CN107690516A - 用于燃烧发动机的排气压力调节器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃烧发动机(10)的排气压力调节器(100)。排气压力调节器(100)包括调节器壳体(108)和内扩散器组件(110)，所述内扩散器组件(110)布置在调节器壳体(108)内侧，使得在调节器壳体(108)的内表面(107)和内扩散器组件(110)的外表面(109)之间形成排气流道(106)。内扩散器组件(110)包括前部(111)和调节活塞(130)，所述调节活塞(130)相对于前部(111)和调节器壳体(108)在排气流道(106)打开的待用位置和调节活塞(130)至少部分地将排气流道(106)关闭的加压位置之间能够移动。内扩散器组件(110)包括至少一个节流通道(144)，所述节流通道(144)处在排气流道(109)与由调节活塞(130)和前部(111)的内表面(113)限定的排气压力室(132)之间。

Description

用于燃烧发动机的排气压力调节器
技术领域
本发明涉及用于发动机的排气压力调节器。更具体而言，本发明涉及具有用于控制排气通流的可移动调节构件的排气压力调节器。排气压力调节器可以用于控制排气系统内的背压，因此实现受控的发动机制动。本发明的排气压力调节器可实施在用于燃烧发动机的排气系统中，所述燃烧发动机被构造为安装在例如卡车、客车、工程机械和建筑设备这样的重型车辆内，但也可以安装在例如汽车这样的其它类型车辆内。
背景技术
燃烧发动机、特别是活塞式发动机可设有排气压力调节器，以允许排气制动功能。一般地，通过限制或防止排气从排气系统流出，排气压力调节器上游的排气压力将升高。从而，在活塞的排气行程期间，排气系统内的高压排气在活塞的顶侧产生相对较大的反作用力，从而迫使燃烧发动机减速。
US2009217662描述了一种排气压力调节器的示例，其具有布置在扩散器道内的可移动活塞，用于控制调节器上游的排气系统内的背压。
虽然现有技术中已知的解决方法在一些情况中工作良好，但仍存在涉及排气压力调节器的改进空间。
发明内容
为了利用US2009217662中所示的气体压力调节器来完成发动机制动效果，调节压力源将被连接到内活塞室，以用于迫使控制活塞向其关闭位置移动。在控制活塞关闭时，调节器入口端上的积聚压力将使得活塞上游的气体压力升高。由于压力平衡通道50，形成在锥体内侧的腔室内的压力将或多或少地同时升高。因此，压力升高将作用在活塞上，且导致活塞移动返回其打开位置。从而，将发生经过活塞的升高的气体流动，使得调节器入口端上的压力降低。在调节器入口端上的气体压力降低时，排气压力调节器的调节压力又迫使所述控制活塞向其关闭位置移动。此压力变化将导致控制活塞前后迅速移动，且在与控制活塞的共振频率相关的那些发动机燃烧频率下，震荡的幅值可能变得特别大。由于控制活塞的大幅震荡导致的一个示例性问题是：在调节器活塞的结束行程处，由于控制活塞和调节器壳体之间的反复冲击而导致控制活塞和/或调节器壳体受损。此外，震荡可能导致邻近的弹簧圈之间的冲击，因此导致弹簧的松弛问题，且最终导致断裂损坏。最后，如果提供阻尼元件来缓冲所述冲击，则阻尼元件自身可能由于大幅震荡而受损。
因此，本发明的目的是提供一种提高可靠性和降低损坏风险的排气压力调节器。
此目的通过根据权利要求1的用于燃烧发动机的排气压力调节器实现。
根据此公开的排气压力调节器适合于燃烧发动机，且包括调节器壳体和布置在调节器壳体内侧的内扩散器组件，使得排气流道形成在调节器壳体的内表面和内扩散器组件的外表面之间。内扩散器组件包括前部和调节活塞，所述调节活塞能够相对于前部和调节器壳体在待用位置和加压位置之间移动，在所述待用位置，所述排气流道打开；在所述加压位置，所述调节活塞至少部分地关闭所述排气流道。内扩散器组件包括至少一个节流通道，所述节流通道位于所述排气流道与由调节活塞与前部的内表面限定的排气压力室之间。
此组特征保证排气压力室内的压力不以与气体流道内的压力相同的幅值震荡。因为能被排气接触到以用于向调节壳体的出口将轴向力施加在调节活塞上的、调节活塞的有效表面积的部分不受到高幅值的震荡，即限定排气压力室的调节活塞的部分不再受到高幅值的震荡，所以减小了可被高幅值震荡的排气接近、以用于向调节壳体的出口将轴向力施加在调节活塞上的、调节活塞的有效表面积量。
简言之，减少了受到高压力震荡影响的、调节活塞有效表面积，且因为施加在调节活塞上的轴向力与有效表面积成比例，所以降低了调节活塞上的震荡力。因此，调节活塞发生大幅值震荡的风险较小，且因此调节活塞、壳体、弹簧和阻尼器元件被损坏的风险较小。
本发明的另外优点和有利特征在如下说明书和后附权利要求中公开。
