涡轮压缩机组件的制作方法

1.本公开涉及一种涡轮压缩机组件、一种包括这样的涡轮压缩机组件的车辆、一种用于制造这样的涡轮压缩机组件的方法。


背景技术：

2.为了减少污染物排放和降低燃料消耗，传统车辆包括涡轮增压器。通常，涡轮增压器利用内燃发动机的废气能量来压缩进气。传统的涡轮增压器包括具有废气涡轮机叶轮的涡轮机和具有压缩机叶轮的压缩机。压缩机叶轮和废气涡轮机叶轮通过实心轴彼此耦接。废气涡轮机叶轮将废气的能量转换为机械能以驱动压缩机叶轮，压缩机叶轮将进气压缩成加压气流。加压气流被供应到内燃发动机上的进气歧管以提高发动机的性能。
3.然而，在压缩机中可能发生压缩机喘振，也就是剧烈的气流振荡，这会降低压缩机的效率。此外，当要压缩的空气与压缩机叶轮的叶片分离并引起流动噪声时，接近喘振的不稳定性可能导致涡轮增压器的轴承部件上的磨损和车辆的噪声振动粗糙度(noise vibration harshness，nvh)问题。


技术实现要素：

4.因此，可能需要为涡轮增压器提供改进的涡轮压缩机，其可以抑制压缩机喘振。
5.该问题通过本公开的主题来解决。应当注意，以下描述的本公开的方面适用于涡轮压缩机组件、包括这样的涡轮压缩机组件的车辆、用于制造这样的涡轮压缩机组件的方法。
6.根据本公开，提出了一种涡轮压缩机组件。涡轮压缩机组件包括进气通道、压缩机叶轮、插入单元和致动器单元。所述进气通道配置成将空气吸到所述压缩机叶轮，并且所述压缩机叶轮配置成旋转以压缩来自所述进气通道的吸入空气。所述插入单元布置在所述进气通道与所述压缩机叶轮之间并且配置成控制到所述压缩机叶轮的气流。所述致动器单元连接到所述插入单元并且配置成使所述插入单元至少部分地沿所述进气通道运动。
7.根据本公开的涡轮压缩机组件可以通过借助于致动器单元将插入单元可变地定位在进气通道与压缩机叶轮之间来控制通过进气通道的吸入空气的速度。插入单元可以调节在压缩机叶轮处的高质量流速和低质量流速的空气速度。因此，可以减少或者甚至避免压缩机喘振，并且能够实现对压缩机叶轮的稳定空气供应。此外，这样的涡轮压缩机组件可以集成在传统的涡轮增压器中，这可以导致制造成本的节省和时间的节约。
8.涡轮增压器可包括涡轮压缩机组件和涡轮机组件。涡轮压缩机组件的压缩机叶轮可以通过连接到涡轮机组件的轴来旋转。在该轴的相对于压缩机叶轮的相反侧上，进气通道可以布置成将空气在朝向压缩机叶轮的方向上引导。换言之，通过旋转压缩机叶轮，空气可以通过进气通道被吸入压缩机叶轮。压缩机叶轮可以通过旋转将进气进一步加压到压缩机叶轮中。术语“进气”、“吸入空气”、“气流”可以理解为由于压缩机叶轮的旋转而被吸入进气通道中的环境空气。
9.插入单元可以面向压缩机叶轮并且至少部分地在进气通道中延伸。致动器单元可以固定地安装在插入单元处以允许插入单元在进气通道和压缩机叶轮之间运动。致动器单元可包括电致动器。致动器可以允许插入单元接近压缩机叶轮和/或从压缩机叶轮退回。因此，插入单元可以调节通过进气通道吸入的空气的速度，并控制相对于压缩机叶轮处的质量流速的气流特性，例如层压、湍流、回流、喘振或类似特性。
10.在一个示例中，涡轮压缩机组件还包括在压缩机叶轮与进气通道之间的过渡元件，其中插入单元能够沿着过渡元件的内表面运动。过渡元件可以连接压缩机叶轮与进气通道。过渡元件可以是进气通道的一部分或附加地安装在压缩机叶轮与进气通道之间。插入单元可以邻近过渡元件的内表面布置并且可以当在压缩机叶轮与进气通道之间运动时由过渡元件的内表面引导。
11.在一个示例中，过渡元件包括第一端部和第二端部，第一端部面向压缩机叶轮并且第二端部面向进气通道。第一端部的内直径小于过渡元件的第二端部的内直径。
