CN1133627A - 具有带导引阀的气动致动器的涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

一种气动致动器，用来控制一种以废气驱动的涡轮增压器的废气闸阀。它包含一个导引活塞，该活塞只在达到所要求的增压压力时才响应增压压力而打开。依此，避免了废气闸阀的过早打开，这是因为主致动活塞一直保持在大气压力下，直到获得所要求的致动压力。

Description

具有带导引阀的气动致动器的涡轮增压器
本发明涉及一种由废气驱动的涡轮增压器，它在发动机处于低速时可提高其增压压力。一个由废气驱动的涡轮增压器利用发动机的废气，向一发动机供给增压空气，以转动安装在一轴上的涡轮，从而转动安装在同一个轴另一端上的压缩器轮。压缩器轮对空气进行压缩，并将增压空气输供给发动机的进气歧管，以此提高发动机的功率。若增压空气的压力值过高，则发动机有可能超增压而受损；因此，通常的做法是配置一个废气闸阀来控制涡轮增压器。当增压空气的压力值增高到预定水平时，该废气闸阀便打开涡轮周围的旁路通道。废气闸阀通常由一气动致动器来起动，该致动器是压缩器轮提供的增压空气压力值来操纵的。
一般地说，在发动机处于低速时，最好尽快提高增压压力值，以提高发动机的效能。然而，在以前技术的涡轮增压器上，在发动机处于低速时的增压压力值由于过早打开废气闸阀而丧失掉了。这是由于下述情况所致：控制废气闸阀的气动致动器遇到逐渐增大的增压压力，从而在达到设计所要求的打开废气闸阀的压力值之前，便逐渐打开了废气闸阀；另一个原因是，作用在涡轮增压器涡轮区段中的废气闸阀上的废气压力亦有强迫废气闸阀打开的倾向。后一因素由于下述事实而增强：在发动机正常运转过程中，废气的压力值产生脉动。由于增压空气的利用率减小，使得发动机在其处于低速时的效率降低了。
本发明采取下述措施来解决上述问题：配用一个导引阀，以防止增压空气进入气动致动器中，直到达到增压空气的预定压力值，即废气闸阀应打开时的压力值。因此，增压空气受阻，在发动机低速运转时不能操纵气动致动器，从而使得在气动致动器中基本上保持大气压力，直到增压压力达到预定水平，即废气闸阀应打开时的水平。在这个压力值上，导引阀打开，使增压空气进入气动致动器。在这里，增压空气作用于常规的致动活塞，以操纵废气闸阀的致动连杆机构。由于在达到预定的压力值之前，废气闸阀一直保持关闭状态，所以在发动机低速运转时可实质上提高发动机的效能。
本发明的这些优点及其它优点，参照附图详细说明如下，图示：
图1是按照本发明的设计制造的涡轮增压器的部分断面侧视图；
图2是图1所示涡轮增压器的效能曲线图，与以前技术的相似涡轮增压器的效能相比；
图3是基本上沿图1中3-3线所取的断面视图，示明气动致动器各部所处的位置，即它们的增压压力值达到废气闸阀打开所需预定压力值之前所处的位置；
图4是基本上沿图3中4-4线所取断面图；
图5和6所示与图3相似，但示明气动致动器各部所处的位置是在起动废气闸阀时的位置；
图7和8所示与图3相似，但示明本发明的供选择的实施例。
现在参照附图，涡轮增压器均以数字10表示，它包含：一个中心外壳12；一个涡轮外壳14，安装在中心外壳12的一个端上；一个压缩器外壳16，安装在外壳12的另一端上。主轴18利用一对依轴向隔离开的轴承可以旋转地安装在中心外壳12之中，其中一个轴承以20表示。主轴18的一端伸入涡轮外壳14中，并将一常规的涡轮22支承在涡轮外壳14中。涡轮外壳14还有一个入口(未示出)，该入口可让废气进入一个圆周地延伸的蜗形室26中。该蜗形室环绕着涡轮22，并将高能量废气导入涡轮22中。废气在通过涡轮22之后，便经过出口28被排入发动机排气系统中。一个旁通通道30绕过涡轮22，将蜗形室26与出口28直接连接起来。一个废气闸阀32包括一个杠杆致动器34，该杠杆致动器以枢轴形式安装在涡轮外壳14上，以36表示。依此，如图1所示，废气闸阀可以在连通旁通通道30的开位和闭位之间移动。涡轮22固定在主轴18上，使得由经过蜗形室26的废气会驱动涡轮的旋转，这也能使主轴18旋转。
