一种变几何涡轮及喷嘴环装置的制作方法

本发明涉及内燃机涡轮增压技术领域，尤其涉及一种变几何涡轮及喷嘴环装置。

背景技术

变几何涡轮增压器属于高新技术成果转化项目，是节能降耗缓解资源紧缺、强制控制发动机排放污染的急需项目，被誉为增压器发展史上的里程碑。开展发动机节能降耗、降低排放烟度、提高低速，当前最现实可行的技术方法之一就是应用变几何涡轮增压器。它解决了常规的废气涡轮增压器存在的工况适应范围窄、低速扭矩特性差、起动响应慢和低速排放烟度大等缺陷，变几何涡轮增压器广泛应用于发动机之上。

现有变几何技术主要分为以下几种，包括可变喷嘴、可变扩压器、可变涡轮机壳、可变压气机壳等一系列技术手段，但应用最为广泛的是可变喷嘴(vnt)技术。

现在应用于可变喷嘴技术是针对喷嘴环叶片的角度进行调节，从而达到调整喷嘴环喉口面积的目的，来适应发动机不同工况的增压需求。然而对于涡轮机性能来说，往往对应某一最佳喷嘴叶片安装角位置，喷嘴叶片安装角变大或变小，涡轮机的性能均会降低。可变喷嘴叶片角在设计时往往只能针对某一发动机工况设计最佳叶片安装角，当发动机工况提高或降低时，喷嘴环角度进行调整，从而使非设计工况下的涡轮机性能迅速下降。且这种变几何喷嘴需要假设一套喷嘴叶片转角的联动装置，结构复杂，可靠性较低。

技术实现要素：

本发明提供一种变几何涡轮及喷嘴环装置，以克服上述技术问题。

本发明变几何涡轮及喷嘴环装置，包括：

涡轮排气管、涡轮机壳、执行单元、连杆、涡轮、喷嘴环、套筒以及角支；

所述执行单元与连杆的一端连接，所述连杆的另一端穿入所述涡轮排气管与所述角支顶端连接，所述角支底端与所述套筒连接，所述套筒外壁与所述涡轮机壳出口内壁贴紧，所述套筒在所述执行单元的带动下沿所述涡轮机壳轴向移动，所述喷嘴环设置于所述套筒下方。

进一步地，所述喷嘴环包括：

喷嘴环叶片、下端壁，所述下端壁设置于所述喷嘴环叶片底端，所述套筒底端设置容纳所述喷嘴环叶片的叶片槽i。

进一步地，所述喷嘴环包括：

喷嘴环叶片、上端壁和下端壁，所述上端壁和下端壁分别设置于所述喷嘴环叶片上下两端。

进一步地，所述套筒底端设置叶片槽i处直径大于顶端直径，所述涡轮机壳底端直径大于顶端直径，与所述套筒相匹配。

进一步地，还包括：

至少一个活塞环i，所述活塞环i设置于所述套筒与所述涡轮机壳之间。

进一步地，还包括：

至少一个活塞环ii，所述活塞环ii设置于所述连杆与所述涡轮排气管的连接处。

进一步地，所述执行器为电动执行器。

本发明变几何装置采用了导叶喷嘴环加轴向移动套筒的方式来实现变喷嘴喉口面积的目的。相比较于单纯轴向移动套筒的涡轮机来说，本发明添加的固定导叶可以对喷嘴出口气流角起到校正作用，从而使涡轮机在套筒全行程范围内始终保持喷嘴出口气流角处于最佳气流角状态，大大提升了涡轮机的做功能力，对于小开度情况下的提升将尤为明显。相比较于变导叶转角涡轮机装置来说，本发明装置同样可以在喷嘴小开度状态下，保持喷嘴出口的最佳气流角，提升了涡轮机低工况下的效率特性。同时本发明装置不需要复杂的叶片联动装置，结构简单，可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明变几何涡轮及喷嘴环装置结构示意图；

