專利名稱：具有渦輪機噴嘴筒的渦輪增壓器的制作方法
具有渦輪機噴嘴筒的渦輪增壓器相關申請的交叉引用本申請要求在2009年1月20日提交的在先美國臨時申請序號61/145，791的優(yōu)先權，其被整體地通過引用并入于此。


在附圖中圖1圖示包括一對汽缸頭和與所述一對汽缸頭成一體的相應的一對渦輪增壓器芯的內燃機的第一方面的等角視圖；圖2圖示來自圖1所示的內燃機的第一方面的汽缸頭和渦輪增壓器芯的等角視圖；圖3圖示通過圖2所示的汽缸頭和渦輪增壓器芯的第一橫截面圖；圖4圖示如在圖1 3所示的實施例中使用的渦輪增壓器芯的等角視圖；圖5圖示來自圖2所示的渦輪增壓器芯的噴嘴筒組件的等角視圖；圖6圖示通過圖2所示的汽缸頭和渦輪增壓器芯的第二橫截面圖；圖7圖示通過圖4所示的渦輪增壓器芯的渦輪機噴嘴部分的橫向橫截面圖；圖8圖示通過圖4所示的渦輪增壓器芯的軸承殼體部分的橫向橫截面圖；圖9圖示通過圖2所示的汽缸頭和渦輪增壓器芯的第三橫截面圖；圖10圖示通過圖9所示的汽缸頭和渦輪增壓器芯的第三橫截面圖的一部分的放大圖；圖11圖示來自在汽缸頭中具有適合于接收渦輪增壓器芯的腔體的多個汽缸中的每一個的多個排氣流道的接口的第一替代實施例的示意圖；圖12圖示來自在汽缸頭中具有適合于接收渦輪增壓器芯的腔體的多個汽缸中的每一個的多個排氣流道的接口的第二替代實施例的示意圖；圖13圖示結合了以可操作方式聯(lián)接到關聯(lián)排氣歧管的渦輪增壓器組件的第一實施例的內燃機的第二方面的一部分的等角視圖；圖14圖示與圖13所示的內燃機的第二方面一起使用的渦輪增壓器組件的第一實施例的各部分和關聯(lián)殼體的分解圖；圖15圖示與圖13所示的內燃機的第二方面一起使用的渦輪增壓器組件的第一實施例和關聯(lián)殼體的縱向橫截面分解視圖；圖16圖示依照內燃機的第二方面的渦輪增壓器組件的第二實施例的不完整縱向橫截面圖；圖17圖示圖16所示的渦輪增壓器組件的第二實施例的橫向橫截面圖；并且圖18圖示依照內燃機的第二方面的結合了具有關聯(lián)徑流式渦輪機的關聯(lián)渦輪增壓器芯的第二方面的渦輪增壓器組件的第三實施例。
具體實施方式
參考圖1，使一對渦輪增壓器芯10與V型結構的內燃機14、14. 1、例如V_6內燃機 14,14. 1'的第一方面的相應的一對汽缸頭組件12成一體。例如，依照多種熱動力循環(huán)中的任何一個，所述多種熱動力循環(huán)包括但不限于例如奧托(Otto)循環(huán)、狄賽爾(Diesel)循環(huán)、阿特金森(Atkinson)循環(huán)、米勒(Miller)循環(huán)或二沖程循環(huán)，內燃機14、14. 1可以是靠多種類型的燃料中的一種或多種操作的多種設計中的任何一個，所述燃料包括但不限于汽油、柴油、生物柴油、天然氣，包括液化天然氣(LNG)和壓縮天然氣(CNG)、包括液化石油 (LP)氣、乙醇或甲醇的丙烷。還參考圖2 10，每個渦輪增壓器芯10包括由排氣動力渦輪機18驅動的壓縮機16，其中，當渦輪增壓器芯10例如通過中間冷卻器附接到內燃機14、 14. 1時，每個關聯(lián)渦輪機18被插入相應汽缸頭組件12中的腔體20、例如筒形腔體20'或渦形腔體20 “中并與所述腔體20協(xié)作，所述汽缸頭組件12適合于經由關聯(lián)排氣流道M從與所述汽缸頭組件12相關聯(lián)的關聯(lián)汽缸22接收排氣21。例如，渦輪增壓器芯10結合了軸流式渦輪機18'，軸流式渦輪機18'能夠構造有相對低的關聯(lián)轉動慣量，從而提供對于內燃機14、14. 1的關聯(lián)操作條件變化的相對快速的動態(tài)響應。在內燃機14、14. 1的第一方面中，來自每個汽缸22的排氣流道M在相對于腔體20的中心軸線28離軸的位置處與在腔體20的側面中的公共第一排氣口沈連通，以引起流入其中的排氣21循環(huán)。渦輪增壓器芯10包括渦輪增壓器轉子組件的渦輪機轉子30，渦輪增壓器轉子組件的渦輪機轉子30以可操作方式聯(lián)接到由轉子軸支撐組件以可旋轉方式支撐的渦輪增壓器轉子組件的轉子軸32的后端32. 1，所述轉子軸支撐組件包括位于關聯(lián)軸承殼體38內且沿著其相互間隔開的后軸頸軸承34和前滾動元件軸承36。軸承殼體38內結合了與進口 42和出口 44流體連通的冷卻套管40，所述進口 42和出口 44適合于從內燃機14、14. 1的水冷卻系統(tǒng)46接收冷卻水流以用于冷卻后軸頸軸承34和前滾動元件軸承36，其中，一組進口 42和出口 44被用于內燃機14、14. 1的一側，并且另一組進口 42'和出口 44'被用于內燃機14、14. 1的另一側，在任一側的進口 42'、42和出口 44'、44中的未被使用的一組被堵塞。進油口 48適合于從內燃機14、14. 1的油泵接收一定量的加壓機油并經由關聯(lián)的油分配通道50將此油分配到后軸頸軸承34和前滾動元件軸承36。從后軸頸軸承34和前滾動元件軸承36排出的油被重力收集在軸承殼體38的底座內的回油腔體52中，并經由在軸承殼體38的底座處連接到關聯(lián)回油口的關聯(lián)回油線路M(在圖13中圖示)返回到內燃機 14、14. 