具有单阀的混合流动双涡旋涡轮增压器的制造方法
【专利说明】具有单阀的混合流动双涡旋涡轮増压器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年12月21日提交的并且题为“具有单阀的混合流动双涡旋涡轮增压器”的美国临时申请号61/740，775的优先权及所有权益。
发明领域
[0003]本发明涉及具有多涡旋涡轮机壳体的涡轮增压器的领域，并且更具体地涉及一种具有不对称的蜗壳涡轮机壳体的涡轮增压器，该蜗壳涡轮机壳体是由多个涡轮机蜗壳形成的、并且在蜗壳分隔壁中具有一个单一控制阀来选择性地使排气开始或停止流过这些蜗壳中的一个蜗壳。
[0004]发明背景
[0005]涡轮增压器是一种强制进气系统。它们将空气以与在正常吸气式构型中的可能情况相比以更大的密度传送到发动机进气中。这允许燃烧更多的燃料，进而增加了发动机的马力而没有明显地增加发动机的重量。一个更小的涡轮增压发动机可以取代一个更大物理尺寸的正常吸气式发动机，从而减小车辆的质量以及空气动力学的前端面积。
[0006]总体上，涡轮增压器使用来自发动机排气歧管的排气流(该排气流在涡轮机入口处进入涡轮机壳体)来驱动位于该涡轮机壳体或外壳内一个涡轮机叶轮。该涡轮机叶轮被稳固地附着到一个轴的一端上，并且一个压缩机叶轮被安装在该轴的另一端上，其中该涡轮机叶轮提供旋转动力来驱动该压缩机叶轮。一旦排气已经穿过该涡轮机叶轮并且该涡轮机叶轮已经从该排气中提取能量，则用过的排气从该涡轮机壳体的涡轮机出口导流器离开并且被输送到车辆下行管并且通常输送到后处理装置，如催化转化器、微粒收集器和NOx收集器。由涡轮级产生的动力是穿过涡轮级的膨胀比的一个函数，即，从涡轮机入口到涡轮机出口导流器的膨胀比。除其他参数外，涡轮机动力的范围是通过该涡轮级的质量流速的一个函数。
[0007]压缩机级包括该压缩机叶轮及其壳体。过滤后的空气通过压缩机叶轮的旋转而被轴向地抽取到压缩机盖件的入口中。通过涡轮机叶轮由涡轮机级产生的动力被传输通过该轴来驱动压缩机叶轮、并产生静态压力与一些剩余动能和热量的一种组合。加压的气体穿过压缩机排放口从压缩机盖件排出并且通常经由一个中冷器被传送到发动机进气中。
[0008]在设计涡轮机级时，对涡轮机级的部件的选择是与优选的性能点相关地做出的。往复式内燃发动机早已配备了这种涡轮增压器。在一种简单的不受控的固定喷嘴涡轮增压器系统中，最大增压压力是发动机强度的函数。该不受控的涡轮增压器由此必须被设计成使得只有在高发动机速度时才达到其最佳性能。然而，在其他速度区，该涡轮增压器对发动机提供次佳的增压或空气量。
[0009]受控涡轮增压器提供了改善的性能，这在于可以在低的或中间发动机上速度达到涡轮机的最佳操作点。在一个简单的受控系统中，当排气流速增加、并且涡轮增压压力变得太高时，部分排气被简单地通过废气门排入周围空气从而旁路通过涡轮机，由此可避免由于高速下的过量增压而损坏发动机。然而，因为排气通过废气门旁路通过了涡轮机，能量损耗较高，并且发动机性能在高速时会下降。
[0010]还已知在单个涡轮机壳体或外壳中提供多个流动通道来使得排气流过该单个涡轮机壳体，并且使得可以控制涡轮机的性能以便交替地作为低压涡轮机和高压涡轮机工作。在一个实例中，可将这些壳体分类为双涡旋壳体或双流壳体。
[0011]在一个双流壳体中，至少一个径向分隔件将螺旋形涡轮机壳体分为两个轴向相邻的螺旋。每个螺旋的排气进入涡轮机叶轮入口来冲击涡轮机叶轮的周边，轴向相邻的螺旋通道的排气冲击轴向相邻的涡轮机叶轮部段。
[0012]对这些螺旋的选择和操作可以是通过一个闸门阀(节流阀、翻板、滑阀)来控制的，该闸门阀随涡轮增压器速率的增加而使得流动截面扩大。控制装置总体上配备有用于对增压压力或速率进行感测的感测器件、以及用于致动闸门阀的调节构件。
[0013]作为涡轮增压器的一个实例，美国专利号6，652，224 (Mulloy等人)披露了一种可变几何形状涡轮机，该涡轮机包括一个径向涡轮机叶轮，该径向涡轮机叶轮带有控制着来自单个蜗壳的流动的可移动喷嘴叶片。同样地，美国专利号6，742，986 (Osako等人)披露了一种带有径流式涡轮的涡轮增压器，这种涡轮增压器被形成为一种可变排量涡轮机以便改变涡轮机的容量。这些设计具有增加的复杂性。
