带喷嘴的涡轮增压器涡轮和相关发动机及方法
【专利摘要】一种用于内燃发动机（100）的涡轮增压器（119）包括中央壳体（202）、可转动地支承在中央壳体（202）内的轴（125）以及连接在轴（125）一端处的涡轮叶轮（212）。涡轮壳体（215）连接到中央壳体（202）并围绕涡轮叶轮（212）布置。形成在涡轮壳体（215）内的孔口（234）从涡轮壳体（215）的气体出口（128）端延伸到涡轮壳体（215）的邻近涡轮叶轮（212）布置的环形止挡表面（308）。布置在孔口（234）内的喷嘴环（238）围绕涡轮叶轮（212）的一部分。出口锥体（316）至少部分布置在孔口（234）内并围绕涡轮叶轮（212）的剩余部分。出口锥体（316）连接到涡轮壳体（215）的气体出口（128）端。
【专利说明】带喷嘴的涡轮增压器涡轮和相关发动机及方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及与内燃发动机一起使用的涡轮增压器。
【背景技术】
[0002]内燃发动机被供应空气和燃料的混合物，以便在产生机械功率的发动机内燃烧。为了使这种燃烧过程产生的功率最大化，发动机通常装备有涡轮增压的空气导入系统。
[0003]涡轮增压的空气导入系统包括涡轮增压器，涡轮增压器使用来自发动机的排气以压缩流入发动机的空气，由此与通过其它方式抽吸到燃烧室的发动机相比，迫使更多的空气进入发动机的燃烧室。空气的这种增加供应允许增加的燃料供应，造成增加的发动机功率输出。
[0004]发动机的燃料能量转换效率取决于许多因素，包括发动机涡轮增压器的效率。之前提出的涡轮增压器设计包括具有形成在其壳体内的单独气体通道的涡轮。在这种涡轮中，两个或更多气体通道可以形成在涡轮壳体内，并平行于彼此延伸，使得随着排气经过涡轮，来自于不同时刻点火的各个发动机气缸的排气脉冲能量波动得到保留。这些排气脉冲可以用来改善涡轮的驱动功能并增加其效率。
[0005]内燃发动机还使用多种系统来减少作为发动机燃烧的副产品的某些合成物和物质。一种这样的系统(被通常公知为排气再循环(EGR))被构造成将计量的通常被冷却的排气再循环到发动机的进气系统内。以此方式再循环的燃烧气体比新鲜进入空气具有显著更低的氧浓度。再循环气体引入发动机的进气系统并随后引入发动机气缸造成在发动机内产生更低的燃烧温度，继而减少某些燃烧副产品(例如含有氧和氮的合成物)的产生。
[0006]在涡轮增压发动机上使用的EGR系统的一种已知构型通常指的是高压EGR系统。高压的指定基于排气在其之间再循环的发动机进气和排气系统内的位置。在高压EGR系统(HP-EGR)中，排气从涡轮的上游位置从排气系统移除，并输送到压缩机下游位置处的进气系统。在进入进气系统时，再循环排气与燃料和来自于压缩机的新鲜空气混合，并进入发动机气缸以便燃烧。
[0007]在没有促进EGR气体在发动机的排气系统和进气系统之间流动的例如泵的特殊部件的发动机中，EGR气体经过EGR系统的最大可能的流速将取决于发动机的排气系统和进气系统之间的压力差。该压力差通常称为EGR驱动压力。通常的情况是与基于发动机操作过程中存在的EGR驱动压力所可能的情况相比，发动机需要更大的EGR气体流动。
[0008]过去，已经提出多种解决方案来选择性地调节涡轮增压发动机中的EGR驱动压力。一种这样的解决方案是使用可变喷嘴或可变几何结构涡轮。可变喷嘴涡轮包括围绕涡轮叶轮布置的可动叶片。叶片的运动改变涡轮的有效流速，并因此在一个方面，形成在操作过程中增加发动机排气系统的压力的限制。发动机的增加排气压力造成增加的EGR驱动压力，继而有助于增加发动机内的EGR气体的流动能力。
[0009]虽然增加发动机的EGR气体的流动能力的这种和其它已知解决方案已经很成功，并在过去被广泛应用，它们需要使用可变几何结构涡轮，可变几何结构涡轮是相对昂贵的装置，其包括在恶劣环境下操作的运动部件。此外，可变几何结构涡轮通常破坏或消除发动机的排气气流的脉冲能量，造成较低的涡轮效率和较高的燃料消耗。
