CN101657620A - 具有可调节喉管的涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃机的排气涡轮增压器，其具有涡形或螺旋形的涡轮壳体和压缩机壳体，其中，涡轮转子和压缩机叶轮通过公共轴而彼此连接。涡轮壳体的排气入口具有固定分流器。一枢转的流量控制闸门附接至固定分流器的下游端。提供控制装置，以当需要涡轮增压时使枢转的流量控制闸门朝着涡轮转子适时地枢转，从而对转子提供初始的高速旋转。可调节的方向流量控制阀利用来自压缩机的增压而适时地致动连接至枢转的流量控制闸门的活塞和杆，或者，来自发动机控制模块(ECM)的信号可被引导至液压的、气动的或电动的致动器，该致动器具有连接至流量控制闸门的可往复运动的控制杆。

Description

具有可调节喉管的涡轮增压器
交叉参考
本申请是2006年3月30日提交的序列号为US 60/767,467的临时专利申请的部分继续申请。
技术领域
本发明涉及一种内燃机使用的涡轮增压器，尤其是对排气涡轮转子的转速进行控制，所述转速是供给至进气歧管的增压(boostpressure)的函数。
背景技术
涡轮增压器是众所周知的用于向内燃机的进气口供应压力高于大气压(通常称作“增压”)的空气的装置，并广泛应用在所有类型的车辆中。
传统的涡轮增压器包括位于涡形涡轮壳体内的具有多个翼片的涡轮转子或轮子。涡轮转子通过来自于发动机且撞击涡轮翼片的排气而旋转。转子经由连接轴将驱动扭矩提供给压缩机。供给至压缩机的环境空气产生增压，该增压被供给至发动机的进气歧管。排气涡轮的流量是外壳涡形面积的函数，并且是排气冲击涡轮翼片时的排气通道的函数。必须调节排气流量以控制压缩机速度，从而在歧管压力中产生想要的增压。
典型的离心压缩机包括由涡轮转子高速驱动的叶轮。环绕叶轮的扩压器(diffuser)使得被送往进气歧管的环境空气的压力增加。
任何涡轮增压器的一个具体目的是需要快速响应，即防止通过将节流阀设置在敞开位置而首次要求发动机高功率输出时的时间和压缩机传递进气歧管气压中的增压时的时间之间的延时或延迟。在一些情况中，当需要基本上即时的响应时，延时会导致危险的驾驶情况。
其他人提出了几何形状可变的涡轮和用于相对于涡轮转子导引、分隔或改变排气方向的可移动叶片，从而控制其转速。
美国专利4,893,474描述了一枢转的阀构件，其由弹簧承载式钟形曲柄(spring loaded bell-crank lever)致动以控制排气阀将排气排出排气通道。在涡轮增压器中经常使用废气门，其在高速下打开，以绕过涡轮中的一部分排气流，以保持涡轮增压器的低速，从而保持进气歧管压力低于给定的临界值。
美国专利4,510,754和6,073,447教导了如何用具有不同横截面的分离的第一和第二通道使排气进入涡壳。用挡板阀及相关控制系统来选择性地打开和关闭这些通道。
美国专利4,565,068和4,927,325描述了涡壳的入口，其具有同心隔开的隔板和沿气流的方向布置的多个同心固定的单独的壁部。壁部之间的空间形成孔，以在涡轮转子上施加均匀的冲击。
美国专利4,729,715提供了至少一个或多个可移动以改变通道面积但仍允许整个排气流通过涡壳的壁件。所述壁件是这样的叶片，在叶片的前部和后部之间包括通道，该通道形成喷嘴，以辅助在涡壳中分布气体通道。
其他专利，例如，美国专利4,179,247提出了可变截面涡轮(VAT)，或者，美国专利6,272,859提出了具有可变喷嘴叶片或具有独立枢转的涡轮叶片的可变几何涡轮(VGT)。
这种装置通常需要复杂的涡轮涡壳壳体和控制装置。
发明内容
