CN103097689A - 具有旁路阀的废气涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机(3)的废气涡轮增压器(1)。所述废气涡轮增压器(1)具有用于绕过该废气涡轮增压器(1)的涡轮机(5)的旁路通道(4)。在涡轮机(5)的排出口截面(6)与废气压力导管(10)之间，在旁路通道(4)内设置有旁路阀(2)。所述旁路阀(2)通过阀杆可轴向移动地保持，并且旁路阀(2)的阀盘能够在旁路阀(2)处于关闭状态时紧贴阀座，其中，阀盘的与阀杆相连的一侧朝向所述废气压力导管(10)。此外，优选在旁路阀上设计压紧板，所述压紧板能够在废气涡轮增压器(1)的壳体(13)的凹槽中移动。

Description

具有旁路阀的废气涡轮增压器
本发明涉及一种用于内燃机的废气涡轮增压器，所述废气涡轮增压器设计具有旁路阀，所述旁路阀布置在所述废气涡轮增压器的涡轮机的排出口截面与废气压力导管之间的涡轮机旁路通道内。所述旁路阀与可电动式和/或气动式操作的调节器件相连以控制废气流过旁路通道的流量，并且旁路阀由阀盘和阀杆组成。通过所述旁路阀能够按照需求引导废气的支流从所述涡轮机旁边流过。所述阀杆可轴向移动地保持在滑动导引装置中。为了流体密封地封闭旁路通道，阀盘能够在所述旁路阀处于关闭状态时紧贴阀座。
在具有废气涡轮增压器的内燃机运行时，通过用于废气涡轮增压器的涡轮机的旁路通道选择性地引导废气的支流从涡轮机旁边经过。为此，在旁路通道内布置有也称为排泄阀门(Wastegateventil)的用于打开或关闭旁路通道的旁路阀。旁路阀由阀盘和阀杆组成。阀盘在旁路阀处于关闭状态时压靠在阀座上。在对内燃机有加载要求时，旁路阀关闭并且通过预设的力压靠在阀座上，其中所述力这样选择，使得在加载要求期间，旁路通道流体和压力密封地克服内燃机的废气压力保持封闭。
具有用于废气涡轮增压器的涡轮机的旁路通道的废气涡轮增压器由专利文献WO2006/046810A1,US4,171,936A,GB1,049,656A和GB2033007A已知。这些专利文献记载了具有布置在旁路通道中的旁路阀的废气涡轮增压器。机械式和/或气动式工作的调节器件作用在由所述现有技术已知的旁路阀上。对于气动式控制来说，所述调节器件是与阀杆相连的压力活塞或者可移动地布置在与旁路通道分开的工作室内的压力薄膜。该工作室通过压力导管与进气侧的吸气管相连。
由专利文献US2002/0078934A1已知一种电动或机电式驱动的调节器件。
通过使用电动调节器件对旁路阀的控制更加准确并且与废气涡轮增压器中的压力状况无关，但是随时与内燃机的工作区域和加载要求有关。因为电动调节器件不能充分利用废气涡轮增压器的气动力，所以它们的功率必须设计得足够大。这种大功率的电动调节器件不仅需要较多能量，而且它们的质量也相应较大，由此会产生成本并且增大空间需求。
为了减少调节器件克服废气压力的力消耗，已知将旁路阀设计为具有阀盘和阀杆的盘阀的形式。在此，废气压力在阀门处于关闭状态时反作用于阀盘并且将阀盘压入阀座，由此辅助实现压力和流体密封性。
在此背景下，本发明所要解决的技术问题在于，将开头所述类型的废气涡轮增压器设计为，使得可以为废气涡轮增压器的涡轮机的旁路通道中的旁路阀设置一种成本低廉的调节器件，所述调节器件的功率消耗较小，尤其是具有较小的结构空间和/或较小的质量。
该技术问题按本发明通过具有独立权利要求1的特征的废气涡轮增压器解决。从属权利要求涉及本发明特别相宜的扩展设计。
按照本发明提供一种废气涡轮增压器，其中，阀盘与阀杆相连的一侧朝向废气压力导管，因此阀盘为了打开旁路阀而朝排出口截面的方向运动。阀盘与阀杆相连的一侧尤其与气体流体接触。通过按本发明地在废气涡轮增压器中进行这样的布置，以有利的方式实现了较小的功率消耗需求，因为阀盘在打开状态下不会受到沿关闭方向的气体作用力。
在此，在一种特别优选的实施形式中，在旁路阀上设计有压紧板，该压紧板能够在废气涡轮增压器的壳体的凹槽中移动。通过使用压紧板，可以减小旁路阀所需的调节力。压紧板这样布置在旁路阀上，使得旁路阀的来自废气压力导管的迎流正好进入到阀盘和压紧板之间。尤其是压紧板与阀盘对置布置的一侧与气体流体接触。因此，气体作用力同时作用在阀盘和压紧板上。所述压紧板与气体接触的一侧的面积小于或等于阀盘与气体接触的一侧的面积。因为气体作用力沿相反的方向作用在阀盘和压紧板上，所以所述力几乎相互抵消。废气压力导管(也称为肘管)是内燃机和废气涡轮增压器之间的连接，处于高压下的废气在废气压力导管中从内燃机气缸运输至废气涡轮增压器的涡轮机。
