CN104011345B - 具有带槽导向叶片的可变涡轮几何形状的涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

位于可变涡轮几何形状涡轮增压器(10)中的多个导向叶片(34)调节排气的流动。这些导向叶片(34)是在允许排气流动以驱动涡轮机叶轮(24)的一个打开位置与阻挡排气流动的一个闭合位置之间选择性地可调节的。一个第一流动特征(58)被布置在这些导向叶片(34)的第一边缘(44)和第二边缘(46)上以便扰动排气流动从而防止在该第一边缘(44)和第二边缘(46)周围的排气泄漏。一个第二流动特征(64)被布置在这些导向叶片(34)的前表面(60)和后表面(62)上以便在这些导向叶片(34)处于打开位置中时在相邻导向叶片(34)之间引导排气流从而防止排气的涡旋和/或横流。

Description

具有带槽导向叶片的可变涡轮几何形状的涡轮增压器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年1月13日提交的并且名称为“具有带槽导向叶片的可变涡轮几何形状的涡轮增压器(Turbocharger With Variable Turbine Geometry HavingGrooved Guide Vanes)”美国临时申请号61/586,266的优先权及所有权益。
技术领域
本发明涉及用于内燃发动机的涡轮增压器。更具体地说，本发明涉及具有的导向叶片具有用于控制排气流的特征的可变涡轮几何形状涡轮增压器。
背景技术
涡轮增压器是一种与内燃发动机一起使用的强制进气***。涡轮增压器将压缩的空气传送到发动机进气端从而允许燃烧更多的燃料，因此增加了发动机的马力而没有明显地增加发动机的重量。因此，涡轮增压器允许使用较小的发动机而形成与较大的、正常吸气的发动机相同量的马力。在车辆中使用较小发动机具有减小车辆质量、提高性能并且增强燃料经济性的所希望效果。此外，使用涡轮增压器允许被递送至发动机的燃料的完全燃烧，这有助于实现更清洁环境的这一高度希望的目标。
涡轮增压器典型地包括连接至发动机的排气歧管上的一个涡轮机壳体、一个中央轴承壳体、以及连接至发动机的进气歧管上的一个压缩机壳体。涡轮机壳体内的一个涡轮机叶轮是由从该排气歧管供应的排气进气流可旋转地驱动的。可旋转地支撑在该中央轴承壳体内的一个轴将该涡轮机叶轮连接至该压缩机壳体内的一个压缩机叶轮上，这样使得该涡轮机叶轮的旋转造成了该压缩机叶轮的旋转。当压缩机叶轮旋转时，它增大了经由发动机进气歧管被递送至发动机汽缸的空气质量流速、空气流密度和空气压力。
通常有利的是调节流向涡轮机叶轮的排气以便提高该涡轮增压器的效率、响应性或工作范围。调节流向涡轮机叶轮的排气的一种方法通常有若干名称，包括可变涡轮几何形状(VTG)、可变几何形状涡轮(VGT)、可变喷嘴涡轮(VNT)或简单地可变几何形状(VG)。VTG涡轮增压器包括多个可调导向叶片，这些可调导向叶片由一个叶片支撑环枢转地支撑在通向涡轮叶轮的一个叶轮入口中。相邻导向叶片之间的空间构成了流向涡轮机叶轮的排气的流动通道，并且这些流动通道的几何形状是通过在一个打开位置与一个闭合位置之间的预定角位置范围内调节这些导向叶片而可调节的。为了在低发动机速度下提供高的增压压力，对这些导向叶片进行调节以便限制相邻导向叶片之间的流动通道。这使得排气以高速度移动穿过这些流动通道。排气的增大的动能被传递给涡轮机叶轮，从而增大了增压压力。在高发动机速度下，这些导向叶片被调节而将相邻导向叶片之间的流动通道张开。这导致排气以较低速度撞击涡轮机叶轮，从而降低了增压压力。
