專利名稱：帶有可變蝸殼流量體積的簡化的可變幾何形狀渦輪增壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明著手解決對(duì)于一種能夠維持脈沖能量的低成本渦輪機(jī)流動(dòng)裝置的需要，并且這是通過設(shè)計(jì)一種具有可變蝸殼流量體積的、簡化的可變幾何形狀渦輪增壓器而實(shí)現(xiàn)的。
背景技術(shù)：
渦輪增壓器是一種強(qiáng)制性進(jìn)氣系統(tǒng)。它們將空氣以與在正常吸氣布置中將有可能的情況相比更大的密度傳送到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)、從而允許燃燒更多的燃料，因此在沒有明顯增加發(fā)動(dòng)機(jī)重量的情況下提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的馬力。這就能夠使用一臺(tái)較小的渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)來替代一臺(tái)較大物理尺寸的正常吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)，因此減少了車輛的質(zhì)量以及空氣動(dòng)力學(xué)的前端面積。渦輪增壓器(圖1)使用來自發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的排氣流動(dòng)100(該排氣流動(dòng)在渦輪機(jī)殼體2的渦輪機(jī)入口 51處進(jìn)入渦輪機(jī)殼體)來驅(qū)動(dòng)一個(gè)渦輪機(jī)葉輪70，該渦輪機(jī)葉輪位于渦輪機(jī)殼體內(nèi)。這種渦輪機(jī)葉輪被穩(wěn)固地附著到一個(gè)軸上，該軸的另一端包括一個(gè)壓縮機(jī)葉輪20，該壓縮機(jī)葉輪被安裝到該軸上并且通過來自一個(gè)壓縮機(jī)螺母的夾緊負(fù)載而保持在位。該渦輪機(jī)葉輪的主要功能是提供驅(qū)動(dòng)該壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)能量。一旦排氣已經(jīng)通過渦輪機(jī)葉輪70并且渦輪機(jī)葉輪已經(jīng)從該排氣中提取了能量，用過的排氣101就通過出口導(dǎo)流器 52從渦輪機(jī)殼體2排出并且被輸送到車輛下行管并且通常到達(dá)一些后處理裝置上，如催化轉(zhuǎn)化器、微粒和NOx收集器。由渦輪機(jī)級(jí)產(chǎn)生的動(dòng)力是跨過渦輪機(jī)級(jí)的膨脹比的一個(gè)函數(shù)。這就是從渦輪機(jī)入口 51到渦輪機(jī)出口導(dǎo)流器52的膨脹比。除其他參數(shù)外，渦輪機(jī)動(dòng)力的范圍是通過該渦輪機(jī)級(jí)的氣流的一個(gè)函數(shù)。壓縮機(jī)級(jí)由一個(gè)葉輪及其殼體組成。過濾的空氣通過壓縮機(jī)葉輪20的轉(zhuǎn)動(dòng)被軸向地抽取到壓縮機(jī)蓋件10的入口 11中。由渦輪機(jī)級(jí)產(chǎn)生的、到達(dá)軸和葉輪上的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)葉輪20以便產(chǎn)生靜態(tài)壓力與一些剩余能量和熱量的一種組合。被加壓的氣體穿過壓縮機(jī)排放口 12從壓縮機(jī)蓋件10排出并且通常經(jīng)由一個(gè)中冷器被傳送到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣中。渦輪機(jī)級(jí)的設(shè)計(jì)是以下各項(xiàng)的一種折衷，即在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍中在不同流動(dòng)狀況下用來驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)所要求的動(dòng)力；該級(jí)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)；旋轉(zhuǎn)組件的慣量，其中，渦輪機(jī)的慣量是大部分，因?yàn)闇u輪機(jī)葉輪典型地由鉻鎳鐵合金(它具有的密度是壓縮機(jī)葉輪的鋁密度的3倍)制造；渦輪增壓器的運(yùn)行周期，它影響該設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)以及材料方面；以及相對(duì)于葉片激勵(lì)而言該渦輪機(jī)葉輪的上游以及下游的近場作用(near field)。渦輪機(jī)殼體的物理設(shè)計(jì)的一部分是一個(gè)蝸殼47，其功能是用來控制到達(dá)渦輪葉輪的這些進(jìn)入狀態(tài)，這樣這些進(jìn)入流動(dòng)狀態(tài)提供了與最佳的瞬態(tài)響應(yīng)特征相結(jié)合的、從排氣中的能量到由該渦輪機(jī)葉輪產(chǎn)生的動(dòng)力的、最有效的動(dòng)力傳遞。理論上講，來自發(fā)動(dòng)機(jī)的、 進(jìn)入的排氣流是以一種均勻的方式從蝸殼被傳送到以渦輪機(jī)葉輪軸線為中心的一個(gè)渦旋上。為了做到這一點(diǎn)，理想地，該蝸殼的截面面積在垂直于流動(dòng)的方向上處于一個(gè)最大值并且逐漸并連續(xù)地減少直到它變?yōu)榱?。蝸殼的?nèi)邊界可以是定義為基圓71的一個(gè)完美的圓； 或者在某些情況下，如圖2中可見的一個(gè)雙蝸殼48、49，它可以描繪一條螺旋線，其最小直徑不小于該渦輪機(jī)葉輪直徑的106%。如以上說明的，該蝸殼在如圖4中描繪的在由“X-Y” 軸線定義的一個(gè)平面中是由蝸殼的外邊界45、46的不斷減少的半徑以及由內(nèi)邊界定義的， 并且在如圖8A和圖8B中描繪的在穿過“Z”軸線的平面中是由在每個(gè)位置的截面區(qū)域定義的。“Z”軸線是垂直于由“X-Y”軸線所定義的平面的、并且還是該渦輪機(jī)葉輪的軸線。出于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一致性考慮，在此使用了一種系統(tǒng)，其中這種蝸殼的展開起始于切面“A”，該切面被定義為該蝸殼剩余部分的基準(zhǔn)。這個(gè)基準(zhǔn)(切面“A”)被定義為高于該渦輪機(jī)殼體的“X”軸線一個(gè)“P”度的角度處的切面，該渦輪機(jī)殼體包含該蝸殼形狀的“X” 軸線、“Y”軸線以及“Z”軸線的細(xì)節(jié)。該蝸殼的尺寸和形狀是按以下列方式定義的廣泛使用的術(shù)語A/R代表了切面 “A”處的局部面積除以從陰影的流動(dòng)區(qū)域160的形心161到該渦輪中心線的距離之比。在圖8A以及圖8B中，這些形心161確定了到渦輪中心線的距離&和&。對(duì)于一個(gè)系列的渦輪機(jī)殼體的不同構(gòu)件，總體形狀保持相同，但切面“A”處的面積是不同的，距離&也是不同的。該A/R比率通常被用作一個(gè)特定的渦輪機(jī)殼體的“名稱”，以便將該渦輪機(jī)殼體與同一系列中的其他渦輪機(jī)殼體(具有不同的A/R比率)相區(qū)別。在圖8A中，該蝸殼是一個(gè)具有適當(dāng)圓形形狀的蝸殼。在圖8B中，該蝸殼是一種分開的渦輪機(jī)殼體的蝸殼，它迫使該形狀成為適當(dāng)?shù)娜切巍ｋm然在切面“A”處對(duì)于兩個(gè)蝸殼而言面積是相同的，但是形狀是不同的并且到形心的半徑是不同的(由于蝸殼形狀)，所以這些A/R將是不同的。將切面“A” 從“X”軸線偏移角度“P”。于是，該渦輪機(jī)殼體在幾何學(xué)上被分為多個(gè)相等的徑向切面(通常30°，因此在(30x+P° )處)，并且限定了這些面積(Aa_m)以及這些半徑(Ra_m)連同其他幾何定義(如拐角半徑)。從這個(gè)定義開始，產(chǎn)生了沿這些蝸殼壁的點(diǎn)樣條(splines of points)，因此，定義了該蝸殼的整個(gè)形狀。壁的厚度被增加到該內(nèi)蝸殼形狀上，并且通過這種方法定義了一個(gè)渦輪機(jī)殼體。對(duì)于一個(gè)給定面積而言理論上優(yōu)化的蝸殼形狀是一個(gè)圓形截面的形狀，因?yàn)樗哂凶钚〉谋砻娣e，這使流體摩擦損失最小化。然而，該蝸殼并不是單獨(dú)起作用而是一個(gè)系統(tǒng)的一部分；所以對(duì)在從切面“A”(在圖4中示出)到切面“M”的平面、以及從“M”到舌部的這些平面中的流動(dòng)的要求影響了該渦輪機(jī)級(jí)的性能。這些要求通常導(dǎo)致，多種折衷(如，渦輪機(jī)殼體外部的構(gòu)造要求、渦輪機(jī)殼體到支撐殼體上的定位和安裝的方法、以及從切面“A” 到渦輪機(jī)底座51的過渡)相結(jié)合而迫使渦輪機(jī)殼體蝸殼具有矩形或者三角形截面、以及處于圓形或所有形狀的組合。圖1中示出一個(gè)截面“D-K”，其中蝸殼的矩形形狀是以下要求的結(jié)果不僅要求將VTG葉片裝入該空間以使得通過這些葉片的流動(dòng)被優(yōu)化并且使得這些葉片可以通過渦輪機(jī)殼體外部的裝置而被移動(dòng)和控制，而且還要求將該渦輪機(jī)殼體的外形線最小化從而將渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上。