專利名稱：可變幾何尺寸的渦輪增壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明
背景技術(shù)：
領(lǐng)域本發(fā)明總體上涉及具有可變的渦輪機入口幾何尺寸的渦輪增壓器領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明提供了一種用于在渦輪機殼體的入口噴嘴內(nèi)定位多個空氣動力葉輪的簡化結(jié)構(gòu)的裝置以及一用于控制葉片輪位置的成整體的致動器。
背景技術(shù)：
在渦輪增壓器中經(jīng)常希望控制排氣進入渦輪機的流量以提高效率或工作范圍。已經(jīng)采用了多種噴嘴結(jié)構(gòu)來控制排氣流量。在現(xiàn)有技術(shù)的渦輪增壓器中已經(jīng)成功采用的方法是多個樞轉(zhuǎn)葉輪，這些葉輪繞渦輪機入口環(huán)狀地定位并被共同控制以改變?nèi)~輪之間的通道的喉部面積。在授予Swihart等人的題為“Actuation System for VariableNozzle Turbine”的美國專利第4679984號中和與本發(fā)明具有共同受讓人的授予Fleury的題為“Suspension for the Pivoting VaneActuation Mechanism of a Variab1e Nozzle Turbocharger”的專利第4803316號中公開了該方法的用于實現(xiàn)可變噴嘴的多種方式。
雖然多葉輪可變噴嘴渦輪增壓器具有大幅度提高的整體效率和顯著提高的渦輪增壓器能力，但用于葉輪的支撐和致動的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加了制造成本而且偶爾還會出現(xiàn)維修問題。因此希望降低復(fù)雜性和可變噴嘴結(jié)構(gòu)裝置的部件數(shù)量，以及提高致動系統(tǒng)，以增加可靠性并降低使用它們的渦輪增壓器的制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的可變幾何尺寸渦輪增壓器包括一渦輪機殼體，該殼體具有一用于排氣的標準的入口和一至發(fā)動機的排氣系統(tǒng)的出口。一蝸殼連接到該入口上，一成整體的外部噴嘴壁在該蝸殼附近結(jié)合在渦輪機殼體鑄件上。一中心殼體連接到渦輪機殼體上。一軸承裝置安裝在中心殼體內(nèi)的一中心孔中。一具有一空氣入口和一壓縮空氣出口的壓縮殼體連接到中心殼體上。
一渦輪機葉輪安裝在渦輪機殼體內(nèi)，并連接到一延伸通過中心殼體的軸上，由所述軸承組件支撐。連接到一壓縮機葉輪上的軸安裝在該壓縮機殼體內(nèi)。
多個具有轉(zhuǎn)動支柱的葉片提供可變噴嘴，該轉(zhuǎn)動支柱從一第一表面基本上平行于外部噴嘴壁延伸。該支柱容納在外部噴嘴壁上的沿周向彼此間隔的孔內(nèi)。葉片還具有從該葉片的相對表面延伸的致動突片。一調(diào)和環(huán)接合在中心殼體和葉片之間，并具有多個加工出輪廓的槽，其數(shù)量等于葉片的數(shù)量。這些槽傾斜地朝調(diào)和環(huán)的周邊取向并容納突片。這些槽的具有輪廓的表面在位移過程中在不同的表面上接合突片的基本上平的側(cè)面以提供最佳的控制并減少磨損。
調(diào)和環(huán)的致動通過一徑向槽和一曲柄軸來實現(xiàn)，該軸具有一與徑向槽接合的銷。曲柄軸可連續(xù)地從一第一位置移動到一第二位置，引起銷在徑向槽內(nèi)產(chǎn)生位移并施加垂直于徑向槽的力以促使調(diào)和環(huán)轉(zhuǎn)動。調(diào)和環(huán)的轉(zhuǎn)動導(dǎo)致突片從槽的一第一端至槽的一第二端經(jīng)過致動槽。槽的傾斜的定位使得葉片能夠從一第一打開位置至一第二關(guān)閉位置連續(xù)可變地轉(zhuǎn)動。
一成整體的液壓致動器提供用于曲柄軸的致動機構(gòu)。安裝在中心殼體內(nèi)的一凸臺中的致動器使用一活塞和活塞桿由一齒條和齒輪連接至曲柄軸，用于葉片的位置控制。一螺線管操縱多口的閥提供操縱活塞的液壓，它帶有通過安裝在靠近齒輪的曲柄軸上的凸輪的直接反饋。


