专利名称：带有被阀连通的两个流入通道的排气涡轮增压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种涡轮增压器，更具体地涉及一种具有带一体阀的分段 式壳体的涡轮增压器。
背景技术：
内燃发动机，例如柴油发动机、汽油发动机和气态燃料提供动力的发 动机，供应有空气和燃料的混合物，以用于随后在发动机内燃烧产生机械 动力输出。为了使通过此燃烧过程产生的动力最大化，发动机通常装备有 与涡轮增压进气系统流体连通的分支排气歧管。
分支排气系统通过帮助保留由发动机气缸产生的排气脉冲能量来提高 发动机动力。保留由发动机气缸产生的排气脉冲能量提高涡轮增压器的效 率，这使得更有效地利用燃料和最终更大的发动机动力输出。此外，涡轮 增压进气系统通过加强燃料加注来提高发动机动力。通过增加对发动机燃 烧室的空气供应来加强这种燃料加注。特别地，典型的涡轮增压进气系统 包括涡轮增压器，该涡轮增压器使用来自发动机的排气来压缩流入发动机 进口的空气，从而迫使更多的空气进入发动机燃烧室 一一这是用其他方式 所不能比及的。这种加 强的燃料加注提高了由发动机产生的动力。
除了使发动机功率最大的目的之外，还需要使得排气排放最小。上述 发动机可排出复杂的空气污染混合物，该混合物包括固体颗粒物质和包括
氮氧化物(NOx)的气态化合物。由于对环境日益增加的关注，排气排放 标准已越来越严格，并且根据发动机的型号、发动机的尺寸和/或发动机的 类别来规定由发动机排放到大气中的固体颗粒物质和气态化合物的量。 为遵从这些发动机排放规定，发动机制造商已执行的方法包括使用一种排气再循环(EGR)系统。EGR系统通过将排气的一部分再循环返回至 发动才几的进口而工作。其中排气在发动机的进口与新鲜空气混合。最终混 合物包含的氧比纯空气所含的氧少，由此降低燃烧室中的燃烧温度，并产 生较少NOx。同时，排气中包含的一些颗粒物质在被再次引入燃烧室时燃 烧。
EGR系统需要排气系统中的一定程度的背压以将所需的排气量重新 导回至发动机的进口。 EGR系统充分运行所需的背压值随发动机负荷而变 化。但是，这种背压对涡轮增压器的效率有不利影响，从而减小涡轮增压 进气系统压缩空气的能力。空气压缩能力的减小进而降低发动机的燃料经 济性且可能降低发动机产生的动力值。
授予Sumser等人的美国专利No. 6，694，735 ( "，735专利")公开了 一种发动机排气系统，该发动机排气系统使用EGR回路和分支排气歧管， 该分支排气歧管与涡轮增压进气系统流体连通。涡轮增压器包括流体地连 接于发动机的排气歧管的涡轮机和机械地连接于涡轮机的压缩机。排气从 发动机排气歧管通过第一排气管路和笫二排气管路流向涡轮机。第一排气 管路流体地连接于EGR回路。此外，涡轮机包括具有不同尺寸的三个进 口通道。两个较小的进口通道与第一排气管路流体连通，最大的进口通道 与第二排气管路流体连通。第一排气管路还包括节流阀，该节流阀调节流 过两个较小的进口通道的排气的质量流量。通过致动该阀，可调节第一排 气管路中的背压，且可调节流过EGR回路的排气质量流量。
尽管，735专利中的系统可调节涡轮增压器进口通道中的背压以便减小 该背压对涡轮增压器效率的不利影响，发动机系统设计可抵消由背压调节 获得的任何益处。特别地，流过所述三个进口通道的排气的流速并不相等。 流速之间的这种差异和气缸产生的能量相互干预并降低涡轮的动力输出以 及涡轮增压器的总效率。较低的涡轮动力输出和涡轮增压器效率可降低可 用于发动机燃烧的空气量并最终降低燃料经济性和由发动机产生的动力 值。
此外，，735专利中的系统使用三个涡轮增压器进口通道的构型代替常规的涡轮增压器使用的两个进口通道的构型。此外，每个进口通道具有独 特的横截面形状和面积。附加的进口通道以及复杂的设计会产生制造问题 并增加制造成本。
