КОЛЬЦЕВОЕ СОПЛО ТУРБИНЫ И ТУРБОКОМПРЕССОР ДВИГАТЕЛЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к турбинам с изменяемой геометрией для турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания.
Уровень техники
Двигатели могут содержать турбокомпрессор для увеличения крутящего момента двигателя и/или удельной мощности на выходе. Согласно одному примеру, турбокомпрессор может содержать компрессор и турбину, соединенные приводным валом, при этом турбина принимает отработавшие газы, а компрессор принимает воздух тракта впускной системы. Таким образом, турбина, приводимая в движение отработавшими газами, снабжает компрессор энергией с целью увеличения давления и потока воздуха, подаваемого в двигатель, т.е. наддува. Давление наддува, например, можно увеличить путем увеличения скорости вращения турбины. Требуемая величина наддува может изменяться с изменением режима работы двигателя. Например, требуемый наддув может быть больше при разгоне, чем при замедлении.
Одним из технических решений для управления давлением наддува является турбина изменяемой геометрии. Турбина изменяемой геометрии управляет давлением наддува путем изменения потока проходящих через нее отработавших газов. Например, отработавший газ может втекать из выпускного коллектора через сопло турбины и попадать на лопасти турбины. Геометрию сопла можно изменять, чтобы управлять углом, под которым отработавший газ падает на лопасти турбины и/или чтобы изменять площадь поперечного сечения каналов, находящихся перед лопастями турбины. Увеличивая площадь поперечного сечения указанных каналов, можно дать возможность большему количеству газа проходить через каналы, но скорость течения газа при этом будет меньше по сравнению со скоростью течения газа через каналы меньшего поперечного сечения. Угол падения газового потока на лопасти турбины при его течении может влиять на эффективность турбины, например, на количество термодинамической энергии, извлекаемой из газового потока, которая преобразуется в механическую энергию. Таким образом, скорость вращения турбины и давление наддува можно изменять путем изменения геометрии сопла турбины.
Один тип турбины с изменяемой геометрией содержит поворотные лопатки, которые могут поворачиваться внутри сопла турбины. Отработавший газ, протекающий через сопло турбины, проходит через каналы, образованные между поворотными лопатками сопла. Поворот лопаток в одном направлении приводит к увеличению площади поперечного сечения каналов перед турбиной и к уменьшению угла падения протекающего газа на лопасть турбины. Поворот лопаток в другом направлении приводит к уменьшению площади поперечного сечения каналов перед турбиной и к увеличению угла падения протекающего газа на лопасть турбины. Таким образом, поворот лопаток сопла оставляет вариант выбора только между эффективностью турбины при высоких значениях потока отработавшего газа или при низких значения потока, поскольку площадь поперечного сечения каналов и угол падения нельзя изменять независимо друг от друга.
В другом типе турбины с изменяемой геометрией используется передвижное кольцо, выполненное с возможностью скольжения внутри корпуса турбины в осевом направлении с целью изменения поперечного сечения каналов сопла турбины. Таким образом, в определенном диапазоне режимов работы двигателя можно поддерживать эффективный угол падения газового потока. Однако размер впускного отверстия турбины в области сопряжения выхода сопла и лопастей турбины выбирают для высоких значений потока отработавших газов двигателя. При малых значениях потока отработавших газов каналы сопла турбины имеют уменьшенное поперечное сечение, и происходит потеря энергии, когда отработавший газ расширяется, выходя из малого канала сопла в большое отверстие турбины.
Раскрытие полезной модели
С учетом вышеуказанных проблем был разработан подход, обеспечивающий по меньшей мере частичное решение. Согласно одному варианту, кольцевое сопло турбины содержит центральную ось и лопатку сопла. Лопатка сопла состоит из неподвижной секции (неподвижной лопатки) и сдвижной секции (сдвижной лопатки). Неподвижная лопатка содержит поверхность скольжения, которая находится в контакте с поверхностью скольжения сдвижной лопатки. Сдвижная лопатка расположена так, чтобы скольжение происходило в направлении, по существу касательном к внутренней окружности сопла турбины. Таким образом, в определенном диапазоне режимов двигателя требуемый угол падения можно поддерживать по существу постоянным. Кроме того, потери, связанные с расширением, могут быть уменьшены по сравнению с соплом турбины с передвижным кольцом.
Следует понимать, что содержащиеся в данном разделе сведения приведены с целью ознакомления в упрощенной форме с некоторыми идеями, которые далее рассмотрены в подробном описании. Данный раздел не предназначен для формулирования ключевых или существенных признаков объекта полезной модели, объем которого единственным образом определен пунктами формулы, приведенной после подробного описания. Более того, объект полезной модели не ограничен вариантами осуществления, которые решают проблему недостатков, упомянутых выше или в любой другой части данного описания.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает пример варианта осуществления двигателя с турбонаддувом.
