專利名稱：可變幾何渦輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種特別是用于增壓式內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓器的可變幾何渦輪， 以及該渦輪增加器和發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的可變幾何渦輪(VGT)具有環(huán)繞渦輪轉(zhuǎn)子的渦管形式的驅(qū)動(dòng)流體入口 和設(shè)置在所述入口渦管和渦輪轉(zhuǎn)子之間的葉片式環(huán)形噴嘴。在移動(dòng)壁(moving wall)型的可變幾何渦輪上，噴嘴間隙軸向可調(diào)，以控制渦輪功率，以及在增壓 式內(nèi)燃機(jī)的可變幾何渦輪增壓器的情況下，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管的背壓(當(dāng) 作為排氣制動(dòng)時(shí)，這尤為有用)。圖1展示了一個(gè)典型的移動(dòng)壁型的可變幾何渦輪。該圖展示了根據(jù)包含渦 輪轉(zhuǎn)子4的軸IO的平面的縱向截面。流體入口渦管用l表示。使得流體從進(jìn)口 渦管進(jìn)入渦輪轉(zhuǎn)子3的環(huán)形噴嘴間隙用3表示，噴嘴的葉片由7表示。葉片固 定在軸向可調(diào)環(huán)5，可在箭頭A方向移動(dòng)。在一個(gè)方向移動(dòng)減少噴嘴間隙，相 反方向移動(dòng)則增加噴嘴間隙。當(dāng)可調(diào)環(huán)沿閉合方向移動(dòng)時(shí)，葉柵進(jìn)入設(shè)置在渦 輪殼2的環(huán)形腔11中。穿通的墊8，其槽口對(duì)應(yīng)于葉柵的形狀，可以用于防止 流體溢出噴嘴間隙。作為選擇，可以設(shè)置這樣的結(jié)構(gòu)固定的葉柵設(shè)置在壁上 并與軸向可調(diào)環(huán)相對(duì)，該軸向可調(diào)節(jié)環(huán)設(shè)置有容納葉片的槽?？烧{(diào)節(jié)環(huán)可設(shè)計(jì)成環(huán)形活塞，該環(huán)形活塞可被容納在環(huán)形室12內(nèi)，并可以移動(dòng)出，伸入噴嘴間 隙；密封元件13，例如外密封環(huán)和內(nèi)密封環(huán)，設(shè)置在可調(diào)節(jié)環(huán)和所述室的墻壁 之間。執(zhí)行系統(tǒng)(圖中未顯示)用來根據(jù)需要控制可調(diào)節(jié)環(huán)的軸向位置。該執(zhí) 行器可以為氣動(dòng)、液動(dòng)或電動(dòng)，并可包括復(fù)位彈簧，可被設(shè)置在可變幾何渦輪 外殼的內(nèi)部或外部。它可通過，例如，沿軸向可調(diào)節(jié)環(huán)的運(yùn)動(dòng)方向延伸的桿起 作用，該桿依附在環(huán)形室12側(cè)面的環(huán)5上。所述桿(或者任何類似的導(dǎo)向系統(tǒng)) 可以防止可調(diào)節(jié)環(huán)繞軸10旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)是由流體力作用傾斜的葉片而產(chǎn)生的。 執(zhí)行器必須支撐流體壓力作用在軸向可調(diào)節(jié)環(huán)上的復(fù)位力，該復(fù)位力可具有相 當(dāng)大。為了減少作用在執(zhí)行器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)位負(fù)載，通常在可調(diào)節(jié)環(huán)的軸向 壁上設(shè)置平衡孔6，通常每個(gè)在兩個(gè)相鄰葉片之間的流體通道設(shè)有一個(gè)孔，如圖2所示，以平衡噴嘴間隙3和室12之間的壓力。在排氣驅(qū)動(dòng)渦輪上，平衡孔的尺寸必須設(shè)置為允許往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的排 氣波適當(dāng)傳輸，該發(fā)動(dòng)機(jī)例如標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機(jī)。否則，壓力波可產(chǎn)生振動(dòng)而磨損整 個(gè)可變幾何渦輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及其他元件，比如密封件和軸襯。