CN105102784A - 紧凑的旋转式废气门阀 - Google Patents

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Abstract

涡轮增压器包括一个涡轮机区段和一个压缩机区段。该涡轮机区段包括一个环绕涡轮机叶轮(15)的涡轮机壳体(1)。该涡轮机壳体(1)限定了一个排气入口(2)、在该入口(2)与该涡轮机叶轮(15)之间延伸的一个通道(6)、以及在该通道(6)中的一个废气门开口(5)。一个包括阀板(10)和可旋转轴(11)的蝶形废气门阀(3)被布置在该开口(5)中并且在打开位置与关闭位置之间旋转。一个弹簧(4)被附接至该轴(11)上，使得该弹簧(4)将该轴(11)偏置朝向围绕纵向轴线在第一方向上进行旋转；其中在该排气通道(6)中流动的气体的、作用于该阀板(10)上的压力致使该阀板(10)和该可旋转轴(11)抵抗该弹簧偏置在第二方向上进行旋转运动。

Description

紧凑的旋转式废气门阀
相关申请的交叉引用
本申请根据35USC119要求于2013年3月15日提交的美国临时专利申请号61/786，789的优先权。这份优先权文件的主题通过引用结合在此。
背景
发明领域
本发明涉及一种用于内燃发动机的涡轮增压器。更具体而言，本发明涉及一种具有旋转式废气门阀的涡轮增压器。
相关技术的说明
涡轮增压器是一种与内燃发动机一起使用的强制进气系统。涡轮增压器将压缩过的空气传送到发动机进气端从而允许燃烧更多的燃料，因此增加了发动机的马力而没有明显地增加发动机的重量。因此，涡轮增压器允许使用较小的发动机而形成与较大的、正常吸气的发动机相同量的马力。在车辆中使用较小发动机具有减小车辆质量、提高性能并且增强燃料经济性的所希望效果。此外，使用涡轮增压器允许被递送至发动机的燃料更完全燃烧，这有助于实现更清洁环境的这一高度希望的目标。
涡轮增压器典型地包括连接至发动机的排气歧管上的一个涡轮机壳体、连接至发动机的进气歧管上的一个压缩机壳体、以及将该涡轮机壳体和压缩机壳体联接在一起的一个中央轴承壳体。涡轮机壳体内的一个涡轮机叶轮是由从该排气歧管供应的排气进气流可旋转地驱动的。可旋转地支撑在该中央轴承壳体内的一个轴将该涡轮机叶轮连接至该压缩机壳体内的一个压缩机叶轮上，这样使得该涡轮机叶轮的旋转造成了该压缩机叶轮的旋转。将该涡轮机叶轮与该压缩机叶轮相连接的轴限定了一条旋转轴线。当压缩机叶轮旋转时，它增大了经由发动机进气歧管被递送至发动机汽缸的空气质量流速、空气流密度和空气压力。
当排气的压力高时，存在的排气压力可能高于为了提供希望的增压而需要的。此问题的一个解决方案是在排气压力高时使排气转向离开涡轮机叶轮，这样使得到达涡轮机的排气的量是为了提供最佳增压所需要的量。可以使用废气门阀来使排气转向离开涡轮机叶轮。排气的转向控制了涡轮机速度，这进而控制了压缩机的旋转速度。通过控制压缩机的旋转速度，该废气门能够调节涡轮增压器系统中的最大增压压力。
一些常规的涡轮增压器使用控制机构来控制废气门阀。例如，该控制机构致使该废气门阀在排气压力高时打开、并且在排气压力下降时关闭。可以基于进气歧管压力来控制废气门阀。已经使用了各种机械装置来在涡轮增压器出口处的压力高时打开废气门。也已经使用了电气控制方法。
发明概述
在一些方面，涡轮增压器包括一个由涡轮增压器区段所驱动的压缩机区段。该涡轮增压器区段包括一个环绕涡轮机叶轮的涡轮机壳体，并且该涡轮机壳体限定了一个排气入口、在该入口与该涡轮机叶轮之间延伸的一个通道、以及在该通道中的一个开口。一个无致动器的、由排气压力致动的蝶阀被布置在该开口中并且在打开位置与关闭位置之间旋转。该阀包括一个具有纵向轴线的可旋转轴；一个阀板，该阀板沿着该阀板的一条非直径的弦固定至该轴上；以及一个弹簧，该弹簧以一种方式附接至该可旋转轴上，使得该弹簧将该轴偏置朝向围绕该纵向轴线在第一方向上进行旋转；其中在该排气通道中流动的气体的、作用于该阀板上的压力致使该阀板和该可旋转轴抵抗该弹簧偏置进行旋转运动。
