CN109154203A - 涡轮机装置 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮机装置，包括具有涡轮机壳体的涡轮机，涡轮机壳体限定涡轮机腔、位于涡轮机叶轮上游的涡轮机入口以及位于涡轮机叶轮下游的涡轮机出口，涡轮机叶轮支撑在涡轮机腔内以便旋转。涡轮机装置还包括在涡轮机叶轮上游的位置和涡轮机叶轮下游的位置之间的流动通道，该流动通道被构造成允许气体从涡轮机叶轮上游的所述位置流动到涡轮机叶轮下游的所述位置而不与涡轮机叶轮相互作用。涡轮机装置还包括阀装置，该阀装置包括：可在打开配置和闭合配置之间移动的阀构件，其中在打开配置中，气体可以从涡轮机叶轮上游的所述位置通过流动通道流到涡轮机叶轮下游的所述位置，并且在闭合配置中，大体上防止了气体流过流动通道；第一致动器部分，可连接到致动器，以用于在打开配置和闭合配置之间移动阀构件；以及第二致动器部分，经由致动器气体通道与涡轮机叶轮上游的涡轮机装置的一部分气流连通；并且其中涡轮机装置被构造成使得气体可以通过致动器气体通道从涡轮机叶轮上游的涡轮机装置的所述部分流动到第二致动器部分，使得通过致动器气体通道流到第二致动器部分的所述气体的压力作用在第二致动器部分上，以将阀构件推向闭合配置。

Description

涡轮机装置
本发明涉及一种涡轮机，尤其涉及一种具有废气门的涡轮机，以允许气体绕过涡轮机叶轮。涡轮机可以形成涡轮增压器或动力涡轮机的一部分。
涡轮机构是在转子和流体之间传递能量的机器。例如，涡轮机构可以将能量从流体传递到转子或者可以将能量从转子传递到流体。涡轮机构的两个例子是动力涡轮机和涡轮增压器，动力涡轮机使用转子的旋转能量来进行有用的工作(例如，产生电力)，涡轮增压器使用转子的旋转能量来压缩流体。
涡轮增压器是众所周知的用于在高于大气压的压力(增压压力)下向内燃机的进气口供应空气的装置。传统的涡轮增压器基本上包括安装在涡轮机壳体内的可旋转轴上由废气驱动的涡轮机叶轮。涡轮机叶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输送到发动机进气歧管。涡轮增压器轴通常由轴颈轴承和止推轴承支撑，该轴承包括适当的润滑系统，位于连接在涡轮机和压缩机叶轮壳体之间的中心轴承壳体内。
传统涡轮增压器的涡轮级包括：涡轮机壳体，其限定涡轮机叶轮安装在其内的涡轮机腔；环形入口通道，限定在壳体中并位于涡轮机腔周围设置的面对的径向延伸的壁之间；设置在入口通道周围的入口；以及从涡轮机腔延伸的出口通道。通道和腔室连通，使得流进入口通道的加压废气经由涡轮机腔通过入口通道流到出口通道并使涡轮机叶轮旋转。通过在入口通道中设置叶片(称为喷嘴叶片)来改善涡轮机性能，以便使流过入口通道的气体朝向涡轮机叶轮的旋转方向转向是众所周知的。
这种涡轮机可以是固定或可变几何形状类型。可变几何涡轮机与固定几何涡轮机的不同之处在于，入口通道的尺寸可被改变以优化在质量流率范围内的气体流速，使得涡轮机的功率输出可以根据不同的发动机需求而变化。例如，当输送到涡轮机的废气体积相对较低时，到达涡轮机叶轮的气体速度保持在一个水平，其通过使用可变几何机构减小入口的尺寸来确保高效的涡轮机操作。设有可变几何涡轮机的涡轮增压器被称为可变几何涡轮增压器。可变几何涡轮增压器中的喷嘴叶片装置可采用不同的形式。两种已知的可变几何涡轮机类型是摆动叶片涡轮增压器和滑动喷嘴涡轮增压器。
通常，在摆动叶片涡轮增压器中，涡轮增压器涡轮机的入口尺寸(或流量大小)由涡轮机入口中的可移动叶片阵列控制。每个叶片可绕轴线枢转，该轴线平行于涡轮增压器轴延伸穿过入口，并且与沿叶片长度大约一半的点对齐。提供了一种叶片致动机构，其连接到每个叶片并且可使得每个叶片以一致移动的方式移动，这样的移动使得能够控制进入的气体可用的横截面面积以及气体接近涡轮机叶轮的角度。
通常，在滑动喷嘴涡轮增压器中，叶片固定到滑过入口的可轴向移动的壁上。可轴向移动的壁朝向面对的护罩板移动，以便闭合入口，并且这样，叶片穿过护罩板中的孔。或者，喷嘴环固定到涡轮机的壁上，并且护罩板在叶片上移动以改变入口的尺寸。
传统涡轮增压器的压缩机包括限定压缩机腔室的压缩机壳体，压缩机叶轮安装在压缩机腔室内，使得压缩机叶轮可绕轴线旋转。压缩机还具有由压缩机壳体限定的大体上轴向的入口通道和大体上环形的出口通道，其由压缩机壳体限定在压缩机腔室周围设置的面对的径向延伸的壁之间。蜗壳围绕出口通道布置，并且出口与蜗壳流动连通。通道和压缩机腔室连通，使得相对低压的气体(例如空气)进入入口，并通过压缩机叶轮的旋转经由压缩机腔室、出口通道和蜗壳泵送到出口。出口处的气体通常具有比进入入口的相对低压气体的更高的压力(也称为增压压力)。然后，可以通过压缩机叶轮的作用，将出口处的气体泵送到压缩机出口的下游。
