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技术领域

本发明涉及用于涡轮增压器组件中的涡轮出口的扩散器。

背景技术

内燃发动机(ICE)通常被用于以可靠的基础产生长时间的大水平的动力。 许多这样的ICE组件使用增压装置，例如排气涡轮驱动的涡轮增压器，以让 气流在进入发动机的进气总管之前压缩气流，以便增加功率和效率。

具体说，涡轮增压器是离心的气体压缩机，其与通过周围大气压力所获 得的相比使得更多空气和更多氧气进入ICE的燃烧室。被迫进入ICE的额外 质量的含有氧气的空气改善发动机的容积效率，允许在给定循环中燃烧更多 燃料，且由此产生更多功率。通常，这种涡轮增压器通过发动机的排出气体 驱动。

典型的排气驱动涡轮增压器包括中心轴，所述中心轴被一个或多个轴承 支撑且在涡轮机叶轮和空气压缩机叶轮之间传递旋转运动。涡轮机轮和压缩 机叶轮被固定到轴，所述轴与各种轴承部件组合构成涡轮增压器的旋转组 件。涡轮增压器通常使用废气门阀以限制旋转组件的运行速度，以便将涡轮 增压器的增压保持在预定极限内且防止旋转组件过速。这种废气门阀通常定 位在涡轮机叶轮后方的涡轮增压器组件中，由此允许排出气体从涡轮机叶轮 和废气门阀经由单个出口离开涡轮增压器组件。

发明内容

本发明的一个实施例涉及涡轮增压器组件，用于使得气流增压，以用于 输送具有汽缸的内燃发动机，所述汽缸配置为接收空气-燃料混合物以用于 在其中燃烧。发动机还包括往复运动活塞，其设置在汽缸内部且配置为由此 排出燃烧后气体。涡轮增压器组件包括涡轮机壳体和压缩机覆盖件，旋转组 件具有设置涡轮机壳体内部的涡轮机叶轮和设置在压缩机覆盖件内部的压 缩机叶轮。旋转组件配置为被燃烧后气体绕轴线旋转。

涡轮机壳体限定涡轮机出口空腔、涡轮机壳体入口、和涡轮机壳体出口。 涡轮机壳体入口配置为将发动机燃烧后气体导通到涡轮机叶轮且涡轮机壳 体出口配置为将涡轮机叶轮后方的燃烧后气体排出。涡轮增压器组件还包括 布置在涡轮机出口空腔内部的扩散器。扩散器配置为将涡轮机叶轮后方的燃 烧后气体导通到涡轮机壳体出口以外，而不排放到涡轮机出口空腔。

扩散器可以具有布置在轴线上的圆柱形形状。扩散器也可以具有发散的 内表面，其配置为导通并扩散涡轮机叶轮后方的燃烧后气体。

涡轮增压器组件也可以包括废气门阀，所述废气门阀布置在涡轮机壳体 中且配置为选择性地将燃烧后气体的至少一部分绕过涡轮机叶轮而重新引 导到涡轮机出口空腔。在这种情况下，扩散器可以另外配置为分别地导通涡 轮机叶轮后方的燃烧后气体和被废气门阀重新引导的燃烧后气体部分。因 而，扩散器可以用于对涡轮机叶轮后方的燃烧后气体的流动所受到的因废气 门阀所重新引导的燃烧后气体的部分所造成的扰乱。

扩散器可以另外包括外表面，所述外表面配置为接收被废气门阀重新引 导的燃烧后气体的部分且将其导通到涡轮机壳体出口。

涡轮机壳体和扩散器可以是分开的部件，且在这种情况下，扩散器可以 固定到涡轮机壳体。

扩散器可以构造为钢管。

扩散器可以经由卡扣环紧固到涡轮机壳体。

扩散器可以包括具有凸缘的第一端。在这种情况下，卡扣环邻接凸缘， 以由此将扩散器固定到涡轮机壳体。

扩散器可以包括具有从第一端延伸的均匀直径的第一部分和从第一部 分延伸到扩散器的第二端的扩张的第二部分。

本发明的另一实施例涉及具有如上所述的涡轮增压器组件的内燃发动 机。发动机可以包括与涡轮机壳体出口紧密联接的催化转化器。扩散器可以 延伸超过涡轮机壳体出口，以维持燃烧后气体离开涡轮机壳体出口且达到催 化转化器以外的流线且集中的流动。

