具有可变涡轮几何形状的混流式涡轮增压器的制造方法
【专利摘要】一种包括可变涡轮几何形状的涡轮增压器(10)具有一个涡轮机叶轮(24)，该涡轮机叶轮具有在轴向方向上延伸的一条涡轮机旋转轴线(R1)。该涡轮增压器(10)还具有多个导向叶片(34)，这些导向叶片是在一定范围的角位置之间选择性地可移动的。这些导向叶片(34)中的每个导向叶片被支撑以用于一条导向叶片旋转轴线(R2)进行枢转运动，并且每条导向叶片旋转轴线(R2)都不平行于涡轮机旋转轴线(R1)。
【专利说明】具有可变涡轮几何形状的混流式涡轮增压器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求在2012年2月2日提交的且标题为“具有可变涡轮几何形状的混流式涡轮增压器”的美国临时申请号61/594，031、以及在2012年2月6日提交的且标题为“排气涡轮增压器”的德国申请号102012002278.6的优先权以及所有权益。
[0003]发明背景发明领域
[0004]本发明涉及用于内燃发动机的涡轮增压器。更具体地说，本发明涉及具有可变涡轮几何形状的混流式涡轮增压器。
[0005]相关技术的说明
[0006]涡轮增压器是一种与内燃发动机一起使用的强制进气系统。涡轮增压器将压缩的空气传送到发动机进气端从而允许燃烧更多的燃料，因此增加了发动机的功率密度而没有明显地增加发动机的重量。因此，涡轮增压器允许使用较小的发动机而形成与较大的、正常吸气的发动机相同量的功率。在车辆中使用较小发动机具有减小车辆质量、提高性能并且增强燃料经济性的所希望效果。此外，使用涡轮增压器允许被递送至发动机的燃料的完全燃烧，这有助于实现排放量减少这一高度希望的目标。
[0007]涡轮增压器包括连接至发动机的排气歧管上的一个涡轮机壳体、连接至发动机的进气歧管上的一个压缩机壳体、以及将涡轮机壳体与压缩机壳体连接到一起的一个轴承壳体。涡轮机壳体内的一个涡轮机叶轮是由从该排气歧管供应的排气进气流可旋转地驱动的。可旋转地支撑在该中央轴承壳体内的一个轴将该涡轮机叶轮连接至该压缩机壳体内的一个压缩机叶轮上，这样使得该涡轮机叶轮的旋转造成了该压缩机叶轮的旋转。连接涡轮机叶轮与压缩机叶轮的这个轴限定了一条旋转轴线。当压缩机叶轮旋转时，它增大了经由发动机进气歧管被递送至发动机汽缸的空气质量流速、空气流密度和空气压力。
[0008]排气向涡轮机叶轮的流动驱动了涡轮机叶轮的旋转、并且总体上可以表征为径流式或混流式。在径流式涡轮增压器中，排气通过涡轮机壳体的叶轮入口在相对于旋转轴线的径向方向上被引导至涡轮机叶轮。换言之，在径流式涡轮增压器中排气通过叶轮入口到涡轮机叶轮的流动是与涡轮机叶轮的旋转轴线垂直的。相反，在混流式涡轮增压器中，排气是通过涡轮机壳体的叶轮入口在相对于旋转轴线包含径向分量和轴向分量二者的一个方向上被引导至涡轮机叶轮。换言之，在混流式涡轮增压器中排气通过叶轮入口到涡轮机叶轮的流动是与涡轮机叶轮的旋转轴线不垂直的。
[0009]为了改善涡轮增压器的效率、响应性或工作范围，通常有利的是调节流向涡轮机叶轮的排气。调节流向涡轮机叶轮的排气的一种方法通常有若干名称，包括可变涡轮几何形状(VTG)、可变几何形状涡轮(VGT)、可变喷嘴涡轮(VNT)或简单地可变几何形状(VG)。VTG涡轮增压器包括多个可调导向叶片，这些叶片被定位在通向涡轮机叶轮的叶轮入口中并且可枢转地支撑在上部导流环与下部导流环之间。相邻导向叶片之间的空间构成了流向涡轮机叶轮的排气的流动通道，并且这些流动通道的几何形状是通过在一个打开位置与一个关闭位置之间的预定角位置范围内调节这些导向叶片而可调节的。在打开位置中，这些导向叶片总体上相对于该旋转轴线径向地延伸以允许排气流动穿过叶轮入口而到达涡轮机叶轮。在关闭位置中，这些导向叶片总体上相对于该旋转轴线切向地延伸以阻碍排气流动穿过叶轮入口而到达涡轮机叶轮。为了在低发动机速度下提供高的增压压力，对这些导向叶片进行调节以便限制相邻导向叶片之间的流动通道。这使得排气以高速度移动穿过这些流动通道。排气的增大的动能被传递给涡轮机叶轮，从而增大了增压压力。在高发动机速度下，这些导向叶片被调节而将相邻导向叶片之间的流动通道张开。这导致排气以较低速度撞击涡轮机叶轮，从而降低了增压压力。
[0010]在径流式涡轮增压器中，每个导向叶片围绕与涡轮机叶轮的旋转轴线平行的一条轴杆轴线枢转。因此，当导向叶片在打开位置与关闭位置之间枢转时，这些导向叶片与上部导流环和下部导流环之间的间隙保持恒定。此外，具有与每个导向叶片的轴杆轴线平行的旋转轴线的一个控制环包括多个致动块，这些致动块被固定至该控制环上并且与每个导向叶片的叶片拨叉操作性地相联接，以便响应于该控制环的旋转而将导向叶片在打开位置与关闭位置之间致动。所了解的是，这些叶片拨叉在与该控制环的旋转平面平行的一个平面内枢转，以使得在这些导向叶片的调节过程中在这些叶片拨叉与致动块之间存在滑动接触。
