阅读说明：本技术 具有可变喷嘴模块的涡轮增压器，包括用以轴向地定位该模块的弹性热屏蔽组件 (Turbocharger with variable nozzle module comprising an elastic heat shield assembly to axially position the module ) 是由 V.米卡内克 M.普罗蒂瓦 L.科瓦罗瓦 于 2019-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及具有可变喷嘴模块的涡轮增压器,包括用以轴向地定位该模块的弹性热屏蔽组件。一种涡轮增压器包括可变喷嘴模块,该可变喷嘴模块具有支撑涡轮机喷嘴中的一排可变叶片的喷嘴环。隔热罩和弹簧组件安置于在涡轮增压器的涡轮机轮、喷嘴环和中心轴承壳体之间界定的空间中。隔热罩和弹簧组件包括分立地形成的隔热罩部件和弹簧部件,这两个部件被配置为环形非平坦的盘状件。隔热罩和弹簧在它们的径向内周边区域和径向外周边区域处彼此接触,但在那些周边区域之间被间隔开,由此在它们之间产生封闭的死空间。相对于具有单个罩或具有双罩且它们之间没有死空间的布置,死空间可以显著地降低弹簧的最大温度。(The invention relates to a turbocharger with a variable nozzle module including an elastomeric heat shield assembly to axially position the module. A turbocharger includes a variable nozzle module having a nozzle ring that supports a row of variable vanes in a turbine nozzle. The heat shroud and spring assembly are disposed in a space defined between a turbine wheel, a nozzle ring, and a central bearing housing of a turbocharger. The heat shield and spring assembly includes a separately formed heat shield component and spring component configured as an annular non-flat disk. The heat shield and the spring are in contact with each other at their radially inner and outer peripheral regions, but are spaced between those peripheral regions, thereby creating a closed dead space therebetween. The dead space can significantly reduce the maximum temperature of the spring relative to an arrangement with a single cover or with double covers without dead space between them.)

具有可变喷嘴模块的涡轮增压器，包括用以轴向地定位该模 块的弹性热屏蔽组件

技术领域

本申请总体涉及用于内燃发动机的涡轮增压器，且更特定地涉及具有可变涡轮机喷嘴的排气驱动的涡轮增压器，该可变涡轮机喷嘴包括用于调节至涡轮机轮的排气流的可变叶片。

背景技术

排气驱动的涡轮增压器是与内燃发动机结合使用的装置，用于通过压缩被递送到发动机的进气口以与燃料混合并在发动机中燃烧的空气来增加发动机的功率输出。涡轮增压器包括在压缩机壳体中安装在轴的一个端部上的压缩机轮和在涡轮机壳体中安装在该轴的另一端部上的涡轮机轮。通常，涡轮机壳体与压缩机壳体分开形成，并且存在连接在涡轮机壳体和压缩机壳体之间的中心壳体，用于容纳用于轴的轴承。涡轮机壳体限定大致环形的腔室，该腔室包围涡轮机轮并从发动机接收排气。涡轮机组件包括从腔室通向涡轮机轮中的喷嘴。排气从腔室通过喷嘴流到涡轮机轮，并且涡轮机轮由排气驱动。因此，涡轮机从排气提取功率并驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收环境空气，并且该空气被压缩机轮压缩且然后从壳体排放到发动机进气口。

使用涡轮增压器提高发动机性能中的挑战之一是贯穿发动机的整个发动机操作范围实现发动机功率输出的期望量。已发现，这个目的常常不易于使用固定几何形状的涡轮增压器来获得，且因此已开发了可变几何形状的涡轮增压器，其目的是：提供对由涡轮增压器提供的增压量的更大程度的控制。可变几何形状的涡轮增压器的一种类型是可变喷嘴涡轮增压器（VNT），其包括在涡轮机喷嘴中的一排可变叶片。叶片可枢转地安装在喷嘴中，并且连接到使叶片的设定角度能够改变的机构。改变叶片的设定角度具有改变涡轮机喷嘴中的有效流动面积的效果，且因此可以通过控制叶片位置来调节至涡轮机轮的排气的流动。以这种方式，可以调节涡轮机的功率输出，这允许在比使用固定几何形状的涡轮增压器一般可能达到的程度更大的程度上控制发动机功率输出。