本发明提供一种内燃发动机，包括:汽缸，配置为接收用于在其中燃烧的 空气燃料混合物；往复运动活塞，设置在汽缸内部且配置为由此排出燃烧后气 体；和涡轮增压器组件，与活塞流体连通且配置为使得从周围环境接收的气 流增压和将增压的气流输送到汽缸，涡轮增压器组件包括：压缩机覆盖件， 和涡轮机壳体，该涡轮机壳体限定涡轮机出口空腔、涡轮机壳体入口和涡轮 机壳体出口；旋转组件，具有设置在涡轮机壳体内部的涡轮机叶轮和设置在 压缩机覆盖件内部的压缩机叶轮，其中旋转组件通过燃烧后气体绕轴线旋 转，且其中涡轮机壳体入口配置为将燃烧后气体导通到涡轮机叶轮，且涡轮 机壳体出口配置为将涡轮机叶轮后方的燃烧后气体排出；和扩散器，布置在 涡轮机出口空腔内部且配置为导通涡轮机叶轮后方的燃烧后气体且及其导 通到涡轮机壳体出口以外，而不排放到涡轮机出口空腔。

在所述的发动机中，扩散器具有布置在轴线上的圆柱形形状和配置为导 通和扩散涡轮机叶轮后方的燃烧后气体的发散内表面。

在所述的发动机中，涡轮增压器组件进一步包括废气门阀，所述废气门 阀布置在涡轮机壳体中且配置为选择性地绕过涡轮机叶轮将燃烧后气体的 至少一部分重新引导到涡轮机出口空腔，且其中扩散器另外配置为分开地导 通涡轮机叶轮后方的燃烧后气体和被废气门阀重新引导的燃烧后气体的部 分，以由此对涡轮机叶轮后方的燃烧后气体的流动所受到的因废气门阀重新 引导的燃烧后气体的部分造成的扰乱进行限制。

在所述的发动机中，扩散器包括外表面，所述外表面配置为接收被废气 门阀重新引导的燃烧后气体的部分且将其导通到涡轮机壳体出口。

在所述的发动机中，涡轮机壳体和扩散器是分开的部件，且其中扩散器 被固定到涡轮机壳体。

在所述的发动机中，扩散器是钢管。

在所述的发动机中，扩散器经由卡扣环紧固涡轮机壳体。

在所述的发动机中，扩散器包括第一端和第二端，且其中第二端包括凸 缘且卡扣环邻接凸缘，以由此将扩散器固定到涡轮机壳体。

在所述的发动机中，扩散器包括具有从第一端延伸的均匀直径的第一部 分和从第一部分延伸到第二端的扩张的第二部分。

所述的发动机进一步包括催化转化器，与涡轮机壳体出口紧密联接，且 其中扩散器延伸超过涡轮机壳体出口，以保持燃烧后气体离开涡轮机壳体出 口且达到催化转化器以外的流线且集中的流动。

本发明一种涡轮增压器组件，用于使得气流增压，以用于输送到产生燃 烧后气体的内燃发动机，所述涡轮增压器组件包括：压缩机覆盖件；涡轮机 壳体，限定涡轮机出口空腔、涡轮机壳体入口、和涡轮机壳体出口；旋转组 件，具有设置在涡轮机壳体内部的涡轮机叶轮和设置在压缩机覆盖件内部的 压缩机叶轮，其中旋转组件通过燃烧后气体绕轴线旋转，且其中涡轮机壳体 入口配置为将燃烧后气体导通到涡轮机叶轮，且涡轮机壳体出口配置为将涡 轮机叶轮后方的燃烧后气体排出；和扩散器，布置在涡轮机出口空腔内部且 配置为导通涡轮机叶轮后方的燃烧后气体并将其导通到涡轮机壳体出口以 外，而不排放到涡轮机出口空腔。

在所述的涡轮增压器组件中，扩散器具有布置在轴线上的圆柱形形状和 配置为导通和扩散涡轮机叶轮后方的燃烧后气体的发散内表面。

在所述的涡轮增压器组件中，涡轮增压器组件进一步包括废气门阀，所 述废气门阀布置在涡轮机壳体中且配置为选择性地绕过涡轮机叶轮将燃烧 后气体的至少一部分重新引导到涡轮机出口空腔，且其中扩散器另外配置为 分开地导通涡轮机叶轮后方的燃烧后气体和被废气门阀重新引导的燃烧后 气体的部分，以由此对涡轮机叶轮后方的燃烧后气体的流动所受到的因废气 门阀重新引导的燃烧后气体的部分造成的扰乱进行限制。