【发明内容】
[0010]在一个方面，本发明描述一种用于内燃发动机的涡轮增压器。涡轮增压器包括中央壳体、可转动地支承在中央壳体内的轴以及连接在轴的一端处的涡轮叶轮。涡轮壳体连接到中央壳体并围绕涡轮叶轮布置。形成在涡轮壳体内的孔口从涡轮壳体的气体出口端延伸到涡轮壳体的邻近涡轮叶轮布置的环形止挡表面。布置在孔口内的喷嘴环围绕涡轮叶轮的一部分。出口锥体至少部分布置在孔口内并围绕涡轮叶轮的剩余部分。出口锥体连接到涡轮壳体的气体出口端。
[0011]在另一方面，本发明描述一种内燃发动机。内燃发动机包括能够流体连接到进气歧管和至少一个排气收集器的多个气缸。内燃发动机的涡轮增压器包括涡轮和压缩机。涡轮具有连接到中央壳体的涡轮壳体。涡轮壳体还具有气体出口端和气体入口。气体入口与至少一个排气收集器流体连通。涡轮叶轮连接到轴，轴可转动地安装在中央壳体内，使得涡轮叶轮被封装在涡轮壳体内。孔口形成在涡轮壳体内并从涡轮壳体的气体出口端延伸到涡轮壳体的邻近涡轮叶轮定位的环形止挡表面。喷嘴环布置在孔口内，并围绕涡轮叶轮的一部分。出口锥体至少部分布置在孔口内并围绕涡轮叶轮的剩余部分。出口锥体在涡轮壳体的气体出口端处连接到涡轮壳体。
[0012]在又一方面，本发明描述一种用于组装涡轮增压器的方法。该方法包括提供中央壳体。涡轮壳体安装到中央壳体上。涡轮壳体包括从涡轮壳体的气体出口端延伸到止挡表面的孔口。连接到轴的涡轮叶轮经过孔口插入中央壳体，使得涡轮叶轮布置在涡轮壳体内并且轴可转动地安装到中央壳体。喷嘴环经过孔口安装到涡轮壳体内。安装的喷嘴环围绕涡轮叶轮的至少一部分周向布置。出口锥体插入并定位到孔口内。出口锥体具有大致中空管状形状，使得出口锥体的内部围绕涡轮叶轮的剩余部分定位。出口锥体接着连接到涡轮壳体。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是根据本发明的内燃发动机的框图。
[0014]图2是根据本发明的涡轮增压器组件的截面。
[0015]图3是根据本发明的涡轮叶轮的透视图。
[0016]图4是根据本发明的径向喷嘴环的轮廓图。
[0017]图5是根据本发明的喷嘴环的横截面。
[0018]图6是用于根据本发明的涡轮增压器的替代实施方式的截面。
[0019]图7是根据本发明具有与其成一体的喷嘴环的涡轮出口的横截面。
[0020]图8是用于根据本发明的涡轮增压器的另一替代实施方式的截面。
[0021]图9是具有用于根据本发明的喷嘴环的保持特征的涡轮出口的横截面。
[0022]图10是组装根据本发明的涡轮的方法的流程图。
【具体实施方式】[0023]本发明涉及一种与内燃发动机内的涡轮增压器结合使用的改进涡轮构型，以增强发动机的效率，同时还简化涡轮增压器的维护和制造。具有高压EGR系统102的发动机100的简化框图在图1中示出。虽然图1示出了 EGR系统102，它是任选的，因为用于这里描述和示出的涡轮的结构和方法能够适用于具有低压EGR系统(未示出)或没有EGR系统的其他发动机构型。
[0024]在所示实施方式中，发动机100包括容纳多个燃烧气缸106的曲轴箱104。六个燃烧气缸示出为直列构型，但是可以使用布置成例如“V”构型的不同构型的任何其他数量的气缸。多个气缸106经由排气阀(未示出)流体连接到第一排气导管108和第二排气导管110。第一排气导管108和第二排气导管110的每个连接到相应的排气管112和114，排气管112和114继而连接到涡轮增压器119的涡轮120。如所示，任选的平衡阀116在两个排气管112和114之间流体互连，并在操作过程中根据需要布置成将排气从第一排气管112引导到第二排气管114。注意到平衡阀116是任选的，并可以在具有不同EGR系统或没有EGR系统的发动机构型中省略。
