帶有可操作來將渦輪機蝸殼選擇性地構造成單蝸旋或雙蝸旋的旋轉旁通閥的渦輪增壓器的製作方法
2023-05-04 00:10:56 2
本公開涉及廢氣驅動式渦輪增壓器，特別是涉及具有用於在低的發動機速度時保持有利的廢氣脈衝影響的雙蝸旋渦輪機蝸殼的渦輪增壓器。
技術實現要素：
本公開描述了可選擇性地以單蝸旋或雙蝸旋構造構成的渦輪增壓器的實施例，並且用於在這些構造之間切換的機構被結合到用於渦輪機的環狀旁通閥中。在本文描述的一個實施例中，渦輪增壓器包括：壓氣機葉輪，其安裝在壓氣機殼體內；和渦輪機殼體，其限定沿著縱向軸線延伸的孔，並限定分段蝸殼，所述分段蝸殼包括繞縱向軸線各自佔據整個圓周的大約180度的第一和第二蝸旋，渦輪機殼體還限定彼此分開並且分別將廢氣供給到第一和第二蝸旋中的第一和第二廢氣入口。在渦輪機殼體中設置有渦輪機葉輪。渦輪機殼體限定圍繞孔並布置成允許室中的廢氣繞過渦輪機葉輪的環狀旁通通道，其中，環狀旁通通道的鄰近第一和第二蝸旋的部分由位於旁通通道內並分別設置在孔的直徑相對側上的一對分隔壁分段，分隔壁將旁通通道的該部分分成半環狀的第一和第二旁通段。每個分隔壁限定通孔，該通孔建立旁通段之間的流體連通。第一蝸旋連接至第一旁通段，以允許廢氣從第一蝸旋傳遞至第一旁通段，並且第二蝸旋連接至第二旁通段，以允許廢氣從第二蝸旋傳遞至第二旁通段。
環狀旁通閥被設置在旁通通道的環狀部分中，並且當打開時可操作，以允許廢氣繞過渦輪機葉輪，旁通閥包括固定的環狀閥座和抵靠著閥座設置並且可繞縱向軸線旋轉的環狀閥轉子。閥座限定軸向地延伸通過閥座的多個閥座孔口，並且閥轉子限定軸向地延伸通過閥轉子的多個閥轉子孔口，形成各自包括閥座孔口和對應的閥轉子孔口的多個孔口對，孔口對中的孔口布置成在閥轉子的一些旋轉位置重疊，以便產生由閥座孔口和閥轉子孔口的對準部分形成的旁通流動通道。
閥轉子包括構造並布置成在閥轉子的完全關閉的旋轉位置分別關閉分隔壁中的通孔以使第一與第二旁通段彼此隔離的一對閥構件，旁通流動通道同樣在完全關閉的位置被關閉。在該構造中，分別的廢氣流被供給至第一和第二蝸旋，並且保持成分開的，直到進入渦輪機葉輪。
閥轉子構造成使得在從完全關閉的位置移置的第一中間位置，閥構件打開分隔壁中的通孔，以便在旁通流動通道保持關閉的同時允許廢氣在第一與第二旁通段之間流動。因此，進入第一廢氣入口到第一蝸旋中的廢氣脈衝的一部分可流入關聯的第一旁通段，通過分隔壁孔進入第二旁通段並從那裡進入第二蝸旋、然後到達渦輪機葉輪。儘管到渦輪機葉輪的該輔助路徑是迂迴的並且不如從第一蝸旋到葉輪的直接路徑有效，但其仍建立了增加到渦輪機葉輪的總流動面積的輔助路徑。同樣地，進入第二蝸旋的廢氣脈衝的一部分可找到到達葉輪的輔助路徑，其經由第二旁通段到第一旁通段並通過到第一蝸旋、然後到葉輪。
在從第一中間位置進一步移置的閥轉子的完全打開的位置，分隔壁中的通孔完全打開，並且旁通流動通道完全打開。
因而，通過使閥轉子旋轉至第一中間位置，在旁通閥對旁通流動保持關閉的同時，可使渦輪機處於實際上單蝸旋的構造。當需要旁通廢氣時，閥轉子可被旋轉至完全打開的位置。
在一些實施例中，閥轉子可旋轉至在第一中間位置與完全打開的位置之間的第二中間位置。旁通流動通道在第二中間位置中部分地打開。閥可構造成限定多個中間位置，該多個中間位置具有不同程度的旁通流動通道的打開。
附圖說明
如此已概括地描述了本公開，現在將對附圖作出參考，所述附圖不一定按比例繪製，並且其中：
圖1是根據本發明的實施例的渦輪增壓器的軸向截面視圖；
圖2是部分切開以示出內部細節的、用於圖1的渦輪增壓器的渦輪機殼體組件的透視圖；
圖3是圖2的渦輪機殼體組件的分解透視圖；
圖4是用於圖2的組件的渦輪機殼體的剖視透視圖；
