內燃機可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件發(fā)明內容

內燃機可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件專利目的

針對上述已有技術中，噴嘴環(huán)組件存在的葉片之間進氣通道變化小，增壓調節(jié)性能低和葉片材質性能不能更好地滿足使用要求的問題，《內燃機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，燃氣流量和速率調節(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，不易氧化的渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件。

內燃機可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件技術方案

《內燃機可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件》所要解決的技術問題所采取的技術方案是：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，在安裝盤側面同一圓周上均勻間隔同向設置有多組葉片，每組由至少三塊葉片組成，每組葉片之間能彼此相互同時打開和疊合，在安裝盤的另一側面上設置有與葉片相對應的拔叉，所述葉片與拔叉用可在安裝盤上轉動的軸固定相連接，所述葉片為三維曲面。

《內燃機可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件》所述內燃機渦輪增壓器噴嘴環(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。

《內燃機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，每組葉片之間能相互同時打開和疊合，在葉片從打開到疊合的過程中，其葉片之間的進氣通道可不斷變化，其渦輪增壓器進氣量也可隨發(fā)動機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)動機在各種狀態(tài)下得到合適的增壓空量，使發(fā)動機在理想的狀態(tài)下工作，不僅可實現(xiàn)渦輪增壓器提高發(fā)動機輸出功率30-100％，減少有害氣體排放10％以上，實現(xiàn)煙氣排放達到歐IV排放標準，而且可降低油耗5-10％，提高了汽車的使用經(jīng)濟性；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。

《內燃機可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件》所述內燃機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，能夠很好地順應高溫高速高壓燃氣的流動，各種損失小，效率高，并且能夠在較大范圍內調節(jié)葉片之間的進氣通道截面積，當噴嘴環(huán)組件的葉片全部疊合時為最小開度狀態(tài)，每組葉片內的進氣通道封閉，即最小開度可以向大開度方向調整，適應發(fā)動機的最小工作流量；當噴嘴環(huán)組件的全部葉片打開到最大開度狀態(tài)時，對應的進氣通道截面積為最大，其時進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。

《內燃機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、外購各種原材料，按工藝配比混合并粉碎；

3、在相應模具中注射成型；

4、成型后進行脫脂；

5、脫脂后，在1270-1320℃再進行真空燒結1小時；

6、燒結后進行固溶正火熱處理；

7、熱處理后進行整形拋光，檢驗入庫。

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

2006年，在汽車上大多配裝有與發(fā)動機相配的增壓器，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)動機的輸出動率，減少尾氣有害氣體的排放，降低油耗，節(jié)約能源，更好的適應高原環(huán)境，補償因高原空氣稀薄產(chǎn)生的功率損失。而噴嘴環(huán)組件是當今先進的可變幾何渦輪增壓器中一個主要關鍵部件，其質量直接影響渦輪增壓器的工作性能，而影響噴嘴環(huán)組件工作性能的關鍵是由多個同時繞自已的轉軸旋轉的噴嘴環(huán)葉片，葉片組合形成進氣通道，葉片位置的變化決定了通道的面積變化，則此來控制渦輪速度和進氣量大小，調節(jié)渦輪增壓器工作范圍和增壓壓力，實現(xiàn)渦輪增壓器與發(fā)動機的最佳匹配。2006年前，可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件雖然結構各有不同，但其噴嘴環(huán)組件上的葉片結構大都是圓柱型進口或呈菱型進口的島狀葉型、薄板葉型與對稱葉型，這些在葉片不能很好的順應高速高溫燃氣的流動，撞擊損失、摩擦損失等較大，同時在其旋轉過程中，其葉片之間的進氣通道截面調節(jié)幅度小，使渦輪增壓器難以適用現(xiàn)代汽車發(fā)動機工況頻繁、大幅度變化的要求；再是噴嘴環(huán)組件在高溫高壓下（柴油機最高溫度為900℃，汽油機最高溫度過1050℃，最大壓力為0.35兆帕）工作，要承受高溫燃氣的高速沖擊，需具有良好的高溫性能：抗高溫蠕變、氧化和腐蝕能力，高溫強度好、耐磨性高等，因而其葉片材質性能要求極高。2006年前，行業(yè)內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、機加工困難、鑄造性能差、精密鑄造成本較高。