此外，壓力波 能引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的明顯振動(dòng)，至少是對(duì)一定類型的執(zhí)行器，特別是氣動(dòng)和電動(dòng) 的執(zhí)行器。為了保持在可以接受的程度上振動(dòng)，平衡孔的尺寸必須相對(duì)大，其 直徑可達(dá)到流體通道寬度的90%。這包含的缺點(diǎn)是，平衡孔導(dǎo)致了對(duì)流經(jīng)噴嘴 間隙的流體的相當(dāng)大擾亂。降低噴嘴間隙，即分別縮窄相鄰葉片間的流體通道， 增加了孔和流體流的干涉。在很狹窄的噴嘴間隙，噴嘴間隙的剩余流動(dòng)面積變 得小于平衡孔的總體面積。在這種情況下，平衡孔使流動(dòng)產(chǎn)生明顯下沉，導(dǎo)致 流體大量流入孔中，平衡孔的下游邊緣存在明顯流體動(dòng)力障礙。在現(xiàn)有的平衡孔中，平衡孔為機(jī)械或者激光切割，并具有相對(duì)鋒利邊緣(從 流體動(dòng)力的角度)，盡管可以設(shè)置小沉頭來去除毛刺。從而，平衡孔邊緣的下游 部分可以引起分流，導(dǎo)致流動(dòng)通道下游的孔內(nèi)不希望的壓力下降，從而導(dǎo)致作 用在可調(diào)節(jié)環(huán)的復(fù)位力減小。這種效果在小噴嘴間隙和扼流情況下特別明顯， 這種情況下在噴嘴間隙達(dá)到聲速。在該情況下，最終作用在軸向可調(diào)節(jié)環(huán)的復(fù) 位力將急劇下降，并可產(chǎn)生相反的力方向。在圖3中，典型的作用在可調(diào)節(jié)環(huán)上從而作用在整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)位力F (縱坐標(biāo))表示為噴嘴間隙L (橫坐標(biāo))的函數(shù)。隨著噴嘴間隙的減少，幾乎整 個(gè)可調(diào)節(jié)區(qū)域的復(fù)位力逐漸增加，同時(shí)在狹窄的噴嘴間隙，由于孔和流體流動(dòng) 的干涉，力衰弱。在小噴嘴間隙安全控制可變幾何噴嘴變得不可能，限制了可 接受的噴嘴間隙值，這些值遠(yuǎn)大于在特定操作情況下所需的值。 一般而言，現(xiàn) 有系統(tǒng)的控制不能滿足小的噴嘴間隙。因此，可變幾何渦輪增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)的渦 輪制動(dòng)力(發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)力)受到限制，瞬態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)也受限制。
本發(fā)明解決了上述問題，在平衡孔的下游邊緣形成大倒圓，處于面向流體 流動(dòng)的平衡孔的口。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，渦輪為燃?xì)鉁u輪，特別是增壓式內(nèi)燃機(jī)的 渦輪增壓器的渦輪，所述渦輪增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)為本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施方式。


下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，其中 圖1為現(xiàn)有技術(shù)的可變幾何渦輪的縱剖面示意圖(以上已經(jīng)描述)； 圖2為圖1的可變幾何渦輪中從噴嘴間隙向著軸向可調(diào)節(jié)環(huán)的平面示意圖 (以上已經(jīng)描述)；圖3示意性地展示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)置有軸向可調(diào)節(jié)環(huán)的可變幾何渦輪 中，作用在軸向可調(diào)節(jié)環(huán)的復(fù)位力與噴嘴間隙的函數(shù)關(guān)系(以上已經(jīng)描述)；圖4示意性地展示了根據(jù)本發(fā)明的可變幾何渦輪的軸向可調(diào)節(jié)環(huán)的剖視圖；圖5示意性地展示了根據(jù)本發(fā)明的可變幾何渦輪中從噴嘴間隙向著軸向可 調(diào)節(jié)環(huán)的平面圖；圖6為圖5的可調(diào)節(jié)環(huán)的VI-VI剖視示意圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的可變幾何渦輪中從噴嘴間隙向著軸向可調(diào) 節(jié)環(huán)的平面示意圖；圖8為圖7的可調(diào)節(jié)環(huán)的vin-vin剖視示意圖；圖9為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的從噴嘴間隙向著可變幾何渦輪的軸向可調(diào) 節(jié)環(huán)的平面示意圖；圖10為圖9中的軸向可調(diào)節(jié)環(huán)的X-X剖視示意圖；圖11為根據(jù)本發(fā)明的可變幾何渦輪中，作用在可調(diào)節(jié)環(huán)的復(fù)位力與噴嘴間 隙的函數(shù)關(guān)系。
