CN104334892B - 用于涡轮增压器的可变流量阀 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种具有位置反馈的可变流量阀。可变流量阀包括壳体，该壳体有进口和排出口以及一个或多个控制口，该可变流量阀还包括活塞，该活塞与主阀连接，以便打开和关闭在壳体的进口和排出口之间的流体连通。壳体和活塞相互啮合，以便确定内部腔室和外部腔室，该内部腔室和外部腔室各自与其自身的控制口流体连通。控制口阀打开和关闭至少一个控制口，以便控制通向压力变化源。位置传感器是位置反馈的部件，并向控制器发送主阀相对于排出口的位置，该控制器操纵所述控制口阀，以便将主阀保持在使得排出口局部打开的位置。

Description

用于涡轮增压器的可变流量阀
相关申请
本申请要求美国临时专利申请No.61/662255的优先权，该美国临时专利申请No.61/662255的申请日为2012年6月20日。
技术领域
本申请涉及可变流量阀，更特别是涉及这样一种阀，该阀具有位置控制和流过该阀的流体流量的计量控制，包括例如压缩机再循环阀之类的阀。
背景技术
内燃机、它的机构、改进和改型用于多种运动和非运动车辆或建筑中。目前，例如内燃机用于陆地乘客和工业车辆、船舶、固定和航空航天用途中。通常有两种主要的点火循环，通常称为汽油和柴油，或者更早地分别称为电火花点火(SI)和压缩点火。更近来，排气驱动的涡轮增压器已经包含在与内燃机连接的系统中，以便提高发动机的动力输出和总效率。
当前在内燃机的涡轮增压器系统中可以使用的阀(例如压缩机旁路阀)操作成这样：它们响应于系统内的变化而打开或关闭。这些阀并不提供阀的位置的主动控制。
这里公开了压缩机再循环阀，该压缩机再循环阀使得原始设备制造商(“OEM”)或使用涡轮增压器的任何人都能够主动控制该阀的位置，并有以前无法设想的精度。这种控制水平是涡轮速度的更精确控制的目标，这使得OEM或其他人能够使得涡轮速度保持更高，从而降低涡轮响应时间和涡轮滞后，并提高车辆的燃料效率和可驱动性。
发明内容
在一个方面，公开了具有排气驱动的涡轮增压器系统的内燃机，其包括可变流量阀。在一个实施例中，可变流量阀可以是压缩机旁路阀，但是并不局限于此。在系统中，可变流量阀帮助控制所述排气驱动的涡轮增压系统。涡轮增压器的压缩机出口与可变流量阀流体连通地连接，还与发动机的空气进口连接。可变流量阀包括位置传感器，该位置传感器检测其中的主阀的位置，并将该位置发送给控制器，以便控制可变流量阀的打开和关闭。特别是，主阀可以保持在这样的位置，其中，排出口局部打开，从而影响空气流入发动机的空气进口内的流量。
可变流量阀包括壳体，该壳体有进口和排出口以及一个或多个控制口，可变流量阀还包括活塞，该活塞与主阀连接，以便打开和关闭在壳体的进口和排出口之间的流体连通，以便能够进行可变的控制。这里，壳体和活塞相互啮合，以便确定内部腔室和外部腔室，该内部腔室和外部腔室各自与其自身的控制口流体连通。控制口阀打开和关闭至少一个所述控制口，以便控制通向压力变化源的通路。位置传感器也是可变流量阀的部件，以便向控制器发送主阀相对于排出口的位置，该控制器操纵所述控制口阀，以便将主阀保持在局部打开位置。
附图说明
图1是包括内燃机涡轮系统的一个实施例的流动通路和流动方向的视图，该内燃机涡轮系统包括压缩机再循环阀(“CRV”)。
图2是压缩机再循环阀的一个实施例在打开位置中的剖视图。
图3是图2的压缩机再循环阀在关闭位置中的剖视图。
具体实施方式
下面的详细说明将示例说明本发明的总体原理，本发明的实例在附图中附加表示。在附图中，相同参考标号表示相同或功能类似的元件。
图1表示了内燃机涡轮系统的一个实施例，总体表示为100。涡轮系统100包括以下部件来控制涡轮增压器的操作参数：排气驱动的涡轮增压器(“EDT”)2，该排气驱动的涡轮增压器(“EDT”)2有涡轮部分22和压缩机部分24；涡轮旁路阀，通常称为废气门13；以及压缩机再循环阀6(在图2和3中详细表示)。EDT包括容纳涡轮26的排气壳体(排气部)18，该涡轮26利用排气能量转变成机械功，该机械功通过公共轴来转动压缩机叶轮28，该压缩机叶轮28吸入空气、压缩它，并将它以更高的操作压力供给至内燃机10的进气阀(进口)11内。