圖1是《內燃機可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件》的剖視結構示意圖，

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。

《內燃機可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件》涉及內燃機渦輪增壓器，尤其是涉及汽車發(fā)動機渦輪增壓器噴嘴環(huán)組件。

1.內燃機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，在安裝盤側面同一圓周上均勻間隔同向設置有多組葉片（3），每組由至少三塊葉片（3）組成，每組葉片能彼此相互同時打開和疊合，在安裝盤的另一側面上設置有與葉片相對應的拔叉（1），所述葉片（3）與拔叉（1）用可在安裝盤上轉動的軸（5）固定相連接，其特征是：所述葉片（3）為三維曲面的氣動型葉片，所述葉片（3）采用鎳鉻鈮基耐熱合金制造，其化學成份的百分比為：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)權利要求1所述的內燃機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)權利要求1或2所述的內燃機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。

在圖1和圖2中，《內燃機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)動機功率為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側面同一圓周上均勻間隔同向設置有三組葉片3，每組由三塊葉片3組成，每組葉片之間相互隔開，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打開和疊合，在安裝盤2上，每組葉片相隔位置之間設置有三個連接孔4，連接孔4呈階梯形，用內六角螺栓通過3個連接孔固定安裝盤，在安裝盤2的另一側面上設置有與三組葉片3相對應的9個拔叉1，每個拔叉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上轉動，所有拔叉1套在拔叉盤中，由拔叉盤帶動拔叉一起轉動一定角度，從而帶動所有葉片從一個位置變?yōu)榱硪粋€位置，實現(xiàn)每組葉片同時打開和疊合，所述葉片3是三維曲面的氣動型葉片，葉片3由外圓弧面、內圓弧面和兩側平面用圓角過渡形成，葉片3從一端由小逐漸圓滑變大到中部，再從中部由大逐漸圓滑變小到另一端，葉片3從一側到另一側用圓弧由小到大再到小圓滑過渡，一塊葉片3的內圓弧面與另一塊葉片3的外圓弧面在搭接疊合時，可相互緊貼密封接觸，該三維曲面型葉片3能順應高溫高壓燃氣的流動，各種損失小，效率高，并且能夠在較大范圍內調節(jié)葉片之間的進氣通道截面積，當葉片全部打開時，其葉片的內端不超出安裝盤上的內孔位置，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。

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

可變截面渦輪增壓器可變喉口

工作原理：

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

優(yōu)缺點：

–可變喉口增壓器結構簡單，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：

–在渦輪進氣截面后加一舌形可調噴嘴葉片，通過舌形葉片的擺動，改變蝸殼的面徑比A/R值，使得發(fā)動機低速時A/R減小，提高渦輪轉速，增加增壓壓力；高速時，有較大的A/R值。

–舌形擋板結構分單舌形和雙舌形兩種． 　優(yōu)缺點：

–舌形擋板VGT結構簡單，調節(jié)方便，易實現(xiàn)自動控制，但由于流動損失較大，調節(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，隨著噴嘴環(huán)葉片角度的改變，渦輪機最小流通截面積以及排氣進入渦輪的角度和速度都將發(fā)生變化，從而改變了渦輪機的轉速和壓氣機出口端的增壓壓力．結構如圖2所示。

–發(fā)動機低速運轉時，噴嘴環(huán)截面積減小，渦輪速度上升，增壓壓力增加，保證了低轉速時的增壓壓力和進氣量；發(fā)動機高速運轉時，噴嘴環(huán)截面積增大，渦輪轉速下降，防止增壓器超速．發(fā)動機加速時，為了提高增壓器的響應速度，可減小噴嘴環(huán)截面積，提高增壓器轉速，從而提高增壓壓力和進氣量，滿足瞬態(tài)工作時的進氣要求．

優(yōu)缺點：

–VNT與可變喉口、舌形擋板增壓器相比，調節(jié)范圍廣，在低速時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速時的響應時間和加速能力。采用可變渦輪截面技術的汽油發(fā)動機在所有轉速范圍內的效率均明顯高于目前采用的標準放氣閥式的渦輪增壓器。相應地，在各個轉速范圍內的節(jié)油性能也更上一層樓。