CN101460710A - 具有双废气门的涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮增压器废气门阀组件，所述涡轮增压器废气门阀组件包括与废气入口的第一部分连通的第一旁路口，和适于接合和密封被第一旁路口包围的第一阀座的第一阀构件。所述涡轮增压器废气门组件进一步包括与废气入口的第二部分连通的第二旁路口，和适于接合和密封被第二旁路口包围的第二阀座的第二阀构件。轴支撑每一个阀构件绕轴的轴线旋转，以分别从与第一和第二阀座的密封接合部提升第一和第二阀构件。第一阀座相对于第二阀座倾斜，并且轴在轴向方向上具有运动自由度。

Description

具有双废气门的涡轮增压器
技术领域
本发明涉及一种废气门涡轮增压器(wastegated turbocharger)。具体地，本发明涉及一种用于设有入口分开的(divided inlet)涡轮机的涡轮增压器的双废气门口和阀组件。
背景技术
众所周知，涡轮增压器是用于在大气压以上的压力(增压)下将空气供应给内燃机的吸入口的设备。普通涡轮增压器基本上包括废气(exhaustgas)驱动的涡轮机叶轮，所述废气驱动的涡轮机叶轮安装在在涡轮机壳体内可旋转轴上，所述涡轮机壳体连接在发动机出口总管的下游。涡轮机叶轮的旋转使在压缩机壳体内安装在轴的另一端上的压缩机叶轮旋转。压缩机叶轮将压缩空气输送到发动机吸入总管。涡轮增压器轴通常由位于连接在涡轮机与压缩机叶轮壳体之间的中心轴承套内的轴颈轴承和推力轴承(包括适当的润滑***)支撑。
在已知的涡轮增压器中，涡轮级包括涡轮室，涡轮机叶轮安装在所述涡轮室内。环状入口通路限定在面对的径向壁(facing radial wall)之间，所述面对的径向壁布置在涡轮室的周围。入口蜗壳布置在入口通路周围，而出口通路从涡轮室延伸。这些通路和室连通，以使得允许进入入口室的加压废气经由涡轮机叶轮通过入口通路流动到出口通路，并使涡轮机叶轮旋转。还已知的是通过在入口通路内设置叶片(称为喷嘴叶片)以偏转流动通过入口通路的气体朝向涡轮机叶轮的旋转方向而提高涡轮机性能。
涡轮机可以是固定几何结构型或可变几何结构型。可变几何结构型涡轮机与固定几何结构型的涡轮机的不同在于入口通路的大小可以变化，以在质量流速范围内最优化气体流动速度，以使得涡轮机的动力输出可以变化，以适于变动的发动机需求。例如，当输送给涡轮机的废气的体积相对小时，到达涡轮机叶轮的气体的速度被保持在一值下，所述值通过减小环状入口通路的大小而确保有效的涡轮机运转。设有可变几何结构涡轮机的涡轮增压器被称为可变几何结构涡轮增压器。
涡轮增压器涡轮机可以设有称为废气门的阀控制旁路口，以能够控制涡轮增压器增压和/或轴速度。废气门阀(通常为提升阀)被控制，以当增压空气的压力朝向预定值增加时打开废气门口，从而允许废气中的一些绕过涡轮机叶轮。通常，废气门口开口到旁通通路内，所述旁通通路使旁通气体流转向到涡轮机出口，或者将其排到大气。废气门阀可以由包括电致动器的各种装置致动，但是具体地通常由气动致动器致动，所述气动致动器由被压缩机叶轮输送的增压操作。
旨在安装在具有两排气缸的发动机上的涡轮增压器可以设有具有分开的入口蜗壳的涡轮机。这就从发动机气缸组中的每一个为涡轮机叶轮提供分离的平行气体进入流动路径，以使得将废气的单独的推进力更有效地传递给涡轮机叶轮。这种入口分开的涡轮机的废气门排气需要用于每一个单独的入口路径的两个废气门口，所述两个废气门口由双废气门阀机构控制。
设置在确保每一个阀座均正确地位于闭合位置的同时实现双废气门口的同时打开和闭合的双废气门阀机构是有问题的。日本公开待审的专利申请No.57-137619中公开了双废气门阀机构早期的示例，所述双废气门阀机构包括安装在一个支撑臂上的一对阀构件。该申请公开了一种双废气门阀机构，所述双废气门阀机构包括直接固定到连杆支撑构件的两个阀构件，以使得支撑构件的运动使两个阀构件一起移动。然而，即使支撑构件的相对轻微变形都可以导致阀中的一个阀或两个阀非正常地闭合，以使得废气流可以泄漏通过相应的废气门口。日本公开待审的实用新型申请No.62-183033中公开了对这种机构的改进。在这种机构中，通过允许阀构件相对支撑构件做一些运动的销将每一个阀构件不紧固地连接到支撑构件，这种运动自由度容许支撑构件的微小变形。然而，在增压到达预定值之前，在每一个阀构件与支撑构件之间的运动的过自由度可以导致一个或另一个阀构件过早地打开。
