CN107002553B - 用于控制对涡管涡轮增压器的单或双同轴滑动阀 - Google Patents

Abstract

一种紧凑型流量控制阀，其能够在非常恶劣的环境中实现长的使用寿命。该阀是一种单或双同轴滑动阀，能够依次控制两个不同功能，其中至少一个功能被逐步控制。流量控制阀控制涡轮增压器的涡轮机外壳(2)的两个蜗壳(6、7)之间的流体连接，以及废气门口(9)和涡轮增压器的涡轮机外壳(2)的所述两个蜗壳(6、7)之间的流体连接。

Description

用于控制对涡管涡轮增压器的单或双同轴滑动阀

技术领域

本发明涉及一种紧凑型流量控制阀，其能够在非常恶劣的环境中实现长的使用寿命。该阀是一种单或双同轴滑动阀，能够依次控制两个不同功能，其中至少一个功能被逐步控制。

背景技术

阀门用来控制气体的流动。对于阀门而言，涡轮增压器是特别恶劣的环境。虽然随着发动机需求的增加，已经在不同程度上成功地开发并应用了多种阀门，但对阀门的要求也越来越高。

例如，为了提高车辆的燃料经济性，希望使车辆的空气动力学前端面积尽可能小且流线型。发动机舱的紧凑性降低了定位和取向辅助设备(如涡轮增压器执行器)的自由度。为了优化空间利用，阀门应该小、重量轻，并在任何方向上自由组装，对于阀门来说，控制多个功能将是特别有利的。

涡轮增压器由排气驱动。涡轮机外壳的外部接触环境空气温度，而蜗壳表面接触740℃-1050℃温度的排气，这根据发动机的燃烧类型而异。在排气中工作的阀门暴露于高温、腐蚀性酸以及那些可能聚积在涡轮增压器的内表面上的烟尘颗粒。所有阀门必须能够提供严密密封和可控打开，不会因为烟尘或油垢而产生腐蚀或堵塞。设计一种不易堵塞的阀门是有利的。

涡轮机系统内的背压可以在高达500kPa的范围内。将有利的是，提高阀门(如废气门)的设计，使其可以用最小的致动力得到高精度控制，同时不受高系统压力的不良影响。

在废气门涡轮增压器中，涡轮蜗壳通过旁通管道流体地连接到导流器下游的涡轮出口。通过旁通管道的气流由称为废气门的阀门控制。为了便于操作废气门，致动或控制力必须通过涡轮机外壳从涡轮机外壳的外部传递到涡轮机外壳内部的废气门。例如，废气门枢轴可以延伸穿过涡轮机外壳。在涡轮机外壳外部，致动器通过连杆连接到废气门臂，而废气门臂连接到废气门枢轴。在涡轮机外壳内部，枢轴连接到废气门。来自致动器的致动力被转换为枢转轴的旋转，使废气门在涡轮机外壳内枢转。废气门枢轴在圆柱形套管中旋转，或直接接触涡轮机外壳。由于排气在压力下，并且由于轴与套管的内孔(轴位于套管的内孔中)之间有环形间隙，增压涡轮机外壳排出的热有毒排气和烟尘可能通过这个间隙。这是应当减少的碳氢排放的根源。发动机制造商不允许气体和烟尘从涡轮增压器泄露到涡轮增压器周围环境清洁空气中。更好地控制涡轮增压器排气是我们希望的。

另外，常规废气门中，废气门开始打开时的压力(“提升压力”)对其操作至关重要。当气动致动器和废气门组件组装到涡轮增压器时，必须非常仔细地设置废气门。精密致动器可以产生压力，在这个压力下，膜片开始移动，这取决于所使用的弹簧的预载荷。弹簧制造公差的变化意味着从一个弹簧到下一个弹簧的弹簧刚度的变化是可能的，并且需要单独校准每个涡轮增压器以确定提升压力。我们希望有精确可控并且没有这些制造变化的阀门(如废气门)。

已经尝试使用单个致动器实现双重功能。美国专利4,893,474提供了一种设有单个气动致动器的排气驱动涡轮增压器，其控制改变排气入口通道与涡轮机的流动面积或长宽比的枢转叶片，还控制废气门。包括预加载弹簧和摇臂杠杆的连杆机构驱动控制废气门和枢转叶片的杠杆。然而，这种设计相当复杂，因此容易失效，不紧凑，并且需要多个阀门来控制多个功能。

美国专利8196403(卡特彼勒)提供了涡轮增压器，其具有平衡阀、废气门以及平衡阀和废气门共用的致动器。阀组件可以与涡轮机连接，以调控EGR回路内的排气压力。阀组件可以包括平衡阀，废气门和公共致动器。平衡阀可以被配置为选择性地允许来自第一蜗壳的排气流到第二蜗壳。废气门可以被配置为选择性地允许来自第二蜗壳的排气绕过涡轮机的涡轮机叶轮。可以控制公共致动器，以使平衡阀和废气门两者在流动通过位置与流动阻挡位置之间移动。阀组件可以与涡轮机构成一个整体，并且至少部分地由安装到涡轮机的涡轮机外壳的阀外壳封闭。然而，该系统采用多个瓣阀，而瓣阀需要大量的致动器力来关闭。旋转轴可能被阻塞并堵塞。

