专利名称：具有射流排水阀的涡轮增压器的制作方法
技术领域：
本文公开的实施例一般地涉及内燃发动机系统，且更特别地涉及用于内燃发动机 的涡轮增压器系统。
背景技术：
在往复式活塞发动机中，动力的量由在动力冲程期间燃烧的燃料量控制。对于给 定的气缸大小，在吸气冲程期间吸入的空气量越大，可与进气混合或可被引入气缸中且燃 烧的燃料量就越大，从而提高发动机输出动力。涡轮增压器是已知的装置，其用于通过用由 从热的发动机排气中获取能量的涡轮驱动的压缩机将空气压缩到发动机中，来提高活塞发 动机的动力输出。图1示出了具有由机械轴16彼此连接的轴向涡轮12和径向压缩机14的传统的 涡轮增压器10。如可适用领域中的普通技术人员所理解的，在运行中，由涡轮入口壳体24 将发动机排气(如由箭头18显示)导向设置在涡轮叶轮22上的多个叶片20。热排气的膨 胀使涡轮12转动，从而通过机械轴16驱动压缩机14。当压缩机14转动时，叶轮片26吸入 压缩机入口(如由箭头28显示)处的空气，且将该空气输送到设置在压缩机壳体32内部 的扩散器30，使高速空气减慢，从而将其动能转换成压力。然后加压空气在吸气冲程期间被 供给到发动机中。排气在膨胀通过涡轮叶轮22的叶片20之后经由排气通道34离开涡轮 12。如普通技术人员所理解的，可存在具有径向涡轮和/或轴向压缩机的涡轮增压器，图1 中所示的特定组合是示例性的，且无论如何不限制本文公开的主题的范围。随着时间的过去，当涡轮增压式活塞发动机运行时，润滑油中的一些添加物沉积 在涡轮增压器涡轮喷嘴环和涡轮叶轮叶片20 (也称为轮叶)上。除了其它成分之外，这些 硬质沉积物包含硫酸钙，且随着时间的过去，当发动机运行继续时，这些硬质沉积物趋向于 变得更厚。但是，不管它们的硬度如何，它们趋向于容易地溶解在雨水中。许多涡轮增压式 发动机(例如在机车发动机中使用的那些)在涡轮增压器涡轮上方设计有简单的烟道或相 对开放的消音器。因此，如果发动机停机，且没有气体流过涡轮，雨水就可在固定的涡轮部 件周围积聚，如由标示为要件36的水位在图2中所示。如果水位足够高，且水有一段时间 未扰动，则部分地或完全浸入水中的涡轮叶片(例如参见图2中的叶片20)上的沉积物就 可被局部溶解，导致一旦发动机重新启动时显著的转子不平衡。在许多情况下，此不平衡足 以在发动机随后重新启动不久之后将涡轮增压器轴承加载到失效点。因此期望的将是提供一种用以排出可积聚在涡轮增压器的排气集气室中的雨水 的机构，其具有无运动部件的自清洁装置，以便最小化维护并延长涡轮增压器使用寿命。
发明内容
本文公开的射流阀提供了一种用来排放如果发动机停机一段较长的时期(在此 期间发生降雨或降雪)可积聚在发动机涡轮增压器的涡轮段中的雨水(或雪)的机构。这 些装置设计成没有运动部件，而是相反，在发动机不运转时利用流体流来被动地打开排水 通道并提供自清洁，以及在发动机运转时阻止泄漏。因而，涡轮增压器失效有望得到显著降低，因为雨水不会在排气集气室中积聚到足以在停机期间优先浸泡涡轮叶片的下部的水 平。在机车应用中，所公开的射流阀将改善机车的可用性，且通过降低失效率来改善机车服 务生产力。以上概述的需要中的一个或多个或者本领域已知的其它需要通过涡轮增压器解 决，该涡轮增压器包括具有空气放气口的压缩机、通过机械轴连接到压缩机上的涡轮；以及 与压缩机的空气放气口和包括涡轮的排气集气室成流连通的射流排水阀，该射流排水阀构 造成在没有来自放气口的空气流过射流排水阀时被动地排出积聚在排气集气室中的水。