专利名称：具有滑动闸门以及多个蜗壳的简化的可变几何形状涡轮增压器的制作方法
技术领域：
本发明是针对能够保持排气速度以及脉冲能量的一种低成本涡轮机流动控制装 置的设计。该低成本涡轮增压器与低速流动状况相配合，以便为低速流动提供优化的涡轮 (以及因此发动机)的瞬态响应，同时在低速流动状态之外还能够在同一个成本有效的涡 轮增压器中输送发动机所要求的高速流动。
背景技术：
涡轮增压器是一种强制性进气系统它们将空气以与在正常吸气布置中将有可能 情况相比更大的密度传送到发动机进气系统、从而允许燃烧更多的燃料，因此在没有明显 增压发动机重量的情况下提升了发动机的马力。这能够使用一台较小的涡轮增压的发动机 来替代一台较大物理尺寸的正常吸气的发动机，因此减少了车辆的质量以及空气动力学的 前端面积。涡轮增压器(图1)使用来自发动机排气歧管的排气流100 (该排气流在涡轮机壳 体2的涡轮机入口 51处进入涡轮机壳体)来驱动一个涡轮机叶轮70，该涡轮机叶轮位于一 个涡轮机壳体50内。该涡轮机叶轮被稳固地附着到一个轴上，该轴的另一端包括一个压缩 机叶轮，该压缩机叶轮被安装到该轴上并且通过来自一个压缩机螺母的夹紧负载而保持在 适当的位置中。该涡轮机叶轮的主要功能是提供驱动该压缩机的旋转能量。一旦排气已经 通过涡轮机叶轮70并且涡轮机叶轮已经从该排气中提取了能量，用过的排气101通过出口 导流器52从涡轮机壳体2排出并且被输送到车辆下行管并且通常到一些后处理装置上，如 催化转化器、微粒和NOx收集器。由涡轮机阶段产生的动力是穿过涡轮机阶段的膨胀比的一个函数。这就是从涡轮 机入口 51与涡轮机出口导流器52的膨胀比。除其他参数外，涡轮机动力的范围是通过该 涡轮机阶段的气流的一个函数。压缩机段包括一个叶轮以及其壳体。过滤的空气通过压缩机叶轮20的旋转被轴 向地抽取到压缩机盖件10的入口 11中。由涡轮机阶段产生的到达轴和叶轮上的动力驱动 压缩机叶轮20以产生静态压力与一些剩余动能和热量的一种组合。被加压的气体穿过压 缩机排放口 12从压缩机盖件10排出并且通常经由一个中冷器被传送到发动机进气中。涡轮机阶段的设计是以下各项的一种折衷，即在发动机运行包络线中在不同流 动状况下用来驱动压缩机所要求的动力；该阶段的空气动力学设计；旋转组件的惯量，其 中，涡轮机的惯量是一个大的部分，因为涡轮机叶轮典型地由铬镍铁合金(它具有的密度 是压缩机叶轮的铝的密度3倍)制造的；影响该设计的结构以及材料方面的涡轮增压器 的运行周期；以及相对于叶片激励而言该涡轮机叶轮的上游以及下游的近场作用(near field)。涡轮机壳体的物理设计的一部分是一个蜗壳，其功能是用来控制到涡轮叶轮的这 些进入状态，这样这些进入流动状态提供了与优化的瞬态响应特征相结合的从排气中的能量到由该涡轮机叶轮产生的动力的最有效的动力传递。理论上讲，来自发动机的进入的排 气流是以一种均勻的方式从该蜗壳被传送到聚集在涡轮机叶轮轴线上的一个涡流上。为了 做到这一点，该蜗壳的截面面积在垂直于流动的方向上处于一个最大值并且逐渐并连续地 减少直到它变为零。蜗壳的内边界可以是由基圆定义的一个完美的圆；或者在某些情况下， 如一个双蜗壳，它可以描绘一条螺旋线，其最小直径不小于该涡轮机叶轮直径的106%。该 蜗壳在如在图4中描绘的通过“X-Y”轴线定义的一个平面中是由蜗壳的外边界的减少的半 径以及由如以上说明的内边界定义的，并且在如在图8中描绘的，在每个位置的截面区域， 在穿过“Z”轴线的平面中。“Z”轴线垂直于由“X-Y”轴线定义的平面并且还沿着该涡轮机 叶轮的轴线。该蜗壳的设计发展开始于切面“A”，该切面被定义为对于该蜗壳的基准。该基准被 定义为高于该涡轮机壳体的“X”轴线的一个“P”度的角度处的切面，该涡轮机壳体包含该 蜗壳形状的“X”轴线、“Y”轴线以及“Z”轴线的细节。