带有滑动活塞且具有叶片和泄漏堤坝的涡轮增压器

摘要

本发明公开了一种带有滑动活塞且具有叶片和泄漏堤坝的涡轮增压器，该滑动活塞调节进入涡轮机叶轮的废气流量。该涡轮增压器包括安装在涡轮机喷嘴的第一固定壁上并且沿轴向伸向喷嘴的对立第二壁的一组第一叶片，和/或安装在活塞的端部上并且沿相反的轴向伸向喷嘴的第一壁的一组第二叶片。对于该/每组叶片，具有形成在壁上的泄漏堤坝，当活塞关闭时泄漏堤坝与叶片末端相邻。泄漏堤坝紧密地相邻叶片末端，当活塞刚开始从其完全关闭位置打开时阻止废气沿大体径向通过叶片末端泄漏。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在涡轮机喷嘴中具有用于调节流入涡轮机的废气的滑动活塞的涡轮增压器。

背景技术

废气驱动的涡轮增压器是一种用于与内燃机协作装置，用于通过压缩空气增加发动机的功率输出，该空气被传递至发动机进气口与燃料混合并且在发动机中燃烧。涡轮增压器包括安装在压气机壳体中的轴的一端上的压气机叶轮和安装在涡轮机壳体中的轴的另一端上的涡轮机叶轮。通常，涡轮机壳体与压气机壳体分开形成，并且在涡轮机壳体与压气机壳体之间连接有用于容纳轴的轴承的中间壳体。涡轮机壳体限定了通常为环形的腔室，该腔室环绕涡轮机叶轮并且接收来自发动机的废气。涡轮机组件包括从腔室通到涡轮机叶轮中的喷嘴。废气自腔室通过喷嘴流至涡轮机叶轮，涡轮机叶轮由该废气驱动。涡轮机因此从废气中提取能量并且驱动压气机。压气机通过压气机壳体的进口接收环境空气，该空气由压气机叶轮压缩然后从壳体排至发动机进气口。

用涡轮增压器提高发动机性能的挑战之一是在发动机的整个工作范围内获得所需的发动机功率输出量。已经发现该目标用固定几何尺寸涡轮增压器通常不易实现，因此开发了可变几何尺寸涡轮增压器，目标是对由涡轮增压器提供的增压量提供较大程度控制。一种类型的可变几何尺寸涡轮增压器在涡轮机喷嘴中使用了滑动活塞。活塞可滑动地安装在涡轮机壳体中并且连接到使活塞沿轴向往复移动的机构上。改变活塞的位置具有改变通过涡轮机喷嘴的有效流动面积的效果，并且因此可以通过控制活塞位置来调节流向涡轮机叶轮的废气流量。用这样的方式，可以调节涡轮机的功率输出，这样与固定几何尺寸涡轮增压器通常可能的程度相比可以更大程度地控制发动机功率输出。

滑动活塞机构通常还包括叶片，这些叶片或者连接到活塞的端部上或者连接到涡轮机喷嘴的固定壁上。当活塞完全关闭时，在活塞的端部与喷嘴的固定壁之间仍然存在开口，并且叶片通常延伸横过整个开口。然而，当活塞开始打开时，在一些这样的活塞机构中开始出现无叶片间隙，该间隙或者在活塞的端部与叶片的端部之间(当叶片被安装到固定喷嘴壁上时)或者在叶片的端部与喷嘴壁之间(当叶片安装在活塞上时)。这是不希望的，因为在间隙开始形成的时候，围绕叶片端部和通过无叶片间隙的废气流的空气动力性比较差，这对涡轮机效率产生不利的影响。在活塞最初打开动作期间，在活塞位置较小变化的情况下进入涡轮机的流动速率还趋向于相当突然地变化，这使得在该过渡期间很难精确地控制涡轮机。

