CN103608561A - 旁通阀和增压器 - Google Patents

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Abstract

一种旁通阀，该旁通阀在打开状态下使涡旋部内的压缩空气的一部分经由旁通流路向上述涡旋部的上游侧分流，在关闭状态下将上述涡旋部内的压缩空气送向下游侧，其中，该旁通阀具有：阀体，构成为能够与将上述涡旋部和上述旁通流路连通的分流孔嵌合；和致动器，使上述阀体在与上述分流孔嵌合的关闭状态和与上述分流孔分开的打开状态之间移动，上述阀体构成为形成有在上述关闭状态下沿着上述涡旋部的内壁的内表面。

Description

旁通阀和增压器
技术领域
本发明涉及旁通阀和增压器，特别涉及能够抑制压力损失的降低的旁通阀和使用上述旁通阀的增压器。
背景技术
增压器（例如涡轮增压器）是这样的装置：利用发动机的排气能量驱动涡轮，并使与涡轮的旋转轴同轴连结的压缩机驱动来压缩空气，通过向发动机供给高密度的压缩空气，来增大发动机的输出。所述增压器通常具有：构成涡轮的外壳的涡轮壳体；将旋转轴（或轴）支承为旋转自如的中心壳体（或轴承壳体）；以及构成压缩机的外壳的压缩机壳体。并且，压缩机壳体具有涡旋部，该涡旋部绕压缩机的叶轮的旋转轴形成为螺旋形状。进而，压缩机对从轴向吸入的空气进行压缩，从叶轮的周向端面对涡旋部供给压缩空气，并从涡旋部将压缩空气排出到外部。
但是，装载于汽车等车辆的增压器（所谓涡轮增压器）在车辆从高速状态紧急减速的情况下，发动机侧以加速器关闭的信号转移到低速旋转状态，因此，涡旋部内的压缩空气难以移送到发动机侧。并且，吸气量由于残留在涡旋部内的压缩空气而减少。然而，由于增压器因惯性而继续转动，所以压缩机成为喘振状态。为了抑制这种喘振状态，一部分增压器构成为具有：旁通流路，连接压缩机壳体的涡旋部内和压缩机的吸气口；和进行旁通流路的开闭的旁通阀（bypass valve），在车辆的紧急减速时打开旁通阀，使压缩机壳体的涡旋部内的压缩空气返回到压缩机的吸气口（例如参照专利文献1和专利文献2）。
例如在专利文献1中记载了这样的旁通阀：在能够经由旁通通路迂回的涡轮增压器的外壳上配置有阀座，当阀单元下降到阀座上时，旁通通路被密封唇闭合，涡轮增压器的高压力支配的排出侧与低压力支配的吸入侧分离。
此外，在专利文献2的背景技术栏中记载了配置有以下部件的结构：旁通管，连接增压器的压缩机的下游侧的吸气管和上游侧的吸气管；和低压EGR（Exhaust Gas Recirculation：排气再循环）系统，连接增压器的涡轮的下游侧的排气管和增压器的压缩机的上游侧的吸气管。在旁通管上配置有进行旁通管的开闭的旁通阀。在低压EGR系统中配置有连接排气管和吸气管的EGR管、进行该EGR管的开闭的EGR阀以及EGR冷却器。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2007-71207号公报
专利文献2：日本特开2010-265854号公报。
然而，上述专利文献1所记载的旁通阀大多情况配置于压缩机壳体的涡旋部，并且在涡旋部的一部分形成贯通的流路，在其外壳的外侧使旁通阀开闭。因此，在具有旁通阀的增压器中，在涡旋部的一部分（旁通阀的内侧）中存在凹陷空间，有可能阻碍压缩空气的流动而产生压力损失，从而导致增压器的运转效率降低。
此外，在上述专利文献2所记载的具有EGR系统的增压器中，在压缩机的上游的吸气管中，不仅包含由空气过滤器除去了尘埃等的清洁的空气，还包含漏气或EGR气体那样的含有异物的气体。漏气是从发动机主体经由分油器流入到吸气管的气体，含有油雾或金属粉末。EGR气体是从排气管通过低压EGR系统流入到吸气管的气体，含有煤烟或未燃烧气体。因此，在具有旁通阀的增压器中，由于在涡旋部的一部分（旁通阀的内侧）中存在凹陷空间，所以上述气体中所含的异物容易滞留，并且异物容易混入旁通流路。
发明内容
本发明就是鉴于上述情况而创造的，其目的在于提供一种旁通阀和增压器，能够抑制压力损失的降低和异物向旁通流路的混入，并能够改善运转效率。
