CN101798951B - 具有多比率流压致动器致动的旁通阀的涡轮增压器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有多比率流压致动器致动的旁通阀的涡轮增压器系统。用于涡轮增压器系统的涡轮机旁通阀的流体压力致动器包括在气缸中可滑动的活塞，从而限定包含了可运行向活塞施加弹簧力的压缩弹簧组件的腔室。气缸可以选择地接受沿着与弹簧力相反的方向在活塞上施加流体压力的真空或压力。弹簧组件包括：第一弹簧，第一弹簧布置成在活塞的整个第一运动范围内沿着压缩的方向被活塞压缩；和至少第二弹簧，第二弹簧布置成在整个第二运动范围内被活塞压缩，第二运动范围小于第一运动范围并且与其有共同的终端，但沿着压缩方向在活塞第一运动范围的初始部分期间未被压缩。

Description

具有多比率流压致动器致动的旁通阀的涡轮增压器系统

技术领域

本发明涉及涡轮增压器系统，其具有涡轮机旁通阀，用于选择性地引导来自内燃发动机的排气通过涡轮增压器的涡轮机或在一定的运行条件下从旁路通过涡轮机。本发明特别地涉及一种真空或压力致动器，用于提供动力使涡轮机旁通阀在它的开和关位置之间移动。

背景技术

内燃发动机的涡轮增压器系统有时必须使用多个串联或平行布置的涡轮增压器以便在一定的运行条件下达到高压力比或高流量。然而，在需求量较少的运行条件下，并不需要这样大的流量，因此在不需要大流量的时候，包括设置某种类型的旁通阀来旁通涡轮增压器中的一个是很普遍的。通常，这种多涡轮增压器系统会包括设置涡轮机旁通阀用于选择性地引导排气从旁路通过涡轮增压器其中一个的涡轮机。涡轮机旁通阀可以包含，例如，回转阀或蝶阀。使用真空致动器来移动涡轮机旁通阀是很普遍的。常用的真空致动器基本上包含布置在气缸内的活塞或隔膜以限定出腔室，该腔室接受真空或接受环境压力以使活塞在气缸内移动。布置在腔室内的压缩弹簧用于在第一方向上推动活塞，例如，打开涡轮机旁通阀。通过增加腔室内的真空使得作用在活塞上的流体压力克服弹簧力促使活塞沿相反的第二方向移动(例如，关闭涡轮机旁通阀)。减小真空允许弹簧力克服流体压力并使活塞向打开位置移动。

本发明涉及在这样的涡轮增压器系统内的改进，而且特别地涉及在提供动力使涡轮机旁通阀移动的致动器内的改进。

发明内容

申请人已经发现通常应用在涡轮增压器系统中的传统类型的真空致动器易于产生消极影响涡轮机旁通阀移动控制程度的问题。特别地，申请人已经发现传统真空致动器从完全关闭位置向打开位置移动时真空随之减小，初始的活塞移动并不平稳和易于控制，而是活塞在朝着打开位置的中途倾向于突然“跳动”。突然的跳动被认为是由在涡轮机旁通阀刚开始打开时它的移动产生的高度非线性阻尼引起的；当阀门通过某一点时阻尼突然下降。在涡轮增压器系统中突然的跳动是不良的，因为它会引起涡轮机排气流速突然和不可控制的变化，这会消极影响内燃发动机的性能。

本发明描述了改良的用于涡轮增压器系统的流体压力致动器，以及包括这种流体压力致动器的涡轮增压器系统。根据当前的改善，涡轮增压器系统包括涡轮增压器，涡轮增压器具有由来自内燃发动机的排气驱动的涡轮机和由涡轮机驱动用于压缩传递至发动机的空气的压缩机。涡轮机旁通阀相对于涡轮机布置，以便涡轮机旁通阀可以在打开位置和关闭位置之间移动，来调节涡轮机通向涡轮机的排气流。系统包括与涡轮机旁通阀相连并且可运行提供动力使涡轮机旁通阀在打开和关闭位置之间移动的动力设备，其中动力设备包括流体压力致动器。

