用于渦輪增壓器的可變限流渦輪機(jī)組件、相應(yīng)的渦輪增壓器和車輛、以及運(yùn)行方法
【專利說明】用于渦輪增壓器的可變限流渦輪機(jī)組件、相應(yīng)的渦輪增壓器和車輛、以及運(yùn)行方法
[0001]領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種用于渦輪增壓器的渦輪機(jī)組件。在多個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明還涉及一種包括該組件的渦輪增壓器、一種包括該渦輪增壓器的發(fā)動機(jī)、以及一種包括該發(fā)動機(jī)的車輛。本發(fā)明還涉及一種用于操作該渦輪機(jī)組件的方法。
[0003]置量
[0004]現(xiàn)有的用于汽油和柴油內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的渦輪增壓器利用從發(fā)動機(jī)出來的排氣的熱量和體積流量來對進(jìn)氣空氣流進(jìn)行加壓，該進(jìn)氣空氣流被引導(dǎo)至該發(fā)動機(jī)的燃燒室。確切地說，從發(fā)動機(jī)出來的排氣以如下方式引導(dǎo)至渦輪增壓器的渦輪機(jī)殼體中，其方式為致使排氣驅(qū)動的渦輪機(jī)在該殼體內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)動。該渦輪機(jī)安裝在一個(gè)軸的一端上，該軸是與安裝在該軸的另一端上的徑向空氣壓縮機(jī)共用的。因此，該渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)動作也致使該空氣壓縮機(jī)在該渦輪增壓器的、與排氣殼體分開的壓縮機(jī)殼體內(nèi)轉(zhuǎn)動。該空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)動動作致使進(jìn)氣空氣進(jìn)入該壓縮機(jī)殼體中并且在與燃料混合并在發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)燃燒之前被加壓希望的量。
[0005]對進(jìn)氣空氣被加壓的量的控制是通過用廢氣門和/或通過選擇性地打開或關(guān)閉通向渦輪機(jī)的排氣通道或通路以調(diào)節(jié)穿過該渦輪機(jī)殼體的排氣的量來進(jìn)行的。被構(gòu)造成具有此類可調(diào)排氣通道的渦輪增壓器被稱為可變幾何渦輪機(jī)(VGT)、可變噴嘴渦輪機(jī)(VNT)、可變渦輪幾何形狀(VTG)或可變流量渦輪機(jī)(VFT)。最常見的縮寫是VGT。VGT典型地包括可移動構(gòu)件，該可移動構(gòu)件被定位在渦輪機(jī)殼體內(nèi)、在排氣來源與渦輪機(jī)之間。該可移動構(gòu)件被適合的致動機(jī)構(gòu)從渦輪機(jī)殼體外部致動以便增大或減小通向渦輪機(jī)的排氣的體積流速，使其適合于當(dāng)前的發(fā)動機(jī)運(yùn)行條件。增大或減小通向渦輪機(jī)的排氣的體積流速對應(yīng)地增大或減小了由安裝在渦輪機(jī)軸的另一端上的壓縮機(jī)產(chǎn)生的進(jìn)氣空氣增壓壓力。
[0006]VGT可以在發(fā)動機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)下(其中發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)，例如發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)速度和載荷具有恒定的大小)或處于瞬態(tài)操作模式下(其中此類發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)的幅度正發(fā)生改變)時(shí)，與內(nèi)燃發(fā)動機(jī)一起運(yùn)行。然而，內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的特征是其運(yùn)行的周期性:空氣進(jìn)入并壓縮、燃燒、膨脹、以及排出事件都相繼并重復(fù)發(fā)生。在排氣事件過程中通過打開發(fā)動機(jī)排氣閥由內(nèi)燃發(fā)動機(jī)發(fā)出多個(gè)獨(dú)立的排氣脈沖并且其被引導(dǎo)穿過歧管管道組件而進(jìn)入渦輪增壓器的渦輪機(jī)入口殼體中。所發(fā)出的排氣脈沖的頻率很大并且在現(xiàn)代汽油和柴油發(fā)動機(jī)中一般在20至200Hz的范圍內(nèi)。典型發(fā)動機(jī)排氣閥的運(yùn)行使得在排氣事件過程中觀察到氣體質(zhì)量流量和壓力的大幅值:開始是這些閥剛剛打開后的低量值、通常在閥打開時(shí)間段的前半段之前達(dá)到峰值、然后氣流耗散成大致與該過程開始時(shí)相同的狀況。這種高度脈動的流動經(jīng)排氣歧管和渦輪機(jī)殼體而被直接驅(qū)動到渦輪機(jī)。VGT噴嘴處于最佳噴嘴位置，從而對任何給定發(fā)動機(jī)排氣條件提供最佳面積并且因此提供最佳體積流速、但是并沒有考慮貫穿各發(fā)動機(jī)排氣脈沖的流動特征的這些大的變化。