众所周知，涡轮增压器涡轮机具有阀控旁通端口(称为废气门)，以能够控制涡轮增压器的增压压力和/或轴速。当压缩机出口中的流体的增压压力朝向预定水平增加时，可控制废气门阀(通常为襟翼式阀)以打开废气门端口(旁通端口)，从而允许至少一些废气绕过涡轮机叶轮。通常，废气门端口通向废气门通道，废气门通道使旁通气流流向涡轮机出口或将其排放到大气中。
废气门阀可以通过各种装置致动，包括电动致动器，但更典型地由通过由压缩机叶轮输送的增压压力操作的气动致动器致动。废气门阀致动器通常通过连杆连接到废气门阀，连杆的一部分穿过涡轮机壳体中的致动导管。
在涡轮机的某些操作条件下，需要闭合废气门，并且废气门致动器必须承受由废气门阀上游试图吹开废气门阀的气体所施加的力。这可能需要大的致动器组件，其能够在废气门阀上施加和维持足够的力，以承受废气门阀上游的气体的力。这种致动器组件可能在材料和空间方面产生相当大的成本。此外，在致动器上承受废气门阀上的力的负载可能导致致动器上的相对高的负载工作循环和短的致动器寿命。此外，由于致动器是电动的并且自加热的，致动器可能遭受相对大的能量损失。
本发明的目的是提供一种涡轮机装置，其消除或减轻了上述的缺点或现有技术中存在的其他缺点。
根据本发明，提供了一种涡轮机装置，包括具有涡轮机壳体的涡轮机，涡轮机壳体限定涡轮机腔、位于涡轮机叶轮上游的涡轮机入口和位于涡轮机叶轮下游的涡轮机出口，涡轮机叶轮支撑在涡轮机腔内以便旋转；在涡轮机叶轮上游位置和涡轮机叶轮下游位置之间的流动通道，其被构造成允许气体从涡轮机叶轮上游的所述位置流到涡轮机叶轮下游的所述位置而不与涡轮机叶轮相互作用；以及阀装置，包括：可在打开配置和闭合配置之间移动的阀构件，其中在打开配置中，气体可从涡轮机叶轮上游的所述位置通过流动通道流到涡轮机叶轮下游的所述位置，以及在闭合配置中大体上防止了气体流过流动通道；第一致动器部分，其可连接到致动器，用于在打开和闭合配置之间移动阀构件；第二致动器部分，其经由致动器气体通道与涡轮机叶轮上游的涡轮机装置的一部分气流连通；并且其中涡轮机装置被构造成使得气体可以从涡轮机叶轮上游的涡轮机装置的所述部分通过致动器气体通道流到第二致动器部分，使得通过致动器气体通道流到第二致动器部分的所述气体的压力作用在第二致动器部分上，以将阀构件推向闭合配置。
气体通道可以从涡轮机入口延伸。致动器气体通道可以与涡轮机入口、涡轮机腔、流动通道和涡轮机出口不同(即，不是其一部分)。
本发明提供了第二致动器部分，其利用来自致动器气体通道的气体的压力以将阀构件推向闭合配置。在一些应用中，这可以用于帮助第一致动器将阀构件推向(或移向)闭合配置。这可以减小施加在第一致动器部分上的负载和/或减小第一致动器部分必须施加以闭合阀构件的力(因此能够使用较小的第一致动器部分)。
如前所述，流动通道从涡轮机叶轮上游的位置延伸到涡轮机叶轮下游的位置。流动通道还被构造成允许气体从涡轮机叶轮上游的所述位置流到涡轮机叶轮下游的所述位置，而不与涡轮机叶轮相互作用。
流动通道可以是任何合适的流动通道，其使得流过它的气体能够绕过涡轮机叶轮。
应当理解，涡轮机叶轮上游的位置可以是任何适当的位置。例如，它可以是涡轮机内的位置，例如涡轮机入口，或者可以是涡轮机外部的位置，例如在涡轮机形成其一部分的发动机废气歧管处的位置，或在涡轮机形成其一部分的发动机气缸处的位置。
另外，涡轮机叶轮下游的位置可以是任何适当的位置。例如，它可以是涡轮机内的位置，例如涡轮机出口，或者可以是涡轮机外部的位置，例如在涡轮机形成其一部分的发动机的废气系统的另一部分处的位置，或在涡轮机形成其一部分的涡轮机和/或发动机外部大气的一部分处的位置。
涡轮机叶轮上游的位置和涡轮机叶轮下游的位置可以各自被选择为任何适当的位置，条件是流动通道允许气体从涡轮机叶轮上游的所述位置流到涡轮机叶轮下游的所述位置而不与涡轮机叶轮相互作用。这意味着气体从涡轮机叶轮上游的位置经由流动通道流到涡轮机叶轮下游的位置，使得它不会流到涡轮机叶轮本身。这意味着流过流动通道的气体不会在涡轮机叶轮上施加任何力。在一些情况下，这种流动通道可以被称为废气门通道，并且控制这种废气门通道的阀装置可以被称为废气门阀装置。在一些实施例中，涡轮机叶轮上游的位置和涡轮机叶轮下游的位置可各自被选择为任何适当的位置，条件是流动通道允许气体从涡轮机叶轮上游的所述位置流到下游的所述位置，而不通过涡轮机腔。
当将位置称为相对于另一位置的上游或下游时，应当理解，这意味着在涡轮机装置使用时，相对于通过涡轮机装置的气体流动(通常从发动机气缸或发动机废气歧管到大气)。因此，如果一个位置在另一个位置的上游，那么通常，流过涡轮机装置的气体将在到达另一个位置之前到达上游位置。还应当理解，如果位置在另一个位置的上游或下游，则上游或下游位置必须位于在涡轮机装置使用时流过涡轮机装置的气体可以流动的点。
涡轮机壳体可包括限定流动通道的一部分的孔，使得当阀构件处于闭合配置时，孔被阀构件覆盖，使得阀构件和涡轮机壳体形成大体上防止气体流过流动通道的密封。例如，阀构件可包括直径大于孔的阀板。在使用中，当阀构件处于闭合配置时，由第一致动器部分和第二致动器部分施加到阀构件的力用于保持阀板和涡轮机壳体之间的接触，从而防止气体经由流动通道在涡轮机入口和涡轮机出口之间流动。
