CN102472178A - 使用制动阀和部分进气流涡轮机涡轮增压器的发动机制动器 - Google Patents

Abstract

一种发动机制动系统包括蝶形阀，该蝶形阀在部分进气发动机涡轮增压器的上游而位于排气系统中。当瓣阀处于关闭位置时，旁通排气通道用于将排出气体供给至涡轮机。通过使用涡轮增压器上游的背压蝶形阀，该阀可完全关闭以产生高水平的背压。通过使用供给至涡轮机外壳的外部旁通排气供源，涡轮机持续旋转，且发动机的质量流不被阻挡并将得到改进的制动性能。

Description

使用制动阀和部分进气流涡轮机涡轮增压器的发动机制动器

技术领域

本发明涉及内燃机，包括但不局限于用于内燃机的涡轮增压器、EGR系统以及发动机制动的控制和操作。

背景技术

对于车辆、尤其是大型牵引拖车来说，合适且可靠的制动是理想的。虽然鼓式或碟式制动器在短期内能够吸收大量能量，但所吸收的能量在制动机构中转换成热量。发动机制动系统可用于辅助车辆的制动。

多气缸内燃机、尤其是用于大型牵引拖挂式卡车的柴油发动机可包括废气涡轮增压器。该涡轮增压器包括涡轮机，该涡轮机经由轴驱动压缩机，而在正常工作的过程中，该压缩机致使进气管道中的进气压力增大。

已知制动系统包括排气制动器和压缩释放系统，该排气制动器抑制废气流动通过排气系统，而在压缩释放系统中，在发动机的压缩冲程中压缩进气所需的能量通过使经压缩的空气排过排气系统而耗散。

在美国专利4,395,884中披露的一种方法包括使用一种经涡轮增压的发动机，该发动机装备有双侧进气的涡轮机和压缩释放发动机减速器并结合有分流阀。在发动机的制动过程中，分流阀将气流引导通过涡轮机的分开的涡形室的一个涡管。当发动机进行制动时，涡轮机速度最大且入口歧管压力也最大，由此使得由发动机所产生的制动马力最大。

其它方法是使用一种可变几何形状的涡轮增压器(VGT)。当命令发动机制动时，可变几何形状的涡轮增压器“向下夹紧”，这意味着涡轮机叶片关闭并且用于既产生高的排气歧管压力又产生高的涡轮机速度，从而产生高的压缩机速度。增大涡轮增压器的速度还增大发动机的气流以及有效的发动机制动功率。在美国专利6,594,996中披露的方法包括根据发动机的速度和(排气或进气、较佳的是排气)压力而对用于发动机制动的涡轮增压器的几何形状进行控制。美国专利6,148,793描述了一种用于具有可变几何形状的涡轮增压机的发动机的制动控制件，该制动控制件可控制，以改变进气歧管的压力。发动机可使用涡轮增压器的几何形状致动器和排气阀致动器而在制动模式下工作，该涡轮增压器的几何形状致动器用于改变涡轮增压器的几何形状，而排气阀致动器用于打开发动机的排气阀。

在美国专利6,223,534和4,474,006中披露使用用于发动机制动的涡轮增压器的其它方法。

发动机制动器需要排气背压，以产生泵送损失并产生减速功率。一些制动系统将涡轮增压器下游的排气出口外壳中的蝶形瓣阀关闭，以产生背压。然而，在该阀处于该位置的情形下，在高背压情况中，可阻碍通过涡轮增压器的大量气流，并且由于压缩机转轮并不有效地旋转，而致使进入气缸中的压缩空气发生损失。

为了实现高效的发动机制动作用，在制动过程中，位于涡轮机上游的排气管线中的制动阀可关闭，并且在制动阀上游的排气管线中建立过压。所建立的过压以较高的速度流到涡轮机中，并且作用在涡轮机转子上，藉此所驱动的压缩机使进气管道中的压力增大。气缸经受增大的充气压力。在排气系统中，在气缸出口和制动阀之间产生过压，并且该过压对于在气缸中经压缩的空气经由排气阀进入排气导管中的排气起反作用。在制动过程中，活塞对抗排气导管中的高过压而进行压缩工作，从而实现较强的制动作用。披露在涡轮机上游的阀的专利包括美国专利7,523,736和美国专利4,395,884。

发明内容

根据本发明的一示例实施例，诸如蝶形阀或瓣阀之类的阀在发动机涡轮增压器的部分进气流涡轮机的上游位于排气系统中。当该阀处于完全关闭位置或者打开和完全关闭之间的部分关闭位置时，外部旁通排气通道用于将排出气体供给至涡轮机。

