用于废气驱动涡轮增压器的可变几何形状涡轮壳体进气通道的制作方法

本公开涉及用于内燃机(ice)的废气驱动涡轮增压器的可变几何形状涡轮壳体进气通道。

ice经常被要求在可靠的基础上在持续很久的时间段产生相当大水平的动力。许多此类ice组件采用升压装置，比如废气驱动涡轮增压器，用来在空气流进入进气歧管之前将其压缩以便增大动力和效率。

具体地，涡轮增压器是一种离心式气体压缩机，相比于以其他方式利用环境大气压可以实现的，其促使更多的空气并且由此促使更多的氧气进入ice的燃烧室。被促使进入ice的额外质量的含氧空气提高了发动机的容积效率，从而允许其在给定循环中燃烧更多的燃料，并由此产生更多的转矩和动力。

可变几何形状涡轮增压器(vgt)是涡轮增压器的一种类型，其通常被设计为允许和发动机速度一致地改变涡轮增压器的有效膨胀比(e:r)，并且由此利于增大ice的工作效率。利用可移动叶片的涡轮增压器是最常见的vgt类型。相比于火花点火式发动机，利用可移动叶片的vgt往往在压燃式或柴油ice上更常见，这是因为对于此类vgt的可移动叶片以及其他敏感的尺寸精确部件，柴油发动机的较低废气温度提供了并不那么极端的环境。

技术实现要素：

一种用于内燃机的可变几何形状涡轮增压器(vgt)，该内燃机配置为产生燃烧后气体流作为产生输出转矩的副产物，该涡轮增压器包括限定了蜗壳的涡轮机壳体。vgt还包括涡轮机叶轮，其安装在具有旋转轴线的轴上，保持在涡轮机壳体内，并且配置为通过燃烧后气体流围绕旋转轴线旋转。涡轮机壳体限定了到蜗壳下游的涡轮机叶轮以及涡轮机叶轮的上游的入口。到涡轮机叶轮的入口包括周向上连续且无阻塞的进气通道，该进气通道具有可选择的横截面积并且配置为调节vgt的有效膨胀比。

vgt还可以包括配置为选择进气通道的横截面积的机构，并且其包括由外直径表面限定且在进气通道中可移动地安装至涡轮机壳体以由此限定进气通道的可移动后壁的环。

环可以通过精密配合在进气通道中可移动地安装至涡轮机壳体并且配置为沿旋转轴线滑动，以由此选择进气通道的横截面积。

环可以与涡轮机壳体螺纹接合并且配置为相对于涡轮机壳体同时地旋转和平移以由此选择进气通道的横截面积。

涡轮机壳体和环可以具有相匹配的热膨胀系数。

vgt还可以包括轴承壳体，该轴承壳体具有配置为支撑轴的至少一个轴承。在此类情况下，当沿旋转轴线看时，环可以安装在轴承壳体和涡轮机叶轮之间。

涡轮机壳体的蜗壳可以包括由一定直径限定的内部圆柱形壁，并且表面的外直径表面可以匹配内部圆柱形壁的直径。

环的外直径表面可以具有倒圆和倒斜角边缘中的一个，其配置为从蜗壳接收燃烧后气体流并减少燃烧后气体流中的湍流。

机构可以附加地包括致动器，其配置为选择性地改变环相对于涡轮机壳体的位置。

机构可以配置为以连续且无极段的运动改变环的位置。

致动器可以具有机电结构或气动结构。

机构可以附加的包括控制器，该控制器具有内存并配置为调节致动器。

本发明的另一实施例涉及采用以上所述vgt的内燃机。

当结合附图和所附权利要求书时，通过用来实现所述发明的实施例和最佳模式的以下详细描述，本公开的以上特征和优点以及其他特征和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是包括具有根据本公开的可变几何形状涡轮增压器(vgt)的内燃机的车辆的示意图。

图2是图1中所示的发动机的示意性透视放大视图。

图3是图1和图2中所示的vgt的示意性横截面侧视图，其包括机构的一个实施例，该机构具有配置为选择进气通道的横截面积，并且图中环被描绘为处于中间位置。

图4是图1和图2中所示的vgt的示意性横截面侧视图，其包括机构的另一个实施例，该机构具有配置为选择进气通道的横截面积，并且图中环被描绘为处于完全缩回的位置。

图5是图1和图2中所示的vgt的示意性横截面侧视图，其包括图4中所示的机构的实施例，并且图中环被描绘为处于完全延伸的位置。

图6是配置为选择图3和图4中所示进气通道的横截面积的机构的示意性前视图。

具体实施方式

现在参考附图，其中在整个若干图中，相同的附图标记对应于相同或相似的部件，图1示出了车辆6，其具有可以由内燃机(ice)10驱动的多个车轮8。如图2中所示，ice10包括汽缸体12，汽缸体具有设置在其中的多个汽缸14。ice10还包括汽缸盖16。每个汽缸14包括配置为在其中往复运动的活塞18。ice10可以是火花点火式或压燃式设计。ice10产生燃烧后气体作为产生发动机输出转矩的副产物。

