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可变几何形状涡轮

可变几何形状涡轮

一种几何形状可变的涡轮具有在可动壁件(7)的径向壁和涡轮壳体(3)的面对壁(9)之间形成的一个环形输入通道(6)。可动壁件(7)安装在作在壳体(3)内的并具有内、外部环形表面的一个环形空腔(22)内。密封圈(26)安置在可动壁件的环形法兰(21)和空腔的相邻的内部或外部环形表面之间。输入旁通通道(32)作在环形法兰(21)或所述相邻的空腔表面上,当可动壁件移动时,密封圈(26)和旁通通道(32)彼此相对作轴向移动。密封圈(26)和旁通通道(32)轴向安置,使得当环形壁件(7)接近壳体(3)的面对壁(9)时,旁通通道(32)允许废气通过所述空腔流至涡轮叶轮(12),从而使环形输入通道(6)旁通。

也如上所述,采用这种结构时,在排气制动条件下,输入通道的最小宽度受到需要避免发动机气缸中不可接受的高压力的限制。图2a和2b表示根据本发明对图1所示的涡轮增压器的改进。只有为了理解本发明需要说明的涡轮零件才表示在图2a和2b中,该圆为分别表示喷嘴环在完全打开和完全关闭位置的涡轮增压器的喷嘴环/输入通道区域的放大图。喷嘴环8的改进是,在圆周上作出一组通过径向的外部法兰21的孔32.孔32的位置是这样:除了喷嘴环6接近孔32通过密封團(如图2b所示)26的关闭位置以外,孔32位于远离输入通道6(如图2a所示)密封團26的側面上。这就打开了旁通流动通道,使一些废气可通过空腔22,而不是通过输入通道6,从输入腔4流动至涡轮叶轮12。使输入通道6和喷嘴叶片10旁通的废气流所作的功,比流过输入通道6的废气流所作的功小,因为叶片IO使废气流沿切线方向转动。换句话说,当孔32与输入通道6连通时,涡轮增压器的效率立即降低,压缩机输出流的压力(增压压力)降低,因而发动机汽缸的压力降低。这样,采用本发明,作出输入旁通孔32,在正常工况下,对涡轮增压器的效率没有影响,但当涡轮在发动机制动模式下工作和输入通道减小至最小时,孔32可使输入通道尺寸比现有技术的输入通道减小更多,而不会使发动机气缸的压力过大。这可以改善发动机的制动性能。可以理解,适当地选择孔32的数目,尺寸,形状和位置,可以预先确定对涡轮增压器的效率降低的影响。图3a和3b表示本发明的第二个实施例。如同图2a和2b—样,只表示了涡轮的喷嘴环/输入通道区域的详细结构。在图3a和3b中使用在图1和图2中所用的相同标号。图3a和3b表示将本发明应用在几个方面与图1的涡轮不同的另外一个普通涡轮中。笫一,喷嘴叶片10安装在喷嘴环8上,并延伸跨越输入通道6和通过在遮盖板34上作出的相应的槽,进入空腔33中。该遮盖板34与喷嘴环8的径向壁7一起,限定输入通道6的宽度。这是一种众所周知的结构。第二,根据欧洲专利0654587号的说明,通过喷嘴环8的径向壁7,作有压力平衡孔35,并且,安置在作在壳体3的径向环形内面部分24上的环形槽中的相应的密封團36,使内部环形法兰20相对于壳体3

