CN101171408A - 用于涡轮增压器的阀门调节 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了具有一个阀门组件34的一种两级涡轮增压器单元10，该阀门组件有助于产生使排气能量从该高压(HP)涡轮16向该低压(LP)涡轮22的平稳过渡。该LP和HP涡轮22、16被定位成使得一个阀门36能够处于一个位置而迫使所有排气流经该HP涡轮16，并且当处于另一位置时迫使所有排气穿过该LP涡轮22。当该阀门36被置于一个中间位置时，该排气被可变地引导流经两个涡轮16、22，其中排气流经每个涡轮16、22的百分比取决于该阀门36的位置。

Description

用于涡轮增压器的阀门调节
技术领域
本发明涉及在一个两级涡轮增压器中对多个控制阀门的使用。
背景技术
两级涡轮增压器是公知的并被用于各种发动机中。它们包括一个高压(HP)涡轮和一个低压(LP)涡轮，其中每个涡轮具有其自己的压缩机。在正常运行条件下，当该发动机以较低的速度运转时，通常只有该HP涡轮处于使用状态。当该发动机以较低的速度运转时，它产生较少的排气能量。该较少量的排气能通常不足以向该LP涡轮提供动力，但是它确实提供了足够的能量来驱动该HP涡轮。在运行期间，当该发动机开始加速时，该HP涡轮通常由该较低能量的排气来运行，但是在该发动机达到某一确定速度和载荷之后，该HP涡轮开始与LP涡轮串联运行，直到该HP涡轮提供足以对发动机性能具有任何影响的流量为止。当这种情况发生时，该LP涡轮开始运行并且产生更高水平的增压，超过该HP涡轮和该LP涡轮一起运行时相比所不能产生的水平。增加发动机的速度还增加了排气的能量，这是运行该LP涡轮所必需的。
两级涡轮增压器的另一常见问题发生在较高的发动机速度情况下，这时该HP涡轮并未与排气的气流切断。在这种情况下，存在“超速”的可能，即，所增加的排气能量会致使该HP涡轮以可能造成损坏的速度而转动。已经使用了两级串联涡轮增压器系统的控制阀来调节流入该LP涡轮的排气压力的量值。这些阀通常用于关闭到该LP涡轮的排气流，从而仅允许排气流向该HP涡轮，直到该HP涡轮不再有影响为止，此时该阀打开一条路径以允许排气流向该LP涡轮。这在低发动机速度下对于提供增压是有益的，但是对防止该HP涡轮的超速没有帮助。
因此，希望开发在一个两级涡轮增压器系统中用于从HP涡轮向LP涡轮过渡的一种装置，连同在防止一个HP涡轮中的超速方面的一种改进。
发明内容
本发明的一个第一实施方案涉及用于一个两级涡轮增压器的一个阀调节组件，该两级涡轮增压器具有一个高压涡轮增压器单元、一个低压涡轮增压器单元以及可操作地与该高压和该低压涡轮增压器单元相关联的一个阀门。该高压涡轮增压器单元具有可操作的用于接收排气流的一个高压涡轮。该低压涡轮增压器具有位于该高压涡轮增压器单元下游的一个低压涡轮部分。该阀门可将来自排气源的排气引至或者该高压涡轮增压器单元、该低压涡轮增压器单元，或者在它们之间分配该排气流。
本发明的一个第二实施方式涉及在一辆机动车中使用的一种两级涡轮增压器，该两级涡轮增压器具有一条排气管道、一个高压涡轮增压器单元、一个低压涡轮增压器单元以及通过该排气管道可操作地与该高压涡轮增压器相关联的一个阀门。该高压涡轮增压器单元与该排气管道相关联并可操作的用于接收排气流。该低压涡轮增压器单元连接于该排气感到并位于该高压涡轮的下游。该阀门可处于一个位置而限制所有排气流仅穿过该高压涡轮的，或者该阀门可被移动至另一位置以便阻止该排气流进入该高压涡轮从而将所有排气流引至该低压涡轮。
本发明的一个第三实施方式涉及对在一辆机动车中使用的一个两级涡轮增压器中的排气流进行引导的一种方法，该方法包括以下步骤：提供一个高压涡轮，提供一个低压涡轮，提供用于排气的一条管道，以及提供该管道的一个阀门。该低压涡轮位于该高压涡轮的下游。该管道允许排气从该高压涡轮流向该低压涡轮。该阀门用于将排气从该高压涡轮引至该低压涡轮。
