带有通过两件式自定心间隔器固定的喷嘴环和管的涡轮增压器可变翼片模块

摘要

本发明涉及带有通过两件式自定心间隔器固定的喷嘴环和管的涡轮增压器可变翼片模块。一种可变喷嘴涡轮增压器包括：具有支承一排可旋转的翼片的环形喷嘴环的可变翼片机构；插入件，该插入件具有密封地接收在涡轮机壳体的孔内的管状部分，且具有从管状部分的一端径向延伸出的且与喷嘴环轴向间隔开的喷嘴部分，而使得翼片处在喷嘴环和喷嘴部分之间；和连接在插入件的喷嘴部分和喷嘴环之间的多个两件式自定心间隔器组件。每个间隔器组件包括管状套筒和单独的销，该销通过套筒的贯通通道，该销的端部分分别固定到喷嘴环和喷嘴部分。每个套筒的一端具有锥形表面且接合在喷嘴环或喷嘴部分的相邻面中的相应的锥形埋头孔内。

说明书

技术领域

本发明涉及具有可变喷嘴涡轮机的涡轮增压器，其中一排可移动的翼片布置在涡轮机喷嘴中以用于调节流入到涡轮机内的排气。

背景技术

排气驱动的涡轮增压器是与内燃机一起使用的装置，以用于通过将提供到发动机的进气部的空气压缩以与燃料混合且在发动机内燃烧来增加发动机的动力输出。涡轮增压器包括在压缩机壳体内安装在轴的一端上的压缩机叶轮和在涡轮机壳体内安装在轴的另一端上的涡轮机叶轮。典型地，涡轮机壳体与压缩机壳体分开地形成，且存在在涡轮机壳体和压缩机壳体之间连接的另一个中心壳体，以用于容纳用于轴的轴承。涡轮机壳体限定了大体环形的室，所述室围绕涡轮机叶轮且从发动机接收排气。涡轮机组件包括喷嘴，所述喷嘴从室引导到涡轮机叶轮内。排气从室通过喷嘴流向涡轮机叶轮且涡轮机叶轮被排气驱动。涡轮机因此从排气获取动力且驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收环境空气，且空气被压缩机叶轮压缩，然后从壳体排放到发动机进气部。

在带有涡轮增压器的增压发动机性能中的一个挑战是在发动机的整个运行范围内实现希望的发动机动力输出的量。已发现，此目的用固定几何形状涡轮增压器经常不容易实现，因此已开发了可变几何形状涡轮增压器，其目的是提供对于由涡轮增压器所提供的增压量的更大的程度的控制。

可变几何形状涡轮增压器的一个类型是可变喷嘴涡轮增压器（VNT），其包括在涡轮机喷嘴中的一排可变翼片。翼片枢转地安装到喷嘴环，所述喷嘴环形成喷嘴的一个壁。喷嘴的相对的壁通过配合到涡轮机壳体的轴向孔内的管或插入件形成。翼片连接到机构，所述机构能够实现待变化的翼片的设定角度。改变翼片的设定角度具有改变涡轮机喷嘴内的有效流动面积的效果，因此排气到涡轮机叶轮的流动可以通过控制翼片位置被调节。以此方式，可以调节涡轮机的动力输出，这允许比通常用固定几何形状涡轮增压器可能实现的更大程度地控制发动机动力输出。

喷嘴环和插入件之间的轴向间隔通过数个间隔器维持，所述间隔器连接在这些部件之间。因为可变翼片机构位于因暴露于排气而变得很热的涡轮机壳体和处于远低于涡轮机壳体的温度的中心壳体之间，所以可变翼片机构由于此温度梯度而受到热应力。在喷嘴环和管或插入件之间的不同的热变形可导致喷嘴几何形状的不希望的改变。实际上，在一些情况中，已观察到间隔器由于作为结果的应力而形成了裂纹。

发明内容

本发明通过提供可变喷嘴涡轮增压器解决了以上所述的问题，所述涡轮增压器具有可变喷嘴涡轮机，在所述涡轮机中使用了两件式自定心间隔器以将喷嘴环与插入件间隔开。在本文所描述的一个实施例中，涡轮增压器包括：

