CN105121807B - 内燃发动机中的数字式废气闸阀装置及其操作方法 - Google Patents

内燃发动机中的数字式废气闸阀装置及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及内燃活塞式发动机(12)中的数字式废气闸阀装置(100)，该内燃活塞式发动机具有至少一个涡轮增压器(14)，所述至少一个涡轮增压器具有压缩机部件(16)和涡轮部件(18)，该数字式废气闸阀装置包括具有多于两个的可单独控制的开关阀单元的流动控制单元(106)，并且该装置包括被布置用于单独控制每个开关阀的气动致动器系统(102)。该装置(100)包括与气动致动器系统(102)相连的至少一个控制气进口(108)，该控制气进口布置成经由控制气通道(22)与涡轮增压器的压缩机部件(16)的下游侧相连，并且用于操作流动控制单元(106)的控制气被布置成借助于所述控制气通道(22,22')而被气动致动器系统(102)可用。

Description

内燃发动机中的数字式废气闸阀装置及其操作方法
技术领域
本发明涉及内燃活塞式发动机中的数字式废气闸阀装置，该内燃活塞式发动机具有至少一个涡轮增压器单元，所述至少一个涡轮增压器单元具有压缩机部件和涡轮部件，所述数字式废气闸阀装置包括流动控制单元，该流动控制单元具有多于两个的能单独控制的开关阀单元，并且所述数字式废气闸阀装置包括布置成单独控制每个开关阀的气动致动器系统。
本发明涉及操作内燃活塞式发动机中的数字式废气闸阀装置的方法，该内燃活塞式发动机具有至少一个涡轮增压器单元，所述至少一个涡轮增压器单元具有压缩机部件和涡轮部件，在涡轮增压器单元的涡轮部件内，排气的能量被部分用于驱动压缩机部件，并且涡轮部件的操作由数字式废气闸阀装置来控制，而该数字式废气闸阀装置由气动致动器系统来控制。
背景技术
燃烧发动机的运行要求正变得越来越苛刻，因此，控制系统的精确性和可靠性总是更加重要。与内燃活塞式发动机相关联的极其重要的流体流动系统是增压空气-排气流动系统，即，发动机气体交换系统。在高效运行的内燃活塞式发动机中，与发动机相关地，使用增压空气压缩机且一般是涡轮增压器几乎是铁律。为了使发动机正确运行并在大的负荷范围内高效运行，至少在一定程度上需要气体流动控制机构。因此，涡轮增压器通常配备有所谓的废气闸。废气闸是越过涡轮增压器的涡轮部件的旁流道，可控量的废气可被引导经过该旁流道而没有在该涡轮增压器的涡轮部件中做功。废气闸一般配设有机械阀，其启闭状态取决于例如增压空气压力或发动机负荷。阀在极其严酷的环境下工作，在这里，阀暴露在超高速流动的废气中的几百摄氏度温度下。另外，在多个瞬间负荷阶段中，涡轮增压器上的控制显著影响了发动机性能。
在以下的公开出版物中公开了不同类型的阀系统。
WO2012/175794A2描述了一种涡轮增压器和一种将涡轮增压器单元的压缩机部件和涡轮部件与发动机相连的气体流动系统，该气体流动系统包括布置用于控制气体流动的至少一个流体流动控制装置。该流体流动控制装置是数字式阀系统，该数字式阀系统包括至少两个各有两个操作位置的平行阀单元。
EP0137282A2披露了一种用于在废气道和进气歧管之间控制废气循环流动量的EGR系统。在连接废气系统和进气歧管的通道内设有多个电磁作动阀。还披露了一种方法，包括按照预定顺序给其中的特定一个或成组的所述电磁响应阀通电，从而获得流过所述孔口的复合流动。
US4768544A披露了一种数字式阀，其中多个阀单元由气动活塞缸来操作，其中的一个气动活塞缸被连接至每个所述阀单元。
本发明的目的是提供一种数字式废气闸阀装置和操作数字式废气闸阀装置的方法，其提供了比现有技术的废气闸阀装置更可靠的运行。
发明内容
