CN105804859A - 流体控制设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流体控制设备，尤其涉及一种进气转换器，其包括具有一个第一端口并且具有至少一个第二端口的外壳，所述第一端口具有与所述第一端口的截面垂直的第一主轴线，所述至少一个第二端口具有于所述至少一个第二端口的截面垂直的至少一根第二主轴线。所述第一主轴线和所述至少一根第二主轴线彼此离轴对准。控制装置布置在外壳内，以控制在所述第一端口与所述至少一个第二端口之间的流体流动，所述控制装置包括围绕所述第一端口的所述第一主轴线旋转的阀体，所述阀体包括用于引导所述流体穿过所述阀体的流体路径。

Description

流体控制设备

技术领域

本发明涉及一种流体控制设备，具体涉及一种用于车辆的内部燃烧发动机的空气管道的进气转换器，更具体地，涉及一种用于涡轮增压发动机（诸如，单级涡轮增压发动机）的增压空气管道。

背景技术

在本发明的意义内，应该将增压空气理解为经排气涡轮增压器或者其他种类的增压器或者压缩机压缩的压缩空气。

对于涡轮增压发动机，增压空气管道（也称为增压空气输送管道）的几何形状（直径和长度）被调谐为受益于用于改善填入发动机气缸中的空气的压力波并且由此增加输出扭矩。

然而，增压空气管道的最佳几何形状取决于发动机速度。当发动机速度较高，例如超过1500rpm（每分钟转数）左右，并且负载也较高时，涡轮增压器有效地压缩所供应的空气。在这些发动机运行条件下，长度小并且直径大的增压空气管道适用于减少压力损失并且提高发动机功率。

当发动机速度较低（例如，1250rpm左右）并且部分负载工作时，涡轮增压器压缩机不是非常有效（涡轮增压器的增压效果较差并且限制了发动机输出扭矩）。在这些发动机运行条件下，进口直径减小的长管适用于增加发动机进料（即，引入燃烧腔的气体的质量）并且由此提高体积效率。

常规的增压空气管道具有固定的长度，该长度是发动机扭矩与功率之间的折衷。利用固定长度的增压空气管道，在特定的发动机速度下，优化发动机性能，但工作范围不大。而且，因为汽车行业的严酷环境要求，为了减少燃料消耗和CO₂排放，急需在低发动机速度范围内增加涡轮增压发动机的发动机输出扭矩。

因此，期望的是使最优的发动机控制具有在根据发动机速度和负载条件改变的不同空气管道支路之间改变燃烧发动机的进气。

DE10314629A1公开了一种用于内部燃烧发动机的感应系统，其具有通过短而宽的感应管或者窄而长的感应管引导进入的燃料/空气混合物的旋转阀。燃料/空气混合物通过进气通道进入具有多个短宽管和长窄管的腔室内，并且通往单个的气缸。旋转阀体形成阀组件的一部分并且置于气缸外壳中。外壳针对每个气缸具有宽开口和窄开口。使旋转阀体旋转，以使宽或者窄的通路与每个气缸的进入端口对齐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流体控制设备，尤其是一种可靠的、紧凑的、制造便宜、易于组装、并且容易适应不同发动机运行模式的用于空气管道的进气转换器。

该目的通过流体控制设备来实现，该流体控制设备包括具有一个第一端口并且具有至少一个第二端口的外壳，其中，控制装置布置在外壳内，以控制在第一端口与该至少一个第二端口之间的流体流动。

其他的权利要求、说明和附图描述了本发明的有利实施例。

根据本发明的第一方面，提出了一种流体控制设备，尤其是一种进气转换器（shifter），其包括具有一个第一端口并且具有至少一个第二端口的外壳，该第一端口具有第一主轴线，该至少一个第二端口具有至少一根第二主轴线。有利地，第一主轴线与第一端口的截面垂直，并且该一根第二主轴线与该至少一个第二端口的截面垂直。

第一主轴线和该至少一根第二主轴线彼此离轴对准。控制装置布置在外壳内，以控制在第一端口与该至少一个第二端口之间的流体流动。控制装置包括可围绕第一端口的第一主轴线旋转的阀体，而阀体包括用于引导流体穿过阀体的流体路径。