具體實(shí)施方式
根據(jù)本發(fā)明的可變幾何渦輪可以用以上描述的現(xiàn)有渦輪的類似方法設(shè)計(jì)制造，除了平衡孔口的形狀。圖4為細(xì)節(jié)剖面圖，該剖面沿平行于通過根據(jù)本發(fā) 明的可變幾何渦輪的噴嘴間隙的流體的流動(dòng)線路。軸向可調(diào)節(jié)環(huán)25處于最小噴 嘴間隙，從入口渦管至渦輪轉(zhuǎn)子的流動(dòng)用箭頭20表示。平衡孔26設(shè)置在壁19 上，該壁的表面18面對(duì)著噴嘴間隙23。邊緣16在孔關(guān)于流體流動(dòng)的下游，該 邊緣從表面18界定出孔26形成倒圓角部分。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，不是所有的所述邊緣都為倒圓角，也不是都為均勻 曲率。該邊緣的曲率可以從較不相關(guān)區(qū)域的O (銳利邊緣)或從最小值逐漸變化 至關(guān)于孔中心的下游區(qū)域的最大值。這產(chǎn)生了沿流體流動(dòng)方向延伸的倒圓角區(qū) 域。圖5為面向噴嘴間隙23的環(huán)表面18的局部視圖。圖中顯示了葉片27和帶 倒圓角部分17的平衡孔26，箭頭20表示流體的方向。葉片界定了一系列通道 14。根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例，通道設(shè)置有孔26，該孔26位于界定通道的兩個(gè)葉片 的中間。倒圓角部分可以與表面19形成邊界15，該邊界15的形狀取決于倒圓 角如何形成(例如拋物線形或橢圓形)。在曲率半徑最大值的邊緣部分，曲率半徑R必須大于經(jīng)過孔區(qū)的平均流體 流動(dòng)方向的孔的最大寬度S (沒有考慮倒圓)的20%，以達(dá)到有用效果。參見圖 6，顯示了圖5的截面VI - VI，當(dāng)孔為圓形時(shí)，尺寸S可以為孔的直徑。圖7 和8展示了一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中寬大倒圓17'向邊界15'下游延伸。平衡孔可 以具有圓形截面或其他形狀。平衡孔的內(nèi)壁(沒有考慮圓形區(qū)域)可垂直于或傾斜于可調(diào)節(jié)環(huán)的壁。根據(jù)一個(gè)可能的實(shí)施例，內(nèi)壁可以一定程度上傾斜于流 體流動(dòng)方向。這進(jìn)一步提高了復(fù)位特性。圖9和圖IO展示了噴嘴環(huán)，該噴嘴環(huán) 具有帶非圓形截面的傾斜孔。這些孔和倒圓可以由任何適合的現(xiàn)有技術(shù)制造。它們可以通過三軸銑床制 造，利用半徑或圓環(huán)面銑刀，刀具的直徑等于或稍小于平衡孔的直徑。如現(xiàn)有技術(shù)中，可調(diào)節(jié)環(huán)可以為葉片式，或者可以具有適合容納相反固定 的葉片珊格的葉片的槽。所有通常應(yīng)用在"移動(dòng)壁"(moving wall)型的可變幾何渦輪的技術(shù)方案都可以采用，并做適當(dāng)調(diào)整?？烧{(diào)節(jié)環(huán)可以由如上所述的各種 執(zhí)行器操控。平衡孔在環(huán)上的位置及其尺寸可以，如已在現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)過，根據(jù)環(huán)后 面的室中所需的壓力選擇，記住，沿著噴嘴，向著內(nèi)渦管的靜態(tài)壓力較高，而向著渦輪轉(zhuǎn)子的靜態(tài)壓力較低。孔的直徑可以為相關(guān)葉片通道的寬度的50 -90%，或者在非圓形截面時(shí)具有相當(dāng)?shù)某叽?。根?jù)本發(fā)明的可變幾何渦輪帶來明 顯的優(yōu)點(diǎn)。避免了在很小的噴嘴間隙中孔的干涉所引起的壓力驟降。在圖11中， 示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的可變幾何渦輪的復(fù)位力和噴嘴間隙的函數(shù)關(guān)系。 