CN101985900B

CN101985900B - 用于内燃机节流控制的装置和方法

Info

Publication number: CN101985900B
Application number: CN201010243365.9A
Authority: CN
Inventors: P·B·邢; J-S·陈; K-H·陈; Y·P·叶
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2030-07-28
Also published as: US20110023823A1; US7975669B2; CN101985900A; DE102010031902A1; DE102010031902B4

Abstract

本发明提供一种节流控制阀。所述节流控制阀包括具有入口端和出口端的阀套。位于阀套内的阀体具有密封端和心轴。所述密封端具有用于与阀套协作的泪珠形状的横截面。

Description

用于内燃机节流控制的装置和方法

技术领域

本发明的示例性实施方式涉及一种用于内燃机的节流体，更具体地涉及一种用于节流体的泪珠阀。

背景技术

在内燃机中，使用节流控制阀来调节气流。为了在下游汽缸中发生稳定燃烧，需要对气流的精确控制。内燃机中的传统节流控制采用闸阀设计。这种设计会产生非线性且不稳定的气流，包含很高的湍流和穿过控制节流板的高出流损失。

众所周知，由于其非流线体的形状，在流体力学中，闸阀设计具有粗略的怠速控制，该非流线体形状调整流过非流线形体的气流。这种形状趋向于促使下游区域更加不稳定并增加下游区域的湍流。因此，为了闸阀节流中的怠速控制，可能需要额外的表面特征，比如怠速控制机构，以改变节流孔穿过区域。从前的怠速控制包括预置怠速螺钉和/或在旁通回路中预置具备反馈控制功能的电磁阀。这些附加的更改使节流体系统更加复杂，也增加了制造成本。

发明内容

因此，希望提供一种具有泪珠形状阀体的节流控制阀。在内燃机的节流控制中，从关闭位置到完全打开节流位置的工作范围几乎是线性的。因此，使发动机的发动机控制模块更容易精确地调节气流。节流体内的气流调节物体为壳体内部的阀体。它允许气流平滑地流过，而且与传统的闸门节流阀相比不产生大的扰动。平滑而精确的气流控制将使内燃机的汽缸里产生稳定燃烧，并产生稳定的制动转矩，从而减少内燃机车辆中的噪声和振动问题。

在本发明的一个示例性实施方式中，提供了一种节流控制阀。该节流控制阀包括具有入口端、出口端并在两者之间限定工作区域的阀套。该阀套的气流方向是从入口端流向出口端，而且工作区域具有横切气流方向的孔流区域。阀体位于阀套内，并且能够在关闭位置和完全打开节流位置之间移动。阀体具有密封端和由此延伸的心轴，封闭端具有成形的横截面，用于与阀套的工作区域配合。工作区域的孔流区域总体上从关闭位置向完全打开节流位置线性变化。

在本发明的另一个示例性实施方式中，提供了一种使气流在内燃机中通过节流体的方法。这种方法包括提供具有入口端和出口端的阀套，以及通过提供位于阀套内的阀体，调节从入口端向出口端(这限定了气流的方向)流过阀套的气流。阀套进一步包括介于入口端和出口端之间的工作区域，所述工作区域具有位于阀套和阀体之间的与气流方向横切的孔流区域。该方法包括在关闭位置和完全打开节流位置之间线性地移动阀体，以便在关闭位置和完全打开节流位置之间线性地改变工作区域的横截面积。

方案1、一种具有用于调节气流的阀的内燃机组件，包括：

包括进气歧管的发动机本体组件；

与所述进气歧管流体联接的节流控制阀，所述节流控制阀包括具有入口端、出口端并且在入口端和出口端之间限定工作区域的阀套，所述阀套具有从所述入口端到所述出口端的流动方向，所述工作区域具有横向于所述流动方向的截面面积；

位于所述阀套内且能够在关闭位置和完全打开节流位置之间移动的阀体，所述阀体具有密封端和从所述密封端延伸的心轴，所述密封端具有成形的截面，用于与所述阀套的工作区域协作并限定所述工作区域的孔流区域，所述孔流区域的大小从所述关闭位置到所述完全打开节流位置大致线性地变化。

