专利名称：涡轮增压器系统子组件及相关的组装方法
涡轮增压器系统子组件及相关的组装方法技术领域
本公开大体涉及用于内燃机的涡轮增压器系统。更具体而言，本公开涉及用于 将涡轮增压器系统的构件组装在一起的方法，并且涉及涡轮增压器系统的各种子组件 (subassembly)0背景技术
通常采用排气(exhaust gas)驱动式涡轮增压器来提高内燃机的性能。典型的涡 轮增压器包括具有容纳压缩机叶轮的压缩机壳体的压缩机、具有容纳涡轮机叶轮的涡轮机 壳体的涡轮机，以及将涡轮机叶轮连接至压缩机叶轮的轴。该轴支承在容纳在中心壳体中 的轴承中，该中心壳体栓接至压缩机壳体和涡轮机壳体。
典型地，从发动机的气缸排出的排气被收集在排气歧管中，该排气歧管通往排气 管，并且排气管与一个或多个涡轮增压器联接，以用于将排气输送到(多个)涡轮增压器的 (多个)涡轮机。当有多个涡轮增压器时，已经提出了各种布置，包括串联式、并联式、顺序 串联式(serial-sequential)等。在一些情况下，在排气歧管和涡轮增压器中的一个之间 布置有阀，以用于选择性地允许或阻止排气流动。典型地，阀具有栓接至排气歧管且栓接至 涡轮增压器的涡轮机壳体的壳体。
在这些类型的涡轮增压器/发动机系统中，存在典型地预组装好的构件的各种子 组件。例如，在上文所描述的阀的情况下，阀可与排气歧管预组装起来以形成子组件，而且 随后可使用螺栓来将涡轮增压器的涡轮机壳体栓接至排气歧管，螺栓穿过阀的壳体中的孔 并且通入歧管中的孔中。备选地，阀可与涡轮机壳体预组装起来，然后该子组件可与歧管和 系统的其它构件组装起来。如另一实例，在涡轮增压器的组装期间，中心壳体可与压缩机壳 体或与涡轮机壳体预组装起来，以及/或者可变喷嘴机构可与中心壳体预组装起来。在这 种预组装操作中，子组件的构件相对于彼此放置在预定的位置中并且利用例如金属螺钉、 金属销、金属夹等适当的紧固件(fastener)被固定(secure)在这种位置中。发明内容
本公开涉及用于将发动机/涡轮增压器系统中的构件预组装或组装在一起的方 法，并且涉及这种系统的子组件。根据一个方面，本公开描述了一种系统的子组件，该系统 包括与内燃机排气系统联接的排气涡轮增压器系统。子组件包括彼此固定的第一构件和第 二构件，其中，构件在发动机操作期间由发动机排气加热到操作温度。通过或利用“低熔性 材料(low-melt material) ”( S卩，其熔化温度小于操作温度的材料)将构件彼此固定，以使 得低熔性材料在发动机和涡轮增压器系统操作后熔化或至少失去其固定和/或定位功能， 并且由此不再对构件执行任何紧固或定位功能。在一些实施例中，采用由低熔性材料制成 的或包含低熔性材料的临时紧固件来临时地固定并定位构件。
在一些实施例中，临时紧固件可包括带螺纹的(threaded)紧固件，例如螺栓或螺 钉。备选地，可使用其它类型的紧固件，例如，具有开口(split)部分或“翼”(这些开口部分或“翼”在通过其被插入到当中的孔的背侧而出现后以有弹性的方式张开)的树形紧固 件(也称为杉树或圣诞树紧固件)、夹子、销、榫钉等。紧固件的具体类型不是特别重要，只 要紧固件能够如上文所表明的那样在低熔性材料熔化后失去其紧固和定位能力即可。
临时紧固件可由在升高到操作温度时将熔化的任何材料制成或包含这种材料。在 一些实施例中，低熔性材料是电绝缘的，以使得已熔化的材料可能滴落到电线或构件上也 不会导致短路等。在其它情况下，可不需要绝缘材料。对构造临时紧固件有用的绝缘性和 非绝缘性的低熔性材料可包括热塑性聚合物、低熔性金属(例如铋、锑、锡、镉、铅、铟以及 两种或更多种此类金属的合金)、低熔性玻璃(即对其添加硒、铊、砷或硫以实现127-349 或沈0_660° F的熔点的玻璃)以及其它材料。大体上，材料的熔点或液相线(Iiquidus) 温度可在约120°C至约500°C的范围中。
