可變輪廓的渦輪機的制作方法

專利名稱：可變輪廓的渦輪機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可變輪廓的渦輪機，特別涉及一種適用于內燃機的渦輪增壓器的渦輪機類型。更特別的是本發明改進了用于具有廢氣循環系統的內燃機的渦輪增壓機。
背景技術：
可變輪廓的渦輪機是已知的并且通常包括一個其中安裝渦輪機葉輪的渦輪室，一個圍繞渦輪室設置的環形進氣通道，一個圍繞進氣通道設置的進氣室，以及一個從渦輪室延伸的排氣通道，通道與室相連通，以致于進入進氣室的壓縮空氣借助渦輪室，通過進氣通道流入排氣通道。在一種通常的可變輪廓的渦輪機的類型中，進氣通道的一個壁由一個可移動的壁構件來確定，它通常被稱為“噴嘴環”，它相對于進氣通道的一個正面的壁的位置可調節以控制進氣通道的寬度。進氣通道的寬度可變，從而使渦輪機的輪廓可變，以使流過進氣通道的寬度變窄的渦輪機的廢氣的容量也降低了，以保持廢氣的速度，從而保持渦輪機的效率。
公知的還有通過在進氣通道中提供葉片，如排氣葉片，來提高渦輪機的效率，以使流過進氣通道的廢氣朝著渦輪機葉輪的旋轉方向偏斜。排氣葉片被設置在固定輪廓的渦輪機和可變輪廓的渦輪機中。在可變輪廓的渦輪機中，葉片的構造使可變輪廓的渦輪機的結構復雜化了，尤其是要確保葉片總是橫跨進氣通道的整個寬度延伸。
例如，在美國專利US4499732中，描述了一種可變輪廓的構造，其中葉片的位置固定，但是它通過在可移動的噴嘴環中的切口延伸。因此，由于是通過噴嘴環的運動以控制進氣通道的寬度，所以葉片將一直橫跨整個寬度而延伸。
其它可變輪廓的結構例如在美國專利US4292807，英國專利GB-A-1138941和GB-A-2044860中被描述了。這些說明書描述了各種構造，其中排氣葉片從一個可移動的噴嘴環延伸進入在進氣通道正面的壁上的切口中。這種構造還確保葉片一直橫跨通道的整個寬度而延伸，甚至當通道全開時也是這樣。
雖然排氣葉片的構造確定渦輪機的最佳效率，但是葉片的不利之處是使渦輪機有效進氣面積的減少，從而使通過渦輪機的最大廢氣流速比沒有葉片時可能產生的最大流速小。美國專利US4973223描述了一種可變輪廓的渦輪機，其中噴嘴環能夠“過度打開”，即超過額定的整個進氣通道的寬度范圍內撤回，并且這時葉片至少部分地從進氣通道縮回。由于葉片縮回，所以渦輪機的效率下降，但是最大流速的增加能使發動機的轉速在較寬的范圍內與渦輪機配合。雖然由于葉片從進氣通道縮回，使渦輪機效率開始下降，但是效率還可以比渦輪機在低流速范圍所達到的大。因此，所控制的葉片的縮回基本上能夠改變渦輪機的流量效率曲線，這樣對于一給定的流量范圍，平均的渦輪機效率可以提高，避免了在低效率低流量范圍內運行的需求。
通過改進排氣葉片的輪廓用簡單的方式達到同樣的效果也是已知的。本申請制造出一種可變輪廓的渦輪機，其中排氣葉片從一個可移動的噴嘴環延伸進入渦輪機進氣通道的相對的固定的壁中所限定的切口中，而可移動的噴嘴環限定渦輪機進氣通道的一個壁，此噴嘴環還能在超過通道的整個寬度范圍內而過度打開。排氣葉片在它們的徑向內緣上朝向遠離噴嘴環的葉片的端部有一個切口。此切口有效地減少在其寬度范圍內的排氣葉片的高度(排氣葉片平行于渦輪機軸線而延伸的高度，即，它從噴嘴環延伸的程度)。因此有一個朝著每個葉片端部的區域，此端部有一個縮短的弦，即，相對從進氣室到渦輪室的廢氣流量的有效寬度。當噴嘴環是在進氣通道全開的一個開啟的位置時，葉片的縮短的弦部分通過切口延伸。但是，由于噴嘴環過度打開，所以縮短的弦的區域從進氣通道的側壁縮回，以使橫跨進氣通道而延伸的整個葉片的有效面積減少，而渦輪機的臨界流量增加。通過當進氣通道全開時，確保每個葉片縮短的弦的區域被躲藏，使渦輪機的最大的效率不會受到不利的影響。