该涡轮增压器可以包括以下特征中的一个或多个：该涡轮增压器进一步包括一个布置在该通道上且连接至该弹簧上的弹簧张力调节装置。该弹簧张力调节装置被配置成允许对该弹簧的张力进行调节。该弹簧是卷绕式扭簧。该弹簧张力调节装置是一个被可调节地固定至弹簧壳体上的弹簧罩。该弹簧的一端连接至该可旋转轴上并且该弹簧的另一端连接至该弹簧罩上。该弹簧张力装置被固定至该通道上，并且通过将该弹簧张力装置相对于该通道旋转来调节弹簧张力。
在此披露的由气体压力致动的蝶形的废气门阀具有一个偏心安装的枢转轴、并且提供对涡轮机叶轮上的排气压力的容易的可调节的控制，该枢转轴被一个卷绕式扭簧偏置到关闭位置。废气门阀的使用提供了对涡轮增压器递送到进气歧管的增压的可调节的控制。
在此披露的由气体压力致动的蝶形的废气门阀是由涡轮机入口压力来控制和致动的。因此，不需要常规的致动器和连接机构，由此简化了阀结构并且可以使得涡轮增压器更紧凑。
在一些方面，该无致动器的、由气体压力致动的蝶形的阀(包括一个偏心安装的枢转轴、以及一个预加载该阀的卷绕式扭簧)可以被用在涡轮增压器输出中(例如，压缩机侧上)而不是涡轮机侧上，以便在涡轮增压器提供过高的增压时泄放过量压力。
在一些方面，该弹簧以一种方式附接至该可旋转轴上，使得该弹簧将该轴偏置朝向围绕该纵向轴线在第一方向上进行旋转；其中在该排气通道中流动的气体的、作用于该盘上的压力致使该盘和该可旋转轴抵抗该弹簧偏置进行旋转运动。一个弹簧罩将该弹簧连接至该通道。该弹簧罩允许对于将阀板保持在关闭位置中的弹簧预加载(例如，偏置)进行调节、并且被用来控制涡轮机入口压力致使该阀打开并由此使排气绕过的这个点。这种安排具有以下优点：
使得与某些包括常规废气门阀的涡轮增压器相关的产品复杂性和成本大大降低；
省略了在常规废气门阀中使用致动器托架、软管以及与涡轮增压器压缩机罩的连接件，大大改进了包装并减小了部件损伤的风险；
消除了穿过常规废气门衬套的排气泄漏，由此改进了车辆排放；
该无致动器的、由排气压力致动的蝶阀是完全密封的，由此消除了灰尘或水侵入的可能性；
该无致动器的、由排气压力致动的蝶阀包括一个相对于阀轴偏心的阀板，由此所需要的致动力并且因此磨损都被减小；
使用蝶形废气门阀而不是常规提升型废气门阀可以解决阀粘连问题并减小阀关闭力的变化；
在一些常规废弃门阀中发现的致动器杆密封件的消除大大减小了阀的迟滞；
该无致动器的、由排气压力致动的蝶阀的高度紧凑的安排意味着，轴承壳体或压缩机罩相对于涡轮机壳体的取向并不带动致动器安装托架和/或相关联托架的增多；
由于包含该卷绕弹簧的这个壳体(例如，弹簧罩)可以旋转到任何程度来控制预加载，在弹簧预加载和致动器杆长度等等方面不必增多；并且
在一些常规废气门阀的致动器中要求的致动器隔膜的消除使得耐用性提高。
附图的简要说明
本发明的优点将是容易了解的，因为这些优点通过参照以下详细说明在结合附图考虑时将变得更好理解，在附图中：
图1示出了包括在气体进入通道中形成的关闭的废气门阀的一种涡轮增压器的涡轮机壳体。
图2示出了图1的涡轮机壳体，其中废气门阀处于打开位置。
图3示出了涡轮机壳体，其中弹簧罩封闭了该废气门阀的卷绕弹簧。
图4示出了图1废气门阀的局部分解视图，该废气门阀与涡轮机壳体分离，包括阀盘、阀轴、弹簧罩和卷绕式扭簧。
图5是与涡轮机壳体分离的废气门阀的透视图。