1。應理解的是，轉子軸支撐組件不限于后軸頸軸承34和前滾動元件軸承36的組合， 而是轉子軸支撐組件可以替代地包括軸頸和滾動元件軸承的任何組合或者可以想到的單個延長長度軸頸軸承。渦輪增壓器芯10的壓縮機16包括以可操作方式聯(lián)接到轉子軸32的前端32. 2并適合于與其一起繞著渦輪增壓器芯10的中心軸線觀‘旋轉的渦輪增壓器轉子組件的壓縮機轉子56，其中，中心軸線觀‘基本上與腔體20的中心軸線觀對準。例如，在一個實施例中，壓縮機轉子56——依照所稱的無孔輪轂——結合了螺紋連接到轉子軸32的前端32. 2 上的向后延伸內螺紋凸臺(boss) 58，并且渦輪機轉子30沿著渦輪機轉子30的前端與轉子軸32的后端32. 1之間的腔體60的周邊被焊接到轉子軸32的后端32. 1，其用于減少從渦輪機轉子30到轉子軸32的熱傳遞。前滾動元件軸承36包括在壓縮機轉子56和臺肩32. 2 之間位于轉子軸32上的外座圈62及前內座圈64和后內座圈66，外座圈62及前內座圈64和后內座圈66用于將轉子軸32定位于軸承殼體38內。軸承殼體38結合了前密封件70 和后密封件72，所述前密封件70和后密封件72用于防止油從軸承殼體38泄漏到渦輪增壓器芯10的壓縮機16或渦輪機18中。參考圖4、5、6和8 10，渦輪增壓器芯10還包括以可操作方式聯(lián)接到軸承殼體 38的后側38. 1的渦輪機噴嘴筒組件74。渦輪機噴嘴筒組件74包括前噴嘴壁76、與前噴嘴壁76向后分離的后噴嘴壁78、設置在前噴嘴壁76和后噴嘴壁78之間的多個葉片80、從后噴嘴壁78向后延伸的渦輪機轉子護罩部分82、以及從喉部82向后延伸的噴嘴排氣部分 84。雖然噴嘴排氣部分84圖示為具有相對擴大的直徑以用于至少部分地擴散關聯(lián)排氣，但噴嘴排氣部分84不一定需要在直徑方面相對于關聯(lián)渦輪機轉子護罩部分82被相對擴大。例如，在一個實施例中，前噴嘴壁76被形成為第一金屬片元件，并且后噴嘴壁78 和渦輪機轉子護罩部分82和噴嘴排氣部分84的組合被形成為第二金屬片元件——例如每個通過沖壓或自旋形成；——并且葉片80每個由金屬片形成——例如通過沖壓——并且被插入且隨后被焊接或銅焊到前噴嘴壁76和后噴嘴壁78中的每一個中的多個相應狹槽 86。在另一實施例中，后噴嘴壁78、渦輪機轉子護罩部分82和噴嘴排氣部分84每個由隨后例如通過焊接、銅焊和/或通過壓配合被接合在一起的兩個或更多個分離的金屬片件形成?？商娲?，可以對渦輪機噴嘴筒組件74進行鑄造或燒結，例如激光燒結。渦輪機噴嘴筒組件74由提供抗高溫氧化力和強度的、能夠耐受高溫排氣21的材料構成，例如鎳合金， 例如具有相對高的鎳含量的不銹鋼，例如310不銹鋼。渦輪增壓器芯10的其余部分——是水或油冷卻的——可以由不那么特殊且更加經濟的材料構成，諸如鋁或鑄鐵。例如，除水冷卻軸承殼體38之外，可以用與其排氣殼體部分88熱連通的水冷卻通道來修改汽缸頭組件 12，從而允許將相對低成本的材料(諸如鋁)用于其構造。因此，渦輪增壓器芯10的分離渦輪機噴嘴筒組件74與可能的其它方式的相比允許耐高溫材料的總體更經濟的使用—— 例如局限于渦輪機噴嘴筒組件74，并且還允許將渦輪增壓器芯10 —體形成到汽缸頭組件 12中。例如，制造渦輪機噴嘴筒組件74和汽缸頭組件12的相對更簡單的關聯(lián)排氣殼體部分88所需的原始材料的組合量將小于制造等同的常規(guī)渦輪增壓器排氣殼體所需的材料的
Mo在另一實施例中，利用允許在其關聯(lián)渦輪葉片92的故障的情況下容納渦輪機轉子30的容納套筒90來加固渦輪機噴嘴筒組件74的渦輪機轉子護罩部分82。渦輪機噴嘴筒組件74延伸通過汽缸頭組件12中的腔體20、20'、20〃。在操作中，來自汽缸22的排氣21通過關聯(lián)排氣流道24流入通向腔體20、20'、20"的第一排氣口 26、即腔體進口排氣口 26中，其中，第一排氣口 26相對于腔體20、20'、20〃的離軸位置引起在腔體20、20'、20"內流動的排氣21的漩渦。排氣21然后沿著渦輪機噴嘴筒組件74 的葉片80并抵靠著渦輪機轉子30的渦輪葉片92以漩渦流入渦輪機噴嘴筒組件74的周邊進口 93中，從而驅動渦輪機轉子30，渦輪機轉子30又使轉子軸32和附接到轉子軸32的壓縮機轉子56旋轉。排氣21然后在被排出到并通過從腔體20、20'、20"的后端20. 1中的沉孔96開始延伸的第二排氣口 94、即腔體出口排氣口 94之前流過渦輪機噴嘴筒組件74 的噴嘴排氣部分84，其中，第二排氣口 94連接到發(fā)動機排氣系統(tǒng)98，發(fā)動機排氣系統(tǒng)98例如可以包括一個或多個排氣處理設備100，例如一個或多個催化轉化器或消聲器。汽缸頭組件12可以結合有在排氣流道24與第二排氣口 94之間操作的廢氣閥99，從而允許使排氣21在不首先流過渦輪機噴嘴筒組件74和關聯(lián)渦輪機轉子30的情況下直接旁通至發(fā)動機排氣系統(tǒng)98。