雖然優良的渦輪機效率明顯是理想的，但是，當渦輪機是用于具有廢氣再循環(EGR)系統的內燃機上時，普通的可變輪廓的渦輪機的設計會產生問題。在EGR系統中，為了減少發動機的排放，從排氣管排出的部分廢氣被再次送入發動機的進氣管而進一步被燃燒。通過對現代高效的可變輪廓的渦輪機的設計，在進氣管中升高的壓力通常超過在排氣管中廢氣的壓力，這使得廢氣，例如，需要專用的EGR泵等，再次進入進氣管。

發明內容
本發明的目的是避免或減少上述的缺點。
本發明提供了一種可變輪廓的渦輪機，它包括一個具有徑向葉片的并且在殼體中繞一個軸線旋轉的渦輪機葉輪，一個徑向向內朝著渦輪機葉輪延伸的環形進氣通道，進氣通道被限定在可移動的壁構件的環形壁和殼體的正面的壁之間，可移動的壁構件相對殼體可移動，以使進氣通道的寬度可變化，還包括一圈環形的橫跨進氣通道延伸的葉片，葉片有前緣和后緣，在前緣和后緣之間限定的寬度和大體與渦輪機葉輪的軸線平行的高度，其中高度在最大到最小之間橫跨葉片的寬度而變化，其中最小的高度比渦輪機葉片頂端的軸向寬度小。
葉片的最小高度最好比進氣通道的最小寬度大。
最小高度最好確定在葉片的后緣處。
葉片的最大高度最好比進氣通道的最大寬度大。
最小高度和最大高度之差最好不小于渦輪機葉片頂端的軸向寬度。
葉片可以有一個最大寬度部分和一個縮小的寬度部分以及一個在兩者之間葉片高度上的急劇的過渡部分。
最大的葉片高度將通常沿著葉片的前緣來限定。例如，葉片的高度可以大致恒定地橫跨葉片的臨近前緣的寬度部分，然后縮短至臨近后緣的最小高度。葉片的高度還可以大致恒定地橫跨葉片的臨近后緣的寬度部分。
本發明另外的較佳的、優越的特征將通過下面的說明得到了解。


現在本發明特定的實施例將通過舉例，參照附圖，進行描述，其中圖1是一個已知的可變輪廓的渦輪機的簡圖；圖2a和2b顯示了圖1的渦輪機的噴嘴環的運動；圖3是圖1所示渦輪機的氣流流量效率曲線圖；圖4a至圖4c表示了本發明的圖1的渦輪機的一個變形；以及圖5是渦輪機的氣流流量與效率的關系曲線，其中示出了圖4a至圖4c的改動的效果。
具體實施例方式
參見圖1，這是一個已知的可變輪廓的渦輪機一部分的徑向剖視的簡圖，它包括一個渦輪機殼體1，此殼體確定一個蝸殼或進氣室2，從內燃機(未示出)排出的廢氣被傳送至此。此廢氣從進氣室2借助一個環形進氣通道4流到一個軸向排氣通道3，此進氣通道的一側由噴嘴環5的徑向面限定，而它的另一側由一個環形屏蔽板6限定，此屏蔽板覆蓋在殼體1的相對的壁中所確定的一個環形的凹槽7的開口上。噴嘴環5可滑動地安裝在一個環形空腔8中，此環形空腔8設置在渦輪機的殼體1中，而且噴嘴環5與環形空腔8之間通過密封環形9進行密封。
噴嘴環5支承一排排氣葉片10，這些排氣葉片從噴嘴環5的正面橫跨進氣通道4而伸出。這些葉片的高度(即葉片10從噴嘴環5的正面軸向延伸的程度)使葉片正好橫跨進氣通道4，并通過在屏蔽板6中適當構成的切口，而進入凹槽7。每個葉片10有一個寬度，或弦長，它由葉片的前緣和后緣之間的距離來確定(即徑向外緣和內緣)。從圖1看出，每個葉片的端部被切下以確定一個有減小的高度和縮短的弦長的部分10a。