根据排气压力调节器的一个示例方面，至少一个节流通道构造为形成低通滤波器，用于停止高频压力脉动到达调节活塞130，但允许低频压力脉动通过。低通滤波器使得排气压力室132内的平均压力能够跟随任一排气道106内的排气的平均压力。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，前部静止地布置在调节器壳体内。静止的前部具有布置在内部的调节阀，从而使得可被排气流内的大幅值压力震荡接近的所述有效表面积能够更小，使得调节活塞将更不可能由于在结束位置处向着调节壳体的震荡冲击而被损坏。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，至少一个节流通道构造为使得排气压力室内的平均压力水平大体上对应于排气流在节流通道的入口处的平均排气压力水平。对于节流通道的过小的节流效果，节流通道基本上不获得压力平均效应，使得相对大幅值的压力震荡将传播到排气压力室内，且潜在地导致调节活塞大幅值震荡。对于节流通道的过大的节流效果，由于突然关闭的调节活塞导致的、在排气压力调节器的入口处的背压升高可能导致排气压力室内的相对慢的压力升高，使得调节活塞将过慢地达到其平衡位置。因此，达到平衡位置的此延迟可能在一定的时间阶段上生成过大背压，使得车辆制动效果高于希望的效果。
此外，对于过大的节流效果，也可能变得根本难于迅速改变调节活塞的位置，使得在排气压力调节器的入口处的希望的背压可能临时地明显偏离实际的背压。此偏离是不希望的，因为这意味着发动机制动系统不提供如所希望那样大的制动力。因此，液压制动系统必须通过复杂的调节系统来临时补偿制动力的欠缺，或驾驶员将经历车辆减速和制动踏板促动之间不希望的的不一致性。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，扩散器组件的总节流通道的流动面积在0.5至10mm2的范围内，特别地在1至6mm2的范围内，更特别地在2至4mm2的范围内。这些范围被认为适合于在瞬态情况下实现调节器损坏风险和发动机制动性能延迟之间的平衡。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，总节流通道构造为使得排气流道内的动态压力脉动的高频分量的压力衰减程度至少为-6dB，特别地至少为-10dB，且更特别地至少为-20dB。如上文所述，过高的衰减可能导致降低希望的制动性能与实际提供的发动机制动性能之间的一致性，且过低的衰减可能导致对于调节器的损坏。排气流束的压力脉动的-6dB的衰减意味着排气压力室内的压力脉动的幅值降低一半。-10dB的衰减意味着排气压力室内的压力脉动的幅值降低大约三倍，且-20dB的衰减意味着排气压力室内的压力脉动的幅值降低十倍。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，内扩散器组件包括密封环，所述密封环构造为至少部分地密封调节活塞和内扩散器组件的前部之间的流动通道，使得借助于通过密封环的标定流漏提供至少一个节流通道。通过使用现有的密封环作为节流通道，不必为实施本公开的解决方法进行对于调节器的明显的修改。密封环还具有的优点是仅通过选择特定的密封环，实现了对于节流容量的容易标定。例如，通过使用位于沟槽内的分离活塞环，经过密封环的流动通道能够通过在组装状态中改变分离活塞环的端部之间的间隙而容易地调整。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，密封环是金属活塞环。见上文所述的优点。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，金属活塞环在安装状态中具有位于活塞环的周向端部之间的间隙。见上文所述的优点。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，活塞环的周向端部之间的弧形间隙的周向长度在2至50mm的范围内，特别地在3至25mm的范围内，且更特别地在5至20mm的范围内。这些范围被认为适合于实现在瞬态情况下调节器损坏的风险和发动机制动性能的延迟之间的平衡。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，借助于通过在面向排气流的内扩散器组件的前部内的至少一个开孔的标定流漏，提供所述至少一个节流通道。作为使用密封环进行流漏的标定的替代，分开的流动通道可设置在面向排气流的内扩散器组件的前部内。流动通道可实施为具有至少一个开孔的形式，所述开孔实现了气体流道内的压力和排气压力室内的压力之间的压力平衡。所述开孔可例如通过在内扩散器的前部内钻孔来提供。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，所述调节活塞的、能够由所述排气流道内的排气朝着所述调节壳体的出口在所述调节活塞上施加轴向力的有效表面积的总量小于所述调节活塞的、能够由所述排气压力室内的排气朝着所述调节壳体的出口在所述调节活塞施加轴向力的有效表面积的总量的75％，特别地小于其50％，且更特别地小于其30％。通过使得调节活塞的有效表面积的总量的仅一部分能被排气流道内的排气所用，从而与其中调节活塞的有效表面积总量能被排气流道内的排气所用的调节器设计相比，降低了可能通过排气流动内的排气的大幅值压力脉动施加的轴向力。因此，通过将调节器设计选择为使得调节活塞的有效表面积的总量中的大部分位于排气压力室内，有效表面积的总量中的小部分仍可利用，因此允许减少因排气流道的排气内的大幅值压力脉动导致的问题。