在所述的涡轮增压器组件中，扩散器包括外表面，所述外表面配置为接 收被废气门阀重新引导的燃烧后气体的部分且将其导通到涡轮机壳体出口。

在所述的涡轮增压器组件中，涡轮机壳体和扩散器是分开的部件，且其 中扩散器被固定到涡轮机壳体。

在所述的涡轮增压器组件中，扩散器是钢管。

在所述的涡轮增压器组件中，扩散器经由卡扣环紧固到涡轮机壳体。

在所述的涡轮增压器组件中，扩散器包括第一端和第二端，且其中第二 端包括凸缘且卡扣环邻接凸缘，以由此将扩散器固定到涡轮机壳体。

在所述的涡轮增压器组件中，扩散器包括具有从第一端延伸的均匀直径 的第一部分和从第一部分延伸到第二端的扩张的第二部分。

所述的涡轮增压器组件进一步包括催化转化器，与涡轮机壳体出口紧密 联接，且其中扩散器延伸超过涡轮机壳体出口，以保持燃烧后气体离开涡轮 机壳体出口且达到催化转化器以外的流线且集中的流动。

在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式(一个或多个)和实施 例(一个或多个)做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优 点以及其他的特征和优点。

附图说明

图1是具有根据本发明实施例的涡轮增压器组件的发动机的透视图。

图2是如图1所示的涡轮增压器组件的示意性部分截面图，显示了具有 废气门组件和扩散器的涡轮机壳体。

图3是图1和2所示的涡轮增压器组件的透视部分截面图。

图4是如图2和3所示的扩散器的示意性截面图。

具体实施方式

参见附图，其中几幅图中相同的附图标记指示相同或类似的部件，图1 示出了内燃发动机10。发动机10还包括气缸体12，所述气缸体12具有布 置在其中的多个汽缸14。如图1所示，发动机10也可以包括安装在气缸体 12上的汽缸盖16。每一个汽缸14包括配置为在其中往复运动的活塞18。

燃烧室20形成在汽缸14中且在汽缸盖16的底部表面和活塞18的顶部 之间。如本领域技术人员已知的，每一个燃烧室20从汽缸盖16接收燃料和 空气，其形成燃料-空气混合物，用于在目标燃烧室中的随后燃烧。汽缸盖 16还配置为将燃烧后气体24从燃烧室20排出。发动机10还包括配置为在 气缸体12中旋转的曲轴22。由于适当比例的燃料-空气混合物在燃烧室20 中燃烧，曲轴22被活塞18旋转。在空气燃料混合物在具体燃烧室20内部 燃烧之后，具体活塞18的往复运动用于将燃烧后的气体24从相应汽缸14 排出。

发动机10另外包括吸气系统30，所述吸气系统配置为将气流32从周围 环境导通到汽缸14。吸气系统30包括进入空气管道34、涡轮增压器组件36 和进气歧管(未示出)。虽然未示出，但是吸气系统30可以另外包括在涡轮 增压器组件36上游的空气过滤器，用于去除来自气流32的外来颗粒和其他 空气携带的碎片。进入空气导管34配置为将气流32从周围环境引导到涡轮 增压器组件36，而涡轮增压器组件配置为对接收的气流增压，和将增压的气 流排放到进气歧管。进气总管又将之前增压的气流32分配到汽缸14，用于 与适当量的燃料混合和随后燃烧最终的燃料空气混合物。

如图2所示，涡轮增压器组件36包括旋转组件37。旋转组件37包括轴 38，所述轴具有第一端40和第二端42。旋转组件37还包括涡轮机叶轮46， 所述涡轮机叶轮在第一端40附近安装在轴38上且配置为通过从汽缸14排 出的燃烧后气体24与轴38一起绕轴线43旋转。涡轮机叶轮46通常用耐高 温和耐氧化材料形成，例如基于镍铬的“因科(inconel)”超合金，以可靠 地抵抗燃烧后气体24的温度，在一些发动机中该温度可以接近2000华氏度。 涡轮机叶轮46设置在涡轮机壳体48内部，所述壳体限定涡轮机壳体入口 48A、和涡轮机壳体出口48B、涡轮机涡螺或涡道50、涡轮机出口空腔51。 涡轮机壳体入口48A配置为经由涡轮机涡道50将燃烧后气体24导通到涡轮 机涡道50。涡轮机涡道50配置为实现涡轮增压器组件36的具体性能特点， 例如效率和响应性。在不同于涡轮增压器组件36的典型的涡轮增压器中， 在涡轮机叶轮46后方，燃烧后气体24被排放到涡轮机出口空腔51中。从 典型的涡轮增压器的涡轮机出口空腔51，燃烧后气体随后从涡轮机壳体48 通过涡轮机壳体出口48B排出到排气系统(未示出)以外。如本领域技术人 员理解的，代表性排气系统可以包括一个或多个排放控制装置，例如催化转 化器82(如图1所示)。代表性催化转化器82可以与涡轮机壳体出口48B 紧密联接。

