CN101932807B - 用于燃烧发动机的排气制动的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃烧发动机(2)的排气制动的装置，其装有带有至少一个流量元件(17、27)的涡轮单元，所述流量元件可设定到变化的位置以控制通过涡轮机(6)的废气的流量。装置包括旁通管线(25)，所述旁通管线设有在流量元件(17、27)上游的位置处与排气通道(4a、19、20)连接的入口孔(25a)、在流量元件(17、27)下游的位置处与排气通道(21、4b)连接的出口孔(25b)、以及节流机构(26)。一控制器件(13、18)适于在将要实施排气制动过程时将流量元件(17、27)置于大致关闭位置，以使得在流量元件(17、27)上游的位置处正压力出现在排气通道(4a、19)中，所述正压力由节流机构(26)限定，所述正压力限定了排气制动过程期间的制动效果。

Description

用于燃烧发动机的排气制动的装置
技术领域
本发明涉及一种用于燃烧发动机的排气制动的装置。
背景技术
传统的排气制动器在多数情况下包括被布置用于在燃烧发动机的排气管线内枢转的大致盘状的阻尼器。当所述排气制动器被启动时，所述阻尼器被枢转到其完全或部分地阻塞通过排气管线的气流的位置。由此建立了在燃烧发动机的排气阶段期间燃烧发动机的活塞向上运动的阻力，产生了制动效果。当排气制动器不启动时，盘状的阻尼器枢转到使得废气可以大致没有阻力地流过阻尼器的位置。阻尼器被布置在增压燃烧发动机的涡轮单元上游或下游的排气管线中。
传统的涡轮单元包括驱动压缩机的涡轮机，所述压缩机压缩被引导至燃烧发动机的空气。涡轮单元还包括旁通管和阀器件(废气门)，所述阀器件具有限制涡轮单元的增压压力的功能。当涡轮单元的增压压力达到预定值时，阀器件打开以使得排气管线中的废气被引导通过旁通管并且流过涡轮单元。涡轮单元于是减慢并且压缩机的增压压力减小。传统的涡轮单元的一个缺陷是，在低发动机速度时它们难以提供期望的增压压力。
特别是在由柴油发动机驱动的车辆中，被称为VTG(可变几何结构涡轮)的带有可变几何结构的涡轮单元越来越普遍地被使用。所述涡轮单元包括导轨，朝向涡轮机的废气的流量可以通过所述导轨变化。导轨可以是可枢转的，或者可以使用可动引导围栏。涡轮机的性能由此可以在不同的发动机速度时被最优化。所述控制还使得可以调节到燃烧发动机的增压空气(charge air)的流量以及再循环废气EGR(废气再循环)的量。一种已知的做法是，为了实现车辆的排气制动，使用可枢转导轨和可动引导围栏以在涡轮单元上游的排气管线中建立反压力。所述压力与在排气制动期间获得的制动效果相关。当排气制动将被实施时，可枢转导轨或引导围栏被置于这样的位置以使得它们完全或几乎完全切断到涡轮机的气体流动。由于导轨或引导围栏的非常小的位置改变都会引起反压力的大的偏差，因此这种排气制动器的一个问题在于其难以以良好的精度建立反压力。
发明内容
本发明的目的是提出一种装置，其包括装配有具有可变几何结构的涡轮机的增压燃烧发动机，由此期望的排气制动效果可以通过简单的调节机构以很好的精度被提供。
所述目的利用在引言中提到的类型的装置而实现，所述装置包括适于接收和引导来自所述燃烧发动机的废气的排气通道、布置在所述排气通道中的涡轮机、可设定到变化的位置以控制通过所述涡轮机的废气的流量的至少一个流量元件、以及适于控制所述流量元件的控制器件，其中，所述装置包括旁通管线，所述旁通管线设有入口孔、出口孔以及节流机构，相对于在所述排气通道中流动的废气的预定方向，在所述流量元件上游的位置处所述入口孔与所述排气通道连接，在所述流量元件下游的位置处所述出口孔与所述排气通道连接，并且其中，所述控制器件适于在将要实施排气制动过程时将所述流量元件置于大致关闭位置，以使得在所述流量元件上游的位置处正压力出现在所述排气通道中，所述正压力由所述节流机构限定，并且所述正压力限定了在排气制动过程期间的制动效果。流量元件在此指的是可枢转导轨、可动引导围栏或被布置用于运动的其它类型的元件，到涡轮机的废气的流量可以通过所述元件被调节。本发明因此使用控制单元，其在排气制动过程将被实施时将流量元件初始地置于关闭位置。当导轨处于关闭位置时，来自燃烧发动机的气体被阻止流过排气通道中的流量元件。因此排气通道中流量元件上游的气体在它们受到由节流机构限定的流动阻力时，可以仅仅经由旁通管线被进一步引导到排气通道中。当流量元件关闭时，流量元件上游的排气通道中的压力迅速增大到由节流机构限定的压力水平。前述的旁通管线和节流机构构成非常简单的调节机构，压力水平以及因此在排气制动过程期间出现的制动效果可以通过所述调节机构以很好的精度被确定。
