CN101666245A - 可变几何形状的涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种的可变几何形状的涡轮机，所述可变几何形状的涡轮机具有气体入口室和在入口室的下游和所述涡轮上游的气流入口通道。入口通道限定在可移动的第一壁和第二壁之间，并且致动器可操作以控制第一壁的位移，从而改变气流入口通道的尺寸。限定第一壁或与所述第一壁连接的活塞构件容纳在活塞室内，并且用于由于活塞构件在活塞室中的位移而移动第一壁。旁路通道限定在壳体内，并且在活塞室和入口通道的涡轮机上游的位置之间延伸，用于将气体输送到活塞室。旁路通道被设置成使得通过旁路通道引入的气体对所述室增压，并施加用于在使第一壁朝向第二壁移动的方向上移动活塞室的力。因此，可以是来自发动机的废气的气体用于协助致动器的操作。

Description

可变几何形状的涡轮机

技术领域

本发明涉及一种可变几何形状的涡轮并涉及一种涡轮机，例如，装入这种涡轮的涡轮增压器。本发明还涉及一种用于操作装入这种涡轮的涡轮增压器的方法和装入具有这种涡轮的涡轮增压器的内燃机。

背景技术

涡轮增压器为用于在超过大气压的压力(升压)下将空气供应到内燃机的入口的公知装置。传统的涡轮增压器主要包括安装在涡轮机壳体内的可旋转轴上的废气从动涡轮。涡轮的旋转使安装在压缩机壳体内的轴的另一端上的压缩机叶轮旋转。压缩机叶轮将压缩空气传送到发动机入口歧管。通常，涡轮增压器的轴由包括适当的润滑系统的轴颈和止推轴承支撑，所述轴颈和止推轴承位于连接在涡轮机和压缩机叶轮壳体之间的中心轴承套内。

在已知的涡轮增压器中，涡轮级包括由涡轮机壳体限定且在其中装有涡轮的涡轮室、绕涡轮室布置的环形入口通道、绕入口通道布置的入口、以及从涡轮室延伸的出口通道。通道和室连通，使得进入入口室的增压废气流过入口通道，通过涡轮室流动到出口通道，并使涡轮机叶轮旋转。

涡轮机可以是固定或可变几何形状型。可变几何形状的涡轮机不同于固定几何形状的涡轮机的地方在于可以改变入口通道的尺寸以在质量流量范围内优化气流速度，使得可以改变涡轮机的功率输出以适应变化的发动机需求。

在一种常见类型的可变几何形状的涡轮机中，入口通道的一个壁由可移动壁构件限定。壁构件相对于所面向的入口通道的固定壁的位置是可调节的，以控制入口通道的宽度。例如，当流过涡轮机的气体减少时，入口通道的宽度也可以减小以保持气体速度并优化涡轮机输出。通常，不管哪一个可移动壁构件和所面对的固定壁设置有叶片，并且在这中情况下被称为“喷嘴环”，而固定壁通常被称为“罩”。叶片延伸到入口通道内并穿过设置在罩板内的槽。可移动壁通常支撑在平行于涡轮的旋转轴延伸的杆上，并且通过致动器移动，该致动器可操作以沿轴向方向移动杆。

各种类型的致动器都可以用来移动可变几何形状的涡轮机的可移动壁，所述致动器包括例如通常安装在壳体外侧并用于操作连接到可移动壁并容纳在涡轮增压器内的连杆机构的齿轮传动和电机或气动致动器。

工作时，通过涡轮机入口的废气的气动流在可变几何形状的涡轮机的可移动壁上施加相当大的载荷，并且所述载荷被传递给致动器。如果此“后-驱动(back-drive)”没有被限制，则迫使喷嘴环到达环形入口通道完全打开的位置。同时，通常需要设置具有足够功率容量的致动器来操作可移动壁，这必须与可用于将有效致动器容纳在涡轮机和/或涡轮增压器内的有限空间以及其它成本需要相平衡。入口通道内的气体压力通常在内燃机的点火频率下发生脉动。喷嘴环上的这种振荡载荷对致动器和连接机构提出了严格的要求。

从致动器向可移动壁构件传递动力的连接机构必须设计成可耐受极端的运行工况，包括振动，可能由于机构的热膨胀而导致堵塞或磨损的高温以及可变温度，和在没有润滑的情况下操作至少一部分零件的需求。