[0007]已知的是，當(dāng)發(fā)動機(jī)在穩(wěn)態(tài)模式下運(yùn)行時(shí)各個(gè)排氣壓力脈沖事件內(nèi)所含有的能量是顯著的。在通向渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的入口處借助于可調(diào)節(jié)的面積控制限流器機(jī)構(gòu)來打開和關(guān)閉可供這些脈沖使用的面積從而控制這些脈沖的能量含量、速度幅度、和方向的方法可以在渦輪增壓器和發(fā)動機(jī)性能方面提供顯著增益。W0 2006/061588和W0 2008/129274各自描述了利用這種能量的系統(tǒng)和方法，這兩個(gè)專利的主要發(fā)明人是與本披露相同的。通過使用這些手段，在各個(gè)排氣事件過程中回收的能量可以增大渦輪機(jī)吸收的能量的量。在同樣的發(fā)動機(jī)運(yùn)行條件下，這允許渦輪增壓器提取更多的動力。
[0008]為了使得W0 2006/061588和W0 2008/129274的流量控制生效，所選定的流量控制系統(tǒng)需要提供如下的器件:這種器件致使滑動套管型限流器打開和關(guān)閉或使得一組徑向安排的樞轉(zhuǎn)葉片打開和關(guān)閉。這個(gè)動作的生效是通過線性移位并且通過適合的機(jī)械聯(lián)動器件而被轉(zhuǎn)換成該機(jī)構(gòu)在渦輪機(jī)殼體中的流動氣體通路通道內(nèi)的流量控制端的振蕩運(yùn)動。連續(xù)振蕩的、周期性的運(yùn)動被要求以高頻率進(jìn)行這一事實(shí)在這種設(shè)計(jì)中導(dǎo)致多個(gè)有害機(jī)械工程問題的積累。這些問題可以包括相互接觸的這些可移動部件的以高頻率運(yùn)行的表面之間的疲勞應(yīng)力和磨損。針對這些現(xiàn)象導(dǎo)致的問題的解決方案要求昂貴的材料選擇以及具有實(shí)質(zhì)性動力輸出的致動器和控制器件。由于這個(gè)動力必須從發(fā)動機(jī)本身獲取，這抵消了安裝這些裝置所產(chǎn)生的凈收益。
[0009]因此針對這些問題的有吸引力的解決方案仍是難以琢磨的。
[0010]概沭
[0011]為了提高渦輪增壓器和發(fā)動機(jī)的可靠性和凈動力和效率收益，總體而言在此提供了一種系統(tǒng)來提供在渦輪機(jī)入口處的、針對每脈沖流動面積控制的旋轉(zhuǎn)器件而不是在該渦輪機(jī)入口處的針對每脈沖流量控制的振蕩器件。增強(qiáng)每脈沖的能量回收這個(gè)實(shí)際目標(biāo)總體上得以維持并且類似于W02006/061588和W0 2008/129274、但是可靠性顯著增大、動力消耗減小并且最終方便了工業(yè)化和生產(chǎn)。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于渦輪增壓器的可變限流渦輪機(jī)組件，該組件包括殼體、被安裝成在該殼體中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)、以及可變限流器；其中，該可變限流器包括圍繞該渦輪機(jī)葉輪分布并且位于通向該葉輪的排氣流動路徑中的第一系列成角度分布的限流器部分以及圍繞該第一系列分布的并且位于該排氣路徑中的第二系列成角度分布的限流器部分，該第一系列和第二系列中的至少一者是可在該殼體中旋轉(zhuǎn)以改變該第一系列和第二系列的相對角位置的，并且這些限流器部分被安排成使得這些第一部分與這些第二部分在多個(gè)相對角位置中的每一個(gè)相對角位置處對齊以便打開這些部分之間的流動通道、并且使得它們在這些位置之間錯(cuò)開以便關(guān)閉這些流動通道。
[0013]這些流動通道可以在這些第一系列與第二系列限流器部分對齊的相對角位置之間并非是完全關(guān)閉的。因此，可以考慮的是，由這些部分限定的流動路徑的面積朝向?qū)R的部分增大并且在這些部分之間減小。這個(gè)面積在這些系列基本上對齊時(shí)最大并且在各對齊位置之間的基本上中間為最小。
[0014]第一系列限流器部分可以被稱為“第一部分”。第二系列限流器部分可以被稱為“第二部分”。這些第一部分和這些第二部分可以各自是翼(aerofoil，S卩，美式英語為“airfoil”)的區(qū)段。這些第二部分可以各自是翼區(qū)段的引領(lǐng)部。這些第一部分可以各自是翼區(qū)段的跟從部。這些引領(lǐng)部和跟從部可以屬于同一翼區(qū)段。這些第一部分和第二部分可以被安排成使得當(dāng)處于對齊時(shí)各第一部分與對應(yīng)的第二部分對齊而形成對應(yīng)的翼區(qū)段。這些流動通道可以是在相鄰的翼區(qū)段之間限定的。在多個(gè)其他實(shí)施例中，這些第一部分和/或這些第二部分可以不是翼的區(qū)段。而是它們可以是用于基于其相對位置來控制流量的可想到的任何形狀。
[0015]第一部分和第二部分的數(shù)量可以相同。
[0016]第一系列可以是可在該殼體中旋轉(zhuǎn)的和/或第二系列可以是可在該殼體中旋轉(zhuǎn)的。該系列或各系列可以是可與葉輪共軸旋轉(zhuǎn)的。該第一系列和第二系列中的可在該殼體中旋轉(zhuǎn)的該至少一者可以安裝在載體上以便進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。該載體可以是圓盤。該載體可以被安裝成與葉輪共軸旋轉(zhuǎn)。如果一個(gè)系列在殼體中不是可旋轉(zhuǎn)的，則它可能是固定至該殼體上的。如果一個(gè)系列不是可旋轉(zhuǎn)的