具有涡轮的分开涡轮壳体和环形旋转旁通阀的涡轮增压器

摘要

本发明涉及具有涡轮的分开涡轮壳体和环形旋转旁通阀的涡轮增压器，具体地，一种涡轮增压器包括安装在涡轮壳体内且通过轴连接到压缩机叶轮的涡轮叶轮。涡轮壳体限定排气入口和轴向孔，排气入口连接到围绕涡轮叶轮的分开蜗壳，已经通过涡轮叶轮的排气通过轴向孔从涡轮壳体排出。涡轮壳体进一步限定一对同心的环形旁通通道，其围绕所述孔且布置成允许排气作为两个独立的旁通流绕过涡轮叶轮。环形旁通阀布置在旁通通道内。旁通阀包括固定环形阀座和与阀座共轴地布置的旋转环形阀构件。阀构件被布置成抵靠阀座并且可绕轴线旋转以便选择性地改变阀座和阀构件中的各自孔口之间的对准度。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请与2009年11月3日提交的美国专利申请序列号12/611,816和2010 年4月30日提交的美国专利申请序列号12/711,434有关，所述两个申请的全部 内容在此通过引用并入本文中。

技术领域

本公开涉及排气驱动涡轮增压器，其具有用于供给到涡轮的两个独立的排 气流的分开涡轮壳体。本公开更特别地涉及在某些发动机操作条件下允许排气 绕过涡轮的旁通装置。

背景技术

在传统的涡轮增压器中，涡轮壳体限定旁通管道，旁通管道通常位于贯通 壳体的主孔一侧，且旁通管道经由旁通阀连接到排气入口或壳体的蜗壳。旁通 阀通常是回转或提升类型的阀门，其包括被推动抵靠环绕旁通通道开口的阀座 的圆形阀构件。所述阀通常布置成使得排气压力在趋于打开所述阀的方向上作 用于阀构件。与此布置相关的一个缺点是：由于气压趋于打开阀，所以难以将 所述阀完全密封在关闭位置。经过关闭的旁通阀的泄漏是涡轮并因此是涡轮增 压器及其关联的发动机性能下降的原因。对于泄漏问题的典型解决方案是预加 载旁通阀构件抵靠阀座，但是这常常不能完全消除泄漏，并且在任何情况下其 导致额外的问题，例如用于打开阀所需的致动力的增加。

此外，回转阀或提升阀往往在可控性方面差，尤其在缝隙打开(crack-open) 位置，并且通常而言，旁通流率与阀位置是高度非线性的，这使得适当地调节 旁通流率非常困难。这导致例如涡轮增压器和发动机系统的瞬态响应差的问题。

上述申请12/611,816和12/711,434描述了本申请的受让人之前所作出的发 展，其涉及涡轮增压器涡轮部件中改进的旁通阀装置。本申请给出了特别适于 具有分开涡轮壳体/蜗壳构造的涡轮增压器的更进一步的发展。

发明内容

本公开描述了寻求解决例如上面所指问题的具有分开涡轮壳体并具有新型 旁通装置的涡轮增压器的各种实施例。在一个实施例中，涡轮增压器包括安装 在压缩机壳体内的压缩机叶轮以及安装在涡轮壳体内且通过轴连接到压缩机叶 轮的涡轮叶轮。涡轮壳体限定连接到围绕涡轮叶轮的蜗壳的排气入口。蜗壳是 分开蜗壳，其限定两个(即，第一和第二)独立的空间，分别接收来自内燃发 动机的两个独立排气流。涡轮壳体进一步限定轴向孔，已经通过涡轮叶轮的排 气通过该轴向孔从涡轮壳体排出。

涡轮壳体另外限定一对(即第一和第二，或外部和内部)同心环形旁通通 道，其围绕所述孔且布置成允许分开蜗壳的第一和第二独立空间的每一个中的 排气作为独立的旁通流绕过涡轮叶轮。第一或外部旁通通道径向地在第二或内 部旁通通道的外部且同心地围绕第二或内部旁通通道。环形旁通阀布置成与旁 通通道连通。旁通阀包括环形形状的固定阀座和环形形状的旋转阀构件，旋转 阀构件相对于轴线与所述阀座共轴地布置。阀构件布置成抵靠阀座且能够绕轴 线旋转以便选择性地改变阀座和阀构件中的各自孔口之间的对准度，从限定旁 通阀关闭条件的不对准到限定旁通阀打开条件的至少部分对准。