Фиг.2 в сечении изображает пример варианта осуществления турбины турбокомпрессора, содержащей сопло.
Фиг.3 в перспективной проекции изображает пример варианта осуществления сопла турбины и рабочего колеса турбины.
Фиг.4 в разобранном виде изображает сопло турбины, отвечающее примеру варианта осуществления.
Фиг.5 изображает пример варианта осуществления сопла турбины, содержащего сдвижную лопатку, когда сдвижная лопатка отрегулирована для первого режима работы двигателя.
Фиг.6 изображает пример варианта осуществления сопла турбины, когда сдвижная лопатка отрегулирована для второго режима работы двигателя.
Фиг.7 и 8 изображают пример варианта осуществления лопатки сопла, отрегулированной для разных режимов работы двигателя.
Фиг.9 изображает пример варианта осуществления способа для двигателя с турбокомпрессором, содержащим сдвижную лопатку сопла.
По меньшей мере фиг.3-4 выполнены с приблизительным соблюдением масштаба.
Осуществление полезной модели
Последующее описание относится к системам для турбокомпрессоров с изменяемой геометрией для двигателей внутреннего сгорания. На фиг.1 изображен пример варианта осуществления двигателя с турбокомпрессором. Рассмотренный в примере турбокомпрессор содержит компрессор, приводимый в движение турбиной, пример осуществления которой изображен на фиг.2. Турбина, представленная в примере, содержит сопло и рабочее колесо, которые более подробно показаны на фиг.3-6. На фиг.3 в перспективной проекции показан пример конструкции сопла турбины и рабочего колеса. На фиг.4, в качестве примера варианта осуществления, в разобранном виде изображено сопло турбины. На фиг.5 и 6 показано, как можно менять положение сдвижной лопатки сопла турбины в различных режимах работы двигателя. Например, уменьшение длины лопатки со сдвижной секцией, как на фиг.5, может быть желательно, когда двигатель вырабатывает большой поток отработавших газов. А в другом примере, увеличение длины лопатки со сдвижной секцией, как на фиг.6, может быть желательно, когда поток отработавших газов невелик. Путем изменения длины лопатки сопла в различных режимах работы двигателя можно управлять давлением наддува. На фиг.7 и 8 изображен пример осуществления лопатки сопла, позволяющий определить различные характеристики лопатки. Например, фиг.7 изображает лопатку сопла, отрегулированную на первую длину, а фиг.8 изображает лопатку сопла, отрегулированную на вторую длину. На фиг.9 изображен пример осуществления способа для двигателя с турбонаддувом, содержащего сдвижную лопатку сопла. Например, приведенный в примере алгоритм способа иллюстрирует, как можно управлять давлением наддува путем изменения длины лопатки сопла.
На фиг.1 изображен пример двигателя с турбонаддувом. Более конкретно, на фиг.1 представлен двигатель 10 внутреннего сгорания, содержащий ряд цилиндров, из которых показан один. Управлять двигателем 10 можно по меньшей мере частично при помощи системы управления, содержащей контроллер 12, и посредством команды оператора 72 (водителя) транспортного средства (автомобиля) через устройство 70 ввода. В данном случае, устройство ввода 70 включает в себя педаль акселератора и датчик 74 положения педали для формирования сигнала PPS (Pedal Position Sensor) пропорционального положению педали. Двигатель 10 содержит камеру 30 сгорания со стенками 32 цилиндра, а также поршень 36, который расположен в цилиндре и соединен с коленчатым валом 40. Камера 30 сгорания сообщается с впускным коллектором 44 и выпускным коллектором 48 через соответствующие впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. Показано, что впускной коллектор 44 содержит также топливную форсунку 68, присоединенную к коллектору для доставки топлива пропорционально длительности импульса сигнала FPW (Fuel Pulse Width), поступающего от контроллера 12.
Контроллер 12 на фиг.1 показан в виде микрокомпьютера, содержащего: микропроцессорное устройство 102 (CPU, Central Processor Unit), порты 104 ввода/вывода (I/O, Input/Output), электронную среду хранения исполняемых программ и калибровочных значений, изображенную в виде постоянного запоминающего устройства 106 (ROM, Read-only Memory), оперативное запоминающее устройство 108 (RAM, Random Access Memory) и стандартную шину данных.