該渦輪機(jī)殼體底座通常具有一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，因?yàn)樗c許多發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管相配合。該底座可以被定位為與該“蝸殼”成任何角度或者在相對(duì)于它的任何位置上。從這些底座氣體通道到達(dá)該蝸殼的過渡是以一種提供了最好的空氣動(dòng)力學(xué)以及機(jī)械折衷的方式來實(shí)施。在圖2中該蝸殼的大致三角形的形狀(在與以上那些相同的截面處截取的)對(duì)于固定的和有廢氣門的渦輪機(jī)殼體而言是更加典型的蝸殼幾何形狀。增加的分隔壁25是用來減小在這些蝸殼之間的空氣動(dòng)力學(xué)的“串?dāng)_”，以努力維持來自一個(gè)分開的歧管中的脈沖流，以便在由渦輪機(jī)葉輪提取的功中收獲脈沖能量。排氣歧管中的這些壓力脈沖是發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序的一個(gè)函數(shù)。渦輪機(jī)殼體典型地是按系列設(shè)計(jì)的(在一個(gè)系列中典型地有多達(dá)5個(gè))，這些系列(在一個(gè)給定系列中)使用具有相同直徑的渦輪機(jī)葉輪或者具有接近相同直徑的一組葉輪。它們可以使用相同的渦輪機(jī)底座尺寸。例如，用于63mm渦輪機(jī)葉輪的一個(gè)渦輪機(jī)殼體系列可以覆蓋從1. 8到2. 2的A/R范圍。圖5描繪了用于一個(gè)系列的三種蝸殼的面積安排。最大的蝸殼是一個(gè)1.2A/R的蝸殼，由虛點(diǎn)線45示出。最小的蝸殼是一個(gè)0.8A/R的蝸殼，由短劃線46示出，并且在該系列中間的平均蝸殼，由實(shí)線示出。X軸線描繪了該切面的角度，從30° (截面“A”)到360° (舌部)；Y軸線描繪了在對(duì)應(yīng)角度處的截面面積。典型地，在一個(gè)設(shè)計(jì)系列中從一個(gè)A/R到下一個(gè)A/R，在切面“Α”處，在截面面積方面存在8 % 至10%的不同(在給出的情況下是12個(gè)區(qū)域)。一些渦輪機(jī)葉輪被確切地設(shè)計(jì)為利用這種脈沖能量并且將它轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)速度。因此，在分開的渦輪機(jī)殼體中的一個(gè)脈沖流渦輪機(jī)葉輪的、來自排氣的壓力和速度到該渦輪機(jī)葉輪速度的轉(zhuǎn)換是大于來自一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)排氣流動(dòng)的壓力和速度到該渦輪機(jī)葉輪速度的轉(zhuǎn)換的。這種脈沖能量在商用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中比在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中更占主導(dǎo)地位，這些商用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以約2200RPM運(yùn)行、在1200至1400RPM時(shí)具有峰值扭矩，而這些汽油發(fā)動(dòng)機(jī)以更高的旋轉(zhuǎn)速度(通常高達(dá)6000RPM)運(yùn)行、在4000RPM時(shí)具有峰值扭矩。因而這種脈沖也不是限定的。基本的渦輪增壓器構(gòu)形是一個(gè)固定的渦輪機(jī)殼體的構(gòu)形。在這種構(gòu)形中，渦輪機(jī)殼體蝸殼的形狀和容積是在設(shè)計(jì)階段確定的并且鑄造在位的。復(fù)雜度的下一個(gè)層級(jí)是有廢氣門的渦輪機(jī)殼體。在這個(gè)構(gòu)形中，蝸殼被鑄造在位， 如用以上的固定構(gòu)形。在圖2中，這種有廢氣門的渦輪機(jī)殼體的特征為一個(gè)端口 Μ，該端口將渦輪機(jī)殼體蝸殼49流體地連接到渦輪機(jī)殼體出口導(dǎo)流器52上。因?yàn)樵谠撐仛?cè)上的端口是在渦輪機(jī)葉輪70的上游，并且在該出口導(dǎo)流器側(cè)上的、該端口的另一側(cè)是在該渦輪機(jī)葉輪的下游，經(jīng)過連接這些端口的導(dǎo)管的流動(dòng)繞過渦輪機(jī)葉輪70，因此不會(huì)促進(jìn)傳送到渦輪機(jī)葉輪上的動(dòng)力。該廢氣門在其最簡單形式下是一個(gè)閥門55，該閥門可以是一個(gè)提升閥。它可以是類似于圖2中的閥門的一種擺動(dòng)式閥門。典型地，這些閥門是通過一個(gè)“假”的致動(dòng)器來運(yùn)行，該致動(dòng)器感測增壓壓力或真空以啟用被連接到該閥門上的一個(gè)膜片，并且在沒有與發(fā)動(dòng)機(jī)E⑶特別連通的情況下運(yùn)行。以此方式，該廢氣門閥門的作用是將全負(fù)載增壓曲線的頂部切除，因而限制了到發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓水平。直到該閥門打開之前，該廢氣門構(gòu)形對(duì)于增壓曲線的這些特性沒有影響。更加復(fù)雜的廢氣門閥門可以感測大氣壓的壓力或者具有電子超弛補(bǔ)償或控制，但直到它們致動(dòng)以開放或關(guān)閉該閥門之前，它們?nèi)慷紝?duì)增壓曲線不具有任何影響。圖6Α描繪了一個(gè)固定的渦輪機(jī)殼體的增壓曲線65?！癤”軸線60描繪了膨脹率， “Y”軸線61描繪了壓力比。圖6Β描繪了與用于圖6Α的A/R相同的一個(gè)有廢氣門的渦輪機(jī)殼體67、或者其中該廢氣門閥門未打開的一個(gè)有廢氣門的渦輪機(jī)殼體的增壓曲線。在圖6B中，可以看到增壓曲線67的形狀在閥門打開的點(diǎn)66處與在圖6A中的增壓曲線65完全相同。在該點(diǎn)之后，該增壓曲線是平坦的。雖然可以使用一個(gè)廢氣門來限制增壓水平，但其渦輪機(jī)動(dòng)力控制特性是不成熟的并且粗糙的。有廢氣門的渦輪機(jī)殼體的一個(gè)有利的副產(chǎn)品是有機(jī)會(huì)減小渦輪機(jī)殼體的A/R。因?yàn)樵鰤旱纳舷奘怯稍搹U氣門控制的，A/R的減少能夠提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)特性。如果有廢氣門的渦輪增壓器具有一個(gè)“假”致動(dòng)器，該致動(dòng)器僅在壓力或真空信號(hào)下工作并且在高海拔工作，那么閥門打開時(shí)的臨界壓力比就受到了不利的影響。因?yàn)橹聞?dòng)器中的膜片感測了一側(cè)上的增壓壓力以及另一側(cè)上的大氣壓的壓力，其傾向是使致動(dòng)器較晚打開(因?yàn)楹０胃叨忍幍拇髿鈮旱膲毫Ρ群Ｆ矫嫣幍牡?，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的過度增壓。發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的要求是壓縮機(jī)級(jí)選擇的主導(dǎo)性驅(qū)動(dòng)因素。壓縮機(jī)的選擇與設(shè)計(jì)是以下各項(xiàng)之間的一個(gè)折衷，即發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓壓力要求；由發(fā)動(dòng)機(jī)所要求的質(zhì)量流量；由應(yīng)用要求的效率；由發(fā)動(dòng)機(jī)以及應(yīng)用所要求的映射寬度；發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)受的海拔高度以及占空比； 發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸壓力限制；等等。這對(duì)于渦輪增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)很重要，原因是給渦輪機(jī)級(jí)增加一個(gè)廢氣門允許用一個(gè)更小的渦輪機(jī)葉輪和殼體與低速范圍相匹配。因此，增加一個(gè)廢氣門隨之帶來了減小慣量的選項(xiàng)。因?yàn)樵谛D(zhuǎn)組件的慣量上的減少典型地導(dǎo)致顆粒物質(zhì)(PM)的減少，廢氣門在公路車輛上已經(jīng)變得常見了。問題是多數(shù)廢氣門在它們的運(yùn)行中在某種程度上是二元性的，這不會(huì)與在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出與發(fā)動(dòng)機(jī)速度之間的線性關(guān)系很好地相配合。在渦輪增壓器的增壓控制中下一個(gè)復(fù)雜度層級(jí)是VTG(對(duì)于可變渦輪幾何形狀的統(tǒng)稱)。這些渦輪增壓器中的有些具有旋轉(zhuǎn)葉片；而有些具有滑動(dòng)段或環(huán)。