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，排气压力调节器进一步包括控制压力室，所述控制压力室由调节活塞、喷嘴单元和杆限定，其中控制压力室内的加压介质布置为对调节活塞向着加压位置施加力。此布置实现了对于调节器活塞的调节位置的可靠且成本有效的控制。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，压力调节器进一步包括压力介质流动通道，用于将加压介质从外侧的压力介质源供给到控制压力室。因此，调节器活塞的调节位置可通过外部布置的控制单元、压力介质源和合适的阀设备控制。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，内扩散器组件的前部具有面向排气压力调节器的排气流动入口的封闭端部和面向排气压力调节器的排气出口的打开端部，其中，在调节活塞的轴向邻靠表面和内扩散器组件的前部的相对轴向邻靠表面之间设置有环形的阻尼元件，以用于缓冲调节活塞和内扩散器组件的前部之间的冲击力。环形阻尼构件用于缓冲调节活塞与内扩散器组件的前部的冲击。因此，可降低冲击力，且如果发生损坏，则更换被损坏的缝隙构件，这与更换调节活塞和/或调节壳体相比成本低廉。所述环形阻尼构件可位于调节活塞内或内扩散器组件的前部内。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，内扩散器组件的前部具有锥形形状，具有在从封闭端部向着打开端部的轴向方向上大体增加的外径，且内扩散器组件的前部的相对的轴向邻靠表面位于靠近打开的端部或处在打开端部处的径向外部区域内。通过将邻靠表面设置为在径向方向上相对远离壳体的中心轴线，针对一定的阻尼元件宽度提供了环形阻尼元件的相对大的邻靠表面，因为邻靠表面的面积为A＝π(ro 2-ri 2)，其中ro对应于环形阻尼元件的外半径，且ri对应于环形阻尼元件的内半径。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，环形阻尼元件是金属织物衬套。对于放置在排气压力调节器内，此类型的材料充分耐热。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，通过调节器壳体的内表面和所述内扩散器组件的外径限定的内横截面积在向着排气压力调节器的出口的轴向方向上增加，且扩散器组件同心地布置在调节器壳体的内表面内侧。调节器壳体的形状特别地适合于放置在轴流式涡轮机的转子的上游，因为排气流动被修改以用于撞击轴流式涡轮机的叶片。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，调节活塞通过机械弹簧装置的力向着所述待用位置被推动。因此，保证调节活塞不意外地关闭排气流动的流动路径。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，调节活塞包括与内扩散器组件的前部的外侧滑动接触的套筒部分，且在调节活塞处于加压位置以至少部分地关闭排气流道时，所述套筒部分突出到排气流道内。使用套筒部分来关闭排气流道内的排气流动的流动路径具有的优点是降低了可能在调节活塞上生成向着关闭位置的轴向力的调节活塞的有效表面积。因此，排气流道内的排气流动内的任何大幅值压力脉动将不传递任何大的力而在轴向方向上移动调节活塞。
根据排气压力调节器的另外的示例方面，扩散器组件包括静止杆，且调节活塞滑动地布置在所述杆上。此布置实现了气体压力调节的稳定的设计。
本公开进一步包括用于内燃机的排气系统，所述排气系统包括位于第一涡轮机单元下游且第二涡轮机单元上游的如上所述的气体压力调节器。
根据排气系统的示例方面，扩散器组件形成用于第二涡轮机单元的喷嘴。
根据排气系统的另外的示例方面，第二涡轮机单元是涡轮机复合单元。
根据排气系统的另外的示例方面，第一涡轮机单元是涡轮增压器单元。
本公开进一步包括具有如上所述的排气系统的燃烧发动机。
本公开进一步包括具有如上所述的燃烧发动机的车辆。
附图说明
参考附图，下文给出了对于作为示例引用的本发明的实施例的更详细的描述。
在附图中：
图1示出了适于具有包括根据本公开排气压力调节器的燃烧发动机的示例的车辆；
图2示出了具有根据本公开排气压力调节器的燃烧发动机的示例实施例；
图3示出了根据本公开排气压力调节器的示意性的示例实施例；
图4更详细地示出了图3所示排气压力调节器的一部分；
图5示出了根据本公开密封环的示例实施例；
图6示出了图3的排气压力调节器的示意性的示例实施例，其中调节活塞处于加压状态；
图7示出了节流通道的替代的实施例；和
图8示出了排气压力室外侧和内部的压力的示意性的示例的压力图样。
具体实施方式
下文中将结合附图描述本公开的不同方面，以阐述且不限制本公开，其中类似的附图标号表示类似的元件，且所述方面的变化并非对特别所示实施例进行限制，而是可应用在本公开的其它变体上。
参考图1，本公开涉及用于燃烧发动机的排气压力调节器，其中，燃烧发动机例如可布置在车辆内，所述车辆例如为用于牵引挂车的卡车1。卡车典型地包括底盘4、前后轮3、驾驶舱8和用于将挂车连接到卡车1的连接器装置6。然而可替代地，燃烧发动机可以安装在其它类型的车辆内，例如客车、建筑机械等。