为了尽力克服这样的缺点，已经提出了加入是位于活塞端部中或位于喷嘴壁中的槽，用于供叶片伸入。用这样的方式，叶片可以被做的足够长使得即使当活塞完全打开时，叶片能够延伸横过整个喷嘴口。然而，这样具有其自身的不利因素。因为流过喷嘴的废气非常热，活塞、叶片和喷嘴壁都会随着气体温度变化而受到由热膨胀和收缩引起的尺寸变化。因此，为了防止叶片在整个工作条件下被束缚在槽中，需要提供大的公差。因此，在叶片与接收叶片的槽的边缘之间存在相当大的间隙，并且废气可以通过这些间隙泄漏。这样不仅使叶片的作用部分地失效，而且当这些槽是在固定喷嘴壁中时，它们可以允许高温废气移动至中间壳体中，在该位置中气体可以加热轴承，这是非常不希望的。

发明内容

本发明涉及一种具有滑动活塞的涡轮增压器，其大大地克服了上述现有涡轮增压器的缺点。根据本发明的一个方面，涡轮增压器包括安装在涡轮机喷嘴的第一固定壁上并且沿轴向伸向喷嘴的对立第二壁的一组第一叶片，和安装在活塞的端部上并且沿相反的轴向伸向喷嘴的第一壁的一组第二叶片。这两组叶片沿圆周方向相互交错，并且在活塞的关闭和部分打开位置中彼此重叠。涡轮增压器还包括用于每个第一叶片的一对第一泄漏堤坝，其形成为从活塞端部沿基本朝着第一壁的方向伸出的凸起，并且具有充分小于第一叶片的轴向长度，每对第一泄漏堤坝布置为当活塞完全关闭时相应的第一叶片的末端在这两个第一泄漏堤坝之间。此外，存在用于每个第二叶片的一对第二泄漏堤坝，其形成为从第一壁沿基本上朝着第二壁的方向伸出的凸起，并且具有充分小于第二叶片的轴向长度，每对第二泄漏堤坝布置为当活塞完全关闭时相应的第二叶片的末端在这两个第二泄漏堤坝之间。

当活塞刚开始从其完全关闭位置打开时，泄漏堤坝阻止废气以大体径向的方向泄漏通过相邻的叶片末端。当活塞打开时，泄漏堤坝起“小型叶片”的作用并且对流过喷嘴的废气进行一些流动角度导向。

在一个实施例中，第一和第二泄漏堤坝分别包括基本上平行于通过第一和第二叶片的流动方向延伸的细长肋。这些肋的厚度充分小于第一和第二叶片的厚度。

在一个实施例中，每对第一泄漏堤坝沿圆周方向约处在两个第二叶片的中间，并且每对第二泄漏堤坝沿圆周方向约处在两个第一叶片的中间。

根据一个实施例，第一叶片具有从每个第一叶片的前缘至后缘的长度，并且第一泄漏堤坝具有从每个第一泄漏堤坝的前缘至后缘的长度，第一泄漏堤坝的长度约为第一叶片长度的约50％至约95％。

类似地，第二叶片具有从每个第二叶片的前缘至后缘的长度，并且第二泄漏堤坝具有从每个第二泄漏堤坝的前缘至后缘的长度，第二泄漏堤坝的长度约为第二叶片长度的约50％至约95％。

泄漏堤坝在轴向长度上充分短于叶片。例如，第一泄漏堤坝的轴向长度可以约为第一叶片的轴向长度的约5％至20％，并且第二泄漏堤坝的轴向长度类似地同样可以约为第二叶片的轴向长度的约5％至20％。

在本发明的另一方面中，泄漏堤坝可以在仅具有一组叶片的涡轮增压器中使用。例如，在一个实施例中，涡轮增压器可以在第一壁上具有叶片并且在活塞的端部上具有泄漏堤坝。可替换地，叶片可以在活塞的端部上并且泄漏堤坝可以在第一壁上。

还在本发明的范围内的是，每个叶片具有单个的泄漏堤坝，而不是每个叶片有一对泄漏堤坝。在这种情况下，每个泄漏堤坝可以定位成邻近相关叶片的凸面或者邻近该叶片的凹面。从泄漏堤坝至在泄漏堤坝一侧上的相关叶片的圆周距离充分小于至在该泄漏堤坝另一侧上的叶片的圆周距离。

