用于渦輪增壓器的壓縮機蓋件的制作方法
【專利摘要】一種用于渦輪增壓器的壓縮機殼體(16)具有一個再循環(huán)腔(60)，該再循環(huán)腔形成在一個蝸殼底座部分(40)、一個導風葉輪(44)以及一個入口部段(46)之間以使空氣流從一個壓縮機葉輪(14)逸出回到該入口部段(46)中。逸出空氣流可以進入與該壓縮機葉輪(14)鄰接的一個成角再循環(huán)槽縫(70)并且然后穿過形成在該壓縮機殼體(16)中的一個再循環(huán)腔(60)流動至該入口部段(46)中的一個入口再進入槽縫(72)。這樣的再循環(huán)空氣流可以提高喘振裕度。導風葉輪(44)包括一個環(huán)(50)，該環(huán)的一個內表面(56)優(yōu)選地與該入口部段(46)的一個收斂壁(54)對準，該入口部段可以是可附接到該壓縮機殼體(16)的一個底座上的一個分開件。來自該壓縮機葉輪(14)的正?？諝饬魍ㄟ^該蝸殼底座部分(40)連續(xù)到達一個發(fā)動機進氣歧管。
【專利說明】用于渦輪增壓器的壓縮機蓋件
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年6月18日提交的并且名稱為“Compressor Cover forTurbochargers (用于潤輪增壓器的壓縮機蓋件)”的美國臨時申請?zhí)?1/661，126的優(yōu)先權及所有權益，將其通過引用結合在此。

【背景技術】
[0003]1.披露領域
[0004]本披露涉及一種用于強調乘用車用途的內燃發(fā)動機的渦輪增壓器的部件。更具體地講，本披露涉及一種具有用于空氣流再循環(huán)幾何結構的壓縮機蓋件。
[0005]2.相關技術的說明
[0006]渦輪增壓的優(yōu)點包括提高的功率輸出、較低的燃料消耗以及降低的污染物排放。發(fā)動機的渦輪增壓不再主要是從高功率性能的角度看到的，而是由于較低的二氧化碳(CO2)排放被認為是減少燃料消耗和環(huán)境污染的一種手段。目前，渦輪增壓的一個主要原因是利用排氣能量來降低燃料消耗和排放。在渦輪增壓發(fā)動機中，燃燒空氣在供應至發(fā)動機之前被預壓縮。發(fā)動機吸取與自然吸氣發(fā)動機相同體積的空氣燃料混合物，但由于較高的壓力，從而更高的密度，更多的空氣和燃料質量被供應到燃燒室中。因此，可以燃燒更多的燃料，從而相對于速度和排量增大發(fā)動機的功率輸出。
[0007]在排氣渦輪增壓過程中，使用正常情況下浪費掉的排氣能量中的一些排氣能量來驅動渦輪機。該渦輪增壓器將這些正常情況下浪費掉的排氣能量中的一些排氣能量返回到發(fā)動機中，有助于發(fā)動機效率和節(jié)約燃料。與該渦輪機安裝在相同軸上的一個壓縮機抽取過濾后的周圍空氣、對其壓縮、并且然后將其供應至發(fā)動機。
[0008]渦輪增壓器是一種與內燃發(fā)動機一起使用的強制進氣系統(tǒng)。渦輪增壓器將壓縮的空氣傳送到發(fā)動機進氣端從而允許燃燒更多的燃料，因此增加了發(fā)動機的馬力而沒有明顯地增加發(fā)動機的重量。因此，渦輪增壓器允許使用較小的發(fā)動機而形成與較大的正常吸氣發(fā)動機相同量的馬力。在車輛中使用較小發(fā)動機具有減小車輛質量并且增強燃料經(jīng)濟性的所希望效果。此外，使用渦輪增壓器允許被遞送至發(fā)動機的燃料的更完全燃燒，這有助于實現(xiàn)更清潔環(huán)境的這一高度希望的目標。
[0009]渦輪增壓器典型地包括連接至發(fā)動機的排氣歧管上的一個渦輪機殼體、連接至發(fā)動機的進氣歧管上的一個壓縮機殼體、以及將該潤輪機殼體和壓縮機殼體聯(lián)接在一起的一個中央軸承殼體。渦輪機殼體內的一個渦輪機葉輪是由從該排氣歧管供應的排氣進氣流可旋轉地驅動的?？尚D地支撐在該中央軸承殼體內的一個軸將該渦輪機葉輪連接至該壓縮機殼體內的一個壓縮機葉輪上，這樣使得該渦輪機葉輪的旋轉造成了該壓縮機葉輪的旋轉。將該渦輪機葉輪與該壓縮機葉輪相連接的軸限定了一條旋轉軸線。