本发明涉及一种可变涡轮增压器，其典型地包括涡形壳体和排气驱动的涡轮转子，该涡轮转子驱动压缩机，以向内燃机的进气歧管提供增压空气。流量控制闸门设置在壳体的入口中，并适于根据命令(指令)绕横向铰链从中间第一位置沿下游方向旋转或枢转至朝向涡轮转子的叶片的第二位置。
另一实施方式涉及涡壳的入口喉管的修改和/或改进，其具有耐热的固定分流器，以将排气流在涡轮转子附近相等地或不等地分成外部路径和的内部路径。在分流器的下游端的是枢转的流量控制闸门，其能够在内部路径中从中间第一位置移动至朝向涡轮转子的叶片的第二位置。在第二位置中，流量控制闸门关闭内部路径，导致排气流作用于转子的速度更高，从而提供涡轮转子的初始的快速的“旋转”。这减小了到达内部路径中的排气的体积，却增加了作用在涡轮转子上的速度和/或压力。这使得涡轮增压器达到最优工作速度，以基本上降低或消除有害排放，同时，增加初始的发动机输出功率并减小从操作者开始发信号加速起的延时。
流量控制闸门的操作可包括使用基于微型计算机的电子控制模块(ECM)。典型地，ECM接收涉及下列因素但不限于下列因素的输入：车速、环境空气条件、发动机参数(例如，节流阀位置、所注入的燃料以及实际增压和期望增压)以及流量控制闸门位置。来自ECM的适当信号可传至使流量控制闸门枢转的致动器。可以气动地、液压地或电动地(例如，用螺线管)控制这种致动器。
具体地，在一个实施方式中，枢转的流量控制闸门的操作由施加至气动方向流量控制阀并通过其的增压来控制，所述流量控制阀使活塞在双向气缸致动器中移动。活塞连接至附于枢转的流量控制闸门的控制杆。流量控制阀和气缸根据涡轮增压器的需求而由增压输入适时地致动。流量控制阀包括弹簧承载式调节装置，其控制枢转的流量控制闸门从第一中间位置到其第二操作位置的定时和操作，反之亦然。
附图说明
图1是具有本发明所示装置的一种形式的发动机和涡轮增压器控制系统的结构图。
图2示意性地示出了本发明的涡轮增压器在处于中间位置时(例如，当发动机处于轻载下或对进气歧管有最小的增压时)的操作。
图3示意性地示出了当发出信号需要初始增压并且发动机开始加载时本发明的涡轮增压器和流量控制闸门的操作。
图4示意性地示出了发动机继续提供增压和/或返回中间位置时的状态。
图5是流量控制闸门的替代实施方式的示意图。
图6是共同使用ECM与其他发动机系统传感器的另一种形式的发动机和涡轮增压器控制系统的结构图。
具体实施方式
参照图1，变截面涡轮增压器及其控制系统通常用数字10表示，其包括涡形或螺旋形构造的涡轮室12、致动器14和方向控制阀16，其细节和操作将在下面描述。压缩机18典型地包括经由轴21连接至涡轮转子20的叶轮(未示出)。涡轮室12接收经由排气管24来自内燃机22的气缸的热排气。在进入涡轮室12之后，气体通向涡轮转子20的叶片，并从那儿排出。
压缩机经由入口28吸入环境空气，以高于大气压的压力(称作“增压”)压缩空气，并经由管道30将其排入发动机进气歧管32。
本发明的控制系统可包括基于微型计算机的电子控制模块或发动机控制模块(ECM)34，在一种概念中，其使用增压控制器36将如虚线37所示的适当信号发送至管道40，以操作涡轮增压器控制系统10。如本领域公知的，传感器38与各种发动机参数以及ECM使用的条件有关，以确保涡轮增压器的最大效率，这里不再对其进行详细描述。
如下文所述，经由管道40的增压用来操作涡轮增压器和控制系统10。
现在参照图2，图3和图4，其中，相似的数字代表相似的部件，涡轮增压器控制系统10包括典型的涡形或螺旋形的涡轮壳体12，其具有将发动机排气24通入转子20及其叶片的入口50。
固定分流器52将进入入口的排气流分流(divide)。这种分流可产生相等的或不等的外部流道和内部流道。流量控制闸门54附接至分流器52的下游端，并从如图2所示的中间第一位置枢转至如图3所示的朝向并接近转子20的第二位置，以适时地产生更高速度的排气流并将其通入所述转子中。