[0011]在涡轮增压器领域众所周知的是，混流式涡轮增压器克服了径流式涡轮增压器的若干固有限制并且因此提供了对发动机排气能量的更好利用。然而，将导向叶片引入混流式涡轮增压器中呈现了若干问题。首先，叶轮入口被定向成用于将排气流在相对于涡轮机叶轮的旋转轴线不垂直的一个方向上引导至涡轮机叶轮。这样，上部导流环和下部导流环的面向该叶轮入口的侧面限定了围绕涡轮机叶轮的旋转轴线延伸的锥形表面。换言之，该叶轮入口是一种锥台形状。因此，当导向叶片在打开位置与关闭位置之间枢转时，这些导向叶片与上部导流环和下部导流环之间的间隙不是恒定的。更确切而言，在打开或总体上径向延伸的位置中，这些导向叶片与上部导流环和下部导流环之间的间隙沿着这些导向叶片的长度从一个前导边缘到一个尾随边缘是均匀的。相反，在关闭位置或总体上切向延伸的位置中，上部导流环的锥形表面背离这些导向叶片的前导边缘和尾随边缘而弯曲。这样，在上部导流环与这些导向叶片的前导边缘和尾随边缘之间存在增大的间隙，这降低了该涡轮增压器的性能和效率。而且在关闭位置中，下部导流环的锥形表面朝向这些导向叶片的前导边缘和尾随边缘弯曲。这样，在下部导流环与这些导向叶片的前导边缘和尾随边缘之间存在减小的间隙，这必须加以考虑以防止束缚这些导向叶片。
[0012]其次，每个导向叶片围绕与涡轮机叶轮的旋转轴线不平行的一条轴杆轴线枢转。换言之，每个导向叶片的轴杆轴线是相对于与涡轮机叶轮的旋转轴线以倾斜方式安排成锐角。因此，每个导向叶片的轴杆轴线是与控制环的旋转轴线不平行的。因此，这些叶片拨叉在与该控制环的旋转平面不平行的多个平面内枢转，而使得在这些导向叶片的调节过程中在这些叶片拨叉与致动块之间存在滚动接触。这样，在径流式涡轮增压器中使用的一种典型的叶片拨叉与致动块安排如果用在混流式涡轮增压器中将产生束缚。
[0013]因此，希望提供一种具有多个可调导向叶片的混流式涡轮增压器，其中在这些导向叶片在打开位置与关闭位置之间的调节过程中，这些导向叶片与上部导流环和下部导流环之间的间隙保持恒定。
[0014]发明概述
[0015]根据本发明的一个方面，一种涡轮增压器包括一个导向设备，该导向设备对流动通过叶轮入口而到达涡轮机叶轮的排气进行调节，该涡轮机叶轮具有一条涡轮机旋转轴线。该导向设备包括多个导向叶片，这些导向叶片是在一定范围的角位置之间选择性地可移动的。这些导向叶片中的每个导向叶片围绕与该涡轮机旋转轴线不平行的一条导向叶片旋转轴线进行枢转。
[0016]根据本发明的另一个方面，该叶轮入口的上部入口壁和下部入口壁限定了互补的球形表面，这些球形表面具有重合的球心。这些导向叶片中每个导向叶片的导向叶片旋转轴线延伸经过了这些上部入口壁和下部入口壁的重合的球心。
[0017]根据本发明的又一个方面，该叶轮入口的上部入口壁和下部入口壁包括多个平坦的区段，这些区段限定了当导向叶片在该范围的角位置之间枢转时每个导向叶片的平行边界壁。
[0018]附图的简要说明
[0019]本发明的优点将是容易了解的，因为这些优点通过参照以下详细说明在结合附图考虑时将变得更好理解，在附图中:
[0020]图1是根据本发明的一个实施例带有可变涡轮几何形状的混流式涡轮增压器的局部剖开的透视图；
[0021]图2是图1的混流式涡轮增压器的截面侧视图；
[0022]图3是一个导向设备的局部切除的透视图，该导向设备包括一个控制环，该控制环带有用于致动一个导向叶片的一个致动块；
[0023]图3A是用于与图3的控制环一起使用的第一替代性致动块的透视图；
[0024]图3B是用于与图3的控制环一起使用的第二替代性致动块的透视图；
[0025]图4是该包括控制环的导向设备的一个局部切除的透视图，展示了处于打开位置的一个导向叶片；
[0026]图5是该包括控制环的导向设备的一个局部切除的透视图，展示了处于关闭位置的一个导向叶片；
[0027]图6是根据本发明的第二实施例的混流式涡轮增压器的截面侧视图；
[0028]图7是根据本发明的第三实施例带有可变涡轮几何形状的混流式涡轮增压器的局部剖开的透视图；
[0029]图8是图7的混流式涡轮增压器的截面侧视图；并且
[0030]图9是一个导向设备的局部切除的透视图，该导向设备包括一个叶片致动环，该叶片致动环带有用于致动一个导向叶片的一个槽缝。
[0031]实施方式的详细说明
[0032]参见附图，图1中展示了总体上为10的一个涡轮增压器。涡轮增压器10包括一个壳体组件12，该壳体组件由彼此连接的一个压缩机壳体14、一个轴承或中央壳体16、以及一个涡轮机壳体18组成。轴承壳体16支撑一个可旋转轴20，该可旋转轴在轴向方向上延伸并且限定了一条涡轮机旋转轴线R1。具有多个叶片的一个压缩机叶轮(未示出)被安装在轴20的一端上并且被容纳在压缩机壳体14中。具有多个叶片的一个涡轮机叶轮24被安装在轴20的相反一端上并且被容纳在涡轮机壳体18中。涡轮机壳体18限定了一个蜗壳26，该蜗壳联接至一个排气歧管(未示出)上并且进入一个叶轮入口 28中，该叶轮入口用于将排气流从该排气歧管引导至涡轮机叶轮24。如本领域众所周知的，涡轮机叶轮24是由从排气歧管供应的排气可旋转地驱动的，该排气使该轴20旋转，由此造成这个压缩机叶轮旋转。换言之，压缩机叶轮是由涡轮机叶轮24可旋转地驱动的。在驱动了涡轮机叶轮24之后，排气从涡轮机壳体18中通过一个中央出口管或出口导流器30被排出。
[0033]在本发明的当前实施例中，涡轮增压器10被表征为一种混流式涡轮增压器，因为涡轮机壳体18中的叶轮入口 28被定向成使得，排气流被引导成在包含径向分量和轴向分量二者的一个方向上撞击涡轮机叶轮24的叶片的前导边缘。换言之，排气到涡轮机叶轮24的流动是与涡轮机旋转轴线Rl不垂直的。
[0034]为了将涡轮增压器10的性能和效率最大化，通常控制或调节流到涡轮机叶轮24的排气。提供了一个导向设备32以调节到涡轮机叶轮24的排气流动。该导向设备32被定位在涡轮机壳体18内并且包括位于该通向涡轮机叶轮24的叶轮入口 28的多个导向叶片34。相邻导向叶片34之间的空间限定了一个流动通道或喷嘴喉部35，如图1中最佳所示，排气穿过该流动通道或喷嘴喉部而流到涡轮机叶轮24。通过改变这些导向叶片34的角位置，这些流动通道35的截面是可调节的。
