涡轮增压器和制造涡轮增压器的方法与流程

本发明涉及一种具有摆动叶片喷嘴组件的涡轮增压器和一种制造涡轮增压器的方法。

本发明能够应用于重型车辆，诸如卡车、公共汽车和施工设备。虽然将关于卡车描述本发明，但是本发明不限于这种特定的交通工具，并且也可以应用于采用涡轮增压器的其它应用，诸如航空和航海系统。

背景技术：

涡轮增压器单元是与相关联的内燃机通常是柴油发动机一起使用的车辆组件。涡轮增压器单元被构造成回收一部分排气能量，并且使用该能量以压缩流入内燃机的燃烧室的进气空气。通常设置涡轮增压器单元以提高内燃机的效率和功率。

涡轮增压器单元具有三个主要组件：涡轮，其用于将排气流动的能量转化为涡轮的旋转运动；压缩机，其被可旋转地连接至涡轮以压缩进气空气；和壳体，其封入涡轮和压缩机以及旋转轴、轴承等等。

一些涡轮增压器设置有摆动叶片喷嘴组件。也被称为可变截面涡轮增压器(vgt)的这些涡轮增压器允许进气空气流被控制，并且由此在一系列发动机速度上最优化。为此，vgt可在涡轮定子上设置有多个进气引导叶片。涡轮的进气通道具有绕涡轮的周向延伸部，并且形成环形通路。涡轮定子上的进气引导叶片被周向间隔开地布置在该通道中。通过改变涡轮定子上的进气引导叶片的角度而最优化进气空气流。从期望扭矩响应、燃料经济性和排放要求的组合确定进气引导叶片的最佳位置。更特别地，环形通路将限定在涡轮壳体中的卷轴形蜗壳(volute)连接至涡轮位于其中的涡轮室。

进气引导叶片被布置在前喷嘴环和后喷嘴环之间，使得包括喷嘴环和进气引导叶片的摆动叶片喷嘴组件被径向地布置在涡轮外部。为了高效，期望在进气引导叶片和喷嘴环之间存在非常小的轴向间隙。由于这种小间隙，必须防止喷嘴环的任何扭曲以便降低进气引导叶片卡住的风险。

因此，vgt的重要方面是如何附接摆动叶片喷嘴组件，以便避免喷嘴环扭曲，并且最小化流入轴承壳体的热入流。太高的热入流可能导致轴承的油焦化问题。

jp2010196653描述了一种摆动叶片喷嘴组件，其中第一喷嘴环在其外部周边处被轴向地引导，并且在其内部周边处被径向地引导。第二喷嘴环在其内部边界处被径向地引导，并且涡轮壳体的径向台阶向第二喷嘴环的内部周边提供轴向引导。然而，现有技术文献中所述的解决方案受到下列缺点的影响，即由于引导第一喷嘴环的轴承壳体以及引导第二喷嘴环的涡轮壳体的热膨胀差异而可能发生喷嘴的变形或者扭曲。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种克服上述现有技术涡轮增压器的缺点的涡轮增压器。

根据第一方面，通过根据权利要求1所述的涡轮增压器实现该目的。根据第二方面，通过根据权利要求12所述的排气后处理系统实现该目的。根据第三方面，通过根据权利要求13所述的车辆实现该目的。根据第四方面，通过根据权利要求14所述的方法实现该目的。

由于前喷嘴环的内部周边被布置成离轴承壳体指定距离，所以未设置前喷嘴环的径向引导。因此，摆动叶片喷嘴组件可抵抗热膨胀，进气引导叶片卡住的风险较小。

因此提供一种具有摆动叶片喷嘴组件的涡轮增压器。该涡轮增压器包括涡轮壳体和轴承壳体，并且摆动叶片喷嘴组件被构造成控制到达布置在涡轮壳体内部的涡轮的排气流。摆动叶片喷嘴组件包括前喷嘴环、后喷嘴环以及布置在前喷嘴环和后喷嘴环之间的多个可枢转的气流控制叶片。后喷嘴环被涡轮壳体径向地引导，而前喷嘴环的径向外部部分被夹在轴承壳体与涡轮壳体之间，从而形成前喷嘴环的轴向引导。前喷嘴环的内部周边被布置成离轴承壳体指定距离。