该旁通装置的优点在于相对于上述的回转和提升类型旁通阀装置，排气压 力在趋向于改进而不是阻碍、密封的方向上作用在阀上。

进一步的优点在于相比回转或提升阀所通常可能实现的可控性，所述阀可 实现更好地可控性，特别是在缝隙打开位置。

在一个具体实施例中，阀构件限定多个第一或外部阀构件孔口和多个第二 或内部阀构件孔口。外部阀构件孔口绕轴线周向地间隔开并且位于距轴线相对 较大的径向距离处，而内部阀构件孔口绕轴线周向地间隔开并且位于距轴线相 对较小的径向距离处。也就是说，外部阀构件孔口布置成圆环，其在内部阀构 件孔口的圆环的径向外部且同心地围绕内部阀构件孔口的圆环。相应地，阀座 限定多个外部阀座孔口和多个内部阀座孔口。所述外部和内部阀座孔口基本上 像阀构件的孔口一样布置成同心圆环，使得外部阀构件孔口和外部阀座孔口位 于距所述轴线基本上相同的径向距离处，并且所述内部阀构件孔口和内部阀座 孔口位于距所述轴线基本上相同的径向距离处(小于外部孔口的径向距离)。

在一个实施例中，阀构件是大致平的环形盘并且外部和内部阀构件孔口绕 阀构件的圆周周向地间隔开。类似地，阀座是大致平的环形盘，其具有与所述 外部和内部阀构件孔口分别对应的周向地间隔开的外部和内部阀座孔口。在相 邻的阀座孔口之间有足够的周向距离以在旁通阀的关闭条件下容纳它们之间的 各自的阀构件孔口。换句话说，在关闭条件下，在阀构件孔口和对应的阀座孔 口之间没有重叠。

阀可以包括促进阀构件和阀座之间密封的特征。在一个实施例中，阀构件 或者阀座包括围绕其内的各自孔口的凸起垫，并且所述垫与阀构件和阀座中的 另一个的基本平的表面接触，从而提供阀构件和阀座之间的密封。阀座也可以 包括环状的凸起脊或垫，其位于外部阀座孔口和内部阀座孔口中间的半径处， 用于密封阀构件的表面以便最小化或消除外部和内部旁通通道之间的泄漏。替 代地，所述环状脊或垫可以设置在阀构件上用于密封阀座的表面。

所述孔口可以具有各种形状，包括圆形或非圆形。所述孔口可以均匀地或 非均匀地周向地间隔。

所述涡轮增压器还包括驱动系统，用于实现所述阀构件所需的旋转运动。 在一个实施例中，所述驱动系统包括旋转驱动构件和驱动臂，旋转驱动构件沿 大致横向于阀构件所围绕旋转的轴线的方向穿过涡轮壳体，驱动臂附接到所述 旋转驱动构件的远端。驱动臂的远端接合阀构件使得旋转驱动构件的旋转导致 驱动臂使阀构件绕所述轴线旋转。所述驱动系统可以进一步包括附接到旋转驱 动构件的近端的连杆(link)和具有致动器杆的线性致动器，所述致动器可操作 以伸出和缩回所述致动器杆。致动器杆的远端连接到所述连杆使得致动器杆的 伸出导致连杆使旋转驱动构件在一个方向上旋转并且致动器杆的缩回导致连杆 使旋转驱动构件在相反的方向上旋转。

如果期望或需要，在具体的应用中，在彼此上相对滑动的部件的表面可以 用减少表面磨损的摩擦/磨损涂层涂覆。例如，凸起垫和它们接触的表面可以被 涂覆。所述磨损涂层可以由各种材料形成，包括铝扩散涂层、镍硼涂层或陶瓷 涂层(例如，氮化硅)。为了避免材料从一个表面向邻接表面的转移，优选地， 两个表面用不同材料涂覆。