如图2中所示，燃烧室20形成在汽缸14内在汽缸盖16的底部表面和活塞18的顶部之间。如本领域技术人员所公知的，燃烧室20配置为接收燃料和空气使得可以形成燃料-空气混合物以用于随后在其中的燃烧。ice10还包括配置为在汽缸体12内旋转的曲轴22。由于来自燃烧室20中正在燃烧的燃料-空气混合物的压力，曲轴22由活塞18旋转。在空气-燃料混合物在特定燃烧室20内燃烧之后，特定活塞18的往复运动用来通过相应汽缸14产生燃烧后气体或废气流23。

ice10还包括吸气系统24，其配置为将空气流26从环境引导到汽缸14。吸气系统24包括进气空气管道28、可变几何形状涡轮增压器(vgt)30以及进气歧管(未示出)。尽管并未示出，吸气系统24可以另外地包括在vgt30上游的空气过滤器，以用于从空气流26去除杂质颗粒和其他空气中碎片。进气空气管道28配置为将气流26从环境引导到vgt30，而vgt配置为将接收到的空气流加压并将加压的空气流排放到进气歧管。进气歧管继而将之前加压的空气流26分配给汽缸14以用于和适当量的燃料进行混合以及所得到的燃料-空气混合物的后续燃烧。

如图3至图5中所示，vgt30包括轴34，其具有第一端36和第二端38。轴34通过轴承42得到支撑以用于围绕轴线40旋转。轴承42安装在轴承壳体44中并且可以通过机油供应来润滑。涡轮机叶轮46安装在轴34上靠近第一端36，并且配置为通过从汽缸14排放的燃烧后气体23围绕轴线40旋转。涡轮机叶轮46保持在涡轮机壳体48内，该涡轮机壳体包括蜗壳或涡形管50。涡形管50限定了到涡轮机叶轮46的入口52。如图所示，入口52定位在蜗壳50的下游和涡轮机叶轮46的上游。涡形管50接收燃烧后废气23并通过入口52将废气引导到涡轮机叶轮46。其结果是，涡轮机叶轮46和轴34通过燃烧后气体23围绕轴线40旋转。涡形管50配置为实现涡轮增压器30的特定性能特性，比如效率和响应。

入口52包括周向连续且无阻塞的可变几何形状进气通道54。本文所具体定义的术语“周向连续且无阻塞”指的是进气通道54为燃烧后气体流23在蜗壳50和涡轮机叶轮46之间提供了周向敞开的路径，且在进气通道的外圆周54a周围没有可以将进气通道分散或划分成单独的径向通道的任何障碍物。周向连续且无阻塞的可变几何形状进气通道54是专门与以下的此类vgt结构作为对比，即包括用于径向地引导废气流通过涡轮机壳体48并朝向涡轮机叶轮46的分立的叶片或其他装置。

根据本公开，进气通道54具有用于控制燃烧后气体流23通过的可变或可选择的横截面积a。进气通道54的可选择横截面积a被配置为和发动机速度一致地改变进气通道54的纵横比和调节涡轮增压器的有效膨胀比(e:r)，并且由此利于增大ice的工作效率。vgt30的膨胀比通常被定义为涡轮机叶轮46前燃烧后气体23的给定质量流率的压力与涡轮机叶轮46后燃烧后气体23的相同质量流率的压力的比。可变纵横比参数通常被定义为某形状的宽度与其高度的比。进气通道54的此类可变纵横比利于调节燃烧后气体23的流动速度和所产生的压力，由此用来改变涡轮机叶轮46的转速。通常，如果纵横比过大，涡轮增压器将产生不充分的升压并且在较低发动机速度下呈现出响应滞后。另一方面，如果纵横比过小，在较高速度下涡轮增压器将使发动机阻风，产生高排气歧管压力、高抽吸损耗，并且最终导致较低的发动机转矩输出。

通过随着ice10加速而改变涡轮机壳体48的几何形状，可以将进气通道54的纵横比维持为使得vgt30在低发动机速度下产生可接受的响应和升压并在较高的发动机速度下产生充足的空气流和升压。总的来说，可变几何形状进气通道54限定了围绕整个外圆周54a的敞开路径并且以其中不存在任何径向定位的障碍物为特征，同时到涡轮机叶轮46的入口仍然具有可变的(即可选择的)横截面积a和可选择的纵横比。