根据另一方面，对于具有整体式(非分开式)涡轮机外壳的涡轮增压器来说，可使用一个(1个)旁通排气通道。对于分开式涡轮机外壳来说，两个(2个)排气通道可用于分开和不同的流动回路。

通过在涡轮增压器涡轮机的上游使用阀，该阀可完全关闭或部分关闭，以产生高水平的背压。通过使用供给至涡轮机外壳的旁通排气供源，涡轮机和压缩机持续旋转，且发动机的质量流不被阻挡并将得到改进的发动机制动性能。

从下文对本发明以及本发明的实施例的详细说明、从权利要求以及从附图中，本发明的各种其它优点和特征将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明示意实施例的发动机系统的示意图，该发动机系统包括涡轮增压器和发动机制动系统；

图2是包含图1所示制动系统的增压器系统的正视图；

图3是图2所示涡轮增压器系统的右侧视图；

图4是大体沿图2中剖线4-4剖取的涡轮增压器系统的剖视图；

图5是大体沿图2中剖线5-5剖取的涡轮增压器系统的局部剖视图，并且为了便于解释而移除某些部分；

图6是大体沿图3中剖线6-6剖取的涡轮增压器系统的局部剖视图，并且为了便于解释而移除某些部分；

图7是大体沿图3中剖线6-6剖取的涡轮增压器系统的局部剖视图，并且为了便于解释而移除某些部分；

图8是大体沿图2中剖线8-8剖取的涡轮增压器系统的局部剖视图，并且为了便于解释而移除某些部分；以及

图9是根据本发明替代实施例的发动机系统的示意图，该发动机系统包括涡轮增压器和发动机制动系统。

具体实施方式

虽然本发明容许许多不同形式的实施例，这些实施例在附图中示出并且将在本文中进行详细描述，但这些实施例中用于理解本发明的特定实施例应被认为是本发明原理的示例，而不旨在于将本发明限制为所说明的特定实施例。

在图1中示意地示出发动机100。该发动机100具有包括多个气缸的气缸体101。气缸体101中的气缸流体地连接于进气系统103并且连接于排气系统105。排气系统包括来自一排气缸中的气缸1、2、3的第一管道105a和来自气缸4、5和6的第二管道105b。虽然示出六个气缸的直列排列，但本发明还包括任何数量气缸构成的多个气缸的直列或V形排列或其它排列。

涡轮增压器107包括涡轮机109。所示出的涡轮机109具有连接于排气系统105的单个涡轮机进入口113。涡轮增压器107包括压缩机111，该压缩机通过进气通道115连接于进气系统103。

在发动机100的工作过程中，空气可通过空气入口117而进入压缩机111。经压缩的空气可通过出口207而离开压缩机111(下文进行描述)，并且在进入进气系统103的进气混合器121和进气歧管122之前，经过进气通道115并经过可选的增压空气冷却器119以及可选的入口节流阀120。经压缩的空气进入发动机气缸1-6。

来自排气系统105的排出气流可在混合器121处与来自入口节流阀120的空气相遇并且混合之前、行进通过EGR通道或导管124、通过排气循环(EGR)阀125、通过排气循环(EGR)冷却器126并经过另一EGR导管127。

涡轮机109的进入口113能以形成分配歧管129的方式连接于排气管105a、105b(图4)。经过涡轮机109的排出气体可通过尾管134而离开发动机100。众所周知，可设置尾气和噪声处理部件，从而在排出气体排放至大气之前，接收来自尾管的排出气体。

有时在EGR阀125至少部分打开时，排出气体流动通过第一管道105a、通过导管124、通过EGR阀125、通过EGR冷却器126、通过又一个导管127并进入混合器121，在此该排出气体与来自入口节流阀120的空气混合。排出气体通过EGR阀125再循环的量值可取决于该EGR阀125的受控打开百分比。

制动阀133设置在分配歧管129内。该制动阀可在如下两个位置之间操作：在发动机制动操作过程中的图1中实线所示的关闭位置或者部分关闭位置(未图示)，以及在正常工作而非发动机制动操作的过程中的图1中虚线所示的打开位置或者部分打开位置(未图示)。外部旁通导管135连接在第一管道105a和涡轮机109之间。外部旁通导管135可将尺寸设计成总是打开，即并不具有如图所示的阀构件，或者可控阀可沿着该旁通阀135而定位。该阀可以是蝶形阀、瓣阀或者其它类型的阀。

