專利名稱：渦輪增壓器和包括其的空氣吸入系統及其制造和使用方法
技術領域：
本發明的示例性實施例涉及渦輪機殼體和包括該渦輪機殼體的渦輪增壓器、及 使用該渦輪機殼體的方法，且更具體地涉及具有一體的廢氣門/排氣再循環(EGR)出口 的渦輪機殼體、和包括該渦輪機殼體的渦輪增壓器、及使用該渦輪機殼體的方法。
背景技術：
排氣再循環(EGR)的有效使用對所有現代內燃發動機(包括柴油機和汽油機) 而言都是非常重要的。EGR的有效使用通常有助于通過這些發動機實現高功率輸出而同 時還實現高燃料效率和經濟性并且實現越來越嚴格的發動機排放要求的目標。在這些發 動機中也常常使用強制吸入(特別是包括渦輪增壓器)以用于增大發動機進氣空氣流質量 和發動機功率輸出。不過，渦輪增壓器也由排氣驅動，因而EGR和渦輪增壓強制吸入的 高效用途使得有必要協同設計這些系統。渦輪增壓的柴油機在使用可在EGR和排氣流中獲得的能量方面必須特別高效以 提高整體發動機效率和燃料經濟性。要求柴油EGR系統將大量EGR傳輸到發動機進氣 系統。為此，EGR系統必須通過該系統(包括流量控制閥、旁通閥和冷卻器)提供足夠 的壓力變化，以將所希望的EGR流驅動到增壓進氣系統中。排氣系統必須還提供適合的 排氣能量而使得渦輪機具有足夠的動力提供所希望的增壓。典型的柴油發動機EGR系統 供應EGR的通道與各種排氣系統部件分開。已經提出了與渦輪機殼體分開的EGR供應 通道；不過，由于使用肘管和類似物，這樣的EGR供應通道與渦輪機渦殼內的期望廢氣 流動方向所成的角度通常小于最優角度，由此產生高流動損失和低效率，因而減小了所 能獲得的以用于進氣系統中的EGR流的量。這樣的布置未提供足夠的進氣EGR量。在美國專利6,430,929中提出一種設計，其中將EGR出口與渦輪機蝸殼和EGR 閥相關聯。這種設計使EGR出口切向地定位于蝸殼并且沿進入渦輪機殼體入口的流而大 致呈線性。這樣，EGR出口位于蝸殼入口且EGR出口看起來是限定蝸殼入口。在此專 利中描述的渦輪增壓器包括具有法蘭肘管的EGR閥，其中法蘭上的孔布置可被調節以定 向肘管從而適應于不同發動機布置。使用肘管在EGR出口和渦輪機入口的直列或線性布 置中可能也是必要的。不過，使用肘管構造具有隨之而來的效率損失。專利‘929的渦 輪增壓器還包括可變幾何形狀的噴嘴，用于增大EGR系統中的背壓。可變噴嘴渦輪增壓 器雖然可能有用，不過其成本顯著高于具有固定噴嘴的渦輪增壓器。進一步，通過關閉 可變噴嘴的渦輪機葉片所致的背壓增大基本上抵不過所導致的進氣空氣增壓的增加，使 得所希望的吸入系統中的EGR流的增大無法實現。因此，希望提供渦輪機殼體、渦輪增壓器以及使用它們的進氣系統及相關聯的 使用方法，以增強可用于吸入系統的EGR而同時提供足夠排氣流以驅動渦輪機并且產生 所希望的增壓和進入進氣系統中的空氣吸入，而無論渦輪增壓器使用固定還是可變噴嘴 的渦輪機。
發明內容
根據本發明的示例性實施例，提供一種用于內燃發動機的渦輪增壓器，包括 渦輪機，其包括附接到渦輪機軸的渦輪，所述渦輪和渦輪機軸被可旋轉地設置在渦輪 機殼體中，渦輪機殼體包括渦輪機蝸殼導管，所述渦輪機蝸殼導管具有渦輪機蝸殼入口 和廢氣泄放閥/EGR導管入口，所述廢氣泄放閥/EGR導管入口與所述渦輪機蝸殼入口沿 所述渦輪機蝸殼導管在徑向上分開并通向被連接到所述渦輪機蝸殼導管的EGR導管。所 述渦輪機蝸殼入口被構造成使從發動機接收的排氣流體連通到所述渦輪，所述EGR導管 被構造成使所述排氣流體連通到發動機進氣導管。根據本發明的另一示例性實施例，提供一種用于內燃發動機的進氣系統。進氣 系統包括渦輪增壓器，其包括渦輪機和壓氣機，所述渦輪機包括附接到渦輪機軸的 渦輪，所述渦輪和渦輪機軸被可旋轉地設置在渦輪機殼體中，所述渦輪機殼體包括渦輪 機蝸殼導管，所述渦輪機蝸殼導管具有渦輪機蝸殼入口和廢氣泄放閥/EGR導管入口， 所述廢氣泄放閥/EGR導管入口與所述渦輪機蝸殼入口沿所述渦輪機蝸殼導管在徑向上 分開并通向被連接到渦輪機蝸殼導管的EGR導管，所述渦輪機蝸殼入口被構造成使從發 動機接收的排氣流體連通到所述渦輪，所述廢氣泄放閥/EGR導管被構造成使所述排氣 流體連通到發動機進氣導管。