CN106460642B - 具有计量流口的可变流阀 - Google Patents

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Abstract

公开了可变流阀组件，该可变流阀组件包括主体和活塞。该主体限定了腔室、入口、出口和位于入口与出口之间的壁。该壁限定了用于选择性地允许介质从入口流到出口的计量孔口。该活塞能够在主体的腔室内在多个部分打开位置上移动以改变流经调节孔口的介质的量。

Description

具有计量流口的可变流阀
技术领域
本发明一般涉及可变流阀，其中该阀包括用于调节流量的计量孔口。
背景技术
内燃机可用于各种应用，诸如例如，客车和工业用车辆、海上、固定和航空应用。一般存在两个主要点火循环，通常称为气体循环和柴油循环，或者分别更正式地称为火花塞点火(SI)循环和压燃(CI)循环。
排气驱动涡轮增压器可用于提高内燃机的功率输出和总效率。具体地，排气能量可以用于驱动涡轮机。涡轮增压器包括压缩机和涡轮机，其中压缩机安装到涡轮机增压器的轴上，与涡轮机相对。涡轮机将发动机排气转换成机械能，该机械能用于驱动压缩机。压缩机抽入空气并压缩空气。压缩空气随后被导向内燃机的进气歧管。
诸如压缩机排放阀或排泄阀的减压阀可安装到位于涡轮增压器下游的进气管上，在节流阀之前。具体地，压缩机排放阀可用于将压缩空气排回压缩机的入口。排泄阀类似于压缩机再循环阀，但是排至大气，而不是排回压缩机的入口。减压阀可用于缓解当节流阀闭合时(即，当操作者突然将他或她的脚抬离气体踏板且节流阀闭合时)可能发生的压力的突然激增或尖峰。当前可用的一些类型的减压阀可以仅完全地打开或关闭。换言之，一些减压阀不提供阀的位置的有效控制。
发明内容
公开的可变流阀组件包括调节孔口，该调节孔口改变流经减压阀的介质的量，介质诸如为空气或流体。具体地，在一个方面，可变流阀组件被公开，其包括主体和活塞。该主体限定了腔室、入口、出口和位于入口与出口之间的壁。该壁限定了用于选择性地允许介质从入口流到出口的计量孔口。该活塞能够在主体的腔室内在多个部分打开位置上移动以改变流经调节孔口的介质的量。
在一个方面，公开的可变流阀组件可以包括活塞传感器、控制器和电磁阀。该位置传感器确定活塞在主体腔室内的位置。该控制器与位置传感器和电磁阀信号通信。可变流阀的主体的腔室包括加压腔室。该活塞将加压腔室和入口分开。电磁阀对加压腔室施加预定量的真空。该预定量的真空使活塞移动进入多个打开位置中的一个打开位置。
在另一方面，公开了一种用于控制排气驱动涡轮增压系统的系统。该系统包括涡轮增压器，该涡轮增压器具有与可变流阀组件和发动机的进气歧管流体连通的压缩机入口。可变流阀组件包括主体、活塞、位置传感器和控制器。该主体限定了腔室、入口、出口和位于入口与出口之间的壁。该壁限定了用于选择性地允许介质从入口流到出口的计量孔口。该活塞能在主体的腔室内在多个部分打开位置上移动以改变流经调节孔口的介质的量。该位置传感器确定活塞在主体腔室内的位置。控制器与位置传感器信号通信。活塞在腔室内的位置是由控制器确定的。计量孔口部分地打开从而将空气通入发动机的进气歧管。
附图说明
图1是包括内燃机涡轮增压系统的一个实施例的流路和流向的示意图，该内燃机涡轮增压系统包括减压阀。
图2是处于闭合位置的减压阀的一个实施例的部分透明的立体图。
图3是处于闭合位置的图2的减压阀的剖视图。
图4是处于打开位置的图2的减压阀的剖视图。
图5是处于闭合位置的与电磁阀流体连接的图2的减压阀的剖视图。
图6A是处于闭合位置的减压阀的前视图。
图6B是处于部分打开位置的减压阀的前视图。
图6C是处于打开位置的减压阀的前视图。