流量控制闸门包括附接至致动器壳体62内的弹簧偏压的活塞60的曲柄臂58。壳体14中的开口64和66允许在活塞60的各侧上产生和排出增压空气。如图5所示，流量控制闸门54可由ECM 34控制的电动的、气动的或液压的致动器90来致动。
方向流量控制阀通常用数字70表示，其包括具有双位阀芯(twoposition spool)74的壳体16。阀芯74包括活塞76、78和80。弹簧82通常将阀芯74推向右侧。弹簧82的张力由具有螺纹的调节器84来改变。阀芯74适于提供有方向性的流量控制，以在涡轮增压器的操作周期过程中顺序地打开和关闭上部端口D、A和E以及下部端口B和C，形成工作端口和返回端口。在操作顺序中，壳体16端部的端口S逆着活塞76排出气流并引导气流。
当涡轮增压器和控制系统10处于图2的位置时，发动机处于中间或轻载状况。也就是说，增压空气不足以操作涡轮增压器控制系统。
图3表示当作出初始需求以加载或加速发动机时的涡轮增压器和控制系统10。
在典型的操作中，当要求发动机加速时，车辆驾驶员将致动燃料节流阀。当内燃机22加速时，经由24排气流增加，涡轮转子20旋转增加。基本上同时地，压缩机18增加管道30中的到达发动机的进气歧管32的增压。根据本发明，该初始增压通过管道40到达方向控制阀70。该初始增压与弹簧82的作用一起足以使流量控制阀阀芯移至右侧。结果，初始增压空气经由工作端口A至B到达致动器端口64，从而将活塞60和杆59推到左侧。从活塞后侧排出的空气经由返回端口66通过方向阀70的端口C至E。
如图3所示，曲柄臂58的运动致动流量控制闸门54。该运动使得流量控制闸门54朝着涡轮转子并接近涡轮转子而枢转。这使得转子基本上立即加速，并使得增压增大，从而大幅度减小涡轮延时。
当增压增加至给定量时，其经由40和42到达方向控制阀70的端口S。该压力足以克服可调弹簧82的张力而使阀芯移至左侧。因此，由可调弹簧82的张力确定实现运动所需给定的增压。也就是说，增加弹簧张力需要更高的增压，且因此使得流量控制闸门54关闭更长的时间段，反之亦然。
当发动机继续加速时，产生的增压经由通道A至C而使活塞60、线圈74和流量控制闸门54返回至中间位置。如图4所示，来自致动器活塞的端口64的排气流通过开口B至D。
图6示出了改进的发动机涡轮增压器控制装置，其中，相似的数字代表与其他视图相似的部件。在此视图中，ECM接收来自多个传感器的输入。由车辆制造商或涡轮增压器制造商提供的传感器在本领域中是公知的。典型地，ECM 34是可编程的计算机模块，其包含能够在所有可变负载和速度需求的条件下根据从多个发动机性能传感器接收的信息而最优化发动机性能的算法。
在本发明中，传递给ECM的信息被用来通过致动器90控制流量控制闸门54的位置。这种控制包括用于提供运动的致动器，优选地包括双位装置，以如这里所说明的适时地关闭和打开流量控制闸门54。这种致动器包括继电器、螺线管或将操作液压致动器或气动致动器的其他电比例控制装置或阀门。典型的这种致动器包括，但不限于，例如Skokie，IL的MPC Products Corp.、Addison，IL的AccentBearings Co.，及Ft.Worth，TX的ETI系统出售的线性致动器和位置传感器；Gainsville，FL的Fabco-Air，Inc.的PFA气动线性致动器；以及Pennsauken，NJ的Howard A.Schaevitz Tech.Inc.的MacroSensors division出售的LVDT电子机械变换(transducer)器。这些产品在此仅作为实例而列出。