涡轮机组件，所述涡轮机组件包括涡轮机壳体和安装在涡轮机壳内的且连接到可旋转的轴以用于随之旋转的涡轮机叶轮，涡轮机壳体限定了围绕涡轮机叶轮的室以接收排气且用于将排气供给到涡轮机叶轮，涡轮机组件限定了从室大体径向向内引导到涡轮机叶轮的喷嘴，所述涡轮机壳体进一步限定了轴向延伸的孔，排气在通过涡轮机叶轮之后通过所述孔被排放；

压缩机组件，所述压缩机组件包括压缩机壳体和安装在压缩机壳体内的且连接到可旋转的轴以随之旋转的压缩机叶轮；

连接在压缩机壳体和涡轮机壳体之间的中心壳体；

大体环形的喷嘴环和围绕喷嘴环周向间隔开且布置在喷嘴内的一排翼片，使得排气在翼片之间流动到涡轮机叶轮，每个翼片可旋转地安装到喷嘴环且连接到可旋转的促动器环，使得促动器环的旋转使翼片旋转以用于调节向涡轮机叶轮的排气流动；

插入件，所述插入件具有密封地接收在涡轮机壳体的孔内的管状部分和大体径向地从管状部分的一端向外延伸出的喷嘴部分，所述喷嘴部分轴向地从喷嘴环间隔开，使得翼片在喷嘴环和喷嘴部分之间延伸；和

连接在插入件的喷嘴部分和喷嘴环之间的多个间隔器，用于将喷嘴环固定到插入件且维持在插入件的喷嘴部分和喷嘴环之间的轴向间隔；

其中间隔器的每个包括两件式自定心组件，所述组件包括管状套筒和销，每个套筒限定了贯通通道且每个相应的销通过所述贯通通道，每个销具有第一端部分并具有第二端部分，所述第一端部分从套筒的第一端突出且通过由喷嘴环限定的开孔，所述第二部分从套筒的相对的第二端突出且通过限定在插入件的喷嘴部分内的开孔，每个销的第一端固定到喷嘴环且每个销的第二端固定到插入件的喷嘴部分；

其中销固定到喷嘴环和喷嘴部分，以将喷嘴环和喷嘴部分轴向朝着彼此牵拉，使得套筒的第一端靠着喷嘴环的面支承且套筒的第二端靠着喷嘴部分的面支承，所述套筒将喷嘴环和喷嘴部分保持间隔开，和

其中每个套筒的第一端和第二端的一个形成锥形表面，所述锥形表面与套筒的贯通通道同轴，且每个套筒的一端靠着其支承的面限定了相应的锥形埋头孔，所述埋头孔与销的端部分穿过的开孔同轴，使得套筒的锥形表面和锥形埋头孔之间的接合维持套筒的贯通通道与用于销的开孔同轴，以此自定心组件维持套筒与相应的销基本上同轴。

在一个实施例中，锥形埋头孔限定在喷嘴环的面内且套筒的第一端限定了接合在埋头孔中的锥形表面。然而，同样有效的是，锥形埋头孔限定在插入件的喷嘴部分的面中，且套筒的第二端限定锥形的表面。

两件式自定心间隔器组件消除了在现有技术的具有肩部的单件式间隔器中可见的裂纹问题，所述肩部执行了将喷嘴环从插入件间隔开的功能。在这些现有技术的布置中，裂纹在肩部的区域内可见，其处所述裂纹与间隔器的柱形销部分结合。裂纹被认为由于销的周期性弯曲导致，所述弯曲由于热变形导致，且肩部和柱形销部分之间的接合部作为应力集中器。使用两件式间隔器，套筒执行了间隔功能且一般地在喷嘴环和插入件之间被压缩，而销一般地受到拉伸。这些销可以基本上为柱形的，除了固定到喷嘴环和插入件的它们的端部分外，所述销可经受弯曲而无现有技术的单件式间隔器中的应力集中和裂纹问题。另外，即使在热效应趋向于导致部件的热变形时，套筒的自定心作用也用于维持喷嘴环和插入件的正确的相对位置和定向。

