具有可变叶片涡轮机喷嘴的涡轮增压器
技术领域
本发明涉及具有可变喷嘴涡轮机的涡轮增压器，其中可移动叶片阵列安置在涡轮机的喷嘴中，用于调节进入到涡轮机中的排气流。
背景技术
排气驱动的涡轮增压器是如下设备：其结合内燃发动机使用来通过压缩递送到发动机的空气进气部以便与燃料混合并且在发动机中燃烧的空气来增加发动机的功率输出。涡轮增压器包括安装在压缩机壳体中的轴的一端上的压缩机轮和安装在涡轮机壳体中的轴的另一端上的涡轮机轮。通常，涡轮机壳体与压缩机壳体单独地形成，并且还存在连接在涡轮机壳体与压缩机壳体之间用于容纳所述轴的轴承的另一个中心壳体。涡轮机壳体限定环绕涡轮机轮并且从发动机接收排气的大致环形腔室。涡轮机组件包括从所述腔室通向涡轮机轮的喷嘴。排气从所述腔室通过所述喷嘴流到涡轮机轮，并且涡轮机轮由所述排气驱动。因此，涡轮机从排气提取功率并且驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收环境空气，并且所述空气被压缩机轮压缩并且然后从所述壳体排放到发动机空气进气部。
借助于涡轮增压器提高发动机性能的一个挑战是贯穿发动机的操作范围实现所期望量的发动机功率输出。已经发现，借助于固定几何形状的涡轮增压器常常不能容易实现此目的，并且因此，已经采用可变几何形状的涡轮增压器，其目的是提供对由涡轮增压器提供的增压量的更大程度的控制。
一种类型的可变几何形状的涡轮增压器是可变喷嘴的涡轮增压器(VNT)，其在涡轮机喷嘴中包括可变叶片阵列。叶片可旋转地安装到喷嘴环，所述喷嘴环形成喷嘴的一个壁。喷嘴的相对壁由装配到限定在涡轮机壳体中的空间中的插入件形成。喷嘴环和插入件之间的轴向间隔由连接在这些零部件之间的数个间隔件维持。叶片连接到使得叶片的设定角度能够改变的机构。改变叶片的设定角度具有改变涡轮机喷嘴中的有效流动面积的效果，并且因此可以通过控制叶片位置来调节排气到涡轮机轮的流动。以此方式，可以调节涡轮机的功率输出，这允许在比借助于固定几何形状的涡轮增压器通常可能的情况更大的程度上控制发动机功率输出。
本公开涉及上述类型的可变喷嘴涡轮机的改进。
发明内容
本公开描述了一种具有可变喷嘴涡轮机的可变喷嘴涡轮增压器，其中采用多个间隔件来使喷嘴环与插入件间隔开。根据本发明，所述间隔件充当硬质止动件的额外角色，其限制叶片沿打开和关闭方向的可旋转行进，从而消除对分离硬质止动件部件（例如销等等）的需要。在本文中描述的一个实施例中，所述涡轮增压器包括：
涡轮机组件，所述涡轮机组件包括涡轮机壳体和安装在所述涡轮机壳体中并且连接到可旋转的轴以便与其一起旋转的涡轮机轮，所述涡轮机壳体限定环绕所述涡轮机轮以便接收排气并且将所述排气供应到所述涡轮机轮的腔室，所述涡轮机组件限定从所述腔室大致径向向内通向所述涡轮机轮的喷嘴；
压缩机组件，所述压缩机组件包括压缩机壳体和安装在所述压缩机壳体中并且连接到所述可旋转的轴以便与其一起旋转的压缩机轮；
中心壳体，所述中心壳体连接在所述压缩机壳体和所述涡轮机壳体之间；
可变叶片组件，所述可变叶片组件包括大致环形的喷嘴环和叶片阵列，所述叶片阵列围绕所述喷嘴环周向间隔开并且安置在喷嘴中，使得排气在所述叶片之间流到所述涡轮机轮，每一叶片可旋转地安装到所述喷嘴环并且连接到可旋转的致动器环，使得所述致动器环的旋转使所述叶片旋转以便调节到所述涡轮机轮的排气流；
插入件，所述插入件安置在所述涡轮机壳体中，所述插入件限定喷嘴部分，所述喷嘴部分与所述喷嘴环轴向间隔开，使得所述叶片在所述喷嘴环和所述喷嘴部分之间延伸；以及
多个间隔件，所述多个间隔件连接在所述插入件的所述喷嘴部分和所述喷嘴环之间，以便维持所述插入件的所述喷嘴部分和所述喷嘴环之间的轴向间隔；
其中，所述间隔件被结构化和布置成机械地阻止所述叶片沿一个方向旋转超过最大打开位置并且机械地阻止所述叶片沿相反方向旋转超过最小打开位置。
在本发明的一些实施例中，每一叶片联接到穿过所述喷嘴环中的轴承孔的轴杆，其中每一轴杆的端部在所述喷嘴环的与所述第一面相对的第二面处从所述轴承孔中突出并且联接到叶片臂。所述叶片臂接合所述致动器环，使得所述致动器环的旋转致使所述叶片臂围绕所述轴杆枢转、并且从而使所述叶片旋转。根据所述实施例，所述间隔件中的至少一者具有延伸部分，所述延伸部分从所述喷嘴环的所述第二面中突出并且被结构化和布置成由所述叶片臂中的一者邻接以机械地阻止所述叶片沿所述一个方向旋转超过所述最大打开位置。
