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CN212177229U - 涡轮增压器涡轮机壳体 - Google Patents

涡轮增压器涡轮机壳体 Download PDF

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CN212177229U CN201890000658.4U CN201890000658U CN212177229U CN 212177229 U CN212177229 U CN 212177229U CN 201890000658 U CN201890000658 U CN 201890000658U CN 212177229 U CN212177229 U CN 212177229U
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C·科隆特
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Abstract

本发明涉及一种涡轮增压器的排气涡轮机(32)的壳体(60)，该壳体包括第一蜗壳(61)和第二蜗壳(62)，蜗壳(61、62)各自终止于对应的第一和第二引导舌部(64、66)。第一引导舌部(64)与涡轮机叶轮之间的间隙小于第二引导舌部(66)与涡轮机叶轮之间的间隙。这种舌部不对称允许控制当涡轮机叶轮的叶片经过每个相应舌部时发出的脉冲幅度。此外，通过仅增加第二引导舌部(66)的叶轮‑舌部距离，能够满足耐久性要求。

Description

涡轮增压器涡轮机壳体
技术领域
本实用新型涉及具有不对称舌部-叶轮间距的双蜗壳涡轮增压器，并且更具体地，涉及涡轮增压器涡轮机壳体。
背景技术
在多缸内燃机中，气缸按顺序点火，提供驱动涡轮机叶轮的能量的排气口在不同的时间打开。当排气口最初打开时，一股气体从气缸中喷出。这种高能短时脉冲在驱动排气涡轮增压器的涡轮机时具有重要价值。接着，当排气口关闭时，歧管中的压力减小。在配备有单个歧管的发动机中，来自沿歧管向下行进的一个气缸的高能脉冲可以与来自另一个气缸的低压波相遇并结合，从而抵消压力脉冲。峰值脉冲压力幅度的减小降低了涡轮机的驱动效率。
用于驱动涡轮机叶轮的改进技术称之为“脉冲增压”。发动机排气系统被分成两个或多个排气歧管，每个排气歧管连接到不同的气缸组，并且这些独立歧管供给内部分开的涡轮机壳体。因此，来自不同气缸组的至少第一和第二流路一直保持从气缸排气口到涡轮机叶轮分离，并且一个歧管中的高能脉冲不会由于与另一个歧管中的低压波相互作用而减小。
双蜗壳涡轮机的内部分开的壳体形成通道，每个通道终止于所谓的舌部。必须考虑到该舌部至少部分地阻止了对涡轮机叶轮的最佳流动的事实。舌部隐藏了涡轮机叶轮的一部分，并且流动不能直接指向涡轮机叶轮的该部分。在两个通道的情况下，有两个这样的舌部不利地影响抵靠涡轮机叶轮的最佳流动。尽管出于空气动力学目的可能希望形成具有细长尖端的舌部，但是存在抵消的要求，需要足够的厚度以确保一定水平的耐久强度。
另一个问题是，脉冲增压涡轮增压器涡轮机叶轮暴露于高度不稳定的空气动力，这导致相当大的叶片振动。空气动力叶片激振力是涡轮增压器中涡轮机叶轮高周疲劳的主要原因。
另一个问题是涡轮机叶片通过喷嘴叶片产生的噪声。当涡轮机叶轮的叶片经过舌部时发出的脉冲的幅度可以转化为噪声。该脉冲能量还可以在舌部引入应力。舌部是涡轮机壳体的特征，其易于由于热应力和高周疲劳而破裂和失效，并且这些压力脉冲引入附加力，其可以加速舌部的疲劳失效。
WO2015179353(BorgWarner)教导，尽管传统上第一通道的舌部的尖端经布置与第二通道的舌部的尖端周向偏离180°，但通过将周向角度偏移缩短至少5°，可以创造性地降低叶片疲劳失效的风险。然而，没有解决喷嘴或舌部失效的问题，并且希望进一步提高涡轮机叶轮的寿命。
本实用新型的目的是说明一种排气涡轮增压器，其与经济有效的生产和低维护操作一起允许脉冲增压，同时该排气涡轮增压器是紧凑的并且可以用在客车和商用车辆中的。
实用新型内容
根据本实用新型，通过提供一种涡轮增压器来解决上述问题，该涡轮增压器具有至少第一和第二分开的流路，终止于第一和第二引导舌部。第一引导舌部与涡轮机叶轮之间的间隙小于第二引导舌部与涡轮机叶轮之间的间隙。这种舌部不对称允许控制当涡轮机叶轮的叶片经过每个相应舌部时发出的脉冲幅度。
径向和混合流动涡轮机级的热力学性能随着在第一引导舌部的较小涡轮机叶轮-舌部距离而增加，这是由于能够减少围绕涡轮机叶轮的流动泄漏并且能够利用来自由发动机发出的流动脉动的更大量的能量峰值。为了最大的热力学性能，第一引导舌部经放置尽可能地靠近涡轮机叶轮。
