专利名称：用于涡轮增压器的可变喷嘴装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及可变喷嘴装置，尤其涉及用于涡轮增压器的可变喷嘴装置。本发明也涉及涡轮增压器的平行构型以及用于操作该涡轮增压器，柴油发动机升压系统和发动机升压系统的方法。
国际专利申请PCT/IB03/00042披露了涡轮增压器(101，102)的平行构型，其中的两个涡轮(T，T)根据
图11而平行连接。在低旋转速度下，第二涡轮增压器不运转。该构型需要外部控制阀(100)，用于在低旋转速度下完全关闭第二涡轮增压器的涡轮。在高旋转速度下，必须开启阀，以运转第二涡轮增压器。
在日本专利公布JP-A-2002-038964中已知完全可关闭的喷嘴装置。通过可枢转的叶片来构建可变喷嘴装置，使得流道的几何构造是可调节的。可枢转的叶片尖端分别邻接相邻的叶片，使得通过喷嘴的流道几乎完全关闭。
本发明的目的是对于具有简化和可靠结构的涡轮增压器，提供完全关闭至涡轮的流道的工具。
通过用于涡轮增压器的涡轮的喷嘴装置来解决此目的，其包括限定在内壁和外壁之间的可变环形喷嘴，其中所述外壁可轴向移动，从而完全关闭所述可变环形喷嘴。本发明的喷嘴装置有利地不再需要外部控制阀来关闭涡轮。
叶片的环形构造优选地置于所述可变环形喷嘴中，并且所述外壁由管状活塞组成，管状活塞可轴向滑动至叶片的所述环形构造的径向内部中或径向外部上，以便接触所述内壁。叶片和管状活塞调整进入环形喷嘴的废气流。
管状活塞可包括梯级部分，其可轴向滑动至叶片的所述环形构造的径向外部上，其中梯级部分引导进入涡轮的废气至涡轮的下游侧。当废气流要绕过涡轮的轮时，例如当催化剂迅速加热时，这是有利的。
叶片环形构造优选地仅延伸过在所述内和外壁之间的最大间隔的一部分，从而当环形喷嘴完全开启时，即当内外壁之间的间隔变得最大时，不产生由叶片引起的流动阻力。
内壁可以由具有叶片的所述环形构造的有叶片的罩组成。
也通过发动机升压系统来解决此目的，该升压系统包括第一和第二涡轮增压器的平行构型，其中所述第二涡轮增压器的涡轮包括可变喷嘴装置，其能够完全关闭其喷嘴开口。
发动机升压系统有利地不再需要用于关闭涡轮的外部控制阀。
也通过操作内燃机的方法来解决此目的，该内燃机具有涡轮增压器的平行构型，其中，当在发动机低旋转速度下驱动第二涡轮增压器(8)时，第二涡轮增压器(8)的可变喷嘴装置完全关闭其喷嘴开口。
本发明可用在包括涡轮增压器的柴油发动机升压系统中，涡轮增压器包括压缩机和涡轮，涡轮具有根据本发明的喷嘴装置以及控制工具，用于将涡轮环形喷嘴关闭到发动机制动的最佳位置，其中同时提供高升压压力和高反压力。一方面，对于发动机制动操作，柴油发动机通常在涡轮上游需要高反压力，以实现高发动机制动效果。当喷嘴装置的开口减小时，涡轮上游的反压力增加。另一方面，发动机燃烧气缸内的压力必须处于高水平，以维持涡轮上游的高反压力。即，为了实现气缸中的高压力，压缩机下游的升压压力必须高，其在某种程度上又需要压缩机运转。当涡轮内喷嘴装置的开口增加时，压缩机增加升压压力。因此，必须优化喷嘴装置的开口，从而实现涡轮上游的高反压力以及压缩机下游的高升压压力。通过电子控制装置来优选地实行喷嘴开口的优化，例如通过涡轮上游的反压力反馈控制。可以通过位于涡轮上游的压力检测装置，来检测反压力。电子控制装置可变地反馈控制喷嘴开口，并且必须没有其任何机械限制。因此，根据本发明的可变喷嘴装置有利地适合于此柴油发动机升压系统，因为其是完全可关闭的，以便在优化过程期间没有机械限制。