可选地，所述间隔件中的多者可以具有此类延伸部分，所述延伸部分从所述喷嘴环的所述第二面中突出并且被结构化和布置成分别由所述叶片臂中的多者邻接以机械地阻止所述叶片沿所述一个方向旋转超过所述最大打开位置。
在本发明的实施例中，所述间隔件中的至少一者被结构化和布置成由所述叶片中的一者邻接以机械地阻止所述叶片沿所述相反方向旋转超过所述最小打开位置。可选地，所述间隔件中的多者可以被结构化和布置成分别由所述叶片中的多者邻接以机械地阻止所述叶片沿所述相反方向旋转超过所述最小打开位置。在此类实施例中，所述间隔件中的一者可以被结构化和布置成由所述叶片中的另一者邻接以机械地阻止所述叶片沿所述一个方向旋转超过所述最大打开位置。
附图说明
因此，已经概括地描述了本发明，现在将对附图进行参考，所述附图未必按比例绘制，并且其中：
图1是根据本发明的一个实施例的涡轮增压器的横截面视图；
图2是根据本发明的一个实施例的用于涡轮增压器的可变叶片组件从所述组件的叶片侧观察的等角视图，所述可变叶片组件示出为叶片处于最小打开位置；
图3是图2的可变叶片组件从所述组件的相对侧观察的等角视图；
图4是类似于图2的等角视图，但是叶片处于最大打开位置；
图5是类似于图3的等角视图，但是叶片处于最大打开位置；
图6是根据本发明的另一实施例的可变叶片组件从所述组件的叶片侧观察的平面视图，其中叶片示出处于最小打开位置；并且
图7是图6的组件从所述组件的相对侧观察的平面视图；
图8示出图6的可变叶片组件，但是从所述组件的叶片侧观察，叶片处于最大打开位置；并且
图9示出图6的可变叶片组件，从所述组件的相对侧观察，叶片处于最大打开位置。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，其中示出本发明的一些但非全部实施例。实际上，这些发明可以以许多不同形式实施并且不应该被解释为限于本文中阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将满足适用的法律要求。贯穿全文，相似的附图标记指代相似的元件。
根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10按横截面视图示出在图1中。涡轮增压器包括压缩机12，压缩机12具有在可旋转的轴18的一端上安装在压缩机壳体16中的压缩机轮或叶轮14。所述轴支撑在轴承19中，轴承19安装在涡轮增压器的中心壳体20中。轴18由从压缩机轮安装在轴18的另一端上的涡轮机轮22旋转，从而可旋转地驱动压缩机轮，压缩机轮压缩通过压缩机入口吸入的空气，并且将压缩空气递送到内燃发动机（未示出）的进气部用于增强发动机的性能。
涡轮增压器还包括容纳涡轮机轮22的涡轮机壳体24。涡轮机壳体限定大致环形的腔室26，其环绕涡轮机轮，并且从内燃发动机接收排气用于驱动涡轮机轮。所述排气从腔室26通过涡轮机喷嘴28大致径向向内引导到涡轮机轮22。当排气流过涡轮机轮的叶片30之间的通道时，气体膨胀至较低压力，并且从轮排放的气体通过其中的大致轴向的孔32离开涡轮机壳体。
现在参考图2至图5，其描绘了涡轮增压器的子组件，其包括用于涡轮机喷嘴28的可变叶片组件，用于改变通过所述喷嘴的横截面流动面积，从而调节进入到涡轮机轮中的流量。所述组件包括围绕喷嘴周向间隔开的多个叶片34。每一叶片附连到穿过大致环形的喷嘴环38中的孔的轴杆36，大致环形的喷嘴环38相对于涡轮机轮22同轴安装。每一轴杆36可围绕其轴线旋转以便旋转所附接的叶片。喷嘴环38形成喷嘴28的流动通道的一个壁。轴杆36中的每一者具有附连到从喷嘴环38中凸出的轴杆的端部的叶片臂40。叶片臂40由大致环形的协调环42（在本文中也称为致动器环）接合，大致环形的协调环42可围绕其轴线旋转并且与喷嘴环38同轴。安装在喷嘴环38上的引导件39与协调环的内周界接合，用于引导其旋转移动，使得其保持与喷嘴环大致同心，并且防止协调环沿远离喷嘴环的轴向方向移动。致动器（未示出）连接到协调环42以便使其围绕其轴线旋转。当协调环旋转时，叶片臂40旋转以致使轴杆36围绕其轴线旋转，从而使叶片34旋转，以便改变通过喷嘴28的横截面流动面积。