通过一种内燃活塞式发动机中的数字式废气闸阀装置来基本达成本发明的目的，该内燃活塞式发动机具有至少一个涡轮增压器单元，所述至少一个涡轮增压器单元具有压缩机部件和涡轮部件，所述数字式废气闸阀装置包括具有多于两个的能单独控制的开关阀单元的流动控制单元，所述装置包括布置成单独控制每个开关阀的气动致动器系统。本发明的特点是，所述装置包括与气动致动器系统相连的至少一个控制气进口，该控制气进口布置成经由控制气通道与涡轮增压器单元的压缩机部件的下游侧相连，并且用于操作流动控制单元的控制气被布置成借助于所述控制气通道而被气动致动器系统可用。
利用发动机的加压的增压空气作为控制气是有利的，这是因为加压空气是需要时就有的，并且在需要废气闸操作的情况下，所述压力和进而压缩机部件所提供的空气流动是过多的。因此，即便被用作控制气的空气流量相当小，其也容易通过压缩机部件来获得。
根据本发明的一个实施方式，该装置的气动致动器系统包括针对数字式废气闸阀装置的每个阀单元布置的专用气动致动器，每个气动致动器在压缩机部件的下游侧与进气道相连。这种连接设置于发动机缸盖上游的位置上。
根据本发明的一个实施方式，每个气动致动器与发动机的进气接收器相连。
根据本发明的一个实施方式，该装置的气动致动器系统包括针对每个气动致动器布置的控制系统，并且每个控制系统都配设有用于每个气动致动器的进口和至少两个控制口，并且该控制系统被布置用于在所述至少一个进口和所述控制口之间设定可选择的流动连接。
根据本发明的一个实施方式，该控制系统包括用于排放使用过的控制气的控制气排放口。
根据本发明的一个实施方式，控制排放口配设有止回阀。止回阀有利地布置成具有开启阈值压力。这样一来，气动致动器内总是有一定的预定压力水平。优选地，如此选择止回阀的阈值压力，即，该气动致动器中的压力高于所述阀单元内的排气的压力。这将从排气侧至致动器系统的泄漏的排气流动减少至最低程度。
根据本发明的一个实施方式，控制气排放口布置成待被控制系统以可控制的方式设定成与所述两个控制口中的其中一个控制口处于可选择的流动连接。
根据本发明的一个实施方式，该致动器是气动活塞致动器，该气动活塞致动器包括被布置成将活塞朝其阀关闭方向推动的弹簧。有利地，如此选择弹簧，即，该阀单元在没有控制气被施加到与弹簧相对的活塞侧的情况下通过该弹簧保持关闭。
本发明的目的还通过操作内燃活塞式发动机中的数字式废气闸阀装置的方法来达成，该内燃活塞式发动机具有至少一个涡轮增压器单元，所述至少一个涡轮增压器单元具有压缩机部件和涡轮部件，在涡轮增压器单元的涡轮部件内，排气的能量被部分用于驱动压缩机部件，并且涡轮部件的操作由数字式废气闸阀装置来控制，而所述数字式废气闸阀装置由气动致动器系统来控制。本发明的特点是，在发动机运行时，增压空气被压缩机部件加压，并且加压后的增压空气被用作操作数字式废气闸阀装置的气动致动器系统的控制气。
附图说明
以下，将参照示例性示意附图来描述本发明，其中：
图1示出配设有根据本发明一个实施方式的数字式废气闸阀装置的内燃发动机，
图2示出根据本发明一个实施方式的数字式废气闸阀装置，
图3示出根据本发明一个实施方式的数字式废气闸阀装置，以及
图4示出根据本发明一个实施方式的气动致动器系统。
具体实施方式
图1示意性示出了内燃活塞式发动机12和与该发动机相连的燃烧气体系统10。内燃活塞式发动机12的燃烧气体系统具有包括压缩机部件16和涡轮部件18的涡轮增压器单元14，该涡轮部件被设置用于通过利用排气的能量来可控地增加进入空气，即，进入发动机的增压空气流。
