[发明专利]几何构造可变涡轮

说明书

技术领域

本发明涉及一种几何构造可变涡轮，尤其但不唯一地用于内燃机的涡轮增压器中。

背景技术

涡轮增压器为在高于大气压的压力(升压)下向内燃机进口供应空气的已知设备。常规涡轮增压器必要地包括设置在涡轮壳体内的旋转轴上的废气驱动涡轮叶轮。涡轮叶轮的旋转使设置在轴另一端和压缩机壳体内的压缩机叶轮旋转。压缩机叶轮向发动机进气管输送压缩空气。涡轮增压器轴通常由轴颈轴承和推力轴承支承，轴承包括合适的润滑系统，位于连接在涡轮和压缩机叶轮壳体之间的中心轴承壳体内。

在已知涡轮增压器中，涡轮包括：其中安装有涡轮叶轮的涡轮腔、涡轮腔周围相对径向壁之间的环形入口通道、设置在入口通道周围的入口，以及从涡轮腔延伸的出口通道。通道和腔以如下方式连通：进入入口腔的加压废气流过入口通道经涡轮到达出口通道并且旋转涡轮叶轮。还已知通过在入口通道内提供称为喷嘴叶片的叶片，以将流过入口通道的气体朝向涡轮叶轮旋转方向偏转，从而调整涡轮性能。

涡轮可以是几何构造固定或者可变的类型。几何构造可变的涡轮与几何构造固定的涡轮区别之处在于：可改变入口通道的尺寸以使气流速度在一定的质量流量范围内优化，从而可改变涡轮的功率输出以适合变化的发动机需求。例如，当输送至涡轮的废气量较少时，通过减小环形入口通道的尺寸而将到达涡轮叶轮的气体速度维持在保证有效涡轮运行的程度。

在一种已知类型的几何构造可变涡轮中，通常称为“喷嘴环”的轴向可移动壁元件限定一个入口通道壁。可调整喷嘴环相对于入口通道饰面(facing)壁的位置以控制入口通道的轴向宽度。因此例如随着流经涡轮的气体减少，入口通道宽度也可减小以维持气体速度和使涡轮输出最佳。这样的喷嘴环必要地包括径向延伸的壁和轴向延伸的内、外环形凸缘。环形凸缘延伸进入在涡轮壳体中形成的环形腔中，所述涡轮壳体作为实际由轴承壳体提供的壳体的一部分，轴承壳体允许喷嘴环的轴向运动。

喷嘴环可具有延伸至入口通道内并通过入口通道饰面壁上的槽的叶片，所述槽允许喷嘴环的运动。可选择地，叶片可通过喷嘴环中设置的槽从固定壁延伸。通常，喷嘴环支承在和涡轮叶轮旋转轴平行地延伸的棒上，并被轴向移动所述棒的致动器移动。已知用于几何构造变化的涡轮的各种致动器，包括设置在涡轮增压器外部并由合适的联接机构连接至几何构造可变系统的气动、液压和电致动器。

当使用常规涡轮时，随着气体流过入口通道，压力施加在喷嘴环的表面上，趋向于强迫喷嘴环进入环形腔。在喷嘴环位于其中的环形腔中存在压力，并且如果需要精确控制喷嘴环的位置，则致动机构必须克服该压力影响。使喷嘴环移近通道饰面壁以进一步减小通道宽度并提高空气流速度会增加施加至喷嘴环表面的载荷。一些涡轮致动器例如电致动器和气动致动器相比能够仅仅提供相对有限的力以移动喷嘴环。在一些运行条件下，需要由致动器施加的力可能超出致动器的能力。另外，还期望保证喷嘴环上的合力是单向的。

EP 0654587公开了一种几何构造可变的涡轮，具有喷嘴叶片之间喷嘴环内的压力平衡孔。由喷嘴环表面上的压力、喷嘴环后的腔内的压力和致动器产生喷嘴环上的力。压力平衡孔的功能在于保证喷嘴环后面的腔的压力基本上等于但总是稍小于作用于喷嘴环前表面上的压力以保证在喷嘴环上具有小但单向的力。

涡轮喷嘴环通常具有跨涡轮入口延伸的叶片环形阵列。流经入口的空气在相邻叶片之间径向流动，所述叶片因此可被认为限定叶片通道。涡轮入口在叶片通道区域上具有减小的径向流动面积，产生如下的效果：入口气体速度通过叶片通道增加，产生在该喷嘴环区域上的相应的压力下降。因此，如EP 0 654 587所述的压力平衡孔位于叶片之间，这意味着每个平衡孔的内端和/或外端位于喷嘴导向叶片通道的内或外径向范围中。

已经发现即使如EP 0 654 587所述提供压力平衡孔，由于通过排气阀的开关作用释放至车辆发动机排气管中的排气脉冲，喷嘴环上的力随着涡轮入口内压力的波动而不利地波动。当涡轮增压器以发动机“启动”模式运行以及以发动机“制动”模式运行时都会出现该力的波动。例如，在制动模式中力的波动可导致所产生的阻断扭矩不希望的波动。

术语“启动”模式和“制动”模式为本领域技术人员所熟知。

发明概述

本发明的目标在于消除或减轻上述缺陷。