所述壓氣機包括附接到所述渦輪機軸的壓氣機輪，所述 壓氣機輪和渦輪機軸被可旋轉地設置在壓氣機殼體中，所述壓氣機殼體包括壓氣機蝸殼 導管，所述壓氣機蝸殼導管具有壓氣機蝸殼入口和壓氣機蝸殼出口，所述壓氣機蝸殼出 口與所述發動機進氣導管流體連通。進氣系統還包括EGR閥，其能夠至少在開啟位置 與關閉位置之間切換并具有EGR閥入口和EGR閥出口，所述EGR閥入口與所述EGR導 管流體連通，所述EGR出口也與所述發動機進氣導管流體連通，所述開啟位置是從所述 EGR導管至所述發動機進氣導管的完全流體連通并限定第一操作模式，在所述關閉位置 能夠禁止從所述EGR導管至所述發動機進氣導管的流體連通并限定第二操作模式，其中 在所述第一模式中，從所述EGR導管的EGR廢氣流被推進所述發動機進氣導管內，在第 二模式中，加壓空氣流被推進發動機進氣導管內。根據本發明的又一示例性實施例，提供一種使用用于內燃發動機的進氣系統的 方法。所述方法包括提供具有渦輪增壓器的內燃發動機，所述渦輪增壓器與所述發動 機的進氣歧管流體連通并被構造成向進氣歧管提供具有第一壓力的強制吸入空氣流，所 述渦輪增壓器包括渦輪機殼體，所述渦輪機殼體包括渦輪機蝸殼導管，所述渦輪機蝸 殼導管具有渦輪機蝸殼入口和廢氣泄放閥/EGR導管入口，所述廢氣泄放閥/EGR導管入 口與所述蝸殼入口沿所述渦輪機蝸殼導管在徑向上間隔開并通向被設置在所述渦輪機殼 體上的EGR導管，所述EGR導管被構造成使EGR流流體連通到能夠在開啟位置與關閉 位置之間切換的EGR閥，所述開啟位置能夠使具有第二壓力的所述EGR流流體連通到所 述進氣歧管并限定第一操作模式，所述關閉位置能夠禁止從所述EGR導管至所述進氣歧 管的流體連通并限定第二操作模式，其中在所述第一模式中，所述第二壓力大于所述第 一壓力且流向所述發動機的EGR流被推進所述進氣歧管內。所述方法還包括操作所述 發動機產生進入所述渦輪機蝸殼入口中的排氣流。所述方法還包括在操作所述發動機 的同時選擇所述第一模式或所述第二模式。通過以下結合附圖詳細描述的實施本發明的最佳模式，本發明的上述特征和優點以及其它特征和優點將顯而易見。本發明還提供了以下方案方案1. 一種渦輪增壓器，包括渦輪機，其包括附接到渦輪機軸的渦輪，所述渦輪和渦輪機軸被可旋轉地設 置在具有渦輪機蝸殼導管的渦輪機殼體中，所述渦輪機蝸殼導管具有渦輪機蝸殼入口和 EGR導管入口，所述EGR導管入口與所述渦輪機蝸殼入口沿所述渦輪機蝸殼導管在徑向 上間隔開并通向被連接到所述渦輪機蝸殼導管的EGR導管，所述渦輪機蝸殼入口構造成 使從發動機接收的排氣流體連通到所述渦輪，所述EGR導管構造成使所述排氣流體連通 到發動機進氣導管。方案2.如方案1所述的渦輪增壓器，其中，所述EGR導管具有EGR導管軸線， 所述渦輪機蝸殼導管具有渦輪機蝸殼導管軸線，所述EGR導管軸線被設置為與所述渦輪 機蝸殼導管軸線大致相切。方案3.如方案1所述的渦輪增壓器，其中，所述EGR導管入口與所述渦輪機蝸 殼入口在徑向上間隔開約80°至約270°的角度α。方案4.如方案1所述的渦輪增壓器，其中，所述EGR導管具有的橫截面面積與 所述EGR導管入口附近處的所述渦輪機蝸殼導管的橫截面面積大致相等。方案5.如方案1所述的渦輪增壓器，其中，所述EGR導管具有的橫截面面積小 于所述EGR導管入口附近處的所述渦輪機蝸殼導管的橫截面面積。方案6.如方案1所述的渦輪增壓器，其中，所述蝸殼導管和EGR導管構成一體 的部件。方案7.如方案6所述的渦輪增壓器，其中，所述一體的部件包括金屬鑄件。方案8.如方案1所述的渦輪增壓器，其中，所述渦輪機進一步包括固定噴嘴或 可變噴嘴中的一種。方案9. 