燃烧气体系统10包括主气道，该主气道在此实施方式中包括排气道20和进气道30。排气道20在其第一端与发动机的废气歧管24相连并且进一步与发动机的气缸26相连。管道例如可以是管子。在这些缸内，排气的压力和温度通过如本身已知的燃料在发动机气缸内燃烧而被提高。该发动机配设有涡轮增压器单元14。排气道20在其第二端被连接至涡轮增压器单元14的涡轮部件18的进口，在该涡轮增压器单元内，排气的能量被部分用于驱动压缩机部件16。压缩机部件16被连接至包括发动机的进气歧管28的进气道30，经由进气歧管将燃烧空气分配给发动机的气缸。涡轮增压器单元14可以是本身已知类型的。另外，该涡轮增压器单元可以在涡轮部件和/或压缩机部件中具有若干级。燃烧气体系统10且尤其是涡轮增压器单元14配设有旁流通道20'，该旁流通道将涡轮部件18的进口侧可控地连接至涡轮部件18的出口侧。
旁流通道20'配设有数字式废气闸阀装置100，用于控制气体流过该旁流通道20'。数字式废气闸阀装置100如此布置，即，其进口20.1与涡轮部件18的上游侧相连，并且其出口20.2与涡轮部件18的下游侧相连。于是，根据数字式废气闸阀装置100的操作状态，一部分的排气可被布置成旁流过涡轮部件18。于是，阀装置100是作为涡轮增压器单元14的废气闸来操作的。
数字式废气闸阀装置100进一步包括布置在该装置的进口20.1和出口20.2之间的流动控制单元106。数字式废气闸阀装置100还包括气动致动器系统102。流动控制单元106与气动致动器系统102操作连接，从而气动致动器系统根据来自过程控制单元40的控制信号来致动流动控制单元106的阀单元。设有与气动致动器系统102相连的至少一个控制气进口108，该控制气进口经由控制气通道22与涡轮增压器的压缩机部件14的下游侧相连。这样一来，发动机的增压空气被用作气动致动器系统102的控制气。控制气进口108可以布置成在发动机12的增压器空气冷却器15的下游侧通入进气道30，甚至直接通入进气歧管。在该进气歧管内，由压缩机部件造成的可能有的增压空气的压力波动被最小化。而且，空气冷却器之后的增压空气处于更适用于控制空气的温度。如点划线22'所示，控制气进口108还可以布置成在增压空气冷却器15的上游侧但在压缩机部件16的下游通入进气道30。用于操作流动控制单元106的控制气被布置成可经所述控制气通道22而被气动致动器系统102所用。应该注意，即便在图中没有示出，旁流通道20'、废气闸100和控制气通道22也可以被集成到涡轮增压器单元14中。
利用这种装置，在发动机运行时，增压空气通过压缩机部件16被加压，加压的增压空气被用作操作该数字式废气闸阀装置100的气动致动器系统102的控制气。
在流动控制单元106中，数字式废气闸阀装置由相对于气体流动而言平行的多个阀单元构成。每个阀单元具有流动系数，该流动系数例如可以是其它阀的流动系数的双倍。例如，该数字式废气闸阀装置可以由一组四个阀单元构成。在第一阀单元具有等于1的流动系数的情况下，第二阀单元具有等于2的流动系统，第三阀单元具有等于4的流动系数，而第四阀单元具有等于8的流动系数。这些阀单元中的每个将由气动致动器来单独操作。根据本发明的一个优选实施方式，该装置100的所有阀单元被布置成响应于相同的控制信号由过程控制单元40来控制。这样的控制信号可以以发动机运行的单个测量值为依据，或者它可以通过使用许多测量结果来产生。
图2更详细地示出数字式废气闸阀装置100的实施方式。数字式废气闸阀装置100的流动控制单元106包括多于两个的可单独控制的开关阀单元106.1-106.N，这些开关阀单元在进口20.1和出口20.2之间相互平行地联接。这些阀单元的组合操作状态限定数字式废气闸阀装置100的操作状态。气动致动器系统102被布置用于单独控制每个所述开关阀单元106.1-106.N。于是，气动致动器系统102包括供每个阀单元用的专用气动致动器102.1-102.N。每个气动致动器102.N被连接至供每个阀单元用的专用控制系统104.1-104.N。