具有蜂窝状结构加固的金属板涡轮机外壳的制作方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及涡轮增压器的外壳。
【背景技术】
[0002]涡轮增压器通过从发动机引导排气流提高发动机的动力输出，以驱动涡轮机，进而驱动压缩机。压缩机传送压缩空气到发动机的进气歧管中，且因此允许更多的燃料燃烧。由于涡轮机以达到120，OOOrpm(每分钟转速)或更高的高速度旋转，且与排气系统流体连通，所以涡轮增压器及其外壳能够经受可能最终使各种组件变形的极高温度。由于这些不利的条件，涡轮增压器的外壳可以由耐用的生铁制成，但使车辆担负明显的重量，最终降低燃料经济性。因此，近年来，一些生产商反而选择用金属板(sheet metal)制造涡轮机外壳。
[0003]与生铁涡轮增压器相比，包括两金属板层的涡轮增压器提供若干优点。因为金属板可以被制成较薄零件，所以涡轮增压器可以更轻且因此减少车辆的总重量。更进一步，金属板通过入口排气相当更快速地变热，使排气后处理系统的组件(即催化转化器)在汽油和柴油发动机的涡轮增压发动机上更快地达到工作(点火)温度。当使用生铁用于涡轮增压器外壳时，由于生铁较高的吸热能力，点火的时间延长。
[0004]另一方面，与常规生铁相比，达到超过1050°C的温度的高温排气可能对金属板的破坏性更大，其中聚集的入口气体能够使金属板的完整性畸变。更具体地，涡轮机外壳可能经受在伴随发动机操作的热循环过程中发生的热膨胀和热收缩。当涡轮机外壳发生热变形时，金属板涡轮机外壳的涡轮叶尖间隙通常多于双倍。在一些情况下，对于用于轻型到中型柴油应用的涡轮机，叶尖间隙可以从0.4_增加到1_，这可能转换为8至12%的效率损耗或I至3%的燃料经济性损耗。
[0005]Bogner等人在美国专利申请N0.13/984，894中示出解决涡轮机外壳的热诱导变形的一个实例方法。其中，描述一种具有冷却剂入口、提供在涡轮机外壳内部的冷却套管以及冷却剂出口的涡轮增压器。在该实施例中，冷却套管设置在两层涡轮机外壳之间。
[0006]然而，发明人在这里已经意识到此类系统潜在的问题。举一个实例，此类冷却套管在技术上复杂，要求精确重铸涡轮机外壳，且生产相对昂贵。此外，在车辆中与涡轮增压器整合可能要求涡轮机机壳更大以容纳涡轮增压器，因此导致前区重量负担增加。冷却套管还可能需要在涡轮增压器和内燃发动机之间进行复杂的液压和机械连接，以用于涡轮增压器的中心主体内的冷却液的循环。即使可以纳入这些特征，但是可能没有在前端区布置足够大的热交换器用于涡轮机的液体冷却以允许大量热消散的可能性。
【发明内容】
[0007]因此，提供一种包括包围转子的涡轮机外壳的涡轮机，其中涡轮机外壳包括金属板的内层和外层，外层在一定距离处包围内层以在内层和外层之间形成中间空间。中间空间提供额外的绝缘且减少热损耗。此外，包括波状(corrugated)或波纹(bellowed)金属板的主体的加固元件设置在中间空间中且耦接到内层和外层中的至少一个或两个，所述金属板具有蜂窝状(cellular)结构或图案(pattern)。加固元件可以以对称或不对称间隔隔开有限距离或可以沿整个外壳设置。在另一个实例中，加固元件可以仅设置在具体位置处，例如在邻近涡轮叶片的外壳的内层和外层之间。以此方式，通过增强最接近涡轮叶片的金属板层，维持内层和转子之间的阈值长度是可能的。
[0008]在一个实例中，对于涡轮机外壳的生产，加固元件使得取代具有承受高热应力能力、但在重量上繁重的材料(例如生铁)成为可能。加固元件的金属板的主体的蜂窝状配置可以包括合适的重复图案。在一个实例中，图案可以采用蜂巢状结构，以使六边形的每个面与祸轮机外壳的内层和/或外层共面接触(face sharing contact)。在另一些实例中，图案可以包括各种三角几何图形，例如重复的正弦波。更进一步，在另一些实例中，图案呈现串联对齐的基本正方形或三角形形状。加固元件可以经由点焊附接到外壳的层。此类图案和附接方法为金属板外壳层提供期望的热保护和结构性增强特性。