根据本发明的第一方式，提供一种旁通阀，该旁通阀在打开状态下使涡旋部内的压缩空气的一部分经由旁通流路向上述涡旋部的上游侧分流，在关闭状态下将上述涡旋部内的压缩空气送向下游侧，其中，该旁通阀具有：阀体，构成为能够与将上述涡旋部和上述旁通流路连通的分流孔嵌合；和致动器，使上述阀体在与上述分流孔嵌合的关闭状态和与上述分流孔分开的打开状态之间移动，上述阀体构成为形成有在上述关闭状态下沿着上述涡旋部的内壁的内表面。
并且，根据本发明的第二方式，提供一种增压器，该增压器包括：燃气轮机，从发动机对该燃气轮机供给排出气体而使活动叶片旋转；和压缩机，利用与上述活动叶片同轴连结的叶轮吸入空气，构成上述压缩机的外壳的压缩机壳体具有涡旋部，该涡旋部绕上述叶轮的旋转轴形成为螺旋形状，该增压器具有旁通阀，该旁通阀在打开状态下使上述涡旋部内的压缩空气的一部分经由旁通流路向上述涡旋部的上游侧分流，在关闭状态下将上述涡旋部内的压缩空气送向下游侧，上述旁通阀具有：阀体，构成为能够与将上述涡旋部和上述旁通流路连通的分流孔嵌合；和致动器，使上述阀体在与上述分流孔嵌合的关闭状态和与上述分流孔分开的打开状态之间移动，上述阀体构成为形成有在上述关闭状态下沿着上述涡旋部的内壁的内表面。
在上述的本发明的第一方式和第二方式的旁通阀和增压器中，上述阀体的内表面可以构成为，在上述关闭状态下与上述涡旋部的内壁一起形成一个曲面，或者形成沿着上述涡旋部的内壁的平面。并且，上述阀体可以具有凸缘部，该凸缘部在上述关闭状态下卡定于上述涡旋部的外壁。
可以是，上述分流孔具有从上述涡旋部的内壁朝向外壁扩径而成的圆锥面，上述阀体具有与上述圆锥面对应的倾斜面。并且可以是，上述分流孔具有从上述涡旋部的内壁朝向外壁延伸而成的圆形或矩形的柱状面，上述阀体具有与上述柱状面对应的侧面。
上述阀体可以在背面具有从上述致动器的驱动轴朝向外缘部扩径而成的锥形部。
发明效果
根据上述的本发明的旁通阀和增压器，使得在旁通流路的关闭状态下，阀体嵌合于分流孔内，构成为形成沿着涡旋部的内壁的流路面。因此，能够将成为压力损失和异物滞留的原因的涡旋部内的凹陷空间埋设，能够抑制压力损失的降低和异物向旁通流路的混入，能够提高运转效率。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的增压器的剖视图。
图2是包括图1所示的增压器的发动机驱动系统的结构图。
图3A是图1所示的旁通阀的立体图。
图3B是图1所示的旁通阀的关闭状态的剖视图。
图3C是图1所示的旁通阀的打开状态的剖视图。
图4是图1所示的增压器的效率相对于流量与现有技术的增压器的效率相对于流量的比较图。
图5A是本发明的其他实施方式的旁通阀的第二实施方式的说明图。
图5B是本发明的其他实施方式的旁通阀的第三实施方式的说明图。
图5C是本发明的其他实施方式的旁通阀的第四实施方式的说明图。
图5D是本发明的其他实施方式的旁通阀的第五实施方式的说明图。
图6A是包括本发明的第六实施方式的增压器的发动机驱动系统的结构图。
图6B是本发明的第六实施方式的旁通阀的剖视图。
附图标记说明
1增压器；2燃气轮机；3压缩机；3a压缩机壳体；3b旁通流路；3c分流孔；4旁通阀；21活动叶片；31叶轮；32涡旋部；32a内壁；32b外壁；41阀体；41a内表面；41b凸缘部；41c倾斜面；41d侧面；41e锥形部；42致动器；42a驱动轴；102发动机。
具体实施方式
下面，参照图1～图6B对本发明的实施方式进行说明。
如图1和图2所示，本发明的第一实施方式的增压器1包括：燃气轮机2，从发动机102对该燃气轮机2供给排出气体而使活动叶片21旋转；和压缩机3，利用与活动叶片21同轴连结的叶轮31吸入空气，构成压缩机3的外壳的压缩机壳体3a具有涡旋部32，该涡旋部32绕叶轮31的旋转轴形成为螺旋形状。并且，在压缩机壳体3a上形成有旁通阀4，该旁通阀4在打开状态下使涡旋部32内的压缩空气的一部分经由旁通流路3b向涡旋部32的上游侧分流，在关闭状态下将涡旋部32内的压缩空气送向下游侧。旁通阀4具有：阀体41，构成为能够与将涡旋部32和旁通流路3b连通的分流孔3c嵌合；和致动器42，使阀体41在与分流孔3c嵌合的关闭状态和与分流孔3c分开的打开状态之间移动，阀体41构成为形成有在关闭状态下沿着涡旋部32的内壁32a的内表面41a。