发明内容

除其它目地外，本发明的一个目的在于消除或缓解上述缺陷。本发明的另一个目的是提供一种可选或改进的可变几何形状的涡轮机以及操作该涡轮机的方法。

根据本发明的第一个方面，提供一种可变几何形状的涡轮机，所述可变几何形状的涡轮机包括：涡轮，所述涡轮安装在壳体内，用于绕着涡轮机轴线旋转；气体入口室；在入口室下游和所述涡轮上游的气流入口通道，气流入口通道限定在可移动的第一壁和第二壁之间；致动器，所述致动器可操作以控制第一壁的位移，从而改变气流入口通道的尺寸；活塞构件，所述活塞构件与第一壁相关联，并且容纳在由活塞室壁限定的活塞室中，第一壁由于活塞构件在活塞室中的位移可移动；和旁路通道，所述旁路通道限定在壳体中并从入口通道上游的涡轮机内的位置延伸到活塞室，在所述活塞室处，旁路通道穿过活塞室壁，使得旁路通道内的气体通过活塞室壁被引导到活塞室内，从而绕过入口通道，旁路通道被设置成使得通过旁路通道引入的气体对室增压，以施加在使第一壁朝向第二壁移动的方向上推动所述活塞构件的力。

因此，此布置使得流动通过入口通道的气体的压力在远离第二壁的第一方向上推动第一壁，且流动通过旁路通道的气体可被引导到室内，以对室增压并在第二方向推动活塞，所述第二方向基本上与第一方向相反，即，所述气体推动第一壁朝向第二壁移动，以减小入口通道的尺寸。因此，此力可以用于缓解致动器所需的用于移动第一壁或克服由在入口通道内流动的气体施加的力而将所述第一壁保持在适当的位置的部分力。旁路通道穿过活塞室壁，而不是限定在室壁和活塞构件之间。

因此，不管活塞构件相对于活塞室的位置，旁路通道都允许气体进入活塞室。

因此，所述布置允许使用涡轮机入口气体压力协助致动器在移动第一壁期间的操作。

在一个实施例中，旁路通道可以从入口室延伸至到活塞室。气体入口室可以是蜗壳。

活塞构件基本上与活塞室密封或者在活塞构件和活塞室之间可以有泄漏通道。

活塞室可以限定在壳体内或以其它方式设置。壳体可以包括一个或多个壳体部件。例如，所述壳体可以由涡轮机壳体体和与涡轮机连接的涡轮机轴承套来提供。

控制阀可以被设置以控制旁路通道中的气体的流动。所述控制阀可以位于旁路通道内或邻近旁路通道，或者可以位于活塞室下游的出口通道或邻近所述活塞室下游的出口通道。控制阀还可以控制排废门通道的打开和闭合，并且可以被构造成接受来自控制系统或致动器的控制信号。控制信号可以表示例如由致动器施加的力、由所述致动器消耗的功率或所做的功、或移动的距离。

活塞构件可以限定所述第一壁或可以是与第一壁直接或间接连接的分离构件。可以具有多于一个的活塞构件并且可以具有合并以形成活塞构件的多于一个的活塞元件。

在活塞构件为分离构件的实施例中，活塞室可以被活塞分成两个室部分，入口室可选择地连接到每一个室部分。可选择的连接部分可以由控制阀来提供。每个室部分还可以可选择地连接到壳体的排放部，气体通过所述排放部可以被输送到大气。控制阀在第一位置和第二位置之间可被操作，在所述第一位置中，室部分中的第一室部分与气体入口室流体连通，而室部分中的第二室部分与排放部流体连通，在所述第二位置中，室部分中的第一室部分与排放部流体连通，而室部分中的第二室部分与气体入口室流体连通。

活塞构件可以安装在至少一个导向构件上，所述导向构件响应于致动器的操作在大致平行于涡轮机轴线的方向上可平移。

第二壁可以被固定并且可以由壳体限定。所述第二壁的形式可以是在壳体内具有端口的罩。

第一壁可以是大致环形壁构件，所述大致环形壁构件具有基本上与涡轮机的轴线同轴的中心轴线。所述第一壁可以相对于所述轴线在大致径向方向上延伸。可以具有轴向延伸壁部，所述轴向延伸壁部连接到第一壁并容纳在活塞室中。轴向延伸壁可以与室的壁密封。

大致环形壁构件可以支撑叶片阵列，所述叶片沿大致平行于涡轮机的轴线平行的方向在朝向第二壁的方向上延伸。

可变几何形状的涡轮机的壳体可以是多于一个部件，并且这些部件中的一个可以为轴提供轴承套，涡轮连接或安装到所述轴。

根据本发明的另一个方面，提供了一种诸如涡轮增压器的涡轮机组，所述涡轮机组包括如上所述的可变几何形状的涡轮机和由所述涡轮机驱动的压缩机。涡轮增压器可以连接到内燃机。发动机可以在诸如发动机管理单元的发动机控制系统的控制下运行，所述发动机控制系统可以发出指令以控制控制阀的操作，从而控制第一壁或活塞的位置。可以通过响应表示第一壁或活塞的位置的接收数据、或响应于表示活塞室中的压力的数据、或表示致动器施加的力或消耗的功率的数据来完成所述控制。