本发明可以用于发动机升压系统，其包括涡轮增压器和位于所述涡轮增压器下游的催化剂，其中涡轮增压器包括废气驱动涡轮，其具有涡轮的轮和可开启的环形喷嘴，以便废气流大致绕过涡轮的轮。只有当催化剂达到特定的废气净化温度时，催化剂才显现出其最佳净化功能。因此，在发动机启动时，必须立刻加热催化剂。为了如此进行，在发动机启动时，在低旋转速度下通常完全关闭的涡轮的喷嘴装置，即使在低旋转速度下也开启，使得废气流大致绕过所述涡轮的涡轮的轮。喷嘴装置完全开启的位置，防止涡轮处的热损失，从而非常迅速地加热催化剂。
参考附图，通过实例对本发明的优选实施例进行解释。
图1显示了涡轮的侧向截面，其具有根据本发明的第一实施例的喷嘴装置。
图2显示了涡轮的侧向截面，其具有根据本发明的第一实施例的喷嘴装置。
图3显示了涡轮的侧向截面，其具有根据本发明的第一实施例的喷嘴装置。
图4显示了涡轮的侧向截面，其具有根据本发明的第一实施例的喷嘴装置。
图5显示了根据本发明第一实施例的喷嘴装置的有叶片的罩。
图6A和6B显示了根据本发明第一实施例的喷嘴装置的有叶片的罩和管状活塞的组件。
图7示意性地显示了涡轮增压器的平行构型，其中涡轮增压器中的一个包括根据本发明第一实施例的喷嘴装置。
图8显示了具有根据本发明的喷嘴装置的涡轮增压器在柴油发动机升压系统中的应用。
图9显示了具有根据本发明的喷嘴装置的涡轮增压器在发动机升压系统中的应用。
图10显示了具有根据本发明的喷嘴装置的涡轮增压器在发动机升压系统中的另一个应用。
图11示意性地显示了根据现有技术的涡轮增压器的平行构型。
参考图1到4，对本发明的第一实施例进行解释。
涡轮增压器根据本发明的喷嘴装置是涡轮增压器8的一部分。涡轮增压器8基本上包括废气驱动的涡轮1和进气压缩机(图中未示)。通过废气驱动的涡轮1产生的动力来驱动进气压缩机，其中废气驱动的涡轮1的涡轮的轮13与进气压缩机的压缩机叶轮(图中未示)安装在共同的轴上。
涡轮涡轮1配备有壳体(图中未示)，其具有废气进口(图中未示)和环形喷嘴2，用于将废气从废气入口引导到废气涡轮1的涡轮的轮13。
环形喷嘴在图1到4中，在内壁3和外壁4之间限定了可变环形喷嘴2，其中所述外壁4可轴向移动，从而开启和完全关闭所述可变环形喷嘴2。环形喷嘴2的开启程度由内壁和外壁4之间的可变距离来确定。根据环形喷嘴2的开启程度，受引导通过环形喷嘴2的废气流转动涡轮的轮13。
内壁根据第一实施例的喷嘴装置的内壁3由有叶片的罩7组成，有叶片的罩在其上具有固定叶片5的环形构造。这样，固定叶片5置于所述可变环形喷嘴2中，以推动废气流进入预定方向，如在图2到4中所示。
图5更详细地显示了具有固定叶片5的有叶片的罩7。罩7包括固定叶片支撑盘3，其作为内壁3。固定叶片支撑盘3形状为大致的圆形，并且在其中心部分配备有开口。固定叶片5布置在固定叶片支撑盘3的一个表面上，以便从其伸出。叶片5为大致的扇形，并且相对于固定叶片支撑盘3的切线稍微倾斜。优化叶片5的设计，以在图2中所示的过渡阶段获得涡轮1的最大效率。在固定叶片支撑盘3的相对侧，固定叶片5的尖端与固定叶片尖端环19连接。固定叶片尖端环19增加了固定叶片5的刚度，此外，固定叶片尖端环19有助于将废气流18引导到涡轮的轮13中，如从图2到4中所能得出的。
外壁再参考图1到4，根据第一实施例的喷嘴装置的外壁4由管状活塞6组成，活塞可轴向滑入叶片5的所述环形构造的径向内部，以便接触到所述内壁3。作为另一种选择，管状活塞可轴向滑动到叶片5的所述环形构造的径向外部上。根据图6A和6B，提供管状活塞6，以便大致围绕废气涡轮的轮13。管状活塞6在其下游形成涡轮增压器设备的废气出口20。管状活塞6优选地由气动执行机构(图中未示)驱动，该执行机构连接到管状活塞6的驱动杆21上。
