CN107091146B - 带有可操作来将涡轮机蜗壳选择性地构造成单蜗旋或双蜗旋的旋转旁通阀的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带有可操作来将涡轮机蜗壳选择性地构造成单蜗旋或双蜗旋的旋转旁通阀的涡轮增压器。涡轮增压器具有设置在涡轮机壳体的旁通通道的环状部分中的环状旁通阀。涡轮机壳体限定具有分开的半环状的第一和第二蜗旋的废气室，并且旁通通道的一部分由一对分隔壁分段，该对分隔壁形成分别连接至第一和第二蜗旋的两个180度的旁通段。每个分隔壁具有一个通孔。阀转子限定在旁通阀完全关闭时关闭通孔的一对阀构件。当阀转子开始朝着打开位置旋转时，首先阀构件打开通孔以连接两个旁通段，然后旁通流动通道开始打开。

Description

带有可操作来将涡轮机蜗壳选择性地构造成单蜗旋或双蜗旋 的旋转旁通阀的涡轮增压器

技术领域

本公开涉及废气驱动式涡轮增压器，特别是涉及具有用于在低的发动机速度时保持有利的废气脉冲影响的双蜗旋涡轮机蜗壳的涡轮增压器。

背景技术

EP2463483A2描述了一种涡轮增压器，其包括安装在涡轮机壳体内的涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮通过一个轴连接到压气机叶轮。涡轮机壳体限定：废气入口，该废气入口连接到围绕涡轮机叶轮的划分开的蜗壳；和轴向孔，已穿过涡轮机叶轮的废气通过该轴向孔从涡轮机壳体中排出。涡轮机壳体还限定一对同心的环形旁通通道，该对环形旁通通道围绕孔并布置为允许废气作为两股分开的旁通流绕过涡轮机叶轮。环形旁通阀放置在旁通通道中。旁通阀包括固定的环形阀座和与阀座同心布置的旋转的环形阀构件。阀构件抵靠阀座放置，并绕轴线可转动，用于选择性地改变在阀座中的各自孔和阀构件之间的对准程度。

发明内容

本公开描述了可选择性地以单蜗旋或双蜗旋构造构成的涡轮增压器的实施例，并且用于在这些构造之间切换的机构被结合到用于涡轮机的环状旁通阀中。在本文描述的一个实施例中，涡轮增压器包括：压气机叶轮，其安装在压气机壳体内；和涡轮机壳体，其限定沿着纵向轴线延伸的孔，并限定分段蜗壳，所述分段蜗壳包括绕纵向轴线各自占据整个圆周的大约180度的第一和第二蜗旋，涡轮机壳体还限定彼此分开并且分别将废气供给到第一和第二蜗旋中的第一和第二废气入口。在涡轮机壳体中设置有涡轮机叶轮。涡轮机壳体限定围绕孔并布置成允许室中的废气绕过涡轮机叶轮的环状旁通通道，其中，环状旁通通道的邻近第一和第二蜗旋的部分由位于旁通通道内并分别设置在孔的直径相对侧上的一对分隔壁分段，分隔壁将旁通通道的该部分分成半环状的第一和第二旁通段。每个分隔壁限定通孔，该通孔建立旁通段之间的流体连通。第一蜗旋连接至第一旁通段，以允许废气从第一蜗旋传递至第一旁通段，并且第二蜗旋连接至第二旁通段，以允许废气从第二蜗旋传递至第二旁通段。

环状旁通阀被设置在旁通通道的环状部分中，并且当打开时可操作，以允许废气绕过涡轮机叶轮，旁通阀包括固定的环状阀座和抵靠着阀座设置并且可绕纵向轴线旋转的环状阀转子。阀座限定轴向地延伸通过阀座的多个阀座孔口，并且阀转子限定轴向地延伸通过阀转子的多个阀转子孔口，形成各自包括阀座孔口和对应的阀转子孔口的多个孔口对，孔口对中的孔口布置成在阀转子的一些旋转位置重叠，以便产生由阀座孔口和阀转子孔口的对准部分形成的旁通流动通道。

阀转子包括构造并布置成在阀转子的完全关闭的旋转位置分别关闭分隔壁中的通孔以使第一与第二旁通段彼此隔离的一对阀构件，旁通流动通道同样在完全关闭的位置被关闭。在该构造中，分别的废气流被供给至第一和第二蜗旋，并且保持成分开的，直到进入涡轮机叶轮。