通过以下提供的详细描述，本发明的其他适用性领域将变得显而易见。应当理解，尽管示出了本发明的优选实施方案，但这些详细描述和具体实例仅用于说明性的目的，并非旨在限制本发明的范围。
附图说明
通过下面的详细描述和附图将能更全面地理解本发明，附图中：
图1是在具有一个排气组(exhaust bank)的一台发动机中使用具有本发明的两级涡轮增压器的一个示意图；
图2是在具有两个排气组的一台发动机中使用具有本发明的两级涡轮增压器的一个示意图；
图3是本发明的阀门组件部分的一个俯视图；
图4是本发明的阀门组件部分的一个仰视图；
图5是本发明的阀门组件部分的一个平面图；
图6是本发明的阀门组件部分的一个截面视图，其中该阀门处于阻挡排气入口端的位置；
图7是本发明的阀门组件部分的一个截面视图，其中该阀门处于阻挡HP涡轮入口端的位置；以及
图8是本发明的阀门组件部分的一个截面视图，其中该阀门处于一个中间位置。
具体实施方式
下面对于(多个)优选实施方案的描述在本质上仅是示例性的，且并绝非旨在限制本发明、本发明的应用，或用途。
参见图1，以标号10在总体上示出了一个两级排气涡轮增压器单元。该两级排气涡轮增压器具有以标号12总体上表示的一个高压(HP)涡轮增压器单元，和以标号14总体上表示的一个低压(LP)涡轮增压器单元。该HP涡轮增压器单元12包括一个HP涡轮16，以及具有一个出口端20的HP压缩机18。类似地，该LP涡轮增压器单元14包括一个LP涡轮22和具有一个出口端26的LP压缩机24。该LP涡轮22安装在一个排气歧管28上。该LP压缩机24连接于一条进气管线30，该进气管线连接于LP压缩机24的中心处。一条进气管道32在一个第一端上连接于排气口26，而在一个第二端上连接于该HP涡轮18的中心。
该HP涡轮16和该LP涡轮22由以标号34总体上表示的一个阀门组件连接，它具有一个阀门36，如图1和图3-8中所示。该阀门组件34安装在排气歧管28上并接受来自或者第二排气歧管40或者该HP涡轮出口42的排气。该阀门组件34还包括一个杆44、与一个第一接触面48联合工作的一个第一阀板46，以及与一个第二接触面52联合工作的一个第二阀板50。该第一阀板46和该第二阀板50面向彼此相反的方向，并通过一个销54相连接，且安装于一个阀杆56上。该阀杆56固定在一个铰链组件58上以便进行转动。该阀门组件34还包括一个排气入口端60，一个HP涡轮入口端62、一个LP涡轮出口端64，以及一个可转动的连接器66。该可转动的连接器66连接于一个致动器(未示出)，该致动器可以是由车辆的电子控制单元控制的液压、气动或某种其他类型的装置。
现在描述对构造用于如图1所示的一个单一组排气系统的本发明的操作。在低发动机速度运行期间，当车辆首先开始加速时，该阀门36被用于关闭排气入口端60，并且排气压力很低，从而迫使所有排气通过该HP涡轮16。当该阀门36构造为这种方式时，来自该排气歧管28的排气穿过第一排气歧管出口38、穿过该HP涡轮16、穿过该HP涡轮出口42、穿过该HP涡轮入口端62并流入该阀门组件34中。然后，该阀门组件34将排气引入该LP涡轮22中，在该LP涡轮中，该排气随后进入排气系统(未示出)的其余组件中。当所有排气被迫穿过该HP涡轮16时，新鲜空气流经该进气管线30，穿过该LP压缩机24，并穿过出口端26。随后，该空气流经该进气管道32，并进入该HP压缩机18中。该HP压缩机18压缩从该进气管32接受的新鲜空气，并迫使其进入发动机(未示出)的进气歧管。
在所有排气都被引向该HP涡轮的过程中，该LP压缩机24未被启动，这是因为它由LP涡轮22控制，而该LP涡轮也未被启动。该LP涡轮22在尺寸方面比该HP涡轮16大，而且该LP压缩机24比该HP压缩机18大。在该过程中两者均未被启动的原因是在较低的发动机速度下排气流的体积大小不足以启动该LP涡轮22，而且流入该系统的新鲜空气的体积大小不足以使LP压缩机24有效地对其进行压缩。将所有排气引入该较小的HP涡轮16允许HP压缩机18提供流入该发动机的进气歧管所必须的压缩空气量，从而增加处于低发动机速度下的发动机的动力。
