CN102171419B - 可变几何涡轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变几何涡轮，其包括：外壳；涡轮叶轮，支撑在所述外壳中，用于围绕涡轮轴旋转；环形入口通道，位于所述涡轮叶轮上游的所述外壳中，并且限定在第一和第二壁部件的各个径向入口表面之间；出口通道，位于所述涡轮叶轮下游的所述外壳中；叶片阵列，延伸穿过入口通道，所述叶片连接至所述第一壁部件；所述第一和第二壁部件的至少之一可沿着涡轮轴移动，以改变入口通道的尺寸，和/或至少一个所述叶片围绕基本上平行于所述涡轮轴的轴可旋转移动，以改变入口通道的尺寸；其中在所述外壳的一定位置提供至少一个微粒过滤器，从而在使用期间，所述微粒过滤器可以与流过所述涡轮的微粒物质接触。

Description

可变几何涡轮

技术领域

本发明涉及一种可变几何涡轮，诸如可变几何涡轮增压器，并且尤其但不排除地，涉及一种可用于柴油发电机内燃机的可变几何涡轮。本发明还涉及一种用于可变几何涡轮中的喷嘴环。

背景技术

涡轮增压器是用于以高于大气压的压力(增压压力)将空气提供至内燃机的入口的熟知设备。常规涡轮增压器主要包括外壳，其中提供有废气驱动涡轮机叶轮，其安装在连接至发动机排气支管下游的可旋转轴杆上。旋转涡轮机叶轮旋转了安装在轴杆另一端上的压缩机叶轮。压缩机叶轮将压缩空气递送至发动机排气支管。涡轮增压器轴杆通常由经向止推轴承支撑，包括合适的润滑系统。

在已知涡轮增压器中，涡轮机级包括涡轮汽缸，涡轮叶轮安装于其中；限定在围绕涡轮汽缸设置的双面径向壁之间的环形入口通道；围绕入口通道设置的入口；以及从涡轮汽缸延伸的出口通道。通道和汽缸相通，从而注入入口汽缸的包括气体和微粒物质的加压废气排放经由涡轮流过入口通道流至出口通道，并且使得涡轮叶轮旋转。同样已知的是，通过在入口通道中提供称为喷管叶片的叶片而改进涡轮性能，从而使得气流偏转流过入口通道朝向涡轮叶轮的旋转方向。

涡轮可以是固定或可变几何型的。可变几何涡轮与固定几何涡轮不同之处在于，可以改变入口通道的尺寸以在质量流量比上最优化气流速率，从而可以改变涡轮的功率输出，以适应变动的发动机需求。例如，当将递送至涡轮的废气量非常低，通过减少环形入口通道的尺寸而将到达涡轮叶轮的气流速度维持在确保有效涡轮工作的水平。装配有可变几何涡轮的涡轮增压器称为可变几何涡轮增压器。

在一种已知类型的可变几何涡轮中，将轴向延伸的叶片阵列连接至环形入口通道的一个壁，以使得延伸穿过入口通道。承载叶片的壁与入口通道的双面壁之间的分隔是固定的。在该类型涡轮中，通常称为“摇摆叶片”涡轮，通过改变叶片相对于通过涡轮入口的气流方向的角度控制入口通道的尺寸。

在另一种已知类型的可变几何涡轮中，轴向可移动壁部件，通常称为“喷嘴环”，限定了入口通道的一个壁。喷嘴环相对于入口通道的双面壁的位置可调整以控制入口通道的轴向宽度。因而，例如，随着通过涡轮的气流减少，入口通道宽度可以减少以维持气流速度和最优化涡轮输出。

喷嘴环可以装配有叶片，其延伸进入入口并且穿过提供在限定入口通道的双面壁的“壳体”(shroud)上以适应喷嘴环的移动的。作为选择地，叶片可以从固定的双面壁延伸，并且穿过提供在喷嘴环中的槽。

通常，喷嘴环可以包括经向延伸壁(限定入口通道的一个壁)以及经向内部和外部轴向延伸壁或凸缘，其延伸进入喷嘴环径向面之后的环形腔内。腔形成为涡轮增压器外壳的一部分，并且适应喷嘴环的轴向移动。凸缘可以相对于腔壁密封，以减少或防止喷嘴环背部周围的泄漏流。在一个常规设置中，喷嘴环支撑在平行于涡轮叶轮旋转轴的杆上，并且由激励器移动，其轴向移动杆。其他设置也是已知的。

喷嘴环激励器可以采取各种形式，包括汽动、液压和电动，并且可以以各种方式连接至喷嘴环。激励器将在发动机控制单元(ECU)的控制下通常调整喷嘴环的位置，以便于更改流过涡轮的气流以符合性能需求。

这种通用类型的可变几何涡轮增压器的一个实例公开在EP0654587中。其公开了如上所述的喷嘴环，其附加地配置有压力平衡孔穴，穿过其径向壁。压力平衡孔穴确保喷嘴环腔中的压力基本上等于、但常常略少于由通过入口通道的气流施加至喷嘴环表面的压力。这确保在喷嘴环上仅有小的单向力，其有助于精确地调整喷嘴环位置，尤其当移动喷嘴环靠近入口的相对壁，以减少入口通道朝向其最小宽度。

除了在发动机点火模式(其中向发动机提供燃料用于燃烧)对可变几何涡轮增压器的常规控制以最优化气流，同样已知的是利用该设备以最小化涡轮增压器入口面积，以在发动机制动状态中提供发动机制动功能(其中未提供燃料用于燃烧)，其中减少入口通道至比在通常点火模式工作范围中更小的面积。

各种形式的发动机制动系统可以广泛地安装至机动车发动机系统，尤其安装至用于对诸如卡车的大型机动车供电的压缩点火发动机(柴油机)。可以采用发动机制动系统，以增强作用在机动车轮上的常规摩擦制动效果，或者在一些情况下，可以独立于常规轮制动系统而使用，例如控制机动车的下坡速度。至于一些发动机制动系统，设置制动器以在发动机流阀门闭合时(即当驾驶员从节流阀踏板上抬起脚时)自动启动，但是在其他情况下，发动机制动器可以需要驾驶员的手动启动，诸如压下分离的节流阀踏板。

至于可变几何涡轮，当需要制动时，可以将涡轮入口通道“闭合”至最小流动面积。通过正确地控制喷嘴环的轴向位置而控制入口通道尺寸，可以调节制动水平。在发动机制动模式中的“全闭合”位置，在一些情况下，喷嘴环邻接入口通道的双面壁。在已知为减压制动系统的一些排气制动系统，控制汽缸内减压阀设置以从发动机气缸中释放加压空气至排气系统，以释放压缩处理做的功。在这种系统中，涡轮入口的闭合增加了反压力，并且提供了升压压力，以最大化压缩工作。

重要的是在发动机制动期间允许一些废气气流流过发动机，以便于防止发动机汽缸中产生过多的热量。因而，当在发动机制动模式中喷嘴环处于完全闭合位置时，必须提供至少最小泄漏气流通过涡轮。此外，即使以小入口宽度，现代可变涡轮增压器的高效率也可以产生高升压压力，从而使用发动机制动模式可能是成问题的，因为汽缸压力可能接近或超出可接收的极限，除非采取对策(或者牺牲制动效率)。这可能是与包括减压制动设置的发动机制动器系统相关的特定问题。

在EP1435434中公开了可变几何涡轮增压器的一个实例，其包括措施以防止当工作在发动机制动模式时在发动机汽缸中产生过大压力。其公开了配备有旁路孔穴的喷嘴环设置，其提供了旁路通道，当喷嘴环接近闭合位置时旁路通道打开，以允许一些废气从涡轮入口室通过喷嘴环流至涡轮叶轮，由此绕过入口通道。旁路气流做功小于通过入口通道的气流，从而随着旁路通道打开，涡轮效率下降，防止在发动机汽缸中产生过大压力。此外，可以提供旁路气流，或者可以提供所需的最小气流，以避免在发动机制动期间产生过多热量。

同样已知的是，在发动机点火模式中操作可变几何涡轮增压器，以使得将入口通道闭合至小于适于正常发动机工作状态的最小宽度的极小宽度，以便于控制废气温度。以这种“废气加热模式”工作的基本原理是对于给定燃料提供级别减少通过发动机的气流量(同时维持燃烧所需的足够气流)，以便于增加废气温度。这尤其可应用于存在废气催化后处理系统的应用中。

废气催化后处理系统的性能与通过其中的废气温度直接相关。对于所需性能，在所有发动机工作条件和环境条件下，废气温度必须高于阈值温度(通常在约250℃至370℃的范围内)。后处理系统在阈值温度范围下的工作将使得后处理系统形成对微粒物质的不合需要的累积，尤其含碳微粒物质(碳元素和其他基于有机碳的物质通常称为“烟灰”)，其很可能在还原循环中燃烧以允许后处理系统回到其设计性能级别。此外，后处理系统在阈值温度下延长工作而不进行还原，将使得后处理系统失效，并且使得发动机不符合政府废气排放政策。

在一些情况下，诸如轻负载条件和/或冷环境温度条件，废气温度将低于与之温度。在这种情况下，涡轮增压器原则上可以工作在废气加热模式中，以减少涡轮入口通道宽度，旨在限制气流，由此减少气流冷却效应并且提高废气温度。

