CN104838108B - 用于减少涡轮增压器90度废气门中损失的方法和结构 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮增压器(10)具有一个改良型废气门阀组件(45)，其中一个端口控制阀体(44)包括流动结构，这些流动结构用于在一个废气门通道(26)的方向上减少横向于最佳流动方向的非最佳方向上的排气流动。这些流动结构用于当该排气流动经过一个转向角(47)而从一个入口方向(29)转向到最佳流动方向时使在最佳或主流动方向上的排气流动优化或最大化。

Description

用于减少涡轮增压器90度废气门中损失的方法和结构
相关申请的交叉引用
本申请要求在2012年12月19日提交的并且题为“用于减少涡轮增压器90度废气门中损失的方法和结构(Methods And Structure For Reducing Losses In 90 DegreeWaste Gates For Turbochargers)”的美国临时申请号61/739,229的优先权及所有权益。
发明领域
本发明涉及一种带有改良型废气门阀的涡轮增压器并且更具体地涉及一种改良的涡轮机废气门设计，该设计有利于排气在主流动方向上的流动以改善穿过涡轮增压器废气门的流动。
发明背景
在发动机上提供涡轮增压器以便将空气以与在正常吸气构型中的可能情况相比更大的密度传送到发动机进气中。这允许燃烧更多的燃料，进而增加了发动机的马力而没有明显地增加发动机的重量。
通常，涡轮增压器使用来自发动机排气歧管的排气流，该排气流在涡轮机入口处进入涡轮机壳体，以便由此驱动位于该涡轮机壳体内的涡轮机叶轮。该涡轮机叶轮被附接在轴的一端上，其中该轴对安装在该轴的另一端上的一个压缩机叶轮进行驱动。如此，该涡轮机叶轮提供旋转动力以驱动压缩机叶轮并且由此驱动涡轮增压器的压缩机。这些压缩空气然后被提供到如以上提及的发动机进气。
在该涡轮机级的设计过程中，该涡轮机级部件的选择与优选性能有关。在一个简单不受控的固定喷嘴涡轮增压器***中，设计一种不受控的涡轮增压器从而在高发动机速度下达到最佳性能。然而，在其他速度下，涡轮增压器为发动机提供次最佳的增压或空气体积。
受控的涡轮增压器提供改善的性能，因为在低的或中等的发动机速度时就已经达到该涡轮机最佳运行点。通常在一个受控的***中，当排气的流速增加并且该涡轮增压的压力变得太高时，这些排气中的一部分通过一个废气门被排放到周围大气中以便通过旁路绕过该涡轮机。
典型地，排气流动穿过一个在该涡轮机壳体或外壳内限定的蜗壳。此外，还提供了一个废气门通道，该废气门通道通过一个中间壁而与该蜗壳分离。为了提供废气门流动，在该壁中提供了废气门端口，该端口是由一个废气门阀来控制的。
该废气门阀在该涡轮增压器的运行过程中是可选择性地打开和关闭的。在这样一种安排中，穿过该废气门通道的排气流动通常平行于蜗壳中的流动方向，至少在该废气门通道的区域内。典型地，该涡轮机入口流动和废气门流动在该蜗壳方向上环圆周地延伸。然而，该废气门端口垂直于或与这些流动方向基本上呈直角开放并且如此该废气门流动以侧面或轴向方向进入该废气门通道并且然后立即转向通过一个直角以便环圆周地流动通过该废气门通道。因此，这种构型通常可以被称为90度废气门，尽管实际的转向角度在一定程度上可以不同于90度，这样使得该入口方向与废气门流动方向之间的转向角度可以是一个大于90度的钝角或一个低于90度的锐角。
本发明涉及一种用于涡轮增压器的改善型废气门阀，该废气门阀提供更多有效的排气流动穿过该废气门端口和废气门通道。对于该废气门阀，更具体而言，这个阀典型地包括一个盘状阀体，该阀体可枢转地支撑在该涡轮机壳体上以便打开和关闭该废气门端口。该阀体是由一个致动器移动的并且可以枢转到该废气门端口中至关闭该废气门端口的第一位置处，并且可以枢转出该废气门端口至打开该废气门端口的第二位置处。因此，排气受控的部分可以流动穿过该废气门通道，该受控部分进而流动到一个涡轮机出口处，由此旁路绕过该涡轮机。