在图1到4中，根据第一实施例的管状活塞6在其远端包括梯级部分17，其可轴向滑动至固定叶片5的径向内部内。梯级部分17在管状活塞6的远端处包括小外径部分和与其相邻的大外径部分。根据第一实施例的梯级部分17能够在涡轮的轮13和固定叶片5之间精确地装配管状活塞6的端部，如图1中所示。
在图6A和6B中，有叶片的罩7与管状活塞6组装。图6A显示了根据图2的半开喷嘴2，而图6B显示了根据图4的全开喷嘴2。从图6B，这是明显的叶片5的环形构造只延伸过所述内外壁3、4之间的最大间隔，即当喷嘴2完全开启时，罩7和管状活塞6之间的最大间隔的一部分。这是因为叶片5优化为尤其在图2中所示的过渡阶段得到涡轮1的最大效率。当环形喷嘴2完全开启时，主要需要最大的废气流，其必须不为任何叶片所限制。
图7显示了涡轮增压器的平行构型，其包括具有第一涡轮23和第一压缩机24的第一涡轮增压器9、以及具有第二涡轮1和第二压缩机25的第二涡轮增压器8，其中，两个涡轮增压器9、8的第一和第二涡轮23、1以及第一和第二压缩机24、25，分别相对于内燃机(图中未示)通常平行地连接。
根据该构型，通过第一新鲜空气导管26和第二新鲜空气导管27，平行于压缩机24、25中的每个供入新鲜空气，从压缩机24、25排出的空气通过中间冷却器(图中未示)引导到内燃机(图中未示)的进口侧。在涡轮增压器的平行构型中，第二压缩机25配备有空气再循环阀门28，其使用空气流调整工具来调节再循环空气的量。在此实施例中的再循环系统包括具有蝶形阀28的旁通管29，以调节再循环回到第二新鲜空气导管27内的空气质量流。在第二压缩机25的出口处，提供额外的蝶形阀30，以调节从第二压缩机25排出至发动机的新鲜空气流。
在该构型的涡轮一侧，来自发动机的废气通过第一废气导管31和第二废气导管32分别供应至第一和第二涡轮23、1。第一涡轮增压器9的第一涡轮23由具有相应废气门阀34的旁路通道33旁通。第二涡轮增压器8的第二涡轮1配备有根据本发明的喷嘴装置，如图1至4中所示。作为另一种选择，第二涡轮1可配备有可移动叶片，其能够完全关闭环形喷嘴。此改动的可移动叶片取代了根据第一实施例的固定叶片，通过具有可移动叶片的喷嘴装置实现了与第一实施例中相似的效果。
以下将描述涡轮增压器的平行构型的操作。
根据图7的涡轮增压器的平行构型允许内燃机在内燃机的低、中和高转速下具有高效的功能。
在内燃机的低转速下，例如大约1000-2000转/分钟，管状活塞6完全关闭第二涡轮增压器8的环形喷嘴2，如图1所示。当管状活塞6关闭第二涡轮增压器8的第二涡轮1的环形喷嘴2时，有利地去除了第二涡轮增压器8的涡轮1的废气流，以避免来自其轴承系统的油泄漏。至第一涡轮增压器9的第一涡轮23的废气流降低了，以确保第一涡轮增压器9的怠速旋转。
在此情形下，通过废气门阀34来控制第一涡轮增压器9的速度。在此阶段，只有第一涡轮增压器9正常工作，以给发动机增压。
在低转速下，蝶形阀28开启，以实现在第二压缩机25处的再循环。由于该构型的特定设计，在再循环过程中，第二压缩机25中的压力能够降低，使得推力负载变得较不重要，并提高了可靠性。额外的蝶形阀30保持关闭，第一压缩机25正常工作，以给发动机增压。