该蜗壳的尺寸和形状是按以下列方式定义的广泛使用的术语A/R代表了切面 “A”处的部分面积除以从阴影的流动区域160的形心161到该涡轮中心线的距离之比。在 图8A以及图8B中，这些形心161确定了到涡轮中心线的距离&和Rb。对于一个系列的涡 轮机壳体的不同构件，总体形状保持相同，但切面“A”处的面积是不同的，距离&也是不同 的。该A/R比率通常被用作一个特定的涡轮机壳体的“名字”，以便在同一系列中与其他涡 轮机壳体(具有不同的A/R比率)相区别。在图8A中，蜗壳具有一个适当地圆形的形状。 在图8B中，蜗壳形状是一种分开的涡轮机壳体的形状，它迫使该形状成为适当地三角形的 形状。虽然在切面“A”处对于两个蜗壳的面积是相同的，但是这些形状是不同的并且到形 心的半径是不同的(由于该蜗壳形状)，所以这些A/R将是不同的。将切面“A”从“X”轴 线偏移角度“P”。于是，该涡轮机壳体在几何学上被分为相等径向切面(通常30°，因此在 [30x+P] °处)，并且这些面积(Aa_m)以及这些半径(Ra_m)连同其他几何定义(如拐角半径) 被限定。从这个定义开始，产生了沿这些蜗壳壁的样条点，因此，定义了该蜗壳的整个形状。 壁的厚度被增加到该内蜗壳形状上并且通过这种方法定义了一个涡轮机壳体。该蜗壳的一个切面的面积被定义为在该切面以及基圆71处由该蜗壳壁的这些内 表面界定的面积。对于一个给定面积的理论上优化的蜗壳形状是一个圆形截面的面积，因为它具有 最小的表面面积，这使流体摩擦损失最小化。然而，该蜗壳并不是单独起作用而是一个系统 的一部分；所以在从切面“A”(在图4中示出)到切面“M”的平面、以及从“M”到舌部的这 些平面中的流动的要求影响了该涡轮机阶段的性能。这些要求通常导致多种折衷，如，涡轮 机壳体外部构造要求、涡轮机壳体到支撑壳体上的定位和安装的方法、以及从切面“A”到涡 轮机底座51的过渡导致了矩形或者三角形截面的、连同圆形或所有形状的组合的涡轮机 壳体蜗壳。图1中示出一个截面“D-K”的蜗壳53的矩形的形状是以下要求的结果，该要求 不仅要使VTG叶片装入该空间以使得通过这些叶片的流动被优化并且这些叶片可以通过 涡轮机壳体外部的装置而被移动和控制，而且还要使该涡轮机壳体的外形线最小化所以涡 轮增压器安装在一个发动机上。该涡轮机壳体底部通常具有一个标准设计，因为它与许多发动机的排气歧管相配 合。该底部可以被定位为与该“蜗壳”成任何角度或者在相对于它的任何位置上。从这些底部气体通道到该蜗壳的过渡是以一种提供了最好的空气动力学以及机械折衷的方式来 实施。在图2中该蜗壳的大致三角形的形状(在如以上那些的相同的截面处截取)是用 于固定和有废气门的轮机壳体的更加典型的蜗壳几何形状。增加的分隔壁21是用来减小 在这些蜗壳之间的空气动力学的“串扰”，以努力保持来自一个分开的歧管中的脉冲流，以 便在由涡轮机叶轮提取的功中收获脉冲能量。排气歧管中的这些压力脉冲是发动机的点火 顺序的一个函数。 涡轮机壳体典型地是按系列(典型地在一个系列中高达5个)设计的，这些系列 使用相同直径的涡轮机叶轮或者接近相同直径的一组叶轮。它们可以使用相同的涡轮机底 座尺寸。例如，用于63mm涡轮机叶轮的一个涡轮机壳体系列可以覆盖从1. 8到2. 2的A/R 的一个范围。Fig. 5描绘了用于一个系列的三种蜗壳的面积方案。最大的蜗壳是一个1. 2A/ R的蜗壳，由虚点线40示出。最小的蜗壳是一个0. 8A/R的蜗壳，由短画线41示出，并且平 均蜗壳，在该系列的中间，由实线示出。X轴线描绘了该切面的角度，从30° (截面“A”)到 360° (舌部)；Y轴线描绘了在对应角度处的截面的面积。一些涡轮机叶轮被确切地设计为利用这种脉冲能量并且将它转换为旋转速度。因 此，在一个分开的涡轮机壳体中对于一个脉冲流动涡轮机叶轮的来自排气的压力和速度的 转换大于来自一个稳定状态排气流动的压力和速度到该涡轮机叶轮速度的转换。