图2为本发明实施例一最小通流截面图；

图3为本发明实施例一最大通流截面图；

图4为本发明连杆结构图；

图5为本发明实施例一、实施例二角支结构图；

图6为本发明实施例一套筒结构图；

图7为本发明实施例二套筒结构图；

图8为本发明实施例一、实施例三喷嘴环结构图；

图9为本发明实施例二、实施例四喷嘴环结构图；

图10为本发明实施例二最小通流截面图；

图11为本发明实施例二最大通流截面图；

图12为本发明实施例三最小通流截面图；

图13为本发明实施例三最大通流截面图；

图14为本发明实施例四最小通流截面图；

图15为本发明实施例四最大通流截面图；

图16为本发明实施例三套筒结构图；

图17为本发明实施例四套筒结构图；

图18为本发明实施例三、实施例四角支结构图；

图中标号说明：

1-涡轮排气管、2-第一、二涡轮机壳、3-连杆、4-执行器、5-轴承壳、6-涡轮、7-第一、三实施例喷嘴环、8-第一实施例套筒、9-活塞环i、10-第一、二实施例角支、11-螺栓、12-螺母、13-销钉、14-活塞环ii、15-销钉孔、16-活塞槽ii、17-外螺纹、18-内螺纹、19-第一、二角支连接孔、20-螺孔、21-叶片槽i、22-活塞槽i、23-第二、四实施例喷嘴环、24-第二实施例套筒、25-第二、四实施例喷嘴环上端壁、26-第二实施例套筒下端壁、27-第一、三实施例喷嘴环端壁、28-无叶喷嘴环、29-第三、四实施例涡轮机壳、30-第三、四实施例角支、31-第三实施例套筒、32-螺栓、33-第四实施例套筒、34-平衡腔、35-第三、四实施例蜗壳端壁端壁、36-第三实施例固定孔、37-第三实施例套筒上端壁、38-第三实施例套筒下端壁、39-第四实施例固定孔、40-第四实施例套筒上端壁、41-第四实施例套筒下端壁、42-第三、四实施例角支连接孔、43-连通间隙。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明变几何涡轮及喷嘴环装置结构示意图，包括：

涡轮排气管、涡轮机壳、执行单元、连杆、涡轮、喷嘴环、套筒以及角支；

所述执行单元与连杆的一端连接，所述连杆的另一端穿入所述涡轮排气管与所述角支顶端连接，所述角支底端与所述套筒连接，所述套筒外壁与所述涡轮机壳出口内壁贴紧，所述套筒在所述执行单元的带动下沿所述涡轮机壳轴向移动，所述喷嘴环设置于所述套筒下方。

本发明以电动执行器作为执行器。电动执行器推拉杆通过销钉及销孔与连杆进行连接。连杆由排气壳穿入，为保证废气不外泄，需要在连杆加工活塞槽用来放置活塞环。连杆另一端加工外螺纹，将旋入角支的螺孔中，并通过螺母对连杆与角支进行锁紧。螺栓通过角支固定孔旋入套筒的螺孔中，使角支与套筒紧固连接。连杆的机构如图4所示。

套筒内壁与涡轮组成一部分内流道，套筒外壁可以沿着涡轮机壳出口内壁做轴向移动，为了保证废气不外泄，在套筒的外壁加工活塞槽i，用来放置活塞环i。套筒一端加工螺孔用于连接角支。

本发明有四种应用实施例。

如图2、图3所示，第一实施例的喷嘴环包括：喷嘴环叶片、下端壁，所述下端壁设置于所述喷嘴环叶片底端，所述套筒底端设置容纳所述喷嘴环叶片的叶片槽i，另一侧为开放式结构。套筒叶片槽的叶型是按照喷嘴环叶型等比例放大得到的。当套筒由位置b运动到位置a时，保证喷嘴环开放一端的叶片能够无障碍的插入套筒中。

如10、图11所示，第二实施例的喷嘴环包括：喷嘴环叶片、上端壁和下端壁，所述上端壁和下端壁分别设置于所述喷嘴环叶片上下两端喷嘴环叶片两侧都有端壁。在套筒的另一侧端壁没有叶片槽结构。当套筒由位置b运动到位置a时，套筒另一侧端壁与喷嘴环上端壁相互接触。对于高压比的增压器，蜗壳及喷嘴环流道内的压力比较大，这会导致套筒的端壁承受比较大的压力，对于执行器来说，这种过大的压力会导致执行器运动障碍或者电机过载，从而引发故障。

针对这种情况，提出实施例三以及实施例四，以克服这种弊端。

如图12、图13所示，实施例三是在实施例一的基础上，所述套筒底端设置叶片槽i处直径大于顶端直径，所述涡轮机壳底端直径大于顶端直径，与所述套筒相匹配。

也即将涡轮机壳及套筒增加一个台阶结构，使得涡轮机壳与套筒之间形成一个与主流道相互连通的腔体，涡轮机壳内的高压废气会沿着涡轮机壳与套筒之间的缝隙进入到腔体之中，使得腔体建立起一定的压力，避免套筒单侧受力过大。

如图14、图15所示，实施例四是在实施例二的基础上，将涡轮机壳以及套筒增加一个台阶结构，使得涡轮机壳与套筒之间形成一个与主流道相互连通的腔体，涡轮机壳内的高压废气会沿着涡轮机壳与套筒之间的缝隙进入到腔体之中，使得腔体建立起一定的压力，避免套筒单侧受力过大。

当发动机处于低工况时，发动机排气量小，如果涡端通流面积过大的话，会导致气流的动能过低，影响废气做功能力，导致涡轮动力不足，压气机增压压力不足，进气量少，使得发动机缸内燃烧不充分，影响发动机性能，并使排放超出相应标准，此时通过电动执行器带动连杆，使得套筒到达位置a，即本发明通流面积最小位置。此时涡轮与套筒内壁以及喷嘴环与套筒内壁组成的流道通流面积同时达到最小值，最大限度的减少了涡轮的通流面积。废气会获得较高的速度及较大的动能，同时喷嘴叶片可设计最优叶片安装角，使得涡轮具有较大的做功能力，有效的改善涡轮增压器在低工况时的性能。