废气催化后处理系统的还原的又一选择是将燃料直接注入废气流中。然而，其显然的缺点是增加了燃料消耗，并且由此降低了发动机的燃料效率。

在美国公开专利申请号No.US2005/060999A1中处理了可变几何涡轮增压器的废气加热模式工作的上述问题。其教导在废气加热模式中使用EP1435434(上文已提及)的涡轮增压器喷嘴环配置。设置旁路气路的入口通道打开宽度，小于适于正常点火模式工作条件的宽度，但是适于在废气加热模式下工作。正如在制动模式中，旁路气流降低涡轮效率，因而避免高升压压力，其还可能阻碍加热效果。除了旁路通路之外，可以提供压力平衡孔穴(正如上述的EP0654587中所教导的)以在废气加热模式中帮助控制喷嘴环位置。

同样可能困难的是确保当喷嘴环处于完全闭合位置时始终有最佳最小气流通过涡轮。

已经观察到的是，由通过涡轮的废气排放气流产生的微粒物质、诸如烟灰可能逐渐沉积在外壳各处的各种位置，而涡轮、涡轮轴和相关的轴承以及压缩机叶轮定位在其中。随着时间过去，微粒沉积可能形成至不期待的高水平，并且影响涡轮的性能和效率。如上所述，许多可变几何涡轮包括结构以在喷嘴环处于例如在EP1435434中所教导的闭合位置时促进旁路气流围绕涡轮入口通道。而且，包括可移动环形壁部件的涡轮可以装配有如EP0654587中所述的压力平衡孔。另外，在某些涡轮设计中压力平衡孔与旁路通道结构结合，例如EP1435434中所描述的。虽然提供旁路气流通道和压力平衡孔可以在许多不同的工作情况下提高可变几何涡轮的性能，但是提供这种结构将会让涡轮部件，诸如喷嘴环激励器杆、衬套、密封环和喷嘴环腔，暴露在涡轮入口通道外侧以进行废气排放，这可以导致微粒物质在这些部件上的积聚。沉积物在这些部件上的积聚将可能导致喷嘴环的可获得冲程中的粘性和/或减少。

发明内容

本发明的一个目的是避免或减轻上述的一个或多个问题。

根据本发明第一方面，提供了一种可变几何涡轮，包括：

外壳；

涡轮叶轮，支撑在所述外壳中，用于围绕涡轮轴旋转；

环形入口通道，位于所述涡轮叶轮上游的所述外壳中，并且限定在第一和第二壁部件的各个径向入口表面之间；

出口通道，位于所述涡轮叶轮下游的所述外壳中；

叶片阵列，延伸穿过入口通道，所述叶片连接至所述第一壁部件；

所述第一和第二壁部件的至少之一可沿着涡轮轴移动，以改变入口通道的尺寸，和/或至少一个所述叶片围绕基本上平行于所述涡轮轴的轴可旋转移动，以改变入口通道的尺寸；

其中在所述外壳的一个位置提供至少一个微粒过滤器，从而在使用期间，所述微粒过滤器可以与流过所述涡轮的微粒物质接触。

通过在涡轮和相关部件接收于其中的外壳内提供至少一个微粒过滤器(即，一种部件或材料，其从喷射气流中过滤微粒物质，并且将所述微粒物质转换成其他形式，例如流体，诸如气体，比如二氧化碳和水蒸汽，其与原始微粒物质相比的话比较不可能积聚至不期待的高水平)，解决了与沉积在涡轮和涡轮增压器外壳中的积聚相关的上述问题。应当意识到，提供本发明的微粒过滤器作为典型可变几何涡轮中可见的基本部件的附加部件，所述基本部件诸如涡轮外壳的元件、涡轮叶轮或轴、或者改变涡轮几何所需的激励器。未预想这种部件或部件的组合包括在本发明的“微粒过滤器”中。作为示例，虽然可以预计典型涡轮的一些特征，例如可移除壁部件之后的腔，可能在使用涡轮期间非故意地截留少量微粒物质流，其可能随着工作温度超过氧化已截留微粒所需的阈值温度而燃烧，但是本发明的“微粒过滤器”不应理解为包括涡轮的常规部件，其可能以偶然的方式非故意或意外地行使功能。

微粒过滤器，诸如柴油机微粒过滤器(DPF)材料块，俘获夹带在流过外壳的废气排放流中的微粒物质，并且随后促进将微粒物质氧化成较无害的流体(例如气体)形式，诸如二氧化碳和水。对能够这样行使功能的过滤器的影响因素是该过滤器或每个过滤器保持至少一些已俘获的微粒物质远离涡轮外壳的较冷却表面，并且更靠近通过过滤器的较温热废气排放流。这不仅增加了已俘获微粒物质的平均温度，而且可能更重要地是在涡轮工作期间将微粒物质暴露至更高的峰值温度，从而微粒物质至少周期性地暴露至的温度高于将其转换成较无害的物质、诸如二氧化碳和水蒸汽而所需的阈值温度。在一些应用中，在使用期间，接触微粒过滤器的废气排放流通常将处于足够高的温度，以允许将微粒物质转换成一种或多种流体。在该情况下，微粒过滤器将持续地将微粒物质转换成流体，其随后可以更容易地从外壳流出，由此避免了与涡轮中微粒沉积物的积聚相关的问题。

还将意识到，与常规的涡轮增压器发动机的排气系统相比，将微粒过滤器定位在废气排放流通路的更上游(即，更靠近发动机)，可能减少或者甚至完全避免了对位于更下游的常规柴油机微粒过滤器的需求。如上所述，常规柴油机微粒过滤器通常需要周期性地还原(regeneration)，以确保良好地长期工作。在更上游提供微粒过滤器，即废气排放温度通常更高之处，因而可能还移除或至少减少了当前所需的下游过滤器还原处理的频率，这可能减少采用周期性将燃料诸如废气系统中以燃烧微粒沉积物的系统中的发动机燃料消耗。

根据本发明第二方面，提供了一种用于可变几何涡轮的喷嘴环，所述喷嘴环包括：

径向壁，限定第一径向表面和第二相对的径向表面，叶片阵列从所述第一径向表面延伸；

径向内部和外部轴向延伸凸缘，其与第二径向表面一起在第一径向表面后限定了环形空间；

其中在所述环形空间中提供了微粒过滤器。

将意识到，在喷嘴环后的环形空间中的微粒过滤器允许例如，经由喷嘴环的径向壁中的平衡孔和/或喷嘴环的轴向凸缘中的径向气流通路孔穴，而进入空间的任何微粒物质，转换成其他形式，其随后可以比原始微粒物质更易于从喷嘴环后通过，因而减少或避免这种微粒物质在喷嘴环之后积聚至不期待的高水平的可能性。还将意识到的是，根据本发明第二方面的喷嘴环可以是“摇摆叶片”型或者如上更详细所述的轴向可移动类型。

本发明第三方面提供了包括根据本发明第二方面的喷嘴环的可变几何涡轮。

本发明第四方面提供了包括根据本发明第一或第二方面的可变几何涡轮的涡轮增压器。

参考本发明第一方面，至少一个微粒过滤器可以连接至第一或第二壁部件。优选地，微粒过滤器连接至第一壁部件。第一壁部件可以限定与所述径向入口表面相对的又一径向表面。朝向并且至少局部限定涡轮的环形径向入口通道的径向表面，可以认为是前表面，在该情况下可以认为相对的又一径向表面是后表面。虽然通过入口通道的废气排放流首先接触第一壁部件的前表面，但是承载微粒物质的废气排放流还可以经由大量不同气流通路、例如经由平衡孔而通过第一壁部件后部，其中这种微粒物质可能积聚和破坏第一壁部件的工作。因而优选地是，所述至少一个微粒过滤器连接至所述又一径向表面。

在一个优选实施例中，第一壁部件包括至少一个轴向延伸的凸缘，其向后延伸，远离所述入口通道，并且朝向所述外壳，所述至少一个凸缘限定了位于第一壁部件之后的空间，其中提供了所述至少一个微粒过滤器。优选地是，第一壁部件限定了径向向外轴向延伸凸缘和径向向内轴向延伸凸缘，其优选向后延伸类似轴向距离。该微粒过滤器或每个微粒过滤器的尺寸可以适于占据第一壁部件的径向壁之后的空间中可获容积的任意所需比例，所述空间由径向壁和第一壁部件的轴向延伸凸缘所限定。优选地是，至少一个微粒过滤器的尺寸适于占据所述空间的容积的至少约10％。尤其优选地是，微粒过滤器占据了空间的重要比例，以最大化微粒过滤器的工作有效性，例如它们可以占据至少约50％，更优选至少约75％，而且更优选的至少约所述空间容积的90％。最优选地是，微粒过滤器占据了基本上第一壁部件径向壁之后的可获得空间的基本上所有容积。

在本发明第一方面的又一优选实施例中，第一壁部件可沿着涡轮轴移动，以改变入口通道的尺寸，而所述第一壁部件限定了至少一个轴向延伸凸缘，其延伸进入由第一壁部件的径向入口表面之后的外壳所限定的腔中，所述至少一个微粒过滤器提供在所述腔中。在该实施例中，至少一个微粒过滤器尺寸可以适于在所述腔中接收所述第一壁部件之后所剩的所述腔内可获得的空间容积的至少约10％。更优选的是，所述至少一个微粒过滤器尺寸可以适于占据容积的至少约50％，更优选地是，容积的至少约75％，而最优选地是，在所述腔中接收所述第一壁部件之后所剩的所述腔内可获得的空间容积的至少约90％。尤其优选地是，微粒过滤器占据基本上所述腔中可获得的整个空间容积。腔优选由外壳的一个或多个表面限定，并且所述至少一个微粒过滤器可以连接至所述表面中至少之一。