附图说明

已经以一般性术语描述了本公开，现在将对附图进行参考，附图不必按比 例绘制且其中：

图1是根据本发明一个实施例的涡轮增压器的轴向剖视图；

图2是图1的涡轮增压器的涡轮组件的侧视图；

图3是图2的涡轮组件的透视图，其中，所示涡轮壳体被部分地剖掉以展 现内部细节；

图4是图1的涡轮组件在第一轴向面的轴向剖视图；

图5是图1的涡轮组件在第二轴向面的轴向剖视图；

图6是图1的涡轮增压器的涡轮壳体的轴向剖切的透视图；

图7是图1的涡轮增压器的环形旁通阀的阀座的透视图；

图8是图7的阀座的轴向剖视图；

图9是图1的涡轮增压器的环形旁通阀的旋转阀构件透视图；

图10是当从阀的下游位置轴向地向上游看时环形旁通阀的轴向视图，示出 了阀处于关闭位置；

图11是与图10相似的视图，示出了当阀通过旋转阀构件的旋转而刚刚被 缝隙打开时的所述阀；

图12是与图10相似的视图，示出了所述阀在阀构件进一步旋转后处于部 分打开位置；

图13是与图10相似的视图，示出了所述阀在阀构件进一步旋转后处于完 全打开位置；

图14是根据本发明另一个实施例的涡轮增压器的轴向剖视图；

图15是图14的涡轮增压器的涡轮组件的透视图，其中，所示涡轮壳体被 部分地剖掉以展现内部细节；

图16是图14的涡轮增压器的涡轮壳体的轴向剖视图；并且

图17是图16的涡轮壳体的透视图，部分地以剖面示出。

具体实施方式

现在将在后文中参照附图更全面地描述本公开，附图中示出了本发明的一 些但不是所有的实施例。实际上，这些发明创造可以以许多不同的形式来实现 且并不应被理解为限制于在此描述的实施例；相反，这些实施例被提供使得本 公开将会满足适当的法定要求。贯穿全文，同样的数字指代同样的元件。

根据本发明的一个实施例的涡轮增压器20在图1中以轴向剖视图示出，并 且用于涡轮增压器的涡轮组件及涡轮组件的部件的各种视图在图2-13中示出。 如图1所示，涡轮增压器20的主要子组件包括压缩机组件30、中间壳体组件 40和涡轮组件50。压缩机组件30包括压缩机壳体32和安装在其中且附接到旋 转轴36的一端的压缩机叶轮34。中间壳体组件40包括固定到压缩机壳体32 且包含用于旋转轴36的轴承44的中间壳体42。涡轮组件50包括涡轮壳体52 和安装在其中且附接到旋转轴36的相对端的涡轮叶轮54。

涡轮壳体52限定排气入口56和经向地分开的蜗壳58，来自内燃发动机的 排气通过排气入口56被接收，经向地分开的蜗壳58接收来自入口56的排气并 且围绕360°蜗壳分配气体用于向涡轮叶轮54供气。特别地，所述经向地分开 的蜗壳58限定第一蜗壳58a和独立的第二蜗壳58b，它们中的每个绕涡轮的纵 轴线延伸360°。蜗壳58a和58b分别接收来自发动机的两个独立的排气流(例 如来自发动机气缸的一个子群的一个气流和来自发动机气缸的另一个子群的另 一个气流)。相应地，排气入口56是分开的入口，其限定分别连接到两个蜗壳 58a和58b的两个独立的入口56a和56b。

两个气体入口56a和56b还向两个独立的大致环形旁通通道60a和60b打 开，旁通通道60a和60b被限定在涡轮壳体52中。旁通通道60a和60b同心地 布置(外部通道60a在内部通道60b的径向外部)且两者均围绕限定在涡轮壳 体内的轴向孔62。已经通过涡轮叶轮54的排气通过孔62从涡轮壳体排出。旁 通通道60a和60b为排气提供替代的路径进行流动，而不必首先通过涡轮叶轮 54。