阀转子构造成使得在从完全关闭的位置移置的第一中间位置，阀构件打开分隔壁中的通孔，以便在旁通流动通道保持关闭的同时允许废气在第一与第二旁通段之间流动。因此，进入第一废气入口到第一蜗旋中的废气脉冲的一部分可流入关联的第一旁通段，通过分隔壁孔进入第二旁通段并从那里进入第二蜗旋、然后到达涡轮机叶轮。尽管到涡轮机叶轮的该辅助路径是迂回的并且不如从第一蜗旋到叶轮的直接路径有效，但其仍建立了增加到涡轮机叶轮的总流动面积的辅助路径。同样地，进入第二蜗旋的废气脉冲的一部分可找到到达叶轮的辅助路径，其经由第二旁通段到第一旁通段并通过到第一蜗旋、然后到叶轮。

在从第一中间位置进一步移置的阀转子的完全打开的位置，分隔壁中的通孔完全打开，并且旁通流动通道完全打开。

因而，通过使阀转子旋转至第一中间位置，在旁通阀对旁通流动保持关闭的同时，可使涡轮机处于实际上单蜗旋的构造。当需要旁通废气时，阀转子可被旋转至完全打开的位置。

在一些实施例中，阀转子可旋转至在第一中间位置与完全打开的位置之间的第二中间位置。旁通流动通道在第二中间位置中部分地打开。阀可构造成限定多个中间位置，该多个中间位置具有不同程度的旁通流动通道的打开。

附图说明

如此已概括地描述了本公开，现在将对附图作出参考，所述附图不一定按比例绘制，并且其中：

图1是根据本发明的实施例的涡轮增压器的轴向截面视图；

图2是部分切开以示出内部细节的、用于图1的涡轮增压器的涡轮机壳体组件的透视图；

图3是图2的涡轮机壳体组件的分解透视图；

图4是用于图2的组件的涡轮机壳体的剖视透视图；

图5是用于图2的涡轮机壳体组件的旁通阀子组件的分解透视图；

图6A是沿着线A-A的图1的涡轮增压器的轴向端视图，其中，旁通阀在完全关闭的位置；

图6B是沿着图1中的线B-B的截面视图，其中，旁通阀在完全关闭的位置；

图6C是沿着图1中的线C-C的截面视图，其中，旁通阀在完全关闭的位置；

图7A是沿着线A-A的图1的涡轮增压器的轴向端视图，其中，旁通阀在第一中间(部分打开的)位置；

图7B是沿着图1中的线B-B的截面视图，其中，旁通阀在第一中间位置；

图7C是沿着图1中的线C-C的截面视图，其中，旁通阀在第一中间位置；

图8A是沿着线A-A的图1的涡轮增压器的轴向端视图，其中，旁通阀在第二中间(进一步打开的)位置；

图8B是沿着图1中的线B-B的截面视图，其中，旁通阀在第二中间位置；

图8C是沿着图1中的线C-C的截面视图，其中，旁通阀在第二中间位置；

图9A是沿着线A-A的图1的涡轮增压器的轴向端视图，其中，旁通阀在完全打开的位置；

图9B是沿着图1中的线B-B的截面视图，其中，旁通阀在完全打开的位置；以及

图9C是沿着图1中的线C-C的截面视图，其中，旁通阀在完全打开的位置。

具体实施方式

现在将参考附图在下文中更充分地描述本公开，附图中示出了本发明的一些实施例但非所有实施例。实际上，这些发明可以以许多不同的形式具体化，并且不应被理解为限于本文陈述的实施例；更确切地说，提供这些实施例，使得该公开满足适用的法律要求。贯穿全文相同的附图标记指的是相同的元件。

在图1中示出了本发明的实施例可被使用于其中的涡轮增压器20。如所示，涡轮增压器20的主要子组件包括压气机组件30和涡轮机组件50。压气机组件30包括压气机壳体32和安装在压气机壳体32中并装接至旋转轴36的一端的压气机叶轮34。中心壳体组件包括中心壳体40，该中心壳体40附连至压气机壳体32并包含用于旋转轴的轴承。涡轮机组件50包括涡轮机壳体52和安装在涡轮机壳体52中并装接至旋转轴的相反端的涡轮机叶轮54。