Контроллер 12 может принимать различные сигналы от датчиков, связанных с двигателем 10, которые помимо других возможных включают: сигнал MAF (Mass Air Flow) массового расхода всасываемого воздуха от датчика 110, соединенного с воздушным фильтром; сигнал ЕСТ (Engine Coolant Temperature) температуры хладагента двигателя от датчика 112, связанного с рубашкой 114 охлаждения; сигнал MAP (Manifold Air Pressure) давления воздуха в коллекторе от датчика 115, соединенного с впускным коллектором 44, и сигнал PIP (Profile Ignition Pick-up) профиля зажигания от датчика 118 на эффекте Холла, связанного с коленчатым валом 40 и указывающего частоту вращения вала двигателя.
В схеме, известной как «система рециркуляции отработавших газов (EGR, Exhaust Gas Recirculation) высокого давления», отработавший газ доставляется во впускной коллектор 44 по трубке 125, сообщающейся с выпускным коллектором 48. В трубке 125 расположен клапан 120 EGR. То есть, отработавший газ из выпускного коллектора 48 проходит сначала через клапан 120, а затем поступает во впускной коллектор 44. Таким образом, можно сказать, что клапан 120 контура EGR расположен по ходу потока перед впускным коллектором. В контуре EGR имеется также дополнительный (необязательный) охладитель 130, расположенный в трубке 125 для охлаждения отработавшего газа перед его поступлением во впускной коллектор. Система EGR низкого давления может быть использована для передачи отработавшего газа из области после турбины 16 в область перед компрессором 14 через клапан 141.
Датчик 115 давления выдает сигнал MAP давления в коллекторе в контроллер 12. Клапан 120 содержит заслонку (не показана), положение которой управляет поперечным сечением трубки 125, ограничивая указанное сечение, и тем самым управляя потоком газа в контуре EGR. Клапан 120 контура EGR может либо минимально ограничивать поток отработавшего газа через трубку 125 или полностью перекрывать указанный поток, или же работать с изменяемой степенью ограничения. С узлом клапана 120 контура EGR связан регулятор 124 разряжения (вакуума). Регулятор 124 разряжения получает сигнал 126 на срабатывание от контроллера 12 для управления положением клапана 120. Согласно одному из вариантов осуществления, клапан контура EGR представляет собой клапан с вакуумным приводом. Однако, можно использовать любой тип клапана управления расходом, например, электромагнитный клапан или клапан с приводом от шагового двигателя.
Турбокомпрессор 13 содержит турбину 16, связанную с выпускным коллектором 48 и компрессор 14, связанный с впускным коллектором 44 через промежуточный охладитель 132. Турбина 16 соединена с компрессором 14 посредством приводного вала 15. Воздух при атмосферном давлении поступает в компрессор 14 из канала 140. Отработавший газ выходит из выпускного коллектора 48 через турбину 16 и выпускной канал 142. Таким образом, турбина, приводимая в движение отработавшим газом, обеспечивает энергией компрессор с целью увеличения давления и количества воздуха, подаваемого в двигатель, т.е. с целью наддува. Управлять давлением наддува можно посредством скорости вращения турбины 16, управлять которой по меньшей мере частично можно посредством потока газов, проходящих через турбину 16.
Течение газов через турбину 16 можно дополнительно проиллюстрировать примером конструкции турбины 16, изображенным на фиг.2. Турбина 16 может содержать корпус 202, который заключает в себе сопло 210 и рабочее колесо 220 турбины, содержащее лопасть 222. Например, корпус 202 может включать в себя канал 204, сообщающийся с кольцевым соплом 210 турбины. Сопло 210 турбины может сообщаться с каналом 206. Таким образом, отработавшие газы могут истекать из выпускного коллектора 48, проходить через канал 204, через сопло 210, поперек рабочего колеса 220 турбины и лопасти 222, выходить в канал 206, и далее следовать к каналу 142. Далее, газовым потоком, например, потоком расширяющихся газов через турбину 16 можно управлять путем изменения геометрии сопла 210 турбины, и таким образом, управлять скоростью вращения турбины 16.
Например, течением газов, проходящих через сопло 210 турбины можно управлять, изменяя геометрию лопатки 260 сопла. Согласно одному примеру, чтобы управлять потоком газов через сопло 210 турбины, можно изменять длину лопатки 260 сопла. Согласно одному варианту осуществления, сопло 210 турбины может быть в общем кольцевой формы, при этом центральная ось 230 сопла, ось рабочего колеса 220 турбины и ось приводного вала 15 могут совпадать. Другими словами, рабочее колесо 220 турбины и сопло 210 турбины могут быть соосными и концентричными. Сопло 210 турбины может содержать синхронизирующее кольцо 240, диск 250 стенки кольцевого сопла и лопатку 260 сопла. Согласно одному варианту осуществления, синхронизирующее кольцо 240 и диск 250 стенки сопла могут образовывать несущий и управляющий узел для лопатки 260 сопла. Например, форму лопатки 260 можно изменять путем вращения одного или обоих элементов: синхронизирующего кольца и диска 250 стенки сопла.