压缩器轮38安装在主轴18的另一端，此端伸入压缩器外壳16中。旋转压缩器轮38时，空气经过入口40被吸入，并被排入出口蜗形室42，该出口蜗形室与连接在发动机进气歧管(未示出)上的出口(未示出)相沟通。压缩器轮38属于常规设计，它固定在主轴18上，使得由涡轮22驱动的主轴18的旋转亦能带动压缩器轮38旋转。依此，压缩器轮38的旋转将从入口40吸入的空气加以压缩，并将增压空气输供至出口。
一个压力操纵的致动器此后以数字46表示，它安装在压缩器外壳16上，包括一个输出连杆机构48，该连杆与操纵废气闸阀32的杠杆34相连。增压空气被排入出口蜗形室42中，并通过软管52被输往致动器46的入口突出部50。致动器46包含一个外壳，通以数字54表示。该外壳由一个环形伸展的壁56和一对横向端壁58、60组成。外壳54由两个半部构成，这两个半部通过一环形延伸的卷边62而被联结成一体。入口突出部50安置在端壁58上；连杆48伸过端壁60。一个致动器弹簧64将一个冲压成型的金属致动器活塞66向上推，见图3。活塞66包括：一个环向延伸的外裙68；一个内裙70，它与外裙68相结合而定界出一个空腔，用之以承接致动器弹簧64的一端；一个横向延伸部72。横向延伸部72通过一个连接件74被固定在致动连杆48上。
活塞66还包括：三个沿环向间隔开的、径向地朝里突出的部分76，它们引导一个导引活塞78，该导引活塞可以滑动地承接在凹口80中。凹口80由横向延伸部分72和致动器活塞66的内裙70加以定界。导引活塞78包括一个横向延伸的部分81和一个轴向伸出的环向延伸的裙部82，裙部82从部份81上延伸出来。裙部82是突出部分76引导的导引活塞78的一部分。致动器活塞66的横向延伸部分72还包括一个环向延伸的表面84，它与裙部82的下端相接合，以限制导引活塞78对于致动器活塞66的相对运动。导向活塞78是被导向弹簧85向上推动的，参看有关的图，该导向弹簧85伸延在致动器活塞66的横向延伸部分72和导引活塞78的横向延伸部分81之间。一个柔性隔板通以数字86表示，它包含一个外围部分88。该外围部分在卷边62范围中卷在壁56中，并延伸越过致动器活塞66的一个横向延伸部分90(该部分联结裙部68和70)，进而延伸越过导引活塞78的横向延伸部分81。隔板86配有一个与之成一体的柱销91，该柱销插在导引活塞78的横向延伸部分81的一个孔眼中，与裙部82共轴，以确定隔板与活塞66和78的相应位置，并防止隔板相对于导引活塞78滑动。导引活塞弹簧85将导引活塞78压入，使之与阀座94密封地接合，后者定界在端壁58上形成的向里突出的唇部96上。阀座94外接入口突出部50。端壁58上有一个放气孔95。在导引活塞78与阀座94密封地接合之后，该放气孔将剩余压力从外壳54放出。放气孔95是足够大的，可以在合理的时间内放出剩余压力，这个时间是与保持外壳54中的压力足以在导引活塞78从阀座94移开之后起动活塞66相当的。
图2是表示发动机输入增压压力和发动机速度之间的关系曲线图。参照图2，所要求的发动机速度和增压压力之间的关系在图中以实线ABC表示。依此，如图所示，增压压力沿AB线随着发动机速度增高而增大，直到达到B点，这是合乎需要的。B点表示对发动机的最大允许增压。在B点，合乎需要的做法是：废气闸阀打开，依照BC线限制增压以适应发动机速度的任何进一步增高。以往技术的装有废气闸的涡轮增压器依从的是虚线曲线XY；因为如上面所论及的，废气闸阀在速度超过图2中以点X表示的发动机速度时，有过早打开的倾向。因此，发动机相当一部分增压丧失在发动机的临界速度范围内，在这个范围内的增压是最符合需要的。如将看到的，按照本发明的导引活塞能防止增压空气在压力达到B点所示预定压力之前进入致动器46。依此，按照本发明的指导制造的涡轮增压器基本上遵从曲线ABC；虽然此装置视导向弹簧85的预负荷校准而定，可以超过所要求的压力，如曲线Q所示，也可以略低于所要求的压力，如曲线R所示。
