩机相同的叶尖速度运行，因此应力将会类似，空气动力性能也是如此。然而，从这种构型中所获得的好处在于涡轮增压器的绝对转速增加40％，显著改进了涡轮匹配情况，甚至可容许涡轮直径减少。
由于能够减小涡轮直径，就减小了在发动机加速条件下的变喷管嘴流量损失，因为在相同流速下较小涡轮可以利用喷嘴处于开度更大的位置而操作。现在，空气动力学家就能够选择进行涡轮机直径的优化，使用出口导流器纵倾度(出口直径与入口直径比率的平方)和涡轮机叶片出口角来防止喷嘴损失。当涡轮直径降低时，用于给定低流动性条件的喷嘴开度更靠近最佳喷嘴设置(进入叶轮和喷嘴的喷口中的流向量组合)。此外，当涡轮直径降低时，必须保持最大涡轮流量，这可以通过涡轮机纵倾度增加和叶片缠绕降低(减小涡轮机叶轮的出口角)而实现。
本发明的涡轮增压器特别地设计用于解决以上描述的压缩机流量范围问题并提供喘振线改进，因为压缩机的粘性壁摩擦已经由于除去扩散器的一个壁而减小(当与在每个扩散器上带有毂和罩壁的两涡轮增压器叶轮相比时)。这个设计中已将毂线壁完全去除。本发明的涡轮增压器还可以包括进一步有助于喘振线改进的流控制装置。例如，使用此类流控制装置阻挡气流穿过压缩机之一将会促使喘流减小一半。
此类流量控制装置可以通过适当的控制装置来操作，以便在整个发动机操作范围上控制由压缩机产生的增压空气量，从而保证压缩机始终在其流量范围内操作，由此使压缩机能够有效地满足发动机的质量流量要求。
根据本发明的原理构造的涡轮增压器还可以提供使涡轮增压器尺寸缩小的可能，可以使重量减小2倍，而转动惯量减小8倍。涡轮增压器低速响应将会通过增加压缩机和涡轮机效率并减小旋转组合惯量而得以改进。最佳涡轮性能将会移动至显著更低的流量范围处，但涡轮最大流量将会得以保持。对于大部分操作范围而言，压缩机推力负载平衡将会得到平衡。罩下环境的热损失以及热惯量将会减小，从而显著改进催化剂熄火时间。特别是在与多涡轮构型相比较时，涡轮增压器封装和制造成本将会显著地改进。压缩机流量范围将会不再是对发动机低速性能的限制因素。
现在按照专利法规的要求对本发明进行详细描述，本领域的普通技术人员将会认识到对本文中所公开的特定实施例的改型和替代方案。此类改型属于本发明的范围和目的内。

Claims (10)

1.一种涡轮增压器组件，包括：
涡轮机壳体；
可旋转地置于涡轮机壳体内并连接于轴上的涡轮机叶轮；
连接于涡轮机壳体上并承载着轴的中心壳体；
连接于中心壳体上的压缩机壳体；
可旋转地置于压缩机壳体内并连接于轴上的压缩机，压缩机包括两个互相背靠背的叶轮，压缩机壳体包括至少一个进气口以便将空气导入压缩机壳体以及导至压缩机叶轮；以及
用于控制压缩机壳体内的空气流的机构。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器组件，其中压缩机壳体包括两个与相应压缩机叶轮处于气流连通的分离式进气口，其中进气口任选地定向成相对于压缩机沿轴向接收空气，并且其中进气口任选地定向成相对于压缩机沿径向接收空气。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器组件，其中压缩机壳体包括单个与相应压缩机叶轮处于气流连通的公共进气口，其中进气口定向成相对于压缩机沿轴向接收空气，并且其中进气口定向成相对于压缩机沿径向接收空气。
4.根据权利要求1所述的涡轮增压器组件，其中用于控制的机构包括环形构件，所述环形构件可移动地置于压缩机壳体内并且位于压缩机下游以用于控制压缩机内的增压空气流，其中环形构件任选地可移动地置于压缩机壳体的壁段内并且在放置于致动位置中时任选地定位成用于控制来自压缩机叶轮之一的增压空气流。
5.一种涡轮增压器组件，包括：
涡轮机壳体；
可旋转地置于涡轮机壳体内并且连接于轴上的涡轮机叶轮；
连接于涡轮机壳体上并且承载着轴的中心壳体；
连接于中心壳体上的压缩机壳体；
可旋转地置于压缩机壳体内并且连接于轴上的压缩机，压缩机包括两个互相背靠背的叶轮，压缩机壳体包括至少一个与每个压缩机叶轮处于气流连通的进气口；以及
环形构件，其可运动地置于压缩机下游压缩机壳体的壁间腔内以便在放置于致动位置中时控制来自压缩机叶轮之一的增压空气流。
6.根据权利要求5所述的涡轮增压器组件，其中压缩机壳体包括两个与相应压缩机叶轮处于气流连通的分离式进气口，其中进气口任选地设置成相对于压缩机沿轴向接收进入压缩机壳体的空气，并且其中进气口任选地定向成相对于压缩机沿径向接收空气。
7.根据权利要求5所述的涡轮增压器组件，其中压缩机壳体包括单个与相应压缩机叶轮处于气流连通的公共进气口，其中进气口任选地相对于压缩机沿轴向输送空气进入压缩机壳体，并且其中进气口任选地相对于压缩机沿径向输送空气进入压缩机壳体。
8.一种涡轮增压器组件，包括：
涡轮机壳体；
可旋转地置于涡轮机壳体内并且连接于轴上的涡轮机叶轮；
连接于涡轮机壳体上并且承载着轴的中心壳体；
连接于中心壳体上的压缩机壳体；
可旋转地置于压缩机壳体内并且连接于轴上的压缩机，压缩机包括两个互相背靠背的叶轮，压缩机壳体具有绕着压缩机同心放置的蜗壳并且包括单个进气口，所述进气口与两个同心定向的气流通道处于气流连通，每个气流通道与相应压缩机叶轮处于气流连通；以及
环形构件，其可运动地置于插入压缩机与蜗壳之间的压缩机壳体的壁间腔内以便在放置于致动位置中时控制来自压缩机叶轮之一的增压空气流。
9.一种为内燃机的燃烧提供增压空气的方法，这种方法包括：
将废气从内燃机引导至涡轮增压器的涡轮机壳体以便使可旋转地置于其中的涡轮机叶轮旋转，其中涡轮机叶轮的旋转引起压缩机也在压缩机壳体内旋转；
将空气导入压缩机壳体并且导至压缩机，压缩机包括两个用于产生增压空气的背靠背定向的叶轮；以及
根据内燃机的操作条件控制从至少一个叶轮离开压缩机壳体的增压空气流。
10.根据权利要求9所述的方法，其中控制包括使环形构件致动，环形构件可移动地置于压缩机壳体内以便伸入压缩机下游的气流路径。
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