流体压力致动器包括可以在气缸内滑动的活塞，活塞将气缸中的内部空间分隔为第一腔室和第二腔室，所述腔室中的一个腔室包含可运行沿着第一方向对活塞施加弹簧力的压缩弹簧组件。气缸限定了进入其中一个腔室的口，腔室通过该口可以选择地接受沿着与第一方向相反的第二方向在活塞上施加流体压力的真空或压力，以便当流体压力超过弹簧力时活塞将沿着第二方向移动。弹簧组件包括布置成在活塞的整个第一运动范围内被活塞压缩的第一弹簧，和布置成在整个第二运动范围内被活塞压缩的第二弹簧(第二运动范围小于第一运动范围并且与其有共同的终端)，但沿着第二方向在活塞第一运动范围的初始部分期间未被压缩。“有共同的终端”的意思是当活塞沿着第二方向移动时第一运动范围和第二运动范围相互交迭并具有相同的终点。

因此，以活塞处于打开位置为开始(即，以相对较小量压缩的弹簧组件为开始)，当气缸内的真空和压力增加并且活塞开始向着其关闭位置移动时，在活塞第一运动范围的初始部分期间活塞上的流体压力只与第一弹簧的弹簧力相抵抗，因此弹簧力相对较低。一旦活塞已经移动了一定距离，第二弹簧就开始被压缩以致弹簧力为第一弹簧和第二弹簧的弹簧力之和。因此流体压力致动器在关闭运动开始时具有低弹簧力而在活塞进一步的关闭运动中具有更高的弹簧力。

以活塞处于关闭位置为开始，活塞向着打开位置移动时，真空或压力减少直到弹簧力克服流体压力。初始地，打开运动由第一弹簧和第二弹力共同引起，两者都处于压缩状态。在流体压力致动器的某些实施例中，第二弹簧具有与第一弹簧不同的弹簧系数。例如，在优选的实施例中，第二弹簧的弹簧系数大于第一弹簧的弹簧系数。根据这种布置，当阀门打开时的有效弹簧系数相对较高，以便当阻止阀门打开的力突然下降时，对应于力变化的弹簧长度的变化相对较小。因此，相比于传统的具有单一(较低刚度)弹簧的致动器的情况，阀门极小量地跳动。在跳动之后，第二弹簧不再被压缩，而由第一弹簧单独引起向着打开位置的进一步移动。

第二弹簧的弹簧系数可以至少是第一弹簧弹簧系数的两倍，更优选地至少是四倍，进一步更优选地可以至少是六倍。在其它实施例中，第二弹簧的弹簧系数是第一弹簧弹簧系数的七倍，或八倍，或九倍，或从10倍到25倍。然而，弹簧系数不同并不是必须的；在一些实施例中，弹簧可以具有实质上相同的弹簧系数。

在另外的实施例中，流体压力致动器的弹簧组件也包括第三弹簧，第三弹簧布置成在整个第三运动范围内被活塞压缩(第三运动范围小于第二运动范围并且与其有共同的终端)，但沿着第二方向在活塞第二运动范围的初始部分期间未被压缩。在这个实施例中，活塞向着第二方向的移动开始仅由第一弹簧抵抗，直到第二弹簧开始被压缩。然后活塞的进一步的移动受到第一和第二弹簧的共同抵抗，直到第三弹簧开始被压缩。活塞移动的最后部分受到三个弹簧的共同抵抗。

在一些实施例中，第二弹簧和第三弹簧中的至少一个具有与第一弹簧不同的弹簧系数。优选地，第二弹簧的弹簧系数大于第一弹簧的弹簧系数，而第三弹簧的弹簧系数大于第二弹簧的弹簧系数。然而，弹簧系数并不必须是不同的。