该脉冲能 量在商用柴油发动机中比在汽油发动机中更占主导(商业的柴油发动机约以2200RPM运 行、在1200至1400RPM时具有峰值扭矩)，这些汽油发动机以更高的旋转速度(通常直到 6000RPM)运行，在4000RPM时具有峰值扭矩，所以该脉冲不是同样良好地限定的。基本涡轮增压器构形是一个固定的涡轮机壳体的构形。在这种构形中，涡轮机壳 体蜗壳53的形状和体积是在设计阶段确定的以及铸造在其中。一些固定的涡轮机壳体使用了一个喷嘴环33，如在图9A中所见，以协助排气的转 向和加速而进入涡轮机叶轮。这些喷嘴环被经常使用在带有多个分离歧管的多缸发动机 中。在图9A中描绘的设计是用于一种V-12军用坦克发动机的设计，该设计供给了双流涡 轮机壳体。这种结构自早在1950年代就已经投入生产了。中间蜗壳壁91的构形被称为一 个双流涡轮机壳体，其中该壁(或舌部)的下游末端92是在外蜗壳壁40的终点或舌部93 的对面。下一级的复杂化是有废气门的涡轮机壳体。在这个构形中，蜗壳被铸造在其中，如 在以上固定的构形中。在图2中，这种有废气门的涡轮机壳体的特征为一个端口 54，该端口 将涡轮机壳体蜗壳53流体地连接到涡轮机壳体出口导流器52上。因为在该蜗壳侧上的端 口是在涡轮机叶轮70的上游，并且在该出口倒流器侧上的该端口的另一侧是在该涡轮机 叶轮的下游，经过连接这些端口的导管的流动绕过涡轮机叶轮，因此不会有助于动力传送 到涡轮机叶轮上。该废气门以其最简单形式是一个阀门55，该阀门可以是一个提升阀。它可以是类 似于图2中的阀门的一种摆动式阀门。典型地，这些阀门是通过一个“假”的致动器来操作， 该致动器感测增压压力或真空以启用被连接到该阀门上的一个膜片，并且在没有与发动机 E⑶特别连通的情况下运行。以此方式，该废气阀的作用是将全负载增压曲线的顶部切除， 因而限制了到发动机的增压水平。该废气门构形直到该阀门打开之前对于增压曲线的这些特性没有影响。更加复杂的废气门阀可以感测大气压的压力或者具有电子补偿或控制，但 直到它们致动开放或关闭该阀门之前它们全部都对于增压曲线不具有任何影响。图6A描绘了用于一个固定涡轮机壳体的增压曲线65。图6B描绘了与用于图6A 的A/R相同的一个废气旁通阀涡轮机壳体的增压曲线67，或者其中该废气旁通阀门未打开 的一个有废气门的涡轮机壳体。在图6B中，可以看到增压曲线67的形状在阀门打开的点 66处与在图6A中的增压曲线65完全相同。在该点之后，该增压曲线是平的。虽然可以使 用一个废气门来限制增压水平，但其涡轮机动力控制特性是不成熟的并且粗糙的。有废气门的涡轮机壳体的一个有利的副产品是有机会减小涡轮机壳体的A/R。因 为增压的上限是由该废气门控制的，A/R的一种减少能够提供更好的瞬态响应特性。如果 有废气门的涡轮增压器具有一个“假”的致动器，该致动器仅在压力或真空信号下运行，并 且当在海拔高度处运行时，于是阀门打开的临界压力比不利地受到影响。因为致动器中的 膜片感测了一侧上的增压压力，以及另一侧上的大气压的压力，其倾向是使致动器较晚打 开(因为海拔高度处的大气压的压力比海平面处的低)，从而导致发动机的过度增压。发动机增压要求是压缩机阶段选择的主导性驱动因素。压缩机的选择与设计是以 下各项之间的一个折衷，即发动机的增压压力要求；发动机所要求的质量流；由应用要求 的效率；由发动机以及应用所要求的映射图宽度；发动机经受的海拔高度以及占空比；发 动机的汽缸压力限制；等等。这对于涡轮增压器运转很重要的原因是给涡轮机阶段增加了一个废气门允许用 一个更小的涡轮机叶轮和壳体与低速范围相匹配。因此，增加一个废气门随之带来了减小 惯量的选项。因为旋转组件的惯量中的减少典型地导致颗粒物质(PM)的减少，废气门在公 路车辆上已经变得常见了。