專利名稱：具有增加的流量范圍的簡化型可變幾何形狀渦輪增壓器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明著手解決對于一種成本減小、范圍增大的渦輪機流動控制裝置的需要，并且這是通過設計一種具有通向渦輪機葉輪的受控不對稱流動的簡化型可變幾何形狀渦輪增壓器而實現(xiàn)的。
背景技術：
渦輪增壓器是一種強制進氣系統(tǒng)。它們將空氣以與在正常吸氣構型中的可能情況相比更大的密度傳送到發(fā)動機進氣中，從而允許燃燒更多的燃料，因此在沒有明顯增加發(fā)動機重量的情況下提升了發(fā)動機的馬力。一個較小的渦輪增壓發(fā)動機可以取代一個較大物理尺寸的正常吸氣的發(fā)動機，從而減小車輛的質(zhì)量以及空氣動力學的前端面積。渦輪增壓器(

圖1)使用來自發(fā)動機排氣歧管的排氣流(100)(該排氣流在渦輪機殼體(2)的渦輪機入口(51)處進入渦輪機殼體)來驅(qū)動一個渦輪機葉輪(70)，該渦輪機葉輪位于渦輪機殼體內(nèi)。這個渦輪機葉輪穩(wěn)固地固定在一個軸的一端上。一個壓縮機葉輪(20)被安裝在該軸的另一端上并且通過來自壓縮機螺母的夾緊負荷而保持在位。該渦輪機葉輪的主要功能是提供用來驅(qū)動壓縮機的旋轉(zhuǎn)能量。一旦排氣已經(jīng)通過渦輪機葉輪(70)并且渦輪機葉輪已經(jīng)從該排氣中提取了能量，用過的排氣(101)通過出口導流器(52)從渦輪機殼體(2)排出并且被輸送到車輛下行管并且通常到一些后處理裝置上，如催化轉(zhuǎn)化器、微粒收集器和NOx收集器。由渦輪級產(chǎn)生的動力是穿過渦輪級的膨脹比的一個函數(shù)，S卩，從渦輪機入口(51)到渦輪機出口導流器(52)的膨脹比。除其他參數(shù)外，渦輪機動力的范圍是通過該渦輪級的質(zhì)量流速的一個函數(shù)。壓縮級包括一個葉輪以及其殼體。過濾的空氣通過壓縮機葉輪(20)的旋轉(zhuǎn)被軸向地抽取到壓縮機蓋件(10)的入口(11)中。由渦輪級產(chǎn)生的到達軸和葉輪上的動力驅(qū)動壓縮機葉輪(20)以產(chǎn)生靜態(tài)壓力與一些剩余動能和熱量的一種組合。被加壓的氣體穿過壓縮機排放口(12)從壓縮機蓋件(10)排出并且通常經(jīng)由一個中冷器被傳送到發(fā)動機進氣中。渦輪級的設計是以下各項的一種折衷:在發(fā)動機運行包絡線中在不同流動狀況下用來驅(qū)動壓縮機所要求的動力；該階段的空氣動力學設計；旋轉(zhuǎn)組件的慣量，其中，渦輪機的慣量是一個大的部分，因為渦輪機葉輪典型地由鉻鎳鐵合金(它具有的密度是壓縮機葉輪的鋁的密度3倍)制造的；影響該設計的結(jié)構以及材料方面的渦輪增壓器的運行周期；以及相對于葉片激勵而言該渦輪機葉輪的上游以及下游的近場作用(排氣流)。渦輪機殼體的物理設計的一部分是一個蝸殼(47)或一對蝸殼，其功能是用來控制到達渦輪葉輪的這些進入狀態(tài)，使得這些進入流動狀態(tài)提供了與最佳的瞬態(tài)響應特征相結(jié)合的、從排氣中的能量到由該渦輪機葉輪產(chǎn)生的動力的、最有效的動力傳遞。理論上講，來自發(fā)動機的、進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葉輪軸線為中心的一個渦旋上。為了做到這一點，理想地，該蝸殼的截面面積在垂直于流動的方向上處于一個最大值并且逐漸并連續(xù)地減少直到它變?yōu)榱恪Ｎ仛さ膬?nèi)邊界可以是定義為基圓(71)的一個完美的圓；或者在某些情況下，如圖2A中可見的一個雙蝸殼(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”軸線定義的一個平面中是由蝸殼(53)的外邊界的不斷減少的半徑以及由內(nèi)邊界定義的，并且在如圖8A中描繪的在穿過“Z”軸線的平面中是由在每個位置的截面區(qū)域定義的?！癦”軸線是垂直于由“X-Y”軸線所定義的平面的、并且還是該渦輪機葉輪的軸線。還可以通過環(huán)圓周地分隔該蝸殼面積來創(chuàng)建多個入口蝸殼。這種蝸殼由沿著該蝸殼的減小的外邊界的多個軸向壁(103、104 )所分隔，如圖15A所示。出于產(chǎn)品設計一致性的考慮，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”(圖4)，該切面被定義為該蝸殼剩余部分的基準。這個基準(切面“A”)被定義為高于該渦輪機殼體的“X”軸線一個“P”度的角度處的切面，該渦輪機殼體包含該蝸殼形狀的“X”軸線、“Y”軸線以及“Z”軸線的規(guī)格。