不仅需要能够用单个致动器来控制多个功能，而且需要能够用单个阀门或阀组件(以下称为阀)来操作多个功能。另外，需要一种可以以最小致动力操作的阀。最后，需要一种不会撞到端部位置的阀。

发明内容

根据本发明，提供了第一实施例，其形式为双顺序同轴滑动阀。

简单来说，两个杯形活塞在圆柱形空间中同轴滑动。废气门开口设置在汽缸侧。突起部从圆柱体的顶端延伸到内活塞的杯中。该突起部包括与第一蜗壳连通的开口。汽缸壁中的第二开口与第二蜗壳相通。当两个活塞都伸长时，内杯覆盖突起部中的第一蜗壳开口和汽缸壁中的第二蜗壳开口，从而防止蜗壳彼此连通，并且外活塞覆盖废气门开口。当内活塞部分缩回时，通向第一和第二蜗壳的开口都被打开，并且蜗壳可以“串扰”。然后，随着内活塞进一步缩回，外活塞也缩回，并打开废气门开口，从而实现第一和第二蜗壳与废气门之间的连通。

更具体地说，在第一实施例中，阀组件容纳在阀外壳中，该阀外壳优选地并入涡轮增压器涡轮机外壳中，但可以是单独的附加单元。该阀外壳限定至少一个圆柱形空间，该圆柱形空间具有纵向轴线，并且至少具有与第一气体通道(例如第一蜗壳)连通的第一开口，与第二气体通道(例如第二蜗壳)连通的第二开口以及与第三气体通道(例如废气门)连通的第三开口。内活塞或套筒可在圆柱形空间内在完全关闭位置与完全打开位置之间滑动。内活塞通过活塞轴连接到位移装置(例如气动或液压致动器或步进电机)。位移装置设置为使内活塞在完全关闭(延伸)位置与完全打开(缩回)位置之间进行选择性线性位移。

外活塞与内活塞同轴设置。为了现这一点，外活塞设有延伸通过纵向中心轴线的内孔。内活塞的活塞轴延伸穿过外活塞中的内孔。外活塞可在完全关闭位置与完全打开位置之间滑动。外活塞的行程或行进比内活塞的行程或行进短。提供弹簧装置，用于将外活塞推向其完全关闭位置。

当两个活塞都在完全关闭位置时，第一和第二开口被内活塞封闭，第三开口被外活塞封闭。

当内活塞沿完全打开(缩回)位置的方向开始从完全关闭(完全延伸)位置缩回时：

最初，内活塞独立于外活塞行进，并且逐步打开第一和第二开口，

在打开第一和第二开口后，内活塞靠在外活塞上，并使外活塞随着内活塞一起逆着弹簧装置的力开始移动，并且

最后，内活塞的缩回导致外活塞缩回到外活塞的完全打开位置，于是第三开口被完全打开，从而实现第一、第二和第三开口之间的连通。

双顺序同轴滑动阀设置在涡轮增压器涡轮机外壳中的情况下，第一开口可以与第一蜗壳连通，第二开口可以与第二蜗壳连通，第三开口可以与废气门通道连通。涡轮机外壳的两个涡壳可以是对蜗壳型或双蜗壳型。

两个单独的排气流可以流入涡轮机入口并保持分离，从而通过利用脉冲来增加涡轮机效率。在此，内活塞打开第一和第二开口将实现所需的汽缸间流动串扰或平衡。

或者，单独(混合)排气流可以从发动机流入涡轮机入口，并在排气质量流量低的情况下被引导到单个蜗壳，由此涡轮机起到小型涡轮机的作用。当排气质量流量由于例如发动机的加速度而增加时，可以移动内活塞以打开第一和第二开口，使得排气流可以离开第一蜗壳并在两个蜗壳之间共享，由此涡轮机外壳起到大型涡轮机外壳的作用。在排气质量流量进一步增加到过驱动涡轮机的危险范围内的情况下，可以将内活塞向完全打开位置移动，带着外活塞移动并将第二位置移动到打开位置，由此根据需要逐步打开废气门开口。

虽然双顺序同轴滑阀设计的外观很美，但只有在对以下因素(例如压力、极端温度和温度梯度)，颗粒沉积，阀门，开口，蜗壳，旁路作出广泛评估，并考虑它们的形状、取向和方向后才能实现。尽管具有有适合它的非常复杂的一个部件几何形状的阀体，尽管要求在蜗壳中不受干扰地流动，设计具有几乎恒定厚度的壁的涡轮增压器仍需要大量工作、复杂的流动模拟以及结构分析。，对于一般人来说，大量工作、测试和修改的细节是微不足道，但最终实现了第一实施例的设计。