问题是多数废气门在某种程度上在它们的运行中是二元性的， 这不会与发动机输出与发动机速度之间的线性关系很好地相配合。授予Koike的美国专利号4，389，845传授了使用一个致动器来选择地控制排气从 入口到一个第二蜗壳的流动，同时保持这些气体到一个第一蜗壳的流动。见图9B，其中致动 器22控制了一个阀门16，该阀门控制了在由一个实心分隔壁11形成的该第一或第二以及 第一蜗壳中的流动。这基本上是图9A的典型双流涡轮机壳体，但带有一个膜片运转的滑动 闸阀。在涡轮增压器的增压控制中下一个复杂化水平是VTG(对于可变涡轮几何形状 的统称)。这些涡轮增压器中的一些具有旋转的叶片；一些具有滑动段或环。用于这些装 置的一些名称是可变涡轮几何形状(VTG)、可变几何形状涡轮机(VGT)、可变喷嘴涡轮机 (VNT)、或者简单的可变几何形状(VG)。VTG涡轮增压器利用可调整的导向叶片图3A以及图3B，可旋转地连接到一对叶片 环和/或喷嘴壁上。对这些叶片进行调整以便通过调节到涡轮机叶轮的排气流动来控制排 气背压以及涡轮增压器速度。在图3A中，这些叶片31是在最小开放位置中。在图3B中， 这些叶片是在最大开放位置中。这些叶片可以通过接合在一个协调环中的多个指形件可旋 转地被驱动，这些指形件可以被定位在上叶片环之上。为了清楚起见，这些细节已经从附图 中省略。VTG涡轮增压器具有大量非常昂贵的合金部件，必须将这些合金部件组装和定位在 涡轮机壳体中，这样在它们被暴露的热运行条件的范围上，这些导向叶片相对于该排气供 应流通道以及涡轮机叶轮保持适当地定位。温度以及腐蚀情况迫使在所有内部部件中使用特殊的合金。这些对于获得、加工、以及焊接(在有要求时)是非常昂贵的。因为VTG的设 计可以非常迅速地改变涡轮增压器速度，大量的软件和控制对于防止不希望的速度偏移是 必要的。虽然已经广泛采用不同类型和构形的VTG来控制涡轮增压器增压水平以及涡轮机 背压水平，但硬件成本以及实施成本是较高的。为了保持附接到这些蜗壳壁上的流动并且保持该蜗壳的形状适合于该蜗壳的功 能，绘制了一个A/R表(如在图5中)，以确保在截面中不存在不适当的改变。在图5中， “X”轴线是每个截面的角度。这些角度可以通过如在图4中使用的定义字母“A”到“M”来 替代。“Y”轴线描绘了该截面的半径。虚点线40是用于该系列的最大A/R的面积方案。短 画线41是用于该系列的最小A/R的面积方案。如果考虑一个有废气门的涡轮作为成本的一个底线，那么在相同的生产量下，一 个典型的TVG的成本是相同尺寸的固定的涡轮增压器的成本的从270%到300%。这种差 异是由于多个相关的因素，它们从部件的数量、这些部件的材料、在制造和加工这些部件时 要求的准确度、到致动器的速度、准确度、以及可重复性。在图7中的图表示出了从固定的 到VTG的涡轮增压器的范围的对比成本。柱“A”代表对于一个给定的应用的一个固定涡轮 增压器的基准成本。柱“B”代表用于相同应用的一个有废气门的涡轮增压器的成本，而柱 “C”代表用于相同应用的一个VTG的成本。因此，可以看到对于技术原因以及成本驱动因素二者，存在的需要是一个相对低 成本的涡轮机流动控制装置，该装置就成本而言在废气门与多个VTG之间相适合。对于 这样一种装置的目标成本价格需要是在一个简单、固定的涡轮增压器的成本的145%到 165%范围之内。
发明内容
本发明实现了以上提到的目的并且提供了一种简化的、低成本、涡轮流动控制装 置，这是通过设计一种涡轮增压器来使用滑动间门以一种谨慎地定位致动器来控制该闸 门，从而控制到多个蜗壳的排气流动，这些蜗壳具有多个有孔的横向分隔壁。在本发明的另 一个实施方案中，到涡轮机叶轮的流动是由一个枢转的横向分隔壁来控制的。