[0010]本披露的焦點在于一種渦輪增壓器的壓縮機。該壓縮機被設計成用于幫助增大進氣歧管壓力和密度以允許在每個進氣沖程的過程中攝入更大質量的空氣至發(fā)動機氣缸。在一個通常稱作“圖譜”的圖表上示出了壓縮機的性能。
[0011]壓縮機性能圖譜基于入口條件限定了該壓縮機的就空氣流和壓力比而言的可用運行特征。這些壓縮機RPM線示出了對于一個規(guī)定的壓縮機速度而言隨空氣流的變化所傳送的壓力比。
[0012]該圖譜的向上延伸至左側的一條線被稱作喘振線。對于每個壓力比而言，該喘振線限定了該壓縮機能夠以充分的空氣系統(tǒng)穩(wěn)定性運行時的最小空氣流。該喘振線指示何時存在完全的系統(tǒng)流動逆轉。該喘振線的右側可能發(fā)生局部失速狀況并且可能傳播至該壓縮機中的其他地方。
[0013]具有“帶端口的護罩”的壓縮機已經(jīng)成功用于拓寬該圖譜。該壓縮機改善了喘振裕度。該壓縮機通過允許少量的空氣流逸出壓縮機葉輪的一個尖端并且再循環(huán)而使該喘振線向左移動，以避開葉片失速并用于喘振控制。再循環(huán)空氣流允許喘振控制，并且正?？諝饬魍ㄟ^該壓縮機殼體/蝸殼連續(xù)到達進氣歧管。這個特征作為“現(xiàn)有技術”被示意性地展示在圖1中。
[0014]因此令人希望的是提供一種具有提高的喘振裕度和更寬的壓縮機性能圖譜的壓縮機，從而在一個給定的壓力比和/或給定的壓縮機葉輪線性尖端速度下，該壓縮機圖譜的喘振線與扼流線之間可獲得空氣流值的較大擴展。而且，期望用于乘用車的渦輪增壓器以該圖譜上的較寬范圍和區(qū)域運行，還必須考慮噪聲、振動和刺耳(NVH)。
[0015]概述
[0016]本披露提供用于汽車渦輪增壓器的壓縮機，該壓縮機通過允許空氣流逸出壓縮機葉輪的一個尖端并且再循環(huán)到一個壓縮機殼體的入口部段中提高了喘振裕度，即:使壓縮機性能圖譜上的喘振線向左移動。這些再循環(huán)特征的幾何結構和改進的空氣動力學提供了增加的關于空氣流、喘振裕度以及噪聲特性的益處。
[0017]一個壓縮機殼體包括與一個再循環(huán)腔、成角再循環(huán)槽縫以及一個入口再進入槽縫結合的一個收斂的噴嘴入口。該再循環(huán)腔可以在一個蝸殼底座部分、一個導風葉輪以及一個入口部段之間形成以便將空氣流從一個壓縮機葉輪逸出回到該入口部段中。空氣流可以進入與該壓縮機葉輪鄰接的一個成角再循環(huán)槽縫并且然后穿過形成在該壓縮機殼體中的再循環(huán)腔流動至該入口部段中的入口再進入槽縫。該導風葉輪優(yōu)選地包括一個環(huán)部分，該環(huán)部分具有與該入口部段的收斂壁對準的多個內表面壁以用于使空氣流平穩(wěn)。該蝸殼底座部分、該輪廓部、該導風葉輪以及該入口部段可以是分開機加工的或模制的零件，這樣可以允許容易地生產、測試、組裝或者定制用于特定應用的零件。
[0018]而且，通過用于再循環(huán)空氣流的改進的幾何結構和改進的喘振控制，對于乘用車在該壓縮機性能圖譜的極限區(qū)域中運行時的喘振而言，噪聲被減少而帶有更好的性能。這樣的圖譜確定了噪聲降低，其中速度線的負斜率示出更安靜的運行(平的或正的斜率可能指示更嘈雜的狀況)。
[0019]該成角再循環(huán)槽縫通過不同的運行范圍降低噪聲。某些紊亂的空氣流被穩(wěn)定和撫平。而且，通過移除在再循環(huán)腔的下部處的支撐柱的一部分使可聽到水平的噪聲最小化，從而允許在環(huán)形帶的周圍不間斷流動。相應地，這樣的壓縮機殼體再循環(huán)幾何結構提高了該渦輪增壓器的壓縮機的喘振裕度和NVH特性。
[0020]附圖的簡要說明
[0021]本披露的優(yōu)點將是容易了解的，因為這些優(yōu)點通過參照以下詳細說明在結合附圖考慮時將變得更好理解，在附圖中:
[0022]圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術的一種具有帶端口護罩的壓縮機殼體的截面視圖，示出了再循環(huán)空氣流；
[0023]圖2是根據(jù)一個實施例的一種渦輪增壓器的一個壓縮機端的透視圖的一個截面；
[0024]圖3是根據(jù)另一個實施例的渦輪增壓器的壓縮機端的截面視圖；并且
