具有单轴、自定心枢转特征件的可变涡轮几何形状叶片的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于内燃发动机的涡轮增压系统，具体涉及一种可变涡轮几何形状(VTG)叶片填料组件，所述组件具有单轴、自定心枢转特征件，所述特征件为VTG叶片填料组件提供制动性能和耐用性，同时允许热变形。
[0002]相关技术说明
[0003]涡轮增压器是一种与内燃发动机一同使用的增压进气系统。涡轮增压器将压缩空气输送到发动机进气口，以使更多的燃料燃烧，因此增加了发动机的马力而发动机的重量没有明显地增加。因此，涡轮增压器允许使用产生与较大的、自然吸气式发动机相同的马力数的较小的发动机。在车辆中使用较小的发动机具有减小车辆质量，提高性能，并且提高燃料经济性的预期效果。此外，使用涡轮增压器使传送至发动机的燃料更完全地燃烧，这有助于实现更为清洁的环境这一高度预期的目标。
[0004]涡轮增压器通常包括连接到发动机排气岐管的涡轮机壳体、连接到发动机进气歧管的压缩机壳体以及设置在涡轮机壳体和压缩机壳体之间并将二者耦接到一起的中心轴承壳体。涡轮机壳体限定了一个大致呈环形的腔室，所述腔室由涡旋或蜗壳组成，包围涡轮机叶轮并从自发动机排气歧管引出的排气供给流道处接收排气。涡轮机组件一般包括喉部，所述喉部从腔室通往涡轮机叶轮。涡轮机壳体内的涡轮机叶轮由排气歧管供给的流入排气可旋转地驱动。可旋转地支撑在中心轴承壳体内的轴将涡轮机叶轮连接到压缩机壳体内的压缩机叶轮上，使得涡轮机叶轮的旋转引起压缩机叶轮的旋转。连接涡轮机叶轮和压缩机叶轮的轴定义一条线作为旋转轴。排气流过包括涡旋或蜗壳的环形涡轮机室，穿过喉部，到达涡轮机叶轮，在此涡轮机叶轮在排气驱动下以极高的速度旋转。使用涡轮流量和压力控制装置调节排气背压和涡轮增压器的速度。当涡轮机叶轮以极高的速度旋转时，涡轮机从排气内提取功率以驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口吸入周围空气，并且周围空气由压缩机叶轮压缩然后经由压缩机壳体排出发动机进气口。压缩机叶轮旋转增加了通过发动机进气歧管传送至发动机气缸中的空气质量流率、气流密度和空气压力，从而提高发动机的输出，提供高的发动机性能，减少燃料消耗，并通过减少二氧化碳(CO2)的排放量减少了环境污染物。
[0005]通过设计，涡轮增压器在有限的运行条件范围内以最佳状态运行。大型涡轮机可以在较高的空气质量流率下以最佳状态运行。然而，在低的空气质量流率下，大型涡轮机效率不高，而且无法快速旋转以满足升压的需求，这种现象被称为涡轮延迟。另一方面，小型涡轮机可以以较低的空气质量流率提供良好的增压。但是，在较高的空气质量流率下，小型涡轮机可能会被阻塞。为此，小型涡轮机可配备旁路作为控制增压压力的一种简单方法。对于配备有旁路的涡轮机来说，涡轮机尺寸的选择需要满足发动机低转速下对转矩特性要求，并实现良好的车辆驾驶性能。利用这一设计，在达到最大转矩不久前向涡轮机供应超出所需的排气，以产生所需的增压压力。一旦达到特定的增压压力，部分多余的排气流经由旁路被输送至涡轮机周围。打开或关闭旁路的废气泄压阀通常是由弹簧加载式膜片响应于增压压力来操作的。然而，为涡轮机设旁路意味着某些排气能量被浪费了，无法回收。