所述至少一个轴向延伸凸缘可以限定一个或多个径向延伸孔穴，以限定用于废气排放的径向气流通路，以在使用期间在第一壁部件的径向入口表面后流动，即通过第一壁部件和外壳之间的空间。所述至少一个微粒过滤器可以限定一个或多个第一开口，其设置以径向地位于所述一个或多个径向延伸孔穴之上，从而所述径向气流通路延伸穿过所述第一开口。第一开口因而提供了一种方法，借助于其废气排放可以基本上不受干扰地流入微粒过滤器中。一个或多个第一开口可以与至少一个微粒过滤器所限定的一个或多个第一通道流体相通，从而所述径向气流通道沿着所述第一通道延伸。所述第一或多个第一通道可以延伸通过所述至少一个微粒过滤器，从而所述径向气流通路延伸穿过所述至少一个微粒过滤器，由此有助于将废气排放更均匀地分布至微粒过滤器的结构各处，并且提高了转换处理的效率。

所述至少一个微粒过滤器可以径向地位于所述一个或多个径向延伸孔穴之上，从而所述至少一个微粒过滤器设置在所述径向气流通路中。这样，通过径向延伸孔穴的废气排放流将立即接触微粒过滤器的外表面。

作为将微粒过滤器连接至第一壁部件的径向壁的附加或作为选择，所述至少一个微粒过滤器可以连接至所述至少一个轴向延伸凸缘。在提供径向内外凸缘之处，微粒过滤器可以连接至这些凸缘中任一或两者。

作为附加地或作为选择地，所述第一壁部件的径向入口表面可以限定一个或多个轴向延伸孔穴，其限定了用于废气排放流的轴向气流通路，以在使用期间流过第一壁部件。该至少一个微粒过滤器可以限定一个或多个第二开口，其设置在轴向位于所述一个或多个轴向延伸孔穴之上，从而所述轴向气流通路延伸通过所述第二开口。所述一个或多个第二开口可以与由至少一个微粒过滤器所限定的一个或多个第二通道流体相通，从而所述轴向气流通路沿着所述通道延伸。所述一个或多个第二通道可以延伸通过所述至少一个微粒过滤器，从而所述轴向气流通路延伸通过所述至少一个微粒过滤器。所述至少一个微粒过滤器可以提供在所述一个或多个轴向延伸孔穴之后，从而所述至少一个微粒过滤器设置在所述轴向气流通路中。

如上所述，至少一个微粒过滤器可以固定至第一和第二壁部件中之一，所述第一和第二壁部件限定了涡轮入口通道，例如支撑多个轴向叶片的可移动壁部件，通常称为喷嘴环，或者在使用期间可移动壁部件接收于其中的轴向腔表面。作为附加或作为选择的是，至少一个微粒过滤器可以连接至外壳的一部分，其在涡轮的入口通道的上游，例如连接至涡轮入口通道的入口凸缘。而且，至少一个微粒过滤器可以连接至外壳的一部分，其至少局部地限定涡轮的出口通道，诸如连接至涡轮的出口通道的出口凸缘。而且，该至少一个微粒过滤器可以提供靠近位于喷嘴环的轴向延伸凸缘的之一、更优选两者和外壳的各个径向覆盖表面的之间的密封部件，诸如密封环。优选地，该过滤器和每个过滤器轴向地邻接其各个密封部件。每个密封部件和过滤器对可以被接收在由外壳限定的环形槽中。每个密封部件可以完全维持在所述环形凹槽中，或者可以径向向内延伸超出凹槽，进入各个凸缘和外壳的覆盖表面之间的空间中。在一个优选实施例中，所述过滤器延伸穿过空间的整个径向宽度，以使得接触其各个凸缘。

如上所定义的，本发明的第二方面提供了用于可变几何涡轮的喷嘴环，其中在喷嘴环的径向表面后限定的环形空间中提供了至少一个微粒过滤器。微粒过滤器可以连接至所述第二径向表面，所述径向内部轴向延伸凸缘和/或所述径向外部轴向延伸凸缘。

关于本发明第二方面，每个所述轴向延伸凸缘可以限定一个或多个径向延伸孔穴，且被配置使得在使用中所述径向延伸孔穴限定了废气排放的径向气流通道，以流至第一径向表面之后。所述至少一个微粒过滤器可以限定一个或多个第一开口，其设置以径向地覆盖所述一个或多个径向延伸孔穴，从而所述径向气流通路延伸穿过所述第一开口。所述一个或多个第一开口可以与由至少一个微粒过滤器所限定的一个或多个第一通道流体相通，从而所述径向流体通道沿着所述第一通道延伸。所述一个或多个第一通道可以延伸通过所述至少一个微粒过滤器，从而所述径向气流通道延伸穿过所述至少一个微粒过滤器。

所述至少一个微粒过滤器可以径向地覆盖所述一个或多个径向延伸孔穴，从而所述至少一个微粒过滤器设置在所述径向气流通路中。

作为附加或作为选择地，本发明第二方面的喷嘴环的径向壁可以限定一个或多个轴向延伸孔穴，其配置以使得在使用中所述轴向延伸孔穴限定了用于废气排放的轴向气流通路，以流动通过径向壁。所述至少一个微粒过滤器可以限定一个或多个第二开口，其设置以轴向地覆盖所述一个或多个轴向延伸孔穴，从而所述轴向气流通路延伸通过所述第二开口。所述一个或多个第二开口可以与由至少一个微粒过滤器限定的一个或多个第二通道流体相通，从而所述轴向气流通路沿着所述通道延伸。所述一个或多个第二通道可以延伸通过所述至少一个微粒过滤器，从而所述轴向气流通路延伸通过所述至少一个微粒过滤器。所述至少一个微粒过滤器可以提供在所述一个或多个轴向延伸孔穴之后，从而所述至少一个微粒过滤器设置在所述轴向气流通路中。

在本发明又一优选实施例中，至少一个微粒过滤器可以提供靠近位于喷嘴环的轴向延伸凸缘的之一、更优选两者和外壳的各个径向覆盖表面的之间的密封部件，诸如密封环。优选地，该过滤器和每个过滤器轴向地邻接其各个密封部件。每个密封部件和过滤器对可以接收在由外壳限定的环形槽中。每个密封部件可以完全维持在所述环形凹槽中，或者可以径向向内延伸超出凹槽，进入各个凸缘和外壳的覆盖表面之间的空间中。在一个优选实施例中，所述过滤器延伸穿过空间的整个径向宽度，以使得接触其各个凸缘。

可以采用任何合适的装置，用于将微粒过滤器连接至第一壁部件(例如，第二方面的喷嘴环)或其中接收涡轮的外壳。作为实例，可以使用提供在第一部件、外壳表面和/或微粒过滤器上的紧固件(例如螺钉、铆钉、标桩等)、维持部件(例如架子，诸如簧环、金属板等)和/或表面形成(例如，一个或多个突起或凹陷，诸如一系列肋条)，可以将所述至少一个所述至少一个微粒过滤器固定至所述第一壁部件和/或外壳，以提供这些部件之间的摩擦配合。采取一个或多个夹板形式的维持部件可以用于将过滤器保持在合适的位置。将意识到，该夹板或每个夹板可以具有与其所覆盖的过滤器类似的面积，并且因而基本上覆盖过滤器的整个后表面，或者该夹板或每个夹板可以具有较小的面积，而因此仅覆盖过滤器的后表面的一部分。相反地，可以使用单一夹板或压圈，其覆盖并且维持两个或多个过滤器。

用于将微粒过滤器固定至第一壁部件的典型方法包括使用一个或多个双头紧固件(例如铆钉)，其定位在微粒过滤器材料中的孔穴中，其中紧固件的一头覆盖和邻接过滤器材料的后表面(即朝向涡轮外壳的表面)，而紧固件的另一头覆盖和邻接第一壁部件的前表面(即，朝向涡轮的环形径向入口通道内部并且局部限定其的表面)。

第一壁部件的后表面可以提供有一个或多个螺栓突起部，用于接收螺栓，其被驱动从过滤器材料的后表面通过过滤器材料或者通过过滤器材料中的预形成孔穴。通常，常规垫圈接收在每个螺栓的头部和过滤器材料的后表面之间。

另一典型方法采用向后突出的突起部、销等，其连接至第一壁部件的后表面，并且突起朝向涡轮外壳。该突出部或每个突出部由位于每个突出部的最后端上的过滤材料和维持环(例如，止动环)、指形螺母等所限定的互补孔穴所接收，以使得覆盖和邻接过滤材料的后表面。在另一实例中，可以使用类似设置，但是维持环或指形螺母替换为一个或多个倒钩等，其从其各个突出部分向外径向延伸。在该实例中，假设过滤材料足够柔软，可以将过滤器材料压在该突出部分或每个突出部分及其相关倒钩上以使得将过滤材料定位在限定于倒钩和第一壁部件的后表面之间的空隙中。