圖5是用於圖2的渦輪機殼體組件的旁通閥子組件的分解透視圖；
圖6a是沿著線a-a的圖1的渦輪增壓器的軸向端視圖，其中，旁通閥在完全關閉的位置；
圖6b是沿著圖1中的線b-b的截面視圖，其中，旁通閥在完全關閉的位置；
圖6c是沿著圖1中的線c-c的截面視圖，其中，旁通閥在完全關閉的位置；
圖7a是沿著線a-a的圖1的渦輪增壓器的軸向端視圖，其中，旁通閥在第一中間(部分打開的)位置；
圖7b是沿著圖1中的線b-b的截面視圖，其中，旁通閥在第一中間位置；
圖7c是沿著圖1中的線c-c的截面視圖，其中，旁通閥在第一中間位置；
圖8a是沿著線a-a的圖1的渦輪增壓器的軸向端視圖，其中，旁通閥在第二中間(進一步打開的)位置；
圖8b是沿著圖1中的線b-b的截面視圖，其中，旁通閥在第二中間位置；
圖8c是沿著圖1中的線c-c的截面視圖，其中，旁通閥在第二中間位置；
圖9a是沿著線a-a的圖1的渦輪增壓器的軸向端視圖，其中，旁通閥在完全打開的位置；
圖9b是沿著圖1中的線b-b的截面視圖，其中，旁通閥在完全打開的位置；以及
圖9c是沿著圖1中的線c-c的截面視圖，其中，旁通閥在完全打開的位置。
具體實施方式
現在將參考附圖在下文中更充分地描述本公開，附圖中示出了本發明的一些實施例但非所有實施例。實際上，這些發明可以以許多不同的形式具體化，並且不應被理解為限於本文陳述的實施例；更確切地說，提供這些實施例，使得該公開滿足適用的法律要求。貫穿全文相同的附圖標記指的是相同的元件。
在圖1中示出了本發明的實施例可被使用於其中的渦輪增壓器20。如所示，渦輪增壓器20的主要子組件包括壓氣機組件30和渦輪機組件50。壓氣機組件30包括壓氣機殼體32和安裝在壓氣機殼體32中並裝接至旋轉軸36的一端的壓氣機葉輪34。中心殼體組件包括中心殼體40，該中心殼體40附連至壓氣機殼體32並包含用於旋轉軸的軸承。渦輪機組件50包括渦輪機殼體52和安裝在渦輪機殼體52中並裝接至旋轉軸的相反端的渦輪機葉輪54。
渦輪機殼體52限定：一對分開的廢氣入口56a和56b，通過該對分開的廢氣入口接收來自內燃機的兩股分開的廢氣流；和分段蝸殼或室，其從入口56a、b接收廢氣流，並圍繞室分布氣體，用於供給到渦輪機葉輪54中。根據本發明，分段室具有彼此分開的一對大致180度的室段，這一對室段在本文中也被稱為第一和第二蝸旋58a和58b。第一和第二蝸旋58a和58b分別由分別的廢氣入口56a和56b供給廢氣。作為非限制性示例，在四缸發動機的情況中，氣缸1和3可將廢氣供給至入口56a，氣缸2和4可將廢氣供給至入口56b。因此，當氣缸1處在其循環的排氣階段並因而將廢氣脈衝供給至入口56a時，氣缸2和4不將廢氣供給至入口56b；然後，當氣缸2處在其排氣階段並因而將廢氣脈衝供給至入口56b時，氣缸1和3不將廢氣供給至入口56a；對於所有四個氣缸諸如此類。入口56a與56b及因此兩個蝸旋58a與58b隨著兩股分開的廢氣流的該交替脈動被有利地維持直到儘可能接近渦輪機葉輪入口，以保存對渦輪機效率的有益脈衝影響，尤其是在低的發動機速度及因此低的廢氣流動速率和低的廢氣流動能量時。
蝸旋58a和58b還連接至旁通蝸殼60，所述旁通蝸殼60包括限定在渦輪機殼體52中的一對大致180度的旁通段60a和60b。第一蝸旋58a僅連接至旁通段60a，第二蝸旋58b僅連接至旁通段60b。旁通段60a、b共同圍繞著限定在渦輪機殼體中的軸向孔62，並且由旁通蝸殼中彼此在直徑上對置的一對分隔壁61(最佳見於圖4)彼此分開。穿過渦輪機葉輪54的廢氣通過孔62從渦輪機殼體排出。旁通段60a、60b為廢氣提供替代路徑，以在無需首先穿過渦輪機葉輪54的情況下流動。然而，只有當以下描述的旁通閥打開時，氣體才能流經旁通段60a、b。