方案2、如方案1所述的内燃机组件，其中所述密封端具有泪珠形状的横截面，用于与所述阀套的工作区域协作。

方案3、如方案1所述的内燃机组件，包括位于所述工作区域外部的阀体致动器。

方案4、如方案3所述的内燃机组件，其中所述阀体致动器包括从所述阀体延伸并穿过心轴支撑部分的阀控制线缆，用于驱动所述阀体从关闭位置到完全打开节流位置。

方案5、如方案1所述的内燃机组件，其中所述阀套包括与所述入口端相邻的第一截头圆锥体部分、与所述出口端相邻的第二截头圆锥体部分以及介于两者之间的阀支撑部分。

方案6、如方案5所述的内燃机组件，其中所述第一截头圆锥体部分沿所述流动方向是发散的，而所述第二截头圆锥体部分沿所述流动方向是收缩的。

方案7、如方案6所述的内燃机组件，其中所述阀体支撑部分大致为圆柱形。

方案8、如方案1所述的内燃机组件，包括在所述阀套内延伸的阀体支撑件，所述阀体支撑件包括在所述阀套的侧壁之间延伸的第一支撑部分和在所述入口端与所述出口端之间延伸的心轴支撑部分，所述心轴支撑部分包括设置在其上并位于所述第一支撑部分和所述阀体的心轴之间的弹性部件。

方案9、如方案1所述的内燃机组件，其中所述进气歧管包括气体入口端，所述气体入口端与所述节流控制阀的出口端相邻。

方案10、一种节流控制阀，包括：

具有入口端、出口端并且在所述入口端和出口端之间限定工作区域的阀套，所述阀套具有从所述入口端到所述出口端的流动方向，所述工作区域具有横向于所述流动方向的截面面积；

位于所述阀套内并且能够在关闭位置和完全打开节流位置之间移动的阀体，所述阀体具有密封端和从所述密封端延伸的心轴，所述密封端具有成形的截面，用于与所述阀套的工作区域协作并且限定所述工作区域的孔流区域，所述孔流区域的大小从所述关闭位置到所述完全打开节流位置大致线性地变化。

方案11、如方案10所述的节流控制阀，其中所述密封端具有泪珠形状的横截面，用于与所述阀套的工作区域协作。

方案12、如方案10所述的节流控制阀，包括位于所述工作区域外部的阀体致动器。

方案13、如方案12所述的节流控制阀，其中所述阀体致动器包括从所述阀体延伸并穿过心轴支撑部分的阀控制线缆，用于驱动所述阀体从关闭位置到完全打开节流位置。

方案14、如方案10所述的节流控制阀，其中所述阀套包括与所述入口端相邻的第一截头圆锥体部分、与所述出口端相邻的第二截头圆锥体部分以及介于两者之间的阀支撑部分。

方案15、如方案14所述的节流控制阀，其中所述第一截头圆锥体部分沿所述流动方向是发散的，而所述第二截头圆锥体部分沿所述流动方向是收缩的。

方案16、如方案15所述的节流控制阀，其中所述阀体支撑部分大致为圆柱形。

方案17、一种在内燃机中通过节流体提供气流的方法，包括：

提供具有入口端和出口端的阀套；

通过提供位于所述阀套内的阀体，调节从所述入口端到所述出口端流过所述阀套的气流，从所述入口端到所述出口端限定了流动方向，所述阀套进一步限定了介于所述入口端和出口端之间的工作区域，

所述工作区域具有限定在所述阀套和所述阀体之间且横向于所述流动方向的孔流区域；

在关闭位置和完全打开节流位置之间移动所述阀体，以便在所述关闭位置与完全打开节流位置之间线性地改变所述工作区域的孔流区域的大小。

方案18、如方案17所述的方法，其中线性地改变孔流区域的大小包括沿大致与所述流动方向平行的方向驱动所述阀体。

方案19、如方案17所述的方法，包括给所述阀套设置位于所述工作区域中的收缩部分。

方案20、如方案19所述的方法，包括使所述阀体具有大致为泪珠形状的横截面。

本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点将通过下文中结合附图对实施本发明的最佳模式的详细描述而变得清楚。