涡轮机壳体可以限定阀座，其中，当阀构件处于闭合配置时，阀构件接触阀座以形成大体上防止气体流过流动通道的密封。
阀构件可以在打开配置和闭合配置之间沿第一方向移动。第一方向可以是从打开配置到闭合配置的方向。第一方向可以由在阀构件和涡轮机壳体之间接触之前(或在阀构件移动而不与涡轮机壳体接触之前)，阀构件从打开配置移动到闭合配置(或从闭合配置移动到打开配置)的方向限定。例如，阀构件可沿着垂直于阀座的直线路径在打开配置和闭合配置之间移动。在这种情况下，第一方向平行于路径。在另一个示例中，阀构件的路径可以是弧形。在这种情况下，在阀构件和涡轮机壳体之间接触时，第一方向与弧形相切。
第二致动器部分可相对于阀装置沿第二方向移动。例如，第二方向可以与第一方向共线。在另一示例中，第二方向可以与第一方向成一角度。
作用在阀构件和第二致动器部分上的力可以相加以产生净力。当阀构件处于闭合配置时，在涡轮机叶轮上游的所述位置处(例如在涡轮机入口中)的气体的压力在阀构件(例如阀板)上施加力。该力可以由孔和/或阀构件的几何形状限定。同样，通过致动器气体通道流到第二致动器部分的气体的压力在第二致动器部分上施加力。该力可以由第二致动器部分的几何形状限定。阀构件和第二致动器部分可以被连接成使得作用在阀构件上的力的至少一部分被传递到第二致动器部分，并且作用在第二致动器部分上的力的至少一部分被传递到阀构件。两个传递的力在大体上相反的方向上作用并且相加以产生净力。
从阀构件传递到第二致动器部分的力可以取决于垂直于第一方向的孔的投影面积。例如，孔可以是圆形的，并且第一方向可以垂直于阀座。在这种情况下，垂直于第一方向的孔的孔的投影面积也是圆形的。在另一个示例中，第一方向可以不垂直于阀座的角度倾斜。在这种情况下，孔的投影面积是椭圆形的。
从第二致动器部分传递到阀构件的力可以取决于第二致动器部分相对于第二方向的投影面积。更具体地，从第二致动器部分传递到阀构件的力可以取决于第二致动器的部分的投影面积，该投影面积作用于(或暴露于)通过致动器气体通道流到第二致动器部分的气体。投影面积可以是垂直于第二方向的面积。
当阀构件处于闭合配置时，垂直于第一方向的孔的投影面积可以大于垂直于第二方向的第二致动器部分的投影面积，使得施加在阀构件上的净力将阀门构件推向打开配置。
当阀构件处于闭合配置时，垂直于第一方向的孔的投影面积可以大体上等于垂直于第二方向的第二致动器部分的投影面积，使得在阀构件上产生零净力。
当阀构件处于闭合配置时，垂直于第一方向的孔的投影面积可小于垂直于第二方向的第二致动器部分的投影面积，使得施加在阀构件上的净力将阀构件推向闭合配置。
在参考第二致动器部分的投影面积的情况下，这可以指第二致动器部分的一部分的面积，该部分作用于(或暴露于)通过致动器气体通道流到第二致动器部分的气体，该部分被投影在垂直于第二方向的平面上。
第一致动器部分可包括安装用于旋转的臂，以使得臂的旋转引起阀构件在打开配置和闭合配置之间的移动。例如，臂可以通过将由致动器提供的扭矩传递到阀构件来引起阀构件的移动。阀构件的移动可以是线性的或可以是旋转的。
第二致动器部分可以直接联接到阀构件。例如，第二致动器部分可以与阀构件直接接触。在使用期间，由气体施加在第二致动器部分上的力大体上与气体施加在阀构件上的力相反，以使得在第二致动器部分和阀构件之间保持接触。或者，第二致动器部分可以形成阀构件的一部分，以使得第二致动器部分和阀构件固定地连接或由一个工件形成。
第二致动器部分可以经由连杆联接到阀构件。例如，空间限制可以规定第二致动器部分不能定位在阀构件附近。在这种情况下，力可以经由连杆从第二致动器部分传递到阀构件。该连杆可以是杠杆或诸如四连杆的一系列杠杆。
第二致动器部分可包括被支撑以在致动腔室内移动的活塞构件，其中致动器气体通道将涡轮机叶轮上游的涡轮机装置的所述部分连接到致动腔室，使得致动腔室中的气体作用在活塞构件上，以促使活塞构件在致动腔室内移动，从而将阀构件推向闭合配置。
致动室可包括活塞孔，活塞构件可在其中移动，活塞构件的直径可对应于活塞孔的直径。
涡轮机可以被配置成使得致动腔室中的气体作用在活塞构件上以促使活塞构件在致动腔室内以大体上线性的方式移动，从而将阀构件推向闭合配置。
活塞构件可包括活塞环，用于在活塞构件和致动腔室的壁之间进行密封。
涡轮机可以被构造成使得第二致动器部分和阀构件中的至少一个包括弯曲表面，该弯曲表面接触第二致动器部分和阀构件中的另一个，使得第二致动器部分和阀构件之间的接触角度在阀构件在闭合配置和打开配置之间移动时可以改变。
特别地，第二致动器部分的活塞构件可包括弯曲表面，该弯曲表面接触第二致动器部分和阀构件中的另一个。活塞构件可具有第一端和第二端，第一端暴露于通过致动器气体通道流到第二致动器部分的气体，第二端与第一端相对，其包括弯曲表面。
活塞构件可包括大体上球形的球。
致动器气体通道可以由涡轮机壳体的一部分限定。