环形旁通阀70安装在旁通通道60中，用于调节通过旁通通道的流量。旁 通阀70是分开的旁通阀，其保持两个旁通通道60a和60b中的两个排气流的分 离。主要参照图3-9，环形旁通阀70的主要部件包括静止的阀座72以及与阀座 邻接接合的旋转阀构件74。阀座72和阀构件74布置在涡轮壳体52的环形外部 部分52a和环形内部构件52b之间。如图所示，内部构件52b与涡轮壳体52分 离地形成且与涡轮壳体的一体化部分连接，但是在另一个实施例中，内部构件 可以是涡轮壳体的一体化部分。外部部分52a和内部构件52b一起限定环形空 间用于接收阀构件74和阀座72。阀构件74通过涡轮壳体的外部部分52a所限 定的肩部而被防止轴向上游移动，尽管在排气的操作压力期间在下游方向上推 动阀构件74。阀构件74没有被涡轮壳体束缚，而是自由地绕其轴线旋转并轴向 地移动抵靠阀座72。阀座72被防止轴向地、径向地或旋转地移动。阀座72的 上游面的径向外边缘部分(即在图5中的左手面)邻接由涡轮壳体的外部部分 52a限定的肩部，并且上游面的径向内边缘部分邻接由内部构件52b限定的肩部， 从而将阀座置于如这些肩部所决定的精确的轴向位置。

阀座72(在图7和8中最佳地示出)是大致平的环状或环形构件，其具有 绕阀座的圆周周向地间隔开的多个孔口73a和73b，所述孔口在阀座的上游和下 游面之间大致轴向地延伸。孔口73a位于距阀座72的中心相对较大的半径处， 并且孔口73b位于距阀座的中心相对较小的半径处。在所示实施例中，孔口73a 绕阀座的圆周均匀地间隔，同样地，孔口73b也均匀地间隔(但是具有与孔口 73a不同的间距)，但是如下面进一步描述的，孔口的不均匀间距也是可能的且 在某些情况下可能是有利的。

旋转阀构件74(在图9中最佳地示出)是大致平的环状或环形构件，其具 有绕阀座的圆周周向地间隔开的多个孔口75a和75b，所述孔口在阀构件的上游 和下游面之间大致轴向地延伸。孔口75a位于距阀构件74的中心相对较大的半 径处，并且孔口75b位于距阀构件的中心相对较小的半径处。在所示实施例中， 孔口75a绕阀构件的圆周均匀地间隔，并且阀构件中的孔口75a的数量和间距 与阀座中的孔口73a的数量和间距是相同的。但是，如下面进一步描述的，孔 口75a的不均匀间距也是可能的且在某些情况下可能是有利的；此外，孔口73a 和75a的间距不必须是相同的，并且在一些情况下，不同的间距可能是有利的。 类似地，在所示实施例中，孔口75b绕阀构件的圆周均匀地间隔，并且阀构件 中的孔口75b的数量和间距与阀座中的孔口73b的数量和间距是相同的。阀构 件74具有基本上圆柱形的外边缘76和基本上圆柱形的内边缘78，所述外边缘 和内边缘76，78关于阀构件的中心纵轴线是共轴的，该轴线也与阀座72的中 心纵轴线基本重合。涡轮壳体的外部部分52a和内部构件52b二者限定用于旋 转阀构件74的外边缘和内边缘76，78的基本圆形支承面，并且它们之间具有 间隙，使得阀构件可以绕其中心纵轴线在一个方向或相反方向上旋转，以便改 变阀构件孔口75和阀座孔口73之间的对准度，如下面进一步描述的。

阀构件74进一步限定包括一对凸出体80的叉或轭，凸出体80从阀构件的 上游面轴向地凸出。凸出体80周向地间隔开一小段距离，该距离足以容纳L形 驱动臂90的远端92，驱动臂90刚性地固定到旋转驱动构件100的远(径向内) 端。旋转驱动构件100通过孔53(见图5和6)基本径向地穿过涡轮壳体52， 孔53与大致环形旁通通道60连接。旋转驱动构件100的近(径向外)端位于 涡轮壳体52的外侧且刚性地固定到连杆110。连杆110具有连接构件112(图2 和3)，连接构件112从旋转驱动构件100的旋转轴线偏移且可以耦接到致动器 (未示出)的致动器杆，使得致动器杆的伸出导致连杆110使旋转驱动构件100 在一个方向上旋转并且致动器杆的缩回导致连杆使旋转驱动构件在相反方向上 旋转。结果，固定到旋转驱动构件100的远端的驱动臂90进而导致阀构件74 在绕其轴线的一个方向或相对方向上旋转。