申请人是涉及涡轮增压器的许多专利的所有者，该涡轮增压器具有呈模块（cartridge）形式的可变喷嘴机构，该模块包括安装到涡轮增压器中、在涡轮机壳体和中心壳体之间的预组装单元。模块包括：喷嘴环，其形成喷嘴的一个壁并支撑喷嘴内的一排可变叶片；以及插入件，其通过间隔件连接到喷嘴环并形成喷嘴的相对壁，叶片在喷嘴环和插入件之间延伸。

此类模块型可变喷嘴的挑战在于：相对于涡轮机轮既径向地又轴向地来适当定位模块，以及确保模块在涡轮增压器的使用寿命内保持适当定位。可变喷嘴模块必须在其中操作的高温环境引起涡轮机和可变喷嘴的各种部件的热变形，并且还会引起暴露于最高温度的一些部件的蠕变和/或塑化。特别地，将模块轴向地偏压成以便保持在正确的轴向位置中的部件，诸如，涡轮机轮和中心壳体之间的盘簧，会易受由极端温度引起的此类有害效应的影响。特别地，弹簧会失去它的将适当的轴向偏压力施加到模块的能力，从而使模块从其正确的位置移动。

本申请涉及减轻诸如在具有可变喷嘴组件的涡轮增压器内的弹簧和其他部件的蠕变和/或塑化之类的问题的方法。

发明内容

本公开涉及如所提到的具有呈模块形式的可变涡轮机喷嘴的涡轮增压器。根据本文中所描述的本发明的一个实施例，这种类型的涡轮增压器包括喷嘴环，该喷嘴环的径向内周边限定径向参考表面，该径向参考表面径向向内面向并且与中心壳体的径向参考表面相对。喷嘴环还限定轴向地背向涡轮机轮的轴向参考表面。限定喷嘴部分的插入件与喷嘴环轴向地间隔开，使得叶片在喷嘴环和喷嘴部分之间延伸，并且多个间隔件连接在插入件的喷嘴部分和喷嘴环之间。涡轮增压器还包括隔热罩和弹簧组件，该隔热罩和弹簧组件安置于在喷嘴环的径向内周边、涡轮机轮和中心壳体之间界定的空间中。隔热罩和弹簧组件包括形成为两个分立件的隔热罩和弹簧，隔热罩包括环形非平坦的盘状件，并且弹簧包括环形非平坦的盘状件。隔热罩和弹簧在其径向外周边区域和径向内周边区域处彼此邻接，并且在所述径向内周边区域和所述径向外周边区域之间的中间区域上被间隔开，以便在隔热罩和弹簧之间限定死空间，该死空间与包围隔热罩和弹簧组件的排气密封隔绝。

根据本发明的涡轮增压器的实施例的计算机热分析表明，相对于现有技术的罩布置，弹簧的温度显著降低，不仅单罩设计没有死空间，而且双罩组件在两个罩之间也没有死空间。

在一个实施例中，隔热罩在其径向外周边区域处与喷嘴环的轴向参考表面接触，并且弹簧在其径向内周边区域处与中心壳体的轴向参考表面接触。隔热罩和弹簧组件在喷嘴环的轴向参考表面和中心壳体的轴向参考表面之间被轴向地压缩，以便相对于中心壳体轴向地定位喷嘴环。

根据本发明的实施例的涡轮增压器还可以包括定位器，该定位器安置在喷嘴环的径向参考表面和中心壳体的径向参考表面之间并与它们接触，以便相对于中心壳体径向地定位喷嘴环。

在一些实施例中，隔热罩可以由第一材料构造，并且弹簧可以由与第一材料不同的第二材料构造。然而，在其他实施例中，隔热罩和弹簧可以由相同的材料构造。

附图说明

已概括地描述了本公开，现在将参考（多个）附图，所述附图不一定按比例绘制，并且其中：

图1是根据本发明的实施例的涡轮增压器的轴向横截面图；

图2是图1的放大部分；

图2A与图2类似，但示出了本发明的替代性实施例；以及

图3是示出根据本发明的实施例的涡轮增压器以及不包括本发明的隔热罩和弹簧组件的涡轮增压器的有限元热分析结果的比较的图。

具体实施方式

现在将参考附图在下文中更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的一些但非全部实施例。实际上，这些发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被解释为局限于本文中所陈述的实施例；相反，这些实施例被提供来使得本公开将满足可适用的法律要求。全文中相似的标号指代相似的元件。如本文中所使用的诸如“轴向”、“径向”和“周向”的术语是相对于涡轮增压器的旋转轴线而言的。

