內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件

《內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件》涉及內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓器，尤其是涉及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件。

2006年，在汽車上大多配裝有與發(fā)動(dòng)機(jī)相配的增壓器，特別是在汽車上大都需要配裝廢氣渦輪增壓器，以增加汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)率，減少尾氣有害氣體的排放，降低油耗，節(jié)約能源，更好的適應(yīng)高原環(huán)境，補(bǔ)償因高原空氣稀薄產(chǎn)生的功率損失。而噴嘴環(huán)組件是當(dāng)今先進(jìn)的可變幾何渦輪增壓器中一個(gè)主要關(guān)鍵部件，其質(zhì)量直接影響渦輪增壓器的工作性能，而影響噴嘴環(huán)組件工作性能的關(guān)鍵是由多個(gè)同時(shí)繞自已的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的噴嘴環(huán)葉片，葉片組合形成進(jìn)氣通道，葉片位置的變化決定了通道的面積變化，則此來(lái)控制渦輪速度和進(jìn)氣量大小，調(diào)節(jié)渦輪增壓器工作范圍和增壓壓力，實(shí)現(xiàn)渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳匹配。2006年前，可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件雖然結(jié)構(gòu)各有不同，但其噴嘴環(huán)組件上的葉片結(jié)構(gòu)大都是圓柱型進(jìn)口或呈菱型進(jìn)口的島狀葉型、薄板葉型與對(duì)稱葉型，這些在葉片不能很好的順應(yīng)高速高溫燃?xì)獾牧鲃?dòng)，撞擊損失、摩擦損失等較大，同時(shí)在其旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，其葉片之間的進(jìn)氣通道截面調(diào)節(jié)幅度小，使渦輪增壓器難以適用現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工況頻繁、大幅度變化的要求；再是噴嘴環(huán)組件在高溫高壓下（柴油機(jī)最高溫度為900℃，汽油機(jī)最高溫度過(guò)1050℃，最大壓力為0.35兆帕）工作，要承受高溫燃?xì)獾母咚贈(zèng)_擊，需具有良好的高溫性能：抗高溫蠕變、氧化和腐蝕能力，高溫強(qiáng)度好、耐磨性高等，因而其葉片材質(zhì)性能要求極高。2006年前，行業(yè)內(nèi)制造葉片的材料大都采用高溫合金、或耐熱合金金，以用鎳基高溫合金K418和K213制造的最多，但這些材料易氧化、機(jī)加工困難、鑄造性能差、精密鑄造成本較高。

圖1是《內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件》的剖視結(jié)構(gòu)示意圖，

圖2是圖1的俯視圖。

在圖中，1、拔叉 2、安裝盤 3、葉片 4、連接孔 5、軸。

2020年7月14日，《內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件》獲得第二十一屆中國(guó)專利獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)。 2100433B

在圖1和圖2中，《內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件》所述噴嘴環(huán)組件為系列產(chǎn)品，適用渦輪增壓器渦輪直徑為30-150毫米，適用發(fā)動(dòng)機(jī)功率為50-1000千瓦使用。它包括拔叉1、安裝盤2和葉片3，所述安裝盤2呈圓環(huán)形，在安裝盤2側(cè)面同一圓周上均勻間隔同向設(shè)置有三組葉片3，每組由三塊葉片3組成，每組葉片之間相互隔開(kāi)，根據(jù)渦輪增壓器大小、也可以是四組或五組等分組，根據(jù)渦輪增壓器大小、每組也可以由四塊或五塊等組成，每組葉片3之間能彼此相互同時(shí)打開(kāi)和疊合，在安裝盤2上，每組葉片相隔位置之間設(shè)置有三個(gè)連接孔4，連接孔4呈階梯形，用內(nèi)六角螺栓通過(guò)3個(gè)連接孔固定安裝盤，在安裝盤2的另一側(cè)面上設(shè)置有與三組葉片3相對(duì)應(yīng)的9個(gè)拔叉1，每個(gè)拔叉1與軸5焊接固定連接，每塊葉片3中部與軸5焊接固定，軸5可在安裝盤2上轉(zhuǎn)動(dòng)，所有拔叉1套在拔叉盤中，由拔叉盤帶動(dòng)拔叉一起轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，從而帶動(dòng)所有葉片從一個(gè)位置變?yōu)榱硪粋€(gè)位置，實(shí)現(xiàn)每組葉片同時(shí)打開(kāi)和疊合，所述葉片3是三維曲面的氣動(dòng)型葉片，葉片3由外圓弧面、內(nèi)圓弧面和兩側(cè)平面用圓角過(guò)渡形成，葉片3從一端由小逐漸圓滑變大到中部，再?gòu)闹胁坑纱笾饾u圓滑變小到另一端，葉片3從一側(cè)到另一側(cè)用圓弧由小到大再到小圓滑過(guò)渡，一塊葉片3的內(nèi)圓弧面與另一塊葉片3的外圓弧面在搭接疊合時(shí)，可相互緊貼密封接觸，該三維曲面型葉片3能順應(yīng)高溫高壓燃?xì)獾牧鲃?dòng)，各種損失小，效率高，并且能夠在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)葉片之間的進(jìn)氣通道截面積，當(dāng)葉片全部打開(kāi)時(shí)，其葉片的內(nèi)端不超出安裝盤上的內(nèi)孔位置，葉片用鎳鉻鈮基耐熱合金，采用金屬注射成型工藝方法制造，其化學(xué)成份的百分比含量為：碳0.2-0.4％，硅0.75-1.75，鎳19-22％，鉻23-27％，鈮0.7-1.5％，錳≤1.5％，其余為鐵。

