專利名稱：具有非對稱分開式渦形的可變幾何結(jié)構(gòu)渦輪增壓器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及排氣驅(qū)動的渦輪增壓器。尤其涉及用于具有兩組發(fā)動析i汽缸的 內(nèi)燃機的渦輪增壓器渦輪組件，每組汽缸都將排氣排入各自的排氣排出管線， 各汽缸組的排氣排出管線彼此分開。
背景技術：
排氣驅(qū)動渦輪增壓器是一種連接在內(nèi)燃機中通過壓縮進入到發(fā)動機進氣道 空氣的裝置，該空氣與燃料混合并在發(fā)動機中燃燒，從而增加內(nèi)燃機的輸出功 率。渦輪增壓器包括一個在壓縮機腔內(nèi)安裝軸一端的壓縮機輪和一個在渦輪機 腔內(nèi)安裝軸另一端的渦輪。典型地，渦輪腔和壓縮機腔相分開，并具有一個連 接在渦輪腔和壓縮機腔之間用于容納該軸的軸承的中間腔。渦輪腔大體呈圍繞 在渦輪外并接收發(fā)動機排氣的環(huán)狀腔體。渦輪組件包括從腔體延伸入渦輪的噴 嘴。排氣從腔體穿過噴嘴流向渦輪，從而驅(qū)動渦輪。渦輪從排氣中吸收能量并
驅(qū)動壓縮機。壓縮機M壓縮機腔體的入口接收周圍空氣，空氣被壓縮機輪壓 縮并繼而從腔體流向發(fā)動機進氣道。
內(nèi)然機不是定流設備，因為每個發(fā)動機汽缸在旨循環(huán)的壓縮和燃傲膨脹 沖程期間都是封閉的。因此，通過特定氣缸排放的排氣流實際上是排氣的一系 列短的爆噴或脈沖，旨脈沖都相應于循環(huán)的排氣沖程。在具有多汽缸的發(fā)動 機中， 一般來說，將汽缸"分成"兩組會比較有利，這樣一來，一組汽缸的排氣 進入一條排氣排出管線，而另外一組汽缸的排氣進入另一條排氣排出管線。這 兩條管線接著將排氣送入渦輪增壓器，從而使得排氣的兩個流盡可能長地保持 彼此分開。這樣的布置會,利用排氣流盼'脈沖"效應。
在普通單渦形渦輪增壓器中，由于兩條流在進入渦輪增壓器的渦輪腔時必 須匯合和混合，因此脈沖效應還沒有達到最優(yōu)化，尤其是在低流速的情況下。 當排氣以低流速進入單個的大體積渦形時，渦輪中排氣的脈沖能量不能有效地
轉(zhuǎn)換^^幾械能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種更完全地利用雙組發(fā)動機排氣系統(tǒng)脈沖能量的渦輪增壓器 的渦l^且件。本發(fā)明一方面，渦輪組件包括一個渦輪腔，其具有軸向延伸孔， 并且具有圍繞孔的分開渦形或"雙渦巻"以接收來自發(fā)動機排氣排出管線的排 氣。雙渦巻限定出第一渦巻和與第一渦巻基本分開和隔開的第二渦巻，第一渦 巻相對于沿著排氣流過渦輪腔的孔的軸流方向位于第二渦巻的上游。有利地， 第一渦巻具有一個相對第二渦巻顯著較小的容積。組件還包括可旋轉(zhuǎn)地安裝在 孔中的渦輪，渦輪包括轂和多個周向相間隔的葉片，葉片連接到轂上并從轂大 致徑向向外延伸至葉片尖端。葉片限定了位于其間的葉片通道，每個葉片通道 具有一個喉部，在喉部處葉片通道的流通面積最小。葉片尖端的徑軸向凸出部 限定出的輪廓具有在軸向上位于喉部上游的第一部分以及在軸向上位于第一部 分下游的第二部分，第二部分至少有一部分在軸向上位于喉部的下游。
渦輪腔中的排氣入口允許排氣進入到第一和第二;跪，排氣入口設置成將 第一和第二渦巻與來自于發(fā)動機的兩絲夂氣排出管線流體連通，并當流進入并 M兩個渦巻時仍然保持兩個排氣流間基本分開。
第一渦巻的出口部分引導排氣基本僅流向渦輪輪廓的第一部分，且第二渦 巻的出口部分引導排氣基本僅流向渦輪輪廓的第二部分。