附图说明

已经大体上描述了本发明，现在将参考附图作出说明，这些附图并不需要按比例绘制，并且其中：

图1是根据本发明的一个实施例的涡轮增压器的横截面视图，其中活塞在关闭位置；

图2是类似于图1的视图，示出了活塞在部分打开的位置；

图2A是类似于图2的视图，示出了活塞在完全地打开的位置；

图3是用于根据本发明的一个实施例的涡轮增压器的活塞组件的透视图；

图4是根据本发明的一个实施例的热屏障的透视图；

图5是示出了根据本发明的一个实施例的活塞与热屏障之间的协作的透视图；以及

图6示出了根据本发明的一个实施例的叶片与连接的泄漏堤坝之间的协作。

具体实施方式

现在参照附图在下文中将更加完整地描述本发明，其中示出了本发明一些而不是全部的实施例。实际上，这些发明可以以许多不同的形式实施并且不应当被认为是仅限于在本文描述的实施例；相反地，提供这些实施例是使得本发明将满足法律要求的实用性。全文中相同的数字表示相同的元件。

图1至图5示出了根据本发明的一个实施例的涡轮增压器20。涡轮增压器包括中间壳体22，该中间壳体22容纳用于涡轮增压器的旋转轴26的轴承24。压气机壳体(未示出)与中间壳体的一侧连接。压气机叶轮30安装在轴26的一个端部上并且布置在压气机壳体中。尽管未示出，应当理解压气机壳体限定了进口以及扩散器，空气通过该进口被吸入到用于压缩空气的压气机叶轮30中，压缩空气通过该扩散器从压气机叶轮排到围绕压气机叶轮的蜗壳中。空气从蜗壳传递到内燃机的进气口(未示出)。涡轮增压器还包括连接到中间壳体22的另一相反侧上的涡轮机壳体38。涡轮机叶轮40安装在轴26的与压气机叶轮相反的一个端部上并且布置在涡轮机壳体中。涡轮机壳体限定了腔室42，该腔室42围绕涡轮机叶轮40并且接收来自内燃机的废气。废气被从腔室42通过喷嘴43(图2)导入到涡轮机叶轮40中，该涡轮机叶轮使得废气膨胀并且由此被驱动，从而驱动压气机叶轮。

喷嘴环或热屏障32布置在中间壳体22与涡轮机壳体38之间。该热屏障构成了涡轮机喷嘴43的第一壁；该喷嘴的相反的第二壁45由涡轮机壳体38形成。热屏障32支承一组沿圆周间隔开的第一叶片34，该第一叶片43沿轴向从热屏障开始朝着第二壁45部分地横跨喷嘴43的轴向范围延伸。

涡轮机壳体38限定了基本上为圆柱形的孔44，该孔44的直径大体对应于腔室42的径向最内侧的范围。涡轮机叶轮40位于孔44的上游端并且涡轮机叶轮的转动轴线基本上与该孔同轴。本文中术语“上游”参考的是废气流过孔44的方向，正如腔室42中的废气流入涡轮机叶轮40，然后转向为大体沿轴向(图1中从左至右)通过孔44流到其下游端。

在一个实施例中，涡轮机叶轮可以是“大小叶片式(splittered”涡轮机叶轮(未示出)，其中全长叶片与半长叶片交错布置。在2004年9月2日公开的、Lombard等的名为“Turbine Having Variable Throat”的PCT申请WO2004/074642A1中描述了这样的大小叶片式涡轮机叶轮的例子，其全部内容在此结合作为参考。全长叶片在轴向方向上的长度比半长叶片大。更具体地，全长叶片定位为当活塞在如图2A所示的完全打开位置时它们基本上横跨喷嘴43的整个轴向范围。半长叶片定位为至少在活塞如图1所示那样被关闭时它们横跨喷嘴的轴向范围。因此，当活塞关闭时，流过喷嘴的所有废气会既遇到全长涡轮机叶片又遇到半长涡轮机叶片。当活塞完全打开时，一些废气遇到这两组叶片，但其余废气仅遇到全长叶片(即，全长叶片在半长叶片的后缘的下游延伸的部分)。

