用于发动机系统的压力平衡回转阀.pdf

本发明涉及用于发动机系统的压力平衡回转阀，其中提供配置为调节内燃发动机系统的排气通道中的流量的装置。该装置包括：位于排气通道内并界定出第一区域和第二区域的壳体，其中第一区域包括第一挡件和第一阀板，第一挡件完全环绕第一区域，第一阀板落座于第一挡件上以密封第一区域，第二区域包括第二挡件和第二阀板，第二挡件完全环绕第二区域，第二阀板落座于第二挡件上以密封第二区域；连接在第一和第二阀板之间的变换机构，该机构通过壳体中的一组齿轮连接第一和第二阀板，以通过该机构将用于关闭第一阀板的力变换用于开启第二阀板，或相反；及用于使该变换机构运动的执行器，该运动使第一和第二阀板两者同时旋转。

1.  一种配置为调节内燃发动机系统的圆形排气通道中的流量的装置，包括：
位于圆形排气通道内并界定出第一区域和第二区域的圆形壳体，其中第一区域包括第一挡件和第一阀板，第一挡件完全环绕第一区域，第一阀板落座于第一挡件上以密封第一区域，第二区域包括第二挡件和第二阀板，第二挡件完全环绕第二区域，第二阀板落座于第二挡件上以密封第二区域；
连接在第一阀板和第二阀板之间的变换齿轮机构，所述变换齿轮机构通过壳体中的一组齿轮连接第一阀板和第二阀板，以通过该变换齿轮机构将用于关闭第一阀板的力变换用于开启第二阀板，或通过该变换齿轮机构将用于关闭第二阀板的力变换用于开启第一阀板；及
用于使所述变换齿轮机构运动的执行器，该运动使第一阀板和第二阀板两者同时旋转。

2.  如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变换齿轮机构包括多个齿轮。

3.  如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一阀板和第二阀板具有基本相同的尺寸。

4.  如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述变换齿轮机构至少包括三个齿轮，其中第一齿轮在第一阀板的轴上连接到第一阀板，第二齿轮在第二阀板的轴上连接到第二阀板，第三齿轮连接在第一齿轮和第二齿轮之间并与执行器连接，且第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮在同一平面上。

5.  如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述变换齿轮机构由所述圆形壳体包含，以使变换齿轮机构与气流隔离。

6.  如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一阀板和第二阀板为半圆环盘状。

7.  一种用于发动机的系统，包括：
具有旁路的涡轮增压器；及
配置为调节旁路中的排气流量的阀装置，所述装置包括位于排气通道中并界定出排气通道的第一流动区域的第一挡框；位于排气通道中并界定出排气通道的第二流动区域的第二挡框；位于第一挡框的一部分和第二挡框的一部分之间并在第一流动区域和第二流动区域外部的阀套筒；位于阀套筒的内部区域中的阀板变换器；可旋转地连接到阀板变换器的半月形的第一阀板，所述第一阀板位于第一挡框上游的排气通道中；可旋转地连接到阀板变换器的半月形的第二阀板，所述第二阀板位于第二挡框下游的排气通道中，所述阀板变换器配置为将促使第一阀板从第一挡框上游的位置朝向第一挡框运动的第一力变换为促使第二阀板从第二挡框下游的位置朝向第二挡框运动的第二力，所述第一阀板围绕第一轴旋转，第二阀板围绕第二轴旋转，所述第一轴位于所述第二轴上游。

8.  如权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括容量比所述涡轮增压器小的第二涡轮增压器，所述第二涡轮增压器的压缩机设置在所述涡轮增压器的压缩机下游。

9.  如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述阀装置还包括与阀板变换器可操作地连接的阀板执行器，所述阀板执行器配置为通过阀板变换器使第一阀板相对于第一挡框运动并使第二阀板相对于第二挡框运动。

10.  如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述阀板执行器配置为通过阀板变换器使第一阀板离开第一挡框运动并使第二阀板离开第二挡框运动。