参照图3，致动器46的各部分按其所处位置加以示明：此时，正被输供给发动机的增压压力低于打开废气闸阀所需要的压力，见图2中B点所示。在此条件下，弹簧85可屈服地将导引活塞78推入，使之与阀座94密封地接合。依此，弹簧64保持致动器活塞66处于图中所示的向上位置，从而废气闸连杆机构48使废气闸阀保持在关闭位置。须注意一点：导引活塞78的有效面积在图3中是以面积A1表示的。
现在参照图5，致动器46的各部分按其所处位置加以示明：这时正好达到图2中的B点，它表示所需的最大允许增压压力。在这一条件下，增压压力通过入口突出部50传输并作用于整个面积A1，它足以克服导向弹簧85，使之屈服，并驱动导引活塞78向下行，参看有关的图，直到裙部82的端部与表面84相啮合。此处须指出：在导引活塞离开阀座94之后，活塞的有效面积便成为后者的整个横向面积，在图5中以面积A2表示。由于面积A2比面积A1大得多，所以与导引活塞78重新关闭所处的压力相比，需要更高的压力才能开始打开导引活塞78。依此，阀的“自激振动”得以减小到最小限度，这种“自激振动”是由于导引活塞78受瞬时压力波动的影响而快速开闭所致。
在导引活塞78以阀座94上移开之后，致动器活塞66的有效面积就成为裙部68所表示的整个外径。依此，弹簧64的力被克服，从而驱动活塞78和66向下行，朝向图6所示位置，参看图3，5和6。随着上述两个活塞向下移动，致动器活塞66的运动通过连杆机构48被传递到废气闸阀，并打开该闸阀。
虽然图2中所示低于定额值的R在大多数应用中是可容许的，但图2中由曲线Q表示的任何超定额值则是不能容许的。因此，在某些应用中最好能调节由导向弹簧85所施加的力，使弹簧得到调节，从而将任超定额的值或低于定额的值减至最小。现在参照图7，一个带有螺纹的部件98被固定在致动器活塞66的横向表面72上。部件98的螺纹与致动连杆48上的螺纹100相啮合。于是，可以转动致动连杆(在涡轮增压器组装时将连杆固定在废气闸阀上之前)，以调节导向弹簧85的长度。参照图8，一个调节用的杯形件102配有螺纹104，这些螺纹与入口突出部50的内径上的相应螺纹相啮合。依此，可将一改锥或类似工具插过入口突出部开着的一端，以旋动杯形件102，借以调节由弹簧85所施加的力。在此情况下，杯形件102的横向表面106就成了与图3所示实施例中阀座94相当的阀座，导引活塞78就是密封地接合在此阀座94上的。由于重要的是要对外壳54的任何泄漏严加限制，所以杯形件102上的螺纹最好是尺寸稍大的尼龙螺纹，这样的尼龙螺纹能实现与入口突出部50上的螺纹密封。另一个办法是，可将一O型密封垫圈(图中未示出)安装在杯形件102上的凹槽内(未示出)，以此实现与入口突出部50的密封接合。
有些涡轮增压器，如专利US-A-4,643,640所公开的那种，都配有一种可调节的几何结构机构作为涡轮外壳14的一部分。可调变的几何结构机构由一气动致动器操纵，在以前技术的涡轮增压器上，当发动机处于低速时，该气动致动器被置于逐渐增大的增压压力之下。因此，可调变的几何结构机构是以气动方式操作的。致动器46，通过一个常用的连杆机构，便可用来操纵可调变的几何结构机构，从而避免可调变几何结构机构的过早运转。

Claims (11)

1.废气驱动的涡轮增压器，含有一个压缩器外壳(16)、一个涡轮外壳(14)、一个中心外壳(12)和一根轴(18)，中心外壳一端上支承着涡轮外壳(14)，另一端上支承着压缩器外壳(16)，轴(18)被支承着可在所述中心外壳(12)内旋转，轴(18)的一端伸入所述压缩器外壳(16)中并支承着一压缩器轮(38)以实现相对于压缩器外壳(16)的旋转，轴(18)的另一端伸入所述涡轮外壳(14)中并支承着一涡轮(22)，以实现相对于涡轮外壳(14)的旋转，所述涡轮外壳(14)包含一个装置，用来引导发动机废气经过涡轮(22)使轴(18)转动，所述压缩器外壳包含