Изменяя геометрию лопатки 260 сопла, можно изменять площадь поперечного сечения канала или горловины сопла 210 турбины. Согласно одному варианту осуществления, канал может содержать четыре стороны. Например, одна сторона может быть образована поверхностью 252 диска 250 стенки сопла, и одна - поверхностью 208 корпуса 202 турбины. Две другие стороны могут быть образованы поверхностями соседних лопаток сопла. Согласно одному варианту осуществления, расстояние между диском 250 стенки сопла и корпусом 202 турбины нельзя изменять в процессе работы двигателя, например, нет возможности осевого перемещения диска 250 стенки сопла относительно корпуса 202 турбины, и таким образом, управление площадью поперечного сечения каналов сопла турбины осуществляется только путем изменения геометрии лопатки 260 сопла. Например, удлиняя лопатку 260 сопла, можно изменить площадь поперечного сечения каналов сопла 210 турбины, и объемный расход газа, проходящего через каналы. Согласно другому варианту осуществления, для изменения площади поперечного сечения каналов сопла 210 турбины можно дополнительно использовать перемещение одного или обоих элементов - диска 250 стенки сопла и корпуса 202 турбины.
Геометрия и регулирование лопатки 260 сопла может быть дополнительно проиллюстрирована фиг.3. На фиг.3 в перспективной проекции изображен пример осуществления сопла турбины и рабочего колеса, причем часть диска 250 стенки сопла для наглядности вырезана (например, удалена) по линиям разреза 302 и 304. Таким образом, на фиг.3 показаны детали синхронизирующего кольца 240, которые закрыты диском 250 стенки сопла, когда узел сопла 210 турбины собран. Сопло 210 турбины, синхронизирующее кольцо 240 и диск 250 стенки сопла могут быть в целом круглой или кольцевой формы с внутренней окружностью и наружной окружностью. Согласно одному варианту осуществления, сопло 210 турбины, синхронизирующее кольцо 240 и диск 250 стенки сопла являются соосными. Согласно одному варианту осуществления, внутренние окружности сопла 210 турбины, синхронизирующего кольца 240 и диска 250 стенки сопла могут совпадать. Согласно одному варианту осуществления, наружные окружности сопла 210 турбины, синхронизирующего кольца 240 и диска 250 стенки сопла могут совпадать.
Лопатка 260 сопла может состоять из неподвижной секции - лопатки 310 и сдвижной секции - лопатки 320. Согласно одному варианту осуществления, длину лопатки 260 можно изменять путем перемещения, например, сдвига одной или обеих лопаток - неподвижной лопатки 310 и сдвижной лопатки 320 друг относительно друга. Например, сдвижная лопатка 320 может быть выполнена с возможностью перемещения, а неподвижная лопатка 310 может быть прикреплена к диску 250 стенки кольцевого сопла или выполнена за одно целое с указанным диском. В целях уменьшения или устранения зазора между неподвижной лопаткой 310 и диском 250 стенки сопла для снижения аэродинамических потерь при протекании газа по неподвижной лопатке 310 может быть выгодным фиксированное крепление неподвижной лопатки 310 к диску 250 стенки сопла. Неподвижная лопатка 310 может содержать поверхность 312 скольжения, находящуюся в контакте с поверхностью 322 скольжения сдвижной лопатки 320. Согласно одному варианту осуществления, поверхности 312 и 322 могут быть по существу перпендикулярными поверхности 252 диска 250 стенки сопла. Например, угол между поверхностью 312 скольжения и поверхностью 252 может лежать в интервале 80°-100°. Согласно одному варианту осуществления, поверхность 312 и 322 могут быть плоскими и параллельными друг другу.
Согласно одному варианту осуществления, сдвижная лопатка 320 может быть расположена с возможностью движения при вращении синхронизирующего кольца 240. Например, синхронизирующее кольцо 240 можно приводить во вращение посредством приводного рычага 340, выступающего в радиальном направлении от синхронизирующего кольца 240. Синхронизирующее кольцо 240 может содержать паз 330 такой формы, чтобы он мог принять в себя подшипник 350 и направлять его движение. Подшипник 350 может быть выполнен с возможностью размещения в нем приводного пальца 324 сдвижной лопатки 320. Например, приводной палец 324 может выступать от сдвижной лопатки 320, и проходить через паз в диске 250 стенки сопла, чтобы затем попасть в подшипник 350. Таким образом, сдвижная лопатка 320 может быть ограниченна в своем движении интервалом, определяемым длиной и положением паза в диске 250 стенки сопла, а также длиной и положением паза 330.