还参考图1，废气门13是控制阀，用于计量来自内燃机10的排气阀12的排气容积16和可用于向EDT涡轮26提供动力的能量。废气门13通过打开通向旁路19的阀(未示出)来工作，这样，废气流动离开涡轮26，从而直接控制EDT 2的速度和ICE进气歧管的合成的操作压力。废气门13可以有任意多种实施例，包括在申请人的美国专利申请No.12/717130中公开的实施例，该文献整个被本文参引。
在任何EDT系统中，都有在压缩机进口3、进气歧管(IM)5、进气阀(进口)11、排气阀12、排气歧管(EM)16和排气壳体(排气部)18、21中的操作压力。对于图1，EDT压缩机进口定义为从进气系统1至EDT压缩机部分24的进口3的通道，在单级EDT系统中通常在环境压力下操作。发动机的进气歧管定义为在EDT压缩机排出口4和ICE进气阀(进口)11之间的通道。发动机的排气歧管定义为在ICE排气阀12和EDT涡轮进口17之间的通道。排气部广义地定义为在EDT涡轮排气壳体(排气部)18后面的任意通道。为了实现有效的排气再循环(EGR)，在排气歧管中的压力应当明显高于在进气歧管中的压力，以便使得排气能够沿该方向流动。EDT和变化组合的设计(有压缩机和排气部尺寸)很广。概括的说，更小的EDT排气部型面产生更高的所需的排气歧管压力，代价是效率更低。人们能够知道，本领域的工程师将在获得效率和EGR效果之间进行精细平衡。
根据定义，压缩机再循环阀6是布置在EDT 2(它由排气驱动或机械驱动)的压缩机部分24的排出口4(也称为废气出口)和ICE进气阀(进口)11之间的通道5中的调节阀。在图2和3的放大图中，CRV 6包括排出口8。排出口8可以是(但不局限于)通向大气或再循环回压缩机的环境进口3中的口(如图1中所示)。
CRV可以用于具有节流板9的电火花点火的ICE，如在图1中所示。在任意给定的ICE操作范围中，EDT能够旋转高达200000转每分钟(RPM)。节流板9的突然关闭不会突然降低EDT 2的RPM。因此，这导致在关闭的节流板和EDT压缩机部分24之间的通道(例如通道5)中的压力的突然增加。CRV 6通过使得该压力释放或使得该压力旁通回到在进气系统1和压缩机部分24之间的流动通路而起作用。
在图2-3中的CRV 6是多腔室阀，能够用于任意EDT激活的ICE(包括柴油机)中，并能够响应于来自位置传感器92(该位置传感器92为阀的部件)的信号来控制阀的打开和/或关闭，甚至到多个局部打开位置。CRV 6包括壳体50，该壳体50有：进口7和排出口8；一个或多个控制口38，该控制口38穿过壳体50，该控制口38与控制口阀72连接，以便打开和关闭所述控制口，以便通向压力变化源(在图2-3中，具有电枢的整体螺线管70表示为控制口阀，但是本发明并不局限于此)；以及活塞36，该活塞36与位于壳体内的阀30连接。壳体50可以是单件或两件式结构。在两件式结构中，壳体可以包括盖80和主体82。螺线管70可以直接安装在盖80上，且电枢在流体流动通路90(由双头箭头表示)中，该流动通路90使得所述一个或多个控制口38通过螺线管70而与通路76连接并连接真空78(压力变化源的一个实例)。螺线管70的直接安装不需要连接软管，缩短了通路，用于更快速的反应时间，总体是更紧凑的结构，将来可能出现故障的部件更少。压力变化源的另一实例是任意类型的泵，用于使得流体沿正方向、负方向运动或者在它们之间交替，例如但不局限于：空气泵、液压泵、流体注射器、真空泵。
活塞36包括中心杆40，该中心杆40有第一端41和第二端42。第一端41包括密封部件52，例如但不局限于O形环，用于与壳体50的第一部分密封接合。凸缘44从第二端42延伸，该凸缘44朝着第一端41延伸，但是与活塞36的中心杆40间隔开一定距离。凸缘44终止于增厚的缘45，该缘45具有用于第二密封部件56(例如但不局限于O形环)的座54。第二密封部件56也提供与壳体50的第二部分的密封接合。凸缘44限定了在中心杆40和它自身之间的总体杯形的腔室46(最好见图3)，且当装入壳体50内部时限定了多个腔室58’(最内侧)和58”(最外侧)。活塞36可通过偏压弹簧32、通过由流体流动通路90提供的正或负驱动压力(例如由真空提供)或者它们的组合而在打开位置(图2中所示)和关闭位置(图3中所示)之间运动。