涡轮机壳体52限定：一对分开的废气入口56a和56b，通过该对分开的废气入口接收来自内燃机的两股分开的废气流；和分段蜗壳或室，其从入口56a、b接收废气流，并围绕室分布气体，用于供给到涡轮机叶轮54中。根据本发明，分段室具有彼此分开的一对大致180度的室段，这一对室段在本文中也被称为第一和第二蜗旋58a和58b。第一和第二蜗旋58a和58b分别由分别的废气入口56a和56b供给废气。作为非限制性示例，在四缸发动机的情况中，气缸1和3可将废气供给至入口56a，气缸2和4可将废气供给至入口56b。因此，当气缸1处在其循环的排气阶段并因而将废气脉冲供给至入口56a时，气缸2和4不将废气供给至入口56b；然后，当气缸2处在其排气阶段并因而将废气脉冲供给至入口56b时，气缸1和3不将废气供给至入口56a；对于所有四个气缸诸如此类。入口56a与56b及因此两个蜗旋58a与58b随着两股分开的废气流的该交替脉动被有利地维持直到尽可能接近涡轮机叶轮入口，以保存对涡轮机效率的有益脉冲影响，尤其是在低的发动机速度及因此低的废气流动速率和低的废气流动能量时。

蜗旋58a和58b还连接至旁通蜗壳60，所述旁通蜗壳60包括限定在涡轮机壳体52中的一对大致180度的旁通段60a和60b。第一蜗旋58a仅连接至旁通段60a，第二蜗旋58b仅连接至旁通段60b。旁通段60a、b共同围绕着限定在涡轮机壳体中的轴向孔62，并且由旁通蜗壳中彼此在直径上对置的一对分隔壁61(最佳见于图4)彼此分开。穿过涡轮机叶轮54的废气通过孔62从涡轮机壳体排出。旁通段60a、60b为废气提供替代路径，以在无需首先穿过涡轮机叶轮54的情况下流动。然而，只有当以下描述的旁通阀打开时，气体才能流经旁通段60a、b。

特别参考图2和3，环状旁通阀70被安装在旁通蜗壳60的正好在两个分开的旁通段60a、b下游的360度环状部分中。旁通阀可操作用于调整通过旁通蜗壳的流动。环状旁通阀70的主要部件包括不动的阀座72和与阀座邻接接合的旋转式阀转子74。阀转子74在径向方向上由涡轮机壳体约束，但可自由绕自己的轴线旋转并可自由地抵靠着阀座72轴向移动。阀座72被阻止轴向、径向或旋转地移动。

阀座72是大体平的环形或环状构件，其具有绕着阀座的圆周周向地间隔开的多个孔口73，孔口73在阀座的上游面与下游面之间大体轴向地延伸。在图示的实施例中的孔口73绕阀座的圆周均匀间隔，但如以下进一步描述地，孔口的不均匀间隔也是可能的并且在一些情况下会是有利的。阀座72可通过多种工艺和材料中的任何工艺和材料形成。例如，可使用的工艺包括铸造、铸造与机械加工、和冲压。

旋转式阀转子74是大体平的圈形或环形构件，其具有绕着阀座的圆周周向地间隔开的多个孔口75，孔口75在阀转子的上游面与下游面之间大体轴向地延伸。在图示的实施例中的孔口75绕阀转子的圆周均匀间隔，并且阀转子中的孔口75的数量和间隔与阀座中的孔口73的数量和间隔相同。然而，如以下进一步描述地，孔口75的不均匀间隔也是可能的并且在一些情况下会是有利的；此外，孔口73与75的间隔不必相同，并且在一些情况下，间隔不同会是有利的。

参考图2，阀转子74的旋转通过连接至传动轴100的旋转式传动臂110实现，所述传动轴100绕自己的中心轴线（在本文中也被称作“传动轴线”）旋转，该中心轴线与涡轮增压器的旋转轴线平行。传动臂110是大体“L”形的，具有大体垂直于传动轴线延伸的部分和远端(即，远离连接至传动轴100的端部的端部)，该远端限定大体平行于传动轴线延伸的销或杆部112。阀转子74包括接收传动臂110的销部112的叉79。传动轴100可连接至旋转式致动器的输出轴(未示出)，以促使传动轴100旋转并因此促使传动臂110的远端扫过一段弧，从而促使阀转子74绕它自己的纵向轴线旋转。因而，致动器在一个方向上的旋转将使阀转子在(与致动器方向相反的)第一方向上旋转，致动器在另一方向上的旋转将使阀转子在第二方向上旋转。