因此，渦輪機噴嘴筒組件74的前噴嘴壁76和后噴嘴壁78使周向成漩渦的排氣21——在渦輪機噴嘴筒組件74外面的腔體20、20'、20〃內流動——徑向地向內和軸向地向后改向并加速，并且得到的軸向向后流動的漩渦排氣21然后撞擊在渦輪機轉子30的渦輪葉片92上，從而驅動渦輪機轉子30，其中，在一個實施例中，與前噴嘴壁76和后噴嘴壁78協(xié)作的關聯(lián)葉片80適合于允許碰撞的排氣21相對于渦輪機轉子30的適當?shù)南蛄咳∠?，從而使渦輪機18的效率最大化。渦輪機噴嘴筒組件74的噴嘴排氣部分84的后端84. 1結合了外部密封表面102， 外部密封表面102與位于沉孔96中的內部凹槽106中的密封環(huán)——例如活塞環(huán)式密封環(huán) 104'——協(xié)作，從而允許將渦輪機噴嘴筒組件74的排出端108密封到汽缸頭組件12的排氣殼體部分88，以使基本上所有排氣21被從渦輪機噴嘴筒組件74排出到并通過第二排出口 94并進入關聯(lián)發(fā)動機排氣系統(tǒng)98中，從而基本上使在渦輪機噴嘴筒組件74上游的腔體 20,20'、20"中的排氣21與從渦輪機噴嘴筒組件74排出的排氣21隔離。與外部密封表面102協(xié)作的密封環(huán)104允許使得渦輪機噴嘴筒組件74的排出端108能夠響應于其熱致膨脹或收縮在徑向方向上膨脹或收縮并在軸向方向上滑動，同時保持在渦輪機噴嘴筒組件 74的排出端108處的密封條件，而沒有渦輪機噴嘴筒組件74的顯著的關聯(lián)熱致加載。前噴嘴壁76的前端76. 2包括配合在從軸承殼體38的后側38. 1向后延伸的相應筒形臺階112上的筒形唇緣110。渦輪機噴嘴筒組件74由延伸通過筒形唇緣110中的相應徑向孔116并進入筒形臺階112中的相應盲徑向孔118的多個徑向銷114來保持在軸承殼體38上。徑向銷114和關聯(lián)徑向孔116、118對稱地位于筒形唇緣110和筒形臺階112的圓周周圍。可以調整筒形唇緣110的內徑和筒形臺階112的外徑，使得在環(huán)境溫度下，筒形唇緣110與筒形臺階112干涉配合。然而，在提高的工作溫度下，前噴嘴壁76和關聯(lián)的筒形唇緣110分別響應于前噴嘴壁76和軸承殼體38的溫度或熱膨脹速率的差自由地相對于筒形臺階112進行熱膨脹，在這種情況下，由徑向銷114進行的筒形唇緣110的接合允許將渦輪機噴嘴筒組件74保持到軸承殼體38，并且關聯(lián)徑向銷114和關聯(lián)徑向孔116、118的對稱布置用于保持渦輪機噴嘴筒組件74在其熱工作范圍內基本上與渦輪增壓器芯10的中心軸線觀‘同心。例如，在正常操作期間，渦輪機噴嘴筒組件74與軸承殼體38相比將相對更快地加熱并達到基本上更高的溫度，結果，筒形唇緣110的內徑典型將膨脹，從而大于筒形臺階112的外徑，從而從環(huán)境溫度下的可能干涉過渡至提高溫度下的基本上松動配合，在該情況下，徑向銷114將用于將筒形唇緣110對稱地且同心地保持在筒形臺階112上，從而保持渦輪機噴嘴筒組件74與關聯(lián)渦輪轉子30的相對對準?？商娲兀皣娮毂?6的前端76. 2能夠以軸承殼體38為中心，其中，多個向后延伸軸向銷或螺栓從軸承殼體38的后側38. 1延伸通過前噴嘴壁76的前端76. 2中的相應徑向槽，并被螺栓或被腔體20的前端中的臺階保持在軸承殼體38上。當渦輪機噴嘴筒組件74被組裝到軸承殼體38時，渦輪機轉子30的渦輪葉片92位于渦輪機噴嘴筒組件74的渦輪機轉子護罩部分82內，該渦輪機轉子護罩部分82因此用作渦輪葉片葉冠82'，其中，渦輪葉片葉冠82'的內徑適合于提供到渦輪葉片92的尖端120 的約0. 01英寸的余隙，該相對緊密的容限提供否則可能使得余隙更大的渦輪機18的改善效率。因此，利用渦輪葉片葉冠82'，被保持在軸承殼體38上并在腔體20、20'、20〃中的沉孔96內自由地漂浮的渦輪機噴嘴筒組件74的一部分，即渦輪葉片葉冠82'不受汽缸頭組件12的排氣殼體部分88、例如在其中或來自于其的熱致應力或其外部機械負載的影響， 其否則其可能導致與渦輪葉片92的尖端120干涉，使得能夠使用生產硬件和程序來容易地實現(xiàn)渦輪葉片葉冠82'與渦輪葉片92的尖端120之間的相對小的余隙。渦輪增壓器芯10利用多個螺栓122組裝到汽缸頭組件12，所述多個螺栓122通過軸承殼體38的或從軸承殼體38延伸的關聯(lián)凸緣125或凸緣組126'中的相應的多個孔 124、通過接頭襯套1 并進入腔體20、20'、20"的周邊周圍的汽缸頭組件12的排氣殼體部分88的前部分132中的相應螺紋孔130中，使得當被安裝到汽缸頭組件12時，渦輪增壓器芯10的軸承殼體38用于關閉腔體20的前端，其在軸承殼體38和接頭襯套128的接頭處及腔體20、20'、20"的周邊周圍的汽缸頭組件12的排氣殼體部分88的前部分132和接頭襯套128的接合部處被密封，例如通過配合平坦表面——如所示的——或者通過配合錐形表面。接頭襯套128的內徑充分地大于渦輪機噴嘴筒組件74的前噴嘴壁76的筒形唇緣 110的外徑，從而用于筒形唇緣110在其之間的間隙134內的不受限制的熱致膨脹，從而防止渦輪機噴嘴筒組件74的熱致機械應力，所述熱致機械應力否則在筒形唇緣110的向外徑向膨脹否則受到接頭襯套1 的限制的情況下將發(fā)生。接頭襯套1 還用于將徑向銷114 捕獲在其在筒形臺階112中的徑向孔118內。