专利名称：具有非对称分开式涡形的可变几何结构涡轮增压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及排气驱动的涡轮增压器。尤其涉及用于具有两组发动析i汽缸的 内燃机的涡轮增压器涡轮组件，每组汽缸都将排气排入各自的排气排出管线， 各汽缸组的排气排出管线彼此分开。
背景技术：
排气驱动涡轮增压器是一种连接在内燃机中通过压缩进入到发动机进气道 空气的装置，该空气与燃料混合并在发动机中燃烧，从而增加内燃机的输出功 率。涡轮增压器包括一个在压縮机腔内安装轴一端的压縮机轮和一个在涡轮机 腔内安装轴另一端的涡轮。典型地，涡轮腔和压缩机腔相分开，并具有一个连 接在涡轮腔和压縮机腔之间用于容纳该轴的轴承的中间腔。涡轮腔大体呈围绕 在涡轮外并接收发动机排气的环状腔体。涡轮组件包括从腔体延伸入涡轮的喷 嘴。排气从腔体穿过喷嘴流向涡轮，从而驱动涡轮。涡轮从排气中吸收能量并
驱动压縮机。压縮机M压缩机腔体的入口接收周围空气，空气被压缩机轮压 縮并继而从腔体流向发动机进气道。
内然机不是定流设备，因为每个发动机汽缸在旨循环的压缩和燃傲膨胀 冲程期间都是封闭的。因此，通过特定气缸排放的排气流实际上是排气的一系 列短的爆喷或脉冲，旨脉冲都相应于循环的排气冲程。在具有多汽缸的发动 机中， 一般来说，将汽缸"分成"两组会比较有利，这样一来，一组汽缸的排气 进入一条排气排出管线，而另外一组汽缸的排气进入另一条排气排出管线。这 两条管线接着将排气送入涡轮增压器，从而使得排气的两个流尽可能长地保持 彼此分开。这样的布置會,利用排气流盼'脉冲"效应。
在普通单涡形涡轮增压器中，由于两条流在进入涡轮增压器的涡轮腔时必 须汇合和混合，因此脉冲效应还没有达到最优化，尤其是在低流速的情况下。 当排气以低流速进入单个的大体积涡形时，涡轮中排气的脉冲能量不能有效地
转换^^几械能。
发明内容
本发明涉及一种更完全地利用双组发动机排气系统脉冲能量的涡轮增压器 的涡l^且件。本发明一方面，涡轮组件包括一个涡轮腔，其具有轴向延伸孔， 并且具有围绕孔的分开涡形或"双涡巻"以接收来自发动机排气排出管线的排 气。双涡巻限定出第一涡巻和与第一涡巻基本分开和隔开的第二涡巻，第一涡 巻相对于沿着排气流过涡轮腔的孔的轴流方向位于第二涡巻的上游。有利地， 第一涡巻具有一个相对第二涡巻显著较小的容积。组件还包括可旋转地安装在 孔中的涡轮，涡轮包括毂和多个周向相间隔的叶片，叶片连接到毂上并从毂大 致径向向外延伸至叶片尖端。叶片限定了位于其间的叶片通道，每个叶片通道 具有一个喉部，在喉部处叶片通道的流通面积最小。叶片尖端的径轴向凸出部 限定出的轮廓具有在轴向上位于喉部上游的第一部分以及在轴向上位于第一部 分下游的第二部分，第二部分至少有一部分在轴向上位于喉部的下游。
涡轮腔中的排气入口允许排气进入到第一和第二;跪，排气入口设置成将 第一和第二涡巻与来自于发动机的两絲夂气排出管线流体连通，并当流进入并 M两个涡巻时仍然保持两个排气流间基本分开。
第一涡巻的出口部分引导排气基本仅流向涡轮轮廓的第一部分，且第二涡 巻的出口部分引导排气基本仅流向涡轮轮廓的第二部分。
优选实施例中，涡轮组件还具有可变几何结构机构并且布置为用于控制从 第二涡巻至涡轮的流通面积。有利地，在仅用第一涡巻就足够的工作条件下， 可变几何结构机构可操作以基本防止从第二涡巻到涡轮的任何流动。通过这样 的布置，可以配置第一涡巻及其出口部分以被优化，从而在如低发动机速度这 样的低流量条件下起到固定几何结构涡轮(第一涡巻带或不带导向叶片)的作
用。当需要更高流率的情况下(例如，高发动i;uffi/负荷)，可舰可变几何结 构机构将第二涡巻打开。两个涡巻基本分开有利于保持不同排气流的优势。同 时，当可变几何结构机构将第二涡巻关闭时，两条排气线都将排气输入第一涡 巻。利用这样的设计，当发动机低速运转使得排气流速低时，所有的排气都送 入第一涡巻(通过可变几何结构机构关闭第二涡巻)。可将第一涡巻对低流速条 件最优化，从而相比于普通的排气穿过大体积涡形的单涡形涡轮增压器而言， 使得排气中的脉冲效应能更有效地转化成涡轮中的机械能。