控制装置通过经由流体路径连接第一端口和第二端口来使得能够形成在第一端口与第二端口之间的流体流动，或者，通过经由流体路径连接第一端口和第三端口来使得能够形成在第一端口与第三端口之间的流体流动。流体的流动方向可以是从第二端口或者第三端口至第一端口，或者可替代地，从第一端口至第二端口或者第三端口。

所提出的本发明流体控制设备涉及一种能够将流体在通过流体控制设备期间的压力损失保持为较低的同时将流体流动路径从一个第一端口转换到至少一个第二端口的产品。与根据本领域现状的当前流体控制设备相比，这展示出了显著的优点，当前的流体控制设备使用阀瓣和阀门并在流体流动的主路径中具有轴，其甚至是在流体路径的打开位置处也会产生高水平的流体压力降，其中，甚至是在打开位置，轴和阀瓣仍然保持在流体路径的中间或者靠近流体路径的中间。相反，本发明的流体控制设备能够承受高流体压力和高水平的流体脉动而不会造成流体压力的显著损失。进一步地，流体控制设备的特征在于：在控制装置的阀体的端部位置处具有高水平的流体密封性。

例如，如果将流体控制设备的端口连接至空气管道的两个进口和一个出口，则本发明的流体控制设备可以用作用于车辆的内部燃烧发动机的空气管道的进气转换器。本发明的流体控制设备由此可以是有源增压空气管道的一部分。可替代地，如果将流体控制设备的端口连接至空气管道的一个进口和一个出口，则流体控制设备可以用作开闭器（shutter）。

本发明的流体控制设备的控制装置的阀体能够围绕第一端口的第一主轴线旋转，由此，当阀体的轴指向流体流动方向时，阀体的轴不会造成流体流动的任何显著压力降。流体路径可以通过对阀体进行钻孔以在阀体内提供独特的流体路径而制得，流体路径始终连接至第一端口并且向第一端口敞开，流体路径的其他侧连接至第二端口并且向第二端口敞开或者通过使阀体旋转至第三端口连接。可替代地，流体路径可以部分地向第二端口和第三端口敞开，由此提供从第二端口和第三端口至第一端口的部分敞开连接，并且当向第一端口进料时，将来自第二端口和第三端口的流体流动加以混合。

在另一替代方案中，如果流体控制设备未展示出第三端口，则流体控制设备可以用于打开或者关闭第二端口以用作第二端口的开闭器。

有利地，阀体可以具有至少一个呈球形形状的外表面部分。如果将阀体构造成球体或者将阀体的至少一部分实现为球体的一部分（其中，阀体可以大致呈球形形状但是该球形形状具有边缘和凹槽），那么可以相当方便有效地使阀体围绕第一端口的主轴线旋转。由此可以将惯性矩保持为极低，由此能够使阀体高速旋转而具有低启动扭矩。

因此，有利地，外壳的内表面的至少一个部分可以具有与阀体的外表面部分相对应的球形形状。由此，能够非常有效并且可靠地实现阀体与外壳的密封，并且阀体与外壳的内表面之间的摩擦较低。

有利地，在阀体中形成用于垫圈的密封槽，以容置垫圈。密封槽沿着表面延伸到阀体中。通过将凹槽集成在阀体中，可以将具有垫圈的阀体和阀门外壳之间的公差保持得较小。通过在阀体内形成凹槽，来优化密封区域所需的封装。在外壳侧的密封区域可以是平整的形状。外壳的制造（有利地作为注塑成型塑料件）较为容易，并且有可能不需要任何复杂的工具即可制得。在凸形的弯曲阀体中形成用于垫圈的凹槽不如在外壳的凹形弯曲内表面上形成凹槽复杂。在有利的实施例中，外壳的内表面在密封区域中不具有任何垫圈凹槽形状的特征。