接頭襯套128的后表面136被定位并成形為用于從腔體20'、20"的內表面138到前噴嘴壁76的相對平滑過渡，從而促進排氣21從腔體20'、20"到渦輪機噴嘴筒組件74中的流動。例如，在一個實施例中，接頭襯套1 的后表面136包括凹狀環(huán)形面136'的一部分，其在橫截面方面提供內表面138與前噴嘴壁76 之間的1/4圓的圓角?？商娲?，可以通過將接頭襯套128的材料直接結合到汽缸頭組件 12的排氣殼體部分88中來替代接頭襯套128。此外，可替代地，可以利用V形夾而不是螺栓122將渦輪增壓器芯10安裝到汽缸頭組件12的排氣殼體部分88的前部分132。在渦輪增壓器芯10的操作中，來自第一排氣口沈的排氣21首先被收集在由在渦輪機噴嘴筒組件74外部的汽缸頭組件12的排氣殼體部分88的腔體20、20'、20〃的部分所限定的環(huán)狀空間140中，并且然后通過渦輪機噴嘴筒組件74從那里加速到渦輪機轉子30 的渦輪葉片92中。渦輪機噴嘴筒組件74用于將排氣流指引并加速到渦輪機轉子30的渦輪葉片92中，并控制這些排氣21的關聯(lián)質量流量。因此，能夠構造渦輪機噴嘴筒組件74—— 獨立于汽缸頭組件12的關聯(lián)排氣殼體部分88或腔體20、20'、20"的設計，例如通過調整通過渦輪機噴嘴筒組件74的通道140的面積/半徑比(A/R)——從而適合于給定內燃機 14,14. 1的特定渦輪增壓要求，其允許簡化將渦輪增壓器芯10調諧至內燃機14、14. 1的過程，這是因為在該過程中將改變的唯一部件是渦輪機噴嘴筒組件74。例如，在一組實施例中，前噴嘴壁76和后噴嘴壁78包括相應的前掃掠曲面76'和后掃掠曲面78'，可以使前掃掠曲面76'和后掃掠曲面78'的形狀適合于與關聯(lián)葉片80協(xié)作以用于調諧渦輪增壓器芯10。響應于碰撞在其上的排氣21，渦輪增壓器芯10的渦輪機18的渦輪機轉子30驅動轉子軸32，轉子軸32在軸承殼體38中的后軸頸軸承34和前滾動元件軸承36中旋轉，并且又驅動壓縮機轉子56，壓縮機轉子56在關聯(lián)壓縮機16的關聯(lián)壓縮機殼體142內旋轉，用于將來自中央進口 144的空氣壓縮到壓縮機殼體142中，并通過圍繞壓縮機轉子56的蝸殼擴壓器146排出壓縮空氣。壓縮空氣被從壓縮機16排出到聯(lián)接到進口高壓間150、例如聯(lián)接到或環(huán)繞已聯(lián)接到內燃機14、14. 1的進口歧管154的節(jié)流閥主體152的管道148。參考圖11和圖12，依照相應第一替代實施例和第二替代實施例，汽缸頭組件12 的排氣殼體部分88的腔體20、20'、20〃可以被構造為從多個第一排氣口沈、26. 1,26.2, 26. 3接收排氣21，每個排氣口以可操作方式與一個或多個關聯(lián)排氣流道M、24. 1,24. 2、 24. 3相關聯(lián)，每個排氣流道M以可操作方式與內燃機14、14. 1的一個或多個汽缸22相關聯(lián)，其中，對于每個第一排氣口 26、26. 1,26. 2,26. 3而言，每個相應的關聯(lián)排氣流道24、 24. 1、24. 2、24. 3被定向為基本上切向地將排氣21引入到腔體20、20'、20"中，以使得到的來自每個關聯(lián)第一排氣口 26、26. 1J6.2、26.3的在腔體20、20'、20〃中的排氣21流在公共漩渦方向156上形成漩渦。例如，參考圖11，在第一替代實施例中，腔體20、20'、 20〃聯(lián)接到具有三個不同排氣流道M、24. 1,24. 2,24. 3的三個不同汽缸中的每一個，排氣流道中的每一個通過分離的相應第一排氣口沈、26. 1J6.2、26.3將排氣21排出到腔體 20,20'、20〃中，其中，關聯(lián)排氣流道M、24. 1、M.2、24.3被定向為使得全部的第一排氣口 26,26. 1,26. 2,26. 3將排氣21在公共漩渦方向156上切向地排出到腔體20,20'、20〃 中。此外，參考圖12，在第二替代實施例中，腔體20、20'、20"聯(lián)接到具有三個不同排氣流道M、24. 1,24. 2,24. 3的三個不同汽缸中的每一個，排氣流道中的兩個排氣流道M、24. 1、 24.2通過分離的相應第一排氣口沈、26.1、沈.2將排氣21排出到腔體20、20'、20〃中，排氣流道中的第三個排氣流道M、24. 3將排氣21排出到第二排氣流道M、24. 2中，第二排氣流道M、24. 2又通過所述多個第一排氣口中的第二個第一排氣口沈、26. 2將排氣21排出到腔體20、20'、20〃中，其中，關聯(lián)的排氣流道M、24. 1、24.2被定向為使得第一排氣口 24,24. 1和第二排氣口 M、24. 2兩者在公共漩渦方向156上將排氣21切向地排出到腔體 20,20'、20〃 中。通過在關聯(lián)汽缸頭組件12中結合渦輪增壓器芯10，并用于將圍繞渦輪增壓器芯 10的關聯(lián)腔體20、20'、20"的汽缸頭組件12的關聯(lián)排氣殼體部分88和軸承殼體38水冷卻，渦輪增壓器芯10用于與否則相應的可比較獨立渦輪增壓器組件所需的耐高溫材料的量相比減少耐高溫材料的量、例如相對高鎳含量的合金的量，這與獨立渦輪增壓器組件相比允許降低成本。