美国专利5,046,317中公开了提出对上述机构作进一步改进的双废气门阀机构。在此机构中，一对废气门阀构件(提升阀)不紧固地安装到连杆支撑构件，并具有相对支撑构件有限的运动自由度。此外，支撑构件枢转地连接到在两个阀构件的中点处的支撑臂，以允许支撑构件自身相对废气门口小范围地枢转运动。阀门构件在支撑构件上的运动自由度与支撑构件在支撑臂上的运动自由度的结合据说容许(或适应)阀座高度差，同时确保当废气门口闭合时每一个阀构件牢牢地且适当地位于其阀座上。
美国专利No.5,996,348中公开了另一双废气门阀机构。该专利采用不同的方法提供一种机构，该机构允许两个阀构件的同时打开和闭合、同时允许两个阀构件之间有限的运动自由度。每一个阀构件(提升阀)均安装到从相应的轴以一定角度延伸的相应的臂，以使得轴的旋转升高或降低相应的提升阀，从而打开和闭合废气门口。两个轴同心布置，并在它们远离提升阀的端部处焊接在一起，在该点处，两个轴连接到共用致动杠杆，以使得杠杆的运动使两个轴一起旋转，从而同时打开或闭合废气门口。虽然轴在一端处被焊接在一起，但是它们独立地扭转，其目的是允许轴分别容许安装公差或阀座的变形，从而当阀闭合时使每一个提升阀位于正确的位置。
虽然美国专利5,046,317和5,996,348中提出的最新的双废气门机构解决了早期建议中的缺点，但是它们是相对复杂的机构，而且易于磨损。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的双废气门阀机构，所述双废气门阀机构实现双废气门口的打开和闭合。
根据本发明，提供了一种涡轮增压器废气门阀组件，所述涡轮增压器废气门阀组件包括：
第一旁路口，其与废气入口的第一部分连通；
第一阀构件，其适于接合和密封包围所述第一旁路口的第一阀座；
第二旁路口，其与废气入口的第二部分连通；
第二阀构件，其适于接合和密封包围所述第二旁路口的第二阀座；
轴，其支撑每一个阀构件绕轴的轴线旋转，以分别从与所述第一和第二阀座的密封接合状态提升所述第一和第二阀构件；
其中，所述第一阀座相对所述第二阀座倾斜，并且所述轴在轴向方向上具有运动自由度。
利用本发明，施加在阀构件(优选地为提升阀)的反作用力在轴的轴向方向上具有分量，根据轴在轴向方向上的运动自由度，所述分量提供定中心作用(centering action)。
阀座可以位于或者朝向彼此倾斜的平面内(成“V”形)，或者在相互远离的平面内(成倒“V”形)。
阀座优选地以大于90°(包括90°)的角度倾斜。
每一个阀座优选地与相应的阀座平面的相交线等距离，但是可选地，一个阀座的位置可以比另一个更靠近所述相交线。
轴的轴向方向优选地在平行于含有连接两个阀座的中心的线的平面的方向上延伸，并且在阀座与相应的平面的相交线等距离的情况下，轴向方向优选地平行于连接两个阀座的中心的线。可选地，阀座可以相对轴线偏离，以使得一个阀座比另一个阀座更靠近轴线。
阀构件优选地不紧固地固定到支撑轴，以使每一个阀构件的一定程度的运动自由度能够改进定位。然而，阀构件可以刚性地固定到轴(或者优选地固定到从轴横向延伸的支撑部)。
从以下的说明理解本发明的其它可选和优选的特征。
附图说明
下面参照附图描述本发明的实施例，其中：
图1示意性地示出了具有双废气门阀组件的现有技术的涡轮增压器；
图2示意性地示出了根据本发明的第一实施例的双废气门阀组件；
图3是图2的双废气门阀组件的侧视图；
图4是根据本发明的废气门阀组件的第二实施例的示意图；以及
图5是图4的废气门阀组件的剖视图。
具体实施方式