图1所示的增压器1是流体机械的一例。增压器1具有：构成燃气轮机2的外壳的涡轮壳体2a；将转子轴5支承为旋转自如的轴承壳体5a；以及构成压缩机3的外壳的压缩机壳体3a。另外，增压器1的结构例如具有与现有的车辆用增压器（所谓涡轮增压器）相同的结构。
燃气轮机2是离心式涡轮，具有：涡旋部23，绕具有多个活动叶片21的叶片轮22的旋转轴形成为螺旋形状；排出气体入口24，向涡旋部23供给排出气体；以及排出气体出口25，将供给到叶片轮22的排出气体沿转子轴5的延伸方向排出。
压缩机3是所谓离心式压缩机，具有：涡旋部32，绕叶轮31的旋转轴形成为螺旋形状；空气入口33，从转子轴5的延伸方向供给空气；以及空气出口34，将通过叶轮31压缩的空气从涡旋部32排出到外部。并且，在叶轮31的表面通过精密铸造等一体地形成有多个压缩机叶轮35。并且，在涡旋部32的一部分附属设置有旁通阀4，构成为在旁通阀4打开时，涡旋部32内的压缩空气的一部分分流到空气入口33。
转子轴5具有大径部分51和小径部分52，与以往同样，在实施了精加工、硬化处理和外径磨削后，使大径部分51的一端与叶片轮22接合而与活动叶片21一体化。并且，在大径部分51和小径部分52之间配置有推力环53等，构成推力轴承。而且，在转子轴5的小径部分52嵌合有叶轮31，并通过轴端螺母54固定。
并且，将图1所示的增压器1组装到图2所示的发动机驱动系统100中。如图2所示，发动机驱动系统100具有：去除吸入的空气中的微细异物的空气过滤器101；对吸入的空气进行压缩的增压器1；由压缩空气和燃料驱动的发动机102；去除在发动机102的燃烧室内生成和排出的有害成分的后处理装置103；以及对增压器1和发动机102进行控制的电子控制单元（ECU）104。
增压器1利用燃气轮机2回收排出气体的能量并使压缩机3动作，将压缩空气供给到发动机102来实现输出增大。并且，配置于压缩机3的涡旋部32的旁通阀4通过电子控制单元104控制开闭。例如在装载有发动机驱动系统100的车辆从高速行驶时紧急减速的情况下，为了抑制喘振状态，电子控制单元104打开旁通阀4，使涡旋部32内的压缩空气的一部分返回空气入口33侧。在通常状态下，旁通阀4关闭，涡旋部32内的所有压缩空气从空气出口34供给到发动机102。
发动机102例如是装载于车辆的柴油发动机或汽油发动机。发动机102根据运转状况来控制压缩空气和燃料的供给量。该控制通过电子控制单元104进行。发动机102的控制通过空燃比（空气质量/燃料质量）控制。另外，空气过滤器101是去除从外部吸入的空气中的微细异物并将清洁的空气供给到增压器1的设备，后处理装置103是将在发动机102的燃烧室内生成和排出的有害成分无害化并排出到外部的设备。
如图1和图3A所示，在压缩机壳体3a中形成有旁通流路3b，并且以将旁通流路3b和涡旋部32连通的方式形成有分流孔3c。旁通阀4以面对旁通流路3b的方式与压缩机壳体3a连接。
旁通阀4配置成，能够通过致动器42而如图3B所示将阀体41以与分流孔3c嵌合的方式插入分流孔3c，或者如图3C所示使阀体41与分流孔3c分开而将分流孔3c和旁通流路3b连通。在本实施方式中，将阀体41与分流孔3c嵌合的状态称为关闭状态，将阀体41与分流孔3c分开的状态称为打开状态。另外，致动器42构成为，利用驱动轴42a支承阀体41，并基于电子控制单元104的控制使阀体41能够沿着驱动轴42a的纵长方向移动。
进而，阀体41（图3A～图3C的用斜线表示的部件）例如以在关闭状态下与涡旋部32的内壁32a一起形成一个曲面的方式构成内表面41a。即，阀体41的内表面41a形成为，在关闭状态下与涡旋部32的内壁32a构成连续的曲面。这样，形成在关闭状态下沿着涡旋部32的内壁32a的内表面41a，由此能够将成为压力损失和异物滞留的原因的涡旋部32内的凹陷空间埋设，从而能够抑制压力损失的降低和异物向旁通流路的混入。