附图说明

其它目标、特征、优点和细节在下文对实施方式的详细描述中仅通过举例的方式给出，该详细描述参考如下附图：

图1所示为本发明的内燃机的原理框图；

图2所示为本发明的节流控制阀的横截面视图；

图3所示为本发明的阀体的横截面视图；

图4所示为本发明的一个方面的示意图；以及

图5所示为本发明的另一个方面的图表。

具体实施方式

现在参阅附图，将结合具体实施方式描述本发明，而不是对本发明进行限定，车辆2的原理图在图1中示出，车辆2具有位于发动机舱4内的内燃机本体组件3。具有气体入口端7的进气岐管6在气体入口端7处或附近流体联接至节流控制阀10。进气岐管6主要包括与发动机本体组件3流体连接的多个气体出口(未示出)。具体地说，气体被计量流过节流控制阀10，并从进气歧管6流向发动机本体组件3。

图2和图3所示为内燃机5的节流控制阀10的横截面。节流控制阀10包括具有入口端12和出口端13的阀套11，出口端13与进气歧管6的气体入口端7流体连接。收缩部分15与出口端13相邻，而发散部分14与入口端12相邻。在所示的示例性实施方式中，第一和第二发散部分均为截头圆锥体形状。阀支撑部分16连接发散部分14和收缩部分15。在这一非限制实例中，阀支撑部分16基本为圆柱形。

由图2可以最好地看出，气流方向“F”在阀套11的内部17内用箭头示出。具体地说，位于阀套11的上游端处的发散部分14沿气流方向发散。与之相反，位于阀套11的下游端处的收缩部分15沿气流方向收缩。阀套11限定位于收缩部分15内的工作区域20。

阀体30位于阀套11内，其具有位于阀套11的下游端处、与出口端13相邻的密封端31。心轴32从密封端31向上游延伸。阀体30由在阀套11内延伸的阀体支撑件36的支撑。阀体支撑件36通过设置在阀套11的两个配合部分-即如图所示的发散部分14的发散端和阀支撑部分16的上游端之间的凸缘34被保持在其中。从图2和图3可以看出，阀体30并且具体是密封端31形成泪珠形状的横截面，用于与收缩部分15协作。如这里所使用的，泪珠形状指的是具有圆形前缘和锥形尾部的任意三维物体。在流体动力学中众所周知的是，由于在泪珠形状物体的区域中产生的层流更多而湍流较少，因此该形状产生的阻力较小。也可以用其它形状来代替图示的泪珠形状的阀体30，比如椭圆形、球形和半球形，只要它们与收缩部分15结合使用时能够产生类似线性的流动。

在图示的示例性实施方式中，阀支撑部分16包括向阀套内部延伸并且大致与气流方向F垂直的3个横向支撑臂35。横向支撑臂35以大约120度绕凸缘34的圆周大致等距离地间隔开，并且在阀套11的中心在贯穿阀套11的轴线A处相交。但是，所采用的横向支撑臂35的间距和数量都可以任意选择。阀心轴支撑件36从横向支撑臂35的相交点悬伸并沿轴线A延伸。阀心轴支撑件36具有外表面37，外表面37上是与之配合并适于在其上滑动的阀心轴32的内表面38。

套在阀心轴支撑件36的外表面37上的是一个弹性部件，在图示实施方式中采用的是压缩弹簧41。压缩弹簧41的上游端压靠在横向支撑臂35上，而压缩弹簧41的下游端抵靠在心轴部分32的凸缘端42上。

阀控制线缆51通过阀固定适配器52固定在阀体30的密封端31的下游端处。阀固定适配器52可以采用多种不同形式，但图示采用的是压接到阀控制线缆51的一端54上的金属环53。阀控制线缆51延伸穿过线缆通路55，并进入由上述内表面38限定的心轴套56。然后阀控制线缆51延伸穿过贯穿阀心轴支撑件36延伸的线缆套管57。此后，阀控制线缆51延伸穿过凸缘34和阀套11的外部，并在该位置与致动器(未示出)连接。