一種用于內燃發動機的進氣系統，包括渦輪增壓器，其包括渦輪機和壓氣機，所述渦輪機包括附接到渦輪機軸的渦 輪，所述渦輪和渦輪機軸被可旋轉地設置在渦輪機殼體中，所述渦輪機殼體包括渦輪機 蝸殼導管，所述渦輪機蝸殼導管具有渦輪機蝸殼入口和EGR導管入口，所述EGR導管 入口與所述渦輪機蝸殼入口沿所述渦輪機蝸殼導管在徑向上間隔開并通向被設置在所述 渦輪機殼體上的EGR導管，所述渦輪機蝸殼入口被構造成使從發動機接收的排氣流流體 連通到所述渦輪，所述EGR導管被構造成使一部分所述排氣流流體連通到發動機進氣歧 管；所述壓氣機包括附接到所述渦輪機軸的壓氣機輪，所述壓氣機輪和渦輪機軸被可 旋轉地設置在壓氣機殼體中，所述壓氣機殼體包括壓氣機蝸殼導管，所述壓氣機蝸殼導 管具有壓氣機蝸殼入口和壓氣機蝸殼出口，所述壓氣機蝸殼出口與所述發動機進氣歧管 流體連通；EGR閥，其能夠至少在開啟位置與關閉位置之間切換并具有EGR閥入口和EGR 閥出口，所述EGR閥入口與所述EGR導管流體連通，所述EGR出口也與所述發動機進 氣歧管流體連通，所述開啟位置能夠實現從所述EGR導管至所述發動機進氣歧管的流體 連通并限定第一操作模式，所述關閉位置能夠禁止從所述EGR導管至所述發動機進氣歧 管的流體連通并限定第二操作模式，其中在所述第一模式中，來自所述EGR導管的EGR氣體流被推進所述發動機進氣歧管內。方案10.如方案9所述的進氣系統，進一步包括混合器，其中，所述混合器與 所述EGR閥流體連通并被構造成從所述EGR閥接收EGR流；并且所述混合器還與壓氣 機流體連通，所述混合器被構造成從所述壓氣機接收強制吸入空氣流，其中，所述混合 器與所述進氣歧管流體連通，并被構造成接收所述EGR流和強制吸入空氣流的混合物作 為來自所述混合器的強制吸入燃燒流。方案11.如方案9所述的進氣系統，其中，所述EGR導管入口與所述蝸殼入口在 徑向上間隔開約80°至約270°的角度α。方案12.如方案9所述的進氣系統，其中，所述EGR導管入口具有的橫截面面積 與所述EGR導管入口附近處的所述渦輪機蝸殼導管的橫截面面積大致相等。方案13.如方案9所述的進氣系統，其中，所述EGR導管入口具有的橫截面面積 小于所述EGR導管入口附近處的所述渦輪機蝸殼導管的橫截面面積。方案14.如方案9所述的進氣系統，進一步包括具有排氣口的內燃發動機，其 中所述渦輪機蝸殼入口與所述排氣口流體連通。方案15.如方案9所述的進氣系統，其中，所述EGR閥是能夠在多個位置之間切 換的可變閥。方案16.如方案9所述的進氣系統，其中，所述渦輪機進一步包括固定噴嘴或 可變噴嘴中的一種。方案17.—種使用用于內燃發動機的進氣系統的方法，包括提供具有渦輪增壓器的內燃發動機，所述渦輪增壓器與所述發動機的進氣歧管 流體連通并被構造成向所述進氣歧管提供具有第一壓力的強制吸入空氣流，所述渦輪增 壓器包括渦輪機殼體，所述渦輪機殼體包括渦輪機蝸殼導管，所述渦輪機蝸殼導管具 有渦輪機蝸殼入口和EGR導管入口，所述EGR導管入口與所述蝸殼入口沿所述渦輪機蝸 殼導管在徑向上間隔開并通向被設置在所述渦輪機殼體上的EGR導管，所述EGR導管被 構造成使EGR流流體連通到能夠在開啟位置與關閉位置之間切換的EGR閥，所述開啟位 置能夠使具有第二壓力的所述EGR流流體連通到所述進氣歧管并限定第一操作模式，所 述關閉位置能夠禁止從所述EGR導管至所述進氣歧管的流體連通并限定第二操作模式， 其中在所述第一模式中，所述第二壓力大于所述第一壓力且流向所述發動機的EGR流被 推進所述進氣歧管內；操作所述發動機產生進入所述渦輪機蝸殼入口中的排氣流；在操作所述發動機的同時選擇所述第一模式或所述第二模式。方案18.如方案17所述的方法，進一步包括選擇所述渦輪機蝸殼入口與所述 EGR導管入口的徑向間隔以獲得預定EGR流。方案19.如方案17所述的方法，其中，所述EGR閥是能夠在所述開啟位置、 所述關閉位置和所述開啟位置與所述關閉位置之間的多個部分開啟位置之間切換的可變 閥，其中所述多個部分開啟位置限定對應的多個操作模式；其中，所述方法進一步包 括選擇所述多個操作模式中的一個，其中在所述第一操作模式和所述多個操作模式 中，所述第二壓力大于所述第一壓力，由此推進對應的多個EGR流進入所述發動機進氣 導管。
方案20.如方案17所述的方法，其中，在所述第一模式，在將所述EGR流提供 到所述進氣歧管時，所述渦輪增壓器的效率降低，所述第一壓力減小。
在以下對實施例的詳細描述中，僅以示例方式例示出其它目的、特征、優點和 細節，這些詳細描述參照附圖進行，其中圖1是如在此公開的強制吸入進氣系統的示例性實施例的示意圖；圖2是如在此公開的用于渦輪增壓器的渦輪機殼體的示例性實施例的正視圖；圖3是圖2的渦輪機殼體的立體圖；圖4是如在此公開的圖2所示渦輪機殼體和包括該渦輪機殼體的渦輪增壓器的示 例性實施例的俯視圖；圖5是圖4的渦輪機殼體和渦輪增壓器的側視圖；圖6是圖5所示渦輪機殼體沿截面6-6所取的截面圖；和圖7是圖2所示渦輪機殼體沿截面7-7所取的截面圖；圖8是圖2所示渦輪機殼體沿截面8-8所取的截面圖；圖9是圖2所示渦輪機殼體沿截面9-9所取的截面圖；和圖10是使用如在此所述的進氣系統的示例性方法的流程圖。