[0025]在所示实施方式中，涡轮120具有独立壳体，壳体包括流体连接到第一排气管112的第一入口 122和连接到第二排气管114的第二入口 124。每个入口 122和124布置成在发动机操作过程中接收来自第一排气导管108和第二排气导管110之一的排气。排气操作以便在经由出口 128离开涡轮120之前造成连接到轴126的涡轮叶轮(这里未示出)转动。出口 128处的排气在经由烟?或尾管134排放到环境之前任选地经过其他排气部件，例如从排气流机械和化学地移除燃烧副产品的后处理装置130和/或减小发动机噪音的消音器132。
[0026]轴126的转动造成压缩机136的轮(这里未示出)转动。如所示，压缩机136是被构造成经由压缩机入口 140从空气过滤器138接收新鲜、过滤空气流的径向压缩机。压缩机136的出口 142处的加压空气在提供给发动机100的进气歧管148之前经由充量空气导管144引导到充量空气冷却器146。在所示实施方式中，来自进气歧管148的空气引导到各个气缸106，其中空气与燃料混合并且燃烧以产生发动机功率。充量空气冷却器146是任选的。
[0027]EGR系统102包括流体连接到第一排气导管108的EGR气体供应端口 152的任选EGR冷却器150。来自第一排气导管108的排气流可经过EGR冷却器150，在EGR冷却器150处，排气流在经由EGR导管156供应到EGR阀154之前被冷却。EGR阀154可以被电子控制，并被构造成计量或控制经过EGR导管156的气体的流速。EGR阀154的出口流体连接到进气歧管148，使得来自EGR导管156的排气可在发动机100的进气歧管148内与来自充量空气冷却器146的压缩空气混合。
[0028]第一排气导管108处的排气的压力(通常称为背压)因为涡轮120提供的流动限制而高于环境压力。出于相同原因，背压存在于第二排气导管Iio中。进气歧管148中的空气或空气/EGR气体混合物的压力(通常称为增压压力)由于压缩机136提供的压缩也高于环境压力。在大部分内，背压和增压压力之间的压力差与EGR系统102的部件的流动限制相结合确定EGR气体的最大流速，其可以在多种发动机操作状况下实现。另外，涡轮120的入口处的背压和涡轮120的出口处的压力之间的压力差提供为涡轮120提供功率的驱动力。[0029]在发动机100的操作过程中，特别是在驱动EGR时，第一排气导管108处的背压保持在高于第二排气导管110处的背压的水平。为了在图1所示的特别实施方式中实现此压力差，涡轮120和相关管道被构造成具有不同的排气流动限制特性，其中经由第一入口 122进入的流动比经由第二入口 124进入的流动受到更高的流动限制。涡轮120的这种不同或不对称的流动限制特性提供增加的压力差以驱动EGR气体，而不增加发动机100的大致所有的气缸106的背压。在第一排气导管108内不希望增加背压来驱动EGR气体流时，任选的平衡阀116可用来平衡经过涡轮120的两个入口 122和124的每个入口的排气流。
[0030]在以下的描述中，为了简化，与已经描述的相应结构和特征相同或类似的结构和特征通过与之前使用的相同附图标记表示。因此，涡轮增压器119的一种实施方式的横截面在图2中示出。涡轮增压器119包括经由中央壳体202连接到彼此的涡轮120和压缩机136。如所示，中央壳体202围绕轴126的一部分，并包括布置在润滑空腔206内的轴承(未示出)。润滑空腔206包括在轴126在操作过程中转动时为轴承提供润滑的润滑剂入口开口 208和润滑剂出口开口 210。
[0031]轴126在一端处连接到涡轮叶轮212，并在另一端处连接到压缩机叶轮213。涡轮叶轮212被构造成在连接到中央壳体202的涡轮壳体215内转动。压缩机叶轮213布置成在压缩机壳体217内转动。涡轮叶轮212包括围绕轮毂216径向布置的多个叶片214。轮毂216通过紧固件218连接到轴126的一端，并被构造成在操作过程中转动轴125。涡轮叶轮212的详细轮廓视图在图3内示出。参考该图，每个叶片214围绕轮毂216与其相邻叶片214隔开相同径向距离。在所示实施方式中，涡轮叶轮212包括十一个叶片214，但是可以使用任何其他数量的叶片。