随着该发动机速度增加以及该车辆加速，该较小的HP涡轮16和HP压缩机18变得作用越来越小。当该发动机速度增加至某一预定值时，该车辆的电子控制单元支配致动器(未示出)打开该阀门36，提升该第二阀板50离开该第二接触面52，允许来自该排气歧管28的排气流经该第二排气歧管出口40，穿过该排气入口端60，并随后穿过该阀门组件34。接着，该排气穿过该LP涡轮出口端64离开并流入该LP涡轮22，随后该排气流入其余的排气系统组件。当该LP涡轮22被增加的排气压力启动时，该LP压缩机24将开始压缩从进气管线30进入的空气。接着，该压缩空气被迫穿过该出口端26并进入该进气管道32中，这里它接着流经该HP压缩机18、穿过该出口端20，并进入该发动机的进气歧管。在这部分操作过程中，进入该HP压缩机18的空气已经被该LP压缩机24压缩，且该LP压缩机24不再进一步压缩该空气。
随着该发动机速度继续增加，该阀门36继续转动进一步离开该排气入口端60，并移到更靠近该HP涡轮入口端62。当它变得必须引导所有排气直接流入该LP涡轮22中时，该阀门36移动到该第一阀板46与该第一接触面48相接触的位置中。当该阀门36处于该位置中时，排气无法从该HP涡轮16流入该阀门组件34中。所有排气从该排气歧管28流出，穿过该第二排气歧管出口40，并进入该阀门组件34中。该阀门36可由连接于该可转动的连接器66的一个致动器或某种其他装置来控制，它使杆44转动，从而使该阀门36转动。
当关闭该第二排气歧管出口40或该HP涡轮出口42时，该阀门36提供从排气流经过该HP涡轮16到该LP涡轮22的一个平稳过渡，并且可被移动到其间的任意位置以根据驾驶条件的要求引导排气的流动。
还应当注意，本发明的另一优点是该阀门组件34相对于该HP涡轮16和该LP涡轮22的方位。阀门36所处的位置是，当该第一阀板46被压在该第一接触面48上时，以及当该第二阀板50被压在该第二接触面52上时，排气的气流均推动该阀门36。这种情况还发生在当该阀门36处于其间的任意位置时。并且，该铰链组件58所处的位置是在该HP涡轮出口42与该第二排气歧管出口40之间。将该铰链组件58定位在该位置中允许使用一个单个的阀来将排气或者引向HP涡轮16或者引向LP涡轮22。并且，该阀门组件34不仅是用于将排气流引向这些涡轮的每一个，该阀门组件34还能阻止排气流进入HP涡轮16，从而防止超速和损坏。另外，例如与如果该阀门36被定位于该第二排气歧管出口40前面或被定位于该HP涡轮出口42前面相比，将该阀门36定位于前述位置中允许对排气流进行更大的控制。
本发明还可与具有两个排气组的发动机一起使用，诸如与一台“V-6”或“V-8”发动机一起使用。该实施方案如图2所示，并且类似于图1所示的实施方案，其中相同标号表示相同元件。此外，该实施方案还包括连接于一个第一排气组(未示出)和一个第一开口70的一个第一排气管68，以及连接于一个第二排气组(未示出)和一个第二开口74的一个第二排气管72。在该实施方案中，排气从该第一排气管68流入该第一开口70，并从该第二排气管72流入该第二开口74。接着，该排气流入该排气歧管28中，在这里通过使用该阀门组件34而使它被引导流入该HP涡轮16中或者该LP涡轮22中。对该HP涡轮增压器单元12、该LP涡轮增压器单元14和该阀门组件34的其余操作保持与在前实施方案中所提到的相同。
对本发明的描述在本质上仅是示例性的，因此，不背离本发明的宗旨的多种变更均旨在包括于本发明的范围内。这些变更不应该被认为背离了本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.用于一个两级涡轮增压器的一种阀门调节组件，包括：
一个高压涡轮增压器单元，具有可操作的用于接收一个排气流的一个高压涡轮部分；
一个低压涡轮增压器单元，具有一个低压涡轮部分，并且位于所述高压涡轮增压器单元的下游；
一个阀门，可操作地与所述高压和所述低压涡轮增压器单元的所述涡轮部分相关联；并且
其中，所述阀门可将所述排气流从所述排气流的一个源引至所述高压涡轮增压器单元和所述低压涡轮增压器单元的至少一个。