在又一典型实施例中，可以使用从第一壁部件的轴向延伸凸缘径向向内延伸的突出部分，以将过滤器抵靠第一壁部件的后表面而保持在合适的位置。突出部分可以采取任意合适的尺寸和形状，只要它们不妨碍将过滤器插入突出部分和第一壁部件的后表面之间的间隙中，并且足够大和/或适于成形以一旦处于合适的位置就将过滤器固定在合适的位置。也就是说，将意识到，可能需要诸如铆钉、螺钉、维持环、铜焊等的固定手段，作为前述径向朝向内的突出部分的附加，以确保在涡轮工作期间将过滤器牢固地维持在合适的位置。

突出部分可以采取舌片、指针、珠等形式，其从第一壁部件的内外轴向延伸凸缘之一或两者径向向内突出。突出部分还可以由接收在第一壁部件的外部和/或内部凸缘的内表面所限定的环形槽中的一个或多个维持环所限定。一个或多个附加支撑部件可以定位在维持环和过滤器之间，以确保将过滤器固定在合适的位置。支撑部件可以采取任何合适的形式，但是作为实例，可以组成U-形横截面环形环，其尺寸适于接收在限定于第一壁部件的内外凸缘之间的径向间隙中。U-形部件的中间部分可以覆盖和邻接过滤器的后表面，而中间部分任一侧的直立部分可以向后延伸，近似平行于第一壁部件的凸缘，而它们的尖端你和维持环。

确保过滤器牢固地固定在合适的位置的另一方法是在第一壁部件和过滤器之间的界面提供铜焊。这可以通过向第一壁部件的后表面、内部凸缘的外部凸缘中之一或多个提供铜焊并且随后将过滤器定位在合适的位置而实现。还可以将铜焊珠施加于与第一壁部件的后表面向后间隔的内部和/或外部凸缘，以使得一旦过滤器定位在合适的位置时定位靠近过滤器后表面附近。还可以使用铜焊以将维持环连接至过滤器，其后可以将施加有环的过滤器压配合至合适的位置，抵靠第一壁部件的后表面。不使用维持环，而是将该过滤器或每个过滤器的尺寸简单地形成为稍大于其将接收于其中的间隙，随后将过滤器压迫和压配合在间隙中，从而通过第一壁部件施加在过滤器上的压力将其固定在合适的位置。

用于将过滤器固定至第一壁部件的前述方法可以由下列方法替换或补充，其适于使用具有外围压力平衡孔的第一壁部件，所述孔延伸穿过第一壁部件的径向延伸壁(其与内外凸缘相交)。在这种情况下，可以从一个或多个平衡孔中拖动过滤器材料，以使得形成摩擦配合，并且随后任选地使用其他紧固件将过滤器固定在合适的位置。穿过平衡孔的过滤材料可以通过孔拖动足够远，以使得延伸超过第一壁部件的前表面，随后将过滤器材料的已经暴露部分平坦地抵靠第一壁部件的前表面。已暴露的部分还可以提供有预先形成的倒钩等，从而在插入通过平衡孔之后，倒钩覆盖和邻接第一壁部件的前表面，并且由此维持过倒钩连接至其上的滤器材料的其余部分抵靠第一壁部件的后表面。作为附加或作为选择地，可以以栓塞形式的过滤器材料提供过滤器，其尺寸使得可插入第一壁部件中的平衡孔中，并且由摩擦和/铜焊等维持在合适的位置。

该微粒过滤器或每个微粒过滤器可以提供为各种所需尺寸和/或形状，以适于微粒的应用，正如从本发明的各个优选实施例的下列描述中是显然的。在提供多个微粒过滤器之处，每个过滤器可以由相同材料制成，并且具有相同的尺寸和形状，或者每个过滤器可以具有不同的材料和/或物理形式。

所述至少一个微粒过滤器可以包括高表面积材料。优选地，所述高表面积材料具有至少约200mm²/g的表面积，更优选至少约500mm²/g，而最优选的具有约300至1000mm²/g的表面积。在一些应用中，可能有利的是采用具有甚至更大表面积的过滤器，诸如高达约1500至2000mm²/g。该高表面积材料可能具有的表面积足够高，以有助于沉积在所述高表面积材料上的微粒物质的空气氧化，需要或无需在过滤器中提供催化剂。高表面积材料的表面积足够高，以有助于微粒物质在至少约200℃的温度的空气氧化，或者有助于微粒物质在至少约250℃至400℃的温度的空气氧化。

所述至少一个微粒过滤器可以包括金属材料和/或陶瓷材料。合适的金属材料包括铁基或镍基合金，分别诸如不锈钢和哈氏合金。合适的陶瓷材料包括镁基陶瓷材料，诸如堇青石状材料。

所述至少一个微粒过滤器包括催化剂材料，适于催化将微粒物质转换成包括一种或多种流体的一种或多种不同形式。

催化剂材料可以作为附加地包括适于将穿过外壳并且接触催化剂的非微粒物质(例如，流体，包括发动机废气，诸如一氧化碳(CO)和氮氧化合物(NO_x)，其中x是整数，例如，x＝1或2)和液体)转换成其他较符合要求的形式(例如，二氧化碳(CO₂)、水(H₂O)、氮气(N₂)和氧气(O₂))。作为实例，催化剂材料可以包括当前在常规催化转化器中所采用类型的催化剂，诸如过渡金属元素(例如，铂族金属)，具有或不具有施加在支撑催化剂的材料上的载体涂料(washcoat)，例如二氧化硅和/或氧化铝。催化剂材料可以包括一种或多种碱金属(例如，钾、铯等)、碱土金属(例如，镁、锶等)、过渡金属、镧系元素或锕系元素(例如，铁、钴、铈等)或合成物(例如氧化物、硝酸盐等)或其组合。例如，催化剂材料可以包括从下列组中选择的多种合成物或合金的一种，该组包括MgO、CeO₂、Co₃O₄、Sr(NO₃)₂、Co-Sr、Co-Sr-k、Co-KNO₃-ZrO₂、K₂Ti₂O₅、Co-ZrO₂等。

该至少一个微粒过滤器可以包括含碳微粒过滤器，即能够更容易地将碳基微粒物质转换成可以流出涡轮之外的其他形式的部件或材料并且由此减少了不期待的烟灰沉积发展的可能性。作为实例，含碳微粒过滤器可以包括催化剂，适于催化将含碳材料转换成其他二氧化碳和水。尤其合适的一种微粒过滤器包括柴油机微粒过滤器(DPF)催化剂材料。

优选地，所述至少一个微粒过滤器配置以支持已捕获的微粒物质远离外壳的相邻表面。作为附加或作为选择地，优选的是所述至少一个微粒过滤器配置以支撑已捕获的微粒物质在使用期间流过涡轮的其他微粒物质中或临近该其他微粒物质。这样，该过滤器或每个过滤器可以保持已捕获的微粒物质远离涡轮外壳的较冷表面，否则微粒物质将积聚在涡轮外壳的较冷表面上，和/或更靠近流动通过过滤器的较温热废气排放流。结果，可以将已捕获的微粒物质维持在较高的平均温度，并且可以经受更高的峰值工作温度，从而已捕获的微粒可以周期性地或者持续地氧化成二氧化碳和水蒸气。

本发明的又一方面提供了一种可变几何涡轮，其包括：外壳；涡轮叶轮，其支撑在所述涡轮外壳中用于围绕涡轮轴旋转；环形入口通道，位于所述涡轮叶轮上游的所述外壳中，并且限定在第一和第二壁部件的各个径向入口表面之间；出口通道，位于所述涡轮叶轮下游的所述外壳中；叶片阵列，延伸穿过入口通道，所述叶片连接至所述第一壁部件；所述第一和第二壁部件中至少之一可沿着涡轮轴移动，以改变入口通道的尺寸和/或至少一个所述叶片可围绕基本上平行于所述涡轮轴的轴旋转可移动，以改变入口通道的尺寸；其中在所述外壳中一定位置提供至少一种催化剂，从而所述催化剂可以在使用期间接触流过所述涡轮的废气排放流。

在本发明的这一方面，可以采用任意所需类型的催化剂，包括但不局限于上述类型的催化剂，其催化将微粒物质(例如烟灰)转换(例如氧化)成其他形式(例如气态二氧化碳和水)，其涡轮的常规工作状况下，与微粒物质相比，可以更容易地通过和离开外壳。催化剂可以适于将非微粒物质(例如CO_(g)和/或NOx_(g))转换成其他形式(例如CO₂、H₂O、N₂和O₂)。催化剂可以包括当前在常规催化转化器中所采用类型的材料，诸如铂组金属，具有或不具有施加在支撑催化剂的材料上的载体涂料，例如二氧化硅和/或氧化铝。催化剂材料可以包括一种或多种碱金属、碱土金属、过渡金属、镧系元素或锕系元素或合成物或其组合。