根据本文公开的主题的涡轮增压器还包括具有空气放气口的压缩机；通过机械轴 连接到压缩机上的涡轮；以及射流排水阀，该射流排水阀包括具有与排气集气室(排气集 气室包括涡轮)成流连通的第一端部的第一主体、包括形成流道的孔的第二主体，该第二 主体在第一主体的第二部分中设置在第一主体的内部，以便在第一主体和第二主体之间形 成流道，第二主体具有从第一主体的第二端部突出的第一端部，第二主体的第一端部与压 缩机的空气放气口成流连通；以及与第一主体的第二部分成流连通的排水通道，射流排水 阀构造成在没有来自放气口的空气流过第二主体时，通过第一主体和第二主体之间的流道 被动地将来自排气集气室的水排入排水通道中，以及在来自放气口的空气在运行期间流过 第二空心主体时，将来自排气集气室的排气流密封到排水通道中。根据本文公开的主题的涡轮增压器还包括具有空气放气口的压缩机、通过机械轴 连接到压缩机上的涡轮；涡轮设置在涡轮增压器的排气集气室内部；以及用于在涡轮增压 器不运行时被动地去除在排气集气室中积聚的水的机构。以上简要描述阐述了本发明的各实施例的特征，以便后面的详细描述可更好地理 解，以及以便可更好地理解对本领域的贡献。当然，存在将在下文描述的且将针对所附权利 要求书的主题的本发明的其它特征。在这方面，在对本发明的若干实施例进行详细阐述之前，应该理解的是，本发明的 各实施例就其应用而言不限于以下描述中阐述或图中示出的构造的细节和构件的布置。本 发明能够具有其它实施例，且能够以各种方式实践和执行。而且，要理解的是本文采用的措 辞和术语是出于描述的目的，且不应被理解为限制性的。因而，本领域技术人员将理解，本公开所基于的概念可容易地用作用于设计其它 结构、方法和/或系统的基础，以执行本发明的若干目的。因此，重要的是将权利要求书视 为包括此类等效构造，只要它们不偏离本发明的精神和范围。另外，前述摘要的目的是使专利审查员和/或一般公众，以及尤其是不熟悉专利 或法律术语或措辞的本领域科学家、工程师和从业者能够根据粗略的查看，迅速确定本申 请的技术公开的性质和实质。因此，摘要既不意图限定仅由权利要求书衡量的本发明或本 申请，也不意图以任何方式限制本发明的范围。
通过结合附图参照以下详细描述，将容易地获得且更加全面的理解本发明的公开 的实施例以及其伴随的许多优点，其中图1示出了传统的涡轮增压器；图2是图1的传统的涡轮增压器的部分2-2的放大图3示出了公开的射流排水阀的一个实施例；图4示出了公开的射流排水阀的另一个实施例；图5示出了在外部安装到涡轮增压器上的图3的射流排水阀；以及图6将图3的射流阀作为涡轮增压器的组成部分示出。
具体实施例方式所公开的实施例一般地涉及排水通道，且更特别地涉及用于涡轮增压器的射流阀 排水通道。现在参照附图，其中，相似参考标号在若干视图中始终表示相同部件或对应的部 件，将对所公开的主题的若干实施例进行描述。在图3中总体示出了根据所公开的主题的第一个实施例的射流阀40。如始终在 本文中所使用，措辞“射流阀”指的是使用流体或可压缩介质来控制另一种流体的运动。射 流学的物理基础是基于流体动力学的理论基础的气体力学和水力学。当装置没有运动部件 时，通常使用术语“射流学”，所以例如液压缸和滑阀的普通液压构件不是指射流装置，从而 在本文中始终指被动阀，即没有任何运动部件的阀。因此，在本文公开的主题的环境中的射 流阀是给定量的空气可被动地控制实质上大得多的量的空气的流动(即控制较大的量的 空气流动或不流动)的阀。根据类似的原理操作的装置的非限制性实例是射流放大器。射流阀40包括在其中形成流道43的第一空心主体42，主空心主体42具有第一端 部44和第二端部48以及排水通道48，且第一端部44与涡轮增压器10的壳体或排气集气室 34成流连通，在所示的特定实施例中，第二端部46与具有出口 50的排水通道48成流连通。 射流阀40还包括具有第一端部54和第二端部56的第二空心主体52，且第二空心主体52 的一部分部分地设置在第一空心主体42内部，以便在两个空心主体之间形成环形流道58。 