用于发动机系统的压力平衡回转阀
技术领域
本发明涉及配置为调节内燃发动机系统的排气通道中的流量的装置，具体涉及用于内燃发动机系统的流量装置的压力平衡回转阀。
背景技术
在内燃发动机中用阀阻止流体沿通道向下游流动以控制涡轮增压器。回转阀可用在发动机排气道中，因为其具备可有效地密封排气通道从而几乎不允许流体流到阀下游的能力。因为其相对于流动方向的配置，回转阀需要非常多的能量来工作。
美国专利5,634,333号中描述了涡轮增压器控制的一个示例。在该示例中认识到应尽可能高效地正确密封排气通道的需要。其使用了改良的回转阀密封排气通道。该改良包括通过一系列轴和枢轴连接到阀板的弹簧机构和隔膜。隔膜连接到进气歧管以允许歧管压力在隔膜上施加力从而移动弹簧并允许排气门开启。因为使用进气压力而不是电力来驱动阀门执行器，这允许发动机更高效地工作。
控制排气道中的流量的另一种方法可以使用蝶阀。蝶阀需要小得多的驱动力就可开启阀。不幸的是，蝶阀不能有效地密封通道，因为它不能使转动的阀板落座以阻止流体在通道中的流动。
发明人在此认识到上述方法中的每个的若干问题。首先，改良的回转阀可能在多种不同的发动机工况下不开启。例如，如果歧管压力过低，则改良的回转阀不能开启。在改良的回转阀中使用进气压力来驱动执行器会降低发动机有效地向发动机中的汽缸提供的压力从而降低发动机转速。用于在改良的回转阀中驱动执行器的管道系统会由于增加额外的部件而增加发动机的尺寸和成本。最后，蝶阀不需要非常大的驱动力即可开启，但不能有效地密封通道，从而使大量流体在阀处于关闭位置时通过阀流向下游。
发明内容
在一个实施例中，通过在排气通道中使用压力平衡回转阀可以解决上述问题，压力平衡回转阀用于减少操作回转阀需要的功率量，使涡轮增压器系统更加高效地工作，同时当阀处于关闭位置时在通道中保持有效的密封。通过简单的传动装置将流体施加在阀上的力变换为对抗的力(opposing forces)，可以实现此效果。以此方式，可以获得流动面积的高效使用，且该方法可以进一步应用于包括圆形管道的各种管道形状。此外，在一个示例中，可以通过内部齿轮机构来变换力，从而提供小型化的设计。
附图说明
图1示出具有压力平衡回转阀的串联式涡轮增压器系统的示意图。
图2a示出处于关闭位置的示例压力平衡回转阀的示意图。
图2b示出处于开启位置的示例压力平衡回转阀的示意图。
图2c示出图2a和2b中的示例压力平衡回转阀的附加视图。
图3示出描述用于控制图1所示发动机系统的操作的示例方法的流程图。
具体实施方式
图1示出包括串联的一对涡轮增压器和内燃发动机36的发动机系统50的示意图。该对串联的涡轮增压器可以包括较大容量涡轮增压器20和较小容量涡轮增压器28。较大容量涡轮增压器可以包括经轴24连接到较大容量涡轮26的较大容量压缩机22。较小容量涡轮增压器可以包括经轴32连接到较小容量涡轮34的较小容量压缩机30。涡轮增压器20和28可以单独使用或组合使用以在较宽范围的工况下提供预定的增压水平。可以分别提供压缩机旁路通道13和17以允许进气绕过压缩机22和30。可以沿压缩机旁路通道13提供压缩机旁路阀14，沿压缩机旁路通道17提供压缩机旁路阀18以控制绕过每个压缩机的进气的量。
作为压缩机旁路通道和相关的压缩机旁路阀的补充或替代，可以分别提供压缩机进气阀12和16以进一步调节向压缩机22和30提供的进气的量。压缩机旁路阀和/或压缩机进气阀可以是回转阀、节流阀，或压力平衡回转阀。参考图2a-图2c详细示出可作为阀12、14、16或18中的一个使用的示例压力平衡回转阀的示意图。
进气节流阀10可以位于压缩机和压缩机旁路阀的上游以进一步调节发动机接收的进气的量。作为替代或补充，可以在压缩机30的出口下游提供进气节流阀。