[0032]每个叶片214包括具有总体弯曲形状的主体区段220。主体区段220沿着一侧连接到轮毂216。前缘222布置在叶轮212的径向最外部处并被构造成接收操作以转动叶轮212的流动的一部分。随着流体进入限定在叶片214之间的径向沟槽224，流体动量推靠叶片214的主体区段，因此施加转动叶轮212的动量。在所示实施方式中，例如，叶轮212被构造成在从紧固件218的观察点观察时在逆时针方向上转动。
[0033]轮毂216具有总体弯曲的锥形形状，使得从径向进入沟槽224的流动转向大约90度，并在轴向上离开叶轮。叶轮212的转动随着其推靠每个叶片214的排放部分226而增力口。排放部分226具有总体弯曲的形状，其如所示邻近沟槽224的入口相对于每个叶片214的相对部分以排放角度228布置。在所示实施方式中，排放角度228是大约60度，该角度是比典型涡轮上所使用的相应角度陡峭大约4到5度的角度。由于更陡峭的排放角度228，轴向流动气体的动量可以提供附加功率来转动涡轮叶轮212。
[0034]现在参考图2，涡轮叶轮212可转动地径向布置在限定在涡轮壳体215内的环形排气入口狭槽230内。狭槽230沿着叶片214的前缘222在径向上将排气提供给涡轮叶轮212。经过涡轮叶轮212的排气提供给涡轮出口孔口 234，在所示实施方式中，涡轮出口孔口234流体连接到涡轮出口 128。气体入口狭槽230流体连接到形成在涡轮壳体215内并被构造成使气体入口狭槽230与涡轮入口 122和124流体互连的入口气体通道236 (图1)。以此方式，在操作过程中，提供给涡轮入口 122和124的排气被弓I导到涡轮叶轮212，以操作涡轮增压器119。
[0035]为此，两个涡轮入口 122和124的每个涡轮入口连接到两个入口气体通道236中的一个。每个气体通道236具有围绕涡轮叶轮212和孔口 234的区域卷绕并通向围绕涡轮叶轮212的整个周边的狭槽230的总体卷形形状。每个通道236的横截面流动面积沿着经由入口 122和124进入涡轮120并经过狭槽230离开壳体的气体的流路减小。在此实施方式中，两个通道236在围绕叶轮212的任何给定径向位置具有大致相同的横截面流动面积。虽然示出了两个通道236，可以使用单个通道或多于两个通道。
[0036]径向喷嘴环238大致围绕涡轮叶轮212的整个周边布置。如下面段落中更详细描述，径向喷嘴环238布置成与两个通道236流体连通，并限定围绕叶轮212的狭槽230。如图2所示，分隔壁240在两个通道236之间限定在壳体215内。分隔壁240相对于狭槽230向外径向布置，使得来自两个通道236的气体流可以在进入狭槽230并到达叶轮212之前
I=I TT O
[0037]进一步参考图4，喷嘴环238包括布置在两个外部环(即第一外部环243和第二外部环244)之间的内部环242。内部环242邻近分隔壁240定位，并形成其延伸部，如图2所示，以便形成分隔壁延伸部分245。在所示实施方式中，内部环242具有不对称形状，在第一外部环243和第二外部环244的每个和内部环242之间提供不同的流动面积，以便气体经过两个通道236的每个通道进入狭槽230，但是也可以使用对称或平衡流动构型。例如，图6和8所示的喷嘴环238包括对称地定位在第一外部环243和第二外部环244之间的内部环242。另外，多个叶片246对称地布置在第一外部环243和第二外部环244之间。叶片246在其沿着涡轮叶轮212的转动轴线轴向延伸时与内部环242相交。虽然叶片246示出为围绕环238对称布置，可以使用其它构型来促进排气从狭槽230到叶轮212的均匀径向流动。
[0038]叶片246的形状和构型可以在图5的横截面中最佳看到。如所示，叶片246围绕环238的中央开口 248对称布置，使得倾斜流动沟槽250限定在相邻叶片246之间。经过沟槽250的气体的流动动量总体朝着叶轮212的内直径切向和径向向内引导(图2所示)，从而加强叶轮转动。虽然叶片246进一步具有总体弯曲的翼面形状以使经过叶片246之上和之间的气体的流动损失最小，因此为涡轮叶轮提供均匀的流入状况，它们还为内部环242提供结构支承。在所示实施方式中，具有连接到环238的十三个叶片，但是可以使用任何其它数量的叶片。在优选实施方式中，叶片246的数量不同于叶片214的数量，从而在操作过程中避免共振状况。