实施方式的详细说明
参见图1至图4，排气涡轮增压器包括一个压缩机区段(未示出)和一个涡轮机区段。该涡轮机区段包括一个涡轮机壳体(1)、以及布置在涡轮机壳体(1)内的一个涡轮机叶轮(15)。涡轮机壳体(1)包括一个将排气引导到涡轮机叶轮(15)的排气入口(2)。一个蝶形废气门阀(3)被提供在气体入口(2)的通道部分(6)中形成的一个开口(5)之中。开口(5)是在通道部分(6)中、在涡轮机叶轮上游的一个位置处形成的端口，用于允许排气在到达涡轮机叶轮之前排出。废气门阀(3)通过控制涡轮机叶轮处的排气压力来控制涡轮增压器所提供的增压，如下文进一步讨论的。
废气门阀(3)包括一个阀板(10)和一个阀轴(11)，该阀轴沿着轴线(14)纵向地并且在由阀板(10)限定的平面内延伸。阀板(10)是例如通过焊接而附接至阀轴(11)上。阀板(10)和阀轴(11)被可旋转地安装在通道部分(6)内，使得阀板10位于开口(5)内并且是在关闭位置(图1)与打开位置(图2)之间可移动的。在该关闭位置中，阀板(10)被旋转到位于开口(5)所限定的平面内，由此开口(5)被阀板(10)填充，并且流体(例如，排气)被阻止流经该开口(5)。在该打开位置中，阀板(10)被旋转到相对于开口(5)所所限定的平面成一个角度，由此流体可以流经该开口并且涡轮机压力得以释放。阀轴(11)在阀板(10)上不是居中的。具体地，轴(11)没有沿着阀板(10)的直径延伸、而是沿着阀板(10)的一条非直径的弦延伸。相应地，阀板(10)的一侧(10a)大于另一侧(10b)。
废气门阀(3)包括一个邻近于开口(5)被支撑在弹簧壳体(12)内的卷绕式扭簧(4)。虽然可以采用其他类型的弹簧，但卷绕式扭转型弹簧是优选的，因为其安装简单并且不需要复杂的联动装置来发挥效力。该弹簧(4)的一端附接至阀轴(11)上并且该弹簧(4)的相反端附接至弹簧罩(7)上。弹簧(4)被夹在弹簧壳体(12)与弹簧罩(7)之间，并且弹簧罩(7)保护弹簧(4)并且被配置成允许对弹簧(4)的张力进行调节，如下文进一步讨论的。弹簧(4)提供一个将阀板(10)相对于开口(5)保持在关闭位置(图1)中的偏置力，直到排气压力变得高到足以克服该弹簧力。当排气压力变得高到足以克服该弹簧力时，阀板10和阀轴11在通道(6)内旋转，由此废气门阀(3)相对于开口(5)移动到打开位置(图2)。当废气门阀(3)打开时，过量排气绕过涡轮机叶轮而直接流到排气系统。这有效地将涡轮增压器内的排气的压力限制在预定值。
由于阀板(10)的一侧(10a)大于另一侧(10b)，因此排气的压力实际上并不同等地作用于阀板(10)的这两侧上。这产生了使废气门阀(3)打开的扭矩。排气所产生的这个扭矩被弹簧(4)抵抗。这种安排保持废气门阀(3)关闭，直到排气压力高到足以克服弹簧力。在高到足以克服弹簧(4)的弹簧力的排气压力下，该阀打开并且允许排气绕过涡轮机。因此，弹簧特性和弹簧张力设置控制了阀(3)对排气压力的响应。如果阀轴(11)抵抗弹簧(4)转动所需的压力没有随着阀的开度变化很大，则该阀作为简单的开闭阀起作用。如果阀轴(11)抵抗卷绕式扭簧(4)转动所需的压力随着阀的开度而变化，则阀(3)将在适度升高的排气压力下提供小的开度、并且在排气压力增大时提供更大的开度。