节流控制阀10将与加速踏板或其他阀致动器(未示出)共同控制进入内燃机的空气流。空气流将与燃油流混合，从而为内燃机提供合适的空气燃料混合物。如图2和图3所示，节流控制阀10为常闭的。当需要允许空气流过阀套11的内部17时，致动器(未示出)从阀套11外部牵引阀控制线缆51。阀控制线缆51上的张紧力使阀体30并且具体是密封端31离开与收缩部分15的内表面61抵靠的位置，从而允许空气穿过密封端31的外表面与内表面61之间的孔流区域62从入口端12流向出口端13。具体地，随着心轴32的凸缘端42抵靠着横向支撑臂35对压缩弹簧41进行压缩，心轴32在阀心轴支撑件36上向上游同心地移动。

当致动器释放阀控制线缆51上的张紧力时，装有弹簧的阀心轴32使阀体30和密封端31重新抵靠收缩部分15的内表面61。应该意识到，通过采用这种方法，节流控制阀能够在密封端31完全抵靠在内表面61上时的关闭位置与如图2所示阀体30完全被阀控制线缆51拉回到上游的完全打开节流位置之间移动。这样一来，如图2和图3所示的孔流区域62在图2所示的关闭节流和完全打开节流之间为周向流域截面，气流“F”绕该周向流域截面在密封端31与内表面61之间从入口端12流向出口端13。随着阀体30的动作，周向孔流区域62沿着横向于气流方向的方向向上游和下游移动。如上所述，工作区域20为收缩部分15中的阀体30在其内移动的区域，图2中也已示出。

孔流区域62受到与收缩部分15的内表面61协作的泪珠形状的密封端31的位置的控制，如图4和5所示。重要的是，有效流动区域62在关闭位置与完全打开节流位置之间大致线性地变化。在采用泪珠形状的阀体30和截头圆锥形的收缩部分15的示例性实施方式中，孔流区域62的面积可以根据下面的方程1计算得出。明显的是，阀体30和/或收缩部分15的几何参数的变化将导致产生计算孔流区域62的不同方程：

[方程1]

A_eff＝πcosθ[((h₀+x)sinθ)²-r₂ ²]

＝πr₂ ²((x/r₂)sin2θ+(x²/h₀ ²)cosθ)

h₀＝r₂/sinθ

其中A_eff为孔流区域62；

x为沿轴线A的节流位置；

r₂为泪珠形状的阀体30的最大球面半径的近似值；

θ为收缩部分15与轴线A之间的夹角；

h₀为沿轴线A到节流关闭位置的三角形的一条侧边。

在孔流区域62的增量与泪珠阀体30的位置增量的函数关系中，所提出的泪珠心轴系统具有非常小的二阶项。因此，该函数关系几乎是线性的，并且可以被认为是准线性的设计，如图5所示。

通过移动泪珠阀体30顶住内表面61，可以完全关闭气流(在0％节流位置“TPS”)，图4所示为0％TPS。通过移动泪珠阀体30远离内表面61，可以满足完全打开节流条件“WOT”，或者说达到100％TPS，如图2和图3所示，尽管孔流横截面积62等于节流控制阀10插入其内的初始流管63的横截面积P。

在内燃机应用中，通过控制孔流区域62的尺寸来实现节流效果。如图5所示，在本发明中，通过相对于收缩部分15的内表面61同轴地向上游和下游移动泪珠阀体30，可以从0％到100％平滑且几乎线性地控制气流。此外，流动曲线的平滑性源于调节穿过孔流区域62的气流F的泪珠阀体30。通过与泪珠阀体30的位置增量相对应的孔流穿过区域的近似线性的增量，其结果是对气流F产生准线性的效果。根据图5所示，这是与流过传统闸阀的气流的比较，该闸阀中的湍流很大并且气流明显是非线性的。

因此，节流控制阀10能够比传统闸阀更快地打开。这使得流经工作区域20的气流质量更大。由于在相似压降下气流质量流率更大，泪珠阀体30还允许工作区域20达到扼流条件的速度比传统闸阀更快。此外，泪珠截面的阀体30并且具体是密封端31并不阻碍向上游流动，因此对气流的限制更小。