此外，在關聯(lián)汽缸頭組件12中結合渦輪增壓器芯10用于將來自內燃機 14,14. 1的汽缸22更緊密地聯(lián)接到渦輪增壓器芯10，這允許有與否則在相應的可比較獨立渦輪增壓器組件的情況下可能的效率相比改善的效率。參考圖13 15，依照內燃機的第二方面和關聯(lián)渦輪增壓器組件的第一實施例，關聯(lián)渦輪增壓器芯10與分離的渦輪增壓器排氣殼體158協(xié)作，其進口 160以可操作方式聯(lián)接到內燃機14、14. 2的排氣歧管162，例如，利用通過位于排氣歧管162的出口 168處的第一凸緣166進入位于渦輪增壓器排氣殼體158的進口 160處的第二凸緣170的多個螺栓164 進行所述聯(lián)接。進口 160經由第一排氣口沈‘與渦輪增壓器排氣殼體158中的腔體20"流體連通，第一排氣口沈‘被定位為指引關聯(lián)的排氣21偏離的中心，從而在腔體20"中引起排氣21的渦流。渦輪機噴嘴筒組件74如上文所述那樣所附接的渦輪增壓器芯10的軸承殼體38利用通過軸承殼體38并進入周面172周圍的渦輪增壓器排氣殼體158上的關聯(lián)螺紋插座176中的多個螺栓174螺栓連接至圍繞腔體20'的渦輪增壓器排氣殼體158的周面 172，使得關聯(lián)的渦輪機噴嘴筒組件74延伸通過腔體20"并進入在腔體20"的相反側上的關聯(lián)第二排氣口 94'。第二排氣口 94'結合了在內部凹槽106中的密封環(huán)104，密封環(huán)104與渦輪機噴嘴筒組件74的噴嘴排氣部分84的后端84. 1上的關聯(lián)外部密封表面102協(xié)作， 從而用于將渦輪機噴嘴筒組件74的排出端108密封到渦輪增壓器排氣殼體158，以使基本上所有排氣21被從渦輪機噴嘴筒組件74排出到第二排氣口 94并通過第二排氣口 94并進入關聯(lián)的發(fā)動機排氣系統(tǒng)98中，從而基本上將在渦輪機噴嘴筒組件74上游的腔體20"中的排氣21與從渦輪機噴嘴筒組件74排出的排氣21隔離。與外部密封表面102協(xié)作的密封環(huán)104用于使得渦輪機噴嘴筒組件74的排出端108能夠響應于其熱致膨脹或收縮在徑向方向上擴展或收縮并在軸向方向上滑動，同時保持在渦輪機噴嘴筒組件74的排出端108 處的密封條件，而沒有渦輪機噴嘴筒組件74的顯著的關聯(lián)熱致加載。在操作中，來自排氣歧管162的排氣21流入渦輪增壓器排氣殼體158的進口 160 并隨后進入關聯(lián)腔體20"。排氣21在腔體20"內繞著渦輪機噴嘴筒組件74的外側形成漩渦，并且然后沿著其葉片80且抵靠著渦輪機轉子30的渦輪葉片92以漩渦流入渦輪機噴嘴筒組件74的周邊進口 93中，從而驅動渦輪機轉子30，渦輪機轉子30又使轉子軸32和附接到轉子軸32的壓縮機轉子56旋轉。排氣21然后在被排出到并通過渦輪增壓器排氣殼體158中的第二排氣口 94'之前流過渦輪機噴嘴筒組件74的噴嘴排氣部分84，并且然后進入發(fā)動機排氣系統(tǒng)98，發(fā)動機排氣系統(tǒng)98例如可以包括一個或多個排氣處理設備100， 例如一個或多個催化轉換器或消聲器。渦輪增壓器排氣殼體158可以由相同類型的材料例如鑄鐵構成，或者替代地，利用鎳含量相對高的合金鑄造，如可以對排氣歧管162使用的。關于內燃機的第一方面，可以通過修改渦輪機噴嘴筒組件74將渦輪增壓器芯10調諧至適合于特定的發(fā)動機，與渦輪增壓器排氣殼體158和關聯(lián)腔體20"的設計無關。參考圖16和圖17，依照適合于與內燃機14、14. 2的第二方面一起使用的關聯(lián)渦輪增壓器組件的第二實施例，關聯(lián)的渦輪增壓器排氣殼體158結合了內部熱屏蔽件178，內部熱屏蔽件178例如由能夠耐受高溫排氣21的金屬片材料構成，例如鎳合金，例如具有相對高的鎳含量的不銹鋼，例如，310不銹鋼，其提供抗高溫氧化力和強度。渦輪增壓器排氣殼體 158內的排氣21基本上被包含在內部熱屏蔽件178的內表面178. 1內，其中的后者結合了多個外部突出的凹痕180，所述多個外部突出的凹痕180用于以關聯(lián)空隙182將內部熱屏蔽件178的外表面178. 2與渦輪增壓器排氣殼體158的內表面158. 1分離，關聯(lián)空隙182用于減少從內部熱屏蔽件178到渦輪增壓器排氣殼體158的傳導熱傳遞。因此，內部熱屏蔽件178提供輻射熱屏蔽和傳導熱屏蔽。雖然在內燃機14、14. 2的第二方面的背景下舉例說明了內部熱屏蔽件178，即在關聯(lián)汽缸頭組件12的外部，但在內燃機14、14. 2的第一方面的背景下內部熱屏蔽件178可能是特別有益的，即與關聯(lián)汽缸頭組件12集成，從而用于基本上減少從排氣21傳遞至汽缸頭組件12的熱量，否則其將需要由內燃機14、14. 2的關聯(lián)水冷卻系統(tǒng)46來去除。例如，在具有結合了具有6mm壁厚度且內襯有與關聯(lián)渦輪增壓器芯10協(xié)作的1. 