蝸殼的尺寸和形狀是按以下列方式定義的:廣泛使用的術語A/R代表了切面“A”處的部分面積除以從陰影的流動區(qū)域的形心(161)到該渦輪中心線的距離之比。在圖8A中，這些形心(161)的位置確定了到渦輪中心線的距離Ra。對于一個系列的渦輪機殼體的不同構件，總體形狀保持相同，但切面“A”處的面積是不同的，距離Ra也是不同的。該A/R比率通常被用作一個特定的渦輪機殼體的“名稱”，以便將該渦輪機殼體與同一系列中的其他渦輪機殼體(具有不同的A/R比率)相區(qū)別。在圖8A中，該蝸殼是一種典型地分隔的渦輪機殼體，它迫使這些蝸殼的形狀成為適當?shù)娜切尾⑶颐娣e相等。在雙重流設計(如圖8A所描述的)的情況下，這兩個蝸殼在切面“A”處的面積是相同的。這些面積的形心(160、161)在相同的半徑Ra處。平均形心(163)是在相同半徑Ra處的渦輪機殼體中心線上，因為在這個截面處這些單獨的蝸殼關于該分隔壁是對稱的。將切面“A”從“X”軸線偏移角度“P”。于是，該渦輪機殼體在幾何學上被分為多個相等的徑向切面(通常30°，因此處于(30x+P° ))，并且面積(Aa_m)和半徑(RA_M)連同其他幾何定義(如拐角半徑)被限定。從這個定義開始，產(chǎn)生了沿這些蝸殼壁的點樣條(splinesof points)，因此，定義了該蝸殼的整個形狀。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 一個渦輪機殼體。對于一個給定面積而言理論上優(yōu)化的蝸殼形狀是一個圓形截面的形狀，因為它具有最小的表面積，這使流體摩擦損失最小化。然而，該蝸殼并不是單獨起作用而是一個系統(tǒng)的一部分；所以對在從切面“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的要求影響了該渦輪機級的性能。這些要求通常由于其他需要而讓步，其他需要是例如渦輪機殼體外部的構造要求(可用空間)、渦輪機殼體到軸承殼體上的定位和安裝的方法、以及從切面“A”到渦輪機底座(51)的過渡，這些需要相結(jié)合而迫使渦輪機殼體蝸殼具有矩形或者三角形截面、以及處于圓形中，或所有形狀的組合。圖1中示出一個截面“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 (31)葉片裝入該空間以使得通過這些葉片的流動被優(yōu)化并且使得這些葉片可以通過渦輪機殼體外部的裝置而被移動和控制，而且還要求將該渦輪機殼體的外形線最小化從而將渦輪增壓器安裝在發(fā)動機上。該渦輪機殼體底座通常具有一種標準設計，因為它與許多發(fā)動機的排氣歧管相配合。該底座可以被定位為與該“蝸殼”成任何角度或者在相對于它的任何位置上。從這些底座氣體通道到達該蝸殼的過渡是以一種提供了最好的空氣動力學以及機械折衷的方式來實施。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)對于固定的和有廢氣門的渦輪機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力學的“錯流”，以努力維持來自一個分開的歧管(36)的脈沖流，以便在由渦輪機葉輪提取的功中獲得脈沖能量。排氣歧管中的這些壓力脈沖是發(fā)動機的點火順序的一個函數(shù)。在商業(yè)實踐中，渦輪機殼體典型地是按系列設計的(在一個系列中典型地有5至7個)，在一個給定系列中它們使用具有相同直徑的渦輪機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底座尺寸，但這個特征有時是顧客驅(qū)動的。例如，用于63mm渦輪機葉輪的一個渦輪機殼體系列可以覆蓋從1.8到2.2的A/R范圍。圖5描繪了用于一個系列的三種蝸殼的面積安排。最大的蝸殼是一個1.2A/R的蝸殼，由虛點線(45)示出。最小的蝸殼是一個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，由實線示出。X軸線描繪了該切面的角度，從30° (截面“A”)至360° (舌部)；Y軸線描繪了在對應角度處的截面的面積。典型地，在一個設計系列中從一個A/R到下一個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個區(qū)域)。圖4中將圖5的最大A/R (45)的蝸殼外壁示出為該蝸殼壁(40)的內(nèi)表面，并且圖4中將圖5的最小A/R (46)示出為表面(41)。一些渦輪機葉輪被確切地設計為利用這種脈沖能量并且將它轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)速度。