[0039]现在参考图2，喷嘴环238布置在形成在涡轮壳体215内的孔口内。保持件252布置成将环238保持在壳体215内。保持件252围绕环238周向延伸，并通过一个或多个紧固件254保持到壳体。另外,布置在形成在壳体内和环238内的相应空腔内的一个或多个销255可以用来在组装过程中相对于壳体215适当定向喷嘴环238。喷嘴环238可与壳体215的孔口具有间隙配合，使得在操作过程中足够间隙设置用于每个部件的热生长，以使热应力最小。
[0040]喷嘴环238的第二外部环244限定邻接保持件252的接触垫256。接触垫256布置成提供喷嘴环238与壳体215的轴向接合。喷嘴环238的所示构型包括两组入口开口258和260，每组限定在相邻的叶片246、内部环242和相应的第一或第二外部环243或244之间。因此，第一组入口开口 258限定在第一外部环243和内部环242之间，并且第二组入口开口 260限定在内部环242和第二外部环244之间。[0041]如所示，第一组入口开口 258的每个与相应气体通道236流体连通。入口开口 258允许气体大致不受阻碍地流动经过其中。但是，内部环242的分隔壁延伸部分245的倾斜(朝着图2所示的右侧)减小或堵塞第二组入口开口 260的每个的流动区域的一部分。
[0042]与第一组入口开口 258相比，第二组入口开口 260的减小的流动开口提供气体通道236中的一个通道内存在的气体相对于另一个通道内存在的气体的不对称流动限制。在所示的实施方式中，并进一步参考图1，流体连接到第一排气导管108的涡轮入口 122被构造成与第二组入口开口 260流体连通。流体连接到第二排气导管110的涡轮入口 124相应地与第一组入口开口 258流体连通。不管在操作过程中可以通过两个涡轮入口 122和124之间的平衡阀116(图1)选择性提供的任何流动分流，对应于涡轮中的第二组入口开口 260的减小流动面积将在第一排气导管108内提供增加的气体压力，使得EGR气体流动可以增强，如之前描述。
[0043]因此，涡轮120的独特流动特性可以通过喷嘴环238的尺寸、形状和构型确定，同时涡轮的其它部分可有利地保持不受影响，或者在多发动机平台的设计环境下，涡轮的剩余部分可对于不同发动机和发动机应用保持大致相同。因此，适用于特殊发动机系统的涡轮的具体对称或不对称流动特性可以通过将涡轮(否则可以对于一种以上发动机来说都相同)与具有特别适用于特殊发动机系统的构型的特殊喷嘴环相结合来确定。
[0044]通过在不然普通的涡轮增压器中的特殊喷嘴环提供的定制能力提供了优于已知涡轮增压器的许多优点。首先，发动机或部件制造商可通过减少被制造的不同涡轮增压器的数量来简化其制造。以此方式，可以在用于原始或维护部件的市场上减少废品、库存和成本。此外，即使在其它周围部件和系统(例如EGR系统)进行变化以赶上变化的性能要求时，部件也可保持相同。甚至进一步，现在通过简单地将独特喷嘴环结合在不然普通的涡轮增压器中，可以更低成本更容易地定制低生产数量发动机应用，否则由于成本的考虑，这些发动机应用不会具有被制造以最佳地适应它们的特殊涡轮增压器。这些和其它优点可以通过使用能够更换的环来实现。
[0045]涡轮300的第一替代实施方式在图6中示出。涡轮300包括通过V形带夹302连接到涡轮壳体215的中央壳体202。形成在涡轮壳体215内的两个通道236具有大致相等的横截面流动面积。涡轮壳体215还在涡轮壳体215的排气出口端306和环形止挡表面308之间形成围绕涡轮叶轮212大致同心布置的总体柱形的孔口 304。环形止挡表面308邻近与中央壳体202的连接定位在涡轮的内侧上。