在一个实施例中，子组件的第一构件包括接收来自发动机气缸的排气的排气歧 管，排气歧管限定用于排气的出口通道。第二构件包括安装在排气歧管上的阀组件，阀组件 包括阀壳体，阀壳体限定与排气歧管的出口通道处于流体连通的阀通道。例如，阀可包括蝶 形阀。
在另一个实施例中，歧管和阀组件的子组件与具有涡轮机壳体的涡轮增压器结 合。涡轮机壳体固定(affix)至阀壳体和排气歧管，以使得阀壳体设置在涡轮机壳体的表 面和排气歧管的表面之间。阀壳体限定了穿过其中的孔，涡轮机壳体限定了穿过其中的对 应的孔，并且排气歧管限定了在其中的对应的孔。通过螺栓将涡轮机壳体和阀壳体固定至 排气歧管，该螺栓穿过涡轮机壳体中的孔且穿过阀壳体中的孔而到达排气歧管中的孔中。
在另一个方面中，本公开描述了一种用于组装系统的构件的方法，该系统包括与 内燃机排气系统联接的排气涡轮增压器系统。该方法包括步骤通过临时紧固件将系统的 第一构件和第二构件彼此固定，该临时紧固件包含低熔性材料，该低熔性材料的熔化温度 小于构件在发动机操作期间由发动机排气加热到的操作温度。该方法可包括附加的步骤 通过高熔性材料(high-melt material)将第一构件和第二构件彼此永久性地固定，该高熔 性材料具有基本高于操作温度的熔点温度。例如，永久性固定步骤可包括使由高熔性材料 制成的一个或多个永久性紧固件上的螺纹与由第一构件和第二构件中的至少一个所限定 的对应的螺纹接合。备选地，永久性固定步骤可包括使用高熔性材料在第一构件和第二构 件之间形成一个或多个冶金(metallurgical)结合件(bond)。
因此，已概括地描述了本公开，现在将参照附图，附图未必是按比例绘制的，并且 其中
图1是根据本发明的一个实施例的发动机/涡轮增压器系统的简图2是根据本发明的一个实施例的发动机排气/涡轮增压器系统的等距视图3是根据本发明的一个实施例的系统的子组件的正视图4是子组件的侧视图5是子组件的等距视图；以及
图6是子组件的俯视图。
具体实施方式
现在将参照附图在下文中对本发明进行更加全面的描述，附图中显示了发明的一 些但非全部实施例。事实上，这些发明可以许多不同的形式来体现，并且这些发明不应理解 为限于本文中所阐述的实施例；而是相反，提供这些实施例以使得本公开将满足可应用的 法律要求。在全文中，相同参考标号表示相同元件。
在整个说明书和权利要求书中，术语“紧固件”是广泛的并且包括执行下者中的任 何一种或两者的任何装置或物件(1)用以将两个或更多个构件保持在一起以使得其不会 分开的固定功能，以及(2)用以将两个或更多个构件相对于彼此定位在期望的或预定的相 对位置中的定位或确定位置功能。这种装置或物件可包括但不限于带螺纹的螺钉、带螺纹 的螺栓、销、榫钉、夹子、夹具、铆钉、绳子或线材(wire)、系材(tie)等。另外，根据本发明 的紧固件可包括冶金结合件，例如构件之间的焊料接头(solder joint)或焊接接头(weld joint)ο
图1中示意性地示出了根据本发明的一个实施例的发动机/涡轮增压器系统。该 系统包括内燃机E和排气/涡轮增压器系统100。内燃机E的气缸C通过进气歧管IM接收 燃烧空气。如果需要的话，燃烧空气可在被供应到进气歧管之前在中间冷却器IC中冷却。 气缸还接收燃料，燃料在进气歧管之前与燃烧空气混合或者由燃料喷射器(未显示)单独 喷射到气缸中，并且燃料空气混合物在气缸中燃烧，从而产生排气，排气从气缸中排出到排 气/涡轮增压器系统的一个或多个排气歧管110中。歧管为各个发动机气缸限定单独的排 气导管112。导管112并入(merge)歧管的公共管114中。歧管还限定(至少部分地)排 气管116，排气从歧管的公共管114中排出通过排气管116。