图1中以轴向横截面视图示出根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10。涡轮增压器包括压缩机12，该压缩机具有在压缩机壳体16中安装在可旋转轴18的一个端部上的压缩机轮或叶轮14。该轴被支撑在安装于涡轮增压器的中心壳体20中的轴承19中。轴18通过涡轮机轮22旋转，该涡轮机轮安装在与压缩机轮隔开的轴18的另一端部上，由此可旋转地驱动压缩机轮，该压缩机轮对通过压缩机入口吸入的空气进行压缩并将压缩的空气递送到蜗壳21中，然后空气从该蜗壳被供给到内燃发动机（未示出）的进气口，用于提高发动机的性能。

涡轮增压器还包括容纳涡轮机轮22的涡轮机壳体24。涡轮机壳体限定大致环形的腔室26，该腔室包围涡轮机轮并从内燃发动机接收排气以用于驱动涡轮机轮。排气从腔室26被大致径向向内引导通过涡轮机喷嘴28至涡轮机轮22。当排气流动通过在涡轮机轮的叶片30之间的通道时，气体膨胀成较低压力，并且从所述轮排放的气体通过其中的大致轴向的孔32而离开涡轮机壳体。

涡轮机喷嘴28是可变喷嘴，用于改变通过喷嘴的横截面流动面积以便调节进入涡轮机轮中的流。喷嘴包括绕喷嘴周向地间隔开的多个叶片34。每个叶片被附连到销36，该销穿过在大致环形的喷嘴环38中的孔，该喷嘴环相对于涡轮机轮22同轴地安装。每个销36可绕其轴线在喷嘴环中的相关联的孔内旋转，使得叶片可以绕轴线旋转以用于改变叶片的设定角度。喷嘴环38形成喷嘴28的流动通道的一个壁。销36中的每一个具有被附连到该销的一个端部的叶片臂40，该叶片臂从喷嘴环38向外伸出并且由大致环形的协调环42（本文中也称为致动器环）接合，该协调环可绕其轴线旋转并与喷嘴环38同轴。致动器（未示出）连接到协调环42以用于使其绕其轴线旋转。当协调环旋转时，叶片臂40旋转以使销36绕其轴线旋转，由此使叶片34旋转以便调整叶片设定角度并由此改变通过喷嘴28的横截面流动面积。

可变叶片机构以模块（cartridge）50的形式被提供，该模块作为一个单元可安装到涡轮增压器中并且可从涡轮增压器移除。模块50包括喷嘴环38、叶片34、销36、叶片臂40和协调环42。模块还包括插入件52，该插入件具有：管状部分54，其被密封地接收到涡轮机壳体的孔32中；以及喷嘴部分56，其从管状部分54的一个端部大致径向向外延伸，喷嘴部分56与喷嘴环38轴向地间隔开，使得叶片34在喷嘴环38和喷嘴部分56之间延伸。管状部分54的径向外表面具有至少一个周向槽，至少一个密封环58被保持在所述周向槽中以用于密封地接合孔32的内表面。有利地，插入件的管状部分54的外直径稍稍小于孔32的内直径，使得在其之间限定微小的间隙，并且仅（多个）密封环58与孔32的内表面接触。附加地，在孔32的端部处在喷嘴部分56和涡轮机壳体的邻近端部之间存在间隙。以这种方式，插入件52从涡轮机壳体24机械地分离和热隔离。

多个间隔件60连接在插入件52的喷嘴部分56和喷嘴环38之间，以用于将喷嘴环固定到插入件并且维持插入件的喷嘴部分和喷嘴环之间的期望的轴向间距。每个间隔件穿过喷嘴部分56中的孔，并且在喷嘴部分56的背向喷嘴28的一侧上具有扩大的头部。每个间隔件还具有沿着该间隔件的长度轴向地间隔开的一对扩大的肩部，使得一个肩部邻接喷嘴部分56的相对侧且另一肩部邻接喷嘴环38的面对表面，由此设定喷嘴环和喷嘴部分之间的轴向间距。每个间隔件的端部部分穿过喷嘴环38中的孔，并且该端部部分的远端部被镦粗以形成扩大的头部来卡住喷嘴环。有利地，间隔件由具有良好的高温机械性质和相对低的导热率的材料形成，使得喷嘴环38和插入件52有效地彼此热隔离。