[0025]圖4是對以虛線示出的無再循環(huán)的標準壓縮機設計與以實線示出的有再循環(huán)幾何結構的壓縮機設計進行比較的壓縮機性能圖譜。
[0026]實施方式的詳細說明
[0027]參見圖2和圖3，渦輪增壓器是通常所理解的。一個渦輪增壓器的一個壓縮機端12可以包括一個壓縮機葉輪14以及包括一個壓縮機蓋件18的一個壓縮機殼體16。一個旋轉軸20由一個渦輪機葉輪驅動，這樣使得該渦輪機葉輪的旋轉導致壓縮機葉輪14旋轉。
[0028]壓縮機葉輪14被安裝在軸20的一端上并且被容納在壓縮機殼體16中。如本領域已知的，該渦輪機葉輪是由從排氣歧管供應的排氣的流入可旋轉地驅動的，該排氣使軸20旋轉，由此致使壓縮機葉輪14旋轉。當壓縮機葉輪14旋轉，空氣被抽入并且被壓縮以便以升高的壓力遞送至一個發(fā)動機進氣歧管中。換言之，壓縮機葉輪14是由該渦輪機葉輪可旋轉地驅動的。在驅動該渦輪機葉輪之后，排氣可以被排出或者在以下情況下被再循環(huán)。
[0029]壓縮機殼體16廣義上是指容納壓縮機葉輪14并包括壓縮機蓋件18的部件。這個部件包括一個蝸殼底座部分40、一個輪廓部42、一個導風葉輪44以及一個入口部段46。如圖2和圖3中示出的，這些部件可以是分開機加工的或模制的零件，這可以允許容易地生產、測試、組裝或者定制用于特定渦輪增壓器應用的零件。而且，考慮到了這些零件中的任何零件或所有零件，零件都可以被形成為整體部件或組合部件。
[0030]蝸殼底座部分40是相當標準的，具有一個空氣通道48，該空氣通道在其接近排出口時變大以用于更大的靜壓。如以下將詳述的，蝸殼底座部分40可以被模制或機加工成與導風葉輪44和入口部段46相協(xié)作以形成用于再循環(huán)空氣流的多個腔。蝸殼底座部分40被可操作地連接到壓縮機葉輪14上并且與其鄰接以便還給該發(fā)動機提供正常的空氣流。
[0031]輪廓部42可以被切割成壓縮機殼體16或緊固到蝸殼底座部分40上的一個件，以使得該輪廓部互補地匹配壓縮機葉輪14。輪廓部42以緊密公差圍繞并環(huán)繞壓縮機葉輪14上的一部分葉片以防止當壓縮機葉輪14旋轉時與其相接觸。如果導風葉輪44和入口部段46可以切換輸出以滿足不同的參數(shù)，輪廓部42將可能保持緊固到具有與其互補的壓縮機葉輪14的蝸殼底座部分40上。
[0032]導風葉輪44可以在壓縮機葉輪14的一個遠端周圍形成一個環(huán)50，并且一個系列的延伸構件52可以從該環(huán)50徑向地延伸。這些延伸構件52可以垂直于環(huán)50或者它們可以相對于環(huán)50或軸20形成角度(在任一軸線上)以通過相對于壓縮機葉輪14運動的旋轉或反向旋轉將再循環(huán)空氣流引導至入口部段46。
[0033]入口部段46是蓋件18的最外部分，在此空氣流入。如圖2和圖3中示出的，入口部段46具有一個漸縮錐形壁54，從而形成一個收斂的噴嘴入口。入口部段46的漸縮錐形壁54優(yōu)選地與導風葉輪44的環(huán)50的一個內表面壁56對準以用于平滑的空氣流動。內表面壁56的頂部優(yōu)選地被修圓。蓋件18的一個部分58可以從蝸殼底座部分40延伸并且被緊固到其上。
[0034]可以圍繞導風葉輪44的環(huán)50形成一個再循環(huán)腔60，并使其鄰接該環(huán)。再循環(huán)腔60可以由空心部62和64形成，這些空心部是由一個蝸殼中間壁66和一個入口部段空心壁68形成的。如在圖2和圖3中示出的，導風葉輪44的延伸構件52可以延伸至接合入口部段46的入口部段空心壁68。這些延伸構件52可以接合蝸殼中間壁66和入口部段空心壁68中任一或兩者并且由其緊固(或者與其整體成形)。
[0035]再循環(huán)腔60可以包括一個成角的再循環(huán)槽縫70和一個入口再進入槽縫72。成角再循環(huán)槽縫70圍繞壓縮機葉輪14的前緣。該成角再循環(huán)槽縫的角度可以由導風葉輪44的環(huán)50的底部和輪廓部42的一個部分形成。入口再進入槽縫72優(yōu)選地被開設在漸縮錐形壁54與環(huán)50的內表面壁56之間以用于使空氣流再循環(huán)。成角再循環(huán)槽縫70和入口再進入槽縫72的寬度可以變化以實現(xiàn)希望的空氣流。