[0046]也可以形成台阶(未示出)的孔口 304沿着围绕孔口 304的内部周向延伸的狭槽310通向两个通道236。狭槽310通过形成在分隔壁240的内端处的柱形表面312分开。在其自由端处，孔口 304形成包括围绕孔口 304延伸的环形表面的外止挡314。外止挡314限定平行于环形止挡表面308限定的平面的平面。孔口 304还在围绕狭槽310的区域处具有内直径，其被构造成接收并适应喷嘴环238的外直径。在组装时，喷嘴环238与狭槽310对准，使得来自通道236的气体可经过第一组入口开口 258和第二组入口开口 260 (见图5)，如之前描述。
[0047]在涡轮300中，喷嘴环238与涡轮出口锥体316成一体。出口锥体316通过V形带夹318连接到涡轮壳体215的排气出口端306，并包括大致截顶锥形孔口 320。截顶锥形孔口 320邻近涡轮叶轮212的气体出口侧布置，以减小经过涡轮叶轮212并离开涡轮300的气体的摩擦和压力降。截顶锥形出口锥体316的横截面在图7中示出。
[0048]如图7所示，出口锥体316总体包括连接到彼此以形成单个部件的三个部分。第一部分包围喷嘴环238。内部环242和第一和第二外部环243和244通过叶片246彼此互连。第一外部环243—体形成为出口锥体316的第二部分的部分，其包括涡轮叶轮壳体322。第二外部环244形成在出口锥体316安装在涡轮壳体215的孔口 304内时邻接环形止挡表面308 (图6)的接触垫256。
[0049]涡轮叶轮壳体322包括围绕涡轮叶轮212的出口部分径向布置的内部轮廓表面324。在所示实施方式中，内部表面324的轮廓被构造成提供围绕涡轮叶轮212的小间隙，使得损失最小化，并且涡轮300的效率通过确保经过叶轮212的气体尽可能长地与叶片214接触来改善。出口锥体316的第三部分形成相对于形成轮廓的内部表面324大致切向布置的总体截顶锥形的内部表面326。
[0050]出口锥体316还包括用来相对于涡轮壳体215定位和对准其多种特征的多种特征。除了邻接环形止挡表面308的接触垫256之外，出口锥体316还包括邻接涡轮壳体215的外部止挡314的外部接触垫328。虽然接触垫256和328可相对于涡轮叶轮212的中心线限定出口锥体316的轴向位置，出口锥体316的多种特征相对于涡轮壳体215的孔口 304的大致同心定位也是希望的。以此方式，喷嘴环238的外直径330和引导表面332具有适当尺寸的外直径，允许其与孔口 304的内部接合，以便相对于孔口 304在径向上大致同心地定位出口锥体。
[0051]假设在维护过程中将存在温度极限，可在出口锥体316的多种特征的外直径和涡轮壳体215的孔口 304的内直径之间选择适当的间隙，从而为出口锥体316提供适当定位，并同时保持足够的间隙以便在操作时在升高温度下时允许材料膨胀。出口锥体316还包括用于安装到涡轮壳体215和其它部件的特征。更具体地，壳体夹特征334邻近引导表面332形成，并且被构造成通过V带夹318接合，从而将出口锥体316固定到涡轮壳体215。排气管夹特征336形成在出口锥体316的自由端处，使得排气管(例如尾管134的一端(图1))可以连接到涡轮300。虽然示出了多种夹接合特征，可以在出口锥体316和涡轮壳体215和/或出口锥体316和其他排气系统部件和管道之间使用例如螺栓接合凸缘等的任何其它适当类型的连接布置。
[0052]用于涡轮400的替代实施方式在图8中示出。涡轮400的大多数元件或特征与以上描述的涡轮300的那些相同或类似，除了在此实施方式中，喷嘴环238不与出口锥体402形成一体。换言之，涡轮400类似于涡轮120 (图2)之处在于它包括独立的喷嘴环238。涡轮400同样类似于涡轮300 (图6)之处在于喷嘴环238和出口锥体402能够从涡轮400的排气出口侧移除。
[0053]更特别是，涡轮400的涡轮壳体215包括类似于图6所示的涡轮300的孔口的孔口 304。在涡轮壳体215安装到中央壳体202上的同时，孔口 304允许喷嘴环238围绕涡轮叶轮212插入。不同于涡轮120 (图2)，其需要喷嘴环238在涡轮120附接到中央壳体202之前安装，喷嘴环238可以在涡轮增压器已经组装之后安装到涡轮400内(同样安装到涡轮300内，如图6所示)。从可维护性的观点，在涡轮始终连接到发动机的同时，涡轮300和400内的喷嘴环238可便于接近，以移除和/或更换。