密封部件是用于密封往复运动部件的任意合适的密封件或垫片，包括唇缘密封件。在至少一个密封部件52、56是O形环的实施例中，O形环可以有以下多种截面型面中的一种，这些截面型面包括圆形型面、X形型面、正方形型面、大致V形型面、大致U形型面和其它适用于密封往复运动部件的型面。
还参考图2和3，位置传感器92可以是能够进行位置测量的任意装置。在一个实施例中，它是基于阀30相对于开口(它置于该开口中，进口7或排出口8)的运动的相对位置传感器(位移传感器)。位置传感器92可以是电容式传感器、涡电流传感器、光栅传感器、霍尔(Hall)效应传感器、感应非接触位置传感器、激光多普勒振动计(光学)、线性可变差动变压器(LVDT)、多轴线位移传感器、光电二极管阵列、压电传感器(压电元件)、电位计、近程传感器(光学)、振动位移拾取器、弦线电位计(也称为弦线电势、弦线编码器、电缆位置传感器)或者它们的组合。
在图2和3所示的实施例中，位置传感器92是霍尔效应传感器，包括芯片/霍尔效应位置传感器96，该芯片/霍尔效应位置传感器96检测磁体94的位移，该磁体94与阀30连接，用于与它一起平移。磁体94可以安装在活塞36或阀30上或内部，例如，磁体94可以凹入阀30或活塞36内(未示出)。在图2和3中，磁体94装入与活塞36连接的托架98内。托架98使得磁体94悬在限定于活塞36和壳体50之间的最内侧腔室58’(图3中标记)内。托架98中包括一个或多个孔102，该孔102通过阀30而导入通道104中，与排出口8流体连通。在托架98中的孔还使得进口7(或排出口8，取决于主阀30在壳体50内的安装方位和CRV在系统中的方位)通过通路104而与最内侧腔室58’流体连通。芯片/霍尔效应位置传感器96可以充分接近地定位在促动器结构中，以便检测磁体94的运动。在图2和3的实施例中，芯片/霍尔效应位置传感器96在磁体94(该磁体94作为盖80的部件)上方的位置中水平地定向，即相对于磁体94为轴向。在另一实施例中，芯片/霍尔效应位置传感器96可以在沿径向向外侧离开磁体94的位置中垂直地定向。最内侧腔室也装有偏压部件32，这样，磁体94不会与它干涉。
图2中，通路104沿轴向穿过阀30。
如上所述，控制口阀72可以是螺线管70和它的电枢，该电枢可响应来自CPU 106的指令来操作，以便接通螺线管70而使得电枢运动，从而打开在最外侧腔室58”和压力变化源78之间的流体流动通路90(图2)。
本发明使得ICE工程师能够通过命令来控制排气阀12、排气歧管16的操作压力。通过相对于开口(CRV在处于关闭位置时置于该开口内)选择性地打开CRV 6(见图3)至合适位移(包括多个局部打开位置)，能够控制操作压力而产生合适效果。在一个实施例中，操作人员通过利用CRV 6来有效控制发动机的进气歧管5、进气阀(进口)11的操作压力。有多种方法来用于控制CRV 6实施例的打开和关闭，该CRV 6能够产生效果。在一个实施例中，CRV 6能够制成为自然地克服偏压弹簧32而打开，其中，当操作压力超过弹簧的预负载力时，CRV6克服预负载力打开和进行调节，以便保持在进气歧管5、进气阀(进口)11(图1)处的给定操作压力。一旦发出打开信号，CRV 6与前面实例类似地操作。另外，CRV 6(直接作用或气动)可以通过电路施加具有给定工作循环的控制频率而发信号打开，以便在进气歧管5、进气阀(进口)11中产生目标操作压力(相对于该目标操作压力来调节)，或者可能确定在CRV 6中的阀30的升高和位置。
这里，由图2和3中可见，利用CPU 106和该CPU 106从位置传感器2接收的信号来完成选择计量(阀局部打开至多个位置)。通过阀座110和阀30的几何形状而改进选择计量。特别是，阀座110和阀30成形为这样：阀的轻微位移能够局部打开排出口。
多种控制方法是已知的或者可以以后发展，这些控制方法能够检测系统操作压力，或者参考相对于阀的机械操作的系统操作压力，然后产生输出以便获得效果。系统结构的基本原理能够是将在系统中产生的压力信号气动传送给克服弹簧偏压作用的机械促动器表面区域。当系统状态变化时，促动器的性能将以简单闭环逻辑而相应变化。控制系统还能够增加复杂性，以便包括压力传感器，该压力传感器向电子处理单元发送信号，该电子处理单元将这些信号进行电子结合，或者根据比较值表，然后向螺线管输出控制信号，该螺线管将气动地控制促动器的驱动。如在美国专利申请13/369971中所述，该文献整个被本文参引，在图1的CRV 6的位置中阀的控制可以与废气门13的打开和关闭协调，以便控制在进气歧管5、进气阀(进口)11处的升压。
