具有由液压和机械弹力致动的可变涡轮喷嘴的涡轮增压器 技术领域 本发明涉及一种具有可变涡轮喷嘴的废气驱动的涡轮增压器， 该可变涡轮喷嘴包 括通过与叶片相连的调和环的转动而可调节安装角的叶片阵列， 调和环通过包括液压致动 器的致动系统而转动， 该液压致动器包含在孔中往复可移动的活塞。
背景技术 在美国专利 No.6,269,642 中描述了上述类型的可变几何形状的涡轮增压器， 该 专利与本申请被共同拥有， 其全部内容在此结合作为参考。用于液压致动器活塞的孔形成 在中心壳体的整体部分中。加压的液压流体 ( 机油 ) 通过也布置在中心壳体中的四通液压 致动器控制阀供给至孔内。采用了螺线管以便移动四通控制阀的杆。
’ 642 专利中描述的可变几何形状涡轮增压器相对于具有其他可变叶片系统的现 有的涡轮增压器而言， 减少了复杂性和部件数目， 以及增加了可靠性并且减少制造成本。 虽 然 ‘642 专利的涡轮增压器在现有涡轮增压器的基础上表现出进步， 但可以寻求进一步改 进。
发明内容 特别地， 所需的改进的一个方面是在发动机起动期间与控制可变叶片相关。发动 机的曲轴由起动机转动而 “接通” 时， 机油压力非常低， 并且实际上实质上为零 (0 值 )。由 于在接通时实质上没有油压， 用于叶片的液压致动器不能操作控制叶片的位置。 因此， 没有 办法有效地确保叶片处在用于发动机起动的最佳位置。如果叶片在过度关闭的位置， 可能 产生不合需要的后果 ( 例如， 涡轮超速 )。 本发明涉及一种在接通时可以有效地控制叶片位 置的改进。
根据一方面， 本发明公开了一种具有可变涡轮喷嘴的涡轮增压器， 该可变涡轮喷 嘴包括布置在喷嘴中的叶片阵列， 每个叶片都可以绕叶片的枢轴线枢转， 叶片连接到可转 动的调和环从而调和环的转动使得叶片的安装角被调整。可转动的曲轴连接到调和环， 从 而曲轴的转动运动使得调和环转动。曲柄由致动系统转动， 包括 ：
容纳在形成在中心壳体中的孔中并且在孔中在完全闭合位置、 完全打开位置、 以 及完全闭合位置和完全打开位置之间的中间位置之间往复可移动的活塞， 活塞包括活塞 杆；
包括连接到孔的液压流体通道的液压系统， 用于有选择地在活塞的一侧或相对侧 向所述孔供给加压的液压流体， 这样分别使得活塞向完全打开位置或向完全闭合位置移 动， 活塞向完全打开位置的移动对应于叶片在预定方向枢转 ；
将活塞杆连接到曲轴并且可操作以将活塞的往复运动转换为曲轴的转动运动的 机械连杆 ； 以及
布置在活塞以及孔的表面之间的弹簧， 弹簧被构造并且布置为在活塞上连续地向 活塞的完全打开位置施加弹力。
在一个实施例中， 弹簧的弹簧常数和结构被选择为在发动机起动期间当液压流体 实质上未加压从而作用在活塞上的液压流体力实质上为零时确保弹力足够将活塞保持在 与叶片的预定位置相对应的预定位置。
根据本发明的致动系统能够在发动机起动期间保持预定的叶片位置 ( 在可接受 的公差内 )， 从而可以避免诸如涡轮超速的不合希望的后果。更特别地， 弹力足以将活塞向 完全打开位置移动， 从而在发动机起动时叶片将不会在过度闭合的位置。
在一个实施例中， 机械连杆包括布置在活塞杆上的齿条以及紧固到曲轴的小齿 轮。小齿轮与齿条啮合从而将活塞的往复运动转换为小齿轮的转动运动， 并且因此转换为 曲轴的转动运动。
在一个实施例中， 活塞的预定位置处于完全打开和完全闭合位置的中间。这是通 过选择弹簧使得在活塞的预定位置弹力实质上与必须克服以便从预定位置进一步向完全 打开位置移动活塞的总传动机构力大小相等方向相反而完成的。 弹力和传动机构力因此在 活塞的中间位置相互抵消。