在所示出的实施例中，可变叶片机构以单元50的形式提供，单元50可安装到涡轮增压器中并且可从涡轮增压器移除。单元50包括喷嘴环38、叶片34、轴杆36、叶片臂40和协调环42。所述单元与安装在涡轮机壳体24中的插入件52（图1）配合工作。所述插入件限定喷嘴部分56，喷嘴部分56与喷嘴环38轴向间隔开，使得叶片34在喷嘴环38和喷嘴部分56之间延伸。
涡轮增压器包括隔热罩80（图1），当可变叶片单元50安装到涡轮增压器中时，隔热罩80牢固地保持在喷嘴环38和中心壳体20之间。隔热罩80在喷嘴环和中心壳体之间提供密封，以防止热排气在这些零部件之间迁移到其中安置叶片臂40和协调环42的腔中。隔热罩80有利地是有弹力的弹性材料，例如弹簧钢等等，并且所述罩被构造成使得其沿轴向方向在喷嘴环38和中心壳体20之间被压缩，使得所述罩的恢复力朝向涡轮机轮22轴向推动喷嘴环38（在图1中，向右）。
多个间隔件60安装到喷嘴环38，并且朝向插入件52的喷嘴部分56突出。间隔件60的端部邻接喷嘴部分56（由前段中所述的有弹力的隔热罩80推动）以便维持插入件的喷嘴部分56和喷嘴环38之间的所期望的轴向间隔。从而，间隔件帮助确保：在叶片34的端部与喷嘴环38（在一端上）和喷嘴部分56（在另一端上）之间存在小的轴向间隙。由间隔件60设定的轴向间隔被设计成确保那些间隙并不变得太小（这可能导致叶片的粘合）或太大（这可能损害涡轮机效率）。
参考图2和图3，根据本发明的实施例，间隔件60不仅用于设定喷嘴环38和插入件喷嘴部分56之间的轴向间隔，而且还充当叶片组件的硬质止动件以限制封闭叶片34可以移动多远。图2和图3示出处于最小打开位置的叶片34，其由邻接间隔件60的某些叶片34设定。更特定来说，间隔件相对于叶片构造和定位成使得当相邻三个间隔件60中的每一者的叶片由协调环42旋转直到所述叶片邻接抵靠相邻间隔件时才实现所期望的最小打开位置。
参考图4和图5，间隔件60还用于设定叶片34的最大打开位置。每一间隔件包括延伸部分60E，延伸部分60E从喷嘴环38的相邻于叶片臂40的面中突出。间隔件被构造和定位成使得延伸部分60E设定当相邻每一延伸部分60E的叶片臂40由协调环旋转直到其抵靠所述延伸部分时叶片的最大打开位置。
因此，间隔件60是多任务部件，其允许在部件数目以及制造和组装步骤数目方面简化可变叶片单元50。由于间隔件不仅充当间隔件，而且还充当叶片机构的硬质止动件，因此消除限制叶片行进通常所需的硬质止动销，以及与其使用相关联的制造和组装步骤。
图2-5中示出并且在上文描述的本发明的实施例仅是实践本发明的一种可能方式的示例。本发明并不限于所述实施例的细节，而是可以按许多不同方式实践。作为另一示例，图6至图9示出根据本发明的可变叶片单元50'的第二实施例。在第二实施例中，间隔件60’仅作用于叶片34上，而不作用于叶片臂40上。因此，参考图6，为设定最小打开叶片位置，三个间隔件中的一者被定位成使得当相邻所述间隔件的叶片34由协调环42旋转直到所述叶片邻接所述间隔件时才实现所期望的最小打开位置。另外两个间隔件对设定最小打开位置不起作用。
参考图8，为设定最大打开位置，另外两个间隔件60'被定位成使得当相邻那两个间隔件中的每一者的叶片34由协调环42旋转直到所述叶片邻接所述相邻间隔件时才实现所期望的最大打开位置。
在本发明的范围内，使用多任务间隔件作为叶片机构的硬质止动件的其它变型也是可能的。对于最小打开位置或最大打开位置，任何给定间隔件都可以充当叶片或叶片臂的硬质止动件。然而，并不是每一个间隔件都可以充当硬质止动件。
因此，受益于在前述描述和相关联附图中呈现的教示，与这些发明有关领域的技术人员将想到在本文中阐述的本发明的许多修改和其它实施例。因此，应理解，本发明并不限于所公开的具体实施例，并且修改和其它实施例旨在包括在所附权利要求的范围内。虽然本文中采用特定术语，但是其仅以一般性和描述性意义、而非出于限制目的使用。