[0054]在图8所示的实施方式中，喷嘴环238在涡轮400内的保持和定位通过使用出口锥体402来实现。这里，在图9的横截面中详细描述的出口锥体402包括相对于周围部件和特征接合和对准喷嘴环238的特征。更具体地，出口锥体402包括突出部404。突出部404围绕出口锥体402的外部周向延伸，并包括相对于中心线409轴向延伸的柱形表面406和径向延伸的环形表面408。虽然表面406和408不出为彼此正交,其一个或两者可相对于中心线以不同角度限定，例如截顶锥形表面可实现轴向和径向对准。
[0055]在所示的实施方式中，轴向延伸的柱形表面406接合喷嘴环238的外部环243的内直径，并且在涡轮400组装时，径向延伸的环形表面408邻接外部环243的一侧。以此方式，喷嘴环238可定位和固定在涡轮400内。类似于出口锥体316，出口锥体402通过V形带夹318连接到涡轮壳体215。突出部410的外周边相对于中心线409轴向延伸。出口锥体402与喷嘴环238的分离可帮助缓解两个部件内的热应力。在替代实施方式中，突出部410的外周边可进一步向外径向延伸，以便接合孔口 304的内部，从而帮助使出口锥体402与涡轮壳体215对准。在所示实施方式中，出口锥体402的对准进一步通过突出部404与喷嘴环238接合来实现，其具有与孔口 304充分对准的适当外直径。
[0056]工业实用性
[0057]本发明可适用于涡轮，特别是在涡轮增压的内燃发动机上使用的那些涡轮。虽然示出了具有单个涡轮增压器的发动机100 (图1)，可以想到具有以串联或并联布置的一个以上涡轮增压器的任何发动机构型。一些公开的实施方式特别有利之处在于涡轮的组装和/或维护通过这里描述的新颖安装和保持结构构型来帮助。
[0058]因此，用于组装涡轮的方法的流程图在图10中示出。在已知组装方法中，涡轮叶轮必须组装到轴上，其接着在涡轮壳体可以连接到中央壳体之前插入涡轮的中央壳体。这种组装顺序的原因在于在典型的涡轮中，排气出口开口不具有足够大的直径以使涡轮叶轮插入。虽然这是相对于图2表示和描述的涡轮120的情况，如果希望，用于涡轮300和400的实施方式有利地具有足够的开口，以便在涡轮壳体已经安装到中央壳体上之后安装涡轮叶轮。这种能力是有利的，因为它避免了在涡轮壳体围绕涡轮叶轮安装过程中可以出现的涡轮叶轮损坏的可能性。替代地，可以遵循传统组装顺序，其中喷嘴环和出口锥体可以被预先组装到涡轮壳体组件。涡轮壳体组件可接着安装到具有在其中预先组装的涡轮叶轮和轴的中央壳体。
[0059]现在参考图10所示的方法，涡轮增压器组装包括在502处将涡轮壳体安装到中央壳体。如上所述，涡轮壳体可以(但不是必须)在涡轮叶轮和/或轴安装之前安装到中央壳体。在504处，连接到涡轮轴的涡轮叶轮经由形成在涡轮壳体的排气出口内的孔口安装和平衡。替代地，涡轮轴和叶轮组件可以预先平衡地提供。
[0060]喷嘴环可在506处经由涡轮壳体的孔口围绕涡轮叶轮安装。喷嘴环可与另一部件成一体，如以上相对于涡轮300描述，或者可以是相对于涡轮400描述的独立部件。在后面的情况下，出口锥体可在506处安装并在508处固定到涡轮壳体。出口锥体在506处的安装可包括通过使得喷嘴环和出口锥体的特征彼此适当接合而相对于涡轮壳体轴向和径向定位喷嘴环。根据所使用的特殊硬件构型，出口锥体以及喷嘴环在508处与涡轮壳体的固定可包括任何适当步骤，例如安装夹、紧固件和类似部件。
[0061]将理解到以上描述提供本发明的系统和技术的例子。但是，设想到本发明的其它应用的细节可不同于以上例子。对于其公开内容或例子的所有参考旨在指的是当时正在描述的特殊例子，并不意图对于本发明的更为广义的范围施加任何限制。相对于一些特征的区别和轻视的所有言辞旨在说明这些特征不是优选的，而不将其完全排除在本发明的范围之外，除非另外明确说明。