根据本发明的第二方面，一种用于操作具有可变几何形状的涡轮机的涡轮增压器的方法，所述可变几何形状的涡轮机包括：涡轮，所述涡轮安装在壳体内，用于绕着涡轮机轴线旋转；和在所述涡轮上游的下游的废气流入口通道，所述入口通道限定在可移动的第一壁和第二壁之间，第一壁由于活塞构件在活塞室中的位移而可移动，活塞构件与第一壁相关联，使得第一壁由于活塞构件在活塞室中的位移可移动，所述方法包括以下步骤：将在第一流动通路中的内燃机废气通过气流入口通道朝向涡轮机输送；以及在第二流动通路中引导废气，所述第二流动通路绕过气流入口通道，通过活塞室的壁并进入活塞室，藉此，气体在活塞的一侧对活塞室增压，以推动第一壁朝向第二壁移动。

因此，废气的第二流动通路用于在将第一壁朝向第二壁移动期间协助气流控制机构以闭合入口通道。这可以用于减小操作控制机构所需的力。

废气可以从入口通道上游的任何位置(例如，从涡轮机的入口室)被引导到第二流动通路内。

第二流动通路中的废气的流动可以通过诸如阀的控制装置来控制。所述控制阀可以响应于增压器或连接到所述增压器的发动机的运行参数而被控制。可选地，所述控制阀可以响应于与致动器的操作有关的数据(例如，表示由致动器施加的力的信号，被致动器消耗的功率或移动的距离)而被控制。控制装置或阀的操作可以通过表示上述参数中的任一个的闭环或开环信号来控制。

废气可以被引导到由壳体限定的活塞室中，第一壁由于活塞在活塞室中的位移而可移动。

废气可以被引导到导管内，所述导管连接到室，用于输送气体以对室增加，从而作用在所述活塞上。

根据本发明的第三方面，提供了一种内燃机，所述内燃机具有空气入口流动通路、废气出口流动通路和涡轮增压器，所述涡轮增压器包括在所述入口流动通路中的压缩机和在所述废气流动通路中的可变几何形状的涡轮机，所述可变几何形状的涡轮机包括：涡轮，所述涡轮安装在壳体内，用于绕着涡轮机轴线旋转；入口室；在入口室的下游和所述涡轮的上游的气流入口通道，入口通道限定在可移动的第一壁和第二壁之间；致动器，所述致动器可操作以控制第一壁的位移，从而改变气流入口通道的尺寸；气流控制机构，所述气流控制机构包括活塞构件，所述活塞构件容纳在由壳体内的活塞室壁限定的活塞室中，第一壁由于活塞构件在活塞室中的位移可移动；和旁路通道，所述旁路通道限定在壳体中并从入口通道上游的涡轮机内的位置延伸到活塞室，在所述活塞室中，旁路通道穿过活塞室壁，使得旁路通道内的气体通过活塞室壁被引导到活塞室内，从而绕过入口通道，旁路通道被设置成使得通过旁路通道引入的废气对室增压，以施加在使第一壁朝向第二壁移动的方向上推动活塞构件的力。

附图说明

以下仅以示例的方式参照附图说明本发明具体的实施例，其中：

图1是通过装配有根据本发明的可变几何形状的涡轮机并被显示为连接到示意性表示的内燃机的涡轮增压器的纵剖面图；

图2是图1涡轮增压器的可变几何形状的涡轮机的第一可选实施例的部件示意图；

图3是根据本发明的可变几何形状的涡轮机的第二可选实施例的部件的示意图；

图4是根据本发明的可变几何形状的涡轮机的第三可选实施例的部件的示意图；

图5是根据本发明的可变几何形状的涡轮机的第四可选实施例的部件的示意图；

图6是根据本发明的可变几何形状的涡轮机的第五可选实施例的部件的示意图；

图6a是用于图1-6的可变几何形状的涡轮机实施例中的任一个的喷嘴环的可选实施例的示意图。

具体实施方式

参照图1，图示的涡轮增压器包括通过中央轴承套3连接到压缩机2的涡轮机1。涡轮机1包括在涡轮机壳体5内旋转的涡轮4。类似地，压缩机2包括在压缩机壳体7内旋转的压缩机叶轮6。涡轮4和压缩机叶轮6安装在在共用涡轮增压器轴8的相对端部上，所述轴延伸通过中央轴承套3。