除了在发动机起动时叶片位于更佳位置的优点外， 根据本改进的涡轮增压器也可 以通过使得活塞直径减小而有益于整个涡轮增压器封装。 活塞直径的尺寸趋向于由防止叶 片在过度闭合位置变得 “粘附” 的需要而决定。在现有的涡轮增压器中， 通过使得活塞直径 较大而避免了叶片粘附从而用于给定油压的液压力将会变得更大并且将克服趋向于将叶 片保持在一个位置的叶片传动机构力。有时， 也设计叶片使得叶片上的气体负载在趋向于 关闭叶片的方向上。 因此， 为了将叶片向打开位置移动， 液压致动器必须克服气体负载和由 其他原因引起的传动机构力。 然而， 根据当前的改进， 在打开叶片时弹力帮助液压力并且因 此特大尺寸的活塞不是必须的。 附图说明
因此总体上描述了本发明， 现在将对附图作出参考， 附图并不是必须按比例描绘 的， 并且其中 ：
图 1 是根据本发明的一个实施例的涡轮增压器的分解图 ；
图 2 是组装状态的图 1 的涡轮增压器的侧视图 ；
图 3 是图 1 的涡轮增压器的轴向横截面视图 ；
图 4 是涡轮增压器的一部分的分解图 ；
图 5 是通过图 2 的涡轮增压器的中心壳体的横向剖视图， 示出了活塞在完全打开 位置 ；
图 6 类似于图 5， 示出了在完全闭合位置的活塞 ； 以及
图 7 类似于图 5 和图 6， 示出了在预定的中间位置的活塞， 其中弹力和叶片传动机 构力彼此平衡。 具体实施方式
参照附图， 现在将在下文中更全面地描述本发明， 其中示出了本发明的一些而不 是全部的实施例。实际上， 这些发明可以以许多不同形式实施并且将不会认为对在此阐明 的实施例构成限制 ； 相反地， 提供了这些实施例从而本发明将满足适当的法律要求。 全文中相同的附图标记表示相同的元件。
在图 1-6 中描述了根据本发明的一个实施例的涡轮增压器 100。如图 1 的分解图 和图 3 的剖视图中最佳示出， 涡轮增压器包括容纳压缩机叶轮 112 的压缩机壳体 110。 压缩 机叶轮转动从而压缩通过压缩机进口轴向地进入的空气， 并且压缩空气通常径向地向外排 出到蜗壳 114 中， 从此处压缩空气通过用于供给至内燃机 ( 未示出 ) 进口的排出管 116 排 出。涡轮增压器还包括容纳涡轮叶轮 122 的涡轮壳体 120。涡轮壳体 120 限定了围绕涡轮 叶轮用于接收来自内燃机的废气的大致环状的腔 124。废气从腔 124 大致径向向内地通过 喷嘴 126 流到涡轮叶轮 122， 由此转动涡轮叶轮。涡轮叶轮 122 和压缩机叶轮 112 固定到可 转动的轴 130 的相对端。轴由容纳在涡轮增压器的中心壳体 140 中的轴承 132 支撑， 中心 壳体 140 布置在压缩机壳体 110 与涡轮壳体 120 之间并且连接到压缩机壳体 110 与涡轮壳 体 120。
涡轮增压器的压缩机部分包括通过诸如 V 形带状夹具 119 等的适当的紧固装置紧 固到压缩机壳体 110 的凸缘的后板 118。后板 118 通过诸如螺栓 117 的适当的紧固件紧固 到中心壳体 140。涡轮壳体 120 由中心壳体 140 通过诸如 V 形带状夹具 119 等适当的紧固 装置紧固。 应当注意， 图 1 所示的许多部件的细节， 以及它们的布置和功能实质上与之前并 入的美国专利 No.6,269,642 中描述的相应部件一致。因此， 由于它们并不与本发明特别相 关， 本说明书将不会重复它们的说明。