现在参考图4和5，将旁通蜗壳的一部分分成两个旁通段60a和60b的分隔壁61各自具有延伸通过分隔壁的孔62。每个分隔壁61大致位于径向-轴向平面中(或者更确切地，平行于径向-轴向平面)。阀转子74包括一对阀构件76，其各自从阀转子的在其相反于阀座72的一侧上的面突出。阀构件76大致沿轴向方向从阀转子的所述面突出，并且各自大致位于径向-轴向平面中(或者更确切地，平行于径向-轴向平面)。阀构件76关于阀转子74的中心旋转轴线彼此在直径上对置，并定位成使得在如图6C所示的阀转子的一个旋转位置，阀构件76中的一个阀构件邻接分隔壁61中的一个分隔壁的面，以便有效地关闭孔62并防止气体流过，并且另一阀构件76邻接另一分隔壁61，以便有效地关闭孔62并防止气体流过。因此，当阀转子处在该位置时(图6C)，通过两个旁通段60a和60b维持两股分开的废气流的隔离。如以下进一步说明地，这对于在低速和低的废气能量的状况下维持有利的脉冲影响是重要的。根据本发明，通过使阀转子74旋转离开图6C的位置，诸如图7C、8C和9C所示，能打开分隔壁中的孔62以便使两个旁通段60a和60b互连。本发明的特征是分隔壁孔62的这样的打开相对于旁通阀70的打开的时间安排。这在以下说明。

首先参考图6A-6C，示出了阀转子74定位在关闭位置的涡轮机壳体与旁通阀组件。如图6B所指示地，不动的阀座72中的孔口73与阀转子中的孔口75完全未对准，使得它们之间没有重叠。因此，防止废气穿过旁通阀70。如图6C所示，在该位置，阀转子上的阀构件76被定位成关闭分隔壁孔62。因此，废气脉冲可交替地供给至两个蜗旋58a和58b，并且保持两股气流彼此的隔离，也就是说，旁通阀70大致防止从蜗旋中的一个蜗旋到另一个蜗旋的泄漏，因为通过旁通阀孔口73、75和分隔壁孔62的这样的泄漏的可能路径被封闭。为了确保这样的隔离，阀座72如图5所示优选地包括两道坝72d。坝72d是从阀座72的面朝着阀转子74的相对面突出并与之形成接触的***的肋。坝与分隔壁61对准，使得阀座的界定在坝之间的一个180度的段与第一蜗旋58a和旁通段60a对准，并且另一180度的段与第二蜗旋58b和旁通段60b对准。除坝72d之外，阀座优选地包括***的衬垫73p，该***的衬垫完整地围绕每个孔口73并邻接阀转子的面，以便大致防止废气通过在阀座与阀转子之间的间隙的泄漏。

参考图7A-7C，示出在第二位置的旁通阀70，其中，阀转子74被充分旋转，以打开分隔壁孔62，以便建立两个旁通段60a与60b之间的连通。然而，如图7B所指示地，阀转子孔口75仍未开始与阀座孔口73重叠。因此，旁通阀70对旁通流动保持关闭。然而，在旁通段之间的连通建立了两个蜗旋58a与58b之间的流动路径。因此，进入入口56a到第一蜗旋58a中的废气脉冲的一部分可流入关联的旁通段60a中，通过分隔壁孔62进入另一旁通段60b并从那里进入第二蜗旋58b、然后到达涡轮机叶轮。尽管到涡轮机叶轮的该辅助路径是迂回的并且不如从第一蜗旋58a到叶轮的直接路径有效，但其仍建立了辅助路径，该辅助路径增加了到涡轮机叶轮的总流动面积。同样地，进入第二蜗旋58b的废气脉冲的一部分可找到经由旁通段60b到另一旁通段60a并且通过到第一涡轮58a然后到叶轮的到达叶轮的辅助路径。

图8A-8C图示了相对于图7A-C的位置更进一步旋转的阀转子74的位置。在该进一步旋转的位置，阀转子孔口75已开始与阀座孔口73重叠，但未变得完全对准。因而，在旁通阀70的该部分打开的位置，一些废气能够流过旁通阀70，以绕过涡轮机叶轮。

图9A-9C图示了旁通阀的完全打开的位置，其中，在阀转子孔口75与阀座孔口73之间有最大的重叠。

根据本发明，当发动机速度低并且废气能量相应低时，可使旁通阀70处于图6A-C的完全关闭的位置。在该位置，两个蜗旋58a、b保持彼此隔离，并且旁通段60a、b保持彼此隔离。因此，由于将两股废气流的隔离维持成直到涡轮机叶轮，所以实现对于低速操作的对涡轮级效率的有益脉冲影响。