位于多汽缸内燃发动机36的下游的发动机排气通道37向在该示例中串联的涡轮34和/或涡轮26提供排气。可以提供旁路通道39和43分别用于涡轮34和26。旁路通道39和43分别可以包括旁路阀40和44。旁路阀40和44可以由电子控制器48控制以改变重定向绕过涡轮中的一个或两者的排气的量。注意，虽然控制器48如所示与阀44通信，控制器48也可以与本文中所述的每个阀通信。例如，控制器48可以接收来自每个阀的指示阀位置的输入并可以向与每个阀关联的执行器提供阀控制信号以改变阀位置。涡轮进气阀38和42分别位于涡轮34和26的上游以进一步调节涡轮所接收的排气的量。涡轮旁路阀和/或涡轮进气阀可以是回转阀、节流阀，或压力平衡回转阀。因此，可以基于选择的发动机工作模式和工况在发动机操作期间调节各个阀的位置，如本文中参考图3详述。参考图2a-图2c详细示出可作为阀38、40、42或44中的一个使用的示例压力平衡回转阀的示意图。
在较大容量涡轮26的出口的下游提供后处理装置46。后处理装置可以包括催化剂、过滤器、捕集器，或其他适合的排气后处理装置。
可以提供控制系统，包括控制器48，用于确定发动机系统的工况和调节和/或监视一个或多个下列参数(components)：进气节流阀10的位置、压缩机旁路阀14和18的位置、压缩机进气阀12和16的位置、涡轮旁路阀40和44的位置、涡轮阀38和42的位置、来自发动机36的曲轴角传感器的曲轴角、发动机转速、进入发动机汽缸的燃料的喷射正时和喷射量，及发动机的温度，以及本文中所述的其他发动机参数。
现参考图2a、2b和2c，示出可作为图1所示的阀12、14、16、18、38、40、42和/或44中的一个或多个使用的示例压力平衡回转阀。然而，应理解，本文中所述的压力平衡回转阀可以包括在其他不一定含有涡轮增压器的发动机系统配置中。
图2a示出处于完全关闭位置的示例压力平衡回转阀200的侧视图的示意图。作为一个示例，压力平衡回转阀可以沿如作为通道的纵向截面图的图2a和2b所示290处的进气通道或排气通道设置。在一些实施例中，通道290可以是圆形通道。
在该具体示例中，压力平衡回转阀200如图所示包括阀壳体232，该阀壳体可以紧靠通道290的内壁落座。阀200包括由总体上在230处示出的变换装置套筒或壳体包含的变换装置或变换机构236。第一阀板212经阀板臂213可移动地连接到变换装置236。第二阀板224经阀板臂225可移动地连接到变换装置236。第一和第二阀板的每个可以部分为圆形，如基本上为如图2c所示的半月形。例如，阀板可以具有基本上与外部通道290的形状匹配的第一圆形边，在一个示例中外部通道290可以基本上为圆形。阀板的每个还可以在阀的内部区域中如图2c所示具有基本上为直线的第二边。再者，内部区域中的第二边可以包括附加的缺口以允许安装到如图所示的齿轮。以此方式，可以实现流动面积的高效使用，同时提供压力平衡阀操作。
在一些示例中，阀板212可以经枢轴连接215可移动地连接到阀板臂213，阀板224可以经枢轴连接227可移动地连接到阀板臂225。在该具体示例中，枢轴连接215和227允许阀板212和224相对于其相应的臂在单个自由度上旋转，然而应理解，在其他示例中，枢轴连接215和217可以配置为允许阀板212和224相对于其相应的臂在多个自由度上旋转。例如，枢轴连接215和227可以配置为球窝接头。以此方式，枢轴连接215和227可以允许阀板更好地符合挡框(stopper frame)上的配合面，从而在如图2a所示的关闭位置上提供更好的阀密封。
阀200包括由第一挡框210界定的第一流动区域229。在图2a所示的关闭位置上，阀板212可以紧靠挡框210以基本上减少或禁止通过流动区域229的气流。因此，在至少一个示例中，挡框210界定第一流动区域229的周长。阀200还包括由第二挡框222界定的第二流动区域231。在图2a所示的关闭位置上，阀板224可以紧靠挡框222以基本上减少或禁止通过流动区域231的气流。因此，在至少一个示例中，挡框222界定第二流动区域231的周长。作为一个非限制性示例，上部阀板和下部阀板可以具有由其相应的挡框互补的半圆环盘状，如图2c所示。然而，在其他示例中，阀板的相对尺寸和/或形状可以改变。例如，挡框和/或阀板可以具有不同的形状以适应通道的具体几何形状。