位置传感器将把流量控制闸门54的位置的信息反馈至ECM34。基于此信息以及从例如图6所示的传感器反馈的其他信息，可对流量控制闸门位置做出适当的校正。
模拟致动器90与对ECM的传感器输入一起将允许流量控制闸门54处于最优位置(不必须完全关闭)，以使涡轮在任何速度和负载条件下加速到所需增压。ECM 34可响应小的节流阀位置变化，以仅根据需要来使流量控制闸门54移动，从而产生较小的变化来实现所需增压。这将使消耗功率并降低燃料效率的排气背压减到最小。如这里所说明的，本发明的目的是，用流量控制闸门作为通过涡轮转子的基本上立即的旋转加速来提供功率快速增加而直到获得最佳增压为止的装置，不管是处于最小负载或低负载状态还是处于公路行驶速度(high-way speed)时的中间巡航范围(mid range cruising)。
本发明的实施方式和操作模式不应解释为限制于所述具体形式。在不背离本发明和所附权利要求的范围和精神的前提下，本领域的技术人员可进行各种变型和修改，例如，可对各种类型的内燃机(例如，气体发动机、柴油发动机)和各种车辆类型(例如，公路车辆、越野车、摩托车等)的整个控制做出改变和修改。
1.一种用于内燃机的涡轮增压器，所述涡轮增压器包括：
涡轮壳体；
所述涡轮壳体具有涡轮转子；
所述涡轮壳体具有将来自所述内燃机的排气引导至所述涡轮壳体中的入口；
位于所述入口中的固定排气分流器，用于将进入所述入口的排气流分流；
流量控制闸门，铰接至所述固定分流器的下游以移动，所述流量控制闸门具有外侧和内侧；
所述流量控制闸门围绕所述铰链从允许大量入流排气流穿过所述外侧和所述内侧进入所述排气涡轮的中间第一位置适时枢转至邻近所述涡轮转子以使所述排气流产生更高的速度并将所述排气流引导至所述涡轮转子中的第二位置；以及使所述流量控制闸门从所述第一位置枢转至所述第二位置以及从所述第二位置枢转至所述第一位置的装置。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述固定排气分流器将所述排气的输入流基本上均等地分流。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述固定排气分流器将所述排气的输入流基本上不均等地分流。
4.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，使所述流量控制闸门枢转的所述装置是具有连接至所述流量控制闸门的可移动构件的致动器。
5.根据权利要求4所述的涡轮增压器，其中，所述致动器由一ECM控制。
6.根据权利要求5所述的涡轮增压器，其中，所述致动器是液压的。
7.根据权利要求5所述的涡轮增压器，其中，所述致动器是气动的。
8.根据权利要求5所述的涡轮增压器，其中，所述致动器是电动的。
9.根据权利要求1所述的涡轮增压器，包括：
压缩机，具有由所述涡轮转子驱动的叶轮，从而将压缩空气引导至所述内燃机的进气歧管中；以及
使所述流量控制闸门根据所述压缩空气的给定增压适时枢转的装置。
10.根据权利要求9所述的涡轮增压器，其中，使所述流量控制闸门枢转的所述装置由发动机控制模块信号启动。
11.根据权利要求9所述的涡轮增压器，其中，使所述流量控制闸门适时枢转的所述装置包括：
可调节的方向流量控制阀；
致动器气缸和往复活塞；
所述流量控制阀具有用于从所述致动器气缸接收一部分所述压缩空气，引导该部分所述压缩空气，并将该部分所述压缩空气排出所述致动器气缸，以使所述活塞往复运动的装置；以及
将所述活塞连接至所述流量控制闸门的装置。
12.根据权利要求11所述的涡轮增压器，其中，所述可调节的方向流量控制阀包括：