本发明的系统旨在克服上述一个或多个问题。
发明内容
在一方面，本发明涉及一种涡轮增压器。该涡轮增压器可包括涡轮和 构造成至少部分地封装涡轮的壳体。该壳体可包括具有第 一进口的第 一涡 轮蜗壳和具有第二进口的第二涡轮蜗壳。第一蜗壳和第二蜗壳可构造成使 第一流体流和第二流体流与所述涡轮连通。该壳体还可包括壁构件，该壁 构件将第一涡轮蜗壳与第二涡轮蜗壳沿轴向分开。此外，该壳体可包括岡， 该阀构造成选择性地允许第一进口中的流体与第二进口中的流体连通。
另一方面，本发明提供一种用于运行涡轮增压器的方法。该方法包括
在分开的轴向偏置的位置处同时接收进入涡轮增压器中的多股排气流。该 方法还包括选择性地允许排气流在进入涡轮机时彼此连通。
图l是本发明的示例动力系统的示意图2是与图1的动力系统一起使用的本发明的示例涡轮增压器的被部 分切去的斜视图；以及
图3是图2的涡轮增压器的侧面剖视图。
具体实施例方式
图1示出动力系统10，该动力系统具有动力源12、进气系统14、和 排气系统16。为了本发明的目的，动力源12被示为和描述为四冲程柴油 机。但是，本领域技术人员可意识到，动力源12可以是任何其它类型的内 燃发动机，例如汽油发动机或气态燃料提供动力的发动机。动力源12可包 括发动机气缸体18,该发动机气缸体限定多个气缸20。活塞(未示出)可滑动地^L置在各气缸20中以在上止点位置和下止点位置之间往复，各气缸 20可联接有气缸盖(未示出)。
气缸20、活塞和气釭盖可形成燃烧室22。在示出的实施例中，动力源 12包括六个这样的燃烧室22。但是，可想到，动力源12可包括较大或较 小数量的燃烧室22,燃烧室22可设置成"直列"构型、"V"形构型或任 何其它合适的构型。
进气系统14可包括构造成用于将加压空气引入动力源12的部件。例 如，进气系统14可包括进入阀24、一个或多个压缩机26和空气冷却器28。 可设想，'在进气系统14中包括附加的部件，例如，附加的阀、 一个或多个 空气滤清器、 一个或多个废气旁通阀、控制系统、旁通回路和用于将加压 空气引入动力源12的其它装置。还可设想，如果需要的话，可省去it^阀 24和/或空气冷却器28。
进入阀24可经由流体通道30连接于压缩机26且构造用于调节通向动 力源12的大气空气的流量。进入闽24可具体是截止阀、蝶形阀、隔膜阀、 闸阀或本领域已知的任何其它类型的阀。进入阀24可以响应于一个或多个 预定条件螺线管致动、液压致动、气动致动或以其它方式致动。
压缩机26可构造用于将流进动力源12的空气压缩至预定压力水平。 如果进气系统14中包括多个压缩机26，该压缩机可设置成串联或并联的 关系并通过流体通道32连接到动力源12上。压缩机26可具体为固定几何 形状的压缩机、几何形状可变的压缩机或本领域已知的任何其它类型的压 缩机。可设想，如果需要的话，来自压缩机26的压缩空气的一部分可从流 体通道32改道用于其它用途。
空气冷却器28可具体是空气-空气换热器、空气-液体换热器或二者的 組合，且构造成用于促进热能传入或传出导入动力源12的压缩空气。例如， 空气冷却器28可包括管壳式换热器、波紋板式换热器、管翅式换热器、或 本领域已知的任何其它类型的换热器。空气冷却器28可设置在压缩机26 和动力源12之间的流体通道32中。
排气系统16可将排气流导出动力源12且可包括第一排气歧管34和第
7二排气歧管36、第一排气通道38和第二排气通道40、用于检测排气通道 38内的状态的一个或多个传感器42、排气再循环(EGR)回路44、 一个 或多个涡轮机46以及用于调节通过排气系统16的排气流的控制器48。可 设想，排气系统16可包括附加部件，例如，颗粒捕获器、NOx吸收器或 其它催化装置、衰减装置和本领域已知的用于将排气流导出动力源12的其 它装置。