叶片支撑环与该涡轮机壳体的一个环形壁之间的间距以及这些导向叶片的宽度对于防止这些导向叶片的边缘周围的排气泄漏是关键的。在这些导向叶片的边缘与该叶片支撑环和环形壁之间提供了间隙，以便允许这些导向叶片的枢转运动并且以便允许由于热排气导致的热膨胀。当这些导向叶片处于闭合位置中时，此间隙将导致这些导向叶片的边缘周围的排气泄漏问题。类似地，当这些导向叶片打开时，此间隙也导致这些导向叶片的边缘周围的排气泄漏，而不是将所有排气直接引导穿过这些流动通道，由此降低了该涡轮增压器的效率。
此外，当这些导向叶片被调节至打开位置或该打开位置与闭合位置之间的一个角位置时，排气被相邻导向叶片的相对表面引导穿过这些流动通道而朝向涡轮机叶轮。当排气在相邻导向叶片之间流动时，高压力区域和低压力区域将导致排气的涡旋和横向流动，而不是排气沿着这些导向叶片的长度的顺畅流动。
因此希望的是提供一种具有防止或最小化排气泄漏的导向叶片的涡轮增压器。还希望的是提供防止排气在相邻导向叶片之间的流动通道中的涡旋和横向流动或使该涡旋和横向流动最小化的导向叶片。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了用于调节在可变涡轮几何形状涡轮增压器中排气流动穿过叶轮入口而到达涡轮机叶轮的多个导向叶片。这些导向叶片在允许排气流动以驱动该涡轮机叶轮的一个打开位置与阻挡排气流动到该涡轮机叶轮的一个闭合位置之间的一个角位置范围之间是选择性地可调节的。每个导向叶片包括在一个前导边缘与一个尾随边缘之间延伸的一个本体。每个导向叶片的本体包括相反的第一边缘和第二边缘以及相反的前表面和后表面。该第一边缘邻近于该叶轮入口的一侧并且该第二边缘邻近于该叶轮入口的另一侧。在每个导向叶片的第一边缘和第二边缘上布置了一个第一流动特征。该第一流动特征被设计成用于扰动该排气流以便防止在这些导向叶片的第一边缘和第二边缘周围的排气泄漏。在每个导向叶片的前表面和后表面上布置了一个第二流动特征。该第二流动特征被设计成当这些导向叶片处于打开位置中时用于将相邻导向叶片之间的排气流从该前导边缘引导至该尾随边缘，以便防止排气的涡旋和/或横流。这些导向叶片可以包括该第一流动特征和第二流动特征二者或者可以包括该第一流动特征和第二流动特征中的仅一者。
附图说明
本发明的优点将是容易了解的，因为这些优点通过参照以下详细说明在结合附图考虑时将变得更好理解，在附图中：
图1是一种可变涡轮几何形状涡轮增压器的局部截面透视图；
图2是根据本发明具有第一流动特征和第二流动特征的一个导向叶片的透视图；
图3是由一个叶片支撑环支撑的多个导向叶片的片段式平面视图；并且
图4是根据本发明的第二实施例具有第一流动特征的一个导向叶片的平面视图。
具体实施方式
参见附图，图1中展示了总体上为10的一个涡轮增压器。涡轮增压器10包括一个壳体组件12，该壳体组件包括彼此连接的一个压缩机壳体14、一个轴承或中央壳体16、以及一个涡轮机壳体18。该轴承壳体16支撑一个可旋转轴20，该可旋转轴在轴向方向上延伸并且限定了一条旋转轴线R。一个压缩机叶轮22安装在轴20的一端上并且被容纳在压缩机壳体14中。一个涡轮机叶轮24安装在轴20的相反一端上并且被容纳在涡轮机壳体18中。涡轮机壳体18限定了一个蜗壳26，该蜗壳联接至一个排气歧管(未示出)上并且进入一个叶轮入口28中，该叶轮入口用于将排气流从该排气歧管引导至涡轮机叶轮24。如本领域众所周知的，涡轮机叶轮24是由从排气歧管供应的排气可旋转地驱动的，该排气使该轴20旋转，由此造成压缩机叶轮22旋转。换言之，压缩机叶轮22是由涡轮机叶轮24可旋转地驱动的。在驱动了涡轮机叶轮24之后，排气从涡轮机壳体18中通过一个中央出口管或出口导流器30被排出。
为了将涡轮增压器10的效率最大化，通常控制或调节流到涡轮机叶轮24的排气。在本发明的本实施例中，提供了一个导向设备32用于调节排气到涡轮机叶轮24的流动。该导向设备32被定位在涡轮机壳体18内并且包括位于该通向涡轮机叶轮24的叶轮入口28的多个导向叶片34。相邻导向叶片34之间的空间限定了一个流动通道或喷嘴喉部35，如图3中最佳所示，排气穿过该流动通道或喷嘴喉部而流到涡轮机叶轮24。通过改变这些导向叶片34的角位置，这些流动通道35的截面是可调节的。