为了提高涡轮机叶轮的耐久性，使第二引导舌部与涡轮机叶轮之间的距离大于第一引导舌部与涡轮机叶轮之间的距离，由此防止由于叶轮旋转经过每个舌部而导致的涡轮机叶轮中的同步或以其他方式的共振响应。
通过仅增加第二引导舌部的叶轮-舌部的距离，可以满足耐久性的要求，而另一方面，终止于第一舌部的第一蜗壳的性能将不会受到不必要的负面影响。
双蜗壳涡轮机的两个舌部可以用作铸造或者可以经机加工成它们的最终形状和位置。第二舌部的叶轮-舌部的距离可以直接从铸造形状的第一舌部变化，或者可以通过精加工操作而变化。
根据本实用新型，一种涡轮增压器涡轮机壳体，所述涡轮增压器涡轮机壳体呈蜗壳形式，并且具有限定了通向涡轮机叶轮孔的分开的流路的至少第一蜗壳和第二蜗壳，所述涡轮机叶轮孔适于接收具有圆周的涡轮机叶轮，所述流路终止于第一引导舌部和第二引导舌部，其中所述第一引导舌部与涡轮机叶轮的圆周之间的间隙小于所述第二引导舌部与涡轮机叶轮的圆周之间的间隙。
根据本实用新型，所述第二引导舌部的舌部间隙比在0.15-0.04的范围内选择，所述第一引导舌部的舌部间隙比在0.08-0.01的范围内选择，并且较大舌部间隙比与较小舌部间隙比的比率在1.5至4的范围内选择，所述舌部间隙比经测量为最近点处的叶轮-舌部间隙除以叶轮直径。
根据本实用新型，所述第二引导舌部的舌部间隙比在0.1-0.05的范围内选择。
根据本实用新型，所述第二引导舌部的舌部间隙比在0.08-0.05的范围内选择。
根据本实用新型，所述第二引导舌部的舌部间隙比在0.07-0.06的范围内选择。
根据本实用新型，所述第一引导舌部的舌部间隙比在0.07-0.02的范围内选择。
根据本实用新型，所述第一引导舌部的舌部间隙比在0.06-0.03的范围内选择。
根据本实用新型，所述第一引导舌部的舌部间隙比在0.05-0.04的范围内选择。
根据本实用新型，所述较大舌部间隙比与所述较小舌部间隙比的比率在2-3的范围内选择。
根据本实用新型，所述第一蜗壳和第二蜗壳是不对称的。
根据本实用新型，所述第一蜗壳和第二蜗壳中的一个蜗壳连接到排气再循环管线上。
根据本实用新型，所述涡轮增压器涡轮机壳体容纳可变几何形状涡轮机。
根据本实用新型，所述第一引导舌部的尖端从所述第二引导舌部的尖端周向偏移180°。
根据本实用新型，所述第一引导舌部的尖端从所述第二引导舌部的尖端周向偏移165°-177°。
因此，本实用新型涉及能够保持排气速度和脉冲能量的低成本涡轮机流动控制装置的设计。低成本涡轮增压器与低流动状态相匹配，以便为低流动提供优化的涡轮增压器(并因此为发动机)瞬态响应，同时能够在相同的、成本有效的涡轮增压器中输送除了低流动条件之外的发动机所需的高流动。
附图说明
本实用新型通过示例而非限制的方式在附图中示出，其中相同的附图标记表示相似的部件，并且其中：
图1提供了到涡轮增压器的排气涡轮机的排气流的概观；
图2示出了具有双入口涡轮机壳体的本实用新型的第一实施例，并且
图3示出了具有分开的涡轮机壳体的本实用新型的第二实施例。
具体实施方式
脉冲增压涡轮机是众所周知的。美国专利8,621,863(
Figure DEST_PATH_GDA0002637393720000041
等人)在图5中示出了装配有涡轮增压器的内燃机的示意图，该专利的公开内容通过引用并入本文。原则上，内燃机可以是柴油、SI或柴油/SI发动机；在所示实施例中，它具有六个气缸，其中第一组三个气缸组合形成第一气缸组；第二组三个气缸组合形成第二气缸组。这两个排气管线经分配到相应的气缸组，该第一排气管线经由合适的歧管联接到被设计为部分蜗壳的涡轮增压器的第一螺旋通道上，而该第二排气管线联接到被设计为完全蜗壳的第二螺旋通道上。
本实用新型的图1适用于美国申请公开20160025044的图2，其公开内容通过引用并入本文。图1提供了到涡轮增压器的排气涡轮机32的排气流的概观。内燃机12系统包括进气通道18和排气歧管20。进气通道 18与燃烧室16流体连通，以向燃烧室16供应进气。排气歧管20与燃烧室16流体连通，以接收通过排气口排放到燃烧室16外部的排气。
来自燃烧室16的气缸#1、#2和#3的排气流与来自燃烧室16的气缸 #4、#5和#6的排气流物理分离。特别地，来自燃烧室16的气缸#1、#2和 #3的排气流入第一排气管21，而来自燃烧室16的气缸#4、#5和#6的排气流入第二排气管22。当发动机12运行时，随着排气阀打开和关闭而产生的排气脉冲P1至P6分别从气缸#1、#2、#3、#4、#5和#6向外传播。排气脉冲干扰通常发生在来自一个气缸的排气脉冲遇到来自另一个气缸的低压波时。如上所述，通过将来自气缸#1、#2、#3、#4、#5和#6的排气分离到第一排气管21和第二排气管22中，排气涡轮机32可以有效地利用排气净化技术，这改进了涡轮机系统性能并减小了涡轮增压器滞后。
