一种轴向可变截面的涡轮增压器的制作方法

本发明属于发动机涡轮增压技术领域，涉及一种轴向可变截面的涡轮增压器。

背景技术：

涡轮增压器是一种通过压缩空气来增加进气量的装置，它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的压气机叶轮，压气机叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增大时，废气排出速度与涡轮转速也同步增加，压气机叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应地增加了燃料量和发动机的转速，进而增加发动机的输出功率。由于车用发动机需要适应不同的路况和负荷，其工作状态经常会不断变化，这就需要与其相匹配的涡轮增压器具有工作流量范围广、涡轮迟滞小及高效率区域大等特点。

普通的涡轮增压器都是按照发动机的额定功率来匹配的，当发动机处于低工况运行状态时，由于转速低，发动机的排气压力低，导致涡轮增压器产生压缩空气密度也低，发动机的进气空气充量数会快速降低，造成进气量不足，使得发动机气缸内的燃料不能充分燃烧，不仅燃油消耗率高，而且会出现冒黑烟、排气温度过高、有害气体排放超标、低速扭矩小等缺陷。为了使发动机在不同工况条件下都能满足燃料充分燃烧的要求，解决现有的涡轮增压器普遍存在的涡轮迟滞、发动机动力输出非线性、低转速时增压效果不明显等问题，必须使涡轮增压器的排气进口截面能够适时调节，于是便产生了可变截面的涡轮增压器。

目前，可变截面的涡轮增压器在实际应用中，仍会在性能匹配方面存在一些不足。外部控制系统对可变截面涡轮增压器喷嘴环中的可变叶片的开度进行调节，发动机排出的废气通过喷嘴环叶片，获得一定的预旋速度，再流入涡轮叶片，以得到较高的效率。但是，其调节方式基本为阶段调节，即只有两个或有限个工作开度档位，很难在整个运行工况中都保持高效率，而且可变喷嘴环可靠性较差，对制造精度要求高，且由于普通材料的喷嘴环叶片无法适应发动机的高温排气，因而还存在结构复杂及制造成本高等不足。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够满足不同工况下车用发动机进气要求且结构简单的轴向可变截面的涡轮增压器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种轴向可变截面的涡轮增压器，该涡轮增压器包括依次相连的压气机、中间体、涡轮壳体及排气壳体，所述的涡轮壳体上设有废气进口，内部设有涡轮以及分别与废气进口、涡轮相连通的涡管流道，所述的排气壳体的一端设有排气出口，所述的涡轮壳体的内侧与排气壳体的外侧之间设有腔体及移动控制环，该移动控制环的一端位于涡管流道与涡轮之间，另一端位于腔体内，所述的涡轮增压器还包括与移动控制环传动连接的电控执行机构，该电控执行机构带动移动控制环沿排气壳体的轴向往复移动，调节涡轮的有效进气面积。废气经废气进口进入涡管流道，并穿过移动控制环的端部与涡轮壳体之间的空间进入涡轮的工作区域，之后由排气出口排出。

所述的涡管流道与涡轮之间设有喷嘴，所述的移动控制环的一端位于喷嘴处。涡管流道的废气经喷嘴喷射进入涡轮的工作区域，通过调节移动控制环的轴向位置，改变移动控制环的端部与涡轮壳体之间的空间，即改变喷嘴的实际通气面积，进而实现调节涡轮有效进气面积的目的。当移动控制环的端部与涡轮壳体之间完全接触时，喷嘴的通气口关闭，以将涡管流道与涡轮之间的供气通道封闭。

所述的涡轮壳体上设有相互垂直的隔板及腔体壁，所述的隔板位于涡管流道与腔体之间，所述的排气壳体的外侧面设有腔体盖板，所述的隔板、腔体壁、腔体盖板与排气壳体之间围成腔体。隔板将涡管流道与腔体隔开，使涡管流道内的废气能够顺利进入涡轮的工作区域。

所述的腔体壁与腔体盖板之间设有气封垫片。腔体壁与腔体盖板之间通过3-4个连接螺钉固定相连，并通过气封垫片保证腔体的密封性。

所述的排气壳体的外侧面开设有第一滚动斜槽，所述的移动控制环的内侧面开设有与第一滚动斜槽相适配的第二滚动斜槽，所述的第一滚动斜槽与第二滚动斜槽之间设有滚珠，所述的移动控制环通过滚珠沿排气壳体的轴向往复移动。当移动控制环绕自身中轴线转动时，由于第一滚动斜槽、滚珠及第二滚动斜槽的相互作用，使移动控制环在转动的同时，还会沿排气壳体的轴向同步移动，即通过移动控制环的转动，实现其轴向移动，以调节涡轮的有效进气面积。