图2示意性地示出了具有根据本公开排气压力调节器的活塞式发动机10的示例实施例。活塞式发动机10包括带有六个气缸22的气缸体20，所述气缸与进气歧管23和排气歧管21流体连通。如燃烧发动机领域一般技术人员所熟知的，发动机进一步包括用于升高燃烧发动机1的输出功率的涡轮增压器单元50。具有高速高压的热排气从气缸22通过排气歧管21和排气管40流动到涡轮增压器单元50的涡轮机轮28，且促使涡轮机轮28高速旋转。随后排气通过调节器入口管33被传送到排气压力调节器100和涡轮机复合单元60。涡轮增压器单元27的涡轮机轮28通过涡轮机轴30旋转地连接到涡轮增压器单元27的进气压缩机轮29。压缩机轮29将通过入口通道31抽吸到涡轮增压器单元27内的空气压缩，且使进气通过入口管32前进到进气歧管23。
涡轮机复合单元60为发动机10的曲轴24提供了另外的转矩。排气压力调节器100布置在涡轮增压器单元50和涡轮机复合单元60之间。
在对排气压力调节器100的特定细节进行说明之前，将对于本实施例的功能进行一些一般性的评述。当排气从发动机缸体20流出时，排气的能量将在涡轮增压器单元50内得以使用，用于在空气被引入到气缸22内之前将所述空气进行压缩。因此，排气将流过排气压力调节器100，处于其待用状态的所述排气压力调节器100用于在排气流过涡轮机复合单元60前将排气流动扩散。从排气压力调节器100流出的排气的剩余能量的一部分将使得涡轮机复合单元60的涡轮机旋转，所述旋转通过变速器12和液力变矩器13被联接到曲轴24，因此增加了用于驱动车辆的转矩。随后曲轴24连接到变速器14，以用于合适的变速，然后通过动力总成输出轴15将输出转矩传递到驱动轮。例如催化转换器和消声器(未示出)的另外部件通常设置在位于涡轮机复合单元60的下游的排气管11内，以形成用于发动机10的完整的排气系统。
排气压力调节器100可控制用于调节流过的排气量。在正常运行期间，排气压力调节器100处于其待用位置，因此不对排气流进行限制。然而，在一些情况中，例如在制动或发动机加热模式期间，希望对离开气缸的排气进行压缩，以用于升高排气的温度。如果在此情况，则排气压力调节器将其位置改变为运行位置，以至少部分地阻挡排气流动。
现在转到图3，图3示意性示出了根据本公开排气压力调节器100的示例实施例。排气在入口端102处被引入且穿过压力调节器流动到出口端104。如下文所释，排气流道106形成在入口端102和出口端104之间，所述排气流道用于扩散排气。排气流道106形成环形管道，所述环形管道具有外周部和内周部，所述外周部由调节器壳体108的内表面107限定，所述内周部由布置在调节器壳体108内的内扩散器组件110的外表面109限定。因此，内扩散器组件110的外径小于调节器壳体108的内径，使得排气在形成于这两个部件108、110之间的体积内流动，即在排气流道106内流动。
调节器壳体108具有纵向延伸部，其沿着与排气流相同的方向延伸，即从入口端102向出口端104延伸。优选地，调节器壳体108的直径沿其纵向改变，使得横截面积沿排气流动方向101增加。相应地，内扩散器组件110具有纵向延伸部，其沿着与排气流相同的方向延伸。内扩散器组件110的直径可沿其纵向改变，使得横截面积沿着排气流升高。
因此，内扩散器组件110可具有锥形，或与严格锥形略微偏离的形状，如图3中所示，其中示出了钟形。相应地，调节器壳体108可具有锥形，或与严格锥形略微偏离的形状，如图3所示，其中示出了半拱顶形。
优选地，调节器壳体108和内扩散器组件110被布置为：当排气压力调节器100处于其待用位置时，环形气体流道106的宽度沿纵向延伸部是恒定的或略微增加。然而，因为调节器壳体108的直径和内扩散器组件110的直径沿排气流方向增加，所以气体流道106的体积将沿排气流方向101增加，以此扩散排气。
内扩散器组件110包括布置在中心的静止杆105、滑动布置在所述杆105上的调节器活塞130及静止且永久连接到杆105的锥形前部111。
调节活塞130能够相对于所述前部和调节器壳体在待用位置和加压位置之间移动，在所述待用位置，排气流道打开，而在所述加压位置，调节活塞至少部分地关闭排气流道。
杆140的出口端142固定地联接到喷嘴单元150，所述喷嘴单元150形成排气压力调节器100的出口端104。喷嘴单元150进一步包括向入口端102延伸的柱形部分152。柱形部分152被构造为滑动地支承在调节活塞130的外表面上。在此，活塞130同轴地布置在杆105上，且活塞130的外周部通过密封件141相对于喷嘴单元150的柱形部分152密封。
喷嘴单元150进一步具有外部154，所述外部154布置在所述柱形部分152的径向外侧，且形成围绕柱形部分152的周向支承结构。外部154形成排气压力调节器100的出口端104的外部，且连接到调节器壳体108。
在所公开的实施例中，调节器壳体108包括外环形凸缘143，所述凸缘143构造为将排气压力调节器100连接到位于调节器100的下游的出口管34，或替代地将排气压力调节器100直接连接到涡轮机复合单元60的入口部分。替代地，凸缘可设置在喷嘴单元150的外部154上。