5mm厚的內部熱屏蔽件178的腔體20的關聯(lián)鋁汽缸頭組件12的內燃機14、14. 1的第一方面的一個模擬實施例中，對于在1050攝氏度下的排氣21而言，關聯(lián)的熱傳遞被從8. 20千瓦減少至1.80千瓦， 并且關聯(lián)的熱傳遞系數(shù)被從約每開氏溫度9瓦減小至約每開氏溫度2瓦，內部熱屏蔽件178 在約904攝氏度下操作。上文已經舉例說明了構造有軸流式渦輪機18'的渦輪增壓器芯10，其中，從渦輪機噴嘴筒組件74的噴嘴部分74. 1排出的排氣21被沿著基本上軸向向后方向184向后指引到并抵靠著位于前噴嘴壁76的后面的關聯(lián)軸流式渦輪機18'的渦輪葉片92、葉片80、以及渦輪機噴嘴筒組件74的噴嘴部分74. 1?？商娲?，參考圖18，結合具有關聯(lián)徑流式渦輪機18"和相應的關聯(lián)渦輪機噴嘴筒組件74'的關聯(lián)渦輪增壓器芯10'的第二方面圖示依照內燃機的第二方面修改的渦輪增壓器組件的第三實施例，其用于在基本上徑向向內的方向186上將關聯(lián)的排氣21從渦輪機噴嘴筒組件74的噴嘴部分74. 1'排出到并抵靠著位于前噴嘴壁76的徑向內側的關聯(lián)徑流式渦輪機18'的渦輪葉片92'、葉片80、以及渦輪機噴嘴筒組件74'的噴嘴部分 74. 1'。此外，可替代地，可以利用混流式渦輪機、即組合的徑流式和軸流式渦輪機來修改渦輪增壓器芯10，關聯(lián)渦輪機噴嘴筒組件74適合于與之協(xié)作，但是通常被如上文所述地構造，關聯(lián)的混流式渦輪機轉子位于前噴嘴壁76、葉片80、以及渦輪機噴嘴筒組件74的噴嘴部分74. 1的后部和徑向內側，且其之間存在關聯(lián)的錐形邊界。此外，應當理解的是上文所述的關聯(lián)內燃機的第一方面或第二方面可以適合于允許廢氣閥99允許在渦輪增壓器芯10周圍為來自內燃機14、14. 1,14.2的排氣21設旁路， 即以使得某些或全部的排氣21能夠在不流過渦輪機18的情況下從排氣流道M和排氣歧管162流到發(fā)動機排氣系統(tǒng)98。渦輪機噴嘴筒組件74用于容易地將渦輪增壓器芯10匹配或調諧至特定內燃機 14,14. 1,14. 2，這是因為在該過程期間典型將不需要修改渦輪增壓器芯10的其它部件—— 特別是汽缸頭組件12的關聯(lián)排氣殼體部分88或關聯(lián)渦輪增壓器排氣殼體158。此外，在渦輪機噴嘴筒組件74從汽缸頭組件12的關聯(lián)排氣殼體部分88或關聯(lián)渦輪增壓器排氣殼體 158分離并相對于汽缸頭組件12的關聯(lián)排氣殼體部分88或關聯(lián)渦輪增壓器排氣殼體158 自由地漂浮的情況下，渦輪增壓器芯10的生產方式能夠適合于利用渦輪葉片葉冠82'與渦輪葉片92的尖端120之間的相對較小的余隙進行工作，而在其壽命內沒有渦輪增壓器芯 10的操作期間的其之間的干涉的危險。雖然在前述詳細說明中詳細地描述并在附圖中圖示了特定的實施例，但本領域的技術人員將認識到根據(jù)本公開的總體教導內容可以作出對那些細節(jié)的各種修改和替代。應理解的是在本文中對術語“或”的任何參考意圖意指“兼或”或者也稱為“邏輯或”，其中，如果A或B為真，或者如果A和B兩者均為真，則表達式“A或B”為真。因此，所公開的特定布置意圖僅僅是說明性的，并且關于本發(fā)明的范圍的不是限制性的，本發(fā)明的范圍將被給定所附權利要求書及其任何和所有等同物的完全寬度。
權利要求
1. 一種渦輪增壓器芯，所述渦輪增壓器芯適合于與用于接收和排出內燃機的排氣的腔體協(xié)作，所述渦輪增壓器芯包括a.渦輪增壓器轉子組件，包括i.渦輪機轉子； .壓縮機轉子；以及iii.轉子軸，所述轉子軸將所述渦輪機轉子以可操作方式聯(lián)接到所述壓縮機轉子，其中，所述渦輪機轉子、所述壓縮機轉子和所述轉子軸繞所述渦輪增壓器轉子組件的公共旋轉軸線操作；b.轉子軸支撐組件，包括i.軸承殼體；以及 .在所述軸承殼體內的至少一個軸承，其中，所述轉子軸由所述至少一個軸承沿著所述轉子軸以可旋轉方式支撐，并且所述軸承殼體被構造成安裝到所述腔體的前端，以用于封閉所述腔體的所述前端；以及c.渦輪機噴嘴筒組件，包括1.前噴嘴壁，其中，所述前噴嘴壁包括圍繞所述渦輪機噴嘴筒組件中的前開口的第一回轉表面，并且所述前噴嘴壁與所述軸承殼體的第一后部協(xié)作，以允許從所述軸承殼體的第一后部向后延伸； .后噴嘴壁，其中，所述后噴嘴壁包括與所述前噴嘴壁同心且與所述前噴嘴壁向后間隔開的第二回轉表面；iii.位于在所述前噴嘴壁的前部的徑向周邊部分與所述后噴嘴壁的徑向周邊部分之間形成的間隙中的所述渦輪機噴嘴筒組件的周邊進口；iv.在所述前噴嘴壁和所述后噴嘴壁之間的多個葉片；v.向后連接到所述后噴嘴壁或從所述后噴嘴壁延伸的渦輪機轉子護罩部分，其中，所述多個葉片與所述前噴嘴壁及所述后噴嘴壁之間的區(qū)域提供所述周邊進口與所述渦輪機轉子護罩部分之間的流體連通，所述渦輪機轉子位于所述渦輪機噴嘴筒組件內，所述渦輪機噴嘴筒組件位于所述軸承殼體的后方；vi.向后連接到所述渦輪機轉子護罩部分或從所述渦輪機轉子護罩部分延伸的噴嘴排氣部分；以及vii.在所述噴嘴排氣部分的后部的外側上的外部密封表面。