本发明主要涉及对提供了用于调整涡轮喷嘴叶片 150 的安装角的致动力的液压 致动器的改进。如在具有可变叶片的其它类似的涡轮增压器中， 叶片 150 具有通过喷嘴环 160 中的轴承孔接收的叶片轴或轴 152。叶片轴 152 的端部从喷嘴环 160 的相对侧突出并 且固定到叶片臂 154， 从而各个叶片臂 154 围绕由喷嘴环 160 中的轴承孔限定的枢轴线枢转 使得叶片轴 152 枢转， 并且因此叶片 150 也枢转。每个叶片臂 154 与调和环 170 接合， 调和 环 170 可围绕与涡轮增压器轴 130 的转动轴线实质上相重合的轴线转动。因此， 调和环在 一个方向或另一方向的转动使得叶片 150 在一个方向或另一方向枢转， 由此改变了叶片的 安装角。调和环 170 通过曲轴 180 转动， 该曲轴具有连接在其一端的偏移的曲柄 182， 曲柄 与调和环接合。
用于转动曲轴 180 的动力由容纳在中心壳体 140 中并且通过机械连杆连接到曲轴 180 的液压致动器 190 提供。 现在主要参照图 4 和 5 来描述液压致动器。 中心壳体 140 铸件 包括限定出孔 144 的整体凸起 142。活塞 192 布置在孔 144 中并且可在完全闭合位置 ( 图 6)、 完全打开位置 ( 图 5)、 以及它们之间的中间位置之间在孔中往复地移动。活塞 192 包 括通过在中心壳体中形成的更小直径的孔 146 延伸的活塞杆 194。齿条 196 形成在活塞杆 194 上。齿条由布置在中心壳体中的腔中的小齿轮 / 凸轮 200 接合。小齿轮 / 凸轮 200 固 定到用于调和环的曲轴 180。小齿轮 / 凸轮 200 限定了与齿条 196 的齿啮合的齿轮齿 202。 因此， 活塞 192 的往复运动转换为小齿轮 / 凸轮 200 的转动运动， 并且因此转换为曲轴 180 的转动运动。用这样的方式， 液压致动器 190 能够调整叶片的安装角。
液压系统包括连接到孔 144 的液压流体通道， 液压流体通道用于有选择地在活塞 192 的一侧或相对侧向孔供给加压的液压流体， 使得活塞分别向完全打开位置或完全闭合 位置移动。关于这一点， 活塞 192 和活塞杆 194 是空心的， 具有延伸通过中心的通道以便液
压流体的流动。 通过供给流体至较小直径的孔 146， 加压的液压流体被供给至活塞 192 的左 侧 ( 图 5 中 ) 的孔 144 的部分， 流体然后通过空心活塞杆和活塞的中心通道流动至孔 144 的 左侧部分。这使得活塞 192 通过液压力向闭合位置 ( 向图 5 的右侧 ) 移动， 这样将叶片向 更闭合的位置移动。可替换地， 液压流体经由液压通道 ( 图 5 中看不见 ) 供给至孔 144 的 右侧， 以便将活塞 192 向打开位置 ( 朝向图 5 的左侧 ) 移动， 这样将叶片向更打开的位置移 动。当活塞在如图 5 所示的位置时， 叶片完全打开， 并且当活塞在图 6 所示的位置时， 完全 闭合。通过液压伺服控制阀 50 提供对通向活塞孔的液压流体流的控制。
根据本发明， 液压致动器 190 还包括布置在活塞 192 与孔 144 的表面之间的弹簧 210。在示出的实施例中， 中心壳体 140 形成为具有阶梯孔， 其包括孔 144、 随后的中间直径 孔 145、 然后是更小直径孔 146， 从而具有在中间孔与小孔之间限定的弹簧 210 的一端所抵 靠的肩台。弹簧被构造并且布置为连续地在活塞 192 上向完全打开位置施加弹力。弹簧的 弹簧常数和结构被选择为在发动机起动期间当液压流体实质上未加压从而作用在活塞上 的液压流体力实质上为零时确保弹力足够将活塞保持在与叶片的预定位置相对应的预定 位置。