当处于打开位置处时，该阀体具有一个朝向该废气门端口并且相对于横跨该废气门端口的平面成一角度倾斜的阀面。该阀面优选被定向成使得该阀面朝该废气门通道成角度，该阀面用于当废气门流动穿过该端口并且转向进入该废气门通道时使该废气门流动改变方向。
朝向该废气门通道的方向是主方向，所有的废气门流动需要被引导朝向该主方向。然而，在废气门阀的已知阀体中，在横向于该废气门通道方向的非最佳流动方向上，排气可以从该阀体的侧面溢出，这因此在这个区域中产生了紊流流体流动并且需要这个紊流流动由该废气门通道的侧面进一步重新定向以便将排气引导到该废气门通道中。这减少了通过该废气门端口的流动效率并且会产生增加的背压和效率损失。
然而，本发明废气门阀的阀体包括多个流动结构，这些流动结构用于减少在非最佳方向上的排气流动。这些流动结构用于当排气流动转向经过该转向角转向时使在最佳或主流动方向上的排气流动优化或最大化。
在第一实施例中，该流动结构是由一个碟形阀面限定，该碟形阀面是由提供给该阀面的一个凹入形状形成的。这个凹入形状可以是一个真正的凹入形状，其中该阀面围绕该阀面的整个周边向内弯曲。这个凹入形状还可以是一个修改的凹入形状，其中该阀面从该阀面的前缘和后缘向其中心倾斜而侧面可能具有更少的凹度或没有凹度。术语凹入也可以被理解成适用于倾斜的平坦表面，该平坦表面从该阀面的周边到中心没有任何弯曲。
在第二实施例中，该阀面可以配备有浅的肋板或边条，这些肋板或边条平行于该流动方向延伸并且用于在主方向上引导流动。
在第三实施例中，该流动结构可以是一个沿着该面周边的一部分从该阀面上升的坝体。该坝体可以在后缘上或者更优选是在该阀面的前缘上。
如在此进一步详细所述的，这些流动结构用于优化在主方向上的流动并且减少横向于该主方向的次方向上的非最佳流动。
本发明的其他目标和目的以及其变体将通过阅读以下说明书和查看附图变得清楚。
附图的简要说明
图1是一个代表性涡轮增压器的切开的图解视图。
图2是一个废气门阀的顶视图。
图3是该废气门阀的侧视图。
图4是一个改良型废气门阀的第一实施例的侧视图。
图5是该废气门阀的第二实施例的仰视图。
图6是其侧视图。
图7是该废气门阀的第三实施例的仰视图。
图8是其侧视图。
图9是该废气门阀的第四实施例的图解视图。
图10是一个曲线图，该曲线图示出了一个未修改的废气门与图9的本发明废气门阀之间的质量流量的比较。
以下说明中将使用某些术语仅为了方便起见并且仅供参考而不具有局限性。例如，词语“向上地”、“向下地”、“向右地”以及“向左地”指的是作为参考的附图中的方向。词语“向内地”和“向外地”分别指的是朝向和背离该安排和其指定零件的几何中心的方向。所述术语将包括明确提到的词语、其派生词以及具有类似含义的词语。
详细说明
参见图1的切开视图，示出了一个涡轮增压器10，该涡轮增压器包括一个涡轮机11，该涡轮机限定了一个涡轮机壳体或外壳12，该壳体具有一个在其内环圆周地延伸的蜗壳14。涡轮增压器10还包括一个压缩机15，按照常规方式，该压缩机与该涡轮机11是以组合的方式提供的。压缩机15包括一个压缩机壳体16和一个压缩机蜗壳17。
涡轮增压器10具有一个涡轮机11和一个压缩机15的基本组合，该涡轮机和压缩机对应地包括一个涡轮机叶轮18和一个压缩机叶轮19，该涡轮机叶轮和压缩机叶轮通过一个轴21在旋转意义上相连接。进而该轴21是由一个轴承***22支撑。
如在图1和图3中所见，涡轮机11是通过该涡轮机入口23而被供以排气。涡轮机入口23限定了一个流动方向24，该流动方向环圆周地延伸进入涡轮机蜗壳14中。蜗壳14还具有一个中间壁25，在图3中示出，该中间壁将该蜗壳14与一个废气门通道26分开，该废气门通道也环圆周地延伸并且排放到该涡轮机出口27处。
为了在涡轮增压器10的运行过程中将来自涡轮机入口23的排气的一部分转向，该壁25包括一个废气门端口28，该端口限定了横向于该入口流动方向24的一个流动方向29。这个流动方向29还横向于延伸穿过该废气门通道26的主流动方向30。