优选借助压紧板的密封元件相对旁路通道几乎流体密封地封闭所述凹槽。由此在很大程度上防止了气体压力可流到压紧板后方。气体压力以几乎相同的但方向相反的力(通过彼此反平行定向的力)作用在阀盘和压紧板上。因为压紧板通过阀杆与阀盘相连，所以所述力几乎完全相互抵消。旁路阀的调节器件基本上只需克服密封件的摩擦阻力来控制废气流过旁路通道的流量。这在强烈脉动的废气加载的情况下是特别有利的。优选可电动和/或气动地操作所述调节器件。
然而，对于穿过阀座安装阀门特别相宜(可能需要)的是，压紧板的直径略小于阀盘的直径。因此调节器件只需要提供用于改变旁路阀位置的力，该力只由密封件的摩擦力与阀盘和压紧板对废气压力有效的横截面的比例关系中剩余的剩余力组成。因为由于安装原因，阀盘的压力有效横截面积大于压紧板的压力有效横截面积，所以合成的废气作用力始终沿打开旁路阀的方向作用。因为合成的废气作用力大于需要克服的密封件摩擦力，所以在调节器件失效时可确保旁路阀自动打开。
为了使当旁路阀在凹槽中运动时不会在压紧板之后形成背压，有利的是，所述凹槽通过补偿导管与涡轮机的排出口截面相连，所述补偿导管尤其设计在废气涡轮增压器的壳体内。由此同时确保了在设置用于导引和密封旁路阀的滑动导引装置处总是存在位于涡轮机之后的较低废气压力。这种压力水平在密封技术上比存在于废气压力导管中涡轮机之前的压力更容易控制。较高的压力只存在于更大的压紧板密封件上。
在按照本发明的废气涡轮增压机的一种扩展设计的有利实施形式中，在阀座上设置有掩膜。掩膜使得能够按照期望地模拟或塑造废气流量特征曲线。掩模设计为环岸状的凸起，其沿阀座相对紧邻的周边朝排出口截面的方向突出。由此，在预期的旁路阀打开行程以内，阀盘和阀座之间的打开间隙的面积与掩膜尺寸相应地受到限制。通过这种掩膜，可以在打开行程较小时阻止通过旁路阀的废气流在阀座的全部圆形截面上流出。对于例如相对阀座高出一毫米并且遮盖阀座圆周六分之一的掩膜，废气流可以在阀行程不超过一毫米时只在圆周的六分之五上流过旁路阀，并且在阀行程超过一毫米时在整个圆周上流过旁路阀。此外，可以通过选择掩膜的位置影响废气的流出方向。
由于相对现有技术大幅减小的调节力以及能够借助掩膜灵活地塑造废气流量特征的可能性，按照本发明的旁路阀也可以作为二级或多级的调节阀使用。
本发明具有大量实施形式。尤其是这些实施形式可以具有单个、多个或全部所述的特征。为了进一步阐述它们的基本原理，在附图中示出了两种实施形式并且在以下进行描述。在附图中：
图1是废气涡轮增压器的一种实施形式的示意图；
图2是第一种实施形式的旁路阀在关闭状态中的剖视图；
图3是第一种实施形式的旁路阀在打开状态中的剖视图；
图4是具有按照第二种实施形式的处于关闭状态中的旁路阀的废气涡轮增压器的排出口截面的示意图；
图5是第二种实施形式的旁路阀在关闭状态中的剖视图；
图6是第二种实施形式的旁路阀在部分打开状态中的剖视图；
图7是第二种实施形式的旁路阀在完全打开状态中的剖视图；
图8是废气涡轮增压器的另一种变型方案的剖视图，并且示出了废气涡轮增压器的旁路阀的局部放大视图。
图1示出内燃机3的废气涡轮增压器1。废气涡轮增压器1在内燃机的进气侧具有压缩机9并且在内燃机的排气侧具有涡轮机5。在废气涡轮增压器1的壳体13内设置有旁路通道4用于绕过涡轮机5。旁路通道4将废气压力导管10与涡轮机的排出口截面6相连接。在旁路通道4内布置有用于关闭旁路通道4的旁路阀2。所示的实施形式具有由旁路阀2和废气压力导管10限定的旁路通道4部段，该部段也可以称为废气压力导管10的分支。补偿导管8将旁路阀2区域内的凹槽与排出口截面6相连接，因此凹槽内总是存在与排出口截面6内相同的压力。
图2和图3示出旁路阀2的放大剖视图。布置在旁路通道4内的旁路阀2由阀盘12和压紧板14组成，所述阀盘12和压紧板14通过阀杆15相连并且可以与阀杆15共同运动。在废气涡轮增压器的壳体13内设置有凹槽11，压紧板14可移动地布置在所述凹槽11内。压紧板14具有至少一个密封元件17，所述密封元件相对旁路通道4流体和压力密封地封闭凹槽11。旁路阀2通过阀杆15可在滑动导引装置16中轴向移动地保持被导引。滑动导引装置16还用于相对周围环境密封凹槽11。在旁路阀2中，阀盘12与阀杆15相连的一侧朝向图1所示的废气压力导管。旁路阀2通过调节器件7进行运动。凹槽11通过补偿导管8与排出口截面6相连。