因此，在分開的渦輪機殼體中的一個脈沖流渦輪機葉輪的、來自排氣的壓力和速度到該渦輪機葉輪速度的轉(zhuǎn)換是大于來自一個穩(wěn)定狀態(tài)排氣流動的壓力和速度到該渦輪機葉輪速度的轉(zhuǎn)換的。這種脈沖能量在商用柴油發(fā)動機中比在汽油發(fā)動機中更占主導地位，這些商用柴油發(fā)動機以約2200RPM運行、在1200RPM至1400RPM時具有峰值扭矩，而這些汽油發(fā)動機以更高的旋轉(zhuǎn)速度(通常高達6000RPM)運行、在4000RPM時具有峰值扭矩，因而這種脈沖也不是限定的。基本渦輪增壓器構形是一個固定的渦輪機殼體的構形。在這種構形中，渦輪機殼體蝸殼的形狀和容積是在設計階段確定的以及鑄造在位的。大多數(shù)柴油渦輪機殼體具有帶有徑向分隔壁(25)(如圖2所示)的被分隔的變形，從而將該兩個蝸殼分開以便維持到渦輪機葉輪的脈沖能量。該分隔壁的長度典型地是使得該內(nèi)邊界大致在該基圓處。該分隔壁的尖端越接近該基圓，保存的脈沖能量就越多，但在該分隔壁中該鑄件的開裂傾向就越大。造成這種開裂的原因很多，但主要是在鑄造過程中被推動穿過該圖案的浮渣，這意味著該分隔壁尖端附近的材料完整性小于最佳狀態(tài)，并且其次是這些蝸殼周圍的溫度分布導致該鑄件傾向于“解開纏繞”。產(chǎn)生該渦輪機殼體的“解開纏繞”的這些熱學力被該豎直分隔壁所抵抗，從而造成該壁開裂。雖然裂縫僅有極小的物理損壞，但是開裂的下一個步驟是多件鑄鐵分隔壁與該鑄件分離并且是被該渦輪增壓器或發(fā)動機所攝入，這可以造成最終損壞。在固定的渦輪機殼體的復雜度之后，下一個復雜度層級是有廢氣門的渦輪機殼體。在這種構形中，該蝸殼被鑄造在位，如在以上固定的構形中。在圖2中,這種有廢氣門的渦輪機殼體的特征為一個端口(54)，該端口將渦輪機殼體蝸殼(49)流體地連接到渦輪機殼體出口導流器(52)上。因為在該蝸殼側(cè)上的端口是在渦輪機葉輪(70)的上游，并且在該出口導流器側(cè)上的、該端口的另一側(cè)是在該渦輪機葉輪的下游，經(jīng)過連接這些端口的導管的流動繞過渦輪機葉輪(70)，因此不會促進傳送到渦輪機葉輪上的動力。該廢氣門在其最簡單形式下是一個閥(55)，該閥可以是一個提升閥，或是類似于圖2中閥的一種擺動式閥。典型地，這些閥是通過一個“假”的致動器來運行，該致動器感測增壓壓力或真空以啟用被連接到該閥上的一個膜片，并且在沒有與發(fā)動機E⑶特別連通的情況下運行。以此方式，該廢氣門閥的作用是將全負載增壓曲線的頂部切除，因而限制了到發(fā)動機的增壓水平。這在需要時(例如，為了防止該渦輪機超速)有效地減小了通向該渦輪機的有效流量，同時在需要全部流量時允許該渦輪機殼體的全范圍流動到該渦輪機葉輪。直到該閥打開之前，該廢氣門構形對于增壓曲線的這些特性沒有影響。更加復雜的廢氣門閥可以感測大氣壓的壓力或者具有電子超弛補償或控制，但直到它們致動以開放或關閉該閥之前，它們也對增壓曲線不具有任何影響。圖6A描繪了固定幾何形狀渦輪機殼體或廢氣門閥沒有打開的有廢氣門的渦輪機殼體的增壓曲線(65)。X軸描繪了質(zhì)量流量，Y軸描繪了壓力比。圖6B描繪了具有與圖6A(其中該廢氣門閥被打開)相同的A/R的一個有廢氣門的渦輪機殼體的增壓曲線(67)。在圖6B中，可以看到增壓曲線(67)的下部形狀(62)在閥打開的點(66)處與在圖6A中的增壓曲線(65)完全相同。在該點之后，該增壓曲線是平坦的。雖然可以使用一個廢氣門來限制增壓水平，但其渦輪機動力控制特性是不成熟的并且粗糙的。有廢氣門的渦輪機殼體的一個有利的副產(chǎn)品是有機會減小渦輪機殼體的A/R。因為增壓的上限是由該廢氣門控制的，因此A/R的減少能夠提供更好的瞬態(tài)響應特性，同時仍控制該上限。然而，如果有廢氣門的渦輪增壓器具有一個“假”致動器，該致動器僅在壓力或真空信號下工作并且在高海拔工作，那么閥打開時的臨界壓力比就受到了不利的影響。因為致動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，其傾向是使致動器較晚打開(因為海拔高度處的大氣壓的壓力比海平面處的低)，從而導致發(fā)動機的過度增壓。通過引入一個較小的A/R渦輪機殼體以便利用該廢氣門，這種A/R減少還減小了該渦輪機級的流量范圍。發(fā)動機增壓的要求是壓縮機級選擇的主導性驅(qū)動因素。壓縮機的選擇與設計是以下各項之間的一個折衷:發(fā)動機的增壓壓力要求；發(fā)動機所要求的質(zhì)量流量；具體應用所要求的效率；發(fā)動機以及應用所要求的映射寬度；發(fā)動機要經(jīng)受的海拔高度以及工作循環(huán)；發(fā)動機的汽缸壓力限制；等等。