На фиг.4, в качестве примера варианта осуществления, сопло турбины изображено в разобранном виде, на котором подробнее показаны компоненты сопла 210 турбины, такие как паз 410 в диске 250 стенки сопла. Паз 410 может быть параллельным поверхностям 312 и 322 скольжения. Согласно одному варианту осуществления, паз 410 может простираться до наружной окружности диска 250 стенки сопла. Когда узел сопла 210 турбины собран, паз 410 диска 250 стенки сопла и паз 330 синхронизирующего кольца 240 могут скрещиваться. Приводной палец 324 может проходить от сдвижной лопатки 320 через диск 250 стенки сопла и синхронизирующее кольцо 240 в точке пересечения пазов 330 и 410. Когда синхронизирующее кольцо 240 приводится во вращение вокруг оси 230 относительно диска 250 стенки сопла в первом направлении, указанная точка пересечения пазов может двигаться в наружном направлении в сторону наружной окружности диска 250. Аналогично, когда синхронизирующее кольцо 240 приводится во вращение относительно диска 250 в противоположном направлении, точка пересечения пазов может двигаться внутрь, в сторону внутренней окружности диска 250. Таким образом, положение сдвижной лопатки 320 может быть изменено путем вращения синхронизирующего кольца 240. Например, согласно одному варианту осуществления, в сопле 210 турбины сдвижную лопатку 320 можно перемещать в общем в радиальном направлении. Согласно одному варианту осуществления, сдвижную лопатку 320 можно перемещать линейно без поворота или вращения, и не перемещая при этом вдоль оси сопла 210 турбины.
Поток отработавших газов, проходящий сквозь сопло 210 турбины, может содержать сажу и углеводороды, которые могут откладываться на поверхностях 312 и 322 скольжения. Такие отложения могут потенциально приводить к увеличению сопротивления или прилипанию при перемещении сдвижной лопатки 320. Таким образом, может быть желательным сокращение количества отложений или их удаление с поверхностей 312 и 322 скольжения во время работы двигателя. Например, для удаления отложений можно использовать самое движение поверхности 322 скольжения по поверхности 312.
Согласно одному варианту осуществления, лопатка 310 может быть выполнена из первого материала, а лопатка 320 - из второго материала. Кроме того, один или оба из указанных материалов могут быть абразивными. Например, неподвижная лопатка 310 может быть выполнена из керамики или покрыта керамикой, а сдвижная лопатка 320 может быть выполнена из стали. Согласно другому примеру, неподвижная лопатка 310 может быть стальной, а сдвижная лопатка 320 может быть керамической или может быть покрыта керамикой. Кроме того, одна или обе поверхности 312 и 322 скольжения могут содержать текстуру. Например, грубая текстура поверхности 312 скольжения может уменьшить площадь поверхности контакта с поверхностью 322, за счет чего может быть уменьшено сопротивление при перемещении сдвижной лопатки 320. Аналогично, уменьшить сопротивление при перемещении сдвижной лопатки 320 можно первой текстурой или рельефом на поверхности 312 скольжения и второй текстурой или рельефом на поверхности 322 скольжения. Текстурированная поверхность может также счищать отложения сажи, собирающиеся на ней или на примыкающей поверхности.
Форму лопатки 260 изменяемой геометрии сопла 210 турбины можно менять при работе двигателя в различных режимах для управления течением газа через сопло 210 турбины и давлением наддува во впускном коллекторе 44. Точнее, течением газа через сопло 210 турбины можно управлять путем изменения длины лопатки 260 сопла, что может приводить к изменению площади поперечного сечения каналов сопла 210 турбины. Фиг.5 и 6 иллюстрируют, как можно изменять сечение каналов сопла 210 турбины путем изменения длины лопатки 260 сопла в определенном диапазоне длин. Например, согласно фиг.5, лопатка 260 сопла может быть настроена на первую длину. В качестве другого примера, длина лопатки 260 сопла может быть увеличена, как показано на фиг.6.
Согласно фиг.5, лопатка 260 может быть настроена на длину 510. Например, сдвижная лопатка 320 может перемещаться, находясь в контакте с неподвижной лопаткой 310, по плоскости 520. Согласно одному варианту осуществления, плоскость 520 может быть по существу касательной к внутренней окружности 530 диска 250 стенки сопла. Например, плоскость 520 относительно касательной к внутренней окружности 530 может располагаться под углом в диапазоне 0°-60° (например, под углом 0°-20°). Согласно одному варианту осуществления, лопатка 260 сопла может быть настроена на минимальную длину 510, когда сдвижная лопатка 320 установлена в конец диапазона своего движения, ближайший к наружной окружности 540 диска 250 стенки сопла.