减少时,输入通道的宽度也可以减小。这种喷嘴环基本上包括一个沿径向延伸的壁,和沿轴向延伸的内部和外部环形法兰。环形法兰伸入在涡轮壳体中形成的一个环形空腔中(该壳体的一部分实际上由轴承形成),该涡轮壳体可容纳喷嘴环的轴向移动。喷嘴环可以带有叶片。该叶片伸入输入通道中,并通过在输入通道的面对壁上作出的槽,以便适应喷嘴环的移动。另一种方案是,叶片可以穿过在喷嘴环上作出的槽从固定的壁伸出。一般,喷嘴环支承在与涡轮叶轮的回转轴线平行延伸的杆上,并且被沿轴向移动该杆的作动器带动移动。在几何形状可变的涡轮中,使用各种形式的作动器,包括气动、液压和电气作动器。这些作动器安装在涡轮增压器的外面,并通过相应的连杆与几何形状可变的涡轮连接。除了优化涡轮增压器性能的几何形状可变的涡轮的通常控制以外,还可利用减小涡轮增压器入口以形成排气制动功能的有利条件。各种形式的排气制动系统广泛地装在汽车发动机系统,特别是为大型汽车(例如卡车)提供的压缩点火发动机(柴油机)中。通常的排气制动系统包括一个在从发动机出来的排气管路中的阀。当该阀工作时,它基本上堵塞发动机的排气(完全堵塞排气管路会使发动机停转)。这样就形成背压,它产生制动力,阻止发动机转动。该制动力通过汽车驱动系统,送至汽车轮子上。排气制动可以用来增强作用在汽车轮子上的通常的摩擦制动器的作用,或者在某些情况下,与正常的车轮制动系统独立地使用,以控制(例如)汽车的下山速度。在某些排气制动系统中,当发动机的节流阀关闭时(即当司机从节流阀踏板上提起脚时),制动器自动起动;而在另一些情况下,排气制动器可能要求司机手动起动-例如压下单独的制动器踏板。排气制动阀一般是可以控制的,以调节制动效果-例如保持汽车速度固定不变。利用几何形状可变的涡轮,不需要设置单独的排气制动阀。当需要制动时,可将涡轮的输入通道关闭至其流动面积为最小。通过适当控制喷嘴环的轴向位置(或其他几何形状可变的机构)来控制输入通道的尺寸,可以调节制动力。虽然不需要设置单独的排气制动阀有优点,但又有与几何形状可变的涡轮工作时排气制动模态有关的问题。特别是在现代效率很高的涡轮中,当输入通道的宽度减小至最小时,仍有较大的空气流量输送至发动机中。这会导致若输入通道关闭

