CN101368488B - 具有非对称分开式涡形的可变几何结构涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有非对称分开式涡形的可变几何结构涡轮增压器，具体而言一种用于可变几何结构涡轮增压器的涡轮组件包括涡轮腔，涡轮腔限定出具有第一和第二涡卷的分开卷形，其中第一涡卷容积比第二涡卷小得多。第一涡卷将排气送入位于涡轮喉部上游的涡轮第一部分，同时第二涡卷将排气送入至少部分地位于喉部下游的涡轮第二部分。通过一个滑动活塞调节来自于第二涡卷的气流。可将第一涡卷针对低流量条件进行最优化，从而使得当活塞关闭时涡轮增压器有效地起到小的固定几何结构涡轮增压器的作用。涡轮腔具有被隔离壁分成两部分的进口，它们各自将排气送入两个涡卷，隔离壁的前缘位于进口嘴部的下游。

Description

具有非对称分开式涡形的可变几何结构涡轮增压器

技术领域

本发明涉及排气驱动的涡轮增压器。尤其涉及用于具有两组发动机汽缸的内燃机的涡轮增压器涡轮组件，每组汽缸都将排气排入各自的排气排出管线，各汽缸组的排气排出管线彼此分开。

背景技术

排气驱动涡轮增压器是一种连接在内燃机中通过压缩进入到发动机进气道空气的装置，该空气与燃料混合并在发动机中燃烧，从而增加内燃机的输出功率。涡轮增压器包括一个在压缩机腔内安装轴一端的压缩机轮和一个在涡轮机腔内安装轴另一端的涡轮。典型地，涡轮腔和压缩机腔相分开，并具有一个连接在涡轮腔和压缩机腔之间用于容纳该轴的轴承的中间腔。涡轮腔大体呈围绕在涡轮外并接收发动机排气的环状腔体。涡轮组件包括从腔体延伸入涡轮的喷嘴。排气从腔体穿过喷嘴流向涡轮，从而驱动涡轮。涡轮从排气中吸收能量并驱动压缩机。压缩机通过压缩机腔体的入口接收周围空气，空气被压缩机轮压缩并继而从腔体流向发动机进气道。

内然机不是定流设备，因为每个发动机汽缸在整个循环的压缩和燃烧/膨胀冲程期间都是封闭的。因此，通过特定气缸排放的排气流实际上是排气的一系列短的爆喷或脉冲，每个脉冲都相应于循环的排气冲程。在具有多汽缸的发动机中，一般来说，将汽缸“分成”两组会比较有利，这样一来，一组汽缸的排气进入一条排气排出管线，而另外一组汽缸的排气进入另一条排气排出管线。这两条管线接着将排气送入涡轮增压器，从而使得排气的两个流尽可能长地保持彼此分开。这样的布置能够利用排气流的“脉冲”效应。

在普通单涡形涡轮增压器中，由于两条流在进入涡轮增压器的涡轮腔时必须汇合和混合，因此脉冲效应还没有达到最优化，尤其是在低流速的情况下。当排气以低流速进入单个的大体积涡形时，涡轮中排气的脉冲能量不能有效地转换成机械能。

发明内容

本发明涉及一种更完全地利用双组发动机排气***脉冲能量的涡轮增压器的涡轮组件。本发明一方面，涡轮组件包括一个涡轮腔，其具有轴向延伸孔，并且具有围绕孔的分开涡形或“双涡卷”以接收来自发动机排气排出管线的排气。双涡卷限定出第一涡卷和与第一涡卷基本分开和隔开的第二涡卷，第一涡卷相对于沿着排气流过涡轮腔的孔的轴流方向位于第二涡卷的上游。有利地，第一涡卷具有一个相对第二涡卷显著较小的容积。组件还包括可旋转地安装在孔中的涡轮，涡轮包括毂和多个周向相间隔的叶片，叶片连接到毂上并从毂大致径向向外延伸至叶片尖端。叶片限定了位于其间的叶片通道，每个叶片通道具有一个喉部，在喉部处叶片通道的流通面积最小。叶片尖端的径轴向凸出部限定出的轮廓具有在轴向上位于喉部上游的第一部分以及在轴向上位于第一部分下游的第二部分，第二部分至少有一部分在轴向上位于喉部的下游。

涡轮腔中的排气入口允许排气进入到第一和第二涡卷，排气入口设置成将第一和第二涡卷与来自于发动机的两条排气排出管线流体连通，并当流进入并通过两个涡卷时仍然保持两个排气流间基本分开。