在所公开的实施例中，排气压力调节器100进一步包括外环形凸缘147，所述凸缘147构造为将排气压力调节器100连接到位于调节器100上游的入口管33，或替代地将排气压力调节器100直接连接到涡轮增压器单元50的出口部分。
在所公开的排气压力调节器100的示例实施例中，外环形凸缘147设置在排气压力调节器100的单独部分148上，所述单独部分148与调节器壳体108通过波纹金属管149连接。此设计实现了单独部分148和调节器壳体108之间的相对较大的运动自由度，且很明显地防止振动在调节器壳体108和单独的部分148之间进行传递。因此，调节器可包括形成调节器100的外表面的三个单独部分，即单独部分148、调节器壳体108和喷嘴单元150。
调节活塞130被机械弹簧122的作用力向着待用位置推动，所述机械弹簧122构造为邻靠锥形前部111的内表面113和调节活塞130的第一轴向侧表面112。
排气压力调节器100进一步包括控制压力室164，所述控制压力室164构造为用于接收加压空气等，以控制调节活塞在轴向方向118上的位置，因此也获得了气体流道106内的希望的背压。控制压力室164由调节活塞130的第二轴向侧表面119、面向调节活塞的第二轴向侧表面119的喷嘴单元150的一部分、喷嘴单元150的柱形部分152的内表面和杆105的外表面来限定。
一个或多个中空的连接器元件156可被设置为用于控制喷嘴单元150的外部154与内扩散器组件110的连接。所述至少一个中空的连接器元件156被布置为允许加压空气从加压空气源流动到内扩散器组件110的控制压力室164内。因此，送给通道布置在连接器元件156中的一个或多个连接器元件内，以用于将加压空气引导到封闭腔164内，然而用于将加压空气送给到控制压力室内的替代解决方法也是可行的。在例如通过空气入口162供给加压空气时，将生成迫使活塞130离开待用位置且移向加压位置的作用力。
当排气调节器100位于涡轮机复合单元60或第二涡轮增压器单元上游时，连接器元件156可形成引导翼片，所述引导翼片布置为将排气流动引导到希望的流动方向上。
调节活塞130进一步包括套筒部分131，所述套筒部分131与内扩散器组件110的前部111的外侧滑动接触。因此，排气压力室132由大体锥形的前部111的内表面133、活塞130的第一轴向侧表面112和杆105的外表面来限定。
调节活塞130能够相对于前部111和调节器壳体108在待用位置和加压位置之间移动，在所述待用位置，排气流道106打开，而在所述加压位置，调节活塞130至少部分地关闭排气流道106。所述关闭通过控制调节活塞向其加压位置移动来进行，以此使得调节活塞130的套筒部分131移动到排气流道106内，使得排气流道106变成至少部分地被关闭。套筒部分131可在下文中称为阀套筒，且调节控制活塞130能够抵抗螺旋压缩弹簧122的作用而轴向移动，用于借助于阀套筒来调节排气流动106的流动面积。
环形阻尼元件172可设置在调节活塞130的轴向邻靠表面和内扩散器组件110的前部111的相对轴向邻靠表面173之间，用于减缓调节活塞130和内扩散器组件110的前部111之间的冲击力。环形阻尼元件172可以是金属织物衬套。将环形阻尼元件172布置在前部111的径向外部处的优点是，使得环形阻尼元件具有相对大的面积，因此降低了阻尼元件172和匹配表面上的冲击应力。
在调节阀的待用位置(见图3)，套筒部分131的远端部分134可构造为形成内扩散器组件110的外表面109的一部分。在工作控制位置(见图6)，套筒部分131的内壁表面突出到前部111和喷嘴单元150的柱形部分152之间的排气流道106内。
内扩散器组件110包括至少一个节流通道144，以能够实现排气流道106内的压力和排气压力室132内的压力之间的压力平衡。在图3的实施例中，通过套筒部分131和内扩散器组件110的前部111的外侧之间的滑动接触的位置135处的通道来形成节流通道144。
由于节流通道144，在调节活塞被布置在固定位置时，排气压力室132内的压力大致不变。
参考图4，其对应于滑动接触的位置135的示意性放大图，内扩散器组件110的前部111的外侧包括沟槽136，所述沟槽136内布置有密封环137。内扩散器组件110的前部111的尺寸和套筒部分131的内侧的尺寸也被选择为使得在前部111的外侧138和套筒部分131的内侧之间形成径向间隙。该间隙是流动通道144的一部分。该间隙的尺寸足以实现气体流道106和排气压力室132之间的泄流。由于该间隙导致的总流动面积可至少为50mm2，特别地至少为100mm2，或在50至1000mm2的范围内。
根据一个示例实施例，密封环137可构造为至少部分地密封位于调节活塞和内扩散器组件的前部之间的流动通道144，使得流动通道144被节流。例如可借助于通过密封环137的标定流漏来对流动通道144的此部分进行密封。用于实现经过密封环137的标定流漏的一个示例的解决方法是提供具有活塞环形式的密封环，所述活塞环在其周向端部之间具有环形间隙145。