在内燃机中等转速范围内，例如大约2000-2500转/分钟，管状活塞6逐渐开启，以便调整第二涡轮1之前的压力，如图2和3所示，并且废气流18驱动第二涡轮增压器8的第二涡轮1。同时，蝶形阀28逐渐关闭，以便平衡第二压缩机25和第二涡轮1之间的动力，使得通过蝶形阀28的操作，第二涡轮增压器8的速度能够调整。
在内燃机高转速的范围内，例如大约2500-4000转/分钟，管状活塞6完全或几乎完全开启，如图4所示。第一涡轮23的速度通过废气门阀34来调整。在此操作过程中，额外的蝶形阀30开启，蝶形阀28完全关闭，以平衡第二压缩机25和第二涡轮1之间的动力。
图8显示了具有根据本发明的喷嘴装置的涡轮增压器8在柴油发动机升压系统中的应用。
柴油发动机升压系统基本包括单一涡轮增压器8，其具有涡轮1和压缩机35，用于柴油发动机36。涡轮1包括根据本发明的可变喷嘴装置。从压缩机35排出的空气由置于压缩机35和发动机36之间的中间冷却器37进行冷却。由此，进入发动机36的被压缩空气的流动速率增加了。在压缩机35的吸入侧，放置了清洁吸入空气的空气清洁器38。
一方面，对于发动机制动操作，柴油发动机36通常在涡轮1的上游需要高反压力，以实现高发动机制动效果。当喷嘴装置的开口减小时，涡轮1上游的反压力增加。
另一方面，发动机36燃烧气缸内的压力必须处于高水平，以维持涡轮1上游的高反压力。即，为了实现气缸中的高压力，压缩机35下游的升压压力必须高，其在某种程度上又需要压缩机35运转。当涡轮1内喷嘴装置的开口增加时，压缩机35增加升压压力。
因此，必须优化喷嘴装置的开口，从而实现涡轮1上游的大反压力以及压缩机35下游的大升压压力。通过电子控制装置(图中未示)，例如通过涡轮1上游的反压力的反馈控制来优选地进行喷嘴开口的优化。可以通过位于涡轮1上游的压力检测装置(图中未示)，来检测反压力。电子控制装置可变地反馈控制喷嘴开口，并且必须没有其任何机械限制。因此，根据本发明的可变喷嘴装置有利地适合于此柴油发动机升压系统，因为其是完全可关闭的，以便在优化过程期间没有机械限制。
图9显示了具有根据本发明的喷嘴装置的涡轮增压器8在发动机升压系统中的应用。
发动机升压系统基本包括单一涡轮增压器8，其具有涡轮1和压缩机35，用于发动机39，优选地用于汽油发动机39。
从压缩机35排出的空气由置于压缩机35和发动机39之间的中间冷却器37进行冷却。由此，进入发动机39的被压缩空气的流动速率增加了。在压缩机35的吸入侧，放置了清洁吸入空气的空气清洁器38。
涡轮1包括根据本发明的可变喷嘴装置。在涡轮1的出口侧，放置了用于净化废气的催化剂40。只有当催化剂达到特定的废气净化温度时，催化剂40才显现出其最佳净化功能。因此，在发动机39启动时，必须立刻加热催化剂40。为了如此进行，即使在发动机39启动时在低旋转速度下，涡轮1的喷嘴装置也开启，使得废气流大致绕过所述涡轮1的涡轮的轮13。喷嘴装置完全开启的位置，防止涡轮1处的热损失，从而非常迅速地加热催化剂40。
在发动机39启动时加热催化剂40的该方法优选地适合于包括涡轮增压器8的系统，该涡轮增压器具有根据本发明的喷嘴装置，在此，可完全关闭的喷嘴装置必须在发动机39启动时强迫开启。
图10显示了在发动机升压系统中的根据本发明第二实施例的在涡轮增压器中的涡轮的喷嘴装置12。上半部分显示了关闭位置，而下半部分显示了开启位置。
根据第二实施例的喷嘴装置包括限定在内壁3和管状活塞106之间的可变环形喷嘴2，其中叶片5的环形构造从所述内壁3突出。
根据第二实施例的喷嘴装置在结构上不同于第一实施例之处在于所述管状活塞106包括梯级部分117，其可轴向滑动至叶片5的所述环形构造的径向外部，以便接触所述内壁3。