燃烧过程期间在燃烧室22中产生的排气可经由第一排气歧管34或第 二排气歧管36离开动力源12。第一排气歧管34可与第一排气通道38流 体连接使得来自动力源12的几乎同时点火的第一組燃烧室22的排气可通 过第一排气通道38导向涡轮机46。第二排气歧管36可与排气通道40流 体连接使得来自动力源12的几乎在同一时刻(但是与第一组不同)点火的 第二組燃烧室22的排气可通过第二排气通道40导向涡轮机46。应当理解， 第一排气通道38的横截面积可小于第二排气通道40的横截面积。较小的 横截面积可限制排气流过第 一排气通道38，由此产生足够的背压以将至少 一部分排气引导通过EGR回路44。
传感器42可位于第一排气通道38中的任何位置且可包括用于检测流 过第一排气通道38的排气的压力的一个或多个压力检测装置。当测量排气 的压力时，如本领域已知的，传感器42可产生排气压力信号并将此信号经 由通信线路50发送至控制器48。控制器48可利用此信号来调节第一排气 通道38中的背压。可选地，可设想，传感器42可以是任何类型的质量空 气流量传感器，例如，构造用于检测流动通过第一排气通道38的排气的流 速的热线测速仪或文丘里传感器。控制器48可利用所检测的流速确定和调 节排气通道38中的背压。下文进一步说明压力的调节。
EGR环路44可包括共同作用以将由发动机12提供的排气的一部分从 第一排气通道38重新引导至流体通道32。具体地，EGR回路44可包括 进口 52、 EGR冷却器54、再循环阀56和排气口 58。进口 52可流体连接 于涡轮机46上游的第一排气通道38，并经由流体通道60流体连接于EGR 冷却器54。此外，排气口 58可经由流体通道62流体地连接于EGR冷却器54。再循环阀56可设置在流体通道62中、位于EGR冷却器54和排气 口58之间。可以设想，进口 52可位于任何存在的涡轮增压器(如果有的 话)和/或设置在第一排气通道38中的附加排放控制装置(未示出)例如 颗粒过滤器和催化装置的上游或下游。
再循环阀56可设置用于调节通过EGR回路44的排气的流量。再循 环阀56可以是任何类型的阀，例如蝶形阀、隔膜阀、闸阀、球阀、截止阀 或本领域已知的任何其它阀。此外，再循环阀56可以是螺线管致动、液压
和62的排气流量。
EGR冷却器54可构造成用于冷却流过EGR回路44的排气。EGR冷 却器54可包括液体-空气换热器、空气-空气换热器或本领域已知的用于冷 却排气流的任何其它类型的换热器。可设想，如果需要的话，可省略EGR 冷却器54。
涡轮才几46可构造成用于驱动压缩机26。此外，如果排气系统16中包 括多于一个涡轮机46，该涡轮机可设置成串联或并联的关系，且可经由第 一排气通道38和第二排气通道40连接至第 一排气歧管34和第二排气歧管 36。每个涡轮机46可借助于公共轴64连接于进气系统14的一个或多个压 缩机26以形成涡轮增压器66。当离开动力源12的热排气移动通过第一排 气通道38和/或第二排气通道40到达涡轮机46并膨胀、推压涡轮机46的 叶片(图1中未示出)时，涡轮机46可旋转并驱动所连接的压缩机26压 缩进气。如图2所示，涡轮机46可包括涡轮68,该涡轮68固定地连接于 公共轴64且居中地i殳置以在涡轮机壳70内旋转。
涡轮68可包括涡轮基部72和多个涡轮叶片74。涡轮叶片74可设置 在涡轮基部72的外周且适用于在被热排气膨胀驱动时旋转涡轮基部72。 涡轮叶片74可采用常规方式刚性地固定于涡轮基部72或可选地与涡轮基 部72形成一体且通过铸造或锻造工艺形成——如果期望的话。
