具有單軸、自定心樞轉(zhuǎn)特征件的可變渦輪幾何形狀葉片的制作方法
【專利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓系統(tǒng)，具體涉及一種可變渦輪幾何形狀(VTG)葉片填料組件，所述組件具有單軸、自定心樞轉(zhuǎn)特征件，所述特征件為VTG葉片填料組件提供制動(dòng)性能和耐用性，同時(shí)允許熱變形。
[0002]相關(guān)技術(shù)說(shuō)明
[0003]渦輪增壓器是一種與內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)一同使用的增壓進(jìn)氣系統(tǒng)。渦輪增壓器將壓縮空氣輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口，以使更多的燃料燃燒，因此增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的馬力而發(fā)動(dòng)機(jī)的重量沒(méi)有明顯地增加。因此，渦輪增壓器允許使用產(chǎn)生與較大的、自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)相同的馬力數(shù)的較小的發(fā)動(dòng)機(jī)。在車輛中使用較小的發(fā)動(dòng)機(jī)具有減小車輛質(zhì)量，提高性能，并且提高燃料經(jīng)濟(jì)性的預(yù)期效果。此外，使用渦輪增壓器使傳送至發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料更完全地燃燒，這有助于實(shí)現(xiàn)更為清潔的環(huán)境這一高度預(yù)期的目標(biāo)。
[0004]渦輪增壓器通常包括連接到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣岐管的渦輪機(jī)殼體、連接到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的壓縮機(jī)殼體以及設(shè)置在渦輪機(jī)殼體和壓縮機(jī)殼體之間并將二者耦接到一起的中心軸承殼體。渦輪機(jī)殼體限定了一個(gè)大致呈環(huán)形的腔室，所述腔室由渦旋或蝸殼組成，包圍渦輪機(jī)葉輪并從自發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管引出的排氣供給流道處接收排氣。渦輪機(jī)組件一般包括喉部，所述喉部從腔室通往渦輪機(jī)葉輪。渦輪機(jī)殼體內(nèi)的渦輪機(jī)葉輪由排氣歧管供給的流入排氣可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)?？尚D(zhuǎn)地支撐在中心軸承殼體內(nèi)的軸將渦輪機(jī)葉輪連接到壓縮機(jī)殼體內(nèi)的壓縮機(jī)葉輪上，使得渦輪機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)引起壓縮機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)。連接渦輪機(jī)葉輪和壓縮機(jī)葉輪的軸定義一條線作為旋轉(zhuǎn)軸。排氣流過(guò)包括渦旋或蝸殼的環(huán)形渦輪機(jī)室，穿過(guò)喉部，到達(dá)渦輪機(jī)葉輪，在此渦輪機(jī)葉輪在排氣驅(qū)動(dòng)下以極高的速度旋轉(zhuǎn)。使用渦輪流量和壓力控制裝置調(diào)節(jié)排氣背壓和渦輪增壓器的速度。當(dāng)渦輪機(jī)葉輪以極高的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，渦輪機(jī)從排氣內(nèi)提取功率以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。壓縮機(jī)通過(guò)壓縮機(jī)殼體的入口吸入周圍空氣，并且周圍空氣由壓縮機(jī)葉輪壓縮然后經(jīng)由壓縮機(jī)殼體排出發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口。壓縮機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)增加了通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管傳送至發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的空氣質(zhì)量流率、氣流密度和空氣壓力，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出，提供高的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，減少燃料消耗，并通過(guò)減少二氧化碳(CO2)的排放量減少了環(huán)境污染物。