優(yōu)選實施例中，渦輪組件還具有可變幾何結(jié)構(gòu)機構(gòu)并且布置為用于控制從 第二渦巻至渦輪的流通面積。有利地，在僅用第一渦巻就足夠的工作條件下， 可變幾何結(jié)構(gòu)機構(gòu)可操作以基本防止從第二渦巻到渦輪的任何流動。通過這樣 的布置，可以配置第一渦巻及其出口部分以被優(yōu)化，從而在如低發(fā)動機速度這 樣的低流量條件下起到固定幾何結(jié)構(gòu)渦輪(第一渦巻帶或不帶導向葉片)的作
用。當需要更高流率的情況下(例如，高發(fā)動i;uffi/負荷)，可艦可變幾何結(jié) 構(gòu)機構(gòu)將第二渦巻打開。兩個渦巻基本分開有利于保持不同排氣流的優(yōu)勢。同 時，當可變幾何結(jié)構(gòu)機構(gòu)將第二渦巻關閉時，兩條排氣線都將排氣輸入第一渦 巻。利用這樣的設計，當發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)使得排氣流速低時，所有的排氣都送 入第一渦巻(通過可變幾何結(jié)構(gòu)機構(gòu)關閉第二渦巻)。可將第一渦巻對低流速條 件最優(yōu)化，從而相比于普通的排氣穿過大體積渦形的單渦形渦輪增壓器而言， 使得排氣中的脈沖效應能更有效地轉(zhuǎn)化成渦輪中的機械能。
在一個實施例中，可變幾何結(jié)構(gòu)機構(gòu)包括一個位于渦輪腔的孔中從而在其 中可軸向滑動的管狀活塞。渦輪腔包括隔離壁，將引導排氣到渦輪中的第一和 第二渦巻的出口部分隔開，并且活塞可在關閉位置和打開之間滑動，在關閉位 置活塞的上游端靠近隔離壁從而能基本關閉第二渦巻的出口部分，并且在打開 位置活塞的上游端與隔離壁分離使得基本上第二渦巻出口部分的全軸向?qū)挾炔?被活塞覆蓋。
在一個實施例中，多個周向隔開的葉片設置在靠近第二渦巻出口部分的位 置，從而引導排氣進入渦輪?；钊腿~片在徑向上至少部分地交迭，并且活塞 還具有接收至少葉片的一部分的凹陷處。
根據(jù)一個實施例，渦輪葉片尖端的徑向-軸向凸出部所限定的輪廓包括在徑 向向外方向凹陷的凹陷部，并且活塞具有徑向內(nèi)表面，該徑向內(nèi)表面在徑向-軸 向凸出部中的部分在徑向向內(nèi)方向上凸出，并且在形狀上基本與輪廓的凹陷部 分互補。
渦輪輪廓的第一部分具有軸向?qū)挾菳， 一個實施例中第一渦巻出口部分的 軸向?qū)挾然镜扔趯挾菳。
在一個實施例中，第一渦巻的容積顯著小于第二渦巻。在另一個實施例中， 第一渦巻的容積小于第二渦巻的一半。


進行了概括性地描述之后，現(xiàn)在參考附圖進行詳細描述，附圖不一定根據(jù) 比例尺寸纟賴'J，其中.-
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例中渦輪組件的部分截面透視圖，其中活塞位 于關閉位置；
圖2與圖類似，活塞位于打開位置；
圖3是渦$^且件的部分截面?zhèn)纫晥D，其中活塞位于關閉位置； 圖4是渦輪組件的部分截面端部4見圖。
圖5是沿著垂直于渦輪組件縱軸的平面的渦輪組件截面視圖； 圖6是沿圖4中線6-6的截面圖； 圖7是渦輪組件的軸向截面圖，其中活塞位于打開位置。
具體實施例方式
現(xiàn)參考列舉了部分而不是全部實施例的附圖，對本發(fā)明進行全面地描述。
實際丄本發(fā)明的實施例可以有很多不同的形式，并不局限于所描述的這些； 另外，提供這些實施例使得本公開將滿足可應用的法律要求。相同的數(shù)字代表 相同的部件。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，用于渦輪增壓器的可變幾何結(jié)構(gòu)渦輪組件100