12.换言之，过渡元件可以形成为圆锥形状，其中过渡元件的内直径可以在压缩机叶轮的方向逐渐减小或在进气通道的方向逐渐增大。因此，如果插入单元沿过渡元件的内表面运动，则插入单元的面向压缩机叶轮的出气口的尺寸可以沿着过渡元件的内直径变化。这可能影响从插入单元和/或进气通道引导至压缩机叶轮的进气的速度。
13.涡轮增压器的工作范围可具有两个限制-对于高质量流速的阻塞范围(choke range)和对于低质量流速的压缩机喘振范围。压缩机喘振可能导致涡轮增压器中的不稳定性，在压缩机叶轮进气口处出现逆流。由于这些不稳定性造成的机械损坏，深度喘振甚至可能是危险的。例如，当压缩机叶轮的质量流速高于进气速度时，尤其是在低质量流速处，可能发生压缩机喘振。通过改变插入单元的面向压缩机叶轮的出气口的直径，可以调节进气的速度。因此，可以抑制压缩机喘振的形成。
14.特别地，在压缩机叶轮的低质量流速处，插入单元可以直接定位在压缩机叶轮的前面或在过渡元件的第一端部处，在该处，插入单元的面向压缩机叶轮的出气口的直径减小了。因此，吸入到压缩机叶轮中的空气的速度可以增加，即适应压缩机叶轮的低质量流速。相反地，在压缩机叶轮处的高空气质量流速处，插入单元的面向压缩机叶轮的出气口可以远离压缩机叶轮地定位或定位在过渡元件的第二端部处。因此，插入单元的面向压缩机叶轮的出气口的直径可以增加，并且引导到压缩机叶轮的空气的速度可以降低和/或适应压缩机叶轮的高质量流速。因此，可以根据压缩机叶轮处的空气的质量流速来调节通过进气通道到达压缩机叶轮的吸入空气的速度，并且可以避免压缩机喘振的形成。
15.可选地，过渡元件的面向压缩机叶轮的第一端部可以大于过渡元件的面向进气通道的第二端部。
16.在一个示例中，致动器单元包括线性致动器，线性致动器配置成使插入单元平行于压缩机叶轮的旋转轴线线性地运动。换言之，致动器单元可以在压缩机叶轮的旋转轴线的延伸线上或平行于压缩机叶轮的旋转轴线安装在插入单元处。因而，致动器单元可以使插入单元沿着压缩机叶轮的旋转轴线线性地移动。因此，插入单元可以相对于压缩机叶轮线性地接近压缩机叶轮或从压缩机叶轮退回。插入单元的至少一部分可以在进气通道包括螺旋形状的情况下延伸到进气通道之外。致动器单元可以借助于金属衬套与插入单元耦接，并且致动器单元可以被气密地密封，使得进气通道内部的气流可以不会泄漏。
17.可选地，致动器单元可包括配置成使插入单元在进气通道的径向方向上运动的旋转致动器。在螺旋形进气通道的情况下，插入单元可以借助于旋转致动器沿着进气通道被引导。具有旋转致动器的致动器单元还可包括固定地连接到插入单元的旋转致动器臂，其具有沿着进气通道的可旋转运动。
18.在一个示例中，插入单元包括面向压缩机叶轮的引导装置(guiding means)。引导装置配置成引起压缩机叶轮前面的气流的预旋。引导装置可以布置在过渡元件中处于过渡元件的第一端部与第二端部之间。优选地，引导装置可以布置在插入单元的出气口处。术语“预旋”可以理解为在进气进入压缩机叶轮之前由在压缩机叶轮的径向方向上预转动而增强的气流。因此，引导装置可以支撑插入单元以防止形成压缩机喘振。
19.在一个示例中，引导装置包括围绕压缩机叶轮的旋转轴线布置并且基本平行于压缩机叶轮的旋转轴线的若干翼片(tab)元件。每个翼片元件可以形成为薄片或叶片，其中它们的表面可以是弯曲的。多个翼片元件可以布置成基本平行于插入元件和/或进气通道的圆柱形状。术语“基本平行”可以理解为每个翼片元件可以平行于压缩机叶轮的旋转轴线或在压缩机叶轮的旋转轴线的方向上稍微倾斜地对齐。因此，引导装置可以配置成相对于在过渡元件的第一端部和第二端部之间面向压缩机叶轮的出气口的位置改变其直径。
20.在一个示例中，翼片元件在压缩机叶轮的旋转方向上倾斜地布置。因此，从沿压缩机叶轮的旋转轴线延伸的翼片元件可以以螺旋形式布置，以在压缩机叶轮的径向方向从进气通道引导吸入空气。因此，可以稳定进入压缩机叶轮的气流并且可以降低或消除压缩机喘振的风险。
