[发明专利]具有非对称分开式涡形的可变几何结构涡轮增压器

说明书

技术领域

本发明涉及排气驱动的涡轮增压器。尤其涉及用于具有两组发动机汽缸的 内燃机的涡轮增压器涡轮组件，每组汽缸都将排气排入各自的排气排出管线， 各汽缸组的排气排出管线彼此分开。

背景技术

排气驱动涡轮增压器是一种连接在内燃机中通过压缩进入到发动机进气道 空气的装置，该空气与燃料混合并在发动机中燃烧，从而增加内燃机的输出功 率。涡轮增压器包括一个在压缩机腔内安装轴一端的压缩机轮和一个在涡轮机 腔内安装轴另一端的涡轮。典型地，涡轮腔和压缩机腔相分开，并具有一个连 接在涡轮腔和压缩机腔之间用于容纳该轴的轴承的中间腔。涡轮腔大体呈围绕 在涡轮外并接收发动机排气的环状腔体。涡轮组件包括从腔体延伸入涡轮的喷 嘴。排气从腔体穿过喷嘴流向涡轮，从而驱动涡轮。涡轮从排气中吸收能量并 驱动压缩机。压缩机通过压缩机腔体的入口接收周围空气，空气被压缩机轮压 缩并继而从腔体流向发动机进气道。

内然机不是定流设备，因为每个发动机汽缸在整个循环的压缩和燃烧/膨胀 冲程期间都是封闭的。因此，通过特定气缸排放的排气流实际上是排气的一系 列短的爆喷或脉冲，每个脉冲都相应于循环的排气冲程。在具有多汽缸的发动 机中，一般来说，将汽缸“分成”两组会比较有利，这样一来，一组汽缸的排气 进入一条排气排出管线，而另外一组汽缸的排气进入另一条排气排出管线。这 两条管线接着将排气送入涡轮增压器，从而使得排气的两个流尽可能长地保持 彼此分开。这样的布置能够利用排气流的“脉冲”效应。

在普通单涡形涡轮增压器中，由于两条流在进入涡轮增压器的涡轮腔时必 须汇合和混合，因此脉冲效应还没有达到最优化，尤其是在低流速的情况下。 当排气以低流速进入单个的大体积涡形时，涡轮中排气的脉冲能量不能有效地 转换成机械能。

发明内容

本发明涉及一种更完全地利用双组发动机排气系统脉冲能量的涡轮增压器 的涡轮组件。本发明一方面，涡轮组件包括一个涡轮腔，其具有轴向延伸孔， 并且具有围绕孔的分开涡形或“双涡卷”以接收来自发动机排气排出管线的排 气。双涡卷限定出第一涡卷和与第一涡卷基本分开和隔开的第二涡卷，第一涡 卷相对于沿着排气流过涡轮腔的孔的轴流方向位于第二涡卷的上游。有利地， 第一涡卷具有一个相对第二涡卷显著较小的容积。组件还包括可旋转地安装在 孔中的涡轮，涡轮包括毂和多个周向相间隔的叶片，叶片连接到毂上并从毂大 致径向向外延伸至叶片尖端。叶片限定了位于其间的叶片通道，每个叶片通道 具有一个喉部，在喉部处叶片通道的流通面积最小。叶片尖端的径轴向凸出部 限定出的轮廓具有在轴向上位于喉部上游的第一部分以及在轴向上位于第一部 分下游的第二部分，第二部分至少有一部分在轴向上位于喉部的下游。

涡轮腔中的排气入口允许排气进入到第一和第二涡卷，排气入口设置成将 第一和第二涡卷与来自于发动机的两条排气排出管线流体连通，并当流进入并 通过两个涡卷时仍然保持两个排气流间基本分开。

第一涡卷的出口部分引导排气基本仅流向涡轮轮廓的第一部分，且第二涡 卷的出口部分引导排气基本仅流向涡轮轮廓的第二部分。

优选实施例中，涡轮组件还具有可变几何结构机构并且布置为用于控制从 第二涡卷至涡轮的流通面积。有利地，在仅用第一涡卷就足够的工作条件下， 可变几何结构机构可操作以基本防止从第二涡卷到涡轮的任何流动。通过这样 的布置，可以配置第一涡卷及其出口部分以被优化，从而在如低发动机速度这 样的低流量条件下起到固定几何结构涡轮(第一涡卷带或不带导向叶片)的作 用。当需要更高流率的情况下(例如，高发动机速度/负荷)，可通过可变几何结 构机构将第二涡卷打开。两个涡卷基本分开有利于保持不同排气流的优势。同 时，当可变几何结构机构将第二涡卷关闭时，两条排气线都将排气输入第一涡 卷。利用这样的设计，当发动机低速运转使得排气流速低时，所有的排气都送 入第一涡卷(通过可变几何结构机构关闭第二涡卷)。可将第一涡卷对低流速条 件最优化，从而相比于普通的排气穿过大体积涡形的单涡形涡轮增压器而言， 使得排气中的脉冲效应能更有效地转化成涡轮中的机械能。