ilil附圖1~6的各種視圖進行描述。此渦輪組件尤其適于用在連接在)^:動機汽 缸組內(nèi)燃機的渦輪增壓器上，每一氣缸組將排氣送入一個排氣排出管線，該排 氣排出管線與另一個氣缸組的排氣排出管線分開。渦輪組件包括具有沿軸向延 伸的孔112的渦輪腔110。渦輪腔限定出圍繞孔112的分開渦形或雙渦巻114， 以用于從發(fā)動機排氣排出管線接收排氣。雙渦巻限定出第一渦巻114a和與第一 渦巻基本分開并隔離的第二渦巻114b。 ^h第一或第二渦巻大致呈沿著渦輪組 件軸線圓周地延伸的環(huán)形或螺旋形室。相對于排氣沿其流過渦輪腔的孔112的 軸向流動方向(圖1中箭頭115所示)，第一渦巻114a位于第二渦巻114b的上 游。
渦輪組件100還包括可旋轉(zhuǎn)地安裝于孔112中的渦輪120，渦輪包括轂122 和多個周向隔開 接在轂上并從轂徑向向外延伸至葉片頂端的葉片124。葉片 124限定出其間的通道，每個葉片通道具有在該處葉片通道流動面積最小的喉部 (如圖7中的數(shù)字126所示)。葉片尖端的徑向-軸向凸出部限定出輪廓128，輪 廓128具有在軸向上位于喉部上游的第一凸起128a和在軸向上位于第一凸起下 游的第二凸起128b,第二凸起128b的至少一部分在軸向上位于喉部的下游。
主要參考圖4-6,渦輪組件包括由渦輪腔U0限定的排氣進口130，其用于 將排氣輸送到第一和第二渦巻H4a， 114b。排氣進口構(gòu)造為^蝶一和第二渦巻 均與來自于發(fā)動機的兩個不同排氣排出管線Ll和L2流體連通。以例如SM提 供一個隔離壁132的方式，將進口 132分成兩個部分130a和103b(圖6所示)， 部分130a設置為將排氣主要提供給第一渦巻114a，第二部分130b設置為將排 氣主要提供給第二渦巻U4b。隔離壁的前緣134與進口 130的嘴部在流向上間 隔開，如圖4最佳所示。因此，當兩條排氣排出管線與進口 130相3^人而將各 自的排氣蒸氣送入進口嘴部時，來自兩條管線中的氣體都可以流入渦巻 114aJ14b中指定的一個。例如，如下進一步所述，在一些運轉(zhuǎn)劍牛下，第二渦 巻114b的出口可有效地關閉，從而使得來自于發(fā)動機的兩條排氣排出管線的排 氣必須流過第一渦巻U4a。隔離壁132的前緣與進口的嘴部在流向上間隔的布
置允許這種情況發(fā)生。然而，當兩個渦巻的出口都打開時，進口 130兩部分中 的排氣蒸氣主要輸送到相應的渦巻114aJ14b，兩個流間不會出現(xiàn)'交叉輸送"或 混合(例如，其中之一的蒸氣主要送入第一渦巻U4a，另外一個蒸氣主要送入 第二渦巻114b)。
第一渦巻114a具有構(gòu)造為引導排氣基本僅進入渦輪葉片輪廓128第一部分 128a的出口部分116a。第二渦巻114b具有構(gòu)造為引導排氣基本僅進入渦輪葉片 輪廓128第二部分128b的出口部分116b。 M;這樣的布置，當排氣僅從第一渦 巻114aiSA渦輪120時，渦輪增壓器起到固定幾何結(jié)構(gòu)渦輪增壓器的作用，并 且第一渦巻的幾何形狀可對低流速條件進行最優(yōu)化，此時僅從第一渦巻獲得的 流量已經(jīng)足以滿足發(fā)動機從渦輪增壓器獲得的增壓需要。在一些實施例中，第 一渦巻的容積顯著小于第二渦巻。例如，第一渦巻的容積小于第二渦巻容積的 一半。
在其他具有更高排氣艦的運轉(zhuǎn)^(牛下，需要兩個渦巻114aJ14b為渦輪提 供氣體。渦輪組件100包括用于調(diào)節(jié)第二渦巻114b流量的可變噴嘴機構(gòu)。此可 變噴嘴機構(gòu)可以為任何已知類型，但4趟地，其應當為這樣麟型，即允許第 二渦巻出口 116b在某些運轉(zhuǎn)割牛下有效地完全關閉(除了可能的微小泄漏流)， 在另一些運轉(zhuǎn)條件下完全打開從而允許從出口 116b進行基本無限制的流動，并 且在其他運轉(zhuǎn)條件下還可以實現(xiàn)可變角度的部分打開?；顒尤~片或滑動活塞可 達到戰(zhàn)目的。在圖示的實施例中，機構(gòu)包括位于渦輪腔的孔112中的大致管 狀的活塞140，使得活塞可在孔中軸向滑動。這樣的滑動活塞自身是己知的，因 此不需要在lth^活塞140進纟t^細描述，除非活塞的某一方面對于現(xiàn)有的渦輪
