用于減少渦輪增壓器90度廢氣門中損失的方法和結構的制作方法
【專利說明】用于減少渦輪増壓器90度廢氣門中損失的方法和結構
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求在2012年12月19日提交的并且題為“用于減少渦輪增壓器90度廢氣門中損失的方法和結構(Methods And Structure For Reducing Losses In 90 DegreeWaste Gates For Turbochargers) ”的美國臨時申請號61/739，229的優先權及所有權益。
發明領域
[0003]本發明涉及一種帶有改良型廢氣門閥的渦輪增壓器并且更具體地涉及一種改良的渦輪機廢氣門設計，該設計有利于排氣在主流動方向上的流動以改善穿過渦輪增壓器廢氣門的流動。
[0004]發明背景
[0005]在發動機上提供渦輪增壓器以便將空氣以與在正常吸氣構型中的可能情況相比更大的密度傳送到發動機進氣中。這允許燃燒更多的燃料，進而增加了發動機的馬力而沒有明顯地增加發動機的重量。
[0006]通常，渦輪增壓器使用來自發動機排氣歧管的排氣流，該排氣流在渦輪機入口處進入渦輪機殼體，以便由此驅動位于該渦輪機殼體內的渦輪機葉輪。該渦輪機葉輪被附接在軸的一端上，其中該軸對安裝在該軸的另一端上的一個壓縮機葉輪進行驅動。如此，該渦輪機葉輪提供旋轉動力以驅動壓縮機葉輪并且由此驅動渦輪增壓器的壓縮機。這些壓縮空氣然后被提供到如以上提及的發動機進氣。
[0007]在該渦輪機級的設計過程中，該渦輪機級部件的選擇與優選性能有關。在一個簡單不受控的固定噴嘴渦輪增壓器系統中，設計一種不受控的渦輪增壓器從而在高發動機速度下達到最佳性能。然而，在其他速度下，渦輪增壓器為發動機提供次最佳的增壓或空氣體積。
[0008]受控的渦輪增壓器提供改善的性能，因為在低的或中等的發動機速度時就已經達到該渦輪機最佳運行點。通常在一個受控的系統中，當排氣的流速增加并且該渦輪增壓的壓力變得太高時，這些排氣中的一部分通過一個廢氣門被排放到周圍大氣中以便通過旁路繞過該渦輪機。
[0009]典型地，排氣流動穿過一個在該渦輪機殼體或外殼內限定的蝸殼。此外，還提供了一個廢氣門通道，該廢氣門通道通過一個中間壁而與該蝸殼分離。為了提供廢氣門流動，在該壁中提供了廢氣門端口，該端口是由一個廢氣門閥來控制的。
[0010]該廢氣門閥在該渦輪增壓器的運行過程中是可選擇性地打開和關閉的。在這樣一種安排中，穿過該廢氣門通道的排氣流動通常平行于蝸殼中的流動方向，至少在該廢氣門通道的區域內。典型地，該渦輪機入口流動和廢氣門流動在該蝸殼方向上環圓周地延伸。然而，該廢氣門端口垂直于或與這些流動方向基本上呈直角開放并且如此該廢氣門流動以側面或軸向方向進入該廢氣門通道并且然后立即轉向通過一個直角以便環圓周地流動通過該廢氣門通道。因此，這種構型通常可以被稱為90度廢氣門，盡管實際的轉向角度在一定程度上可以不同于90度，這樣使得該入口方向與廢氣門流動方向之間的轉向角度可以是一個大于90度的鈍角或一個低于90度的銳角。
[0011]本發明涉及一種用于渦輪增壓器的改善型廢氣門閥，該廢氣門閥提供更多有效的排氣流動穿過該廢氣門端口和廢氣門通道。對于該廢氣門閥，更具體而言，這個閥典型地包括一個盤狀閥體，該閥體可樞轉地支撐在該渦輪機殼體上以便打開和關閉該廢氣門端口。該閥體是由一個致動器移動的并且可以樞轉到該廢氣門端口中至關閉該廢氣門端口的第一位置處，并且可以樞轉出該廢氣門端口至打開該廢氣門端口的第二位置處。因此，排氣受控的部分可以流動穿過該廢氣門通道，該受控部分進而流動到一個渦輪機出口處，由此旁路繞過該渦輪機。
[0012]當處于打開位置處時，該閥體具有一個朝向該廢氣門端口并且相對于橫跨該廢氣門端口的平面成一角度傾斜的閥面。該閥面優選被定向成使得該閥面朝該廢氣門通道成角度，該閥面用于當廢氣門流動穿過該端口并且轉向進入該廢氣門通道時使該廢氣門流動改變方向。