具體實施例方式本發明公開渦輪機殼體的示例性實施例、用于內燃發動機的包括渦輪機殼體的 渦輪增壓器和空氣吸入系統的示例性實施例、以及其相關使用方法，這增強了可用于空 氣吸入系統的EGR，而同時提供了足夠的排氣流以驅動渦輪機并且產生所希望的增壓和 進入進氣系統的吸入空氣流，而無論渦輪增壓器使用固定還是可變噴嘴的渦輪機。本發明包括渦輪機殼體，渦輪機殼體具有廢氣泄放閥狀的導管或通道，廢氣泄 放閥狀導管或通道直接旁通或分流來自渦輪的排氣能量的一部分并減小渦輪機級的有效 效率，這因而減小了可從壓氣機獲得的進氣空氣流的增壓壓力并允許EGR流壓力高于進 氣空氣流壓力，由此推進EGR流進入進氣空氣流并與進氣空氣流相互混合以產生包括 EGR(包括預定量或流量的EGR)的燃燒空氣流。廢氣泄放閥或EGR導管入口位于渦輪機蝸殼中，相關聯的EGR導管一體地形成 在該渦輪機殼體中并與EGR系統相連使得EGR閥也有效地用作廢氣泄放閥。不過，在這 種情況下，術語廢氣泄放閥有些用詞不當，這是因為，通過“廢氣泄放閥”分流的排氣 實際上可用作EGR流。另一方面，通常可能會作為廢氣泄放閥流并同時繞過渦輪機蝸殼 和渦輪而通過車輛排氣系統從車輛排放的排氣反而被送入渦輪機蝸殼導管中，在此，一 部分可用作所希望的EGR流而其余部分可用于驅動渦輪，不過其效率相對于可從全部排 氣流獲得的效率有所降低。廢氣泄放閥可以附接到EGR導管的EGR閥(包括兩個位置 (完全開啟和關閉)EGR閥和可變位置EGR閥)的形式與EGR導管或流動通道相關聯， 使得EGR閥用作廢氣泄放閥，EGR閥的開啟動作也使廢氣泄放閥開啟。當希望EGR流 支持燃燒過程時，發動機控制系統開啟EGR閥。開啟EGR閥同時會降低渦輪機效率和 推進EGR流。這種推進EGR流的協同相互作用是在此所公開渦輪機殼體以及渦輪增壓器和包含該渦輪增壓器的進氣系統的有利之處。這種協同布置能夠包括廢氣泄放閥功能 而同時還能夠綜合地平衡EGR流和強制吸入進氣空氣流的要求。本發明增強了可用于吸入系統的EGR，而同時提供足夠的排氣流以驅動渦輪機 并產生所希望的增壓和吸入進氣系統的空氣，且有效地解決了如下問題當需要用渦輪 機蝸殼內的排氣流作為EGR流時，由于渦輪機增壓過度，就通過“廢氣泄放閥”直接從 渦輪機蝸殼內排放排氣流來直接減小渦輪機的效率所造成的對EGR流的抑制。這減少了 能從排氣流中獲得的用于驅動渦輪和壓氣機輪的總能量，由此減小了渦輪機效率和增壓 壓力。這可用于例如防止產生不希望的進氣空氣增壓壓力，特別是通過使用可變噴嘴渦 輪機增大背壓而產生的進氣空氣增壓壓力，這些背壓被用于推進EGR流，但所述背壓實 際上產生了增壓壓力的增加，這抵消了 EGR流中的增益，由此阻止EGR流進入到強制吸 入進氣空氣流中。雖然本發明與可變噴嘴渦輪機(VNT)結合起來非常有用，不過所公開 的裝置和方法可與VNT和固定噴嘴渦輪機一起使用。本發明能夠實現受控的、可重復 的、和暫時的渦輪機效率降低，而同時提高燃燒空氣混合物中的EGR流。如圖1中所示，根據本發明的示例性實施例，內燃發動機10包括包括渦輪增 壓器14的強制吸入系統12;和EGR系統16，此二者分別將進氣空氣或EGR或者進氣空 氣與EGR的組合物或混合物供應到進氣系統18。進氣系統18包括EGR進氣導管20， 其被構造成用于由箭頭22表示的加壓或強制吸入EGR流的流體連通；和發動機進氣導管 24，其被構造為用于由箭頭26表示的加壓、強制吸入空氣流的流體連通。EGR流22和 空氣流26用于構成加壓或強制吸入燃燒流28，以將加壓、強制吸入空氣或EGR、或者這 二者的組合物或混合物提供到發動機10用于燃燒。進氣系統18還包括進氣歧管30或 多個歧管，以接收燃燒流28和將燃燒流28分配到發動機氣缸(未示出)。進氣系統18 可選地還可包括其它進氣系統裝置，其在EGR進氣導管20和發動機進氣導管24的下 游并在進氣歧管30的上游，如本文所述，包括EGR流22和強制吸入空氣流26的冷卻 器、和用于組合這些氣流的混合器。