具体实施方式
以下的详细说明将阐述本发明的一般原理，其示例另外在附图中图示说明。在附图中，相似的附图标记指代相同或功能上相似的元件。
现在参考图1，示出了用于内燃机12的涡轮增压系统10的示范性的示意图。涡轮增压系统10可以包括具有涡轮机段22和压缩机段24的排气驱动涡轮增压器(“EDT”)20、涡轮机旁通阀或废气阀26，以及减压阀30。EDT 20的排气壳体18包含了涡轮机轮32。涡轮机轮32利用排气能量且将排气能量通过共同的轴34转换成机械功以转动压缩机轮35。压缩机轮35在升高的工作压力下吸收、压缩空气并且将空气供给内燃机12的进气歧管36。
废气阀26是用于计量离开内燃机12的排气歧管40的排气量37的控制阀，并且控制可供对涡轮机轮32供给动力的能量的量。废气阀26通过打开与旁通管42连接的阀门(未示出)而工作。打开废气阀26的阀门允许排气远离涡轮机轮32流动。因此，废气阀26可以直接控制EDT 20的速度以及由此导致的内燃机12的进气歧管36的工作压力。废气阀26可以具有任意数量的实施例，包括在申请人的美国专利8,469,333中所公开的实施例，该专利全文通过引用方式合并于此。
工作压力存在于EDT压缩机入口50、内燃机12的进气歧管36和进气歧管管道52、内燃机12的排气歧管40和进气歧管管道54、EDT 20的排气入口58和EDT 20的排气出口59中。具体地，EDT压缩机入口50可以定义为从进气系统60到压缩机段24的入口64的通路。内燃机12的进气歧管36可以定义为EDT压缩机排放阀66与内燃机12的一个或多个进气阀68之间的通道。内燃机12的排气歧管40可以定义为一个或多个排气阀70与EDT的排气入口58之间的通道。排气管可以是位于EDT 20的排气出口59之后的任何通路。为了实现有效的排气再循环(EGR)，排气歧管中的压力应当显著高于进气歧管内的压力从而使得排气沿正确的方向流动。较小的EDT排气轮廓产生较高的期望的排气歧管压力，但是这是以较低的效率为代价。因此，本领域技术人员将意识到，在实现内燃机12的效率与EGR有效性之间存在良好的平衡。
减压阀30可以是位于EDT 20的压缩机段24的压缩机排放阀66与内燃机12的进气歧管36之间的进气歧管管道52中的调压阀。在如图1所示的实施例中，减压阀30是与EDT压缩机入口50流体连接且将压缩空气排回EDT压缩机入口50的压缩机再循环阀。然而，应当注意的是，在另一实施例中，涡轮增压系统10同样可以使用排泄阀。排泄阀类似于压缩机再循环阀，但是排至大气，而不是排回EDT的压缩机入口。电磁阀38可以与减压阀30连接。在一个实施例中，电磁阀38可用于施加真空到减压阀30并且致动减压阀30，这将在下文中详述。
在如图1所示的示例性实施例中，减压阀30可以与火花塞点火式内燃机12和节流阀板80一起使用。在内燃机12的任何给定的工作范围内，EDT 20的轴34可以自旋高达200,000转每分(RPM)。节流阀80的突然闭合不会立即将EDT 20的RPM减速。因此，该闭合产生了关闭的节流阀80与EDT压缩机段24(即，进气歧管管道52)之间的通道中压力突然升高。减压阀30可用于释放或分流由节流阀80的突然闭合而产生的压力。
当减压阀30被打开时，EDT 20可以自由地旋转，从而保存了EDT 20的惯性。如果减压阀30被省略，则EDT 20将在节流阀80一旦闭合时停转或停止。该停转或停止会不利地影响EDT寿命和节流阀响应。本领域技术人员将意识到，EDT 20应当正旋转并且准备好在节流阀板80一打开时就产生升压。减压阀30可通过允许EDT 20在没有压缩机负载的情况下旋转高达一定速度(即，发动机加速)而减少涡轮增压器迟滞，因为一旦减压阀30打开则不存在反压。在下文进一步详述的可变减压阀可以通过允许仅旁通量准备好用于立即升压而实质上防止压缩机喘振是尤其有益的。当压缩机轮35之后的气压实际上高于压缩机轮35所能够维持的气压时可定义为压缩机喘振。该状况使得压缩机轮35中的气流倒退、形成压力或者停转。因此，压缩机喘振有噪声、影响EDT寿命、并且会降低涡轮增压系统10的性能。