致动器气体通道可以由涡轮机壳体外部的管道限定。
涡轮机叶轮上游的涡轮机装置的所述部分可以是涡轮机入口，使得致动器气体通道使涡轮机入口与第二致动器部分气流连通。
涡轮机叶轮上游的所述位置可以是涡轮机入口。
涡轮机叶轮下游的所述位置可以是涡轮机出口。
阀装置可以是废气门阀装置。
涡轮机可以形成涡轮机构的一部分，例如涡轮增压器或动力涡轮机。也就是说，根据本发明的第二方面，提供了一种涡轮机构，其包括根据本发明的第一方面的涡轮机。
根据本发明的另一个方面，可以应用上面讨论的任何可选特征，提供了一种涡轮机装置，包括具有涡轮机壳体的涡轮机，涡轮机壳体限定涡轮机腔、位于涡轮机叶轮上游的涡轮机入口和位于涡轮机叶轮下游的涡轮机出口，涡轮机叶轮支撑在涡轮机腔内以便旋转；涡轮机叶轮旁路通道，其被构造成允许气体绕过涡轮机叶轮；以及阀装置，包括：可在打开配置和闭合配置之间移动的阀构件，其中在打开配置中，气体可以流过涡轮机叶轮旁路通道以绕过涡轮机叶轮，并且在闭合配置中，大体上防止气体流过涡轮机叶轮旁路通道；第一致动器部分，其可连接到致动器，以用于在打开配置和闭合配置之间移动阀构件；以及第二致动器部分，其经由致动器气体通道与涡轮机叶轮上游的涡轮机装置的一部分气流连通；并且其中，涡轮机装置被构造成使得气体可以从涡轮机叶轮上游的涡轮机装置的所述部分通过致动器气体通道流到第二致动器部分，使得通过致动器气体通道流到第二致动器部分的所述气体的压力作用在第二致动器部分上，以将阀构件推向闭合配置。
现在将仅以示例的方式参考附图来描述本发明的特定实施例，其中：
图1示出了已知涡轮增压器的示意性横截面；
图2示出了根据本发明第一实施例和第二实施例的涡轮增压器的一部分的外部透视图；
图3示出了根据本发明第一实施例的涡轮增压器的一部分的横截面的示意性透视图；
图4示出了如图3所示的涡轮增压器的横截面的放大示意性透视图；以及
图5示出了根据本发明第二实施例的涡轮增压器的一部分的横截面的示意性透视图。
图1示出了已知涡轮增压器的示意性横截面。涡轮增压器包括经由中心轴承壳体3连接到压缩机2的涡轮机1。涡轮机1包括涡轮机叶轮4，用于在涡轮机壳体5内旋转。类似地，压缩机2包括压缩机叶轮6，其可在压缩机壳体7内旋转。压缩机壳体7限定压缩机腔室，压缩机叶轮6可在该压缩机腔室内旋转。涡轮叶轮4和压缩机叶轮6被安装在共同的涡轮增压器轴8的相对端上，该轴8延伸穿过中心轴承壳体3。
涡轮机壳体5具有环形地围绕涡轮机叶轮4定位的废气入口蜗壳9和轴向废气出口10。压缩机壳体7具有轴向进气通道11和成角度地布置在压缩机腔室周围的蜗壳12。蜗壳12与压缩机出口50气流连通。涡轮增压器轴8在轴颈轴承13和14上旋转，轴颈轴承13和14分别朝向轴承壳体3的涡轮机端和压缩机端被容纳。压缩机端轴承14还包括止推轴承15，其与包括抛油环16的油封组件相互作用。油经由进油口17从内燃机的油系统供应到轴承壳体，并通过油通道18供给轴承组件。供给轴承组件的油可用于润滑轴承组件并从轴承组件中去除热量。
在使用中，涡轮机叶轮4通过废气从废气入口9到废气出口10的通过而旋转。废气从发动机(未示出)的废气歧管(也称为出口歧管)提供给废气入口9，涡轮增压器附接到该废气歧管。涡轮机叶轮4又使压缩机叶轮6旋转，压缩机叶轮6从而通过压缩机入口11吸入进气并经由蜗壳12将增压空气输送到发动机的入口歧管，然后输送到出口50。
废气入口9由涡轮机壳体5的一部分限定，该部分包括在远离涡轮机叶轮4的废气入口9的端部处的涡轮增压器安装凸缘27。
除了图1中所示的涡轮机的特征之外，图2至图4中示出了根据本发明的实施例的涡轮机，其包括废气门。特别地，涡轮机20包括废气门装置21和废气门通道22。取决于其配置(例如打开或闭合)，废气门装置21允许废气从入口蜗壳9通过废气门通道22流到废气出口10而不用通过涡轮机叶轮4(未示出)。这减少了从废气传递到涡轮机叶轮4的能量。
虽然在本发明的该实施例中，当需要时，废气门通道允许废气从涡轮机的入口蜗壳通过废气门通道流到涡轮机的废气出口而不用通过涡轮机叶轮(即，使得废气绕过涡轮机叶轮)，应当理解，在其他实施例中，废气门通道可允许废气以任何适当的方式绕过涡轮机。例如，在一些实施例中，涡轮机可以形成发动机废气系统的一部分，使得涡轮机叶轮通过任何适当的导管连接到发动机的废气歧管。废气门通道的一端可以连接到将废气歧管连接到涡轮机叶轮的导管的任何部分。废气门通道的另一端可以连接到涡轮机叶轮下游的任何适当的废气位置。在一些实施例中，代替废气门通道连接在涡轮机叶轮的下游(例如连接到涡轮机出口)，废气门通道可以直接通向大气。从上面可以理解，本发明包括任何这样的废气门通道：当需要时，其允许发动机产生的废气经由废气门通道流动离开涡轮机叶轮(而不是流到涡轮机的涡轮机叶轮)。