附图说明

根据下文描述，本发明的其他优点和优选特征将变得显然。

现在将参考随附附图，仅作为实例，而描述本发明的特定实施例，其中：

图1是穿过已知可变几何涡轮增压器的轴向横截面；

图2是通过用于根据本发明的可变几何涡轮增压器中的根据本发明一方面的喷嘴环的上部部分的轴向横截面；

图3是通过用于根据本发明的可变几何涡轮增压器中的根据本发明一方面的喷嘴环的备选实施例的上部部分的轴向横截面视图；

图4是通过用于根据本发明的可变几何涡轮增压器中的根据本发明一方面的喷嘴环的又一备选实施例的上部部分的轴向横截面视图；

图5是形成根据本发明的可变几何涡轮增压器的一部分的喷嘴环的上部部分和涡轮增压器轴承外壳的轴向横截面视图；

图6是形成根据本发明的可变几何涡轮增压器的一部分的喷嘴环、两件分节过滤器和轴承外壳的分解透视图；

图7a是用于根据本发明各方面的喷嘴环和可变几何涡轮增压器中的微粒过滤器的透视示意图；

图7b是图7a的微粒过滤器的横截面视图；

图7c是示出用于根据本发明各方面的喷嘴环和可变几何涡轮增压器中的微粒过滤器的局部切除的透视示意图；

图8是连接至用于根据本发明一方面的可变涡轮增压器中的喷嘴环激励器的根据本发明又一备选实施例的喷嘴环的示意图；

图9是根据本发明又一方面的喷嘴环的上部部分和涡轮增压器轴承以及形成可变几何涡轮增压器的一部分的横截面的示意性横截面视图；

图10是根据本发明另一方面的喷嘴环的上部部分和涡轮增压器轴承以及形成可变几何涡轮增压器的一部分的横截面的示意性横截面视图；以及

图11是根据本发明另一方面的喷嘴环的上部部分和涡轮增压器轴承以及形成可变几何涡轮增压器的一部分的横截面的示意性横截面视图。

具体实施方式

参考图1，其示出了一种已知的可变几何涡轮增压器，其外壳由经由中央轴承外壳3而相互连接的可变几何涡轮外壳1和压缩机外壳2组成。涡轮增压器轴杆4从涡轮外壳1通过轴承外壳3而延伸至压缩机外壳2。涡轮叶轮5安装在轴杆4的一端上，用于在涡轮外壳1中旋转，而压缩机叶轮6安装在轴杆4的另一端上，用于在压缩机外壳2中旋转。轴杆4围绕位于轴承外壳3中的轴承组件上的涡轮增压器轴4a旋转。

涡轮外壳1限定了入口蜗壳7，气体从内燃机(未示出)递送至此处。废气经由环形入口通道9和涡轮叶轮5从入口蜗壳7流至轴向出口通道8。入口通道9一侧由可移动环形壁部件11的径向壁的表面10所限定，通常称为“喷嘴环”，而另一侧由环形壳体12限定，其形成入口通道9朝向喷嘴环11的壁。壳体12覆盖涡轮外壳1中环形凹陷13的开口。

喷嘴环11支撑圆周等距间隔的入口叶片14阵列，每个叶片14延伸穿过入口通道9。叶片14定向以将流动通过入口通道9的气流偏转朝向涡轮叶轮5的旋转方向。当喷嘴环11最接近环形壳体12时，叶片14通过合适地配置在壳体12中的槽而突出进入凹陷13。

喷嘴环11的位置由US5868552中公开类型的激励器组件所控制。激励器(未示出)可操作以经由连接至轭架15的激励器输出轴杆(未示出)而调整喷嘴环11的位置。轭架15依次啮合支撑喷嘴环11的轴向延伸激励杆16。因此，通过正确地控制激励器(其可以例如是气动或电动的)，可以控制杆16以及喷嘴环11的轴向位置。涡轮叶轮5的速度取决于通过环形入口通道9的气流速度。对于流入入口通道9的大量气流的固定速率，气流速度是入口通道9的宽度的函数，通过控制喷嘴环11的轴向位置可以调整该宽度。图1示出了完全打开的环形入口通道9。通过移动喷嘴环11的面10朝向壳体12，可以将入口通道9闭合至最小。

喷嘴环11具有轴向延伸径向内部和外部环形凸缘17和18，其延伸进入提供在涡轮外壳1中的环形腔19中。提供内部和外部密封环20和21以分别相对于环形腔19的内部和外部环形表面密封喷嘴环11，同时允许喷嘴环11在环形腔19中滑动。内部密封环20支撑在形成于腔19的径向内部环形表面的环形槽中，并且靠在喷嘴环11的内部环形凸缘17上。外部密封环20支撑在形成于腔19的径向外部环形表面内的环形槽中，并且靠在喷嘴环11的外部环形凸缘18上。

从入口蜗壳7流至出口通道8的气流通过涡轮叶轮5，并且结果在轴杆4上施加转矩，以驱动压缩机叶轮6。在压缩机外壳2中旋转压缩机叶轮6使得存在于空气入口22中的环境空气加压，并且将加压空气递送至空气出口蜗壳23，从此处将其送入内燃机(未示出)。

对于特定应用，通过在喷嘴环11的径向壁中提供轴向延伸平衡孔(未示出)，以使得喷嘴环腔19内的压力和由通过入口通道的气流施加于喷嘴环表面10上的压力平衡，可以修改上述涡轮增压器。涡轮增压器还可以包括位于喷嘴环11的轴向延伸凸缘17、18中的径向延伸孔(未示出)，以提供废气的旁路通路，当喷嘴环11靠近完全闭合位置并且由此防止在发动机汽缸中积聚过大压力并且避免发动机制动期间产生过多热量时，用于流动通过喷嘴环腔19、绕过入口通道。

参考图2，在根据本发明的喷嘴环的第一实施例中，其可以用于如上参考图1所述类型的涡轮增压器，喷嘴环24包括径向壁25和径向内部和外部轴向延伸凸缘26、27，其一同在喷嘴环24的径向壁25后部限定环形空间28。与上述参考图1所述的叶片14类似形式的轴向延伸叶片29的阵列从喷嘴环24的径向壁25的径向面30延伸。

在对图1中所示的11的修改方案中，图2的喷嘴环24具有柴油机微粒过滤器(DPF)材料块31，其包括金刚砂蜂窝架，具有一层铂和基金属催化剂。由弹簧夹33将DPF块31固定抵靠喷嘴环24的径向壁25的径向面32，所述弹簧夹33的径向内部和外部端34、35分别接收在形成于喷嘴环24的径向内部和外部凸缘26、27中的环形凹槽36、37中。

在使用期间，喷嘴环24将接触通过使用喷嘴环24的涡轮增压器的入口通道的废气排放流。废气排放流将包含许多不同的物质，包括气体和微粒。废气排放流的一种主要微粒成分是含碳物质，即烟灰。在使用涡轮增压器期间，微粒物质、诸如烟灰的沉积可能积聚在涡轮增压器外壳的表面上，包括喷嘴环24的部件。

喷嘴环的一些设计包括位于喷嘴环的径向壁的轴向延伸平衡孔(图2中未示出，但在下文所述的图5中可见)和/或径向内部和外部轴向延伸凸缘(未示出)中的径向延伸孔，以提供用于废气排放流的涡轮增压器入口旁路通路。在这种情况下，携带微粒的废气排放流可以从涡轮增压器入口通道流出，进入位于喷嘴环的径向壁后部的环形腔中。微粒物质在该环形空间中的积聚尤为不合要求，因为其可能覆盖喷嘴环激励器杆、衬套和密封环，这可能导致喷嘴环的粘连和/或减少工作期间喷嘴环的可获得冲程。

通过在环形空间28中提供DPF材料块31，而在根据图2所述的本发明的喷嘴环中克服了上述可能的问题。DPF材料块31捕获流动通过环形腔28的微粒物质，并且随后促进将微粒物质氧化成相对无害的气态二氧化碳和水，同时DPF块31中的温度足够高(例如200℃和更高)以支持氧化处理。在一些应用中，应当意识到在涡轮工作期间，DPF催化剂31将几乎始终处于足够高的温度，以允许进行氧化处理。在这种应用中，应当意识到，DPF催化剂31将持续地将微粒物质转换成气态二氧化碳和水，其随后可以易于流至环形空间28之外，经过涡轮叶轮，并且至涡轮增压器出口之外，由此避免了微粒沉积在涡轮中的积聚的可能有害效果。

将意识到，在废气排放气流通路中更上游提供了柴油机微粒过滤器(即，提供柴油微粒过滤器更接近常规系统中的发动机)将减少或可能避免需要更下游的柴油机微粒过滤器。通常，当前系统中使用的柴油机微粒过滤器需要周期性地进行还原，以确保过滤器在发动机和废气系统的整个寿命过程中持续有效工作。采用了大量不同的还原方法，其中一些需要注入少部分的燃料，以促进过滤器所保持的微粒物质进行燃烧。这是必须的，因为朝向废气系统下游端的常规柴油微粒过滤器的工作温度可能低于过滤器的最佳工作温度。将意识到，通过在更上游提供柴油微粒过滤器，其中工作温度通常更高，避免或至少减少了对常规过滤器还原处理的需求。

在如上参考图2所述的喷嘴环2的实施例中，采用的DPF材料包括金刚砂蜂窝架，在架上沉积有一层铂和基底金属催化剂。将意识到，这仅是可采用的材料的一个实例。其他合适的催化剂材料可以基于Corning堇青石，装填有不同的铂或基金属氧化物、烧结金属材料或者包括金属箔的过滤器，诸如包括叠层波形金属流动基底的、由Bosal(UK)Ltd市场化的柴油机氧化催化剂过滤器。而且，催化剂材料可以包括一种或多种碱金属(例如，钾、铯等)、碱土金属(例如，镁、锶等)、过渡金属、镧系元素或锕系元素(例如，铁、钴、铈等)或合成物(例如氧化物、硝酸盐等)或其组合。例如，催化剂材料可以包括从下列组中选择的多种合成物或合金的一种，包括MgO、CeO₂、Co₃O₄、Sr(NO₃)₂、Co-Sr、Co-Sr-k、Co-KNO₃-ZrO₂、K₂Ti₂O₅、Co-ZrO₂等。