根据有利的实施例，外壳可以包括至少一个第一壳体和第二壳体。这使组装条件更加方便，这是因为如此可以将阀体插入一个壳体中，然后可以将另一个壳体放在阀体的顶部和第一壳体上，最后可以将两个壳体通过焊接或者通过螺钉等闭合并且拧紧。这也展示出了流体控制设备的非常模块化的结构，因为通过改变两个壳体中的一个，其中，第一壳体例如承载第一端口并且第二外壳承载第二端口和第三端口，可以组装成一种替代类型的流体控制设备，展示出了涉及机械接口的不同端口或者不同数量的端口，或者将流体控制设备从进气转换器变为开闭器或者将流体控制设备从开闭器变为进气转换器。

有利地，在控制装置的阀体的第一位置处，可以在第一端口与该至少一个第二端口之间建立流体连接，并且在控制装置的阀体的第二位置处，可以关闭在第一端口与该至少一个第二端口之间的流体连接。由此，在一个位置处打开从第一端口至第二端口的流体路径而在第二位置处关闭从第一端口至第二端口的流体路径的情况下，可以实现流体控制设备的切换或者转换或者可替代地开闭器行为。如果外壳承载第三端口，则在第二位置处，可以打开从第一端口至第三端口的流体路径。如果外壳未承载第三端口，则流体控制设备用作开闭器并且仅仅在第二位置处关闭流体路径。

在有利的实施例中，可以布置阀体，以可替代地在第一端口和第二端口之间或者在第一端口和该至少一个第三端口之间提供流体连接。例如，在不同的空气管道之间转换通往燃烧发动机的进气口（例如从增压空气管道转换至脉动空气管道）的情况下，实现了进气转换器。

由于另一有利的实施例，在控制装置的阀体的至少一个位置处，第二和第三端口可以部分地向第一端口敞开。由此，可以实现在从第二端口和第三端口引导至第一端口的两个输入流动之间的混合功能，以例如优化发动机的特定燃烧功能。

由于有利的实施例，阀体可以由垫圈二维密封至第一端口和该至少一个第二端口。可以通过在阀体中的流体路径的开口与布置在流体控制设备的外壳中的第一端口或者第二端口之间的接口处的密封区域，来确保流体密封性。可以将密封区域保持在二维状态，以确保密封功能的可靠性。这可以通过在柱形阀体中的流体路径的开口的二维平面周围的垫圈来实现，该柱形的阀体被密封至在第一端口或者第二端口周围的外壳的球形内表面。

有利地，用于在由阀体形成的二维平面周围的垫圈的凹槽带来紧密密封。

有利地，阀体可在位于外壳外侧的驱动机构的作用下旋转。可以通过使阀体的旋转轴馈送通过外壳而以将阀体的旋转轴联接至致动器，用作流体控制设备的控制装置的驱动机构。这种致动器可以是例如真空致动器，真空致动器是与燃烧发动机结合的非常常见的一种致动器，尤其是在车辆中。可替代地，电动致动器可以用于使阀体旋转。

在有利的实施例中，外壳和/或阀体可以由塑料材料制成。塑料材料不仅方便制造不同形状的设备，而且生产便宜灵活，产出高。进一步地，例如，有利的是使用用于阀体的密封区域的铁氟龙片段，并且有利的是将铁氟龙片段用作外壳的对应内表面的其他塑料材料的配对物。由此，经济地实现了非常有效并且可靠的密封功能。用于密封的片段也可以由与铁氟龙不同的合适材料组成。

根据本发明的另一方面，提出了一种进气转换器，其包括流体控制设备，该流体控制设备具有第一端口、第二端口和第三端口，其中，第一端口通过控制装置可替代地联接至第二端口或者第三端口，控制装置围绕第一端口的主轴线旋转，该主轴线与第一端口的截面垂直。由此，在一个位置处打开从第一端口至第二端口的流体路径而在第二位置处关闭从第一端口至第二端口的流体路径的情况下，可以实现流体控制设备的切换或者转换行为。如果外壳承载第三端口，则在第二位置处，可以打开从第一端口至第三端口的流体路径。例如，在不同的空气管道之间转换通往燃烧发动机的进气口（例如，从增压空气管道转换至脉动空气管道）的情况下，实现了进气转换器。

