[发明专利]用于涡轮增压器的可变喷嘴及其控制方法和涡轮增压器

说明书

本发明提供了一种用于涡轮增压器的可变喷嘴及带有该可变喷嘴的涡轮增压器。本发明的可变喷嘴包括喷嘴环、开度环和盖板，以可行的设计结构，集合了现有技术中可变叶片型喷嘴与滑动活塞型喷嘴的优点，气动性能好，应用温度范围广，且结构简单，生产成本低，控制容易实现。

技术领域

本发明属于涡轮增压器领域，特别涉及一种用于涡轮增压器的可变喷嘴及其控制方法，以及带有该可变喷嘴的涡轮增压器。

背景技术

涡轮增压器是与内燃式发动机结合使用的装置，用于压缩输送到发动机进气口的空气，以便其与燃料充分混合并在发动机中燃烧，以增大发动机的功率输出。涡轮增压器包括安装在压缩机壳体中的压缩机叶轮和安装在涡轮机壳体中的涡轮。其中，涡轮机壳体与压缩机壳体分开地形成，并且还有另一个中间壳体连接在涡轮机壳体和压缩机壳体之间，用于轴承的安装及冷却润滑。涡轮机壳体限定出包围涡轮的大致环形流道，排气从发动机进入流道并吹向涡轮，并驱动涡轮转动，涡轮机带动同轴连接的压缩机转动。空气经过压缩机叶轮被压缩，然后从壳体出口连接到发动机进气口。

在利用涡轮增压器来助推发动机性能方面的一个挑战是在发动机的整个工作范围内实现期望大小的发动机功率输出。已经发现，利用固定喷嘴尺寸的涡轮增压器通常不容易达到上述目的。本领域公知的做法是通过调节涡轮增压器的涡轮的进气流，从而对由涡轮增压器向相关内燃发动机输送的增压量进行更好的控制。这种调节进气流的方式通过在通向涡轮叶轮内的喷嘴中结合可变的几何形状，实现了对废气冲击涡轮的调节。通过改变喷嘴流动区域的大小，可调节进入涡轮叶轮的流量，从而调节由涡轮增压器的压缩机所提供的总体增压。用于涡轮增压器的可变几何形状的喷嘴目前通常分为两个主要类型：可变叶片喷嘴和滑动活塞喷嘴。

对于可变叶片喷嘴而言，叶片通常包括在涡轮喷嘴中，用于将排气沿有利的方向引导至涡轮中。一排周向间隔开的叶片沿轴向延伸穿过喷嘴，并可以被驱动装置驱动同步转动，来自涡壳流道的排气沿径向向内流动穿过叶片之间的通路。叶片可以改变气流流动的方向，以便沿期望的方向引导废气流入涡轮叶轮中。在大多数可变叶片喷嘴中，叶片可围绕其轴线旋转，以改变叶片设置的角度，从而改变叶片间通路的流动区域。虽然可变叶片喷嘴调节比较灵活，但是复杂的结构限制了其使用范围。一方面由于可变叶片喷嘴中运动的零部件较多，在高温下极易出现卡滞失效的风险，因此其使用温度范围受到限制。以叶片为例，叶片在喷嘴环和盖板之间绕轴运动，所以叶片在转动轴的方向上必须与后两者之间存在间隙，且转动轴与转动轴孔之间必须存在间隙，这些间隙如果设计地较大，会导致性能降低，因为从间隙泄露的废气是不做功的；如果这个间隙设计地较小，由于零部件在高温下的热膨胀量不同，会存在卡滞风险，一旦叶片被高温膨胀卡滞，则会直接导致增压器的失效。所以，目前可变叶片喷嘴组件仅用于柴油机增压器，因为柴油机排气温度比较低。各增压器公司均在尝试将可变喷嘴应用于汽油机，但是由于汽油机温度较高，尚无法在汽油机上普遍推广。另一方面，由于可变叶片喷嘴的结构复杂，成本较高，其价格缺乏竞争力，应用范围也同样受到了限制。

对于滑动活塞型喷嘴而言，一般其不带有导向叶片，因此其气动性能较差，效率也较低；然而其也可以包括叶片，但是叶片固定在适合的位置上，通过在涡轮壳体内轴向滑动的滑动活塞，实现了喷嘴流动区域的改变，活塞是管状的，并且刚好位于喷嘴的径向内部。活塞的轴向运动有效改变了喷嘴引入涡轮叶轮的轴向长度，从而改变了在涡轮叶轮入口处的“喉部区域”。当叶片包括在喷嘴中时，活塞可沿邻近叶片的径向内部边缘(即后缘)轴向滑动；作为备选，活塞和叶片可沿径向方向重叠，且活塞可包括槽口，用于在活塞沿轴向滑动时收容叶片的至少一部分。但是这种滑动活塞型喷嘴并没有被广泛应用，主要是由于其控制结构难以被布置，由于活塞需要在轴向滑动，所以控制机构，例如气动执行器，也需要是轴向控制，但由于涡壳的一侧与中间壳相连接，另一侧与尾气处理管路相连接，气动执行器很难再被布置在轴向上，因此制造可行性不好；如果将气动执行器布置在涡壳上，由于工作温度高，容易出现失效，因为气动执行器的耐温极限一般在220～250℃。