附图说明

本发明已经通过通常的术语进行了描述，现在将参考附图，附图不必须按比例绘制，其中：

图1是具有连接流体压力致动器的涡轮机旁通阀的涡轮增压器系统的图解说明，显示打开的涡轮机旁通阀；

图2与图1类似，显示关闭的涡轮机旁通阀；

图3是根据本发明一个实施例的致动器的剖视图，其中活塞所处的位置使得弹簧组件中的第二弹簧不被压缩；、

图4显示图3中的致动器所处的位置使得弹簧组件中的第二弹簧刚好开始被压缩；

图5显示图3中的致动器所处的位置使得弹簧组件中的第二弹簧进一步被压缩；和

图6描述根据本发明另外的实施例的致动器，其中弹簧组件具有三个弹簧。

具体实施方式

现在，参考附图将在下文中更加全面地描述本发明，本发明的一部分而不是全部实施例显示在附图当中。实际上，这些发明可以通过不同的形式出现在实施例中并且不应该被限制在这里陈述的实施例中；当然，提供这些实施例以便本公开可以满足适当的法律需要。相同的附图标记始终代表相同的元件。

图1和图2通过示意图描述了与内燃发动机E关联的涡轮增压器系统10。涡轮增压器系统10包括与低压涡轮增压器40串联布置的高压涡轮增压器20(图1中省略了低压涡轮增压器)。高压涡轮增压器20包括由接收来自发动机的排气的高压涡轮机24所驱动的高压压缩机22。低压涡轮增压器40包括由接收排气的低压涡轮机44所驱动的低压压缩机42。系统10串联布置，其中压缩机22和42串联布置以便被低压压缩机42压缩的空气可以被高压压缩机22进一步压缩，然后提供到发动机的入口。类似地，涡轮机24，44串联布置以便在高压涡轮机24内膨胀的排气可以在低压涡轮机44内进一步膨胀。系统10图解说明了布置在高压涡轮机24附近的旁路通道中的涡轮机旁通阀50。然而，可以理解，涡轮机旁通阀50的位置和布置只是为了说明的目的，而且通常地可以有另外的和/或不同布置的旁通阀用于从旁路通过高压涡轮机24、高压压缩机22、低压涡轮机44，和/或低压压缩机42。这里描述的发明适合于这些旁通阀中的任何一个。

具有圆盘形阀门构件52的蝶阀以示意图方式图解说明了涡轮机旁通阀50，阀门构件52布置在大体上呈圆柱形的阀门壳体54内，并可以围绕着与阀门构件的直径重合的轴线旋转，而且所述轴线垂直于并通过阀门壳体的中心纵向轴线。阀门构件52安装在壳体54内的作为枢轴用以旋转的轴上。然而，本发明不限于任何特殊类型的涡轮机旁通阀，其它阀门类型如回转阀也可以供本发明使用。图1描述了在相对打开位置的涡轮机旁通阀50，而图2描述了关闭位置的涡轮机旁通阀50。(尽管图1和图2总体上描述了排气流从顶部到底部通过阀门50，但是沿着流动方向的端视图图解说明阀门50自身更加清楚地显示了阀门构件52的两个位置。)

流体压力致动器70提供了使阀门构件52旋转的动力，流体压力致动器70通过传动装置60与阀门构件52连接，传动装置60可操作的将传动装置输入端处的线性运动转换成传动装置输出端处的旋转运动。图3至图5更详细地显示了流体压力致动器70。流体压力致动器70包含气缸72，活塞74可以在其内滑动。活塞包括从气缸72向外延伸并与传动装置60相连接的活塞杆76。可以弯曲的隔膜75附连于活塞，隔膜的外部边缘附连于气缸，例如如图所示地被夹在气缸两部分之间。活塞74和隔膜75将气缸72的内部空间分隔为第一腔室78和第二腔室79。压缩弹簧组件80包含在第一腔室78内。如图3至图5所示的致动器70是真空致动器，其中用于施加真空的口73延伸进入第一腔室78，但本发明也适用于压力致动器(其中所述口将延伸进入用于在其内施加压力的第二腔室79)，本发明的基本原理在每个实例中都是相同的。