弹簧罩(7)包括沿着其外边缘形成的多条长形槽缝(8)。弹簧罩(7)通过使用延伸穿过这些槽缝(8)的螺钉(9)被固定到弹簧壳体(12)上。在略微拧松了这些螺钉(9)之后，可以使弹簧罩(7)相对于弹簧壳体(12)围绕阀轴(11)的旋转轴线(14)转动(例如，旋转)。由于弹簧(4)连接至弹簧罩(7)上，因此转动弹簧罩(7)导致了对弹簧(4)的张力的调节。如果弹簧(4)张力增大，这增大了将该废气门阀打开所需的排气压力。这增大了涡轮增压器将提供的增压的上限。类似地，转动该罩以放松弹簧(4)上的张力将降低为了打开该阀所需的排气压力。这减小了涡轮增压器将提供的增压的上限。一旦弹簧张力处于希望的力，则这些螺钉(9)被拧紧。因此，该弹簧罩(7)允许对于将阀板(10)保持在关闭位置中的弹簧预加载(例如，偏置)进行调节、并且被用来控制涡轮机入口压力致使该阀(3)打开并由此使排气绕过的这个点。
弹簧罩中的槽缝(8)的数量可以在1与4之间变化。两个槽缝(8)是适宜的。将这些槽缝(8)对称地安排在弹簧罩(7)中是优选的。
虽然阀(3)在此被描述为是布置在该涡轮机区段的入口(2)中，但阀(3)不局限于这个实施方式。例如，该蝶形阀(3)可以被安装在涡轮增压器的压缩机侧上的蜗壳中。优选的位置是在该压缩机蜗壳的末端处。在这个位置中，它的运行方式与在被置于涡轮机区段排气入口中时相同。具体而言，压缩空气的压力不是同等地作用于阀板(10)的两侧上。这围绕轴(11)产生了扭矩，从而致使该蝶阀打开。压缩机出口气体所产生的扭矩被弹簧罩(7)中的卷绕式扭簧(4)所抵抗。这种安排保持该阀(3)关闭，直到压缩机出口压力高到足以克服弹簧(4)的弹簧力。在高到足以克服弹簧力的压缩机出口排气压力下，该阀打开并且允许离开压缩机的气体绕过发动机的进气歧管。因此，如果被压缩的空气的压力超过某个水平，则该阀(3)打开以释放过度的压力。这将增压限制在希望的水平。

Claims (6)

1.一种涡轮增压器，包括，
一个涡轮机区段，该涡轮机区段包括一个环绕涡轮机叶轮(15)的涡轮机壳体(1)，该涡轮机壳体(1)限定了一个排气入口(2)、在该入口(2)与该涡轮机叶轮(15)之间延伸的一个通道(6)、以及在该通道(6)中的一个开口(5)，
一个无致动器的、由排气压力致动的蝶阀(3)，该蝶阀被布置在该开口(5)中并且是在打开位置与关闭位置之间可旋转的，该阀(3)包括：
一个包括纵向轴线(14)的可旋转轴(11)，
一个阀板(10)，该阀板沿着该阀板的一条非直径的弦固定至该轴(11)上；以及
一个弹簧(4)，该弹簧以一种方式附接至该可旋转轴(11)上，使得该弹簧(4)将该轴(4)偏置朝向围绕该纵向轴线(14)在第一方向上进行旋转；其中在该排气通道(6)中流动的气体的、作用于该阀板(10)上的压力致使该阀板(10)和该可旋转轴(11)抵抗该弹簧偏置在与该第一方向相反的第二方向上进行旋转运动。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器，包括布置在该通道(6)上且连接到该弹簧(4)上的一个弹簧张力调节装置(7，12)，该弹簧张力调节装置(7，12)被配置成允许对该弹簧(4)的张力进行调节。
3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中该弹簧(4)是卷绕式扭簧。
4.如权利要求2所述的涡轮增压器，其中该弹簧张力调节装置(7，12)包括一个弹簧罩(7)，该弹簧罩被可调节地固定至一个弹簧壳体(12)上。
5.如权利要求4所述的涡轮增压器，其中该弹簧(4)的一端连接至该可旋转轴(11)上并且该弹簧的另一端连接至该弹簧罩(7)上。
6.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中该弹簧张力装置(7，12)被固定至该通道(6)上，并且通过将该弹簧罩(7)装置相对于该通道(6)旋转来调节弹簧张力。
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