通過針對附圖對本發(fā)明的詳細描述可以更清楚地理解本發(fā)明的細節(jié)和特征，在附圖中圖1是采用本發(fā)明的渦輪增壓器的一實施例的透視圖；圖2是一側(cè)剖視圖，示出了渦輪機殼體、中心殼體和壓縮機背板，由軸承系統(tǒng)支撐的渦輪機軸葉輪和壓縮機葉輪；圖3是通過中心殼體的一端部剖視圖，示出了本發(fā)明的成整體的致動閥裝置的一實施例；圖4是閥門活塞裝置的另一實施例的一局部視圖；圖5a是沿圖3中的G-G所取的剖視圖，圖5b-c是從致動閥至與噴嘴葉片接合的調(diào)和環(huán)延伸的曲柄軸組件的剖視圖；圖6a-e是調(diào)和環(huán)和噴嘴葉片的端視圖，示出了可變的葉片位置和致動結(jié)構(gòu)裝置；圖7是調(diào)和環(huán)的另一實施例的反向的端視圖，示出了用于壓力補償?shù)囊环N封閉減壓設(shè)計；圖8是圖7所示的調(diào)和環(huán)和安裝在渦輪機殼體內(nèi)的葉片的示意性的側(cè)視圖，示出了用于葉片公差控制的壓力補償；和圖9a-e是用于控制葉片位置的致動閥開口和活塞結(jié)構(gòu)的示意性的側(cè)視圖。
具體實施例方式
參照附圖所示，在圖1中示出的本發(fā)明的實施例包括一壓縮機殼體10，該殼體10利用兩個或多個由螺栓16固定的夾具14連接到一背板12上。該背板用多個螺栓20和一密封環(huán)22連接到一中心殼體18上。渦輪機殼體24利用多個由螺栓28固定的夾具26連接到該中心殼體上。渦輪機葉輪和軸組件30安裝在該渦輪機殼體內(nèi)。供應(yīng)到渦輪增壓器的排出氣體或其它的高能量氣體通過入口32進入該渦輪機殼體并通過渦輪機殼體內(nèi)的蝸殼分布，用于通過一周向噴嘴入口34基本上沿徑向進入渦輪機葉輪。
多個葉片36利用從葉片延伸的用于與噴嘴壁內(nèi)的孔42轉(zhuǎn)動接合的支柱40，被安裝到在該渦輪機殼體內(nèi)加工出的噴嘴壁38上。致動突片44從葉片開始延伸至與調(diào)和環(huán)48內(nèi)的槽46接合，該調(diào)和環(huán)作為第二噴嘴壁。突片、槽和調(diào)和環(huán)的構(gòu)形將在下面進行更詳細的描述。一致動器曲柄50在一第一端終止于一杠桿臂52，帶有一銷釘54，以與調(diào)和環(huán)內(nèi)的橢圓槽56接合，用于環(huán)的轉(zhuǎn)動，這一點將在下面進一步解釋。該致動器曲柄延伸入中心殼體鑄件內(nèi)的一凸臺58內(nèi)，穿過一襯套60和一齒輪62，該齒輪通過一銷釘64固定到該致動器曲柄上并容納在一端軸承66內(nèi)，該軸承66與曲柄凸臺內(nèi)的孔68配合。一O形環(huán)70密封該端軸承，并且一卡環(huán)72將該端軸承固定在孔68內(nèi)。
一具有兩個軸頸軸承74和一軸承間隔件76的軸承系統(tǒng)將軸葉輪組件支撐在中心殼體的中心孔78內(nèi)。該軸承還延伸通過一止推環(huán)80，該止推環(huán)與一安裝在中心殼體和壓縮機背板之間的推力軸承82接合。一活塞環(huán)84使該止推環(huán)與背板上的軸孔密封。圖2中更詳細地示出了軸葉輪組件在渦輪機殼體、中心殼體和背板內(nèi)的總裝。為清楚起見，未示出調(diào)和環(huán)和葉片。壓縮機葉輪86連接到軸葉輪組件上。
再參見圖1所示，用于渦輪增壓器的集成的致動器裝放在位于中心殼體18的鑄件內(nèi)的致動器凸臺82內(nèi)。一螺線管閥84安裝在該凸臺的一端的一孔內(nèi)，而致動部件安裝在該凸臺的相對端的一第二孔內(nèi)。致動部件包括一活塞86，該活塞與一桿88相結(jié)合，該桿具有一與安裝在曲柄軸50上的齒輪62嚙合的齒條90。一環(huán)形密封件92圍繞活塞的周緣，將活塞相對致動器凸臺的孔密封。另外的環(huán)形密封件94和96將活塞桿密封到一直徑小于活塞孔的桿孔內(nèi)。活塞孔被密封使得一活塞端98用一開口環(huán)100保持在該孔內(nèi)。一螺栓102插入該活塞端的一螺紋孔內(nèi)，用于操縱該活塞端。一附加的環(huán)形密封件104將該活塞端相對孔密封。另一種方案是，用一固定插塞106替換該活塞端。螺線管閥被固定到該凸臺上，一支架108由一螺栓110固定。孔塞112和114密封致動器凸臺內(nèi)的致動通道的封閉端，并利用鋼珠116密封其它的致動通道，下面將做更詳細的描述。