在微粒过滤器的工作温度通常可能足够高以促进微粒物质的气体氧化的应用中，微粒过滤器可能无需配备有催化剂，而是可仅包括具有足够大表面积的材料，以允许进行空气氧化。当大表面积材料的工作温度超过微粒物质的燃烧温度时，保持在高表面积材料中的微粒物质将燃烧并且氧化成气态废产物，其随后可以易于流至涡轮出口外。大表面积材料可以由任何合适的材料形成，诸如金属丝、纤维网、一种或多种烧结粉末、例如不锈钢的铁基合金、例如哈氏合金的镍基合金和/或诸如镁基堇青石状材料的陶瓷。

可以选择微粒过滤器中使用的材料的密度以适于特定应用。应当意识到，例如如果在未包含催化剂的微粒过滤器中使用金属丝网，那么约20至50％、更优选约35％的密度的金属丝网可能是合适的。如果使用金属丝或纤维材料，可以选择材料的厚度和长度适于特定应用。作为实例，金属丝/纤维的厚度可以高达约数毫米，而长度可以高达约10至60米或更长。尤其优选的尺寸是约0.1至0.5mm的厚度，更优选地是约0.15至0.35mm，以及约20至50m的长度，更优选约30至40m，而最优选约37m。例如，如果使用钢丝，那么37m的0.35mm丝将向过滤器提供约35-45000mm²的表面积，约3-4000mm³的体积以及约25-35g的重量。例如，这种过滤器可能是用于直径约80-90mm的涡轮叶轮。可能需要的是参考涡轮叶轮直径的改变而调整所使用的金属丝/纤维的物理属性，以允许正确地设计过滤器，用于比先前已经使用和测试的更大或更小的涡轮叶轮。虽然发明者并不希望被任何特定理论限制，但是可以预期的是，实现其的一种方法是根据涡轮叶轮直径的立方而调整过滤器材料的重量或体积和/或根据涡轮叶轮直径的平方而调整过滤器材料的表面积。还将意识到的是，用于高振动环境中的微粒过滤器的材料的机械属性是选择合适的材料或材料组合的重要考虑因素。

图3示出了上述参考图2所述的喷嘴环24的备选实施例。图3中所示的喷嘴环124包括许多与图2的喷嘴环24相同的特征，因而图3中使用的相应附图标记指示相类似的部件，但是数字上加上了100。图3中所示的喷嘴环124的实施例与图2中所示的喷嘴环的实施例的一个重要差别是维持DPF材料块131抵靠喷嘴环124的方式。在图3中所示的实施例中，由一系列铆钉138将DPF材料块131固定抵靠喷嘴环124的径向面132，所述铆钉138接收在形成于过滤器材料块131中的轴向延伸孔139中。

图4示出了图2的喷嘴环24的又一备选实施例，其中喷嘴环224与图2的喷嘴环24具有许多相同的特征，因而使用相同的附图标记分别指示图2和4的喷嘴环24、224的共有部件，但是在图2的附图标记上加200。

图4中所示的喷嘴环224的实施例分别与图2和3中所示的喷嘴环24、124的区别在于DPF材料块231维持在环形空间228中的方式。在图4的实施例中，通过使用径向外部径向延伸簧环240和/或径向内部径向延伸簧环243，将材料块231维持在环形空间228中，其中簧环240的径向外部端241接收在由喷嘴环224的径向外部凸缘227限定的互补环形通道242中，而簧环243的径向内部端244接收在由喷嘴环224的径向内部凸缘226限定的互补环形通道245中。将意识到，即使图4中所示的实施例包括径向外部簧环240和径向内部簧环243两者，该实施例也可以修改以仅包括径向外部簧环240或仅包括径向内部簧环243。

现在参考图5，示出了根据本发明一方面的涡轮增压器的又一备选实施例。图5中所示的实施例和图2中所示的实施例的共有部件采用相同的附图标记，但是数字上加上了300。

在图5所示的实施例中，喷嘴环324提供有多个轴向延伸平衡孔346，其限定了轴向气流通路E，便于废气排放流过涡轮增压器入口通道(未示出)。气流通路E进入限定在喷嘴环324的径向壁后部的环形空间328中，并且进入由轴承外壳348所限定的喷嘴环腔347中，喷嘴环324可滑动地接收在轴承外壳348中，以适应喷嘴环324轴向位移进入和离开涡轮增压器入口通道。通过提供平衡孔346而形成轴向气流通路E，提供了附连在废气排放流中的微粒物质流至喷嘴环324的径向壁325后部并且积聚在由喷嘴环324限定的环形空间328和/或轴承外壳348中的喷嘴环腔347中的可能性。微粒物质的这种积聚可能潜在地损害喷嘴环324在轴承外壳348中的腔347内滑动的能力。

在图5所示的实施例中，DPF材料块331维持抵靠轴承外壳腔347的径向表面349，而不是连接至喷嘴环324，以向过滤器331提供可能更稳定的底座，其在一些应用中可能是有利的。由一系列螺钉350将过滤器331维持在合适的位置，螺钉350接收通过由材料块331限定的轴向延伸孔351。将意识到，可以使用任何合适的紧固件，并且一个或多个螺钉350可以替换为铆钉、标桩等。而且，还可以使用类似于参考图2和图4所示的一个或多个固定夹或簧环。

在图5所示的实施例中，可见的是，紧固件350轴向地覆盖喷嘴环324的径向壁325中的平衡孔346。这样，通过平衡孔346的废气排放流可能直接流动接触DPF材料块331，并且维持在其中直到它们氧化并转换成气态二氧化碳和水。在备选实施例中，其中一些将在下文参考图7a、7b和7c描述，材料块331可以限定轴向覆盖平衡孔346的一个或多个结构，从而可以以预定方式将沿着轴向气流通路E的废气排放流导入和/或通过材料块331，以最优化对附连在废气排放流中的微粒的氧化和/或最小化或避免破坏沿着气流通路E的废气排放流。这样，将几乎不需要或完全不需要对平衡孔346的尺寸或形状进行修改，以适应在喷嘴环324后部提供DPF材料块331。

现在参考图6，示出了类似于图5中所示的可移动喷嘴环424、柴油机微粒过滤器431a、431b和轴承外壳448的透视图。类似于图5中那些部件的喷嘴环424、柴油机微粒过滤器431a、431b和轴承外壳448的部件，提供有相同的附图标记，但是再加100。

在图6中，喷嘴环424具有径向壁425，以及分别从径向壁425的前径向表面430轴向延伸的径向内部和外部凸缘426、427。轴承外壳448提供有环形腔447，其合适地选择尺寸，以滑动地接收在喷嘴环424中。在喷嘴环424的径向壁425的后径向表面(未示出)和环形腔447内轴承外壳448的径向面449之间，限定了环形空间，其可变轴向长度取决于喷嘴环424关于轴承外壳448的轴向位移。在该可变长度空间中接收了该对DPF材料块431a、431b。材料块431a、431b采取弧形段形式，其宽度近似匹配轴承外壳448中环形腔447的深度，其弧形长度基本上等于使用已知连接器组件(图6中未示出，但是在下文所述的图8中示出了典型组件)而连接至喷嘴环424的径向壁425的后表面的一对激励器452之间的圆周空隙。

虽然图6中所示的DPF材料块431a、431b形成为两个分离的弧形块，但是将意识到的是，该微粒过滤器或每个微粒过滤器可以采取任意有利的形式，并且可以在喷嘴环424和轴承外壳448之间提供任意所需数量的分离的合适材料块。

如图7a、7b和7c中所示，微粒过滤器材料块可以在材料块的表面上提供任意所需结构，和/或延伸局部或完全贯穿该材料块或每个材料块的厚度。在图7a和7b中，示出了弧形的DPF材料块531，其中已经形成弧形凹陷553，其沿着材料块531的弧形长度延伸。正如从图7a和7b中可见的是，凹陷553延伸贯穿材料块531厚度的一半左右。在图7c中，示出DPF材料块631局部切除，以使得示出一系列锥形孔654，其从位于材料块631的上表面的基本上圆形开口655延伸至位于材料块631主体内的径向向内呈锥形的尾部657。

材料块531、631中的凹陷553和孔654的一个目的是增加可获得的用于入射废气排放流的每个材料块531、631的表面积，并且还限定了气流通路，便于废气排放流穿过平衡孔和/或材料块531、631将用于的喷嘴环所限定的旁路孔穴。作为实例，材料块531可以用于上述参考图5所述类型的喷嘴环324，其中多个平衡孔346限定在喷嘴环324的径向壁325中。凹陷553可以定向使得轴向覆盖一个或多个平衡孔346，从而沿着气流通路E的废气排放流可以通过喷嘴环325的径向壁325，而后进入和沿着凹陷553，以使得与如果排放流在轴向覆盖平衡孔346的一系列离散位置进入材料块531中相比，更均匀地分散在DPF材料块531中。在备选实施例中，材料块531可以替换为材料631，其中提供多个锥形孔654，以轴向地覆盖由喷嘴环324的径向壁325所限定的平衡孔346。这样，沿着轴向气流通路E的废气排放流直接穿过材料631中的每个开口655，并且沿着各个孔654流向其尾部657。这样，沿着气流通路E流入DPF材料块631中的废气排放流相对不受在喷嘴环324后部提供材料块631的影响。因此，几乎不需要或完全不需要修改平衡孔346，以适应DPF材料块631。