[0035]这些导向叶片34是围绕涡轮机旋转轴线Rl环圆周地安排的。每个导向叶片34通过一个枢转轴42被支撑在一个上部导流环38与一个下部导流环40之间。具有牢固地固定至其上的导向叶片34的这些枢转轴42进行旋转而提供这些导向叶片34的枢转运动。可替代地，这些导向叶片34可以由这些枢轴42支撑在上部导流环38与该涡轮机壳体18的一个环形壁之间，而不改变本发明的范围。上部导流环38被牢固地安装至涡轮机壳体18上、在叶轮入口 28的总体上朝向轴承壳体16的一侧上。上部导流环38包括一个上部入口壁44，这个上部入口壁构成了叶轮入口 28的一侧。上部导流环38是从一个假想球体截取的一个环形区段，而使得该上部入口壁44限定了一个凸球表面并且因而具有与之对应的一个球心。下部导流环40在总体上背离轴承壳体16的方向上与上部导流环38间隔开。下部导流环40包括一个下部入口壁46，这个下部入口壁构成了叶轮入口 28的另一侧。下部导流环40也是从这个假想球体截取的一个环形区段，而使得该下部入口壁46限定了一个凹球表面并且因而具有与之对应的一个球心。上部入口壁44和下部入口壁46是互补的，因为上部入口壁44的球心是与下部入口壁46的球心重合的。考虑的是上部入口壁44可以限定凹球表面而下部入口壁46可以限定凸球表面，它们具有重合的球心，而并不背离本发明的范围。
[0036]每个枢转轴42限定了与对应导向叶片34相关联的一条导向叶片旋转轴线R2，该旋转轴线延伸经过上部导流环和下部导流环38、40的上部入口壁和下部入口壁44、46的重合球心。每个导向叶片旋转轴线R2是相对于涡轮机旋转轴线Rl以一个锐角安排的。换言之，每条导向叶片旋转轴线R2是不平行于涡轮机旋转轴线Rl的。此外，每个导向叶片34包括上边缘和下边缘48、50，这些边缘被成形为分别与上部入口壁和下部入口壁44、46互补。更确切而言，每个导向叶片34的上边缘48具有一个凹球表面，其形状是与上部入口壁44的凸球表面互补的。类似地，每个导向叶片34的下边缘50具有一个凸球表面，其形状是与下部入口壁46的凹球表面互补的。这些枢转轴42从这些导向叶片34的上边缘48延伸并且穿透上部导流环38的多个对应孔。一个叶片杠杆或叶片拨叉52被牢固地固定至每个枢转轴42的远离导向叶片34的远端54上。该叶片拨叉52总体上垂直于枢转轴42延伸并且包括两个间隔开的导向臂56，这些导向臂之间有一个凹陷。这些枢转轴42还从这些导向叶片34的下边缘50延伸并且被插入下部导流环40的多个对应孔中。
[0037]为了控制这些导向叶片34的角位置，在壳体组件12外提供了一个致动装置(未示出)，该致动装置控制一个件棒构件(未示出)的致动运动，该件棒构件延伸到壳体组件12之中，如本领域技术人员公知的。该杵棒构件的致动运动被传递到一个控制环或调整环62，该控制环或调整环是邻近于上部导流环38定位的。更确切而言，该杵棒构件操作性地联接至一个致动凸耳63上，该致动凸耳被牢固地固定至控制环62的面向轴承壳体16的第一面64上。该杵棒构件的致动运动由此被转换成控制环62的旋转运动。该控制环62限定了与涡轮机旋转轴线Rl同轴的一条控制环旋转轴线R3。控制环62围绕控制环旋转轴线R3在相反的第一方向和第二方向上的旋转运动能够实现这些导向叶片34在一个打开的或总体上径向延伸的位置与一个关闭的或总体上切向延伸的位置之间的调整。在这个打开位置中，这些导向叶片34总体上相对于涡轮机旋转轴线Rl径向地延伸以允许排气流动穿过叶轮入口 28而到达涡轮机叶轮24。相反，在该关闭位置中，这些导向叶片34总体上相对于涡轮机旋转轴线Rl切向地延伸以阻碍排气流动穿过叶轮入口 28而到达涡轮机叶轮24。在图1中，示出了处于打开位置中的这些导向叶片34。这些导向叶片34根据排气到该涡轮机叶轮24的所希望流动是在该打开位置与该关闭位置之间的一定范围的角位置上可调节的。在图3中，示出了处于该打开位置与关闭位置之间的一个角位置中的这些导向叶片34之一 O
[0038]该控制环62操作性地联接至每个导向叶片34的叶片拨叉52上用于响应于控制环62相对于上部导流环和下部导流环38、40的旋转运动而对这些导向叶片34在打开位置与关闭位置之间进行同步致动。多个致动块65可旋转地固定至控制环62的面向上部导流环38的第二面66上。每个致动块65在轴向方向上总体上平行于旋转轴线Rl和R3延伸并且与这些导向叶片34之一相对应。更确切而言，每个致动块65被定位在对应的导向叶片34的叶片拨叉52的这些导向臂56之间的这个凹陷中，如图3、图4和图5所示。在本实施例中，由于这些叶片拨叉52在与控制环62的第二面66不平行的多个平面内枢转，因此与典型地在径流式涡轮增压器中使用的一种接合方式(其中多个叶片拨叉在与控制环平行的一个平面内枢转)相比，修改了叶片拨叉52与致动块65之间的接合方式。例如，众所周知，径流式涡轮增压器中的叶片拨叉典型地具有的导向臂带有用于与一个控制环上的多个致动块进行滑动接触的平坦内表面。相反，本发明中每个导向臂56的内表面67具有一个凸曲线形的表面以用于在这些导向叶片34在打开与关闭位置之间被调整时与相应致动块65进行滚动接触。当这些导向叶片34在打开位置与关闭位置之间被调整时，叶片拨叉52上的一个导向臂56的内表面67沿着相应致动块65滚动，而使得该导向臂56在轴向方向上朝着控制环62移动。同时，该叶片拨叉52上的另一个导向臂56的内表面67沿着相应致动块65滚动,而使得该导向臂56在轴向方向上背离该控制环62移动。参见图4,示出了当这些导向叶片34处于打开位置中时，一个叶片拨叉52与相应致动块65之间的取向。相反，参见图5，示出了当这些导向叶片34处于关闭位置中时，一个叶片拨叉52与相应致动块65之间的取向。