根据本发明的一个优选实施方式，涡轮机被包括在涡轮单元内，并且排气通道包括位于涡轮单元上游的第一排气管线和位于涡轮单元下游的第二排气管线。涡轮单元有利地呈包围在壳体中的组合单元的形式。涡轮单元有利地包括由涡轮机驱动的压缩机。旁通管线的入口孔可以被布置在位于涡轮单元上游的第一排气管线中。备选地，旁通管线的入口孔可以被布置在位于涡轮单元内的排气通道的一部分中。旁通管线的出口孔可以被布置在位于涡轮单元下游的第二排气管线中。备选地，旁通管线的出口孔可以被布置在位于涡轮单元内的排气通道的一部分中。旁通管线由此可以呈完全或部分地延伸经过涡轮单元的外部管道的形式。旁通管线还可以呈涡轮单元中的短内部通道的形式。
根据本发明的另一个优选实施方式，节流机构被构成为允许在排气制动过程期间处于导轨上游的所述位置处的排气通道中维持恒定正压力。在这种情况下产生在整个排气制动过程期间与恒定正压力的值相关的制动效果。节流机构在这种情况下可以包括弹簧加载的阀机构。当阀机构受到给定值的压力时，其抵抗所述弹簧的作用而打开。所述弹簧使得阀机构以这样的方式打开和关闭，以使得恒定正压力以良好的精度被维持在关闭的流量元件上游的排气通道中。节流装置备选地被构成为允许在排气制动过程期间处于导轨上游的所述位置处的排气通道中维持可变正压力。在这种情况下产生在不同的制动情形期间具有不同的值的制动效果。所述制动效果还可以在排气制动过程的时期内变化。在这种情况下装置有利地包括适于控制节流机构的控制单元。控制单元可以接收涉及与制动相关的各种参数的信息，并且可以使用所述信息以按照最优化的方式控制排气制动过程。
附图说明
下面将通过以参考所附附图的示例的方式描述本发明的优选实施方式，其中：
图1示出了根据本发明第一实施方式的包括带有排气制动器的增压燃烧发动机的装置，
图2示出了图1中涡轮单元的剖面图，
图3示出了排气制动器未被启动时图2中涡轮单元在平面A-A中的剖视图，
图4示出了排气制动器被启动时图2中涡轮单元在平面A-A中的剖视图，以及
图5示出了根据本发明第二实施方式的带有排气制动器的涡轮单元。
具体实施方式
图1示意性地示出了由增压燃烧发动机2驱动的交通工具1。燃烧发动机可以是驱动重型车辆的柴油发动机。来自燃烧发动机2的气缸的废气经由排气集管3被引导至第一排气管线4a。第一排气管线4a中处于大气压力之上的废气被引导至涡轮单元5。涡轮单元5包括由废气驱动的涡轮机6，以及压缩机7。当废气已经流过涡轮机6时，它们具有较低的压力。废气在第二排气管线4b中被引导前进，所述第二排气管线4b可以包括未示出的排气处理组件。涡轮机6提供经由连接件被传输至压缩机7的驱动力。压缩机7将环境空气经由空气过滤器8抽吸到第一空气管线9a中。所述空气被压缩机7压缩到大气压力之上。第二空气管线9b将压缩空气引导至燃烧发动机2。在压缩之后，空气处于相对高的温度下。增压空气冷却器10被布置在第二空气管线9b中以在压缩空气被引导至燃烧发动机2之前冷却所述压缩空气。
为了使一部分废气被再循环，回流管线11被布置在第一排气管线4a和第二空气管线9b之间。所述再循环通常被称为EGR(废气再循环)。将废气添加到被引导至发动机气缸的压缩空气中降低了燃烧温度，并且由此还降低了在燃烧发动机的燃烧过程期间形成的氮氧化物(NOx)的含量。回流管线11包括EGR阀12，通过所述EGR阀12可以控制经过回流管线11的废气的流量。控制单元13适于基于关于燃烧发动机2当前运行状态的信息控制EGR阀12以使得期望的量的废气被再循环至燃烧发动机2。控制单元13可以是装有适用于这一目的的软件的计算机单元。回流管线11包括废气在其中被冷却的EGR冷却器14。回流管线11最后包括示意性地示出的混合器15，所述混合器15具有将回流管线11中的再循环废气与第二空气管线9b中的空气混合的功能。混合器15被安装为接近于回流管线11和第二空气管线9b之间的连接件。当再循环废气已经与第二空气管线9b中的压缩空气混合时，该混合物经由集管16被引导至燃烧发动机2的相应的气缸。