在发动机制动过程中，制动阀133完全关闭或者部分关闭，从而由于旁通导管的受限流动区域而产生增大的背压。该制动阀可以是比例控制阀。可通过发动机控制件来对制动阀被关闭的程度进行优化。经过旁通导管135的排出气体使涡轮机速度保持高速，从而保持有高容量的压缩空气从压缩机111流入进气系统103。发动机制动的更完整描述可在美国专利6,594,996；6,223,534；6,148,793；4,474,006以及4,395,884中找到；并且所有的这些专利以参见的方式纳入本文。

图2-5示出图1所述系统的示例实施例。为了便于说明，在附图4中移去压缩机和涡轮机转轮、轴承、密封件以及其它相关联的硬件。可从美国专利6,715,288；6,709,160；6,925,805；6,089,019；4,389,845中得到关于涡轮增压器内部部件的具体设计，在此以参见的方式将所有这些专利纳入本文，以至如下程度，使这些披露并不与本发明的教示相一致。

压缩机111包括外壳201，该外壳具有轴向入口喷嘴203和切向排放喷嘴207。

图5示出涡轮机109，该涡轮机109包括涡轮机外壳215，而该涡轮机外壳215限定内部涡管或涡形室215a并且具有轴向排放喷嘴216、形成入口113的第一切向入口喷嘴218以及第二切向入口喷嘴220。为了清楚地进行描述而并不示出涡轮机转轮。喷嘴218沿方向V1来引导气体。喷嘴220沿方向V2来引导气体。V1和V2之间的角度A大于180度并且较佳的是约240度。喷嘴220和涡形室215a的相交部220a与喷嘴218和涡形室215a的相交部218a之间的角度B大于180度并且较佳的是约200度。喷嘴220设置成切向于其中的涡轮机转轮而将气流引到涡形室中。有利的是，喷嘴220的横截面大约与在喷嘴220和涡形室215a的相交部处的涡形室内流动区域的横截面相等。

旁通导管135由凸缘喷嘴236连接于排气管105a，并且通过连接于喷嘴220而连接于涡轮机外壳215。如图5所示，喷嘴220以如下方式连接于涡轮机外壳215：以基本上切向于外壳215内涡形室215a的方式高速引导排出气体。

由于通过喷嘴220的气流并不包围整个360度的涡形室，因而所示的涡轮机被认为是部分进气式涡轮机。在所说明的实施例中，通过喷嘴220的气流包围约160度。

如图4和6-8所示，制动阀133包括蝶形阀构件246，该蝶形阀构件246在轴248上相对于的歧管129而枢转。轴248通过歧管129的顶部而穿透歧管129并且密封在该穿透部内。曲柄252在该曲柄252的基端254处固定于轴248的顶部，并且在远端256处枢转地连接于直线致动器260。致动器260可以是电磁螺线管驱动的致动器，用以使致动器臂262作进入和离开致动器本体264的往复运动。曲柄的远端256连接于臂262的球接头或枢转接头266。致动器260在其基端268处枢转地连接于安装在歧管129上的支承板272。致动器260的枢转连接允许在臂262运动进入或离开致动器本体264时、该致动器260进行较小程度地枢转。在臂262相对于本体264运动时，曲柄252转动并且阀构件264打开或关闭。

作为电磁螺线管驱动的致动器的替代，气压缸致动器、液压油驱动的致动器、其它类型的电气驱动致动器或者其它的已知致动器都可适用。

图9示出一替代的实施例，其中替代的涡轮增压器407使用替代的涡轮机409，而该涡轮机包含分开式涡轮机外壳。根据该实施例，单独的外部排气旁通导管135、435用于涡轮机的每个分开部分。

除了将制动阀133关闭以外，可将发动机的一个或多个排气阀打开，以使由发动机所产生的制动马力最大，如在美国专利6,594,996；6,148,793；6,779,506；6,772,742或6,705,282中所描述的那样，这些专利在此以参见的方式纳入本文。

部件列表

100  发动机

101  气缸体

103  进气系统

105  排气系统

105a 第一排气管

105b 第二排气管

107  涡轮增压器

109  涡轮机

111  压缩机

115  进气通道

119  可选的增压空气冷却器

120  可选的入口节流阀

121  进气混合器

122  进气歧管

124  EGR导管

125  EGR阀

126  冷却器

127  另一导管

129  分配歧管

133  制动阀

134  尾管

135  外部排气旁通导管

201  压缩机外壳

203  轴向入口喷嘴

207  切向排放喷嘴

215  涡轮机外壳

215a 内部涡形室或涡管

216  轴向排放喷嘴

218  第一切向入口喷嘴

218a 喷嘴218和涡形室215a的相交部

220  第二切向入口喷嘴

220a 喷嘴220和涡形室215a的相交部

236  凸缘喷嘴

246  蝶形阀构件

248  阀构件轴

252  曲柄

254  曲柄的基端

256  曲柄的远端

260  直线致动器

262  致动器臂

264  致动器本体

266  枢转接头

268  本体264的基端

272  支承板

407  替代的涡轮增压器

409  替代的涡轮机

435  第二外部排气旁通导管

240  第一排出气体部分

242  EGR排出气体

246  第二排出气体部分

300  中心阀

304  基部

306  阀座

310  可转动的蝶型阀构件

314  轴

从前文描述中，应观察到的是，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可进行各种变型和修改。应理解的是，预期或应推断不限制于在此说明的特定设备。