在一个实施例中，可变几何结构机构包括一个位于涡轮腔的孔中从而在其 中可轴向滑动的管状活塞。涡轮腔包括隔离壁，将引导排气到涡轮中的第一和 第二涡巻的出口部分隔开，并且活塞可在关闭位置和打开之间滑动，在关闭位 置活塞的上游端靠近隔离壁从而能基本关闭第二涡巻的出口部分，并且在打开 位置活塞的上游端与隔离壁分离使得基本上第二涡巻出口部分的全轴向宽度不 被活塞覆盖。
在一个实施例中，多个周向隔开的叶片设置在靠近第二涡巻出口部分的位 置，从而引导排气进入涡轮。活塞和叶片在径向上至少部分地交迭，并且活塞 还具有接收至少叶片的一部分的凹陷处。
根据一个实施例，涡轮叶片尖端的径向-轴向凸出部所限定的轮廓包括在径 向向外方向凹陷的凹陷部，并且活塞具有径向内表面，该径向内表面在径向-轴 向凸出部中的部分在径向向内方向上凸出，并且在形状上基本与轮廓的凹陷部 分互补。
涡轮轮廓的第一部分具有轴向宽度B， 一个实施例中第一涡巻出口部分的 轴向宽度基本等于宽度B。
在一个实施例中，第一涡巻的容积显著小于第二涡巻。在另一个实施例中， 第一涡巻的容积小于第二涡巻的一半。
进行了概括性地描述之后，现在参考附图进行详细描述，附图不一定根据 比例尺寸纟賴'J，其中.-
图1是根据本发明一个实施例中涡轮组件的部分截面透视图，其中活塞位 于关闭位置；
图2与图类似，活塞位于打开位置；
图3是涡$^且件的部分截面侧视图，其中活塞位于关闭位置； 图4是涡轮组件的部分截面端部4见图。
图5是沿着垂直于涡轮组件纵轴的平面的涡轮组件截面视图； 图6是沿图4中线6-6的截面图； 图7是涡轮组件的轴向截面图，其中活塞位于打开位置。
具体实施例方式
现参考列举了部分而不是全部实施例的附图，对本发明进行全面地描述。
实际丄本发明的实施例可以有很多不同的形式，并不局限于所描述的这些； 另外，提供这些实施例使得本公开将满足可应用的法律要求。相同的数字代表 相同的部件。
根据本发明的一个实施例，用于涡轮增压器的可变几何结构涡轮组件100
ilil附图1~6的各种视图进行描述。此涡轮组件尤其适于用在连接在)^:动机汽 缸组内燃机的涡轮增压器上，每一气缸组将排气送入一个排气排出管线，该排 气排出管线与另一个气缸组的排气排出管线分开。涡轮组件包括具有沿轴向延 伸的孔112的涡轮腔110。涡轮腔限定出围绕孔112的分开涡形或双涡巻114， 以用于从发动机排气排出管线接收排气。双涡巻限定出第一涡巻114a和与第一 涡巻基本分开并隔离的第二涡巻114b。 ^h第一或第二涡巻大致呈沿着涡轮组 件轴线圆周地延伸的环形或螺旋形室。相对于排气沿其流过涡轮腔的孔112的 轴向流动方向(图1中箭头115所示)，第一涡巻114a位于第二涡巻114b的上 游。
涡轮组件100还包括可旋转地安装于孔112中的涡轮120，涡轮包括毂122 和多个周向隔开 接在毂上并从毂径向向外延伸至叶片顶端的叶片124。叶片 124限定出其间的通道，每个叶片通道具有在该处叶片通道流动面积最小的喉部 (如图7中的数字126所示)。叶片尖端的径向-轴向凸出部限定出轮廓128，轮 廓128具有在轴向上位于喉部上游的第一凸起128a和在轴向上位于第一凸起下 游的第二凸起128b,第二凸起128b的至少一部分在轴向上位于喉部的下游。
主要参考图4-6,涡轮组件包括由涡轮腔U0限定的排气进口130，其用于 将排气输送到第一和第二涡巻H4a， 114b。排气进口构造为^蝶一和第二涡巻 均与来自于发动机的两个不同排气排出管线Ll和L2流体连通。以例如SM提 供一个隔离壁132的方式，将进口 132分成两个部分130a和103b(图6所示)， 部分130a设置为将排气主要提供给第一涡巻114a，第二部分130b设置为将排 气主要提供给第二涡巻U4b。隔离壁的前缘134与进口 130的嘴部在流向上间 隔开，如图4最佳所示。因此，当两条排气排出管线与进口 130相3^人而将各 自的排气蒸气送入进口嘴部时，来自两条管线中的气体都可以流入涡巻 114aJ14b中指定的一个。例如，如下进一步所述，在一些运转劍牛下，第二涡 巻114b的出口可有效地关闭，从而使得来自于发动机的两条排气排出管线的排 气必须流过第一涡巻U4a。隔离壁132的前缘与进口的嘴部在流向上间隔的布