阀臂213和225如图所示连接到变换装置236。可以配置变换装置236以使阀板212在对应于通过流动区域229的流体流量减少的方向上的运动(如，阀板212朝向挡框210的运动)造成阀板224在对应于通过流动区域231的流体流量减少的方向上的运动(如，阀板224朝向挡框222的运动)。类似地，阀板212在对应于通过流动区域229的流体流量增加的方向上的运动(如，阀板212离开挡框210的运动)造成阀板224在对应于通过流动区域231的流体流量增加的方向上的运动(如，阀板224离开挡框222的运动)。以此方式，这对阀板也可以在相同的角方向上旋转，这会造成阀板相对于234处所示的流体流动方向反向变换。注意，在该具体示例中，阀板212位于挡框210的上游侧，阀板224位于挡框222的下游侧。因此，为了关闭这两个流动区域，阀板212和224落座在其相应的挡框上(如通过直角接触)，以基本上密封整个通道290。
作为一个非限制性示例，变换装置可以通过包括第一齿轮218的第一轴或轴承219提供上述功能。即变换装置可以是变换齿轮机构。齿轮218可以与分别由轴或轴承217和221支撑的齿轮216和220啮合。阀臂213可以固定连接到轴217和/或齿轮216以使轴217和/或齿轮216的旋转造成阀臂213的旋转，或使阀臂213的旋转造成轴217和/或齿轮216的旋转。类似地，阀臂225可以固定连接到轴221和/或齿轮220以使轴221和/或齿轮220的旋转造成阀臂225的旋转，或使阀臂225的旋转造成轴221和/或齿轮220的旋转。
轴219可以接收来自马达或执行器的输入(如图2c所示)以造成齿轮218在顺时针或逆时针方向上的旋转，从而造成阀臂213和225相应的旋转。此外，在一些示例中，变换装置210和/或轴219跨过通道290的中部。例如，阀壳体232可以在位于通道的相对两侧的至少两个位置上固定连接到壳体230和/或变换机构236，如图2c示意性地示出。
为了从关闭位置开启压力平衡回转阀，执行器顺时针旋转主动齿轮(如，齿轮218)，使上部阀板和下部阀板离座并在逆时针方向上旋转(如，参考图2a和2b所示)。当阀停在关闭位置时，流体向上部阀板施加力228，促使上部阀板关闭，并产生围绕左侧从动齿轮的力矩，左侧从动齿轮进而向主动齿轮218施加逆时针的力。流体向下部阀板施加力230，促使下部阀板开启，并产生围绕右侧从动齿轮的力矩，右侧从动齿轮进而向主动齿轮218施加顺时针的力。与不平衡的回转阀相比，这些对抗的力允许执行器施加较低的驱动力来开启和关闭阀。通过力在阀板上的平衡还可以减小执行器的尺寸和功率，从而提高执行器的效率，即便在发动机排气的腐蚀性环境中也不牺牲流密封性。
右侧从动齿轮(如，齿轮220)、左侧从动齿轮(如，齿轮216)及主动齿轮(如，齿轮218)可以由壳体232包含。壳体可以配置为阻止或减少通过变换装置的流体流，从而允许包含的部件保持较低温度并较少地暴露在腐蚀性环境条件下。这进而可以减少部件的热损伤和/或减少流体留在变换装置上的残留物(如，排气产物)的累积。该壳体可以由金属，如不锈钢组成。也可以使用具有类似耐热性和抗腐蚀的其他材料。壳体中也可以包含有绝热体(未示出)以减少从流体到变换装置的热传递。在另一个实施例(未示出)中，可以使用变换装置的其他配置，包括附加的齿轮机构。此外，在一些示例中，应理解变换装置236可以包括不包含齿轮或包含其他齿轮配置的其他配置，而仍然提供与上文所述相同的功能。