通过选择活塞环的周向端部之间的弧形间隙的合适的周向长度，可标定经过密封环的流漏的水平。例如，活塞环的周向端部之间的弧形间隙的合适的周向长度146可在2至50mm的范围内，特别地在3至25mm的范围内，且更特别地在5至20mm的范围内。
由于提供流动通道144，实现了排气压力调节器100的平衡，从而使其通过自调节而自动调节自身。
在排气压力调节器100被激活时，即在加压介质被供给到控制压力室164时，调节控制活塞130开始抵抗螺旋压缩弹簧122的作用而轴向移动，且套筒部分131开始突出到排气流道106内直至其达到其加压位置，其中所述套筒部分131至少部分地关闭排气流道106。调节活塞130的加压位置在图6中示出。供给的加压介质可例如具有大约0.5至10巴范围内的压力。
作为结果，调节活塞130上游的压力升高(因气体的可压缩性而具有一定延迟)。调节阀上游的压力通过节流通道144以一定的延迟传播到排气压力室132内。在压力控制室164和排气压力室132内的压力之间达到压力平衡时，调节活塞130将向着所述待用位置位移，使得允许一定的排气流经过套筒部分131。作为结果，套筒部分131上游的压力降低。很快将出现压力平衡，且调节活塞130处于平衡的位置。因此上述的排气压力调节器100是自调节的，且自动地提供类似于控制压力水平的背压水平。
在平衡位置，控制压力室164和排气压力室132内的压力将大致相同，这是由于调节活塞的有效表面积、即第一轴向侧表面112和第二轴向侧表面119近似相同，需要注意的是，由弹簧施加的压力是相对较小。
使用密封环137来实现排气流道106和排气压力室132之间的希望的标定流动通道144的解决方法是有利的，因为流动通道的流动面积能借助于安装不同的活塞环而容易进行调整。然而，本公开在增加可靠性及降低对调节器100的损坏方面的优点可替代地通过实现标定流动通道的其它方式获得。例如，排气压力调节器100的前部111可在合适的位置处设有开孔161，用于实现气体流道106和排气压力室132之间的希望的标定流动通道144，如图7中所示。因此，开孔161的尺寸与获得希望的压力节流效果相关。开孔可替代地设置在杆105内，或设置在形成排气压力室132的壁的其它部分内。
例如在发动机制动期间，燃烧发动机的活塞的往复运动在排气流内生成具有一定频率的规则周期性压力图样。排气流内的此规则周期性压力图样165的简化示例在图8中示意性地示出。该压力图样可具有一定的幅值166和一定的周期长度167。实际的压力图样将最可能具有不类似于正弦函数的规则周期压力图样。
该规则周期性排气压力图样可与调节活塞130和弹簧122组件在加压位置或在待用位置与加压位置之间的中间状态中的共振频率一致，或是该共振频率的倍数。因此，存在的风险是，调节活塞130在一定的发动机运行工况下开始以高幅值震荡，因此有可能损坏调节活塞130、弹簧122和/或调节器100的喷嘴150。
通过降低所述压力图样的幅值166，可降低调节活塞受到周期性压力图样影响的敏感性。这可通过降低暴露于排气压力图样165的、调节活塞130的有效表面积来进行。然而，简单降低有效表面积可能导致失去或至少损伤所希望的调节活塞的自调节。
根据本公开的解决方法包括：提供具有排气压力室132的调节器100，所述排气压力室132具有与排气压力图样165大约相同的平均压力，但具有降低的幅值；以及使调节活塞130的有效表面积的至少一部分暴露于排气压力室132的小幅值压力。因此，减少了暴露于大幅值排气压力图样165的、调节活塞130的有效表面积量，同时仍维持调节器100的自调节功能性。
能够通过为内扩散器组件110设置用于实现气体流道106内的压力和排气压力室132内的压力之间的压力平衡的至少一个节流通道144，从而实现具有与排气压力图样165大约相同的平均压力但具有降低幅值的排气压力室132。所述节流通道构造为过滤排气中的大幅值压力图样，同时仍允许气体流道106的压力和排气压力室132的压力之间的压力平衡。通过在气体流道106和排气压力室132之间提供受控的泄漏面积来进行过滤和压力平衡。因此，在不首先失去一定能量(幅值)的情况下，大幅值的压力图样不能传播到排气压力室132内。然而，为避免在瞬态改变之后获得的压力平衡前的过长延迟，泄漏面积不能过小。
通过适当选择泄流，可明显地降低暴露于排气中的高幅值压力图样的有效表面积，这取决于暴露于高幅值压力图样和低幅值压力的、调节活塞的有效表面积的比例。
在图3的示例实施例中，暴露于排气中的高幅值压力图样的、调节活塞130的有效表面积以虚线力向量168示出，暴露于排气压力室132的低幅值压力图样的、调节活塞130的有效表面积以实线力向量169示出。在图3的示例实施例中，可暴露于排气流道内的高幅值排气的、调节活塞的有效表面积的总量明显低于50％。
术语“调节活塞的有效表面积”在此指的是：在暴露于压力介质时可导致调节活塞上的轴向力的、调节活塞的表面。