用于這些裝置的一些名稱是可變渦輪幾何形狀(VTG)、可變幾何形狀渦輪機(jī)(VGT)、可變噴嘴渦輪機(jī) (VNT)、或者僅僅是可變幾何形狀(VG)。VTG渦輪增壓器利用可調(diào)整的導(dǎo)向葉片，如圖3A以及圖3B，這些導(dǎo)向葉片可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接到一對(duì)葉片環(huán)上和/或噴嘴壁上。對(duì)這些葉片進(jìn)行調(diào)整以便通過調(diào)節(jié)到達(dá)渦輪機(jī)葉輪的排氣流動(dòng)來控制排氣背壓以及渦輪增壓器速度。在圖3A中，這些葉片31是處于最小開放位置。在圖3B中，這些葉片31是處于最大開放位置。這些葉片可以通過接合在一個(gè)協(xié)調(diào)環(huán)中的多個(gè)指形件而可轉(zhuǎn)動(dòng)地被驅(qū)動(dòng)，這些指形件可以被定位在上葉片環(huán)之上。為了清楚起見，這些細(xì)節(jié)已經(jīng)從附圖中省略。VTG渦輪增壓器具有大量非常昂貴的合金部件，必須將這些合金部件組裝和定位在渦輪機(jī)殼體中，這樣在它們被暴露于其中的熱運(yùn)行條件的范圍上，這些導(dǎo)向葉片相對(duì)于該排氣供應(yīng)流動(dòng)通道以及渦輪機(jī)葉輪保持了適當(dāng)?shù)亩ㄎ?。溫度以及腐蝕條件迫使在所有內(nèi)部部件中使用特殊的合金。獲得、機(jī)加工、以及焊接(在有要求時(shí))它們是非常昂貴的。因?yàn)閂TG的設(shè)計(jì)可以非常迅速地改變渦輪增壓器速度，對(duì)于防止不希望的速度偏移而言大規(guī)模的軟件和控制是必要的。這轉(zhuǎn)化成了多個(gè)昂貴的致動(dòng)器。雖然已經(jīng)廣泛采用不同類型和構(gòu)形的VTG來控制渦輪增壓器增壓水平以及渦輪機(jī)背壓水平， 但硬件成本以及實(shí)施成本是較高的。如果考慮一個(gè)有廢氣門的渦輪作為成本的基線，那么在同一生產(chǎn)量下，一個(gè)典型的VTG的成本是相同尺寸的固定的渦輪增壓器成本的從270%到300%。這種差異是由于多個(gè)相關(guān)因素造成的，從部件的數(shù)量、這些部件的材料、在制造和機(jī)加工這些部件時(shí)要求的準(zhǔn)確度，到致動(dòng)器的速度、準(zhǔn)確度、以及可重復(fù)性。在圖7中的圖表示出了從固定的到VTG的渦輪增壓器的范圍的相對(duì)成本。柱“A”代表一個(gè)固定渦輪增壓器對(duì)于給定的應(yīng)用的基準(zhǔn)成本。柱“B”代表對(duì)于相同應(yīng)用的一個(gè)有廢氣門的渦輪增壓器的成本，并且柱“C”代表對(duì)于相同應(yīng)用的一個(gè)VTG的成本。由此可見，由于技術(shù)原因以及成本驅(qū)動(dòng)因素二者，在此所需的是一個(gè)相對(duì)低成本的渦輪機(jī)流動(dòng)控制裝置，該裝置就成本而言適合處在有廢氣門的裝置與VTG之間。對(duì)于這樣一種裝置的目標(biāo)成本價(jià)格需要是在一個(gè)簡單、固定的渦輪增壓器的成本的145%到 165%范圍之內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種簡化的、低成本的渦輪機(jī)流動(dòng)控制裝置，這種裝置使用了一個(gè)樞轉(zhuǎn)性的蝸殼外壁或者一個(gè)彎曲的楔形區(qū)段，以便控制在渦輪機(jī)殼體內(nèi)的排氣流動(dòng)的有效流量體積的變化。


在附圖中通過舉例而非限制的方式展示了本發(fā)明，在附圖中類似的參考號(hào)表示相似的部件，并且在附圖中圖1描繪了一種典型的VTG渦輪增壓器的截面；圖2描繪了一種典型的有廢氣門的渦輪增壓器的一對(duì)截面；圖3A和圖;3B描繪了一種典型的VTG渦輪增壓器的一對(duì)截面；圖4描繪了示出結(jié)構(gòu)徑向線的一個(gè)典型的固定渦輪機(jī)殼體的截面；圖5是截面面積的發(fā)展的圖表；圖6A和圖6B描繪了對(duì)于一種典型的固定式的以及一種有廢氣門的渦輪增壓器的壓縮機(jī)映射圖；圖7是示出了渦輪增壓器相對(duì)成本的一個(gè)圖表；圖8A和圖8B描繪了在切面“A”處的兩類蝸殼的截面；圖9A和圖9B描繪了一個(gè)樞轉(zhuǎn)性外蝸殼壁處于兩個(gè)位置中的兩個(gè)視圖；圖10描繪了圖9A的截面B-B的視圖；圖IlA和圖IlB描繪了一個(gè)帶有分隔壁的樞轉(zhuǎn)性外蝸殼壁的兩個(gè)視圖；圖12描繪了圖IlA的截面B-B的視圖；圖13描繪了致動(dòng)器彈簧的截面視圖；圖14描繪了帶有一個(gè)致動(dòng)器的構(gòu)形的截面視圖；圖15A和圖15B描繪了第二實(shí)施方案的彎曲的楔形區(qū)段的兩個(gè)視圖；圖16A和圖16B描繪了示出多個(gè)引導(dǎo)凹槽的兩個(gè)視圖；圖17描繪了組件的一個(gè)末端視圖；圖18A和圖18B描繪了圖17的兩個(gè)截面C-C和D-D ；圖19A和圖19B描繪了帶有多個(gè)分隔壁的、圖17的兩個(gè)截面C-C和D-D ；圖20A、20B和20C描繪了本發(fā)明第二實(shí)施方案的第一變體的一個(gè)末端視圖和多個(gè)截面；圖21A、21B和21C描繪了本發(fā)明第二實(shí)施方案的第二變體的一個(gè)末端視圖和多個(gè)截面；并且圖22描繪了帶有一個(gè)齒條和小齒輪型致動(dòng)裝置的一個(gè)實(shí)施方案。
具體實(shí)施例方式使用由排氣流動(dòng)“潤濕”的多個(gè)葉片以及用于控制和移動(dòng)所述葉片的機(jī)構(gòu)增加了大量的成本。這種增加使得基本渦輪增壓器的成本變?yōu)閮杀兑陨?。因?yàn)槎鄠€(gè)葉片的使用導(dǎo)致了非常昂貴的渦輪增壓器并且多個(gè)葉片的使用致使排氣流動(dòng)中可供使用的脈沖流分量衰減，諸位發(fā)明人試圖尋找能夠以一種成本有效的方式來調(diào)節(jié)到達(dá)渦輪機(jī)葉輪的排氣流動(dòng)同時(shí)維持該排氣流動(dòng)中的脈沖能量的能力。因此，諸位發(fā)明人生產(chǎn)了帶有一個(gè)或者多個(gè)滑動(dòng)性或者樞轉(zhuǎn)性蝸殼徑向外壁的設(shè)計(jì)以便提供一種既成本有效又技術(shù)有效的替代方案用于控制到渦輪機(jī)的排氣的流動(dòng)。除了以上這些益處，諸位發(fā)明人力圖提供與低流量狀況相配合的一種渦輪增壓器，這種渦輪增壓器會(huì)為低流量提供優(yōu)化的渦輪(以及因此的發(fā)動(dòng)機(jī))的瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)在低流量狀態(tài)之外能夠在同一成本有效的渦輪增壓器中傳送發(fā)動(dòng)機(jī)所要求的高流量。當(dāng)一個(gè)渦輪增壓器與一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大流動(dòng)要求相匹配時(shí)，就滿足了在發(fā)動(dòng)機(jī)的全體運(yùn)行狀態(tài)下的流動(dòng)要求。問題是，將渦輪增壓器與最大流動(dòng)要求相匹配意味著，渦輪機(jī)殼體蝸殼(以及因此的流量)的大小對(duì)于低發(fā)動(dòng)機(jī)流量狀態(tài)來說是太大的。渦輪增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特征是遲鈍的，因?yàn)檎麄€(gè)的蝸殼必須被填滿以便將流動(dòng)傳送到渦輪機(jī)葉輪上。因?yàn)闉榱朔线@個(gè)低流量要求而減少一個(gè)渦輪增壓器渦輪機(jī)殼體的A/R意味著正在典型的速度限制之內(nèi)運(yùn)行的渦輪增壓器不能為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的上端的高流量要求提供足夠的流量，所以諸位發(fā)明人認(rèn)識(shí)到了提供一種新穎的可變幾何形狀渦輪增壓器的需要?？紤]到與現(xiàn)有技術(shù)的可變幾何形狀渦輪增壓器相關(guān)聯(lián)的脈沖能量的消耗與損失，諸位發(fā)明人力圖找到一種新的簡單的方式來控制通過渦輪機(jī)殼體的氣流。渦輪機(jī)殼體蝸殼的形狀和尺寸是由截面“A”的面積限定的，并且在截面“A”下游的全部特征以及尺寸都是受在截面“A”處的這些特征以及尺寸控制的。這個(gè)系統(tǒng)被用于在由一個(gè)渦輪增壓器制造廠商設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的這些渦輪增壓器內(nèi)保持設(shè)計(jì)的一致性。根據(jù)本發(fā)明，諸位發(fā)明人提供了一種新穎的渦輪機(jī)設(shè)計(jì)，這種渦輪機(jī)設(shè)計(jì)通過對(duì)蝸殼外壁的位置的改變起作用而能夠?qū)ξ仛ば螤畹母淖冞M(jìn)行近似，優(yōu)選地近似于從一個(gè)系列的渦輪機(jī)殼體中的一個(gè)成員到這個(gè)系列中的下一個(gè)成員的改變。對(duì)蝸殼形狀的改變產(chǎn)生了這個(gè)蝸殼的有效流量體積的改變。