由于沒有出現(xiàn)力的衰竭(與圖3相比)，可以允許噴嘴間隙的縮小至遠(yuǎn)小于現(xiàn)有 技術(shù)的值，例如在增壓式內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓器的情況下，達(dá)到較高的發(fā)動(dòng)機(jī)制 動(dòng)功率和較好的瞬變狀態(tài)性能，以及提高了控制穩(wěn)定性。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是降低了噴嘴的流體壓力損失，當(dāng)從流體排泄恢復(fù)能量時(shí)渦輪 產(chǎn)生較高的效率。
權(quán)利要求
1. 一種可變幾何渦輪，包括外殼(22)、渦輪轉(zhuǎn)子(4)、環(huán)繞所述渦輪轉(zhuǎn)子的流 體入口 (1)和設(shè)置在所述流體入口和所述渦輪轉(zhuǎn)子之間用于加速流體流動(dòng)的葉 片式噴嘴，所述噴嘴包括用于改變噴嘴間隙(23)并有軸向劃界所述噴嘴間隙 的壁(19)的軸向可調(diào)節(jié)環(huán)(25)，所述壁具有連接所述噴嘴間隙與所述外殼和 所述環(huán)界定的室(12)的平衡孔(26、 26')，其特征在于所述孔和所述壁面向 所述噴嘴間隙的表面(18)所形成的邊緣(16)在孔的關(guān)于流體流動(dòng)的下游的 部分(17、 17')形成寬大倒圓角。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪，其特征在于所述邊緣的最大倒圓角曲率大于半 徑(R),該半徑(R)表示所述孔的區(qū)域中平均流向(20)的上所述平衡孔(S) 的最大寬度的20% 。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的渦輪，其特征在于在流動(dòng)方向(20)上的所述倒 圓角為拋物線形或橢圓形。
4. 根據(jù)以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的渦輪，其特征在于所述倒圓角區(qū)域的邊界 (15， 15，)在流體流動(dòng)方向上伸長(zhǎng)。
5. 根據(jù)以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的渦輪，其特征在于所述倒圓角區(qū)域具有 可由帶半徑銑刀的三軸銑床加工成的幾何形狀。
6. 根據(jù)以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的燃?xì)鉁u輪。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪，其特征在于該渦輪用于增壓式內(nèi)燃機(jī)的渦輪 增壓器。
8. —種增壓式內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓器，其特征在于包括根據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪。
9. 一種用于車輛的增壓式內(nèi)燃機(jī)，其特征在于包括根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪增壓器。
全文摘要
一種可變幾何渦輪，特別是燃?xì)鉁u輪，包括外殼(22)、渦輪轉(zhuǎn)子(4)、環(huán)繞所述渦輪轉(zhuǎn)子的流體入口(1)和設(shè)置在所述流體入口和所述渦輪轉(zhuǎn)子之間用于加速流體流動(dòng)的葉片式噴嘴，所述噴嘴包括用于改變噴嘴間隙(23)并有軸向劃界所述噴嘴間隙的壁(19)的軸向可調(diào)節(jié)環(huán)(25)，所述壁具有連接所述噴嘴間隙與所述外殼和所述環(huán)界定的室(12)的平衡孔(26、26’)，其特征在于所述孔和所述壁面向所述噴嘴間隙的表面(18)所形成的邊緣(16)在孔的關(guān)于流體流動(dòng)的下游的部分(17、17’)形成寬大倒圓角。含有所述渦輪的渦輪增壓器和增壓式內(nèi)燃機(jī)。
文檔編號(hào)F01D17/16GK101144394SQ200710147439
公開日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2007年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月12日
發(fā)明者于爾克·斯普勒 申請(qǐng)人:依維柯發(fā)動(dòng)機(jī)研究公司