在图8中，对于具有一定泄流144的调节器100，示例了排气压力室132内的压力图样170的示意性的且简化的图示。在此理想示例中，幅值171明显降低(被衰减)，且平均压力大体等于排气流的平均压力。因此，所述至少一个节流通道构造为基本上形成用于排气流道内的动态压力脉动的低通滤波器，其中例如具有大约10Hz以上、特别是1Hz以上的频率的压力变化的高频压力变化被衰减。因此，排气压力室132内的压力将主要具有低频压力变化，例如低于10Hz，特别地低于1Hz。具有此低频率的压力变化可被考虑为主要代表了一定时间段内排气流道中的平均压力。
所述节流通道可优选地构造为使得排气流道内的动态压力脉动的高频分量的、即例如具有高于10Hz特别是高于1Hz的频率的高频分量的压力衰减程度至少为-6dB，特别地至少为-10dB，且更特别地至少为-20dB。图8中所示的排气压力室132内的示例的压力图样170的幅值以大约-20dB被衰减。
如前文简述，排气压力调节器100可优选地用于车辆的制动，而不必使用摩擦制动器。在驾驶员下推制动踏板时，要求特定的制动力。车辆的ECU则可计算使得调节活塞130移动的相应的空气压力，因此调节活塞130可至少部分地关闭排气压力调节器100的排气道106。对于此应用，空气压力可例如在1至10巴的范围内，从而克服弹簧力以及排气压力。
在另一个应用中，排气压力调节器100使用在发动机加热模式中，此时希望升高排气的温度。在此情况中，车辆的ECU将计算排气的希望的通流以提供希望的温度，且随后在控制压力室164内施加相应的压力水平。
虽然压力调节器100已描述为与涡轮增压器单元50和涡轮机复合单元60串联运行，但容易理解的是，其它应用也可适合于建议的排气压力调节器100。优选地，排气压力调节器可布置如下的任何应用中，在这些应用其中，涡轮增压器单元中的例如径流式涡轮机之后跟随有涡轮机复合单元或另一涡轮增压器单元中的例如轴流式涡轮机。此外，排气压力调节器100可与所有类型的活塞式发动机结合使用，所述发动机从单缸发动机起且至带有更多的缸的发动机，包括二冲程或四冲程发动机，用于道路车辆、航海设备等。虽然已经描述了气压系统用于运行排气压力调节器100，但也可以使用其它装置，例如机械装置和/或液压装置。
在不偏离其精神或基本特征的情况下，本发明可实施为其它特定的形式。应当认识到的是，上述示例的多种特征可组合且匹配，以形成多种其它的替代。如此，所述实施例在所有方面被考虑为仅是阐述性而非限制。因此本发明的范围通过后附权利要求所示而非通过前述描述所示。落在权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变应包括在权利要求的范围内。
在权利要求中提及的附图标号不应视作限制通过权利要求保护的主旨的范围，其唯一的功能是使得权利要求更容易被理解。

Claims (28)

1.一种用于燃烧发动机(10)的排气压力调节器(100)，所述调节器(100)包括调节器壳体(108)和内扩散器组件(110)，所述内扩散器组件(110)被布置在所述调节器壳体(108)的内部，使得所述调节器壳体(108)的内表面(107)和所述内扩散器组件(110)的外表面(109)之间形成有排气流道(106)，其中，所述内扩散器组件(110)包括前部(111)和调节活塞(130)，所述调节活塞(130)能够相对于所述前部(111)和所述调节器壳体(108)在待用位置和加压位置之间移动，在所述待用位置，所述排气流道(106)打开；在所述加压位置，所述调节活塞(130)至少部分地关闭所述排气流道(106)，其特征在于，所述内扩散器组件(110)包括至少一个节流通道(144)，所述节流通道(144)位于所述排气流道(109)和由所述调节活塞(130)与所述前部(111)的内表面(113)所限定的排气压力室(132)之间。
2.根据权利要求1所述的排气压力调节器，其特征在于，所述至少一个节流通道(144)构造为形成用于所述排气流道(106)内的动态压力脉动的低通滤波器。
3.根据前述权利要求中任一项所述的排气压力调节器，其特征在于，利用标定的流漏来提供所述至少一个节流通道(144)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的排气压力调节器，其特征在于，所述至少一个节流通道(144)被构造为：所述排气压力室(132)内的平均压力水平大体上对应于在通向所述节流通道(144)的入口处的排气流的平均排气压力水平。
5.根据前述权利要求中任一项所述的排气压力调节器，其特征在于，所述内扩散器组件(110)的总节流通道(144)的流动面积在0.5至10mm2的范围内，特别在1至6mm2的范围内，更特别在2至4mm2的范围内。
6.根据前述权利要求中任一项所述的排气压力调节器，其特征在于，所述总节流通道(144)被构造为：所述排气流道(106)内的动态压力脉动的高频分量的压力衰减程度至少为-6dB，特别地至少为-10dB，且更特别地至少为-20dB。
7.根据前述权利要求中任一项所述的排气压力调节器，其特征在于，所述内扩散器组件(110)包括密封环(137)，所述密封环(137)被构造为至少部分地密封所述调节活塞(130)与所述内扩散器组件(110)的前部(111)之间的流动通道，使得利用经过所述密封环(137)的标定流漏来提供所述至少一个节流通道(144)。
8.根据权利要求7所述的排气压力调节器，其特征在于，所述密封环(137)是金属活塞环。
