用于扩散排气流的扩散器及包括该扩散器的系统
技术领域
本发明总体上涉及一种用于还包括内燃发动机、和催化转化器的系统的涡轮增压器的涡轮机壳体的扩散器。
背景技术
常规车辆包括产生排气的内燃发动机。某些常规车辆还包括涡轮增压器，所述涡轮增压器接收来自内燃发动机的排气并且将排气引至排气系统。在排气到排气系统的移动期间，联邦法律要求排气在进入排气系统之前要流到催化转化器以便满足当前排放标准。
包括涡轮增压器的常规车辆可以包括一个或多个围绕涡轮增压器的涡轮机叶轮布置的部件，以便使得排气从涡轮机叶轮到涡轮机出口扩散。然而，这些常规车辆展现出并非最优的特征，包括排气通过废气门或旁通通道而绕过涡轮机叶轮直接移动到催化转化器，这可以由于高速的排气流而致使催化转化器过早失效。排气直接流通到催化转化器还可以致使在内燃发动机的冷启动期间催化转化器的缓慢暖机，从而导致在暖机期间来自排气系统的所不希望的排放物。这样，仍然需要改进排气到催化转化器的流动以便防止催化转化器的过早失效并且改善催化转化器的运行。
发明内容
本文披露了一种涡轮增压器，所述涡轮增压器用于接收来自内燃发动机的排气并且用于将排气递送至排气系统。所述涡轮增压器包括涡轮机壳体。所述涡轮机壳体包括限定涡轮机壳体内部的内表面。所述内表面在涡轮机壳体入口与涡轮机壳体出口之间延伸。所述涡轮机壳体入口限定在所述内表面的一个端部处并且与所述内燃发动机和所述涡轮机壳体内部处于流体连通，以用于将来自所述内燃发动机的排气递送至所述涡轮机壳体内部。所述涡轮机壳体出口限定在所述内表面的相反的端部处并且与所述涡轮机壳体内部处于流体连通，以用于将排气从所述涡轮机壳体内部排出。所述涡轮机壳体还包括废气门管道，所述废气门管道布置在所述涡轮机壳体入口与所述涡轮机壳体出口之间，并且限定与所述涡轮机壳体入口和所述涡轮机壳体出口处于流体连通的废气门通道。废气门通道用于通过绕过涡轮机壳体内部将排气从涡轮机壳体入口排出至涡轮机壳体出口。所述涡轮增压器进一步包括废气门组件，所述废气门组件布置在所述涡轮机壳体内以用于控制穿过所述废气门通道的排气流。废气门组件包括阀座和阀，所述阀座布置在废气门通道内，所述阀能够与所述阀座接合。所述阀能够在第一位置与第二位置之间移动，在所述第一位置中所述阀与所述阀座接合以用于防止排气流穿过所述废气门通道，在所述第二位置中所述阀与所述阀座解除接合以用于允许排气流穿过所述废气门通道。此外，所述涡轮增压器包括扩散器，所述扩散器至少部分地围绕所述阀座以用于将所述排气流均匀地扩散到所述涡轮机壳体出口中。
此外，本文披露了一种包括涡轮增压器的系统。车辆还包括：内燃发动机，所述内燃发动机被配置成用于产生排气；排气系统，所述排气系统被配置成用于将排气递送出所述车辆；以及催化转化器，所述催化转化器布置在所述内燃发动机与所述排气系统之间。
最后，本文披露了一种运行所述系统的方法。所述方法包括：启用所述内燃发动机，从而致使排气从所述内燃发动机流动到所述涡轮增压器的入口；将所述废气门阀从所述第一位置移动到所述第二位置，在所述第一位置中所述阀与所述阀座接合以用于防止排气流穿过所述废气门通道，在所述第二位置中所述阀与所述阀座解除接合以用于允许排气流穿过所述废气门通道；并且用所述扩散器将离开所述废气门通道的排气均匀地扩散至所述催化转化器。
具有至少部分地围绕阀座的扩散器允许离开废气门管道的排气被均匀地扩散到涡轮机壳体出口中并且扩散到催化转化器。使得均匀的排气流到达催化转化器在内燃发动机的冷启动期间通过将流动均匀地引到催化转化器改善了催化转化器的加热，并且由此防止催化转化器过加热。此外，将排气均匀地扩散到催化转化器使得排气流扩展并且防止由于直接高速排气流而使催化转化器过早失效。