本发明是通过举例而非限制的方式展示在这些附图中，其中类似的参考数字表示 相似的部分，并且在这些附图中图1描绘了一个典型的VTG涡轮增压器的截面；图2描绘了一个典型的有废气门的涡轮增压器的一对截面；图3描绘了一个典型的VTG涡轮增压器的一对截面；图4描绘了示出结构径向线的一个典型的固定涡轮机壳体的一个截面；图5是截面区域发展的一个图表；图6描绘了对于一个典型的固定式的以及一个有废气门的涡轮增压器的压缩机 映射图；图7是示出涡轮增压机相对成本的一个图表；图8描绘了在切面“A”处的一些蜗壳的截面；
图9A描绘了带有喷嘴环的一个双流涡轮机壳体；图9B描绘了现有技术US 4，389，845 ；图10描绘了本发明的第一实施方案的一个截面，在图IOB中有一个扩大的区域；图11描绘了示出叶片选择的细节的一对截面；图12描绘了本发明的第二实施方案的两个截面； 图13描绘了带有到该蜗壳的两个出口的本发明的第二实施方案的两个截面；图14描绘了带有不同叶片位置的本发明的三个视图；并且图15A和图15B描绘了本发明的第三实施方案的两个视图。
具体实施例方式因为在可变几何形状涡轮增压器中叶片的使用衰减了排气流中可供使用的脉冲 流分量，诸位发明人寻找能够调节到涡轮机叶轮的排气流同时保持该排气流中的脉冲能 量。使用由排气流动“湿润”的多个叶片以及控制和移动所述叶片的这些机构增加了大量 的成本，其范围在超过两倍于基本涡轮增压器成本。根据本发明，通过使用多个较小体积的蜗壳来保持排气速度和脉冲能量，诸位发 明人使用了低体积蜗壳与一个分离可移动的叶片(以允许在顺序的蜗壳中的流动)的一 种组合，以提供一个成本和技术上有效的替代方案来控制排气到涡轮机的流动。在该蜗壳 被两个分隔壁分成三个蜗壳部分的情况下，阻断两个蜗壳剩下一个蜗壳开放将致使该涡轮 增压器像一个较小排气量的涡轮增压器一样起作用，在低排气流量下具有更迅速的瞬态响 应。三个蜗壳部分全部开放将容纳高的气流量。因此，该涡轮增压器提供了一个可变几何 形状涡轮增压器的多项优点，但是在降低的成本下。除了以上这些收益，诸位发明人寻找提 供与低速流动状况相配合的一种涡轮增压器，以便为低速流动提供优化的涡轮机(以及因 此优化的发动机)的瞬态响应，同时在速流动状态之外能够在同一成本效益的涡轮增压器 中传送发动机所要求的高流量。在现有技术“双”流涡轮机壳体的情况下，如在图9A中所示，在底座51处涡轮机 壳体的入口被分成两个分离的蜗壳。外蜗壳在外部由应当是现有的蜗壳53的外壁来界定 并且在内部由平行于涡轮增压器轴线、跨越这些现有的蜗壳侧壁的一个蜗壳壁58来界定。 该内蜗壳是在外部由上述壁58、在横向上由现有的蜗壳的这些侧壁来界定，并且该蜗壳的 内边界可以被想象为一个完美的圆(定义为基圆)，或者在某些情况下，它可以描绘一个螺 旋线，其最小直径不小于该涡轮机叶轮直径的106%。因此，该涡轮机壳体具有两个舌部，各 在每个蜗壳外壁的端部处。本发明的第一实施方案的涡轮机壳体部件包括多个(大于两个)蜗壳，这些蜗壳 被构形为使得到这些蜗壳的入口是在底座51附近并且每个蜗壳的出口被安排成围绕该涡 轮机壳体的基圆。这些蜗壳可以是共面的，或者这些蜗壳可以彼此交叠。重要的是这些蜗 壳将排气累积地传送到涡轮机叶轮的圆周上，在一个相邻的构形中终止在大于或等于涡轮 机叶轮直径的106%的一个直径的距离处。在本发明的示例性第一实施方案中，如在图12A以及图12B中所见，该涡轮机壳体 具有一个外蜗壳，该外蜗壳由涡轮机壳体的外壁的内侧53从外部限定。该外蜗壳的内壁是 第一横向分隔壁58的外侧。这些“Z”轴线壁是由接近这些侧壁(它们将在存在一个典型的涡轮机壳体中)的多个壁限定的。中央的或第二蜗壳(从外侧)是由该外部横向壁的内 表面限定的并且该中央的或第二蜗壳的内部边缘是第三横向分隔壁59的外面。内蜗壳在 内部由理论上的基圆或螺旋线或涡流限定在大于或等于涡轮机叶轮直径的106%的一个直 径的距离处。