Каналы сопла 210 турбины могут быть образованы между соседними лопатками сопла. Например, канал может быть образован между газовой поверхностью 560 неподвижной лопатки 310 и газовой поверхностью 570 сдвижной лопатки 320. Когда газ проходит через канал от передней кромки лопатки 260 к задней кромке лопатки 260, он может направляться газовыми поверхностями 560 и 570. Передняя кромка лопатки 260 может быть обращена к наружной окружности 540, а задняя кромка лопатки 260 может быть обращена к внутренней окружности 530. За счет ориентирования каждой из лопаток 260 сопла по существу по касательной к внутренней окружности 530 диска 250 стенки сопла, указанный канал может сужаться в направлении течения газа через сопло 210 турбины от наружной окружности 540 к внутренней окружности 530. Таким образом, по мере движения газа от наружной окружности 540 к внутренней окружности 530 скорость газа может нарастать. Например, скорость газа может увеличиваться, когда газ движется по каналу к его узкому месту, которое имеет ширину 550.
Далее, эффективность турбины 16 может определять угол падения газового потока на лопасть 222 турбины. Например, может быть выгодным, чтобы газ выходил из сопла 210 турбины и попадал на лопасти турбины по существу перпендикулярно лопасти 222 и по существу по касательной к внутренней окружности 530. Угол падения может быть задан геометрией канала. Например, форма и ориентация газовой поверхности 560 неподвижной лопатки 310 и газовой поверхности 570 сдвижной лопатки 320 могут влиять на угол падения газового потока на лопасть 222 турбины. Согласно одному варианту осуществления, неподвижная лопатка 310 может быть прикреплена к соплу 210 турбины, и геометрия газовой поверхности 560 может быть оставаться неизменной, когда производится изменение длины лопатки 260 сопла. Таким образом, направлять газовый поток, протекающий вблизи газовой поверхности 560 неподвижной лопатки 310, к лопасти 222 турбины можно с меньшим непостоянством, чем в случае сопла турбины с поворотной лопаткой. Это может давать потенциальное преимущество увеличения эффективности турбины в более широком диапазоне режимов двигателя, чем в случае сопла турбины с поворотной лопаткой.
Геометрию каналов сопла 210 турбины можно изменять путем увеличения длины лопатки 260. На фиг.6 показано, что лопатка 260 сопла настроена на длину 610, которая больше, чем длина 510. Например, чтобы переместить сдвижную лопатку 320, находящуюся в контакте с неподвижной лопаткой 310, по плоскости 520, может быть повернуто синхронизирующее кольцо 240. Согласно одному варианту осуществления, увеличить длину лопатки 260 сопла можно путем перемещения сдвижной лопатки 320 в сторону внутренней окружности 530 диска 250 стенки сопла. Таким образом, узкий участок канала между соседними лопатками сопла, например, между газовыми поверхностями 560 и 570, может быть дополнительно сужен, так что ширина 620 будет меньше ширины 550. Таким образом, за счет увеличения длины лопатки 260 площадь поперечного сечения канала может быть уменьшена.
Кроме того, угол падения газового потока на лопасть 222 турбины при первой длине лопатки 260 сопла может быть близок углу падения газового потока на лопасть 222 турбины при другой длине лопатки 260 сопла. Например, геометрия газовой поверхности 560 может оставаться неизменной, когда производится изменение длины лопатки 260. Помимо этого, форма газовой поверхности 570 сдвижной лопатки 320 может быть неизменной. Однако, когда производится увеличение длины лопатки 260, поверхности 312 и 322 скольжения могут дополнительно задавать направление газовому потоку, проходящему через каналы сопла 210. Согласно одному варианту осуществления, заострение передней кромки сдвижной лопатки 320 и заострение задней кромки неподвижной лопатки 310 может потенциально уменьшить разброс углов падения, когда производится регулировка длины лопатки 260.
На фиг.7 далее представлены некоторые аспекты, касающиеся лопатки 260, которые могут влиять на аэродинамические характеристики сопла 210 турбины. На фиг.7 изображен пример осуществления лопатки 260 сопла, так что могут быть определены различные характеристики лопатки. Лопатка 260 может содержать закругленную переднюю кромку 702 и заостренную заднюю кромку 704. Между передней кромкой 702 и задней кромкой 702 может проходить хорда 710, имеющая определенную длину. Хорда 710 может составлять угол 712 с плоскостью 520 границы раздела поверхности 312 скольжения неподвижной лопатки 310 и поверхности 322 скольжения сдвижной лопатки 320. Согласно одному варианту осуществления, угол 712 может иметь величину в диапазоне ±45°.