在本实施例中的弹簧组件80包括第一弹簧82和第二弹簧84。第一弹簧82是足够长的任何合适类型的压缩弹簧(图示了螺旋弹簧)，它可以在活塞74的所有位置一直处于压缩状态。图3显示了处于或靠近一个极限位置的活塞74，在这个位置上第一弹簧82的压缩长度最大；这个活塞位置可以对应如图1中所示的涡轮机旁通阀的完全打开位置。图5显示了处于或靠近另一个极限位置的活塞74，在这个位置上第一弹簧82的压缩长度最小；这个活塞位置可以对应如图2中所示的涡轮机旁通阀的完全关闭位置。图4显示了在中间位置的致动器。为了向关闭位置移动活塞，施加真空以部分地抽空腔室78。这样，在一个图示说明的实施例中，弹簧组件80沿着第一方向移动活塞(向着图3至图5中的底部)以打开涡轮机旁通阀，而真空沿着相反的第二方向(向着图3至图5中的顶部)移动活塞以关闭阀门。

弹簧组件80也包括第二弹簧84，它的松弛(完全未压缩)长度比第一弹簧82的短。实际上，第二弹簧84的松弛长度小于可变容量腔室78的最大长度，这将发生在活塞处于完全打开位置的时候。因此，当活塞74向关闭位置沿第二方向移动时，在活塞运动范围的初始部分期间活塞74不压缩第二弹簧84；只有第一弹簧82在运动范围的初始部分期间被压缩。图3和图4图解说明了第一运动范围初始部分的两个端点。在处于如图4所示的活塞中间位置时第二弹簧84开始被压缩。因此，在整个第二运动范围(小于第一弹簧82在被压缩的第一运动范围并且与其有共同的终端)，弹簧82和84都被压缩。图4和图5显示了这个第二运动范围的两个端点。

由于这种布置，弹簧组件80是双刚度(dual-rate)弹簧组件，因为在第一运动范围的初始部分期间当只有第一弹簧82被压缩时的有效弹簧系数或弹簧刚度(定义为弹簧力的变化率作为弹簧长度的函数，dF/dL)小于在第二运动范围期间当弹簧82和84都被压缩时的有效弹簧刚度。如果第一弹簧82具有未压缩的长度L₁和弹簧系数k₁，第二弹簧84具有未压缩的长度L₂和弹簧系数k₂，则在第一运动范围的初始部分期间，弹簧组件的有效弹簧系数明显等于k₁。一旦第二弹簧84开始压缩，在活塞上总的弹簧力为两个弹簧力之和，有效弹簧系数是两个弹簧系数之和，即k_eff＝k₁+k₂。

在用于致动总体上如这里所描述的涡轮增压器系统中的涡轮机旁通阀50的特定上下文当中，带有双刚度弹簧组件80的流体压力致动器70的优点在于，随着活塞从关闭位置(图2)向着打开位置(图1)移动，涡轮机旁通阀开始分裂开，最初地弹簧82和84都是活动的而且有效弹簧系数相对较高。因此，当移动阀门构件所需的力在阀门打开期间(如许多阀门普遍发生的情况那样)的某个点突然下降时，对应于力变化的弹簧组件80的长度变化量相对较小，因而阀门构件突然向更加打开的位置移动的量相对较小。比较起来，如果使用传统的具有单一(较低刚度)弹簧的真空致动器，同样的力的变化将对应较大的弹簧长度变化，因而阀门将突然移动较大的量。另外，通过使两个弹簧根据弹簧长度和弹簧系数适当地调整尺寸，第二弹簧可以在向着打开位置的活塞行程所希望的点处变成非活动的(未压缩)。例如，可以设计弹簧组件以便第二弹簧在阀门开启力突然下降后立即变成非活动的。然后，对于阀门开启运动的剩余部分，只有第一弹簧82将是活动的。

在本发明的优选实施例当中，第二弹簧84比第一弹簧82具有更大的弹簧系数(k₂＞k₁)。例如，k₂可以至少是k₁的两倍，或者更优选地k₂至少是k₁的四倍，或进一步更优选地k₂至少是k₁的六倍。