控制气进口108与气动致动器的每个控制系统104.1-104.N相连，从而使控制气可供每个气动致动器所用以便操作该气动致动器。每个控制系统104.1-104.N还配设有控制气排放口110.1-110.N，使用后的控制气可以经由控制气排放口被排出至例如大气。根据本发明的一个实施方式，该装置的操作可以如此被改善，即，该控制气排放口被连接至或者配设有止回阀112.1-112.N。止回阀有利地布置成具有打开阈值压力，意味着压力必须在止回阀开始打开之前增大到预定水平。这样一来，在气动致动器内总是有一定的预定压力水平。该止回阀的阈值压力优选是如此选择的，即，该气动致动器中的压力高于阀单元中的排气的压力。这将从废气侧至致动器系统的泄漏排气流动减少至最低程度。
在附图中示出两位五通型电磁阀作为控制系统104.1-104.N，但可以按照对本领域技术人员来说显而易见的许多方式来实现相似的操作或功能。
图3示出数字式废气闸阀装置100，它在其它方面类似于如图2所示的数字式废气闸阀装置，但如图所示有两个附加特征，其中的一个或两个特征可以被用于改动图2所示的实施方式。首先，所有的阀单元是相同的，但它们配设有可更换的节流部件107.1-107.N，用于设定各个阀单元的流动系数。系数优选是其它阀的流动系数的双倍。其次，还示出了每个控制系统104.1-104.N的控制气排放口110.1-110.N中的可调式节流单元109.1-109.N。借助于所述可调式节流单元，排放气体的流量可以被控制，这又影响到气动致动器的操作速度。
图4示出该装置100的一个气动致动器系统102。气动致动器系统102是活塞式致动器，在其中，活塞103被连接至阀单元106.N。如以上所解释的，它包括布置用于气动致动器102.N的控制系统104.N。控制系统104.N配设有至少两个控制口120、122和进口124。控制系统104.N的进口124与控制气进口108流动连接。控制系统104.N被布置用于在进口124和控制口120、122之间设定可选择的流动连接。于是，进口124或是布置成与第一控制口120流动连接，或是布置成与第二控制口122流动连接，这控制了控制气进出致动器的流动方向。如可从图4中看到的，用于气动活塞致动器102.1的第一控制口120和第二控制口122与致动器的活塞103的相反两侧相连。于是，对至少一个进口124和控制口之间的流动连接的设定限定了致动器的活塞的运动方向。
控制气排放口110.N分别布置成待被控制系统104.N以可控制的方式设定成与这对两个控制口中的其中一个控制口120、122处于可选择的流动连接。这导致了以下操作，在该操作中，加压的控制气被通向致动器的活塞103的一侧，并且来自致动器的活塞103的相反一侧的气体被引导经过控制系统而流向控制气排放口110。根据本发明的一个实施方式的气动活塞致动器布置成以0.5-10巴的压力水平操作。
图4还示出气动活塞致动器根据本发明的一个实施方式如何包括弹簧126，该弹簧布置用于当没有控制压力施加到致动器活塞103的相反一侧时保持阀单元106.N。
虽然在本文中利用与目前被认为是最优选实施方式相关的例子描述了本发明，但应该理解，本发明不局限于所述实施方式，而是想要涵盖其特征的各种不同的组合或改动以及就像所附权利要求书所限定的本发明范围所包含的若干其它申请。以上关于任何上述实施方式所提到的细节可以与另一实施方式组合使用，如果这种组合在技术上是可行的。

Claims (8)