附图说明

在此已经用通常术语描述了本发明，现在将参考附图，所述附图不必按比例绘制，且各图为：

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；

图2是根据本发明的一个实施例的用于涡轮增压器的可变翼片模块的子组件的分解视图；

图3是图2的子组件的另一个分解视图；

图4是图2的子组件的轴向端视图；

图5是沿图4的线5-5截取的横截面视图；

图6是图5的一部分的放大视图。

具体实施方式

本发明现在将在下文中参考附图更完整地描述，在所述附图中示出了本发明的一些但非全部实施例。的确，这些发明可以以许多不同的形式实施，且不应理解为限制于在此所阐述的实施例；而是这些实施例被提供，使得本公开将满足可申请的法律要求。在各图中，类似的附图标号指示类似的元件。

根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10在图1中的横截面视图中图示。涡轮增压器包括压缩机12，所述压缩机12具有在压缩机室16内安装在可旋转的轴18的一端上的压缩机转轮或叶轮14。轴支承在安装在涡轮增压器的中心壳体20内的（未具体地图示的）轴承内。轴18通过涡轮机叶轮22可旋转，所述涡轮机叶轮22安装在轴18的与压缩机叶轮不同的端上，因此可旋转地驱动压缩机叶轮，所述压缩机叶轮将通过压缩机入口吸入的空气压缩，且将压缩的空气提供到内燃机（未示出）的进气部，以用于增进发动机的性能。

涡轮增压器也包括容纳了涡轮机叶轮22的涡轮机壳体24。涡轮机壳体限定了大体环形的室26，所述室围绕涡轮机叶轮且从内燃机接收排气以用于驱动涡轮机叶轮。排气从室26大体径向向内引导通过涡轮机喷嘴28到涡轮机叶轮22。当排气流过涡轮机叶轮的叶片30之间的通道时，气体膨胀到较低的压力，且从轮排放的气体通过涡轮机壳体内的大体轴向的孔32离开涡轮机壳体。

涡轮机喷嘴28是可变喷嘴，以用于改变通过喷嘴的流动横截面积，以调节到涡轮机叶轮内的流动。喷嘴包括多个翼片34，所述翼片34围绕喷嘴周向地间隔开。每个翼片固定到轴36，所述轴通过大体环形的喷嘴环38内的开孔，所述喷嘴环38相对于涡轮机叶轮22同轴地安装。每个轴36围绕其轴线可旋转以用于使接附到其上的翼片旋转。喷嘴环38形成喷嘴28的流动通道的一个壁。轴36的每个具有翼片臂（未具体地图示），所述翼片臂固定到轴的从喷嘴环38向外突出的端部，且通过大体环形的联合环42（在此也称为促动器环）接合，所述联合环42围绕其轴线可旋转且与喷嘴环38同轴。促动器（未示出）连接到联合环42，以使所述联合环42围绕其轴线旋转。当联合环旋转时，翼片臂旋转，以导致轴36围绕它们的轴线旋转，因此使得翼片34旋转，以改变通过喷嘴28的流动横截面积。如至此所描述，可变喷嘴机构一般地对应于具有可变翼片的常规的可变喷嘴。

在图示的实施例中，可变翼片机构以模块（cartridge）50的形式提供，所述模块50可作为一个单元安装到涡轮增压器内且可从涡轮增压器移除。模块50包括喷嘴环38、翼片34、轴36、翼片臂和联合环42。模块进一步包括插入件52（在图2中更好地可见），所述插入件具有密封地接收在涡轮机壳体的孔32的部分32a内的管状部分54，和大体径向地从管状部分54的一端延伸出的喷嘴部分56，所述喷嘴部分56轴向地从喷嘴环38间隔开，使得翼片34在喷嘴环38和喷嘴部分56之间延伸。涡轮机壳体的孔部分32a的半径超过孔32的剩余部分的半径，超出量略大于插入件52的管状部分54的径向厚度。管状部分54的径向外表面具有至少一个周向沟槽，且优选地具有两个轴向间隔开的沟槽，如在图1中所示，在所述沟槽的每个内保持了密封环58以密封地接合孔部分32a的内表面。有利地，插入件的管状部分54的外径略小于孔部分32a的内径，使得在其间限定了微小的间隙，且仅密封环58与孔部分32a的内表面接触。另外，在喷嘴部分56和涡轮机壳体的在孔部分32a的端部处的相邻的端部之间存在间隙60。以此方式，插入件52从涡轮机壳体24机械隔离且热隔离。