21.在一个示例中，每个翼片元件包括关于引导装置向内突出的脊或翅片形状。每个翼片元件可包括基本平行于压缩机叶轮的旋转轴线或在翼片元件的纵向方向上延伸的边缘部分。另外，边缘部分也可以布置在压缩机叶轮的旋转方向上。每个边缘部分可包括关于引导装置向内突出的脊或翅片形状。这样的翼片元件确保产生可靠的预旋并防止形成压缩机喘振。
22.可选地，翼片元件的边缘部分还可包括在翼片元件的纵向方向上延伸的沟槽。也可能只有一些翼片元件包括脊或翅片形状和/或其它翼片元件包括沟槽。
23.在一个示例中，如果引导装置邻近过渡元件的第一端部定位，则翼片元件布置在闭合位置(closed position)。在压缩机叶轮的低质量流速处，插入单元的引导装置可以布置在过渡元件的第一端部处。由于过渡元件可包括圆锥形状，插入单元，特别是沿着过渡元件的内表面布置的引导装置，可以配置成对应于过渡元件的直径改变其直径。因此，如果引导装置定位在过渡元件的可具有过渡元件最小直径的第一端部处，则翼片元件可以被调节使得它也可以布置成具有最小直径。为了提供引导装置的最小直径，可以闭合翼片元件之间的间隙和/或可以将翼片元件彼此叠加。
24.在一个示例中，翼片元件配置成随着插入单元从过渡元件的第一端部到第二端部的运动而逐渐打开。由于过渡元件的圆锥形状，引导装置可以相对于插入单元沿着过渡元件的内表面的运动而膨胀。因此，翼片元件可以逐渐打开间隙以增加引导装置的直径。
25.在一个示例中，插入单元包括至少一个铰链元件。铰链元件连接到布置在进气通道的内壁处的弹簧元件。弹簧元件配置成将铰链元件关于进气通道向内按压。
26.铰链元件可以配置成将翼片元件接合在一起就位，即使翼片元件的面向压缩机叶
轮的相反侧可以随着插入单元的运动而打开或闭合。铰链元件可以进一步配置成随着插入单元在压缩机叶轮与进气通道之间的运动而调节翼片元件的打开比。
27.铰链元件可包括第一铰链部分和第二铰链部分。第一铰链部分可以围绕翼片元件并且第二铰链部分可以邻近进气通道的内壁布置。第一铰链部分和第二铰链部分可以借助于卡扣配合彼此耦接。在第一铰链部分和第二铰链部分的接合位置处，翼片元件可以被固定地保持。因此，翼片元件可以不直接地接触进气通道的内壁，否则会损坏翼片元件。
28.布置在进气通道的内壁处的弹簧元件可以挤压铰链元件。优选地，第二铰链部分可以在插入单元从过渡元件的第一端部运动到第二端部时关于进气通道向内按压，这将导致第一铰链部分膨胀。因此，在过渡单元的第一端位置处被第一铰链部分偏压的翼片元件可以随着插入单元远离压缩机叶轮地退回而逐渐打开，这可以在压缩机叶轮的高质量流速处有效地引起预旋。
29.附加地或替代地，翼片元件处于闭合位置时的插入单元可具有比过渡元件的第一端部更大的直径，使得翼片元件连续地按压过渡元件的内表面。换言之，翼片元件可以抵靠过渡元件的内表面预加载。随着插入单元从过渡元件的第一端部运动到第二端部，翼片元件可以逐渐打开。
30.在一个示例中，进气通道包括位于内壁处的至少一个阻挡元件。阻挡元件配置成限制插入单元在进气通道内部的运动。阻挡元件可以布置在进气通道的径向方向上。插入单元可包括至少部分地围绕插入单元的外表面布置的闩锁元件。随着插入单元远离压缩机叶轮地运动，插入单元的闩锁元件可以接近并接合进气通道的阻挡元件，这可以阻止插入单元在压缩机叶轮的相反方向上的进一步运动。可选地，插入单元的铰链元件可以与阻挡元件接合以限制插入单元在进气通道内部的运动。
