排气歧管到涡轮机连接

技术领域

本发明总体上涉及一种内燃发动机的排气系统，并且更具体地涉及一种涡轮增压器、排气歧管以及它们之间的连接。

背景技术

在内燃发动机中使用涡轮增压器是众所周知的。涡轮增压器提高了供给到发动机的空气质量，从而能够提高发动机的动力输出。此外，通过涡轮增压器对包含在发动机废气中的热能的利用，提高了发动机的效率。

然而，涡轮增压器和发动机之间的连接可以带来各种设计挑战。为了使发动机以最佳效率运行，发动机必须将尽可能多的能量从发动机的废气传递到涡轮增压器的涡轮机，从而使由涡轮增压器提供的增压最大化。然而，当废气流过排气歧管并且从排气歧管流入涡轮增压器时，能量会损失。因此，在排气歧管和涡轮增压器的涡轮机部分中的排气通道的设计对于使这些能量损失最小化是重要的。

此外，随着现代发动机和发动机系统变得更加复杂并且包括更多的部件，对发动机上的部件之间的间距的约束以及对作业机器的发动机舱中的发动机可用空间量的约束也增加了。因此，还存在关于间距约束和组装约束的设计挑战。

1995年4月18日授予Raub等人的美国专利第5,406,795号(″专利′795″)公开了传统的现有技术排气歧管出口法兰设计，其包括由分隔壁分开的两个大致矩形的端口。专利′795还公开了一种可替代的排气歧管出口法兰，其具有由分隔壁分开的两个排气端口，其中成对的端口和分隔壁的配置类似于蝴蝶结。这种配置允许端口具有与传统的矩形端口设计相同的面积，并且法兰保持与传统的矩形端口设计相同的螺栓模式，同时降低法兰的周围约束材料的热惯性和刚度，从而提高瞬态响应并且降低热应力。

发明内容

根据本发明的一方面，一种涡轮增压器包括涡轮机壳体，其具有限定排气通道的外表面和内表面；排气入口端口，其与排气通道流体连通；以及折叠式排气入口法兰，其围绕排气入口端口，该排气入口法兰包括以梯形螺栓形式布置的多个螺栓孔。

根据本发明的另一方面，一种内燃发动机包括一个或多个气缸；排气歧管，其与一个或多个气缸流体连通；以及涡轮增压器，其具有与排气歧管流体连通的涡轮机部分。涡轮增压器包括涡轮机壳体，其具有限定排气通道的外表面和内表面；排气入口端口，其与排气通道流体连通；以及折叠式排气入口法兰，其围绕排气入口端口，该排气入口法兰包括以梯形螺栓形式布置的多个螺栓孔。

附图说明

从以下说明性实施例中将明显看到更多的特征和优点，现在将仅通过示例并且不限制权利要求书的范围以及参考附图来描述以下说明性实施例，其中：

图1是具有包括涡轮增压器的排气系统的发动机的示意图；

图2是附接至图1的发动机的排气歧管的涡轮增压器的涡轮机部分的示例性实施例的透视图；

图3是用于图2的涡轮机的排气入口法兰的示例性实施例的正视图；

图4是图3的排气入口法兰的后视图；

图5是图2的涡轮机部分的侧视图；

图6是用于图2的排气歧管的排气出口法兰的示例性实施例的正视图；

图7是图2的排气歧管的中心部分的侧视图；以及

图8是图2的排气歧管的顶正视图。

具体实施方式

虽然本发明描述了用于内燃发动机的涡轮增压器和排气歧管的某些实施例，但是应将本发明认为是示例性的并且不旨在限于所公开的实施例。此外，本文所公开的实施例的某些元件或特征不限于特定实施例，而是适用于本发明的所有实施例。

参照图1-2，示出了内燃发动机10(诸如柴油发动机)的示例性实施例。发动机10可以向各种类型的应用和/或机器提供动力。例如，发动机10可以为机器提供动力，诸如越野卡车、铁路机车、运土机器(诸如轮式装载机、挖掘机、自卸卡车、反铲挖土机、机动平路机、物料搬运机等)。术语″机器″还可以指固定设备，例如由发动机10驱动用以发电的发电机。

