[发明专利]可变几何涡轮增压器的平衡叶片和整体式致动系统

说明书

用于涡轮增压器的可变几何涡轮机(VGT)包括具有多个叶片的涡轮喷嘴，每个叶片具有带有内盘和外盘的翼型件。第一喷嘴板包括凹穴以容纳内盘，该内盘大体上与第一喷嘴板上的喷嘴表面齐平。第二喷嘴板具有用于容纳外盘的凹穴，其中该外盘大体上与第二喷嘴表面齐平。整体式致动系统旋转多个叶片以用于改变喷嘴几何形状。

发明背景

发明领域

本发明整体涉及内燃发动机的增压空气升压领域，并且更具体地涉及采用平衡可变叶片和液压伺服机构的可变几何涡轮机，由比例螺线管驱动液压伺服机构用于叶片闭合，通过反作用弹簧用于叶片开启。

现有技术的描述

用于涡轮增压器的可变几何涡轮机(VGT)在过去20年中已经在各种汽车和卡车细分市场上非常流行。所有主要的涡轮增压器制造商现在都在生产VGT。VGT增加至发动机的空气流的可控性的能力已被证明对某些发动机细分市场具有很大的价值。VGT可用于改变空燃比(AF)、改善涡轮增压器的瞬态响应、向发动机提供额外的背压以驱动外部冷却的EGR和/或提供额外的背压以增大减压制动。

这种增加的能力确实有一定的缺陷。例如，涡轮增压器成本增加、可靠性降低、耐用性降低、噪音增加、涡轮增压器在发动机室中的包装更困难并且增加了故障排除的复杂性。

已经尝试通过使用更少和更简单的零件以及整体式致动来减轻降低成本设计中的这些负面因素中的一些，所述零件可以使用网状技术(net-shape technologies)来制造。整体式致动通过减小总体积来改善包装，并减少与非整体式的用螺栓连接的致动(bolton actuation)有关的故障模式的数量。

如在2001年7月8日发布的美国专利第6,269,642号中公开的实施方案中使用的电液压致动，不需要将外部动力传递给涡轮增压器，而是使用供应润滑和阻尼的油系统作为动力源。附加优点在于，它带走热量，而不会像电致动系统那样产生更多的热量。

但是，这种类型的设计仍然存在许多问题。为了实现简单的整体网状叶片，致动系统被并入流动通道中。这增加了温度、污染物的水平，并破坏了空气动力学流动，从而导致耐久性降低。独特的叶片/协调环共轭作用将叶片的旋转限制为约20度。

具有四通滑阀(four way spool valve)和比例螺线管的双作用液压伺服机构也有许多问题。由于双作用性质，滑阀必须具有多个嵌套的环形通道，这导致小的流动面积。这限制了系统的响应并使其高度依赖于油粘度。在寒冷的气候下冷启动，这个系统将需要几分钟的适当响应时间才能正常工作。双作用系统的另一个问题在于成本更高。系统需要两倍的控制接口，并且系统所需的精度非常高。

叶片机构为可变几何涡轮机的核心，并且为最昂贵且最难以高可靠性地以有成本效益的方式生产。该行业中的最初设计具有许多小而非常精密的零件，这些零件是由超合金制成并经过机械加工或研磨以达到非常精细的公差。这些设计中的大多数使用了必须在组装期间进行焊接的多件式叶片/臂件/杆件。这些设计非常昂贵，并且还导致了悬臂式负荷，其中叶片上的空气动力学转矩不得不受到叶片或支撑轴承的平面外的力的抵制。这些复杂的悬臂式加载导致高很多的负荷，尤其是在“轴承”或支撑件的末端。由于叶片机构在其使用寿命中必须运动数十亿次，所以在氧化性大气中、在没有润滑且没有粘附或粘结的情况下，要在高度振动的环境中运转、在高于700℃的温度下幸存，试图使叶片在轴承中旋转(cock)的额外负荷是个很大问题。

因此，期望提供一种克服现有技术的缺陷的可变几何形状涡轮增压器，以允许在所有环境条件下降低成本、提高耐用性和可靠性、扩大范围灵活性并改善响应。

发明概述