參見圖1，發動機10包括進氣歧管30或多個歧管；和排氣歧管32或多個歧 管32。發動機10還包括渦輪增壓器14，渦輪增壓器14包括包含在渦輪機殼體36中 的渦輪機34;和包含在壓氣機殼體40中的壓氣機40，用于壓縮由箭頭41所示的周圍進 氣空氣并且產生加壓、強制吸入空氣流26以用于發動機10中的燃燒。進氣空氣流41在 渦輪增壓器壓縮過程中被加熱，并可由通過等容冷卻來增大進氣空氣的充量密度而對進 氣空氣流進行冷卻以提高其體積效率。可通過將從渦輪增壓器14排出的強制吸入空氣流 26經由發動機進氣導管24發送到渦輪增壓器空氣冷卻器42而實現冷卻，冷卻器42也可 被稱為中間冷卻器或增壓中冷器。渦輪增壓器空氣冷卻器42可安裝到發動機。然后， 強制吸入空氣流26從渦輪增壓器空氣冷卻器42通過發動機進氣導管24和進氣歧管30被 發送以分配到發動機10的各氣缸。發動機10和強制吸入系統12還包括EGR系統16。EGR系統16包括EGR控 制閥46。EGR控制閥46通過EGR導管48與渦輪機殼體36流體連通并調節來自渦輪機 殼體36的作為EGR的排氣的釋放，如在本文中進一步所述。EGR控制閥46用作廢氣泄 放閥，并且被構造以從排氣歧管32和相關聯的導管33轉移排氣流52的一部分以用作通 過EGR導管48的EGR流22，否則這部分排氣流會經由渦輪機蝸殼導管50 (見圖6)通過渦輪機殼體36。EGR流22通過EGR導管出口 90 (圖6)離開EGR導管48，并在出 口 90被發送至作為EGR系統16的一部分的EGR控制閥46。通過該閥的受控開啟和關 閉，EGR流22在進氣充量混合器56中與強制吸入空氣流26混合。EGR系統16還可包 括EGR冷卻器54或換熱器，EGR冷卻器54或換熱器也可安裝于發動機用于冷卻通過該 系統的EGR流22。通過在EGR系統16中提供換熱器，EGR冷卻器54也可用于發動機 10的更大效率。EGR冷卻器54還可包括旁通閥55，以在不需要或不希望進行冷卻的階 段中(例如在冷的發動機起動時)允許EGR流22繞過冷卻器。通過或繞過EGR冷卻器 54的EGR流22與已依序通過渦輪增壓器空氣冷卻器42的強制吸入空氣流26相組合而提 供強制吸入燃燒(空氣或空氣+EGR)流28。氣體流22和26可使用進氣充量混合器56 進行組合，以在所述流進入發動機10的進氣歧管30之前提高燃燒流28的均勻性。強制 吸入系統12可在EGR控制閥46關閉時被操作而不影響渦輪增壓器14的效率，且強制吸 入燃燒流28僅包括強制吸入空氣流26。當EGR控制閥46被開啟時，渦輪機34和渦輪 增壓器14的效率降低，由此推動EGR流22進入強制吸入燃燒流28中，使得流28包括強 制吸入空氣流26和EGR流28的混合物，如在此所述。通過使用可變EGR控制閥46， 可以控制渦輪增壓器14的效率降低和強制吸入空氣流26與EGR流28的混合。圖1-9更詳細地顯示出渦輪機殼體36和使用所述殼體的渦輪增壓器14的示例性 實施例。渦輪機殼體36可包括一個或多個安裝法蘭37，用于將殼體安裝到發動機10。 渦輪機殼體36包括一個或多個渦輪機入口 76 ；殼體主體78，其包括渦輪機蝸殼75， 且渦輪機蝸殼75限定渦輪機蝸殼導管50和相關聯的渦輪機蝸殼通道58 ；和渦輪機出口 80。殼體36還包括EGR導管入口 74，EGR導管入口 74與渦輪機蝸殼入口 82沿渦輪機 蝸殼導管50在徑向上分開。參見圖1-6，渦輪機殼體入口 76可直接附接到發動機10的排氣歧管32或多個歧 管，或可通過附加排氣導管(未示出)間接附接。一個或多個渦輪機入口 76可與入口導 管77的一個或多個支管92、94相關聯。例如，在圖1-6的實施例中，存在兩個渦輪機 入口 76和合并成單一入口導管77的兩個相應的支管92、94。渦輪機殼體入口 76可包 含在一個或多個安裝法蘭84中以用于可拆卸地附接，如所述，使用多個螺紋螺栓、夾或 類似物(未示出)。進入渦輪機殼體入口 76的排氣流52(圖6)在渦輪機蝸殼入口 82處 合并成流入渦輪機蝸殼導管50的單一排氣流52中。參見圖6，渦輪機蝸殼導管50具有 向內彎曲漸縮的渦輪機蝸殼通道58，例如螺旋形彎曲通道。