来自排气歧管110的排气流驱动高压(HP)涡轮增压器10和低压(LP)涡轮增压 器20。HP涡轮增压器10包括HP涡轮机HPT和HP压缩机HPC，通过轴将HP涡轮机HPT和 HP压缩机HPC彼此连接，以使得HP涡轮机的旋转促使轴旋转，这又促使HP压缩机旋转并且 压缩供应到其中的空气流，以用于将空气流输送到发动机的进气歧管IM0同样，LP涡轮增 压器20包括LP涡轮机LPT和LP压缩机LPC，通过轴将LP涡轮机LPT和LP压缩机LPC彼 此连接，以使得LP涡轮机的旋转促使轴旋转，这又促使LP压缩机旋转并且压缩供应到其中 的空气流，以用于将空气流输送到发动机的进气歧管IM0图1仅描绘了涡轮增压器系统的 排气侧，但将理解的是，存在空气导管系统，以用于将空气供应到各个压缩机，并且用于将 由压缩机所压缩的空气供给到进气歧管(或者可选地供给到中间冷却器IC，然后空气从该 中间冷却器IC供应到进气歧管)。
系统的涡轮机侧包括主排气管116和HP支管118，主排气管116传送来自排气歧 管110的排气，HP支管118从主排气管116中分支出来并且将排气供应到HP涡轮机HPT。 已经穿过HP涡轮机的排气的被排出通过第一涡轮机排出管道14。如果需要的话，旁路管道 (未显示)可连接在HP涡轮机的上游的HP支管118和HP涡轮机的下游的排出管道14之 间，以用于每当布置在旁路管道中的旁路阀(未显示)打开时使排气旁通绕过HP涡轮机。
不穿过HP支管118的、在排气管116中传送的排气通过流量控制阀130被传送到 LP涡轮机入口管22，该LP涡轮机入口管22将气体供应到LP涡轮机LPT。已经穿过LP涡 轮机的排气被排出通过LP涡轮机排出管道M。旁路管道(未显示)可连接在LP涡轮机的 上游的LP涡轮机入口管22和LP涡轮机的下游的排出管道M之间，以用于每当布置在旁路管道中的旁路阀(未显示)打开时使排气旁通绕过LP涡轮机。
本发明尤其涉及使流量控制阀130与排气歧管110组装起来的方式。更一般地， 本发明涉及将发动机/涡轮增压器系统中的子组件的两个(或更多个)构件彼此组装起来 的方式。在这种系统的各种背景(context)中，首先将两个或更多个构件组装在一起以形 成子组件，随后将子组件结合到较大的组件中。因此，必要的是通过紧固件或机构将构件相 对于彼此一起固定在预定的位置中以形成子组件。但是，在一些情况下，将子组件结合到较 大的组件中会导致构件通过附加的紧固件或机构来固定在一起，附加的紧固件或机构使原 先的紧固件或机构成为多余的，甚至是不期望的。本发明处理了这个问题。
现在参照具体的说明性实例来解释本发明，但将理解的是，本发明可更加一般地 应用于各种类型的两个或更多个构件的组装，并且在说明书结尾处引用但未示出附加的实 例。图2-4中示出了根据本发明的一个实施例的发动机排气/涡轮增压器系统100。系统 包括排气歧管110，该排气歧管110通过由歧管所限定的单独的排气导管112接收来自内燃 机的各气缸的排气，如上文所表明的那样。导管112并入歧管的公共管114中。管114通往 排气管116，公共管114中的排气通过排气管116供应到涡轮增压器系统。HP支管118(图 6)从排气管116中分支出来以用于将排气供应到HP涡轮机。HP支管包括用于连接至HP涡 轮机的涡轮机壳体的对应的法兰的法兰120。在这样的点(即，HP支管在该点处从排气管 116中分支出来)的下游，流量控制阀130连接至排气管。阀130可选择性地打开或关闭。 当阀关闭时，流过排气管116的基本所有排气都通过HP支管118运送(route)到HP涡轮 机，如之前结合图1所描述的那样。