這個(gè)“有效流量體積” 可以被看做是由被排氣流動(dòng)潤濕的這些表面所圍成的體積。也就是說，不參與流動(dòng)的“死區(qū)”是沒有包括在“有效流量體積”之內(nèi)的，即使它們在嚴(yán)格意義上來說可能構(gòu)成了這個(gè)渦輪機(jī)殼體的部分排量。這個(gè)有效流量體積是多個(gè)流動(dòng)動(dòng)態(tài)特性的產(chǎn)物并且是根據(jù)該渦輪機(jī)級(jí)的行為方式而變的。本發(fā)明的諸位發(fā)明人意識(shí)到，改變蝸殼的這個(gè)“有效”體積足以改變渦輪機(jī)殼體的或者更確切地說是蝸殼的性能。這可以例如通過提供帶有一個(gè)可移動(dòng)的壁區(qū)段(下文稱為一個(gè)“可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁”)的蝸殼來完成。例如，通過由一個(gè)錨定的上游末端以及一個(gè)自由的下游末端來限制的一個(gè)可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁(在一個(gè)第一位置中，該可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁是更靠近、并且優(yōu)選后退進(jìn)入蝸殼外壁，而在一個(gè)第二位置中，該可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁被樞轉(zhuǎn)從而移動(dòng)得更靠近舌部和渦輪機(jī)葉輪)，這種渦輪增壓器的行為幾乎排他地由該可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁的徑向向內(nèi)的空間所決定，即由該渦輪機(jī)的“有效流量體積”決定。也就是說，在該第二位置中，在這個(gè)可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁與這個(gè)渦輪機(jī)殼體壁之間的空間變成一個(gè)有效“死區(qū)”。這種蝸殼外壁位置的改變因此產(chǎn)生了渦輪增壓器蝸殼的有效形狀的改變以及因此的渦輪增壓器的行為的改變。通過控制渦輪機(jī)殼體的有效流量體積，諸位發(fā)明人力圖控制通過渦輪機(jī)殼體到達(dá)渦輪機(jī)葉輪上的氣體的質(zhì)量流量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)要求處于低速、低負(fù)載條件時(shí)，為了符合這些條件所要求的增壓水平是相對(duì)低的。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)要求處于高速、高負(fù)載條件時(shí)，為了滿足這些發(fā)動(dòng)機(jī)條件所要求的增壓水平是高的。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正從低負(fù)載條件向高負(fù)載條件轉(zhuǎn)變時(shí)，要求該渦輪增壓器以一個(gè)不斷增加的壓力比提供一個(gè)不斷增加的空氣體積。因?yàn)閴嚎s機(jī)級(jí)是由渦輪機(jī)級(jí)驅(qū)動(dòng)的，必須改變?yōu)榱藵M足發(fā)動(dòng)機(jī)(以及因此的壓縮機(jī))的要求所需要的排氣的質(zhì)量流量。在低負(fù)載、低速的發(fā)動(dòng)機(jī)條件下，就質(zhì)量流量而言該發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣輸出是低的。 在高負(fù)載、高發(fā)動(dòng)機(jī)速度的條件下，就質(zhì)量流量而言該發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出是高的。在轉(zhuǎn)變階段， 排氣質(zhì)量流量必須從低向高改變。問題是，必須將渦輪機(jī)級(jí)與兩種發(fā)動(dòng)機(jī)條件相匹配以便允許該渦輪增壓器在兩者中任一種條件下提供所要求的流量和壓力比。為了迫使該渦輪增壓器快速地改變速度，本領(lǐng)域技術(shù)人員將該渦輪增壓器與一個(gè)較小A/R的渦輪機(jī)殼體相匹配。為了在高負(fù)載、高速條件下提供所要求的流量和壓力比，本領(lǐng)域技術(shù)人員將該渦輪增壓器與一個(gè)較大A/R的渦輪機(jī)殼體相匹配。前一種小A/R的渦輪機(jī)殼體會(huì)提供良好的瞬態(tài)響應(yīng)特征，但是向渦輪機(jī)級(jí)提供的質(zhì)量流量不足以生成高速、高負(fù)載的壓縮機(jī)要求。后一種大A/R的渦輪機(jī)殼體會(huì)向該渦輪機(jī)級(jí)提供質(zhì)量流量要求以用于高速高負(fù)載的增壓要求，但是不會(huì)足夠快地向該渦輪機(jī)級(jí)提供加速度以便產(chǎn)生可接受的瞬態(tài)響應(yīng)。同與高負(fù)載高速條件相匹配的一個(gè)渦輪機(jī)級(jí)相比，一個(gè)適當(dāng)匹配的小A/R渦輪機(jī)級(jí)會(huì)提供可接受的瞬態(tài)響應(yīng)，雖然這是以更高的背壓為代價(jià)的。在一個(gè)非EGR發(fā)動(dòng)機(jī)中，具有高的背壓對(duì)橫貫該發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力差以及因此對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的效率來說是負(fù)面的。在一個(gè)高壓環(huán)路式EGR發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)形中(與一個(gè)低壓環(huán)路式EGR發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)形相對(duì))，在該排氣系統(tǒng)中高的背壓是有必要的，以便將來自該發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣側(cè)的這些排氣驅(qū)動(dòng)到該發(fā)動(dòng)機(jī)的要增壓的入口側(cè)中。對(duì)于給定的一套發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，與在同一套發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)下的一個(gè)較小的A/R渦輪機(jī)殼體相比，一個(gè)大的渦輪機(jī)殼體A/R會(huì)形成更低的排氣背壓。因此能夠改變該發(fā)動(dòng)機(jī)殼體有效A/R允許了一個(gè)單個(gè)的渦輪增壓器既滿足一種低速低負(fù)載條件的要求又滿足一種高速高負(fù)載條件的要求。通過使用一個(gè)可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁來控制被渦輪機(jī)殼體引導(dǎo)到渦輪機(jī)葉輪上的排氣的質(zhì)量流量，可以用一個(gè)單個(gè)的渦輪機(jī)殼體成本有效地滿足兩種條件。在低流量條件下，該可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁被向內(nèi)樞轉(zhuǎn)，從而減少了通過這個(gè)空間的質(zhì)量流量，即減少了該蝸殼的有效容積。該可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁的向內(nèi)的移動(dòng)在渦輪機(jī)殼體中舌部的下游處導(dǎo)致了該可樞轉(zhuǎn)的外壁的尾隨部分的形狀，以便引導(dǎo)排氣更劇烈地朝著渦輪機(jī)葉輪流動(dòng)。(這個(gè)可移動(dòng)的蝸殼的、彎曲的尾隨末端的向內(nèi)移動(dòng)還具有引導(dǎo)排氣流動(dòng)使其更接近該渦輪機(jī)葉輪的作用。)這兩種作用造成了該渦輪增壓器的行為的改變。諸位發(fā)明人意識(shí)到了，增壓與背壓的比值連同背壓自身在海平面處以及高海拔處均是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)速度以及負(fù)載而增加的，這使得在排氣系統(tǒng)中的背壓成為一個(gè)理想的控制