减压阀30可以用于任何EDT启用的内燃机中，包括柴油发动机。虽然公开了涡轮增压系统10，本领域技术人员将易于理解的是，减压阀30可用于任何可调节或改变诸如流体或气体的介质的流动的任何应用中。换言之，减压阀30可以包括多个部分打开位置以改变进入内燃机12的进气歧管36的排气的量(图1)。
参考图2-3，减压阀30可以包括阀体100，其限定了入口102、出口104以及加压腔室106。在如图2-3所示的示范性的实施例中，下部口是入口102，位于阀体100的右手侧的口是出口106。然而，应当理解的是，流108的方向可以反向，并且口102可用作出口，并且口104可用作入口。阀30还包括卡环110、盖112、偏置元件114、活塞120、通气配件122、通气配件124和磁体126。卡环110可以限定一个或多个孔眼130(图2)。卡环110可安置在位于阀体100的第一端134处的环状凹槽132内。
在如图2-3所示的示范性的实施例中，阀体100可以限定在第一端134与第二端138之间延伸的大体圆柱形腔室136。活塞120可以被定尺寸以在阀体100的腔室136内沿线性方向平移。活塞120还可以将入口102与加压腔室106分开。图2-3示出了处于闭合位置的阀30，图4和图6C示出了处于打开位置的阀30。具体地，活塞120可以在阀体100的圆柱形腔室136内增量式地上下平移或移动。如图3最佳所示，计量孔口或调节孔口142可由限定了腔室136的一部分的大致圆柱形壁140限定。壁140可以包括第一侧144和第二侧146。壁140的第一侧144可以限定出口104的一部分，并且壁140的第二侧146可以限定腔室136的一部分。
调节孔口142可用于选择性地允许诸如流体或气体的介质从入口102流到出口104。调节孔口142也可以用于改变或调节从入口102传递到出口104的介质的量。具体地，当阀30处于闭合位置时(图2-3以及图6A)，活塞120可以基本上阻止或防止介质从入口102流到出口104。活塞120可响应于位置传感器150生成的信号而被致动到多个部分打开位置(图6B中示出其中一个位置)，这将在下文进一步详述。在多个部分打开位置中，活塞120能够在阀100的腔室136内移动，这进而改变可以流经调节孔口142的介质的量。当减压阀30处于完全打开位置时(图4)，介质可以流经调节孔口142，而不受活塞120任何实质性的阻碍或阻挡。
如图3-4最佳所示，活塞120可以包括上表面148和下表面149。两个密封构件168和169可以安置在阀体100的圆柱形腔室136内。具体地，如果减压阀30处于闭合位置，则密封构件168可以与阀体100的加压腔室106对准且提供阀体100的加压腔室106、调节孔口142与活塞120之间的密封。同样，密封构件169可以与阀体100的入口102对准且提供阀体100的入口102、调节孔口142与活塞120之间的密封。密封构件168，169可以是用于往复运动部件的任意类型的密封件，诸如O型圈。