当发动机处于中等工况时，可根据具体情况在ab位置之间调节套筒的位置，使涡轮通流面积与当前工况相对应，以保证涡轮增压器处于最佳工作状态。

当发动机处于高工况时，发动机排气量大，如果涡端通流面积偏小的话，会导致气流流动过快，不仅造成能力损失，还会导致涡端阻塞，造成增压器超速，排气背压升高，影响发动机扫气，对发动机排放造成消极影响，此时通过电动执行器带动连杆，使得套筒到达位置b，即本发明通流面积最大位置。此时涡轮与套筒内壁以及喷嘴环与套筒内壁组成的流道通流面积同时达到最大值，最大限度的增加了涡轮的通流面积。最大限度的推迟了涡端阻塞的发生，由于增大了涡轮的叶顶间隙，在一定程度上限制了涡轮的做功能力，在一定程度上减低了涡轮增压器超速的风险。

当套筒处于a位置时，第一实施例与第二实施例是相似的。当套筒离开a位置向b位置移动时，第一实施例与第二实施例的区别主要在于：当套筒向b位置移动时，第一实施例喷嘴环叶片被包容遮挡的部分叶片逐渐露出并参与工作，也就是说由a到b的过程中，涡轮上游的气流始终都要经过喷嘴环叶片；当套筒向b位置移动时，第二实施例的套筒下端面与第二实施例的喷嘴环上端壁分离，套筒端壁与喷嘴环端壁之间没有喷嘴环叶片，即形成无叶喷嘴环区域。即第一实施例在所有情况之下都有喷嘴环叶片参与工作；第二实施例在a位置时，有叶喷嘴环单独工作，在其他位置时为有叶喷嘴与无叶喷嘴环同时参与工作。其中实施例一、实施例二角支的结构图如图5所示，连接部分水平设置。实施例一、实施例二套筒结构如图6、图7所示。

当套筒处于a位置时，第三实施例与第四实施例是相似的。当套筒离开a位置向b位置移动时，第三实施例与第四实施例的区别主要在于：当套筒向b位置移动时，第三实施例喷嘴环叶片被包容遮挡的部分叶片逐渐露出并参与工作，也就是说由a到b的过程中，涡轮上游的气流始终都要经过喷嘴环叶片；当套筒向b位置移动时，第四实施例的套筒下端面与第四实施例的喷嘴环上端壁分离，套筒端壁与喷嘴环端壁之间没有喷嘴环叶片，即形成无叶喷嘴环区域。即第三实施例在所有情况之下都有喷嘴环叶片参与工作；第四实施例在a位置时，有叶喷嘴环单独工作，在其他位置时为有叶喷嘴与无叶喷嘴环同时参与工作。其中实施例三、实施例四角支的结构图如图18所示，连接部分竖直方向设置。实施例三、实施例四套筒结构如图16、图17所示。

本发明的系统结构包括涡轮排气管、涡轮机壳、连杆、电动执行器、轴承壳、涡轮、第一、三实施例喷嘴环如图8所示、第一实施例套筒、活塞环i、角支、螺栓、螺母、销钉、活塞环ii、销钉孔、活塞槽ii、外螺纹、内螺纹、角支固定孔、螺孔、套筒槽、活塞槽i、第二、四实施例喷嘴环如图9所示、第二实施例套筒、第二、四实施例喷嘴环上端壁、第二实施例套筒下端壁、第一、三实施例喷嘴环端壁、无叶喷嘴环、第三、四实施例涡轮机壳、第三、四实施例角支、第三实施例套筒、螺栓、第四实施例套筒、平衡腔、第三、四实施例蜗壳端壁端壁、第三实施例固定孔、第三实施例套筒上端壁、第三实施例套筒下端壁、第四实施例固定孔、第四实施例套筒上端壁、第四实施例套筒下端壁、第三、四实施例角支连接孔。

涡轮机壳固定于轴承壳，涡轮机壳内置喷嘴环、涡轮以及套筒。涡轮排气与涡轮机壳出口连接，连杆穿过排气管与执行器连接，如图1所示。

本发明以电动执行器作为执行器，为本结构轴向移动提供原动力。电动执行器推拉杆通过销钉及销孔与连杆进行连接。连杆由排气壳穿入，为保证废气不外泄，需要在连杆加工活塞槽ii用来放置活塞环ii。连杆另一端加工外螺纹，将旋入角支的螺孔中，并通过螺母对连杆与角支进行锁紧。螺栓通过角支固定孔旋入套筒的螺孔中，使角支与套筒紧固连接。

套筒内壁与涡轮组成一部分内流道，套筒外壁可以沿着涡轮机壳出口内壁做轴向移动，为了保证废气不外泄，在套筒的外壁加工活塞槽i，用来放置活塞。套筒一端加工螺孔用于连接角支。

第一、二实施例与第三、四实施例之间的区别在于，第一、二实施例没有压力平衡腔，第三、四实施例有压力平衡腔。第一、第二实施例可用于低压比的涡轮增压器，第三、四实施例可用于高压比的涡轮增压器。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。