Лопатка 260 сопла содержит сдвижную секцию - лопатку 320. Сопло 210 турбины выполнено таким образом, что газовая поверхность 570 образует по меньшей мере часть одной стороны канала для прохождения газа через сопло 210 турбины. На аэродинамическое течение в канале и эффективность турбины может влиять форма сдвижной лопатки 320. Как показано на чертеже, сдвижная лопатка 320 содержит плоскую поверхность 322 скольжения, выпуклую криволинейную газовую поверхность 570, вогнутую или выпуклую газовую поверхность 560, имеет длину 732 и максимальную толщину 730.
Газовые поверхности 560 и 570 могут быть криволинейными или иметь другую подходящую геометрию. Например, газовые поверхности 560 и 570 могут описывать дугу с единственной осью кривизны. Согласно другому примеру, газовые поверхности могут содержать выпуклый и вогнутый участок, поскольку канал для потока сужается в направлении течения. Согласно еще одному примеру, газовая поверхность может содержать одну или более плоских фасок. Например, сдвижная лопатка 320 может быть выполнена в форме клина, при этом тонкий конец клина может быть расположен вблизи передней кромки 702, а толстый конец - вблизи задней кромки 704.
Сдвижная лопатка 320 может иметь заостренный конец вблизи передней кромки 702, и также заостренный конец вблизи задней кромки 704.
Лопатка 260 сопла содержит неподвижную секцию - лопатку 310. Сопло 210 турбины выполнено так, что газовая поверхность 560 образует по меньшей мере участок на одной стороне канала для прохождения газа через сопло 210. На аэродинамическое течение через канал и эффективность турбины можно оказывать влияние посредством формы неподвижной лопатки 310. Как показано на чертеже, неподвижная лопатка 310 содержит плоскую поверхность 312 скольжения, газовую поверхность 560, и имеет максимальную толщину 750.
Неподвижная лопатка 310 может включать в себя закругленный торец вблизи передней кромки 702, и заостренный торец вблизи задней кромки 704. Например, газовая поверхность 560 может содержать криволинейный участок, пересекающий переднюю кромку поверхности 312 скольжения. Также, газовая поверхность 560 может пересекать заднюю кромку газовой поверхности 570 под углом 760. Согласно одному варианту осуществления, угол 760 может находиться в интервале 0°-60°. В других вариантах осуществления, для неподвижной лопатки 310 могут быть использованы другие подходящие геометрические формы. Например, неподвижная лопатка 310 может содержать заостренный торец вблизи передней кромки 702.
Согласно одному варианту осуществления, лопатку 260 сопла можно регулировать путем перемещения сдвижной лопатки 320, находящейся в контакте с неподвижной лопаткой 310, по плоскости 520. Таким образом, длину лопатки 260 можно менять в интервале между минимальным значением и максимальным значением. На фиг.7 показан вариант осуществления лопатки 260 сопла с минимальной длиной, когда сдвижная лопатка 320 перемещена в положение ближайшее к передней кромке 702. На фиг.8 показан другой крайний случай осуществления лопатки 260 сопла с максимальной длиной, когда сдвижная лопатка 320 перемещена в положение самое удаленное от передней кромки 702. Например, регулировать положение передней кромки лопатки 320 можно в пределах интервала 810 (ход лопатки). Согласно одному варианту осуществления, ход 810 лопатки 320 может составлять менее 50% длины поверхности 312 скольжения.
Лопатку 260 с изменяемой геометрией для сопла 210 турбины можно перестраивать в пределах хода 810 для разных режимов работы двигателя. Например, может требоваться регулирование величины давления наддува двигателя во время его работы в разных режимах. Путем изменения длины лопатки 260 можно изменять поток газа через сопло 210 турбины и давление наддува во впускном коллекторе 44 двигателя. На фиг.9 изображен алгоритм 900 осуществления рассматриваемого способа для двигателя с турбонаддувом, содержащего сдвижную лопатку сопла.
На шаге 910 могут быть определены условия (параметры) работы двигателя. Например, могут быть измерены или рассчитаны следующие величины: нагрузка двигателя, частота вращения вала двигателя, давление наддува, массовый поток воздуха на впуске, частота вращения турбокомпрессора и температура отработавших газов. Согласно одному примеру, указанные параметры могут быть использованы для определения того, нужно ли регулировать турбокомпрессор 13. Например, может оказаться выгодным эксплуатировать компрессор в диапазоне между состоянием помпажа и состоянием дросселирования. Помпаж может возникать при низком массовом расходе воздуха, когда течение воздуха через компрессор 14 срывается и может возникать обратное течение. При дросселировании компрессор не может обеспечить двигатель дополнительным воздухом - захлебывается, и поэтому удельная мощность на выходе двигателя не может быть увеличена. Согласно одному примеру, может быть желательным изменять геометрию лопатки сопла для изменения энергии, отбираемой от турбины, чтобы удовлетворить потребность компрессора в энергии для наддува при изменении потребности в энергии для системы EGR и для обеспечения переходных режимов. Согласно другому примеру, может быть желательным увеличивать давление наддува путем увеличения оборотов турбины 16, когда компрессор работает в состоянии близком к дросселированию.