[0039]考虑到了这些致动块65可以具有矩形形状，如图3所示，其中在每个导向臂56的内表面67与相应致动块65之间存在一条接触线。为了确保内表面67与致动块65之间的滚动接触，对这些内表面67的曲率半径进行选择以使得当这些导向叶片34处于打开位置和关闭位置中时内表面67与致动块65之间的接触线是这些内表面67的切线。还考虑到了这些致动块65可以具有柱形形状，如图3B所示，其中在每个导向臂56的内表面67与相应致动块65之间存在一个接触点。进一步考虑到了，这些柱形或矩形形状的致动块65可以具有曲线形的侧面68或“沙漏”形状以匹配这些导向臂56的内表面67的曲率半径，如图3A所示，由此增大这些叶片拨叉52与致动块65之间的接触面积。在不背离本发明的范围的情况下，对于这些导向臂56的内表面67和这些致动块65可以使用其他复杂的形状。
[0040]当这些导向叶片34处于打开位置或在打开位置与关闭位置之间的某个角位置时，这些导向叶片34被安排成在相邻的导向叶片34之间限定了流动通道35，由此对流动通过叶轮入口 28到达涡轮机叶轮24的排气进行调节。相反，在这些导向叶片34处于关闭位置中时，这些导向叶片34是以端对端重叠的方式安排的，由此阻挡或防止排气流动穿过叶轮入口 28而到达涡轮机叶轮24。更确切而言，在关闭位置中这些导向叶片34的角位置使得每个导向叶片34的前导边缘70与相邻导向叶片34的尾随边缘72重叠，由此关闭了这些流动通道35并且阻挡了排气流动穿过叶轮入口 28。在所示的实施例中，每个导向叶片34的前导边缘70和尾随边缘72大致平行于对应的导向叶片旋转轴线R2。然而，考虑到了导向叶片34的前导边缘70和尾随边缘72可以与导向叶片旋转轴线R2不平行，而并不背离本发明的范围。
[0041 ] 典型地希望在导向叶片34的上边缘48与上部入口壁44之间、并且类似地在导向叶片34的下边缘50与下部入口壁46之间存在某个量的间隙，以准许这些导向叶片34自由运动并且允许由于热的排气导致的热膨胀。然而，与这些导向叶片34是处于打开位置还是关闭位置或是在打开位置与关闭位置之间的某个角位置无关，将该间隙最小化并且从每个导向叶片34的前导边缘70到尾随边缘72具有恒定的间隙量旨在改进涡轮增压器10的性能和效率。例如，当这些导向叶片34处于关闭位置中时，将该间隙最小化有助于防止这些导向叶片34的上边缘和下边缘48、50周围的排气泄漏。当这些导向叶片34处于打开位置或在打开位置与关闭位置之间的某个角位置时，将该间隙最小化有助于确保排气被引导穿过相邻导向叶片34之间的流动通道35而不是在导向叶片34的上边缘和下边缘48、50周围泄漏。
[0042]在本发明的当前实施例中，导向叶片34与上部导流环和下部导流环38、40之间的间隙的量沿着这些导向叶片34在前导边缘70与尾随边缘72之间的长度是恒定的。进一步，当这些导向叶片34在打开位置与关闭位置之间被调整时，该间隙是不变的。更确切而言，由于导向叶片34的上边缘和下边缘48、50的形状分别与上部入口壁和下部入口壁44、46互补，并且每个枢转轴42的旋转轴线R2延伸经过上部入口壁和下部入口壁44、46的重合的球心，因此导向叶片34与上部导流环和下部导流环38、40之间的间隙沿着这些导向叶片34的长度是恒定的，并且当这些导向叶片34在打开位置与关闭位置之间被调整时该间隙保持不变。
[0043]在图6所示的本发明的第二实施例中，这些叶片拨叉52和致动块65被定向成具有滑动接触，如在径流式涡轮增压器中，而不是如上述第一实施例中的滚动接触。更确切而言，控制环62的面向上部导流环38的第二面66限定了总体上平行于这些叶片拨叉52的一个锥形表面。这样，这些叶片拨叉52在总体上平行于该控制环62的第二面66的多个平面中枢转，并且这些叶片拨叉52和致动块65被定向成具有滑动接触而不是滚动接触。进一步，控制环62的面向轴承壳体16的第一面64总体上垂直于旋转轴线Rl和R3，这样使得在控制环62在该第一方向和第二方向上的旋转运动过程中，在该杵棒构件与致动凸耳63之间将存在滑动接触。
[0044]替代地，将了解的是，控制环62的第二面66可以保持总体上平行于这些叶片拨叉52而第一面64可以总体上与第二面66平行，以使得第一面64不垂直于旋转轴线Rl和R3，由此在该杵棒构件与致动凸耳63之间产生滚动接触。在此情况下,该杵棒构件将具有带有凸曲线形表面的内表面，以便与致动凸耳63进行滚动接触，这类似于在第一实施例中关于这些叶片拨叉52和致动块65所描述的。进一步应了解的是，在这种情况下，致动凸耳63可以具有矩形形状、柱形形状、或曲线形的侧面，如以上关于致动块65所披露的。
[0045]参见图7至图9，在本发明的第三实施例中，该上部导流环38和控制环62总体上被组合形成一个叶片致动环76。此外，取消了该下部导流环40。这样，每个导向叶片34通过一个枢转销80被支撑在叶片致动环76与涡轮机壳体18的一个环形壁78之间。这些枢转销80从这些导向叶片34的下边缘50延伸并且被插入环形壁78中的对应孔中。具有牢固地固定至其上的导向叶片34的这些枢转销80进行旋转而提供这些导向叶片34在打开位置与关闭位置之间的枢转运动。替代地，这些枢转销80可以被牢固地固定至环形壁78上并且被插入各个导向叶片34中的对应孔中。在这种情况下，这些导向叶片34被可旋转地固定至这些枢转销80上并且围绕这些枢转销80在打开位置与关闭位置之间进行枢转。