涡轮机壳70可构造成至少部分地封装涡轮68并且将来自第一排气通 道38和第二排气通道40的热膨胀气体分别引导至涡轮68。特别地，涡轮机壳70可以是分段式壳体，该分段式壳体具有带有与第一排气通道38流体连接的第 一进口 78的第 一蜗壳76和带有与第二排气通道40流体连接的第二进口 82的第二蜗壳80。壁构件84可将第一蜗壳76和第二蜗壳80分开。应当理解，第一蜗壳76和第一进口 78可分别具有比第二蜗壳80和第二进口 82小的横截面积。
涡轮机壳70还可包括控制阀86，该控制阀流体地连接于第一进口 78和第二进口 82。控制阀86可构造成通过选择性地允许排气从高压第一进口 78流向低压第二进口 82来调节流过第一排气通道38的排气的压力。应当理解，第一排气通道38中的压力值可控制被导入通过EGR回路44的排气的量。因为控制阀86可最终控制被导入通过EGR回路44的排气的量，所以，可设想，如果需要的话，可省去EGR阀56。此外，因为可选择性地允许排气从第一进口 78流向第二进口 82，第一蜗壳76和第二蜗壳80中流速之间的差异可最小化，由此使得压差对于涡轮增压器效率的影响最小化。
控制阀86可以是任何类型的阀，例如蝶形阀、隔膜阀、闸阀、球阀、球形阀或本领域已知的其它任何阀。此外，控制阀86可以是螺线管致动、液压致动、气动致动或以任何其它方式致动以选择性地限制第一进口 78和第二进口 82之间的排气流动。
第一蜗壳76和第二蜗壳80可各具有环状的类似通道的出口 88，该出口使第一蜗壳76和第二蜗壳80与涡轮68的外周流体连接。分别在第一和第二蜗壳76、 80中、在第一进口 78和第二进口 82与环状的类似通道的出口 88之间i殳有多个翼片构件90。翼片构件90可相对于涡轮才几46的中心轴线成基本相等的角度，使得进入第一进口 78和第二进口 82和呈环形流过第一蜗壳76和第二蜗壳80的排气可在多个有限的环状位置处沿径向均匀地向内转向并通过环状的类似通道的出口 88。如图2和图3所示，翼片构件90可在多个等间距的位置处牢固地连接于壁构件84的相对的侧面，由此将环状的类似通道的出口 88分成多个有限的出口区域/部位。可设想，翼片构件90可与涡轮机壳70 —体地铸造且例如通过电子放电加工方法进
10行制造。也可设想，可选地通过高精密铸造方法将翼片构件90与涡轮机壳70 —体地铸造成成品。还可设想，翼片构件90可最初与涡轮机壳70分开，当组装至涡轮壳体时可以为第一和第二蜗壳76、 80共用(例如，延伸通过壁构件84)。此外，可设想，如果需要的话，翼片构件卯可仅与第一蜗壳76和第二蜗壳80中的仅仅一个相关联。
重新参考图1，控制器48可通过调节EGR阀56和/或控制阀86调节流过EGR回路44的排气的流速和流过第一排气通道38的排气的流速或压力。应当理解，控制器48可通过经由通信线路92传递控制信号来调节EGR阀56和/或控制阀86。对于省略EGR阀'56的构型，控制器48可仅控制控制阀86来调节EGR回路44中的排气流量。此外，可省略从控制器48通向EGR阀56的通信线路92。
控制器48可包括一个或多个微处理器、存储器、数据存储设备、通信集线器和/或本领域已知的且可联接于排气系统16的其它部件。可设想，控制器48可集成在总控制系统中，该总控制系统能够控制动力系统10的附加功能(例如对动力源12的选择性的控制)和/或控制可操作地联接于动力系统10的附加系统(例如对传输系统(未示出)的选择性控制)。
在调节通过EGR回路44的排气的流量之前，控制器48可接收指示动力源12的条件或通过EGR回路44的期望的排气流速的数据。可从另一控制器或计算机(未示出)接收此数据。在替代实施例中，可从策略性地分布在整个动力系统10中的传感器接收指示动力源12的条件/状态的数据。控制器48可将动力源条件数据对照算法、等式、子程序、参考对照图镨或表格，并确定通过EGR回路44的期望的排气流速。