梯级部分117在管状活塞106的远端处包括大内径部分，和与其相邻的小内径部分。这样，梯级部分117具有更适当地引导进入涡轮1的废气至涡轮的轮13的下游侧的几何形状。
这样成形的喷嘴装置有利地适合用于根据图9的发动机升压系统中，以便迅速地加热催化剂40。
虽然参考特定实施例详细解释了本发明，但本发明并不限于实施例的结构。尤其是，可以实现可移动叶片来取代固定叶片5。应当注意可移动叶片可独立或结合管状活塞6、106来操作。
权利要求
1.一种用于涡轮增压器的涡轮的喷嘴装置，其包括限定在内壁(3)和外壁(4)之间的可变环形喷嘴(2)，其中，所述外壁(4)可轴向移动，用于完全关闭所述可变环形喷嘴(2)。
2.根据权利要求1所述的可变喷嘴装置，其中，叶片(5)的环形构造置于所述可变环形喷嘴(2)中，并且所述外壁(4)由管状活塞(6，106)组成，管状活塞可轴向滑动至叶片(5)的所述环形构造的径向内部中或径向外部上，以便接触所述内壁(3)。
3.根据权利要求2所述的可变喷嘴装置，其中，所述管状活塞(106)包括梯级部分(117)，其可轴向滑动至叶片(5)的所述环形构造的径向外部上，所述梯级部分(117)引导进入涡轮的废气至涡轮的下游侧。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的可变喷嘴装置，其中，叶片(5)的所述环形构造仅延伸过所述内和外壁(3，4)之间的最大间隔的一部分。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的可变喷嘴装置，其中，所述内壁(3)由具有叶片(5)的所述环形构造的有叶片的罩(7)组成。
6.一种具有涡轮(1)的涡轮增压器(8)，涡轮包括根据权利要求1至5中任一项所述的可变喷嘴装置。
7.一种发动机升压系统，其包括至少第一和第二涡轮增压器(9，8)的平行构型，其中，所述第二涡轮增压器(8)的涡轮(1)的特征在于可变喷嘴装置，其能够完全关闭其喷嘴开口。
8.根据权利要求7所述的包括涡轮增压器平行构型的发动机升压系统，其中，第二涡轮增压器(8)是根据权利要求6所述的涡轮增压器。
9.一种操作根据权利要求7或8所述的具有涡轮增压器(9，8)的平行构型的内燃机的方法，其中，当在发动机低旋转速度下驱动第二涡轮增压器(8)时，第二涡轮增压器(8)的可变喷嘴装置完全关闭其喷嘴开口。
10.柴油发动机升压系统，其包括根据权利要求6所述的涡轮增压器和控制工具，用于将涡轮环形喷嘴(2)关闭到发动机制动的最佳位置，其中同时提供高升压压力和高反压力。
11.一种发动机升压系统，其包括涡轮增压器(8)和置于所述涡轮增压器(8)下游的催化剂(40)，其中，涡轮增压器(8)包括废气驱动的涡轮(1)，其具有涡轮的轮(13)和可开启的环形喷嘴(2)，以便废气流大致绕过涡轮的轮(13)。
12.根据权利要求11所述的发动机升压系统，其包括根据权利要求6所述的涡轮增压器(8)。
全文摘要
一种根据本发明的用于涡轮增压器的涡轮的喷嘴装置，包括限定在内壁(3)和外壁(4)之间的可变环形喷嘴(2)，其中所述外壁(4)可轴向移动，从而完全关闭所述可变环形喷嘴(2)。
文档编号F02C6/12GK1910345SQ200380111036
公开日2007年2月7日 申请日期2003年12月10日 优先权日2003年12月10日
发明者J·-L·佩林, G·菲谷拉 申请人:霍尼韦尔国际公司