当考虑提供在微粒过滤器材料块中的任何结构的特性时，优选的是，微粒过滤器材料应当尽可能少地干扰通过任何平衡孔或提供在喷嘴环中的径向旁路气流开口的废气排放气流。

考虑上述因素，可以考虑在内的微粒过滤器材料的标准如下：

$P\×\left(\frac{A_S}{N}\right)\≥A_T---\left(1\right)$

其中：

P＝微粒过滤器材料的渗透性；

A_S＝喷嘴环环形空间的径向横截面积；

N＝平衡孔的总数量；以及

A_T＝平衡孔的总径向横截面积。

在微粒过滤器材料位于特定平衡孔之下的情况中，相关标准如下：

P×A_M≥A_BH            (2)

其中：

P＝微粒过滤器材料的渗透性；

A_M＝位于特定平衡孔下的材料的径向横截面积；以及

A_BH＝特定平衡孔的径向横截面积。

关于上述在公式1和2中所限定的关系，优选的是每个公式的左侧成分的幅度至少比每个公式右侧的成分的幅度大至少约10％、更优选大约25％。作为实例，在公式1中优选的是：

$P\×\left(\frac{A_S}{N}\right)\≥1.1A_T$

而在公式2中优选的是：

P×A_M≥1.1A_BH

选择存在于任何特定喷嘴环中的平衡孔的总径向横截面积适于特定应用，并且取决于涡轮部件的许多不同属性和影响涡轮预期性能的因素。也就是说，在特定应用中，已经确定高达约1000mm²的总平衡孔横截面积是合适的，更优选地约100至750mm²，而更优选地约300至500mm²。在一个特定应用中，最优选的总平衡孔横截面积约450mm²。

现在参考图8，示出了根据本发明一方面的喷嘴环的又一备选实施例。喷嘴环724包括径向壁725，其链接径向内部和外部轴向延伸凸缘726、727，示为经由耦合组件连接至轴向延伸激励器杆752，所述耦合组件包括弧形踏板758、一对垫圈759和一对紧固件760，其维持垫圈759抵靠踏板758，并且由此维持激励器杆752抵靠喷嘴环724的内部径向面732。紧固件760可以替换为或者补充有任意合适类型的固定方法，诸如焊接。在该实施例中，通过作用抵靠弧形维持部件761、依次将轴向力施加至每个材料块731a、731b的每个垫圈759的压迫力，将弧形的DPF材料块731a、731b固定抵靠喷嘴环724的内部径向面732。将意识到的是，每个DPF材料块731a、731b可以提供有任意所需结构，诸如参考图7a、7b和7c在上所述的一个或多个弧形凹陷或孔，并且每个材料块731a、731b可以由任意前述微粒过滤器材料形成。

即使DPF材料在图8中示为提供为两个独立材料块731a、731b，将意识到的是DPF材料可以提供为单一环形环，其轮廓可以覆盖将激励器杆752连接至喷嘴环724(即踏板758、垫圈759和紧固件760)的装置。这可能是符合需要的，因为其还减少了微粒物质在激励器杆752机器连接器组件周围的不合需要的沉积的积聚。

图9、10和11示出了根据本发明的涡轮的三个其他实施例。图9示出了喷嘴环824的径向外部部分，其具有径向壁825，径向内部凸缘(未示出)和径向外部凸缘827从其轴向延伸朝向轴承外壳848。轴承外壳848连接至涡轮外壳862，以使得限定环形腔847，其适当地选择尺寸以滑动地接收喷嘴环824。与图1中所示的涡轮相同，图9的涡轮提供有径向内部密封环(未示出)和径向外部密封环863，以分别相对于环形腔847的内部和外部环形表面密封喷嘴环824，同时允许喷嘴环824在环形腔847中滑动。外部密封环863支撑在形成在轴承外壳848和涡轮外壳862之间的腔847的径向外部环形表面中的环形槽864中，并且抵靠喷嘴环824的外部环形凸缘827。图9中所示的实施例与图1中所示的实施例的区别之处在于，DPF材料块865提供在轴向与外部密封环863靠近的环形槽864中。类似的DPF过滤器材料块还可以提供临近图9中不可见的内部密封环。这样，过滤器865可以捕获流过喷嘴环824、朝向环形腔847的微粒物质。随后，将维持在过滤器865中的微粒物质支撑更靠近通过涡轮外壳862、且进一步来自于涡轮和轴承外壳862、848的更冷却表面的更热的废气排放流，其应当增加这种物质周期性地氧化成二氧化碳和水的可能性，进而减少不合需要的微粒沉积在内部密封环(未示出)和外部密封环863周围的积聚。

在图10和11所示的实施例中，与上述参考图9所述类似的部件提供有相类似的附图标记，但是分别加100和200。在图10和11中，DPF材料块965、1065大于图9中所示的材料块865，从而它们径向向内延伸进入环形腔947、1047，从而每个过滤器965、1065的径向面966、1066暴露至轴向流向环形腔947、1047的废气排放流。这样，图10和11中所示实施例中的过滤器965、1065可以捕获更大量的流过涡轮外壳962、1062的微粒物质。正如从图10和11的比较中可见的是，图10中所示实施例中的过滤器965延伸基本上跨越环形腔947的整个径向宽度，以使得接触喷嘴环924的径向外部凸缘927，但是图11中的过滤器1065停止而未到达喷嘴环1024的径向外部凸缘1027，以使得在凸缘1027和过滤器1065之间留出小间隙。正如在图9所示的实施例中，可以将DPF材料块提供在图10和11所示的实施例中提供的径向内部密封环附近。轴向临近外部密封环963、1063的过滤器965、1065以及临近内部密封环的任选过滤器(未示出)的目的与上述参考图9所述的那些相同。

除了使用螺钉、铆钉或夹子以固定DPF材料抵靠喷嘴环和/或涡轮增压器外壳的部分，将意识到喷嘴环和/或涡轮增压器外壳的合适部分可以提供有合适的表面结构，诸如肋条，以在喷嘴环/外壳和DPF材料块之间提供摩擦匹配。

还将意识到，在说明书中使用术语“块”指示微粒过滤器材料并不意于以任何方式进行限制，而仅是为方便起见。可以使用任意所需尺寸和/或形状的微粒过滤器材料，包括举例而言，材料的薄片或薄膜。而且，虽然在上已经描述了将微粒薄膜材料固定至喷嘴环或涡轮外壳的最初机械方法，但是本领域技术人员将意识到，可获得其他固定方法，诸如高温抗热粘合剂等。

在上述实施例中，在包括轴向可移动喷嘴环的可变几何涡轮中已经采用了微粒过滤器材料。应当意识到，还可以将涡轮外壳中提供微粒薄膜应用于其他形式的涡轮和涡轮增压器，诸如包括通常称为“摇摆叶片”的可变涡轮机和涡轮增压器。在摇摆叶片涡轮增压器中，每个叶片枢轴地连接至喷嘴环的径向表面以使得可围绕基本上平行于涡轮轴的轴旋转。这样，旋转每个叶片调整流入的废气排放流撞击叶片的角度，以使得允许调整涡轮的入口几何形状。在“摇摆叶片”涡轮的涡轮外壳中提供一个或多个微粒过滤器，可应用于在包括如上参考图1至8所述的轴向可移动喷嘴环的可变几何涡轮的外壳中提供这种材料。可以预期的是，在摇摆叶片涡轮的外壳内应用一个或多个微粒过滤器可以避免与沉积在摇摆叶片机构(即摇摆叶片、摇摆叶片激励器和/或谐环)中和周围的微粒的不期待的积聚相关的问题，由此提高这种涡轮的性能和可靠性。

在摇摆叶片涡轮和包括轴向可移动喷嘴环的涡轮中，可以预期的是可能有利的是在涡轮外壳中别处提供至少一个其他微粒过滤器，例如，在涡轮的入口和/或出口通道中。尤其，应当意识到，可能需要在涡轮的出口凸缘中包括扩一个或多个微粒过滤器。而且，在一些应用中可能有利的是提供一个或多个过滤器靠近废气门或者其阀杆/衬套，如果在涡轮中有废气门或其阀杆/衬套。还将意识到，本发明同等地可应用于在上述类型的多级涡轮增压器和单级涡轮增压器中使用。因而，可能需要的是将一个或多个过滤器定位在形成两级涡轮增压器的一部分的高压或低压涡轮增压器的外壳中。尤其，可能优选地是，提供至少一个过滤器靠近(例如在其后部)两级涡轮增压器的低压涡轮增压器的叶片壳体，其中在使用期间可能积聚不合需要的微粒物质水平。