控制器48还可从传感器42接收指示流过第一排气通道38的排气的流速或压力的信号。当从传感器42接收输入信号时，控制器48可执行多种运算/操作，例如算法、等式、子程序、参考图镨或表格以判断流过排气通道38的排气的流速或压力是否在用于产生期望的通过EGR回路44的排气流速的期望范围内。在替代实施例中，可设想，控制器48可从位于整个排气系统16和/或动力系统10的各传感器(未示出)(而不是传感器42)
ii接收信号。此传感器可检测可用于计算流过第一排气通道38的排气的流速或压力的参数。
工业实用性
本发明的涡轮增压器可用于其中使用加压进气和排气再循环的任何动力系统的应用。特别地，因为本发明的涡轮增压器包括一体控制阀，所以可提高空气系统效率和燃料经济性，同时减小释放至大气中的排放量。下面描迷动力系统10的运4亍。
参考图1,大气空气可经由进入阀24通过压缩机26吸入进气系统14，大气空气在进入动力源12的燃烧室22之前在该进气系统中被加压至预定水平。燃料可在进入燃烧室22之前或之后与加压空气混合且通过动力源12燃烧以产生机械功和热气排气流。在燃烧之后，根据燃烧室22的构型，排气可进入第一排气歧管34或第二排气歧管36。
来自第一排气歧管34的排气可流过第一排气通道38,来自第二排气歧管36的排气可流过第二排气通道40。因为第 一排气通道38可具有比第二排气通道40更小的横截面积，流过第一排气通道38的排气可具有比流过第二排气通道40的排气更高的压力和/或更低的流速。第一排气通道38中的较高的压力可允许排气的至少一部分流过EGR回路44。控制器48可通过调节EGR阀56和/或控制阀86来调节流过EGR回路44的排气的流速。可响应于动力源12的操作条件或测得的流过第一排气通道38的排气流的流速或压力而进行此调节。此外，可设想，如果需要的话，可以小的增量调节控制阀86。
没有流过EGR回路44的一部分排气可被引导至涡轮机46,该涡轮机46中热气的膨胀可使得涡轮机46旋转，由此使所连接的压缩机26旋转并压缩进气。在离开涡轮机46之后，排气流可流过附加排气处理装置并被释放至大气中。
如图2所示，当排气从动力源12经由排气通道38和40进入涡轮机46时，排气被分开地且同时地引导通过第一蜗壳76和第二蜗壳80，分别进入涡轮68。此外，根据控制阀86的位置，流过第一进口 78的至少一部 分排气可流过第二进口 82,由此减小第一蜗壳76和第二蜗壳80之间的压 力差和流速差。随着排气流移动通过第一蜗壳76和第二蜗壳80中的每一 个并围绕涡轮68流动，翼片构件卯可将这些环形流在多个有限的部位处 向内重新导向至涡轮叶片74的周边。在将能量传递给涡轮叶片74且由此 迫使涡轮叶片74旋转之后，排气可沿轴向离开涡轮机46。
可在本发明的动力系统中获得一体控制阀86的优点。特别地，因为该 涡轮机包括一体控制阀，所以流过第一和第二蜗壳的排气的流速差可最小 化。通过使流速差最小化，可保留由气缸产生的较大部分能量，从而提高 涡轮机的动力输出/功率输出和涡轮增压器的总效率。提高的涡轮机动力输 出和涡轮增压器效率可增加发动机的可用于燃烧的空气的量并最终提高燃 料经济性和发动机的功率值。
此外，涡轮机的设计可以较为简单，这是因为涡轮机仅使用两个进口 通道。较筒单的设计可使得制造问题最小化并降低制造成本。
明显地，本领域技术人员可对本发明的涡轮增压器进行各种改进和变 型。考虑本发明的涡轮增压器的说明和应用，其它的实施方案对本领域技 术人员来说也是显而易见的。说明和示例仅作为示例性的，真正的范围由 所附权利要求及其等同方案限定。
权利要求