废气门通道22包括由涡轮机壳体5限定的孔23，涡轮机壳体5介于入口蜗壳9和废气出口10并连接入口蜗壳9和废气出口10。废气门装置21包括可移动阀构件24，其包括阀板241，并且具有打开配置和闭合配置。当废气门装置21处于闭合配置时(如图3和图4所示)，阀板241在废气出口10侧与涡轮机壳体5邻接，以覆盖废气门通道22。阀板241接触阀座240以大体上防止气体经由废气门通道22从入口蜗壳9流到废气出口10。当废气门装置21处于打开配置时，阀构件24定位成使得阀板241大体上离开阀座240(例如，使得它不与阀座240接触)。
阀板241由圆柱形板形成，其直径大于孔23的直径。当废气门装置21处于闭合配置时，阀板241和孔23同心地对准。
阀构件24还包括固定到阀板241的立柱242，以及介于阀板241和立柱242的衬套243。阀立柱242连接到致动器臂25，致动器臂25具有第一端251，其包括环形通道，通过该环形通道配合立柱242的管状部分。致动器臂25的第二端252可绕轴线26旋转，轴线26大体上垂直于涡轮机叶轮4的旋转轴线(未示出)延伸。
为了将废气门装置21置于打开配置中，致动器臂25绕轴线26的枢转移动通过接触立柱242来实现阀板241远离阀座240的移动。同样，为了将废气门装置21置于闭合配置中，致动器臂25绕轴线26的枢转移动通过接触衬套243来实现阀板241朝向阀座240的移动。在两种情况下，实现致动器臂25的旋转所需的扭矩由外部致动器(未示出)提供，该外部致动器可以直接或经由连杆连接到致动器臂25。
废气门盖30限定与废气门通道22的孔23同心的致动腔室29。废气门盖30可以与涡轮机壳体5分开形成(如图3至图5所示)或者废气门盖30和涡轮机壳体5可以形成为一体。气体通道28(也可以称为致动器气体通道)在致动腔室29和入口蜗壳9之间延伸，以允许致动腔室29和入口蜗壳9之间的气流连通。气体通道28包括由涡轮机壳体5限定的气体通道开口281。气体通道开口281允许来自入口蜗壳9的气体进入气体通道28并因此到达致动腔室29。在其他实施例中，气体通道可以连接到任何合适的气体源。气体源可以是压力大于废气门通道内的气体压力的气体源。在一些实施例中，气体通道开口281可位于涡轮机叶轮4上游的废气网络中的任何点处。例如，在一些实施例中，涡轮机可形成发动机废气系统的一部分，使得涡轮机叶轮通过任何适当的导管连接到发动机的废气歧管。气体通道开口可以连接到将废气歧管连接到涡轮机叶轮的导管的任何部分。在本发明的一些实施例中，例如图3至图5中所示的实施例，优选的是，气体通道开口位于废气门通道的上游(相对于通过使用中的系统的废气流)。
活塞31(也可以称为活塞构件)被约束为在致动腔室29内移动；活塞31和致动腔室29具有大体上圆形的横截面。活塞31包括活塞环311，以最小化在活塞31周围从致动腔室29到废气出口10的气体泄漏。活塞31包括下部312，下部312在使用中接触阀构件24的顶面245，使得力可以从活塞31传递到阀构件24，反之亦然。当阀构件24被致动器臂25移动时，活塞31的下部312呈圆顶形以适应活塞31和阀构件24之间的接触角度的变化。
在使用中，进入涡轮机的气体的压力具有压力Pin，离开涡轮机的气体的压力具有压力Pout，Pin大于Pout。当废气门打开时，正是这种压力差驱动气体经由废气门通道22从入口蜗壳9传递到废气出口10。
活塞31包括与入口蜗壳9气流连通的顶表面313，并且通过活塞环311大体上与废气出口10密封。气体通道28确保致动腔室29中的气体压力大体上为与经由入口蜗壳9进入涡轮机的气体相同的压力。致动腔室29中的气体压力在活塞29的顶表面上施加力Fp，该力垂直于表面313并且平行于活塞31在阀构件24的方向上的行进方向。力Fp是致动腔室29中具有值Pin的气体压力与垂直于第二方向的活塞31的投影面积Ap的乘积。计算如下：
Fp＝PinAp (1)
在当前的实施例中，第二方向(即，活塞31形式的第二致动器部分的移动方向)平行于活塞31的纵向轴线。这样，活塞31垂直于第二方向的投影面积Ap是活塞31的横截面面积。应当理解，在形成本发明的一部分的替代实施例中，第二方向(即，第二致动器部分由于致动腔室中的气体作用于其上而可以移动的方向)可以不平行于活塞的纵向轴线。在这种情况下，活塞31垂直于第二方向的投影面积Ap将是一个面积，该面积不是垂直于活塞纵轴的活塞的横截面面积。
类似地，当废气门装置21处于闭合配置时，具有压力Pin的进入入口蜗壳9的气体的压力在阀板241上施加平行于阀构件24的行进方向的力Fw。该力Fw等于压力Pin和阀板241的投影面积Aw的乘积，投影面积Aw在垂直于第一方向的入口压力Pin处暴露于气体，使得：
Fw＝PinAw (2)
暴露于为入口压力Pin的气体的阀板241的面积Aw由孔23限定。在本实施例中，第一方向(即，当阀构件24接触涡轮机壳体5时，阀构件24的移动方向)垂直于阀座240。因此，Aw是孔23垂直于第一方向的投影面积，并且是孔23的面积。应当理解，在形成本发明的一部分的替代实施例中，第一方向可以不垂直于阀座240。在这种情况下，Fw是由阀板241上的气体施加的总力的分量，其作用在第一方向上。因此，面积Aw是孔23在力Fw的方向上的投影面积。