[0006]可变涡轮几何形状允许涡轮机流量横截面按照发动机工作点而变化。这使整个排气能量都得到利用，并为每个工作点设定最佳的涡轮机流量横截面。因此，涡轮增压器的效率连带着发动机的效率，都高于用旁路控制所实现的效率。参见迈尔的《涡轮增压器，有效利用排气能量》，现代工业出版社，2001年第二次修订版。蜗壳壳体和涡轮机叶轮之间的可变导向叶片对压力增大性能产生影响，因此，也会影响涡轮机的功率输出。在低发动机速度下，流动横截面是通过关闭导向叶片而减小的。增压压力以及发动机转矩都因涡轮机入口和出口之间较高的压降而上升。在高发动机速度下，导向叶片逐渐打开。所需的增压压力以较低的涡轮机压力比获得，且减少了发动机的燃料消耗。在车辆从低速度加速期间，导向叶片关闭以获得最大的排气能量。随着速度的增加，叶片打开并适应相应的工作点。
[0007]如今，现代高输出柴油发动机的排气温度高达830°C。热排气流中精确而可靠的导向叶片运动对材料提出了很高的要求，并且要求精确规定涡轮机内的容许误差。不管涡轮增压器的机架尺寸多大，导向叶片都需要最小的间隙，以在整个车辆的生命周期内确保可靠的运行。
[0008]通常情况下，VTG的可调节导向叶片可枢转地安装在涡轮机壳体内、位于一对叶片环(上部和下部)和/或喷嘴壁之间。可调节导向叶片被枢转设置，以通过修改排气流向涡轮机叶轮的速度或方向控制排气背压和涡轮增压器的速度。在较低的排气的空气质量流率下，可调节导向叶片可被移动到一个相对闭合的位置，从而创建一个较小的通道用于排气流动。由此，VTG模拟了一个小型涡轮机，所述涡轮机即使在排气可用性较低时也能够实现较高的转速。另一方面，当发动机处在较高速度时，排气的空气质量流率很高。因此，可调节导向叶片可以被打开，从而创建一个较大的通道用于排气的流动以及所需的适量升压。可调节导向叶片打开和关闭的能力使得涡轮增压器在范围更广泛的条件下工作以满足发动机的需求。通过与旁路控制比较，VTG利用全部的排气能量，以提高排气涡轮增压器的效率，因此提高了发动机的效率。
[0009]VTG涡轮增压器通常使用至少三个紧固件，诸如双头螺栓、螺栓或带螺母的双头螺栓，以固定所述一对叶片环(即上叶片环和下叶片环)到涡轮机壳体上，使得涡轮机壳体组件包围住所述一对叶片环。紧固件穿过所述两个叶片环，以将上叶片环卡装到下叶片环上，再将下叶片环卡装到涡轮机壳体上。绕过所述叶片以及流经叶片和叶片环之间间隙的任何排气都降低了 VTG的效率。因此，为了使叶片最优控制排气的流动，叶片和叶片环之间的间隙必须很小。为使叶片以如此小的间隙枢转，VTG叶片组件必须以高几何平行度安装到涡轮机壳体上。当涡轮机处于非常宽的温度范围内时必须保持所述平行度。不同的部件由具有不同的热膨胀系数的不同金属制成。涡轮机壳体由于差热膨胀而产生跨温度范围内某种程度的形变。涡轮机壳体的形变致使固定机构/紧固件失去几何平行度，从而使叶片和移动部件不再能自由地枢转，因而粘住或锁住。固定机构/紧固件失去平行度也在固定机构/紧固件内产生了高应力，这可能会导致固定机构/紧固件的故障或破损。叶片环的变形可导致异常的磨损模式或产生不必要的间隙，从而进一步降低了涡轮增压器的空气动力效率。
[0010]因此，需要一种VTG组件，其使叶片环组件在涡轮机壳体内定位并运行。另外需要考虑到涡轮机壳体和/或叶片环组件的热膨胀和变形，同时保持叶片组件的部件相对于彼此的位置，优化峰值效率。额外还需要这样一种性价比高、可靠、且便于制造、组装和/或拆卸的系统和方法。
【发明内容】
[0011]上述这些目的是通过一种可变涡轮几何形状(VTG)涡轮增压器来实现的，所述涡轮增压器包括叶片填料组件，所述组件具有多个单轴、自定心可调节导向叶片。叶片填料组件可包括大致呈环形的第一或上叶片环和大致呈环形的第二或下叶片环。多个间隔件设置在上叶片环和下叶片环之间，使得上叶片环与下叶片环隔开，创造环形的空间。在所述环形空间内，可枢转地安装了多个单轴、自定心可调节导向叶片。导向叶片可枢转地安