通常，轴承套3具有中央部分，所述中央部分容纳分别朝向轴承套的压缩机端和涡轮机端定向的滑动轴承组件9。

使用时，通过使来自内燃机11的废气歧管10的废气穿过废气通道而使得涡轮4围绕轴线8a旋转。这又使压缩机叶轮6旋转，所述压缩机叶轮通过压缩机入口12吸入进口空气并经出口蜗壳14将增压空气输送至内燃机入口歧管13。

涡轮机壳体5限定了入口室15(典型的蜗壳)，来自内燃机11的废气歧管10的废气输送到所述入口室15。废气从入口室15通过环形入口通道17和涡轮4流动到轴向延伸的出口通道16。入口通道17限定在与可移动环形壁构件19的径向延伸部18面对的一侧和环形罩板20的相对侧，所述可移动环形壁构件通常被称为“喷嘴环”。罩板20遮盖涡轮机壳体5内环形凹部21的开口。

喷嘴环19支撑圆周且等距间隔的入口叶片22的阵列，所述叶片中的每一个都从可移动壁19的径向延伸壁部18轴向延伸通过入口通道17。叶片22被定向为将流过入口通道的气体朝向涡轮4的旋转方向偏转。叶片22通过罩板20内被适当构造的槽突出到凹部21内。当喷嘴环19接近罩板20时，叶片22的外表面接近槽的边缘，从而防止任何大量气体流进入凹部21内。

涡轮4的旋转速度取决于通过环形入口通道17的气体的速度。对于流入到入口通道内的固定气体质量流量来说，气体速度是喷嘴环19的径向部分18和罩板20之间的间隙的函数，该间隙限定通道17并且可通过控制喷嘴环的轴向位置来调节(当入口通道17间隙减小时，通过所述入口通道的气体的速度增加)。

喷嘴环19通过致动器(未示出)在室25内沿轴向方向可移动，所述室在轴承套3内限定在一对直径相对的导向杆24上。导向杆24沿基本上平行于涡轮增压器轴8的方向在轴承套3内延伸，并被布置成在所述方向上平移。和径向延伸壁部18一样，喷嘴环19具有两个轴向间隔的延伸壁26、27，所述壁通过密封件28、29与室25的壁密封。因此，可以理解的是喷嘴环19以非常近似于可滑动地设置在活塞室(室25)中的活塞的方式操作。

用于驱动导向杆24的驱动机构包括致动器和传动机构，其中在这种情况下，所述驱动机构采取轭状物(yoke)的形式，所述轭状物连接到导向杆，使得致动器使轭状物产生枢转运动，所述枢转运动被转换成导向杆24以及因此为喷嘴环19的平移。应该认识的是驱动机构可以采取用于实现喷嘴环19的平移的任何合适的形式。致动器可以是例如液压致动器或具有齿轮的电动机。

旁路通道30在涡轮机壳体5内限定在入口室15和喷嘴室25之间，并用来在喷嘴环19的径向壁部分18的后面将一些废气引导到室25中。术语“后面”用来表示废气被引入到室25内，以在与通过入口通道17到达涡轮4的气体的相对侧作用在径向壁部分18上。旁路通道30用于通过室的壁开口到室内而将废气引导到喷嘴环19的后面，而不是允许废气通过喷嘴环19内或在喷嘴环和室25的壁之间的孔口。由于室25通过作用在轴向延伸壁26、27的密封件28、29与喷嘴环19密封，废气对喷嘴环19后面的室增压，并用于在朝向罩板20的方向并克服由于废气通过入口通道17而施加给喷嘴环的力而推动环。这用于减小致动器必需施加的以相对于罩板20将喷嘴环19移动到期望的位置的力。

应该理解的是废气可以从入口室的上游位置引导到室内，包括从废气歧管10至涡轮机的入口室15的废气流动通路中的任何位置引导到室内。

还要理解的是喷嘴环19和罩板20的位置可以互换。即，喷嘴环19可以被布置成所述喷嘴环容纳在限定在涡轮机壳体5内的室中，而罩板20设置在轴承套3中或邻近于轴承套3设置，使得喷嘴环19在与图1中所示的相反的方向上移动，以减小入口通道的尺寸。在另一个变型中，喷嘴环可以固定，而罩板20在叶片22上相对于环19移动，且板连接到可在密封活塞室中移动的活塞。