第二空心主体52的第一端部54插入第一空心主体42中，以便定位成离涡轮壳体或排气集 气室24的开口距离L1,且第二端部56从第一空心主体42突出。虽然图3示出了第二端部 56从第一空心主体突出，但是普通技术人员应当理解，端部也可为齐平的，或者甚至凹陷在 配件的内部。第二空心主体52的第二端部56连接到加压气体源上，例如来自涡轮增压器 压缩机14的放气。第一空心主体42的空心部分具有大于第二空心主体52的特征尺寸D2 的特征尺寸队。另外，第二空心主体52的第一端部54设置在离排水出口 50的距离L2处 (在图3和4中，L2 = 0)。第一空心主体42和第二空心主体52中的任何一个的截面形状 都不是关键的，只要流道58形成于第一空心主体42和第二空心主体52之间以便于待排出 的水通过。因而，虽然圆形截面可以是有利的，但是诸如但不限于例如椭圆形和正方形(仅 举几个例子)的其它截面也在公开的主题的范围内。图4示出了射流阀40的另一个实施 例，其中第一空心主体42包括具有特征直径D1的第一部分和具有特征直径D3的第二部分， D1大于D3，如图所示。在运行中，当发动机停机时，通过允许积聚在排气集气室34中的任何液体流过环 形通道58且流出排水出口 50，射流阀40由涡轮增压器涡轮区域提供不受限制的排放。当 发动机运转时，流过涡轮段的正常排气流足以防止雨水积聚在排气集气室34中。另外，由 于涡轮12在发动机的运行期间旋转，即使是雨进入了排气集气室34中，也没有叶片20会 被优先浸湿。当发动机动力增大时，来自连接到射流阀40的第二空心主体52上的涡轮增 压器压缩机14的放气起流体二极管的作用，以有效地防止排气漏出排水通道48。通过第二空心主体52的放气流还具有从射流阀40的内部流道吹扫出任何碳或可能会在发动机停机 期间积聚的其它沉积物的作用。而且，在运行期间，通过排水通道48吸回的空气还将保持 出口 50和其它排水流道没有任何碎屑积聚。另外，在射流阀40的一个实施例中，粗目筛59(如图4显示)设置在排水通道48 的出口 50处，以便避免在涡轮增压器10中吸入异物。诸如弹簧的偏置部件57可设置在排 水通道48的内部，以支承刚才描述的粗目筛。如普通技术人员所理解的，射流阀40抵抗排 气背压密封的能力在发动机动力增大时提高。如刚才所阐述，射流阀40的操作是自动的和 自调节的，且不需要与任何发动机控制系统连接。借助通过外部线路或通过结合到壳体中 的通道的涡轮增压器压缩机14的少量放气来提供用以驱动射流阀40的空气。射流阀40 的几何形状大小设置成使得可以以涡轮增压器性能方面可忽略的损失来对给定的发动机 运行范围维持抵抗排气压力的有效密封。因此，如普通技术人员在考虑过本文公开的主题之后将理解的，射流阀40提供了 一种用以排出如果发动机停机一段延长的时期(在此期间发生强降雨或降雪)可积聚在发 动机涡轮增压器的涡轮段中的雨水(或融化的雪)的机构。该装置设计成没有运动部件， 而是相反，在发动机不运转时利用射流来被动地打开排水通道，以及在发动机运转时提供 自清洁且阻止泄漏。因而，通过使用射流阀40，涡轮增压器失效有望得到显著降低，因为雨 水和/或融化的雪不会在排气集气室34中大量积聚到优先浸湿其中一些叶片20。在机车 应用中，射流阀40将改善机车可用性，且通过降低失效率来改善机车服务生产力。图5和6示出了流体阀40可如何设置在涡轮增压器10上的两个示例性实施例。 在图5中，射流阀40用作通过检修口 60安装到涡轮增压器10上的外部装置或筒，射流阀 40可通过任何已知的方式连接到检修口 60上，包括但不限于例如螺纹、焊接、压配(仅举 几个例子)。检修口 60还包括将检修口 60连接到涡轮增压器10的排气集气室34上的通 道62。