在使用中，從進氣室2流到排氣通道3的廢氣越過繞軸線12旋轉的渦輪機葉輪11，把扭矩施加于渦輪增壓器的軸13，此軸驅動壓縮機葉輪(未示出)。渦輪機葉輪11的轉速取決于通過環形進氣通道4的廢氣的速度。就廢氣固定的流速而論，廢氣的速度是進氣通道4的寬度的函數，它能夠通過控制噴嘴環5的軸線位置(即通過如箭頭14所示的前后移動它)來調節。噴嘴環5的運動可以由任何適當的致動裝置來控制。例如，噴嘴環5可以安裝在沿軸向伸出的銷(未示出)上，銷的位置由鐙形(strirrup)構件(未示出)來控制，此鐙形構件與一個氣動的致動器(未示出)相連。由于此致動器系統可以是多種傳統形式中的一種，所以沒有說明一個特別的致動器機構。
在圖1中示出的噴嘴環是在一個“關閉”的位置，進氣通道4的寬度在此位置減至一個最小值。在此位置，將看到噴管葉片10的端部在凹槽7中與殼體1鄰接，葉片的弦長縮短的部分10a整個容納在凹槽7中。
圖2a和圖2b分別顯示了在中間流量位置和最大流量位置處的噴嘴環5。在圖2a所示的中間流量位置，將看到噴嘴環5被部分地撤回進入空腔8以使噴嘴環5的正面與殼體壁齊平，并且進氣通道4處于最大寬度。對于最大效率，通常被理解為葉片的高度應與渦輪機葉輪的葉片頂部11a的寬度相等或比葉片頂部的寬度要大。因此，葉片10這樣被構成，以使當進氣通道如圖2a所示被全部打開時，葉片的最小高度足以橫跨進氣通道4而延伸。在此只是葉片10的弦長縮短的部分10a被容納到凹槽7中。
但是，渦輪機的臨界流量能夠通過進一步把噴嘴環5撤回到空腔8中而增加，以使葉片的弦寬縮短的部分10a至少部分地從凹槽7縮回以平放在進氣通道4中。阻隔通過進氣通道4的廢氣流量的整個葉片區域因此而減小。最大流量位置在圖2b中已示出。
表示用于如圖1中所示的渦輪機的氣流特征與效率之間的關系在圖3中被示出。這顯示出當噴嘴環5是關閉位置附近時，在低流速處此效率是好的(雖然相對低)，并且在中流速位置附近增加到高點。然后隨著排氣葉片10的弦縮短的部分被帶入進氣通道，此效率下降，在圖2b所示的最大流量位置達到最小效率。
圖4a到圖4b示出了圖1和圖2中所示的葉片輪廓的一種變形，從而改進了本發明的渦輪機的效率特性。特別的是，在葉片20端部的開口尺寸增加以使每個葉片沿它的后緣的最小高度小于渦輪機葉片11a頂部的寬度。結果是甚至當進氣通道4不全開時，葉片20的弦長縮短的部分20a進入進氣通道4而延伸。
如圖4a所示，在本發明的所述的實施例中，當噴嘴環是處于關閉位置時，縮短的葉片的高度不產生效果，這是由于葉片的最小高度足以橫跨進氣孔4的最小位置而延伸。但是，由于噴嘴環5縮進空腔8，所以在噴嘴環5到達中間流量位置時，每個葉片20的弦長的縮短的部分20a從凹槽7縮回。因此，在如圖5b所述的中間流量位置，葉片20的弦長縮短的區域20a至少已經部分地置于進氣通道4中。噴嘴環5進一步的進入空腔8中的撤回使噴嘴環的弦長的縮短部分從凹槽7中縮回的更多，直到在圖4c所示的最大流量位置，葉片20的弦長縮短的部分橫跨渦輪機葉片頂部11a的整個寬度而延伸。
圖5中示出了圖3所示的效率與流量之間的關系曲線改動后的效果。由此，將看出在低流量狀態和最大流量狀態，渦輪機的效率不受大的影響，但是最高效率降低了。發現最高效率的降低大致與葉片切口部分的增大成正比。因此，能夠通過切口適當的尺寸和構造準確地達到由流量特性表示的特定的效率。
由于減少排放的同時使用于較佳燃料消耗的空/燃比最小，這能使用于廢氣再循環的發動機進氣管和排氣管的狀態達到最佳，所以當本發明適用于有EGR系統的內燃機的渦輪增壓器的渦輪機時有特別的優點。這通過減小渦輪機的效率來實現，此效率由噴嘴環的簡單的改進來精確地進行控制，而不需要任何額外的部件或輪廓控制機構。