由于渦輪機蝸殼通道58隨 著遠離渦輪機蝸殼入口 82而漸縮，如圖7-9中所示，因而通道的橫截面面積逐漸減小。 渦輪機蝸殼通道58的逐漸減小使得通道內的排氣流52的速度逐漸增大。渦輪機蝸殼導 管50圍繞渦輪60向內螺旋，渦輪60通過沿周向延伸的渦輪機噴嘴25與導管50和蝸殼 通道58流體連通。噴嘴25導引排氣流52通過渦輪60上的渦輪機葉片(未示出)，排氣 流52通過渦輪機導管出口 80被排放，由此使渦輪60和與其附接的渦輪機軸64旋轉，進 而使附接到軸64的相對端的壓氣機軸66旋轉。壓氣機軸66的旋轉將空氣吸入壓氣機進 氣口 68中，空氣然后隨著通過壓氣機噴嘴(未示出)而被壓縮并通過壓氣機蝸殼導管70 和壓氣機蝸殼導管出口 72而被排出作為強制吸入空氣流26。參見圖1和6-9，EGR導管入口 74通向被設置在EGR導管入口 74上方的渦輪 機殼體36上的EGR導管48。在圖6的示例性實施例中，EGR導管48設置在EGR導管
10入口上方，并從作為渦輪機殼體36 —體部分的渦輪機蝸殼75沿切向向外延伸。EGR導 管48具有EGR導管通道86。EGR導管48可具有與EGR導管入口 74大致相似的尺寸 和形狀、或橫截面面積，以在渦輪機導管50與EGR導管48之間形成平滑過渡。可替代 地，EGR導管48具有的橫截面面積可小于EGR導管入口 74的橫截面面積。EGR導管 通道86和EGR導管入口 74可以具有足以提供預定EGR流22以及通過噴嘴25的預定排 氣流的任何適合橫截面面積以及相對于渦輪機蝸殼導管50和渦輪機蝸殼通道58的取向， 包括小于或等于EGR導管入口 74附近處的渦輪機蝸殼通道58橫截面面積的EGR導管通 道86橫截面面積。進一步，EGR導管通道86的橫截面面積可沿其遠離EGR導管入口 74的長度是相同的，或者可替代地可隨遠離EGR導管入口而逐漸漸縮或漸擴。在圖6的 示例性實施例中，EGR導管48和EGR導管通道86的中心軸線49可與渦輪機蝸殼導管 50和渦輪機蝸殼通道58的中心軸線51大致相切和共面，以使EGR流22的損失最小化。 進一步，在此實施例中，EGR導管通道86的橫截面面積可小于EGR導管入口附近處渦 輪機蝸殼通道58的橫截面面積，以提供預定EGR流22并通過渦輪機噴嘴25預定排氣流 52。EGR導管通道86和渦輪機蝸殼通道58應在尺寸上被設置以獲得預定EGR流22和 強制吸入空氣流26的減小，其中，EGR流22的壓力大于強制吸入空氣流26的壓力，由 此提高強制吸入流28的預定EGR流22部分。EGR導管48還可包括在EGR導管出口 90的附近處的安裝法蘭88，用于使用多個螺紋螺栓、夾或類似物(未示出)而如本文所 述地可拆卸地附接到EGR進氣導管20。EGR導管入口 74與渦輪機蝸殼入口 82沿渦輪機蝸殼導管50在徑向上間隔開。 徑向間隔可用在EGR導管入口 74和渦輪機蝸殼入口 82的中心之間的角度(α)來表征 (圖6)。在示例性實施例中，所述間隔可在約80°至約270°之間。隨徑向間隔(α)增 大，渦輪機蝸殼通道58內的排氣流52的速度增大，因而當EGR控制閥46開啟時，EGR 流22的速度也增大。如在此所述，EGR控制閥46的開啟也減少在渦輪機蝸殼導管50內 的排氣流52，由此減少排氣流52在渦輪60上的做功量并隨之減小可由壓氣機輪66執行 的功，從而降低了可從渦輪增壓器獲得的壓力或增壓。如在此所述，增加EGR流22的 壓力與減少強制吸入空氣流26的平衡可用于增大可用于強制吸入燃燒流28中的EGR量 并提供強制吸入燃燒流28中的EGR預定量。EGR導管48和EGR導管入口 74的徑向間 隔、取向、尺寸和其它方面可用于控制強制吸入燃燒流28中的EGR預定量。在圖1-9的示例性實施例中，渦輪機噴嘴25是固定幾何形狀噴嘴。在其它示例 性實施例中，渦輪機噴嘴25可為可變幾何形狀噴嘴。噴嘴幾何形狀可以變化以控制渦輪 機蝸殼通道和相關聯的上游導管(包括排氣歧管)中的背壓，其中，噴嘴開口減小使背壓 增大，而噴嘴開口增大使背壓減小。噴嘴幾何形狀和背壓可通過各種致動器機構進行控 制。渦輪機殼體36及其上述部分可以以任意組合方式單獨地制造、并組裝到一起以 形成渦輪機殼體。