內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件專利目的

針對(duì)上述已有技術(shù)中，噴嘴環(huán)組件存在的葉片之間進(jìn)氣通道變化小，增壓調(diào)節(jié)性能低和葉片材質(zhì)性能不能更好地滿足使用要求的問(wèn)題，《內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件》提供了一種不僅噴嘴環(huán)組件葉片之間通道面積變化率大，燃?xì)饬髁亢退俾收{(diào)節(jié)性能好，且葉片在高溫高壓下耐磨性能好，抗沖擊和蠕變能力強(qiáng)，不易氧化的渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件。

內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件技術(shù)方案

《內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件》所要解決的技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是：所述噴嘴環(huán)組件包括拔叉、安裝盤和葉片，所述安裝盤呈圓環(huán)形，在安裝盤側(cè)面同一圓周上均勻間隔同向設(shè)置有多組葉片，每組由至少三塊葉片組成，每組葉片之間能彼此相互同時(shí)打開(kāi)和疊合，在安裝盤的另一側(cè)面上設(shè)置有與葉片相對(duì)應(yīng)的拔叉，所述葉片與拔叉用可在安裝盤上轉(zhuǎn)動(dòng)的軸固定相連接，所述葉片為三維曲面。

《內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件》所述內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件中的葉片采用鎳鉻鈮基耐熱合金制造，其化學(xué)成份的百分比為：碳0.2-0.4％，硅0.75-1.75，鎳19-22％，鉻23-27％，鈮0.7-1.5％，錳≤1.5％，其余為鐵。

《內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件》所述噴嘴環(huán)組件裝有三維曲面型葉片，其葉片與安裝盤、拔叉和拔叉盤組成多組相互同向隔開(kāi)，每組葉片之間能相互同時(shí)打開(kāi)和疊合，在葉片從打開(kāi)到疊合的過(guò)程中，其葉片之間的進(jìn)氣通道可不斷變化，其渦輪增壓器進(jìn)氣量也可隨發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況不斷變化，使渦輪始終工作在高溫效率區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)在各種狀態(tài)下得到合適的增壓空量，使發(fā)動(dòng)機(jī)在理想的狀態(tài)下工作，不僅可實(shí)現(xiàn)渦輪增壓器提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率30-100％，減少有害氣體排放10％以上，實(shí)現(xiàn)煙氣排放達(dá)到歐IV排放標(biāo)準(zhǔn)，而且可降低油耗5-10％，提高了汽車的使用經(jīng)濟(jì)性；再是，噴嘴環(huán)組件葉片采用更具有耐高溫高壓，不易氧化，耐磨性能好的材料制造，提高了噴嘴環(huán)組件的使用壽命。

《內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件》所述內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件工作原理是：由于噴嘴環(huán)中的葉片呈三維曲面，能夠很好地順應(yīng)高溫高速高壓燃?xì)獾牧鲃?dòng)，各種損失小，效率高，并且能夠在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)葉片之間的進(jìn)氣通道截面積，當(dāng)噴嘴環(huán)組件的葉片全部疊合時(shí)為最小開(kāi)度狀態(tài)，每組葉片內(nèi)的進(jìn)氣通道封閉，即最小開(kāi)度可以向大開(kāi)度方向調(diào)整，適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的最小工作流量；當(dāng)噴嘴環(huán)組件的全部葉片打開(kāi)到最大開(kāi)度狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣通道截面積為最大，其時(shí)進(jìn)氣流量比變化率比現(xiàn)有圓柱形或鞭形葉片型式的噴嘴環(huán)組件的進(jìn)氣流量比變化率提高了30％以上，膨脹比變化率提高了20％以上。