在实施例中，涡轮增压器包括热屏蔽件，其被布置在轴承壳体和前喷嘴环的内部周边之间。由于在轴承壳体和前喷嘴环的内部周边之间存在径向间隙，所以涡轮增压器允许非常简单并且耐用的热屏蔽件。

在实施例中，热屏蔽件具有包括径向内部部分和径向外部部分的环形形状，所述外部部分相对于内部部分轴向地移位。热屏蔽件的外部部分可以在朝着布置在涡轮壳体内部的涡轮的方向上轴向地移位，并且热屏蔽件的外部部分可相对于前喷嘴环密封。因此，热屏蔽件可以以非常简单的方式附接至轴承壳体，同时通过将轴承壳体及其相关联的组件与排气的热隔离而实现期望的屏蔽特性。

在实施例中，轴承壳体和涡轮壳体之间的界面形成在其中接纳前喷嘴环的径向外部部分的凹部。因此，易于实现前喷嘴环的夹紧。凹部的宽度可以比前喷嘴环的径向外部部分的宽度稍大，使得通过轻微过盈配合形成轴向引导。

在实施例中，涡轮增压器包括弹簧，诸如布置在轴承壳体与前喷嘴环的径向外部部分之间的板弹簧。因此，弹簧可以向前喷嘴环提供轴向预应力。

在实施例中，涡轮增压器还包括密封件，其被布置在涡轮壳体和后喷嘴环的内部周边之间，以进一步改进摆动叶片喷嘴组件的径向引导。在一些实施例中，该密封件可以为o形环。

还提供了一种用于内燃机的排气后处理系统。该排气后处理系统包括至少一个根据第一方面的涡轮增压器。

还提供了一种车辆。该车辆包括根据第二方面的排气后处理系统。

还提供了一种制造具有摆动叶片喷嘴组件的涡轮增压器的方法。该摆动叶片喷嘴组件具有前喷嘴环、后喷嘴环以及布置在前喷嘴环和后喷嘴环之间的多个可枢转气流控制叶片。该方法包括下列步骤：将后喷嘴环布置在涡轮壳体的圆筒形部分上，使得后喷嘴环被涡轮壳体径向地引导；和将前喷嘴环的径向外部部分布置在轴承壳体与涡轮壳体之间，因此形成前喷嘴环的轴向引导。执行布置前喷嘴环的径向外部部分的步骤，使得前喷嘴环的内部周边被布置成离轴承壳体指定距离。

在实施例中，该方法还包括在轴承壳体与前喷嘴环的内部周边之间设置热屏蔽件的步骤。可以执行该步骤，使得热屏蔽件的外部部分相对于前喷嘴环密封。

在实施例中，该方法还包括将弹簧布置在轴承壳体与前喷嘴环的径向外部部分之间的步骤。

在实施例中，该方法还包括将密封件布置在涡轮壳体与后喷嘴环的内部周边之间的步骤。

在实施例中，通过将摆动叶片喷嘴组件定位在轴承壳体内，并且之后将涡轮壳体布置在相对于轴承壳体的正确位置中而执行将后喷嘴环布置在涡轮壳体的圆筒形部分上以及将前喷嘴环的径向外部部分布置在轴承壳体与涡轮壳体之间的步骤。在该实施例中，可以在将摆动叶片喷嘴组件定位在轴承壳体内的步骤之前执行布置热屏蔽件的步骤。