特别参照图5和6，阀130包括阀壳体132，该阀壳体132限定了穿过其中以用于在 阀打开时使排气通过的阀通道134。所示出的特定的阀是蝶形阀，其具有设置在通道134中 且固定至以枢转的方式支承(journal)在阀壳体132中的轴的蝶形瓣(flap) 136 ；更一般 地，根据该实施例的阀可具有任何各种类型的可动的阀部件。蝶形瓣的轴由促动器140(例 如气动促动器或任何其它适当类型的促动器)枢转。促动器通过适当的托架142而安装在 排气歧管110上并且具有联接至杠杆臂146的输出轴或杆144，杠杆臂146又连接至蝶形瓣 的轴。杆144的伸展(extension)使杠杆臂146枢转且由此使蝶形瓣沿一个方向枢转，并 且杆的收回(retraction)使蝶形瓣沿相反的方向枢转，以便打开和关闭阀。
在涡轮增压器系统与发动机排气歧管110的最后组装期间，通过带螺纹的螺栓 150和152将阀壳体132安装在排气歧管上，带螺纹的螺栓150和152还用来将LP涡轮机 的壳体安装至阀壳体和歧管。阀壳体设置在涡轮机壳体的表面和排气歧管的表面之间。更 具体地，如在图4中最佳地看到的那样，螺栓150穿过LP涡轮机壳体的法兰160中的孔，穿 过阀壳体132中的孔，并且穿过歧管110中的孔，其中，螺栓150的扩大的头部接合LP涡轮 机壳体法兰的表面，而螺栓150的螺纹接合歧管的孔中对应的螺纹。螺栓152类似地穿过歧 管110中的孔，穿过阀壳体132中的孔，并且穿过LP涡轮机壳体法兰160中的孔，其中，螺 栓152的扩大的头部接合歧管110的表面，而螺栓152的螺纹接合LP涡轮机壳体法兰160 的孔中对应的螺纹。
但是，在排气/涡轮增压器系统100的最后组装之前，必要的是首先将阀130及其 促动器140安装在歧管110上(或者，备选地，安装在LP涡轮机壳体上)，并且校准阀的操 作。为了该目的，在本发明之前，本申请人的实践是利用两个小金属螺栓来安装阀。小金属7螺栓对于将阀定位在适当位置中以用于阀校准的目的来说是足够的，但却不适于或不意味 着用于将阀永久性地紧固至歧管。虽然从阀校准立场来说这种途径是令人满意的，但是最 后组装的最终结果是总共用了六个螺栓来将阀固定至歧管。这是不期望的，因为这导致了 “超静定”组装，其中，两个小金属螺栓对于将阀固定至歧管来说不是必要的，但却以不期望 的方式帮助增加阀壳体的刚性，尤其是当零件经受热膨胀时。
根据本发明，利用一个或多个由低熔性材料制成或包含低熔性材料的临时紧固件 来完成阀130与歧管110(或者，备选地，与LP涡轮机壳体)的初始组装，低熔性材料的熔 化温度(即液相线温度)低于构件在操作期间有发动机排气所加热到的温度(后一个温度 在本文指的是“操作温度”)。在典型的发动机/涡轮增压器系统中，暴露于发动机排气或 受其影响的构件被加热到至少约150°C的温度、尤其至少约250°C、更尤其为至少约400°C、 又更尤其为至少约500°C、以及典型为至少约600°C。这种温度远远低于典型的金属紧固件 (例如之前用来将阀与歧管预组装起来的小金属螺栓)的熔化温度。但是，根据本发明，当 (多个)紧固件的低熔性材料由排气加热时，(多个)临时紧固件的固定和/或定位功能终 止(cease)。低熔性材料具有在约120°C至约500°C的范围中的熔化温度，如此地选择材料， 即，使得其熔化温度小于由(多个)临时紧固件所固定的构件在发动机操作期间被加热到 的操作温度。