具有左端和右端的阀体；
位于所述阀体中的气流端口，用于接收并导引增压空气；
位于所述壳体内的双位可滑动阀芯，用于适时地控制所述气流通过所述开口；
弹簧装置和第一给定量的增压，其通常将所述阀芯偏压至所述右端位置；以及
使得第二量的增压克服所述弹簧而将所述阀芯推到左侧位置的装置。
13.根据权利要求12所述的涡轮增压器，其中，所述弹簧是可调节的。
14.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述入口中的所述分流器将所述排气流分流成外部流道和内部流道；并且其中，
所述排气流的所述更高的速度出现在靠近所述涡轮转子的所述内流道中。
15.一种用于内燃机的涡轮增压器，包括：
单个涡轮壳体；
所述涡轮壳体具有涡轮转子；
所述涡轮壳体具有将来自从所述内燃机的排气引导至所述涡轮壳体中的入口；
弓形流量控制闸门，所述流量控制闸门横向地铰接在所述入口中，以便朝向和远离所述涡轮转子从允许大量排气流进入所述排气涡轮的中间第一位置枢转至邻近所述涡轮转子以使所述排气流产生更高的速度并将所述排气流引导至所述涡轮转子中的第二位置；以及
使所述流量控制闸门从所述第一位置枢转至所述第二位置以及从所述第二位置枢转至所述第一位置的装置。
16.根据权利要求15所述的涡轮增压器，其中，使所述流量控制闸门枢转的所述装置是具有连接至所述流量控制闸门的可移动构件的致动器。
17.根据权利要求16所述的涡轮增压器，其中，所述构件是液压致动的。
18.根据权利要求16所述的涡轮增压器，其中，所述构件是气动致动的。
19.根据权利要求16所述的涡轮增压器，其中，所述构件是电动致动的。
20.根据权利要求16所述的涡轮增压器，其中，所述致动器由一ECM控制。
21.一种用于内燃机的涡轮增压器，所述涡轮增压器包括：
单个涡形涡轮壳体；
所述涡轮壳体具有涡轮转子；
所述涡轮壳体具有将来自从所述内燃机的排气引导至所述涡轮壳体中的入口；
枢轴，在所述入口中附接于所述壳体，所述枢轴基本上横向于所述排气的排气流；
流量控制闸门，在所述枢轴的下游方向铰接至所述枢轴，所述流量控制闸门具有外侧和内侧；
所述流量控制闸门朝向和远离所述涡轮转子从允许大量排气流穿过所述外侧和所述内侧进入所述排气涡轮的中间第一位置适时地枢转至邻近所述涡轮转子以使所述排气流产生更高的速度并将所述排气流引导至所述涡轮转子中的第二位置；以及
使所述流量控制闸门从所述第一位置枢转至所述第二位置以及从所述第二位置枢转至所述第一位置的装置。
22.根据权利要求21所述的涡轮增压器，其中，所述流量控制闸门为弓形的。
23.根据权利要求22所述的涡轮增压器，其中，所述弓形被形成为与所述涡形相一致。
24.根据权利要求21所述的涡轮增压器，其中，使所述流量控制闸门枢转的所述装置是具有连接至所述流量控制闸门的可移动构件的致动器。
25.根据权利要求22所述的涡轮增压器，其中，所述构件是液压致动的。
26.根据权利要求22所述的涡轮增压器，其中，所述构件是气动致动的。
27.根据权利要求22所述的涡轮增压器，其中，所述构件是电动致动的。
28.根据权利要求22所述的涡轮增压器，其中，所述致动器由一ECM控制。

Claims (20)

1.一种用于内燃机的涡轮增压器，所述涡轮增压器包括：
涡轮壳体；
所述涡轮壳体具有涡轮转子；
所述涡轮壳体具有将来自所述内燃机的排气引导至所述涡轮壳体中的入口；
位于所述入口中的固定排气分流器，用于将进入所述入口的排气流分流；