发动机10包括在其中实施的一个或多个气缸12。在所示实施例中，发动机10包括六个气缸12。然而，在其它实施例中，发动机10可以包括多于或少于六个的气缸12。发动机10可以是如图所示的直列式、V型、旋转式或本领域已知的其它类型。气缸12中的每一个可以经配置在其中可滑动地接收活塞(未示出)。

气缸12中的每一个包括一个或多个进气端口14和一个或多个排气端口16，进气端口14各自具有进气阀(未示出)，排气端口16各自具有排气阀(未示出)。进气阀和排气阀经配置调节分别经由一个或多个进气端口14和一个或多个排气端口16进入和离开气缸12的流体连通。发动机10包括与一个或多个气缸12和进气管线20流体连通的进气歧管18，以及与一个或多个气缸12和排气管线24流体连通的排气歧管22。进气从进气管线20经由进气歧管18进入一个或多个进气端口14，并且排气从一个或多个排气端口16经由排气歧管22进入排气管线24。排气歧管22经配置安装到发动机10上的一个或多个气缸盖(未示出)上。在所示实施例中，排气歧管22和一个或多个气缸盖(未示出)通过多个螺栓28(图2)连接。然而，也可以使用其它连接装置，诸如多个螺柱和螺母。

发动机10包括具有排气涡轮机部分32和进气压缩机部分34的涡轮增压器30。压缩机部分34包括空气入口36和空气出口38。空气出口38与进气管线20流体连通。排气涡轮机部分32具有排气入口40(图3)和排气出口42。排气出口42与排气管线24流体连通。

涡轮增压器30的排气入口40包括围绕排气入口端口48的排气入口法兰46(即，涡轮机底脚)。排气入口法兰46经配置连接到排气歧管22上的排气歧管出口法兰50。在所示实施例中，涡轮增压器30的排气入口法兰46和排气歧管22的排气歧管出口法兰50通过多个螺栓51(图2)连接。然而，也可以使用其它连接装置，例如多个螺柱和螺母。在所示实施例中，垫圈52位于排气歧管出口法兰50和排气入口法兰46之间。垫圈52具有与排气歧管出口法兰50和排气入口法兰46相同的螺栓形式的螺栓孔(未示出)，这将在下面更详细地描述。

参照图3-5，涡轮增压器30的涡轮机部分32具有涡轮机壳体54，该涡轮机壳体具有一个或多个外表面56和一个或多个内表面58。内表面58限定排气入口端口48和螺旋形排气通道59(即，蜗壳)，该螺旋形排气通道59与排气入口端口48流体连通，并且从排气入口端口48延伸到排气出口42。如图5所示，排气通道59绕中心轴线Y螺旋，并且涡轮机壳体54具有随着排气通道59向内螺旋而减小的半径R。

在所示实施例中，界定排气通道59的内表面58与排气入口法兰46成一体并且平滑地过渡到排气入口法兰46中，使得排气通道59平滑地过渡到排气入口端口48中。排气入口法兰46包括平坦端面60、与端面60相对的外表面62，以及将端面60连接到外表面62的外周边缘64。如图5所示，由平坦端面60限定的平面P距中心轴线Y的距离为B1。距离B1表示平面P和中心轴线Y之间的最短距离。在一些示例性实施例中，排气入口法兰46处于折叠配置。如在本发明中所使用的，当距离B1小于或等于沿相同径向线的半径R时，排气入口法兰46被″折叠″。″延伸″配置是当距离B1大于沿相同径向线的半径R时(即，排气入口法兰46延伸超过涡轮机壳体54)的配置。

在一些示例性实施例中，距离B1小于沿相同径向线的半径R的80％，或小于沿相同径向线的半径R的70％，或小于沿相同径向线的半径R的60％。在一个示例性实施例中，排气入口法兰46的距离B1在沿相同径向线的半径R的50％至60％的范围内。

在所示实施例中，外周边缘64包括第一外边缘66、与第一外边缘66平行并且相对的第二外边缘68、在第一外边缘66和第二外边缘68之间延伸的第三外边缘70，以及与第三外边缘70平行并且相对并且在第一外边缘66和第二外边缘68之间延伸的第四外边缘72。相对于排气通道59螺旋的方向，第一外边缘66位于涡轮机壳体54的内侧73处，并且第二外边缘68位于涡轮机壳体54的外侧75处。