涡轮增压器包括位于涡轮机壳体的孔44中的滑动活塞组件50。活塞组件包括管状的支座52，该支座52的外径比涡轮机壳体孔44的直径稍小，使得支座52可以从孔44的下游端沿轴向滑动至孔44中(即，在图1中从右至左滑动)。孔44包括面向下游的径向向内的台阶，支座包括邻接该台阶的径向向外突出的凸缘或凸起。固定夹或环56卡入到孔44的位于支座52后方的内表面中的凹槽中，从而将支座保持在涡轮机壳体中。因此，通过台阶和固定环56防止了支座在孔44中沿轴向移动。还有利地包括防转动特征部(未示出)，从而防止支座围绕其轴线转动。例如，该防转动特征部可以包括位于支座与涡轮机壳体之间的键(keyed)或花键(spline)布置。

活塞组件50还包括管状形式的活塞62。活塞同轴地布置在支座52的中心孔内并且能够沿轴向相对于支座滑动。活塞可在图1所示的关闭位置、图2A所示的完全打开位置、以及图2所示的各种部分打开位置之间沿轴向滑动，其中：在关闭位置中，活塞的端部邻接第一叶片34的自由端或与其紧邻；在完全打开位置中，活塞的端部与该叶片的自由端间隔开相对较大的距离；在部分打开位置中，活塞与该叶片间隔较小的距离。活塞包括防转动装置(例如，键或花键，未示出)，该防转动装置在允许活塞沿轴向平移的同时基本防止了活塞围绕其轴线转动。活塞包括管状部分64，该管状部分64的外径比支座52的内径稍小，使得该管状部分可以从支座的上游端沿轴向滑动至支座中(即，在图1中从左至右滑动)。活塞还包括从管状部分64的上游端向外伸出的径向向外延伸的凸缘部分66。

支座52可以具有在支座的长度上延伸的轴向切口(未示出)。该切口使得支座直径可以响应于热效应或其它原因而扩大和缩小。支座的内径有利地稍稍大于活塞62的外径，这样在支座与活塞之间存在非常小的间隙。因此，通过间隙的泄漏流被最小化。由于支座直径可以扩大和缩小，因此不需要为了便于装配或为了在工作期间适应尺寸的变化而使得该间隙很大。该支座能够扩大也意味着避免了对活塞的束缚过紧。

支座52包括穿过支座侧壁的多个轴向细长孔60。涡轮增压器还包括活塞致动连杆，其包括叉状摆动臂70。摆动臂具有一对臂72，这一对臂72的远侧端延伸通过其中两个孔60并且在活塞的沿直径对置的位置处与活塞62接合。摆动臂布置为邻近支座的外表面并且位于孔44的具有增大直径的一部分中。摆动臂能够围绕横向轴线枢转，从而使得活塞在支座52内沿轴向前进。图1示出了处于关闭位置的活塞，其中臂72的远侧端朝着孔60的一个端部定位。图2A示出了在完全打开位置的活塞，其中该臂朝着孔的另一端部定位。该孔是沿轴向伸长的，以允许臂72必要的轴向移动程度。摆动臂70由致动机构致动，该致动机构连接到致动器(诸如真空腔致动器等(未示出))。

作为如图所示的活塞致动机构位于活塞侧面上的替代方案，也有可能将致动器定位在该活塞的后方(图1中的右侧)。这样轴向定位的致动器布置是公知的，在美国专利No.6694733中描述了这样的一个例子，其公开的内容在此结合作为参考。