虽然已经参考示例性实施方式对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，能够做出多种改变，并且可以用等效元件替代本发明的元件。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，也能够做出多种改型以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明将不局限于作为实施本发明的最佳模式而公开的特定实施方式，相反本发明将包括落入本申请范围内的所有实施方式。

Claims

1.一种具有用于调节气流的阀的内燃机组件，包括：

包括进气歧管的发动机本体组件；

位于所述阀套内且能够在关闭位置和完全打开节流位置之间移动的阀体，所述阀体具有密封端和从所述密封端延伸的心轴，所述密封端具有成形的截面，用于与所述阀套的工作区域协作并限定所述工作区域的孔流区域，所述孔流区域的大小从所述关闭位置到所述完全打开节流位置大致线性地变化，

其中所述密封端具有泪珠形状的横截面，用于与所述阀套的工作区域协作，

其中所述阀套包括与所述入口端相邻的第一截头圆锥体部分、与所述出口端相邻的第二截头圆锥体部分以及介于两者之间的阀支撑部分，

并且其中所述密封端与所述第二截头圆锥体部分协作以限定所述孔流区域。

2.如权利要求1所述的内燃机组件，包括位于所述工作区域外部的阀体致动器。

3.如权利要求2所述的内燃机组件，其中所述阀体致动器包括从所述阀体延伸并穿过心轴支撑部分的阀控制线缆，用于驱动所述阀体从关闭位置到完全打开节流位置。

4.如权利要求1所述的内燃机组件，其中所述第一截头圆锥体部分沿所述流动方向是发散的，而所述第二截头圆锥体部分沿所述流动方向是收缩的。

5.如权利要求4所述的内燃机组件，其中所述阀体支撑部分大致为圆柱形。

6.如权利要求1所述的内燃机组件，包括在所述阀套内延伸的阀体支撑件，所述阀体支撑件包括在所述阀套的侧壁之间延伸的第一支撑部分和在所述入口端与所述出口端之间延伸的心轴支撑部分，所述心轴支撑部分包括设置在其上并位于所述第一支撑部分和所述阀体的心轴之间的弹性部件。

7.如权利要求1所述的内燃机组件，其中所述进气歧管包括气体入口端，所述气体入口端与所述节流控制阀的出口端相邻。

8.一种节流控制阀，包括：

位于所述阀套内并且能够在关闭位置和完全打开节流位置之间移动的阀体，所述阀体具有密封端和从所述密封端延伸的心轴，所述密封端具有成形的截面，用于与所述阀套的工作区域协作并且限定所述工作区域的孔流区域，所述孔流区域的大小从所述关闭位置到所述完全打开节流位置大致线性地变化，

9.如权利要求8所述的节流控制阀，包括位于所述工作区域外部的阀体致动器。

10.如权利要求9所述的节流控制阀，其中所述阀体致动器包括从所述阀体延伸并穿过心轴支撑部分的阀控制线缆，用于驱动所述阀体从关闭位置到完全打开节流位置。

11.如权利要求8所述的节流控制阀，其中所述第一截头圆锥体部分沿所述流动方向是发散的，而所述第二截头圆锥体部分沿所述流动方向是收缩的。

12.如权利要求11所述的节流控制阀，其中所述阀体支撑部分大致为圆柱形。

13.一种在内燃机中通过节流体提供气流的方法，包括：

提供具有入口端和出口端的阀套；

在关闭位置和完全打开节流位置之间移动所述阀体，以便在所述关闭位置与完全打开节流位置之间线性地改变所述工作区域的孔流区域的大小，

其中所述方法包括给所述阀套设置位于所述工作区域中的收缩部分，

其中所述方法还包括使所述阀体具有大致为泪珠形状的横截面，

并且其中所述阀体的泪珠形状的横截面与所述收缩部分协作以限定所述线性的孔流区域。

14.如权利要求13所述的方法，其中线性地改变孔流区域的大小包括沿大致与所述流动方向平行的方向驱动所述阀体。