参照图1，示出了具有上述美国专利5,046,317中公开的分开的涡轮入口和双废气门阀组件的涡轮增压器。图示的涡轮增压器包括通过中央轴承套(bearing housing)3互连的涡轮机1和压缩机2。涡轮机1包括涡轮机叶轮4，所述涡轮机叶轮4安装在位于涡轮机壳体6内的涡轮轴5的一端上。压缩机2包括压缩机叶轮7，所述压缩机叶轮7安装在位于压缩机壳体8内的涡轮轴5的另一端上。涡轮轴5绕涡轮增压器轴线在位于在轴承套3内的轴承组件(未示出)上旋转。
涡轮机壳体限定具有平行的废气入口路径9和10的分开的入口蜗壳，所述平行的废气入口路径9和10经由环状入口通道11将废气输送给涡轮机叶轮4，并经由轴向出口通道12将废气排出涡轮机壳体。
压缩机壳体2限定轴向入口13和出口蜗壳14。
通过涡轮机1的废气流使涡轮机叶轮4旋转，而涡轮机叶轮4的旋转又使安装在涡轮轴5的相对端的压缩机叶轮7旋转。当压缩机叶轮7旋转时，通过轴向入口13将空气吸入，并在增压下经由出口蜗壳14将空气输送到内燃机的气缸(未示出)。
涡轮机1是废气门涡轮机(wastegated turbine)，因而每一个废气入口路径9和10设有经由双废气门阀组件与旁通气体通道连通的相应的废气门口15和16。双废气门阀组件包括一对废气门阀构件，即，不紧固地安装到连杆支撑构件20的相对端的提升阀(poppet)18和19。每一个提升阀均具有允许每一个提升阀的精确位置稍微移动的有限的运动自由度，从而适应(或容许)围绕每一个出口旁路口9、10的开口限定的相应的阀座的高度的小变化。
支撑构件20安装到支撑臂21的一端，所述支撑臂21延伸通过涡轮机壳体的壁22，并在其相对端处连接到致动器臂23。轴衬24设在涡轮机壳体壁22内，以容许支撑臂21旋转。
固定到支撑构件20的支撑臂21的端部相对于支撑臂21的旋转轴线以直角弯曲。支撑臂21的相对端连杆连接到致动器臂23，以使得致动器臂的往复运动(如箭头25所示)使支撑臂21旋转，而支撑臂21的旋转又使连杆支撑构件20和提升阀18、19运动，以同时打开或闭合废气门口9、10。支撑臂21的末端(tip)固定到支撑构件20，以便允许支撑臂21的末端与支撑构件20之间有限的角运动。具体地，支撑臂21的末端与支撑构件20之间的枢转连接旨在提供定中心作用(centering action)，以提高提升阀的准确定位。
废气门阀组件被控制以当由压缩机2产生的增压到达预定值时打开，从而允许流动通过涡轮机入口路径9和10的废气的一部分绕过涡轮机叶轮4，从而限制由压缩机产生的增压的进一步增加。旁通气体通道17可以连通到大气(如美国专利5,046,317中所建议的)，或者例如可以与涡轮机出口通道连通，以使得旁通气体流与涡轮机叶轮4下游的主要废气流合并。
现在参照图2和图3，途中示出了根据本发明的双废气门口和阀组件。但是仅说明了与本发明相关的那些细节。例如，涡轮增压器的其它细节(如涡轮机壳体的结构和平行的废气入口路径，和废气门口与入口路径连通的方式)可以整个为常规的，并且可以例如具有图1中图示的普通结构。
图2是通过涡轮增压器涡轮机壳体的一部分的透视剖面，示出了根据本发明的延伸通过壳体壁32的双废气门口30和31以及双废气门阀组件33。是图3是图2中的箭头A的方向上的视图。将被理解的是，废气门口30和31与分开的涡轮机入口(未示出)的相应的废气流动路径(未示出)连通，所述分开的涡轮机入口例如可以与图1中所示的结构大致相同。
废气门口30在涡轮机壁32的第一表面34处开口，而废气门口31在涡轮机壁32的第二表面35处开口。第二壁表面35朝向第一表面34倾斜，从而形成浅V形状。因此，限定在每一个废气门口30、31的开口周围的表面34、35上的各个阀座优选地类似地朝向彼此倾斜，以使得一个阀座的平面在废气门口31、32的开口的中心之间的大致等间距的线处与另一个阀座的平面相接。