這對于渦輪增壓器運轉(zhuǎn)很重要，原因是給渦輪機級增加一個廢氣門允許用一個較小的渦輪機葉輪和殼體與低速范圍相匹配。因此，增加一個廢氣門隨之帶來了減小慣量的選擇。因為在旋轉(zhuǎn)組件的慣量上的減少典型地導致顆粒物質(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)廢氣門在它們的運行中在某種程度上是二元性的，這不會與在發(fā)動機輸出與發(fā)動機速度之間的線性關系很好地相配合。在渦輪增壓器的增壓控制中下一個復雜度層級是VTG (對可變渦輪幾何形狀的統(tǒng)稱)。這些渦輪增壓器中的一些具有旋轉(zhuǎn)的葉片并且一些具有滑動段或環(huán)。這些裝置的一些名稱包括:可變渦輪幾何形狀(VTG)、可變幾何形狀渦輪機(VGT)、可變噴嘴渦輪機(VNT)、或者簡單可變的幾何形狀(VG)。
VTG渦輪增壓器利用可調(diào)整的導向葉片，如圖3A以及圖3B，這些導向葉片可轉(zhuǎn)動地連接到一對葉片環(huán)上和/或該噴嘴壁上。對這些葉片進行調(diào)整以便通過調(diào)節(jié)通向渦輪機葉輪的排氣流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)是在最小打開位置中。在圖3B中，這些葉片(31)是處于最大打開位置中。這些葉片可以通過接合在一個協(xié)調(diào)環(huán)中的多個臂而可轉(zhuǎn)動地被驅(qū)動，其可以被定位在上葉片環(huán)之上。為了清楚起見，這些細節(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殼體中，這樣在它們被暴露于其中的熱運行條件的范圍上，這些導向葉片相對于該排氣供應流動通道以及渦輪機葉輪保持了適當?shù)亩ㄎ弧囟纫约案g條件迫使在所有內(nèi)部部件中使用特殊的合金。對于這些材料的獲得、機加工、以及焊接(在有要求時)而言它們是非常昂貴的。因為VTG的設計可以非常迅速地改變渦輪增壓器速度，對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)化成了多個昂貴的致動器。雖然已經(jīng)廣泛采用不同類型和構形的VTG來控制渦輪增壓器增壓水平以及渦輪機背壓水平，但硬件成本以及實施成本是較高的。典型的VTG的成本在相同的生產(chǎn)量下是相同尺寸的固定幾何形狀渦輪增壓器的成本的270%到300%。這種不均勻性是由于幾個相關的因素，即部件數(shù)目、部件的材料、這些部件的生產(chǎn)和機加工中對于速度與準確度所要求的準確度、以及致動器的可重復性。圖7中的圖表示出了對于從固定式到VTG的渦輪增壓器范圍的比較成本。柱“A”代表對于一個給定的應用的一個固定渦輪增壓器的基準成本。柱“B”代表對于相同應用的一個有廢氣門的渦輪增壓器的成本，并且柱“C”代表對于相同應用的常規(guī)VTG的成本。由此可見，由于技術原因以及成本驅(qū)動因素二者，在此所需的是一個相對低成本的渦輪機流動控制裝置，該裝置就成本而言處于有廢氣門的裝置與現(xiàn)有VTG之間。發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種簡化的、低成本的、可變幾何形狀的渦輪增壓器，并且更具體而言涉及一種渦輪機流量控制裝置，該渦輪機流量控制裝置采用具有不對稱蝸殼A/R的一種分隔的渦輪機殼體，這些不對稱蝸殼與一個流量調(diào)節(jié)裝置相連接以便改變通向渦輪機葉輪的有效排氣質(zhì)量流量，同時增大該渦輪機級的流量范圍。通過用一組不對稱配置的蝸殼橫截面積來控制渦輪機殼體引導至渦輪機葉輪的排氣的質(zhì)量流量，并且通過用一個相對簡單的流量控制裝置來控制通過該兩個蝸殼的流量，可以將該流量范圍擴大并且進行控制，其方式為超過用一個沒有流量控制裝置的對稱配置的蝸殼橫截面積可獲得的范圍。本發(fā)明提供了一種簡化的但能夠維持脈沖能量的可變幾何形狀渦輪增壓器。在一個第一實施例中，一個渦輪機殼體配備有一個樞轉(zhuǎn)流量控制閥，這個樞轉(zhuǎn)流量控制閥圍繞在該渦輪機殼體的入口附近的一個點進行樞轉(zhuǎn)。通過將該閥圍繞該樞轉(zhuǎn)點移動，通過該渦輪機殼體的流量在該大蝸殼處越來越多地被阻斷，由此流量被偏置到該小蝸殼中并且繼續(xù)從小蝸殼流向該渦輪機葉輪，從而致使該渦輪機殼體通過該較大的蝸殼的有效損失而起到一個較小A/R渦輪機殼體的作用。