根据本发明的滑动阀在以下重要方面与典型的挡板废气门阀不同：通常，废气门包括废气门通道以及废气门塞，废气门通道从排气通道延伸至废气门座，废气门塞从可旋转废气门臂延伸并具有用于接触废气门座以覆盖废气门通道的轮廓。可能需要相当大的力来迫使废气门塞逆着排气通道中排气的压力定位并保持在该关闭位置。相反，在本发明中，由于开口引导排气压力与滑动阀的移动方向垂直(即，在阀汽缸的侧壁上)，排气压力将垂直于滑动阀的移动方向起作用，由此对滑动阀沿打开方向或关闭方向的运动产生很少影响，或全无影响。因此，阀致动器可以被设计为使用较小的性能较低的致动器马达，并且阀的响应时间可以更快。最后，由于排气压力在任何一个运动方向上都不会作用到阀上，所以阀撞到端部位置的可能性降低。

根据本发明，提供了第二实施例，其形式为单杯形活塞滑动阀。

简单来说，圆柱形阀外壳可以位于两个蜗壳之间的分隔壁中。当单个杯形活塞在完全伸出位置时，蜗壳之间的连通被阻断。突起部从圆柱体的端部延伸到活塞的杯中。在突起部内设有两个独立的废气门端口。第一和第二开口分别设置在汽缸壁中，分别与第一和第二蜗壳连通。当杯形活塞在完全伸出位置时，所有开口都被阻挡。当杯形活塞缩回几毫米时，独立的废气门开口被部分打开，从而允许排气从蜗壳排到废气门，而蜗壳之间没有任何连通。提供了唇部，其阻挡蜗壳之间连通的气体。当活塞进一步向后拉时，活塞移除唇部，气体不仅流入废气门，而且还可以在蜗壳之间串扰。

更具体地说，在该第二实施例中，使用单个滑动阀。与第一实施例一样，在该第二实施例中，圆柱形阀外壳设有可以与第一蜗壳、第二蜗壳连通并与一个或多个废气门开口连通的开口。根据开口的位置，当阀从打开位置缩回时，有可能(a)首先通过第一和第二废气门开口独立地排出来自第一和第二蜗壳的多余气体，随后允许蜗壳之间的串扰，或(b)首先将蜗壳相互连接，接着通过废气门排出多余气体，或(c)在同一时间逐步打开所有三个开口。单个阀可以气动或电动操作，并且可以或可以不并入弹簧以将阀偏置在关闭位置。

现有技术的双蜗壳废气门的问题在于它们仅排出排气。蜗壳通过废气门连接，但是由于排气具有质量惯性并被导向废气门通道的出口，所以废气不会在蜗壳之间流动，由此可能导致压力差。现在人们惊奇地发现，即使排气已被排出，但使蜗壳互连也是有利的。换句话说，与传统认识不同，在系统中首先排出多余气体然后使蜗壳互连是有益的。

本发明的限定特征是一个阀或多个阀被设计为杯形滑动阀，而不是旋转阀或挡板阀。由于排气压力垂直于阀行进方向作用于阀，致动压力可以保持为较低，从而避免阀撞到端部位置，并可以省去阀门预调节。

附图说明

本发明通过示例来说明，并不局限于附图，附图中相同的附图标记表示相同的部件，其中：

图1A示出了从面向未示出的轴承外壳的一侧观察的排气歧管和涡轮增压器涡轮机，其中在涡轮机入口处具有双顺序同轴滑动阀；

图1B对应于图1A，除了气动致动器被换成电致动器；

图2示出了从涡轮机出口侧观察的图1A的涡轮增压器涡轮机；

图3示出了涡轮机外壳的截面，示出了第一和第二开口与第一和第二蜗壳连通，第三开口是废气门开口，并且示出了阀容纳在圆柱形空间中；

图4示出了阀的内和外活塞设置在完全关闭位置的沿纵向轴线的截面；

图5示出处于部分打开位置的内活塞，其中第一和第二蜗壳互相连通；

图6示出了阀的截面，其中两个活塞都处于完全打开位置，废气门开口与第一和第二蜗壳连通；

图7示出了根据本发明的第二实施例的单顺序滑动阀的第一视图；

图8对应于图7的滑动阀，其被旋转90°；

图9示出了唇部在单个滑动件中的作用，

图10示出了用于单滑块阀的涡轮增压器涡轮机外壳的截面，其中省去了滑块阀；

图11是图10的涡轮机外壳的截面的俯视斜位图，其中单滑块阀安装到位，滑块阀处于允许蜗壳之间串扰的位置；

图12A和图12B示出了阀在双蜗壳涡轮机外壳或对蜗壳涡轮机外壳的分隔壁中的位置，其示出了阀缩回以露出通道；

图13是用于单滑动阀的涡轮机外壳的一侧的近视图，其中阀被移除，示出了两个废气门开口中的一个，并且示出了蜗壳串扰开口；以及

图14是涡轮增压器涡轮机外壳的俯视图，其中滑动阀仅缩回到足以部分地打开废气门开口。

具体实施方式

图1A示出了排气歧管1的总体设置，通过该排气歧管1，排气从发动机(未示出)流到对蜗壳型或双蜗壳型涡轮增压器涡轮机外壳2的入口。根据本发明的第一实施例，双顺序同轴滑动阀外壳3在涡轮机入口处集成在涡轮机外壳中。单个气动致动器4a控制双顺序同轴滑动阀的两个同轴活塞的运动。图1B与图1A相同，除了气动致动器4a被换成电致动器4b；特别地，在图1B中，可以省去弹簧15。涡轮增压器轴承外壳和压缩机将附接到涡轮机外壳2的右侧。