在如图所示的示范性的实施例中，调节孔口142包括大致倒置的三角形轮廓。因此，随着活塞120从闭合位置(图2-3)向上移动并进入打开位置(图4)，通过调节孔口142的流量成指数增长。换言之，随着活塞120的下表面149移到完全打开位置，通过调节孔口14的流量会以更快速率增加。虽然示出了倒三角形，但是本领域技术人员将易于理解的是，调节孔口142可以呈现为多种不同的形状和构造从而控制流量。调节孔口142的形状可以取决于多个变量，诸如但不限于噪声(即，控制通过阀30的哨声)，以及活塞120可以在阀体100的圆柱形腔室136内行进的距离。例如，在可替代的实施例中，调节孔口142可以包括带槽的或方形的构造。
参考图3，盖112可以位于阀体100的加压腔室106内。盖112包括具有开端154和闭端156的主体152。唇缘件或边缘件158可位于主体152的开端154处。阀体100可以限定搁板160。盖112的边缘件158可以抵靠阀体100的搁板106安置。诸如例如O型圈的密封元件162可以介于边缘件158的侧表面164与阀体100的侧表面166之间。盖112提供了阀体100的加压腔室106与大气之间的密封。
盖112的主体152还限定了凹槽170。控制器172和位置传感器150可以位于盖112的凹槽170内，其中控制器172与位置传感器150信号通信。控制器172可以是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的、或群组的)和执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路或提供所描述的功能的其它适合的部件。
位置传感器150可以是任何容许位置测量的装置。在一个实施例中，位置传感器150是基于活塞120在阀体100的圆柱形腔室136内的移动的相对位置传感器(位移传感器)。位置传感器150可以是电容换能器、涡流传感器、光栅传感器、霍尔效应传感器、感应非接触式位置传感器、激光多普勒振动计(光学)、线性可变差动变压器(LVDT)、多轴位移换能器、光电二极管阵列、压电换能器(压电式的)、电位计、近距离传感器(光学)、地震位移拾取器、弦丝电位计(也称为弦丝电位计、弦丝编码器、电缆位置换能器)或它们的组合。
在图示的实施例中，位置传感器150是包括芯片/霍尔效应位置传感器174的霍尔效应传感器，其感应磁体126的位移。磁体126可以连接到活塞120以便与其一起平移。具体地，磁体126可以安装到活塞120上或者置于活塞120内。在图3和图4中，磁体126容纳在由活塞主体180形成的支架178内。支架178将磁体126悬置在活塞120内。
芯片/霍尔效应位置传感器174可以位于阀体100内，充分接近以感测位于活塞120内的磁体126的移动，并且确定活塞120在阀体100的腔室136内的具体位置。在如图3和图4所示的实施例中，芯片/霍尔效应位置传感器174水平地定向在磁体126上方的位置处(即，相对于磁体126轴向)。在另一实施例中，芯片/霍尔效应位置传感器174可以垂直地定向在远离磁体126沿径向向外的位置处。
偏置元件114可以包括第一端180和第二端182。偏置元件114的第一端180可以抵靠盖112的边缘件158安置，并且偏置元件114的第二端182可以抵靠活塞120的上表面148安置。偏置元件114可用于抵靠活塞120的上表面148施加轴向力。在如图所示的非限制实施例中，偏置元件114是盘簧，然而，本领域技术人员将理解，同样可使用用于抵靠活塞120施加轴向力的任何类型的偏置元件。
图5是减压阀30和电磁阀38的示例说明。电磁阀38可用于在减压阀30内产生压差，从而使活塞120在阀体100的腔室136内行进。虽然电磁阀被图示出，本领域技术人员将意识到，同样可使用其它装置来在减压阀30内产生压差，诸如例如用于使流体或气体沿正向或负向移动的泵。