在本發(fā)明的第二實施例中，圍繞該閥葉片的中心樞轉(zhuǎn)的、位于蝸殼內(nèi)的一個旋轉(zhuǎn)的蝶型流動控制閥圍繞所述中心線進行樞轉(zhuǎn)以便改變從該大蝸殼到該小蝸殼并且到渦輪機葉輪上的流量，從而因此致使該渦輪機殼體起到一個較小A/R渦輪機殼體的作用。諸位發(fā)明人進行的測試確定了:“A”截面積的60/40拆分(其中該轂件側(cè)占60%并且該護罩側(cè)占40%)在限制器閥完全打開時產(chǎn)生了所希望的質(zhì)量流量拆分。該不對稱渦輪機殼體具有圍繞分隔壁(25)軸向定位的一個較大的左側(cè)或轂件側(cè)蝸殼(48)以及一個較小或護罩側(cè)蝸殼(49)。附圖的簡要說明本發(fā)明是通過舉例而非限制的方式展示在這些附圖中，其中類似的參考數(shù)字表示相似的部分，并且在這些附圖中:圖1描繪了一個典型的VTG渦輪增壓器的截面；圖2描繪了一個典型的有廢氣門的渦輪增壓器的一對截面；圖3A、B描繪了一個典型的VTG渦輪增壓器的一對截面；圖4描繪了示出結(jié)構徑向線的一個典型的固定渦輪機殼體的一個截面；圖5是截面區(qū)域發(fā)展的一個圖表；圖6A、6B描繪了對于一個典型的固定式的以及一個有廢氣門的渦輪增壓器的壓縮機映射圖；圖7是示出渦輪增壓機相對成本的一個圖表；圖8A、8B描繪了在切面“A”處的兩個蝸殼類型的截面；圖9描繪了歧管上的不對稱渦輪機殼體的一個視圖；圖10AU0B描繪了在環(huán)圓周分隔的殼體上該節(jié)流裝置的兩個截面視圖；圖1lAUlB描繪了在環(huán)圓周分隔的殼體上節(jié)流裝置的一個變體的兩個視圖；圖12描繪了渦輪機殼體中的開裂的視圖；圖13描繪了渦輪機殼體分隔壁中的多個閉合縫隙的截面視圖；圖14描繪了渦輪機殼體分隔壁中的多個開放縫隙的截面視圖；圖15A、15B描繪了在一個徑向地分隔的殼體上的第三實施例的兩個視圖；圖16是描繪質(zhì)量流量的圖表；圖17描繪了多個直徑的生產(chǎn)渦輪機葉輪樣品的屏障面積；并且圖18描繪了對于不同渦輪機級而言錯流面積與D3之間的關系。發(fā)明詳細說明如以上所討論的，可變幾何形狀的機構趨于使得基本渦輪增壓器的成本變?yōu)閮杀恫⑶腋?。諸位發(fā)明人試圖能夠以一種更加成本有效的方式來調(diào)節(jié)通向渦輪機葉輪的排氣流。因此，諸位發(fā)明人用帶有多個分隔的蝸殼面積、與流阻裝置相結(jié)合的設計進行試驗，以便為控制通向渦輪機的排氣流的所需要的寬度范圍提供一種既成本有效又技術有效的替代方案。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，這種渦輪增壓器會為低流量提供優(yōu)化的渦輪(以及因此的發(fā)動機)的瞬態(tài)響應，同時在低流量狀態(tài)之外仍能夠在同一成本有效的渦輪增壓器中傳送發(fā)動機所要求的高流量。這個目標將氣體速度保持在最大化該級的效率的最佳點上。當一個渦輪增壓器與一個發(fā)動機的最大流動要求相匹配時，就滿足了在發(fā)動機的全體運行狀態(tài)下的流動要求。問題是，將渦輪增壓器與最大流動要求相匹配意味著，渦輪機殼體蝸殼(以及因此的流量)的大小對于低發(fā)動機流量狀態(tài)來說是太大的。渦輪增壓器的瞬態(tài)響應特征是遲鈍的，因為整個的蝸殼必須被填滿以便將流動傳送到渦輪機葉輪上。因為為了符合這個低流量要求而減少一個渦輪增壓器渦輪機殼體的A/R意味著正在典型的速度限制之內(nèi)運行的渦輪增壓器不能為發(fā)動機運行狀態(tài)的上端的高流量要求提供足夠的流量，所以諸位發(fā)明人認識到了提供一種新穎的可變幾何形狀渦輪增壓器的需要。另外，對于如今EGR (排氣再循環(huán))的要求，OEM商以部分負載運行大量EGR (比如40%負載)并且沒有高速EGR，但他們從市場的角度仍然希望在滿負載提供同類中最佳的動力。低速或部分負載下的高EGR需要低質(zhì)量流量。在沒有EGR的額定點處的同類中最佳的動力需要高質(zhì)量流量，因此可以看出該渦輪機質(zhì)量流量范圍需要能夠與這兩個極端處的流量要求相匹配。渦輪機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。這個系統(tǒng)被用于在由一個渦輪增壓器制造廠商設計和生產(chǎn)的這些渦輪增壓器內(nèi)保持設計的一致性。根據(jù)本發(fā)明，諸位發(fā)明人提供了一種新穎的渦輪機設計，這種渦輪機設計能夠產(chǎn)生比用同等面積的蝸殼可獲得的更寬的渦輪機流量范圍。通過控制通過該渦輪機殼體的質(zhì)量流量，諸位發(fā)明人力圖控制通過該渦輪機殼體到達渦輪機葉輪上的氣體的質(zhì)量流量。