图2示出了从涡轮机出口侧观察的图1A的涡轮增压器涡轮机；可以看到废气门端口5在涡轮增压器涡轮机叶轮空间的下游。虽然图1和图2中示出了单气动罐型致动器，当然也可以使用一个以上的致动器。更优选地是，用电动执行器替换罐。这种电致动器是公知的，此处不再赘述。致动器可以由电动阀控制，以确保发动机CPU可以省去p1或p2。

图3示出了阀外壳和涡轮机外壳的截面，其中省去了阀活塞，示出了第一和第二开口10、11与第一和第二蜗壳6、7连通。还示出了废气口端口9。所有三个开口都与阀的圆柱形空间连通。

如图3所示，无需所有开口都在滑动阀的径向外侧设置在阀外壳3的阀汽缸的侧壁上。相反，在内活塞的头部形成为具有凹形活塞头而非实心活塞头的“杯”形的情况下，汽缸与致动器相对的端部可以设有圆柱形突起3a，该圆柱形突起3a的直径对应于内活塞阀头部中凹槽的直径，并且该圆柱形突起3a中具有通道，该通道例如将第一开口10连接到第一个蜗壳6。在这种情况下，与第二和第三开口的情况一样，连通到阀的排气压力的方向可以是径向向外而非径向向内，但是由于压力仍垂直于阀的滑动方向，所以仍然存在排气压力对阀的打开或关闭产生很少影响，或全无影响的情况。

图4以截面方式示出了在阀外壳内阀的内和外活塞12、13设置在完全关闭位置，其限定了至少一个圆柱形空间8，该至少一个圆柱形空间8具有纵向轴线，并且至少具有第一开口10、第二开口11和第三开口9。内活塞12可在圆柱形空间内在完全关闭位置和完全打开位置之间滑动，在此示出了其中的完全关闭位置，内活塞覆盖第一开口10和第二开口11，在该示例性实施例中，第一开口10和第二开口11与第一和第二个蜗壳连通。在这个内活塞的关闭位置，第一蜗壳6和第二蜗壳7彼此隔开，来自汽缸的脉冲能量被传递到涡轮机叶轮(对蜗壳涡轮机外壳)，或者所有排气流被引导到第一蜗壳，而不与第二个蜗壳共享(双蜗壳涡轮机外壳)。第一和第二开口都可以设置在圆柱形阀体的侧壁上，后者，如图4所示，第二开口11可以设置在汽缸侧壁3上，第一开口10可以设置在突起部中，该突起部从致动器与汽缸相对的端部延伸，其尺寸被设置为容纳在内活塞12的杯形头部中的相应凹槽中。在该实施例中，当内活塞处于关闭位置时，杯形活塞头部的内壁将突起部3a的第一开口10密封，杯的外壁将第二开口11密封。

内活塞12具有活塞轴14。诸如气动致动器4a或液压致动器或步进电动机4b的位移装置可操作地联接到活塞轴14，以便使内部活在完全关闭位置与完全打开位置之间进行选择性线性位移。外活塞13具有活塞轴22，并与内活塞同轴设置。外活塞具有中心轴线，并且具有内孔，该内孔沿中心轴线延伸穿过活塞头部和轴。外活塞13可在完全关闭(延伸)位置与完全打开(缩回)位置之间滑动，在此示出了其中的完全关闭位置。提供了可选的弹簧装置15，用于将外活塞推向完全关闭位置，如图4所示。特别地，在致动器是电致动器而非气动致动器的情况下，可以省去弹簧装置，两个阀的移动都由电致动器控制。作为另一种替代方案，虽然弹簧实现了以简单便宜的方式使一个致动器控制两个阀(一个主动阀，一个被动阀)，当然也可以有两个致动器，其中第一致动器控制内活塞，第二致动器控制外活塞，独立于内活塞。

在如图4所示的完全关闭位置处，第一和第二开口10、11被内活塞12阻挡，第三开口9被外活塞13阻挡。

图5示出了处于部分打开(部分缩回)位置的内活塞12，其中第一和第二蜗壳6、7通过第一和第二开口10、11与圆柱形空间8连通。此时，外活塞尚未移动，继续阻挡废气门端口9。

随着内活塞12继续向完全打开位置移动，内活塞12接触外活塞，开始使外活塞逆着弹簧装置15的弹簧力随着它移动，由此逐步或完全打开废门端口9。图6示出了双同轴滑动阀的截面，其中两个活塞都处于完全打开位置，并且废气门开口与第一和第二蜗壳连通，排气流用箭头表示。