9.根据权利要求8所述的排气压力调节器，其特征在于，处于安装状态的所述金属活塞环具有位于所述活塞环的周向端部之间的间隙(145)。
10.根据权利要求9所述的排气压力调节器，其特征在于，所述活塞环的周向端部之间的弧形间隙(145)的周向长度(146)在2至50mm的范围内，特别地在3至25mm的范围内，且更特别地在5至20mm的范围内。
11.根据前述权利要求1至6中任一项所述的排气压力调节器，其特征在于，利用经过所述内扩散器组件(110)的前部(111)内的至少一个开孔(161)的标定流漏来提供所述至少一个节流通道(144)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的排气压力调节器，其特征在于，所述调节活塞(130)的、能够由所述排气流道(106)内的排气朝着所述调节壳体(108)的出口在所述调节活塞(130)上施加轴向力的有效表面积的总量小于所述调节活塞(130)的、能够由所述排气压力室(132)内的排气朝着所述调节壳体(108)的出口在所述调节活塞(130)施加轴向力的有效表面积的总量的75％，特别地小于其50％，且更特别地小于其30％。
13.根据前述权利要求中任一项所述的排气压力调节器，其特征在于，所述前部(111)静止地布置在所述调节器壳体(108)内。
14.根据前述权利要求中任一项所述的排气压力调节器，其特征在于，所述排气压力调节器(100)进一步包括控制压力室(164)，所述控制压力室(164)由所述调节活塞(130)、喷嘴单元(150)和杆(105)来限定，其中，所述控制压力室(164)内的加压介质被布置为朝着所述加压位置在所述调节活塞(130)上施加力。
15.根据权利要求14所述的排气压力调节器，其特征在于，所述压力调节器(100)进一步包括压力介质流动通道，用于将加压介质从外侧压力介质源供给到所述控制压力室(164)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的排气压力调节器，其特征在于，所述内扩散器组件(110)的前部(111)具有面向所述排气压力调节器(100)的排气流入口的封闭端部和面向所述排气压力调节器(100)的排气出口的打开端部，其中，在所述调节活塞(130)的轴向邻靠表面和所述内扩散器组件(110)的前部(111)的相对轴向邻靠表面之间设置有环形的阻尼元件(172)，用于缓冲所述调节活塞(130)和所述内扩散器组件(110)的前部(111)之间的冲击力。
17.根据权利要求16所述的排气压力调节器，其特征在于，所述内扩散器组件(110)的前部(111)具有锥形形状，该锥形形状具有从所述封闭端部向着所述打开端部的轴向方向上大体增加的外径，且所述内扩散器组件(110)的前部(111)的相对轴向邻靠表面位于靠近所述打开端部或位于所述打开端部处的径向外部区域内。
18.根据权利要求16或17所述的排气压力调节器，其特征在于，所述环形阻尼元件(172)是金属织物衬套。
19.根据前述权利要求中任一项所述的排气压力调节器，其特征在于，由所述调节器壳体(108)的内表面(107)和所述内扩散器组件(110)的外径限定的内横截面积沿着轴向方向(118)朝着所述排气压力调节器(100)的出口增加，且所述内扩散器组件(110)同心地布置在所述调节器壳体(108)的内表面(107)的内侧。
20.根据前述权利要求中任一项所述的排气压力调节器，其特征在于，所述调节活塞(130)被机械弹簧装置(122)的作用力向着所述待用位置推动。
21.根据前述权利要求中任一项所述的排气压力调节器，其特征在于，所述调节活塞(130)包括套筒部分(131)，所述套筒部分(131)与所述内扩散器组件(110)的前部(111)的外侧(109)滑动接触，且当所述调节活塞(130)处于所述加压位置时，所述套筒部分(131)突出到所述排气流道(106)内，以至少部分地关闭所述排气流道(106)。
22.根据前述权利要求中任一项所述的排气压力调节器，其特征在于，所述内扩散器组件(110)包括静止杆(105)，且所述调节活塞(130)滑动地布置在所述杆(105)上。
23.一种用于内燃机的排气系统，其特征在于，所述排气系统包括位于第一涡轮机单元的下游和第二涡轮机单元的上游的、根据权利要求1至21中任一项所述的气体压力调节器(100)。
24.根据权利要求23所述的排气系统，其特征在于，所述内扩散器组件(110)形成用于所述第二涡轮机单元的喷嘴。
25.根据权利要求23或24所述的排气系统，其特征在于，所述第二涡轮机单元是涡轮机复合单元(60)。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的排气系统，其特征在于，所述第一涡轮机单元是涡轮增压器单元(50)。
27.一种燃烧发动机(10)，所述燃烧发动机包括根据权利要求23至26中任一项所述的排气系统。
28.一种车辆，所述车辆包括根据权利要求27所述的燃烧发动机(10)。
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