附图说明
本发明的其他优点将是容易了解的，因为所述优点通过参照以下详细说明在结合附图考虑时将变得更好理解，在附图中：
图1是包括涡轮增压器的车辆的示意图；
图2是具有处于第一位置的阀的涡轮增压器的涡轮机壳体的内部的局部透视图；
图3是具有处于第二位置的阀的涡轮增压器的涡轮机壳体的内部的局部侧视图；
图4是已经出于展示的目的将阀移除的、涡轮增压器的涡轮机壳体的内部的局部侧视图；
图5是具有根据本发明的流线轮廓图的侧视图；
图6是具有根据本发明的流线轮廓图的底侧视图；并且
图7是具有根据本发明的流线轮廓图的顶侧视图。
具体实施方式
现在参照附图，在图中除非另外指明，相似的附图标记被用来指示相似的结构，系统被示意性地展示为10。如图1所示，系统10包括被配置成用于产生排气的内燃发动机12。内燃发动机12与车辆传动装置处于旋转连通。传动装置可以是任何类型的传动装置，包括如本领域普通技术人员已知的混合动力、手动、自动、或半自动的传动装置。内燃发动机12产生被选择性地传递至传动装置的旋转扭矩，所述旋转扭矩通过轴进而被传递至一个或多个车轮。应进一步认识到的是，内燃发动机12和/或传动装置可以以任何合适的方式配置成足以产生并且传递旋转扭矩来驱动车辆，而不偏离本发明的范围。
系统10还包括排气系统20。排气系统20被配置成用于将排气递送出车辆。典型地，排气系统20包括被配置成用于将排气引导离开车辆的管路。排气系统20还可以包括被配置成用于减小由离开排气系统20的排气发出的噪音的消声器以及被配置成用于将排气引导离开车辆的后部或侧部的尾管。其他实施例可以包括除被配置成除尾管之外的、或取而代之的、用于将排气竖直引导离开车辆的排气管。
系统10还包括布置在内燃发动机12与排气系统20之间的催化转化器22。催化转化器22是被配置成用于通过催化氧化还原反应将排气中的有毒气体和其他污染物转换成毒性较小形式的废气排放控制装置。典型地，催化转化器22需要非常高的温度(即800华氏(F)度)以便有效进行氧化还原反应。这样，在内燃发动机12冷启动之后需要加热催化转化器22。在一些实施例中，催化转化器22布置在内燃发动机12的下游并且邻近排气系统20，使得离开催化转化器22的排气直接流到排气系统20，在所述排气系统处这些排气可以离开车辆。在其他实施例中，催化转化器22至少部分地布置在涡轮机壳体26内。在又一个实施例中，催化转化器22被布置成邻近涡轮机壳体出口34。然而，还可想到的是，催化转化器22可以布置在内燃发动机12与排气系统20之间的任何地方。催化转化器22具有前面，该前面被限定为催化转化器22最靠近内燃发动机12的面并且包括进到催化转化器22中的入口。换言之，前面是催化转化器22在排气流进入催化转化器22之前或在进入催化转化器时暴露于所述排气流的面。
此外，系统10包括布置在内燃发动机12与催化转化器22之间的涡轮增压器24。涡轮增压器24接收来自内燃发动机的排气12的排气并且将排气引至排气系统20。现参考图2，涡轮增压器24包括涡轮机壳体26，该涡轮机壳体包括限定涡轮机壳体内部30的内表面28。内表面28在轮机壳体入口32(见图5)与涡轮机壳体出口34之间延伸。涡轮机壳体入口32被限定在内表面28的一个端部处并且与涡轮机壳体内部30和内燃发动机12处于流体连通以用于将排气从内燃发动机12移动到涡轮机壳体内部30。此外，涡轮机壳体出口34被限定在内表面28相反的端部处并且与涡轮机壳体内部30处于流体连通以用于将排气从涡轮机壳体内部30排出。