因而，将流体阀40设置成外部“筒”将容许以微小的修改或没有修改而对现有壳体 进行改型。在图6的实施例中，射流阀40被建造为通过铸造或任何其它已知的工艺制成的涡 轮增压器涡轮壳体的组成部分。作为涡轮增压器10的组成部分，射流阀40包括从涡轮增 压器10的外表面向排气集气室34延伸的第一孔63。与第一孔63成流连通的通道64用来 排出积聚在排气集气室34上的任何雨水或融化的雪。第一孔63到排气集气室的流连通也 可由第二孔提供，该第二孔具有小于第一孔63的直径的直径，如图4的实施例中所示。压 缩机放气的供应由喷管68提供，由插塞或内部配件70使喷管68在第一孔63的内部保持 就位，插塞或内部配件70可拧入涡轮增压器壳体中或者通过任何已知工艺紧固，包括但不 限于例如焊接、铜焊或压配(仅举出几个例子)。可应用的领域中的普通技术人员在考虑过本文公开的主题之后将理解，性能折衷 是存在的，因为射流阀40的各种结构特征会根据例如压缩放气流供应和射流阀40密封来 自排气集气室34的排气的回流的能力而变化。例如，具有较大内径的喷管和具有较小内径 的通孔将提供较好的密封，但是需要较多放气，且会限制排水从排气集气室回流。而且，喷 管相对于排水通道的轴向位置将影响性能。例如，设置在竖直排水通道的中心线后面的喷 管会增强排水流，但是会降低密封性能。设置在排水通道中心线的前面的喷管会增强密封， 但是会阻止恰当地排水，从而潜在地导致喷管的溢流。射流阀应构造成用高背压来处理涡轮增压器，即确保恰当密封，以便防止排气泄漏。就此而言，通过排水孔吸上的空气将协助 保持阀管线不阻塞，但是排水通道的出口端口可能需要筛盖，以便防止将异物吸入涡轮增 压器排气集气室中。在一个优选实施例中，通孔直径为8. 3mm(0. 370英寸)，喷管分别具有 4mm的内径和5. 5mm的外径(0. 180和0. 250英寸)，且排水通道具有8. 3mm (0. 370英寸) 的直径。喷管的末端居中定位在竖直排水通道上的士0.224mm(士0.010英寸)内，并具有 45度的斜角端。喷管可优选地向上偏移，以便提供更多的排水面积。
虽然已经在图中显示了本文描述的主题的公开的实施例，且在上文中以结合几个 示例性实施例的特性和细节全面地描述了本文描述的主题的公开的实施例，但是对本领域 普通技术人员显而易见的是，在不实质性地偏离本文阐述的新颖的教导、原理和概念以及 所附权利要求书中叙述的主题的优点的情况下，许多修改、变化和省略是可能的。因此，所 公开的创新的恰当范围应仅由所附权利要求书的最宽泛的解释确定，以便包括所有此类修 改、变化和省略。另外，任何过程或方法步骤的次序或顺序可根据备选实施例而改变或重新 排序。最后，在权利要求书中，任何装置加功能的条款均意图覆盖在本文中被描述为执行所 述功能的结构，且不仅覆盖结构等效方案，还覆盖等效结构。因此，在图3-6中图示的且在 上文中描述的射流阀40的结构特征应解释为用于去除积聚在涡轮增压器的排气集气室中 的水的机构，如所附权利要求书中所述。
权利要求
一种涡轮增压器，包括具有空气放气口的压缩机；通过轴连接到所述压缩机上的涡轮，所述涡轮设置在所述涡轮增压器的排气集气室的内部；以及与所述压缩机的所述空气放气口以及所述排气集气室成流连通以排出积聚在所述排气集气室中的水的射流排水阀，其中，所述射流排水阀构造成在没有来自所述放气口的空气流过所述射流排水阀时被动地排出积聚在所述排气集气室中的水。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述射流排水阀还包括具有与所述排气集气室成流连通的第一端部的第一空心主体；第二空心主体，其设置在所述第一空心主体的内部以便在所述第一空心主体与所述第 二空心主体之间形成流道，所述第二空心主体具有从所述第一空心主体的第二端部突出的 第一端部，所述第二空心主体的所述第一端部与所述压缩机的所述空气放气口成流连通； 以及与所述第一空心主体成流连通的排水通道，其中，所述射流排水阀构造成在没有来自 所述放气口的空气流过所述第二空心主体时，通过所述流道将来自所述排气集气室的水被 动地排入所述排水通道，且所述射流阀构造成在来自所述放气口的空气流过所述第二空心 主体时，将来自所述排气集气室的排气流密封到所述排水通道中。