第二外边缘68经由第一圆角74过渡到第三外边缘70，并且经由第二圆角76过渡到第四外边缘72。第一外边缘66经由第三圆角78过渡到第三外边缘70，并经由第四圆角80过渡到第四外边缘72。第三圆角78和第四圆角80分别从第三外边缘70和第四外边缘72横向向外延伸。

排气入口法兰46包括用于将涡轮增压器30安装到排气歧管22的多个螺栓孔。在所示实施例中，第一孔82位于第一圆角74附近，第二孔84位于第二圆角76附近，第三孔86位于第三圆角78附近，第四孔88位于第四圆角80附近。第一孔82以垂直于端面60延伸的第一轴线90为中心，第二孔84以垂直于端面60延伸的第二轴线92为中心，第三孔86以垂直于端面60延伸的第三轴线94为中心，并且第四孔88以垂直于端面60延伸的第四轴线96为中心。

在所示实施例中，第三轴线94距第四轴线96为第一距离D1，第一轴线90距第二轴线92为第二距离D2，第一轴线90距第三轴线94为第三距离D3，并且第二轴线92距第四轴线96为第四距离D4。在示例性实施例中，第一距离D1大于第二距离D2，并且第三距离D3等于第四距离D4。在示例性实施例中，与第一轴线90和第二轴线92相交的第一线平行于与第三轴线94和第四轴线96相交的第二线。因此，用于排气入口法兰46的螺栓形式呈梯形形状。

在一个示例性实施例中，第一距离D1在108mm至118mm的范围内或是113mm，并且第二距离D2在90mm至100mm的范围内或是95mm。因此，第一距离D1与第二距离D2的比率在1.08至1.31的范围内或是1.19。第三距离D3和第四距离D4在65mm至75mm的范围内或是70mm。

在示例性实施例中，排气入口端口48是绕中心轴线A对称的单一开放端口。因此，排气入口端口48不会由分隔壁分隔成两个端口，而是涡轮增压器30的唯一排气入口端口。然而，在其它实施例中，排气入口端口48可以不绕中心轴线A对称。排气入口端口48包括第一线性部分100、与第一线性部分100间隔开并且平行的第二线性部分102、垂直于第一线性部分100和第二线性部分102并且在第一线性部分100和第二线性部分102之间延伸的第三线性部分104，以及平行于第三线性部分104并且垂直于第一线性部分100和第二线性部分102以及在第一线性部分100和第二线性部分102之间延伸的第四线性部分106。

第一线性部分100经由第一内圆角108过渡到第三线性部分104，并且经由第二内圆角110过渡到第四线性部分106。第二线性部分102经由位于成对的第一浅弯曲部分114之间的第一倾斜部分112过渡到第三线性部分104，并且经由位于成对的第二浅弯曲部分118之间的第二倾斜部分116过渡到第四线性部分106。在一些示例性实施例中，第一倾斜部分112相对于第二线性部分102形成在40度至60度或45度至55度的范围内或是55度的角度。

第一线性部分100具有第一长度L1，第二线性部分102具有第二长度L2，第三线性部分104具有第三长度L3，并且第四线性部分106具有第四长度L4。在示例性实施例中，第三长度L3等于第四长度L4。此外，由于第一倾斜部分112和第二倾斜部分116，第二长度L2小于第一长度L1。因此，相对于排气通道59螺旋的方向，邻近内侧的排气入口端口48的线性部分长于邻近外侧的排气入口端口48的线性部分。在一个示例性实施例中，第一长度L1与第二长度L2的比率在1.25至1.5的范围内或是1.33。