这里，图4是表示第一实施方式的增压器1与现有技术的增压器的效率差异的比较图。在图4中，横轴表示压缩机3的流量，纵轴表示增压器1的效率。并且，实线表示本实施方式，虚线表示现有技术。如图4所示，根据本实施方式的增压器1，可以容易地理解到：与流量的大小无关，效率比现有技术的增压器提高。特别是在流量比较少的情况下，更能发挥效果。这是因为，在涡旋部32中具有凹陷的情况下，流量较少的一方由于凹陷而产生的压力损失大，准确地表现出利用本实施方式改善了压力损失。
接下来参照图5A～5D说明本发明的其他实施方式。
如图5A所示，本发明的第二实施方式的旁通阀4构成为，阀体41的内表面41a形成在关闭状态下沿着涡旋部32的内壁的平面。利用该第二实施方式也具有与第一实施方式大致相同的效果，并且制作阀体41时的加工变得容易，能够降低成本。
如图5B所示，第三实施方式的旁通阀4的阀体41具有凸缘部41b，该凸缘部41b在关闭状态下卡定于涡旋部32的外壁32b。在第一实施方式的旁通阀4中，为了适当切换打开状态和关闭状态，需要预先设定驱动轴42a的行程量。与此相对，根据第三实施方式的旁通阀4，能够通过使凸缘部41b抵接并卡定于涡旋部32的外壁32b而处于关闭状态。
因此，通过在旁通阀4上配置压力传感器或载荷传感器，能够检测阀体41的凸缘部41b与涡旋部32的外壁32b抵接的情况，从而使致动器42停止，能够容易地控制驱动轴42a的行程量。
如图5C所示，在第四实施方式的旁通阀4中，分流孔3c具有从涡旋部32的内壁32a朝向外壁32b扩径而成的圆锥面，并且阀体41具有与圆锥面对应的倾斜面41c。倾斜面41c以适合于分流孔3c的形状的方式通过同样的圆锥面形成。根据该第四实施方式的旁通阀4，能够以阀体41的较少的移动量在阀体41与分流孔3c之间形成足够的间隙，能够降低打开状态与关闭状态切换时的驱动轴42a的行程量，能够提高响应速度。
并且，根据第四实施方式的旁通阀4，通过使分流孔3c的圆锥面与阀体41的倾斜面41c抵接，能够防止阀体41错误地向涡旋部32内突出，也发挥与上述的凸缘部41b同样的效果。
如图5D所示，第五实施方式的旁通阀4具有从涡旋部32的内壁32a朝向外壁32b延伸而成的矩形的柱状面，并且阀体41具有与柱状面对应的侧面41d。另外，图5D图示了从涡旋部32的内侧观察分流孔3c和阀体41的状态。
在图1所示的第一实施方式的旁通阀4中，分流孔3c具有从涡旋部32的内壁32a朝向外壁32b延伸而成的圆形的柱状面，并且阀体41具有与柱状面对应的侧面。在该第一实施方式中，在阀体41绕驱动轴42a旋转的情况下，也有可能内表面41a的相位错开，而不是与涡旋部32的内壁32a连续的曲面。因此，为了保证曲面的连续性，优选构成为控制阀体41的相位或者阀体41不绕驱动轴42a旋转。
另一方面，根据上述的第五实施方式的旁通阀4，由于分流孔3c具有矩形截面，所以若阀体41与分流孔3c嵌合，则能够强制地使相位一致，能够容易地形成与涡旋部32的内壁32a连续的曲面。并且，为了使阀体41可靠地与分流孔3c嵌合，可以形成为使阀体41的末端部缩径的锥状，也可以与第四实施方式所示的分流孔3c同样地在分流孔3c中形成棱锥面，从而使阀体41形成为与棱锥面对应的形状。另外，即使分流孔3c为椭圆形截面而不是矩形截面的情况下，通过使旁通阀4形成为同样的结构，也能够发挥与第五实施方式同样的效果。
接下来参照图6A和图6B说明本发明的第六实施方式。另外，对于与图1～图3C所示的结构部件相同的结构部件，标以相同的附图标记并省略重复的说明。
包含本发明的第六实施方式的增压器1的发动机驱动系统100装载有EGR系统200，如图6A所示，该发动机驱动系统100具有：去除吸入的空气中的微细异物的空气过滤器101；对吸入的空气进行压缩的增压器1；由压缩空气和燃料驱动的发动机102；去除在发动机的燃烧室内生成和排出的有害成分的后处理装置103；以及对增压器1、发动机102和EGR系统200进行控制的电子控制单元（ECU）104。