圖2是一渦輪增壓器的側(cè)剖視圖，示出了組裝的渦輪機殼體、中心殼體和壓縮機背板，渦輪機軸葉輪組件和壓縮機葉輪由軸承組件支撐。
圖3是通過致動器凸臺和組裝的致動器部件的端剖視圖。圖4示出了用于密封活塞孔的另一種固定插塞布置。
如圖2中詳細示出的，中心殼體包括一鑄件主體部分和一渦輪機殼體背板120，用于利用螺栓將中心殼體與渦輪機殼體連接起來，如前面所述。圖5a所示的剖視圖示出了曲柄軸組件，齒輪62與襯套60安裝在中心殼體的鑄件主體部分內(nèi)，曲柄軸延伸穿過鑄件主體部分和渦輪機殼體背板之間的空氣間隙并進入背板內(nèi)的一孔內(nèi)。圖5b示出了曲柄軸在背板孔內(nèi)的密封布置的詳細情況。一第一金屬環(huán)形密封件122具有一第一直徑，該密封件用來密封孔124的內(nèi)直徑，而一第二金屬環(huán)形密封件126與第一密封件相結(jié)合，用來密封該孔的一第二較大的直徑128。這種布置在運行期間在鑄件主體部分和背板的不均衡的熱膨脹過程中能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)的密封。圖5b示出了運行過程中的構(gòu)形，背板的溫度超過了主體部分的溫度，導(dǎo)致更大的膨脹，而圖5c示出了常溫下鑄件主體部分與背板之間具有額定公差的布置。
在渦輪機入口噴嘴的噴嘴葉片36由調(diào)和環(huán)48操縱。圖6a示出了由徑向槽130內(nèi)的曲柄軸50的端銷54接合的調(diào)和環(huán)。曲柄軸的轉(zhuǎn)動引起端銷偏置在徑向槽內(nèi)來回移動，進而導(dǎo)致調(diào)和環(huán)的轉(zhuǎn)動。安裝在銷40上用于轉(zhuǎn)動的葉片延伸入渦輪機殼體的噴嘴壁內(nèi)的容納孔42內(nèi)，該葉片的導(dǎo)向突片132，其容納在調(diào)和環(huán)的槽46中。當(dāng)調(diào)和環(huán)轉(zhuǎn)動時，槽的運動引起突片從槽的一端到另一端來回移動，進而導(dǎo)致葉輪的轉(zhuǎn)動，從一第一完全打開的位置通過一圖6a所示的中間位置到達一完全關(guān)閉的位置。圖6b以部分幻影圖的形式示出了突片定位于各槽內(nèi)的完全打開的、中間的和完全關(guān)閉的葉片的位置。圖6c是帶有的圖示出多個位置的突片的調(diào)和環(huán)槽的一放大的視圖。突片具有基本上平的側(cè)面134和136，這些側(cè)面提供了突片與槽壁的延長的接合，以降低突片上的點磨損。槽的輪廓不是純橢圓形的，其預(yù)先確定成能夠提供與突片的最大的接合程度，而突片在打開和關(guān)閉端點與第一側(cè)面134的接合具有最大面積，在葉片位于中間位置期間與第二側(cè)面136接合。
對于圖中所示的實施例，圖6d示出了葉片的完全打開和完全關(guān)閉位置。提供了葉輪的一個22度的轉(zhuǎn)動。表1示出了對于葉輪的打開、中間和關(guān)閉位置的相關(guān)的前緣、后緣和以毫米為單位的喉部的尺寸。
在一些應(yīng)用條件下，希望得到噴嘴內(nèi)的葉片的安裝的壓力平衡。圖7示出了調(diào)和環(huán)48的一實施例，它具有封閉槽46，而在該環(huán)的相反面上提供具有壓力口140的一封閉減壓面138，該壓力口140加工在該減壓面上。圖8示出了與噴嘴內(nèi)的葉片接合的減壓調(diào)和環(huán)的一側(cè)剖視圖的詳細情況。對于所示的布置，進入噴嘴的排氣壓力通過在背板120內(nèi)的安裝通道144的公差提供的間隙142，并通過口140，對調(diào)和環(huán)的減壓背面部分138產(chǎn)生壓力。另一種方案是，提供一供給孔146，通過背板進入調(diào)和環(huán)的安裝通道靠近口144的位置。排氣的總壓力迫使調(diào)和環(huán)抵靠葉片，進而葉片又被推動抵靠在渦輪機殼體的噴嘴表面38上。容納葉片銷40的孔42具有足夠的深度，以保持葉輪與噴嘴表面和調(diào)和環(huán)緊密接觸，以使葉片泄漏最小。
