可变涡轮几何形状的涡轮增压器 【技术领域】
本发明涉及一种用于内燃发动机的涡轮增压系统，并且更具体地涉及一种涡轮增压系统的可变涡轮几何形状。
背景技术
涡轮增压器是一类强迫式进气系统。它们将流入发动机的空气压缩，因此提升发动机的马力而没有明显地增加重量。涡轮增压器利用来自发动机的排气流动来使涡轮旋转，该涡轮进而驱动一台空气压缩机。由于涡轮的旋转比大多数汽车发动机大约快30倍并且它是与排气接通的，所以涡轮内的温度非常高。此外，由于高速的流动，涡轮增压器承受噪声和振动。这类情况可以对涡轮增压器的这些部件、尤其是对这些旋转件(如涡轮机转子)产生一种有害的作用，这可以导致系统的失败。
涡轮增压器被广泛地使用在内燃发动机上，并且在过去它们特别地与大型柴油发动机、尤其是用于公路货车和船舶应用的大型柴油发动机一起使用。最近，除了与大型柴油发动机结合使用以外，涡轮增压器与较小的、轿车动力设备一起使用已经变得很普遍。涡轮增压器在轿车应用中的使用允许选择一种动力设备，该动力设备从一个较小的、较低质量的发动机产生出相同的马力数。使用一种较小质量的发动机具有令人希望的效果：减少汽车总重量、增加运动性能并且提高燃料经济性。另外，涡轮增压器的使用允许传送给发动机的燃料的更完全的燃烧，由此减少发动机的总的排放物，这对令人高度渴望的更加清洁的环境目标有所贡献。在现有技术中详细说明了涡轮增压器的设计和功能，例如，美国专利号4,705,463、5,399,064和6,164,931，它们的披露内容通过引用结合在此。
涡轮增压器单元典型地包括可与发动机排气歧管操作地相连接的一台涡轮机、与该发动机空气进气歧管可操作地相连接的一台压缩机，以及使该涡轮机与该压缩机相连接的一根轴，这样涡轮机叶轮的旋转引起压缩机叶轮的旋转。涡轮是由排气歧管中流动的排气来驱动旋转的。压缩机叶轮是由该涡轮来驱动旋转，并且当压缩机叶轮旋转时，它增加了被传送到发动机汽缸的空气质量流速、气流密度以及空气压力。
随着涡轮增压器在轿车应用中得到越来越多的欢迎时，三线设计指标被移动到显著位置。首先，市场要求或者轿车或者货车的动力设备的所有部件(包括涡轮增压器)必须提供比在过去所要求的更长时期的可靠操作。即，在过去对于轿车也许已经可接受的是在行驶80,000至100,000英里之后时要求一次发动机大修，而现在，必须设计用于超过200,000英里运行的可靠操作的发动机部件。现在，必须在货车中设计用于超过1,000,000英里运行的可靠操作的发动机部件。这意味着必须采取额外的考虑来确保所有支持装置的正确的制造与协作。
被移到显著位置的第二设计指标是动力设备必须满足或者超过在最小NOx和微粒物质排放量方面的非常严格的要求。第三，随着涡轮增压器的大批量生产，令人高度希望的是设计一种涡轮增压器，它满足以上指标并且包括最小数目的零件。此外，那些零件应该是易于制造并且易于组装，以便提供一种有成本效益的并且可靠的涡轮增压器。由于发动机舱内的缺乏空间，还令人希望的是将涡轮增压器的整个几何封装或者包封最小化。
授予Higashimori的美国专利号6,877,955示出了一种涡轮增压器，该涡轮增压器具有到涡轮机的一种径向流动。如图1所示，该径向涡轮机配备有被附接到一条旋转轴线上的转子叶片单元100以及具有与蜗牛形状相似的一个蜗壳102。转子叶片单元100具有一个轮毂101以及在径向方向中安排在轮毂101上的多个叶片103。一个喷嘴104被插在蜗壳102与叶片103地一个旋转区域之间。一种气体从蜗壳102流入喷嘴104，并且它被加速并且由喷嘴104给予旋转力从而产生高速流动105，该高速流动在该转子轴线的方向中流动。高速流动105的流动能量被安排在轮毂101上的这些叶片103转换成旋转能量。这些叶片103将已经在旋转轴线的方向中失去能量的气体107排出。