[0009]因此，经由加固元件实现的技术效果是热阻增加且涡轮机外壳变形减少，且因此可以帮助减少涡轮机转子和外壳的内层之间距离的增加。结果，能够降低效率和燃料经济性损耗。
[0010]当单独或结合随附的附图，根据下列【具体实施方式】，本描述的上述优点和其它优点以及特征将更明显。应该理解，所提供的上述
【发明内容】
以简化形式引入在【具体实施方式】中详细描述的概念选择。这并意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，所要求保护的主题的范围通过【具体实施方式】之后的权利要求唯一限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上面提到的或本公开的任何部分中提到的任何缺点的实施方式。
【附图说明】
[0011]图1示出一个涡轮增压发动机的方框图。
[0012]图2示出垂直于图1所示的涡轮机转子的轴的截面中的涡轮机的一个实施例。
[0013]图3示出图2所示的涡轮机的横截面图。
[0014]图4A至图4B示出一种加固元件的图案的实例。
【具体实施方式】
[0015]本文描述具有金属板外壳和加固元件的涡轮机。在一个实施例中，涡轮机可以包括具有金属板的第一内层和第二外层的外壳，以及附接在其间的增强加固元件。加固元件可以是形成图案的波状或波纹金属板的主体。在一些实例中，图案体现为六边形蜂巢形状、正弦波以及其它几何图形重复形状中的一个。此外，加固元件可以以一定间隔隔开有限距离或沿整个外壳隔开，且经由点焊接可附接到外壳的内层和/或外层，在此位置处，加固元件与内层或外层共面接触。通过将内层和外层与具有蜂窝状结构的加固元件耦接，减少涡轮机外壳的部分上的热磨损和压力是可能的。
[0016]加固元件的蜂窝状结构通过维持绝缘空气间隙提供支撑，这减少热损耗并促进更快地发展到催化点火，同时体现不显著增加重量的形态。尽管空气可以被包括在间隙中，其它实施例也可以利用真空。此外，蜂窝状结构以非常低的密度提供强度和一致性硬度(consistent rigidity)。例如，当具有波纹金属板的主体的蜂窝状加固元件接合到外壳的每层时，加固元件的每个六边形壁可以表现得如1-型梁的腹板一样，形成牢固且坚硬的轻量型复合面板。类似地，加固元件的合适图案(诸如几何图形或三角形状等)的其它实施例可以为涡轮机外壳产生类似增强特征。这样，多个几何图形和三角图案中的其中一者可以增加外壳层的硬度，同时允许较轻规格的金属(例如，铝和钢金属板)用于具体应用。
[0017]参照图1，包括多个汽缸的内燃发动机10由电子发动机控制器12控制，其中图1示出多个汽缸中的一个汽缸。发动机10包括燃烧室30和汽缸壁32，其中连接到曲轴40的活塞36位于汽缸壁32中。燃烧室30示出经由各自的进气门52和排气门54与进气歧管44和排气歧管48连通。每个进气门和排气门可以由进气凸轮51和排气凸轮53操作。替代地，一个或多个进气门和排气门可以由电动机械控制的阀线圈和电枢总成操作。进气凸轮51的位置可以由进气凸轮传感器55确定。排气凸轮53的位置可以由排气凸轮传感器57确定。
[0018]燃料喷射器66被示出经安置以直接喷射燃料到汽缸的燃烧室30中，其被本领域技术人员所熟知为直接喷射。附加地或替代地，燃料可以喷射到进气道，其被本领域技术人员所熟知为进气道喷射。燃料喷射器66传送与来自控制器12的信号FPW的脉冲宽度成比例的液体燃料。燃料由包括燃料箱、燃料栗和燃料导轨(未示出)的燃料系统(未示出)传送到燃料喷射器66。