流量控制闸门，附接至所述固定分流器的下游，所述流量控制闸门从允许大量排气流进入所述排气涡轮的中间第一位置枢转至邻近所述涡轮转子以使所述排气流产生更高的速度并将所述排气流引导至所述涡轮转子中的第二位置；以及使所述流量控制闸门枢转的装置。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述固定排气分流器将所述排气的输入流基本上均等地分流。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述固定排气分流器将所述排气的输入流基本上不均等地分流。
4.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，使所述流量控制闸门枢转的所述装置是具有连接至所述流量控制闸门的可移动构件的致动器。
5.根据权利要求4所述的涡轮增压器，其中，所述致动器由一ECM控制。
6.根据权利要求5所述的涡轮增压器，其中，所述致动器是液压的。
7.根据权利要求5所述的涡轮增压器，其中，所述致动器是气动的。
8.根据权利要求5所述的涡轮增压器，其中，所述致动器是电动的。
9.根据权利要求1所述的涡轮增压器，包括：
压缩机，具有由所述涡轮转子驱动的叶轮，从而将压缩空气引导至所述内燃机的进气歧管中；以及
使所述流量控制闸门根据所述压缩空气的给定增压适时枢转的装置。
10.根据权利要求9所述的涡轮增压器，其中，使所述流量控制闸门枢转的所述装置由发动机控制模块信号启动。
11.根据权利要求9所述的涡轮增压器，其中，使所述流量控制闸门适时枢转的所述装置包括：
可调节的方向流量控制阀；
致动器气缸和往复活塞；
所述流量控制阀具有用于从所述致动器气缸接收一部分所述压缩空气，引导该部分所述压缩空气，并将该部分所述压缩空气排出所述致动器气缸，以使所述活塞往复运动的装置；以及
将所述活塞连接至所述流量控制闸门的装置。
12.根据权利要求11所述的涡轮增压器，其中，所述可调节的方向流量控制阀包括：
具有左端和右端的阀体；
位于所述阀体中的气流端口，用于接收并导引增压空气；
位于所述壳体内的双位可滑动阀芯，用于适时地控制所述气流通过所述开口；
弹簧装置和第一给定量的增压，其通常将所述阀芯偏压至所述右端位置；以及
使得第二量的增压克服所述弹簧而将所述阀芯推到左侧位置的装置。
13.根据权利要求12所述的涡轮增压器，其中，所述弹簧是可调节的。
14.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述入口中的所述分流器将所述排气流分流成外部流道和内部流道；并且其中，
所述排气流的所述更高的速度出现在靠近所述涡轮转子的所述内流道中。
15.一种用于内燃机的涡轮增压器，包括：
涡轮壳体；
所述涡轮壳体具有涡轮转子；
所述涡轮壳体具有将来自从所述内燃机的排气引导至所述涡轮壳体中的入口；
定位于所述入口中的流量控制闸门，所述流量控制闸门从允许大量排气流进入所述排气涡轮的中间第一位置适时地枢转至邻近所述涡轮转子以使所述排气流产生更高的速度并将所述排气流引导至所述涡轮转子中的第二位置；以及
使所述流量控制闸门从所述第一位置枢转至所述第二位置以及从所述第二位置枢转至所述第一位置的装置。
16.根据权利要求15所述的涡轮增压器，其中，使所述流量控制闸门枢转的所述装置是具有连接至所述流量控制闸门的可移动构件的致动器。
17.根据权利要求16所述的涡轮增压器，其中，所述构件是液压致动的。
18.根据权利要求16所述的涡轮增压器，其中，所述构件是气动致动的。
19.根据权利要求16所述的涡轮增压器，其中，所述构件是电动致动的。
20.根据权利要求16所述的涡轮增压器，其中，所述致动器由一ECM控制。
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