涡轮机壳体54的一个或多个外表面56可以经配置避免涡轮机壳体54与安装工具(例如，用于安装螺栓51的插口)之间的干扰，并且提供足够的间隙以使安装者更容易地将涡轮增压器30附接至排气歧管22上。参照图4，在一个示例性实施例中，涡轮机壳体54的一个或多个外表面56可以包括邻近第一轴线90、第二轴线92、第三轴线94和第四轴线96中的一个或多个的一个或多个凹陷、凹入或内凹表面区域。例如，涡轮机壳体54可以具有其外表面56的凹陷部分，例如一个或多个凹槽。凹陷部分可以沿平行于第一轴线90、第二轴线92、第三轴线94和第四轴线96中的一个或多个的外表面56的一部分延伸。

在示例性实施例中，涡轮机壳体54包括邻近第一孔82的第一凹陷部分120、邻近第二孔84的第二凹陷部分122、邻近第三孔86的第三凹陷部分124，以及邻近第四孔88的第四凹陷部分126。每个孔82、84、86、88具有组装间隙，该组装间隙限定为在沿孔外部的中心轴线的位置处，孔的中心轴线与涡轮机壳体的表面之间的最近径向距离。换言之，组装间隙与涡轮机壳体和安装工具(诸如插口或插口延伸部)之间的间隙相关联，该安装工具用于驱动螺栓51以将涡轮增压器30附接至排气歧管22。

如图4所示，第一孔82具有第一组装间隙C1，第二孔84具有第二组装间隙C2，第三孔86具有第三组装间隙C3，并且第四孔88具有第四组装间隙C4。在所示实施例中，组装间隙C1-C4(即，每个孔的中心轴线与涡轮机壳体的表面之间的最近径向距离)位于每个孔82、84、86、88的凹陷部分120、122、124、126处。然而，在其它实施例中，一个或多个组装间隙可以位于涡轮机壳体54的其它部分处。在一些示例性实施例中，每个组装间隙C1-C4大于11.5mm、或大于12mm、或大于12.5mm。

参照图2，在所示实施例中，排气歧管22具有与第一对气缸12流体连通的中心歧管部分140、与第二对气缸12流体连通的第一横向歧管部分142，以及与第一横向歧管部分142相对并且与第三对气缸12流体连通的第二横向歧管部分144。

参照图6-8，排气歧管22的中心歧管部分140具有大致圆柱形的管状体146，该管状体146具有限定排气出口端口152的外表面148和内表面150以及与排气出口端口152流体连通的排气通道154。

在所示实施例中，界定排气通道154的内表面150与排气歧管出口法兰50成一体并且平滑地过渡到排气歧管出口法兰50中，使得排气通道154平滑地过渡到排气出口端口152中。排气歧管出口法兰50包括平坦端面160、与端面160相对的外表面162，以及将端面160连接到外表面162的外周边缘164。在所示实施例中，外周边缘164包括第一外边缘166、与第一外边缘166平行并且相对的第二外边缘168、在第一外边缘166和第二外边缘168之间延伸的第三外边缘170，以及与第三外边缘170相对并且在第一外边缘166和第二外边缘168之间延伸的第四外边缘172。

第二外边缘168经由第一圆角174过渡到第三外边缘170，并且经由第二圆角176过渡到第四外边缘172。第一外边缘166经由第三圆角178过渡到第三外边缘170，并经由第四圆角180过渡到第四外边缘172。

排气歧管出口法兰50包括用于将涡轮增压器30安装到排气歧管22的多个螺栓孔。在所示实施例中，第一孔182位于第一圆角174附近，第二孔184位于第二圆角176附近，第三孔186位于第三圆角178附近，并且第四孔188位于第四圆角180附近。第一孔182以垂直于端面160延伸的第一轴线190为中心，第二孔184以垂直于端面160延伸的第二轴线192为中心，第三孔186以垂直于端面160延伸的第三轴线194为中心，并且第四孔188以垂直于端面160延伸的第四轴线196为中心。

在所示实施例中，第一轴线190距第二轴线192为第一距离E1，第三轴线194距第四轴线196为第二距离E2，第一轴线190距第三轴线194为第三距离E3，并且第二轴线192距第四轴线196为第四距离E4。在示例性实施例中，第一距离E1小于第二距离E2，并且第三距离E3等于第四距离E4。在示例性实施例中，与第一轴线190和第二轴线192相交的第一线平行于与第三轴线194和第四轴线196相交的第二线。因此，用于排气歧管出口法兰50的螺栓形式呈梯形形状。同样地，第三外边缘170和第四外边缘172从第一外边缘166向内渐缩至第二外边缘168；因此，排气歧管出口法兰50的外边缘也呈梯形形状。

