不对称双涡流蜗壳的制作方法
【专利说明】不对称双满流蜗壳
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求享有申请号为61/908,338、申请日为2013年11月25日名称为“不对称双涡流蜗壳”的美国临时申请的优先权和所有权益，该申请的内容结合本说明作为参考。
技术领域
[0003]本公开涉及一种用于内燃机的涡轮增压器的涡轮机蜗壳。更具体地讲，本公开涉及一种涡轮增压器壳体，它具有与一个集成排气歧管气缸盖相组合的不对称双涡流涡轮机蜗壳，该不对称双涡流涡轮机蜗壳被设计用来容纳混合的、径流式或轴流式涡轮机。
【背景技术】
[0004]涡轮增压器是一种与内燃机一起使用的压力感应系统。涡轮增压器将压缩空气递送至发动机进气口，使更多燃料燃烧，进而提高了发动机的功率而不明显增加发动机重量。因此，涡轮增压器允许使用更小的发动机，可产生与更大的普通吸气式发动机相同的功率。在车辆中使用较小的发动机具有减轻车辆重量、提升车辆性能和提高燃料经济性的预期效果。并且，涡轮增压器的使用使输送给发动机的燃料燃烧更为充分，有助于实现减排的高期望目标。
[0005]涡轮增压器一般包括与发动机排气歧管连接的涡轮机壳体，与发动机进气歧管连接的压缩机气缸，和设置在涡轮机壳体与压缩机气缸之间并将两者耦合在一起的中心轴承壳体。涡轮机壳体是指围绕涡轮机叶轮并接收发动机排出气体的普通环形腔室、涡管或蜗壳。涡轮机组件通常包括从腔室通向涡轮机叶轮的喷嘴。在涡轮机壳体中的涡轮机叶轮通过由排气歧管供给的排气流入可旋转地驱动。可转动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气缸中的压缩机叶轮，使得涡轮机叶轮的旋转带动压缩机叶轮的旋转。连接涡轮机叶轮和压缩机叶轮的轴限定了旋转轴的轴线。排气从腔室、涡管或蜗壳通过喷嘴流向涡轮机叶轮并驱动该涡轮机叶轮。因此涡轮机从排气获取功率并驱动压缩机。压缩机通过压缩机气缸的入口接收环境空气，空气经压缩机叶轮压缩后从气缸排放至发动机进气口。当压缩机叶轮旋转时，通过发动机进气歧管递送到发动机气缸的空气密度和空气压力得到增强。
[0006]通过发动机排气歧管由气缸排放的排气流涉及排气的一系列短脉冲或脉冲。在多气缸发动机中，通常将气缸分成两个气缸组或气缸排。分在一个气缸排中的气缸将气体排放到一个排气排放管中，而分在另一个气缸排中的气缸将气体排放到另一个单独的排气排放管中。两个排放管然后将排气供给涡轮增压器，使由两个排放管提供的排气流尽可能长时间地分开。
[0007]涡轮机入口与涡轮机出口处的压差决定可通过排气涡轮机进行的工作量。涡轮机前压力(涡轮机入口处)比涡轮机后压力(涡轮机出口处)越大，可通过涡轮机/压缩机轴传输的工作量越大。在涡轮机出口处是排气。发动机排气是一种利用各种催化剂、过滤器、和消音器的组合，放置在适当位置以减少排放和噪音的系统。组合部件限制了流量，使涡轮机出口处压力相对于大气升高。然后涡轮机产生额外的压差，使涡轮机入口压力高于涡轮机出口压力。涡轮机利用此压差产生涡轮机功率。虽然涡轮机可恢复此压差以及热排气额外消耗的能量，但是由涡轮机引起的反压升高可增加发动机的栗送工作量，这将降低燃料经济性。需要将涡轮机入口和出口之间的压差降到最低而不影响性能，从而减小反压以及减少发动机的栗送工作量。此外，如果压差变大，则气缸盖排气口压力可克服排气阀弹簧，使多余的热排气在点火前通过排气阀进入气缸，使发动机自点火，在某些情况下导致过早失效。
[0008]公开内容
[0009]本公开涉及减小涡轮增压器反压，平衡涡轮增压器出口和排气入口之间的压差，及增加涡轮机的流量。更具体地讲，本公开涉及一种与集成排气歧管气缸盖相组合的不对称双涡流涡轮机蜗壳，该不对称双涡流涡轮机蜗壳被设计用来容纳混合的、径流式或轴流式涡轮机。本公开由一种涡轮机组件构成，其中包括一个具有排气入口用来接收发动机排气的涡轮机壳体和一个集成排气歧管气缸盖，该集成排气歧管气缸盖有排气口使排气从发动机气缸流出。该集成排气歧管的排气口直接供给涡轮机壳体(未示出)，这样，就不需要单独的排气歧管。涡轮机壳体包括一个不对称双涡流蜗壳，被配置成将排气导入涡轮机叶轮。
[0010]本公开的不对称双涡流设计包括第一涡管和第二涡管，其中，第一涡管容积和流动参数比第二涡管大。较大的蜗壳增加了流量，抵消了反压，从而在两个蜗壳间形成均匀平衡的或相等的峰值压力和震动，并在气缸套之间形成气体流的平衡。通过均衡峰值压力、震动及气缸套之间的气体流，可避免气缸套内发动机的自点火，该气缸套将具有最大峰值压力和震动。通过增加较大蜗壳的流量并平衡气缸套之间的气体流，可降低涡轮机的压力差，发动机可更高效地运行，提高燃料经济性。虽然使用一个集成排气岐管可产生一些容积差，可供本公开使用，但是不使用集成排气歧管也可以理解本公开。这可以适用于这些情况，如从阀门到涡轮进口的排气通道的容积随气缸的不同而变化。