太早会使发动机气缸中的压力接近或超过可接受的极限。因此,实际上在制动时,对输入通道可以关闭的程度有限制,这又限制了通常的几何形状可变的涡轮的控制可以形成的有效制动.发明内容本发明的目的是要避免或减轻上述的缺点.根据本发明提供了一种几何形状可变的涡轮,它包括被支承在壳体中围绕涡轮轴线转动的一个涡轮叶轮,沿径向向内向涡轮叶轮延伸的一个环形输入通道,该环形输入通道在一个可动壁件的径向壁和该壳体面对壁之间形成,该可动壁件被安装在设在该壳体内的环形空腔内,并具有环形内表面和外表面,该壁件可在每一和第二个位置之间轴向移动,以改变该输入通道的宽度,所述第二个轴向位置比第一个轴向位置更接近所述壳体的所述面对壁,该可动壁件的第一环形法兰沿离开所述壳体的面对壁方向沿轴向从该径向壁伸入所述空腔中,一第一环形密封團配置在该空腔的所述笫一环形法兰和该相邻的环形内表面或外表面之间,所述第一环形密封團被安装在该空腔的所述第一环形法兰或所述相邻的环形表面中的一个上,其中,在所述第一环形法兰和所述相邻空腔表面中的另一个上设置一个或多个入口旁通通道,使得随着该可动壁件在所述第一和第二位置之间移动,所述第一环形密封團和旁通通道彼此相对作轴向移动,并且其中,所述笫一环形密封團和该旁通通道或每个旁通通道是轴向配置的使得当该壁件在所述笫一位置时,该密封團能防止废气流过该空腔,但当所述可动壁件在第二位置时,该旁通通道或每个旁通通道允许废气流过所述空腔,流至涡轮叶轮,从而将该环形入口通道旁通。附图说明现在,参照附图,只利用例子来说明本发明的实施例。其中:图1为现在技术的涡轮增压器的橫截面图;图2a和2b表示根据本发明的图1所示的涡轮增压器的改进;图3a和3b表示本发明的第二个实施例;和图4a和4b示意性地表示本发明的第三个实施例。具体实施方式图1表示在美国专利5044880号中所述的一个已知的涡轮增压器。该涡轮增压器包括涡轮级1和压缩机级2。涡轮级l为一个几何形状可变的涡轮,它包括一个涡轮壳体3,该壳体形成一个将内燃机(没有示出)的废气输送至其中的蜗壳或输入腔4。废气从输入腔4,通过一个环形输入通道6流至输出通道5.该输入通道的一个侧面由称为由喷嘴环的一个可动的环形件8的径向壁7构成,而其另一个側面,由壳体3的面对的径向壁9构成。一组喷嘴叶片10穿过在喷嘴环8上的槽,从叶片支承圆环延伸,跨越输入通道6。该叶片支承圓环安装在支承销12上。这种结构是,使叶片10跨越输入通道6的程度,可独立于喷嘴环8控制,这里不作详细说明。从输入通道流至输出通道5的气体,通过涡轮叶轮12。结果,该涡轮叶轮通过在位于轴承16内的轴承组件15上转动的涡轮增压器的轴14,驱动压缩机叶轮13。轴承16使涡轮壳体2与压缩机壳体17连接。压缩机叶轮13的转动,通过压缩机入口18吸入空气,并通过出口蜗壳19,将压缩空气输送至发动机(没有示出)入口,轴承还可安置供油和密封装置,其详细情况对了解本发明是必需的。喷嘴环8包括一个径向延伸的构成径向壁7的环形部分和在轴向延伸的内、外部环形法兰20和21。该内、外部环形法兰分别伸入在涡轮壳体3中作出的一个环形空腔22中。采用图示的涡轮结构,空腔22的大部分由轴承16构成-在这种情况下,这纯粹是采用本发明的特定涡轮增压器结构的结果,并且对于本发明,在这一点上,涡轮壳体和轴承没有区别。空腔22有一个在径向的内、外部环形表面24和25之间的形成的沿径向延伸的环形开口23。密封團26安置在作在外部环形表面25上的环形槽中,并支承在喷嘴环8的外部环形法兰21上,以防止废气通过空腔22而不是通过输入通道6流过涡轮。气动作动器27工作,可通过作动器输出轴28控制喷嘴环8的位置。该作动器的输出轴与一个镫形件29连接。该镫形件再与通过连接板31,支承喷嘴环8的轴向延伸的导向杆30(图中只看见一根杆)30接合。因此,适当地控制作动器27,可以控制导向杆,因而也是喷嘴环8的轴向位置。图1表示喷嘴环8在完全打开的位置,这时,输入通道6的宽度最大。如上所述,当需要制动力时,通过将输入通道6关闭至最小宽度,则如图1所示的几何形状可变的涡轮可起排气制动器的作用。然而,