可替代地，如在此所述的渦輪機殼體36可例如通過鑄造殼體而形成為 一體的整體。用于渦輪機殼體36的適合材料包括各種等級的鑄鐵和鋼以及鑄鐵和鋼的各 種合金。進一步，殼體可接受任何適合的二次精加工，包括清潔、機加工和類似操作。參見圖1-10，根據本發明又一示例性實施例，提供使用用于內燃發動機10的進 氣系統18的方法100。方法100包括提供(110)具有渦輪增壓器14的內燃發動機10，渦輪增壓器14與所述發動機的進氣歧管30流體連通并被構造成提供具有第一壓力的強制 吸入空氣流26。所述渦輪增壓器14包括渦輪機殼體36，所述渦輪機殼體36包括渦輪 機蝸殼導管50。所述渦輪機蝸殼導管50具有渦輪機蝸殼入口 82和EGR導管入口 74，所 述EGR導管入口 74與所述蝸殼入口沿所述渦輪機蝸殼導管在徑向上分開并通向被設置在 所述渦輪機殼體36上的EGR導管48。所述EGR導管48被構造成使EGR流22流體連 通到能夠在開啟位置與關閉位置之間切換的EGR控制閥46。通過EGR閥入口 45在EGR 控制閥46處接收EGR流22。EGR控制閥46的所述開啟位置能夠使具有第二壓力的所 述EGR流22通過EGR閥出口 47流體連通到所述進氣歧管30并限定第一操作模式，所 述關閉位置能夠禁止從所述EGR導管48至所述進氣歧管30的流體連通并限定第二操作 模式。在所述第一模式中，所述第二壓力大于所述第一壓力且流向所述發動機的EGR流 22被推進所述進氣歧管30內。方法100還包括操作(120)所述發動機10產生所述渦 輪機蝸殼入口 82處的渦輪機蝸殼導管50中的排氣流52。方法100還包括在操作所述 發動機的同時選擇(130)所述第一模式或所述第二模式。所述選擇(130)可使用諸如發 動機控制單元(ECU)之類的適合控制器(未示出)執行。在第一模式中，渦輪增壓器的 效率和第一壓力在將EGR流22提供到進氣歧管30時減小。可選地，方法100還包括 選擇(140)在所述渦輪機蝸殼入口 82與所述EGR導管入口 74之間的徑向間隔以獲得預 定EGR流22，如在此所述。可選地，所述EGR控制閥46是能夠在所述開啟位置、所述 關閉位置和所述開啟位置與所述關閉位置之間的多個部分開啟位置之間切換的可變EGR 控制閥，其中所述多個部分開啟位置限定對應的多個操作模式；其中，所述方法進一步 包括選擇(150)所述多個操作模式中的一個，其中在所述第一操作模式和所述多個操 作模式，所述第二壓力大于所述第一壓力，由此推進對應的多個EGR流進入所述進氣歧 管。 雖然本發明已經參照示例性實施例進行描述，不過本領域技術人員應理解，在 不背離本發明的范圍的情況下，可進行各種變化并可將其中的元件替換為等同物。此 外，在不背離本發明實質范圍的情況下，可對本發明的教示進行多種修改以適應于具體 的情況或材料。因此，本發明實際上并不限于作為可想到的實施本發明的最佳模式而公 開的具體實施例，而是，本發明將包括處于本申請范圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種渦輪增壓器，包括渦輪機，其包括附接到渦輪機軸的渦輪，所述渦輪和渦輪機軸被可旋轉地設置在 具有渦輪機蝸殼導管的渦輪機殼體中，所述渦輪機蝸殼導管具有渦輪機蝸殼入口和EGR 導管入口，所述EGR導管入口與所述渦輪機蝸殼入口沿所述渦輪機蝸殼導管在徑向上間 隔開并通向被連接到所述渦輪機蝸殼導管的EGR導管，所述渦輪機蝸殼入口構造成使從 發動機接收的排氣流體連通到所述渦輪，所述EGR導管構造成使所述排氣流體連通到發 動機進氣導管。
2.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中，所述EGR導管具有EGR導管軸線，所述 渦輪機蝸殼導管具有渦輪機蝸殼導管軸線，所述EGR導管軸線被設置為與所述渦輪機蝸 殼導管軸線大致相切。
3.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中，所述EGR導管入口與所述渦輪機蝸殼入 口在徑向上間隔開約80°至約270°的角度α。
4.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中，所述EGR導管具有的橫截面面積與所述 EGR導管入口附近處的所述渦輪機蝸殼導管的橫截面面積大致相等。