另一方面，当发动机速度较高时，由于双蜗旋构造不利于涡轮级效率，所以两个蜗旋的隔离是不合需要的。根据本发明，通过将旁通阀打开至图7A-C的位置，使得对于每股废气脉冲的总流动面积经由替代路径而显著增加，来避免或显著缓和该不利，所述替代路径通过建立穿过分隔壁孔62的蜗旋到蜗旋的连通而打开。涡轮机因而表现得类似于单蜗旋涡轮机。

在更高的发动机速度时，当需要涡轮机的旁通用于最大的废气流动速率时，旁通阀可打开至图8A-C的部分打开的位置或图9A-C的完全打开的位置。

具有在前述说明和相关附图中介绍的教导的益处，在此陈述的发明所属的领域的技术人员将想到本文所述的发明的许多变型及其它实施例。例如，在本文图示并描述的实施例中，分隔壁中的通孔在旁通流动通道开始打开之前变得完全打开。然而，替代性地，在本发明的范围中包括其中采用不同的蜗旋到蜗旋相对旁通打开方案的其他实施例。例如，旁通通道可在蜗旋到蜗旋的通孔完全打开之前开始打开。因此，应理解的是，本发明不限于所公开的特定的实施例，并且变型和其它的实施例意图被包括在所附权利要求的范围内。尽管本文采用了特定的术语，但它们仅在一般和描述的意义上使用，并且不用于限制的目的。

Claims (4)

1.一种涡轮增压器，其包括：

压气机叶轮，其安装在压气机壳体内；

涡轮机壳体，其限定沿着纵向轴线延伸的孔，并限定分段蜗壳，所述分段蜗壳包括绕所述纵向轴线分别占据整个圆周的大约180度的第一和第二蜗旋，所述涡轮机壳体还限定彼此分开并且分别将废气供给到所述第一和第二蜗旋中的第一和第二废气入口；

涡轮机叶轮，其设置在所述涡轮机壳体中；

所述涡轮机壳体限定围绕所述孔并布置成允许室中的废气绕过所述涡轮机叶轮的环状旁通通道，其中，所述环状旁通通道的邻近所述第一和第二蜗旋的部分由位于所述旁通通道内并分别设置在所述孔的直径相对侧上的一对分隔壁分段，所述分隔壁将所述旁通通道的所述部分分成半环状的第一旁通段和第二旁通段，每个分隔壁限定建立所述第一旁通段和第二旁通段之间的流体连通的通孔，其中，所述第一蜗旋连接至所述第一旁通段，以允许废气从所述第一蜗旋传递至所述第一旁通段，并且所述第二蜗旋连接至所述第二旁通段，以允许废气从所述第二蜗旋传递至所述第二旁通段；

环状旁通阀，其设置在所述旁通通道的环状部分中并且当打开时可操作以允许废气绕过所述涡轮机叶轮，所述旁通阀包括固定的环状阀座和抵靠着所述阀座设置并且绕所述纵向轴线能旋转的环状阀转子，所述阀座限定轴向地延伸通过阀座的多个阀座孔口，并且所述阀转子限定轴向地延伸通过阀转子的多个阀转子孔口，形成各自包括阀座孔口和对应的阀转子孔口的多个孔口对，所述孔口对中的所述阀座孔口和阀转子孔口布置成在所述阀转子的一些旋转位置重叠，以便产生由所述阀座孔口和阀转子孔口的对准部分形成的旁通流动通道，

其中，所述阀转子包括一对阀构件，所述一对阀构件构造并布置成在所述阀转子的完全关闭的旋转位置分别关闭所述分隔壁中的所述通孔，以便使所述第一与第二旁通段彼此隔离，所述旁通流动通道同样在所述完全关闭的位置关闭，

其中，所述阀转子构造成使得在从所述完全关闭的位置移置的第一中间位置，所述通孔开始打开，以便在所述旁通流动通道保持关闭的同时允许废气在所述第一与第二旁通段之间流动，并且构造成使得在从所述第一中间位置进一步移置的完全打开的位置，所述通孔完全打开，并且所述旁通流动通道完全打开。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述阀转子能旋转至在所述第一中间位置与所述完全打开的位置之间的第二中间位置，并且其中，所述旁通流动通道在所述第二中间位置部分地打开。

3.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述阀座包括从所述阀座突出并邻接所述阀转子的相对面的一对***的肋，所述肋与所述分隔壁对准，用于防止废气经由所述旁通阀在所述第一与第二蜗旋之间的泄漏。

4.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其中，所述阀座包括围绕每个阀座孔口的***的衬垫，所述***的衬垫从所述阀座突出并邻接所述阀转子的所述相对面，用于防止废气经由所述旁通阀在所述第一与第二蜗旋之间的泄漏。

Images