葉片切口的輪廓和尺寸可以依賴于所需的渦輪機的特性在寬的范圍內變化是可以想到的。
還應想到的是，本發明適用于可變輪廓的渦輪機，其中葉片的位置通過在葉片上滑動的可移動的噴嘴環進行固定。這里，切口能夠被定位，以使噴嘴環縮回以打開進氣通道，它顯示了葉片的縮短的弦長部分的一個增加的量。
其它可能的改進對于本領域的技術人員來說是顯而易見的。
權利要求
1.一種可變輪廓的渦輪機，它包括一個具有徑向葉片的并且在殼體中繞一個軸線旋轉的渦輪機葉輪，一個徑向向內朝著渦輪機葉輪延伸的環形進氣通道，所述進氣通道被限定在一個可移動的壁構件的環形壁和所述殼體的一個正面的壁之間，所述可移動的壁構件相對所述殼體可移動，以使所述進氣通道的寬度可變化，還包括一圈環形的橫跨所述進氣通道而延伸的葉片，所述葉片有前緣和后緣及在前緣和后緣之間限定的寬度和大體與所述渦輪機葉輪的軸線平行的高度，其中所述高度橫跨所述葉片的寬度在最大到最小之間變化，最小的高度比所述渦輪機葉片頂端的軸向寬度小。
2.如權利要求1所述的可變輪廓的渦輪機，其特征在于，這些葉片的最小高度比所述進氣通道的最小寬度大。
3.如權利要求2所述的可變輪廓的渦輪機，其特征在于，所述最小高度限定在所述葉片后緣處。
4.如上述任一項權利要求所述的可變輪廓的渦輪機，其特征在于，所述葉片的最大高度比所述進氣通道的最大寬度大。
5.如上述任一項權利要求所述的可變輪廓的渦輪機，其特征在于，所述最小的高度和所述最大的高度之差不比所述渦輪機葉片頂端的軸向寬度小。
6.如上述任一項權利要求所述的可變輪廓的渦輪機，其特征在于，所述葉片有一個最大寬度的部分和一個寬度減小的部分以及一個在兩者之間葉片的高度急劇的過渡部分。
7.如上述任一項權利要求所述的可變輪廓的渦輪機，其特征在于，所述最大的高度沿所述葉片的前緣被限定。
8.如權利要求7所述的可變輪廓的渦輪機，其特征在于，所述葉片的高度大致恒定地橫跨所述葉片臨近所述前緣的寬度部分，然后臨近所述后緣縮短至所述最小高度。
9.如權利要求8所述的可變輪廓的渦輪機，其特征在于，所述葉片的高度大致恒定地橫跨所述葉片臨近所述后緣的寬度部分。
10.如權利要求9所述的可變輪廓的渦輪機，其特征在于，所述葉片被所述可移動的壁構件支承。
11.如權利要求10所述的可變輪廓的渦輪機，其特征在于，所述渦輪機殼體的正面的壁具有一個環形的凹槽，通過所述可移動的壁構件朝著所述正面的壁移動來容納所述葉片。
12.如權利要求11所述的可變輪廓的渦輪機，其特征在于，所述的環形凹槽由一個具有切口的蓋覆蓋以容納所述葉片。
13.一種如上述任一項權利要求所述的可變輪廓的渦輪機，其特征在于，所述的可移動的壁構件被安裝在所述殼體中的一個環形的空腔中，當所述可移動的壁構件的環形壁與所述空腔的開口齊平地放置時，所述最大的進氣通道的寬度被確定，并且其中所述壁構件可縮回地進入所述空腔。
全文摘要
一種具有可變輪廓的渦輪機類型的渦輪增壓器，它包括可移動地橫跨所述渦輪機進氣通道進入開口的排氣葉片。所述葉片有切口，它縮短葉片的弦長并且允許在一定幾何形狀范圍內渦輪機具有最高的效率。
文檔編號F02B37/22GK1455077SQ03136098
公開日2003年11月12日 申請日期2003年4月8日 優先權日2002年4月8日
發明者J·M·馬洛伊, J·F·帕克 申請人:奧爾塞特工程有限公司