[发明专利]具有滑动闸门以及多个蜗壳的简化的可变几何形状涡轮增压器

说明书

技术领域

本发明是针对能够保持排气速度以及脉冲能量的一种低成本涡轮机流动控制装置的设计。该低成本涡轮增压器与低速流动状况相配合，以便为低速流动提供优化的涡轮(以及因此发动机)的瞬态响应，同时在低速流动状态之外还能够在同一个成本有效的涡轮增压器中输送发动机所要求的高速流动。

背景技术

涡轮增压器是一种强制性进气系统它们将空气以与在正常吸气布置中将有可能情况相比更大的密度传送到发动机进气系统、从而允许燃烧更多的燃料，因此在没有明显增压发动机重量的情况下提升了发动机的马力。这能够使用一台较小的涡轮增压的发动机来替代一台较大物理尺寸的正常吸气的发动机，因此减少了车辆的质量以及空气动力学的前端面积。

涡轮增压器(图1)使用来自发动机排气歧管的排气流100(该排气流在涡轮机壳体2的涡轮机入口51处进入涡轮机壳体)来驱动一个涡轮机叶轮70，该涡轮机叶轮位于一个涡轮机壳体50内。该涡轮机叶轮被稳固地附着到一个轴上，该轴的另一端包括一个压缩机叶轮，该压缩机叶轮被安装到该轴上并且通过来自一个压缩机螺母的夹紧负载而保持在适当的位置中。该涡轮机叶轮的主要功能是提供驱动该压缩机的旋转能量。一旦排气已经通过涡轮机叶轮70并且涡轮机叶轮已经从该排气中提取了能量，用过的排气101通过出口导流器52从涡轮机壳体2排出并且被输送到车辆下行管并且通常到一些后处理装置上，如催化转化器、微粒和NO_x收集器。

由涡轮机阶段产生的动力是穿过涡轮机阶段的膨胀比的一个函数。这就是从涡轮机入口51与涡轮机出口导流器52的膨胀比。除其他参数外，涡轮机动力的范围是通过该涡轮机阶段的气流的一个函数。

压缩机段包括一个叶轮以及其壳体。过滤的空气通过压缩机叶轮20的旋转被轴向地抽取到压缩机盖件10的入口11中。由涡轮机阶段产生的到达轴和叶轮上的动力驱动压缩机叶轮20以产生静态压力与一些剩余动能和热量的一种组合。被加压的气体穿过压缩机排放口12从压缩机盖件10排出并且通常经由一个中冷器被传送到发动机进气中。

涡轮机阶段的设计是以下各项的一种折衷，即：在发动机运行包络线中在不同流动状况下用来驱动压缩机所要求的动力；该阶段的空气动力学设计；旋转组件的惯量，其中，涡轮机的惯量是一个大的部分，因为涡轮机叶轮典型地由铬镍铁合金(它具有的密度是压缩机叶轮的铝的密度3倍)制造的；影响该设计的结构以及材料方面的涡轮增压器的运行周期；以及相对于叶片激励而言该涡轮机叶轮的上游以及下游的近场作用(near field)。

涡轮机壳体的物理设计的一部分是一个蜗壳，其功能是用来控制到涡轮叶轮的这些进入状态，这样这些进入流动状态提供了与优化的瞬态响应特征相结合的从排气中的能量到由该涡轮机叶轮产生的动力的最有效的动力传递。理论上讲，来自发动机的进入的排气流是以一种均匀的方式从该蜗壳被传送到聚集在涡轮机叶轮轴线上的一个涡流上。为了做到这一点，该蜗壳的截面面积在垂直于流动的方向上处于一个最大值并且逐渐并连续地减少直到它变为零。蜗壳的内边界可以是由基圆定义的一个完美的圆；或者在某些情况下，如一个双蜗壳，它可以描绘一条螺旋线，其最小直径不小于该涡轮机叶轮直径的106％。该蜗壳在如在图4中描绘的通过“X-Y”轴线定义的一个平面中是由蜗壳的外边界的减少的半径以及由如以上说明的内边界定义的，并且在如在图8中描绘的，在每个位置的截面区域，在穿过“Z”轴线的平面中。“Z”轴线垂直于由“X-Y”轴线定义的平面并且还沿着该涡轮机叶轮的轴线。

该蜗壳的设计发展开始于切面“A”，该切面被定义为对于该蜗壳的基准。该基准被定义为高于该涡轮机壳体的“X”轴线的一个“P”度的角度处的切面，该涡轮机壳体包含该蜗壳形状的“X”轴线、“Y”轴线以及“Z”轴线的细节。