[0005]通過(guò)設(shè)計(jì)，渦輪增壓器在有限的運(yùn)行條件范圍內(nèi)以最佳狀態(tài)運(yùn)行。大型渦輪機(jī)可以在較高的空氣質(zhì)量流率下以最佳狀態(tài)運(yùn)行。然而，在低的空氣質(zhì)量流率下，大型渦輪機(jī)效率不高，而且無(wú)法快速旋轉(zhuǎn)以滿足升壓的需求，這種現(xiàn)象被稱為渦輪延遲。另一方面，小型渦輪機(jī)可以以較低的空氣質(zhì)量流率提供良好的增壓。但是，在較高的空氣質(zhì)量流率下，小型渦輪機(jī)可能會(huì)被阻塞。為此，小型渦輪機(jī)可配備旁路作為控制增壓壓力的一種簡(jiǎn)單方法。對(duì)于配備有旁路的渦輪機(jī)來(lái)說(shuō)，渦輪機(jī)尺寸的選擇需要滿足發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下對(duì)轉(zhuǎn)矩特性要求，并實(shí)現(xiàn)良好的車輛駕駛性能。利用這一設(shè)計(jì)，在達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩不久前向渦輪機(jī)供應(yīng)超出所需的排氣，以產(chǎn)生所需的增壓壓力。一旦達(dá)到特定的增壓壓力，部分多余的排氣流經(jīng)由旁路被輸送至渦輪機(jī)周圍。打開(kāi)或關(guān)閉旁路的廢氣泄壓閥通常是由彈簧加載式膜片響應(yīng)于增壓壓力來(lái)操作的。然而，為渦輪機(jī)設(shè)旁路意味著某些排氣能量被浪費(fèi)了，無(wú)法回收。
[0006]可變渦輪幾何形狀允許渦輪機(jī)流量橫截面按照發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)而變化。這使整個(gè)排氣能量都得到利用，并為每個(gè)工作點(diǎn)設(shè)定最佳的渦輪機(jī)流量橫截面。因此，渦輪增壓器的效率連帶著發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，都高于用旁路控制所實(shí)現(xiàn)的效率。參見(jiàn)邁爾的《渦輪增壓器，有效利用排氣能量》，現(xiàn)代工業(yè)出版社，2001年第二次修訂版。蝸殼殼體和渦輪機(jī)葉輪之間的可變導(dǎo)向葉片對(duì)壓力增大性能產(chǎn)生影響，因此，也會(huì)影響渦輪機(jī)的功率輸出。在低發(fā)動(dòng)機(jī)速度下，流動(dòng)橫截面是通過(guò)關(guān)閉導(dǎo)向葉片而減小的。增壓壓力以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩都因渦輪機(jī)入口和出口之間較高的壓降而上升。在高發(fā)動(dòng)機(jī)速度下，導(dǎo)向葉片逐漸打開(kāi)。所需的增壓壓力以較低的渦輪機(jī)壓力比獲得，且減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗。在車輛從低速度加速期間，導(dǎo)向葉片關(guān)閉以獲得最大的排氣能量。隨著速度的增加，葉片打開(kāi)并適應(yīng)相應(yīng)的工作點(diǎn)。
[0007]如今，現(xiàn)代高輸出柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度高達(dá)830°C。熱排氣流中精確而可靠的導(dǎo)向葉片運(yùn)動(dòng)對(duì)材料提出了很高的要求，并且要求精確規(guī)定渦輪機(jī)內(nèi)的容許誤差。不管渦輪增壓器的機(jī)架尺寸多大，導(dǎo)向葉片都需要最小的間隙，以在整個(gè)車輛的生命周期內(nèi)確?？煽康倪\(yùn)行。