Кроме того, можно контролировать сигнал PPS - сигнал пропорциональный положению педали. Например, водитель 72 автомобиля может посредством педали акселератора подавать запрос на разгон или замедление автомобиля. В процессе разгона может быть желательным увеличивать давление наддува. В процессе замедления может быть желательным уменьшать давление наддува.
На шаге 920 производится определение необходимости увеличения давления наддува. Если увеличение давления наддува не требуется, то алгоритм 900 переходит к шагу 950. Если увеличение давления наддува требуется, то может быть полезным увеличение скорости вращения турбины 16 путем изменения формы лопатки 260 сопла. Когда требуется увеличение давления наддува, алгоритм 900 переходит к шагу 930.
На шаге 930 производится определение, является ли длина лопатки 260 сопла максимальной. Например, можно определить, находится ли передняя кромка сдвижной лопатки 320 на краю диапазона 810, дальнем от передней кромки 702. Если лопатка 260 сопла имеет максимальную длину, то эта длина далее увеличена быть не может, и алгоритм 900 переходит к шагу 980. Однако, если длина лопатки 260 сопла не максимальна, то алгоритм 900 переходит к шагу 940.
На шаге 940 форму лопатки 260 сопла можно изменить, чтобы потенциально увеличить скорость вращения турбины 16. Например, можно увеличить длину лопатки 260, за счет чего может уменьшиться площадь поперечного сечения канала сопла 210 турбины и увеличиться объемный расход газа через сопло 210 турбины. Согласно одному примеру, длину лопатки 260 сопла можно увеличить за счет перемещения сдвижной лопатки 320 от передней кромки 702 в направлении внутренней окружности 530 сопла 210 турбины. Таким способом может быть потенциально увеличена скорость вращения турбины 16. После шага 940 алгоритм 900 может завершить свою работу.
На шаге 950 производится определение необходимости уменьшения давления наддува. Если уменьшение давления наддува не требуется, то алгоритм 900 переходит к шагу 980. Если уменьшение давления наддува требуется, то может быть полезным уменьшение скорости вращения турбины 16 путем изменения формы лопатки 260 сопла. Если требуется уменьшение давления наддува, то алгоритм 900 переходит к шагу 960.
На шаге 960 производится определение, является ли длина лопатки 260 сопла минимальной. Например, можно определить, находится ли передняя кромка сдвижной лопатки 320 на краю диапазона 810, ближнем к передней кромке 702. Если лопатка 260 сопла имеет минимальную длину, то эта длина далее уменьшена быть не может, и алгоритм 900 переходит к шагу 980. Однако, если длина лопатки 260 сопла не минимальна, то алгоритм 900 переходит к шагу 970.
На шаге 970 форму лопатки 260 сопла можно изменить, чтобы потенциально уменьшить скорость вращения турбины 16. Например, можно уменьшить длину лопатки 260, за счет чего может увеличиться площадь поперечного сечения канала сопла 210 турбины и уменьшиться объемный расход газа через сопло 210 турбины. Согласно одному примеру, длину лопатки 260 сопла можно уменьшить за счет перемещения сдвижной лопатки 320 в направлении передней кромки 702 от внутренней окружности 530 сопла 210 турбины. Таким способом может быть потенциально уменьшена скорость вращения турбины 16. После шага 970 алгоритм 900 может завершить свою работу.
На шаге 980 производят сохранение формы лопатки 260 сопла. Например, длину лопатки 260 сопла сохраняют неизменной. После шага 980 алгоритм 900 может завершить свою работу.
Таким образом, алгоритм 900 иллюстрирует способ для турбокомпрессора, такого как турбокомпрессор 13. Согласно одному примеру, способ содержит передачу газа из канала 204 отработавших газов через сопло 210 турбины к рабочему колесу 220 турбины. Форму лопатки 260 сопла 210 турбины можно изменять в зависимости от режима работы двигателя. Таким образом, можно осуществлять управление частотой вращения турбины 16 и давлением наддува.
Следует понимать, что раскрытые в описании схемы и алгоритмы по сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не ограничивают собой идею полезной модели, ибо возможны различные их модификации. Например, вышеизложенный подход может быть применен к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет полезной модели включает в себя все новые и неочевидные сочетания и производные сочетания различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле, в частности, внимание сосредоточено на определенных сочетаниях компонентов и производных сочетаниях компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты включают один или более указанных элементов, не требуя, и не исключая двух или более таких элементов. Иные сочетания и производные сочетания раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем поправки имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи исходной формулы, также считаются включенными в предмет настоящей полезной модели.