太早会使发动机气缸中的压力接近或超过可接受的极限。因此,实际上在制动时,对输入通道可以关闭的程度有限制,这又限制了通常的几何形状可变的涡轮的控制可以形成的有效制动.发明内容本发明的目的是要避免或减轻上述的缺点.根据本发明提供了一种几何形状可变的涡轮,它包括被支承在壳体中围绕涡轮轴线转动的一个涡轮叶轮,沿径向向内向涡轮叶轮延伸的一个环形输入通道,该环形输入通道在一个可动壁件的径向壁和该壳体面对壁之间形成,该可动壁件被安装在设在该壳体内的环形空腔内,并具有环形内表面和外表面,该壁件可在每一和第二个位置之间轴向移动,以改变该输入通道的宽度,所述第二个轴向位置比第一个轴向位置更接近所述壳体的所述面对壁,该可动壁件的第一环形法兰沿离开所述壳体的面对壁方向沿轴向从该径向壁伸入所述空腔中,一第一环形密封團配置在该空腔的所述笫一环形法兰和该相邻的环形内表面或外表面之间,所述第一环形密封團被安装在该空腔的所述第一环形法兰或所述相邻的环形表面中的一个上,其中,在所述第一环形法兰和所述相邻空腔表面中的另一个上设置一个或多个入口旁通通道,使得随着该可动壁件在所述第一和第二位置之间移动,所述第一环形密封團和旁通通道彼此相对作轴向移动,并且其中,所述笫一环形密封團和该旁通通道或每个旁通通道是轴向配置的使得当该壁件在所述笫一位置时,该密封團能防止废气流过该空腔,但当所述可动壁件在第二位置时,该旁通通道或每个旁通通道允许废气流过所述空腔,流至涡轮叶轮,从而将该环形入口通道旁通。附图说明现在,参照附图,只利用例子来说明本发明的实施例。其中:图1为现在技术的涡轮增压器的橫截面图;图2a和2b表示根据本发明的图1所示的涡轮增压器的改进;图3a和3b表示本发明的第二个实施例;和图4a和4b示意性地表示本发明的第三个实施例。具体实施方式图1表示在美国专利5044880号中所述的一个已知的涡轮增压器。该涡轮增压器包括涡轮级1和压缩机级2。涡轮级l为一个几何形状可变的涡轮,它包括一个涡轮壳体3,该壳体形成一个将内燃机(没有示出)的废气输送至其中的蜗壳或输入腔4。废气从输入腔4,通过一个环形输入通道6流至输出通道5.该输入通道的一个侧面由称为由喷嘴环的一个可动的环形件8的径向壁7构成,而其另一个側面,由壳体3的面对的径向壁9构成。一组喷嘴叶片10穿过在喷嘴环8上的槽,从叶片支承圆环延伸,跨越输入通道6。该叶片支承圓环安装在支承销12上。这种结构是,使叶片10跨越输入通道6的程度,可独立于喷嘴环8控制,这里不作详细说明。从输入通道流至输出通道5的气体,通过涡轮叶轮12。结果,该涡轮叶轮通过在位于轴承16内的轴承组件15上转动的涡轮增压器的轴14,驱动压缩机叶轮13。轴承16使涡轮壳体2与压缩机壳体17连接。压缩机叶轮13的转动,通过压缩机入口18吸入空气,并通过出口蜗壳19,将压缩空气输送至发动机(没有示出)入口,轴承还可安置供油和密封装置,其详细情况对了解本发明是必需的。喷嘴环8包括一个径向延伸的构成径向壁7的环形部分和在轴向延伸的内、外部环形法兰20和21。该内、外部环形法兰分别伸入在涡轮壳体3中作出的一个环形空腔22中。采用图示的涡轮结构,空腔22的大部分由轴承16构成-在这种情况下,这纯粹是采用本发明的特定涡轮增压器结构的结果,并且对于本发明,在这一点上,涡轮壳体和轴承没有区别。空腔22有一个在径向的内、外部环形表面24和25之间的形成的沿径向延伸的环形开口23。密封團26安置在作在外部环形表面25上的环形槽中,并支承在喷嘴环8的外部环形法兰21上,以防止废气通过空腔22而不是通过输入通道6流过涡轮。气动作动器27工作,可通过作动器输出轴28控制喷嘴环8的位置。该作动器的输出轴与一个镫形件29连接。该镫形件再与通过连接板31,支承喷嘴环8的轴向延伸的导向杆30(图中只看见一根杆)30接合。因此,适当地控制作动器27,可以控制导向杆,因而也是喷嘴环8的轴向位置。图1表示喷嘴环8在完全打开的位置,这时,输入通道6的宽度最大。如上所述,当需要制动力时,通过将输入通道6关闭至最小宽度,则如图1所示的几何形状可变的涡轮可起排气制动器的作用。然而,