有利地，第一端口可以是出气口，第二端口可以是增压空气的进气口，并且第三端口可以是用于脉动空气的进气口。增压空气可以由涡轮增压器生成，而脉动空气可以由共振设备生成。由此，可以使更多的空气进入燃烧发动机内，以实现更高水平的脉动并且提高发动机效率。可以通过优化针对燃烧过程的空气供应，来优化燃烧发动机的不同负载条件。流体控制设备由此可以用于根据燃烧发动机的负载条件来转换进气口。转换可以依靠特定的发动机速度和发动机负载、或者如温度、压力、质量流量或其它参数的其它发动机参数来实现。

根据本发明的另一方面，提出了一种流体开闭器，其包括流体控制设备，该流体控制设备具有第一端口和第二端口，其中，在第一端口与第二端口之间的流体连接可通过控制装置切换，该控制装置可围绕第一端口的主轴线旋转，主轴线与第一端口的截面垂直。在阀体的一个位置处打开从第一端口至第二端口的流体路径而在第二位置处关闭从第一端口至第二端口的流体路径的情况下，可以实现流体控制设备的开闭器行为。如果外壳不承载第三端口，则流体控制设备用作开闭器并且仅仅在阀体的第二位置处关闭流体路径。

附图说明

本发明的上述和其他目的和优点将通过以下对实施例的详细说明而得到最好地理解，但该详细说明并不仅限于实施例，在附图中：

图1是根据本发明的流体控制设备的第一示例实施例的剖视图，处于控制装置的阀体的第一位置处，在该第一位置处，打开从第一端口至第二端口的流体路径；

图2是根据图1的流体控制设备的示例实施例的剖视图，处于控制装置的阀体的第二位置处，在该第二位置处，打开从第一端口至第二端口的流体路径；以及

图3是根据图1的具有第一端口、第二端口和第三端口的流体控制设备的示例实施例的等距视图。

具体实施方式

在附图中，相同的附图标记表示类似的元件。附图仅仅是示意图，并不旨在描述本发明的具体参数。而且，附图旨在仅仅描绘本发明的典型实施例，因此，不应该将其理解为限制本发明的范围。

图1在剖视图中描绘了根据本发明的流体控制设备100的第一示例实施例，其处于控制装置22的阀体24的第一位置处，在该第一位置处，打开从第一端口20至第二端口16的流体路径28。图1中的流体控制设备100（例如进气转换器）包括具有一个第一端口20并且具有一个第二端口16的外壳10，该第一端口20具有与第一端口20的截面垂直的第一主轴线27，该第二端口16具有与第二端口16的截面垂直的一根第二主轴线25。流体控制设备100也具有第三端口18，该第三端口18在图1中不可见，但是在图2中描述了第三端口18。第一主轴线27和第二主轴线25彼此离轴对准。控制装置22布置在外壳10内，以控制在第一端口20与第二端口16以及与第三端口18之间的流体流动。

控制装置22包括可围绕第一端口20的第一主轴线27旋转的阀体24，用于改变控制装置22的阀体24的位置。

阀体24包括用于引导流体穿过阀体24的流体路径28。流体路径28可以通过对阀体24进行钻孔制得。阀体24具有至少部分地呈球形形状的外表面部分，而外壳10的内表面38的至少一个部分具有与阀体24的外表面部分对应的球形形状。因此，可以很容易地实现使在外壳10内的阀体24围绕主轴线27旋转，并且外壳10的表面38用作阀体24的支承。外壳10包括第一壳体12和第二壳体14。阀体24主要由第二壳体14承载。第二壳体14包括第二端口16和第三端口18（如图2所示），而第一端口20位于第一壳体12中。第一壳体12关闭第二壳体14以获得密封的外壳10。

如图1所示，在控制装置22的阀体24的第一位置34处，在第一端口20与第二端口16之间建立流体连接，从而使得流体经由流体路径28从第二端口16流至第一端口20，反之亦然。阀体24布置为可替代地在第一端口20与第二端口16之间或者在第一端口20与该至少一个第三端口18之间提供流体连接。