1參數(shù)用于確定可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁的目標(biāo)位置。與當(dāng)該可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁處于縮回位置時(shí)所存在的情況相比，當(dāng)該可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁處于伸出位置時(shí)該渦輪機(jī)殼體如同一個(gè)較小A/R 的渦輪機(jī)殼體而起作用。這導(dǎo)致了排氣背壓上升，這對(duì)于從發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣側(cè)到該發(fā)動(dòng)機(jī)的入口側(cè)的EGR流動(dòng)來說是必要的，如所要求的。因此，可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁的移動(dòng)可以被用來形成一個(gè)(從發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣側(cè)到該發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣側(cè)的)壓力差以便協(xié)助從發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣側(cè)到該發(fā)動(dòng)機(jī)的入口側(cè)的EGR流動(dòng)。在本發(fā)明的第一實(shí)施方案中，蝸殼的有效流量體積是受從渦輪機(jī)殼體入口或者底座附近的一個(gè)錨定點(diǎn)樞轉(zhuǎn)或者移動(dòng)的、蝸殼的一個(gè)徑向外壁控制的。在這個(gè)實(shí)施方案中，這個(gè)移動(dòng)的壁的位置是受蝸殼內(nèi)的排氣壓力(背壓)的凈效應(yīng)控制的，這個(gè)排氣壓力受到一個(gè)彈簧的基座和彈簧系數(shù)的反作用。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以低流動(dòng)速度運(yùn)行時(shí)，這些反作用力的凈效應(yīng)是致動(dòng)器桿被這個(gè)彈簧伸長，并且這個(gè)可樞轉(zhuǎn)的外壁被推入該蝸殼中，因此減少了通過該蝸殼的有效流量體積。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以高流動(dòng)速度運(yùn)行、從而產(chǎn)生了高的背壓時(shí)，凈力效應(yīng)是致動(dòng)器彈簧被作用在該可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁上的壓力壓縮。這個(gè)可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁縮回其空腔中，并且在這個(gè)蝸殼內(nèi)的有效流量體積被增加為相當(dāng)于沒有可樞轉(zhuǎn)的外壁的一個(gè)更大尺寸(Α/ 的固定渦輪機(jī)殼體的有效流量體積。在圖9A中，以低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流模式描繪了一個(gè)渦輪機(jī)殼體50。示出了可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁33，其中致動(dòng)器軸14處于伸出位置，這樣使得通過渦輪機(jī)殼體底座51進(jìn)入該渦輪機(jī)殼體的排氣流有效地具有與在圖9B的實(shí)例情況下相比更小的、通過其中以進(jìn)行流動(dòng)的體積，從而模擬了一個(gè)更大排量的渦輪機(jī)蝸殼。在圖9B中，可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁33處于縮回位置。因此，在該渦輪機(jī)殼體內(nèi)對(duì)于排氣的有效流量體積是處于最大值，從而模擬了一個(gè)更大 A/R的渦輪機(jī)殼體蝸殼。這個(gè)可樞轉(zhuǎn)的蝸殼壁33被一個(gè)樞軸銷34限制在該渦輪機(jī)殼體中，該樞軸銷將這個(gè)可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁安裝到渦輪機(jī)殼體50上同時(shí)允許所述可樞轉(zhuǎn)的蝸殼壁圍繞該樞軸銷樞轉(zhuǎn)。在這個(gè)可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁的另一端上，致動(dòng)器軸14用一個(gè)緊固件35附接到該可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁上，該緊固件自由地在該致動(dòng)器軸內(nèi)的一個(gè)槽縫15中橫向地滑動(dòng)。這個(gè)槽縫允許了由于該蝸殼外壁圍繞其下樞軸銷34樞轉(zhuǎn)而同時(shí)該致動(dòng)器軸在一個(gè)支承36內(nèi)上下滑動(dòng)的事實(shí)所導(dǎo)致的橫向位移的差值。如在圖10中可見，圖中示出了圖9A的截面B-B，一個(gè)典型的渦輪增壓器活塞環(huán)密封件16駐留在致動(dòng)器凸緣21內(nèi)的一個(gè)凹槽中，在該致動(dòng)器凸緣上駐留有致動(dòng)器力機(jī)構(gòu)殼體。這個(gè)活塞環(huán)被該致動(dòng)器力殼體保持。這個(gè)用于活塞環(huán)密封件的凹槽還可以被制造到該致動(dòng)器力殼體中并且被致動(dòng)器凸緣21保持?；钊h(huán)密封件16徑向地作用在致動(dòng)器軸14 上以便防止排氣漏泄到環(huán)境中。對(duì)于本發(fā)明的第一實(shí)施方案所要求的目標(biāo)性能，諸位發(fā)明人通過將渦輪機(jī)殼體的 “被潤濕的表面”的體積與在一個(gè)系列的渦輪機(jī)殼體中鄰近的A/R之間的渦輪機(jī)殼體的“被潤濕的表面”的體積進(jìn)行關(guān)聯(lián)來限定對(duì)有效流量體積變化的要求，在一個(gè)系列中從一個(gè)小的A/R到下一個(gè)更大的A/R這個(gè)要求是8%至10%。在圖9A和圖9B所描繪的本發(fā)明示例性實(shí)施方案中，“被潤濕的表面”體積的變化是8.8%。因此通過如圖9A中一樣伸出的這個(gè)可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁，這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)將具有改進(jìn)的瞬態(tài)響應(yīng)，這個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)大致相當(dāng)于由具有下一個(gè)最小的A/R渦輪機(jī)殼體的同一個(gè)渦輪增壓器所提供的瞬態(tài)響應(yīng)。并且通過如圖9B中一樣被縮回的這個(gè)可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁，這個(gè)渦輪增壓器可以提供到達(dá)該渦輪機(jī)葉輪的氣體的最大質(zhì)量流量，以便例如在額定點(diǎn)時(shí)生成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)所要求的增壓水平。體積變化的這一程度可能大于或者小于諸位發(fā)明人對(duì)于這一特定產(chǎn)品所限定的值，但是在所要求的質(zhì)量流量或者增壓方面的這些變化可以通過改變這個(gè)可樞轉(zhuǎn)的外壁的尺寸和/或位移來滿足。當(dāng)然，本發(fā)明不受限于這個(gè)8% -10%的差值，在實(shí)踐中可以采用具有20%或者 30%以及高達(dá)50%的截面差值的多種實(shí)施方案。真正重要的是允許到達(dá)這個(gè)TW的質(zhì)量流量或者質(zhì)量流量范圍，它是一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，并如以上所討論的，基于這些參數(shù)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)出利用本發(fā)明的這些益處的渦輪增壓器。渦輪機(jī)殼體2包括多個(gè)緩沖區(qū)22和23以便允許在該樞轉(zhuǎn)蝸殼壁的背面上的肋材和總體形狀縮回到最小位置中。這個(gè)肋材被設(shè)計(jì)為提供剛度，這樣該樞轉(zhuǎn)蝸殼壁可以被成本有效地鑄造在韌性鐵或者該渦輪機(jī)殼體的基體材料中。通過針對(duì)第一實(shí)施方案的、具有一個(gè)蝸殼分隔壁的變體，可能不再需要這個(gè)肋材，因?yàn)檫@個(gè)分隔壁將提供剛度。出于鑄造渦輪機(jī)殼體的目的，在這個(gè)渦輪機(jī)殼體中蝸殼的形狀和尺寸是通過使用對(duì)所討論的這些A/R中的較大的一個(gè)所限定的尺寸和形狀來限定的。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方案中，在排氣系統(tǒng)中的背壓迫使該可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁抵靠在一個(gè)安裝在致動(dòng)器彈簧殼體38中的彈簧18上，如圖13詳細(xì)所示。為了滿足對(duì)于在這個(gè)移動(dòng)的蝸殼外壁中的不同運(yùn)動(dòng)速率的需求，可以通過替換具有不同系數(shù)的彈簧來改變彈簧系數(shù)。