[0014]可替代地，可使用一种双涡旋设计。美国专利号3，614，259 (Neff)传授了一种分开的涡轮机壳体，该涡轮机壳体可用于提供脉冲涡轮机或可变速度涡轮机，气流是通过翻板阀来控制的。在脉冲涡轮机的情况下，多个排气管线被联接到涡轮机壳体上，这样使得闸门阀或流量控制器件必须具有相称的复杂性，从而控制气流通过两个或四个或更多个流动路径。
[0015]美国专利号4，544，326 (Nishiguchi等人)披露了一种可变容量涡轮机，该可变容量涡轮机在向径向涡轮机供应排气的涡轮机涡旋通道中限定了第一涡旋通道和第二涡旋通道。提供了一个旋转阀来根据排气流的压力增加和降低而选择性地打开和关闭第二涡旋通道。可替代地，美国专利号7，363，761 (Dickerson)披露了一种涡轮增压器，该涡轮增压器带有排气节流阀以便对去到涡轮机的排气流进行控制。
[0016]美国专利号5，092，126 (Yano)披露了一种双涡旋涡轮机，该涡轮机使用一个径向涡轮机、一个双涡旋结构以及一个可变喷嘴结构。在一个第一实施例中，第一涡旋通道提供了固定的流动能力，而第二涡旋通道通过一个可变区域喷嘴单元提供了可变流量，该可变区域喷嘴单元包括固定叶片和可移动叶片它们控制着从第二涡旋通道进入径向涡轮机的可变流动。在第二实施例中，在第一涡旋通道中提供了控制件从而使其可能以控制阀保持关闭并且然后打开可变区域喷嘴单元和控制阀两者的方式调整可变区域喷嘴单元。
[0017]美国专利号6，983，596 (Frankenstein等人)披露了一种受控涡轮增压器，该受控涡轮增压器具有一种带有整合的使用旋转阀的的旁通件的双流设计。
[0018]在图1所示的另一种设计中，双涡旋设计可以配备有一个第一阀和致动器组件，该第一阀和致动器组件控制着一个废气门，同时一个第二阀和致动器组件对进入可选择性地打开和关闭的第二涡旋的排气流进行控制。然而，提供两个阀和致动器组件增加了涡轮增压器的总成本和复杂性，并且由于使用废气门结构而导致了涡轮增压器运转的低效率。
[0019]因此，本发明的一个目的是克服与这些涡轮增压器相关联地缺点。
[0020]发明概述
[0021]本发明涉及一种改进的涡轮增压器，该涡轮增压器具有更少的部件和成本。本发明性涡轮增压器具有一个不对称的双涡旋蜗壳设计，该设计提供了一个单蜗壳阀来选择性地控制在较高的发动机速度下流经一个第二蜗壳的排气。它与双涡旋设计相比的不同之处是其包括用于控制废气门流量的一个额外的第二阀和致动器组件。
[0022]更具体地，本发明性涡轮增压器使用一个第一蜗壳或涡旋和一个第二蜗壳或涡旋，该第一蜗壳或涡旋具有一个第一尺寸并且是常开的，该第二蜗壳或涡旋具有大于该第一蜗壳的第二尺寸并且是通过该单蜗壳阀来选择性地打开和关闭的。这种双涡旋设计以一种不对称构型提供了这些双涡旋，其中较大的第二蜗壳免除了对废气门及其相关联的致动器阀组件的需求。该小的第一蜗壳是针对快速瞬态和额定转矩来确定大小的，而该较大的蜗壳的大小被确定成使得该涡轮机入口的压力满足额定功率的需要。
[0023]此外，该涡轮增压器优选地结合了一个混合流动涡轮机叶轮，而不是一个径向叶轮，这就允许了与一个径向叶轮的大小相比使用更大的叶轮尺寸而同时仍维持惯性。这种混合流动设计因而使这些蜗壳形成为在尺寸和相对于混合流动叶轮的取向上是不对称的。而且，一旦蜗壳阀打开并且第二蜗壳开始运行而面积/半径(A/R)增加时，混合流动叶轮的效率下降的不是很快。
[0024]为了适应混合这种流动叶轮，对涡轮机壳体进行了改进，其中第一蜗壳和第二蜗壳相对于彼此是不对称的、并且优选地是靠近轴承壳体而倾斜的，从而使得来自蜗壳的轴向流动分量与混合流动涡轮机叶轮导风叶轮的轴向部件相匹配。通过移除具有废气门阀和致动器的一个第二组件，本发明性涡轮增压器因此只使用了这种单蜗壳阀以及相关联的致动器，而同时由于第二蜗壳的这种较大尺寸而使得涡轮机壳体和蜗壳因此而变得不对称。这对本发明性涡轮增压