已经参考本发明的优选实施例详细介绍了本发明，但是应当知道，在不脱离由附加权利要求确定的本发明范围的情况下能够进行变化和改变。

Claims (14)

1.一种具有位置反馈的可变流量阀，包括：
壳体，该壳体有进口和排出口以及多个控制口，该控制口与壳体的内部流体连通；
活塞，该活塞与主阀连接，该活塞和主阀都置于壳体内，以便打开和关闭在进口和排出口之间的流体连通；
其中，壳体和活塞相互啮合，以便限定内部腔室和外部腔室，该内部腔室与所述控制口中的一个流体连通，该外部腔室与所述控制口中的另一个流体连通；
控制口阀，该控制口阀布置成用于打开和关闭通向压力变化源的至少一个所述控制口；以及
位置传感器，该位置传感器有与主阀连接的至少一个部件，以便确定主阀相对于排出口的位置；
其中，主阀的位置用于与控制口阀连通，以便将主阀保持在使得排出口局部打开的位置。
2.根据权利要求1所述的可变流量阀，还包括：
沿轴向穿过主阀形成的通路，用于使得进口与内部腔室连接，以用于在它们之间流体连通。
3.根据权利要求1所述的可变流量阀，其中：控制口阀打开和关闭在与内部腔室流体连通的控制口和与外部腔室流体连通的控制口之间的流体连通。
4.根据权利要求3所述的可变流量阀，其中：当主阀处于关闭位置时，控制口阀打开，从而提供在内部腔室和外部腔室之间的流体连通，且当主阀处于完全打开位置时，控制口阀关闭，从而提供在外部腔室和压力变化源之间的流体连通，而在内部腔室和外部腔室之间并不流体连通。
5.根据权利要求1所述的可变流量阀，其中：排出口具有调节的几何形状，这样，主阀朝向完全打开位置的轻微位移将部分地打开该排出口。
6.根据权利要求1所述的可变流量阀，其中：位置传感器与CPU信号连通，该CPU控制该控制口阀的打开和关闭。
7.根据权利要求1所述的可变流量阀，其中：位置传感器是霍尔效应传感器，该霍尔效应传感器包括与主阀连接的定位磁体和在定位磁体近侧的传感器芯片，以便检测该定位磁体位置的任何变化。
8.一种用于控制排气驱动的涡轮增压系统的系统，包括：
涡轮增压器，该涡轮增压器的压缩机出口与可变流量阀和发动机的空气进口流体连通，该可变流量阀包括：
活塞，该活塞与主阀连接，该主阀控制在壳体的进口和排出口之间的流体连通，主阀置于该壳体内，其中，壳体和活塞相互啮合，以便限定内部腔室和外部腔室，该内部腔室与第一控制口流体连通，该外部腔室与第二控制口流体连通；
控制口阀，该控制口阀布置成用于打开和关闭通向压力变化源的第一控制口和第二控制口中的至少一个；以及
位置传感器，该位置传感器有与主阀连接的至少一个部件，以便确定主阀相对于排出口的位置；其中，主阀的位置控制该控制口阀的打开和关闭；
其中，主阀的位置用于与控制口阀连通，以便将主阀保持在使得排出口局部打开的位置，从而影响空气流入发动机的空气进口的流量。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，可变流量阀还包括：
沿轴向穿过主阀形成的通路，以便使得进口与内部腔室连接，以用于在它们之间流体连通。
10.根据权利要求8所述的系统，其中：控制口阀打开和关闭在与内部腔室流体连通的控制口和与外部腔室流体连通的控制口之间的流体连通。
11.根据权利要求10所述的系统，其中：当主阀处于关闭位置时，控制口阀打开，从而提供在内部腔室和外部腔室之间的流体连通，且当主阀处于完全打开位置时，控制口阀关闭，从而提供在外部腔室和压力变化源之间的流体连通，而在内部腔室和外部腔室之间并不流体连通。
12.根据权利要求8所述的系统，其中：排出口具有调节的几何形状，这样，主阀朝向完全打开位置的轻微位移将部分地打开该排出口。
13.根据权利要求8所述的系统，其中：位置传感器与CPU信号连通，该CPU控制该控制口阀的打开和关闭。
14.根据权利要求8所述的系统，其中：位置传感器是霍尔效应传感器，该霍尔效应传感器包括与主阀连接的定位磁体和在定位磁体近侧的传感器芯片，以便检测该定位磁体位置的任何变化。
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