一个装置，用来将空气引过压缩器入口(40)，然后引向压缩器轮(38)以实现空气的压缩，从而产生增压空气，并引导增压空气再通过出口(26)从压缩器外壳(16)出来，所述涡轮外壳(14)包含一个机械致动的装置(32)，可用来限制增压空气的压力，涡轮外壳还包括一个压力操纵的致动器(46)，它可以响应增压空气的压力值对所述机械致动的装置(32)进行操纵，所述致动器(46)包含一个致动器外壳(54)、一个致动器活塞(66)、连杆件(48)和控制件(78)；致动器外壳(54)配有一致动器入口(50)，用以连通增压空气，致动器活塞(66)可响应通过致动器入口(50)通入致动器外壳(54)中的压力的值，连杆件(48)用来连接致动器活塞(66)和机械致动的装置(32)，控制件(78)装在致动器外壳(54)中，用来关闭致动器入口(50)，直到增压空气的压力值达到预定的水平。
2.按照权利要求1所述的以废气驱动的涡轮增压器，其特征在于：所述控制件(78)是一个导引活塞(78)，它可以滑动地安置在所述致动器外壳(54)中，一个导向控制弹簧(85)可以屈服地推动所述导引活塞(78)，使之与阀座(94)密封接合，以控制通过致动器入口(50)进入致动器外壳(54)的通路。
3.按照权利要求2所述的由废气驱动的涡轮增压器，其特征在于：所述导引活塞(78)与所述致动器活塞(66)共轴，所述致动器活塞(66)被一致动器弹簧(64)推向所述致动器入口(50)。
4.按照权利要求3所述的废气驱动的涡轮增压器，其特征在于：致动器外壳(54)包含一个环向延伸的唇部(94)，环绕着所述致动器入口(50)，所述唇部(94)限定的阀座(94)与所述导引活塞(78)相啮合，以控制通过所述致动器入口(50)的通路。
5.按照权利要求3所述的废气驱动的涡轮增压器，其特征在于：致动器外壳(54)有一环向延伸的壁(56)，环绕一轴线；还有一对与该轴线相垂直地延伸的端壁(58，60)，所述两活塞(66，78)中的每一个都能沿上述轴线移动，所述致动器入口(50)由所述端壁(58，60)之一承载着，而且与所述活塞(66，78)共轴。所述连杆机构(48)伸过另一端壁。
6.按照权利要求5所述的废气驱动的涡轮增压器，其特征在于：所述活塞(66，78)中的每一个包含一个流体压力响应表面、一个隔板(86)和一部件(91)，隔板(86)具有一外围部分(88)，固定在所述环向延伸的壁(56)上，并横越两个活塞(66，78)的流体压力响应表面，部件(91)将隔板(86)固定在所述导引活塞(78)上。
7.按照权利要求3所述的废气驱动的涡轮增压器，其特征在于：所述活塞(66，78)的每一个都可以沿一轴线移动，所述导引活塞(78)具有一轴向突出部环向延伸的裙部(82)，裙部(82)的端缘可以与所述致动器活塞(66)的环向延伸的表面相啮合，以限制所述导引活塞(78)相对于所述致动器活塞(66)的相对轴向运动。
8.按照权利要求3所述的废气驱动的涡轮增压器，其特征在于：所述活塞(66，78)中的每一个都可以沿一轴线移动，与之协动的导引机构(76，82)由所述活塞(66，78)承载，以实现导引活塞(78)相对于致动器活塞(66)的定中心和导引。
9.按照权利要求3所述的废气驱动的涡轮增压器，其特征在于：配备了校准装置(104)，用来控制导引活塞(78)从所述阀座(94)移开时所处的压力值。
10.按照权利要求9所述的废气驱动的涡轮增压器，其特征在于：所述校准装置包括一个处于连杆件(48)和致动器活塞(66)之间的可调连接件。
11.按照权利要求10所述的废气驱动的涡轮增压器，其特征在于：所述校准装置(104)包括一个杯形件，它以螺纹与致动器入口(50)相啮合，而且可与所述导引活塞(78)相啮合，所述杯形件可以相对于所述致动器外壳(54)进行调节，以控制所述导向控制弹簧(85)的力。
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