特別參考圖2和3，環狀旁通閥70被安裝在旁通蝸殼60的正好在兩個分開的旁通段60a、b下遊的360度環狀部分中。旁通閥可操作用於調整通過旁通蝸殼的流動。環狀旁通閥70的主要部件包括不動的閥座72和與閥座鄰接接合的旋轉式閥轉子74。閥轉子74在徑向方向上由渦輪機殼體約束，但可自由繞自己的軸線旋轉並可自由地抵靠著閥座72軸向移動。閥座72被阻止軸向、徑向或旋轉地移動。
閥座72是大體平的環形或環狀構件，其具有繞著閥座的圓周周向地間隔開的多個孔口73，孔口73在閥座的上遊面與下遊面之間大體軸向地延伸。在圖示的實施例中的孔口73繞閥座的圓周均勻間隔，但如以下進一步描述地，孔口的不均勻間隔也是可能的並且在一些情況下會是有利的。閥座72可通過多種工藝和材料中的任何工藝和材料形成。例如，可使用的工藝包括鑄造、鑄造與機械加工、和衝壓。
旋轉式閥轉子74是大體平的圈形或環形構件，其具有繞著閥座的圓周周向地間隔開的多個孔口75，孔口75在閥轉子的上遊面與下遊面之間大體軸向地延伸。在圖示的實施例中的孔口75繞閥轉子的圓周均勻間隔，並且閥轉子中的孔口75的數量和間隔與閥座中的孔口73的數量和間隔相同。然而，如以下進一步描述地，孔口75的不均勻間隔也是可能的並且在一些情況下會是有利的；此外，孔口73與75的間隔不必相同，並且在一些情況下，間隔不同會是有利的。
參考圖2，閥轉子74的旋轉通過連接至傳動軸100的旋轉式傳動臂110實現，所述傳動軸100繞自己的中心軸線（在本文中也被稱作「傳動軸線」）旋轉，該中心軸線與渦輪增壓器的旋轉軸線平行。傳動臂110是大體「l」形的，具有大體垂直於傳動軸線延伸的部分和遠端(即，遠離連接至傳動軸100的端部的端部)，該遠端限定大體平行於傳動軸線延伸的銷或杆部112。閥轉子74包括接收傳動臂110的銷部112的叉79。傳動軸100可連接至旋轉式致動器的輸出軸(未示出)，以促使傳動軸100旋轉並因此促使傳動臂110的遠端掃過一段弧，從而促使閥轉子74繞它自己的縱向軸線旋轉。因而，致動器在一個方向上的旋轉將使閥轉子在(與致動器方向相反的)第一方向上旋轉，致動器在另一方向上的旋轉將使閥轉子在第二方向上旋轉。
現在參考圖4和5，將旁通蝸殼的一部分分成兩個旁通段60a和60b的分隔壁61各自具有延伸通過分隔壁的孔62。每個分隔壁61大致位於徑向-軸向平面中(或者更確切地，平行於徑向-軸向平面)。閥轉子74包括一對閥構件76，其各自從閥轉子的在其相反於閥座72的一側上的面突出。閥構件76大致沿軸向方向從閥轉子的所述面突出，並且各自大致位於徑向-軸向平面中(或者更確切地，平行於徑向-軸向平面)。閥構件76關於閥轉子74的中心旋轉軸線彼此在直徑上對置，並定位成使得在如圖6c所示的閥轉子的一個旋轉位置，閥構件76中的一個閥構件鄰接分隔壁61中的一個分隔壁的面，以便有效地關閉孔62並防止氣體流過，並且另一閥構件76鄰接另一分隔壁61，以便有效地關閉孔62並防止氣體流過。因此，當閥轉子處在該位置時(圖6c)，通過兩個旁通段60a和60b維持兩股分開的廢氣流的隔離。如以下進一步說明地，這對於在低速和低的廢氣能量的狀況下維持有利的脈衝影響是重要的。根據本發明，通過使閥轉子74旋轉離開圖6c的位置，諸如圖7c、8c和9c所示，能打開分隔壁中的孔62以便使兩個旁通段60a和60b互連。本發明的特徵是分隔壁孔62的這樣的打開相對於旁通閥70的打開的時間安排。這在以下說明。