涡轮增压器的排气涡轮机32具有涡轮机壳体60，该涡轮机壳体具有第一蜗壳61、第二蜗壳62以及涡轮机叶轮接收孔63(也称为基圆)。第一蜗壳61具有截面面积为A1的第一蜗壳排气入口61a。这里，第一蜗壳排气入口61a接收来自气缸#1、#2和#3的混合排气流。第一蜗壳61具有第一排气出口61b，该第一排气出口61b在第一排气出口61b的开始处具有截面面积A1'，该第一排气出口61b在逆时针方向上从第一舌部64的尖端或自由端圆周地延伸到第二舌部66的尖端或自由端，如图1所示。第二蜗壳62具有截面面积为A2的第二排气入口62a。这里，第二排气入口62a接收来自气缸#4、#5和#6的混合排气流。第二蜗壳62具有第二排气出口62b，该第二排气出口62b在第二排气出口62b的开始处具有截面面积A2'，该第二排气出口62b在逆时针方向上从第二舌部66的尖端周向地延伸到第一舌部64的尖端，如图1所示。第一蜗壳61和第二蜗壳62的截面积A1和A2可以是基本上相同的。可替代地，第二蜗壳62的截面面积A2可以小于第一蜗壳61的截面面积A1。
如图1所示，第一排气出口61b沿涡轮机接收孔63的180度圆周地开口，而第二排气出口62b沿涡轮机接收孔63的其余180度圆周地开口。
根据本实用新型，涡轮增压器设置有至少第一和第二分开的流路，终止于第二和第一引导舌部。第一引导舌部与涡轮机叶轮之间的间隙小于第二引导舌部与涡轮机叶轮之间的间隙。这种舌部不对称允许控制当涡轮机叶轮的叶片经过每个相应舌部时发出的脉冲幅度。
涡轮机壳体包括多个(两个或更多个)蜗壳61、62，这些蜗壳经配置使得每个蜗壳的出口围绕涡轮机壳体的基圆布置。如图3所示，蜗壳累积地将排气输送到涡轮机叶轮1的圆周2。
限定舌部间隙的典型方法是在最近点处的叶轮-舌部间隙除以叶轮直径(在涡轮机叶轮的径向外尖端处测量)。例如，3mm间隙除以53mm叶轮直径＝3/53＝5.6％或0.056舌部间隙比(TGR)。当舌部间隙增加时，双蜗壳脉冲效应逐渐减小。较大间隙的TGR在0.15-0.04的范围内选择，优选 0.1-0.05、更优选0.08-0.05、最优选0.07-0.06。更接近间隙的TGR可以在 0.08-0.01的范围内选择，优选0.07-0.02、更优选0.06-0.03、最优选0.05-0.04。较大TGR与较小TGR的比例可以是1.5-4，优选2-3。
不对称的舌部间距可以用于具有对称或不对称蜗壳的涡轮增压器中。它可以用于具有EGR的涡轮增压器中。它可以用于具有可变涡轮机几何形状 (VTG)的涡轮增压器中。本实用新型的基本特征是不对称的舌部-叶轮间距。如例如美国专利No.4,389,845(Koike)中所公开的，它可以用在双入口涡轮机中，其中致动器用于选择性地控制从入口到第二涡旋的排气流，同时保持这种气体到第一涡旋的流动。参见美国专利No.4,389,845的附图，其中致动器控制阀，该阀控制进入由实心分隔壁形成的第一蜗壳或第二蜗壳以及第一蜗壳的流动。不对称的舌部间距还可以用于径流式涡轮机或“混合流”径流式/轴流式涡轮机(参见US2007/0180826)。
作为改变第一舌部和第二舌部之间的舌部-叶轮距离的替代方案，还可以改变第一蜗壳相对于第二蜗壳的喷嘴宽度。
这种包括从第二蜗壳改变第一蜗壳的喷嘴宽度的不对称方法允许调节两个蜗壳之间的流动。该方法可用于平衡两个气缸组的涡轮入口压力。这可以用于抵消气缸盖设计中存在的不对称性。例如，在第一蜗壳和第二蜗壳的喷嘴宽度相等的情况下，可以在每个蜗壳中(并且因此在每个气缸配对中)测量涡轮机入口压力。在该示例中，进入第二蜗壳的压力低于在发动机上运行的目标。第二蜗壳的喷嘴宽度可以减小以减小通过第二蜗壳的流动并且因此增大涡轮机入口压力。
减小一个蜗壳中的流动对于增加涡轮机级的低端扭矩和瞬态性能潜力是有用的。较低流动的涡轮机级可以在较低的发动机流动和发动机RPM 下向压缩机级提供更多的功率，这使得能够进行更积极的低端扭矩和瞬态操作。
该方法可以用于在气缸组之间产生不相等的流动，这将在每个蜗壳中产生不相等的涡轮机入口压力。在第一蜗壳的喷嘴宽度和第二蜗壳的喷嘴宽度是对称的情况下，可以在每个蜗壳中(并且因此在每个气缸配对中) 测量涡轮机入口压力并且发现是相等的。为了驱动HP-EGR，可以减小第二蜗壳的喷嘴宽度以增加第二蜗壳前方的涡轮机入口压力。增加第二蜗壳的涡轮机入口压力将使得涡轮增压器/发动机系统能够驱动HP-EGR而不影响第一蜗壳的气缸组的泵送回路/VE。
现已描述了本实用新型。