在下文说明中和从属权利要求中公开了本发明的进一步优点和有利特征。

附图说明

参考附图，下面是作为示例列出的本发明的实施例的更详细说明。

在附图中：

图1是根据实施例的车辆的侧视图；

图2a和图2b是根据不同实施例的包括排气后处理系统的内燃机的示意图；

图3是根据实施例的涡轮增压器的等轴横截面图；

图4是根据实施例的涡轮增压器的横截面图；

图5是根据进一步实施例的涡轮增压器的横截面图；以及

图6是根据实施例的方法的示意图。

具体实施方式

从图1开始，其中示出车辆1。被示出为卡车的车辆1具有内燃机10以驱动车辆1。如下文进一步解释的，车辆1的内燃机10设置有根据下文将进一步解释的各种实施例的涡轮增压器100。只要车辆1具有提供与涡轮增压器100相互作用的排气流的至少一个发动机，则车辆1可以具有另外的推进单元，诸如电驱动器等等。因此，车辆1不排他地为卡车，而是也可以代表各种重型车辆，诸如公共汽车、施工设备等等。

在图2a和图2b中示出内燃机10的示例。内燃机10包括多个气缸12，该多个气缸12运行以燃烧燃料，诸如柴油或者汽油，因此，在气缸12内往复的活塞运动被转换为曲柄轴30的旋转运动。曲柄轴30被进一步联接至变速箱(未示出)，以向驱动元件(未示出)提供扭矩。在重型车辆诸如卡车的情况下，驱动元件为车轮；然而，内燃机10也可被用于其它设备，诸如施工设备、航海应用等等。

内燃机10还包括排气后处理系统40，该系统40用于回收排气流中的至少一些能量，从而提高内燃机10的性能。在所示示例中，排气离开气缸12并且进入被进一步连接至涡轮增压器100的进口的歧管42。排气流引起涡轮叶轮110旋转，这种旋转被转换为用于在将入流空气引入气缸12之前压缩入流空气的压缩机叶轮112的对应的旋转。

涡轮增压器100可以形成两级涡轮增压器系统的两级中的一级。如图2a中所示，排气离开涡轮增压器100并且向下游流动，可选地流入涡轮复合单元50。在该实施例中，已经使用其一些能量以驱动涡轮增压器单元100的涡轮叶轮110的入流排气被引导以穿过涡轮复合单元50的涡轮叶轮52，因此引起涡轮叶轮52和相关联的涡轮轴54旋转。涡轮轴54的旋转被转换为齿轮56的对应的旋转。齿轮56啮合另一传动装置58，以便将涡轮复合单元50的涡轮轴54联接至曲柄轴30。因此，当迫使涡轮叶轮54旋转时，涡轮轴54将向曲柄轴30提供另外的扭矩。

在图2b中示出另一实施例，其中涡轮增压器100形成两级涡轮增压器系统的高压力级。因此，低压涡轮增压器50'被与涡轮增压器100串联地布置。

因此，排气后处理系统40包括歧管42、涡轮增压器100以及可选的低压涡轮增压器50'，或者涡轮复合单元50。本领域众所周知的另外组件也可形以成排气后处理系统40的一部分。

在图3中进一步示出了涡轮增压器100的实施例。涡轮增压器为vgt，因此提供可调摆动叶片喷嘴组件。

图3示出涡轮增压器100的部分剖视透视图。涡轮增压器100包括涡轮壳体102，该涡轮壳体102限定涡轮110位于其中的涡轮室。环形通道形式的通道114形成在涡轮壳体102中，并且将限定在涡轮壳体102内的卷轴形蜗壳连接至涡轮110位于其中的涡轮室。即，所述通道114形成在周向方向上延伸的狭槽。