3.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述第一空心主体的所述第一端 部的截面积小于所述第一空心主体的剩余部分的截面积，或者其中，所述第一空心主体的 截面积是大体上恒定的。
4.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述射流阀是所述涡轮增压器的 组成部分。
5.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述射流阀与所述涡轮增压器分 开，且所述涡轮增压器是用所述射流阀改型的涡轮增压器。
6.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮增压器还包括设置在所述射流排水阀的排水通道的出口上方的筛，所述筛构造成在来自所述空气放 气口的空气流过所述射流排水阀时，防止异物被吸入所述排气集气室中。
7.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述第二空心主体从所述第一空 心主体的中心线向上偏移，以便提高用来排水的流动面积。
8.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述第二空心主体的第二端部的 末端在所述排水通道的竖直延伸的轴向轴线上居中。
9.一种涡轮增压器，包括具有空气放气口的压缩机；通过轴连接到所述压缩机上的涡轮，所述涡轮设置在所述涡轮增压器的排气集气室的 内部；以及射流排水阀，包括包括形成流道的孔的第一主体，所述第一主体具有与所述排气集气室成流连通的第一 端部；包括形成流道的孔的第二主体，所述第二主体在第一空心主体的第二端部中设置在所述第一空心主体的内部，以便在所述第一空心主体和所述第二主体之间形成流道，所述第 二主体具有从所述第一主体的第二端部突出的第一端部，所述第二主体的所述第一端部与 所述压缩机的所述空气放气口成流连通；以及与所述第一主体的所述第二部分成流连通的排水通道，其中，所述射流排水阀构造成 在没有来自所述放气口的空气流过所述第二主体时，通过位于所述第一主体和所述第二主 体之间的所述流道将来自所述排气集气室的水被动地排入所述排水通道中，且所述射流阀 构造成在来自所述放气口的空气流过所述第二空心主体时，将来自所述排气集气室的排气 流被动地密封到所述排水通道中。
10.根据权利要求9所述的涡轮增压器，其特征在于，所述射流阀是所述涡轮增压器的 组成部分。
全文摘要
公开了一种涡轮增压器(10)，其包括压缩机(14)、由机械轴(16)连接到压缩机上的涡轮(12)以及射流排水阀(40)，射流排水阀(40)与压缩机的空气放气口和排气集气室(34)成流连通，以排出积聚在涡轮增压器(10)内部的水，使得在没有来自放气口的空气流过射流排水阀(40)时的停机期间排出积聚在排气集气室(34)中的水。
文档编号F15C1/16GK101903665SQ200880122527
公开日2010年12月1日 申请日期2008年11月18日 优先权日2007年12月20日
发明者A·H·富尔曼, K·R·斯文森, L·约翰逊, P·加列 申请人:通用电气公司