[0046]该叶片致动环76包括上部入口壁44，该上部入口壁限定了该凸球表面，该凸球表面构成了叶轮入口 28的一侧并且具有与之对应的球心。类似于下部导流环40，环形壁78包括限定了凹球表面的下部入口壁46，该凹球表面构成了叶轮入口 28的另一侧并且具有与之对应的球心，这个球心与上部入口壁44的球心重合。进一步，每个枢转销80为对应的导向叶片34限定了导向叶片旋转轴线R2，该导向叶片旋转轴线延伸经过了上部入口壁和下部入口壁44、46的重合的球心。
[0047]如同在该第一实施例中，每个导向叶片34的上边缘48被形成为具有与上部入口壁44的凸球表面互补的凹球表面，并且每个导向叶片34的下边缘50被形成为具有与下部入口壁46的凹球表面互补的凸球表面。在本实施例中，在这些导向叶片34的上边缘48与上部入口壁44、以及这些导向叶片34的下边缘50与下部入口壁46之间存在零间隙，这样使得在对应表面之间存在滑动接触。
[0048]这些导向叶片34响应于该叶片致动环76的旋转运动而在打开位置与关闭位置之间被致动。该叶片致动环76限定了与涡轮机旋转轴线Rl同轴的一条叶片致动环旋转轴线R4并且包括在上部入口壁44中形成的多个槽缝82。这些槽缝82从总体上邻近于该叶片致动环76的内圆周的一个内端以一个角度(即，径向地且环圆周地)延伸至总体上邻近于该叶片致动环76的外圆周的一个外端。一个接片84从每个导向叶片34的上边缘48延伸并且被接收在上部入口壁44的这些槽缝82中的一个相应槽缝之中。各个接片84是沿着一条接片轴线对齐的，该接片轴线延伸经过了上部入口壁和下部入口壁44、46的重合的球心。叶片致动环76围绕叶片致动环旋转轴线R4在相反的第一方向和第二方向上的旋转运动能够实现这些导向叶片34在打开位置与关闭位置之间的调整。
[0049]一个致动臂86操作性地联接至叶片致动环76上以便响应于该致动臂86的枢转运动而使该叶片致动环76在该第一方向和第二方向上旋转。设置于壳体组件12外部的该致动装置控制该致动臂86的枢转运动，如本领域技术人员公知的。更确切而言，致动臂86围绕一条总体上平行于涡轮机旋转轴线Rl的致动臂旋转轴线R5进行枢转并且包括被布置在叶片致动环76中的一个致动槽缝90中的一个致动柱88。该致动槽缝90在相对于旋转轴线Rl和R4的径向方向上延伸。当枢转臂86围绕该枢转臂旋转轴线R5在第一方向上(参见图9时为顺时针方向)进行枢转时，该致动柱88推动该叶片致动环76在第二方向上(参见图9时为逆时针方向)旋转，由此使得这些导向叶片34朝向关闭位置枢转。更确切而言，当叶片致动环76在第二方向上(参见图9时为逆时针方向)旋转时，这些接片84在这些槽缝82内向内滑动，由此使得这些导向叶片34围绕这些枢转销80朝向关闭位置枢转。替代地，当枢转臂86围绕该枢转臂旋转轴线R5在第二方向上(参见图9时为逆时针方向)进行枢转时，该致动柱88推动该叶片致动环76在第一方向上(参见图9时为顺时针方向)旋转，由此使得这些导向叶片34朝向打开位置枢转。更确切而言，当叶片致动环76在第一方向上(参见图9时为顺时针方向)旋转时，这些接片84在这些槽缝82内向外滑动，由此使得这些导向叶片34围绕这些枢转销80朝向打开位置枢转。
[0050]在图7至图9所示的这个实施例中，叶片致动环76的一个第一面92总体上垂直于旋转轴线Rl和R4，这样使得在叶片致动环76在该第一方向和第二方向上的旋转运动过程中，在致动柱88与致动槽缝90的内壁之间存在滑动接触。然而应了解的是，叶片致动环76的第一面92可以不垂直于旋转轴线Rl和R4，由此在致动柱88与致动槽缝90的内壁之间产生滚动接触。在此情况下，该致动槽缝90将具有带有凸曲线形表面的内表面，以便与致动柱88进行滚动接触，这类似于在第一实施例中关于这些叶片拨叉52和致动块65所描述的。进一步应了解的是，致动柱88可以具有矩形形状、柱形形状、或曲线形的侧面，如以上关于致动块65所披露的。
[0051 ] 在本发明的第四实施例中，该导向设备32被弓丨入一个涡轮增压器10中，该涡轮增压器被表征为轴流式涡轮增压器，因为叶轮入口 28被定向成使得，排气流被引导成在总体上轴向的方向上撞击涡轮机叶轮24的这些叶片的前导边缘。换言之，排气到涡轮机叶轮24的流动是与涡轮机旋转轴线Rl总体上平行的。应了解的是，由于涡轮机叶轮24和叶轮入口 28的设计被配置成使得该涡轮增压器被表征为轴流式而不是混流式，因此在壳体组件12中有较少的空间可用于引入用于在打开位置与关闭位置之间调整这些导向叶片34的多个部件。
[0052]更确切而言，在上述混流式涡轮增压器中，用于调整导向叶片34的这些部件，SP导向拨叉52、杵棒构件(未示出)、控制环62、致动凸耳63以及致动块65，是在轴线方向上定位在这些导向叶片34与轴承壳体16之间。与混流式涡轮增压器的这些导向叶片34的位置相比，轴流式涡轮增压器中的导向叶片34是定位成在轴向方向上总体上朝向轴承壳体16并且在径向方向上总体上朝向轴20。这样，在这些导向叶片34与轴承壳体16之间有较少的空间可用于引入用于调整导向叶片34的这些部件。事实上，在某些情况下，尝试将用于调整导向叶片34的这些部件在轴向方向上引入在导向叶片34与轴承壳体16之间可能干扰轴承壳体16内的油腔。因此考虑了在某些轴流式涡轮增压器中，用于调整导向叶片34的这些部件将被定位在涡轮机叶轮24的下游侧上。换言之，用于调整导向叶片34的这些部件可以定位成总体上朝向出口导流器30。