當發(fā)動機在低速、低負載條件下運行時，供應所需的燃燒氣體(空氣)所要求的增壓水平是相對低的。當發(fā)動機在高速、高負載條件下時，供應處于這些負載條件下的發(fā)動機所要求的增壓水平是高的。當發(fā)動機正從低負載條件向高負載條件轉(zhuǎn)變時，要求該渦輪增壓器以一個不斷增加的壓力比提供一個不斷增加的空氣體積。因為壓縮機級是由渦輪機級驅(qū)動的，必須改變?yōu)榱藵M足發(fā)動機(以及因此的壓縮機)的要求所需要的排氣的質(zhì)量流量。也就是說，在低負載、低速的發(fā)動機條件下，就質(zhì)量流量而言該發(fā)動機的排氣輸出是低的。在高負載、高發(fā)動機速度的條件下，就質(zhì)量流量而言該發(fā)動機的輸出是高的。在轉(zhuǎn)變階段，排氣質(zhì)量流量必須從低向高改變。問題是，還必須將渦輪機級與以上所描述的兩種基本發(fā)動機條件(除了 EGR的這些要求以外)相匹配以便允許該渦輪增壓器在這些條件中的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，本領域有經(jīng)驗的技術人員將選擇具有一個具有較小A/R的渦輪機殼體的渦輪增壓器。為了在高負載、高速條件下提供所要求的流量和壓力比，本領域有經(jīng)驗的技術人員將選擇具有較大A/R的渦輪機殼體的渦輪增壓器。前一種小A/R的渦輪機殼體會提供良好的瞬態(tài)響應特征，但是向渦輪機級提供的質(zhì)量流量不足以生成高速、高負載的壓縮機要求。后一種大A/R的渦輪機殼體會向該渦輪機級提供質(zhì)量流量要求以用于高速高負載的增壓要求，但是不會向該渦輪機級提供足夠快的加速度來產(chǎn)生可接受的瞬態(tài)響應。顯然，具有一種帶有兩個渦輪增壓器(一個較大的和一個較小的，并且能夠在這兩者之間切換)的系統(tǒng)是極好的。然而，這樣的系統(tǒng)是昂貴的、將代表一個大的“散熱片”、將在發(fā)動機艙占用太多的空間、并且將增加該車輛的質(zhì)量。 同與高負載高速條件相匹配的一個渦輪機級相比，一個單獨作用的適當匹配的小A/R渦輪機級會提供可接受的瞬態(tài)響應，雖然這是以更高的背壓為代價的。在一個非EGR發(fā)動機中，具有高的背壓對橫貫該發(fā)動機的壓力差以及因此對該發(fā)動機的效率來說是負面的。在一個高壓環(huán)路式EGR發(fā)動機構形中(與一個低壓環(huán)路式EGR發(fā)動機構形相對)，在該排氣系統(tǒng)中高的背壓是將來自該發(fā)動機的排氣側(cè)的排氣驅(qū)動到該發(fā)動機的要增壓的進氣側(cè)中的解決方案的一部分。對于給定的一套發(fā)動機參數(shù)，與在同一套發(fā)動機參數(shù)下的一個較小的A/R渦輪機殼體相比，一個大的渦輪機殼體A/R會形成更低的排氣背壓。因此能夠改變該渦輪機殼體的有效A/R允許了一個單個的渦輪增壓器既滿足一種低速低負載條件的又滿足一種高速高負載條件的流量和背壓要求。通過用一個對應地簡單流量控制裝置控制該渦輪機殼體引導到具有一組不對稱地構形的蝸殼橫截面的該渦輪機葉輪的排氣的質(zhì)量流量，并且控制穿過該兩個蝸殼的流量，就可以使得流量范圍被擴大并且被控制的方式為超過沒有流量控制裝置的具有一個對稱配置的蝸殼橫截面的可變范圍。在初步用對稱分隔的蝸殼渦輪機殼體進行試驗之后，諸位發(fā)明人接著對不對稱分隔的渦輪機殼體進行試驗并且確定了:通過用另一個較小A/R的蝸殼來替換這些蝸殼中的一個，流量范圍將下降并且穿過該蝸殼的最大流量范圍也將下降。同樣地，通過用另一個較大A/R的蝸殼來代替一個蝸殼，則該蝸殼的最大流量范圍將增大。通過將較大和較小蝸殼組合在一起、并且控制該較大蝸殼的阻斷程度，本發(fā)明渦輪機殼體的流量范圍超過了具有對稱分隔的蝸殼的原型渦輪機殼體。在圖16中，具有水平線的這些條形(22)代表了具有同等(50-50)面積蝸殼的渦輪機殼體的質(zhì)量流量，并且具有豎直線的這些條形(23)代表了具有不對稱(60-40)面積蝸殼的渦輪機殼體的質(zhì)量流量。雖然在限制器閥完全打開時這些質(zhì)量流量是彼此相等的，但當該限制器閥處于該完全閉合位置(即，有效地阻止進入該較大蝸殼中的流動)時，該不對稱A/R構型的質(zhì)量流量小于該同等A/R構型的質(zhì)量流量。在截面“A”處這兩種構型的面積之和是在0%至3%內(nèi)，同時質(zhì)量流量的變化是在10%至13%的范圍內(nèi)。圖8A描繪了一種典型的對稱渦輪機殼體蝸殼構型，其中該兩個蝸殼的形心(160、161)是在距該中心線相同的半徑Ra處。由于該渦輪機殼體是對稱的，所以這兩個蝸殼的有效形心(163)在分隔壁中位于這些蝸殼之間。