参见图1至图3，这些导向叶片34是围绕旋转轴线R环圆周地安排的。每个导向叶片34包括一个本体36并且被一个枢轴42支撑在一个叶片支撑环38与该涡轮机壳体18的一个环形壁40之间。可替代地，这些导向叶片34可以由这些枢轴42支撑在该叶片支撑环38与一个叶片止推环(未示出)之间，而不改变本发明的范围。叶片支撑环38被牢固地安装至涡轮机壳体18上、在叶轮入口28的总体上朝向轴承壳体16的一侧上。环形壁40或叶片止推环是在轴向方向上与叶片支撑环38间隔开的并且被布置在叶轮入口28的总体上朝向涡轮机叶轮24的另一侧上。这些枢轴42从这些导向叶片34的本体36的第一边缘44在轴向方向上延伸并且穿透该叶片支撑环38的对应孔。这些枢轴42还从这些导向叶片34的本体36的第二边缘46在轴向方向上延伸并且被***环形壁40或叶片止推环的对应孔中。在一个替代性实施例中，这些枢轴42可以仅从这些导向叶片34的第一边缘44延伸并且穿透叶片支撑环38的孔，而不改变本发明的范围。
为了控制这些导向叶片34的角位置，提供了具有一个控制壳体48的致动装置47，该控制壳体控制被容纳在其中的一个杵构件50的致动运动。该杵构件50的致动运动被转化成一个控制环52的旋转运动，该控制环被定位成在面向压缩机壳体14的一侧上邻近于该叶片支撑环38。这个控制环52操作性地联接至这些导向叶片34的枢轴42上而使得控制环52在相反的第一方向和第二方向上的旋转运动使得这些导向叶片34能够在允许排气穿过通向涡轮机叶轮24的叶轮入口28的一个打开的或总体上径向延伸的位置、与阻挡排气穿过通向涡轮机叶轮24的叶轮入口28的一个闭合的或总体上切向地延伸的位置之间的调节。在图1中，示出了处于打开位置中的这些导向叶片34。这些导向叶片34根据排气到该涡轮机叶轮24的所希望流动是在该打开位置与该闭合位置之间的一个角位置范围上可调节的。在图3中，示出了处于该打开位置与闭合位置之间的一个角位置中的这些导向叶片34。
在这些导向叶片34处于闭合位置中时，这些导向叶片34被安排成端对端重叠的方式以便阻挡或防止排气流动穿过叶轮入口28而到达涡轮机叶轮24。更确切而言，在闭合位置中这些导向叶片34的角位置使得每个导向叶片34的前导边缘54与相邻导向叶片34的尾随边缘56重叠，由此阻挡了叶轮入口28。
叶片支撑环38与环形壁40之间的间距以及这些导向叶片34的宽度对于防止当这些导向叶片34处于闭合位置中时在这些导向叶片34的第一边缘44和第二边缘46周围的排气泄漏是关键的。典型地希望在第一边缘44与叶片支撑环38以及第二边缘46与环形壁40之间具有某一量的间隙，以便允许这些导向叶片34的自由移动并且允许由于热排气造成的热膨胀。然而，由于这个间隙，当这些导向叶片34处于闭合位置中时某些排气将在这些导向叶片34的第一边缘44和第二边缘46周围泄漏。为了防止或最小化这种泄漏，沿着这些导向叶片34的第一边缘44和第二边缘46形成了一个第一流动特征，总体上在图2中以58示出。第一流动特征58是位于第一边缘44和第二边缘46上、在每个导向叶片34的前表面60与后表面62之间的中途。第一流动特征58可以是凹入导向叶片34的本体36之中的一个槽或者是从导向叶片34的本体36凸起的一个肋。在任一情况下，第一流动特征58被设计成用于在排气试图在第一边缘44和第二边缘46周围流动时扰动排气的流动，由此防止或最小化将在处于闭合位置中的导向叶片34的第一边缘44和第二边缘46周围泄漏的排气。在图2和图3中仅示出了在导向叶片34的第二边缘46上的第一流动特征58。