图2示出关闭状态下的旁路阀2。在此，阀盘12贴靠在阀座18上。与阀杆15相连的调节器件7产生闭合力，以便由此气密且压力密封地封闭旁路通道4。
图3示出打开状态下的旁路阀2。阀盘12与阀座18之间间隔作为环形间隙形成的距离。压紧板14在凹槽11中移动了(与该距离)相同的阀行程。
图4、5、6和7示出了在之前的附图中描述的旁路阀2的第二种实施形式。在这种实施形式中，在阀座18上布置有掩膜19。掩膜19设计为环岸状的凸起，其沿阀座18相对紧邻的周边朝排出口截面6的方向突出。由此，在达到旁路阀2预期的打开行程之前，阀盘12和阀座18之间的打开间隙的流通面积与掩膜尺寸相应地受到限制。通过这种掩膜19，可以在打开行程较小时阻止通过旁路阀2的废气流在阀座18的全部圆形截面上流出。
图4示出废气涡轮增压器的排出口截面6的示意图。可以看出该旁路阀的阀盘12朝向排出口截面6的一侧、补偿导管8、阀座18、布置在阀座18上的掩膜19和涡轮机的流出口20。
图5示出处于关闭状态的旁路阀。在此，阀盘12贴靠在阀座18上。掩膜19在旁路阀2的这个状态下不起作用。
图6示出处于部分打开状态的旁路阀。阀盘12与阀座18之间间隔一定距离。通过该距离形成一条间隙，但该间隙受到掩膜19的限制。在掩膜19的区域内，尽管阀盘12与阀座18之间有一定距离，但因为阀盘12现在贴靠在掩膜19上，所以在该处没有形成间隙。
图7示出处于完全打开状态的旁路阀。阀盘12现在与阀座18和掩膜19都间隔一定距离。阀盘12与阀座18或掩膜19之间的间隙在阀盘12的整个周向上形成。
图8示出废气涡轮增压器的另一种实施形式，其中掩膜19通过壳体13的表面21上相宜的空间成型部构成。

Claims (10)

1.一种尤其用于内燃机(3)的废气涡轮增压器(1)，所述废气涡轮增压器(1)设计具有旁路阀(2)，所述旁路阀(2)布置在所述废气涡轮增压器(1)的涡轮机(5)的排出口截面(6)与废气压力导管(10)之间的涡轮机(5)旁路通道(4)内并且与调节器件(7)相连，以控制废气流过旁路通道(4)的流量，其中，通过所述旁路阀(2)能够按照需求引导废气的支流从所述涡轮机(5)旁边流过，所述旁路阀(2)具有阀盘(12)和阀杆(15)，所述旁路阀(2)通过所述阀杆(15)可轴向移动地保持，并且阀盘(12)能够在所述旁路阀(2)处于关闭状态时紧贴阀座(18)，以便气密且压力密封地封闭所述旁路通道(4)，其特征在于，所述阀盘(12)与阀杆(15)相连的一侧朝向所述废气压力导管(10)。
2.按权利要求1所述的废气涡轮增压器(1)，其特征在于，在所述旁路阀(2)上设计有压紧板(14)，所述压紧板(14)能够在所述废气涡轮增压器(1)的壳体(13)的凹槽(11)中移动。
3.按权利要求2所述的废气涡轮增压器(1)，其特征在于，所述压紧板(14)与气体接触的一侧的面积小于或等于所述阀盘(12)与气体接触的一侧的面积。
4.按权利要求1或2所述的废气涡轮增压器(1)，其特征在于，所述压紧板(14)安装在所述阀杆(15)上。
5.按至少一项前述权利要求所述的废气涡轮增压器(1)，其特征在于，所述阀杆(15)可轴向移动地保持在滑动导引装置(16)内。
6.按至少一项前述权利要求所述的废气涡轮增压器(1)，其特征在于，能够电动和/或气动地操作所述调节器件(7)。
7.按至少一项前述权利要求所述的废气涡轮增压器(1)，其特征在于，通过所述压紧板(14)的密封元件(17)相对所述旁路通道(4)流体密封地封闭所述凹槽(11)。
8.按至少一项前述权利要求所述的废气涡轮增压器(1)，其特征在于，所述凹槽(11)通过补偿导管(8)与所述涡轮机(5)的排出口截面(6)相连。
9.按至少一项前述权利要求所述的废气涡轮增压器(1)，其特征在于，所述补偿导管(8)设计在所述废气涡轮增压器(1)的壳体(13)内。
10.按至少一项前述权利要求所述的废气涡轮增压器(1)，其特征在于，在所述阀座(18)上设置有掩膜(19)。
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