2.如權利要求1所述的渦輪增壓器芯，其中，所述渦輪機轉子包括軸流式渦輪機轉子， 所述軸流式渦輪機轉子位于所述前噴嘴壁的后方和所述多個葉片的后方且在所述渦輪機噴嘴筒組件的所述渦輪機轉子護罩部分內操作。
3.如權利要求1所述的渦輪增壓器芯，其中，所述渦輪機轉子包括徑流式渦輪機轉子， 所述徑流式渦輪機轉子位于所述前噴嘴壁的徑向內側和所述多個葉片的徑向內側且在所述渦輪機噴嘴筒組件的所述渦輪機轉子護罩部分內操作。
4.如權利要求1所述的渦輪增壓器芯，其中，所述渦輪機轉子包括混流式渦輪機轉子， 所述混流式渦輪機轉子位于所述前噴嘴壁的后方和徑向內側以及所述多個葉片的后方和徑向內側，并且在所述渦輪機噴嘴筒組件的所述渦輪機轉子護罩部分內操作。
5.如權利要求1所述的渦輪增壓器芯，其中，所述壓縮機轉子包括徑流式壓縮機轉子。
6.如權利要求1所述的渦輪增壓器芯，其中，所述壓縮機轉子包括無孔輪轂壓縮機轉子，所述無孔輪轂壓縮機轉子包括與所述轉子軸的前端的螺紋部分協(xié)作的向后延伸內螺紋凸臺。
7.如權利要求1所述的渦輪增壓器芯，進一步包括圍繞所述壓縮機轉子的壓縮機殼體，其中，所述壓縮機殼體包括a.在所述壓縮機轉子的前方的中央進口；以及b.在所述壓縮機轉子的徑向外側的蝸殼擴壓器。
8.如權利要求1所述的渦輪增壓器芯，其中，所述軸承殼體結合有從所述軸承殼體向后延伸的筒形臺階，所述渦輪機噴嘴筒組件的所述前噴嘴壁結合有被構造成與所述筒形臺階協(xié)作的筒形唇緣，所述筒形唇緣的內徑和所述筒形臺階的相應外徑被構造成在室溫下提供干涉配合，同時還提供所述筒形唇緣相對于所述筒形臺階的熱致膨脹，進一步包括多個徑向銷，所述多個徑向銷通過所述前噴嘴壁的所述筒形唇緣中的相應的多個徑向孔，并進入所述筒形臺階，以用于保持并基本使所述渦輪機噴嘴筒組件相對于所述軸承殼體且相對于所述渦輪增壓器轉子組件的所述公共旋轉軸線對中。
9.如權利要求8所述的渦輪增壓器芯，其中，所述多個徑向孔繞所述筒形臺階對稱地定位。
10.如權利要求8所述的渦輪增壓器芯，進一步包括位于所述軸承殼體與所述腔體的所述前端處的所述前密封表面之間的接頭襯套，其中，所述接頭襯套以足夠的余隙圍繞所述前噴嘴壁的所述筒形唇緣，以用于所述筒形唇緣在所述渦輪增壓器芯的操作期間響應于所述內燃機的排氣而在所述腔體內的不受限制的熱致徑向膨脹，并且所述接頭襯套用于將所述多個徑向銷捕獲在所述筒形臺階中的相應的多個徑向孔內。
11.如權利要求10所述的渦輪增壓器芯，其中，所述接頭襯套的后表面被定位且以圓角成形，以提供從所述腔體的內壁到所述渦輪機噴嘴筒組件的所述前噴嘴壁的基本上連續(xù)過渡。
12.如權利要求1所述的渦輪增壓器芯，其中，所述至少一個軸承包括a.在所述軸承殼體的前部內的前滾動元件軸承；以及b.在所述軸承殼體的第二后部內的后軸頸軸承。
13.如權利要求1所述的渦輪增壓器芯，進一步包括在所述軸承殼體內的冷卻子系統(tǒng)， 所述冷卻子系統(tǒng)包括a.冷卻套管；b.在所述軸承殼體上的與所述冷卻套管流體連通的冷卻進口；以及c.在所述軸承殼體上的與所述冷卻套管流體連通的冷卻出口，其中，所述冷卻套管用于響應于從所述冷卻進口到所述冷卻套管中并從所述冷卻套管出來的冷卻劑流來冷卻所述至少一個軸承。
14.如權利要求12所述的渦輪增壓器芯，進一步包括在所述軸承殼體內的潤滑系統(tǒng)， 所述潤滑系統(tǒng)包括a.進油口；b.與所述進油口流體連通的至少一個油分配通道，其中，所述至少一個油分配通道用于將油從所述進油口分配到所述前滾動元件軸承和所述后軸頸軸承；c.回油腔體，所述回油腔體用于接收由所述至少一個油分配通道分配到所述前滾動元件軸承和所述后軸頸軸承的所述油；以及d.回油口，所述回油口被構造成使來自所述回油腔體的所述油返回到外部油供應源。
15.如權利要求1所述的渦輪增壓器芯，其中，所述渦輪增壓器芯被結合在渦輪增壓器組件中，所述渦輪增壓器組件進一步包括a.所述腔體，其中，所述腔體與所述內燃機的至少一個排氣導管部分成一體；b.延伸通過所述腔體的側壁的第一排氣口，其中，在相對于所述公共旋轉軸線組裝在所述腔體中時所述第一排氣口的中心線位于所述渦輪增壓器轉子組件的旋轉軸線的徑向外側；f.延伸通過所述腔體的后端壁的第二排氣口，其中，所述第二排氣口用于與所述內燃機的排氣系統(tǒng)流體連通，并且所述噴嘴排氣部分的出口通過所述腔體的所述后端壁與所述第二排氣口流體連通；以及g.在所述腔體的后部內或與所述腔體的后部鄰近的密封元件，其中，所述密封元件與所述渦輪機噴嘴筒組件的所述外部密封表面協(xié)作，以用于保持在所述密封元件和所述外部密封表面之間的密封條件基本上不受在所述渦輪增壓器組件的操作期間所述渦輪機噴嘴筒組件的熱致膨脹或收縮的影響，其中，所述密封條件用于基本上抑制在沒有首先通過所述渦輪機噴嘴筒組件的所述渦輪機轉子護罩部分的情況下從所述腔體到所述第二排氣口的直接流體連通。
16.如權利要求15所述的被結合在渦輪增壓器中的渦輪增壓器芯，其中，所述內燃機的所述至少一個排氣導管部分包括所述內燃機的排氣歧管部分，并且所述第一排氣口直接聯(lián)接到所述內燃機的所述排氣歧管部分的出口。