在一个示例性实施例中，第一距离E1在90mm至100mm的范围内或是95mm，并且第二距离E2在108mm至118mm的范围内或是113mm。因此，第一距离E1与第二距离E2的比率在1.08至1.31的范围内或是1.19。第三距离E3和第四距离E4在65mm至75mm的范围内或是70mm。

在示例性实施例中，排气出口端口152是绕中心轴线B对称的单一开放端口。因此，排气出口端口152不会由分隔壁分隔成两个端口，而是排气歧管22的唯一排气出口端口。然而，在其它实施例中，排气出口端口152可以不绕中心轴线B对称。排气出口端口152包括第一线性部分200和第二线性部分202，第二线性部分202与第一线性部分200共线并且通过第一向内弯曲部分204与第一线性部分200分开。排气出口端口152还包括与第一线性部分200相对并且平行的第三线性部分206以及与第二线性部分202相对并且平行的第四线性部分208。第三线性部分206与第四线性部分208共线，并且通过第二向内弯曲部分210与第四线性部分208分开。

排气出口152还包括垂直于第一线性部分200和第三线性部分206并且在第一线性部分200和第三线性部分206之间延伸的第五线性部分212，以及平行于第五线性部分212并且垂直于第二线性部分202和第四线性部分208并且在第二线性部分202和第四线性部分208之间延伸的第六线性部分214。

第一线性部分200经由第一内圆角218过渡到第五线性部分212，并且第二线性部分202经由第二内圆角220过渡到第六线性部分214。第三线性部分206经由第一倾斜部分222过渡到第五线性部分212，并且第四线性部分208经由第二倾斜部分224过渡到第六线性部分214。

中心歧管部分140包括一个或多个气缸盖安装法兰，用于将中心歧管部分140安装到发动机10的一个或多个气缸盖(未示出)。在所示实施例中，中心歧管部分140包括第一气缸盖安装法兰230和第二气缸盖安装法兰232。第一气缸盖安装法兰230包括平坦端面234、与端面234相对的外表面236，以及将端面234连接到外表面236的外周边缘238。第一气缸盖安装法兰230还包括第一端240以及与第一端240相对的第二端242。

第一气缸盖安装法兰230包括成对的螺栓孔，用于将中心歧管部分140安装到气缸盖(未示出)。在所示实施例中，第一孔244位于第一端240附近，并且第二孔246位于第二端242附近。第一孔244以垂直于端面234延伸的第一轴线248为中心，并且第二孔246以垂直于端面234延伸的第二轴线250为中心。

第二气缸盖安装法兰232基本上类似于第一气缸盖安装法兰230。第二气缸盖安装法兰232包括平坦端面254、与端面254相对的外表面256，以及将端面254连接到外表面256的外周边缘258。第二气缸盖安装法兰232还包括第一端260以及与第一端260相对的第二端262。

第二气缸盖安装法兰232包括成对的螺栓孔，用于将中心歧管部分140安装到气缸盖(未示出)。在所示实施例中，第一孔264位于第一端260附近，并且第二孔266位于第二端262附近。第一孔264以垂直于端面254延伸的第一轴线268为中心，并且第二孔266以垂直于端面254延伸的第二轴线270为中心。

如图6所示，排气歧管出口法兰50的平坦端面160相对于第二气缸盖安装法兰232的平坦端面254以角度α延伸。在所示实施例中，该角度在50度至60度的范围内或是55度。然而，在其它实施例中，该角度可以大于60度或小于50度。

中心歧管部分140的外表面148可以经配置避免中心歧管部分140与安装工具(例如，用于安装螺栓28的插口)之间的干扰，并且提供足够的间隙以使安装者更容易地将中心歧管部分140附接至一个或多个气缸盖(未示出)上。参照图6和8，在一个示例性实施例中，中心歧管部分140的外表面148可以包括邻近第一轴线248、268中的一个或多个和/或第二轴线250、270中的一个或多个的一个或多个凹陷、凹入或内凹表面区域。在一个示例性实施例中，中心部分的圆柱形的管状体146的外表面148包括一个或多个凹陷、凹入或内凹表面部分。