1.一种内燃活塞式发动机(12)中的数字式废气闸阀装置(100)，所述内燃活塞式发动机具有至少一个涡轮增压器单元(14)，所述至少一个涡轮增压器单元具有压缩机部件(16)和涡轮部件(18)，并且所述数字式废气闸阀装置包括具有多于两个的能单独控制的开关阀单元的流动控制单元(106)，并且所述数字式废气闸阀装置包括被布置用于单独控制每个开关阀单元的气动致动器系统(102)，其特征在于，所述数字式废气闸阀装置(100)包括与所述气动致动器系统(102)相连的至少一个控制气进口(108)，该控制气进口被布置成经由控制气通道(22,22')与所述涡轮增压器单元的压缩机部件(16)的下游侧相连，并且用于操作所述流动控制单元(106)的控制气被布置成借助于所述控制气通道(22,22')而能被所述气动致动器系统(102)所用，所述气动致动器系统(102)包括被布置用于单独控制每个开关阀单元的活塞致动器(102.1-102.N)和针对每个活塞致动器(102.1-102.N)布置的控制系统(104.1-104.N)，并且每个控制系统(104.1-104.N)都配设有用于每个活塞致动器(102.N)的进口(124)和至少两个控制口(120,122)，并且所述控制系统(104.N)被布置用于在至少一个所述进口(124)和所述至少两个控制口(120,122)之间设定可选择的流动连接，所述至少两个控制口(120,122)与所述活塞致动器(102.1-102.N)的活塞(103)的相反两侧相连。
2.根据权利要求1所述的数字式废气闸阀装置(100)，其特征在于，所述数字式废气闸阀装置(100)的所述气动致动器系统(102)包括针对所述数字式废气闸阀装置(100)的每个阀单元(106.1-106.N)布置的专用气动致动器(102.1-102.N)，并且每个所述气动致动器都在压缩机部件(16)的下游侧与进气道(30)相连。
3.根据权利要求1所述的数字式废气闸阀装置(100)，其特征在于，所述控制系统(104.N)包括用于排放使用过的控制气的控制气排放口(110)。
4.根据权利要求3所述的数字式废气闸阀装置(100)，其特征在于，所述控制气排放口配设有止回阀(112.N)。
5.根据权利要求4所述的数字式废气闸阀装置(100)，其特征在于，所述止回阀(112.N)被布置成具有开启阈值压力。
6.根据权利要求3所述的数字式废气闸阀装置(100)，其特征在于，所述控制气排放口(110.N)被布置成待被所述控制系统(104.N)以可控制的方式设定成与所述至少两个控制口中的其中一个控制口(120,122)处于可选择的流动连接。
7.根据权利要求1所述的数字式废气闸阀装置(100)，其特征在于，所述活塞致动器(102.N)包括被布置成将活塞朝其阀单元关闭方向推动的弹簧(126)。
8.一种操作内燃活塞式发动机(12)中的数字式废气闸阀装置(100)的方法，所述内燃活塞式发动机具有至少一个涡轮增压器单元(14)，所述至少一个涡轮增压器单元具有压缩机部件(16)和涡轮部件(18)，在所述涡轮增压器单元(14)的所述涡轮部件(18)内，排气的能量被部分用于驱动所述压缩机部件(16)，并且所述涡轮部件(18)的操作由数字式废气闸阀装置来控制，而所述数字式废气闸阀装置由气动致动器系统(102)来控制，其特征在于，在所述内燃活塞式发动机运行时，增压空气被所述压缩机部件(16)加压，加压后的增压空气被用作操作所述数字式废气闸阀装置(100)的所述气动致动器系统(102)的控制气，所述数字式废气闸阀装置的每个开关阀单元都由布置给所述气动致动器系统(102)的活塞致动器(102.1-102.N)单独控制，并且所述控制气通过在针对每个活塞致动器(102.1-102.N)布置的控制系统(104.1-104.N)的至少一个进口(124)和所述控制系统(104.1-104.N)的控制口(120,122)之间设定可选择的流动连接而以可选择的方式被连接成与所述活塞致动器(102.1-102.N)的活塞(103)的相反两侧流动连接。
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