涡轮机壳体内部30还限定布置在涡轮机壳体入口32与涡轮机壳体出口34之间的涡轮通道36。如在图2所示的实施例中展示的，涡轮通道36包括布置在其中的涡轮机叶轮38。可想到的是，涡轮机叶轮38可以完全布置在涡轮通道36内侧或者可以部分地布置在涡轮通道36内。此外，可想到的是，涡轮机叶轮38可以如所期望地布置在涡轮通道36的入口处或涡轮通道36的出口处。此外，涡轮机叶轮38与涡轮机壳体入口32和涡轮机壳体出口34处于连通，以用于将排气排出到涡轮机出口34。典型地，离开涡轮通道36的排气被朝向涡轮机壳体出口34引导。然而，还可想到的是，离开涡轮通道36的排气的一部分可以朝向排气系统20引导，使得来自涡轮通道36的排气在经过排气系统20离开车辆之前接触催化转化器22。
涡轮机壳体26还可以包括布置在涡轮机叶轮38与涡轮机壳体出口34之间的传感器40。传感器40可以是拉姆达(lambda)传感器或如本领域普通技术人员所希望的任何其他传感器。传感器40被配置成用于感测存在于排气中的空气与燃料之比。在一个实施例中，传感器40被布置在涡轮通道36的出口处，使得传感器40准确地感测存在于离开涡轮机叶轮38的排气中的比率。还可想到的是，传感器40可以布置在涡轮机壳体内部30的别处和/或涡轮增压器24可以包括多个传感器40。
涡轮增压器24还包括布置在涡轮机壳体入口32与涡轮机壳体出口34之间的废气门管道42。此外，废气门管道42限定与涡轮机壳体入口32和涡轮机壳体出口34处于流体连通的废气门通道44以用于通过绕过涡轮机壳体内部30而将排气排出到涡轮机壳体出口34。此外，可想到的是，流动穿过废气门管道42的排气可以完全绕过涡轮机壳体内部30，使得排气直接从涡轮机壳体入口32流动至涡轮机壳体出口34；或可想到的是，在从涡轮机壳体入口32进入废气门管道42之前或在离开废气门管道42之后流动到涡轮机壳体出口34之前，一部分排气可以在涡轮机壳体内部30流动。如图2至图4中所最佳展示的，废气门通道44被配置成使得废气门通道44的出口是圆形形状的。然而，还可想到的是，废气门通道44的出口可以是如本领域普通技术人员所希望的长方形、椭圆形、正方形、或另一种形状。
此外，涡轮增压器24包括布置在涡轮机壳体26内的废气门组件46以用于控制排气流穿过废气门通道44。废气门组件46包括布置在废气门通道44内的阀座48。可想到的是，如图3和图4所示的实施例中展示的，阀座48可以完全布置在废气门通道44内，或者阀座48可以部分地布置在废气门通道44内使得阀座48的一部分在废气门通道44之外。此外，在图3和图4所展示的实施例中，阀座48被布置在废气门通道44的出口处。然而，还可想到的是，阀座48可以部分地布置在出口内、邻近出口、或在废气门通道44中或邻近废气门通道的其他地方。如图3和图4所额外展示的，阀座48典型地具有圆形外部部分‘使得外部部分与废气门通道44处于接触’并且使得其中排气可以流动的、在废气门通道44的出口处的圆周缩小。换言之，阀座48的外部部分被装配成顶接废气门管道42的内部表面，使得孔口的圆周小于废气门通道44的圆周并且限制排气流从废气门通道44离开。还可想到的是，阀座可以与废气门通道44整合在一起。在图3和图4所展示的实施例中，阀座48包括分隔部分使得阀座48被配置成用于双涡流涡轮增压器应用。还可想到的是，阀座48可以不包括分隔部分使得阀座48被配置成用于单涡流涡轮增压器应用。阀座48可以如本领域普通技术人员所希望地包括金属(例如钢或合金钢)。