31.在一个示例中，插入单元包括沿着面向压缩机叶轮的周向边缘的再循环装置。再循环装置可以布置在插入单元的面向压缩机叶轮的外边缘处。再循环装置可以配置成防止加压空气从压缩机叶轮回流。压缩机叶轮上的高压比可能导致压缩机叶轮与布置在压缩机叶轮后面的扩散器(diffusor)之间的间隙中的回流。回流可以在压缩机叶轮前面引起阻挡层流的漩涡(vortex)。通过设置再循环装置，可以减少湍流，特别是在低质量流速时引起的湍流，并允许对压缩机喘振更高的阻力。再循环装置可以形成为在插入单元的外边缘的周向上的沟槽。可选地，插入单元的面向压缩机叶轮的周向边缘可以相对于压缩机叶轮的旋转轴线向外或向内倾斜，以避免加压空气的回流。
32.根据本公开，提出了一种车辆。车辆包括如上所述的涡轮压缩机组件。在这样的车辆中，可以减少甚至避免压缩机喘振，并且能够实现通过压缩机叶轮的稳定进气。因此，可以提高涡轮增压器的效率，从而改进车辆。
33.根据本公开，提出了一种用于制造涡轮压缩机组件的方法。该方法包括，不一定按此顺序：
[0034]-将插入单元布置在进气通道与压缩机叶轮之间，以及
[0035]-将致动器单元连接到插入单元。
[0036]
进气通道配置成将空气吸到压缩机叶轮。压缩机叶轮配置成旋转以压缩吸入的空气。插入单元配置成控制到压缩机叶轮的气流，并且致动器单元配置成使插入单元至少部分地沿着进气通道运动。
[0037]
应当注意，上述实施例可以彼此组合，而与所涉及的方面无关。因此，该方法可以与结构特征相结合，同样，该系统可以与上述关于该方法的特征相结合。
[0038]
本发明实施例的这些和其他方面将依据下文描述的实施例变得明显并且参考下文中描述的实施例来阐明。
附图说明
[0039]
下面将参照附图描述示例性实施例。
[0040]
图1示意性且示例性地示出了根据本公开的涡轮压缩机组件的一个实施例。
[0041]
图2示意性且示例性地示出了根据本公开的涡轮压缩机组件的一个实施例。
[0042]
图3a、图3b示意性且示例性地示出了根据本公开的涡轮压缩机组件的一个实施例。
[0043]
图4a、图4b示意性且示例性地示出了根据本公开的引导装置组件的一个实施例。
[0044]
图5a、图5b、图5c示意性且示例性地示出了根据本公开的引导装置组件的一个实施例。
[0045]
图6示意性且示例性地示出了根据本公开的涡轮压缩机组件的一个实施例。
[0046]
图7a、图7b、图7c示意性且示例性地示出了根据本公开的涡轮压缩机组件的一个实施例。
具体实施方式
[0047]
图1和图2示出了用于车辆(未示出)中的涡轮增压器(未示出)的涡轮压缩机组件100。涡轮增压器包括涡轮压缩机组件100和涡轮机组件(未示出)。涡轮压缩机组件(turbo compressor assembly)100包括进气通道10、压缩机叶轮20、插入单元30和致动器单元40。压缩机叶轮20通过连接到涡轮机组件(turbine assembly)的轴21可旋转。进气通道10布置在轴21的相对于压缩机叶轮20的相反侧上。进气通道10配置成将空气吸到压缩机叶轮20，并且压缩机叶轮20配置成旋转以压缩来自进气通道10的进入空气。进气通道10可以螺旋形地形成。
[0048]
涡轮压缩机组件100还包括位于压缩机叶轮20与进气通道10之间的过渡元件50。过渡元件50包括第一端部51和第二端部52(也参见图4a、图4b)。第一端部51面向压缩机叶轮20，并且第二端部52面向进气通道10。过渡元件50具有圆锥形状，使得过渡元件50的第一端部51的内直径小于过渡元件50的第二端部52的内直径。插入单元30在一侧面向压缩机叶轮20并且在另一侧至少部分地在进气通道10中延伸。插入单元30沿着过渡元件50的内表面53可移动。
[0049]