《內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件》所述葉片采用鎳鉻鈮基耐熱合金制造的工藝方法是：

1、采用金屬注射成型工藝方法制造；

2、外購(gòu)各種原材料，按工藝配比混合并粉碎；

3、在相應(yīng)模具中注射成型；

4、成型后進(jìn)行脫脂；

5、脫脂后，在1270-1320℃再進(jìn)行真空燒結(jié)1小時(shí)；

6、燒結(jié)后進(jìn)行固溶正火熱處理；

7、熱處理后進(jìn)行整形拋光，檢驗(yàn)入庫(kù)。

《內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件》所述的內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器嘴環(huán)組件上的葉片機(jī)械性能是：硬度≥145HV，在常溫（20℃）時(shí)抗拉強(qiáng)度≥650兆帕，屈服強(qiáng)度≥260兆帕，延伸率≥28％；在高溫下（800℃）時(shí)抗拉強(qiáng)度≥360兆帕，屈服強(qiáng)度≥145兆帕，延伸率≥41％。

1.內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件，它包括拔叉（1）、安裝盤（2）和葉片（3），所述安裝盤（2）呈圓環(huán)形，在安裝盤側(cè)面同一圓周上均勻間隔同向設(shè)置有多組葉片（3），每組由至少三塊葉片（3）組成，每組葉片能彼此相互同時(shí)打開(kāi)和疊合，在安裝盤的另一側(cè)面上設(shè)置有與葉片相對(duì)應(yīng)的拔叉（1），所述葉片（3）與拔叉（1）用可在安裝盤上轉(zhuǎn)動(dòng)的軸（5）固定相連接，其特征是：所述葉片（3）為三維曲面的氣動(dòng)型葉片，所述葉片（3）采用鎳鉻鈮基耐熱合金制造，其化學(xué)成份的百分比為：碳0.2-0.4％，硅0.75-1.75，鎳19-22％，鉻23-27％，鈮0.7-1.5％，錳≤1.5％，其余為鐵。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件，其特征是：所述多組葉片為三組葉片（3），每組由三塊葉片（3）組成。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)燃機(jī)可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件，其特征是：所述葉片（3）和拔叉（1）與軸（5）焊接固定相連接。

可變截面渦輪增壓器可變喉口

工作原理：

–如圖1所示，是將一個(gè)可變喉口裝置置于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管出口與渦輪入口之間，改變喉口的開(kāi)度，即可獲得不同工況下所需的不同流通截面，達(dá)到改善發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器匹配性能的目的。

優(yōu)缺點(diǎn)：

–可變喉口增壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，但效率較低。

可變截面渦輪增壓器舌形變截面

工作原理：

–在渦輪進(jìn)氣截面后加一舌形可調(diào)噴嘴葉片，通過(guò)舌形葉片的擺動(dòng)，改變蝸殼的面徑比A/R值，使得發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)A/R減小，提高渦輪轉(zhuǎn)速，增加增壓壓力；高速時(shí)，有較大的A/R值。

–舌形擋板結(jié)構(gòu)分單舌形和雙舌形兩種． 　優(yōu)缺點(diǎn)：

–舌形擋板VGT結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，但由于流動(dòng)損失較大，調(diào)節(jié)范圍有一定限制，增壓器總效率低。

可變截面渦輪增壓器可變噴嘴環(huán)

工作原理：

–采用的是活動(dòng)的噴嘴環(huán)葉片，噴嘴環(huán)葉片可以繞著各自的軸心共同旋轉(zhuǎn)，隨著噴嘴環(huán)葉片角度的改變，渦輪機(jī)最小流通截面積以及排氣進(jìn)入渦輪的角度和速度都將發(fā)生變化，從而改變了渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和壓氣機(jī)出口端的增壓壓力．結(jié)構(gòu)如圖2所示。

–發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噴嘴環(huán)截面積減小，渦輪速度上升，增壓壓力增加，保證了低轉(zhuǎn)速時(shí)的增壓壓力和進(jìn)氣量；發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噴嘴環(huán)截面積增大，渦輪轉(zhuǎn)速下降，防止增壓器超速．發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)，為了提高增壓器的響應(yīng)速度，可減小噴嘴環(huán)截面積，提高增壓器轉(zhuǎn)速，從而提高增壓壓力和進(jìn)氣量，滿足瞬態(tài)工作時(shí)的進(jìn)氣要求．

優(yōu)缺點(diǎn)：

–VNT與可變喉口、舌形擋板增壓器相比，調(diào)節(jié)范圍廣，在低速時(shí)增壓器的總效率最高。

與傳統(tǒng)渦輪增壓器相比，這極大地改善了低轉(zhuǎn)速時(shí)的響應(yīng)時(shí)間和加速能力。采用可變渦輪截面技術(shù)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的效率均明顯高于目前采用的標(biāo)準(zhǔn)放氣閥式的渦輪增壓器。相應(yīng)地，在各個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的節(jié)油性能也更上一層樓。