圖8B描繪了一個實例,其中左邊蝸殼是大于圖8A的對稱渦輪機殼體的A/R尺寸，并且右邊蝸殼是面積較小的A/R尺寸，因此2個A/R尺寸均小于該左邊蝸殼。在這種情況下，該右邊蝸殼的形心位于距該中心線一個半徑Rc處并且軸向上更靠近該渦輪機殼體的中心線。該左邊蝸殼的形心位于距該中心線一個半徑Rb處并且軸向上更遠離該渦輪機殼體的中心線。在該渦輪機殼體中的這兩個蝸殼的有效形心(164)此時位于該分隔壁中心線的左邊偏移的一個半徑Rd處。為了生產(chǎn)一種最佳的不對稱的渦輪機殼體，諸位發(fā)明人關注了若干個蝸殼尺寸的選擇:從相同大小的蝸殼開始使一個蝸殼A/R增大或一個蝸殼減小以便從相等大小的蝸殼出發(fā)并且使得轂件側(cè)的一個蝸殼A/R增大并且該護罩側(cè)的一個蝸殼A/R減小。諸位發(fā)明人進行的測試確定:后一種解決方案(即，“A”截面積的60/40拆分，其中該轂件側(cè)占60%并且該護罩側(cè)占40%)產(chǎn)生了在限制器閥完全打開時所希望的質(zhì)量流量拆分。在所有分隔的渦輪機殼體中，在該分隔壁的尖端(在其最小直徑處)與該渦輪機葉輪的這些尖端之間存在一個錯流“屏障”。為最小化由這些旋轉(zhuǎn)的渦輪機葉輪葉片經(jīng)過位于該分隔壁起點處的靜止舌部(26)(圖4)所造成的渦輪機葉輪激振，按照經(jīng)驗法則，該分隔壁的深度典型地沒有延伸到與從該渦輪機葉輪尖端直徑D3的120%至150%的比率相比更靠近這些渦輪機葉輪尖端。這個DbcZD3比率通常是由公司的設計規(guī)則和技術目標確定的。直徑Db。被稱為該基圓。因為渦輪機殼體分隔壁尖端由于熔融的鑄鐵浮渣強制進入該尖端中而易發(fā)生開裂，所以該分隔壁的最內(nèi)的或最小的直徑是典型地不小于該渦輪機葉輪尖端直徑的120%至150%。因此，該分隔壁與渦輪機葉輪之間的“屏障”允許在該兩個蝸殼之間排氣的錯流以及在該排氣中脈沖之間的串擾，而后者是使用分隔壁的首要原因。對于具有基圓的渦輪機級(其直徑是該渦輪機葉輪直徑的120%)而言，存在一個錯流“屏障”，其面積是對5A/R系列的渦輪機殼體而言是在對稱構型的截面“A”處這兩個蝸殼面積的70%至105%。對于具有基圓的渦輪機級(其直徑是該渦輪機葉輪直徑的150%)而言，該錯流“屏障”具有的面積對5A/R系列的渦輪機殼體而言是在對稱構型的截面“A”處這兩個蝸殼面積的199%至299%。從這個分析中可以看出，該屏障面積可以為從一個蝸殼至另一個蝸殼的錯流提供一個非常大的截面積。因為該屏障面積是該渦輪機葉輪直徑D3和該分隔壁Db。的最小位置兩者的函數(shù)，所以該屏障面積對于不同的D3值而言是變化的。圖17描繪了一個直徑從64_至96_的生產(chǎn)渦輪機葉輪樣品的屏障面積。屏障面積(133)被括在一個上邊界線(131)與一個下邊界線(132)之間或被它們所限制。正如所預期的，當D3增大時，屏障面積的范圍增大。在圖17中，該渦輪機葉輪直徑D3被顯示為(123)，并且線(124)描繪了所分析的渦輪機的渦輪機葉輪直徑D3的趨勢。這個表還包含了范圍從1.25至1.35的DbcZD3比率。諸位發(fā)明人通過用一個64_渦輪機葉輪進行的測試確定了:對于一個具有限制器閥的不對稱配置的60/40蝸殼組合而言，最佳錯流面積(包括該分隔壁中的多個端口加上該基圓“屏障”的面積(通過Db。下的面積減去D3下的面積之差而確定的))是具有與單一的對稱的蝸殼在截面“A”處的橫截面積(B卩，截面“A”處的面積的一半)的比率為289.6%的面積。這與沒有縫隙或端口的、具有相同的DbcZD3比率的相同大小的渦輪機殼體的典型錯流面積差不多，其具有的錯流面積僅是182.6%的截面“A”半面積。正如在屏障面積與D3和Db。之間的關系的情況下，總錯流面積(122)不僅受到D3和Db。的影響而且還受到單個蝸殼在截面“A”處的面積變化的影響。該錯流面積(122)是由一條上邊界線(126)和一條下邊界線(122)所界定的圖18中的表描繪了對于諸位發(fā)明人所分析的不同渦輪機級而言，錯流面積與D3 (123)之間的關系。為了選擇一個錯流面積，確定D3的值，該渦輪機葉輪的尺寸以英寸為單位。實例是一個76mm (2.992英寸)的渦輪機葉輪，被顯示為水平線(128)。從渦輪機葉輪直徑起，與該渦輪機葉輪直徑(123)相交的該豎線(129)切斷了下邊界線(127)和上邊界線(128)。該錯流面積被描繪為該下邊界線與上邊界線(127與126)之間的豎線(129)的豎直區(qū)段(130)。產(chǎn)生繪制在圖17和圖18所示的表上的這些數(shù)據(jù)點的公式可以如下:
權利要求