从上述描述可以看出，本发明不仅可以用单个致动器来逐步控制两个功能(用于减少脉冲及平衡功率的蜗壳交叉连接；打开废气门)，本发明还可以用单个紧凑型双同轴滑动阀来控制两个功能。因此，根据本发明的阀特别有利地是，很容易容纳在紧凑的发动机舱中。

内和外活塞可以有各种不同设计，例如，它们可以有传统的内燃机活塞设计，或甚至有实心活塞头。然而，通过提供具有所示的中空或“杯”设计的活塞，可以使密封作用最大化，同时尽可能减少空间和重量。在重量较轻的情况下，阀的惯性减小，响应时间更快。

另外，通过将阀设计为可轴向位移阀而非更传统的旋转阀，减少了烟尘、油污和腐蚀性颗粒积聚的问题。一般认为，活塞(特别是外活塞的内孔中内活塞轴)的轴向移动以自清洁的方式起作用，以便保持部件抛光、无粘附。

另外，即使单个致动器控制两个活塞，控制排气流动所需的轴向移动的量较小，并且可以精确控制。

根据本发明，提供了第二实施例，其形式为单滑动阀。

在该第二实施例中，仅使用一个滑动阀，其优选地集成在分隔双或对蜗壳的分隔壁中。与在第一实施例中一样，在如图7所示的第二实施例中，圆柱形阀外壳103设有开口110和开口111，该开口110可以与第一蜗壳106连通，该开口111可以与第二蜗壳107连通，并且设有对废气门开口109a和109b。阀外壳可以设有一个废气门开口或两个废气门开口109a、109b。根据开口的位置，在对蜗壳涡轮机外壳中，当发动机开始加速并且阀活塞112从打开位置缩回时，有可能最初保持脉动流向涡轮机叶轮(即蜗壳之间无串扰)，同时通过废气门(见图9中的间隙“x”)排出多余气体，其中来自蜗壳106的多余气流流到废气门109a，来自蜗壳107的多余气流流到废气门109b，而不影响或消耗脉冲能量。由于唇部105的存在，有可能在活塞112最初缩回期间，阻端两个蜗壳之间的连通，但不阻挡蜗壳106、107与它们各自的废气门109a、109b之间的连通(间隙“x”)。这是对传统的双或对蜗壳设计的改进，其中排气的质量惯性指向废气门通道的出口，排气将不会在蜗壳之间流动，由此可能导致压力差。

接着，随着发动机转速进一步增加，活塞进一步缩回(图9中的开口间隙“x”和“y”)，蜗壳相互连接，这消耗脉冲能量以降低涡轮机效率(对蜗壳)或将排气流量从限定于一个蜗壳变为流入两个蜗壳(双蜗壳)，但这是现阶段所需的结果。最后，如果发动机被驱动并产生多余排气，则有可能进一步打开废气门(图9中的间隙“z”)，以便排出多余排气并防止涡轮增压器被过度驱动。单个阀可以气动或电动操作，并且可以或可以不并入弹簧以将阀偏置在关闭位置。

现有技术的双蜗壳废气门的问题在于它们仅排出排气。蜗壳通过废气门连接，但是由于排气具有质量惯性并指向废气门通道的出口，所以它不会在蜗壳之间流动，从而可能导致压力差。现在人们惊奇地发现，即使排气已被排出，但使蜗壳互连也是有利的。与传统认识不同，即使在首先排出多余气体，然后使蜗壳互连的情况下，也是有益处的。

其中图7示出了蜗壳106、107如何与废气门开口109a、109b连通，该废气门开口109a、109b没有唇部(而唇部设置在蜗壳与蜗壳连接的区域中)。图8对应于图7并旋转90°，示出了蜗壳107与蜗壳的连接。

当然，必要时，阀开关可以设计为首先通过使蜗壳互连，接着随着排气流的增加，打开废气门来降低涡轮机效率。

图10是垂直于阀的轴线的截面，示出了对涡管涡轮机外壳，其具有蜗壳106、107，集成在分隔蜗壳的分隔壁上的圆柱形阀外壳，废气门109a、109b以及用于蜗壳之间连通的通道120。

图11是平行于阀的轴线的截面，示出了用于实现蜗壳之间连通的废气门109a和通道120。

图12A和图12B是CAD型图，示出了阀位于双蜗壳涡轮机外壳或对蜗壳涡轮机外壳的分隔壁中，示出了阀缩回以露出通道120。

图13是与图10相同的截面图，但图10的截面通过废气门通道109a、109b，而图13的截面不通过废气门通道，图13示出了从阀外壳103的圆柱形空间的端部突入圆柱形空间的完整三维结构，其中杯形活塞被移除。