参考图2，在喷嘴环38的径向内周边处，喷嘴环限定用作参考表面以设定喷嘴环（及因此整个模块50）的轴向和径向位置的两个表面：径向参考表面NRS被限定为径向向内面向，并且轴向参考表面NAS被限定为轴向地背向涡轮机轮22并朝向中心壳体20。类似地，中心壳体20限定两个参考表面：径向参考表面CRS被限定为径向向外面向喷嘴环的径向参考表面NRS（且与之径向地间隔开），并且轴向参考表面CAS被限定为轴向地面向涡轮机轮22。

在所图示的实施例中，喷嘴环38的径向定位是通过定位器100实现的，该定位器包括在轴向-径向平面中具有C形横截面的环。定位器具有两个径向地间隔开的支腿，这两个支腿轴向地延伸，其中径向地延伸的腹板连接在它们之间，因此形成C形横截面。径向外支脚102接合喷嘴环的径向参考表面NRS，并且径向内支脚104接合中心壳体的径向参考表面CRS，由此相对于中心壳体20径向地定位喷嘴环38。定位器100被配置成柔性的且弹性的，因此为了那个目的它可以由合适的金属构造，该金属的材料特性适合在涡轮增压器涡轮机的高温环境中操作，在该高温环境中，发动机排气温度可以达到或超过950°C。

在现有技术中，已经以各种方式实现喷嘴环38在涡轮增压器内的轴向和径向定位。申请人和其他人已采用的一种方法是使用安置在中心壳体20和喷嘴环38之间的环形盘状热屏蔽件或隔热罩来轴向地定位喷嘴环以及将中心壳体与穿过喷嘴和涡轮机轮的极端高温排气屏蔽、以及使用邻近于热屏蔽件的定位器来径向地定位喷嘴环，诸如在共同拥有的美国专利号7,559,199中所描述的（该专利的全部公开内容通过引用由此并入本文中）。申请人的经验是，只要发动机排气温度不超过约950˚C，这种方法就可行。然而，当前的发动机开发正朝着高达1050˚C的发动机排气温度推进。将与过去已使用的材料相同的材料用于热屏蔽件和定位器，申请人发现，较高的排气温度引起隔热罩和/或定位器的蠕变和塑化，由此它们失去它们的将喷嘴环保持在正确位置中的能力。这会引起轮摩擦。

根据本发明，过去使用的常规材料仍然可以用于隔热罩和定位器，同时避免了困扰现有技术的涡轮增压器设计的蠕变和塑化问题。如图2中所示，本发明采用安置于在喷嘴环的径向内周边、涡轮机轮和中心壳体之间界定的空间中的隔热罩和弹簧组件。该组件包括隔热罩80和弹簧90。隔热罩80包括环形盘状件，该件具有一系列弯曲部使得该件是非平坦的，该形状增加了隔热罩在轴向压缩负载下的刚度。在隔热罩的径向外周边处，隔热罩的面向涡轮机的轴向面对表面与喷嘴环38的轴向参考表面NAS接触。与隔热罩类似，弹簧90包括环形盘状件，该件具有一系列弯曲部使得该件是非平坦的，以用于增加轴向刚度。

在弹簧的径向外周边处，弹簧的面向涡轮机的轴向面对表面与隔热罩80的背向涡轮机的相对面接触。在弹簧的径向内周边处，弹簧的面向涡轮机的轴向面对表面与隔热罩的背向涡轮机的相对面接触，并且弹簧的背向涡轮机的轴向面对表面与中心壳体20的轴向参考表面CAS接触。隔热罩和弹簧的组件在喷嘴的轴向参考表面NAS和中心壳体的轴向参考表面CAS之间被轴向地压缩，由此相对于中心壳体轴向地定位喷嘴环。弹簧90的主要职责是沿轴向方向（图2中向右）偏压喷嘴环38，而隔热罩80的主要职责是将弹簧和其他部件与涡轮机喷嘴的高温环境屏蔽。