涡轮增压器100包括摆动叶片喷嘴组件120，该摆动叶片喷嘴组件120控制流经环形通路通道114的气流，并且由此控制流经涡轮110的排气流。摆动叶片喷嘴组件120包括多个可枢转的气流控制叶片126。所述多个可枢转的气流控制叶片126的枢转轴线在所述环形通路114的方向上周向地间隔隔开。更具体地，每个叶片126都可以连接至容纳在涡轮壳体102中的叶片销127。优选地，所有叶片126的叶片销127都彼此平行地布置。此外，叶片126的叶片销127被布置成平行于涡轮轴108的轴向方向。

可枢转的气流控制叶片126基本在通道114的全部长度上延伸。摆动叶片喷嘴组件120还包括用于将叶片126一致地设置在不同枢转位置中的机构128。当致动机构128时，销127将旋转，因此，叶片126的位置将改变，从而引起到达涡轮110的排气流的对应的改变。

通道114被限定为前喷嘴环122和后喷嘴环124之间的轴向距离。前喷嘴环122被布置成与涡轮增压器100的轴承壳体104相邻，而后喷嘴环124被布置在涡轮壳体102内部、离轴承壳体104指定距离。

在图4中更详细地示出摆动叶片喷嘴组件120。排气进入涡轮壳体102，并且流入形成在前喷嘴环122和后喷嘴环124之间的通道114中。排气穿过可枢转的气流控制叶片126，并且之后引起涡轮110旋转。为了确保摆动叶片喷嘴组件120的位置，需要轴向以及径向引导。

前喷嘴环122形成为在径向方向上观察时具有内部周边和外部周边的环形盘。此外，前喷嘴环122具有特定厚度以便形成刚性环。前喷嘴环122的前侧面对轴承壳体104，而后侧面对涡轮壳体102。

前喷嘴环122被布置在由轴承壳体104和涡轮壳体102形成的界面内。

支撑涡轮轴108的轴承壳体104具有径向地向外延伸的刚性部分104b。设置刚性部分104b以将轴承壳体104附接至涡轮壳体102以及提供前喷嘴环122的轴向引导。例如，可以通过螺栓或者类似装置(未示出)实现轴承壳体104与涡轮壳体102的附接。

涡轮壳体102具有径向地向外延伸并且形成涡轮壳体102的外部周边的刚性部分102b。设置刚性部分102b以将轴承壳体104附接至涡轮壳体102以及提供前喷嘴环122的轴向引导。

在刚性部分102b、104b相交的位置，即在轴承壳体104和涡轮壳体102之间的界面处设置周向凹部105。在该凹部105中接纳前喷嘴环122的径向外部部分。因此，凹部105的侧壁形成用于前喷嘴环122的轴向制动器，因此实现对前喷嘴环122，以及对整个摆动叶片喷嘴组件120的轴向引导。前喷嘴环122的外部部分设置有唇部122b，使得仅在凹部105内接纳唇部122b。

后喷嘴环124形成为在径向方向上观察时具有内部周边和外部周边的环形盘。此外，后喷嘴环124还具有特定厚度以便形成刚性环。后喷嘴环124的前侧面对前喷嘴环122。因此，叶片126在前喷嘴环122的后侧与后喷嘴环124的前侧之间延伸。

涡轮壳体102具有被径向地布置在涡轮110外部的圆筒形部分102c。圆筒形部分102c的外部周边形成后喷嘴环124的支撑表面，使得后喷嘴环124可以被压配合到圆筒形部分102c上或者在圆筒形部分102c上具有轻微间隙。因此，实现对后喷嘴环124以及对整个摆动叶片喷嘴组件120的径向引导。

根据图4中所示的实施例，摆动叶片喷嘴组件120包括前喷嘴环122、后喷嘴环124以及布置在前喷嘴环122和后喷嘴环124之间的多个可枢转的气流控制叶片126。后喷嘴环124被涡轮壳体102径向地引导，并且前喷嘴环122的径向外部部分被夹在轴承壳体104和涡轮壳体102之间，因此形成前喷嘴环122的轴向引导。此外，前喷嘴环122的内部周边被布置成离轴承壳体104指定距离。