在本实施例中，第一流动特征58沿着导向叶片34的第二边缘46从前导边缘54延伸并且随着它接近于枢轴42而***从而以环圆周的方式围绕枢轴42局部地延伸。类似地，第一流动特征58沿着导向叶片34的第二边缘46从尾随边缘56延伸并且随着它接近于枢轴42而***从而以环圆周的方式围绕枢轴42局部地延伸。优选地，第一流动特征58将围绕枢轴42无中断地延伸而使得第一流动特征58在前导边缘54与尾随边缘56之间连续延伸。进一步考虑到，第一流动特征58的设计可以根据这些导向叶片34的具体设计而改变，但不改变本发明的范围。例如，该凹入的槽的深度和宽度或该凸起的肋的高度和宽度可以根据具体的设计指标而改变。还考虑到，第一流动特征58可以沿着导向叶片34的第一边缘44和第二边缘46二者延伸或者可以沿着第一边缘44和第二边缘46中的仅一者延伸。还进一步，考虑到了可以沿着导向叶片34的第一边缘44和第二边缘46引入多个第一流动特征58。
叶片支撑环38与环形壁40之间的间距以及这些导向叶片34的宽度对于防止当这些导向叶片34处于打开位置中或打开与闭合位置之间的某个角位置中时在这些导向叶片34的第一边缘44和第二边缘46周围的排气泄漏也是关键的。当这些导向叶片34打开时，这些导向叶片34限定了这些流动通道35，由此调节流动穿过该叶轮入口28而到达涡轮机叶轮24的排气。排气在沿着这些导向叶片34从前导边缘54流动到尾随边缘56时被相邻导向叶片34的前表面60和后表面62引导。当排气在相邻导向叶片34之间流动时，沿着前表面60和后表面62形成一个高压力区域并且沿着第一边缘44和第二边缘46形成一个低压力区域。该高压力区域和低压力区域可能造成排气的涡旋和/或排气从高压力区域朝向低压力区域、即从前表面60和后表面62朝向第一边缘44和第二边缘46的横流。第一流动特征58被设计成用于在排气试图在第一边缘44和第二边缘46周围流动时扰动排气的流动，由此防止或最小化将在处于打开位置中的导向叶片34的第一边缘44和第二边缘46周围泄漏的排气。
如上所述，在这些导向叶片34打开时，高压力区域和低压力区域将形成并且可以造成排气的涡旋和/或排气从前表面60和后表面62朝向第一边缘44和第二边缘46的横流。为了防止或最小化这种涡旋和/或横流，沿着这些导向叶片34的前表面60和后表面62形成了一个第二流动特征，总体上在图2中以64示出。第二流动特征64可以是凹入该导向叶片34的本体36之中的一个凹槽或者是从导向叶片34的本体36凸起的一个肋。在任一情况下，第二流动特征64被设计成用于沿着这些导向叶片34将排气流从前导边缘54引导到尾随边缘56，由此防止或最小化排气的涡旋。第二流动特征64还将防止或最小化排气的横流。在图2中仅示出了在导向叶片34的前表面60上的第二流动特征64。考虑到了可以沿着这些导向叶片34的前表面60和后表面62形成一个或多个第二流动特征64。在本实施例中，一对第二流动特征64在导向叶片34的前表面60上是间隔开的并且这对第二流动特征64从前导边缘54基本上平行地延伸到尾随边缘56。进一步考虑到，第二流动特征64可以沿着这些导向叶片34的前表面60和后表面62二者延伸或者可以沿着这些导向叶片34的前表面60和后表面62中的仅一者延伸，而不改变本发明的范围。还进一步，考虑到了这些导向叶片34可以包括第一流动特征58和第二流动特征64二者或者可以仅包括第一流动特征58或仅包括第二流动特征64。