因此，在它们的径向外周边区域和径向内周边区域两者处，隔热罩80和弹簧90彼此接触。然而，在那些接触区域之间，隔热罩和弹簧轴向地间隔开，由此在组件内产生死空间DS。死空间与包围组件的排气密封隔绝。在本说明书和所附权利要求中，术语“死空间”意指空间DS内的流体基本上停滞，使得在死空间的壁的内表面上的对流传热可忽略不计，或者换句话说，无法使流体穿过（进入且然后离开）死空间。尽管有此定义，但术语“死空间”并不排除进入该空间中的小开口的可能性，因为在实践中空间的绝对气密密封是不可能的；在实践中，特别是考虑到会发生的热变形，意料之外的泄漏路径总是可能的，这可允许在死空间的内部和外部之间的流体压力连通。然而，如本文中所使用的，“死空间”意指进入死空间中的任何这样的开口均不导致在死空间内的任何显著的流体运动。

根据如图2中所示的本发明的一个实施例，隔热罩80的径向外周边区域径向向内延伸到第一弯曲部B1，在该第一弯曲部处，隔热罩径向向内且轴向地朝着涡轮机轮22成角度到第二弯曲部B2，在该第二弯曲部处，隔热罩弯曲以基本上径向向内延伸到第三弯曲部B3，在该第三弯曲部处，隔热罩径向向内且轴向地朝着中心壳体20成角度到第四弯曲部B4，在该第四弯曲部处，隔热罩弯曲以径向向内延伸，隔热罩的径向内周边区域在第四弯曲部的径向向内。弹簧90具有大致类似的形状，包括与隔热罩相同的一系列弯曲部，但是比隔热罩更接近于平面的，由此在弹簧和隔热罩之间形成死空间。

在图2A中示出了替代性实施例。弹簧90与先前实施例中的相同，但是隔热罩80'具有与先前实施例不同的形状。具体地，隔热罩80'具有弯曲部B1至B3，但是它缺乏第四弯曲部B4，因此隔热罩从第三弯曲部径向向内且轴向地朝着中心壳体基本上线性地延伸。隔热罩80'的径向内端部接触弹簧90，以便基本上密封住死空间DS。

已对大体上根据图1和图2的涡轮机进行了有限元分析（瞬态热分析和结构分析），以评估新的隔热罩和弹簧组件的影响。所述分析强加了四个连续循环的工作循环，在所述循环中的每一个中，发动机排气温度在约10秒的时间段内从150˚C斜升到1020°C，保持在该高温下历时近似460秒，然后在约10秒内斜降到300°C，并且在约144秒内进一步斜降到150°C，随之立即再次开始下一个相同的工作循环。分析三种构型：构型＃1采用单个弹簧或罩（即，对应于弹簧90而没有附加的隔热罩80）；构型#2采用隔热罩和弹簧组件且它们之间没有死空间（即，隔热罩和弹簧在它们的整个表面上处于接触）；构型＃3采用大体如图2中所示的具有死空间的隔热罩和弹簧组件。

图3是这三种构型的有限元分析的结果的曲线图。纵轴表示弹簧80在其外直径（outer diameter）处的温度，并且横轴表示以秒为单位的时间。图3绘出了对如上文所描述的第三工作循环和第四工作循环的响应。对于具有单个罩（即，仅具有一个弹簧但没有分开的隔热罩）的构型#1，弹簧OD温度达到约869°C的最大值。对于具有两个罩（弹簧和隔热罩）且没有死空间（即，在它们的整个表面上处于接触）的构型＃2，最大弹簧OD温度为833°C。对于具有两个罩（弹簧和隔热罩）且具有死空间的构型＃3，大体上对应于图2中的布置，最大弹簧OD温度为750°C。因此，根据本发明的实施例的设计实现了在弹簧OD处约120°C的温度降低，该弹簧OD处大致是弹簧的最热位置。

虽然可潜在地通过由被使得容忍极端高温的特殊材料制成弹簧来减轻关于现有技术弹簧所提到的蠕变和塑化问题，但是此类材料是相对昂贵的。本发明提供了对该问题的替代性解决方案，使得可以将较便宜的常规材料用于隔热罩、弹簧和定位器部件。替代地，如果将特殊的耐高温材料用于弹簧和其他部件，则本发明可以使组件能够在较高的排气温度下工作而不经历蠕变和塑化问题。

本领域技术人员基于本公开将认识到，在不脱离本文中所描述的创造性构思的情况下可以做出本文中所描述的发明的修改和其他实施例。本文中所使用的特定术语被采用用以说明性的目的而不是限制的目的。因此，本发明将不限于所公开的特定实施例，并且修改和其他实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。