图14是CAD型图，沿排气的流动方向观察蜗壳106、107，示出了阀112略微缩回以露出唇部103。

在上述说明性实施例的变型中，除了将活塞形成为理想汽缸外，当然也可以在活塞本身中形成开口或通道，除了汽缸壁之外。例如，大致圆柱形的阀外壳可以一体地形成在涡轮机分隔壁中或分隔对蜗壳型涡轮增压器系统的两组歧管的壁中，该阀外壳具有面向第一蜗壳的第一开口以及面向第二蜗壳的第二开口。在活塞的第一位置，活塞中没有开口或凹槽，并且两个开口都被阻挡。随着滑动活塞前进，它首先呈现穿过活塞的通道或位于活塞上方的通道，从而使第一和第二蜗壳连通。随着活塞进一步前进，一个或两个开口与废气门通道连通。当然，活塞可以被设计为在蜗壳彼此连接之前使废气门连接到蜗壳。

非常重要的是，阀被设计为使排气压力沿径向作用在内和外活塞上，而非沿活塞的轴向方向。径向力可以围绕活塞的圆周分布，从而被抵消。重要的是，气体压力在径向上起作用，因为本发明阀的两个活塞沿轴向方向被致动。结果，致动器不需要抵抗排气压力，如在带旋转致动的传统挡板阀的情况下。

使用单个致动器和单个阀组件的好处是减少了颗粒物排放。涡轮机级内的高压可以导致排气通过任何孔或间隙排到大气中。通过这些孔的排气通道通常伴随着黑色烟尘残留在气体排出路径出口侧上。从美观角度来看，不希望有发动机燃烧过程所产生的这种烟尘的沉积物。这使得排气泄漏成为诸如救护车和公共汽车等车辆中的一个特别敏感的问题。从排放角度来看，涡轮机级排出的烟尘不被发动机/车辆后处理系统捕获和处理。由于目前的阀只有一个进入涡轮增压器的入口，所以更容易控制排放。

根据本发明的阀系统可以适用于各种功能的涡轮增压器设计。双同轴滑动阀的纵向轴线可以平行于涡轮增压器旋转组件的旋转轴线，也可以与其垂直，或者可以是任何其它取向。双同轴滑动阀圆柱形空间可以铸造到涡轮机外壳中，或者可以制造为单独的部件并在入口处拧紧到涡轮机外壳上。

从图4可以看出，本发明阀的部件(即活塞)可以很容易地组装并引入阀柱形空间中，并用实心垫圈17盖住。

为了使两个活塞能够相对于彼此移动，需要提供压力排出孔20、21，由此移动不受压力或气阻的阻碍。

活塞，阀外壳的最终设计，开口的位置以及阀外壳的位置将取决于涡轮增压器的类型以及待实现的排气流的特定控制方式，这将按照特定发动机或目标性能来设计。两蜗壳涡轮机外壳可以是对通道或对蜗壳涡轮机外壳，其具有用于脉冲增压的几乎相同的螺旋槽，或者是双通道或双蜗壳涡轮机外壳，其具有不同长度的轴向或径向相邻设置的螺旋通道，用于压力增压。外壳可以或可以不具有废气门。

基本上，涡轮机外壳的结构设计的一部分是一个蜗壳或一对蜗壳，其功能是控制通向涡轮机叶轮的入口条件，使得入口流动条件有效地将来自排气中的能量的功率转移为由涡轮机叶轮产生的功率，同时结合最佳的瞬态响应特性。理论上，从发动机进入的排气流以均匀的方式从蜗壳输送到以涡轮机叶轮轴为中心的涡流器。为此，理想上，蜗壳的横截面面积尽可能垂直于流动方向，逐步且连续地减小，直至变为零。蜗壳的内边界可以是一个完整的圆形，被称为基圆，或者在某些情况下，例如对蜗壳，最小直径的螺旋线不小于涡轮机叶轮直径的106％。

当将其用于涡轮增压器(特别是具有不断变化负荷的汽车涡轮增压器)时，(与例如以稳定转速运行的发电机相比)，重要的是适应各种发动机转速和转矩。为了适应带一个涡轮增压器的发动机转速和转矩，有可变几何形状涡轮增压器，其可以适应增压器的输出转矩。对于汽油发动机，这非常昂贵，因为材料需要能够承受非常高的温度(1000℃而非柴油应用中的900℃)。

因此，需要扩大涡轮机调节的工作范围的方法。一种便宜有效的方式是，当需要减小涡轮机转矩时，在某些工作条件下使蜗壳互相连接，并且在需要进一步减小转矩时，排出涡轮机下游一个或两个蜗壳的排气，并绕过涡轮机叶轮。当用于实现这种受控互连时，本发明的单滑动阀和双滑动阀特别地有效，高效和耐用。互连的控制可以自由地应用于各种系统。