1.一種可變流量渦輪增壓器，包括: (a)一個渦輪機殼體(2)，該渦輪機殼體在一個渦輪機殼體底座(51)處具有一個渦輪機入口部分以用于連接一個排氣歧管從而接收排氣流；一個渦輪機出口導流器部分(52)；以及在該渦輪機殼體底座與該出口導流器部分之間的一個蝸殼室； (b)—個渦輪機葉輪(70)，該渦輪機葉輪具有位于所述渦輪機殼體內(nèi)的多個葉片，以用于接收來自該蝸殼室的排氣流； (c)至少一個蝸殼分隔壁,其用于將該蝸殼室分隔為一個較大的蝸殼室(48)和一個較小的蝸殼室(49);以及 (d)排氣流量控制閥裝置，其被適配成用于控制阻斷流進該較大的蝸殼室中的排氣的程度。
2.根據(jù)權利要求1所述的可變流量渦輪增壓器，其中所述排氣流量控制閥裝置是可變地可調(diào)整的。
3.根據(jù)權利要求1所述的可變流量渦輪增壓器，其中所述蝸殼分隔壁包括多個開口，穿過這些開口，排氣流可以穿行在該較大的蝸殼室與較小的蝸殼室之間。
4.根據(jù)權利要求1所述的可變流量渦輪增壓器，其中所述分隔壁是一個軸向分隔壁。
5.根據(jù)權利要求1所述的可變流量渦輪增壓器，其中所述分隔壁是一個徑向分隔壁。
6.根據(jù)權利要求1所述的可變流量渦輪增壓器，其中該較大的蝸殼的體積包括該分隔的蝸殼空間的至少約55%并且該較小的蝸殼的體積包括該分隔的蝸殼空間的最多約45%。
7.根據(jù)權利要求1所述的可變流量渦輪增壓器，其中該較大的蝸殼的體積包括該分隔的蝸殼約55%-65%并且該較小的蝸殼的體積包括該分隔的蝸殼約45%-35%。
8.根據(jù)權利要求1所述的可變流量渦輪增壓器，包括至少兩個軸向的或徑向的分隔壁。
9.根據(jù)權利要求1所述的可變流量渦輪增壓器，其中該分隔壁是徑向的，并且其中該較小的蝸殼(49)位于該出口導流器側(cè)上并且該較大的蝸殼(48)與該出口導流器側(cè)相反。
10.據(jù)權利要求1所述的可變流量渦輪增壓器，其中排氣流量控制閥裝置包括一個可樞轉(zhuǎn)的閥構件(72)，該可樞轉(zhuǎn)的閥構件被適配成用于在一個打開位置與一個阻斷位置之間樞轉(zhuǎn)，在該打開位置中通向該較大的蝸殼(48)的流量不受限制，并且在該阻斷位置中有效地阻斷了通向該較大的蝸殼(48)的流量。
11.一種內(nèi)燃發(fā)動機，包括一個排氣歧管并且具有一個流體連接至該排氣歧管上的可變流量渦輪增壓器，該可變?nèi)萘繙u輪增壓器包括: (a)—個潤輪機殼體(2),該潤輪機殼體具有一個潤輪機入口部分、一個潤輪機出口導流器部分(52)以及一個蝸殼室； (b)一個渦輪機葉輪，該渦輪機葉輪位于所述渦輪機殼體中并且具有多個葉片； (C)至少一個蝸殼分隔壁，該蝸殼分隔壁延伸至所述渦輪機入口部分附近以便將該蝸殼室分隔為一個較大的蝸殼室(48)和一個較小的蝸殼室(49)； (d)—個分隔的排氣歧管(36)，該分隔的排氣歧管包括一個第一排氣引導通路，以用于將排氣引入所述較大的蝸殼室中；以及一個第二排氣引導通路，以用于將排氣引入所述較小的蝸殼室中；以及 (e)排氣流量控制閥裝置，該排氣流量控制閥裝置至少位于該第一排氣引導通路中以便控制阻斷流進所述第一排氣引導通路中的排氣的程度。
12.根據(jù)權利要求11所述的可變流量渦輪增壓器，其中所述排氣流量控制閥裝置位于該潤輪機殼體中。
13.根據(jù)權利要求11所述的可變流量渦輪增壓器，其中所述排氣流量控制閥裝置是位于連接至所述渦輪機殼體的該排氣歧管中。
14.根據(jù)權利要求11所述的可變流量渦輪增壓器，其中所述排氣流量控制閥裝置是位于該排氣歧管與該渦輪機 殼體之間。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種簡化的但能夠維持脈沖能量的可變幾何形狀渦輪增壓器。在一個第一實施例中，一個渦輪機殼體配備有一個樞轉(zhuǎn)流量控制閥，這個樞轉(zhuǎn)流量控制閥圍繞在該渦輪機殼體的入口附近的一個點進行樞轉(zhuǎn)。通過將這個閥圍繞這個樞轉(zhuǎn)點移動，該渦輪機殼體蝸殼的有效容積被改變，因此有效地減少了這個蝸殼中的排氣體積，從而允許控制流動到達渦輪機葉輪的排氣。在本發(fā)明的第二實施例中，在這個蝸殼之內(nèi)的一個旋轉(zhuǎn)性楔形區(qū)段從一個第一位置中被轉(zhuǎn)動到一個第二位置中，從而改變了這個蝸殼的有效容積并且從而允許控制流動到達渦輪機葉輪的排氣。
文檔編號F02B37/22GK103180569SQ201180051663
公開日2013年6月26日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權日2010年11月5日
發(fā)明者J·P·沃森, D·G·格拉伯斯卡 申請人:博格華納公司