在图2的实施例中，入口室15和喷嘴环25之间的旁路通道30被阀40中断，所述阀被操作以控制废气向室25的输送并由此控制废气施加到喷嘴环19的后部的力。此力与由于废气通过入口通道17而施加的力相反作用，并作用在喷嘴环19的径向壁18上，并且用于减小致动器必须施加的以移动喷嘴环19的力，从而减小入口通道17尺寸。

致动器可以包括：例如具有用于将马达轴的旋转转换成导向杆上的喷嘴环的平移的适当传动机构(例如，齿轮、导杆和连杆)的电机，或具有适当连杆的气压缸。

图2中示出的阀40是二位三通阀。如图所示，在第一位置，所述阀有效打开，使得废气通过旁路通道30从入口室15被引导到室25内。在第二位置，在距离入口室15的旁路通道30被阻塞并且活塞室开口向涡轮4的情况下，阀40被有效地关闭。

阀40的操作可以响应于发动机或增压器的某些运行参数(例如，增压压力、涡轮机入口压力、发动机速度或发动机负载)而被主动控制，使得室25中的废气的压力被控制。例如，阀40可以响应于由车辆发动机管理单元(或发动机控制单元)或任何或其它通过使用闭环或开环反馈而与涡轮增压器相关联的控制系统产生的电信号来操作。在另一个控制程序中，当控制系统确定致动器需要一定阈值以上的力来移动或保持喷嘴环19时，阀40打开旁路通道30以将废气引导到室25。本领域技术人员显而易见的是，电动致动器可以设置有适当的传感器以确定由致动器施加的力。例如，可以通过适当的转换器装置容易地确定由电动马达施加的转矩或消耗的功率。

喷嘴环19在径向延伸壁18上可以或可以不设置有压力平衡孔。通过或环绕喷嘴环的压力平衡孔或其它泄漏通路的存在能够使得单个喷嘴环设计成用于涡轮增压器，而不需要设计平衡孔或泄漏通路以用于特殊应用。在一些情况下，少量平衡孔的存在可以是期望的，以平衡通过喷嘴环的废气流的压力脉冲的影响。在没有孔的情况下，控制系统可以被操作以在喷嘴环19上的压力脉冲的频率下打开旁路通道30。

操作控制系统可以被操作以调节施加到室25的压力，使得有效地控制喷嘴环19上产生的力，以允许在力界限的范围内操作致动器。由致动器施加的确定的力(例如，由电动机致动器施加的扭矩)用来产生闭环反馈信号，所述闭环反馈信号用于控制阀，以相应地改变喷嘴环19后面的室25中的压力。在这种情况下，可以电控制阀40。在此布置中，在整个发动机的整个运行工况下，可以将致动器所需的用于操作喷嘴环19的力可保持在预定界限内。

在开环控制系统中，除了有效地监测由致动器施加的力之外，系统专门为对每个增压器应用设置有预定运行图表或“图”，藉此，相对于发动机运行参数或与致动器的性能有关的参数(例如，所述致动器施加的力、所述致动器消耗的功率或所述致动器的位置，)或与喷嘴环的位置或驱动机构的任何部件有关的参数。

施加到喷嘴环19背面的废气压力以与入口通道17内的前表面相同的频率脉动，从而消除施加到致动器和相关联的机构上的脉动载荷。

在图1或图2所示喷嘴环19的微小变型中，至少一个孔口或槽可以在当致动器到达与喷嘴环19承受强较大力重合的预定位置时允许废气流动通过喷嘴环19以朝向涡轮4排出的位置处设置在一个或两个径向延伸壁26、27内。

在图3所示的实施例中，阀50设置在旁路通道30中并用于以可选择的方式将废气从入口室15引导到喷嘴环19后面的室25。在这种情况下，喷嘴环19被示出为位于涡轮机壳体5的室25中，而不是位于入口通道17的相对侧的轴承套3和罩板20内。阀50是回转型阀(rotary barrel type valve)。在这个具体的实施例中，如本领域所公知的，喷嘴环19的径向延伸壁18被多个小直径的泄漏孔口51穿孔，以确保喷嘴环19的每侧的静压力基本上相等。要理解的是，可以通过在喷嘴环19的一个或两个径向延伸壁26、27和室25的壁之间设置泄漏通道来实现相同的效果。倘若旁路通道30的横截面面积基本上大于孔口51的结合面积，那么可以将腔25中的压力控制在由蜗壳15中的压力设定的上限和由孔51处的气体通路中静压力之间。通过入口通道17的主要废气流的静压力在朝着涡轮轴线8a的方向上大致减小。具体地，叶片22之间的通路通常在此方向上收敛，使得压力急剧下降。