為了改變這個(gè)壁相對(duì)于蝸殼內(nèi)的壓力而移動(dòng)時(shí)所處的點(diǎn)，可以在反作用凸耳39上添加多個(gè)墊片；或者這個(gè)彈簧凹陷的深度可以通過機(jī)加工致動(dòng)器殼體38的安裝面40的表面來調(diào)節(jié)，這取決于需要增加還是減少該彈簧座壓力。在彈簧18和反作用凸耳39下方添加一個(gè)基部墊片允許了在不進(jìn)行機(jī)加工的情況下調(diào)整該彈簧座壓力。在本發(fā)明的第一實(shí)施方案的一個(gè)變體中，采用了一種智能控制策略，這種策略使用了一個(gè)致動(dòng)器替換一個(gè)彈簧安排以便將該可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁移動(dòng)到所希望的位置上。在這個(gè)變體中，如圖14中所見，致動(dòng)器13可以受發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的控制以便命令這個(gè)可樞轉(zhuǎn)的外蝸殼壁到達(dá)一個(gè)位置上，這個(gè)位置是通過發(fā)動(dòng)機(jī)行為方面的改變而預(yù)判的。致動(dòng)器的動(dòng)力可以是電動(dòng)的、氣動(dòng)的、真空的或者液壓的。在與此類似的這些情況下，對(duì)致動(dòng)器動(dòng)力的選擇是根據(jù)成本以及技術(shù)需求而變的。通過使用本發(fā)明，以一種成本有效的方式控制了到達(dá)該渦輪機(jī)葉輪的排氣流動(dòng)， 而沒有像在帶有多個(gè)葉片的VTG的情況下會(huì)出現(xiàn)的、排氣中脈沖能量的衰減。在本發(fā)明的第一實(shí)施方案的另一個(gè)變體中，可樞轉(zhuǎn)的外壁33包括一個(gè)分隔壁26， 該分隔壁被制造到本發(fā)明的示例性第一實(shí)施方案的可樞轉(zhuǎn)的外壁中。如在圖11A、圖IlB 和圖12中可見，該分隔壁與被鑄造成渦輪機(jī)殼體2—部分的一個(gè)固定的分隔壁25相符合。 使用該分隔壁的原因是為了保持來自該發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖能量，因此可移動(dòng)的分隔壁26以及固定的分隔壁25與固定的分隔壁25的一個(gè)偏置特征27相符合，以便確保在這些蝸殼(48 與49)之間的串?dāng)_最小。本發(fā)明的第二實(shí)施方案同樣對(duì)通過渦輪機(jī)殼體蝸殼的有效流量體積的變化進(jìn)行處理，但是以一種不同方式。在本發(fā)明的第二實(shí)施方案中，一個(gè)區(qū)段(包含一段蝸殼壁輪廓)圍繞渦輪增壓器的幾何中心樞轉(zhuǎn)，以便既提供這個(gè)蝸殼內(nèi)的容積的改變又提供面積安排的改變。不同于經(jīng)過切面“A”并且影響切面“A”處面積的第一實(shí)施方案(這是典型的渦輪機(jī)殼體設(shè)計(jì))，在這個(gè)實(shí)施方案中這種影響全都在切面“A”的下游。在本發(fā)明的第二實(shí)施方案中，渦輪機(jī)殼體蝸殼外壁74具有恒定的半徑。安裝在這個(gè)渦輪機(jī)殼體之內(nèi)的是一個(gè)彎曲的楔形區(qū)段72(這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段的徑向內(nèi)側(cè)表面變成了這個(gè)蝸殼的“潤濕”的外壁，而螺旋區(qū)段的徑向外側(cè)表面與這個(gè)渦輪機(jī)殼體鑄件的恒定半徑的外側(cè)壁相配合)。在角度上可位移的彎曲楔形區(qū)段的這些側(cè)壁是彼此平行的并且部分地在渦輪機(jī)殼體的這些側(cè)壁后面行進(jìn)。渦輪機(jī)殼體的這些側(cè)壁保持了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)渦輪機(jī)殼體的螺旋形狀和底部半徑以便加強(qiáng)這個(gè)渦輪機(jī)殼體蝸殼幾何結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)效率。在本發(fā)明的第二實(shí)施方案中，這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段(在這個(gè)示例性實(shí)施方案中) 被在這個(gè)渦輪機(jī)殼體鑄件內(nèi)的多個(gè)軌道76中運(yùn)行的兩套滾子77導(dǎo)向從而圍繞渦輪中心線幾何地樞轉(zhuǎn)。為了將這些滾子77組裝到彎曲的楔形區(qū)段72上，并且將這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段組件組裝到這個(gè)渦輪機(jī)殼體上，有必要將這個(gè)渦輪機(jī)殼體分成二件。在本發(fā)明的這個(gè)示例性實(shí)施方案中，這個(gè)渦輪機(jī)殼體被分成兩半57和58，這兩半可以用多個(gè)螺栓、或者多個(gè)螺母以及螺栓19緊固到一起，如圖17所見。這樣使得這個(gè)帶有多個(gè)滾子的彎曲的楔形區(qū)段可以被組裝到這兩半渦輪機(jī)殼體57和58內(nèi)的這些凹槽76中。為了當(dāng)這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段圍繞渦輪增壓器中心被樞轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生流量體積的變化， 在此提供了一個(gè)腔室73以便當(dāng)這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段處于“最小”容積構(gòu)形時(shí)將這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段“隱藏”。當(dāng)這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段處于其“最大”構(gòu)形時(shí)，這個(gè)腔室73的外壁變成了這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段的內(nèi)壁的連續(xù)部分。處于“最大”構(gòu)形時(shí)，該彎曲的楔形區(qū)段可以行進(jìn)直至角度“C”，如在圖15A和圖15B中所見。角度“C”是兩條線之間的角度。當(dāng)這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段在其腔室達(dá)到最大程度時(shí)， 第一條線從渦輪增壓器軸線延伸到這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段的內(nèi)表面與末端表面的交點(diǎn)處。第二條線是一條從渦輪增壓器軸線到這個(gè)腔室的下邊緣的線。在圖16A和圖16B中，這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段被隱藏以便詳細(xì)顯示滾子和軌道。這些滾子77被安裝到彎曲的楔形區(qū)段72上并且在這些軌道76中運(yùn)行。圖17描繪了本發(fā)明的第二實(shí)施方案的組裝后的側(cè)視圖。圖18A和圖18B示出了截面“C-C”和“D-D”以便示出彎曲的楔形區(qū)段72如何具有多個(gè)平行的側(cè)面，這些平行的側(cè)面被包含在每半渦輪機(jī)殼體 57和58中的蝸殼表面的這些外側(cè)面下方。在本發(fā)明第二實(shí)施方案的第一變體中，如在圖19A和圖19B中所見，這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段承載了一個(gè)分隔壁26以便防止在這些蝸殼48、49之間的脈沖能量的串?dāng)_從而將此能量傳送到這個(gè)渦輪機(jī)葉輪上。為了使這些蝸殼之間的串?dāng)_最小化，在這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段上的分隔壁26針對(duì)被鑄造到渦輪機(jī)殼體中的固定分隔壁25的一種偏置進(jìn)行了密封。這個(gè)分隔壁可以是實(shí)心的或者它可以具有在其中形成的多個(gè)連通槽縫，以便在要求壓力平衡的情況下平衡左側(cè)和右側(cè)蝸殼的壓力。在本發(fā)明第二實(shí)施方案的第二變體中，這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段被在這個(gè)渦輪機(jī)殼體蝸殼兩側(cè)上制造的一對(duì)凹陷引導(dǎo)，這樣使得它與這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段的軸向外表面以及內(nèi)表面相配合。通過這個(gè)變體，這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段可以通過這個(gè)渦輪機(jī)殼體底座被插入一個(gè)一件式渦輪機(jī)殼體中。在本發(fā)明第二實(shí)施方案的第三變體中，如在圖20A、20B、20C中所描繪的，渦輪機(jī)殼體50被鑄造為一個(gè)單個(gè)鑄件，其中一個(gè)槽縫79被制造在這個(gè)渦輪機(jī)殼體蝸殼壁的一側(cè)上。