Higashimori的径向流动系统受制于仅将径向流动提供给涡轮机叶轮的缺点，该涡轮机叶轮将不能在一个较宽的入射角度的范围上有效率地运转。在这样一种设计中，在所需要的发动机运行条件下仅应用径向流动将会导致效率降低。
因此，存在对于涡轮增压器系统以及制造这样一种系统的方法的一种需要，该系统有效地并且有效率地控制将排气施加到涡轮机叶轮上。
【发明内容】
涡轮增压器的这些示例性实施方案在可变涡轮几何形状(VTG)环境中将排气的一个轴向流动分量和一个径向流动分量均进行利用来驱动涡轮机叶轮。这种混合流动是可以由多种技术来提供，这些技术包括涡轮机叶轮的多个延伸的尖端、二次流动以及泄漏流动。
在本发明的一个方面中提供了一台涡轮增压器，该涡轮增压器具有一个涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮带有多个延伸的尖端；以及一个可变涡轮几何形状组件，该组件与该涡轮机叶轮处于流体连通并且具有一个喷嘴环，该喷嘴环带有可移动地连接到其上的多个叶片。这些延伸的尖端中的一个或者多个与该多个叶片中的一个或者多个的边缘是不平行的。
在另一方面中提供了一种方法，该方法包括：将一个排气流动提供给一个可变涡轮几何形状涡轮增压器的一个涡轮机叶轮，其中该排气流动是既有一种径向分量也有一种轴向分量的混合流动。该混合流动是由泄漏气体、二次流动以及该涡轮机叶轮的一个不平行的入射角度中的至少一个形成的。
【附图说明】
在附图中通过举例而非限制的方式展示了本发明的，其中，类似的参考数字指示了类似的部分，并且在这些附图中：
图1是具有到涡轮机叶轮的一个径向流动的现代涡轮增压器系统的示意性表示；
图2是根据本发明的一个示例性实施方案的涡轮增压器的一部分的截面视图；
图3是图2的涡轮增压器的一部分的截面视图；
图4是根据本发明的另一个示例性实施方案的涡轮增压器的一部分的截面视图；
图5是图4的涡轮增压器的另一个截面视图；并且
图6是图4的涡轮增压器的部分A的截面视图。
【具体实施方式】
本发明的实施方案是针对在涡轮增压器中沿涡轮机叶轮的混合流动，该混合流动用于驱动一台压缩机从而将一种压缩的流体传送到内燃发动机中。将联系具有一种具体的涡轮机叶轮几何形状的一个涡轮机部分而对本发明的多个方面予以说明，但详细的说明仅旨在作为示例性的。图2至图6示出了本发明的多个示例性实施方案，但本发明并不限于所说明的结构或应用。
参见图2至图3，一个涡轮增压器1具有一个涡轮机壳体2、一个中心壳体3以及一个压缩机壳体3a，它们彼此相连并且沿一条旋转轴线R定位。涡轮机壳体2具有遍布支撑环6的圆周上的多个导向叶片7的一个外部导向格栅。这些导向片7是可以由插入支撑环6的多个孔中的多个枢转轴8来枢转的，这样每对导向片根据这些叶片7的枢转位置来限定具有选择性地可变截面的多个喷嘴。这允许使更大或者更小的排气量供给一个涡轮转子4。
这些排气是通过具有一个入口99的供给通道9而提供给这些导向叶片7和转子4。这些排气是经过一个中央的短的送气管10排出，并且转子4驱动被固定到轮轴20上的压缩机叶轮、推进器或转子21。本披露还考虑了使涡轮机壳体2、中心壳体3以及压缩机壳体3a中的一个或多个彼此形成为一体。
为了控制这些导向叶片7的位置，可以提供具有一个控制壳体12的一个致动装置11，该致动装置控制容纳在其中的一个杵构件14的致动运动，该杵构件的轴向运动被转换成位于支撑环6后面的一个调节环或控制环5的转动。通过这种转动，这些导向叶片7可以从一个基本上切向的极端位置移置到一个基本上径向延伸的极端位置中。以此方式，由供应通道9提供的来自燃烧发动机的更大或更小的排气量可以被送至涡轮机转子4，并且经过轴向送气管10排出。