减少时,输入通道的宽度也可以减小。这种喷嘴环基本上包括一个沿径向延伸的壁,和沿轴向延伸的内部和外部环形法兰。环形法兰伸入在涡轮壳体中形成的一个环形空腔中(该壳体的一部分实际上由轴承形成),该涡轮壳体可容纳喷嘴环的轴向移动。喷嘴环可以带有叶片。该叶片伸入输入通道中,并通过在输入通道的面对壁上作出的槽,以便适应喷嘴环的移动。另一种方案是,叶片可以穿过在喷嘴环上作出的槽从固定的壁伸出。一般,喷嘴环支承在与涡轮叶轮的回转轴线平行延伸的杆上,并且被沿轴向移动该杆的作动器带动移动。在几何形状可变的涡轮中,使用各种形式的作动器,包括气动、液压和电气作动器。这些作动器安装在涡轮增压器的外面,并通过相应的连杆与几何形状可变的涡轮连接。除了优化涡轮增压器性能的几何形状可变的涡轮的通常控制以外,还可利用减小涡轮增压器入口以形成排气制动功能的有利条件。各种形式的排气制动系统广泛地装在汽车发动机系统,特别是为大型汽车(例如卡车)提供的压缩点火发动机(柴油机)中。通常的排气制动系统包括一个在从发动机出来的排气管路中的阀。当该阀工作时,它基本上堵塞发动机的排气(完全堵塞排气管路会使发动机停转)。这样就形成背压,它产生制动力,阻止发动机转动。该制动力通过汽车驱动系统,送至汽车轮子上。排气制动可以用来增强作用在汽车轮子上的通常的摩擦制动器的作用,或者在某些情况下,与正常的车轮制动系统独立地使用,以控制(例如)汽车的下山速度。在某些排气制动系统中,当发动机的节流阀关闭时(即当司机从节流阀踏板上提起脚时),制动器自动起动;而在另一些情况下,排气制动器可能要求司机手动起动-例如压下单独的制动器踏板。排气制动阀一般是可以控制的,以调节制动效果-例如保持汽车速度固定不变。利用几何形状可变的涡轮,不需要设置单独的排气制动阀。当需要制动时,可将涡轮的输入通道关闭至其流动面积为最小。通过适当控制喷嘴环的轴向位置(或其他几何形状可变的机构)来控制输入通道的尺寸,可以调节制动力。虽然不需要设置单独的排气制动阀有优点,但又有与几何形状可变的涡轮工作时排气制动模态有关的问题。特别是在现代效率很高的涡轮中,当输入通道的宽度减小至最小时,仍有较大的空气流量输送至发动机中。这会导致若输入通道关闭

减少时,输入通道的宽度也可以减小。这种喷嘴环基本上包括一个沿径向延伸的壁,和沿轴向延伸的内部和外部环形法兰。环形法兰伸入在涡轮壳体中形成的一个环形空腔中(该壳体的一部分实际上由轴承形成),该涡轮壳体可容纳喷嘴环的轴向移动。喷嘴环可以带有叶片。该叶片伸入输入通道中,并通过在输入通道的面对壁上作出的槽,以便适应喷嘴环的移动。另一种方案是,叶片可以穿过在喷嘴环上作出的槽从固定的壁伸出。一般,喷嘴环支承在与涡轮叶轮的回转轴线平行延伸的杆上,并且被沿轴向移动该杆的作动器带动移动。在几何形状可变的涡轮中,使用各种形式的作动器,包括气动、液压和电气作动器。这些作动器安装在涡轮增压器的外面,并通过相应的连杆与几何形状可变的涡轮连接。除了优化涡轮增压器性能的几何形状可变的涡轮的通常控制以外,还可利用减小涡轮增压器入口以形成排气制动功能的有利条件。各种形式的排气制动系统广泛地装在汽车发动机系统,特别是为大型汽车(例如卡车)提供的压缩点火发动机(柴油机)中。通常的排气制动系统包括一个在从发动机出来的排气管路中的阀。当该阀工作时,它基本上堵塞发动机的排气(完全堵塞排气管路会使发动机停转)。这样就形成背压,它产生制动力,阻止发动机转动。该制动力通过汽车驱动系统,送至汽车轮子上。排气制动可以用来增强作用在汽车轮子上的通常的摩擦制动器的作用,或者在某些情况下,与正常的车轮制动系统独立地使用,以控制(例如)汽车的下山速度。在某些排气制动系统中,当发动机的节流阀关闭时(即当司机从节流阀踏板上提起脚时),制动器自动起动;而在另一些情况下,排气制动器可能要求司机手动起动-例如压下单独的制动器踏板。排气制动阀一般是可以控制的,以调节制动效果-例如保持汽车速度固定不变。利用几何形状可变的涡轮,不需要设置单独的排气制动阀。当需要制动时,可将涡轮的输入通道关闭至其流动面积为最小。通过适当控制喷嘴环的轴向位置(或其他几何形状可变的机构)来控制输入通道的尺寸,可以调节制动力。虽然不需要设置单独的排气制动阀有优点,但又有与几何形状可变的涡轮工作时排气制动模态有关的问题。特别是在现代效率很高的涡轮中,当输入通道的宽度减小至最小时,仍有较大的空气流量输送至发动机中。这会导致若输入通道关闭