该排气流动从该入口23流动到蜗壳14和废气门通道26，其中这些流动方向24和30通常平行于彼此，至少在该废气门端口28的区域中。该废气门端口28在垂直于或大体上与这些流动方向24和30成直角的方向29上开放。如此，该废气门流动在侧面或轴向方向29进入该废气门通道26并且然后立即转向经过一个直角以便在主流动方向30环圆周地流动穿过该废气门通道26。因此，这通常可以称为90度废气门，尽管实际的转向角度在一定程度上可以不同于90度，这样使得该入口方向与废气门流动方向之间的转向角度可以是一个大于90度的钝角或一个低于90度的锐角。
为了提供受控的废气门流动，废气门端口28是由一个废气门阀组件31控制的，该废气门阀组件包括一个废气门阀32，该废气门阀坐在端口28内并且在该涡轮增压器10的运行过程中可选择性地打开和关闭。
如在图1中所见，废气门阀32被示出是处于关闭位置，其中排气的路径被确定成通过该涡轮机入口23而进入蜗壳14中并且这个流动由于该废气门阀32的关闭情况而局限于该蜗壳14。阀32还可枢转到图3的打开情况，其中排气现在可流动到废气门通道26中。废气门阀32由一个致动器组件33(图1)来操作，该致动器组件包括一个致动器杆33，该致动器杆枢转该废气门阀32以便选择性地打开和关闭该废气门端口28并且由此控制排气的一部分流动到该废气门通道26之中。因此，排气受控的部分可以通过该废气门通道26流动到该涡轮机出口27，由此旁路绕过该涡轮机12。
本发明涉及一种改善型废气门阀32，该废气门阀提供更有效的排气流动穿过该废气门端口28和废气门通道26。对于在图2和图3中所示的废气门阀32，更具体而言，这个阀典型地包括一个盘状阀体34，该阀体被支撑在一个阀臂36上，该阀臂进而通过一个枢转杆37被可枢转地支撑在该涡轮机壳体14上以便打开和关闭该废气门端口28。
该枢转杆37是由该致动器组件33操作以便将该阀体34枢转到该废气门端口28中至一个使该废气门端口28关闭的关闭第一位置(图1)；以及枢转出该废气门端口28至一个使该废气门端口28打开的打开第二位置(图2和图3)。
阀体34具有阀面38，该阀面面向该废气门端口28，其中在关闭时外周边39抵靠该壁25并且覆盖该端口28。当处于打开位置时，阀面38面向该废气门端口28并且与横跨该废气门端口28的一个平面40成一个角度A倾斜。阀面38优选被定向成使该阀面38朝该废气门通道26成角度，该阀面用于当废气门流动在方向29穿过该端口28并且转向进入方向30的废气门通道26时来使该废气门流动改变方向。
在该废气门通道26中延伸的方向30是主方向，需要将废气门流动全部朝该主方向引导。然而，在图2和图3概略地示出的废气门阀32的已知阀体中，在横向于最佳方向30的非最佳流动方向41上，排气可以从该阀体34的侧面溢出，这因此在这个总体区域42产生了紊流流体流动并且需要该废气门通道26的侧面来使这个紊流流动进一步改变方向以便使该废气门通道26中的排气改变方向。这减少了通过该废气门端口28的流动效率并且可以产生增加的背压。
然而，如关于图4和其余附图所描述的，本发明废气门阀45的阀体44包括多个流动结构，这些流动结构用于减少在非最佳方向41上的排气流动。这些流动结构用于当排气流动从该入口方向29转向通过一个转向角47时使在最佳或主流动方向30上的排气流动优化或最大化。图1中还标识了废气门阀45和阀体44，因为总***置和外观与废气门阀32和阀体34类似并且以相同方式操作。