在一个实施例中，如图2-6中所显示的那样，临时紧固件包括带螺纹的紧固件，例 如穿过阀壳体132中的孔通入歧管110中的孔的螺栓170。螺栓170可由任何各种低熔性 材料制成，或者可包含任何各种低熔性材料，低熔性材料包括但不限于热塑性聚合物、低熔 性金属(例如铋、锑、锡、镉、铅、铟以及两种或更多种此类金属的合金)、低熔性玻璃(即对 其添加硒、铊、砷或硫以实现127-3491或沈0-660° F的熔点的玻璃)以及其它材料。在 一些实施例中，临时紧固件可专门由低熔性材料形成，以使得各个紧固件的整个结构在被 加热到低熔性材料的熔化温度之上时熔化。在其它实施例中，各个临时紧固件的一部分可 由低熔性材料形成，以使得材料的熔化使紧固件失去其紧固功能。
在所示出的实施例中，在阀130由临时螺栓170临时性地固定至排气歧管110(或 者，备选地，固定至LP涡轮机壳体)之后，校准阀。可将歧管110和阀130的子组件(加上 阀促动器140和相关联的零件)运送给最终使用者，以用于结合到发动机/涡轮增压器系 统中，例如在图1中概略地所显示的系统。在进行最后组装时，使用螺栓150，152将LP涡 轮机栓接至阀和歧管，如上文所描述的那样。在发动机/涡轮增压器系统的操作后，当阀壳 体132被加热到操作温度时，螺栓170的低熔性材料熔化，以使得螺栓不再执行任何用于阀 壳体的紧固或定位功能。之后，仅永久性螺栓150，152执行紧固和定位功能。
如上文所表明的，本发明的概念可应用于紧固和定位发动机排气/涡轮增压器系 统的各种构件。例如，在涡轮增压器的组装期间，通常必要的是将中心壳体固定至涡轮机壳 体，或者在涡轮增压器的最后组装之前，相对于中心壳体来定位压缩机壳体。可在这种情况 下使用根据本发明的临时紧固件。同样如上文所表明的，根据本发明的紧固件不仅可包括 传统意义上的紧固件，而且还可包括冶金结合件，例如由或利用低熔性材料在构件之间形 成的焊料接头或焊接接头。
构件彼此永久性地紧固不仅可通过紧固件来实现，而且还可通过冶金结合件(例 如由或利用高熔性材料在构件之间形成的焊料接头或焊接接头)来实现。
受益于前文的描述和相关联的附图中所呈现的教导，与这些发明相关的领域中的 技术人员将想到本文中所阐述的发明的许多变型和其它实施例。因此，应理解的是本发明 不限于所公开的具体实施例，并且意图将变型和其它实施例包括在所附的权利要求书的范 围内。虽然在本文中采用了专用术语，但是其仅是在一般且描述性的意义上而非出于限制 目的被使用。
权利要求
1.一种系统的子组件，所述系统包括与内燃机排气系统联接的排气涡轮增压器系统， 所述子组件包括在发动机操作期间由来自发动机排气的传热加热到操作温度的第一构件和第二构件， 通过低熔性材料将所述第一构件和所述第二构件相对彼此固定在预定的位置中，所述低熔 性材料的熔化温度小于所述操作温度，以使得所述低熔性材料在所述发动机和涡轮增压器 系统操作后熔化，并且所述低熔性材料不再对所述构件执行任何紧固或定位功能。
2.根据权利要求1所述的子组件，其特征在于，通过包括所述低熔性材料的临时紧固 件将所述第一构件和所述第二构件彼此固定。
3.根据权利要求2所述的子组件，其特征在于，所述第一构件包括接收来自所述发动 机的排气的排气歧管，所述排气歧管限定用于所述排气的出口通道，并且所述第二构件包 括安装在所述排气歧管上的阀组件，所述阀组件包括阀壳体，所述阀壳体限定与所述排气 歧管的出口通道处于流体连通的阀通道。
4.根据权利要求3所述的子组件，其特征在于，所述子组件与具有涡轮机壳体的涡轮 增压器结合，所述涡轮机壳体固定至所述阀壳体和所述排气歧管，以使得所述阀壳体设置 在所述涡轮机壳体的表面和所述排气歧管的表面之间。