可变几何形状涡轮

一种可变几何形状涡轮机,包括:支撑在外壳中的涡轮机叶轮,用于围绕涡轮机轴线旋转;其中:环形入口通路限定在喷嘴环的径向面与外壳的面对壁之间。该喷嘴环可沿涡轮机轴线移动,以改变入口通路的宽度,并具有容纳在面对壁中的对应狭槽中的叶片的圆周排列。每个叶片具有在其主表面中限定的凹陷,使得:在喷嘴环关于面对壁的预定轴向位置处,该凹陷与狭槽轴向对准,并实现经过入口通路的排放气体泄露通路。该凹陷被构造以在适合发动机制动或排放气体加热模式的小入口间隙时的涡轮效率。

开口可采用狭槽形式。每个狭槽可被设计成以滑动配合容纳相应的叶片,以密封它们之间的气体通路。

不论在发动机制动模式(具有或没有减压制动系统)或排放气体加热模式中操作,将喷嘴环位置控制在极小入口宽度可能是有问题的,因为随着它接近关闭位置,在喷嘴环上的负载可能存在快速增加。甚至对于提供上述压力平衡孔,当喷嘴环接近入口的相对壁时,存在喷嘴环“快速”关闭的趋势。另外,它可需要极大的力以打开当在完全关闭位置中时靠着入口相对壁的喷嘴环。此外,当喷嘴环在完全关闭位置中时,可能很难保证:总存在经过涡轮的最优最小流。

Description

该预定位置可以是位置,其中:该环形入口通路基本关闭。

具体实施方式

从入口腔室7流到出口通路8的排放气体经过涡轮机叶轮5,以引起其旋转,并且因此,扭矩被应用于轴4以驱动压缩机叶轮6。该压缩机外壳2内的压缩机叶轮6的旋转压缩在空气入口22中存在的周围空气,并将受压空气传送到空气出口螺旋管23,从那里,它被馈送到内燃机(未显示)。该涡轮机叶轮5的速度取决于经过环形入口通路9的气体的速度。对于流入入口通路的气体的固定质量速度,该气体速度是喷嘴环11与罩12之间的限定通路9的间隙的函数,并且可通过控制喷嘴环11的轴向位置调节(随着入口通路9间隔减小,经过它的气体的速度增加)。在图I中,环形入口通路9显示完全敞开。通过将喷嘴环11的面10移动向罩板12,该入口通路9可被关闭到适合不同操作模式的最小间隙。

技术领域

致动器(未显示)可操作以经由致动器输出轴(未显示)控制喷嘴环11的位置,致动器输出轴被连接到箍筋部件15。该箍筋部件15接着接合支撑喷嘴环11的轴向延伸的引导杆16。相应地,利用致动器的适合控制(例如可以气压、水压或电),引导杆16的轴向位置和喷嘴环11的轴位置能够得到控制。应该认识到:喷嘴环装配和引导装置的细节可能与所示的那些不同。

附图说明

根据本发明的涡轮可包括如EP1435434中教导的提供围绕入口的旁路气流的结构以当喷嘴环在关闭位置中时减小涡轮的效率。

除了在发动机点火模式(其中燃料供应给发动机用于燃烧)中,使可变几何形状涡轮增压器的气体流最优的传统控制,还已知利用该设备以使涡轮增压器入口面积最小,以在发动机制动模式(其中不供应燃烧燃料)中提供发动机制动功能,其中:入口通路被减小为与正常发动机点火模式操作范围相比更小的面积。

典型地,该喷嘴环可包括径向延伸壁(限定入口通路的一个壁)和延伸入喷嘴环的径向面后的环形腔的轴向延伸的径向内与外壁或凸缘。该腔形成在一部分涡轮增压器外壳(通常或者涡轮机外壳或涡轮增压器承载外壳)中并容纳喷嘴环的轴向移动。凸缘可相对于腔壁密封,以减小或防止围绕喷嘴环的后面的泄漏流。在一种普通装置中,该喷嘴环被支撑在与涡轮机叶轮的旋转轴线平行延伸的杆上,并由轴向移位该杆的致动器移动。

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