第一涡卷的出口部分引导排气基本仅流向涡轮轮廓的第一部分，且第二涡卷的出口部分引导排气基本仅流向涡轮轮廓的第二部分。

优选实施例中，涡轮组件还具有可变几何结构机构并且布置为用于控制从第二涡卷至涡轮的流通面积。有利地，在仅用第一涡卷就足够的工作条件下，可变几何结构机构可操作以基本防止从第二涡卷到涡轮的任何流动。通过这样的布置，可以配置第一涡卷及其出口部分以被优化，从而在如低发动机速度这样的低流量条件下起到固定几何结构涡轮(第一涡卷带或不带导向叶片)的作用。当需要更高流率的情况下(例如，高发动机速度/负荷)，可通过可变几何结构机构将第二涡卷打开。两个涡卷基本分开有利于保持不同排气流的优势。同时，当可变几何结构机构将第二涡卷关闭时，两条排气线都将排气输入第一涡卷。利用这样的设计，当发动机低速运转使得排气流速低时，所有的排气都送入第一涡卷(通过可变几何结构机构关闭第二涡卷)。可将第一涡卷对低流速条件最优化，从而相比于普通的排气穿过大体积涡形的单涡形涡轮增压器而言，使得排气中的脉冲效应能更有效地转化成涡轮中的机械能。

在一个实施例中，可变几何结构机构包括一个位于涡轮腔的孔中从而在其中可轴向滑动的管状活塞。涡轮腔包括隔离壁，将引导排气到涡轮中的第一和第二涡卷的出口部分隔开，并且活塞可在关闭位置和打开之间滑动，在关闭位置活塞的上游端靠近隔离壁从而能基本关闭第二涡卷的出口部分，并且在打开位置活塞的上游端与隔离壁分离使得基本上第二涡卷出口部分的全轴向宽度不被活塞覆盖。

在一个实施例中，多个周向隔开的叶片设置在靠近第二涡卷出口部分的位置，从而引导排气进入涡轮。活塞和叶片在径向上至少部分地交迭，并且活塞还具有接收至少叶片的一部分的凹陷处。

根据一个实施例，涡轮叶片尖端的径向-轴向凸出部所限定的轮廓包括在径向向外方向凹陷的凹陷部，并且活塞具有径向内表面，该径向内表面在径向-轴向凸出部中的部分在径向向内方向上凸出，并且在形状上基本与轮廓的凹陷部分互补。

涡轮轮廓的第一部分具有轴向宽度B，一个实施例中第一涡卷出口部分的轴向宽度基本等于宽度B。

在一个实施例中，第一涡卷的容积显著小于第二涡卷。在另一个实施例中，第一涡卷的容积小于第二涡卷的一半。

附图说明

进行了概括性地描述之后，现在参考附图进行详细描述，附图不一定根据比例尺寸绘制，其中：

图1是根据本发明一个实施例中涡轮组件的部分截面透视图，其中活塞位于关闭位置；

图2与图1类似，活塞位于打开位置；

图3是涡轮组件的部分截面侧视图，其中活塞位于关闭位置；

图4是涡轮组件的部分截面端部视图。

图5是沿着垂直于涡轮组件纵轴的平面的涡轮组件截面视图；

图6是沿图4中线6-6的截面图；

图7是涡轮组件的轴向截面图，其中活塞位于打开位置。

具体实施方式

现参考列举了部分而不是全部实施例的附图，对本发明进行全面地描述。实际上，本发明的实施例可以有很多不同的形式，并不局限于所描述的这些；另外，提供这些实施例使得本公开将满足可应用的法律要求。相同的数字代表相同的部件。

根据本发明的一个实施例，用于涡轮增压器的可变几何结构涡轮组件100通过附图1-6的各种视图进行描述。此涡轮组件尤其适于用在连接在双发动机汽缸组内燃机的涡轮增压器上，每一气缸组将排气送入一个排气排出管线，该排气排出管线与另一个气缸组的排气排出管线分开。涡轮组件包括具有沿轴向延伸的孔112的涡轮腔110。涡轮腔限定出围绕孔112的分开涡形或双涡卷114，以用于从发动机排气排出管线接收排气。双涡卷限定出第一涡卷114a和与第一涡卷基本分开并隔离的第二涡卷114b。每个第一或第二涡卷大致呈沿着涡轮组件轴线圆周地延伸的环形或螺旋形室。相对于排气沿其流过涡轮腔的孔112的轴向流动方向(图1中箭头115所示)，第一涡卷114a位于第二涡卷114b的上游。