在叶片支撑环6与涡轮机壳体2的一个环形部分15之间，可以有一个相对小的空间13，以允许这些叶片7的自由运动。可以选择叶片空间13的形状和尺寸从而增加涡轮增压器1的效率，同时允许由于热排气而造成的热膨胀。为确保叶片空间13的宽度以及叶片支撑环6距相反的壳体环15的距离，叶片支撑环6可以具有在其上形成的多个间隔件16。其他不同的涡轮增压器部件也可以与压缩机叶轮21和涡轮增压器1一起使用。
涡轮增压器1可以具有一种混合流动的涡轮机叶轮4，该混合流动的涡轮机叶轮是通过一个非零的叶片入口角度、具有从该中心轴线变化半径的一个入口或者二者的一种组合而形成的。图2至图3中的示例性实施方案展示了带有一个延伸的尖端400的一个涡轮机叶轮4。延伸的尖端400可以与涡轮增压器的轴线成不同的角度。涡轮机叶轮4的混合流动受益于用来提高效率的该排气流动的径向和轴向的分量。
在一个可变涡轮几何形状的涡轮增压器中，这些叶片7是控制相对的涡轮机叶轮片的入射角度的主导性因素。其结果是，可以迫使该涡轮增压器在一个更宽的入射角度的范围上运行。混合流动的涡轮机叶轮4与一种可变涡轮几何形状(例如，多个叶片7)相结合的应用允许涡轮增压器1在一个更宽的入射角范围上保持更高的效率。在一个实施方案中，通过对进气流进行节流以便得到一种改进的瞬时响应，该涡轮机叶轮的几何形状可以补偿由于这种涡轮机叶轮几何形状所造成的任何增加的惯性。
参见图4至图6，示出了混合流动涡轮机叶轮的另一个示例性实施方案并且该涡轮机叶轮总体上是由参考数字4’表示。涡轮机叶轮4’具有在这些叶片7附近的一个或者多个延伸的尖端400’。这些延伸的尖端400’与这些叶片7的后缘中的每一个成一个角度(即不是平行的)。在一个实施方案中，涡轮机叶轮4’的所有这些尖端都是延伸的尖端400’。在一个实施方案中，该角度是在1度到60度之间，优选地是在5度到45度之间，并且更优选地是在10度到30度之间。然而，除了这些延伸的尖端400’的改变的角度之外，本披露还考虑了使用其他角度。这些延伸的尖端400’可以延伸进入叶片空间13的一个入口中。该入口总体上由图5中的虚线500表示。
这些VTG叶片7可以控制进入涡轮机叶轮4’的流动角度并且可以直接影响该切向和径向流动矢量的大小。在一个实施方案中，其中混合流动涡轮机叶轮4’对于入射角度的敏感性是较低的，于是该叶轮于一个传统的径向流入叶轮相比可以在一个更宽的入射角度(切向的/径向的分量)的范围上保持一个更高的总体效率。
在另一个实施方案中，一种可变涡轮几何形状涡轮增压器可以具有由泄漏流动、二次流动或者二者的一种组合而产生排气流动的一个轴向分量。这可以与这些延伸的尖端400以及400’相结合来使用。在另一个实施方案中，叶片7可以是平行于涡轮机叶轮的角度。在这样的实施方案中，VTG叶片的后缘不是径向的并且具有与该涡轮机叶轮入口相匹配的一个角度(或者相似的角度)。
虽然在此就适合汽车或货车工业的一个实施方案对涡轮机叶轮进行了详细地说明，但容易看清楚的是该涡轮机叶轮以及用于其制造的方法也适合用于多种其他的应用(例如燃料电池动力的车辆)中。尽管本发明以其优选的方式并且通过关于汽车内燃机压缩机叶轮的某些特质进行了说明，应该理解本披露的优选形式仅通过举例给出，并且无须脱离本发明的精神和范围即可在结构的以及组合构成的细节中采用多种变化。
本披露还考虑这些涡轮增压器和/或壳体的特征可以与需要一个特定长度的扩散器其他类型的流体推进装置一起使用。这类其他的流体推进装置包括(但不限于)以下各项：增压器；离心泵；离心风扇；单级气体压缩机；多级气体压缩机；以及总体上使用一个或者多个旋转元件来压缩气体和/或引起流体流动的其他种类的装置。
虽然已通过参照用于说明目的而选择的一个具体实施方案对本发明进行了说明，但应该清楚，本领域普通技术人员无需背离本发明的精神和范围即可对其做出很多修改。