葉片的致動由前述的螺線管閥84和致動部件來實現(xiàn)。圖9a至9e示出了致動活塞86及其通過齒條90驅(qū)動齒輪62的活塞桿88的各種狀態(tài)。該螺線管閥受到一彈簧150的反作用力，該彈簧150具有一蓋152，該蓋152與加工在齒輪本體上的一凸輪154接合。如下面將描述的各口打開和關(guān)閉，靠液壓定位活塞，通過齒輪齒條的機械閉合回路該活塞提供有關(guān)曲柄軸的位置的定位控制，進而提供調(diào)和環(huán)的相關(guān)控制。
螺線管閥是一按比例的伺服4通液壓致動控制閥。如圖9a中所示，如果沒有電流通向螺線管閥，則口A打開，口B(活塞的頂部)與排出口D相連。如圖9b所示，當(dāng)從渦輪增壓器安裝在其上的發(fā)動機施加油壓時，油壓通過口A導(dǎo)入活塞的底部，將葉片置于完全打開的位置。當(dāng)電流通向該螺線管閥時，口A被關(guān)閉，口A(活塞的底部)與排出口相連，口B打開并且油壓被導(dǎo)入活塞的頂部，向左移動活塞，開始關(guān)閉葉片。
圖9c示出了具有螺線管內(nèi)低電流平衡狀態(tài)電流的致動系統(tǒng)的狀態(tài)?？贏被關(guān)閉，口B也被關(guān)閉，而葉片的位置根據(jù)所施加的電流定位。如果電流增加，圖9d表示口B被打開，將油壓引導(dǎo)到活塞的頂部?？贏與排出口相連，并且活塞向左移動，在關(guān)閉方向上移動葉片。有限時間過后，系統(tǒng)在高電流下穩(wěn)定在平衡狀態(tài)，如圖5e所示，口A關(guān)閉，口B也關(guān)閉，葉片的位置根據(jù)所施加的電流定位。全電流施加到螺線管上導(dǎo)致口B被關(guān)閉，油壓被引導(dǎo)到活塞的頂部，而口A與排出口相連，活塞向左移動，直到達到完全關(guān)閉的葉片位置。從螺線管去掉電流則使致動系統(tǒng)恢復(fù)到圖9a所示的狀態(tài)，葉片完全打開。
以上按照專利法規(guī)所需要的對本發(fā)明進行了詳細的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)對這里所公開的特定的實施例所作的改進和替換。這種改進是在下面的權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的。
權(quán)利要求
1.一種可變幾何尺寸的渦輪增壓器，其包括一渦輪機殼體，其具有一用于排氣的入口和一出口，一連接到該入口上的蝸殼及一鄰近該蝸殼的成整體的外部噴嘴壁；一中心殼體，其連接到渦輪機殼體上并具有一安裝一軸承組件的中心孔；一壓縮機殼體，其具有一空氣入口和一壓縮空氣出口，該壓縮機殼體連接到中心殼體上；一渦輪機葉輪，其安裝在渦輪機殼體內(nèi)，并連接到一延伸通過中心殼體的軸上，由該軸承組件支撐，該軸的遠離渦輪機葉輪的一端連接到安裝在壓縮機殼體內(nèi)的壓縮機葉輪上；多個具有轉(zhuǎn)動支柱的葉片，該轉(zhuǎn)動支柱從一第一表面基本上平行于外部噴嘴壁延伸，該支柱容納在外部噴嘴壁上的沿周向彼此間隔的孔內(nèi)，葉片還具有致動突片，這些突片從所述葉片的遠離第一表面的第二表面延伸；一調(diào)和環(huán)，其位于中心殼體和所述葉片之間，該調(diào)和環(huán)具有多個槽，槽的數(shù)量與所述葉片的數(shù)量相等，所述槽取向傾斜地朝向調(diào)和環(huán)的周邊，并容納所述突片，該調(diào)和環(huán)還具有一徑向槽；一曲柄軸，其具有一與所述徑向槽接合的銷，所述曲柄軸可以從一第一位置連續(xù)移動至一第二位置，曲柄軸的移動引起所述銷在徑向槽內(nèi)產(chǎn)生位移，并施加垂直于所述徑向槽的力來促使所述調(diào)和環(huán)