如图所示，vgt30包括配置为选择进气通道54的横截面积a的机构56。机构56可以包括在进气通道54中可移动地安装至涡轮机壳体48的环58。环58限定了进气通道54的可移动背壁并且配置为沿旋转轴线40滑动以由此调节进气通道的横截面积a。当沿旋转轴线40看去时，环58可平移地安装在轴承壳体44和涡轮机叶轮46之间。机构56可以配置为以连续(即无极段)的运动改变环58的位置。应当注意的是，图3至图5中所示的机构56的特定结构主要用于代表性说明的目的，而并非关于使用其他合适的机构进行限制。

机构56可以配置为使得环58具有在相对于轴线40运动的规定范围r内的无限数量的位置。因此，环58的运动的整个规定范围r被选择成，使得燃烧后气体流23中的至少一些在vgt30的操作期间可以通过进气通道54。涡轮机壳体48和环58的材料可以被特定地选择为具有相匹配的热膨胀系数，以便降低在ect10的典型废气温度下在vgt30操作期间两个部件之间发生干扰和粘着的可能性。利用可移动环58的机构56旨在提供一种强健和可靠的vgt，其不仅可以承受典型地由柴油ice产生的废气温度，而且还能够承受通常由火花点火式ice产生的相对更高的废气温度。

环58包括用于和涡轮机壳体48接合并密封该涡轮机壳体的外直径表面58-1。在一个实施例中，环58可以通过精密配合大体上沿被配置作为引导通道59a的内部圆柱形壁48-1密封到涡轮机壳体48(图3中所示)。具体地，外直径表面58-1可以具有与内部圆柱形壁48-1的可控间隙，足以允许环58相对于涡轮机壳体48的滑动运动。替代地，机构56可以具有螺纹界面59b或者与涡轮机壳体48的螺旋接合(图4和图5中所示)，其有效地将环58密封到涡轮机壳体48。在此类实施例中，环58的外直径表面58-1可以与涡轮机壳体48螺纹接合并且配置为相对于涡轮机壳体同时地旋转和平移，以由此选择进气通道54的横截面积a。以上的密封设置可以限制进入入口通道54的燃烧后气体23的压力损失并保持vgt30的工作效率。如图3中所示，蜗壳50包括由外直径限定的内部圆柱形壁50-1。同样如图3中所示，外直径表面58-1可以大体上与内部圆柱形壁50-1的外直径匹配以限制燃烧后气体流23中的压力下降。其中内部圆柱形壁48-1和外直径表面58-1直径大体上匹配的以上结构可以包含在图3至图5所示的每个实施例中。

环58的外直径表面58-1可以具有倒圆边缘59a(图3中所示)或倒斜角边缘59b(图4和图5中所示)。外直径表面58-1上的此类倒圆边缘59a或倒斜角边缘59b被配置为接收来自蜗壳50的燃烧后气体流23并减少燃烧后气体流中的湍流。机构56可以附加地包括致动器60，其配置为选择性地并连续地改变环58相对于涡轮机壳体48的位置。致动器60可以具有机电(比如，结合齿轮或杠杆驱动设置的电动马达)或气动结构。另外，图4和图5中所示的致动器60的实施例可以包括蜗轮60a。蜗轮60a可以例如被电动马达转动，并且由此配置为同时地使涡轮机壳体48内的环58围绕轴线40旋转和同时地使环沿轴线在规定运动范围r内平移。

如图3中所示，机构56可以附加地包括控制器62。控制器62可以是配置为调节车辆6上各种功能的中央处理单元(cpu)或者是用于控制ice10的操作的专用电子控制单元(ecu)。在任一种配置中，控制器60包括处理器64和有形非暂时性存储器66，该有形非暂时性存储器包括编程在其中的用于致动器60的指令。如此，在控制器60中，处理器64配置为执行来自存储器66的指令以调节ice10，包括调节致动器60的操作。此外，控制器62可以被配置为根据反应vgt30的各种操作模式的已编程算法68调节致动器60，该vgt30的各种操作模式被具体配置为支持ice10的操作。

详细描述和附图或图仅是对本发明进行支持和描述，而本发明的范围仅由权利要求书所限定。尽管已经详细描述了用来实现所要求保护的发明的一些最佳模式和其他实施例，仍然存在用于实践所附权利要求书中限定的本发明的各种替代设计和实施例。附图中所示的实施例或在本说明书中提及的各种实施例的特征不一定被理解为彼此相互独立的实施例。而是，有可能在实施例的一个实例中描述的每个特征可以与来自其他实施例的一个或多个其他期望特征进行组合，从而得到未用文字或者未通过参考附图进行描述的其他实施例。相应地，此类其他实施例也落入所附权利要求书的范围的框架内。