置允许这种情况发生。然而，当两个涡巻的出口都打开时，进口 130两部分中 的排气蒸气主要输送到相应的涡巻114aJ14b，两个流间不会出现'交叉输送"或 混合(例如，其中之一的蒸气主要送入第一涡巻U4a，另外一个蒸气主要送入 第二涡巻114b)。
第一涡巻114a具有构造为引导排气基本仅进入涡轮叶片轮廓128第一部分 128a的出口部分116a。第二涡巻114b具有构造为引导排气基本仅进入涡轮叶片 轮廓128第二部分128b的出口部分116b。 M;这样的布置，当排气仅从第一涡 巻114aiSA涡轮120时，涡轮增压器起到固定几何结构涡轮增压器的作用，并 且第一涡巻的几何形状可对低流速条件进行最优化，此时仅从第一涡巻获得的 流量已经足以满足发动机从涡轮增压器获得的增压需要。在一些实施例中，第 一涡巻的容积显著小于第二涡巻。例如，第一涡巻的容积小于第二涡巻容积的 一半。
在其他具有更高排气舰的运转^(牛下，需要两个涡巻114aJ14b为涡轮提 供气体。涡轮组件100包括用于调节第二涡巻114b流量的可变喷嘴机构。此可 变喷嘴机构可以为任何已知类型，但4趟地，其应当为这样麟型，即允许第 二涡巻出口 116b在某些运转割牛下有效地完全关闭(除了可能的微小泄漏流)， 在另一些运转条件下完全打开从而允许从出口 116b进行基本无限制的流动，并 且在其他运转条件下还可以实现可变角度的部分打开。活动叶片或滑动活塞可 达到战目的。在图示的实施例中，机构包括位于涡轮腔的孔112中的大致管 状的活塞140，使得活塞可在孔中轴向滑动。这样的滑动活塞自身是己知的，因 此不需要在lth^活塞140进纟t^细描述，除非活塞的某一方面对于现有的涡轮
组件来说尤为重要。
在这点上，涡轮组件包括安装在大体环形的环150上的固定叶片160。具有
叶片160的环150安装在涡轮腔内从而使得环150靠在将第一涡巻114a的出口
116a与第二涡巻114b的出口 116b分隔开的壁118上。叶片160布置成围绕环
150的圆周在周向上间隔开的环形阵列。叶片从环150处沿大致平行于下游方向
115 (图l)的方向向着涡轮腔的对面壁轴向延伸，因此其穿过第二涡巻114b的
出口部分116b。叶片160用于引导排气以一个有利的方向进入涡轮轮廓的第二
部分128b。活塞140的上游端部分在其径向夕卜表面具有狭槽或者凹陷处144。
当活塞位于关闭或部分打开位置的时候，每个凹陷处144接收一个叶片160的
径向向内的部分，最好如图4所示那样。换句话说，活塞140与叶片160在径 向方向上部分重合。当活塞处于图1所示的完全关闭位置时，叶片160的自由 端邻接或几乎邻接活塞的轴向相对面146 (图2， 6和7所示)。当活塞完全打 开时，活塞的上游端与隔离壁118及环150相隔开，使得第二涡巻114b的出口 部分H6b的基本全部轴向宽度都不被活塞覆盖。可以通过作为一个或多个运转 参数(如发动mil度、所需负荷等)的函数来实现的对活塞140轴向位置的调 整，来调节从第二涡巻114b i3A到涡轮的排气流。
如图7所示，在本发明一些实施例中，涡轮的轮廓128包括在径向向外方 向凹陷的凹陷部，活塞140具有径向内表面，该径向内表面位于径向-轴向凸出 部中的部分在径向向内方向上凸起，并在形状上与轮廓的凹陷部基本互补。以 上述方式成形活塞有利于当活塞从完全关闭位置刚进入打开位置时按期望的方 向引导排气流。
对本领域技术人员而言，根据前述的描述和附图的教导，能了解本发明的 诸多优势，并能想到本发明更多的修改和其他实施例。因此，很容易理解，本 发明不仅仅局限于所描述的实施例，更多的修改和其他的实施例也包含在权利 要求的范围之内。尽管用到了特定的术语，但它们仅仅是以一般以及描述的方 式出现，而并不是为了进行限制。