在另一个实施例中，根据本发明的流体压力致动器170可以具有包括第一弹簧182、第二弹簧184和第三弹簧186的三刚度弹簧组件180。这样的致动器如图6所示。第一弹簧182的长度使得弹簧在活塞174的整个运动范围内都处于压缩状态。第二弹簧184比第一弹簧短，从而存在第一运动范围的一部分期间第二弹簧184没有被压缩。第三弹簧186比第二弹簧184短，从而存在第二运动范围(即第二弹簧被压缩的范围)的一部分期间第三弹簧186没有被压缩。如之前的实施例，三个弹簧可以具有不同的弹簧系数。例如，第一弹簧182可以具有相对较低的弹簧系数，第二弹簧184的弹簧系数可以大于第一弹簧的弹簧系数，而第三弹簧186的弹簧系数可以大于第二弹簧的弹簧系数。

这里陈述的本发明的一些改型和其它实施例将容易使本领域技术人员想到，这些发明适于具有前述描述和附图所呈现的教导的益处。例如，如所提到的，本发明应用于如图中所示的真空致动器和压力致动器。根据本发明的压力致动器基本上与描述的真空制动器相同，除了进入气缸的口延伸进入另一腔室(不包含弹簧组件的腔室)和通过施加在该腔室中的正压力克服弹簧压力以外。然而，在其它方面，压力致动器的运行与真空致动器相同。术语“流体压力致动器”包括真空致动器和压力致动器。因此，可以理解的是，本发明不局限于已经公开的具体实施例，对应的改型和其它的实施例也意图包括在所附权利要求的保护范围之中。虽然这里使用了具体的术语，但是它们仅用于一般的和描述性的意义，而不是用于限制的目的。

Claims (9)

1.一种涡轮增压器系统，包括：涡轮增压器，该涡轮增压器具有由来自内燃发动机的排气驱动的涡轮机，和由涡轮机驱动用于压缩传递至发动机的空气的压缩机；涡轮机旁通阀，该涡轮机旁通阀相对于涡轮机布置以便涡轮机旁通阀能在打开位置和关闭位置之间移动来调节通向涡轮机的排气流；以及，动力设备，该动力设备与涡轮机旁通阀连接并可操作提供动力使涡轮机旁通阀在打开和关闭位置之间移动，其中动力设备包括流体压力致动器，流体压力致动器包括能在气缸内滑动的活塞，活塞将气缸中的内部空间分隔为第一腔室和第二腔室，所述腔室中的一个腔室包含可操作地沿着第一方向在活塞上施加弹簧力的压缩弹簧组件，气缸限定进入所述一个腔室的口，腔室能够通过该口选择地接受用于沿着与第一方向相反的第二方向在活塞上施加流体压力的真空或压力，以便当流体压力超过弹簧力时活塞将沿着第二方向移动，并且其中弹簧组件包括布置成在活塞的整个第一运动范围内被活塞压缩的第一弹簧，和布置成在整个第二运动范围内被活塞压缩的第二弹簧，第二运动范围小于第一运动范围并且与第一运动范围具有共同的终端，但沿着第二方向在活塞第一运动范围的初始部分期间所述第二弹簧不被压缩，其中弹簧组件还包括第三弹簧，第三弹簧布置成在整个第三运动范围内被活塞压缩，第三运动范围小于第二运动范围并且与第二运动范围具有共同的终端，但沿着第二方向在活塞第二运动范围的初始部分期间所述第三弹簧不被压缩。

2.权利要求1中的涡轮增压器系统，其中第二弹簧具有与第一弹簧不同的弹簧系数。

3.权利要求2中的涡轮增压器系统，其中第二弹簧的弹簧系数大于第一弹簧的弹簧系数。

4.权利要求3中的涡轮增压器系统，其中第二弹簧的弹簧系数至少是第一弹簧的弹簧系数的两倍。

5.权利要求3中的涡轮增压器系统，其中第二弹簧的弹簧系数至少是第一弹簧的弹簧系数的四倍。

6.权利要求3中的涡轮增压器系统，其中第二弹簧的弹簧系数至少是第一弹簧的弹簧系数的六倍。

7.权利要求1中的涡轮增压器系统，其中第二弹簧和第三弹簧中的至少一个具有与第一弹簧不同的弹簧系数。

8.权利要求7中的涡轮增压器系统，其中第二弹簧的弹簧系数大于第一弹簧的弹簧系数。

9.权利要求8中的涡轮增压器系统，其中第三弹簧的弹簧系数大于第二弹簧的弹簧系数。

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