废气门组件46还包括能够与阀座48接合的阀50。虽然阀50可以是任何类型的阀(包括但不限于活塞阀和球阀，蝶形阀，以及止挡件和倾斜盘形阀)，但是阀50在图3所示的实施例中是回转阀。阀50能够在第一位置52与第二位置54之间移动。在第一位置52中，阀50与阀座48接合以用于防止排气流穿过废气门通道44。在第二位置54中，阀50与阀座48解除接合以用于允许排气流穿过废气门通道44。在第二位置54中阀50可以与阀座48部分地解除接合使得阀50的一部分与阀座48接合，或阀50可以与阀座48完全解除接合，以如所期望地控制来自废气门通道44的气流。在图3所展示的实施例中，阀50以回转运动从第一位置52移动至第二位置54并且移动成角度，使得当阀50处于第二位置54时阀50的上部部分比阀50的下部部分布置得更靠近阀座48。然而，还可想到的是，阀50可以以如所期望的任何方式从第一位置52移动到第二位置54。
在图3所示的实施例中，废气门组件46还包括联接至阀50的阀臂56，以便在第一位置52与第二位置54之间移动阀50。废气门组件46还包括衬套58，所述衬套联接至阀臂56并且被配置成用于允许阀臂56旋转，以便在第一位置52与第二位置54之间移动阀50。还可想到的是，阀50可以包括用于在第一位置52与第二位置54之间移动阀50的不同机构，包括但不限于，弹簧、活塞、电子致动器、或气动致动器。在图3所示的实施例中，阀臂56在阀50的中心联接至阀50。然而，可想到的是，阀臂56可以在如本领域普通技术人员所希望的任何位置联接至阀50。
在图2所示的实施例中，废气门组件46还包括布置在阀50的任意一侧的多个抗转动特征60。抗转动特征60被配置成用于当阀50不在第一位置52与第二位置54之间移动时防止其旋转。在图2所示的实施例中，废气门组件46包括两个椭圆形形状的抗转动特征60。然而，还可想到的是，废气门组件46可以包括任何数量的、任何形状的(包括但不限于正方形、矩形、或三角形)抗转动特征60。
在图3所示的实施例中，阀50是圆形形状的。然而，还可想到的是，阀50可以是任何形状的，包括但不限于椭圆形、正方形、或三角形。在一个实施例中，阀50具有大约30-50mm的直径。在另一个实施例中，阀50具有大约35-45mm的直径。在又一个实施例中，阀50具有大约40mm的直径。然而，还可想到的是，阀50根据涡轮增压器24、废气门通道44、以及阀座48中的一者或多者的尺寸和形状可以具有更小或更大的直径。
涡轮增压器24还包括至少部分地围绕涡轮机壳体26的阀座48的扩散器62以用于将排气流均匀地扩散到涡轮机壳体出口34中。可想到的是，扩散器62可以部分或完全围绕阀座48。在一个实施例中，扩散器62围绕阀座最少30度。在另一个实施例中，扩散器62围绕阀座48最少45度。在又一个实施例中，扩散器围绕阀座48最少60度。扩散器62包括围绕阀座48布置的内侧表面64以用于将排气流均匀地扩散到涡轮机壳体出口34中。在图3所示的实施例中，扩散器62的内侧表面64环绕阀座48使得扩散器62布置在废气门通道44的出口处。然而，还可想到的是，内侧表面64可以部分地环绕或完全环绕阀座48。还可想到的是，扩散器62的内侧表面64形成围绕阀座48的环。在图2至图4所示的实施例中，扩散器62的内侧表面64向上并且远离阀座48(即在标准笛卡尔坐标系的x和y方向上)延伸，使得扩散器62在内侧表面64的基部处的圆周小于扩散器62在相反的端部处的圆周。此外，可想到的是，内侧表面64延伸到高于阀座48高度的高度。在一些实施例中，当阀50处于第一位置52时，内侧表面64的至少一部分被阀50所覆盖。扩散器62还包括外侧表面66，所述外侧表面形成为涡轮机壳体26的内表面28的部分。外侧表面66和内侧表面64通过弯曲部分68相连。弯曲部分68可以如所期望地被成形为具有任何角度。扩散器62可以具有被配置成用于将排气流均匀地分布到涡轮机壳体入口32中的任何尺寸和形状。在一个实施例中，扩散器62具有的最小高度大约是阀50直径的1/20。在另一个实施例中，扩散器62具有的最小高度大约是阀50直径的1/10。在又一个实施例中，扩散器62具有的最小高度大约是阀50直径的1/5。