模块50进一步包括防热罩80，当模块安装在中心壳体20上时，所述防热罩80被捕获地保持在喷嘴环38和中心壳体20之间。防热罩80提供了喷嘴环和中心壳体之间的密封，以防止排气在这些部件之间迁移到其内布置了翼片臂和联合环42的腔内。防热罩80有利地是回弹弹性材料，例如弹簧钢等，且罩构造为使其在轴向方向上在喷嘴环38和中心壳体20之间被压缩，使得罩的回复力促使喷嘴环轴向地（在图1中向右）靠着夹在中心壳体和涡轮机壳体之间的凸缘或保持部82，因此轴向地将喷嘴环（且因此整个可变喷嘴模块50）定位在涡轮增压器内。在此方面，模块50轴向地定位，其方式基本上与在共同拥有的美国专利No.8,333,556中所描述的方式相同，其完整公开在此通过引用合并。模块径向地通过定位器环84定位，所述定位器环的径向外周部接合喷嘴环38的径向面向内的表面，且所述定位器环的径向内周部接合中心壳体20的径向面向外的表面。

多个两件式自定心间隔器组件70连接在喷嘴环38和插入件52的喷嘴部分56之间，以用于将喷嘴环固定到插入件且维持插入件的喷嘴部分和喷嘴环之间的希望的轴向间隔。特别地参考图2至图6，每个两件式自定心间隔器组件70包括管状套筒72和销74。每个套筒72限定了贯通通道且每个相应的销74通过所述贯通通道。销74长于套筒72，且每个销74具有从套筒的第一端突出的且通过由喷嘴环38限定的开孔39的第一端部分，且具有从套筒的相对的第二端突出的且通过限定在插入件52的喷嘴部分56内的开孔57的第二端部分。每个销74的第一端固定到喷嘴环38且每个销的第二端固定到插入件52的喷嘴部分56。

销74固定到喷嘴环38和喷嘴部分56，其方式使得它们将喷嘴环和喷嘴部分轴向朝着彼此牵拉。例如，销74的端部可通过类似于铆接的过程固定到喷嘴环和喷嘴部分，其中销的端部被镦粗以使直径增加。结果是由于销74中的张力，套筒72的第一端靠在喷嘴环38的面上且套筒的第二端靠在喷嘴部分56的面上。套筒72将喷嘴环38和喷嘴部分56保持间隔开。

根据本发明，每个套筒72的第一端和第二端的一个形成锥形表面76，所述锥形表面76与套筒的贯通通道同轴，且每个套筒的一端靠着的面限定了相应的锥形埋头孔78，所述埋头孔78与销的端部分穿过的开孔同轴，使得套筒的锥形表面和锥形埋头孔之间的接合将套筒72的贯通通道与用于销74的开孔维持同轴，因此自定心组件将套筒72与相应的销74维持基本上同轴。在图示的实施例中，锥形埋头孔在喷嘴环38中，但替代地，埋头孔可以在插入件52的喷嘴部分56中。

从本发明的一个实施例的以上描述中，将理解的是间隔器组件70使多个优点或特征能够获得。套筒72执行了对于喷嘴环38和插入件52的间隔功能，且一般地在喷嘴环和插入件之间被压缩，而销74一般地受到张力。销可以基本上为柱形的，除了固定到喷嘴环和插入件的它们的端部分外，所述销可经受弯曲而无现有技术的单件式间隔器中见到的应力集中和裂纹问题。另外，即使在热效应趋向于导致部件的热变形时，套筒的自定心作用也用于保持喷嘴环和插入件的正确的相对位置和定向。

在此阐述的本发明的许多修改和其他实施例将被本发明所隶属的领域的熟练技术人员想到，其具有在前述描述中和附图中展示的教示的益处。因此，应理解的是本发明不限制于所公开的具体的实施例，且修改和其他实施例意图于被包括在附带的权利要求的范围内。虽然在此使用了特殊术语，但这些术语仅在一般性和描述的意义中使用，且不用于限制性目的。