特别地参照图4、7和8，阀座72中的孔口73a和73b的每一个具有围绕 其的凸起垫82。垫82邻接阀构件74(图4)的平面并且充当密封件以帮助密封 阀构件和阀座之间界面。阀座72还限定环状凸起垫83，其径向地位于孔口73a 和孔口73b中间以便对阀构件的表面进行密封从而最小化或消除旁通通道60a 和60b中的外部和内部旁通流之间的泄漏流。所提供的凸起垫82、82减少了阀 座72与旋转阀构件74摩擦接触的总表面面积，从而减少了致动系统为了使阀 构件旋转所必须克服的总摩擦力。

图10-13示出了用于调节旁通流的旁通阀70的各种位置。在图10中，阀 构件74定位成使得其每个孔口75a位于阀座72中的两个相邻孔口73a之间， 每个孔口75b位于两个相邻孔口73b之间，并且在相邻孔口73a、b之间有足够 的周向距离以容纳孔口75a、b而它们之间没有重叠。因此，图10的位置表示 了旁通阀的关闭位置，在该位置，实质上没有排气可以流过旁通通道60a和60b (除了或许具有不可察觉结果的非常小的泄漏之外)。

图11示出了阀位于“缝隙打开”位置，在此位置，阀构件74已经相对于 图10顺时针旋转了小量，使得孔口75a和孔口73a之间以及孔口75b和孔口73b 之间刚刚开始有一些重叠。

随着阀构件74从图11的位置进一步顺时针旋转，孔口75a和73a之间以 及孔口75b和孔口73b之间存在较大的重叠度，如在图12所示的“部分地打开” 位置。

图13示出了阀的完全打开位置，在此位置，孔口75a和73a之间以及孔口 75b和孔口73b之间存在最大可能的重叠。

在所述环形旁通阀70的情况下，排气压力在朝向固定阀座72的方向上作 用在阀构件74上，由此趋向于改善阀构件和阀座之间的密封。此外，相比于前 述回转和提升类型的旁通阀装置，气体压力不趋向于打开阀，在前述回转和提 升类型的旁通阀装置中，气体压力作用在趋向于打开阀的方向上并且导致泄漏。 可能由阀70产生的改善的密封被认为是重要的，因为它可以通过更好地使用排 气流中的瞬时发动机脉冲(特别是在低发动机速度和气体流率时)而提高涡轮 增压器的瞬态响应时间，在低发动机速度和气体流率时，在关于涡轮效率方面 脉冲冲击是最重要的。

进一步的优点在于相比回转或提升阀所通常可能实现的可控性，阀70可实 现更好地可控性，特别是在缝隙打开位置。特别地，当阀构件74旋转时，通过 阀的流动通道的形状和尺寸的演变可简单地通过适当地构造阀构件和阀座中的 孔口的尺寸、角位置(例如是否均匀地或不均匀地间隔开)和形状而被调整为 符合具体应用的需要。因此，虽然在图中孔口73、75显示为圆形，但是替代地， 它们可以被制成非圆形，作为改变当阀打开时流动通道的演变的一种方式。例 如，孔口可以被制成大致矩形，它们的边缘大致径向地(可能在径向方向比周 向方向上具有较大尺度)延伸，这相比于圆形孔口形状可以导致在阀构件旋转 的每度上流动通道尺寸的更大变化。