根据本发明的一个实施例， 活塞 192 的预定位置是在完全打开和完全闭合位置的 中间， 从而叶片在发动机起动期间处在中间位置。这是通过选择弹簧使得在预定位置弹力 实质上与必须克服以便从预定位置进一步向完全打开位置移动活塞的总传动机构力大小 相等方向相反而完成的。当活塞从完全闭合位置向完全打开位置移动时， 弹力随活塞位置 大致线性地减小。 在一些中间位置， 在由活塞、 小齿轮、 曲轴、 调和环与叶片组成的系中弹力 将平衡机械负载 / 力 ( 总的传动机构力 )， 从而活塞将保持在中间位置。 通过适当的选择弹 簧， 可以选择活塞将被保持的中间位置。 在示出的实施例中， 总的传动机构力的重要分量是由用于指示叶片位置的叶片位 置传感器 220 引起的。叶片位置传感器包括 ： 小齿轮 / 凸轮 200， 其外周边限定出了从小齿 轮 / 凸轮的转动轴线开始变化半径的凸轮轮廓 ； 以及， 凸轮随动件 222， 其布置为与小齿轮 / 凸轮的凸轮轮廓接合从而当其跟随凸轮轮廓时小齿轮 / 凸轮的转动使得凸轮随动件改变 位置。因此， 凸轮随动件 222 的位置根据曲轴 180 的转动位置而定， 并且因此是叶片位置的 指示。凸轮随动件 222 通过对凸轮随动件施加随动弹簧力的随动弹簧 ( 未示出 ) 压迫小齿 轮 / 凸轮。由随动弹簧力引起的分力通过小齿轮 / 凸轮 200 与齿条 196 传递至活塞 192。 该分力可以基于随动弹簧特性、 随动弹簧在凸轮随动件 222 的给定位置中的长度、 以及小 齿轮 / 凸轮和齿条的几何形状计算出。
根据本发明， 在一个实施例中， 构造并且布置了用于活塞 192 的弹簧 210 使得活 塞上的弹力和由随动弹簧力引起的活塞上的分力在完全打开和完全闭合位置之间的活塞 的中间位置处实质上彼此相抵消。在示出的实施例中， 构造和布置了凸轮 200、 凸轮随动件 222、 以及随动弹簧从而活塞 192 从完全闭合位置向完全打开位置的运动使得由随动弹簧 力作用在活塞上的分力增加， 而使得活塞上的弹力减小。这是因为当活塞从图 6 的完全闭 合位置向完全打开位置移动时， 凸轮 200 的轮廓使得凸轮随动弹簧越来越被压缩并且从而 随动弹簧力逐渐增加。另一方面， 当活塞向完全打开位置移动时， 活塞弹簧 210 的弹力大致 线性地减小。在一些中间位置， 活塞弹力将平衡由叶片位置传感器引起的力。
当选择弹簧 210 时， 还可能需要的是考虑活塞 / 齿条 / 小齿轮 / 曲轴 / 叶片传动
机构上其他的分力 ( 例如， 摩擦 )。这样的额外分力将增加由叶片位置传感器引起的分力， 并且因此在发动机起动时当液压流体压力实质上为零时， 需要稍稍较高弹力的弹簧以便获 得某一需要的叶片位置。
除了在发动机起动时叶片位于更佳的位置的优点外， 根据本改进的涡轮增压器也 可以通过使得活塞 192 的直径减小而有益于整个涡轮增压器封装。活塞直径的尺寸趋向于 由防止叶片在过度闭合位置变得 “粘附” 的需要而决定。在现有的涡轮增压器中， 通过使得 活塞直径较大而避免了叶片粘附从而用于给定油压的液压力将会变得更大并且将克服趋 向于将叶片保持在一个位置的叶片传动机构力。有时， 叶片还设计为叶片上的气体负载在 趋向于关闭叶片的方向上 ( 称为 “吹向关闭” 设计 )。因此， 为了将叶片向打开位置移动， 液 压致动器必须克服气体负载和由其他原因引起的传动机构力。 然而， 根据当前的改进， 在打 开叶片时弹力帮助液压力并且因此特大尺寸的活塞不是必须的。
根据本发明的一些实施例， 当液压流体压力为零时， 活塞的中间位置为从完全打 开位置至完全关闭位置的距离的大约百分之四十至五十， 如图 7 所示 ( 其示出了 40.6％的 闭合位置 )。然而， 本发明并不被限制在任何特别的中间位置。
本领域技术人员在上述说明书和附图的教导下， 将会想到对在此说明的本发明的 许多修改以及其他实施例。 因此， 应当理解， 本发明并不限于公开的具体实施例并且修改和 其他实施例被包含在所附的权利要求的范围内。尽管在此使用了专用名词， 但使用它们仅 是为了通用和描述的目的并不是为了进行限定。