在使用期间，力Fp用于闭合废气门装置21，并且力Fw用于打开废气门装置21。因此，应当理解，在大体上相反的方向上作用的两个力相加以产生作用在废气门装置21上的净力Fnet，使得：
Fnet＝Fw-Fp (3)
在本文中采用的惯例是，用于打开废气门装置21的力作用在正方向上，并且用于闭合废气门装置21的力作用在负方向上。这样的惯例有助于解释本发明，但仅涉及对本发明进行建模的方式，并且对于本发明起作用不是必需的。
在本实施例的第一变型中，涡轮机20被构造成使得面积Aw大于面积Ap。当废气门装置21处于闭合配置时，这产生正净力+Fnet。应当理解，净力+Fnet从废气门打开力Fw的全值减去与其相反的活塞力Fp，使得致动器臂25将废气门装置21保持在闭合配置中所需的力低于所述装置未就位的力。
在本实施例的第二变型中，涡轮机20被构造成使得面积Aw大体上等于面积Ap。当废气门装置21处于闭合配置时，这产生大体上为零的力Fnet。这样，废气门装置21仅通过力Fp保持在闭合配置中，并且当废气门装置21需要保持在打开配置时，致动力仅施加到致动器臂25上。
在本实施例的第三变型中，涡轮机20被构造成使得面积Aw小于面积Ap。当废气门装置21处于闭合配置时，这产生负净力-Fnet。这样，废气门装置21仅通过力Fp保持在闭合配置中，并且当废气门装置21需要移动到或保持在打开配置时，致动力仅施加到致动器臂25上。
图5示出了根据本发明第二实施例的涡轮机废气门的横截面。对于如图2至图4所示的第一实施例的等同特征，在图5中使用了相同的编号。在图5的实施例中，大体上球形的球32可在致动腔室29内移动。球32的直径使得从致动腔室29到废气出口10的气体泄漏最小化。球32的一部分与阀立柱242的顶面245接触，使得轴向力可在立柱242和球32之间传递。球32的另一部分暴露于在致动腔室29中处于入口蜗壳压力Pin的气体，其在球32上沿致动腔室29纵向施加轴向力Fb。该力Fb是气体压力Pin和球32的横截面面积Ab的乘积。
Fb＝PinAb (4)
应当理解，以与前一实施例相同的方式，在废气门装置21上产生净力Fnet。此外，对于本领域技术人员显而易见的是，可以改变面积Ab和Aw以实现零或负净力Fnet，如在本发明的第一实施例的变型中所描述的。
应当理解，对于上述本发明的两个所述实施例，由于气体流过气体通道28引起摩擦损失，因此致动腔室29中的压力可能低于入口蜗壳9中的压力。摩擦的总压力损失ΔP将取决于气体通道28的几何形状和流动条件。净力Fnet因此取决于压力损失ΔP、入口压力Pin和投影面积Aw和Ap，使得：
Fnet＝PinAw-(Pin-ΔP)Ap (5)
然而，与入口压力Pin相比，摩擦损失ΔP将是小的，并且，为了说明上述本发明，为可忽略不计的。
此外，在使用期间，进入涡轮机20的气体的压力可能波动。这可能反过来导致致动腔室29中的气体压力与入口蜗壳9中的气体压力之间的变化。例如，由输出废气的发动机的一个汽缸引起的压力波可以进入涡轮机20并在气体通道开口281处发散，使得一部分压力波通过入口蜗壳9，另一部分压力波通过气体通道28。气体通道28的长度可以大于气体通道开口281和废气门通道22之间的距离。在这种情况下，压力波将在到达致动腔室29之前到达废气门通道22，从而导致致动腔室29和废气门通道22之间的压力变化。然而，这种变化的持续时间可能相对较小，使得压力变化可以忽略不计。然而，在一些实施例中，可以选择气体通道28的长度，使得压力波(经由涡轮机入口)到达阀板241的时间与该压力波到达废气门装置21的第二致动器部分(例如，表面313或通过气体通道28暴露于气体的球32的表面)的时间大体上相同。例如，当气体通道开口281和废气门装置的第二致动部分之间的距离除以通过气体通道的压力波的速度大体上等于气体通道开口和阀板之间的距离除以通过气体通道开口和阀板之间的入口的压力波的速度时，就会发生这种情况。如本领域技术人员将理解的，压力波速度将取决于系统的流体力学，例如，诸如局部温度、粘度、可压缩性的气体性质，并且因此发散的压力波的速度可以变化(例如，如果气体特性和/或路径结构对于发散的压力波是不同的)。
还应当理解，致动腔室29中的压力将受到气体通道开口281相对于废气门通道22的位置的影响。例如，气体通道开口281可以定位在不形成入口蜗壳9的一部分的涡轮机壳体5的部分中，例如通过涡轮机安装凸缘27。在这种情况下，在致动腔室29中的气体压力可以大于作用在阀板241上的涡轮机入口9中的气体压力。这可能是因为气体在气体通道开口281和废气门通道22的位置之间流过入口蜗壳时产生摩擦损失，以及由入口蜗壳9的流过面积的收缩引起的文丘里效应。在另一个实施例中，气体通道开口281可以在涡轮机叶轮4的上游，但在废气门通道22的下游。当废气门装置21处于打开配置时，由于绕过涡轮机叶轮4的废气，邻近气体通道开口281的气体压力将大大小于废气门通道22上游的气体压力。