阀体24由垫圈40二维密封至第一端口20并且由垫圈40a二维密封至第二端口16。可以通过在阀体24中的流体路径28的开口32与布置在流体控制设备100的外壳10中的第一端口20之间的接口处的密封区域，来确保流体密封性。密封区域可以被保持为二维的，以确保密封功能的可靠性。这可以通过在柱形的阀体24中的流体路径28的开口32的二维平面周围的垫圈40来实现，其被密封至围绕第一端口20的外壳10的球形内表面38。以类似的方式，使用在流体路径28的开口30周围的垫圈40a并且使用在阀体24的关闭区域周围的垫圈40b将阀体24密封至外壳10的内表面38，如果阀体24在第二位置36处，在该第二位置36处，打开从第一端口20至第三端口18的流体路径28并且关闭从第一端口20至第二端口16的流体路径28。由此，第二端口16经由垫圈40b由阀体24密封。在阀体24中形成用于垫圈40、40a、和40b的密封凹槽，以容置垫圈。外壳10的内表面38在密封区域中不具有任何垫圈凹槽形状特征。

阀体24可在位于外壳10外侧的驱动机构的作用下旋转。为此，阀体24的旋转轴42被馈送通过外壳10，以使其联接至致动器作为流体控制设备100的控制装置22的驱动机构。例如这类致动器可以是真空致动器，真空致动器是与燃烧发动机结合的非常常见的一种致动器，尤其在车辆中。可替代地，电动致动器可以用于旋转阀体24。

外壳10和/或阀体24可以有利地由塑料材料制成。例如，有利的是使用用于阀体24的密封区域的铁氟龙片段并且有利的是将铁氟龙片段用作外壳10的对应内表面38的其他塑料材料的配对物。由此，经济地实现了非常有效并且可靠的密封功能。

在图1中示出了控制装置22的在第一端口20与第二端口16之间具有流体连接的阀体24的第一位置34，而在图2中示出了在第一端口20与第三端口18之间具有流体连接的阀体24的第二位置36。在阀体24的第二位置36处，关闭在第一端口20与第二端口16、18之间的流体连接。

图2描绘了根据图1的流体控制设备100的示例实施例的剖视图，该流体控制设备100处于第二位置36处，在该第二位置36处，打开从第一端口20至第三端口18的流体路径28。在该第二位置36处，使阀体24围绕主轴线27旋转从而使得流体路径28将第一端口20和第三端口18连接并且使得形成在第三端口18与第一端口20之间的流体流动。流体路径28的开口30连接至第三端口18，第三端口18的主轴线26与第一端口20的主轴线27离轴对准。第二端口16由阀体24关闭。

可能在阀体24的至少一个位置34、36处或者在端部位置之间的过渡处，第二和第三端口16、18可以至少部分地向第一端口20敞开，从而经由第二端口和第三端口16、18混合来自流体管道的不同支路的流体流动。

在图3中图示了根据图1的具有第一端口20、第二端口16和第三端口18的流体控制设备100的示例实施例的等距视图。外壳10包括组装并且密封在一起的第一壳体12和第二壳体14。第二壳体14承载第二端口16，并且在轴向遥远位置处承载第三端口18。第一壳体12在外壳10的顶部承载第一端口20。由于阀体24可围绕第一端口20的主轴线27旋转，所以第一端口20始终连接至阀体24的开口32从而连接至流体路径28。

在该配置中，流体控制设备100可以代表进气转换器，该进气转换器包括流体控制设备100，该流体控制设备100具有第一端口20、第二端口16和第三端口18，其中，第一端口20能够可替代地通过控制装置22联接至第二端口16或者第三端口18，其可围绕第一端口20的主轴线27旋转，主轴线27与第一端口20的截面垂直。在这种情况下，第一端口20是出气口，第二端口16是增压空气的进气口，以及第三端口18是用于脉动空气的进气口。增压空气可以由涡轮增压器生成，而脉动空气可以由共振设备生成。由此，可以使更多的空气进入燃烧发动机内，以达到更高水平的脉动并且提高发动机效率。

