内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件专利目的

针对上述已有技术中，喷嘴环组件存在的叶片之间进气通道变化小，增压调节性能低和叶片材质性能不能更好地满足使用要求的问题，《内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件》提供了一种不仅喷嘴环组件叶片之间通道面积变化率大，燃气流量和速率调节性能好，且叶片在高温高压下耐磨性能好，抗冲击和蠕变能力强，不易氧化的涡轮增压器喷嘴环组件。

内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件技术方案

《内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件》所要解决的技术问题所采取的技术方案是：所述喷嘴环组件包括拔叉、安装盘和叶片，所述安装盘呈圆环形，在安装盘侧面同一圆周上均匀间隔同向设置有多组叶片，每组由至少三块叶片组成，每组叶片之间能彼此相互同时打开和叠合，在安装盘的另一侧面上设置有与叶片相对应的拔叉，所述叶片与拔叉用可在安装盘上转动的轴固定相连接，所述叶片为三维曲面。

《内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件》所述内燃机涡轮增压器喷嘴环组件中的叶片采用镍铬铌基耐热合金制造，其化学成份的百分比为：碳0.2-0.4％，硅0.75-1.75，镍19-22％，铬23-27％，铌0.7-1.5％，锰≤1.5％，其余为铁。

《内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件》所述喷嘴环组件装有三维曲面型叶片，其叶片与安装盘、拔叉和拔叉盘组成多组相互同向隔开，每组叶片之间能相互同时打开和叠合，在叶片从打开到叠合的过程中，其叶片之间的进气通道可不断变化，其涡轮增压器进气量也可随发动机的工作状况不断变化，使涡轮始终工作在高温效率区，发动机在各种状态下得到合适的增压空量，使发动机在理想的状态下工作，不仅可实现涡轮增压器提高发动机输出功率30-100％，减少有害气体排放10％以上，实现烟气排放达到欧IV排放标准，而且可降低油耗5-10％，提高了汽车的使用经济性；再是，喷嘴环组件叶片采用更具有耐高温高压，不易氧化，耐磨性能好的材料制造，提高了喷嘴环组件的使用寿命。

《内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件》所述内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件工作原理是：由于喷嘴环中的叶片呈三维曲面，能够很好地顺应高温高速高压燃气的流动，各种损失小，效率高，并且能够在较大范围内调节叶片之间的进气通道截面积，当喷嘴环组件的叶片全部叠合时为最小开度状态，每组叶片内的进气通道封闭，即最小开度可以向大开度方向调整，适应发动机的最小工作流量；当喷嘴环组件的全部叶片打开到最大开度状态时，对应的进气通道截面积为最大，其时进气流量比变化率比现有圆柱形或鞭形叶片型式的喷嘴环组件的进气流量比变化率提高了30％以上，膨胀比变化率提高了20％以上。

《内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件》所述叶片采用镍铬铌基耐热合金制造的工艺方法是：

1、采用金属注射成型工艺方法制造；

2、外购各种原材料，按工艺配比混合并粉碎；

3、在相应模具中注射成型；

4、成型后进行脱脂；

5、脱脂后，在1270-1320℃再进行真空烧结1小时；

6、烧结后进行固溶正火热处理；

7、热处理后进行整形抛光，检验入库。

《内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件》所述的内燃机可变几何涡轮增压器嘴环组件上的叶片机械性能是：硬度≥145HV，在常温（20℃）时抗拉强度≥650兆帕，屈服强度≥260兆帕，延伸率≥28％；在高温下（800℃）时抗拉强度≥360兆帕，屈服强度≥145兆帕，延伸率≥41％。

2006年，在汽车上大多配装有与发动机相配的增压器，特别是在汽车上大都需要配装废气涡轮增压器，以增加汽车发动机的输出动率，减少尾气有害气体的排放，降低油耗，节约能源，更好的适应高原环境，补偿因高原空气稀薄产生的功率损失。而喷嘴环组件是当今先进的可变几何涡轮增压器中一个主要关键部件，其质量直接影响涡轮增压器的工作性能，而影响喷嘴环组件工作性能的关键是由多个同时绕自已的转轴旋转的喷嘴环叶片，叶片组合形成进气通道，叶片位置的变化决定了通道的面积变化，则此来控制涡轮速度和进气量大小，调节涡轮增压器工作范围和增压压力，实现涡轮增压器与发动机的最佳匹配。2006年前，可变几何涡轮增压器喷嘴环组件虽然结构各有不同，但其喷嘴环组件上的叶片结构大都是圆柱型进口或呈菱型进口的岛状叶型、薄板叶型与对称叶型，这些在叶片不能很好的顺应高速高温燃气的流动，撞击损失、摩擦损失等较大，同时在其旋转过程中，其叶片之间的进气通道截面调节幅度小，使涡轮增压器难以适用现代汽车发动机工况频繁、大幅度变化的要求；再是喷嘴环组件在高温高压下（柴油机最高温度为900℃，汽油机最高温度过1050℃，最大压力为0.35兆帕）工作，要承受高温燃气的高速冲击，需具有良好的高温性能：抗高温蠕变、氧化和腐蚀能力，高温强度好、耐磨性高等，因而其叶片材质性能要求极高。2006年前，行业内制造叶片的材料大都采用高温合金、或耐热合金金，以用镍基高温合金K418和K213制造的最多，但这些材料易氧化、机加工困难、铸造性能差、精密铸造成本较高。

图1是《内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件》的剖视结构示意图，

图2是图1的俯视图。

在图中，1、拔叉 2、安装盘 3、叶片 4、连接孔 5、轴。

《内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件》涉及内燃机涡轮增压器，尤其是涉及汽车发动机涡轮增压器喷嘴环组件。