废气门阀组件33包括一对废气门阀构件，在这种情况下为固定到阀构件支撑件38的提升阀36和37，所述阀构件支撑件38安装在阀轴39的一端上，以便与其一起旋转。阀轴39沿轴线40延伸，所述轴线40优选地平行、但横向偏离于连接每一个阀口30和31的开口的中心的线。轴39被配合到通过壳体壁部42的孔的轴衬41支撑，用于绕轴线40旋转。径向延伸杠杆臂43固定到与阀构件支撑件38相对的轴39的端部。
阀构件支撑件38包括牢牢地固定到轴39的套筒部44，和从套筒44横向延伸的板(flag)部45。每一个阀构件36、37均固定到支撑构件板部45，以使得阀构件36、37的密封表面36a、36位于平行于相应的废气门口阀座的平面的平面内。阀构件36、37优选地“不紧固地”固定到支撑构件38，以允许绕垂直于相应的阀座的平面的轴线的有限的运动自由度，从而例如容许阀构件支撑件38相对于壳体壁32的表面34和35微小地变形。在图示的实施例中，这由将每一个阀构件以普通方式不紧固地铆接固定到支撑构件38而实现。
根据本发明，轴39在轴衬41内可轴向滑动，并具有在轴向方向上的运动自由度，所述在轴向方向上的自由度通过将套筒44和轴衬41邻接在壁构件42的一侧上和将杠杆臂43和轴衬41邻接在壁构件42的相对侧上被限定。
在使用中，废气门阀致动器(未示出)连接到杠杆臂43，以使杠杆臂43往复通过小角度，从而充分地旋转轴39，以打开和闭合废气门口30和31。例如，致动器可以为通过致动臂(未示出)连接到杠杆臂43的普通气动致动器，所述致动臂响应于涡轮压缩机内的压力而往复运动。本领域中有许多这种致动器的示例。通常，致动器将被弹簧偏压以将废气门阀保持在闭合位置，除非该弹簧偏压被传递给致动器的增压克服，从而使废气门阀打开。然而，也可以使用其它形式的致动器，如根据被监测的增压而控制的电致动器。如图2中所示的杠杆臂43在顺时针方向上旋转通过小角度将使轴39旋转，这又使轴39绕轴的轴线40旋转阀构件支撑件38，以提升阀构件36和37，从而打开废气门口30和31。
如图2中所示在逆时针方向上施加到杠杆臂的致动力将通过使阀构件36和37停留在相应的壳体表面34和35上而闭合废气门口30和31。将阀构件36和37不紧固地连接到阀构件支撑件38将允许每一个阀构件稍微移动，以容许阀或支撑件38座的微小变形或磨损。此外，当施加力以将阀构件保持在闭合位置时，倾斜阀座和轴沿其轴线的运动自由度的结合将易于使阀构件固定在它们的阀座中心上。
本发明因此提供了一种双废气门口和阀组件，所述阀组件使用机械简单而又牢固的机构提供每一个阀构件的准确固定。
图4和图5示出了本发明的第二实施例。图4是从上所看的涡轮机壳体50的一部分的透视图，而图5是涡轮机壳体50的一部分的剖视图，所述涡轮机壳体50限定在各个交换气体入口路径53和54与旁通通道55之间连通的双废气门口51和52。双废气门阀组件包括位于倾斜废气门口阀座58、59上的阀构件56和57，所述倾斜废气门口阀座58、59由***部60和61限定。如图5的剖视图中所示，由***部60和61限定的阀座58和59分别位于优选地相互倾斜的平面内。类似地，阀构件56和57安装到阀构件支撑件62，以使得它们的密封表面63和64(具有有限的运动自由度)位于平行于阀座平面的相互倾斜的平面内。
阀构件支撑件62被安装，用于在轴69的一端上旋转，并以关于图3和图4的实施例说明的方式运转。
在本发明的上述实施例中，阀构件支撑件连杆连接两个阀构件，并具有成角度部，每一个阀构件均安装到所述成角度部。然而，在其它实施例中，每一个阀构件可以安装到从套筒部延伸的相应的支撑臂，而不是被直接连杆连接。
在本发明的上述实施例中，在每一个废气门口的开口处限定的阀座朝向彼此倾斜。在本发明的可选实施例中，阀座可以以倒V形形状相互远离倾斜。此外，在图示示例中的废气门口的定向垂直于阀座中的每一个。不必必须如此，而是废气门口可以相对于相应的阀座成角度。本领域普通技术人员将容易想到其它修改。