控制器172可以与电磁阀38信号通信从而接通电磁阀38且移动电枢(未示出)。具体地，控制器172可以基于活塞120在腔室136内的当前位置来控制电磁阀38。电磁阀38的电枢的移动可以在阀体100的入口102与加压腔室106之间产生压差。活塞120可以基于入口102与加压腔室106之间的压差而在阀体100的腔室136内平移或移动，这将在下文详述。
在如图5所示的实施例中，电磁阀38可以包括第一通气口190、第二通气口194和真空口196。电磁阀38的第一通气口190可以与阀30的通气配件122流体连接，并且第二口194可以与阀30的通气配件124流体连接。在一个实施例中，第一通气口190和第二口194可以利用连接软管(未示出)与减压阀30流体连接。图5示出了处于闭合位置的阀30，其中控制器172可以控制电磁阀38的电枢(未示出)从而打开第一通气口190且闭合真空口196以使得第一通气口190与第二通气口194之间压力相通。因此，入口102的压力约等于阀体100的加压腔室106或者与阀体100的加压腔室106平衡。偏置元件114抵靠活塞120的上表面148所施加的轴向力将活塞120保持在阀体100的腔室136内的闭合位置的适当位置。
控制器172可以控制电磁阀38从而在阀体100的入口102与加压腔室106之间产生压差。具体地，控制器172可以控制电磁阀38的电枢(未示出)从而闭合第一通气口190并且对第二通气口194施加真空。因此，入口102的压力不再等于位于阀体100的加压腔室106内的压力。结果，活塞120克服偏置元件114所施加的轴向力，并且活塞120可以沿向上方向平移，并且到达图4所示的打开位置。在一个实施例中，施加到第二通气口194上的真空的量可以改变从而控制活塞120在阀体100的腔室136内的位置。换言之，活塞120可以基于施加到第二通气口194上的预定真空量而定位在一个部分打开位置上。在可选的实施例中，活塞120的位置可以利用脉宽调制(PWM)控制来控制。具体地，电磁阀38可以利用PWM控制而被调制关断和接通从而将活塞120定位在阀体100的腔室136内的一个部分打开位置上。
一般地参考附图，公开的减压阀30包括调节孔口，该调节孔口用于改变流经减压阀的介质的量。因此，具体地参考图1，减压阀30使得能够按命令控制排气歧管40的工作压力。特别地，通过部分打开公开的阀30，排气歧管40中的工作压力可得到控制。当前可用的一些类型的压缩机再循环阀和排泄阀仅具有全开或全闭位置。相反，公开的阀30可以打开到多个位置，从而允许按命令控制排气歧管40中的工作压力。这将进而允许更精确地控制涡轮增压器速度。而且，涡轮增压器响应时间和涡轮增压器迟滞可减轻。最后，公开的减压阀30还可以改善车辆的燃料经济性以及可驾驶性。
在附图示出以及在上文所描述的本发明的实施例是可以在随附权利要求的范围内做出的若干实施例的示范例。可设想的是，可以利用公开的方法来创造张紧器的若干其它构造。简言之，申请人的意愿是，在此发布的专利的范围将仅由随附权利要求的范围限定。

Claims (13)

1.一种可变流阀组件，包括：
主体，其限定了腔室、入口、出口和位于所述入口与所述出口之间的壁，所述壁限定了用于选择性地允许介质从所述入口流到所述出口的计量孔口，其中所述主体的所述腔室包括加压腔室；
通气配件，其与所述入口开放流体连通；
活塞，其能够在所述主体的所述腔室内在多个部分打开位置上移动从而改变流经所述计量孔口的介质的量，其中，所述活塞将所述加压腔室与所述入口分开；
位置传感器，其用于确定所述活塞在所述主体的所述腔室内的位置；
控制器，其与所述位置传感器进行信号通信；以及
电磁阀，其与所述控制器进行信号通信；