参见图4，在本发明的第二实施例中，这些导向叶片34包括位于其第一边缘44和第二边缘46上的第一流动特征的一种替代性布局。更确切而言，多个内部凸起肋66被安排成以一种交叉图案在环绕这些导向叶片34的第一边缘44和第二边缘46的周边的外部凸起肋68之间延伸。这些内部凸起肋66总体上在这些导向叶片34的前表面60与后表面62之间的一个方向上延伸。如同在该第一实施例中，第一流动特征66、68的这种替代性布局被设计成用于在排气试图在第一边缘44和第二边缘46周围流动时扰动排气的流动，由此防止或最小化将在导向叶片34的第一边缘44和第二边缘46周围泄漏的排气。在不限制本发明的情况下，考虑到了在一个实施例中，内部凸起肋66的高度H是相邻内部凸起肋66之间的垂直距离D的四分之一。换言之，高度H等于0.25D。因此，当内部凸起肋66被定位朝向这些导向叶片34的尾随边缘56更靠在一起时，内部凸起肋66的高度H将减小。
在此以展示性的方式描述了本发明，并且应理解的是，所使用的术语旨在本质上是描述词语而非限制词语。鉴于以上的传授内容，本发明的许多修改和变体都是可能的。因此应理解的是，在所附权利要求书的范围内，可以按照与在本说明内具体列举的不同方式来实践本发明。

Claims (15)

1.一种用于在可变涡轮几何形状涡轮增压器中调节排气流动穿过一个叶轮入口到达涡轮机叶轮的导向叶片，所述导向叶片包括：
在一个前导边缘与一个尾随边缘之间延伸的一个本体，所述本体包括相反的第一边缘和第二边缘以及相反的前表面和后表面，其中所述第一边缘是邻近于该叶轮入口的一侧并且所述第二边缘是邻近于该叶轮入口的另一侧；以及
至少一个流动特征，该至少一个流动特征被布置在所述导向叶片的所述本体上以用于在该涡轮增压器的使用过程中操纵排气的流动，其中，第一流动特征包括从所述本体突起且沿第一或第二边缘之一延伸的Y形的肋；并且其中，所述肋构造并布置成在排气试图在第一或第二边缘之一周围流动时扰动排气的流动，由此防止或最小化从第一或第二边缘之一周围泄漏的排气。
2.如权利要求1所述的导向叶片，其中，所述至少一个流动特征包括位于所述第一边缘和第二边缘中至少一者上的第一流动特征，其中所述第一流动特征防止在所述第一边缘和第二边缘中至少一者周围的排气流动。
3.如权利要求2所述的导向叶片，其中，所述至少一个流动特征从所述本体的所述前导边缘延伸到所述本体的所述尾随边缘。
4.如权利要求3所述的导向叶片，其中，所述至少一个流动特征从所述本体的所述前导边缘连续地延伸到所述本体的所述尾随边缘。
5.如权利要求4所述的导向叶片，其中，所述导向叶片还包括被定位在所述导向叶片的所述前表面与后表面之间大致中部的第二流动特征。
6.如权利要求5所述的导向叶片，其中所述第一流动特征是从所述导向叶片的所述本体凸起的一个肋。
7.如权利要求5所述的导向叶片，其中，所述导向叶片还包括凹入所述导向叶片的所述本体中的一个槽。
8.如权利要求1所述的导向叶片，包括位于所述前表面和后表面中至少一者上的一个第二流动特征，其中所述第二流动特征沿着所述前表面和后表面中的至少一者引导该排气流。
9.如权利要求8所述的导向叶片，其中所述第二流动特征从所述本体的所述前导边缘延伸到所述本体的所述尾随边缘。
10.如权利要求9所述的导向叶片，其中所述第二流动特征从所述本体的所述前导边缘连续地延伸到所述本体的所述尾随边缘。
11.如权利要求10所述的导向叶片，包括至少一对间隔开的并且总体上彼此平行地延伸的第二流动特征。
12.如权利要求11所述的导向叶片，其中所述第二流动特征是从所述导向叶片的所述本体凸起的一个肋。
13.如权利要求11所述的导向叶片，其中所述第二流动特征是凹入所述导向叶片的所述本体中的一个槽。
14.如权利要求2所述的导向叶片，其中所述第一流动特征包括一个外部凸起肋和多个内部凸起肋，所述外部凸起肋环绕了所述第一边缘和第二边缘中至少一者的周边，并且所述多个内部凸起肋在所述外部凸起肋之间延伸。
15.如权利要求14所述的导向叶片，其中所述多个内部凸起肋总体上在所述导向叶片的所述前表面与后表面之间延伸。
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