图4示出了本发明的布置的变型例，其中，阀40设置在从喷嘴环室25延伸的出口通道45内，而不是设置在距离入口室15的旁路通道30内。要认识的是出口通道45和阀40的设置可以用在喷嘴环19设置在轴承套3的室中而罩板20设置在涡轮机壳体5中这样的实施例中。阀40可通过杆件L或在涡轮机壳体5外易拆卸的类似部件操作。当阀40被操作以关闭出口通道45时，废气通过旁路通道30对室25增压。由于在喷嘴环另一侧的废气通过叶片加速，因此室25的静压力大致会更高，并由此净力使喷嘴环19移动出室25，从而减小入口通道17的尺寸。当阀40如图4所示打开时，旁通的废气流过室25并通过出口通道45流出到达涡轮机出口16。在入口通道内的废气施加的力的影响下，室25中的产生的压降允许喷嘴环19向右移动。这用于增加入口通道17的尺寸。阀40可以被控制，使得即使在喷嘴环19已经达到所述喷嘴环移动的极限以使入口通道17完全打开之后，阀40保持在打开状态下以用作排废门。在一些应用中，与当前使用的涡轮机尺寸相比，这会减小涡轮机尺寸。

图5的实施例示出了一种可选的阀结构，所述可选的阀结构可以被选择地操作以打开或关闭旁路通道30和出口通道45。再次示出回转阀48，但也可以使用其它类型的阀。在所示的定向上，旁路通道30和出口通道45都关闭。在第二位置中，旁路通道30与室25流体连通，使得废气用于为室25增压。在另一个位置中，旁路通道关闭，并且室25与出口通道45流体连通，使得室25可以进行排放，以及在又一个位置中，旁路通道30可以直接与出口通道45相连接，从而绕过室25并用作直接的排废门。

在图6的实施例中，第二环形活塞60通过喷嘴环19的导向杆24连接至喷嘴环19。第二环形活塞60往复地设置在活塞室61中，该活塞室在与室25轴向间隔开的位置处设置在涡轮机壳体5中，喷嘴环19容纳在所述室中。如下所述，第二活塞60用来控制喷嘴环19的位移。

如上述的实施例，图6的实施例中的喷嘴环19在室25中可移动，通过旁路通道30从涡轮机壳体的入口室15为所述室提供废气。在本实施例中，以此方式到喷嘴环19背部的废气压力的供应简单地确保由废气中的压力脉冲施加到喷嘴环的力与径向壁部18的前面和后面平衡。可以通过去除密封件28、29中的一个或通过在喷嘴环19自身的径向延伸壁内设置平衡孔(未示出)来实现相同的效果。

活塞室61通过第二活塞60被有效地分成两个室部分61a和61b，每个室都连接到各自的通道62、63，所述通道可选择地被设置成通过第二旁路通道30′与涡轮机壳体的入口室15流体连通，或与朝向涡轮机出口16的排出通道64流体连通。在所示的具体实施例中，第二活塞60采用与喷嘴环19(所述喷嘴环为第一活塞)相同的形式，具有径向延伸壁65和一对轴向间隔开的延伸壁66，所述壁中的每一个都通过密封件67与室61相应的壁密封。将要认识的是第二活塞60可以采用任何其它合适的形式，并且具体地可以包括多个不连续的活塞元件，并且所述第二活塞无需具有与喷嘴环19相同的环形区域。

在所示的具体实施例中，由诸如车辆的发动机管理单元的控制系统操作的三通电控滑阀形式的控制阀68控制流进或流出室部分61a或61b的方向。将要认识的是可以使用其它类型的阀。在图6中，所示的阀处在闭合构造中，由此没有废气经此路线从入口室15引入。当控制阀68移动到第二位置时，气体通过旁路通道30′和第一通道62被引入到室部分61a内，并且允许气体经第二通道63离开活塞相对侧的另一个室61b而到达出口通道64。在第三位置，控制阀68通过旁路通道30′和第二通道63从入口室15将气体从入口室15引导到活塞室部分61b，并且允许气体离开室部分61a而达到出口通道64。

当控制阀68位于第二位置时，室部分61a通过废气增压，而室部分61b进行排放，从而第二活塞60并由此喷嘴环19向右移动，使得涡轮机入口通道17的尺寸增加。另一方面，当控制阀处于第三位置时，室部分61a进行排放而室部分61b通过废气增压，从而第二活塞60和喷嘴环19向左移动，由此减小了涡轮机入口通道17的尺寸。在此布置中，无需连续的废气流进入室25内以移动喷嘴环19。