在图4中还通过参考号50指示了阀体44的第一实施例。这个阀体50包括一个碟形阀面51，这限定了用于一个流动结构52的第一构型。在这个实施例中，流动结构52是由提供给改阀面51的一个凹入形状限定，其中周边53配备有一个凸起的边缘55。这个凹入形状可以是一个真正的凹入形状，其中凸起的边缘55是环形的或是一个闭合环并且该阀面51绕整个周边53向内弯曲至碟形中心部分56。该凹入形状还可以是一个修改的凹入形状，其中该阀面从该阀面51的前缘部分55A和后缘部分55B向其中心部分56倾斜而侧面可能具有更少的凹度或没有凹度。术语凹入也可以被理解成适用于倾斜的平坦表面，该平坦表面从该阀面的周边到中心没有任何弯曲。
当该阀体50在所示的打开位置处倾斜时，该阀面51被定向成在前缘55A处几乎是水平的，这便于流体在这个方向流动并且在靠近该后缘55B时更加竖直，这阻碍了这个方向上的流体流动。因此，流体流动将趋于朝向该最佳流动方向30流动。
在阀体44的第二实施例中，如在图5和图6中所见，该阀体44还由参考数字60来指示。阀体60包括一个阀面61，该阀面配备有浅的肋板或边条62，这些肋板或边条平行于该流动方向30延伸并且用于在主方向30上引导最佳流动。阀体60的周边63限定了一个环形的、平坦密封表面64，该密封表面被配置成环绕该端口28并且抵靠在限定这个端口28的环形边缘65上。这些边条62在该密封表面64的下方向下伸出并且可以如图6中所见的在该流动方向倾斜。这些边条62的前缘66可以短于后缘67，这进一步促使流动朝向方向30。
这些边条62可以包括中间边条62A，与末端边条62B相比，该中间边条可以被形成为在长度方向上更长并且在宽度方向上更窄。这些边条62限定流动通道69，这些流动通道总体上在方向30延伸。当阀体60处于打开位置时这些通道69的下表面是有角度的或倾斜的以便面向该废气门通道26，这由此使得该流体流动改变方向或转向并且促进这个方向30上的排气流动。
这些边条62可以被设计用于优化流体流动。因此，边条62和通道69的数量是可以改变的，其相对的高度和深度以及它们的宽度也是如此。每个的宽度可以是一样的或者可以彼此不同。
在图7和图8中所示的第三实施例中，阀体44还由参考数字70来指示。这个阀体70包括一个阀面71，其中该流动结构可以是一个沿着面周边73的一部分从该阀面71上升的坝体72。
更具体地讲，阀体70的周边73限定了一个环形的、平坦密封表面74，该密封表面被配置成环绕该端口28并且抵靠在限定这个端口28的环形边缘65上，如图6所示。该流动控制坝体72(图7和图8)在该密封表面74下方向下伸出并且与该周边73径向向内地间隔开以便限定该密封表面74。当从下方观察时坝体72具有一个弧形形状并且用于阻碍来自后缘75的流动并且促进流动朝向前缘76。在一个替代方案中，图7和图8的坝体72可以被提供在前缘76上。尽管该坝体72是连续且完整的，坝体72还可以是带槽的以帮助引导和调节气体流动。
参见图9，展示出了一个优选的第四实施例。阀体44还由参考数字80来指示。这个阀体80包括一个阀面81，其中该流动结构可以是一个沿着面周边83的一部分从该阀面81上升的一个半圆的或弧形坝体82。
该周边83限定了一个环形的、平坦的密封表面84。该流动控制坝体82在该密封表面84下方向下伸出并且与周边83径向向内地间隔开以便限定一个类似于密封表面74的环形密封表面85。坝体82具有一个围绕该周边83的圆周延伸大约180度的弧形形状并且用于引导流体流动，这实际上改善了前缘86的在方向30上的流动。
更具体而言，坝体82具有一个总体上平坦的、弧形的上边缘87，该上边缘具有一个延伸约180度的长度并且沿该坝体82的长度限定了一个均一的或不变的高度。该上边缘87的相对末端终止于倾斜边缘88，这些倾斜边缘延伸短的距离并且倾斜向下至该表面84。尽管该坝体82是连续并且完整的，坝体82还可以是带槽的以帮助引导和调节气体流动。例如，坝体82可以是带缺口的，例如带有一个V形缺口，其中该坝体82类似于一个V形堰或一个组合堰。如此，坝体上边缘87可以具有一个沿该坝体82的长度可变的高度，由于槽或缺口结构或由于该边缘87中形成的更多弧形轮廓，这个高度是可以变化的。以此方式，排气的流速和流动方向是可以通过该坝体82来调节和控制的。