[0053]参见图10至图20，在本发明的第五实施例中，导向设备32(也称为可变涡轮几何形状套筒或VTG套筒)被配置成使得，叶轮入口 28 (也称为流动通道)的边界壁是总体上平行于导向叶片34的上边缘和下边缘48、50，而与这些导向叶片34的角位置无关。如同在以上描述的这些实施例中，每条导向叶片旋转轴线R2是相对于涡轮机旋转轴线Rl以一个锐角安排的。这个角度可以适配成适应具体应用并且可以相应地采用不同的值。在所展示的实施例的情况下，这个锐角是大致10度。然而原则上，该锐角直至约45度的值都是有利的。
[0054]与上述这些实施例相反，上部导流环38的上部入口壁44没有限定凸球表面，并且下部导流环40的下部入口壁46没有限定凹球表面。此外，这些导向叶片34的上边缘和下边缘48、50没有限定凹球表面和凸球表面。而是，这些上部入口壁和下部入口壁44、46包括多个互补的平面区段。关于每个导向叶片34，这些上部入口壁和下部入口壁44、46包括彼此相邻地安排的一个第一平面区段100、一个第二平面区段102、以及一个第三平面区段104，如图13和图14所示。也就是，该第一平面区段、第二平面区段和第三平面区段100、102、104是依次安排的。
[0055]上部入口壁44的第一平面区段100总体上与下部入口壁46的第一平面区段100平行。这些导向叶片34的上边缘和下边缘48、50具有在其前导边缘与尾随边缘70、72之间延伸的总体上平坦的表面。这样，当这些导向叶片34在图13所示的打开位置与图14所示的关闭位置之间被调整时，这些导向叶片34的上边缘48总体上与上部入口壁44的第一平面区段100平行，并且这些导向叶片34的下边缘50总体上与下部入口壁46的第一平面区段100平行。换言之，上部入口壁44的第一平面区段100与下部入口壁46的第一平面区段100之间的协作导致叶轮入口 28对于导向叶片34的上边缘和下边缘48、50具有平行的边界表面，而与这些导向叶片34的角位置无关。
[0056]关于每个导向叶片34，第二平面区段102是一个倒角，这个倒角取消了第一平面区段100与第三平面区段104之间的台阶，以便防止排气在流动穿过叶轮入口 28时的扰动。
[0057]每个导向叶片34的第三平面区段104被布置在对应的第二平面区段102与相邻导向叶片34的第一平面区段100之间。
[0058]应了解的是，第一平面区段、第二平面区段和第三平面区段100、102、104各自具有不同的倾角。进一步应了解的是，上部入口壁和下部入口壁44、46可以具有任何数目的平面区段，而不背离本发明的范围。
[0059]一个杠杆106被牢固地固定至每个枢转轴42的远离导向叶片34的远端54上。杠杆106总体上垂直于枢转轴42延伸并且包括一个杠杆头部108。杠杆头部108被容纳在一个控制环或调整环112中的一个相关联槽缝110中。
[0060]控制环112的旋转使得这些杠杆106旋转或枢转，这导致了这些枢转轴42的旋转，由此造成这些导向叶片34在打开位置与关闭位置之间的旋转或调整。控制环112的旋转平面总体上垂直于涡轮机旋转轴线Rl。每个杠杆106的旋转平面是相对于控制环112的旋转平面以一个角度布置的。这样，控制环112的旋转以及这些杠杆106的对应旋转致使这些杠杆头部108在轴向方向上相对于控制环112中的这些槽缝110移动。为了允许控制环112与杠杆头部108之间的这种轴向运动，不仅这些槽缝110具备适当的深度，而且这些杠杆头部108配备有侧表面114、116以确保当这些导向叶片34在打开位置与关闭位置之间被调整时在杠杆头部108与槽缝110的侧面118、120之间存在一条接触线。
[0061]参见图15和图16，示出了控制环112的起始位置并且这些杠杆头部108是相对于这些槽缝110总体上居中的。在该控制环处于起始位置中时，在这些杠杆头部108的侧表面114、116与这些槽缝110的侧面118、120之间存在微小的空隙，如对于常规VTG套筒是常见的。控制环112的起始位置对应于这些导向叶片34处于零位置、总体上在打开位置与关闭位置之间的半路。当控制环112在第一方向上(从图15到图17中观察时为顺时针)旋转而将这些导向叶片34调整到打开位置时，这些槽缝110的一侧上的侧面118接触到杠杆头部108的对应侧表面114并且推动这些杠杆106旋转。同时，这些杠杆头部108相对于槽缝110在总体上从槽缝110中出来的方向上轴向地移动，如从图16至图18所示。类似地，当控制环112在第二方向上(从图15到图19中观察时为逆时针)旋转而将这些导向叶片34调整到关闭位置时，这些槽缝110的另一侧上的侧面120接触到杠杆头部108的对应侧表面116并且推动这些杠杆106旋转。同时，这些杠杆头部108相对于槽缝110在总体上从槽缝110中出来的方向上轴向地移动，如从图16至图20所示。
[0062]这些杠杆头部108的侧表面114、116可以是圆化的或弯曲的，如图中所示，以便在杠杆头部108与槽缝110的侧面118、120之间实现先前提到的接触线。考虑到了这些杠杆头部108的侧表面114、116可以是适当地斜切的。这些槽缝110的侧面118、120可以具有凹表面，如图中所示，当这些导向叶片34在打开位置与关闭位置之间被调整时，该凹表面与这些杠杆头部108的侧表面114、116相对应。考虑到了这些槽缝110的侧面118、120可以是平的。