在示例性实施例中，中心歧管部分140包括邻近第一气缸盖安装法兰230的第一孔244的第一凹陷部分272、邻近第一气缸盖安装法兰230的第二孔246的第二凹陷部分274、邻近第二气缸盖安装法兰232的第一孔264的第三凹陷部分276，以及邻近第二气缸盖安装法兰232的第二孔266的第四凹陷部分278。每个孔244、246、264、266具有组装间隙，该组装间隙限定为在组装到中心歧管部分140时，在沿孔外部的中心轴线的位置处，孔的中心轴线与中心歧管部分140的外表面或涡轮机壳体54的外表面之间的最近径向距离。换言之，组装间隙与中心歧管部分140或涡轮机壳体54与安装工具(诸如插口或插口延伸部)之间的间隙相关联，该安装工具用于驱动螺栓28以将中心歧管部分140附接至一个或多个气缸盖(未示出)。

如图8所示，第一气缸盖安装法兰230的第一孔244具有第一组装间隙D1，第一气缸盖安装法兰230的第二孔246具有第二组装间隙D2，第二气缸盖安装法兰232的第一孔264具有第三组装间隙D3，并且第二气缸盖安装法兰232的第二孔266具有第四组装间隙D4。在所示实施例中，组装间隙D1-D4(即，每个孔的中心轴线与中心歧管部分的表面之间的最近径向距离)位于每个孔244、246、264、266的凹陷部分272、274、276、278处。然而，在其它实施例中，一个或多个组装间隙可以位于中心歧管部分140的其它部分处。在一些示例性实施例中，每个组装间隙D1-D4大于14.5mm、或大于15mm、或大于15.5mm。

工业实用性

利用本发明的涡轮增压器和排气歧管的发动机可以用于各种应用中，诸如用于向越野卡车、铁路机车、运土机器、发动机驱动的发电机或泵送系统，或其它发动机驱动的应用提供动力。所公开的涡轮增压器和排气歧管特别适于涡轮增压器和排气歧管的间距受到约束的应用。例如，涡轮增压器可以包括折叠式排气入口法兰，该折叠式排气入口法兰在涡轮增压器与排气歧管之间提供了更紧凑的间距。

然而，更紧凑的涡轮增压器和排气歧管布置会带来对组装的挑战。例如，传统的矩形排气入口法兰可以导致安装工具(诸如插口和插口延伸部)与涡轮机壳体和/或排气歧管的外表面之间的干扰。

本发明的涡轮增压器和排气歧管可以包括防止安装工具与涡轮机壳体和/或排气歧管的外表面之间的干扰的一个或多个特征。例如，涡轮机排气入口法兰可以具有新颖的配置，该配置包括四孔的、非方形的螺栓形式，该螺栓形式相对于排气通道螺旋的方向在排气入口法兰的外侧上的螺栓之间具有较窄的间距。当将涡轮增压器螺栓连接到排气歧管时，外边缘螺栓孔的较窄的间距为进入提供了额外的间隙。

排气入口端口经配置容纳外边缘螺栓孔的较窄的间距，同时仍然具有足够的尺寸和设计以使足够的排气流到涡轮机。例如，邻近内侧的排气入口端口的线性部分可以长于与邻近外侧的排气入口端口的线性部分。因此，排气入口端口在内侧附近比在外侧附近更宽。

此外，涡轮机壳体的外表面和排气歧管的外表面中的凹陷部分为插口或插口延伸部提供了额外的空间，以便接合和驱动将排气歧管附接至气缸盖并且将涡轮增压器附接至排气歧管的螺栓。

虽然已经通过描述其实施例说明了本发明，并且虽然已经相当详细地描述了实施例，但是申请人的意图不是将所附权利要求的范围限定或以任何方式限制到这样的细节。额外的优点和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明在其更广泛的方面不限于所示和所述的具体细节、代表性组成或构想以及说明性示例。因此，在不背离申请人在此一般公开的精神或范围的情况下，可以偏离这样的细节。