組件來說尤為重要。
在這點上，渦輪組件包括安裝在大體環(huán)形的環(huán)150上的固定葉片160。具有
葉片160的環(huán)150安裝在渦輪腔內(nèi)從而使得環(huán)150靠在將第一渦巻114a的出口
116a與第二渦巻114b的出口 116b分隔開的壁118上。葉片160布置成圍繞環(huán)
150的圓周在周向上間隔開的環(huán)形陣列。葉片從環(huán)150處沿大致平行于下游方向
115 (圖l)的方向向著渦輪腔的對面壁軸向延伸，因此其穿過第二渦巻114b的
出口部分116b。葉片160用于引導排氣以一個有利的方向進入渦輪輪廓的第二
部分128b?；钊?40的上游端部分在其徑向夕卜表面具有狹槽或者凹陷處144。
當活塞位于關閉或部分打開位置的時候，每個凹陷處144接收一個葉片160的
徑向向內(nèi)的部分，最好如圖4所示那樣。換句話說，活塞140與葉片160在徑 向方向上部分重合。當活塞處于圖1所示的完全關閉位置時，葉片160的自由 端鄰接或幾乎鄰接活塞的軸向相對面146 (圖2， 6和7所示)。當活塞完全打 開時，活塞的上游端與隔離壁118及環(huán)150相隔開，使得第二渦巻114b的出口 部分H6b的基本全部軸向?qū)挾榷疾槐换钊采w。可以通過作為一個或多個運轉(zhuǎn) 參數(shù)(如發(fā)動mil度、所需負荷等)的函數(shù)來實現(xiàn)的對活塞140軸向位置的調(diào) 整，來調(diào)節(jié)從第二渦巻114b i3A到渦輪的排氣流。
如圖7所示，在本發(fā)明一些實施例中，渦輪的輪廓128包括在徑向向外方 向凹陷的凹陷部，活塞140具有徑向內(nèi)表面，該徑向內(nèi)表面位于徑向-軸向凸出 部中的部分在徑向向內(nèi)方向上凸起，并在形狀上與輪廓的凹陷部基本互補。以 上述方式成形活塞有利于當活塞從完全關閉位置剛進入打開位置時按期望的方 向引導排氣流。
對本領域技術人員而言，根據(jù)前述的描述和附圖的教導，能了解本發(fā)明的 諸多優(yōu)勢，并能想到本發(fā)明更多的修改和其他實施例。因此，很容易理解，本 發(fā)明不僅僅局限于所描述的實施例，更多的修改和其他的實施例也包含在權(quán)利 要求的范圍之內(nèi)。盡管用到了特定的術語，但它們僅僅是以一般以及描述的方 式出現(xiàn)，而并不是為了進行限制。
權(quán)利要求
1.一種渦輪增壓器的渦輪組件，該渦輪增壓器用于具有兩組氣缸的內(nèi)燃機，每一組都具有將排氣排入與另一組氣缸的排氣排出管線分開的排氣排出管線中的多個發(fā)動機汽缸，所述渦輪組件包括渦輪腔，其具有沿軸向延伸的孔和圍繞所述孔用于接收來自于發(fā)動機排氣排出管線的排氣的雙渦卷，雙渦卷限定有第一渦卷和與第一渦卷基本分開并隔離的第二渦卷，相對于排氣流過渦輪腔的孔的軸向流動方向第一渦卷位于第二渦卷的上游；可旋轉(zhuǎn)地安裝在所述孔中的渦輪，該渦輪包括轂和多個周向隔開的葉片，所述葉片連接在轂上并從轂大體徑向向外延伸并終止于葉片頂端，葉片限定出葉片間的通道，每個葉片通道具有葉片通道流動面積最小的喉部，葉片尖端的徑向-軸向凸出部限定出輪廓，所述輪廓具有在軸向上位于喉部上游的第一部分和在軸向上位于第一部分下游的第二部分，第二部分的至少一部分在軸向上位于喉部的下游；由渦輪腔限定用于允許排氣進入第一和第二渦卷的排氣進口，所述排氣進口使得第一和第二渦卷與來自于發(fā)動機的兩個排氣排出管線流體連通；第一渦卷具有構(gòu)造為引導排氣基本僅進入所述輪廓的第一部分的出口部分；第二渦卷具有構(gòu)造為引導排氣基本僅進入所述輪廓的第二部分的出口部分。