图2b从侧面示出处于开启位置的压力平衡回转阀。在该位置，减小的力作用于上部阀板和下部阀板两者，因为上部阀板和下部阀板与气流234的流线成一直线。然而，在压力平衡回转阀处于关闭位置且(如，由控制器48)开始开启模式时，当阀板在(如，通过执行器或马达)向主动齿轮218提供的机械输入作用下离开其相应的挡框旋转时，流体流(如，气流)作用于阀板上的力开始增加。压力平衡回转阀将施加在上部阀板和下部阀板的力变换为对抗的力，从而允许执行器施加比其他方式所需驱动力小的驱动力来开启和关闭阀。在压力平衡回转阀处于开启位置且控制器发出关闭指令时，主动齿轮可以施加逆时针的力(如，参考图2a和2b所示)以克服力228和230，直到上部阀板和下部阀板与挡件(stopper)直接接触。
在该示例中，描述开启模式和关闭模式。在关闭模式中，提供第一旋转方向(如，逆时针的驱动力)，直到阀板紧靠其相应的挡框落座。在开启模式中，控制器可以施加顺时针的驱动力，直到阀板所成的线基本上平行于流体流动方向。通过施加所需的驱动力以使阀板保持在不垂直或不平行于流体运动的固定位置(如，部分开启位置)，可以实现多种不同模式。以此方式，可以精确控制经过阀的气流的量。注意，发动机控制器可以通信连接到执行器或马达以控制阀200的旋转，例如图2c所示。
图2c示出与图2a和2b所示纵向截面视图正交的沿通道290的横截面得到的替代视图。在图2c的示例中，压力平衡回转阀处于关闭位置。图中示出下部挡框、上部阀板和下部阀板以及与控制器48通信的执行器280。
图3示出描述用于控制图1所示发动机系统50的操作的示例方法的流程图。在310，确定发动机工况。作为一个非限制性示例，控制器48可以基于从各种传感器接收的信号确定发动机系统的当前工况。例如，控制器48可以通过与发动机的曲轴通信的发动机转速传感器确定发动机转速。控制器48还可以基于从用户输入装置，如加速器踏板接收的信号确定驾驶员要求的发动机输出。此外，控制器48可以接收指示发动机进气系统和/或排气系统的各个区域中的进气的质量空气流量、进气温度，和/或进气压力的信号。本领域技术人员阅读本公开后应理解，这些和其他适合的发动机传感器可以向控制器48提供对发动机工况的指示。
响应于310处确定的工况，可以在312判断是否开始较大容量涡轮增压器20的操作。作为一个示例，控制器可以基于发动机转速和/或通过车辆驾驶员输入要求的发动机输出确定开始较大容量涡轮增压器的操作。例如，较大容量涡轮增压器的操作可以在较高的发动机转速下使用并在较低的发动机转速下停止或减少。如果312处的回答为是，则控制器可以向适当的阀发出指令以开始较大容量涡轮增压器的操作，如操作314-320中的一个或多个所示。
例如，在314，控制器可以指令压缩机阀12进入开启位置。在316，控制器可以指令压缩机旁路阀14进入关闭位置。在318，控制器可以指令涡轮阀42进入开启位置。在320，控制器可以指令涡轮旁路阀44进入关闭位置。以此方式，可以引导排气通过较大容量涡轮增压器20的涡轮26，从而增加压缩机22的转速，进而可以向发动机36提供增加的增压。注意，在本文提供的每个示例中，阀12、14、42和44中的一个或多个可以是参考图2a-图2c所述的压力平衡回转阀。
或者，如果312处的回答为否，如操作322-328中的一个或多个所示，控制器可以向适当的阀发出指令以停止较大容量涡轮增压器的操作。例如，在322，控制器可以指令压缩机阀12进入关闭位置。在316，控制器可以指令压缩机旁路阀14进入开启位置。在318，控制器可以指令涡轮阀42进入关闭位置。在320，控制器可以指示涡轮旁路阀44进入开启位置。以此方式，可以减少引导通过较大容量涡轮增压器20的涡轮26的排气的量或停止引导排气通过该涡轮，从而降低压缩机22的转速，进而可以降低向发动机36提供的增压水平。