其特征在于，所述电磁阀具有与所述通气配件流体连通的第一通气口，与所述加压腔室流体连通的第二通气口，和真空口，其中所述第一通气口和所述真空口与所述第二通气口选择性流体连通；以及
其中，在所述活塞处于闭合位置的情况下，所述电磁阀的第一通气口打开以与所述第二通气口流体连通，用于使所述入口的压力与所述加压腔室的压力平衡。
2.如权利要求1所述的可变流阀组件，其中所述位置传感器是包括感应位于所述活塞内的磁体的位移的传感器芯片的霍尔效应传感器。
3.如权利要求1所述的可变流阀组件，其中所述控制器控制所述电磁阀通过闭合所述第一通气口和打开所述真空口以将预定量的真空施加到所述加压腔室来在所述入口和所述加压腔室之间产生压差，所述预定量的真空使得所述活塞定位至所述多个部分打开位置中的一个部分打开位置上。
4.如权利要求3所述的可变流阀组件，其中所述电磁阀是利用脉宽调制控制通过所述控制器来调节的，从而将所述活塞定位在所述主体的所述腔室内的所述多个部分打开位置中的一个部分打开位置上。
5.如权利要求1所述的可变流阀组件，还包括盖，所述盖位于所述主体的所述腔室内，形成所述加压腔室与大气之间的密封，并且所述主体限定搁板，所述盖安置在所述搁板上。
6.如权利要求5所述的可变流阀组件，还包括偏置元件，所述偏置元件包括第一端和第二端，其中所述偏置元件的第一端抵靠所述盖安置，并且所述偏置元件的第二端抵靠所述活塞的上表面安置。
7.如权利要求1所述的可变流阀组件，其中所述计量孔口包括三角形的、带槽的或矩形的构造。
8.如权利要求1所述的可变流阀组件，其中所述可变流阀组件是压缩机再循环阀和排泄阀中的一种。
9.一种用于控制排气驱动涡轮增压系统的系统，包括：
涡轮增压器，其具有与可变流阀组件和发动机的进气歧管流体连通的压缩机入口，所述可变流阀组件包括：
主体，其限定了腔室、入口、出口和位于所述入口与所述出口之间的壁，所述壁限定了用于选择性地允许介质从所述入口流到所述出口的计量孔口，其中所述主体的所述腔室包括加压腔室；
通气配件，其与所述入口开放流体连通；
活塞，其能够在所述主体的所述腔室内在多个部分打开位置上移动以改变流经所述计量孔口的介质的量，其中，所述活塞将所述加压腔室与所述入口分开；
位置传感器，其用于确定所述活塞在所述主体的所述腔室内的位置；以及
控制器，其与所述位置传感器进行信号通信，其中所述活塞在所述腔室内的位置是通过所述控制器来确定的；
电磁阀，其与所述控制器进行信号通信；以及
其特征在于，所述电磁阀具有与所述通气配件流体连通的第一通气口，与所述加压腔室流体连通的第二通气口，和真空口，其中所述第一通气口和所述真空口与所述第二通气口选择性流体连通；以及
其中，所述控制器控制所述电磁阀通过闭合所述第一通气口和打开所述真空口以施加预定量的真空至所述加压腔室来在所述入口和所述加压腔室之间产生压差，所述预定量的真空使所述活塞移动至所述多个打开位置中的一个，由此部分地打开计量孔口来使空气流通至所述进气歧管。
10.如权利要求9所述的系统，还包括盖，所述盖位于所述主体的所述腔室内，形成所述加压腔室与大气之间的密封，并且所述主体限定搁板，所述盖安置在所述搁板上。
11.如权利要求10所述的系统，还包括偏置元件，所述偏置元件包括第一端和第二端，其中所述偏置元件的第一端抵靠所述盖安置，并且所述偏置元件的第二端抵靠所述活塞的上表面安置。
12.如权利要求9所述的系统，其中所述计量孔口包括三角形的、带槽的或矩形的构造。
13.如权利要求9所述的系统，其中所述可变流阀组件是压缩机再循环阀，其与所述压缩机入口流体连接并且将压缩空气排回所述压缩机入口中。
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