槽縫79被制造為使得它具有一個(gè)底部，槽縫插入件80軸向地定位到該底部上。這個(gè)槽縫插入件在其內(nèi)面上承載了用于這些滾子77的凹槽76，這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段定位在該凹槽上。通過開放這個(gè)槽縫，在這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段的相對(duì)側(cè)上的這些用于滾子的凹槽可以被機(jī)加工到這個(gè)渦輪機(jī)殼體中。通過開放這個(gè)槽縫，用于這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段的間隙也可以被機(jī)加工到這個(gè)渦輪機(jī)殼體中。當(dāng)做好組裝的準(zhǔn)備時(shí)，這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段與這些滾子一起被插入到這個(gè)渦輪機(jī)殼體中。槽縫插入件80被裝配到渦輪機(jī)殼體50中，并且這個(gè)槽縫插入件被密封到這個(gè)渦輪機(jī)殼體上。這種密封和保持優(yōu)選是通過跨過這個(gè)槽縫插入件將渦輪機(jī)殼體的這些槽縫邊緣進(jìn)行嵌銷來執(zhí)行的。這種密封和保持可以通過使用任何數(shù)量的保持方法(例如焊接、壓力裝配、螺栓連接等)來完成。在本發(fā)明第二實(shí)施方案的第四變體中，如圖21A、21B、21C中所描繪的，渦輪機(jī)殼體59被鑄造為一個(gè)開放式殼體，其中閉合部分69包含多個(gè)外槽縫76特征。渦輪機(jī)殼體 59被制造為包含內(nèi)槽縫76的多個(gè)特征。在彎曲的楔形區(qū)段72、這些滾子77、與渦輪機(jī)殼體59以及閉合部分69兩者的這些特征之間的側(cè)面間隙是由不同特征(槽縫深度、滾子橫向位置)的機(jī)加工、以及在內(nèi)槽縫深度與一個(gè)面(閉合部分69與渦輪機(jī)殼體面在這個(gè)面上配合)之間的關(guān)系所確定的。在本發(fā)明示例性的第三變體中，閉合部分69是由在多個(gè)抽頭的孔中的多個(gè)螺栓保持的；但是，它可以通過螺栓和螺母、通過錘擊、通過嵌銷、或者通過焊接得以保持。在本發(fā)明示例性的第二實(shí)施方案中，這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段的受命令的運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)齒條82和小齒輪81驅(qū)動(dòng)的，如圖22所示。這個(gè)小齒輪被安裝在這個(gè)渦輪機(jī)殼體的壁內(nèi)，并且這個(gè)齒條被制造到這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段的內(nèi)面上。這種運(yùn)動(dòng)可以通過齒條以及小齒輪的一種不同構(gòu)形、或者通過連接到這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段的一個(gè)軸銷上的一個(gè)線性致動(dòng)器、或者通過以類似方式鏈接到這個(gè)彎曲的楔形區(qū)段上的一個(gè)旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)在已經(jīng)說明了本發(fā)明，我們提出了
權(quán)利要求
權(quán)利要求
1.一種用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器，包括一個(gè)渦輪機(jī)殼體O)，該渦輪機(jī)殼體在一個(gè)渦輪機(jī)殼體底座(51)處包括一個(gè)用于接收排氣的入口；一個(gè)渦輪機(jī)葉輪(70)，該渦輪機(jī)葉輪可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述殼體內(nèi)；一個(gè)用于將排氣從所述入口引導(dǎo)到所述渦輪機(jī)葉輪上的蝸殼，所述蝸殼包括一個(gè)徑向外壁，所述徑向外壁由以下構(gòu)成該渦輪機(jī)殼體的一個(gè)固定的徑向外壁區(qū)段，該固定的徑向外壁區(qū)段以一個(gè)舌部終止，以及一個(gè)可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁(33)，該可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁具有一個(gè)在該舌部上游被可樞轉(zhuǎn)地安裝到該渦輪機(jī)殼體( 上的上游末端、以及一個(gè)彎曲的下游末端，所述可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁可以從一個(gè)離該渦輪機(jī)葉輪更遠(yuǎn)的縮回位置樞轉(zhuǎn)到一個(gè)更靠近該渦輪機(jī)葉輪的伸出位置；以及控制裝置，以便控制該可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁的下游末端從所述縮回位置到該伸出位置的移動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器，其中該渦輪機(jī)葉輪被穩(wěn)固地附著到一個(gè)軸上，其中一個(gè)壓縮機(jī)的一個(gè)壓縮機(jī)葉輪00)被安裝到該軸的另一端上，其中來自一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的排氣流動(dòng)(100)在該渦輪機(jī)殼體( 的渦輪機(jī)入口(51)處進(jìn)入該渦輪機(jī)殼體(2) 以便驅(qū)動(dòng)該渦輪機(jī)葉輪(70)從而提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)該壓縮機(jī)，由此加壓后的氣體通過壓縮機(jī)排放口(1 退出壓縮機(jī)蓋件(10)并且被傳送到該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口，其中所述可樞轉(zhuǎn)的壁(3 的輪廓被確定為使得當(dāng)該可樞轉(zhuǎn)的壁從該縮回位置被移動(dòng)到該伸出位置時(shí)該可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁(3 的一個(gè)上游部分與該舌部協(xié)作以便形成用于使排氣流動(dòng)加速的一種收縮，并且該可樞轉(zhuǎn)的壁的、彎曲的下游末端引導(dǎo)氣體流動(dòng)使其更接近該渦輪機(jī)葉輪，由此該蝸殼的有效流量體積被減少以便加強(qiáng)該發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)。
3.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器，包括容納了一個(gè)彈簧(18)的一個(gè)致動(dòng)器彈簧殼體(38)，該彈簧施加了一個(gè)彈簧力將該可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁(3 推向該伸出樞轉(zhuǎn)位置，這樣使得在背壓低時(shí)該可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁被所述彈簧推入到該伸出位置中，而在背壓高時(shí)該背壓克服了該彈簧力并且推動(dòng)該可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁以便使其樞轉(zhuǎn)到該縮回位置。
4.如權(quán)利要求4所述的渦輪增壓器，包括至少一個(gè)墊片以便增加彈簧座壓力。
5.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器，其中，所述可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁(3 包括從所述可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁垂直延伸的至少一個(gè)加強(qiáng)肋。
6.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器，其中，所述控制裝置選自下組，該組由以下各項(xiàng)組成金屬彈簧、液壓致動(dòng)器裝置、氣動(dòng)致動(dòng)器裝置、或者電動(dòng)致動(dòng)器裝置。
7.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器，其中，所述可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁(3 包括從所述可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁徑向向內(nèi)垂直延伸的一個(gè)分隔壁06)。