作为本发明提出的阀流动通道的演化的微调的另一个例子，阀座孔口73 可以具有绕圆周的第一周向间距(例如，均匀的)，并且阀构件孔口75可以具 有不同于第一周向间距的第二周向间距(例如，非均匀的)。进一步可能(虽然 不是必要的)的是，在这样的实施例中，孔口73、75具有不同的尺寸和/或形状。 这会导致，例如，一个流动通道(或流动通道总数的一些其他子集)在任何其 它流动通道开始打开之前开始打开，由此实现旁通阀的非常逐渐的缝隙打开。 阀构件74的进一步旋转然后可以导致其它流动通道打开(或许以连续的或阶段 的方式，例如一个流动通道在一时刻打开直到最后所有流动通道都打开)。这仅 仅是可以对孔口进行构造的许多不同方式的一些例子，所述孔口可被构造成根 据阀构件的旋转而实现期望的流动通道演变。

如上所述，如果期望或需要，在具体应用中，在彼此上相对滑动的部件的 表面可以用减少表面磨损的摩擦/磨损涂层涂覆。例如，凸起垫82、83和/或所 述垫所接触的阀构件74的表面可以被涂覆。可以被涂覆的其它表面包括L形驱 动臂90的端部和/或驱动臂的端部所接触的阀构件74的表面。阀构件74的径向 内表面和/或外表面和/或涡轮壳体部分52a、52b的面对的表面可以用磨损涂层 涂覆。磨损涂层可以由各种材料形成，包括铝扩散涂层、镍硼涂层、陶瓷涂层 (例如，氮化硅)。为了避免材料从一个表面向邻接表面的转移，优选地，两个 表面用不同材料涂覆。

本发明不限于例如图1-6中所示和上面所描述的具有经向地分开的涡轮壳 体的涡轮增压器。本发明也可以应用于如图14-17所示的具有扇部分开 (sector-divided)的涡轮壳体的涡轮增压器。如图14中所示，涡轮增压器20’ 的主要子组件包括压缩机组件30’、中间壳体组件40’和涡轮组件50’。压缩机组 件30’包括压缩机壳体32’和安装在其内且附接到旋转轴36’的一端的压缩机叶轮 34’。中间壳体组件40包括固定于压缩机壳体32’且包含用于旋转轴36’的轴承 44’的中间壳体42’。涡轮组件50’包括涡轮壳体52’和安装在其内且附接到旋转 轴36’的相对端的涡轮叶轮54’。

涡轮壳体52’限定排气入口56’和扇部分开的蜗壳58’，来自内燃发动机的 排气通过排气入口56’被接收，扇部分开的蜗壳58’接收来自入口56’的排气并且 围绕蜗壳分配气体用于向涡轮叶轮54’供气。特别地，扇部分开的蜗壳58’限定 第一蜗壳扇部58a’和独立的第二蜗壳扇部58b’，其每个绕涡轮的纵轴线延伸大 约180°。蜗壳扇部58a’和58b’(此后简单地称为“蜗壳58a’和58b’”)共同地 绕轴线延伸大约360°。蜗壳58a’和58b’分别接收来自发动机的两个独立的排 气流(例如，来自发动机气缸的一个子群的一个气流和来自发动机气缸的另一 子群的另一个气流)。相应地，排气入口56’是分开的入口，其限定分别连接到 两个蜗壳58a’和58b’的两个独立的入口56a’和56b’(图17)。

分开入口56’的两个气体入口也向限定在涡轮壳体52’内的两个独立的大致 环形旁通通道60a’和60b’打开。旁通通道60a’和60b’同心地布置(外部通道60a’ 在内部通道60b’的径向外侧)并且两者均围绕限定在涡轮壳体内的轴向孔62’。 已经通过涡轮叶轮54’的排气通过孔62’从涡轮壳体排出。旁通通道60a’和60b’ 为排气提供替代的路径进行流动，而不必首先通过涡轮叶轮54’。

环形旁通阀70’安装在旁通通道60’内，用于调节通过旁通通道的流量。旁 通阀70’是与前面描述的旁通阀70相同或基本相同的分开的旁通阀，因此其描 述在此将不再重复。

具有前面的描述和相关附图所提供的教导的益处，本发明所属领域的技术 人员将会想到本文所阐述的本发明的许多修改和其他实施例。因此，应当理解 的是，本发明并不限于所公开的特定实施例，修改和其他实施例将意图被包括 在所附权利要求书的范围内。尽管本文使用了特定术语，但是它们仅以一般性 且描述性的意义使用，并非出于限制性目的。