在多于三个蜗壳的情况下，用于这些内蜗壳的逻辑关系与以上说明的相同。在本发明的第一实施方案中，如在图12A以及图12B中所见，该蜗壳由总体上平行 于该涡轮增压器轴线定向的两个横向的分隔壁58、59分成三个蜗壳区域外、中、以及内， 其中这些蜗壳被设计为在接近该基圆或涡流处终止，这是在靠近假若存在一个单独的外壁 并且没有分隔壁的情况下蜗壳应当终止处、靠近外壁53的终止点93。在图12A中，内分隔壁 59延续直到它在一个点“E”与该涡轮机壳体的外壁53相交，距截面“A”在290°与310° 之间，而外分隔壁58延续直到相同的点，在点“F”之后距截面“A”240°与265°之间是无 孔的。在图12B中，该内分隔壁与在图12A中是相同的，它延续直到它与涡轮机壳体的外 壁53在290°与310°之间的点“E”出相交，但是外分隔壁58终止在距截面“A”200°到 225°之间的点“H”处。在本发明的第二实施方案中，如在图13A以及图13B中所示，该多个有孔的横向分 隔壁的末端边缘终止在该基圆或者涡流附近，这样来自每个蜗壳的这些流动段，加上这些 分隔壁的厚度，一共是360°的扩展。由该多个横向分隔壁的这些末端边缘或多个舌部形成 的以该涡轮增压器轴线为中心一个圆的分区，从而该圆优选地大致被分为均等的部分(每 个蜗壳)。在所展示的实施方案中，展示了三个蜗壳，每个将排气流传送到该涡轮机叶轮的 圆周的大致120°上。在本发明的第二实施方案中，内部横向分隔壁59’的末端边缘在一个 径向上以一个例如从截面“A”的120°到140°的一个角度终止在一个点“K”处。外横向 分隔壁58’的末端边缘在一个径向上以一个例如从截面“A”的210°到230°的一个角度 终止在一个点“J”处。在本发明的第一和第二实施方案中，从该排气歧管到这些涡轮增压器蜗壳的流动 是受一个滑动闸门80的叶片部分85控制的。该闸门可以被构形为相邻涡轮壳体底座50， 优选在从-30°到+45°的一个角度相邻该涡轮增压器壳体底座。该滑动叶片在该涡轮机 壳体内的一个通道内滑动，以便使从该涡轮机壳体的排气的泄漏最小化。在本发明的示例 性实施方案中，滑动板85的致动杆80被制作为具有一个圆形截面80，以满足使用一个典型 涡轮增压器活塞环作为密封机构的密封要求。因为在本发明中这些必不可少的驱动因素之一是降低成本，选择一个滑动叶片类 型的控制装置允许使用一个简单的致动器，该简单致动器提供了从一个特殊位置到下一个 特殊位置的移动。不需要来自该致动器的调节。一种“三位置”的致动器与一个无限可控 制的致动器相比是更简单的、并且因此更便宜并且更容易控制，因此进一步有助于降低成 本的目标。在图10A中，从该叶片的完全关闭位置到该叶片的引导边缘86相邻到内分隔壁 59的引导边缘h的顶端位置的距离是距离“a”。从内分隔壁59的引导边缘h的中心到下 一个分隔壁58的引导边缘Cl的中心的距离是距离“b”。类似地，如在图10中所见的本发 明的示例性实施方案的情况下，从分隔壁58的引导边缘Cl的中心到下一个分隔壁的引导 边缘屯的中心或者该外壁的距离是距离“c”。在“a”、“b”以及“c”之间的关系是这样的， 即这些步幅可以是彼此相等的或彼此不相等，但这些特殊步幅位置的总和应该等于通过该 蜗壳的流动面积。
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如果要求多于如以上所说明的通过从一个特殊位置到下一特殊位置的一次移动 而可以提供的调节，该叶片可以具有一种替代几何形状89，如在图IlA中看到的一个45° 角，或者一些其他提供小于移动与开放区域的一个1 1比率的几何形状。通过所说明的 本发明，当叶片86移动“a、b、或者C”的一个位移时，打开的面积是“a、b、或者C”乘以宽度 “Y”。