1.一种涡轮增压器，包括涡轮(68)；和构造成至少部分地封装所述涡轮的壳体(70)，该壳体(70)包括第一涡轮蜗壳(76)，该第一涡轮蜗壳(76)具有第一进口(78)且构造成使第一流体流与所述涡轮连通；第二涡轮蜗壳(80)，该第二涡轮蜗壳(80)具有第二进口(82)且构造成使第二流体流与所述涡轮连通；壁构件(84)，该壁构件(84)将所述第一涡轮蜗壳和所述第二涡轮蜗壳沿轴向分开；以及阀(86)，该阀(86)构造成用于选择性地允许所述第一进口中的流体与所述第二进口中的流体连通。
2. 根据权利要求l所述的涡轮增压器，其特征在于，所述第一涡轮 蜗壳具有比所述第二涡轮蜗壳更小的横截面积，所述第一进口具有比所述 第二进口更小的横截面积。
3. 根据权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述壳体还包 括第一系列呈环形设置的翼片构件(90)，该第一系列呈环形设置的翼片 构件与所述第一涡轮蜗壳或所述第二涡轮蜗壳中的至少一个相关联。
4. 根据权利要求3所述的涡轮增压器，其特征在于，所述第一系列 呈环形设置的翼片构件与第一涡轮蜗壳相关联，所述壳体还包括与所述第 二涡轮蜗壳相关联的第二系列呈环形设置的翼片构件。
5. 根据权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，该涡轮增压器 还包括压力或流量传感器(42)，该压力或流量传感器(42)构造成用于 检测指示流过所述第一进口的排气的压力的参数。
6. 根据权利要求5所述的涡轮增压器，其特征在于，还包括控制器 (48)，该控制器(48)构造成用于响应于所检测的排气压力或流速调节所述阀。
7. —种用于运行涡轮增压器(66)的方法，该方法包括 在分开的沿轴向偏置的位置处同时接收进入涡轮增压器的具有不同流速或压力的多股排气流，和选择性地允许所述排气流在进入涡轮机时彼此连通。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法还包括检测所 述排气流中的一股排气流的流速或压力，并根据所检测的流速或压力选择 性地允许所述多股排气流彼此连通。
9. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法还包括在多 个有限环形部位(90)处同时且沿径向将第一和第二排气流重新定向，该 多个有限环形部位(90)围绕涡轮(68)的周向基本等间隔设置。
10. —种动力系统(IO),包括动力源(12),该动力源(12)具有多个燃烧室(22)且构造成用于产生动力输出和排气流；第一排气通道(38),该第一排气通道(38)与所述多个燃烧室(22) 中的至少第一燃烧室相关联；第二排气通道(40),该第二排气通道(40)与所述多个燃烧室(22) 中的至少第二燃烧室相关联；排气再循环回路(44),该排气再循环回路(44)构造成用于将排气 导入所述动力源的进口；和根据权利要求l-6中任何一项所述的涡轮增压器(66)。
全文摘要
本发明涉及一种涡轮增压器(66)，包括涡轮(68)和构造成至少部分地封装涡轮的壳体(70)。所述壳体可具有第一涡轮蜗壳(76)，该第一涡轮蜗壳(76)具有第一进口(78)；和第二涡轮蜗壳(80)，该第二涡轮蜗壳(80)具有第二进口(82)。所述第一和第二蜗壳可构造成使第一和第二流体流与所述涡轮连通。该壳体还可具有壁构件(84)，该壁构件将第一涡轮蜗壳和第二涡轮蜗壳沿轴向分开。此外，该壳体可具有阀(86)，该阀构造成用于选择性地允许第一进口中的流体与第二进口中的流体连通。
文档编号F01D9/02GK101688447SQ200880022691
公开日2010年3月31日 申请日期2008年6月25日 优先权日2007年6月29日
发明者D·A·皮尔庞特, P·W·赖斯多夫 申请人:卡特彼勒公司