致动器单元40固定地连接到插入单元30并且允许插入单元30在过渡元件50之间并且至少部分地沿着进气通道10运动。致动器单元40包括线性致动器41，线性致动器41配置成使插入单元30平行于压缩机叶轮20的旋转轴线运动。换句话说，插入单元30可以定位在过渡元件50的第一端部51处(见图1)或通过致动器单元40远离压缩机叶轮20线性地退回(见图2)。致动器单元40借助于金属衬套43与插入单元30耦接，并且被气密地密封，使得在进气通道10内部流动的空气可以不被泄露。
[0050]
可选地，致动器单元40包括旋转致动器42，旋转致动器42配置成使插入单元30在
进气通道10的径向方向上运动。由于进气通道10包括螺旋形状，因此插入单元30可以借助于旋转致动器42沿着进气通道10被引导。具有旋转致动器42的致动器单元40还可包括固定地连接到插入单元30的旋转致动器臂44，其具有沿着进气通道10的可旋转运动(见图3a、图3b)。
[0051]
进气通道10在其内壁12处包括至少一个阻挡元件11。阻挡元件11配置成限制插入单元30的运动。阻挡元件11配置成限制插入单元30的运动。阻挡元件11布置在进气通道10的径向方向上。插入单元30包括至少部分地围绕插入单元30的外表面布置的闩锁元件。随着插入单元30远离压缩机叶轮20地运动，插入单元30的闩锁元件可以与进气通道10的阻挡元件11接合，这可以阻止插入单元30在压缩机叶轮20的相反方向上的进一步运动。
[0052]
插入单元30包括面向压缩机叶轮20的引导装置31。换言之，引导装置31布置在过渡元件50中处于过渡元件50的第一端部51与第二端部52之间。引导装置31配置成在吸入空气被输送到压缩机叶轮20中之前在压缩机叶轮20的前面提供预旋(pre-swirl)。
[0053]
引导装置31包括围绕压缩机叶轮20的旋转轴线布置且基本平行于压缩机叶轮20的旋转轴线的若干翼片元件32。每个翼片元件32可以形成为薄片或叶片，其中它们的表面可以是弯曲的。多个翼片元件32以基本平行于插入元件30和/或进气通道10的圆柱形状布置。引导装置31可以相对于面向压缩机叶轮20的出气口33在过渡元件50的第一端部51和第二端部52之间的位置改变其直径(见图4a、图4b)。
[0054]
翼片元件32在压缩机叶轮20的旋转方向上倾斜地布置。优选地，翼片元件32的倾斜方向对应压缩机叶轮20的旋转方向以向压缩机叶轮20提供稳定的气流。每个翼片元件32包括关于引导装置31向内突出的脊或翅片形状(见图5a、图5b和图5c)。翼片元件32的这样的边缘结构增强了诱导预旋。
[0055]
如果引导装置31邻近过渡元件50的第一端部51定位(见图4a)，则翼片元件32布置在闭合位置。翼片元件32配置成随着插入单元30从过渡元件50的第一端部51到第二端部52的运动而逐渐打开(见图4b)。
[0056]
在压缩机叶轮20的低质量流速(low mass flow rate)时，引导装置31布置在过渡元件50的第一端部51处，如图4a所示。由于过渡元件50是圆锥形地成形，因此插入单元30位于过渡元件50的第一端部51处，第一端部51具有过渡元件50的最小直径，翼片元件32闭合和/或彼此重叠以减小引导装置31的直径。此外，随着压缩机叶轮20的质量流速增加，翼片元件32随着插入单元30在进气通道10的方向上的运动而膨胀。随后，引导装置31在打开位置的直径可以比在闭合位置的直径更大。
[0057]
在翼片元件32的闭合位置中，吸入压缩机叶轮20的空气的速度可以增加，即适应压缩机叶轮20的低质量流速。相反，在翼片元件32的打开位置中，吸入压缩机叶轮20的空气的速度可以降低。因此，通过进气通道10到达压缩机叶轮20的空气的速度可以根据压缩机叶轮20处的空气的质量流速来调节，并且可以避免压缩机喘振。
[0058]