首先參考圖6a-6c，示出了閥轉子74定位在關閉位置的渦輪機殼體與旁通閥組件。如圖6b所指示地，不動的閥座72中的孔口73與閥轉子中的孔口75完全未對準，使得它們之間沒有重疊。因此，防止廢氣穿過旁通閥70。如圖6c所示，在該位置，閥轉子上的閥構件76被定位成關閉分隔壁孔62。因此，廢氣脈衝可交替地供給至兩個蝸旋58a和58b，並且保持兩股氣流彼此的隔離，也就是說，旁通閥70大致防止從蝸旋中的一個蝸旋到另一個蝸旋的洩漏，因為通過旁通閥孔口73、75和分隔壁孔62的這樣的洩漏的可能路徑被封閉。為了確保這樣的隔離，閥座72如圖5所示優選地包括兩道壩72d。壩72d是從閥座72的面朝著閥轉子74的相對面突出並與之形成接觸的隆起的肋。壩與分隔壁61對準，使得閥座的界定在壩之間的一個180度的段與第一蝸旋58a和旁通段60a對準，並且另一180度的段與第二蝸旋58b和旁通段60b對準。除壩72d之外，閥座優選地包括隆起的襯墊73p，該隆起的襯墊完整地圍繞每個孔口73並鄰接閥轉子的面，以便大致防止廢氣通過在閥座與閥轉子之間的間隙的洩漏。
參考圖7a-7c，示出在第二位置的旁通閥70，其中，閥轉子74被充分旋轉，以打開分隔壁孔62，以便建立兩個旁通段60a與60b之間的連通。然而，如圖7b所指示地，閥轉子孔口75仍未開始與閥座孔口73重疊。因此，旁通閥70對旁通流動保持關閉。然而，在旁通段之間的連通建立了兩個蝸旋58a與58b之間的流動路徑。因此，進入入口56a到第一蝸旋58a中的廢氣脈衝的一部分可流入關聯的旁通段60a中，通過分隔壁孔62進入另一旁通段60b並從那裡進入第二蝸旋58b、然後到達渦輪機葉輪。儘管到渦輪機葉輪的該輔助路徑是迂迴的並且不如從第一蝸旋58a到葉輪的直接路徑有效，但其仍建立了輔助路徑，該輔助路徑增加了到渦輪機葉輪的總流動面積。同樣地，進入第二蝸旋58b的廢氣脈衝的一部分可找到經由旁通段60b到另一旁通段60a並且通過到第一渦輪58a然後到葉輪的到達葉輪的輔助路徑。
圖8a-8c圖示了相對於圖7a-c的位置更進一步旋轉的閥轉子74的位置。在該進一步旋轉的位置，閥轉子孔口75已開始與閥座孔口73重疊，但未變得完全對準。因而，在旁通閥70的該部分打開的位置，一些廢氣能夠流過旁通閥70，以繞過渦輪機葉輪。
圖9a-9c圖示了旁通閥的完全打開的位置，其中，在閥轉子孔口75與閥座孔口73之間有最大的重疊。
根據本發明，當發動機速度低並且廢氣能量相應低時，可使旁通閥70處於圖6a-c的完全關閉的位置。在該位置，兩個蝸旋58a、b保持彼此隔離，並且旁通段60a、b保持彼此隔離。因此，由於將兩股廢氣流的隔離維持成直到渦輪機葉輪，所以實現對於低速操作的對渦輪級效率的有益脈衝影響。
另一方面，當發動機速度較高時，由於雙蝸旋構造不利於渦輪級效率，所以兩個蝸旋的隔離是不合需要的。根據本發明，通過將旁通閥打開至圖7a-c的位置，使得對於每股廢氣脈衝的總流動面積經由替代路徑而顯著增加，來避免或顯著緩和該不利，所述替代路徑通過建立穿過分隔壁孔62的蝸旋到蝸旋的連通而打開。渦輪機因而表現得類似於單蝸旋渦輪機。
在更高的發動機速度時，當需要渦輪機的旁通用於最大的廢氣流動速率時，旁通閥可打開至圖8a-c的部分打開的位置或圖9a-c的完全打開的位置。
具有在前述說明和相關附圖中介紹的教導的益處，在此陳述的發明所屬的領域的技術人員將想到本文所述的發明的許多變型及其它實施例。例如，在本文圖示並描述的實施例中，分隔壁中的通孔在旁通流動通道開始打開之前變得完全打開。然而，替代性地，在本發明的範圍中包括其中採用不同的蝸旋到蝸旋相對旁通打開方案的其他實施例。例如，旁通通道可在蝸旋到蝸旋的通孔完全打開之前開始打開。因此，應理解的是，本發明不限於所公開的特定的實施例，並且變型和其它的實施例意圖被包括在所附權利要求的範圍內。儘管本文採用了特定的術語，但它們僅在一般和描述的意義上使用，並且不用於限制的目的。