[0036]成角再循環(huán)槽縫70給壓縮機葉輪14的較慢的尖端上的空氣提供了一條逸出路徑。空氣被再循環(huán)通過再循環(huán)腔60并且離開入口再進入槽縫72回到入口部段46中以用于喘振控制。在該過程中，當在該圖譜的左側運行時，提高和擴大了喘振裕度。在該圖譜的右側，還可以擴大運行范圍。
[0037]這些再循環(huán)部件的特定幾何結構還可以給該空氣流添加穩(wěn)定性。可以使紊亂的空氣噪聲平靜和穩(wěn)定。再循環(huán)到入口部段46可以使渦輪增壓器的整個壓縮機級穩(wěn)定，特別是當壓縮機葉輪14是靠近其喘振點運行時。
[0038]如在圖2的導風葉輪44的截面中示出的，環(huán)50具有在某種程度上平行的多條邊并且是相當直的。如在圖3中示出的，環(huán)50的截面可以更加呈現(xiàn)淚珠形狀。更加漸進的角度和橢圓形的形狀能夠以更少的熱量促進更好的再循環(huán)空氣流。
[0039]如圖2和圖3中示出的，入口部段46可以被形成為以一個互補唇緣可附接到蝸殼底座部分40上的一個部件。導風葉輪44還可以是能夠安置在蝸殼底座部分40內并由入口部段46封閉的一個分開形成的件，其中這些延伸構件52在蓋件18內接合并緊固導風葉輪44。
[0040]當這些零件是針對乘用車的渦輪增壓器制成的時，與更大的應用相比部件寬度會更窄，這樣使得可以期望單獨形成嚴格公差的部件。厚度可以是幾毫米?？梢葬槍εc乘用車內燃發(fā)動機兼容的壓縮機和該圖譜上乘用車應用可能需要運行的區(qū)域調整這些再循環(huán)部件的幾何結構。而且，隨著特征變得更加復雜或者可以變化(例如間隙寬度)，這可以由構成蓋件18的分開的多個部件來實現(xiàn)。
[0041]在該渦輪增壓器的運行過程中壓縮機蓋件18中的再循環(huán)空氣流是連續(xù)的。該再循環(huán)空氣流與穿過一個排氣再循環(huán)閥(EGR閥或有時是CRV壓縮機再循環(huán)閥)并通常在該排氣再循環(huán)過程中冷卻的排氣再循環(huán)是不同的但可以與其整合。在排氣再循環(huán)閥運行過程中，排氣與朝向該壓縮機的新鮮空氣混合并且結合進入發(fā)動機的進氣歧管。分開的蓋件部件還可以有助于結合多個EGR特征和元件。
[0042]考慮到該排氣再循環(huán)可能進入再循環(huán)腔60，所以這兩個再循環(huán)空氣流可以在蓋件18中結合，其中CRV只在進氣門關閉事件中運行以幫助防止壓縮機回流和相關的壓縮機喘振。排氣可以幫助引導入口部段46中的空氣流。
[0043]圖4示出了針對本披露的一個實施例的壓縮機性能圖譜，通過允許少量的空氣流逸出壓縮機葉輪14的尖端并且再循環(huán)無渦流的空氣流使喘振線延伸至左側以拓寬該圖譜。為了比較，該壓縮機性能圖譜包括以虛線示出的一個無再循環(huán)的標準壓縮機設計以及以實線示出的有再循環(huán)幾何結構的本壓縮機設計。
[0044]已經(jīng)以展示性的方式描述了本發(fā)明，并且應理解的是，所使用的術語旨在本質上是描述詞語而非限制詞語。鑒于以上的傳授內容，本發(fā)明的許多修改和變體都是可能的。因此應理解的是，在所附權利要求書的范圍內，可以按照與在本說明內具體列舉的不同方式來實踐本發(fā)明。
【權利要求】
1.一種渦輪增壓器，具有由一個旋轉軸(20)連接的一個壓縮機葉輪(14)和一個渦輪機葉輪，改進包括具有再循環(huán)幾何結構的一個壓縮機殼體(16)，該壓縮機殼體包括: 一個蝸殼底座部分(40),該蝸殼底座部分被可操作地鄰接該壓縮機葉輪(14)； 一個輪廓部(42)，該輪廓部環(huán)繞并且互補地匹配該壓縮機葉輪(14)； 一個導風葉輪(44)，該導風葉輪包括一個環(huán)(50)和多個延伸構件(52)； 一個入口部段(46)，該入口部段從該蝸殼底座部分延伸(40);以及 一個再循環(huán)腔(60)，該再循環(huán)腔被形成在該蝸殼底座部分(40)和該入口部段(46)中、具有一個再循環(huán)槽縫(70)以及用于使空氣流再進入該入口部段(46)中的一個入口槽縫(72)； 其中該入口部段(46)的一個收斂壁(54)與該導風葉輪(44)的環(huán)(50)的一個內表面(56)對準。