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，調(diào)和環(huán)的轉(zhuǎn)動引起所述突片從所述槽的一第一端至所述槽的一第二端在所述致動槽來回移動；和用于從所述第一位置至所述第二位置移動所述曲柄軸的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的可變幾何尺寸的渦輪增壓器，其特征在于，所述突片具有基本上平的側(cè)面，以被容納在所述致動槽內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的可變幾何尺寸的渦輪增壓器，其特征在于，所述致動槽具有一預(yù)先確定的構(gòu)形，隨著突片位于所述槽的所述第一端和第二端，提供與每一突片的一第一側(cè)面的最大的接合，而隨著位于所述槽內(nèi)的突片處在第一端與第二端之間時，提供與每一突片的一第二側(cè)面的最大接合。
4.如權(quán)利要求1所述的可變幾何尺寸的渦輪增壓器，其特征在于，所述移動裝置包括一與所述中心殼體形成一體的液壓致動裝置，并具有一容納在整體鑄造在中心殼體內(nèi)的一凸臺內(nèi)的活塞，用于垂直于所述曲柄軸作往復(fù)運動；一在一第一端連接到所述活塞上的活塞桿；用于將所述活塞桿連接到曲柄軸上的裝置，該連接裝置將所述桿的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變成軸的旋轉(zhuǎn)運動；和用于在活塞的相對側(cè)面上可控制地改變液壓力的裝置，以引起從對應(yīng)于所述曲柄軸的第一位置的一第一位置移動到對應(yīng)于所述曲柄軸的第二位置的一第二位置。
5.如權(quán)利要求4所述的可變幾何尺寸的渦輪增壓器，其特征在于，所述連接裝置包括一位于所述活塞桿上的齒輪齒條；和一位于所述曲柄軸上的齒輪。
6.如權(quán)利要求4所述的可變幾何尺寸的渦輪增壓器，其特征在于，用于可控制地改變液壓壓力的裝置包括一液壓閥桿，其具有多個口并可由一可變電流的電螺線管移動，該電螺線管由一偏置彈簧來平衡；一液壓壓力源，其在所述桿處于一第一位置時與一第一口連通，而在所述桿處于一第二位置時與一第二口連通；一液壓排出口，其在所述桿處于一第一位置時與一第三口連通，而在所述桿處于一第二位置時與一第四口連通；一與所述活塞的一第一端連通的第一管道，在所述桿處于一第一位置時，該第一管道與所述第一口連通，而在所述桿處于一第二位置時，該第一管道與一第四口連通；一與所述活塞的一第二端連通的第二管道，在所述桿處于一第一位置時，該第二管道與所述第三口連通，而在所述桿處于一第二位置時，該第二管道與一第二口連通；和一位于所述曲柄軸上的凸輪，可操縱地與所述偏置彈簧接合。
7.如權(quán)利要求1所述的可變幾何尺寸的渦輪增壓器，其特征在于，所述致動槽是封閉的，并且其還包括一在所述中心殼體內(nèi)緊密容納所述調(diào)和環(huán)的環(huán)狀通道；和用于向所述通道供應(yīng)空氣壓力來促使所述調(diào)和環(huán)進入與所述葉片的第二表面緊密接觸的裝置。
全文摘要
一種可變幾何尺寸渦輪增壓器，其在該渦輪機入口中采用多個帶有調(diào)和環(huán)(48)的葉片(36)，以及在該渦輪機殼體內(nèi)整體鑄造的壁，形成噴嘴壁。該調(diào)和環(huán)接合致動槽(46)，接納葉片(36)上的突片(44)，用于在該調(diào)和環(huán)(48)轉(zhuǎn)動時打開和關(guān)閉噴嘴區(qū)域。一成整體的電動液壓致動器通過齒條和齒輪轉(zhuǎn)動該調(diào)和環(huán)(48)，該齒輪驅(qū)動曲柄軸，通過該曲柄軸上的銷位置直接反饋到彈簧偏壓的可變電流的螺線管。
文檔編號F02B37/24GK1451076SQ00819330
公開日2003年10月22日 申請日期2000年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月13日
發(fā)明者S·D·阿諾, V·卡尼戈夫斯基, K·斯盧普斯基, S·P·馬丁 申請人:聯(lián)合訊號公司