权利要求
1.一种涡轮增压器的涡轮组件，该涡轮增压器用于具有两组气缸的内燃机，每一组都具有将排气排入与另一组气缸的排气排出管线分开的排气排出管线中的多个发动机汽缸，所述涡轮组件包括涡轮腔，其具有沿轴向延伸的孔和围绕所述孔用于接收来自于发动机排气排出管线的排气的双涡卷，双涡卷限定有第一涡卷和与第一涡卷基本分开并隔离的第二涡卷，相对于排气流过涡轮腔的孔的轴向流动方向第一涡卷位于第二涡卷的上游；可旋转地安装在所述孔中的涡轮，该涡轮包括毂和多个周向隔开的叶片，所述叶片连接在毂上并从毂大体径向向外延伸并终止于叶片顶端，叶片限定出叶片间的通道，每个叶片通道具有叶片通道流动面积最小的喉部，叶片尖端的径向-轴向凸出部限定出轮廓，所述轮廓具有在轴向上位于喉部上游的第一部分和在轴向上位于第一部分下游的第二部分，第二部分的至少一部分在轴向上位于喉部的下游；由涡轮腔限定用于允许排气进入第一和第二涡卷的排气进口，所述排气进口使得第一和第二涡卷与来自于发动机的两个排气排出管线流体连通；第一涡卷具有构造为引导排气基本仅进入所述轮廓的第一部分的出口部分；第二涡卷具有构造为引导排气基本仅进入所述轮廓的第二部分的出口部分。
2、 如权利要求1所述的涡轮组件，其中轮廓的第一部分具有轴向宽度B， 且引导排气进入涡轮的第一涡巻的出口部分具有一个与宽度B基本相等的轴向 宽度。
3、 如权禾腰求1所述的涡轮组件，其中第一涡巻不具有导向叶片。
4、 如权利要求1所述的涡轮组件，其中第一涡巻的容积显著小于第二涡巻 的容积。
5、 如权利要求4所述的涡轮组件，其中第一涡巻的容积小于第二涡巻的容 积的一半。
6、 如权利要求1所述的涡轮组件，还包括构造并布置为调节从第二涡巻通 向涡轮的流动面积的可变几何结构机构。
7、 如权利要求6所述的涡轮组件，其中在仅用第一涡巻就足够的工作条件 下，可变几何结构机构可操作以基本防止从第二涡巻到涡轮的任何流动。
8、 如权利要求6所述的涡轮组件，其中可变几何结构机构包括位于涡轮腔 的孔中从而可在其中进行轴向滑动的管状活塞，涡轮腔包括将引导排气进入涡 轮的第一和第二涡巻的部分分隔开的隔离壁，活塞可在关闭位置和打开位置之 间滑动，在关闭位置活塞的上游端靠近隔离壁从而能基本关闭第二涡巻的出口 部分，在打开位置活塞的上游端与隔离壁间隔开使得第二涡巻的出口部分的基 本全部轴向宽度不被活塞覆盖。
9、 如权利要求8所述的涡轮组件，还包括,第二涡巻的出口部分布置以 引导排气进入涡轮的多个周向间隔开的叶片。
10、 如权利要求9所述的涡轮组件，活塞和叶片在径向上至少部分地交迭， 活塞包括接收叶片的至少一部分的凹陷。
11、 如权利要求8所述的涡轮组件，其中轮廓包括在径向向外方向凹陷的 凹陷部，并且活塞具有径向内表面，该径向内表面位于径向-轴向凸出部中的部 分在径向向内方向上凸起，并在形状上与轮廓的凹陷部基本互补。
12、 如权利要求1所述的涡轮组件，其中涡轮腔限定出接收来自于发动机 的排气排出管线的排气并沿进入第一和第二涡巻的流动方向引导排气的进口， 该进口具有将迸口纵向部分分成第一和第二部分的隔离壁，此隔离壁具有在流 动方向上与进口的嘴部间隔开的前缘。
全文摘要
本发明涉及具有非对称分开式涡形的可变几何结构涡轮增压器，具体而言一种用于可变几何结构涡轮增压器的涡轮组件包括涡轮腔，涡轮腔限定出具有第一和第二涡卷的分开卷形，其中第一涡卷容积比第二涡卷小得多。第一涡卷将排气送入位于涡轮喉部上游的涡轮第一部分，同时第二涡卷将排气送入至少部分地位于喉部下游的涡轮第二部分。通过一个滑动活塞调节来自于第二涡卷的气流。可将第一涡卷针对低流量条件进行最优化，从而使得当活塞关闭时涡轮增压器有效地起到小的固定几何结构涡轮增压器的作用。涡轮腔具有被隔离壁分成两部分的进口，它们各自将排气送入两个涡卷，隔离壁的前缘位于进口嘴部的下游。
文档编号F02B37/24GK101368488SQ20081016115
公开日2009年2月18日 申请日期2008年8月5日 优先权日2007年8月6日
发明者N·塞雷斯 申请人:霍尼韦尔国际公司