[0062]这里的数值范围的引用只意图作为对于落入该范围内的每个单独数值的单独引用的简便方法，除非这里明确说明，并且每个单独数值被结合到说明书中，似乎是它单独在这里引用那样。这里描述的所有方法可以任何适当顺序进行，除非这里另外说明，或者由说明书清楚表示与其相反。
【权利要求】
1.一种用于内燃发动机(100)的涡轮增压器(119)，包括: 中央壳体(202)； 轴(125)，其可转动地支承在中央壳体(202)内； 涡轮叶轮(212)，其连接在轴(125)的一端处； 涡轮壳体(215)，其连接到中央壳体(202)并围绕涡轮叶轮(212)布置； 孔口(234)，其形成在涡轮壳体(215)内，并从涡轮壳体(215)的气体出口(128)端延伸到涡轮壳体(215)的邻近涡轮叶轮(212)布置的环形止挡表面(308)； 喷嘴环(238)，其布置在孔口(234)内并围绕涡轮叶轮(212)的一部分；以及出口锥体(316)，其至少部分布置在孔口(234)内，并围绕涡轮叶轮(212)的剩余部分，出口锥体(316)在涡轮壳体(215)的气体出口(128)端处连接到涡轮壳体(215)。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器(119)，其中，出口锥体(316)和喷嘴环(238)被一体成单个部件。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器(119)，其中，出口锥体(316)包括相对于出口锥体(316)的中心线(409)径向延伸的环形表面(408)，环形表面(408)相对于环形止挡表面(308)呈邻接关系。
4.根据上述权利要求任一项所述的涡轮增压器(119)，其中，出口锥体(316)包括相对于出口锥体(316)的中心线(409)轴向延伸的大致柱形表面(312)，大致柱形表面(312)可滑动地接合孔口(234)的内部柱形表面(312)。
5.根据上述权利要求任一项所述的涡轮增压器(119)，其中，出口锥体(316)具有限定内部表面(324)的大致中空管状形状，内部表面(324)包括围绕涡轮叶轮(212)的出口(128)部分径向布置的轮廓表面。
6.根据权利要求5所述的涡轮增压器(119)，其中，出口锥体(316)的内部表面(324)还包括相对于轮廓表面大致切向布置的大致截顶锥形的内部表面(326 )。
7.根据上述权利要求任一项所述的涡轮增压器(119)，还包括连接到中央壳体(202)的压缩机(136)，压缩机(136)包括连接到轴(125)的压缩机叶轮(213)。
8.一种内燃发动机(100)，包括能够流体连接到进气歧管(148)和至少一个排气收集器的多个气缸(106)，并包括根据上述权利要求任一项所述的涡轮增压器(119)。
9.根据权利要求8所述的内燃发动机(100)，还包括在进气歧管(148 )和至少一个排气收集器之间流体互连的排气再循环(EGR)系统。
10.一种用于组装根据权利要求1-7任一项所述的涡轮增压器(119)的方法，包括: 提供中央壳体(202)； 将涡轮壳体(215)安装到中央壳体(202)上，涡轮壳体(215)包括从涡轮壳体(215)的气体出口(128)端延伸到止挡表面的孔口(234)； 将喷嘴环(238)经过孔口(234)安装到涡轮壳体(215)内，喷嘴环(238)围绕涡轮叶轮(212)的至少一部分周向布置； 将具有大致中空管状形状的出口锥体(316)插入和定位到孔口(234)内，使得出口锥体(316)的内部围绕涡轮叶轮(212)的剩余部分定位；以及将出口锥体(316)连接到涡轮壳体(215)。
【文档编号】F01D9/04GK103732881SQ201280037348
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年6月28日 优先权日:2011年6月28日
【发明者】S·欧哈拉 申请人:卡特彼勒公司