5.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中，所述EGR導管具有的橫截面面積小于所 述EGR導管入口附近處的所述渦輪機蝸殼導管的橫截面面積。
6.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中，所述蝸殼導管和EGR導管構成一體的部件。
7.如權利要求6所述的渦輪增壓器，其中，所述一體的部件包括金屬鑄件。
8.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中，所述渦輪機進一步包括固定噴嘴或可變噴 嘴中的一種。
9.一種用于內燃發動機的進氣系統，包括渦輪增壓器，其包括渦輪機和壓氣機，所述渦輪機包括附接到渦輪機軸的渦輪， 所述渦輪和渦輪機軸被可旋轉地設置在渦輪機殼體中，所述渦輪機殼體包括渦輪機蝸殼 導管，所述渦輪機蝸殼導管具有渦輪機蝸殼入口和EGR導管入口，所述EGR導管入口與 所述渦輪機蝸殼入口沿所述渦輪機蝸殼導管在徑向上間隔開并通向被設置在所述渦輪機 殼體上的EGR導管，所述渦輪機蝸殼入口被構造成使從發動機接收的排氣流流體連通到 所述渦輪，所述EGR導管被構造成使一部分所述排氣流流體連通到發動機進氣歧管；所 述壓氣機包括附接到所述渦輪機軸的壓氣機輪，所述壓氣機輪和渦輪機軸被可旋轉地 設置在壓氣機殼體中，所述壓氣機殼體包括壓氣機蝸殼導管，所述壓氣機蝸殼導管具有 壓氣機蝸殼入口和壓氣機蝸殼出口，所述壓氣機蝸殼出口與所述發動機進氣歧管流體連 通；EGR閥，其能夠至少在開啟位置與關閉位置之間切換并具有EGR閥入口和EGR閥出 口，所述EGR閥入口與所述EGR導管流體連通，所述EGR出口也與所述發動機進氣歧 管流體連通，所述開啟位置能夠實現從所述EGR導管至所述發動機進氣歧管的流體連通 并限定第一操作模式，所述關閉位置能夠禁止從所述EGR導管至所述發動機進氣歧管的 流體連通并限定第二操作模式，其中在所述第一模式中，來自所述EGR導管的EGR氣體 流被推進所述發動機進氣歧管內。
10.—種使用用于內燃發動機的進氣系統的方法，包括提供具有渦 輪增壓器的內燃發動機，所述渦輪增壓器與所述發動機的進氣歧管流體 連通并被構造成向所述進氣歧管提供具有第一壓力的強制吸入空氣流，所述渦輪增壓器 包括渦輪機殼體，所述渦輪機殼體包括渦輪機蝸殼導管，所述渦輪機蝸殼導管具有渦 輪機蝸殼入口和EGR導管入口，所述EGR導管入口與所述蝸殼入口沿所述渦輪機蝸殼導 管在徑向上間隔開并通向被設置在所述渦輪機殼體上的EGR導管，所述EGR導管被構造 成使EGR流流體連通到能夠在開啟位置與關閉位置之間切換的EGR閥，所述開啟位置能 夠使具有第二壓力的所述EGR流流體連通到所述進氣歧管并限定第一操作模式，所述關 閉位置能夠禁止從所述EGR導管至所述進氣歧管的流體連通并限定第二操作模式，其中 在所述第一模式中，所述第二壓力大于所述第一壓力且流向所述發動機的EGR流被推進 所述進氣歧管內；操作所述發動機產生進入所述渦輪機蝸殼入口中的排氣流； 在操作所述發動機的同時選擇所述第一模式或所述第二模式。
全文摘要
一種用于內燃發動機的渦輪增壓器包括渦輪機，其包括附接到渦輪機軸的渦輪，渦輪和渦輪機軸被可旋轉地設置在渦輪機殼體中，渦輪機殼體包括渦輪機蝸殼導管，渦輪機蝸殼導管具有渦輪機蝸殼入口和EGR導管入口，EGR導管入口與渦輪機蝸殼入口沿渦輪機蝸殼導管在徑向上間隔開并通向被連接到渦輪機蝸殼導管的EGR導管。渦輪機蝸殼入口被構造成使從發動機接收的排氣流體連通到渦輪，EGR導管被構造成使排氣流體連通到發動機進氣導管。渦輪增壓器還包括壓氣機，壓氣機包括附接到渦輪機軸的壓氣機軸，壓氣機輪和渦輪機軸被可旋轉地設置在壓氣機殼體中。
文檔編號F02C6/12GK102022183SQ20101029334
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月21日 優先權日2009年9月22日
發明者C·E·威廉斯, R·M·特卡克 申請人:通用汽車環球科技運作公司