一组第二叶片54固定到活塞的端部上，具体地是固定到凸缘部分66上。第二叶片54在与第一叶片34的轴向方向相反的轴向方向上朝向热屏障32延伸。如图1所示，当活塞62位于关闭位置(定义为在活塞的凸缘部分66与由热屏障32形成的喷嘴壁之间存在最小的轴向间隔距离时的位置)时，第一叶片34的自由端邻接或紧邻活塞的凸缘部分66，并且类似地，第二叶片54的自由端邻接或紧邻由热屏障32(或由可以安装第一叶片的另一固定部件)形成的第一壁。因此，当活塞位于如图1所示的关闭位置时，第一和第二叶片都基本上完全横跨喷嘴的开口轴向范围(该开口轴向范围限定在热屏障与活塞凸缘部分之间)而延伸。还可能是，在安装有第一叶片的该固定壁中提供较浅的凹部(不是贯通孔或槽)，使得当活塞关闭时该凹部接纳第二叶片的端部；或者，在活塞的端面中提供该凹部，以便当活塞关闭时接纳第一叶片的端部(或者，该固定壁和活塞中都设有该凹部)。这将降低在由于制造公差而使得一个或多个叶片比其它的叶片稍短时存在微小间隙的可能性。

第一叶片34围绕一个360°的环沿圆周间隔开，同样地，第二叶片54围绕该360°环沿圆周间隔开。第二叶片54相对于第一叶片34沿圆周交错，且第一叶片34与第二叶片54有重叠。重叠的程度取决于活塞62的位置。

在示出的一个实施例中，有相同数目的第一和第二叶片，并且每个第二叶片54沿圆周方向约在两个第一叶片34之间的中间。

在示出的一个实施例中，第一和第二叶片的外轮廓和叶片轴向长度基本上彼此相同。

本发明人已经发现，当活塞在其完全关闭位置起动并且开始打开成使得在第一叶片34的末端与活塞凸缘66的表面之间开始出现小间隙，并且在第二叶片54的末端与热屏障32的表面之间开始出现类似的间隙时，废气通过这些间隙沿基本为径向的流动方向(即，并不是沿所需的流动方向)开始泄漏。这导致了在活塞移动的最初几毫米期间相对于活塞位置成非线性的质量流量突然增加，并且也导致了涡轮机的效率显著下降。由于很难足够精确地控制活塞位置，这使得在活塞的最初打开期间难以控制提供给发动机的增压量。

本发明的目的在于减轻由于通过叶片末端的泄漏流引起的最初活塞打开的这些不期望的效果。根据本发明，如图3至图6所示，对于每个第一叶片34，存在一对第一泄漏堤坝80，该对第一泄漏堤坝80形成为自活塞62的端部伸出的凸起。第一泄漏堤坝80可以形成为具有充分小于第一叶片的厚度和轴向长度的细长肋。第一泄漏堤坝80布置为当活塞完全关闭时，如图6所示，每个第一叶片34的末端布置在一对泄漏堤坝之间。一个泄漏堤坝总体上平行于相关第一叶片的凹面延伸，并且另一泄漏堤坝总体上平行于该第一叶片的凸面延伸。泄漏堤坝80沿圆周方向与第一叶片的表面间隔开。然而，给定的泄漏堤坝80与在该堤坝一侧上的相邻叶片34之间的圆周距离大大小于该堤坝与该堤坝另一侧上的相邻叶片34之间的圆周距离。

类似地，对于每个第二叶片54，存在一对第二泄漏堤坝90，其形成为从热屏障32的表面(第一叶片34安装在该表面上)伸出的凸起。第二泄漏堤坝90可以形成为具有充分小于第二叶片的厚度和轴向长度的细长肋。第二泄漏堤坝90布置为当活塞完全关闭时，每个第二叶片54的末端布置在一对泄漏堤坝之间。一个泄漏堤坝总体上平行于相关第二叶片的凹面延伸，并且另一泄漏堤坝总体上平行于第二叶片的凸面延伸。泄漏堤坝90沿圆周方向与第二叶片的表面间隔开。然而，给定的泄漏堤坝90与在该堤坝一侧上的相邻叶片54之间的圆周距离大大小于该堤坝与该堤坝另一侧上的相邻叶片54之间的圆周距离。

泄漏堤坝80、90在当活塞从其完全关闭位置刚开始打开时用于显著地降低流过相关叶片34、54的末端的泄漏流。因此，当活塞打开时质量流量的增加不会很突然，并且涡轮增压器的可控性相对于没有泄漏堤坝的涡轮增压器大大改善。更进一步的优点是，当活塞在靠近其完全关闭位置时，泄漏堤坝增加了叶片端部与相邻的端壁之间的压力，由此减少了必须作用在活塞上以将其打开的轴向力。