17.如權利要求16所述的被結合在渦輪增壓器中的渦輪增壓器芯，其中，所述內燃機的所述排氣歧管部分與所述內燃機的相應汽缸頭部分成一體。
18.如權利要求17所述的被結合在渦輪增壓器中的渦輪增壓器芯，其中，所述腔體與所述內燃機的至少一個冷卻水通道具有熱傳遞關系。
19.如權利要求18所述的被結合在渦輪增壓器中的渦輪增壓器芯，進一步包括在所述腔體的至少大部分內的熱屏蔽襯里。
20.如權利要求19所述的被結合在渦輪增壓器中的渦輪增壓器芯，其中，所述熱屏蔽襯里由包括多個隔離凹痕的金屬片構成，所述多個隔離凹痕用于將所述熱屏蔽襯里的大部分與所述腔體的內表面分離。
21.如權利要求16所述的被結合在渦輪增壓器中的渦輪增壓器芯，其中，所述內燃機的所述排氣歧管部分與所述內燃機的相應汽缸頭部分分離且能附接于所述相應汽缸頭部分。
22.如權利要求15所述的被結合在渦輪增壓器中的渦輪增壓器芯，其中，所述第一排氣口在所述內燃機的汽缸頭組件內從所述內燃機的相應的一個或多個汽缸直接聯(lián)接到一個或多個排氣流道。
23.如權利要求15所述的被結合在渦輪增壓器中的渦輪增壓器芯，其中，在所述渦輪機噴嘴筒組件的所述渦輪機轉子護罩部分和所述噴嘴排氣部分中的至少一個的外部的所述腔體內的區(qū)域包括從所述渦輪機噴嘴筒組件的所述第一排氣口至所述周邊進口操作的渦形形狀。
24.如權利要求15所述的被結合在渦輪增壓器中的渦輪增壓器芯，進一步包括在所述腔體內的緊鄰其所述后端壁的沉孔，其中，所述密封元件包括在所述噴嘴排氣部分的所述后部分上的所述外部密封表面的至少一部分周圍的密封環(huán)，并且所述密封環(huán)與所述沉孔內的內部凹槽協(xié)作。
25.一種渦輪機噴嘴筒組件，所述渦輪機噴嘴筒組件適合于與關聯(lián)渦輪增壓器芯的渦輪機轉子協(xié)作，所述渦輪機噴嘴筒組件包括a.前噴嘴壁，其中，所述前噴嘴壁包括i.圍繞所述渦輪機噴嘴筒組件中的前開口的第一回轉表面；以及 .位于所述第一回轉表面的前端處的筒形唇緣，其中，所述筒形唇緣被構造成配合在從所述渦輪增壓器芯的關聯(lián)軸承殼體向后延伸的相應筒形臺階上，所述筒形唇緣結合有多個徑向孔，并且所述多個徑向孔被構造成與從所述筒形臺階徑向向外地延伸的相應的多個徑向銷協(xié)作，以用于在所述筒形唇緣相對于所述筒形臺階熱膨脹時保持所述渦輪機噴嘴筒組件相對于所述軸承殼體的同心；b.后噴嘴壁，其中，所述后噴嘴壁包括與所述前噴嘴壁同心且與所述前噴嘴壁向后間隔開的第二回轉表面；c.位于在所述前噴嘴壁的前部的徑向周邊部分與所述后噴嘴壁的徑向周邊部分之間形成的間隙中的到所述渦輪機噴嘴筒組件的周邊進口；d.在所述前噴嘴壁和所述后噴嘴壁之間的多個葉片，其中；e.向后連接到所述后噴嘴壁或從所述后噴嘴壁延伸的渦輪機轉子護罩部分，其中，所述多個葉片與所述前噴嘴壁及所述后噴嘴壁之間的區(qū)域提供所述周邊進口與所述渦輪機轉子護罩部分之間的流體連通，所述渦輪機轉子護罩部分用于在其內部接收關聯(lián)渦輪增壓器芯的渦輪機轉子的至少一部分；f.向后連接到所述渦輪機轉子護罩部分或從所述渦輪機轉子護罩部分延伸的噴嘴排氣部分；以及g.在所述噴嘴排氣部分的后部的外側上的外部密封表面，其中，所述外部密封表面被構造成與相應的密封元件協(xié)作，以用于保持在所述外部密封表面和所述相應的密封元件之間的密封條件基本上不受在所述渦輪機噴嘴筒組件的操作期間所述渦輪機噴嘴筒組件的熱致膨脹或收縮的影響。
26.如權利要求25所述的渦輪機噴嘴筒組件，其中，所述前噴嘴壁包括第一掃掠回轉曲面，并且所述后噴嘴壁的所述前部包括第二掃掠回轉曲面。
27.如權利要求25所述的渦輪機噴嘴筒組件，其中，所述渦輪機噴嘴筒組件由金屬片形成，并且所述多個葉片由部分延伸通過所述前噴嘴壁中的相應狹槽和所述后噴嘴壁的所述前部的金屬片構成。
28.如權利要求25所述的渦輪機噴嘴筒組件，其中，利用容納套筒來加固所述渦輪機轉子護罩部分。
全文摘要
渦輪增壓器芯(10、10′)的轉子軸支撐組件的軸承殼體(38)安裝到并封閉接收和排出內燃機(14、14.1、14.2)的排氣(21)的腔體(20、20′、20″)的前端。渦輪機轉子(30)以可操作方式聯(lián)接到轉子軸(32)且關聯(lián)渦輪增壓器轉子組件的壓縮機轉子(56)在關聯(lián)渦輪機噴嘴筒組件(74、74′)的渦輪機轉子護罩部分(82)內旋轉，其中，由軸承殼體(38)內的至少一個軸承來以可旋轉方式支撐轉子軸。渦輪機噴嘴筒組件(74、74′)用于引導來自腔體(20、20′、20″)的排氣(20)通過通向前壁(76)和后壁(78)之間的多個葉片(80)的周邊進口(93)，通過渦輪機轉子護罩部分(82)，然后通過在其后部(84.1)上結合了與密封元件(104、104′)協(xié)作的外部密封表面(102)的噴嘴排氣部分(84)，排氣(21)在那里被從腔體(20、20′、20″)排出。
文檔編號F02C6/12GK102348868SQ201080011742
公開日2012年2月8日 申請日期2010年1月20日 優(yōu)先權日2009年1月20日
發(fā)明者托馬斯·J·威廉姆斯, 馬克·E·蘇契茲科 申請人:威廉國際有限責任公司