通过描绘了叶片89的引导边缘为大于尺寸“Y”的一个几何形状，由该叶片的一个特 殊移动、经过“a、b、或者C”的一个位移而打开的面积将小于由具有与该叶片的两侧末端之 间的垂直距离相等的一个尺寸“Y”的叶片的一个特殊移动所打开的面积。这个差异可能要 求一组中间步幅但它们将是细小步幅，而不是到一个新位置上的多个调节的移动。因此，叶片85被设计为能够关闭这三个示例性蜗壳部分中的一个、两个或者甚至 三个。关闭或者几乎关闭所有三个蜗壳部分对于特定的运行是可取的，例如发动机制动、在 发动机点火时绕过涡轮增压器、增加排气背压用于发动机的快速预热。在本发明的第一以及第二实施方案二者中，这些横向分隔壁是在多个位置有孔 的、开缝的或分割开的，以便当该滑动闸门允许更多的排气进入该蜗壳中时允许这些外蜗 壳向这些内蜗壳以及该涡轮机叶轮送气。这些多重的槽缝82、83能以任何方式进行安排， 只要它们的功能是允许来自一个相邻外蜗壳排气流到下一个相邻的内蜗壳，或者在该相邻 内蜗壳是最内的蜗壳的情况下，允许排气被送到涡轮机叶轮上。这些槽缝可以是线性的，它 们可以是弯曲的，它们可以相切于而不是垂直于这些分隔壁，并且它们可以是共面或者可 以形成多个喷嘴。在这些开缝的横向分隔壁中的这些槽缝的功能和设计优选地与在一个固 定喷嘴环上的这些叶片的功能相同，其中如在图9A中看到的，这些叶片协助该排气在进 入 涡轮机叶轮之中的转向以及加速。这些槽缝的细节对于本发明的第一实施方案以及第二实施方案的是相同的。为了 解说的目的，在图13A中，这些槽缝排列在计算出流动路径上，在图13B中，这些流动路径 (94以及95)被偏移以提供流动的更多混合。这些槽缝的上游以及下游边缘从所预测的流 动路径上偏移。如在图15A以及图15B中描绘的，在本发明的第三实施方案中，到达涡轮机叶轮70 的废气流动是由一个枢转的横向分隔壁27的转动来控制的，该横向分隔壁是由一个致动 器通过U形钩24驱动致动器杆14来驱动的。U形钩轴销25通过致动臂73传输致动器的 驱动，该致动臂进而使致动器轴72围绕轴线30转动。枢转的横向分隔壁27具有一个前缘28以及一个后缘29、并且围绕致动器轴72的 轴线30进行转动。为了清楚的缘故，致动臂73的这些极端位置被标记为“A”和“B”。在位 置“B”中，枢转的横向分隔壁27使其前缘28靠近该蜗壳的截面区域的中心，因此有效地将 进入的废气的流动引导到该横向分隔壁之下和之上。排气流动的这种分离迫使横向分隔壁 的外侧的气体仅在枢转的横向分隔壁27的后缘29的下游处流动到涡轮机叶轮上。在这个 位置中，枢转的横向分隔壁27的后缘29也是靠近蜗壳的中心。为了易于组装，该涡轮机壳体被分成两个部分，即涡轮机壳体2以及该涡轮机壳 体的罩74。在本发明的示例性第三变体中罩74被多个螺母75固定，这些螺母被拧紧在涡 轮机壳体2中的多个螺纹孔中的螺栓上；但是它可以由螺栓、螺栓与螺母、通过锤击、通过 铆接、或者通过焊接来固定。在位置“A”中，枢转的横向分隔壁27使其前缘28靠近蜗壳的外壁53。在这个位置中，枢转的横向分隔壁27的后缘29靠近涡轮机叶轮70的基圆71，该基圆如定子被允许 的程度一样地靠近涡轮机叶轮。枢转的横向分隔壁27的这个位置“A”有效地关闭了许多 蜗壳，以模拟小于位置“B”的一个蜗壳。通过在位置“A”中的枢转的横向分隔壁，该涡轮增压器将把进入的排气质量的流 动引导到涡轮机叶轮上，这将具有使该涡轮机叶轮的旋转加速的效果，以便为发动机提供 了良好的瞬态响应特性，尽管这是以不能够提供用于最大增压的(来自压缩机的)足够的 质量流动为代价。在这个位置中，未到达涡轮机叶轮的排气流动有助于增加排气背压。通过使枢转的横向分隔壁27在位置“B”中，排气的最大质量流动将穿过涡轮机叶 轮，这允许涡轮增压器实现所希望的最大增压水平，而具有较低的瞬态响应性能并具有较 小的背压。因此，在本发明的第三实施方案中，一种更简单、更低成本的装置可以执行通常由 一个VTG实现的某些功能。现在已经说明了本发明，我们的权利要求如下。