在图2至图4所示的实施例中，扩散器62完全布置在涡轮机壳体26内；然而，还可想到的是，扩散器62可以仅部分地布置在涡轮机壳体26内，使得扩散器62的一部分延伸穿过涡轮机壳体出口34。此外，在图2至图4所示的实施例中所展示的扩散器62被形成为连同涡轮机壳体26的内表面28一起的铸件，使得扩散器62和涡轮机壳体26的内表面28形成为单一整合件。然而，还可想到的是，扩散器62可以被形成为分离件并且被焊接至涡轮机壳体26的内表面28或以其他的方式与其结合。此外，可以在铸造工艺之后机加工扩散器62的内侧表面64以形成光滑的内侧表面64。更具体地，在一个实施例中，扩散器62的内侧表面64被机加工至大约30-50微米的表面粗糙度水平(Rz)。在一个实施例中，内侧表面64的表面粗糙度水平(Rz)大约是35-45微米。在又一个实施例中，扩散器62内侧表面64的表面粗糙度水平(Rz)大约是40微米。然而，可想到的是，扩散器62内侧表面64的表面粗糙度水平(Rz)可以高于或低于所给实例，而不背离本发明的精神。
在操作中，内燃发动机12被启用，从而致使排气从内燃发动机12流动到涡轮机壳体入口32。启用可以通过手动方法发生(例如用户旋转钥匙以启用内燃发动机12)，或者可以通过电子方法发生(例如电子致动器启用内燃发动机12)。阀50开始处于阀50与阀座48接合的第一位置52以用于防止排气流穿过废气门通道44。在希望时，阀50从第一位置52移动至阀50与阀座48解除接合的第二位置54以用于允许排气流穿过废气门通道44。如以上所描述的，阀50从第一位置52到第二位置54的移动可以由阀臂56致动，所述阀臂被配置成用于在衬套58内旋转，从而允许阀50移动到第二位置54。如图5至图7最佳所示，一旦排气流动到废气门通道44的出口，排气就接触扩散器62，在那里排气流被均匀地扩散穿过涡轮机壳体出口34到催化转化器22。排气然后将离开催化转化器22到排气系统20，在那里排气然后将离开车辆。
此外，流动穿过涡轮机壳体入口32的气体还可以流动穿过与涡轮机壳体入口32连通的涡轮通道。排气将流动穿过涡轮通道到涡轮机叶轮38。在离开涡轮通道之后，排气在流动到涡轮机壳体出口34之前将流动到传感器40，在所述涡轮机壳体出口处排气将流回内燃发动机12。
具有至少部分地围绕阀座48的扩散器62允许离开废气门管道42的排气被均匀地扩散到涡轮机壳体出口34中并且扩散到催化转化器22。使得均匀的排气流到达催化转化器22在内燃发动机12的冷启动期间通过将流动均匀地引到催化转化器22改善了催化转化器22的加热，并且由此改善了催化转化器22的运行。此外，将排气均匀地扩散到催化转化器22将导致排气流的扩展(如图5至图7所示)，这防止了由于许多高速排气流到达催化转化器22前面而使催化转化器22过早失效。此外，均匀地扩散排气可以减慢移动到催化转化器22的排气流的速度，这可以防止催化转化器22由于到达催化转化器22前面的高速排气流而失效。最后，将排气均匀地扩散到涡轮机壳体出口34中并且扩散到催化转化器22可以由于更快并且更均匀地加热催化转化器22而导致车辆性能优点，例如改善排气系统的排放。
已经以展示性的方式描述了本发明，并且应理解的是，已经使用的术语旨在本质上是描述词语而非限制词语。鉴于上述传授内容，本发明的许多修改和变化是可能的，并且本发明可以以具体描述的之外的方式来实施。