作为优选的技术方案，所述的第一滚动斜槽沿轴向并列设有两条，作为一组；所述的第二滚动斜槽沿轴向并列设有两条，作为一组；每条第一滚动斜槽与每条第二滚动斜槽之间设有一个或多个可以滚动的滚珠。

作为进一步优选的技术方案，所述的排气壳体的外侧面沿周向开设有多组第一滚动斜槽，所述的移动控制环的内侧面沿周向开设有多组与第一滚动斜槽相适配的第二滚动斜槽。

所述的第二滚动斜槽与移动控制环的中轴线之间的夹角为15-75°，所述的第一滚动斜槽与第二滚动斜槽相平行。以保证移动控制环的转动与轴向移动同时进行。

作为优选的技术方案，所述的第二滚动斜槽与移动控制环的中轴线之间的夹角为30-60°。

所述的电控执行机构包括设置在压气机侧面上的电机基座、设置在电机基座上的电机、与电机传动连接的电机输出轴、分别与电机输出轴及移动控制环传动连接的齿轮传动组件以及与电机电连接的控制器，所述的电机的外部设有电机隔热罩。在控制器的调控下，电机带动电机输出轴转动，并通过齿轮传动组件带动移动控制环转动，使移动控制环在周向旋转的同时进行轴向移动，从而实现涡轮增压器轴向可变截面的目的。电机输出轴的中轴线与排气壳体的中轴线相平行。

所述的移动控制环的外侧面上沿周向设有从动齿条，所述的齿轮传动组件包括套设在电机输出轴上的主动齿轮、沿排气壳体的轴向贯穿腔体盖板并与腔体盖板转动连接的从动轴、套设在从动轴的一端并与主动齿轮相啮合的第一从动齿轮以及套设在从动轴的另一端并与从动齿条相啮合的第二从动齿轮，所述的从动齿条及第二从动齿轮均位于腔体内。电机输出轴依次带动主动齿轮、第一从动齿轮、从动轴、第二从动齿轮及从动齿条转动，实现移动控制环的转动。

作为优选的技术方案，所述的腔体包括上下相连的控制腔及齿轮驱动腔，所述的从动齿条及第二从动齿轮均位于齿轮驱动腔内。

所述的从动齿条弯曲成弧形，并与移动控制环的外侧面弧度一致。

所述的从动齿条为直齿齿条。直齿齿条能够避免与第二从动齿轮之间产生轴向推力，因而省去了止推轴承。

所述的从动轴与腔体盖板之间设有从动轴衬套，所述的从动轴与从动轴衬套转动连接。从动轴衬套与腔体盖板固定连接，从动轴衬套上位于腔体内的一端设有定位凸缘。

本发明在实际应用时，当发动机处于高工况时，电机带动移动控制环向排气出口一侧移动，使喷嘴的实际通气面积最大；当发动机处于部分负荷工况时，电控执行机构根据发动机的进气需要控制电机的旋转角度，从而使移动控制环处于合适的位置；当发动机需要紧急停车时，电机驱动移动控制环向压气机一侧移动，直至关闭涡管流道向涡轮供气的通道。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)通过移动控制环的周向旋转及轴向移动，实现轴向可变截面，以调节喷嘴的实际通气面积，进而根据发动机的进气需要调节涡轮的有效进气面积，相对于可变叶片喷嘴环技术来说，本发明省去了可动的叶片结构，因而整体结构较为简单，对材料的要求较低，降低了制造成本，且控制更为简单，更易于实现无级控制；

2)通过电控执行机构对移动控制环的轴向位置进行调节，调节过程快速灵敏，安全可靠，能够满足不同工况下车用发动机的进气要求，有效减小涡轮迟滞，提升发动机在低速工况下的扭矩，并实现发动机的紧急停车，提升汽车的行驶安全性能；