上述流动结构(例如坝体82)用于引导或调节在优选流动方向30上的气体流动。作为支援，图10是一个曲线图，示出了不同闸阀形状的性能。指示为“普通”的曲线是用于没有根据本发明修改的传统废气门设计的。图9的本发明废气门阀体80在图10的曲线图中由多条实线指示，这些实线标识的是一个前壁设计(FW)或者换言之是以下这样一种设计，其中该坝体82是位于前侧上，该前侧与该阀体80的由该轴37限定的枢转侧相对。
图10将质量流量与可变阀角度进行了比较，该可变阀角度是由随着该阀体80变化的阀面81以及其阀面81枢转打开和关闭来限定的。质量流量和阀角度进一步相对于涡轮增压器的不同膨胀率(ER)进行了比较。如所见的，随着该阀角度相对于该普通的图线增加时，质量流量产生了一个更线性的增加，这示出了一个更加弯曲的倾斜。阀体80的FW设计允许阀设计者在上至20度的阀角度上更加精确地控制质量流量，因为质量流量相对于阀角度相对线性地增大。在阀面81达到20度阀角之后，质量流量调节脱离大致的线性控制。这种阀性能被认为是由于主方向30上排气的改善的流动控制所引起的，其中次方向上的流动被减少。图9和图10的设计因此提供了优于图7和图8中的设计的进一步改善。
如从以上披露中所见的，这些流动结构的不同构型用于优化该主方向30上的流动并减少在横向于主要方向30的次方向41上的非最佳流动。
尽管已经出于说明性目的详细披露了本发明的具体优选实施例，应认识到所披露装置的变体或变更(包括零件的重新安排)也在本发明的范围之内。

Claims (14)

1.一种用于涡轮增压器(10)的废气门阀组件(31)，该涡轮增压器具有一个在第一流动方向(30)上延伸的废气门通道(26)和一个废气门端口(28)，该废气门端口开放进入所述废气门通道(26)中以将排气流动的一部分转移到所述废气门通道(26)，其中所述废气门端口(28)限定了一个第二流动方向(29)，该第二流动方向横向于所述第一流动方向(30)，所述废气门阀组件(31)包括：
一个阀体(44)，该阀体可坐在该废气门端口(28)上并且可选择性地打开和关闭，所述阀体(44)具有一个阀面(51)、(61)、(71)、(81)，该阀面面向该废气门端口(28)并且当所述阀体(44)处于该打开位置时，所述阀面(51)、(61)、(71)、(81)以一个角度倾斜使得所述阀体(44)朝向所述废气门通道(26)成角度，所述阀体(44)用于通过将废气门排气流动经过一个转向角(47)而转向进入在所述第一流动方向(30)延伸的所述废气门通道(26)来使在所述第二流动方向(29)穿过所述废气门端口(28)的废气门排气流动改变方向；
所述阀体(44)的所述阀面(51)、(61)、(71)、(81)包括多个流动结构，这些流动结构用于减少在横向于所述第一流动方向(30)的非最佳方向(41)上的来自所述阀面(51)、(61)、(71)、(81)的排气流动，所述这些流动结构的形状被确定成用于在该排气流动经过该转向角(47)而从所述第二流动方向(29)转向到所述第一流动方向(30)时优化排气流动以便在所述第一流动方向(30)上以最佳方式离开所述阀面(51)、(61)、(71)、(81)。
2.根据权利要求1所述的用于涡轮增压器(10)的废气门阀组件(31)，其中在所述第一流动方向与第二流动方向之间的所述转向角(47)大约是90度。
3.根据权利要求2所述的用于涡轮增压器(10)的废气门阀组件(31)，其中所述阀体(44)可从一个关闭位置枢转到在所述打开位置的所述倾斜角度。
4.根据权利要求1所述的用于涡轮增压器(10)的废气门阀组件(31)，其中所述阀体(44)包括一个碟形阀面(51)，该碟形阀面是由提供给所述阀面(51)的一个凹入形状限定。
5.根据权利要求4所述的用于涡轮增压器(10)的废气门阀组件(31)，其中所述阀体(44)具有一个带有凸起的边缘(55)的周边(53)并且向内弯曲至一个中心部分(56)，其中所述阀面(51)便于流体流向所述第二流动方向(30)。