涡轮组件100还包括可旋转地安装于孔112中的涡轮120，涡轮包括毂122和多个周向隔开地连接在毂上并从毂径向向外延伸至叶片顶端的叶片124。叶片124限定出其间的通道，每个叶片通道具有在该处叶片通道流动面积最小的喉部(如图7中的数字126所示)。叶片尖端的径向-轴向凸出部限定出轮廓128，轮廓128具有在轴向上位于喉部上游的第一凸起128a和在轴向上位于第一凸起下游的第二凸起128b，第二凸起128b的至少一部分在轴向上位于喉部的下游。

主要参考图4-6，涡轮组件包括由涡轮腔110限定的排气进口130，其用于将排气输送到第一和第二涡卷114a，114b。排气进口构造为使第一和第二涡卷均与来自于发动机的两个不同排气排出管线L1和L2流体连通。以例如通过提供一个隔离壁132的方式，将进口132分成两个部分130a和103b(图6所示)，部分130a设置为将排气主要提供给第一涡卷114a，第二部分130b设置为将排气主要提供给第二涡卷114b。隔离壁的前缘134与进口130的嘴部在流向上间隔开，如图4最佳所示。因此，当两条排气排出管线与进口130相连从而将各自的排气蒸气送入进口嘴部时，来自两条管线中的气体都可以流入涡卷114a，114b中指定的一个。例如，如下进一步所述，在一些运转条件下，第二涡卷114b的出口可有效地关闭，从而使得来自于发动机的两条排气排出管线的排气必须流过第一涡卷114a。隔离壁132的前缘与进口的嘴部在流向上间隔的布置允许这种情况发生。然而，当两个涡卷的出口都打开时，进口130两部分中的排气蒸气主要输送到相应的涡卷114a，114b，两个流间不会出现“交叉输送”或混合(例如，其中之一的蒸气主要送入第一涡卷114a，另外一个蒸气主要送入第二涡卷114b)。

第一涡卷114a具有构造为引导排气基本仅进入涡轮叶片轮廓128第一部分128a的出口部分116a。第二涡卷114b具有构造为引导排气基本仅进入涡轮叶片轮廓128第二部分128b的出口部分116b。通过这样的布置，当排气仅从第一涡卷114a进入涡轮120时，涡轮增压器起到固定几何结构涡轮增压器的作用，并且第一涡卷的几何形状可对低流速条件进行最优化，此时仅从第一涡卷获得的流量已经足以满足发动机从涡轮增压器获得的增压需要。在一些实施例中，第一涡卷的容积显著小于第二涡卷。例如，第一涡卷的容积小于第二涡卷容积的一半。

在其他具有更高排气流速的运转条件下，需要两个涡卷114a，114b为涡轮提供气体。涡轮组件100包括用于调节第二涡卷114b流量的可变喷嘴机构。此可变喷嘴机构可以为任何已知类型，但优选地，其应当为这样的类型，即允许第二涡卷出口116b在某些运转条件下有效地完全关闭(除了可能的微小泄漏流)，在另一些运转条件下完全打开从而允许从出口116b进行基本无限制的流动，并且在其他运转条件下还可以实现可变角度的部分打开。活动叶片或滑动活塞可达到上述目的。在图示的实施例中，机构包括位于涡轮腔的孔112中的大致管状的活塞140，使得活塞可在孔中轴向滑动。这样的滑动活塞自身是已知的，因此不需要在此对活塞140进行详细描述，除非活塞的某一方面对于现有的涡轮组件来说尤为重要。

在这点上，涡轮组件包括安装在大体环形的环150上的固定叶片160。具有叶片160的环150安装在涡轮腔内从而使得环150靠在将第一涡卷114a的出口116a与第二涡卷114b的出口116b分隔开的壁118上。叶片160布置成围绕环150的圆周在周向上间隔开的环形阵列。叶片从环150处沿大致平行于下游方向115(图1)的方向向着涡轮腔的对面壁轴向延伸，因此其穿过第二涡卷114b的出口部分116b。叶片160用于引导排气以一个有利的方向进入涡轮轮廓的第二部分128b。活塞140的上游端部分在其径向外表面具有狭槽或者凹陷处144。当活塞位于关闭或部分打开位置的时候，每个凹陷处144接收一个叶片160的径向向内的部分，最好如图4所示那样。换句话说，活塞140与叶片160在径向方向上部分重合。当活塞处于图1所示的完全关闭位置时，叶片160的自由端邻接或几乎邻接活塞的轴向相对面146(图2，6和7所示)。当活塞完全打开时，活塞的上游端与隔离壁118及环150相隔开，使得第二涡卷114b的出口部分116b的基本全部轴向宽度都不被活塞覆盖。可以通过作为一个或多个运转参数(如发动机速度、所需负荷等)的函数来实现的对活塞140轴向位置的调整，来调节从第二涡卷114b进入到涡轮的排气流。