所述情况涉及包括带有称为VTG(可变几何结构涡轮)的可变几何结构的涡轮机6的类型的涡轮单元5的使用。图2-4更详细地示出了涡轮单元5。涡轮单元5包括多个形状符合空气动力学且可枢转的导轨17。导轨17可以以各种角度设定以使其可以沿各个方向朝向涡轮机6的叶片引导废气流。为了获得涡轮单元5的最佳运行，导轨17被设置为取决于燃烧发动机2的速度变化的角度。借助于示意性地示出的运行元件18，导轨17可以以传统的方式被设定为变化的角度，所述运行元件18可以被电力地、液压地或气动地驱动。控制单元13适于控制运行元件18以使得在燃烧发动机2运行期间导轨17被大致连续地设定在最优角度。所述类型的涡轮单元5的优点在于，它们具有小的滑动和低的启动阈值，这意味着相对于传统的涡轮单元，它们能够在显著地较低的发动机速度下被使用。所述类型的涡轮单元5在高的发动机速度下也非常有效。
涡轮单元5包括与第一排气管线4a连接的螺旋入口通道19。螺旋入口通道19引导至导轨17被布置在其中的径向排气通道20。当废气已经在涡轮机6中被压缩时，它们从涡轮单元5被引导出，经由出口通道21至第二排气管线4b。涡轮单元5包括用于从第一空气管线9a接收空气的入口通道22。当空气已经在压缩机7中被压缩时，其在径向空气通道23中沿径向向外地被引导。径向空气通道23引导至与第二空气管线9b连接的螺旋出口通道24。旁通管线25具有与第一排气管线4a连接的入口孔25a以及与第二排气管线4b连接的出口孔25b。旁通管线25包括可调节的节流机构26，通过所述节流机构26，旁通管线25中的流动阻力可以被调节。控制单元13适于控制节流机构26。
在燃烧发动机2运行期间，控制单元13接收关于燃烧发动机2速度的信息。控制单元13于是启动运行元件18，以使得它们针对主导的发动机速度将导轨17连续地设定在最优角度。图3示出了处于在燃烧发动机2运行于相对高的速度下时的角度位置的导轨17。在此导轨17大致处于全开位置，以使得最佳宽度的排气通道形成于相邻的导轨17之间，同时废气朝向涡轮机6沿大致径向被引导。控制单元13还可以控制EGR阀12以及调节经由回流管线11返回燃烧发动机2的废气的量。通过控制导轨17，控制单元13还可以调节排气管线的第一部分4a中的压力。控制单元13由此设有另一个控制设施以用于调节在回流管线11中再循环的废气的量。在燃烧发动机2的常规运行期间，控制单元13常规地适于将旁通管线25中的节流机构26置于关闭位置。
如果在车辆向前行进时控制单元13接收到表示车辆1的驾驶员已经松开加速踏板并且压下制动踏板的信息，那么控制单元13开始启动车辆的排气制动过程。控制单元13于是启动运行元件18以将导轨17置于图4中示出的全闭位置。在所述位置，基本没有气体可以被引导经过导轨17。离开燃烧发动机2的所有气体然后不得不经过旁通管线25以到达第二排气管线4b。旁通管线25在此将气体从第一排气管线4a引导至第二排气管线4b。旁通管线25由此引导气体经过整个涡轮单元5。控制单元13适于将节流机构26置于使得适当正压力在第一排气管线4a中建立的位置，由此在燃烧发动机2排气阶段期间抑制燃烧发动机2的活塞的向上运动。在导轨17上游的第一排气管线4a中建立的所述反压力与排气制动过程期间获得的制动效果相关。控制单元13可以调节节流机构26以在排气制动过程期间产生恒定或可变的期望值的节流，并且由此对应于制动效果。借助于旁通管线25和节流机构26，可以实现非常简单的调节机构，压力水平以及因此在排气制动过程期间获得的制动效果可以通过所述调节机构以很好的精度被确定。
图5示出了旁通管线25的一个备选结构。在这种情况下旁通管线25位于涡轮单元5内。旁通管线25在此包括与涡轮单元的螺旋入口通道19连接的入口孔25a以及与涡轮单元的出口通道21连接的出口通道25b。由于出口管21位于螺旋入口管19的径向内部，旁通管线25可以具有非常短的尺寸。旁通管线25在这种情况下包括呈弹簧加载的阀机构26的形式的节流机构，所述阀机构26适于在预定压力差出现在涡轮单元的螺旋入口通道19和出口通道21中的废气之间时打开。在这种情况下可动引导围栏27被布置在通道中，通过所述可动引导围栏27，径向排气通道20的宽度以及由此通过通道20的废气的流量可以变化。固定导轨28被布置在引导围栏27径向内部的位置以朝向涡轮机6引导废气流。