[0063]在此以展示性的方式描述了本发明，并且应理解的是，所使用的术语旨在本质上是描述词语而非限制词语。鉴于以上的传授内容，本发明的许多修改和变体都是可能的。因此应理解的是，在所附权利要求书的范围内，可以按照与在本说明内具体列举的不同方式来实践本发明。
【权利要求】
1.一种包括可变涡轮几何形状的涡轮增压器(10)，所述涡轮增压器(10)包括: 一个涡轮机叶轮(24)，该涡轮机叶轮具有在轴向方向上延伸的一条涡轮机旋转轴线(Rl)； 在一定范围的角位置之间选择性地可移动的多个导向叶片(34)，其中所述多个导向叶片(34)中的每个导向叶片围绕与所述涡轮机旋转轴线(Rl)不平行的一条导向叶片旋转轴线(R2)进行枢转。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器(10)，包括具有一个上部入口壁(44)和一个下部入口壁(46)的一个叶轮入口(28)，其中所述上部入口壁和下部入口壁(44，46)限定了多个互补的球形表面，这些球形表面具有重合的球心，并且其中所述多个导向叶片(34)中的每个导向叶片的所述导向叶片旋转轴线(R2)延伸经过了所述上部入口壁和下部入口壁(44，46)的所述重合的球心 。
3.如权利要求2所述的涡轮增压器(10)，其中所述上部入口壁(44)具有限定了一个第一球心的一个凸球表面，并且所述下部入口壁(46)具有限定了与所述第一球心重合的一个第二球心的一个凹球表面。
4.如权利要求3所述的涡轮增压器(10)，其中所述多个导向叶片(34)中的每个导向叶片包括与所述上部入口壁(44)互补的一个上边缘(48)以及与所述下部入口壁(46)互补的一个下边缘(50)，所述上边缘和下边缘(48，50)在一个前导边缘(70)与一个尾随边缘(72)之间延伸，其中当所述多个导向叶片(34)在所述范围的角位置之间进行枢转时，所述上边缘和下边缘(48，50)与所述上部入口壁和下部入口壁(44，46)之间的间隙从所述前导边缘(70)到所述尾随边缘(72)保持恒定。
5.如权利要求1所述的涡轮增压器(10)，包括一个控制环(62)，该控制环具有与所述涡轮机旋转轴线(Rl)同轴的一条控制环旋转轴线(R3)，其中所述控制环(62)围绕所述控制环旋转轴线(R3)的旋转致使所述多个导向叶片(34)在所述范围的角位置之间进行枢转。
6.如权利要求5所述的涡轮增压器(10)，其中所述控制环(62)包括多个致动块(65)，所述多个致动块(65)中的每个致动块总体上平行于所述控制环旋转轴线(R3)延伸，并且其中所述多个导向叶片(34)中的每个导向叶片包括一个枢转轴(42)，该枢转轴具有总体上垂直于所述导向叶片旋转轴线(R2)延伸的一个叶片拨叉(52)，所述叶片拨叉(52)具有两个导向臂(56)，该两个导向臂之间具有一个凹陷以用于在其中接收所述多个致动块(65)之一ο
7.如权利要求6所述的涡轮增压器(10)，其中至少一个导向臂(56)包括一个凸曲线形表面，用于当所述多个导向叶片(34)在所述范围的角位置之间进行枢转时与所述致动块(65)进行滚动接触。
8.如权利要求7所述的涡轮增压器(10)，其中在所述多个导向叶片(34)朝向一个打开位置致动的过程中，一个第一导向臂(56)在所述轴向方向上朝向所述控制环(62)移动并且一个第二导向臂(56)在所述轴向方向上背离所述控制环(62)移动，并且其中在所述多个导向叶片(34)朝向一个关闭位置致动的过程中，所述第一导向臂(56)在所述轴向方向上背离所述控制环出2)移动并且所述第二导向臂(56)在所述轴向方向上朝向所述控制环(62)移动。
9.如权利要求5所述的涡轮增压器(10)，其中所述控制环(62)包括多个致动块(65)，所述多个致动块(65)中的每个致动块在总体上与所述多个导向叶片(34)的一个对应导向叶片的所述导向叶片旋转轴线(R2)平行的一个方向上延伸，并且其中所述多个导向叶片(34)中的每个导向叶片包括一个枢转轴(42)，该枢转轴具有总体上垂直于所述导向叶片旋转轴线(R2)延伸的一个叶片拨叉(52)，所述叶片拨叉(52)具有两个导向臂(56)，该两个导向臂之间具有一个凹陷以用于在其中接收所述多个致动块(65)之一。
10.如权利要求1所述的涡轮增压器(10)，包括具有一个上部入口壁(44)和一个下部入口壁(46)的一个叶轮入口(28)，其中所述上部入口壁(44)包括多个第一平面区段(100)并且所述下部入口壁(46)包括多个第一平面区段(100)。
11.如权利要求10所述的涡轮增压器(10)，其中所述上部入口壁(44)的所述多个第一平面区段(100)以及所述下部入口壁(46)的所述多个第一平面区段(100)限定了所述多个导向叶片(34)的多个平行的边界壁。
12.如权利要求11所述的涡轮增压器(10)，其中所述多个导向叶片(34)中的每个导向叶片包括一个上边缘(48)和一个下边缘(50)，所述上边缘和下边缘(48，50)在一个前导边缘(70)与一个尾随边缘(72)之间延伸，其中当所述多个导向叶片(34)在所述范围的角位置之间进行枢转时，所述上边缘和下边缘(48，50)与所述上部入口壁和下部入口壁(44，46)的所述多个第一平面区段(100)从所述前导边缘(70)到所述尾随边缘(72)是总体上平行的。