活塞室61还具有任选的排废门端口69，所述排废门通常被第二活塞关闭，但是当第二活塞到达一定位置并且阀68在第二位置时，所述排废门端口打开，从而允许气体进入室部分61a。在图6所示的位置中，如果活塞65进一步向右移动，排废门端口69将被密封件67的通道暴露，且废气将从旁路通道30′流动通过阀68、室部分61a并流出排废门端口69。

图6a中示出了可选的喷嘴环19的结构，其中具有单个径向延伸壁70和以活塞室中的活塞的方式容纳在室25内的单个轴向延伸壁71。此布置允许通过选择合适的暴露于径向延伸壁的每一侧的气体的表面面积而允许由废气压力脉冲施加给喷嘴环的力相等，并消除对旁路通道30的需要。

在上述所有实施例中，可以测量或估计废气歧管处或喷嘴环后面的室内的废气压力，使得可以通过控制系统在任何点处确定或预测喷嘴环的位置。可选择地，与喷嘴环或所述喷嘴环的驱动机构相关联的位置传感器可以用来向控制系统提供适当的信号。

要认识的是在不背离如独立权利要求中所限定的本发明的保护范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改或变化。例如，喷嘴环可以采取任何适当的形式。具体地，所述喷嘴环可以通过诸如弹簧的偏压部件沿特定方向偏压。

虽然在附图和前述说明书中已经图示和说明了本发明，但是本发明被认为是对特征的解释而非限制，要理解的是仅仅示出和说明了优选实施例，并且所有落入由权利要求所限定的本发明的保护范围内的修改和变形都希望得到保护。应该理解的是虽然在以上说明中使用诸如优选、优选地、优选的或更加优选的的词语来表示所述特征可能是更加期望的，但是这样的词语并不是必需的，并且没有所述词语的实施例也可以被认为是落入本发明的保护范围内，且所述保护范围由所附权利要求限定。在理解权利要求时，当使用诸如“一”、“至少一个”、“至少一部分”的词语时，其目的是把权利要求限制到仅仅一个部件，除非在权利要求中相反地予以特别声明。当使用了“至少一部分”和/或“一部分”这样的语言时，部件可以包括一部分和/或整个部件，除非特别地指出相反的含义。

Claims (24)

1.一种可变几何形状的涡轮机，包括：

涡轮，所述涡轮安装在壳体内，用于绕着涡轮机轴线旋转；

气体入口室；

在所述入口室下游和所述涡轮上游的气流入口通道，所述气流入口通道限定在能够移动的第一壁和第二壁之间；

致动器，所述致动器能够操作以控制所述第一壁的位移，从而改变所述气流入口通道的尺寸；

活塞构件，所述活塞构件与所述第一壁相关联，并且容纳在由活塞室壁限定的活塞室中，所述第一壁由于所述活塞构件在所述活塞室中的位移而能够移动；和

旁路通道，所述旁路通道限定在所述壳体中并从所述气流入口通道上游的所述涡轮机内的位置延伸到所述活塞室，在所述活塞室处，所述旁路通道穿过所述活塞室壁，使得所述旁路通道内的气体通过所述活塞室壁被引导到所述活塞室内，从而绕过所述气流入口通道，所述旁路通道被设置成使得通过所述旁路通道引入的气体对所述活塞室增压，以施加在使所述第一壁朝向所述第二壁移动的方向上推动所述活塞构件的力。

2.根据权利要求1所述的可变几何形状的涡轮机，其中，所述旁路通道从所述气体入口室延伸到所述活塞室。

3.根据权利要求1或2所述的可变几何形状的涡轮机，其中，设置控制阀以控制所述旁路通道内的气体的流动。

4.根据权利要求3所述的可变几何形状的涡轮机，其中，所述控制阀位于所述旁路通道内或邻近所述旁路通道。

5.根据权利要求3所述的可变几何形状的涡轮机，其中，所述控制阀位于所述活塞室下游的出口通道内或邻近所述活塞室下游的出口通道。

6.根据权利要求3-5中任一项所述的可变几何形状的涡轮机，其中，所述控制阀还控制排废门通道的打开和闭合。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的可变几何形状的涡轮机，其中，所述控制阀被构造成能够响应于从所述涡轮机的控制系统接收的控制信号而被操作。

8.根据前述任一项权利要求所述的可变几何形状的涡轮机，其中，所述活塞构件限定所述第一壁。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的可变几何形状的涡轮机，其中，所述活塞构件直接或间接地连接到所述第一壁。