在330，可以基于310处确定的工况判断是否开始较小容量涡轮增压器28的操作。作为一个示例，与较大容量涡轮增压器相比，可以在较低的发动机转速下或对较低的发动机输出请求开始较小容量涡轮增压器的操作。因此，在发动机转速和/或发动机扭矩或功率输出减少时，可以开始较小容量涡轮增压器的操作并停止较大容量涡轮增压器的操作。相反，在发动机转速和/或发动机扭矩或功率输出增加时，可以开始较大容量涡轮增压器的操作并停止较小容量涡轮增压器的操作。此外，在更低的发动机转速或发动机输出请求期间，也可以停止较大容量涡轮增压器和较小容量涡轮增压器两者的操作。再者，在更高的发动机转速或发动机输出请求期间，也可以开始较大容量涡轮增压器和较小容量涡轮增压器两者的操作。
如果330处的回答为是，则如操作332-338中的一个或多个所示，控制器可以向适当的阀发出指令以开始较小容量涡轮增压器的操作。在332，控制器可以指令压缩机阀16进入开启位置。在334，控制器可以指令压缩机旁路阀18进入关闭位置。在336，控制器可以指令涡轮阀38进入开启位置。在338，控制器可以指令涡轮旁路阀40进入关闭位置。以此方式，可以引导排气通过较小容量涡轮增压器28的涡轮34，从而增加压缩机30处的转速，进而可以通过涡轮增压器28向发动机36提供增加的增压。注意，在本文提供的每个示例中，阀16、18、38和40中的一个或多个可以是参考图2a-图2c所述的压力平衡回转阀。
或者，如果330处的回答为否，则如操作340-346中的一个或多个所示控制器可以向适当的阀发出指令以停止较小容量涡轮增压器的操作。例如，在340，控制器可以指令压缩机阀16进入关闭位置。在342，控制器可以指令压缩机旁路阀18进入开启位置。在344，控制器可以指令涡轮阀38进入关闭位置。在346，控制器可以指令涡轮旁路阀40进入开启位置。以此方式，可以减少引导通过较小容量涡轮增压器28的涡轮34的排气的量或停止引导排气通过该涡轮，从而降低压缩机30处的转速，进而降低向发动机36提供的增压水平。
虽然用于使用本文所述压力平衡回转阀的示例方法是在包括串联设置的两个涡轮增压器的发动机系统的情况下阐述，但应理解，压力平衡回转阀可以用在其他发动机系统中以实现相同或不同的优点，包括具有不同涡轮增压器配置的发动机系统或不包括涡轮增压器或其他增压装置的发动机系统。
注意，本文中所包括的控制和估值例程可用于各种发动机和/或车辆系统配置。本文中所述的具体例程可以表示任何数量的处理策略中的一种或多种，如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所示的各个步骤、操作或功能可以按所示的顺序执行，并行执行，或在某些情况下省略。类似地，处理的顺序不是实现本文中所述的示例实施例的特征和优点所必需，而是为便于演示和说明而提供。取决于所使用的具体策略，可以重复执行所示步骤或功能中的一个或多个。此外，所述步骤可以在图形上表示编程到发动机控制系统中的计算机可读存储媒体中的代码。
应理解，在本文中公开的配置和例程本质上是示例性的，且这些具体实施例不应被视为具有限制意义，因为大量的变体是可能的。例如，上述技术可以应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4、及其他的发动机类型。本公开的主题包括在本文中公开的各种系统和配置，及其他特征、功能，和/或属性的所有新颖和非显而易见的组合及子组合。
本申请的权利要求特别指出视为新颖和非显而易见的特定组合及子组合。这些权利要求可能引用“一个”元素或“第一”元素或其等价。这样的权利要求应被理解为包括对一个或一个以上这样的元素的结合，而不是要求或排除两个或两个以上这样的元素。所公开的特征、功能、元素和/或属性的其他组合及子组合可以通过本申请权利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来请求保护。这样的权利要求，无论是在范围上比原始权利要求更宽、更窄、等价或不同，都应被视为包括在本申请的主题之内。