Claims (14)

1.一种涡轮增压器涡轮机壳体(60)，其特征在于，所述涡轮增压器涡轮机壳体呈蜗壳形式，并且具有限定了通向涡轮机叶轮孔的分开的流路的至少第一蜗壳(61)和第二蜗壳(62)，所述涡轮机叶轮孔适于接收具有圆周(2)的涡轮机叶轮(1)，所述流路终止于第一引导舌部(64)和第二引导舌部(66)，其中所述第一引导舌部(64)与涡轮机叶轮(1)的圆周(2)之间的间隙小于所述第二引导舌部(66)与涡轮机叶轮的圆周(2)之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机壳体，其特征在于，所述第二引导舌部(66)的舌部间隙比在0.15-0.04的范围内选择，所述第一引导舌部(64)的舌部间隙比在0.08-0.01的范围内选择，并且较大舌部间隙比与较小舌部间隙比的比率在1.5至4的范围内选择，所述舌部间隙比经测量为最近点处的叶轮-舌部间隙除以叶轮直径。
3.根据权利要求2所述的涡轮增压器涡轮机壳体，其特征在于，所述第二引导舌部(66)的舌部间隙比在0.1-0.05的范围内选择。
4.根据权利要求2所述的涡轮增压器涡轮机壳体，其特征在于，所述第二引导舌部(66)的舌部间隙比在0.08-0.05的范围内选择。
5.根据权利要求2所述的涡轮增压器涡轮机壳体，其特征在于，所述第二引导舌部(66)的舌部间隙比在0.07-0.06的范围内选择。
6.根据权利要求2所述的涡轮增压器涡轮机壳体，其特征在于，所述第一引导舌部(64)的舌部间隙比在0.07-0.02的范围内选择。
7.根据权利要求2所述的涡轮增压器涡轮机壳体，其特征在于，所述第一引导舌部(64)的舌部间隙比在0.06-0.03的范围内选择。
8.根据权利要求2所述的涡轮增压器涡轮机壳体，其特征在于，所述第一引导舌部(64)的舌部间隙比在0.05-0.04的范围内选择。
9.根据权利要求2所述的涡轮增压器涡轮机壳体，其特征在于，所述较大舌部间隙比与所述较小舌部间隙比的比率在2-3的范围内选择。
10.根据权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机壳体，其特征在于，所述第一蜗壳和第二蜗壳是不对称的。
11.根据权利要求10所述的涡轮增压器涡轮机壳体，其特征在于，所述第一蜗壳和第二蜗壳中的一个蜗壳连接到排气再循环管线上。
12.根据权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机壳体，其特征在于，所述涡轮增压器涡轮机壳体容纳可变几何形状涡轮机。
13.根据权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机壳体，其特征在于，所述第一引导舌部的尖端从所述第二引导舌部的尖端周向偏移180°。
14.根据权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机壳体，其特征在于，所述第一引导舌部的尖端从所述第二引导舌部的尖端周向偏移165°-177°。
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