1权利要求
一种可变几何形状涡轮增压器的涡轮机壳体，包括一个排气入口(51)；用于将排气从所述排气入口引导到一个涡流区的一个蜗壳；被适配为包络一个涡轮机叶轮(70)的一个涡轮机叶轮室；一个涡流区，其中排气从该蜗壳转移到该涡轮机叶轮上；一个排气出口(52)；至少第一以及第二分隔壁(58，59；58’，59’)，这些分隔壁总体上平行于该涡轮增压器的轴线、将该蜗壳划分为至少第一、第二以及第三蜗壳部分，所述分隔壁具有多个连通开口(82，83)，所述分隔壁具有一个上游端以及一个下游端；以及一个滑动闸阀(80)，该滑动闸阀被适配为在多个位置之间移动，其中在这些位置中的至少一个位置中该滑动闸阀阻断了到这些蜗壳部分中的至少一个部分的排气流动。
2.如权利要求1所述的一种涡轮增压器的涡轮机壳体，其中，这些分隔壁将所述蜗壳 划分为至少一个径向外蜗壳部分、一个径向内蜗壳部分、以及在所述外部分与内部分中间 的一个蜗壳部分。
3.如权利要求1所述的一种涡轮增压器的涡轮机壳体，其中，每个蜗壳部分将排气引 导到该涡流区的一个不同的圆周区域上。
4.如权利要求3所述的一种涡轮增压器的涡轮机壳体，其中，该第一分隔壁从外壁 (53)的终点(93)到该分隔壁(91)的尾端测量跨越了从90°到150°的一个弧形，并且 其中，所述第二分隔壁从该第一分隔壁(91)的尾端到该第二分隔壁的尾端测量跨越了从 90°到150°的一个弧形。
5.如权利要求3所述的一种涡轮增压器的涡轮机壳体，其中，每个蜗壳部分将排气引 导到该涡流区的大致三分之一上。
6.如权利要求1所述的一种涡轮增压器的涡轮机壳体，其中，每个分隔壁从该外壁 (53)的终点(93)到该分隔壁的尾端测量跨越了大于180°的一个弧形。
7.如权利要求6所述的一种涡轮增压器的涡轮机壳体，其中，每个蜗壳部分从该外壁 (53)的终点(93)到该蜗壳部分的尾端测量跨越了 270°或更大的一个弧形。
8.如权利要求1所述的一种涡轮增压器的涡轮机壳体，其中，所述滑动闸阀是一种板 式闸门，该板式闸门被安装为在一个导槽中在其中所述闸门打开了所有的蜗壳部分以及其 中所述闸门关闭了所述蜗壳部分中的一个或者多个部分的多个位置之间进行往复运动，并 且其中所述滑动闸门具有一个引导边缘，该引导边缘与所述第一分隔壁(58，59 ；58',59') 的引导边缘协作以便完全阻断一个蜗壳部分同时使另一个蜗壳部分保持畅通。
9.如权利要求1所述的一种涡轮增压器的涡轮机壳体，其中，所述滑动闸阀是一种板 式闸门，该板式闸门被安装为在一个导槽中在多个位置之间以小于从一个分隔壁(59，59’) 到下一个分隔壁的距离的增量进行往复运动，由此，所述滑动间阀的移动产生了所述蜗壳 部分的逐渐的阻断。
10.如权利要求1所述的一种涡轮增压器的涡轮机壳体，其中，所述滑动闸阀是由一个 智能致动器控制的一个可变地可定位的闸阀。
全文摘要
一种简化的、低成本的涡轮机流动控制装置，该装置使用一个滑动闸门并且带有控制到多个蜗壳的排气流动的一个致动器，这些蜗壳具有多个有孔的横向分隔壁。通过将滑动闸门(80)从一个关闭的位置(88)经过一个位移“a”移动到下一个位置b1；并且然后从位置b1经过一个位移“b”到达下一个位置c1，每个都是一个小的移动，通过一个简单的致动器，一个不断增加的数目的蜗壳被打开用于来自排气歧管经由这些具备有孔的横向分隔壁的蜗壳到达涡轮机叶轮的流动，而没有通常在VTG中见到的脉冲能量的衰减，其成本低于VTG。
文档编号F01D17/14GK101865032SQ201010144538
公开日2010年10月20日 申请日期2010年4月9日 优先权日2009年4月20日
发明者K·E·亨德森, R·钱德拉莫翰楠 申请人:博格华纳公司