[0008]通常情況下，VTG的可調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片可樞轉(zhuǎn)地安裝在渦輪機(jī)殼體內(nèi)、位于一對(duì)葉片環(huán)(上部和下部)和/或噴嘴壁之間?？烧{(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片被樞轉(zhuǎn)設(shè)置，以通過(guò)修改排氣流向渦輪機(jī)葉輪的速度或方向控制排氣背壓和渦輪增壓器的速度。在較低的排氣的空氣質(zhì)量流率下，可調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片可被移動(dòng)到一個(gè)相對(duì)閉合的位置，從而創(chuàng)建一個(gè)較小的通道用于排氣流動(dòng)。由此，VTG模擬了一個(gè)小型渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)即使在排氣可用性較低時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)較高的轉(zhuǎn)速。另一方面，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處在較高速度時(shí)，排氣的空氣質(zhì)量流率很高。因此，可調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片可以被打開(kāi)，從而創(chuàng)建一個(gè)較大的通道用于排氣的流動(dòng)以及所需的適量升壓?？烧{(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片打開(kāi)和關(guān)閉的能力使得渦輪增壓器在范圍更廣泛的條件下工作以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。通過(guò)與旁路控制比較，VTG利用全部的排氣能量，以提高排氣渦輪增壓器的效率，因此提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。
[0009]VTG渦輪增壓器通常使用至少三個(gè)緊固件，諸如雙頭螺栓、螺栓或帶螺母的雙頭螺栓，以固定所述一對(duì)葉片環(huán)(即上葉片環(huán)和下葉片環(huán))到渦輪機(jī)殼體上，使得渦輪機(jī)殼體組件包圍住所述一對(duì)葉片環(huán)。緊固件穿過(guò)所述兩個(gè)葉片環(huán)，以將上葉片環(huán)卡裝到下葉片環(huán)上，再將下葉片環(huán)卡裝到渦輪機(jī)殼體上。繞過(guò)所述葉片以及流經(jīng)葉片和葉片環(huán)之間間隙的任何排氣都降低了 VTG的效率。因此，為了使葉片最優(yōu)控制排氣的流動(dòng)，葉片和葉片環(huán)之間的間隙必須很小。為使葉片以如此小的間隙樞轉(zhuǎn)，VTG葉片組件必須以高幾何平行度安裝到渦輪機(jī)殼體上。當(dāng)渦輪機(jī)處于非常寬的溫度范圍內(nèi)時(shí)必須保持所述平行度。不同的部件由具有不同的熱膨脹系數(shù)的不同金屬制成。渦輪機(jī)殼體由于差熱膨脹而產(chǎn)生跨溫度范圍內(nèi)某種程度的形變。渦輪機(jī)殼體的形變致使固定機(jī)構(gòu)/緊固件失去幾何平行度，從而使葉片和移動(dòng)部件不再能自由地樞轉(zhuǎn)，因而粘住或鎖住。固定機(jī)構(gòu)/緊固件失去平行度也在固定機(jī)構(gòu)/緊固件內(nèi)產(chǎn)生了高應(yīng)力，這可能會(huì)導(dǎo)致固定機(jī)構(gòu)/緊固件的故障或破損。葉片環(huán)的變形可導(dǎo)致異常的磨損模式或產(chǎn)生不必要的間隙，從而進(jìn)一步降低了渦輪增壓器的空氣動(dòng)力效率。
[0010]因此，需要一種VTG組件，其使葉片環(huán)組件在渦輪機(jī)殼體內(nèi)定位并運(yùn)行。另外需要考慮到渦輪機(jī)殼體和/或葉片環(huán)組件的熱膨脹和變形，同時(shí)保持葉片組件的部件相對(duì)于彼此的位置，優(yōu)化峰值效率。額外還需要這樣一種性價(jià)比高、可靠、且便于制造、組裝和/或拆卸的系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]上述這些目的是通過(guò)一種可變渦輪幾何形狀(VTG)渦輪增壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所述渦輪增壓器包括葉片填料組件，所述組件具有多個(gè)單軸、自定心可調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片。葉片填料組件可包括大致呈環(huán)形的第一或上葉片環(huán)和大致呈環(huán)形的第二或下葉片環(huán)。多個(gè)間隔件設(shè)置在上葉片環(huán)和下葉片環(huán)之間，使得上葉片環(huán)與下葉片環(huán)隔開(kāi)，創(chuàng)造環(huán)形的空間。在所述環(huán)形空間內(nèi)，可樞轉(zhuǎn)地安裝了多個(gè)單軸、自定心可調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片。導(dǎo)向葉片可樞轉(zhuǎn)地安