进一步如图2所示，旋转组件37还包括在第一端和第二端40、42之间 安装在轴38上的压缩机叶轮52。压缩机叶轮52经由特别构造的紧固件保持 在轴38上，紧固件例如是螺母53。螺母53上螺纹的方向可以被选择为使得 锁紧螺母具有在轴38通过燃烧后气体24旋转时紧固而不是松开的倾向。

压缩机叶轮52配置为将从周围环境接收的气流32增压，以用于最后输 送到汽缸14。压缩机叶轮52设置压缩机覆盖件54内，所述覆盖件包括压缩 机涡螺或涡道56。压缩机叶轮52接收气流32且将气流引导到压缩机涡道 56。压缩机涡道56配置为实现具体性能特点，例如涡轮增压器组件36的峰 值气流和效率。因而，通过为涡轮46提供能量的燃烧后排出气体24为轴38 赋予旋转，且该旋转又由于压缩机叶轮被固定在轴上而传递到压缩机叶轮 52。进而，旋转组件37被支撑为用于经由轴颈轴承58而绕轴线43旋转。 在涡轮增压器组件36运行期间，旋转组件37通常可以在高于100000转每 分钟(RPM)的速度下运行，同时为发动机10产生提高的压力。如本领域技术 人员理解的，燃烧后排出气体24的力和可变流量影响压力升高的量，所述 升高的压力可以通过压缩机叶轮52在发动机10的整个运行范围内产生。

如图2和3所示，涡轮增压器组件36可以包括废气门组件60。废气门 组件60配置为选择性地将至少一部分燃烧后排出气体24(例如部分24B) 绕过涡轮机叶轮46重新引导到涡轮机出口空腔51。废气门组件60包括固定 到可旋转轴64的阀62。轴64被选择性地促动，以打开和关闭阀62，以由 此通过按要求限制旋转组件37的旋转速度和从周围环境接收的气流32的压 力而控制涡轮增压器组件36的运行。然而，通过废气门阀62重新引导的燃 烧后气体的部分24B通常从废气门阀下方一次沿多个方向离开(如图2所 示)，且由此会冲击并扰乱离开涡轮机叶轮46的燃烧后气体24的那部分 24A。

另外如图2和3所示，涡轮增压器组件36还包括布置在涡轮机出口空 腔51中的扩散器(diffuser)66。扩散器66通过逐渐使得燃烧后气体的速度 减慢或发散而将离开涡轮机叶轮46的燃烧后气体24的动能转换为压力。扩 散器66导通涡轮机叶轮46后方的燃烧后气体24并导出涡轮机壳体出口 48B，而排放到涡轮机出口空腔51中。另外，扩散器66分别导通涡轮机叶 轮46后方的燃烧后气体24的部分24A和被废气门阀62重新引导的23燃烧 后气体部分24B，即保持燃烧后气体的两个气流之间的分离。结果，扩散器 66通过用被废气门阀62重新引导的燃烧后气体部分24B而将涡轮机叶轮46 后方的燃烧后气体24的部分24A的流动分离。进而，通过将涡轮机叶轮46 后方的燃烧后气体24的部分24A的流动与被废气门阀62重新引导的燃烧后 气体部分24B分开，扩散器66使得燃烧后气体24的总流动流到排气系统和 排放物控制装置，例如催化转化器82。由于如此流动，燃烧后气体24的流 动又提供到催化转化器82的入口的更慢且更可预测的覆盖范围，这将产生 更快的点燃且进一步增强这种排放物控制装置的运行效率。进而，扩散器66 可在任何涡轮增压器设计中用于改善从燃烧后气体24获取的能量，无论有 还是没有废气门阀62。因而，扩散器66还可用在不采用废气门阀62的涡轮 增压器组件上，例如可变几何涡轮增压器或VGT(未示出)。