5.根据权利要求4所述的子组件，其特征在于，所述阀壳体限定孔，所述涡轮机壳体限 定对应的孔，并且所述排气歧管限定其中的对应的孔，并且通过螺栓将所述涡轮机壳体和 所述阀壳体固定至所述排气歧管，所述螺栓穿过所述涡轮机壳体中的孔，穿过所述阀壳体 中的孔，并且穿过所述排气歧管中的孔。
6.根据权利要求1所述的子组件，其特征在于，所述低熔性材料具有从约120°C至约 500°C的熔化温度。
7.根据权利要求1所述的子组件，其特征在于，所述低熔性材料是热塑性聚合物。
8.根据权利要求1所述的子组件，其特征在于，所述低熔性材料是电绝缘的。
9.根据权利要求1所述的子组件，其特征在于，所述低熔性材料是低熔性金属。
10.根据权利要求1所述的子组件，其特征在于，所述低熔性材料是低熔性玻璃。
11.根据权利要求1所述的子组件，其特征在于，所述第一构件包括所述涡轮增压器系 统的中心壳体，并且所述第二构件包括所述涡轮增压器系统的涡轮机壳体。
12.根据权利要求1所述的子组件，其特征在于，所述临时紧固件包括带螺纹的紧固件。
13.根据权利要求2所述的子组件，其特征在于，所述临时紧固件包括树形紧固件。
14.根据权利要求2所述的子组件，其特征在于，所述临时紧固件包括定位销。
15.一种用于组装系统的第一构件和第二构件的方法，所述系统包括与内燃机排气系 统联接的排气涡轮增压器系统，其中，所述构件在发动机操作期间由来自发动机排气的传 热加热到操作温度，所述方法包括以下步骤使用低熔性材料将所述系统的第一构件和第二构件相对于彼此固定在预定的位置中， 所述低熔性材料的熔化温度小于所述操作温度。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述固定步骤采用了包含所述低熔性 材料的临时紧固件。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤操作所述发动机和排气涡轮增压器系统，以便将所述构件至少加热到所述操作温度，并且因而造成所 述低熔性材料熔化，从而所述临时紧固件不再对所述构件执行任何紧固或定位功能。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述固定步骤之后 执行的步骤通过具有基本高于所述操作温度的熔点温度的高熔性材料将所述第一构件和 所述第二构件彼此永久性地固定。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述永久性固定步骤包括使一个或多 个永久性紧固件上的螺纹与由所述第一构件和所述第二构件中的至少一个所限定的对应 的螺纹接合，所述永久性紧固件由所述高熔性材料制成。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述永久性固定步骤包括在所述第一 构件和所述第二构件之间形成一个或多个冶金结合件，所述结合件利用所述高熔性材料制 成。
全文摘要
一种系统的子组件，该系统包括与内燃机排气系统联接的排气涡轮增压器系统，子组件包括彼此固定的第一构件和第二构件，其中，构件在发动机操作期间由发动机排气加热到操作温度。通过或利用“低熔性材料”、即熔化温度小于操作温度的材料将构件彼此固定，以使得低熔性材料在发动机和涡轮增压器系统操作后熔化或至少失去其固定和/或定位功能，并且由此不再对构件执行任何紧固或定位功能。在一些实施例中，采用由低熔性材料制成的或包含低熔性材料的临时紧固件来临时固定并定位构件。
文档编号F02B39/02GK102037221SQ200880110847
公开日2011年4月27日 申请日期2008年10月7日 优先权日2007年10月4日
发明者A·让森, J·-L·佩兰, M·鲁菲诺尼 申请人:霍尼韦尔国际公司