[0013]朝向該廢氣門通道的方向是主方向，所有的廢氣門流動需要被引導朝向該主方向。然而，在廢氣門閥的已知閥體中，在橫向于該廢氣門通道方向的非最佳流動方向上，排氣可以從該閥體的側面溢出，這因此在這個區域中產生了紊流流體流動并且需要這個紊流流動由該廢氣門通道的側面進一步重新定向以便將排氣引導到該廢氣門通道中。這減少了通過該廢氣門端口的流動效率并且會產生增加的背壓和效率損失。
[0014]然而，本發明廢氣門閥的閥體包括多個流動結構，這些流動結構用于減少在非最佳方向上的排氣流動。這些流動結構用于當排氣流動轉向經過該轉向角轉向時使在最佳或主流動方向上的排氣流動優化或最大化。
[0015]在第一實施例中，該流動結構是由一個碟形閥面限定，該碟形閥面是由提供給該閥面的一個凹入形狀形成的。這個凹入形狀可以是一個真正的凹入形狀，其中該閥面圍繞該閥面的整個周邊向內彎曲。這個凹入形狀還可以是一個修改的凹入形狀，其中該閥面從該閥面的前緣和后緣向其中心傾斜而側面可能具有更少的凹度或沒有凹度。術語凹入也可以被理解成適用于傾斜的平坦表面，該平坦表面從該閥面的周邊到中心沒有任何彎曲。
[0016]在第二實施例中，該閥面可以配備有淺的肋板或邊條，這些肋板或邊條平行于該流動方向延伸并且用于在主方向上引導流動。
[0017]在第三實施例中，該流動結構可以是一個沿著該面周邊的一部分從該閥面上升的壩體。該壩體可以在后緣上或者更優選是在該閥面的前緣上。
[0018]如在此進一步詳細所述的，這些流動結構用于優化在主方向上的流動并且減少橫向于該主方向的次方向上的非最佳流動。
[0019]本發明的其他目標和目的以及其變體將通過閱讀以下說明書和查看附圖變得清
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[0020]附圖的簡要說明
[0021]圖1是一個代表性渦輪增壓器的切開的圖解視圖。
[0022]圖2是一個廢氣門閥的頂視圖。
[0023]圖3是該廢氣門閥的側視圖。
[0024]圖4是一個改良型廢氣門閥的第一實施例的側視圖。
[0025]圖5是該廢氣門閥的第二實施例的仰視圖。
[0026]圖6是其側視圖。
[0027]圖7是該廢氣門閥的第三實施例的仰視圖。
[0028]圖8是其側視圖。
[0029]圖9是該廢氣門閥的第四實施例的圖解視圖。
[0030]圖10是一個曲線圖，該曲線圖示出了一個未修改的廢氣門與圖9的本發明廢氣門閥之間的質量流量的比較。
[0031]以下說明中將使用某些術語僅為了方便起見并且僅供參考而不具有局限性。例如，詞語“向上地”、“向下地”、“向右地”以及“向左地”指的是作為參考的附圖中的方向。詞語“向內地”和“向外地”分別指的是朝向和背離該安排和其指定零件的幾何中心的方向。所述術語將包括明確提到的詞語、其派生詞以及具有類似含義的詞語。
[0032]詳細說明
[0033]參見圖1的切開視圖，示出了一個渦輪增壓器10，該渦輪增壓器包括一個渦輪機11，該渦輪機限定了一個渦輪機殼體或外殼12，該殼體具有一個在其內環圓周地延伸的蝸殼14。渦輪增壓器10還包括一個壓縮機15，按照常規方式，該壓縮機與該渦輪機11是以組合的方式提供的。壓縮機15包括一個壓縮機殼體16和一個壓縮機蝸殼17。
[0034]渦輪增壓器10具有一個渦輪機11和一個壓縮機15的基本組合，該渦輪機和壓縮機對應地包括一個渦輪機葉輪18和一個壓縮機葉輪19，該渦輪機葉輪和壓縮機葉輪通過一個軸21在旋轉意義上相連接。進而該軸21是由一個軸承系統22支撐。
[0035]如在圖1和圖3中所見，渦輪機11是通過該渦輪機入口 23而被供以排氣。渦輪機入口 23限定了一個流動方向24，該流動方向環圓周地延伸進入渦輪機蝸殼14中。蝸殼14還具有一個中間壁25，在圖3中不出，該中間壁將該蝸殼14與一個廢氣門通道26分開，該廢氣門通道也環圓周地延伸并且排放到該渦輪機出口 27處。
[0036]為了在渦輪增壓器10的運行過程中將來自渦輪機入口 23的排氣的一部分轉向，該壁25包括一個廢氣門端口 28，該端口限定了橫向于該入口流動方向24的一個流動方向29。這個流動方向29還橫向于延伸穿過該