大多数柴油机涡轮机外壳各有不同，但都具有径向分隔壁，该分隔壁分隔两个蜗壳，以便在涡轮机叶轮上保持脉冲能量。通常分隔壁长度使内边界大致在基圆上。分隔壁的顶点越靠近基圆，脉冲能量的保存就越大，但分隔壁中的铸件开裂的可能性也越大。这种开裂的原因很多，但主要是因为铸造过程中挤出模具的浮渣，这意味着分隔壁顶点附近的材料的完整性不是最佳，第二是分布在蜗壳周围的温度导致铸件“松动”。产生涡轮机外壳“松动”的热力受到垂直分隔壁的抵制，结果使壁上开裂。虽然裂缝几乎没有结构损坏，但进一步开裂使铸铁分隔壁的碎片与铸件分离，并卷入涡轮增压器或发动机，可能导致后期损坏。

在所谓内燃机的点火顺序排气歧管中，特别是例如火花点火式发动机中，在各种情况下，那些在点火顺序中不是顺向连接的汽缸的排气被合并。例如，在四缸发动机中，在汽缸点火顺序为1-3-4-2的情况下，汽缸1和汽缸4以及汽缸2和汽缸3合并。特别是在四缸发动机中，由于残留气体含量较低，在电荷交换过程中这首先减少了汽缸的相互影响，从而增加了新鲜气体的注入，其次是通过通道分离增加了流速，其结果是将更大比例的动能传递到耦接到内燃机的涡轮增压器的涡轮机叶轮，由此涡轮机功率大大增加。

一些涡轮机叶轮专门设计用于利用该脉冲能量并将其转换成旋转速度。因此，在对蜗壳涡轮机外壳中用于脉冲流涡轮机叶轮的排气的压力和速度的转换大于稳态排气流的压力和速度向涡轮机叶轮速度的转换。这种脉冲能量在市售柴油发动机(而非汽油发动机)中占主导地位，柴油发动机工作的转速为2200RPM左右，峰值转矩为1200-1400RPM，而汽油发动机工作的转速高达6000RPM，峰值转矩为4000RPM，使得脉冲不是很好地限定。

在“脉冲增压”中，窄径排气管用于输送由活塞的推力支撑的汽缸的新排气的冲动，以便真正向涡轮机叶轮的叶片提供冲击。对于这种类型的涡轮增压，必须具有直径相对较小的蜗壳，并且涡轮机必须位于出口阀附近。这种系统可以适用于双蜗壳(周向分隔)和对涡管(平行蜗壳)。这种系统被称为对蜗壳，因为两个蜗壳始终在操作中，其中一个蜗壳向涡轮机叶轮提供来自一半汽缸的脉冲增压，另一个蜗壳提供来自其余汽缸的脉冲增压。

通过连接对蜗壳的两个蜗壳，即使只有轻微的互连，脉冲增压的效果也消失了，即蜗壳的互连消除了脉冲增压的作用，由此增压器处于可以被描述为压力增压的工作模式。

为了增加排气吞吐量范围，还有“压力增压”或分隔的蜗壳，其中在低发动机转速下，一个蜗壳可能被阻挡，以增加涡轮机上游的排气的体积或压力，由此集中在一个打开蜗壳上的压力可用于更有效地驱动涡轮机叶轮。显然，在这种情况下，涡轮增压器与出口阀有多远并不重要。在低发动机转速下，由于只有一个蜗壳打开，所有的排气被迫通过一个蜗壳，使得涡轮增压器涡轮机起到小位移式增压器的作用。随着发动机转速增加，第二蜗壳逐步打开。结果，提高了低发动机转速下涡轮机的效率，并提高了涡轮机的吞吐量范围。

以最简单形式的废气门是可以为提升阀的阀，或类似于阀的摆动型阀。通常，这些阀由“哑”致动器操作，该致动器感测增压压力或真空以激活连接到阀的隔膜，并且在没有与发动机EC特定连通的情况下操作。通过这种方式，废气门阀的功能是切断全负荷增压曲线的顶部，从而使发动机受到升压水平的限制。必要时(例如防止涡轮机被过度驱动)，这实际上减少了到达涡轮机的有效流动，同时当需要完全流动时，允许涡轮机外壳流体全部流向涡轮机叶轮。在阀打开之前，废气门配置不会对增压曲线的特征产生影响。更复杂的废气门阀可以感测大气压力或者具有电子过载或控制，但是它们在致动打开或关闭阀之前也不会对增压曲线产生影响。

对于涡轮增压器操作来说重要的原因是在涡轮机级上添加废气门允许通过较小涡轮机叶轮和外壳匹配低速范围。因此，添加废气门可以使惯性降低。由于旋转组件的惯性降低通常导致颗粒物质(PM)减少，所以废气门常见于高速公路汽车。问题是大多数废气门通常以二进制运行，这不能很好地与发动机输出与发动机转速之间的线性关系匹配。

双蜗壳涡轮机外壳和对蜗壳涡轮机外壳的设计和操作是公知的，并不构成本发明的一部分。本发明参考了美国专利2011/0302911“具有EGR料管的双涡管涡轮增压器”(特别是图1)、美国专利8,196,403“具有平衡阀、废气门和公共致动器的涡轮增压器”、欧洲专利2059663“用于操作内燃机的方法和装置”、美国专利4,893,474“具有双功能致动器的涡轮增压器”、美国2014/0271138“废气门阀和具有废气门阀的涡轮增压器”、美国专利6,715,288“具有双层涡轮机外壳的可控排气涡轮增压器”、美国专利2010/0059026“用于操作内燃机的方法和装置”、并且美国专利7,481,056的公开内容通过引用并入本发明。