如图所示，泄漏堤坝80、90具有大大小于与它们相关的叶片34、54的轴向长度。例如，第一泄漏堤坝80可以具有约为第一叶片34的轴向长度的5％至20％的轴向长度。类似地，第二泄漏堤坝90可以具有约为第二叶片54的5％至20％的轴向长度。

沿流动方向测量的第一泄漏堤坝80的从它们的前缘82至它们的后缘84(图6)的长度可以约为第一叶片沿流动方向的长度的50％至95％。类似地，第二泄漏堤坝90从它们的前缘92至它们的后缘94(图4)的长度可以约为第二叶片的长度的50％至95％。

如图所示，泄漏堤坝80、90的厚度或宽度与叶片34、54的厚度相比可以相对较小。例如，每个泄漏堤坝可以具有约为0.4至1.0mm(更优选地0.5至0.75mm)的厚度，而叶片的靠近前缘的最大厚度可以为约2至3mm。在示出的实施例中，每个泄漏堤坝的厚度沿该堤坝的长度基本上恒定，但这并不是必须的。

当活塞关闭时从每个泄漏堤坝至相关叶片的间隔距离(在垂直于泄漏堤坝的长度方向上)最好是尽实际可能地小，同时维持足够间隙使得叶片端部不与某个堤坝摩擦。例如，该间隔可以约为04至0.6mm。

工作中，从活塞在其关闭位置开始，第一叶片34的末端布置在各自的一对第一泄漏堤坝80之间，并且第二叶片54的末端布置在各自的一对第二泄漏堤坝90之间。在每个叶片末端与泄漏堤坝形成在其上的壁之间有很小的间隙或没有间隙。当活塞刚开始向打开位置移动时，叶片末端与壁之间的间隙开始形成或增大。在没有泄漏堤坝的情况下，已经发现叶片末端附近的废气偏离其正常期望的流动方向，并且在叶片末端与相邻壁之间在基本上为径向的方向上沿着最小阻力的路径，导致了如前所述的质量流量的突然增加和低效率。相反地，泄漏堤坝阻止了这样的流动偏离。尽管一些气体仍然能够流过堤坝并经过叶片末端，但该堤坝显著地降低了这样的偏离气体流的量。改进了涡轮增压器的可控性。

到现在为止，这里描述的涡轮增压器的实施例的每个相关叶片具有两个泄漏堤坝。因此，例如，如果有六个叶片34，则存在六对(总数为12)泄漏堤坝80，并且同样地，如果有六个叶片54，则存在六对(总数为12)泄漏堤坝90。然而，还在本发明的范围内的是，每个叶片仅采用一个泄漏堤坝。每个泄漏堤坝可以与相关叶片的凸面侧或凹面侧相邻(或，可以想到地，一些泄露堤坝可以与凸面侧相邻且其它泄漏堤坝与凹面侧相邻)。

还在本发明的范围内的是，提供一种涡轮增压器，其仅具有一组叶片，并且对每个这样的叶片提供一个或两个泄漏堤坝。例如，涡轮增压器可以仅包括在热屏障32上的第一叶片34，而活塞62没有叶片。在这样的情况下，活塞凸缘66通常具有已经描述的一个或两个泄漏堤坝80。可替换地，涡轮增压器可以仅包括在活塞凸缘66上的第二叶片54，而热屏障32没有叶片。在这样的情况下，热屏障32通常具有已经描述的一个或两个泄漏堤坝90。

因此，在受到以上说明书和附图的教导下，所述本发明的技术领域的本领域技术人员将会想到在此说明的本发明的许多修改或其它实施例。因此，将会理解，本发明并不限于所公开的具体实施例并且修改和其它实施例都被确定为包含在所附权利要求的范围内。尽管在此使用了专用术语，但它们仅是以通用和描述性的意义被使用而不是限制性的。