虽然在附图和上述说明中已经详细图示并说明了本发明，但是这些被认为是对特征的说明而不是对特征的限制，其应该理解的是，仅已经示出并说明的优选实施例，且对这些优选实施例的改变和修改也落入本发明的精神内。应该理解的是：虽然对以上说明中使用诸如可优选的、优选地、被优选或更被优选的词表示这样描述的特征是更期望的，但可以是不必需的，而且没有这些特征的实施例可以认为在本发明的保护范围内，且所述保护范围由以下权利要求限定。在阅读权利要求中，要注意的是当使用诸如“一”“至少一个”或“至少一部分”的词语时，其目的不是将权利要求限定到仅仅一项，除非在权利要求中具体地规定与此相反。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，此项可以包括一部分和/或全部项，除非具体的规定与此相反。

Claims (16)

1.一种涡轮增压器废气门阀组件，包括：
第一旁路口，其与废气入口的第一部分连通；
第一阀构件，其适于接合和密封包围所述第一旁路口的第一阀座；
第二旁路口，其与废气入口的第二部分连通；
第二阀构件，其适于接合和密封包围所述第二旁路口的第二阀座；
轴，其支撑每一个阀构件绕轴的轴线旋转，以分别从与所述第一和第二阀座的密封接合状态提升所述第一和第二阀构件；
其中，所述第一阀座相对于所述第二阀座倾斜，并且所述轴在轴向方向上具有运动自由度。
2.根据权利要求1所述的废气门阀组件，其中，所述第一阀座位于第一平面内，而所述第二阀座位于第二平面内，且所述第一平面和所述第二平面朝向彼此倾斜。
3.根据权利要求1所述的废气门阀组件，其中，所述第一阀座位于第一平面内，而所述第二阀座位于第二平面内，且所述第一平面和所述第二平面相互远离倾斜。
4.根据权利要求2或3所述的废气门阀组件，其中，所述轴线在基本上正交于所述第一平面和所述第二平面的相交线的方向的方向上延伸。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的废气门阀组件，其中，所述阀座与所述第一平面和所述第二平面的所述相交线等距间隔。
6.根据权利要求2-4中任一项所述的废气门阀组件，其中，一个阀座的位置比另一阀座更靠近所述第一平面和所述第二平面的所述相交线。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的废气门阀组件，其中，所述轴线基本上平行于含有连接每一个旁路口的中心的线的平面延伸。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的废气门阀组件，其中，所述轴线基本上平行于连接每一个旁路口的中心的线延伸。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的废气门阀组件，其中，第一阀口和阀构件比第二阀口和阀构件与所述轴的所述轴线间隔得更远。
10.根据前述任一项权利要求所述的废气门阀组件，其中，每一个阀构件固定到从所述轴横向延伸的支撑部。
11.根据权利要求10所述的废气门阀组件，其中，每一个阀构件不紧固地安装到支撑构件，以具有有限的运动自由度。
12.根据权利要求10或11所述的废气门阀组件，其中，每一个阀构件安装到共用支撑件。
13.根据前述任一项权利要求所述的废气门阀组件，其中，所述轴延伸通过支撑在穿过壁的孔内的轴衬，且所述轴沿其轴线的运动自由度被邻接形成部限制，所述邻接形成部由所述轴衬上相应的轴向侧上的所述轴的部分限定，或者所述邻接形成部固定到所述轴衬上相应的轴向侧上的所述轴的部分。
14.根据权利要求12所述的废气门阀组件，其中，一个邻接形成部由杠杆臂限定，所述杠杆臂连接到所述轴的端部以便旋转，而另一个邻接形成部由支撑构件的一部分限定，所述支撑构件被设置用于将所述阀构件支撑在所述轴上。
15.一种涡轮机，包括被分成第一部分和第二部分的废气入口通路，所述涡轮机进一步包括根据前述任一项权利要求所述的废气门阀组件。
16.一种包括根据权利要求15所述的涡轮机的涡轮增压器。
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