这在现有技术中是公知的，但能够使蜗壳互连并排出排气的阀设计方案直到现在也没有很好地解决。使用目前的双顺序同轴滑动阀，可以说第一次很好地解决了这个问题。根据以下本发明说明，在具有双蜗壳和废气门端口的涡轮机外壳中使用阀将会变得显而易见。

Claims (7)

1.一种涡轮增压器，所述涡轮增压器具有涡轮机外壳，所述涡轮机外壳至少具有第一蜗壳、第二蜗壳和废气门，并且所述涡轮增压器包括：

阀外壳，其限定一个圆柱形空间，所述圆柱形空间具有纵向轴线，并且具有与所述第一蜗壳连通的第一开口、与所述第二蜗壳连通的第二开口以及与所述废气门连通的第三开口；

一个杯形活塞，其能在所述圆柱形空间内在完全关闭位置与完全打开位置之间滑动，并且具有活塞轴；

位移装置，其适用于使所述一个杯形活塞在所述完全关闭位置与所述完全打开位置之间产生选择性位移；

其中所述阀外壳集成在分隔涡轮机外壳的两个蜗壳的分隔壁上，

其中所述阀外壳具有圆柱形本体，当所述杯形活塞处于完全伸出位置时，所述圆柱形本体从与所述位移装置相对的端部突出，并进入所述杯形活塞的杯空间内，

其中，突出的所述圆柱形本体具有用于废气门的两个通道，以及用于所述两个蜗壳之间连通的交叉通道，

其中在所述完全关闭位置处，所述第一开口、所述第二开口和所述第三开口被阻挡，并且

其中，当所述杯形活塞部分地缩回时，独立的废气门开口被部分打开，从而允许排气从第一蜗壳和第二蜗壳排到废气门，而第一蜗壳和第二蜗壳之间没有任何连通；唇部用于阻挡第一蜗壳和第二蜗壳之间的气体连通；

当所述杯形活塞进一步缩回时，所述杯形活塞移离所述唇部，气体不仅流入废气门，而且能够在第一蜗壳和第二蜗壳之间串扰。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述唇部是1-5mm唇部，在所述杯形活塞第一次缩回1-5mm过程中，所述唇部阻挡所述交叉通道，并且其中所述唇部打开所述废气门通道。

3.一种涡轮增压器，所述涡轮增压器包括双顺序同轴滑动阀、涡轮机外壳，所述涡轮机外壳至少具有第一蜗壳、第二蜗壳和废气门端口，并且所述涡轮增压器包括

阀外壳，其限定至少一个圆柱形空间，所述圆柱形空间具有纵向轴线，并且至少具有与所述第一蜗壳连通的第一开口、与所述第二蜗壳连通的第二开口以及与所述废气门端口连通的第三开口；

内活塞，其能在所述圆柱形空间内在完全关闭位置与完全打开位置之间滑动，并且具有活塞轴；

位移装置，其适用于使所述内活塞在所述完全关闭位置与所述完全打开位置之间进行选择性线性位移；

与所述内活塞同轴的外活塞，所述外活塞具有中心轴线并且具有沿所述中心轴线的内孔，所述外活塞能在完全关闭位置与完全打开位置之间滑动；

用于将所述外活塞推向所述完全关闭位置的装置；

其中所述内活塞的所述活塞轴延伸穿过所述外活塞中的所述内孔；

其中在所述内活塞的所述完全关闭位置处，所述第一开口和所述第二开口被所述内活塞阻挡，并且所述第三开口被所述外活塞阻挡；并且

其中当所述内活塞从所述完全关闭位置沿所述完全打开位置的方向移出时，

最初，所述内活塞打开所述第一开口和所述第二开口，

在打开所述第一开口和所述第二开口后，所述内活塞接触所述外活塞，并使所述外活塞随其一起逆着弹簧装置的力移动，以及

最后，所述内活塞的移动使所述外活塞移动到所述外活塞的所述完全打开位置，在该位置，所述第三开口完全打开，从而允许所述第一开口、所述第二开口和所述第三开口之间连通。

4.如权利要求3所述的涡轮增压器，其中所述将所述外活塞推向所述完全关闭位置的装置是机械弹簧装置。

5.如权利要求4所述的涡轮增压器，其中所述弹簧装置容纳在气动致动器中。

6.如权利要求3所述的涡轮增压器，其中所述将所述外活塞推向所述完全关闭位置的装置是位移装置，所述位移装置适用于使所述外活塞在所述完全关闭位置与所述完全打开位置之间进行选择性线性位移。

7.如权利要求3所述的涡轮增压器，其中所述涡轮机外壳是双蜗壳外壳。

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