如图7所示，在本发明一些实施例中，涡轮的轮廓128包括在径向向外方向凹陷的凹陷部，活塞140具有径向内表面，该径向内表面位于径向-轴向凸出部中的部分在径向向内方向上凸起，并在形状上与轮廓的凹陷部基本互补。以上述方式成形活塞有利于当活塞从完全关闭位置刚进入打开位置时按期望的方向引导排气流。

对本领域技术人员而言，根据前述的描述和附图的教导，能了解本发明的诸多优势，并能想到本发明更多的修改和其他实施例。因此，很容易理解，本发明不仅仅局限于所描述的实施例，更多的修改和其他的实施例也包含在权利要求的范围之内。尽管用到了特定的术语，但它们仅仅是以一般以及描述的方式出现，而并不是为了进行限制。

Claims (10)

1.一种涡轮增压器的涡轮组件，该涡轮增压器用于具有两组发动机汽缸的内燃机，每一组都具有多个发动机汽缸，每一组的多个发动机汽缸将排气排入与另一组汽缸的排气排出管线分开的排气排出管线中，所述涡轮组件包括：

涡轮腔，其具有沿轴向延伸的孔和围绕所述孔用于接收来自于发动机排气排出管线的排气的双涡卷，双涡卷限定有第一涡卷和与第一涡卷分开并隔离的第二涡卷，相对于排气流过涡轮腔的孔的轴向流动方向第一涡卷位于第二涡卷的上游；

可旋转地安装在所述孔中的涡轮，该涡轮包括毂和多个周向隔开的叶片，所述叶片连接在毂上并从毂大体径向向外延伸并终止于叶片顶端，叶片限定出叶片间的通道，每个叶片通道具有叶片通道流动面积最小的喉部，叶片尖端的径向-轴向凸出部限定出轮廓，所述轮廓具有在轴向上位于喉部上游的第一部分和在轴向上位于第一部分下游的第二部分，第二部分的至少一部分在轴向上位于喉部的下游，其中，所述轮廓包括在径向向外方向凹陷的凹陷部；

由涡轮腔限定用于允许排气进入第一和第二涡卷的排气进口，所述排气进口使得第一和第二涡卷与来自于发动机的两个排气排出管线流体连通；

第一涡卷具有构造为引导排气仅进入所述轮廓的第一部分的出口部分；

第二涡卷具有构造为引导排气仅进入所述轮廓的第二部分的出口部分；和

可变几何结构机构，所述可变几何结构机构包括位于涡轮腔的孔中从而可在其中进行轴向滑动的管状活塞，涡轮腔包括将引导排气进入涡轮的第一和第二涡卷的部分分隔开的隔离壁，活塞可在关闭位置和打开位置之间滑动，在关闭位置活塞的上游端靠近隔离壁从而能关闭第二涡卷的出口部分，在打开位置活塞的上游端与隔离壁间隔开使得第二涡卷的出口部分的全部轴向宽度不被活塞覆盖，

所述活塞具有径向内表面，所述径向内表面位于径向-轴向凸出部中的部分在径向向内方向上凸起，并在形状上与轮廓的凹陷部基本互补。

2.如权利要求1所述的涡轮组件，其中轮廓的第一部分具有轴向宽度B，且引导排气进入涡轮的第一涡卷的出口部分具有一个与宽度B相等的轴向宽度。

3.如权利要求1所述的涡轮组件，其中第一涡卷不具有导向叶片。

4.如权利要求1所述的涡轮组件，其中第一涡卷的容积显著小于第二涡卷的容积。

5.如权利要求4所述的涡轮组件，其中第一涡卷的容积小于第二涡卷的容积的一半。

6.如权利要求1所述的涡轮组件，其中所述可变几何结构机构构造并布置为调节从第二涡卷通向涡轮的流动面积。

7.如权利要求6所述的涡轮组件，其中在仅用第一涡卷就足够的工作条件下，可变几何结构机构可操作以防止从第二涡卷到涡轮的任何流动。

8.如权利要求1所述的涡轮组件，还包括靠近第二涡卷的出口部分布置以引导排气进入涡轮的多个周向间隔开的叶片。

9.如权利要求8所述的涡轮组件，活塞和叶片在径向上至少部分地交迭，活塞包括接收叶片的至少一部分的凹陷。

10.如权利要求1所述的涡轮组件，其中涡轮腔限定出接收来自于发动机的排气排出管线的排气并沿进入第一和第二涡卷的流动方向引导排气的进口，该进口具有将进口纵向部分分成第一和第二部分的隔离壁，此隔离壁具有在流动方向上与进口的嘴部间隔开的前缘。

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