甚至在废气门阀62关闭的情况下，涡轮机叶轮46后方的燃烧后气体24 具有离心地从轴线43漩涡离开和迁移到涡轮机壳体48的外径的倾向。在这 种情况下，涡轮机叶轮46后方的燃烧后气体24的流动甚至将被关闭的废气 门阀62所分离。因此，甚至在废气门阀62关闭或在没有废气门阀的涡轮增 压器中，扩散器66将用于使得涡轮机叶轮46后方的燃烧后气体24的流动 呈流线流动且结果将改善涡轮机叶轮的流动效率。分别安装的扩散器66允 许具有浅角度θ的高效扩散器形状(如图4所示)，其延伸超过涡轮机壳体 出口48B。与整体地和涡轮机壳体48形成的更短扩散器元件相比，延伸超 过涡轮机壳体出口48B的扩散器66目的是维持燃烧后气体24到催化转化器 82的流线且集中的流动。

扩散器66通过基本上圆柱形的形状68限定且布置为使得圆柱形形状的 轴线与轴线43重合。圆柱形形状68包括发散的内表面，其配置为导通或扩 散涡轮机叶轮46后方的燃烧后气体24。扩散器66另外通过外表面72限定， 所述外表面配置为接收和导通被废气门阀62重新引导到涡轮机壳体出口 48B的燃烧后气体24的部分24B，以更有效地使得催化转化器82用于改进 催化器点燃。进而，涡轮机壳体48和扩散器66可以是单独部件，使得扩散 器固定到涡轮机壳体。配置为与涡轮机壳体48分开的部件的扩散器66可以 构造为钢管，其至少部分地通过用钢板拉拔而形成，由此是笔直的且制造便 宜。不锈钢板可用于可靠地抵抗燃烧后气体24的高温。与扩散器整体地与 涡轮机壳体48铸造的情况相比，用薄壁不锈钢板制造的分开扩散器66允许 形成更轻且更便宜的涡轮增压器组件。

如图4所示，扩散器66可以包括第一端66-1和第二端66-2。第一端66-1 包括凸缘74。如所示的，凸缘74基本上布置为垂直于轴线43。卡扣环76， 如图2所示，可以随后用于在凸缘74处将扩散器66保持在涡轮机壳体48 内部。在这种情况下，卡扣环76邻接凸缘74且将凸缘压靠涡轮机壳体48， 以由此将扩散器66相对于涡轮机壳体固定。其他适当紧固装置，例如一个 或多个螺钉或涡轮机壳体48的型锻部分(未示出)，也可以用于将扩散器66 固定到涡轮机壳体。如图4所示，扩散器66可以包括从第一端66-1延伸且 具有大致均匀直径78的第一部分77和从第一部分延伸到第二端66-2的扩 张(flared)的第二部分80。扩散器66的第一部分77有助于涡轮机叶轮46 后方的燃烧后气体24的收集和流线流动，而扩张的第二部分80使得燃烧后 气体24扩散，用于更完全地覆盖进入催化转化器82的入口，如上所述。

甚至在废气门阀62关闭的情况下，涡轮机叶轮46后方的燃烧后气体24 具有离心地从轴线43漩涡离开和迁移到涡轮机壳体48的外径的倾向。在这 种情况下，涡轮机叶轮46后方的燃烧后气体24的流动甚至将被关闭的废气 门阀62所扰乱。因此，甚至在废气门阀62关闭或在没有废气门阀的涡轮增 压器中，扩散器66将用于使得涡轮机叶轮46后方的燃烧后气体24的流动 呈流线流动且结果将改善涡轮机叶轮的流动效率。分别安装的扩散器66允 许具有浅角度θ的高效扩散器形状(如图4所示)，其延伸超过涡轮机壳体 出口48B，如图2所示。与整体地和涡轮机壳体形成的更短扩散器元件相比， 延伸超过涡轮机壳体出口48B的扩散器66目的是维持燃烧后气体24离开涡 轮机壳体出口且流到催化转化器82的流线且集中的流动。

附图中的详细的描述和显示是对本发明的支持和描述，而本发明的范围 仅通过权利要求限定。尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述 但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明 的许多替换设计和实施例。进而，附图所示的实施例或本发明说明书提到的 各种实施例的特点不应被理解为是彼此独立的实施例。相反，实施例的一个 例子中所述的每一个特点可以与其他实施例的一个或多个其他期望特点组 合，形成并未参考附图所述的其他实施例因而，这种其他实施例落入所附权 利要求的范围。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年6月13日提交的美国临时申请No.62/012,011的 权益，通过引用将其全部内容合并于此。