将意识到，在更上游提供一个或多个微粒过滤器，即更靠近废气排放流出射的发动机，与废气排放流进入位于相当下游的常规废气系统中的微粒过滤器、诸如柴油机微粒过滤器相比，当他们接触根据本发明一方面的涡轮外壳内的微粒过滤器时，通常使得废气排放流更热。这样，将实现包括在涡轮的微粒过滤器的功能以在较宽范围的发动机工作状况中将不合需要的微粒物质氧化成气态形式。应当预期，在一些运行条件下，一旦发动机和涡轮已经加热至标准工作温度，微粒过滤器将恒定地接触足够高温的废气排放流，以提供将微粒物质立即氧化成气态二氧化碳和水，其随后能够无害地流出涡轮之外。这样，本发明不仅避免或减少了微粒沉积在涡轮内的积聚，其还减少或可能避免了在更下游的排气系统中设置微粒过滤器(例如柴油机微粒过滤器)的需要。这不仅有利于避免或至少减少对更下游的柴油机微粒过滤器的需求，还避免了对象贵过滤器还原处理的需求，其在一些应用中需要注入的燃料量超过和高于运行发动机所需的燃料量。本发明因而可以减少燃料消耗，并且因而改进发动机的整体燃料效率。

Claims (38)

1.一种可变几何涡轮，包括： 

外壳； 

涡轮叶轮，支撑在所述外壳中，用于围绕涡轮轴旋转； 

环形入口通道，位于所述涡轮叶轮上游的所述外壳中，并且限定在第一和第二壁部件的各个径向入口表面之间； 

出口通道，位于所述涡轮叶轮下游的所述外壳中； 

叶片阵列，延伸穿过入口通道，所述叶片连接至所述第一壁部件； 

所述第一和第二壁部件的至少之一可沿着涡轮轴移动，以改变入口通道的尺寸，和/或至少一个所述叶片围绕基本上平行于所述涡轮轴的轴可旋转移动，以改变入口通道的尺寸； 

在所述外壳的一个位置提供至少一个微粒过滤器，从而在使用期间，所述微粒过滤器可以与流过所述涡轮的微粒物质接触， 

所述第一壁部件限定与所述径向入口表面相对的又一径向表面，而所述至少一个微粒过滤器连接至所述又一径向表面， 

所述第一壁部件的所述径向入口表面限定了一个或多个轴向延伸孔穴，所述轴向延伸孔穴限定了轴向气流通路，以在使用期间便于气体流动通过第一壁部件， 

其中所述至少一个微粒过滤器限定了一个或多个第一开口，所述第一开口设置成轴向覆盖所述一个或多个轴向延伸孔穴，从而所述轴向气流通路延伸穿过所述第一开口。 

2.根据权利要求1所述的可变几何涡轮，其中所述第一壁部件包括延伸远离所述入口通道并且朝向所述外壳的至少一个轴向延伸凸缘，所述至少一个轴向延伸凸缘在第一部件后部限定空间，其中提供有所述至少一个微粒过滤器。 

3.根据权利要求2所述的可变几何涡轮，其中所述至少一个轴向延伸凸缘限定了一个或多个径向延伸孔穴，以限定径向气流通路，以在使用期间便于废气排放流至第一壁部件的径向入口表面后部。 

4.根据权利要求3所述的可变几何涡轮，其中所述至少一个微粒过滤器限定了一个或多个第二开口，其设置以径向覆盖所述一个或多个径向延伸孔穴，从而所述径向气流通道延伸穿过所述第二开口。 

5.根据权利要求4所述的可变几何涡轮，其中所述一个或多个第二开口与至少一个微粒过滤器所限定的一个或多个第二通道流体相通，从而所述径向气流通路沿着所述第二通道延伸。 

6.根据权利要求5所述的可变几何涡轮，其中所述一个或多个第二通道延伸穿过所述至少一个微粒过滤器，从而所述径向气流通路延伸穿过所述至少一个微粒过滤器。 

7.根据权利要求3所述的可变几何涡轮，其中所述至少一个微粒过滤器径向覆盖所述一个或多个径向延伸孔穴，从而所述至少一个微粒过滤器设置在所述径向气流通路中。 

8.根据权利要求2至7中任意一项所述的可变几何涡轮，其中所述至少一个微粒过滤器的尺寸适于占据所述空间体积的至少约10％。 

9.根据权利要求2至7中任意一项所述的可变几何涡轮，其中所述至少一个微粒过滤器的尺寸适于占据所述空间体积的至少约50％。 

10.根据权利要求2至7中任意一项所述的可变几何涡轮，其中所述至少一个微粒过滤器的尺寸适于占据所述空间体积的至少约75％。 

11.根据权利要求2至7中任意一项所述的可变几何涡轮，其中至少一个微粒过滤器连接至至少一个所述凸缘。 

12.根据权利要求1所述的可变几何涡轮，其中所述一个或多个第一开口与由至少一个微粒过滤器所限定的一个或多个第一通道流体相通，从而所述径向气流通路沿着所述第一通道延伸。 

13.根据权利要求12所述的可变几何涡轮，其中所述一个或多个第一通道延伸穿过所述至少一个微粒过滤器，从而所述径向气流通路延伸穿过所述至少一个微粒过滤器。 

14.根据权利要求2至7中任意一项所述的可变几何涡轮，其中至少一个微粒过滤器连接至外壳的一部分，其位于涡轮入口通道的上游。 

15.根据权利要求14所述的可变几何涡轮，其中所述至少一个微粒过滤器连接至已连接至涡轮入口通道的入口凸缘。 

16.根据权利要求2至7中任意一项所述的可变几何涡轮，其中至少一个微粒过滤器连接至外壳的一部分，其至少局部地限定涡轮的出口通道。 

17.根据权利要求16所述的可变几何涡轮，其中所述至少一个微粒过滤器连接至已连接至涡轮出口通道的出口凸缘。 

18.根据权利要求2至7中任意一项所述的可变几何涡轮，其中所述至少一个微粒过滤器包括大表面积材料。 

19.根据权利要求18所述的可变几何涡轮，其中所述大表面积材料的表面积足够大，以有助于空气氧化沉积在所述大表面积材料上的微粒物质。 

20.根据权利要求19所述的可变几何涡轮，其中大表面积材料的表面积足够大，以有助于在至少约200℃的温度空气氧化微粒物质。 

21.根据权利要求20所述的涡轮，其中大表面积材料的表面积足够大，以有助于在约250℃至400℃的温度空气氧化微粒物质。 

22.根据权利要求2至7中任意一项所述的可变几何涡轮，其中所述至少一个微粒过滤器包括金属材料和/或陶瓷材料。 

23.根据权利要求22所述的可变几何涡轮，其中所述金属材料是铁基或镍基合金。 

24.根据权利要求22所述的可变几何涡轮，其中所述陶瓷材料是镁基陶瓷材料。 

25.根据权利要求2至7中任意一项所述的可变几何涡轮，其中所述至少一个微粒过滤器包括催化剂材料，适于催化将微粒物质转换成一种或多种不同形式。 

26.根据权利要求25所述的可变几何涡轮，其中所述一种或多种不同形式包括一种或多种流体。 

27.根据权利要求25所述的可变几何涡轮，其中所述催化剂材料包括过渡金属元素。 

28.根据权利要求2至7中任意一项所述的可变几何涡轮，其中所述至少一个微粒过滤器是含碳微粒过滤器。 

29.根据权利要求28所述的可变几何涡轮，其中含碳微粒过滤器包括催化剂，适于催化将含碳材料转换成气态二氧化碳和水。 

30.根据权利要求2至7中任意一项所述的可变几何涡轮，其中所述至少一个微粒过滤器包括柴油机微粒过滤器催化剂材料。 

31.根据权利要求2至7中任意一项所述的可变几何涡轮，其中所述至少一个微粒过滤器被配置为支撑已捕获的微粒物质远离外壳的临近表面。 

32.根据权利要求2至7中任意一项所述的可变几何涡轮，其中所述至少一个微粒过滤器配置以在使用期间支撑已捕获的微粒物质位于流动通过涡轮的又一微粒物质中或者临近该又一微粒物质。 

33.一种用于可变几何涡轮的喷嘴环，所述喷嘴环包括： 

径向壁，限定第一径向表面和第二相对的径向表面，叶片阵列从所述第一径向表面延伸； 

径向内部和外部轴向延伸凸缘，其与第二径向表面一起在第一径向表面后限定了环形空间； 

其中在所述环形空间中提供了至少一个微粒过滤器，所述微粒过滤器连接至所述第二径向表面； 

所述径向壁限定了一个或多个轴向延伸孔穴，所述轴向延伸孔穴限定了轴向气流通路，在使用中便于气体流过径向壁， 

其中所述至少一个微粒过滤器限定了一个或多个开口，所述开口设置以轴向覆盖所述一个或多个轴向延伸孔穴，从而所述轴向气流通路延伸穿过所述开口。 

34.根据权利要求33所述的喷嘴环，其中所述至少一个微粒过滤器连接至所述径向内部轴向延伸凸缘和/或所述径向外部轴向延伸凸缘。 

35.根据权利要求33或34所述的喷嘴环，其中每个所述轴向延伸凸缘限定了一个或多个径向延伸孔穴，其配置使得在使用中所述径向延伸孔穴限定径向气流通路，便于废气排放流至第一径向表面后部。 

36.根据权利要求33或34所述的喷嘴环，其中所述至少一个微粒过滤器是含碳微粒过滤器。 

37.一种可变几何涡轮，包括根据权利要求33至36中任意一项所述的喷嘴环。 

38.一种涡轮增压器，包括根据权利要求1至32中任意一项或权利要求37所述的可变几何涡轮。 

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