当控制单元13接收到表示将实施交通工具1的排气制动过程的信息时，控制单元13启动运行元件18，所述运行元件18将引导围栏27切换至关闭位置。被连续地供给到第一排气管线4a的来自燃烧发动机2的气体以及引导围栏27上游的涡轮单元5中的气体使得作用在弹簧加载的阀机构26上的压力差迅速上升到弹簧加载的阀机构26打开的值。弹簧加载的阀机构26此后承受引导围栏27上游的排气通道中的恒定压力。在这种情况下产生了在整个排气制动过程期间都具有非常好的精度的相应的制动效果。
本发明不限于在附图中示出的实施方式，而是可以在权利要求书的范围内自由变化。

Claims (10)

1.一种用于燃烧发动机(2)的排气制动的装置，所述装置包括适于接收和引导来自所述燃烧发动机(2)的废气的排气通道(4a、4b、19-21、25)、布置在所述排气通道(4a、4b、19-21、25)中的涡轮机(6)、可设定到变化的位置以控制通过所述涡轮机(6)的废气的流量的至少一个流量元件(17、27)、以及适于控制所述流量元件(17、27)的控制器件(13、18)，其中，所述装置包括旁通管线(25)，所述旁通管线(25)设有入口孔(25a)、出口孔(25b)以及节流机构(26)，相对于在所述排气通道(4a、4b、19-21)中流动的废气的预定方向，在所述流量元件(17、27)上游的位置处所述入口孔(25a)与所述排气通道(4a、19、20)连接，在所述流量元件(17、27)下游的位置处所述出口孔(25b)与所述排气通道(21、4b)连接，并且其特征在于，所述控制器件(13、18)适于在将要实施排气制动过程时将所述流量元件(17、27)置于大致关闭位置，以使得在所述流量元件(17、27)上游的位置处正压力出现在所述排气通道(4a、19)中，所述正压力由所述节流机构(26)限定，并且所述正压力限定了在排气制动过程期间的制动效果。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述涡轮机(6 )包括在一涡轮单元(5)内，并且所述排气通道包括位于所述涡轮单元(5)上游的第一排气管线(4a)和位于所述涡轮单元(5)下游的第二排气管线(4b)。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述旁通管线的所述入口孔(25a)被布置在位于所述涡轮单元(5)上游的所述第一排气管线(4a)中。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述旁通管线的所述入口孔(25a)被布置在位于所述涡轮单元(5)内的所述排气通道(19)的一部分中。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述旁通管线的所述出口孔(25b)被布置在位于所述涡轮单元(5)下游的所述第二排气管线(4b)中。
6.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述旁通管线的所 述出口孔(25b)被布置在位于所述涡轮单元(5)内的所述排气通道(21)的一部分中。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述节流机构(26)被构造为使得可以在排气制动过程期间在所述流量元件(17、27)上游的所述排气通道(4a、19)中维持恒定正压力。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述节流机构包括弹簧加载的阀机构(26)。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述节流机构(26)被构造为使得可以在排气制动过程期间在所述流量元件(17、27)上游的所述排气通道(4a、19)中维持可变正压力。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制器件包括适于控制所述节流机构(26)的控制单元(13)。 
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