可替代地，如果流体控制设备100仅承载第一端口和第二端口20、16，则流体控制设备100可以代表流体开闭器，该流体开闭器包括流体控制设备100，该流体控制设备具有第一端口20和第二端口16，其中，在第一端口20和第二端口16之间的流体连接由控制装置22切换，控制装置22可围绕第一端口20的主轴线27旋转，该主轴线27与第一端口20的截面垂直。可以在阀体24的一个位置34处打开从第一端口20至第二端口16的流体路径28而在阀体24的第二位置36处关闭从第一端口20至第二端口16的流体路径28的情况下，实现流体控制设备100的开闭器行为。

Claims (13)

1.一种流体控制设备（100），尤其是一种进气转换器，其包括具有一个第一端口（20）并且具有至少一个第二端口（16、18）的外壳（10），所述第一端口（20）具有第一主轴线（27），所述至少一个第二端口（16、18）具有至少一根第二主轴线（25、26），其中，

（i）所述第一主轴线（27）和所述至少一根第二主轴线（25、26）彼此离轴对准，

（ii）控制装置（22）布置在所述外壳（10）内，以控制在所述第一端口（20）与所述至少一个第二端口（16、18）之间的流体流动，

（iii）所述控制装置（22）包括能够围绕所述第一端口（20）的所述第一主轴线（27）旋转的阀体（24），所述阀体（24）包括用于引导所述流体穿过所述阀体（24）的流体路径（28）。

2.根据权利要求1所述的流体控制设备，其中，所述阀体（24）具有带有至少一个呈球形形状的外表面部分。

3.根据权利要求1或者2所述的流体控制设备，其中，所述外壳（10）的内表面（38）的至少一个部分具有与所述阀体（24）的所述外表面部分对应的球形形状。

4.根据前述权利要求中任一项所述的流体控制设备，其中，所述外壳（10）包括至少一个第一壳体（12）和第二壳体（14）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的流体控制设备，其中，在所述控制装置（22）的阀体（24）的第一位置（34）处，在所述第一端口（20）与所述至少一个第二端口（16、18）之间建立流体连接，并且在所述控制装置（22）的所述阀体（24）的第二位置（36）处，关闭在所述第一端口（20）与所述至少一个第二端口（16、18）之间的所述流体连接。

6.根据前述权利要求中任一项所述的流体控制设备，其中，所述阀体（24）布置为可替代地在所述第一端口（20）与所述第二端口（16）之间或者在所述第一端口（20）与至少第三端口（18）之间提供流体连接。

7.根据权利要求6所述的流体控制设备，其中，在所述控制装置（22）的阀体（24）的至少一个位置处，所述第二和第三端口（16、18）至少部分地向所述第一端口（20）敞开。

8.根据前述权利要求中任一项所述的流体控制设备，其中，所述阀体（24）由垫圈（40）二维密封至所述第一端口（20）和所述至少一个第二端口（16、18）。

9.根据前述权利要求中任一项所述的流体控制设备，其中，所述阀体（24）能够在位于所述外壳（10）外侧的驱动机构的作用下旋转。

10.根据前述权利要求中任一项所述的流体控制设备，其中，所述外壳（10）和/或所述阀体（24）由塑料材料制成。

11.一种进气转换器，其包括流体控制设备（100），尤其是根据前述权利要求中任一项所述的流体控制设备，其具有第一端口（20）、第二端口（16）和第三端口（18），其中，所述第一端口（20）通过控制装置（22）能够可替代地联接至所述第二端口（16）或者所述第三端口（18），其能够围绕所述第一端口（20）的主轴线（27）旋转，所述主轴线（27）与所述第一端口（20）的截面垂直。

12.根据权利要求11所述的进气转换器，其中，所述第一端口（20）是出气口，所述第二端口（16）是增压空气的进气口，并且所述第三端口（18）是用于脉动空气的进气口。

13.一种流体开闭器，其包括流体控制设备（100），尤其是根据权利要求1至10中任一项所述的流体控制设备，其具有第一端口（20）和第二端口（16），其中，在所述第一端口（20）与所述第二端口（16）之间的流体连接能够通过控制装置（22）切换，其能够围绕所述第一端口（20）的主轴线（27）旋转，所述主轴线（27）与所述第一端口（20）的截面垂直。