[发明专利]用于涡轮增压器的可变限流涡轮机组件、相应的涡轮增压器和车辆、以及运行方法

说明书

领域

本发明涉及一种用于涡轮增压器的涡轮机组件。在多个实施例中，本发明还涉及一种包括该组件的涡轮增压器、一种包括该涡轮增压器的发动机、以及一种包括该发动机的车辆。本发明还涉及一种用于操作该涡轮机组件的方法。

背景

现有的用于汽油和柴油内燃发动机的涡轮增压器利用从发动机出来的排气的热量和体积流量来对进气空气流进行加压，该进气空气流被引导至该发动机的燃烧室。确切地说，从发动机出来的排气以如下方式引导至涡轮增压器的涡轮机壳体中，其方式为致使排气驱动的涡轮机在该壳体内进行转动。该涡轮机安装在一个轴的一端上，该轴是与安装在该轴的另一端上的径向空气压缩机共用的。因此，该涡轮机的旋转动作也致使该空气压缩机在该涡轮增压器的、与排气壳体分开的压缩机壳体内转动。该空气压缩机的转动动作致使进气空气进入该压缩机壳体中并且在与燃料混合并在发动机燃烧室内燃烧之前被加压希望的量。

对进气空气被加压的量的控制是通过用废气门和/或通过选择性地打开或关闭通向涡轮机的排气通道或通路以调节穿过该涡轮机壳体的排气的量来进行的。被构造成具有此类可调排气通道的涡轮增压器被称为可变几何涡轮机(VGT)、可变喷嘴涡轮机(VNT)、可变涡轮几何形状(VTG)或可变流量涡轮机(VFT)。最常见的缩写是VGT。VGT典型地包括可移动构件，该可移动构件被定位在涡轮机壳体内、在排气来源与涡轮机之间。该可移动构件被适合的致动机构从涡轮机壳体外部致动以便增大或减小通向涡轮机的排气的体积流速，使其适合于当前的发动机运行条件。增大或减小通向涡轮机的排气的体积流速对应地增大或减小了由安装在涡轮机轴的另一端上的压缩机产生的进气空气增压压力。

VGT可以在发动机处于稳定状态下(其中发动机运行参数，例如发动机旋转速度和载荷具有恒定的大小)或处于瞬态操作模式下(其中此类发动机运行参数的幅度正发生改变)时，与内燃发动机一起运行。然而，内燃发动机的特征是其运行的周期性：空气进入并压缩、燃烧、膨胀、以及排出事件都相继并重复发生。在排气事件过程中通过打开发动机排气阀由内燃发动机发出多个独立的排气脉冲并且其被引导穿过歧管管道组件而进入涡轮增压器的涡轮机入口壳体中。所发出的排气脉冲的频率很大并且在现代汽油和柴油发动机中一般在20至200Hz的范围内。典型发动机排气阀的运行使得在排气事件过程中观察到气体质量流量和压力的大幅值：开始是这些阀刚刚打开后的低量值、通常在阀打开时间段的前半段之前达到峰值、然后气流耗散成大致与该过程开始时相同的状况。这种高度脉动的流动经排气歧管和涡轮机壳体而被直接驱动到涡轮机。VGT喷嘴处于最佳喷嘴位置，从而对任何给定发动机排气条件提供最佳面积并且因此提供最佳体积流速、但是并没有考虑贯穿各发动机排气脉冲的流动特征的这些大的变化。

已知的是，当发动机在稳态模式下运行时各个排气压力脉冲事件内所含有的能量是显著的。在通向涡轮机转子的入口处借助于可调节的面积控制限流器机构来打开和关闭可供这些脉冲使用的面积从而控制这些脉冲的能量含量、速度幅度、和方向的方法可以在涡轮增压器和发动机性能方面提供显著增益。WO2006/061588和WO2008/129274各自描述了利用这种能量的系统和方法，这两个专利的主要发明人是与本披露相同的。通过使用这些手段，在各个排气事件过程中回收的能量可以增大涡轮机吸收的能量的量。在同样的发动机运行条件下，这允许涡轮增压器提取更多的动力。

为了使得WO2006/061588和WO2008/129274的流量控制生效，所选定的流量控制系统需要提供如下的器件：这种器件致使滑动套管型限流器打开和关闭或使得一组径向安排的枢转叶片打开和关闭。这个动作的生效是通过线性移位并且通过适合的机械联动器件而被转换成该机构在涡轮机壳体中的流动气体通路通道内的流量控制端的振荡运动。连续振荡的、周期性的运动被要求以高频率进行这一事实在这种设计中导致多个有害机械工程问题的积累。这些问题可以包括相互接触的这些可移动部件的以高频率运行的表面之间的疲劳应力和磨损。针对这些现象导致的问题的解决方案要求昂贵的材料选择以及具有实质性动力输出的致动器和控制器件。由于这个动力必须从发动机本身获取，这抵消了安装这些装置所产生的净收益。

因此针对这些问题的有吸引力的解决方案仍是难以琢磨的。

概述