2.权利要求1的发明，进一步包括可操作地与一台发动机相关联的一个排气歧管，其中，所述高压涡轮增压器单元可操作地与所述排气歧管相关联。
3.权利要求1的发明，其中，当所述阀门被定位成使得所述高压涡轮增压器单元与所述排气流隔断并且所述阀门完全打开时，所述排气流使得所述排气对所述阀门施加压力。
4.权利要求1的发明，其中，当所述阀门被定位成迫使所有排气穿过所述高压涡轮增压器单元时，所述排气流仍然对所述阀门施加压力。
5.权利要求1的发明，其中，所述阀门由一种致动器而保持在其所希望的位置中，该制动器选自由一个电力致动器、一个液压致动器、一个气动致动器及它们的组合所组成的组。
6.权利要求4的发明，其中，所述致动器操纵所述阀门以将排气流引至所述高压涡轮增压器单元和所述低压涡轮增压器单元两者。
7.用在一辆机动车中的一种两级涡轮增压器，包括：
一条排气管道；
一个高压(HP)涡轮增压器单元，与所述排气导管可操作地相关联并且可操作的用于接收一个排气流；
一个低压(LP)涡轮增压器单元，连接于所述排气管道并且位于所述高压涡轮的下游；
一个阀门，定位为可操作地穿过所述排气管道与所述高压涡轮相关联；并且
其中，所述阀门可处于一个位置中以便限制所有所述排气流仅穿过所述高压涡轮，或者所述阀门可被移动至另一位置中以便阻止所述排气流进入该高压涡轮，从而引导所有所述排气流至所述低压涡轮。
8.权利要求7的发明，进一步包括与一台发动机可操作地相关联的一个排气歧管，其中，所述高压涡轮增压器单元与所述排气歧管可操作地相关联。
9.权利要求8的发明，其中，所述阀门被定位于靠近所述排气歧管的所述第一出口，其中，来自所述排气歧管的排气流向所述阀门施加离开所述排气歧管的偏。
10.权利要求7的发明，其中，所述阀门被定位于所述高压涡轮的输出侧上，从而允许穿过所述高压涡轮的排气流向所述阀门施加离开所述高压涡轮的偏压。
11.权利要求7的发明，其中，所述阀门由一种致动器来控制，该致动器选自由一个电力致动器、一个液压致动器、一个气动致动器以及它们的组合所组成的组，其中，所述致动器将所述阀门保持在用于阻止所有排气流经所述高压涡轮所必须的位置中，或者用于迫使所有排气穿过所述高压涡轮所必须的位置中。
12.权利要求11的发明，其中，所述致动器还可将所述阀门定位成分配该排气流同时穿过所述高压涡轮和所述低压涡轮两者。
13.对用在一辆机动车中的一个两级涡轮增压器中的排气流进行引导的一种方法，该方法包括以下步骤：
提供一个高压涡轮；
提供一个低压涡轮，所述低压涡轮位于所述高压涡轮的下游；
提供一条管道，用于使排气从所述高压涡轮流向所述低压涡轮；
提供位于所述管道中的一个阀门；并且
其中，所述阀门被用于将排气从所述高压涡轮引至所述低压涡轮。
14.权利要求13的方法，进一步包括提供一个排气歧管用于将排气分配到所述管道和所述高压涡轮中的步骤。
15.权利要求14的方法，进一步包括将所述阀门定位在一个位置中以便使所述阀门枢转于所述排气歧管与所述高压涡轮的输出侧之间、以及在其间的任意位置的步骤。
16.权利要求14的方法，进一步包括涡轮用在所述排气歧管中的一个第一出口和一个第二出口的步骤，其中，所述第一出口是用于将排气直接分配到所述高压涡轮中，而所述第二出口用于将排气直接分配到所述管道中。
17.权利要求14的方法，进一步包括将所述阀门移动到一个位置以关闭所述高压涡轮的所述出口的步骤，从而迫使所有排气直接流经所述排气歧管的所述第二出口，并直接进入所述管道。
18.权利要求14的方法，进一步包括将所述阀门移动到一个位置以关闭所述排气歧管的所述第二出口的步骤，从而迫使所有排气直接流入所述高压涡轮中。
19.权利要求13的方法，进一步包括通过一个致动器控制所述阀门的步骤。
20.权利要求19的方法，其中，该致动器是选自由一个电力致动器、一个液压致动器、一个气动致动器以及它们的组合所组成的组。
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