在上面讨论的以及如图2至图5所示的本发明的两个实施例中，致动腔室29和活塞31(或球形的球32)具有圆形横截面；然而，应当理解，具有任何基本恒定的横截面的活塞/汽缸装置可以构成本发明的一部分。
尽管前面的描述涉及根据本发明的涡轮机的实施例，其中废气门装置21允许废气从入口蜗壳9排放到废气出口10，但是应当理解，根据本发明的涡轮机可以允许废气从入口蜗壳9排放到大气而不用通过排气出口10。
尽管前面的描述涉及根据本发明形成涡轮增压器的一部分的涡轮机的实施例，但是应当理解，根据本发明的涡轮机可以形成任何合适的涡轮机构的一部分。例如，根据本发明的涡轮机可以形成不包括压缩机的涡轮机构的一部分。特别地，根据本发明的涡轮机可以形成动力涡轮机的一部分，例如将涡轮机叶轮的旋转转换成电力的动力涡轮机。
尽管上述实施例涉及与气体一起操作的涡轮机，但是应当理解，根据本发明的涡轮机可以与任何适当的流体(例如液体)一起操作。
在一些实施例中，气体通道可包括气流控制装置，例如但不限于阀，其具有允许气体经由气体通道从涡轮机入口流到第二致动器部分的打开配置，以及大体上防止气体经由气体通道从涡轮机入口流到第二致动器部分的闭合配置。在某些应用中，可能需要控制气流控制装置以选择性地启用或禁用第二致动器部分。此外，在某些应用中，可能希望控制气流控制装置，以控制第二致动器部分被流过气体通道的气体作用的程度，并从而控制第二致动器部分将阀构件推向闭合配置的程度。
尽管上述实施例涉及一种包括阀装置(例如废气门阀装置)的涡轮机装置，该阀装置具有襟翼式阀，其中阀构件通过致动器臂的旋转在打开配置和闭合配置之间移动，但是应当理解的是，根据本发明的涡轮机装置可包括任何适当的阀装置和相关的致动器。例如，在一些实施例中，阀装置可以不包括襟翼式阀。阀装置可包括提升式阀，其中阀构件的移动是线性的。其他可能类型的阀包括但不限于滑阀、套筒阀和旋转阀。或者，阀装置可包括用作废气再循环系统的一部分的类型的阀。
还应当理解，尽管上述实施例的阀构件包括平面阀板，该平面阀板由环形阀座接收以形成密封，但是可以使用任何适当的阀构件。例如，阀构件可以替代地包括截头圆锥形外表面，并且阀座可以包括相应的截头圆锥形内表面，使得阀构件的外表面由阀座的内表面接收以形成密封。在其他实施例中，阀构件可以是双阀构件，其具有本申请人名下的WO2007138325中讨论的一般类型的大致“箭头”配置。
尽管上述实施例涉及涡轮增压器的涡轮机，但是应当理解，本发明同样适用于任何形式的涡轮机和涡轮机装置。
此外，上述实施例涉及涡轮机叶轮上游位置和废气门通道形式的涡轮机叶轮下游位置之间的流动通道(和相关的阀装置)。然而，本发明同样可以应用于任何类型的流动通道(例如，涡轮机叶轮上游位置和涡轮机叶轮下游位置之间的流动通道，以及不位于涡轮机叶轮上游位置和涡轮机叶轮下游位置之间的流动通道)和任何适当的相关阀装置。例如，本发明可应用于废气再循环(EGR)流动通道和相关的废气再循环阀装置，或用于调制的两级涡轮机装置的废气分流器/旁路流动通道和相关的阀，或用于具有提升阀类型和相关的废气门/旁通阀装置的废气门/旁路流动通道。
在所描述的实施例中，第二致动器部分经由致动器气体通道与涡轮机叶轮上游的涡轮机装置的一部分(特别是涡轮机入口)气流连通。换句话说，致动器气体通道使第二致动器部分与加压气体源(在这种情况下是涡轮机叶轮上游的气体)气流连通。在一些实施例中，致动器气体通道可将第二致动器部分连接到任何适当的加压气体源。例如，加压气体源可以是来自加压气体储存器的气体，被涡轮增压器的压缩机压缩的气体或直接从发动机气缸中排出的废气。

Claims (22)

1.一种涡轮机装置，包括：
涡轮机，包括涡轮机壳体，所述涡轮机壳体限定：
涡轮机腔，涡轮机叶轮支撑在所述涡轮机腔内以便旋转，
位于所述涡轮机叶轮上游的涡轮机入口，以及
位于所述涡轮机叶轮下游的涡轮机出口；
位于所述涡轮机叶轮上游的位置和所述涡轮机叶轮下游的位置之间的流动通道，其被构造成允许气体从所述涡轮机叶轮上游的所述位置流到所述涡轮机叶轮下游的所述位置而不与所述涡轮机叶轮相互作用；以及
阀装置，包括：
阀构件，其能够在打开配置和闭合配置之间移动，其中在所述打开配置中，气体可以从所述涡轮机叶轮上游的所述位置通过所述流动通道流到所述涡轮机叶轮下游的所述位置，并且在所述闭合配置中，气体大体上被阻止流动通过所述流动通道；
第一致动器部分，其可连接到致动器，以用于在所述打开配置和所述闭合配置之间移动所述阀构件；以及
第二致动器部分，其经由致动器气体通道与位于所述涡轮机叶轮上游的所述涡轮机装置的一部分气流连通；以及
其中，所述涡轮机装置被构造成使得气体可以从所述涡轮机叶轮上游的所述涡轮机装置的部分通过所述致动器气体通道流到所述第二致动器部分，使得通过所述致动器气体通道流到所述第二致动器部分的所述气体的压力作用在所述第二致动器部分上，以将所述阀构件推向所述闭合配置。