如图6所示，插入单元30包括至少一个铰链元件35。铰链元件35连接到布置在进气通道10的内壁处的弹簧元件13。弹簧元件13配置成关于进气通道10向内按压铰链元件35。铰链元件35配置成将翼片元件32接合在一起就位，即使翼片元件32的面向压缩机叶轮20的相反侧可以随着插入单元30的运动而打开或闭合。铰链元件35还配置成随着插入单元30在压缩机叶轮20与进气通道10之间的运动而调节翼片元件32的打开比。
[0059]
铰链元件35包括第一铰链部分36和第二铰链部分37。第一铰链部分36围绕翼片元件32并且第一铰链部分37邻近进气通道10的内壁布置。第一铰链部分36和第二铰链部分37通过卡扣配合耦接。在第一铰链部分36和第二铰链部分37的接合位置处，可以固定地保持翼片元件32。因此，翼片元件32可以不直接地接触进气通道10的内壁，否则会损坏翼片元件32的接合部分。
[0060]
布置在进气通道10的内壁处的弹簧元件13在插入单元30从过渡元件50的第一端部51运动到第二端部52时关于进气通道10向内地按压铰链元件35，优选第一铰链部分37。因此，在过渡单元的第一端位置处被第一铰链部分36偏压的翼片元件32可以随着插入单元30远离压缩机叶片20退回而逐渐打开，这可以在压缩机叶轮20的高质量流速时有效地引起预旋。
[0061]
附加地或替代地，插入单元30具有比过渡元件50的第一端部51更大的直径，使得翼片元件在闭合位置中连续地挤压过渡元件50的内表面。换言之，翼片元件32可以抵靠过渡元件50的内表面预加载。随着插入单元30从过渡元件50的第一端部51运动到第二端部52，翼片元件32可以逐渐打开。图7a示出了在压缩机叶轮20的高质量流速处的铰链元件35布置，图7b示出了在压缩机叶轮20的峰值效率处的铰链元件35布置，并且图7c示出了在压缩机叶轮20的低质量流速处的铰链元件35布置。
[0062]
插入单元30还包括沿着面向压缩机叶轮20的周向边缘的再循环装置34(见图5)。再循环装置34布置在插入单元30的面向压缩机叶轮20的外边缘处。再循环装置34配置成抑制加压空气从压缩机叶轮20回流。再循环装置34形成为在插入单元30的外边缘的周向上的沟槽。可选地，插入单元30的面向压缩机叶轮20的周向边缘可以相对于压缩机叶轮20的旋转轴线向外或向内倾斜以避免加压空气的回流。
[0063]
必须注意，本公开的实施例是参照不同的主题来描述的。特别地，一些实施例是参考方法类型权利要求描述的，而其它实施例是参考设备类型权利要求描述的。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中得知，除非另有说明，除了属于一种主题的特征的任何组合之外，还认为与不同主题相关的特征之间的任何组合与本技术一起披露。但是，所有特征都可以组合起来，提供不仅仅是特征的简单总和的协同效应。
[0064]
虽然已经在附图和描述中图示和详细说明了本公开，但是这样的图示和说明应被认为是例示性的或示例性的而不是限制性的。本公开不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和从属权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的公开内容时可以理解和实现公开的实施例的其他变化。
[0065]
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，不定词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中叙述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述了某些措施这一事实并不表明这些措施的组合不能有利地被使用。权利要求中的任何附图标记不应解释为限制范围。