13.如权利要求12所述的涡轮增压器(10)，其中对于所述多个导向叶片(34)中的每个导向叶片，所述上部入 口壁(44)包括具有不同倾角的多个平面区段(100，102，104)，并且所述下部入口壁(46)包括具有不同倾角的多个平面区段(100，102，104)。
14.如权利要求12所述的涡轮增压器(10)，包括一个控制环(112)，该控制环具有与所述涡轮机旋转轴线(Rl)同轴的一条控制环旋转轴线(R3)，其中所述控制环(112)围绕所述控制环旋转轴线(R3)的旋转致使所述多个导向叶片(34)在所述范围的角位置之间进行枢转。
15.如权利要求13所述的涡轮增压器(10)，其中所述控制环(112)包括多个槽缝(110)，并且其中所述多个导向叶片(34)中的每个导向叶片包括一个枢转轴(42)，该枢转轴具有总体上垂直于所述导向叶片旋转轴线(R2)延伸的一个杠杆(106)，所述杠杆(106)被布置在所述多个槽缝(110)之一中。
16.一种用于在混流式涡轮增压器(10)中对穿过叶轮入口(28)的排气流动进行调节的导向设备(32)，所述导向设备(32)包括: 具有一个上部入口壁(44)的一个上部导流环(38)； 具有一个下部入口壁(46)的一个下部导流环(40);以及 多个导向叶片(34)，该多个导向叶片被布置在所述上部入口壁和下部入口壁(44，46)之间并且是围绕一条涡轮机旋转轴线(Rl)环圆周地安排的，所述多个导向叶片(34)是在一定范围的角位置之间选择性地可移动的，其中所述多个导向叶片(34)中的每个导向叶片围绕与所述涡轮机旋转轴线(Rl)不平行的一条导向叶片旋转轴线(R2)进行枢转。
17.如权利要求16所述的导向设备，其中所述上部入口壁和下部入口壁(44，46)限定了多个互补的球形表面，这些球形表面具有重合的球心，并且其中所述多个导向叶片(34)中的每个导向叶片的所述导向叶片旋转轴线(R2)延伸经过了所述上部入口壁和下部入口壁(44，46)的所述重合的球心。
18.如权利要求17所述的导向设备，其中所述上部入口壁(44)具有限定了一个第一球心的一个凸球表面，并且所述下部入口壁(46)具有限定了与所述第一球心重合的一个第二球心的一个凹球表面。
19.如权利要求18所述的导向设备，其中所述多个导向叶片(34)中的每个导向叶片包括与所述上部入口壁(44)互补的一个上边缘(48)以及与所述下部入口壁(46)互补的一个下边缘(50)，所述上边缘和下边缘(48，50)在一个前导边缘(70)与一个尾随边缘(72)之间延伸，其中当所述多个导向叶片(34)在所述范围的角位置之间进行枢转时，所述上边缘和下边缘(48，50)与所述上部入口壁和下部入口壁(44，46)之间的间隙从所述前导边缘(70)到所述尾随边缘(72)保持恒定。
20.如权利要求16所述的导向设备，包括一个控制环(62)，该控制环具有与所述涡轮机旋转轴线(Rl)同轴的一条控制环旋转轴线(R3)，其中所述控制环(62)围绕所述控制环旋转轴线(R3)的旋转致使所述多个导向叶片(34)在所述范围的角位置之间进行枢转。
21.如权利要求20所述的导向设备，其中所述控制环(62)包括多个致动块(65)，所述多个致动块(65)中的每个致动块总体上平行于所述控制环旋转轴线(R3)延伸，并且其中所述多个导向叶片(34)中的每个导向叶片包括一个枢转轴(42)，该枢转轴具有总体上垂直于所述导向叶片旋转轴线(R2)延伸的一个叶片拨叉(52)，所述叶片拨叉(52)具有两个导向臂(56)，该两个导向臂之间具有一个凹陷以用于在其中接收所述多个致动块(65)之一。
22.如权利要求20所述的导向设备，其中所述控制环(62)包括多个致动块(65)，所述多个致动块(65)中的每个致动块在总体上与所述多个导向叶片(34)的一个对应导向叶片的所述导向叶片旋转轴线(R2)平行的一个方向上延伸，并且其中所述多个导向叶片(34)中的每个导向叶片包括一个枢转轴(42)，该枢转轴具有总体上垂直于所述导向叶片旋转轴线(R2)延伸的一个叶片拨叉(52)，所述叶片拨叉(52)具有两个导向臂(56)，该两个导向臂之间具有一个凹陷以用于在其中接收所述多个致动块(65)之一。
23.如权利要求16所述的导向设备，其中所述上部入口壁(44)包括多个第一平面区段(100)并且所述下部入口壁(46)包括多个第一平面区段(100)。
24.如权利要求23所述的导向设备，其中所述上部入口壁(44)的所述多个第一平面区段(100)以及所述下部入口壁(46)的所述多个第一平面区段(100)限定了所述多个导向叶片(34)的多个平行的边界壁。
25.如权利要求24所述的导向设备，其中所述多个导向叶片(34)中的每个导向叶片包括一个上边缘(48)和一个下边缘(50)，所述上边缘和下边缘(48，50)在一个前导边缘(70)与一个尾随边缘(72)之间延伸，其中当所述多个导向叶片(34)在所述范围的角位置之间进行枢转时，所述上边缘和下边缘(48，50)与所述上部入口壁和下部入口壁(44，46)的所述多个第一平面区段(100)从所述前导边缘(70)到所述尾随边缘(72)是总体上平行的。
【文档编号】F02B37/24GK104053882SQ201380005526
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年1月28日 优先权日:2012年2月2日
【发明者】D·G·格拉鲍斯卡, J·奇哈特, O·乌尔班奇克, A·马祖雷克 申请人:博格华纳公司