2、 如權(quán)利要求1所述的渦輪組件，其中輪廓的第一部分具有軸向?qū)挾菳， 且引導排氣進入渦輪的第一渦巻的出口部分具有一個與寬度B基本相等的軸向 寬度。
3、 如權(quán)禾腰求1所述的渦輪組件，其中第一渦巻不具有導向葉片。
4、 如權(quán)利要求1所述的渦輪組件，其中第一渦巻的容積顯著小于第二渦巻 的容積。
5、 如權(quán)利要求4所述的渦輪組件，其中第一渦巻的容積小于第二渦巻的容 積的一半。
6、 如權(quán)利要求1所述的渦輪組件，還包括構(gòu)造并布置為調(diào)節(jié)從第二渦巻通 向渦輪的流動面積的可變幾何結(jié)構(gòu)機構(gòu)。
7、 如權(quán)利要求6所述的渦輪組件，其中在僅用第一渦巻就足夠的工作條件 下，可變幾何結(jié)構(gòu)機構(gòu)可操作以基本防止從第二渦巻到渦輪的任何流動。
8、 如權(quán)利要求6所述的渦輪組件，其中可變幾何結(jié)構(gòu)機構(gòu)包括位于渦輪腔 的孔中從而可在其中進行軸向滑動的管狀活塞，渦輪腔包括將引導排氣進入渦 輪的第一和第二渦巻的部分分隔開的隔離壁，活塞可在關閉位置和打開位置之 間滑動，在關閉位置活塞的上游端靠近隔離壁從而能基本關閉第二渦巻的出口 部分，在打開位置活塞的上游端與隔離壁間隔開使得第二渦巻的出口部分的基 本全部軸向?qū)挾炔槐换钊采w。
9、 如權(quán)利要求8所述的渦輪組件，還包括,第二渦巻的出口部分布置以 引導排氣進入渦輪的多個周向間隔開的葉片。
10、 如權(quán)利要求9所述的渦輪組件，活塞和葉片在徑向上至少部分地交迭， 活塞包括接收葉片的至少一部分的凹陷。
11、 如權(quán)利要求8所述的渦輪組件，其中輪廓包括在徑向向外方向凹陷的 凹陷部，并且活塞具有徑向內(nèi)表面，該徑向內(nèi)表面位于徑向-軸向凸出部中的部 分在徑向向內(nèi)方向上凸起，并在形狀上與輪廓的凹陷部基本互補。
12、 如權(quán)利要求1所述的渦輪組件，其中渦輪腔限定出接收來自于發(fā)動機 的排氣排出管線的排氣并沿進入第一和第二渦巻的流動方向引導排氣的進口， 該進口具有將迸口縱向部分分成第一和第二部分的隔離壁，此隔離壁具有在流 動方向上與進口的嘴部間隔開的前緣。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有非對稱分開式渦形的可變幾何結(jié)構(gòu)渦輪增壓器，具體而言一種用于可變幾何結(jié)構(gòu)渦輪增壓器的渦輪組件包括渦輪腔，渦輪腔限定出具有第一和第二渦卷的分開卷形，其中第一渦卷容積比第二渦卷小得多。第一渦卷將排氣送入位于渦輪喉部上游的渦輪第一部分，同時第二渦卷將排氣送入至少部分地位于喉部下游的渦輪第二部分。通過一個滑動活塞調(diào)節(jié)來自于第二渦卷的氣流?？蓪⒌谝粶u卷針對低流量條件進行最優(yōu)化，從而使得當活塞關閉時渦輪增壓器有效地起到小的固定幾何結(jié)構(gòu)渦輪增壓器的作用。渦輪腔具有被隔離壁分成兩部分的進口，它們各自將排氣送入兩個渦卷，隔離壁的前緣位于進口嘴部的下游。
文檔編號F02B37/24GK101368488SQ20081016115
公開日2009年2月18日 申請日期2008年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月6日
發(fā)明者N·塞雷斯 申請人:霍尼韋爾國際公司