6.根据权利要求1所述的用于涡轮增压器(10)的废气门阀组件(31)，其中所述阀体(44)具有一个阀面(61)，该阀面配备有边条(62)，这些边条平行于该第一流动方向(30)延伸并且在一个密封表面(64)下方向下伸出。
7.根据权利要求6所述的用于涡轮增压器(10)的废气门阀组件(31)，其中所述这些边条(62)由此限定了流动通道(69)，这些流动通道总体上在所述第一流动方向(30)延伸。
8.根据权利要求1所述的用于涡轮增压器(10)的废气门阀组件(31)，其中所述阀体(44)包括一个阀面(71)，其中这些流动结构包括一个坝体(72)，该坝体沿着一个面周边(73)的一部分从所述阀面(71)上升。
9.根据权利要求8所述的用于涡轮增压器(10)的废气门阀组件(31)，所述坝体(72)具有一个弧形形状并且被布置在一个后缘(75)或一个前缘(76)的一者上并且用于阻碍来自后缘(75)的流动并且促进流动朝向前缘(76)。
10.一种涡轮增压器(10)，包括：
一个涡轮机(11)，该涡轮机具有一个蜗壳(14)和一个涡轮机入口(23)，该涡轮机入口被供应有排气流，所述涡轮机(11)具有一个中间壁(25)，该中间壁限定了一个在第一流动方向(30)上延伸的废气门通道(26)，以及一个废气门端口(28)，该废气门端口开放进入所述废气门通道(26)中以便将来自所述涡轮机入口(23)的排气流动的一部分转移到所述废气门通道(26)中，其中所述废气门端口(28)限定了一个用于转移的排气的第二流动方向(29)，该第二流动方向横向于所述第一流动方向(30)；
所述涡轮机还包括一个提供用于穿过所述废气门端口(28)的受控的排气流动的废气门阀组件(31)，所述废气门阀组件(31)包括一个阀体(44)，该阀体坐在所述废气门端口(28)上并且可选择性地打开和关闭，所述阀体(44)具有一个阀面(51)、(61)、(71)、(81)，该阀面面向所述废气门端口(28)并且当所述阀体(44)处于该打开位置时，所述阀面(51)、(61)、(71)、(81)以一个角度倾斜从而所述阀面(51)、(61)、(71)、(81)朝向该废气门通道(26)成角度，所述阀面用于通过将废气门排气流动经过一个转向角(47)而转向进入在所述第一流动方向(30)延伸的该废气门通道(26)中来使在所述第二流动方向(29)穿过所述废气门端口(28)的废气门排气流动改变方向；
所述阀体(44)的所述阀面(51)、(61)、(71)、(81)包括流动结构，这些流动结构用于减少在横向于所述第一流动方向(30)的非最佳方向(41)上的来自所述阀面(51)、(61)、(71)、(81)的排气流动，所述这些流动结构的形状被确定成用于在该排气流动经过所述转向角(47)从所述第二流动方向(29)转向到所述第一流动方向(30)时优化排气流动以便在所述第一流动方向(30)上以最佳方式离开所述阀面(51)、(61)、(71)、(81)。
11.根据权利要求10所述的涡轮增压器，其中所述阀体(44)包括一个碟形阀面(51)，该碟形阀面是由提供给所述阀面(51)的一个凹入形状限定。
12.根据权利要求10所述的涡轮增压器，其中所述阀体(44)具有一个阀面(61)，该阀面配备有边条(62)，这些边条平行于该第一流动方向(30)延伸并且在一个密封表面(64)下方向下伸出。
13.根据权利要求10所述的涡轮增压器，其中所述阀体(44)包括一个阀面(71)，其中这些流动结构包括一个坝体(72)，该坝体沿着一个面周边(73)的一部分从所述阀面(71)上升。
14.根据权利要求13所述的涡轮增压器，其中所述坝体(72)具有一个弧形形状并且被布置在一个后缘(75)或一个前缘(76)的一者上并且用于阻碍来自后缘(75)的流动并且促进流动朝向前缘(76)。
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