轴承壳体104和涡轮壳体102之间的界面形成在其中接纳前喷嘴环122的径向外部部分的凹部；凹部105的宽度可以稍大于前喷嘴环122的径向外部部分的宽度，使得通过轻微过盈配合而形成轴向引导。

密封件150可以被设置在涡轮壳体102的圆筒形部分102c和后喷嘴环124的内部周边之间。密封件可以为o形环。

如图4中进一步所示，热屏蔽件130被布置在轴承壳体104和前喷嘴环122的内部周边之间。防止涡轮壳体102内部的排气的过量的热被传递到轴承壳体104中的热屏蔽件130形成为具有用于接纳轴承壳体104的管状部分的中心布置孔的圆盘。因此，热屏蔽件130具有环形形状。热屏蔽件130具有径向内部部分132和径向外部部分134，外部部分相对于内部部分132轴向地移位。外部部分134轴向地朝着涡轮110移位，使得热屏蔽件130的外部部分134相对于前喷嘴环122密封。

现在参考图5，将描述涡轮增压器100的进一步实施例。图5的涡轮增压器示出与上文参考图4所述的涡轮增压器100的很大类似性；因此将使用相同附图标记。然而，图5的涡轮增压器的不同在于，通过将前喷嘴环122朝着涡轮壳体102偏压的弹簧140实现对摆动叶片喷嘴组件120的轴向引导。优选为板弹簧形式的弹簧140被布置在凹部105内，该凹部105形成在轴承壳体104和涡轮壳体102之间的界面处。

现在参考图6，将描述根据各种实施例的方法200。执行方法200以制造具有摆动叶片喷嘴组件120的涡轮增压器100，该摆动叶片喷嘴组件120具有前喷嘴环122、后喷嘴环124以及布置在前喷嘴环122和后喷嘴环124之间的多个可枢转的气流控制叶片126。方法200包括将后喷嘴环124布置在涡轮壳体102的圆筒形部分102c上使得后喷嘴环124被涡轮壳体102径向地引导的步骤202。此外，方法200包括将前喷嘴环122的径向外部部分122b布置在轴承壳体104和涡轮壳体102之间从而形成前喷嘴环124的轴向引导的步骤204。通过布置前喷嘴环122的径向外部部分122b使得前喷嘴环122的内部周边被布置成离轴承壳体指定距离，来执行步骤206。

方法200还可以包括在轴承壳体104和前喷嘴环122的内部周边之间设置热屏蔽件130的步骤208。

优选地执行设置热屏蔽件130的步骤208，使得热屏蔽件130的外部部分134相对于前喷嘴环122密封。

方法200还可以包括在轴承壳体104和前喷嘴环122的径向外部部分122b之间布置弹簧140的可选步骤210。也可以执行其中密封件150被布置在涡轮壳体102和后喷嘴环124的内部周边之间的可选步骤212。

优选地以下列顺序执行涡轮增压器100的制造。将热屏蔽件130置于轴承壳体104上的正确位置，并且通过固位器环(未示出)确保该正确位置。之后，将包括涡轮轴的涡轮叶轮110插入轴承壳体104中，并且之后将压缩机叶轮112附接至涡轮轴。之后，将摆动叶片喷嘴组件120定位在相对于轴承壳体104的正确位置中，即，使得在前喷嘴环122的内部周边和轴承壳体104之间存在指定距离。径向距离由热屏蔽件130占用。之后，使涡轮壳体102到达相对于轴承壳体104的正确位置。在该步骤期间，后喷嘴环124将到达涡轮壳体102的圆筒形部分102c上，因此提供摆动叶片喷嘴组件120的径向引导。通过以特定扭矩拧紧多个螺钉提供涡轮壳体102相对于轴承壳体104的稳固定位。

应理解，本发明不限于上文所述和附图中所示的实施例；相反，本领域技术人员应明白，可以在附加权利要求的范围内做出许多变化和变型。