Claims (12)

1.一种发动机制动系统，包括：

涡轮增压器，所述涡轮增压器具有涡轮机和压缩机，且所述涡轮机具有涡轮机外壳，而所述涡轮机外壳具有第一入口、第二入口和出口，并且所述涡轮机可操作地连接于所述压缩机，以使压缩机转轮在所述压缩机内旋转，从而对进入所述发动机的进入空气进行加压；

制动阀，所述制动阀具有打开位置和关闭位置；

排气歧管，所述排气歧管接收来自所述发动机的排出气体，并且具有第一出口和第二出口，所述第一出口通过所述制动阀而流动连接于所述涡轮机的第一入口，而所述第二出口由外部旁通导管流连接于所述第二入口并且绕过所述制动阀。

2.如权利要求1所述的发动机制动系统，其特征在于，所述排气歧管包括分配歧管，而所述分配歧管将排出气体从所述发动机引导至所述涡轮机、从所述发动机引导至EGR阀并且从所述发动机引导件所述旁通导管，而所述旁通导管流动连接在所述第二出口和所述第二入口之间。

3.如权利要求1所述的发动机制动系统，其特征在于，所述涡轮机包括整体式涡轮机外壳。

4.如权利要求1所述的发动机制动系统，其特征在于，所述涡轮机包括具有两个涡形室的分开式外壳涡轮机，并且还包括第二旁通导管，所述旁通导管和所述第二旁通导管设置成连接在所述排气歧管和所述涡形室中的相应一个之间。

5.如权利要求1所述的发动机制动系统，其特征在于，所述制动阀包括蝶形阀，而所述蝶形阀可在与所述打开和关闭位置相对应的两个位置之间转动。

6.一种用于发动机的排气和进气系统，包括：

第一排气管和第二排气管，所述第一排气管对由所述发动机产生的排出气体的第一部分进行管送并且具有第一出口，而所述第二排气管对由所述发动机产生的排出气体的第二部分进行管送并且具有第二出口；

进气系统，所述进气系统包括空气压缩机、所述空气压缩机的空气入口以及压缩空气的进气歧管，且所述压缩空气的进气歧管流动连接于所述空气压缩机；

涡轮机，所述涡轮机驱动所述空气压缩机，并且所述涡轮机具有限定涡形室的外壳，且所述外壳具有第一入口和第二入口，所述第一入口用于将所述第一和第二管道的第一和第二出口分别流连接于所述涡形室，而所述第二入口设置成相对所述第一入口成角度地偏移；

至少一个制动阀，所述至少一个制动阀设置于第一工作模式，以将所述排出气体从所述第一管道和所述第二管道至所述涡轮机入口的流动打开，并且所述至少一个制动阀设置于第二工作模式，以将所述排出气体从所述第一管道和所述第二管道至所述涡轮机入口的流动关闭；以及

至少一个外部旁通导管，所述至少一个外部旁通导管将所述第一管道或所述第二管道中的一个流动连接于所述第二入口。

7.如权利要求6所述的排气和进气系统，其特征在于，所述第一入口和所述第二入口偏移180度以上的角度。

8.如权利要求6所述的排气和进气系统，其特征在于，所述第一入口和所述第二入口偏移约200度的角度。

9.如权利要求6所述的排气和进气系统，其特征在于，所述第一入口由第一入口喷嘴提供，而所述第二入口由第二入口喷嘴提供，并且所述第一和第二入口喷嘴相对于所述涡形室沿基本上切向方向引导气体。

10.如权利要求6所述的排气和进气系统，其特征在于，所述第一和第二入口喷嘴以引开180度以上的方向来引导气体。

11.如权利要求10所述的排气和进气系统，其特征在于，所述第一和第二入口喷嘴以引开约240度的方向来引导气体。

12.如权利要求6所述的排气和进气系统，其特征在于，所述制动阀包括一个蝶形阀，且所述蝶形阀交替地运动，以将所述第一管道和所述第二管道都打开或者将所述第一管道和所述第二管道都关闭。

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