1.内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件，它包括拔叉（1）、安装盘（2）和叶片（3），所述安装盘（2）呈圆环形，在安装盘侧面同一圆周上均匀间隔同向设置有多组叶片（3），每组由至少三块叶片（3）组成，每组叶片能彼此相互同时打开和叠合，在安装盘的另一侧面上设置有与叶片相对应的拔叉（1），所述叶片（3）与拔叉（1）用可在安装盘上转动的轴（5）固定相连接，其特征是：所述叶片（3）为三维曲面的气动型叶片，所述叶片（3）采用镍铬铌基耐热合金制造，其化学成份的百分比为：碳0.2-0.4％，硅0.75-1.75，镍19-22％，铬23-27％，铌0.7-1.5％，锰≤1.5％，其余为铁。

2.根据权利要求1所述的内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件，其特征是：所述多组叶片为三组叶片（3），每组由三块叶片（3）组成。

3.根据权利要求1或2所述的内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件，其特征是：所述叶片（3）和拔叉（1）与轴（5）焊接固定相连接。

在图1和图2中，《内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件》所述喷嘴环组件为系列产品，适用涡轮增压器涡轮直径为30-150毫米，适用发动机功率为50-1000千瓦使用。它包括拔叉1、安装盘2和叶片3，所述安装盘2呈圆环形，在安装盘2侧面同一圆周上均匀间隔同向设置有三组叶片3，每组由三块叶片3组成，每组叶片之间相互隔开，根据涡轮增压器大小、也可以是四组或五组等分组，根据涡轮增压器大小、每组也可以由四块或五块等组成，每组叶片3之间能彼此相互同时打开和叠合，在安装盘2上，每组叶片相隔位置之间设置有三个连接孔4，连接孔4呈阶梯形，用内六角螺栓通过3个连接孔固定安装盘，在安装盘2的另一侧面上设置有与三组叶片3相对应的9个拔叉1，每个拔叉1与轴5焊接固定连接，每块叶片3中部与轴5焊接固定，轴5可在安装盘2上转动，所有拔叉1套在拔叉盘中，由拔叉盘带动拔叉一起转动一定角度，从而带动所有叶片从一个位置变为另一个位置，实现每组叶片同时打开和叠合，所述叶片3是三维曲面的气动型叶片，叶片3由外圆弧面、内圆弧面和两侧平面用圆角过渡形成，叶片3从一端由小逐渐圆滑变大到中部，再从中部由大逐渐圆滑变小到另一端，叶片3从一侧到另一侧用圆弧由小到大再到小圆滑过渡，一块叶片3的内圆弧面与另一块叶片3的外圆弧面在搭接叠合时，可相互紧贴密封接触，该三维曲面型叶片3能顺应高温高压燃气的流动，各种损失小，效率高，并且能够在较大范围内调节叶片之间的进气通道截面积，当叶片全部打开时，其叶片的内端不超出安装盘上的内孔位置，叶片用镍铬铌基耐热合金，采用金属注射成型工艺方法制造，其化学成份的百分比含量为：碳0.2-0.4％，硅0.75-1.75，镍19-22％，铬23-27％，铌0.7-1.5％，锰≤1.5％，其余为铁。

2020年7月14日，《内燃机可变几何涡轮增压器喷嘴环组件》获得第二十一届中国专利奖优秀奖。 2100433B

可变截面涡轮增压器可变喉口

工作原理：

–如图1所示，是将一个可变喉口装置置于发动机排气管出口与涡轮入口之间，改变喉口的开度，即可获得不同工况下所需的不同流通截面，达到改善发动机与增压器匹配性能的目的。

优缺点：

–可变喉口增压器结构简单，成本低廉，但效率较低。

可变截面涡轮增压器舌形变截面

工作原理：

–在涡轮进气截面后加一舌形可调喷嘴叶片，通过舌形叶片的摆动，改变蜗壳的面径比A/R值，使得发动机低速时A/R减小，提高涡轮转速，增加增压压力；高速时，有较大的A/R值。

–舌形挡板结构分单舌形和双舌形两种． 　优缺点：

–舌形挡板VGT结构简单，调节方便，易实现自动控制，但由于流动损失较大，调节范围有一定限制，增压器总效率低。

可变截面涡轮增压器可变喷嘴环

工作原理：

–采用的是活动的喷嘴环叶片，喷嘴环叶片可以绕着各自的轴心共同旋转，随着喷嘴环叶片角度的改变，涡轮机最小流通截面积以及排气进入涡轮的角度和速度都将发生变化，从而改变了涡轮机的转速和压气机出口端的增压压力．结构如图2所示。

–发动机低速运转时，喷嘴环截面积减小，涡轮速度上升，增压压力增加，保证了低转速时的增压压力和进气量；发动机高速运转时，喷嘴环截面积增大，涡轮转速下降，防止增压器超速．发动机加速时，为了提高增压器的响应速度，可减小喷嘴环截面积，提高增压器转速，从而提高增压压力和进气量，满足瞬态工作时的进气要求．

优缺点：

–VNT与可变喉口、舌形挡板增压器相比，调节范围广，在低速时增压器的总效率最高。

与传统涡轮增压器相比，这极大地改善了低转速时的响应时间和加速能力。采用可变涡轮截面技术的汽油发动机在所有转速范围内的效率均明显高于目前采用的标准放气阀式的涡轮增压器。相应地，在各个转速范围内的节油性能也更上一层楼。