3)弥补了可变叶片喷嘴环技术的缺陷，能够适应较高温度的工作环境，适用于排气温度较高的汽油机。

附图说明

图1为实施例1中涡轮增压器的剖面结构示意图；

图2为实施例1中涡轮壳体的右视结构示意图；

图3为实施例1中排气壳体的结构示意图；

图4为实施例1中第一滚动斜槽沿周向展开后的主视结构示意图；

图5为实施例1中移动控制环的结构示意图；

图6为实施例1中第二滚动斜槽沿周向展开后的后视结构示意图；

图7为实施例1中电控执行机构的结构示意图；

图8为实施例1中从动齿条的结构示意图；

图中标记说明：

1—涡轮壳体、101—废气进口、102—涡管流道、103—喷嘴、104—隔板、105—腔体壁、2—排气壳体、201—排气出口、202—腔体盖板、203—第一滚动斜槽、3—电控执行机构、301—控制器、302—电机、303—电机输出轴、304—主动齿轮、305—第一从动齿轮、306—第二从动齿轮、307—从动轴、308—从动轴衬套、309—电机基座、310—电机隔热罩、4—腔体、5—气封垫片、6—移动控制环、601—第二滚动斜槽、602—从动齿条、7—中间体、8—压气机、9—涡轮、10—滚珠。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1所示的一种轴向可变截面的涡轮增压器，该涡轮增压器包括依次相连的压气机8、中间体7、涡轮壳体1及排气壳体2。如图2所示，涡轮壳体1上设有废气进口101，内部设有涡轮9以及分别与废气进口101、涡轮9相连通的涡管流道102。排气壳体2的一端设有排气出口201，涡轮壳体1的内侧与排气壳体2的外侧之间设有腔体4及移动控制环6，该移动控制环6的一端位于涡管流道102与涡轮9之间，另一端位于腔体4内，涡轮增压器还包括与移动控制环6传动连接的电控执行机构3，该电控执行机构3带动移动控制环6沿排气壳体2的轴向往复移动，调节涡轮9的有效进气面积。

其中，涡管流道102与涡轮9之间设有喷嘴103，移动控制环6的一端位于喷嘴103处。涡轮壳体1上设有相互垂直的隔板104及腔体壁105，隔板104位于涡管流道102与腔体4之间，排气壳体2的外侧面设有腔体盖板202，隔板104、腔体壁105、腔体盖板202与排气壳体2之间围成腔体4。腔体壁105与腔体盖板202之间设有气封垫片5。

如图3、图4所示，排气壳体2的外侧面开设有第一滚动斜槽203，如图5、图6所示，移动控制环6的内侧面开设有与第一滚动斜槽203相适配的第二滚动斜槽601，第一滚动斜槽203与第二滚动斜槽601之间设有滚珠10，移动控制环6通过滚珠10沿排气壳体2的轴向往复移动。第二滚动斜槽601与移动控制环6的中轴线之间的夹角为60°，第一滚动斜槽203与第二滚动斜槽601相平行。

如图7所示，电控执行机构3包括设置在压气机8侧面上的电机基座309、设置在电机基座309上的电机302、与电机302传动连接的电机输出轴303、分别与电机输出轴303及移动控制环6传动连接的齿轮传动组件以及与电机302电连接的控制器301，电机302的外部设有电机隔热罩310。

如图8所示，移动控制环6的外侧面上沿周向设有从动齿条602，齿轮传动组件包括套设在电机输出轴303上的主动齿轮304、沿排气壳体2的轴向贯穿腔体盖板202并与腔体盖板202转动连接的从动轴307、套设在从动轴307的一端并与主动齿轮304相啮合的第一从动齿轮305以及套设在从动轴307的另一端并与从动齿条602相啮合的第二从动齿轮306，从动齿条602及第二从动齿轮306均位于腔体4内。从动齿条602为直齿齿条。从动轴307与腔体盖板202之间设有从动轴衬套308，从动轴307与从动轴衬套308转动连接。

涡轮增压器在实际应用时，当发动机处于高工况时，电机302带动移动控制环6向排气出口201一侧移动，使喷嘴103的实际通气面积最大；当发动机处于部分负荷工况时，电控执行机构3根据发动机的进气需要控制电机302的旋转角度，从而使移动控制环6处于合适的位置；当发动机需要紧急停车时，电机302驱动移动控制环6向压气机8一侧移动，直至关闭涡管流道102向涡轮9供气的通道。

实施例2：

本实施例中，第二滚动斜槽601与移动控制环6的中轴线之间的夹角为15°，其余同实施例1。

实施例3：

本实施例中，第二滚动斜槽601与移动控制环6的中轴线之间的夹角为75°，其余同实施例1。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。