8.如權(quán)利要求7所述的渦輪增壓器，其中，所述分隔壁06)是一個(gè)實(shí)心的分隔壁。
9.如權(quán)利要求7所述的渦輪增壓器，其中，所述分隔壁06)配備有多個(gè)開口。
10.一種用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器，包括一個(gè)渦輪機(jī)殼體O)，該渦輪機(jī)殼體在一個(gè)渦輪機(jī)殼體底座(51)處包括一個(gè)用于接收排氣的入口；一個(gè)渦輪機(jī)葉輪，該渦輪機(jī)葉輪可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述殼體內(nèi)； 一個(gè)用于將排氣從所述入口引導(dǎo)到所述渦輪機(jī)葉輪上的蝸殼，所述蝸殼包括一個(gè)徑向外壁，所述徑向外壁由以下構(gòu)成該渦輪機(jī)殼體的一個(gè)固定的徑向外壁區(qū)段，該固定的徑向外壁區(qū)段以一個(gè)舌部終止，以及一個(gè)柔性的徑向外壁，該柔性的徑向外壁具有一個(gè)在該舌部上游被錨定到該渦輪機(jī)殼體( 上的上游末端、以及一個(gè)彎曲的下游末端，所述柔性的徑向外壁可以從一個(gè)離該渦輪機(jī)葉輪更遠(yuǎn)的縮回位置移動(dòng)到一個(gè)更靠近該渦輪機(jī)葉輪的伸出位置；以及控制裝置，以便控制該柔性的徑向外壁的下游末端從所述縮回位置到該伸出位置的移動(dòng)。
11.一種用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器，包括一個(gè)渦輪機(jī)殼體O)，該渦輪機(jī)殼體在一個(gè)渦輪機(jī)殼體底座(51)處包括一個(gè)用于接收排氣的入口，所述渦輪機(jī)殼體包括一個(gè)蝸殼，該蝸殼帶有一個(gè)具有恒定半徑的徑向外壁 (74)；一個(gè)渦輪機(jī)葉輪，該渦輪機(jī)葉輪可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述殼體內(nèi)； 一個(gè)旋轉(zhuǎn)性的彎曲楔形區(qū)段(72)，該旋轉(zhuǎn)性的彎曲楔形區(qū)段由一個(gè)與所述具有恒定半徑的渦輪機(jī)殼體壁(74)平齊的徑向外壁、以及一個(gè)在下游方向上具有不斷減小的半徑的徑向內(nèi)壁所限定，所述彎曲的楔形區(qū)段因此具有一個(gè)錐形的上游末端以及一個(gè)寬的下游末端，所述旋轉(zhuǎn)性的彎曲楔形區(qū)段被安裝為在一個(gè)有效流量體積較低的位置與一個(gè)有效流量體積較高的位置之間轉(zhuǎn)動(dòng)；一個(gè)固定的彎曲楔形部分(73)，該固定的彎曲楔形部分包括一個(gè)腔室并且具有一個(gè)外部，該腔室用于在該旋轉(zhuǎn)性的彎曲楔形區(qū)段(7 被轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)有效流量體積高的位置時(shí)接收該旋轉(zhuǎn)性的彎曲楔形區(qū)段的厚端，該外部在該旋轉(zhuǎn)性的彎曲楔形區(qū)段被樞轉(zhuǎn)到該有效流量體積低的位置時(shí)限定了該旋轉(zhuǎn)性的彎曲楔形區(qū)段的一種連續(xù)性。
12.如權(quán)利要求Ii所述的渦輪增壓器，其中，所述旋轉(zhuǎn)性的彎曲楔形區(qū)段m被在該渦輪機(jī)殼體鑄件內(nèi)的多個(gè)軌道(76)中運(yùn)行的多套滾動(dòng)元件(77)引導(dǎo)。
13.如權(quán)利要求11所述的渦輪增壓器，其中，所述旋轉(zhuǎn)性的彎曲楔形區(qū)段(7 被該旋轉(zhuǎn)性的彎曲楔形區(qū)段的表面以及在該渦輪機(jī)殼體鑄件內(nèi)的多個(gè)軌道引導(dǎo)。
14.如權(quán)利要求11所述的渦輪增壓器，其中，所述控制裝置選自下組，該組由以下各項(xiàng)組成金屬彈簧、液壓致動(dòng)器裝置、氣動(dòng)致動(dòng)器裝置、或者電動(dòng)致動(dòng)器裝置。
15.如權(quán)利要求11所述的渦輪增壓器，其中，所述可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁(3 包括從所述可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁徑向向內(nèi)垂直延伸的一個(gè)分隔壁06)。
16.如權(quán)利要求15所述的渦輪增壓器，其中，所述分隔壁06)是一個(gè)實(shí)心的分隔壁。
17.如權(quán)利要求15所述的渦輪增壓器，其中，所述分隔壁06)配備有多個(gè)開口。
18.一種用于控制用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器中的背壓的方法，該渦輪增壓器包括一個(gè)渦輪機(jī)殼體0)，該渦輪機(jī)殼體在一個(gè)渦輪機(jī)殼體底座(51)處包括一個(gè)用于接收排氣的入口；一個(gè)渦輪機(jī)葉輪，該渦輪機(jī)葉輪可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在所述殼體內(nèi)；一個(gè)用于將排氣從所述入口引導(dǎo)到所述渦輪機(jī)葉輪上的蝸殼，所述蝸殼包括一個(gè)徑向外壁，所述徑向外壁由以下構(gòu)成該渦輪機(jī)殼體的一個(gè)固定的徑向外壁區(qū)段，該固定的徑向外壁區(qū)段以一個(gè)舌部終止，以及一個(gè)可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁(33)，該可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁具有一個(gè)在該舌部上游被可樞轉(zhuǎn)地安裝到該渦輪機(jī)殼體( 上的上游末端、以及一個(gè)彎曲的下游末端，所述可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁可以從一個(gè)離該渦輪機(jī)葉輪更遠(yuǎn)的縮回位置樞轉(zhuǎn)到一個(gè)更靠近該渦輪機(jī)葉輪的伸出位置；以及控制裝置，以便控制該可樞轉(zhuǎn)的徑向外壁的下游末端從所述縮回位置到該伸出位置的移動(dòng)，所述方法包括將所述可樞轉(zhuǎn)的壁(3 樞轉(zhuǎn)到該伸出位置，這樣使得該可樞轉(zhuǎn)的壁的上游部分與該舌部協(xié)作以便形成一個(gè)用于使排氣流動(dòng)加速的較小收縮，并且該可樞轉(zhuǎn)的壁的一個(gè)彎曲的終端部分引導(dǎo)氣體流動(dòng)使其更接近該渦輪機(jī)葉輪，由此減少該蝸殼的有效流量體積以便增加渦輪機(jī)背壓，從而加強(qiáng)該系統(tǒng)將EGR流動(dòng)從該發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣側(cè)驅(qū)動(dòng)到該發(fā)動(dòng)機(jī)的入口側(cè)的能力，并且將所述可樞轉(zhuǎn)的壁(3 樞轉(zhuǎn)到該縮回的位置，這樣使得該可樞轉(zhuǎn)的壁的上游部分移動(dòng)離開舌部以便形成一種受約束較少的流動(dòng)，并且這樣使得該可樞轉(zhuǎn)的壁的、彎曲的終端部分引導(dǎo)氣體流動(dòng)使其離該渦輪機(jī)葉輪更遠(yuǎn)，由此增加該蝸殼的有效容積以便減少渦輪機(jī)背壓。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種被簡化的但能夠維持脈沖能量的可變幾何形狀渦輪增壓器。在一個(gè)第一實(shí)施方案中，一個(gè)渦輪機(jī)殼體配備有一個(gè)樞轉(zhuǎn)壁，這個(gè)樞轉(zhuǎn)壁圍繞一個(gè)在該渦輪機(jī)殼體的入口附近的點(diǎn)進(jìn)行樞轉(zhuǎn)。通過將這個(gè)壁圍繞這個(gè)樞轉(zhuǎn)點(diǎn)移動(dòng)，該渦輪機(jī)殼體蝸殼的有效容積被改變，因此有效地減少了這個(gè)蝸殼中的排氣體積，從而允許控制流動(dòng)到達(dá)渦輪機(jī)葉輪的排氣。在本發(fā)明的第二實(shí)施方案中，在這個(gè)蝸殼之內(nèi)的一個(gè)旋轉(zhuǎn)性楔形區(qū)段從一個(gè)第一位置中被轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)第二位置中，從而改變了這個(gè)蝸殼的有效容積并且從而允許控制流動(dòng)到達(dá)渦輪機(jī)葉輪的排氣。
文檔編號(hào)F01D17/16GK102395768SQ201080016368
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2010年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月20日
發(fā)明者D·G·格拉伯斯卡, J·P·沃森, K·E·亨德森, T·伯納爾 申請(qǐng)人:博格華納公司