2.如权利要求1所述的涡轮机装置，其特征在于，所述涡轮机壳体包括限定所述流动通道的一部分的孔，使得当所述阀构件处于所述闭合配置时，所述孔被所述阀构件覆盖，从而使得所述阀构件和所述涡轮机壳体形成密封，所述密封大体上防止气体流过所述流动通道。
3.如权利要求2所述的涡轮机装置，其特征在于，所述涡轮机壳体限定阀座，并且其中，在所述闭合配置中，所述阀构件接触所述阀座以形成所述密封，所述密封大体上防止气体流过所述流动通道。
4.如权利要求2或3所述的涡轮机装置，其特征在于，所述阀构件在所述打开配置和所述闭合配置之间沿第一方向移动。
5.如权利要求4所述的涡轮机装置，其特征在于，所述第二致动器部分相对于所述阀装置沿第二方向移动。
6.如权利要求5所述的涡轮机装置，其特征在于，当所述阀构件处于所述闭合配置时，垂直于所述第一方向的孔的投影面积大于垂直于所述第二方向的所述第二致动器部分的投影面积，使得施加在所述阀构件上的净力将所述阀构件推向所述打开配置。
7.如权利要求5所述的涡轮机装置，其特征在于，当所述阀构件处于所述闭合配置时，垂直于所述第一方向的孔的投影面积大体上等于垂直于所述第二方向的所述第二致动器部分的投影面积，使得在所述阀构件上产生零净力。
8.如权利要求5所述的涡轮机装置，其特征在于，当所述阀构件处于所述闭合配置时，垂直于所述第一方向的孔的投影面积小于垂直于所述第二方向的所述第二致动器部分的投影面积，使得施加在所述阀构件上的净力将所述阀构件推向所述闭合配置。
9.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机装置，其特征在于，所述第一致动器部分包括安装成用于旋转的臂，使得所述臂的旋转引起所述阀构件在所述打开配置和所述闭合配置之间的移动。
10.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机装置，其特征在于，所述第二致动器部分直接联接到所述阀构件。
11.如权利要求1至10中任一项所述的涡轮机装置，其特征在于，所述第二致动器部分经由连杆联接到所述阀构件。
12.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机装置，其特征在于，所述第二致动器部分包括被支撑在致动腔室内以移动的活塞构件，其中所述致动器气体通道将所述涡轮机叶轮上游的涡轮机装置的所述部分连接到所述致动腔室，使得所述致动腔室中的气体作用在所述活塞构件上，以促使所述活塞构件在所述致动腔室内移动，从而将所述阀构件推向所述闭合配置。
13.如权利要求12所述的涡轮机装置，其特征在于，所述致动腔室中的气体作用在所述活塞构件上，以促使所述活塞构件在所述致动腔室内以大体上线性的方式移动，从而将所述阀构件推向所述闭合配置。
14.如权利要求12或13所述的涡轮机装置，其特征在于，所述活塞构件还包括活塞环，其用于在所述活塞构件和所述致动腔室的壁之间进行密封。
15.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机装置，其特征在于，所述第二致动器部分和所述阀构件中的至少一个包括弯曲表面，所述弯曲表面接触所述第二致动器部分和所述阀构件中的另一个，使得所述第二致动器部分和所述阀构件之间的接触角度可以随着所述阀构件在所述闭合配置和所述打开配置之间移动而改变。
16.如权利要求12至15中任一项所述的涡轮机装置，其特征在于，所述活塞构件包括大体上球形的球。
17.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机装置，其特征在于，所述致动器气体通道由所述涡轮机壳体的一部分限定。
18.如权利要求1至17中任一项所述的涡轮机装置，其特征在于，所述致动器气体通道由所述涡轮机壳体外部的管道限定。
19.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机装置，其特征在于，所述涡轮机叶轮上游的涡轮机装置的所述部分是所述涡轮机入口，使得所述致动器气体通道将所述涡轮机入口与所述第二致动器部分气流连通。
20.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机装置，其特征在于，所述涡轮机叶轮上游的所述位置是所述涡轮机入口。
21.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机装置，其特征在于，所述涡轮机叶轮下游的所述位置是所述涡轮机出口。
22.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机装置，其特征在于，所述涡轮机形成涡轮增压器或动力涡轮机的一部分。
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