10.根据权利要求9所述的可变几何形状的涡轮机，其中，所述活塞室被所述活塞构件分成两个室部分，所述旁路通道被选择性地连接，用于与每一个室部分流体连通。

11.根据权利要求10所述的可变几何形状的涡轮机，当从属于权利要求3-7中的任一项权利要求时，其中，选择性连接由所述控制阀提供。

12.根据权利要求11所述的可变几何形状的涡轮机，其中，每一个室部分都能够选择地连接到所述壳体内的排放部，气体能够通过所述排放部输送到大气。

13.根据权利要求12所述的可变几何形状的涡轮机，其中，所述控制阀能够在第一位置和第二位置之间操作，在所述第一位置中，所述室部分中的第一室部分与所述气体入口室流体连通，而所述室部分中的第二室部分与所述排放部流体连通，在所述第二位置中，所述室部分中的所述第一室部分与所述排放部流体连通，而所述室部分中的所述第二室部分与所述气体入口室流体连通。

14.根据前述任一项权利要求所述的可变几何形状的涡轮机，其中，所述活塞构件安装在至少一个导向构件上，所述导向构件响应于所述致动器的操作在大致平行于所述涡轮机轴线的方向上能够平移。

15.根据前述任一项权利要求所述的可变几何形状的涡轮机，其中，所述第一壁支撑叶片阵列，所述叶片朝向所述第二壁延伸。

16.一种涡轮增压器，包括前述任一项权利要求中所述的可变几何形状的涡轮机和能够由所述可变几何形状的涡轮机驱动的压缩机。

17.一种用于操作具有可变几何形状的涡轮机的涡轮增压器的方法，所述可变几何形状的涡轮机包括：涡轮，所述涡轮安装在壳体内，用于绕着涡轮机轴线旋转；和在所述涡轮上游的下游的废气流入口通道，所述废气流入口通道限定在能够移动的第一壁和第二壁之间，所述第一壁由于活塞构件在活塞室中的位移而能够移动，所述活塞构件与所述第一壁相关联，使得所述第一壁由于所述活塞构件在所述活塞室中的位移而能够移动，所述方法包括以下步骤：

将在第一流动通路中的内燃机废气通过所述废气流入口通道朝向所述涡轮机输送；以及

在第二流动通路中引导废气，所述第二流动通路绕过所述废气流入口通道，通过所述活塞室的壁并进入所述活塞室，藉此，所述废气在所述活塞构件一侧对所述活塞室增压，以推动所述第一壁朝向所述第二壁移动。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述废气通过所述第二流动通路中被引导到所述涡轮机的入口室内。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，所述第二流动通路中的废气的流动由控制装置控制。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述控制装置响应于增压器或连接到所述增压器的发动机的运行参数而被控制。

21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述控制装置响应于所述第一壁的感测位置而被控制。

22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述控制装置响应于表示由所述活塞构件的致动器施加的力、所述致动器消耗的功率或所述致动器或所述活塞构件移动的距离中的至少一个的信号而被控制。

23.根据权利要求17-22中任一项所述的方法，其中，所述第二流动通路由在所述入口室和所述活塞室之间延伸的旁路通道限定。

24.一种内燃机，所述内燃机具有空气入口流动通路、废气出口流动通路和涡轮增压器，所述涡轮增压器包括在所述空气入口流动通路中的压缩机和在所述废气出口流动通路中的可变几何形状的涡轮机，所述可变几何形状的涡轮机包括：

涡轮，所述涡轮安装在壳体内，用于绕着涡轮机轴线旋转；

入口室；

在所述入口室下游和所述涡轮上游的气流入口通道，所述气流入口通道限定在能够移动的第一壁和第二壁之间；

致动器，所述致动器能够操作以控制所述第一壁的位移，从而改变所述气流入口通道的尺寸；

气流控制机构，所述气流控制机构包括活塞构件，所述活塞构件容纳在由所述壳体内的活塞室壁限定的活塞室中，所述第一壁由于所述活塞构件在所述活塞室中的位移而能够移动；和

旁路通道，所述旁路通道限定在所述壳体中并从所述入口通道上游的涡轮机内的位置延伸到所述活塞室，在所述活塞室处，所述旁路通道穿过所述活塞室壁，使得所述旁路通道内的气体通过所述活塞室壁被引导到所述活塞室内，从而绕过所述入口通道，所述旁路通道被设置成使得通过所述旁路通道引入的废气对所述活塞室增压，以施加在使所述第一壁朝向所述第二壁移动的方向上推动所述活塞构件的力。

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