[0011 ]在某些方面，一种发动机系统包括与一个集成排气歧管相组合的不对称涡轮机，该系统包括一个具有涡轮机壳体的涡轮机和一个集成排气歧管，该涡轮机壳体具有一个涡轮机进口和一个涡轮机出口，该集成排气歧管包括一个耦接至涡轮机出口的排气法兰。涡轮机壳体包括至少一个(第一)蜗壳和至少另一个(第二)蜗壳，和设置于其间的壁。至少一个(第一)蜗壳和至少另一个(第二)蜗壳具有各自的尺寸和质量流量。至少一个(第一)蜗壳的尺寸和质量流量大于至少另一个(第二)蜗壳。
[0012]该系统可包括以下列特征中的一个或多个:该集成排气歧管进一步包括至少一(第一)对连接至该至少一个(第一)蜗壳和涡轮机入口的端口以及至少另一(第二)对连接至该至少另一个(第二)蜗壳和涡轮机入口的端口。该一(第一)对端口和该至少另一(第二)对端口都有各自的端口容积;其中，该至少一(第一)对端口的端口容积小于该至少另一(第二)对端口的端口容积。至少一个(第一)蜗壳的质量流量被设定为适应与集成排气歧管连接的发动机的容积不对称性，这样可保持发动机的气缸排气端口的峰值压力低于预定水平。所需的压力小于发动机的气缸排气端口阀门的闭合弹簧的弹簧弹力。通过涡轮机，排气流在该至少一个(第一)蜗壳和该至少另一个(第二)蜗壳之间交替流动。该至少一个(第一)蜗壳相对于该至少另一个(第二)蜗壳的不对称量基于以下来确定:a)发动机尺寸所要求的流量，以保持发动机的气缸排气端口的峰值压力低于预定水平，以及b)比例因子，其基于一维或一维/三维发动机模拟工具的输出来选择，该发动机模拟工具将流量编入并且将发动机尺寸和震动作为模拟计算的因数。
[0013]在某些方面，提供了一种用以优化不对称双涡流涡轮机的蜗壳的不对称量的方法，而其不对称量由比例因子限定。该方法包括确定发动机尺寸所要求的流量，以保持发动机的气缸排气端口的峰值压力低于预定水平;将确定的流量编入发动机模拟工具，该发动机模拟工具将发动机尺寸和震动作为模拟计算的因数，利用该工具确定比例因子。在该方法中，发动机模拟工具为一维或一维/三维发动机模拟工具，发动机模拟工具的输出用于计算蜗壳的比例因子。
【附图说明】
[0014]图1为叠加于本公开的不对称蜗壳设计之上的传统双涡流蜗壳设计的横截面视图。
[0015]图2为包括一个与集成排气歧管相组合的不对称涡轮机的发动机系统的示意图。
[0016]图3为本公开的不对称蜗壳设计的横截面视图。
[0017]图4为包括本公开的集成排气歧管的示例性发动机的示意图。
【具体实施方式】
[0018]图1详细示出了一个具有蜗壳(B，D)的传统双涡流蜗壳设计(以阴影线示出)叠加于本公开的具有蜗壳(A，C)的不对称蜗壳设计(以阴影示出)。传统“双涡流”蜗壳各涡管(B，D)具有相等的流量。如图示，本公开的不对称蜗壳设计(以阴影示出)包括至少一个“涡管”或蜗壳(A)在容积和流量参数上比传统“双涡流”蜗壳设计的蜗壳(B)(以阴影线示出)大。加工本公开的蜗壳(A，C)之间的分割壁(E)轻微改变传统“双祸流”蜗壳(D)的位置，现在，它已经是本公开的不对称蜗壳设计的新蜗壳(C)，而蜗壳(A)明显要大于蜗壳(C)。
[0019]参考图2-4，发动机系统I包括与发动机24的集成排气岐管气缸盖20相组合的排气涡轮增压器5。该涡轮增压器5包括具有不对称双涡流设计的涡轮机10。双涡流设计包括由壁13分隔开的第一蜗壳11和第二涡蜗壳12，壁13延伸至气缸盖出口表面22。为了控制流量，还可以配置排气阀门和致动装置，但这里未示出。第一蜗壳(或一个蜗壳)11比第二蜗壳(或另一个蜗壳)12大。
[0020]集成排气岐管气缸盖20包括用于发动机24的每个气缸的排气端口。在所示的实施例中，发动机24包括四个气缸(C1-C4)，因此存在四个排气端口P1-P4。排气端口P1-P4是气缸排气阀(未示出)和气缸盖出口表面22之间的通道，并且通过涡轮机入口法兰直接供给到涡轮机壳体10中。如下进一步详示的，从气缸C1-C4的气缸排气阀(未示出)分别到涡轮机入口法兰F的排气端口长度(Lla到Llb)、(L2a到L2b)、(L3a到L3b)和(L4a到L4b)根据所考虑的气缸(即，气缸1-4)而不同。在所示实施例中，气缸二C2和气缸三C3的排气端口长度(L2a到L2b)、(L3a到L3b)比气缸一Cl和气缸四C4的排气端口长度(Lla到Lib)、(L4a到L4b)短。由于排气端口 P1-P4沿它们的长度具有统一的横截面积，而因为与气缸二 C2和三C3对应的第二和第三排气端口 P2、P3长度较短，所以第二和第三排气端口 P2、P3穿过排气岐管20时比