2.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中通過允許空氣流在該渦輪壓縮機葉輪(14)的一個尖端逸出并且再循環(huán)到該入口部段(46)中提高了喘振裕度。
3.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中這些再循環(huán)部件的幾何結構被調整成與一臺乘用車內燃發(fā)動機兼容。
4.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中該入口部段(46)被形成為可附接到該蝸殼底座部分(40)上的一個部件。
5.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中該導風葉輪(44)的環(huán)(50)形成與該環(huán)(50)的內表面(56)成一個角度的再循環(huán)槽縫(70)。
6.如權利要求5所述的渦輪增壓器，其中該環(huán)(50)的截面形成一種淚珠形狀。
7.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中這些延伸構件(52)徑向地延伸至接合該入口部段(46)的再循環(huán)腔(60)的一個壁(66和/或68)。
8.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中該導風葉輪(44)的這些延伸構件(52)相對于該環(huán)(50)形成角度以通過相對于該壓縮機葉輪(14)運動的旋轉將再循環(huán)空氣流引導至該入口部段(46)中。
9.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中該導風葉輪(44)的環(huán)(50)形成該再循環(huán)槽縫(70)并且這些延伸構件(52)相對于該環(huán)(50)形成角度。
10.如權利要求9所述的渦輪增壓器，其中該導風葉輪(44)是能夠安置在該蝸殼底座部分(40)內并由該入口部段(46)封閉的一個分開件，其中這些延伸構件(52)在該壓縮機殼體(16)內接合并緊固該導風葉輪(44)。
11.一種用于乘用車內燃發(fā)動機的渦輪增壓器，該渦輪增壓器包括由一個旋轉軸(20)連接的一個壓縮機葉輪(14)和一個渦輪機葉輪，該壓縮機葉輪(14)被可操作地連接到一個具有再循環(huán)幾何結構的壓縮機殼體(16)上并且與其鄰接，該壓縮機殼體(16)包括: 一個蝸殼底座部分(40)，該蝸殼底座部分被可操作地連接到該壓縮機葉輪(14)上并且與其鄰接； 一個導風葉輪(44)，該導風葉輪包括帶有多個延伸構件(52)的一個環(huán)(50)，其中該導風葉輪(44)的環(huán)(50)形成一個成角再循環(huán)槽縫(70)的一側； 一個入口部段(46)，該入口部段形成為附接到該蝸殼底座部分(40)上的一個部件，其中該導風葉輪(44)處于該蝸殼底座部分(40)與該入口部段(46)之間；以及 一個再循環(huán)腔(60)，該再循環(huán)腔被形成在該蝸殼底座部分(40)和該入口部段(46)中、具有該成角再循環(huán)槽縫(70)以及用于使再循環(huán)空氣流再進入該入口部段(46)中的一個入口槽縫(72)； 其中通過允許空氣流逸出該渦輪壓縮機葉輪(14)穿過該成角再循環(huán)槽縫(70)和該再循環(huán)腔￠0)經(jīng)由該入口槽縫(72)進入該入口部段(46)中提高了壓縮機喘振裕度。
【文檔編號】F02B37/00GK104321513SQ201380027388
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2013年6月10日 優(yōu)先權日:2012年6月18日
【發(fā)明者】D·M·奧林, D·埃爾貝 申請人:博格華納公司