并且，EGR系统200具有：降低排出气体的温度的EGR冷却器201；以及使从发动机102排出的排出气体的一部分返回到压缩机3的空气入口33侧的EGR阀202。EGR阀202基于电子控制单元104的控制而开闭。另外，EGR系统200的结构和作用与现有技术中的EGR系统相同，因此省略详细的说明。
如图6B所示，第六实施方式的旁通阀4的阀体41在背面具有从致动器42的驱动轴42a朝向外缘部扩径而成的锥形部41e。如上所述，在具有EGR系统200等的情况下，在压缩机3的上游的吸气管中，不仅包含由空气过滤器101除去了尘埃等的清洁的空气，还包含漏气或EGR气体那样的含有异物的气体。漏气是从发动机主体经由分油器流入到吸气管的气体，含有油雾或金属粉末。EGR气体是从排气管通过EGR系统流入到吸气管的气体，含有煤烟或未燃烧气体。
这样，在被压缩机3吸入的空气中含有各种异物和水分，在使旁通阀4动作的情况下，含有异物和水分的空气也流通到旁通流路3b。其结果是，有可能异物固着于阀体41的背面，或者水分结冰而附着于阀体41的背面。在该状态下使旁通阀4动作的情况下，有可能异物成为妨碍而使阀体41无法充分打开，或者在阀体41开闭时异物破碎或脱落而流入旁通流路3b。在所述异物为比较大的块的情况下，也有可能损伤压缩机3的叶轮31。
于是，通过在阀体41的平面形成锥形部41e，能够防止异物堆积或者水分滞留，能够容易地抑制异物和冰的固着。并且，也可以构成为，在阀体41的关闭状态下，在异物堵塞并固着在阀体41与分流孔3c之间的间隙中而阻碍阀体41的开闭的情况下，能够在关闭状态下使阀体41绕驱动轴42a旋转，在物理地解除阀体41的固着后使阀体41开闭。
本发明不限于上述的实施方式，可以将上述的实施方式适当组合等。在不脱离本发明的主旨的范围内当然可以进行各种变更。
工业实用性
根据本发明的旁通阀和增压器，能够将成为压力损失和异物滞留的原因的涡旋部内的凹陷空间埋设，从而能够抑制压力损失的降低和异物向旁通流路的混入，能够提高运转效率。

Claims (8)

1. 一种旁通阀，该旁通阀在打开状态下使涡旋部内的压缩空气的一部分经由旁通流路向上述涡旋部的上游侧分流，在关闭状态下将上述涡旋部内的压缩空气送向下游侧，其特征在于，
该旁通阀具有：
阀体，构成为能够与将上述涡旋部和上述旁通流路连通的分流孔嵌合；和
致动器，使上述阀体在与上述分流孔嵌合的关闭状态和与上述分流孔分开的打开状态之间移动，
上述阀体构成为形成有在上述关闭状态下沿着上述涡旋部的内壁的内表面。
2. 根据权利要求1所述的旁通阀， 
上述阀体的内表面构成为，在上述关闭状态下与上述涡旋部的内壁一起形成一个曲面。
3. 根据权利要求1所述的旁通阀， 
上述阀体的内表面构成为，在上述关闭状态下形成沿着上述涡旋部的内壁的平面。
4. 根据权利要求1所述的旁通阀， 
上述阀体具有凸缘部，该凸缘部在上述关闭状态下卡定于上述涡旋部的外壁。
5. 根据权利要求1所述的旁通阀， 
上述分流孔具有从上述涡旋部的内壁朝向外壁扩径而成的圆锥面，上述阀体具有与上述圆锥面对应的倾斜面。
6. 根据权利要求1所述的旁通阀， 
上述分流孔具有从上述涡旋部的内壁朝向外壁延伸而成的圆形或矩形的柱状面，上述阀体具有与上述柱状面对应的侧面。
7. 根据权利要求1所述的旁通阀， 
上述阀体在背面具有从上述致动器的驱动轴朝向外缘部扩径而成的锥形部。
8. 一种增压器，该增压器包括：燃气轮机，从发动机对该燃气轮机供给排出气体而使活动叶片旋转；和压缩机，利用与上述活动叶片同轴连结的叶轮吸入空气，构成上述压缩机的外壳的压缩机壳体具有涡旋部，该涡旋部绕上述叶轮的旋转轴形成为螺旋形状，其特征在于，
该增压器还包括权利要求1至7中任一项所述的旁通阀。
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